(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つのスイッチング手段からなる直列回路を複数設けたインバータ回路と、前記インバータ回路の出力に接続した複数の固定子巻線を有する電動機と、前記インバータ回路の入力端子に接続したコンデンサと、直流電源と、前記直流電源の出力の一端に接続した切換手段と、前記スイッチング手段を制御する制御手段を有し、前記切換手段は、前記直流電源の出力の一端と前記コンデンサの一端の間の接続と、前記直流電源の出力の一端と前記固定子巻線どうしの接続部の接続を切り換えるように構成し、前記切換手段により前記直流電源と前記電動機を構成する複数の固定子巻線どうしの接続部が接続されたとき、前記制御手段は、前記切換手段の接続された電位側の前記スイッチング手段のうち回生電流を発生している固定子巻線とは別の固定子巻線に接続される少なくとも一つを最低一回はオンさせるようにしたインバータ装置。
【請求項２】
電動機は回転子に永久磁石を有し、前記永久磁石の前記固定子巻線に対する相対的な位置を検知する位置検知手段を有し、制御手段は、前記位置検知手段の出力に応じてスイッチング手段を制御する請求項１に記載のインバータ装置。
【請求項３】
切換手段は、電動機の目標速度が所定速度以内であるときには直流電源とコンデンサの一端を接続し、所定速度を越えるときには電動機を構成する複数の固定子巻線どうしの接続部と前記直流電源の一端を接続する請求項１または２に記載のインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般家庭で使用される電気機器に使用される電動機を駆動するインバータ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のインバータ装置の構成を図９に示す。
【０００３】
スイッチング手段１、２、３、４、５、６は半導体素子であるＩＧＢＴと逆接続ダイオードの並列回路で構成されている。
【０００４】
直列回路７は高電位側のスイッチング手段１と低電位側のスイッチング手段４が直列接続されて構成され、高電位側の直列回路８はスイッチング手段２と低電位側のスイッチング手段５が直列接続されて構成され、直列回路９は高電位側のスイッチング手段３と低電位側のスイッチング手段６が直列接続されて構成されている。
【０００５】
インバータ回路１０は直列回路７〜８が並列接続されて構成されている。つまり、スイッチング手段１〜６が三相ブリッジになるように構成されている。
【０００６】
電動機１１は三相結線された固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗを有する固定子１２と永久磁石を備えた回転子１３により構成されている。
【０００７】
直流電源１５は交流電源を整流回路により整流し、直流電圧を得るように構成される。
【０００８】
前記整流回路は例えば、ダイオードブリッジと平滑コンデンサにより全波整流を行うように構成されている。
【０００９】
制御手段７１は、マイクロコンピュータや複数の論理回路などで構成され、制御手段７１は位置検知手段１８の出力論理に応じて所定のスイッチング手段１〜６をオンオフ制御する。同時に制御手段７１は、スイッチング手段１〜６のオン期間中の通電比を制御する。つまり、図９のインバータ装置ではパルス幅変調（ＰＷＭ）を行うことで、固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗへの印加電圧の平均値を制御している。なお、図９に示したインバータ装置では、パルス幅変調を行うためのキャリア周波数を約１５．６２５ｋＨｚにしている。
【００１０】
位置検知手段１８は、回転子１３の永久磁石の磁極を検知する三つのホールＩＣ１９、２０、２１により構成され、ホールＩＣ１９〜２１は前記永久磁石の磁極に応じてハイまたはローを制御手段１８に出力する。ホールＩＣ１９〜２１は電気角で約１２０度間隔になるように固定子１２に配設されている。
【００１１】
以上のように構成されたインバータ装置の動作について説明する。
【００１２】
制御手段７１を構成するマイクロコンピュータ内のＲＯＭには、予め電動機１１の回転方向、ホールＩＣ１９〜２１の出力論理の組み合わせに応じたスイッチング手段１〜６のオンオフ状態が記憶されており、ホールＩＣ１９〜２１の論理が切り替わるごとに所定のスイッチング手段１〜６をオンオフ制御し、スイッチング手段１〜６を通じて電動機１１に三相全波の交流電力を供給する。同時に、制御手段７１は電動機１１の速度をホールＩＣ１９のハイ出力の期間をマイクロコンピュータ内のタイマカウンタにより検知し、電動機１１の速度が所定速度になるようにＰＷＭを行う。また、別の従来例としては、ＰＷＭを行う代わりに、特に図示していないが、前記整流回路の出力する直流電圧を可変にするために前記整流回路を昇圧回路または、昇降圧回路などの構成にするものもある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来のインバータ装置はスイッチング手段の通電比を制御することで電動機の印加電圧を制御するので、所望の回転速度で駆動できるが、前記スイッチング手段の通電比が１００％になった状態においては、それ以上の速度で駆動することができないので、複数の動作条件を有する機器においては、不要な動作領域が非常に多い過剰仕様の電動機やインバータ回路を必要とするという課題を有していた。
