(57)【要約】【課題】広い速度範囲において、モータの損失を抑えた駆動を行う。【解決手段】永久磁石３０、３１と、３相の巻線３３、３４、３５を有するモータ４０と、巻線３３、３４、３５電流を供給するインバータ回路４３と、インバータ回路４３と巻線３３、３４、３５の間に接続した３相の整合回路４５を備え、整合回路４５は、複数の直列リアクタンス素子４６、４７、４８を有するインバータ装置とすることにより、高速時のモータ電流が低減でき、モータ損失が低減され、広い速度範囲において、モータ４０の損失を抑えた駆動を行うことができる。【選択図】図１
2012130112.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石と、３相の巻線を有するモータと、前記巻線に電流を供給するインバータ回路と、前記インバータ回路と前記巻線間に接続した３相の整合回路とを備え、前記整合回路は、直列リアクタンス素子を複数個有するインバータ装置。
【請求項２】
整合回路は、モータの入力電圧が、インバータ回路の出力電圧よりも高くなるように、直列リアクタンス素子の電圧を発生させながら前記モータを駆動するようにした請求項１記載のインバータ装置。
【請求項３】
直列リアクタンス素子は、正のリアクタンスを有するリアクタを有し、モータ入力での力率は電流進み力率で駆動するようにした請求項１または２に記載のインバータ装置。
【請求項４】
インバータ回路は、モータの永久磁石の磁束とほぼ同一方向の第１の電流成分と、前記永久磁石の磁束にほぼ直交する第２の電流成分に分けて、出力電流を供給するベクトル制御手段を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載のインバータ装置。
【請求項５】
整合回路は、低速時に直列リアクタンス素子の端子間を短絡する開閉手段を有する請求項１〜４のいずれか１項に記載のインバータ装置。
【請求項６】
衣類を収納するドラムを有し、モータは前記ドラムを回転するようにした請求項１〜５のいずれか１項に記載のインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般家庭で使用する電気洗濯機などに用いら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。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のインバータ装置は、高速時に逆起電力を減少させるよう、所定の界磁電流が供給できる印加電圧を出力している（例えば、特許文献１参照）。また、永久磁石の着磁量を変更するものもある（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
図１１は、特許文献１に記載された第１の従来のインバータ装置のブロック図を示すものである。
【０００４】
図１１に示すように、第１の従来のインバータ装置は、同期モータ１と、インバータ回路２と、マイコン３と、ロータ位置検知部４を設けている。マイコン３は、回転角度演算部５と、モータ回転数演算部６と、２相３相電圧変換部７と、２相電圧演算部８と、ＰＩ制御部９と、界磁電流演算部１０と、記憶部１１と、トルク・電流変換部１２と、トルク電流選択部１３と、加算部１４等から構成されている。
【０００５】
図１２は、特許文献２に記載された第２の従来のインバータ装置のモータ構成図を示すものである。
【０００６】
図１２に示すように、ドラムモータ２１は、ロータ２２に、第１永久磁石であるネオジム磁石２３と、保磁力が前記第１永久磁石よりも小さく、かつ着磁量を容易に変化可能なレベルの保磁力を有する第２永久磁石としてアルニコ磁石２４を用いたロータマグネット２５が構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−２０３９７０号公報
