JP2014128045A

JP2014128045A - モータ駆動装置およびそれを備えた電気機器

Info

Publication number: JP2014128045A
Application number: JP2012280661A
Authority: JP
Inventors: Toshiki Tsubouchi; 俊樹坪内; Tomoya Hosokawa; 智也細川
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-12-25
Filing date: 2012-12-25
Publication date: 2014-07-07
Also published as: CN103973175A

Abstract

【課題】モータ駆動装置のインバータ部において、コネクタなどの接続手段が、接触不良や、ヒューマンエラー、電源のマシンエラーなどにより、前記直流電圧が定格電圧もしくはそれに近い値のまま、コネクタが接続されて、インバータ部が故障するという課題があった。
【解決手段】直流電源の出力電圧が、接続手段を介してインバータ部の正・負の入力端子に接続されるとともに、コンデンサ部にも接続され、前記インバータ部の出力端子にはインダクタンス負荷を接続するモータ駆動装置であって、前記コンデンサ部は、コンデンサを複数直列接続した構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、空気調整器の送風ファンなどの用途に供される、モータの駆動装置において、直流電源とインバータ部との接続不具合による破壊・故障の防止に関する。

モータなど誘導性負荷に、直流電源から電力を供給する従来のモータ駆動装置は、インバータ部の直流電源入力端子正負間にコンデンサを設けている（例えば、特許文献１参照）。コンデンサは、インバータ部のスイッチ素子の動作に伴う電圧変動やノイズを軽減する目的で設けられる。一般に、直流電源はコネクタなどの接続手段を介して、モータ駆動装置などのインバータ部に接続される。

コネクタは、一般に、直流電源の出力電圧がゼロもしくは、十分小さい値に減じた状態で接続し、その後、直流電源の出力電圧を定格電圧へ増大させてインバータ部の運転が行われる。又、コネクタの切り離しは、直流電源の出力電圧を定格電圧からゼロもしくは、十分小さい値に減じた状態にして行われる。

特開２０１１−４１４７１号公報

大量生産されるこれらモータ駆動装置においては、コネクタなどの接続手段が、接触不良や、ヒューマンエラー、電源のマシンエラーなどにより、前記直流電圧が定格電圧もしくはそれに近い値のまま、コネクタが接続されて、インバータ部が故障するという課題があった。

図４（ａ）において、直流電源１の正負の出力端子は、接続手段５を介して、インバータ部２の直流電源入力端子に接続される。前記直流電源入力端子の正負間にはコンデンサ部３００として、コンデンサＣ１が設けられる。接続手段５は、図中では、説明の都合上、開閉器ＳＷ１、ＳＷ２で示している。図４（ｂ）は、コンデンサＣ１の等価回路である。実際のコンデンサには、静電容量Ｃｓだけでなく、インダクタンス成分Ｌｓ、抵抗成分Ｒｓが存在する。

この回路の動作について、図５の特性図に基づき説明する。今、初期状態、時刻ｔ＝ｔ_０にて、接続手段５のＳＷ１、ＳＷ２は開路状態、直流電源１（Ｖ_ＤＣ）の出力電圧Ｖ_{ＤＣｏｕｔ}は、Ｖ_{ＤＣｏｕｔ}＝Ｖ_ＤＣ０の定格電圧が出力されている。

次に、時刻ｔ＝ｔ_１にて、接続手段５のＳＷ１、ＳＷ２は閉路状態になると、直流電源１（Ｖ_ＤＣ）から、充電電流Ｉ_ＤＣが、コンデンサＣ１へ流れて、コンデンサＣ１が充電されて、電圧Ｖ_ＤＣｉｎが増大する。充電電流Ｉ_ＤＣの変化率ｄｉ／ｄｔと、コンデンサのインダクタンス成分Ｌｓとの積によりＶ_ＤＣｉｎは、過大に増大して、時刻ｔ＝ｔ２で、Ｖ_ＤＣｐ１なるピーク電圧を発生したのち、定格電圧Ｖ_ＤＣ０に収束しようとしてＣ１が放電し、時刻ｔ＝ｔ_３以降、Ｖ_{ＤＣｏｕｔ}＝Ｖ_ＤＣｉｎ＝Ｖ_ＤＣ０に収束する。