【００１４】
また、別の従来のインバータ装置は整流回路を昇圧回路または昇降圧回路の構成にして、電動機に印加する電圧を拡大し、電動機の動作領域を拡大しているが、前記昇圧回路や前記昇降圧回路を設けるために、制御方式が複雑になったり、部品点数が増え、装置の大型化、高コスト化という課題を有していた。
【００１５】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、簡単な回路構成で電動機の動作領域を拡大することを目的にしている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、二つのスイッチング手段からなる直列回路を複数設けたインバータ回路と前記インバータ回路の出力に接続した複数の固定子巻線を有する電動機と、前記インバータ回路の入力端子に接続したコンデンサと、直流電源と、前記直流電源の出力の一端に接続した切換手段と、前記スイッチング手段を制御する制御手段を有し、前記切換手段は前記直流電源の出力の一端と前記コンデンサの一端の間の接続と、前記直流電源の出力の一端と前記固定子巻線どうしの接続部の接続を切り換えるように構成し、前記切換手段により前記直流電源と前記電動機を構成する複数の固定子巻線どうしの接続部が接続されたとき、前記制御手段は、前記切換手段の接続された電位側の前記スイッチング手段のうち回生電流を発生している固定子巻線とは別の固定子巻線に接続される少なくとも一つを最低一回はオンさせるようにしたものである。
【００１７】
これにより、前記固定子巻線への印加電圧の最大値を上げることができるので、前記電動機の動作領域を高速まで広げることができるとともに、コンデンサが回生電流により過大に充電されることを防止できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１記載の発明は、二つのスイッチング手段からなる直列回路を複数設けたインバータ回路と前記インバータ回路の出力に接続した複数の固定子巻線を有する電動機と、前記インバータ回路の入力端子に接続したコンデンサと、直流電源と、前記直流電源の出力の一端に接続した切換手段と、前記スイッチング手段を制御する制御手段を有し、前記切換手段は前記直流電源の出力の一端と前記コンデンサの一端の間の接続と、前記直流電源の出力の一端と前記固定子巻線どうしの接続部の接続を切り換えるように構成し、前記切換手段により前記直流電源と前記電動機を構成する複数の固定子巻線どうしの接続部が接続されたとき、前記制御手段は、前記切換手段の接続された電位側の前記スイッチング手段のうち回生電流を発生している固定子巻線とは別の固定子巻線に接続される少なくとも一つを最低一回はオンさせるようにしたものであり、前記固定子巻線への印加電圧の最大値が前記切換手段により約二倍に切り替わるので、前記切換手段により前記直流電源の出力の一端が前記固定子巻線どうしの接続部に接続した場合は、前記切換手段により前記直流電源の出力の一端が前記コンデンサの出力の一端に接続した場合に比べ、前記固定子巻線それぞれに最大約四倍の電力を供給でき、前記電動機の動作領域を変更できるとともに、スイッチング手段がオフした際に生じる回生電流が、オフしたスイッチング手段とは逆の電位側のスイッチング手段がオンすることにより、このスイッチング手段を通じて別の固定子巻線に流れるので、コンデンサが過大に充電されることを防止でき、従って、過電圧による故障の少ないインバータ装置を実現できる。
【００１９】
また、本発明の請求項２記載の発明は、上記請求項１記載の発明において、電動機は回転子に永久磁石を有し、前記永久磁石の前記固定子巻線に対する相対的な位置を検知する位置検知手段を有し、制御手段は前記位置検知手段の出力に応じてスイッチング手段を制御するようにしたものであり、前記固定子巻線への印加電圧の最大値が前記切換手段により約二倍に切り替わるので、前記切換手段により前記直流電源の一端が前記固定子巻線どうしの接続部に接続した場合は、前記切換手段により前記直流電源の出力の一端が前記コンデンサの出力の一端に接続した場合に比べ、前記固定子巻線に生じる誘導起電力が約二倍になる速度まで電動機を駆動できる。誘導起電力は前記電動機の速度とは比例関係であるので、前記電動機の速度を最大約二倍にできる。また、回転子に永久磁石を設けることにより、高効率の電動機を駆動するインバータ装置を実現できる。
【００２０】