【特許文献２】特開２００９−１１８６６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記第１の従来の構成では、トルク設定値Ｔ＊または速度設定値ｒ＊のいずれかをトルク電流選択部１３で選択して、Ｉｑ値を決める。それとともに、界磁電流演算部１０が、速度に応じたＩｄ値を出力し、２相電圧演算部８は入力されたＩｄ値とＩｑ値が実現できると考えられる電圧値Ｖｄ、Ｖｑを速度情報も用いて演算し、これらを２相３相電圧変換部７に入力して、磁極位置信号を用いて、３相の瞬時値電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換し、インバータ回路２を動作する。その結果、同期モータ１が駆動され、特に速度が高い脱水時には、高速運転が行われるため、トルク電流に界磁電流が加算されるとともに、界磁電流演算部１０が速度に応じたＩｄ値を出力することによって、電流検知の無い構成で、弱め界磁電流制御が行われるというものである。しかしながら、この構成では、特に高速時において、弱め界磁のための電流が大となる傾向があり、同期モータ１の効率を低下させ、発熱が大きくなるという課題を有していた。
【０００９】
また、前記第２の従来の構成では、制御回路からアルニコ磁石２４の着磁量を変化させるようにｄ軸電流を発生させ、脱水運転はロータマグネット２５の磁束を減少させた状態
で運転を行い、洗い・すすぎ運転は、ロータマグネット２５の磁束を増加させた状態で運転を行う。このことにより、広い速度範囲で良好な運転を行うというものであるが、ドラムモータ２１の構成が相当複雑なものとなり、また、第２永久磁石から得られる磁束が小さい分、ロータマグネット２５のトータル磁束が小さくなり、洗い・すすぎなどの高トルクが必要となる条件での運転が不利となり、さらに着磁量を変化させるための制御が複雑になるという課題を有していた。
【００１０】
本発明は、前記第１と第２の従来の課題を解決するもので、洗い・すすぎに十分なトルクが得られる着磁量が固定の簡単なモータ構成であっても、特に、高速時においては、弱め界磁のための電流を小さく抑え、モータの効率低下とモータ発熱を抑えたインバータ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記従来の課題を解決するために、本発明のインバータ装置は、永久磁石と、３相の巻線を有するモータと、前記巻線に電流を供給するインバータ回路と、前記インバータ回路と前記巻線間に接続した３相の整合回路とを備え、前記整合回路は、直列リアクタンス素子を複数個有する構成としたものである。
【００１２】
これによって、低速時に電流値を抑えた条件で十分なトルクが得られるモータ設計としながら、高速時においては永久磁石の回転によって発生する誘導起電力が、整合回路の構成要素である直列リアクタンス素子で相殺する作用が得られ、弱め界磁のための電流値を低く抑えてモータの損失を低減し、インバータ回路から供給する電圧も低減して、十分なパワーの供給が可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のインバータ装置は、高速時の電流を抑え、モータ損失を低減した駆動を可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態１におけるインバータ装置の回路図
【図２】同インバータ装置のｄｑ平面のベクトル図
【図３】同インバータ装置の等価回路図
【図４】同インバータ装置のＲＸ平面のベクトル図
【図５】本発明の実施の形態２におけるインバータ装置の整合回路の回路図
【図６】同インバータ装置の等価回路図
【図７】同インバータ装置のインピーダンス図
【図８】本発明の実施の形態３におけるインバータ装置の整合回路の回路図
【図９】同インバータ装置の等価回路図
【図１０】同インバータ装置のインピーダンス図
【図１１】第１の従来のインバータ装置のブロック図
【図１２】第２の従来のインバータ装置のモータ構成図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
第１の発明は、永久磁石と、３相の巻線を有するモータと、前記巻線に電流を供給するインバータ回路と、前記インバータ回路と前記巻線間に接続した３相の整合回路とを備え、前記整合回路は、直列リアクタンス素子を複数個有する構成とすることにより、低速時に電流値を抑えた条件で十分なトルクが得られるモータ設計としながら、高速時においては永久磁石の回転によって発生する誘導起電力が、整合回路の構成要素である直列リアクタンス素子で相殺する作用が得られ、弱め界磁のための電流値を低く抑えてモータの損失を低減し、インバータ回路から供給する電圧も低減して、十分なパワーの供給が可能とな
