(57)【要約】【課題】回転子の磁極位置を検知するセンサ等を設けることなく、２相の同期電動機を動作させることができる、モータ及びモータ駆動制御装置並びに換気扇、液体用ポンプ、冷媒圧縮機、送風機、空気調和機及び冷蔵庫を得る。【解決手段】ＰＷＭ制御により直流電圧を交流電圧に変換してモータ７に印可するインバータ回路５と、モータ７の固定子巻線８に流れる電流を検出する電流検出手段１１と、電流検出手段１１が検出した電流に基づき、インバータ回路５をＰＷＭ制御して、モータ７を同期運転させるセンサレス制御手段１０とを備えるものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１巻線と第２巻線とを有する２相の固定子巻線と、永久磁石から成る複数の磁極を有する回転子とを備えたモータを駆動するモータ駆動制御装置において、
ＰＷＭ制御により直流電圧を交流電圧に変換して前記モータに印可するインバータ回路と、
前記モータの固定子巻線に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段が検出した電流に基づき、前記インバータ回路をＰＷＭ制御して、前記モータを同期運転させる制御手段と
を備えたことを特徴とするモータ駆動制御装置。
【請求項２】
前記制御手段は、
前記インバータ回路をＰＷＭ制御することにより、前記固定子巻線の各巻線に流れる巻線電流を制御して、前記モータを同期運転させることを特徴とする請求項１記載のモータ駆動制御装置。
【請求項３】
前記制御手段は、
前記インバータ回路をＰＷＭ制御することにより、前記固定子巻線の各巻線に誘起される誘起電圧に応じた電圧位相制御を行い、前記モータを同期運転させることを特徴とする請求項１記載のモータ駆動制御装置。
【請求項４】
前記制御手段は、
前記電流検出手段により検出された電流を、励磁電流成分であるｄ軸電流と、トルク電流成分であるｑ軸電流のｄｑ座標電流に変換する電流座標変換部と、
前記ｄｑ座標電流のｑ軸電流の値に基づき、与えられる速度指令値に対する補償量を求めるすべり補償部と、
与えられた速度指令値を前記補償量により補償し、補償された速度指令値を出力する速度制御器と、
前記補償された速度指令値と、与えられた励磁電流指令値と、前記ｄｑ座標電流値に基づいて、前記モータを駆動するための出力電圧指令値を求める電流制御部と、
前記出力電圧指令値を２相電圧指令値に変換する電圧座標変換部と、
前記２相電圧指令値に基づき、前記インバータ回路をＰＷＭ制御するためのスイッチング信号を発生するＰＷＭ信号発生手段と
を備えたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のモータ駆動制御装置。
【請求項５】
整流回路を備え、
前記インバータ回路は、
前記整流回路により整流された直流電圧が入力されることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のモータ駆動制御装置。
【請求項６】
平滑コンデンサを複数有する倍電圧整流回路を備え、
前記インバータ回路は、
前記整流回路により整流された直流電圧が入力され、前記平滑コンデンサの電圧がバランスするように制御されることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のモータ駆動制御装置。
【請求項７】
前記インバータ回路は、
６つのスイッチング素子をブリッジ結線して構成されることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のモータ駆動制御装置。
【請求項８】
前記インバータ回路は、
前記固定子巻線の各巻線が当該インバータ回路の出力端子に接続されることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載のモータ駆動制御装置。
【請求項９】
前記インバータ回路は、
前記固定子巻線の各巻線の一端と、前記固定子巻線の共通端子とが当該インバータ回路の出力端子に接続されることを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載のモータ駆動制御装置。
【請求項１０】
前記制御手段は、
前記回転子の磁極位置を検知する検出手段によらず、前記モータを同期運転させるよう制御することを特徴とする請求項１〜９の何れかに記載のモータ駆動制御装置。
【請求項１１】
第１巻線と第２巻線とから成る２相の固定子巻線を有する固定子と、
永久磁石により複数の磁極を有する回転子と
を備え、
前記固定子巻線は、
前記固定子と前記回転子とが組み合わされてから、巻回がなされることを特徴とするモータ。
【請求項１２】
第１巻線と第２巻線とを有する２相の固定子巻線と、永久磁石から成る複数の磁極を有する回転子とを備えたモータと、
請求項１〜９の何れかに記載のモータ駆動制御装置と
を備えたことを特徴とする換気扇。
【請求項１３】
第１巻線と第２巻線とを有する２相の固定子巻線と、永久磁石から成る複数の磁極を有する回転子とを備えたモータと、