また、本発明の請求項３記載の発明は、上記請求項１または２に記載の発明において、切換手段は、電動機の目標速度が所定速度以内であるときには直流電源とコンデンサの一端を接続し、所定速度を越えるときには電動機を構成する複数の固定子巻線どうしの接続部と前記直流電源の一端を接続するようにしたものであり、前記電動機を目標速度に適した接続条件で効率良く駆動できる。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【００２２】
（実施例１）
図１に本発明の実施例１のインバータ装置の回路構成を示す。
【００２３】
スイッチング手段１、２、３、４、５、６は各々、高周波スイッチングと大電流容量に対応できるＩＧＢＴと逆接続ダイオードの並列回路で構成されている。しかし、これに限定するものではなく、ＩＧＢＴの代わりにトランジスタやＭＯＳＦＥＴを使用してもよい。
【００２４】
直列回路７は、高電位側のスイッチング手段１と低電位側のスイッチング手段４が直列接続されて構成されている。直列回路８は、高電位側のスイッチング手段２と低電位側のスイッチング手段５が直列接続されて構成されている。直列回路９は、高電位側のスイッチング手段３と低電位側のスイッチング手段６が直列接続されて構成されている。
【００２５】
インバータ回路１０は直列回路７、８、９が並列接続されて構成されている。つまり、インバータ回路１０はスイッチング手段１、２、３、４、５、６が三相ブリッジされて構成されている。
【００２６】
電動機１１は三相結線された固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗを有する固定子１２と永久磁石を備えた回転子１３により構成されている。
【００２７】
コンデンサ１４はインバータ回路１０の入力端子に接続し、インバータ回路１０は直流電源１５より切換手段１６を介して直流電力をうけ、電動機１１に三相電力を供給する。
【００２８】
直流電源１５は交流電源を整流回路により整流し、直流電圧を得るように構成される。
【００２９】
前記整流回路は例えば、ダイオードブリッジと平滑コンデンサにより全波整流を行うように構成されている。しかし、これは一例であり、二つの平滑コンデンサを直列接続し、この直列回路とダイオードブリッジを接続して倍電圧整流回路を構成してもよい。
【００３０】
切換手段１６はリレーで構成されており、このリレーはコイル励磁により接点ｂに接続し、無励磁により接点ａに接続する。つまり、接点ａに接続することでコンデンサ１４の高電位側の端子と直流電源１５の高電位側の端子とを接続し、接点ｂに接続することで固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗの中性点と直流電源１５の高電位側の端子とを接続する。しかしながら、メカニカルラッチ方式のスイッチにより、直流電源１５の接続を切り換えるものであってもよい。また、本実施例においては、切換手段１６にａ点、ｂ点の二つの接点が設けられ、直流電源１５が常に固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗの中性点か、コンデンサの高電位側の端子のいずれかに接続するようにしているが、特にこれに限定するものではなく、例えば第三の接点を新たに設け、電動機１１を駆動しない場合には、この接点に接続して直流電源１５の高電位側の端子が開放状態になるようにしてもよい。
【００３１】
制御手段１７は、マイクロコンピュータや複数の論理回路などで構成される。本実施例においては、制御手段１７は位置検知手段１８の出力論理に応じて所定のスイッチング手段１、２、３、４、５、６をオンオフ制御するとともに、切換手段１６たるリレーをオンオフ制御する。
【００３２】
位置検知手段１８は、回転子１３の永久磁石の磁極を検知する三つのホールＩＣ１９、２０、２１により構成され、ホールＩＣ１９、２０、２１は永久磁石の磁極に応じてハイまたはローを制御手段１８に出力する。ホールＩＣ１９、２０、２１は電気角で約１２０度間隔になるように固定子１２に配設されている。なお、これは一例で固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗに生じる誘導起電力を検知して、回転子１３の位置を検知してもよいし、ロータリエンコーダなどを用いてもよい。
【００３３】
図１に示したインバータ装置の動作について説明する。
【００３４】
制御手段１７は、切換手段１８に設けられた接点ａが接続した場合と、接点ｂが接続した場合の二つの状態それぞれに対応して、スイッチング手段のオンオフを制御する。
【００３５】
本実施例では、切換手段１６により接点ａが接続し、直流電源１５の高電位側の出力端子とコンデンサ１４の高電位側の端子とが接続すると、ホールＩＣ１９、２０、２１の出力論理に応じて、１２０度通電形の全波駆動で電動機１１を駆動する。このときのホールＩＣ１９、２０、２１の出力論理に対するスイッチング手段１、２、３、４、５、６のオンオフ動作については、後で図２を用いて説明する。
【００３６】