る。
【００１６】
第２の発明は、特に、第１の発明の整合回路を、モータの入力電圧が、インバータ回路の出力電圧よりも高くなるように、直列リアクタンス素子の電圧を発生させながら前記モータを駆動するようにした構成とすることにより、高速時に、モータ電圧を高い値に保った運転が可能となり、モータの損失低減効果として高いものが得られる。
【００１７】
第３の発明は、特に、第１または第２の発明の直列リアクタンス素子を、正のリアクタンスを有するリアクタを有し、モータ入力での力率は電流進み力率で駆動するようにした構成とすることにより、比較的簡単な構成で、整合回路が構成でき、低速から高速まで広い速度範囲で、良好な運転が可能となる。
【００１８】
第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明のインバータ回路は、モータの永久磁石の磁束とほぼ同一方向の第１の電流成分と、前記永久磁石の磁束にほぼ直交する第２の電流成分に分けて、出力電流を供給するベクトル制御手段を有する構成とすることにより、応答性に優れたモータの運転が可能となり、その上で第１の電流成分の絶対値を極力抑えた高効率のモータ駆動を可能とすることができる。
【００１９】
第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか１つの発明の整合回路は、低速時に直列リアクタンス素子の端子間を短絡する開閉手段を有する構成とすることにより、起動時、および低速から高速の広い速度範囲で、モータの損失を低減することが可能となり、整合回路構成の選択範囲も広がるものとなる。
【００２０】
第６の発明は、特に、第１〜５のいずれか１つの発明の構成に加え、衣類を収納するドラムを有し、モータは前記ドラムを回転するようにした構成とすることにより、洗濯、すすぎ、脱水の各駆動条件に対応した高効率のモータ駆動が可能となり、省エネ性能に優れたインバータ装置を実現することができる。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるインバータ装置の回路図を示すものである。
【００２３】
図１において、ホールＩＣを用いた位置検知手段３８を有するモータ４０は、永久磁石３０、３１を設けた回転子３２と、３相の巻線３３、３４、３５を設けた固定子３６とから構成されている。インバータ回路４３は、巻線３３、３４、３５に電流を供給するもので、インバータ回路４３と巻線３３、３４、３５の経路に接続した３相の整合回路４５を有している。整合回路４５は、３個の直列リアクタンス素子４６、４７、４８を、それぞれＵｉ−Ｕｏ間、Ｖｉ−Ｖｏ間、Ｗｉ−Ｗｏ間に接続した形で設けている。
【００２４】
本実施の形態においては、直列リアクタンス素子４６、４７、４８は、いずれも正のリアクタンスを有するリアクタ５０、５１、５２によって実現されたものとしている。
【００２５】
また、インバータ回路４３は、ＩＧＢＴを用いた６個のスイッチング素子５４、５５、５６、５７、５８、５９を有している。
【００２６】
さらに、本実施の形態においては、インバータ回路４３は、モータ４０の永久磁石３０、３１の磁束とほぼ同一方向の第１の電流成分Ｉｄと、永久磁石３０、３１の磁束にほぼ
直交する第２の電流成分Ｉｑの２つの電流成分を独立してモータ４０に供給するように、スイッチング素子５４、５５、５６、５７、５８、５９をオンオフ制御するベクトル制御手段６１を設けている。
【００２７】
全波の整流回路６３は、２２０Ｖ５０Ｈｚの交流電源６４に接続され、入力された交流を直流に変換して、直流の出力電圧Ｖｄｃをインバータ回路４３に供給するものとなっている。なお、電解式のコンデンサ６５が、インバータ回路４３の入力に接続され、直流電圧Ｖｄｃの脈動を抑えたものとしている。
【００２８】
さらに、モータ４０の機械的負荷として、本実施の形態においては、回転子３２の軸に接続された小プーリ７０と、大プーリ７１をゴム製のベルト７２で結び、ほぼ水平である大プーリ７１の軸には、衣類７５を収納するドラム７６を有しており、モータ４０がドラム７６を回転させてなる、一般にドラム式洗濯機と称される構成となっている。
【００２９】