請求項１〜９の何れかに記載のモータ駆動制御装置と
を備えたことを特徴とする冷媒圧縮機。
【請求項１４】
第１巻線と第２巻線とを有する２相の固定子巻線と、永久磁石から成る複数の磁極を有する回転子とを備えたモータと、
請求項１〜９の何れかに記載のモータ駆動制御装置と
を備えたことを特徴とする送風機。
【請求項１５】
第１巻線と第２巻線とを有する２相の固定子巻線と、永久磁石から成る複数の磁極を有する回転子とを備えたモータと、
請求項１〜９の何れかに記載のモータ駆動制御装置と
を備えたことを特徴とする液体用ポンプ。
【請求項１６】
請求項１３記載の冷媒圧縮機を備えたことを特徴とする空気調和機。
【請求項１７】
請求項１４記載の送風機を備えたことを特徴とする空気調和機。
【請求項１８】
請求項１３記載の冷媒圧縮機を備えたことを特徴とする冷蔵庫。
【請求項１９】
請求項１４記載の送風機を備えたことを特徴とする冷蔵庫。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ及びモータ駆動制御装置並びに換気扇、液体用ポンプ、冷媒圧縮機、送風機、空気調和機及び冷蔵庫に関し、特に、２相の固定子巻線と、永久磁石から成る複数の磁極を有する回転子とを備えたモータ及びその制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
換気扇等の送風機用モータには、堅牢かつ駆動制御装置が不要で安価な単相誘導電動機が用いられている。送風機の分野では、単相誘導電動機の使用量は圧倒的多数のため、誘導電動機に特化した設備投資がなされ、通常、自動化生産が行われている。従来の自動化生産対応の誘導電動機は、例えば、省資源や銅損失の低減を目的として、「外輪部を形成する外輪ヨーク部５に複数の磁極片７からなる内輪磁極部１０を嵌め込み固定子鉄心６を形成し、内輪磁極部１０の一方の端面に突設され、絶縁用ウェッジ３１の挿入用溝を側壁に設けたコイルガード１６を含む絶縁樹脂を成形固着する。そして、回転子１７を内輪磁極部１０内に挿入し、回転子１７にピン本体２５を有して外側ポール２４と内側ポール２３とよりなる巻枠柱２０からなる絶縁ガバー１９を被せ、内側ポール２３と内輪磁極部１０中心との間にコイル２６を巻回する。」ものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、近年、省エネや快適性への関心の高まりから、低風量運転や、低風量長時間連続（２４時間対応）運転機能を備える製品が好まれている。その場合、送風量を可変とする必要がある。従来、送風量を連続的に可変する誘導電動機の電動機駆動装置は、例えば、「単相２巻線式誘導電動機１５０の主巻線１５２および始動巻線１５４は２相電源の第１の相電圧ＶＰ１および第２の相電圧ＶＰ２の両端に接続される。巻線１５２と１５４の間は共通巻線１５６によって接続される。２相電源は好ましい位相角で電動機１５０を駆動する。」ものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
また、例えば、「２相の固定子巻線（主巻線４ａと補助巻線４ｂ）を有するモータ４を、６石のインバータ回路３により、主巻線４ａの電圧波形Ｖｍを基準に、補助巻線４ｂの電圧波形Ｖａの電圧位相と、２相巻線の共通端子５ｃの電圧波形Ｖｃの電圧位相と電圧波高値を各々自由に調整する。」ものが提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−６９５９号公報（要約）
【特許文献２】特開平６−５４５８５号公報（要約）
【特許文献３】特開２００５−１８４８８５号公報（要約）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
誘導電動機は、回転子に銅損が発生し、その損失を無くすことは原理上不可能である。一方、永久磁石により複数の磁極を有する回転子（以下、「マグネットロータ」ともいう）を用いた同期電動機では、回転子での銅損が原理上発生しないため、同期電動機（以下、「モータ」ともいう）単体での損失を低減することができる。
このため、誘導電動機の回転子を、マグネットロータとし、同期電動機として動作させることで、回転子の銅損を無くすことができる。但し、同期電動機は、原理上、固定子（以下、「ステータ」ともいう）が発生する回転磁界と回転子の磁極とが同期しないと連続的にトルクを発生しないため、回転子の状態にあわせ、回転磁界を制御する必要がある。
通常、送風機等に用いられる同期電動機では、回転子の磁極位置を検知する磁極位置検知センサ（以下、「センサ」ともいう）をモータ内に内蔵し、その信号をもとに回転磁界を制御する方法が用いられる。
【０００７】
しかしながら、例えば特許文献１に示されるような、銅量が少なく自動生産に適した電動機構造では、回転子と固定子とを組み合わせた状態で巻線を行うため、回転子が巻線及びその絶縁カバーに覆われてしまい、その近傍にセンサを取り付けることができない。センサを取り付けるためには、電動機の構造を変更するか又は手加工により生産する必要がある。電動機の構造を変更する場合は、新たな自動化生産設備が必要となり、また、手加工により生産する場合は、生産性が低く、加工費が著しく増加する。