切換手段１６の接点ｂが接続し、直流電源１５の高電位側の出力端子と固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗの中性点が接続すると、制御手段１７はホールＩＣ１９、２０、２１の出力論理に応じて、１２０度通電形の半波で電動機１１を駆動する。このとき、固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗへの最大印加電圧は直流電源１５の出力電圧になる。従って、本実施例のように回転子１３が永久磁石を有するブラシレスＤＣモータでは、接点ａが接続しているときよりも高速領域まで電動機１１を駆動できる。これは以下の理由によるものである。一般的にブラシレスＤＣモータでは、回転子１１の固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗに対する相対速度に比例して誘導起電力が生じる。この誘導起電力と固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗへの印加電圧の差分の電圧により固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗに電流が供給され、この電流と回転子１３に設けられた永久磁石によりトルクを発生する。しかしながら、同じトルクを出力するためには固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗに供給する電流も大きくなるので、接点ａに接続したときよりもトルク領域は減少する。
【００３７】
本実施例では、切換手段１６の接点ｂが接続されると、コンデンサ１４と直流電源１５の高電位側の接続が遮断され、固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗに生じる誘導起電力がスイッチング手段１、２、３を構成する逆接続ダイオードを通じて直流電源１５へと回生する電流経路が遮断される。これにより、電動機１１の回転方向とは逆方向のトルクが生じなくなるので電動機１１を効率よく駆動できる。しかし、これだけではスイッチング手段４、５、６オフ時に生じる回生電流が直流電源１に吸収されなくなるので、固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗに前記回生電流をゼロにするために過大な電圧が生じることになる。この過電圧を防止するために、前記回生電流を吸収できる容量を有するコンデンサ１４を設けている。なお、図１には特に示していないが、コンデンサ１４に放電用に抵抗を並列接続してもよいし、抵抗とスイッチング素子の直列回路を並列接続し、前記スイッチング素子のオンオフによりコンデンサ１４の電圧を制御してもよい。
【００３８】
図２に、切換手段１６の接点ａが接続したときと、接点ｂが接続したときの電動機１１の速度−トルク特性を示す。（ａ）は切換手段１６の接点ａが接続し、直流電源１５とコンデンサ１４が接続されたときの速度−トルク特性を示している。（ｂ）は切換手段１６の接点ｂが接続し、直流電源１５と固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗの中性点が接続されたときの速度−トルク特性を示している。図２に示すように、低トルク時には、（ｂ）の切換手段１６の接点ｂが接続したときの方が高速まで駆動できる。低速時には、（ａ）の切換手段１６の接点ａが接続したときの方が高トルクまで駆動できる。これは、前述したように切換手段１６の接点ａと接点ｂの接続を切り換えることで、固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗへの印加電圧の最大値を約２倍に切り替えるとともに、電動機１１の駆動方式についても、接点ａが接続したときには三相全波駆動、接点ｂが接続した時には三相半波駆動と切り換えるためである。
【００３９】
以上のように、切換手段１６により固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗへの印加電圧の最大値を切り換えるとともに、電動機１１の駆動方法を三相全波と三相半波に切り換えるので、電動機１１の動作領域を変えることができる。なお、図１および図２は本発明の一実施例を示している。
【００４０】
図３に、切換手段１６の接点ａが接続したときのスイッチング手段１〜６、ホールＩＣ１９〜２１、固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗに流れる電流の波形を示す。本実施例におけるインバータ装置は、切換手段１６の接点ａが接続されているときには、１２０度通電の全波で電動機１１を駆動する。（ａ）はホールＩＣ１９の出力波形、（ｂ）はホールＩＣ２０の出力波形、（ｃ）はホールＩＣ２１の出力波形を示している。（ｄ）はスイッチング手段１のオンオフ状態、（ｅ）はスイッチング手段２のオンオフ状態、（ｆ）はスイッチング手段３のオンオフ状態、（ｇ）はスイッチング手段４のオンオフ状態、（ｈ）はスイッチング手段５のオンオフ状態、（ｉ）はスイッチング手段６のオンオフ状態を示している。（ｊ）は固定子巻線１２ｕの電流波形、（ｋ）は固定子巻線１２ｖの電流波形、（ｌ）は固定子巻線１２ｗの電流波形を示している。（ｊ）（ｋ）（ｌ）の電流波形は図１に示した矢印の方向すなわちスイッチング手段１〜３がオンしたときに流れる方向を正にしている。スイッチング手段１〜６はいずれも電気角１２０度の期間オンするようにしている。制御手段１７を構成するマイクロコンピュータのＲＯＭには、ホールＩＣ１９〜２１の出力信号の論理に対応したスイッチング手段１〜６のオンオフの組み合わせが記憶されている。この組み合わせは電動機１１の回転方向に応じてそれぞれ記憶されている。