以上のように構成されたインバータ装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００３０】
図２は、本発明の第１の実施の形態におけるインバータ装置のｄｑ平面のベクトル図を示すものである。
【００３１】
永久磁石３０、３１による磁束Ψａ（大きさとしては、巻線３３、３４、３５との鎖交数が乗じた値となる）と同方向にｄ軸をとり、それに直交するｑ軸をとった座標で、モータ４０に供給された電流Ｉａは、ＩｄとＩｑの２つの成分で示されるものとなり、Ｉｄは永久磁石３０、３１から発生する磁束を固定子３６側から強めたり、弱めたりする作用を有し、モータ４０の入力電圧は、Ψａに、ＩｄやＩｑで発生する磁束の総和に電気角速度ωを乗じたものと、ほぼ近い値となる。
【００３２】
本実施の形態においては、絶対値としては従来の技術よりは小さいが、Ｉｄ＜０となる第１の電流成分を供給することにより、モータ４０の入力では電圧Ｖａよりも電流Ｉａが進んだ位相（反時計回り）となる条件としており、一般の交流回路で容量性の負荷に電力供給をしている状態と同等となる。
【００３３】
図３は、本発明の第１の実施の形態におけるインバータ装置の等価回路図であって、モータ４０と整合回路４５の部分の等価回路図を示している。
【００３４】
高速時に、電流Ｉａが電圧Ｖａよりも進んだ状態としていることから、モータ４０は、抵抗Ｒｍ８０、リアクタンスが負（容量性リアクタンス）となるＸｍ８１の合成インピーダンス８２で表現することができ、正のリアクタンスＸＬ８３が、整合回路４５を構成する直列リアクタンス素子４６、４７、４８の分として直列に接続されたものが、インバータ回路４３から電力を供給される状態となる。
【００３５】
なお、図３においては、単相の交流回路として等価回路を示しているが、現実のモータ４０、整合回路４５は、３相であり、図３の等価回路は３相／２相変換を行った状態を示している。
【００３６】
整合回路４５の出力から見たインピーダンス、すなわちモータ４０の入力インピーダンスＺｏｕｔは、Ｖａ／Ｉａであり、インバータ回路４３の出力から見たインピーダンス、すなわち整合回路４５の入力インピーダンスＺｉｎは、Ｖｂ／Ｉａで計算される。
【００３７】
正のＸＬ８３が、負のＸｍ８１をある程度打ち消すことにより、Ｚｉｎの絶対値は、Ｚｏｕｔの絶対値よりも小となり、Ｉａが共通であるので、（Ｖｂの絶対値）＜（Ｖａの絶
対値）となる。
【００３８】
図４は、本発明の第１の実施の形態におけるインバータ装置のＲ（抵抗）Ｘ（リアクタンス）平面でのベクトル図を示すものである。
【００３９】
本実施の形態においては、横軸にＲ、縦軸にＸをとった直交座標のインピーダンス図でも、設計に有効となり、Ｚｏｕｔの点から、垂直にＸＬ上昇した点がＺｉｎとなり、Ｒ分としてはＲｍに固定され、リアクタンス分のみが変化するものとなり、Ｚｉｎの絶対値がＺｏｕｔの絶対値よりも小さくなった分、インバータ回路４３から供給する電圧が低くて済むことになる。
【００４０】
このように、本実施の形態においては、３個のリアクタ５０、５１、５２を直列リアクタンス素子４６、４７、４８として用いるという非常に簡単な構成で整合回路４５が実現できるものとなり、高速時において、弱め界磁電流（Ｉｄの絶対値）を抑えたＺｏｕｔ条件であっても、整合回路４５でのＺｉｎの絶対値を抑える電圧低減作用により、インバータ回路４３の出力可能な電圧範囲内に収まるものとなり、少ない電流でモータ４０の損失を抑えながら、良好に駆動することができるものとなる。
【００４１】
言い換えると、電圧値について、直列リアクタンス素子の電圧降下分により、インバータ回路４３の出力よりも高いものをモータ４０に供給できることから、入力の直流電圧Ｖｄｃの制限などにより、限られたインバータ回路４３出力電圧を昇圧された状態して、モータ４０に供給して駆動することができるものとなる。そのため、高速時にも良好な運転ができるものとなるとも言うことができ、この点において、例えば誘導型のモータの力率改善として、コンデンサなどの並列リアクタンス素子を接続する、古来より存在する構成とは、根本的に異なるものとなる。
【００４２】