【０００８】
また、一般的な誘導電動機では、固定子のコイルエンドが大きいため、その近傍では漏れ磁束の発生量が大きく、固定子の端部に、センサを配置した場合、誤動作による信頼性低下の回避が課題となる。一般的には固定子の磁石の磁力を上げ、センサに入力される磁束密度を大きくする設計を行うが、その場合磁石の価格が著しく増加する。
また、コイルエンドを低減するように固定子の巻線に集中巻き方式を用いる方法もあるが、静音性を求められる送風機等に用いる誘導電動機では、この巻線方式をとることはできず、誘導電動機と同期電動機とを同一の生産ラインで製造することはできない。この場合、誘導電動機と同期電動機の双方の生産設備が必要となり、双方の生産量がアンバランスな場合、生産量の少ない方の電動機の生産設備費用の回収が難しくなる。
【０００９】
また、近年、住宅解体時産業廃棄物の処理に建築業者は苦労しており、リサイクル性能の高い換気扇用モータが好まれる。仮に前記センサを内蔵可能な構造が得られたとしても、前記センサは通常電子回路基板上にガリウム砒素やインジュームアンチモン等の化合物半導体を用いたセンサ素子を実装することで実現されるため、モータ内部にセンサが内蔵された場合、リサイクル時の分解・分類要素が増加し、リサイクル性を悪化させ、ひいては建築業者に好まれない。
【００１０】
また、例えば特許文献２，３に示されるような、従来の２相誘導電動機の駆動装置では、上述した、回転子の状態にあわせ回転磁界を制御する機能が無いため、誘導電動機の回転子を、マグネットロータとし、同期電動機として駆動することは不可能である。また、一般的な同期電動機は、制御性が良い３相モータが用いられており、２相の同期電動機に対し低騒音かつ高効率で磁極位置検知センサレス運転をするための制御技術は開発されていなかった。このため３相モータを用いるためには、現状の２相モータと別の生産設備を必要とし、モータに生産設備費用を加えたトータルのコストが、大幅に大きくなる。特に現状大量に２相誘導電動機を生産し搭載している換気扇やポンプに対しては顕著である。
【００１１】
このように、２相誘導電動機の回転子を、永久磁石により複数の磁極を有する回転子とし、同期電動機として動作させる場合、回転子の磁極位置を検知するセンサ等を設けることなく、２相の同期電動機を動作させることができない、という問題点があった。
【００１２】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、回転子の磁極位置を検知するセンサ等を設けることなく、２相の同期電動機を動作させることができる、モータ及びモータ駆動制御装置並びに換気扇、液体用ポンプ、冷媒圧縮機、送風機、空気調和機及び冷蔵庫を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明に係るモータ駆動制御装置は、第１巻線と第２巻線とを有する２相の固定子巻線と、永久磁石から成る複数の磁極を有する回転子とを備えたモータを駆動するモータ駆動制御装置において、ＰＷＭ制御により直流電圧を交流電圧に変換して前記モータに印可するインバータ回路と、前記モータの固定子巻線に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段が検出した電流に基づき、前記インバータ回路をＰＷＭ制御して、前記モータを同期運転させる制御手段とを備えるものである。
【発明の効果】
【００１４】
この発明は、モータの固定子巻線に流れる電流に基づき、インバータ回路をＰＷＭ制御して、モータを同期運転させることにより、回転子の磁極位置を検知するセンサ等を設けることなく、２相の同期電動機を動作させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
実施の形態１．
図１は実施の形態１に係るモータとモータ駆動制御装置の回路図である。図１において、モータ駆動制御装置は、整流回路２と、インバータ回路５と、センサレス制御手段１０と、電流検出手段１１とにより構成され、商用電源１から供給される電力により駆動される２相同期電動機（以下、「モータ」という）７の運転を制御するものである。
【００１６】
商用電源１は、日本の一般家庭の場合、１００Ｖ５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの単相交流が一般的に使用されている。また、業務用や海外では２００Ｖ以上の単相交流が使われることがある。
【００１７】
整流回路２は、全波整流回路となっており、商用電源１の交流電圧を直流電圧に変換する。例えば、商用電源１がＡＣ１００ＶではＤＣ１４０Ｖへ変換する。この整流回路２は、４個の整流ダイオード３ａ〜３ｄをブリッジ接続して構成される。更に、電解コンデンサ４により平滑している。
【００１８】