【００４１】
以上のように、切換手段１６の接点ａが接続したときには、制御手段１７は電動機１１が１２０度通電の全波駆動で動作するように、スイッチング手段１〜６をオンオフ制御する。しかし、これは一例であり正弦波駆動にしてもよいし、１５０度通電の全波駆動にしてもよい。
【００４２】
図４に、切換手段１６の接点ｂが接続したときのスイッチング手段１〜６、ホールＩＣ１９〜２１、固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗに流れる電流の動作波形を示す。本実施例におけるインバータ装置は、１２０度通電の半波で電動機１１を駆動する。（ａ）はホールＩＣ１９の出力波形、（ｂ）はホールＩＣ２０の出力波形、（ｃ）はホールＩＣ２１の出力波形を示している。（ｄ）はスイッチング手段１のオンオフ状態、（ｅ）はスイッチング手段２のオンオフ状態、（ｆ）はスイッチング手段３のオンオフ状態、（ｇ）はスイッチング手段４のオンオフ状態、（ｈ）はスイッチング手段５のオンオフ状態、（ｉ）はスイッチング手段６のオンオフ状態を示している。（ｊ）は固定子巻線１２ｕの電流波形、（ｋ）は固定子巻線１２ｖの電流波形、（ｌ）は固定子巻線１２ｗの電流波形を示している。図３と同様に（ｊ）（ｋ）（ｌ）の電流波形は図１の矢印の方向を正にしている。図４に示したようにスイッチング手段１〜３は全てオフ状態になっているので、固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗの正方向に電流は流れない。スイッチング手段４〜６はいずれも電気角１２０度の期間オンするようにしている。制御手段１７を構成するマイクロコンピュータのＲＯＭには、ホールＩＣ１９〜２１の出力信号の論理に対応したスイッチング手段４〜６のオンオフの組み合わせが記憶されている。この組み合わせは電動機１１の回転方向に応じてそれぞれ記憶されている。なお、電動機１１の駆動方式は一例であり、例えば正弦波半波駆動にしてもよいし、１５０度通電の半波駆動にしてもよい。
【００４３】
以上のように、切換手段１６により直流電源１５と固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗの中性点を接続したときには、スイッチング手段１〜３を全てオフしているので、スイッチング手段４〜６のオフ時に生じる回生電流がスイッチング手段１〜３の逆接続ダイオードに流れるだけとなり、発熱の少ないインバータ装置を実現できる。また、スイッチング手段１〜３をオンするための電力が必要ないので制御手段１７の省電力化を実現できる。
【００４４】
（実施例２）
図５に、切換手段１６の接点ｂが接続したときのスイッチング手段１〜６、ホールＩＣ１９〜２１、固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗに流れる電流の動作波形の別の一例を示す。その他の構成については、図１、２、３に示したインバータ装置と同様なので省略する。図５について説明する。（ａ）はホールＩＣ１９の出力波形、（ｂ）はホールＩＣ２０の出力波形、（ｃ）はホールＩＣ２１の出力波形を示している。（ｄ）はスイッチング手段１のオンオフ状態、（ｅ）はスイッチング手段２のオンオフ状態、（ｆ）はスイッチング手段３のオンオフ状態、（ｇ）はスイッチング手段４のオンオフ状態、（ｈ）はスイッチング手段５のオンオフ状態、（ｉ）はスイッチング手段６のオンオフ状態を示している。（ｊ）は固定子巻線１２ｕの電流波形、（ｋ）は固定子巻線１２ｖの電流波形、（ｌ）は固定子巻線１２ｗの電流波形を示している。（ｊ）（ｋ）（ｌ）の電流波形は実施例１と同様に図１の矢印の方向を正にしている。図５に示したように、スイッチング手段１〜６はいずれも電気角１２０度の期間オンするようにしている。なお、制御手段１７を構成するマイクロコンピュータのＲＯＭには、ホールＩＣ１９〜２１の出力信号の論理に対応したスイッチング手段１〜６のオンオフの組み合わせが記憶されている。この組み合わせは電動機１１の回転方向に応じてそれぞれ記憶されている。本実施例では、図５に示すように電動機１１をスイッチング手段４〜６により１２０度通電の半波で駆動しながら、同時に予めＲＯＭに設定された組み合わせに基づき、スイッチング手段１〜３をオンオフ制御することで、スイッチング手段４〜６がオフしたときに生じる回生電流をスイッチング手段１〜３を通じて、別の固定子巻線に流すので、コンデンサ１４が回生電流により過大に充電されることを防止できる。