ピーク電圧Ｖ_ＤＣｐ１の値が、インバータ部の絶対最大定格電圧を越えると、インバータ部を破壊に至らしめるという課題があった。コンデンサＣ１が、小型の積層セラミック
コンデンサの場合には、抵抗成分Ｒｓが比較的小さいため、ｄｉ／ｄｔが大きくなり、上述の課題による故障が往々にあった。

そこで、抵抗成分Ｒｓの比較的大きい電解コンデンサを用いた場合、積層セラミックコンデンサより、一般に大型であり、モータ駆動装置の小型化が困難になるという新たな課題が発生する。又、直列に抵抗を挿入するという手段もあるが、許容損失の大きな部品が必要になり同様の課題が発生する。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、直流電源からインバータ部の入力端子に設けられたコンデンサへの充電電流により発生する過大な電圧がインバータ部を破壊・故障に至らしめるのを防止することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のモータ駆動装置は、直流電源の出力電圧が、接続手段を介してインバータ部の正・負の入力端子に接続されるとともに、コンデンサ部にも接続され、前記インバータ部の出力端子にはインダクタンス負荷を接続するモータ駆動装置であって、前記コンデンサ部は、コンデンサを複数直列接続した構成であることを特徴とする。

この構成により、接続個数分倍の抵抗成分Ｒｓによりコンデンサへの充電電流のｄｉ／ｄｔを抑制し、コンデンサ自身のインダクタンス成分Ｌｓと前記ｄｉ／ｄｔの積による電圧上昇を小さくして、前記インバータ部の破壊を防ぐことができる。

前記コンデンサは、積層セラミックコンデンサのような小型の部品でよく、信頼性の高いインバータ機器の小型化に貢献することもできる。また、積層セラミックコンデンサは、曲げ応力によりクラックが入って、前記コンデンサのインピーダンスが低下し、電源短絡状態となって破壊しやすいという課題があるが、コンデンサ２個直列接続することにより、一方のコンデンサがショートしても他方のコンデンサが正常であれば電源短絡状態にならず結果的に故障しないという利点もある。

本発明によれば、インバータ部の破壊を防ぐことができる。

（ａ）本発明の実施形態１におけるモータ駆動装置の構成図（ｂ）コンデンサの等価回路図本発明の実施形態１におけるモータ駆動装置の特性図（ａ）本発明の実施形態１におけるモータ駆動装置を搭載したモータの外観図（ｂ）同モータの断面図（ａ）従来のモータ駆動装置の構成図（ｂ）コンデンサの等価回路図従来のモータ駆動装置の特性図

（実施形態１）
図１（ａ）は、本発明の実施形態１におけるモータ駆動装置の構成図である。同図において、直流電源１の正負の出力端子は、接続手段５を介して、インバータ部２の直流電源入力端子に接続される。前記直流電源入力端子の正負間にはコンデンサＣ１、Ｃ２の２個を直列接続したコンデンサ部３が設けられる。インバータ部２の出力端子にはインダクタンス負荷４が接続されている。なお接続手段５は、図中では、説明の都合上、開閉器ＳＷ１、ＳＷ２で示している。

図１（ｂ）は、コンデンサＣ１、Ｃ２の等価回路である。実際のコンデンサＣ１、Ｃ２には、静電容量Ｃｓだけでなく、インダクタンス成分Ｌｓ、抵抗成分Ｒｓが存在する。

このモータ駆動装置の動作について、図２の特性図を用い説明する。なお、説明の都合上、従来例の特性を点線で示している。

図２において、今、初期状態、時刻ｔ＝ｔ_０にて、接続手段５のＳＷ１、ＳＷ２は開路状態、直流電源１（Ｖ_ＤＣ）の出力電圧Ｖ_{ＤＣｏｕｔ}は、Ｖ_{ＤＣｏｕｔ}＝Ｖ_ＤＣ０の定格電圧が出力されている。

