JP2016208708A

JP2016208708A - モータ駆動装置およびこれを用いた冷蔵庫

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Publication number: JP2016208708A
Application number: JP2015088898A
Authority: JP
Inventors: 義典竹岡; Yoshinori Takeoka; 田中　秀尚; Hidenao Tanaka; 秀尚田中
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2015-04-24
Filing date: 2015-04-24
Publication date: 2016-12-08
Also published as: SG11201708733QA; US20180123487A1; WO2016170792A1; EP3288176B1; EP3288176A1; EP3288176A4; CN107624219A; BR112017022814A2

Abstract

【課題】スパイク電圧幅の変動によって、誘起電圧ゼロクロスが検出できなくなり、正確に位置検出ができないことがあった
【解決手段】位置検出部６はスパイク電圧が消失したことを検出し、消失検出後に誘起電圧から回転子の位置検出をすることにより、スパイク電圧が確実に終了した後に位置検出を行うため、電流の急激な変化に対しても、位置検出とスパイク電圧を分けることができ、モータ位相の遅れやスパイク電圧を誘起電圧と誤検出することなく、正確な位置検出を行うことで安定した電流波形で駆動することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブラシレスＤＣモータを駆動するモータ駆動装置およびこれを用いた冷蔵庫に関する。

従来、この種のモータ駆動装置では、モータをＰＷＭ制御で駆動しながら、目標速度に対してモータの運転速度が高ければ、ＰＷＭのオン時間を低減し、目標速度に対してモータの運転速度が低ければオン時間を増加させている。

また、従来のモータ駆動装置を用いて冷却する冷蔵庫において、冷凍サイクル内に四方弁を設け、圧縮機運転時は通常の冷凍サイクルを構成し、圧縮機停止時は高低圧がサイクル上分離し、かつドライヤから圧縮機に高圧冷媒がパスされ、圧縮機吸入／吐出の圧力差を小さくなるよう四方弁を切り換えている。これにより、圧縮機停止時には、高圧側の冷媒が蒸発器に流れ込むことなく、蒸発器の温度は低いまま保持され庫内温度を上昇させないことで冷蔵庫の省エネを図っている（例えば、特許文献１参照）。

図５は特許文献１に記載された従来のモータ駆動装置を用いた冷蔵庫を示すものである。図５に示すように、低圧シェル式の圧縮機１０１、コンデンサ（凝縮器）１０２、ドライヤ１０３、毛細管１０４、蒸発器１０５の順番で冷凍サイクルが形成され、冷媒は冷凍サイクル内を圧縮機１０１から凝縮器１０５に向けて流れている。四方弁１０６は入り口Ａをドライヤ１０３に、出口Ｂを毛細管１０４に、入り口Ｃを蒸発器１０５に、出口Ｄを圧縮機１０１に接続する。圧縮機１０１の運転中は、四方弁１０６の入り口Ａと出口Ｂ、入り口Ｃと出口Ｄを連通させている。また停止中は四方弁１０６の入り口Ａと出口Ｄ、入り口Ｃと出口Ｂを連通させる。

これにより、圧縮機停止中は圧縮機１０１、コンデンサ１０２、ドライヤ１０３を設けた高圧域の閉回路と、毛細管１０４、蒸発器１０５を設けた低圧域の閉回路を構成するようにしている。冷凍サイクル動作中は正規の冷凍サイクルが形成され、通常の冷却運転を行うことができる。また、冷凍サイクル停止時は高低圧がサイクル上分離され、かつドライヤから圧縮機に高圧冷媒がパスされ、圧縮機吸入／吐出の圧力差を小さくし、負荷トルク変動が小さい状態で起動することができる。これらの構成により、冷凍サイクル停止中は、高圧側の冷媒が蒸発器１０５に流れることがなく蒸発器１０５の温度も上昇せず、冷凍サイクルのロスを低減することができる。

特開平１０−０２８３９５号公報

しかしながら上記従来の構成は、モータ駆動装置が起動時の大きな負荷トルク変動に対応できず、圧縮機１０１を安定して起動させるには、圧縮機１０１の停止時は四方弁１０６を用いて、圧縮機１０１の吸入と吐出の圧力をバランスさせる必要があるため、システムが複雑になりコストも増加するという課題があった。