なお、図５に示したように、本実施例のおけるスイッチング手段１〜６のオンオフ制御は、図３に示した直流電源１５とコンデンサ１４が接続したときのスイッチング手段１〜６のオンオフ制御と同じである。従って、切換手段１６の接点ａと接点ｂの接続状態それぞれに対応してスイッチング手段１〜６のオンオフ状態を記憶しておく必要がなく、マイクロコンピュータ内のＲＯＭを節約できる。しかし、電動機１１の駆動方式は一例であり、例えば高電位側のスイッチング手段１〜３の少なくとも一つが電気角３６０度内で１回オンするようにしてもよいし、電動機１１の動作中に１回だけしかオンしなくてもよいものである。また、高電位側のスイッチング手段１〜３をパルス幅変調（ＰＷＭ）してもよい。
【００４５】
（実施例３）
図６に、本発明の一実施例であるインバータ装置の電動機１１の駆動時のフローチャートを示す。なお、インバータ装置の構成は図１と同様であり、ここでは省略する。
【００４６】
図６に示したインバータ装置のフローチャートについて説明する。電動機１１の運転が開始されると、ステップ３１において電動機１１の目標速度がＮｓを設定する。この目標速度Ｎｓは、インバータ装置の使用者が設定してもよいし、あるいはインバータ装置が組み込まれた機器のシーケンス内で予め設定されていてもよいものである。目標速度Ｎｓが設定されると、ステップ３２で目標速度Ｎｓと所定速度Ｎｒｅｆを比較し、目標速度Ｎｓが所定速度Ｎｒｅｆ以下であれば、ステップ３３で、切換手段１６の接点ａと直流電源１５の高電位側の端子を接続する。これにより固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗの中性点は非接続となる。ステップ３４では、制御手段１７が図３に示したようにホールＩＣ１９〜２１の出力論理の組み合わせに対応してスイッチング手段１〜６をオンオフ制御することで、電動機１１を三相全波で目標速度Ｎｓまで駆動する。ステップ３２において、目標速度Ｎｓが所定速度Ｎｒｅｆを越えていると、ステップ３５で、切換手段１６の接点ｂと直流電源１５を接続する。つまり直流電源１５と固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗの中性点を接続する。これにより、電動機１１への電力供給は高電位側のスイッチング手段１〜３を通さずに行われることになる。その後、ステップ３６で図５に示したようにホールＩＣ１９〜２１の出力論理の組み合わせに応じて、スイッチング手段１〜６をオンオフ制御することにより電動機１１を三相半波で駆動する。所定速度Ｎｒｅｆの設定方法は特に限定するものではないが、本実施例では、図２に示した切換手段１６の接点ａを接続したときの速度−トルク特性（ａ）と、切換手段１６の接点ｂを接続したときの速度−トルク特性（ｂ）の交差する速度を所定速度Ｎｒｅｆにしている。本実施例では、電動機１１の速度検知は制御手段１７がホールＩＣ１９の出力信号の周期を検知することで行っている。より具体的に述べると、制御手段１７を構成するマイクロコンピュータ内に設けられたカウンタによりホールＩＣ１９のハイ期間を検知することで電動機１１の速度を検知し、目標速度になるように制御手段１７が低電位側のスイッチング手段４〜６のオン期間中の通電比をパルス幅変調（ＰＷＭ）している。
【００４７】
以上のように、電動機１１の目標速度Ｎｓが所定速度Ｎｒｅｆ以下のときには、切換手段１６の接点ａを接続して電動機１１を三相全波で駆動し、目標速度Ｎｓが所定速度Ｎｒｅｆをこえるときには切換手段１６の接点ｂを接続して電動機１１を三相半波で駆動することで、電動機１１の速度により、より効率の高い駆動方式で電動機１１を駆動できる。
【００４８】
（実施例４）
図７に、本発明の実施例４におけるインバータ装置の主要部回路構成図を示す。直流電源１とコンデンサ１４の低電位側の端子は直接接続し、直流電源１５の低電位側の端子とコンデンサ１４の低電位側の端子と固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗの中性点の間には、切換手段４１が設けられている。切換手段４１はリレーで構成されており、このリレーはコイル励磁により接点ｂに接続して固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗの中性点と直流電源１５の低電位側の端子とを接続し、無励磁により接点ａに接続してコンデンサ１４と直流電源１５の低電位側の端子どうしを接続する。
【００４９】
制御手段４２はホールＩＣ１９、２０、２１の出力論理の組み合わせに応じてスイッチング手段１〜６のオンオフ制御を行うとともに、切換手段４１たるリレーのオンオフ制御も行う。その他の構成については、図１に示したインバータ装置と同様のものであり、ここでは省略する。
【００５０】
図７に示したインバータ装置の動作について説明する。切換手段４１の接点ａが接続された状態では、制御手段４２は図３に示したようにホールＩＣ１９〜２１の出力論理の組み合わせに応じてスイッチング手段１〜６をオンオフ制御する。これにより電動機１１は三相全波で駆動される。
