(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動体(20)又は固定子(22)の一方に永久磁石(32)が配備され、他方に電磁コイル(30)が配備されたリニアモータ(40)を具えるリニアコンプレッサの駆動装置であって、
電磁コイル(30)へ加える駆動電圧Ｖの周波数制御が可能な交流電源(50)と、
交流電源(50)の駆動電圧Ｖを検出する電圧検出手段(52)と、
電磁コイル(30)に流れる電流Ｉを検出する電流検出手段(53)と、
電圧検出手段(52)によって検出された駆動電圧Ｖと、電流検出手段(53)によって検出された電流Ｉとの位相差θを検出する位相検出手段(55)と、
位相検出手段(55)によって検出された位相差θと、電圧検出手段(52)によって検出された駆動電圧Ｖから、駆動電圧Ｖの虚軸成分Ｖｉを算出し、算出された虚軸成分Ｖｉと電磁コイル(30)に生ずる電圧ωＬＩとの差に応じた周波数補正量ΔＦを算出して、周波数補正量ΔＦに応じた値だけ、交流電源(50)の駆動電圧Ｖの周波数を補正することによって、駆動電圧Ｖの周波数を可動体(20)の共振周波数に一致させる補正手段(57)と、
を具えることを特徴とするリニアコンプレッサの駆動装置。
【請求項２】
可動体(20)又は固定子(22)の一方に永久磁石(32)が配備され、他方に電磁コイル(30)が配備されたリニアモータ(40)を具えるリニアコンプレッサの駆動装置であって、
電磁コイル(30)へ加える駆動電圧Ｖの周波数制御が可能な交流電源(50)と、
交流電源(50)の駆動電圧Ｖを検出する電圧検出手段(52)と、
電磁コイル(30)に流れる電流Ｉを検出する電流検出手段(53)と、
電圧検出手段(52)によって検出された駆動電圧Ｖと、電流検出手段(53)によって検出された電流Ｉとの位相差θを検出する位相検出手段(55)と、
位相検出手段(55)によって検出された位相差θと、電圧検出手段(52)によって検出された駆動電圧Ｖから、駆動電圧Ｖの虚軸成分Ｖｉを算出し、算出された虚軸成分Ｖｉと電磁コイル(30)に生ずる電圧ωＬＩとの差から、電磁コイル(30)に生ずる逆起電圧Ｅの虚軸成分Ｅｉを算出し、逆起電圧Ｅと逆起電圧Ｅの虚軸成分Ｅｉに基づいて逆起電圧Ｅと電流Ｉとの位相差ψを算出し、算出された位相差ψに応じた周波数補正量ΔＦを算出して、周波数補正量ΔＦに応じた値だけ、交流電源(50)の駆動電圧Ｖの周波数を補正することによって、駆動電圧Ｖの周波数を可動体(20)の共振周波数に一致させる補正手段(57)と、
を具えることを特徴とするリニアコンプレッサの駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はリニアコンプレッサの駆動装置に関し、特に、リニアモータによってピストンを往復運動させ、圧縮ガスを生成するリニアコンプレッサの駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
冷蔵庫のような冷却装置において、膨張した冷媒ガスを圧縮する駆動機構としてリニアコンプレッサを応用する開発が進められている。
【０００３】
図１は、公知のリニアコンプレッサ(10)の構成を示す断面図である。リニアコンプレッサ(10)は、シリンダ(11)内にピストン(12)を往復移動自在に嵌挿し、該ピストン(12)をリニアモータ(40)によって往復動させて、シリンダ(11)の一端に形成された圧縮室(13)内のガスを圧縮するものである。
【０００４】