インバータ回路５は、整流回路２で整流された直流電圧出力が入力され、後述するセンサレス制御手段１０の動作によりＰＷＭ制御を行い、入力された直流電圧を任意電圧、任意周波数の３相交流に変換する。このインバータ回路５は、例えばＦＥＴ等のスイッチング素子６ａ〜６ｆを各々ブリッジ接続して構成される。また、各々のスイッチング素子６ａ〜６ｆには並列に逆電流方向に高速ダイオードが内蔵されている。この内蔵されている高速ダイオードはスイッチング素子６ａ〜６ｆがオフしたとき還流電流を流す働きをする。さらに、インバータ回路５には、スイッチング素子６の各アームの電流を電圧に変換するシャント抵抗１２が設けられている。
【００１９】
モータ７は、１６スロット４極の２相同期電動機（ブラシレスＤＣモータ：ＢＬＤＣＭ）であり、換気扇１００（後述）を駆動する。このモータ７は、第１巻線である主巻線８ａと、第２巻線である補助巻線８ｂとを有し、主巻線８ａ及び補助巻線８ｂ（以下、区別しないときは単に「巻線８」という）の、一方の端子が共通端子となる２相巻線を有する固定子（図示せず）と、永久磁石から成る複数の磁極を有する回転子であるマグネットロータ９とからなる。また、主巻線８ａと補助巻線８ｂは位相９０度異なる機械的位置に配置されている。また、モータ７は主巻線端子Ｍと補助巻線端子Ｓと各々の巻線８の共通端子Ｃを有している。モータ７の各端子は、それぞれインバータ回路５の出力端子に接続されている。
【００２０】
電流検出手段１１は、インバータ回路５のシャント抵抗１２ａ，１２ｂ，１２ｃにより電圧に変換したインバータ回路５の各アームの電流を、増幅・レベルシフトを行いセンサレス制御手段１０に各アーム電流を出力するものである。
【００２１】
センサレス制御手段１０は、電流検出手段１１から得られる各アーム電流から、インバータ回路５のスイッチング素子６のスイッチング時間を決定することでＰＷＭ（パルス幅変調：Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を行い、モータ７の各巻線８に電圧を印加し、巻線８の巻線電流を制御することで、マグネットロータ９に同期した回転磁界を発生し、モータ７を駆動制御する。
【００２２】
図２は実施の形態１に係るセンサレス制御手段の構成を示すブロック図である。図２において、センサレス制御手段１０は、電流座標変換部２０と、電流制御部２１と、電圧座標変換部２２と、すべり補償部２５と、速度制御器２６と、θｅ演算部２７と、ＰＷＭ信号発生手段３３とにより構成されている。
【００２３】
電流座標変換部２０は、電流検出手段１１から入力された各アーム電流を二相静止座標上のαβ軸電流へ変換するαβ軸電流変換部２３と、このαβ軸電流をｄｑ軸電流ｉｄｑに変換するｄｑ軸電流変換部２４とにより構成されており、電流検出手段１１から入力された電流を励磁電流成分であるｄ軸電流（ｉｄ）とトルク電流成分であるｑ軸電流（ｉｑ）とに変換する。
【００２４】
すべり補償部２５は、電流座標変換部２０から入力されたｄｑ軸電流ｉｄｑのトルク電流成分（ｉｑ）に基づき、速度指令値（後述）の角速度を補償する補償量ωｄを演算して速度制御器２６へ入力する。
【００２５】
速度制御器２６は、すべり補償部２５から入力された補償量ωｄを用いて、外部から与えられる目標の角速度値である速度指令値ωｒｅｆを補償し、補償された後の速度指令値である一次角速度ω１を演算する。
【００２６】
θｅ演算部２７は、一次角速度ω１を積分して位相角θｅを求める。この位相角θｅは、ｄｑ軸電流変換部２４及びαβ軸電圧指令変換部３１の座標変換に用いられる。
【００２７】
電流制御部２１は、電流誤差演算部２８と、ローパスフィルタ２９と、電流制御器３０とで構成されいる。電流誤差演算部２８は、外部から与えられるｄ軸電流指令値ｉｄ＊と、電流検出手段１１から入力されたｄｑ軸電流ｉｄｑの励磁電流成分（ｉｄ）との誤差を演算して電流誤差ｉｅｒｒを電流制御器３０へ入力する。ローパスフィルタ２９は、電流検出手段１１から入力されたｄｑ軸電流ｉｄｑの高周波成分を除去して、フィルタ通過後のｄｑ軸電流ｉｄｑであるフィルタ通過値ｉｄｑ＿ｆｉｌを電流制御器３０へ入力する。電流制御器３０は、外部から与えられるｄ軸電流指令値ｉｄ＊と、すべり補償部２５から得られた補償量ωｄと、電流誤差演算部２８から得られた電流誤差ｉｅｒｒと、ローパスフィルタ２９から得られたフィルタ通過値ｉｄｑ＿ｆｉｌとから、モータ７を駆動するための出力電圧指令値であるｄｑ軸電圧指令Ｖｄｑを演算する。
【００２８】
電圧座標変換部２２は、θｅ演算部２７から得られた位相角θｅを用いて、ｄｑ軸電圧指令Ｖｄｑを２相電圧指令値であるαβ軸電圧指令Ｖαβに変換するαβ軸電圧指令変換部３１と、αβ軸電圧指令ＶαβをＭＣＳ軸電圧指令に変換するＭＣＳ軸電圧指令変換部３２とで構成される。
【００２９】
ＰＷＭ信号発生手段３３は、電圧座標変換部２２のＭＣＳ軸電圧指令から、インバータ回路５の各スイッチング素子６ａ〜６ｆのスイッチング信号Ｍｐ，Ｃｐ，Ｓｐ、Ｍｎ，Ｃｎ，Ｓｎを発生する。
【００３０】