次に、時刻ｔ＝ｔ_１にて、接続手段５のＳＷ１、ＳＷ２は閉路状態になると、直流電源１（Ｖ_ＤＣ）から、充電電流Ｉ_ＤＣが、コンデンサＣ１、Ｃ２へ流れて、Ｃ１、Ｃ２が充電されて、電圧Ｖ_ＤＣｉｎが増大する。しかしながら、Ｃ１、Ｃ２が直列接続されていることにより、抵抗成分Ｒｓが２倍になっているため、充電電流Ｉ_ＤＣの変化率ｄｉ／ｄｔは、従来例のＣ１だけの場合と比較して小さくなっており、Ｃ１のインダクタンス成分Ｌｓとの積により発生する前記Ｖ_ＤＣｉｎも抑えられ、時刻ｔ＝ｔ_２で、Ｃ１だけの場合のＶ_ＤＣｐ１より小さいＶ_{ＤＣｐ１１}なるピーク電圧を発生したのち、定格電圧Ｖ_ＤＣ０に収束しようとしてＣ１が放電し、時刻ｔ＝ｔ３以降、Ｖ_{ＤＣｏｕｔ}＝Ｖ_ＤＣｉｎ＝Ｖ_ＤＣ０に収束する。ピーク電圧Ｖ_{ＤＣｐ１１}の値は、インバータ部の絶対最大定格電圧を超えない値であり、インバータ部に破壊は生じない。

本発明のインバータ部に用いるコンデンサは、比較的に抵抗成分Ｒｓが小さく、Ｌｓが大きいという特性を有するもので、例えば、小型の積層セラミックコンデンサがそれにあたる。

次にモータの構成について説明する。図３（ａ）は本発明のモータ駆動装置を内蔵したモータの外観図であり、図３（ｂ）は、その断面図である。

同図において、ステータ８の上部にブラケット９を設け、ブラケット９の中心部からシャフト１０が突出し、ブラケット９とステータ８の勘合部側面に設けた口出しブッシュ２１からリード線７が引き出され、終端にコネクタ２５が設けられる。

シャフト１０には、マグネット１１を施したヨーク１２を設け、前記マグネット１１を挟んだ上下に軸受け１３を設けてロータ２０を成している。ステータコア１４には、インシュレータ１５を介して巻線６が施される。巻線６は、インシュレータ１５に設けた巻線端子ピンに接続されている。ステータコア１４は、樹脂２２で一体に成型されてステータ８を成している。ステータ８に、ロータ２０を収め、プリント配線板１７が載せられている。プリント配線板１７には、インバータ部２、磁気センサ１８、そして積層セラミック構造のコンデンサＣ１，Ｃ２が実装され、互いに、プリント配線板上で電気的に接続されている。

インバータ部２の出力端子は、巻線端子ピン１６と接続され、直流電源電圧入力端子の正負間には、コンデンサＣ１，Ｃ２が直列に接続されている。ステータ８は、ブラケット９で蓋をした構成である。ブラケット９とインバータ部２との空隙に熱伝導材１９が充填されている。リード線７は一端がプリント配線板１７に接続され他端にはコネクタ２５が設けられる。コネクタ２５に、図示しない直流電源が接続されてモータへ電力が供給される。

以上のように、小型の積層セラミックコンデンサ２個を直列接続して用いれば、コンデ
ンサへの充電電流のｄｉ／ｄｔを抑制し、コンデンサ自身のインダクタンス成分Ｌｓと前記ｄｉ／ｄｔの積による電圧上昇を小さくして、前記インバータ部の破壊を防ぐことができ信頼性の高いインバータ機器の小型化が可能になり、図３に示すように、これらインバータ機器をモータのような限られた空間内に具現化することも容易である。

なお、上記の実施形態１では、コンデンサが２個直列接続した例を説明したが、コンデンサを複数個直列に接続したものでは、コンデンサの抵抗成分Ｒｓが直列接続した複数倍となって、実施形態１と同様の効果により、２個直列接続した場合と同等以上に電圧上昇を抑制することが可能になる。

本発明によればインバータ部の破壊を防ぐことができる信頼性の高いモータ駆動装置を提供可能であり、モータを搭載した各種電気機器に利用可能である。

１直流電源
２インバータ部
３コンデンサ部
４インダクタンス負荷
５接続手段

Claims

直流電源の出力電圧が、接続手段を介してインバータ部の正・負の入力端子に接続されるとともに、コンデンサ部にも接続され、前記インバータ部の出力端子にはインダクタンス負荷を接続するモータ駆動装置であって、
前記コンデンサ部は、コンデンサを複数直列接続した構成であることを特徴とするモータ駆動装置。
請求項１に記載のモータ駆動装置を備えた電気機器。