リニアモータ(40)は、ケーシング(14)に形成された二重円筒状の継鉄部(15)(15a)に夫々電磁コイル(30)(30)を巻回してなる固定子(22)と、ピストン(12)の一端に形成された円筒状の永久磁石(32)を有する可動体(20)とを具える。永久磁石(32)は、継鉄部(15)(15a)の間に往復移動自在に挿入されている。また、可動体(20)は、ピストンバネ(16)を介して、固定子(22)に連結されており、可動体(20)には、更に、ケーシング(14)との間に防音、防振のためのマウントバネ(17)が取り付けられている。
なお、可動体(20)に電磁コイル(30)を巻回し、固定子(22)に永久磁石(32)を配備してリニアモータ(40)を構成することもできる。
【０００５】
電磁コイル(30)に交流電圧Ｖを印加して電流Ｉを流すと、その電流Ｉの方向に応じた向きの電磁力が、可動体(20)である永久磁石(32)に作用して、ピストン(12)がシリンダ(11)内を往復移動する。
リニアコンプレッサ(10)のエネルギー効率(入力エネルギーに対する出力エネルギーの比率)を高めるには、可動体(20)を共振周波数付近で振動させることが望まれる。
リニアコンプレッサ(10)の共振周波数Ｆｃは、ピストン(12)を含む可動体(20)の重量、圧縮室(13)内のガスの圧力変動に伴って生ずる所謂ガスバネのバネ定数、ピストンバネ(16)のバネ定数などによって決定される。
【０００６】
リニアコンプレッサ(10)は、一般に商用電力によって駆動されるから、リニアコンプレッサ(10)の共振周波数Ｆｃは、商用電力の交流電圧Ｖの周波数(５０／６０Ｈｚ)と一致するように設定されている。
【０００７】
運転開始直後や定常運転中の負荷の変化によって、ガスバネのバネ定数が変化すると、可動体(20)の振動は、共振周波数Ｆｃからズレた周波数での振動となり、その周波数が電源電圧Ｖの周波数とずれて、エネルギー効率が低下してしまう問題があった。
【０００８】
電源の交流電圧Ｖは、電磁コイル(30)によるインダクタンスＬが小さい場合には、図７(ａ)に示すように、縦軸を実軸、横軸を虚軸とすると、磁気コイル(30)に生ずる逆起電力Ｅと、リニアモータ(40)の電流Ｉと巻線抵抗Ｒによって生ずる電圧降下ＲＩとの合成ベクトルとして示すことができる。なお、逆起電力Ｅは、電磁コイル(30)が、永久磁石(32)に対して相対的に移動するときに、電磁コイル(30)に生ずる相対移動速度に比例した起電力のことである。
そこで、出願人は、特開平９−１１２４３８号公報にて、リニアモータ(40)に供給される電源電圧Ｖと、リニアモータ(40)の電流Ｉとの位相差θ’を検出して、図７(ｂ)に示すように、その位相差θ’＝０となるように交流電源の周波数を調整し、負荷変動に伴って変動した共振周波数Ｆｃを、交流電源の周波数Ｆに一致させることにより、エネルギー効率の高い運転を行なうリニアモータの駆動装置を提案している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
電磁コイル(30)のインダクタンスＬが小さい場合には、上述のとおり、電源電圧Ｖとリニアモータ(40)に流れる電流Ｉとの位相差θ’をゼロとするように交流電源の周波数Ｆを調節すれば、リニアモータ(40)を共振状態で運転できる。
しかしながら、電磁コイル(30)のインダクタンスＬが大きいときは、図３(ａ)に示すように、インダクタンスＬにより生ずる電圧ωＬＩを無視できないから、位相差θ分だけ電源周波数Ｆの位相をずらすだけでは、共振状態に戻すことはできなかった。
【００１０】
本発明の目的は、電磁コイルのインダクタンスＬが大きい場合でも、共振状態で運転でき、高いエネルギー効率を維持できるリニアコンプレッサの駆動装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１にリニアコンプレッサ(10)の駆動装置(60)は、可動体(20)又は固定子(22)の一方に永久磁石(32)が配備され、他方に電磁コイル(30)が配備されたリニアモータ(40)を具えるリニアコンプレッサの駆動装置であって、