一方、低速時や、起動時などについては、速度が低いことからω（電気角速度）は低く、ＸＬの絶対値が小さくなることから、整合回路４５内での別段の短絡／開放を行わなくとも、整合回路４５の作用は抑えられる。したがって、整合回路４５の存在により、かえって電圧が余計に必要となるという悪影響も問題なく、電圧の低減効果が欲しい高速時に自動的に整合回路４５の動作が活発化する点は、好都合であり、起動時すなわちω＝０の状態から高速駆動に至るまで、回路的な接続の切換無しで、広範囲の速度での良好な運転性能が実現できるものとなる。
【００４３】
また、インバータ回路４３はＰＷＭ（パルス幅変調）により、出力電圧の加減を行う構成が一般的に用いられるが、ＰＷＭに用いられるキャリア波の周波数である数ｋＨｚ程度以上の高周波分については、本実施の形態に使用しているリアクタ５０、５１、５２が大きなリアクタンスとして作用するため、キャリア周波数成分のモータ電流のリプルが抑えられる効果も得られ、モータ４０の損失がさらに低減できるものとなる。
【００４４】
さらに、整合回路４５が、直列リアクタンス素子４６、４７、４８のみで構成され、３相の線間には一切のリアクタンス素子を接続していないことから、電流については、インバータ回路４３の出力から、モータ４０の各相の巻線３３、３４、３５まで連続性が保たれるものとなる。特に、本実施の形態に使用しているベクトル制御手段６１のように、インバータ回路４３の出力電流が制御される構成を用いる場合、整合回路４５の存在が、３相電流には影響しないことから、電流制御の精度への悪影響はほとんど発生しない。
【００４５】
ベクトル制御手段６１は、一般に所望の電流ベクトルが得られるように、自動的にインバータ回路４３の出力電圧は加減されるものとなるが、制御での安定性を向上させる目的で、通常のベクトル制御の電圧値に、フィートフォワードで直列リアクタンス素子の電圧
降下分を加算するなどしてもかまわない。
【００４６】
（実施の形態２）
図５は、本発明の第２の実施の形態におけるインバータ装置の整合回路の回路図を示すものである。
【００４７】
図５においては、３相の整合回路８４は、各相の線に直列に挿入された直列リアクタンス素子８５、８６、８７を、Ｕｉ−Ｕｏ間、Ｖｉ−Ｖｏ間、Ｗｉ−Ｗｏ間に、それぞれリアクタ９０、９１、９２を用いて構成した上、その出力側、すなわちモータ４０に接続されるＵｏ、Ｖｏ、Ｗｏの側において、各線間にコンデンサ９４、９５、９６が接続された構成となっている。
【００４８】
本実施の形態において、整合回路８４以外の部分構成については、実施の形態１と同等のものを使用している。
【００４９】
以上のように構成されたインバータ装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００５０】
図６は、本発明の第２の実施の形態におけるインバータ装置の等価回路図であって、モータ４０と整合回路８４の部分の等価回路図を示している。
【００５１】
実施の形態１と同様に、高速時には、電流Ｉａが電圧Ｖａよりも進んだ状態としていることから、モータ４０は、抵抗Ｒｍ９８、リアクタンスが負（容量性リアクタンス）となるＸｍ９９の合成インピーダンス１００で表現することができ、整合回路８４の出力からモータ４０を見たインピーダンスＺｏｕｔとなる。これに、まず並列にコンデンサ１０２が接続され、この段階での合成インピーダンスＺ１に対して、さらにその入力側、すなわちインバータ回路４３側に、コイル１０３が接続された状態となり、整合回路８４の入力は、すなわちインバータ回路４３の出力から見たインピーダンスＺｉｎとなる。
【００５２】
ここで、リアクタンス値ＸＣは、−１／（ωＣ）［オーム］で算出される負の値となり、リアクタンス値ＸＬは、ωＬ［オーム］で算出される正の値となる。
【００５３】
なお、図６においては、単相の交流回路として等価回路を示しているが、現実のモータ４０、整合回路８４は、３相であり、図６の等価回路は３相／２相変換を行った状態を示している。
【００５４】
本実施の形態においては、ＺｏｕｔはＶａ／Ｉａ、Ｚ１はＶａ／Ｉｂ、Ｚｉｎは、Ｖｂ／Ｉｂで計算されるものとなる。
【００５５】
図７は、本発明の第２の実施の形態におけるインバータ装置のインピーダンス図を示すものである。
【００５６】
図７においては、方眼状の直交座標様式の代わりにスミスチャートなど称される形のものを用いており、並列や直列の素子接続をすべて円弧で表現するものとなる。
【００５７】