【００５１】
切換手段４１の接点ｂが接続された状態では、直流電源１５と固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗの中性点が接続されることになる。制御手段４２は切換手段４１が設けられた低電位側のスイッチング手段４〜６を全てオフするとともに、スイッチング手段１〜３をホールＩＣ１９〜２１の出力論理の組み合わせに応じてオンオフ制御する。これにより電動機１１は三相半波で駆動される。
【００５２】
以上のように、本実施例のインバータ装置においても、切換手段４１を構成する接点ａ、接点ｂの接続を切り換えることにより直流電源１５の低電位側の出力端子をコンデンサ１４の低電位側の端子または固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗの中性点に接続し、固定子巻線１２ｕ、１２ｖ、１２ｗへの最大印加電圧を切り換えるとともに、電動機１１を三相の全波または半波で駆動するので、電動機１１の動作領域を変更できる。なお、図７のインバータ装置における電動機１１の速度−トルク特性は図２と同様になる。
【００５３】
（実施例５）
図８に本発明の実施例５におけるインバータ装置を示す。
【００５４】
スイッチング手段５１、５２、５３、５４はそれぞれ、高周波スイッチングと大電流容量に対応できるＩＧＢＴと逆接続ダイオードの並列回路で構成されている。しかし、これに限定するものではなく、ＩＧＢＴの代わりにトランジスタやＭＯＳＦＥＴを使用してもよい。
【００５５】
直列回路５５は高電位側のスイッチング手段５１と低電位側のスイッチング手段５３が直列接続されて構成されている。直列回路５６は高電位側のスイッチング手段５２と低電位側のスイッチング手段５４が直列接続されて構成されている。
【００５６】
インバータ回路５７は直列回路５５、５６が並列接続されて構成されている。つまり、インバータ回路５７はスイッチング手段５１、５２、５３、５４がフルブリッジになるように構成されている。
【００５７】
電動機５８は４極の永久磁石を設けた回転子５９と、固定子巻線６０ａ、６０ｂを直列接続した固定子６０により構成されている。より具体的に説明すると、特に図示していないが、固定子６０を構成する鉄心にはスロットが二つ設けられており、固定子巻線６０ａ、６０ｂがそれぞれ各スロットに巻き付けられている。
【００５８】
切換手段６１はリレーで構成され、直流電源１５の高電位側の出力端子とコンデンサ１４の高電位側の端子と固定子巻線６０ａ、６０ｂの接続部の間に設けられている。このリレーはコイル励磁により接点ｂに接続して直流電源１５と固定子巻線６０ａ、６０ｂの接続部を接続し、無励磁により接点ａを接続してコンデンサ１４と直流電源１５を接続する。
【００５９】
制御手段６２はマイクロコンピュータや複数の論理回路などにより構成されており、位置検知手段たるホールＩＣ６３の出力論理によりスイッチング手段５１〜５４をオンオフ制御するとともに切換手段６１の接続を制御する。
【００６０】
図８に示したインバータ装置の動作について説明する。切換手段６１の接点ａが接続された状態の時には、直流電源１５の高電位側の出力端子はコンデンサ１４の高電位側の端子に接続される。制御手段６２はホールＩＣ６３の出力論理と電動機５８の回転方向に応じて、スイッチング手段５１〜５４をオンオフ制御し、単相全波で電動機５８を駆動する。切換手段６１の接点ｂが接続された状態の時には、直流電源１５の高電位側の出力端子は固定子巻線６０ａ、６０ｂの接続部に接続される。制御手段６２は高電位側のスイッチング手段５１、５２をオフ状態に保持するともに、ホールＩＣ６３の出力論理に応じてスイッチング手段５３、５４をオンオフ制御する。
【００６１】
以上のように、本実施例のインバータ装置においても、切換手段６１を用いて直流電源１５の高電位側の出力端子の接続をコンデンサ１４の高電位側の端子や固定子巻線６０ａ、６０ｂの接続部に切り換えて、固定子巻線６０ａ、６０ｂへの最大印加電圧を変更するとともに、電動機５８の駆動方法を全波駆動と半波駆動に変更するので、電動機５８の動作領域を変えることができる。
【００６２】
以上のように、切換手段により、直流電源の出力端子の接続を固定子巻線の接続部とインバータ回路の入力端子に切り換えるので、固定子巻線への最大印加電圧を変更できる。同時に電動機の駆動方法を全波駆動と半波駆動に切り替えるので、本実施例のように回転子に永久磁石を有するＤＣブラシレスモータにおいては、固定子巻線に生じる誘導起電力の最大値を大きくすることができ、最高速度を大きくできる。なお、本実施例では示していないが、電動機の構成を誘導電動機やスイッチトリラクタンスモータにしてもよい。この場合についても、切換手段のオンオフにより、巻線への最大印加電圧を切り替えるとともに電動機の駆動方法を全波駆動または半波駆動に切り替えるので、高速駆動時において固定子巻線への電流供給を増やすことができる。従って高速時のトルク出力を増やすことができることになり、電動機の動作領域を拡大できる。