電磁コイル(30)へ加える駆動電圧Ｖの周波数制御が可能な交流電源(50)と、
交流電源(50)の駆動電圧Ｖを検出する電圧検出手段(52)と、
電磁コイル(30)に流れる電流Ｉを検出する電流検出手段(53)と、
電圧検出手段(52)によって検出された駆動電圧Ｖと、電流検出手段(53)によって検出された電流Ｉとの位相差θを検出する位相検出手段(55)と、
位相検出手段(55)によって検出された位相差θと、電圧検出手段(52)によって検出された駆動電圧Ｖから、駆動電圧Ｖの虚軸成分Ｖｉを算出し、算出された虚軸成分Ｖｉと電磁コイル(30)に生ずる電圧ωＬＩとの差に応じた周波数補正量ΔＦを算出して、周波数補正量ΔＦに応じた値だけ、交流電源(50)の駆動電圧Ｖの周波数を補正することによって、駆動電圧Ｖの周波数を可動体(20)の共振周波数に一致させる補正手段(57)と、を具える。
【００１２】
また、本発明の請求項２にリニアコンプレッサ(10)の駆動装置(60)は、可動体(20)又は固定子(22)の一方に永久磁石(32)が配備され、他方に電磁コイル(30)が配備されたリニアモータ(40)を具えるリニアコンプレッサの駆動装置であって、
電磁コイル(30)へ加える駆動電圧Ｖの周波数制御が可能な交流電源(50)と、
交流電源(50)の駆動電圧Ｖを検出する電圧検出手段(52)と、
電磁コイル(30)に流れる電流Ｉを検出する電流検出手段(53)と、
電圧検出手段(52)によって検出された駆動電圧Ｖと、電流検出手段(53)によって検出された電流Ｉとの位相差θを検出する位相検出手段(55)と、
位相検出手段(55)によって検出された位相差θと、電圧検出手段(52)によって検出された駆動電圧Ｖから、駆動電圧Ｖの虚軸成分Ｖｉを算出し、算出された虚軸成分Ｖｉと電磁コイル(30)に生ずる電圧ωＬＩとの差から、電磁コイル(30)に生ずる逆起電圧Ｅの虚軸成分Ｅｉを算出し、逆起電圧Ｅと逆起電圧Ｅの虚軸成分Ｅｉに基づいて逆起電圧Ｅと電流Ｉとの位相差ψを算出し、算出された位相差ψに応じた周波数補正量ΔＦを算出して、周波数補正量ΔＦに応じた値だけ、交流電源(50)の駆動電圧Ｖの周波数を補正することによって、駆動電圧Ｖの周波数を可動体(20)の共振周波数に一致させる補正手段(57)と、を具える。
【００１３】
【作用及び効果】
本発明の請求項１に記載のリニアコンプレッサの駆動装置によれば、電磁コイル(30)へ供給される駆動電圧Ｖと、電磁コイル(30)を流れる電流Ｉとの位相差θに基づいて算出された駆動電圧Ｖの虚軸成分Ｖｉと、電磁コイルに生ずる電圧ωＬＩとの差に応じて、周波数補正量ΔＦを算出し、その算出値ΔＦに基づいて駆動電圧Ｖの周波数を補正し、駆動電圧Ｖの周波数を可動体(20)の共振周波数に一致させることができる。
電磁コイル(30)のインダクタンスをも考慮して、駆動電圧Ｖの周波数制御が行なわれるから、運転初期状態や負荷の変動によってもエネルギー効率が低下することはなく、また、低力率のリニアモータに対しても、効率の高い共振運転が可能となる。
【００１４】
本発明の請求項２に記載のリニアコンプレッサの駆動装置によれば、電磁コイル(30)へ供給される駆動電圧Ｖと、電磁コイル(30)を流れる電流Ｉとの位相差θに基づいて算出された駆動電圧Ｖの虚軸成分Ｖｉと、電磁コイルに生ずる電圧ωＬＩとの差に応じて、電磁コイル(30)に生ずる逆起電圧Ｅの虚軸成分Ｅｉを算出し、逆に基づいて、逆起電圧Ｅと電流Ｉとの位相差ψを算出する。算出された位相差ψに応じた周波数補正量ΔＦを算出し、その算出値ΔＦに基づいて駆動電圧Ｖの周波数を補正し、駆動電圧Ｖの周波数を可動体(20)の共振周波数に一致させることができる。