一般にモータ４０で用いる周波数は、高くとも数ｋＨｚ以下であり、通常のインバータ装置内で使用される長さの伝送線路でのインピーダンス変化が無視できることから、中心のインピーダンス値は、例えば５Ｄ２Ｖなどの一般的な同軸ケーブルなどで使用される５０Ωを、そのまま用いている。しかし、構成要素となるインバータ回路４３の定格電圧／電流値、またモータ４０の電圧／電流値の範囲などがなるべく図の中心に近くなるように、中心点のインピーダンス値をＲ＝５０オーム以外の値にとって、プロットした方が、よ
り精度の高い設計が可能となる。
【００５８】
図７においては、ＺｏｕｔからＸＣ１０２の並列接続により、等コンダクタンス円弧上の経路ａを経て、Ｚ１に至り、さらにＸＬ１０３の直列接続により、等抵抗円弧上の経路ｂを経てＺｉｎに到達する。円Ｇｉｎｖは、インバータ回路４３が、与えられた直流電圧Ｖｄｃ条件の下で、高速域で供給すべきパワーを供給できるコンダクタンスの範囲を示すものであり、Ｚｉｎが円Ｇｉｎｖの内部に入った状態であることから、インバータ回路４３からの必要パワーの供給、すなわちモータ４０の駆動が可能な状態である。
【００５９】
本実施の形態においては、整合回路８４の構成が、実施の形態１と比較すると、部品点数の面では、３個のコンデンサ９４、９５、９６が追加となる分、多いものとなるが、インピーダンスの整合が行える自由度としては、格段に向上するものとなり、ＺｏｕｔとＺｉｎの組み合わせとして、非常に広い範囲のものに対応することができるものとなり、例えば、Ｚｏｕｔのリアクタンス分が正、すなわち電流遅れの力率角となる条件でも対応可能となり、モータ４０の損失を極限にまで抑えることも可能となり、高速時でも弱め界磁を行わない構成も可能となる。また、非常に高い速度にまで、省電流で低損失のモータ４０の駆動を可能としたり、インバータ回路４３の負担を極限にまで低減し、低コストを実現するなどの可能性も高まるものとなる。
【００６０】
また、本実施の形態においても、起動時から低速時、すなわちωが０または小さい条件では、整合回路８４内のＸＬは零に近く、ＸＣの絶対値は相当大きい値となることから、ほぼ整合回路８４の部分が、３本の電線で直結された状態と近いものとなる。そして、整合回路８４があることによる影響は小さく、よって回路的な切換を設けなくても、起動時から高速時まで対応ができるものとなり、高速時にωが大きくなった状態で、自動的に整合回路８４による電流低減効果が得られるものとなる。
【００６１】
ただし、本実施の形態では、３相の線間に並列リアクタンス素子となるコンデンサを接続していることから、電流値に関して、インバータ回路４３の出力段階と、モータ４０の各巻線３３、３４、３５は異なったものとなる。よって、ベクトル制御手段６１を用いる際には、例えば、電流センサを、モータ４０の入力部分に設けるなどすれば問題ないが、インバータ回路４３の出力電流値を制御するものであっても、モータ４０入力電流値の狙いに、予めコンデンサ９４、９５、９６に流れる電流分だけ加算したものとすると、モータ４０単独での入力電流値が、ほぼ狙い通りの値となり、多少制御は複雑となるが、モータ４０入力段階での電流制御が行えるものとなる。
【００６２】
（実施の形態３）
図８は、本発明の第３の実施の形態におけるインバータ装置の整合回路の回路図を示すものである。
【００６３】
図８においては、３相の整合回路１０８は、各相の線に直列に挿入された直列リアクタンス素子１０９、１１０、１１１が、Ｕｉ−Ｕｏ間、Ｖｉ−Ｖｏ間、Ｗｉ−Ｗｏ間に接続されたコンデンサ１１２、１１３、１１４によって構成され、出力となるＵｏ、Ｖｏ、Ｗｏ端子側に設けたコイル１１５、１１６、１１７と、リレーを用いた開閉手段１１９で構成されている。
【００６４】
開閉手段１１９は、３相分が同時に切り替わるものであり、起動時から低速時にはＡ、高速時にはＢに接続されるものとなる。
【００６５】
本実施の形態においても、整合回路１０８以外の部分構成については、実施の形態１と同等のものを使用している。
【００６６】
以上のように構成されたインバータ装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００６７】
図９は、本発明の第３の実施の形態におけるインバータ装置の等価回路図であって、高速時のモータ４０と整合回路１０８の部分の等価回路図を示している。