このような構成による本実施の形態１におけるモータ駆動制御装置の動作を図１及び図２を用いて次に説明する。図１において、電流検出手段１１は、インバータ回路５のシャント抵抗１２ａ，１２ｂ，１２ｃにより検出された各アームのシャント電流を増幅・レベルシフトを行い、シャント電流ｉＭｓ，ｉＣｓ，ｉＳｓとしてセンサレス制御手段１０へ入力する。このシャント電流ｉＭｓ，ｉＣｓ，ｉＳｓを用いて、センサレス制御手段１０は、モータ７を駆動するためにインバータ回路５が出力する電圧を演算により求め、インバータ回路５内のスイッチング素子をオン・オフ制御するためのＰＷＭ信号を出力する。
【００３１】
センサレス制御手段１０は、以下に説明する動作にてＰＷＭ信号を出力する。図２において、電流座標変換部２０は、電流検出手段１１により検出されたシャント電流を、αβ軸電流変換部２３により、巻線電流ｉＭ，ｉＳに変換した後、二相静止座標上のαβ軸電流へ変換する。次に、このαβ軸電流を、ｄｑ軸電流変換部２４により、θｅ演算部２７から得られる位相角θｅを用いてｄｑ軸電流ｉｄｑに変換し、すべり補償部２５、電流誤差演算部２８及びローパスフィルタ２９へ入力する。
【００３２】
すべり補償部２５は、入力されたｄｑ軸電流ｉｄｑのトルク電流成分（ｉｑ）に基づき、速度指令値の角速度を補償する補償量ωｄを演算して速度制御器２６へ入力する。速度制御器２６では、速度指令値ωｒｅｆと補償量ωｄとの差分を取り、一次周波数ω１を求め、θｅ演算部２７と、電流制御器３０へ入力する。
一方、電流誤差演算部２８は、外部から与えられるｄ軸電流指令値ｉｄ＊と、電流検出手段１１から入力されたｄｑ軸電流ｉｄｑの励磁電流成分（ｉｄ）との誤差を演算して電流誤差ｉｅｒｒを電流制御器３０へ入力する。ローパスフィルタ２９は、電流検出手段１１から入力されたｄｑ軸電流ｉｄｑの高周波成分を除去して、フィルタ通過後のｄｑ軸電流ｉｄｑであるフィルタ通過値ｉｄｑ＿ｆｉｌを電流制御器３０へ入力する。
【００３３】
電流制御器３０は、外部から与えられるｄ軸電流指令値ｉｄ＊と、すべり補償部２５から得られた補償量ωｄと、電流誤差演算部２８から得られた電流誤差ｉｅｒｒと、ローパスフィルタ２９から得られたフィルタ通過値ｉｄｑ＿ｆｉｌとから、モータ７を駆動するためのｄｑ軸電圧指令Ｖｄｑを演算する。
次に、電圧座標変換部２２は、αβ軸電圧指令変換部３１により、ｄｑ軸電圧指令Ｖｄｑをθｅ演算部２７から得られた位相角θｅを用いて、αβ軸電圧指令Ｖαβに変換するする。次に、このαβ軸電圧指令Ｖαβを、ＭＣＳ軸電圧指令変換部３２により、ＭＣＳ軸電圧指令に変換してＰＷＭ信号発生手段３３へ入力する。
【００３４】
ＰＷＭ信号発生手段３３は、電圧座標変換部２２のＭＣＳ軸電圧指令から、ＰＷＭ信号として、インバータ回路５の各スイッチング素子６ａ〜６ｆのスイッチング信号Ｍｐ，Ｃｐ，Ｓｐ、Ｍｎ，Ｃｎ，Ｓｎを発生する。このＰＷＭ信号を基にインバータ回路５内のスイッチング素子６ａ〜６ｆがオン・オフ動作し、整流回路２の直流電圧が３相交流に変換されモータ７に印加される。尚、ＰＷＭ信号における添え字の「ｐ」は上アームスイッチング素子用であることを示し、添え字の「ｎ」は下アームスイッチング素子用であることを示す。また、Ｍ，Ｓ，Ｃは、モータ７が接続される端子に対応するスイッチング素子であることを示している。即ち、スイッチング信号「Ｍｐ」はスイッチング素子６ａの駆動信号である。
【００３５】
以上のような動作により、インバータ回路５のシャント電流を用いて、モータ２相電流ｉＭ，ｉＳを求め、さらにそれから、トルク電流成分ｉｑ、励磁電流成分ｉｄを求め、インバータ回路５のスイッチング素子６ａ〜６ｆをＰＷＭ制御することにより、ロータ磁極位置センサ信号を用いず、モータ７の制御を可能ならしめることができる。
次に、上記のようなモータ駆動制御装置により駆動され、回転子と固定子とを組み合わせた状態で巻線を行う自動生産に適したモータ７の構造について、図３を用いて説明する。
【００３６】
図３は実施の形態１に係るモータのステータ及びロータの構造図である。図３（ａ）はコイル巻線前のステータ及びロータの各部品を示し、図３（ｂ）はコイル巻線後のステータ及びロータの各部品を示している。
図３（ａ）において、絶縁カバー４０は、１６スロットのティース４３と、巻線８（図示せず）との間の絶縁を行うカバーである。マグネットロータ９は、４極の極異方配向プラスチックマグネットを用いたバックヨークなしロータである。このマグネットロータ９は、ロータシャフト９１を一体成型で形成し、その後着磁を行ったものであり、マグネットロータ９とロータシャフト９１とにより、ロータシャフトＡＳＳＹ４５を構成する。
【００３７】
図３（ｂ）において、コイル巻線後のステータティース４４は、ティース４３にロータシャフトＡＳＳＹ４５を挿入し、その後、絶縁カバー４０を挿入し、その後、巻線８（マグネットワイヤー）を巻回したものである。このコイル巻線後のステータティース４４に、ステータコアバック４６を組み合わせることで、磁路が形成され、ステータ及びロータが完成する。このステータ５０及びロータシャフトＡＳＳＹ４５にベアリング４８（図４参照）とモータフレーム４７（図４参照）とを組み合わせることで、モータ７を構成する。