【００６３】
【発明の効果】
以上のように、本発明の請求項１記載の発明によれば、二つのスイッチング手段からなる直列回路を複数設けたインバータ回路と前記インバータ回路の出力に接続した複数の固定子巻線を有する電動機と、前記インバータ回路の入力端子に接続したコンデンサと、直流電源と、前記直流電源の出力の一端に接続した切換手段と、前記スイッチング手段を制御する制御手段を有し、前記切換手段は前記直流電源の出力の一端と前記コンデンサの一端の間の接続と、前記直流電源の出力の一端と前記固定子巻線どうしの接続部の接続を切り換えるように構成し、前記切換手段により前記直流電源と前記電動機を構成する複数の固定子巻線どうしの接続部が接続されたとき、前記制御手段は、前記切換手段の接続された電位側の前記スイッチング手段のうち回生電流を発生している固定子巻線とは別の固定子巻線に接続される少なくとも一つを最低一回はオンさせるようにしたので、前記固定子巻線への印加電圧の最大値が前記切換手段により約二倍に切り替えることができ、前記切換手段により前記直流電源の出力の一端が前記固定子巻線どうしの接続部に接続した場合は、前記切換手段により前記直流電源の出力の一端が前記コンデンサの出力の一端に接続した場合に比べ、前記固定子巻線それぞれに最大約四倍の電力を供給でき、前記電動機の動作領域を変更できるとともに、スイッチング手段がオフした際に生じる回生電流が、オフしたスイッチング手段とは逆の電位側のスイッチング手段がオンすることにより、このスイッチング手段を通じて別の固定子巻線に流れるので、コンデンサが過大に充電されることを防止でき、従って、過電圧による故障の少ないインバータ装置を実現できる。
【００６４】
また、本発明の請求項２記載の発明によれば、上記請求項１記載の発明において、電動機は回転子に永久磁石を有し、前記永久磁石の前記固定子巻線に対する相対的な位置を検知する位置検知手段を有し、制御手段は前記位置検知手段の出力に応じてスイッチング手段を制御するようにしたので、前記固定子巻線への印加電圧の最大値が前記切換手段により約二倍に切り替えることができ、前記切換手段により前記直流電源の一端が前記固定子巻線どうしの接続部に接続した場合は、前記切換手段により前記直流電源の出力の一端が前記コンデンサの出力の一端に接続した場合に比べ、前記固定子巻線に生じる誘導起電力が約二倍になる速度まで電動機を駆動できる。誘導起電力は前記電動機の速度とは比例関係であるので、前記電動機の速度を最大約二倍にできる。また、回転子に永久磁石を設けることにより、高効率の電動機を駆動するインバータ装置を実現できる。
【００６５】
また、本発明の請求項３記載の発明によれば、上記請求項１または２に記載の発明において、切換手段は、電動機の目標速度が所定速度以内であるときには直流電源とコンデンサの一端を接続し、所定速度を越えるときには電動機を構成する複数の固定子巻線どうしの接続部と前記直流電源の一端を接続するようにしたので、前記電動機の目標速度が低速の場合には前記電動機を全波駆動し、前記電動機の目標速度が高速の場合には前記電動機を半波駆動するので、前記電動機の目標速度に適した接続条件で効率良く駆動できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例１であるインバータ装置の主要部回路構成図
【図２】  同インバータ装置の電動機の速度−トルク特性図
【図３】  同インバータ装置の切換手段１６の接点ａが接続された時の主要部動作波形図
【図４】  同インバータ装置の切換手段１６の接点ｂが接続された時の主要部動作波形図
【図５】  本発明の実施例２であるインバータ装置の切換手段１６の接点ｂが接続された時の主要部動作波形図
【図６】  同インバータ装置の電動機の駆動制御フローチャート
【図７】  本発明の実施例４であるインバータ装置の主要部回路構成図
【図８】  本発明の実施例５であるインバータ装置の主要部回路構成図
【図９】  従来のインバータ装置の主要部回路構成図
【符号の説明】
１、２、３、４、５、６  スイッチング手段
７、８、９  直列回路
１０  インバータ回路
１１  電動機
１２  固定子
１２ｕ、１２ｖ、１２ｗ  固定子巻線
１３  回転子
１４  コンデンサ
１５  直流電源
１６  切換手段
１７  制御手段
１８  位置検知手段
【図１】
0004736155.tif 000002
【図２】
0004736155.tif 000003
【図３】
0004736155.tif 000004
【図４】
0004736155.tif 000005
【図５】
0004736155.tif 000006
【図６】
0004736155.tif 000007
【図７】
0004736155.tif 000008
【図８】
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【図９】
0004736155.tif 000010