【００６８】
高速時においては、開閉手段１１９が３相ともＢ側に接続されたものとなっている。第１の実施の形態と同様に、高速時には、電流Ｉａが電圧Ｖａよりも進んだ状態としていることから、モータ４０は、抵抗Ｒｍ１２１、リアクタンスが負（容量性リアクタンス）となるＸｍ１２２の合成インピーダンス１２３で表現することができ、整合回路１０８の出力からモータ４０を見たインピーダンスＺｏｕｔとなる。
【００６９】
これにまず並列にコイルのリアクタンスＸＬ１２５が接続され、この段階での合成インピーダンスＺ１に対して、さらにその入力側、すなわちインバータ回路４３側に、コンデンサのリアクタンスＸＣ１２４が接続された状態となり、整合回路１０８は入力、すなわちインバータ回路４３の出力から見たインピーダンスＺｉｎとなる。ここで、リアクタンス値ＸＬは、ωＬ［オーム］で算出される正の値となり、リアクタンス値ＸＣは、−１／（ωＣ）［オーム］で算出される負の値となる。
【００７０】
なお、図９においては、単相の交流回路として等価回路を示しているが、現実のモータ４０、整合回路８４は、３相であり、図９の等価回路は３相／２相変換を行った状態を示している。
【００７１】
本実施の形態においても、ＺｏｕｔはＶａ／Ｉａ、Ｚ１はＶａ／Ｉｂ、Ｚｉｎは、Ｖｂ／Ｉｂで計算されるものとなる。
【００７２】
ちなみに、起動時から低速時については、開閉手段１１９が３相ともＡ側に接続された状態となっているため、３個の直列リアクタンス素子１０９、１１０、１１１は全て短絡状態となり、３個のコイル１１５、１１６、１１７は全て切断状態となることから、整合回路１０８は、単なる３本の銅線と化し、インピーダンスの変換作用は無いものとなる。
【００７３】
図１０は、本発明の第３の実施の形態におけるインバータ装置のインピーダンス図を示すものである。スミスチャートと呼ばれる様式の図である点は、実施の形態２の場合と同様である。
【００７４】
図１０においては、ＺｏｕｔからＸＬ１２５の並列接続により、等コンダクタンス円弧上の経路ｃを経て、Ｚ１に至り、さらにＸＣ１２４の直列接続により、等抵抗円弧上の経路ｄを経て円Ｇｉｎｖ内となるＺｉｎに到達することにより、インバータ回路４３からの必要パワーの供給、すなわちモータ４０の駆動が可能な状態となることは、第２の実施の形態で述べたのと同様である。
【００７５】
本実施の形態においては、起動時から低速時、すなわちωが０または小さい条件では、整合回路１０８内のＸＬ１２５は零に近く、またＸＣ１２４の絶対値は相当大きい値となってしまうことから、もし開閉手段１１９が無い場合には、ほぼ整合回路１０８によってインバータ回路４３とモータ４０の間の３相の電線が切断された状態となる。
【００７６】
そこで、本実施の形態においては、開閉手段１１９を設け、ωが０または小となる条件において、ＸＣ１２４、ＸＬ１２５の値に係わらず、インバータ回路４３とモータ４０間に直接の接続がなされるものとしている。
【００７７】
本実施の形態においても、整合回路１０８の構成は、部品点数の面では、実施の形態２よりも更に、開閉手段１１９が必要となる分、多いものとなり、かつ開閉手段１１９の制御が必要となることから、やや複雑とな構成となるが、インピーダンスの整合が行える自由度は大きく、Ｚｏｕｔのリアクタンス分の正／負に係わらず、対応可能となる点は、整合回路１０８の出力側、すなわちモータ４０側に並列のリアクタンス成分が存在することから生ずるもので、実施の形態２と同様である。
【００７８】
本実施の形態は、定数となるコンデンサ１１２、１１３、１１４の静電容量、およびコイル１１５、１１６、１１７のインダクタンス値に対して、広い速度範囲で良好な動作を行わせることは難しい面はあるが、高速時の速度・トルク等が一定である場合には、設計上有利となる。特に、図１０に説明したＺｏｕｔからＺｉｎの経路でのｃが比較的短く、ｄが比較的長い場合には、コンデンサ１１２、１１３、１１４の静電容量、およびコイル１１５、１１６、１１７のインダクタンス値は小さいもので済むことから、形状、重量、コストの面で有利となる場合も多い。
【００７９】