【００３８】
このように、回転子と固定子とを組み合わせた状態で巻線の巻回を行うため、銅量が少なく自動生産に適したモータの構造が得られ、上述したモータ駆動制御装置により駆動することにより、回転子の磁極位置を検知するセンサ等を設けない構成とすることが可能となる。次に、このモータ７により駆動される換気扇の構成について図４により説明する。
【００３９】
図４は実施の形態１に係る換気扇の断面を模式的に示した図である。図４において、換気扇１００は、モータ７と、金属筐体１０１、シロッコファン１０２、換気扇グリル１０３と、金属製の電気品ＢＯＸ１０４とにより構成される。この換気扇１００は、天井壁２００に取り付けられる。また、シロッコファン１０２には、モータ７のロータシャフト９１が接続され、モータ７により回転駆動される。尚、電気品ＢＯＸ１０４は、ウレタン等の樹脂で防湿加工され、モータ駆動制御装置の電子回路が内蔵される。これにより、換気扇１００が浴室等の湿度の高い環境に設置することが可能である。
【００４０】
このように、上述したモータ駆動制御装置により駆動するモータ７によりシロッコファン１０２を回転駆動する構成とすることにより、従来の製造設備において製造された２相誘導電動機と同一のステータ構造に対し、ロータの入れ替えにより同期電動機を実現可能なため、モータフレーム４７についても共通化し標準化可能である。そのためモータフレーム４７の製造設備については新たな投資の必要が無く、モータ７の製造コストを低減することが可能である。さらには、このモータ７を用いた換気扇２００の取り付け構造も、従来の誘導電動機を用いたものと全く同一のものを用いることができ、取り付け構造部品の追加等が不要で、安価に省エネ性の高い同期電動機を用いた製品を製造することが可能となる。
【００４１】
以上のように本実施の形態１においては、モータ７の巻線８に流れる電流に基づき、インバータ回路５をＰＷＭ制御して、モータ７を同期運転させることにより、回転子の磁極位置を検知するセンサ等を設けることなく、２相の同期電動機であるモータ７を動作させることができる。
【００４２】
また、回転子の磁極位置を検知するセンサ等を設けることなく、２相の同期電動機であるモータ７を動作させることができるので、設備投資回収の終わった２相の誘導電動機の自動化生産設備において、誘導電動機の回転子を、マグネットロータとすることで、同期電動機を生産することができ、誘導電動機と同時に生産を行うことができる極めて生産性の高い同期電動機を得ることができる。
【００４３】
また、回転子の磁極位置を検知するセンサ等を設ける必要がないので、リサイクル時の分解・分類要素が減少し、リサイクル性を向上させることができる。
【００４４】
また、回転子の磁極位置を検知するセンサ等を設ける必要がないので、換気扇１００を浴室等の湿度の高い環境に設置する場合であっても、センサ回路等の防湿加工を別途行う必要がない。さらに、マグネットロータ９以外は従来の誘導電動機と同じ製造設備にて製造可能となり、高湿度環境の換気扇にも適用可能なモータ及びその駆動制御装置が得られる。
【００４５】
また、回転子の磁極位置を検知するセンサ等は、通常、電子回路基板上にガリウム砒素やインジュームアンチモン等の化合物半導体を用いたセンサ素子を実装することで実現される。本実施の形態のように、回転子の磁極位置を検知するセンサ等を設けない構成とすることにより、リサイクル時の分解・分類要素が低減し、換気扇及びモータとしてのリサイクル性が向上する。
【００４６】
実施の形態２．
本実施の形態２におけるモータ駆動制御装置は、整流回路２の構成を倍電圧整流回路としたものである。尚、モータ７の構成は上記実施の形態と同様である。
【００４７】
図５は実施の形態２に係るモータとモータ駆動制御装置の回路図である。図５において、モータ駆動制御装置は、整流回路２と、インバータ回路５と、電流検出手段１１と、電圧検出手段１３と、センサレス制御・中点電圧制御手段１４とにより構成され、商用電源１から供給される電力により駆動されるモータ７の運転を制御するものである。
【００４８】
本実施の形態における整流回路２は、倍電圧整流回路となっており、商用電源１の交流電圧を直流電圧に変換する。例えば、ＡＣ１００ＶではＤＣ２８０Ｖへ変換する。この整流回路２は、２個の整流ダイオード３ａ，３ｂを接続して構成される。更に、電解コンデンサ４ａ，４ｂにより平滑している。
【００４９】
インバータ回路５は、整流回路２で整流された直流電圧出力が入力され、後述するセンサレス制御手段の動作によりＰＷＭ制御を行い、入力された直流電圧を任意電圧、任意周波数の３相交流に変換する。このインバータ回路５は、例えばＦＥＴ等のスイッチング素子６ａ〜６ｄを各々ブリッジ接続して構成される。また、各々のスイッチング素子６ａ〜６ｄには並列に逆電流方向に高速ダイオードが内蔵されている。この内蔵されている高速ダイオードはスイッチング素子６ａ〜６ｄがオフしたとき還流電流を流す働きをする。さらに、インバータ回路５には、スイッチング素子６の各アームの電流を電圧に変換するシャント抵抗１２が設けられている。