請求項２についても、電磁コイル(30)のインダクタンスをも考慮して、駆動電圧Ｖの周波数制御が行なわれるから、運転初期状態や負荷の変動によってもエネルギー効率が低下することはなく、また、低力率のリニアモータに対しても、効率の高い共振運転が可能となる。
【００１５】
本発明のリニアコンプレッサの駆動装置によれば、交流電源(50)の駆動電圧Ｖを電磁コイル(30)のインダクタンスＬを考慮して補正し、可動体(20)のストロークを一定に保持することができるので、高負荷時ほど大きな電力が供給され低負荷時ほど小さな電力が供給されることとなり、これを用いた冷凍機には適切な冷却特性が得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
リニアコンプレッサに搭載されるリニアモータ(40)は、交流電源(50)と電磁コイル(30)を接続して形成される。これを等価回路で示した場合、図２のとおり、交流電源(50)に、電磁コイル(30)のインダクタンスＬ、電磁コイル(30)の巻き線抵抗Ｒ及び電磁コイル(30)に発生する逆起電圧Ｅで表わすことができる。
電磁コイル(30)に発生する逆起電圧Ｅは、電磁コイル(30)と永久磁石(32)との相対移動速度に比例して生じる電圧である。
交流電源(50)の駆動電圧をＶ、等価回路中を流れる電流をＩとすると、インダクタンスＬの電圧降下はωＬＩ、巻き線抵抗による電圧降下はＲＩで表わされる。
【００１７】
駆動電圧Ｖは、縦軸を実軸、横軸を虚軸としたときに、図３(ａ)に示すように、インダクタンスＬによる電圧降下ωＬＩ、巻き線抵抗による電圧降下ＲＩ及び逆起電圧Ｅとの合成ベクトルで示すことができる。
【００１８】
ところで、電流Ｉの周波数が、リニアモータ(40)の共振周波数Ｆｃと一致していないとき、図３(ａ)を参照すると、逆起電圧Ｅは、電流Ｉに対して、位相がψだけ進んでいることがわかる(位相遅れの場合もある)。この場合、逆起電圧Ｅと電流Ｉとの間に位相差ψが生じており、これらが同期していないため、リニアモータ(40)が共振状態で駆動できない。
そこで、この逆起電圧Ｅと電流Ｉとの位相差ψを、図３(ｂ)に示すように、ゼロにすることにより、逆起電圧Ｅと比例関係にある電磁コイル(30)の相対的な移動速度と、電流Ｉとを同期させて、リニアモータ(40)を共振状態で駆動させる。
【００１９】
上記のように、リニアモータ(40)を共振状態で作動させるための具体的な駆動装置の構成を図４、その制御の流れをフローチャート図５に示している。
駆動装置(60)は、図４に示すように、交流電源(50)、リニアコンプレッサ(10)の動力源となる電磁コイル(30)、電圧検出手段(52)、電流検出手段(53)及びコンピュータ(58)を具えており、コンピュータ(58)は、位相検出手段(55)と、演算・制御を行なう補正手段(57)とを具えている。
【００２０】
交流電源(50)は、コンピュータ(58)の補正手段(57)からの周波数制御信号に応じてた周波数ｆの駆動電圧Ｖを、電磁コイル(30)に印加する。電圧検出手段(52)は、交流電源(50)から電磁コイル(30)に印加される電圧Ｖを検出し、検出値をデジタル信号に変換して、コンピュータ(58)の位相検出手段(55)に送信する(ステップ１)。また、電流検出手段(53)は、交流電源(50)から電磁コイル(30)に流れる電流Ｉを検出し、検出値をデジタル信号に変換して、コンピュータ(58)の位相検出手段(55)に送信する(ステップ１)。
【００２１】