発明者の研究では、直列リアクタンス素子として、同等の端子間電圧値と電流値を得ようとする場合、コンデンサを用いた場合の方が、コスト、重量、体積の各要素が、いずれもコイルを用いた場合に対して１／１０倍程度で済むことが確認されており、直列リアクタンス素子をコンデンサが有利となる要因となっている。
【００８０】
また、開閉手段１１９によって、低速時には、整合回路１０８の損失をほぼ零とすることができるものであるため、低速での運転時間が長いインバータ装置では、無駄な電力損失によるエネルギー消費を抑えられる効果もある。例えば、実施の形態１におけるリアクタ５０、５１、５２で構成した直列リアクタンス素子４６、４７、４８について、各素子の両端を起動時から低速時に短絡する開閉手段を設けた構成とすれば、同様の効果が得られるものとなる。
【００８１】
以上のように、本実施の形態においては整合回路１０８が、低速時に直列リアクタンス素子１０９、１１０、１１１の端子間を短絡する開閉手段１１９を有することにより、起動時、および低速から高速の広い速度範囲で、モータ４０の損失を低減することが可能となり、整合回路１０８構成の選択範囲も広がるものとなる。
【００８２】
以上の各実施の形態においては、インバータ回路４３の構成として、特にベクトル制御手段６１が設けられていることから、整合回路４５、８４、１０８によるＩｄの低減効果を、トルク電流Ｉｑとほぼ独立で調整できることから、必要な動力性能、トルクの応答性能を得るためのトルク設定と独立して、常にモータ４０の電圧の調整ができ、整合回路４５、８４、１０８の効果を最大限に引き出す制御が可能となる。しかしながら、ベクトル制御手段６１を用いることが必須となるわけではなく、例えば位置検知手段３８からの位相信号に応じて、モータ４０に加える電圧の大きさ、位相を決めてスイッチング素子５４５、５５、５６、５７、５８、５９をオンオフするなどの構成としても良く、その場合においても、高速になるに従い、直列リアクタンス素子による電圧の発生はあるため、モータ４０への供給電流を抑えられるという整合回路４５、８４、１０８の効果は自動的に得られるものとなる。
【００８３】
また、例えば、洗濯機用のインバータ装置としては、洗濯時やすすぎ時に低速ではあるが、必要なトルクがかなり大となり、それに有利に対応できるよう、例えばモータ４０内の巻線のターン数を大きくしてΨａを大きく設定したモータ４０であっても、脱水動作など高速での運転が必要となる場合にあっては、弱め界磁のための電流Ｉｄ＜０の絶対値を相当に抑えた、省電流での駆動が可能となるものである。
【００８４】
そして、高速時でも、弱め界磁の程度を抑えた運転ができることから、例えばフェライト磁石のような減磁耐量が低い永久磁石を用いたモータを使用する構成や、ＳＰＭと呼ばれるような表面に永久磁石を貼り付け、Ｉｄ＜０でのリラクタンストルクが活用できない構成においても、有利に作用する。
【００８５】
さらに、各実施の形態においては、パワーの方向としてインバータ回路４３からモータ４０へ向かう、力行について説明したが、逆に機械エネルギーをモータ４０で吸収し、インバータ回路４３に向かわせる制動の動作を行うものであっても良く、ＺｉｎとＺｏｕｔの位置がほぼ逆になるだけで、基本動作は変わらないものとなり、やはり高速時に弱め界磁の電流を抑えた省電流の状態で、インバータ回路４３の出力電圧よりも、モータ４０の電圧が高い状態にて、安定かつ低損失での回生制動が行えるものとなり、例えば慣性モーメントに蓄えられた機械的エネルギーを有効に、直流電圧Ｖｄｃに回生する場合には有効である。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
以上のように、本発明にかかるインバータ装置は、高速時のモータ電流を抑え、モータ損失を低減した駆動を可能となるので、一般家庭で使用する電気洗濯機などに用いられる電動機を駆動するインバータ装置等の用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００８７】
３０、３１  永久磁石
３３、３４、３５  巻線
４０  モータ
４３  インバータ回路
４５  整合回路
４６、４７、４８  直列リアクタンス素子
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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