【００５０】
電流検出手段１１は、インバータ回路５のシャント抵抗１２ａ，１２ｂが電圧に変換したインバータ回路５の各アームの電流を、増幅・レベルシフトを行いセンサレス制御・中点電圧制御手段１４に各アーム電流を出力するものである。
【００５１】
電圧検出手段１３は、電解コンデンサ４ａ，４ｂの中点の電圧のレベルシフトを行いセンサレス制御・中点電圧制御手段１４へ出力するものである。
【００５２】
センサレス制御・中点電圧制御手段１４は、電流検出手段１１から得られるモータアーム電流から、インバータ回路５のスイッチング素子６のスイッチング時間を決定することでＰＷＭ（パルス幅変調：Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を行い、モータ７の各巻線８に電圧を印加し、巻線８の巻線電流を制御することで、マグネットロータ９に同期した回転磁界を発生し、モータ７を駆動制御する。
また、センサレス制御・中点電圧制御手段１４は、電圧検出手段１３から得られる電解コンデンサ４ａ，４ｂ間の中点の電圧が、バランスして全体の１／２となるよう制御を行う。具体的には中点電位がバランスするよう、Ｍ相及びＳ相の電流バランスをスイッチング素子６ａ〜６ｄのＰＷＭ制御することで制御する。
【００５３】
尚、本実施の形態２における、その他の構成及び動作は上記実施の形態１と同様である（図２〜図４参照）。
【００５４】
以上のように本実施の形態２においては、上記実施の形態１の効果に加え、整流回路２に倍電圧整流回路を用いたので、上記実施の形態１の構成に比べてモータ７の巻線８間に与えられる電圧を高めることができ、同一軸出力で比較した場合、モータの誘起電圧定数を上記実施の形態１の構成に対し高めることができる。
これにより同一負荷点における、モータ７に流れる巻線電流を低減することができ、巻線８における銅損及びインバータ回路５のスイッチング素子６の導通損失を低減することが可能となり、高効率なモータ及びモータ駆動制御装置が得られる。
【００５５】
また、インバータ回路５のスイッチング素子６の個数を実施の形態１の６個から４個に低減したので、実施の形態１に比べさらに低コストかつスイッチング素子６の導通損失を低減可能な、モータ及びその駆動制御装置が得られる。
【００５６】
実施の形態３．
図６は実施の形態３に係るステータの構造を模式的に示した図である。図６において、本実施の形態３におけるステータは、ステータティース及びコアバックを一体としたステータコア６０と、このステータコア６０の内周に形成されたスロット間に巻回される巻線８と、この巻線８端末と接続され、巻線８とインバータ回路５とを結合するリード線８１とにより構成される。尚、このステータ以外の構成は上記実施の形態１又は２と同様である。
【００５７】
図６で示される本実施の形態３におけるステータは、一体のステータコア６０に対し、巻線８を束ねたものをスロットにインサートしてステータを構成するので、上記実施の形態１又は２と比べ、ステータ完成後、マグネットロータ９を挿入することが可能である。
【００５８】
ここで、従来の磁極位置検知センサ（以下、「センサ」ともいう）を必要とする同期電動機の制御の課題について説明する。図６に示したように、巻線８を束ねたものをスロットにインサートしてステータを構成した場合、巻線８のコイルエンドが、ステータコア６０の両側から大きくはみ出す。通常、トルクを出すために必要なマグネットロータ９の幅は、ステータコア６０とほぼ同幅で良い。
しかしながら、コイルエンドが大きいため、磁極位置検知センサを配置する場合、コイルエンドの幅分、ステータコア６０から、遠い位置に配置せざるをえず、その場合、ロータマグネットから出る磁束は原理上距離の１乗〜２乗に比例し弱まるため、マグネット長をセンサ側に伸ばすか別途センサ用のマグネットが必要となる。そのためコイルエンドの高さ分トルクに寄与しないマグネットを増量するか別部品が必要があり、モータのコストが高くなる。また、センサ側をコイルエンド内部に配置することも考えられるが、コイルエンドには漏れ磁束が発生するため、その場合、巻線電流に比例してセンサ出力が変動し、磁極位置の検知性能の信頼性が損なわれる。
このため、マグネットロータ９を後から挿入する製造方式を用いた２相同期電動機において、センサをモータに内蔵することは課題が多い。
【００５９】
本実施の形態３においては、上記実施の形態１又は２で説明したモータ駆動制御装置を用いてモータの駆動を制御するため、モータ内の磁極位置センサを必要とせず、図６に示すようなコイルエンドがコアの両側から大きくはみ出すステータを用いることができる。このため、低コストで信頼性の高い、モータとモータ駆動制御装置及びそれを用いた換気扇が得られる。
【００６０】
実施の形態４．