コンピュータ(58)の位相検出手段(55)は、電圧検出手段(52)及び電流検出手段(53)から送信されたデジタル信号に基づいて、電圧Ｖと電流Ｉの波形の立ち上がりタイミングなどを算出し(ステップ２)、駆動電圧Ｖに対する電流Ｉの位相差θを算出する(ステップ３及び図３(ａ))。駆動電圧Ｖの大きさと、位相差θから、駆動電圧Ｖの虚軸成分Ｖｉを算出することができる(ステップ４)。この虚軸成分Ｖｉは、図３(ａ)に示すように、インダクタンスＬによる電圧降下ωＬＩと、逆起電圧Ｅの虚軸成分Ｅｉ(＝Ｅsinψ)との和を表わしている。インダクタンスＬによる電圧降下ωＬＩは、電流検出手段(53)により測定された電流Ｉに基づいて算出できるから、駆動電圧Ｖの虚軸成分ＶｉとインダクタンスＬによる電圧降下ωＬＩとの差(＝Ｖｉ−ωＬＩ)から、逆起電圧Ｅの虚軸成分Ｅsinψを算出する。
補正手段(57)には、逆起電圧Ｅの虚軸成分Ｅsinψと、位相差ψをゼロとするために必要な周波数補正量ΔＦとの関係が、計算式又はデータテーブルとして格納されている。補正手段(57)は、位相検出手段(55)で検出された位相差ψに応じた周波数補正量ΔＦを算出し(ステップ５)、算出結果に基づいた周波数制御量Ｆ(＝Ｆ＋ΔＦ)を周波数制御信号として、交流電源(50)に送信する(ステップ７)。
交流電源(50)が、駆動電圧Ｖを受信した周波数制御量Ｆに応じて補正すると、図３(ｂ)に示すように、逆起電圧Ｅと電流Ｉの位相差がゼロとなり、電磁コイル(30)の相対移動速度と電流Ｉが一致して、リニアモータ(40)は共振し、制御は終了する(ステップ８)。
【００２２】
上記実施例の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
【００２３】
例えば、ステップ５において、上記では、駆動電圧Ｖの虚軸成分Ｅsinψから周波数補正量ΔＦを算出したが、図６に示すように、逆起電圧Ｅの虚軸成分Ｅsinψと、電流Ｉと逆起電圧Ｅとの位相差ψを算出し、算出値に対応する周波数補正量ΔＦを導くようにしてもよい(ステップ９〜ステップ１１)。この場合、コンピュータ(58)の補正手段(57)には、逆起電圧Ｅと電流Ｉとの位相差ψと、位相差ψをゼロとするために必要な周波数補正量ΔＦとの関係を、計算式又はデータテーブルとして格納しておけばよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】リニアコンプレッサの断面図である。
【図２】リニアモータの等価回路である。
【図３】  (ａ)は、電流と速度が同期していないときの電圧と電流との関係を示すベクトル図、(ｂ)は、電流と速度が同期し、共振状態にある電圧と電流との関係を示すベクトル図である。
【図４】本発明のリニアコンプレッサの駆動装置を示すブロック図である。
【図５】本発明の制御の流れを示すフローチャート図である。
【図６】本発明の異なる実施例を示すフローチャート図である。
【図７】従来の制御方法を示すベクトル図であって、(ａ)は、電流と電圧が同期していない状態を示し、(ｂ)は、電流と電圧が同期した状態を示している。
【符号の説明】
(10)  リニアコンプレッサ
(30)  電磁コイル
(40)  リニアモータ
(50)  交流電源
(52)  電圧検出手段
(53)  電流検出手段
(55)  位相検出手段
(57)  補正手段
【図１】
0003768064.tif 000002
【図２】
0003768064.tif 000003
【図３】
0003768064.tif 000004
【図４】
0003768064.tif 000005
【図５】
0003768064.tif 000006
【図６】
0003768064.tif 000007
【図７】
0003768064.tif 000008