上記実施の形態１〜３では、センサレス制御手段１０は、インバータ回路５のシャント抵抗１２ａ，１２ｂ，１２ｃにより検出された各アームのシャント電流を用いてＰＷＭ制御を行い、モータ７の各巻線８の巻線電流を制御することで、マグネットロータ９に同期した回転磁界を発生し、モータ７を駆動制御したが、モータ７の各巻線８に誘起される誘起電圧に応じた電圧位相制御を行い、モータ７を同期運転させても同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００６１】
実施の形態５．
図７は実施の形態５に係る空気調和機の構成を示す図である。図７において、本実施の形態における空気調和機は、室外機３１０、室内機３２０を備え、室外機３１０には、図示しない冷媒回路に接続され冷凍サイクルを構成する冷媒圧縮機３１１、図示しない熱交換機を送風する室外機用の送風機３１２を備えている。そして、この冷媒圧縮機３１１、室外機用の送風機３１２は、上述した実施の形態１〜４のモータ駆動制御装置により制御されるモータ７により駆動される。このような構成によりモータ７を運転させても、上記実施の形態１〜４と同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００６２】
実施の形態６．
図８は実施の形態６に係る冷蔵庫の構成を示す図である。図８に示すように、冷蔵庫４００は、図示しない冷媒回路に接続され冷凍サイクルを構成する冷媒圧縮機４０１、冷却室４０２内に設けられた冷却器４０３で生成された冷気を、冷蔵室、冷凍室等に送るための冷気循環用の送風機４０４を備えている。そして、この冷媒圧縮機４０１、冷気循環用の送風機４０４は、上述した実施の形態１〜４のモータ駆動制御装置により制御されるモータ７により駆動される。このような構成によりモータ７を運転させても、上記実施の形態１〜４と同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００６３】
尚、モータ７により駆動される対象負荷として、液体循環用ポンプや井戸ポンプについて適用し、上述した実施の形態１〜４のモータ駆動制御装置により運転させても、上記実施の形態１〜４と同様の効果が得られることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】実施の形態１に係るモータとモータ駆動制御装置の回路図である。
【図２】実施の形態１に係るセンサレス制御手段の構成を示すブロック図である。
【図３】実施の形態１に係るモータのステータ及びロータの構造図である。
【図４】実施の形態１に係る換気扇の断面を模式的に示した図である。
【図５】実施の形態２に係るモータとモータ駆動制御装置の回路図である。
【図６】実施の形態３に係るステータの構造を模式的に示した図である。
【図７】実施の形態５に係る空気調和機の構成を示す図である。
【図８】実施の形態６に係る冷蔵庫の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００６５】
１  商用電源、２  整流回路、３ａ  整流ダイオード、３ｂ  整流ダイオード、３ｃ  整流ダイオード、３ｄ  整流ダイオード、４  電解コンデンサ、４ａ  電解コンデンサ、４ｂ  電解コンデンサ、５  インバータ回路、６  スイッチング素子、６ａ  スイッチング素子、６ｂ  スイッチング素子、６ｃ  スイッチング素子、６ｄ  スイッチング素子、６ｅ  スイッチング素子、６ｆ  スイッチング素子、７  モータ、８  巻線、８ａ  主巻線、８ｂ  補助巻線、９  マグネットロータ、１０  センサレス制御手段、１１  電流検出手段、１２  シャント抵抗、１２ａ  シャント抵抗、１２ｂ  シャント抵抗、１２ｃ  シャント抵抗、１３  電圧検出手段、１４  センサレス制御・中点電圧制御手段、２０  電流座標変換部、２１  電流制御部、２２  電圧座標変換部、２３  αβ軸電流変換部、２４  ｄｑ軸電流変換部、２５  すべり補償部、２６  速度制御器、２７  θｅ演算部、２８  電流誤差演算部、２９  ローパスフィルタ、３０  電流制御器、３１  αβ軸電圧指令変換部、３２  ＭＣＳ軸電圧指令変換部、３３  ＰＷＭ信号発生手段、４０  絶縁カバー、４３  ティース、４４  ステータティース、４５  ロータシャフトＡＳＳＹ、４６  ステータコアバック、４７  モータフレーム、４８  ベアリング、５０  ステータ、６０  ステータコア、８１  リード線、９１  ロータシャフト、１００  換気扇、１０１  金属筐体、１０２  シロッコファン、１０３  換気扇グリル、１０４  電気品ＢＯＸ、２００  天井壁、３１０  室外機、３１１  冷媒圧縮機、３１２  送風機、３２０  室内機、４００  冷蔵庫、４０１  冷媒圧縮機、４０２  冷却室、４０３  冷却器、４０４  送風機、Ｍ  主巻線端子、Ｓ  補助巻線端子、Ｃ  共通端子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2008193877.tif 000009
【図８】
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