本発明は上記従来の課題を解決するもので、負荷トルク変動が大きな状態でも安定して起動するするモータ駆動装置を提供する。

前記従来の課題を解決するために、本発明のモータ駆動装置は、負荷を駆動するブラシレスＤＣモータと、前記ブラシレスＤＣモータをＰＷＭ制御するためのＰＷＭオン比率を決定する速度制御部と、所定の速度より遅い区間では前記速度制御部で決定したＰＷＭオン比率以下に設定し、前記所定の速度より速い区間では前記速度制御部で決定したＰＷＭオン比率以上に設定するＰＷＭオン比率増減部と、前記ＰＷＭオン比率増減部で決定されたＰＷＭオン比率に従って前記ブラシレスＤＣモータを駆動するためのＰＷＭ制御を行うドライブ部を有するとしたものである。

これによって、負荷が重くなる区間で前記ブラシレスＤＣモータは出力トルクを増加させ、負荷が軽くなる区間では前記ブラシレスＤＣモータの出力トルクを低減させ駆動する。

本発明のモータ駆動装置は、負荷トルク変動が大きな状態でも安定して起動することができる。

本発明の実施の形態１におけるモータ駆動装置のブロック図同実施の形態におけるＰＷＭオン比率の変化を示す遷移図同実施の形態における動作の流れを示すフローチャート同実施の形態におけるブラシレスＤＣモータ一のゼロクロス検出間隔と負荷トルクの変化を示す遷移図従来の冷蔵庫の冷凍サイクル図

第１の発明は、負荷を駆動するブラシレスＤＣモータと、前記ブラシレスＤＣモータをＰＷＭ制御するためのＰＷＭオン比率を決定する速度制御部と、所定の速度より遅い区間では前記速度制御部で決定したＰＷＭオン比率以下に設定し、前記所定の速度より速い区間では前記速度制御部で決定したＰＷＭオン比率以上に設定するＰＷＭオン比率増減部と、前記ＰＷＭオン比率増減部で決定されたＰＷＭオン比率に従って前記ブラシレスＤＣモータを駆動するためのＰＷＭ制御を行うドライブ部を有することにより、必要なトルクが小さい速度の遅い区間では、過剰な出力トルクを抑制することとなり、トルクが不足している速度が速い区間では出力トルク大きくすることとなるので、負荷トルク変動が大きい条件であっても速度変化を減少させ、振動を低減しながら起動することができる。

また、起動時の振動に関しても、トルクの変動に合わせて印加電圧を変動させ前記ブラシレスＤＣモータに流れる電流を調整することとなるため、振動を抑制することができる。

また、前記ブラシレスＤＣモータの誘起電圧が低下し電流が流れやすくなる速度が低下する区間でＰＷＭオン比率を低減させ電流を流れにくくし、ピーク電流を抑制することとなり、減磁電流の低い高効率モータの使用による省エネや電流定格の小さい素子の使用によるコストダウンなどが可能となる。

第２の発明は、特に第１の発明のモータ駆動装置が圧縮機、凝縮器、キャピラリ、蒸発器、前記圧縮機の順に接続された冷凍サイクルの前記圧縮機を駆動し、前記圧縮機の吸入側と吐出側の圧力差が残る状態で起動するとした冷蔵庫としたことにより、圧縮機の吸入と吐出に圧力差がついた状態であっても起動できることとなり、単純なシステム構成で安
価に前記蒸発器の温度を上昇させず、冷凍サイクルのロスを低減することができる。

また、前記圧縮機が運転中に停電となり、圧縮機の吸入と吐出の圧力がバランスする前に停電から復帰した場合でもすぐに圧縮機を運転開始することが可能となり、停電が頻発するような電源事情の悪い状況であっても即座に冷却することができる。

第３の発明は、特に第２の発明の前記圧力差が少なくとも０．０５ＭＰａ以上であるとしたことにより、振動の増加による劣化の促進を軽減し、前記圧縮機の信頼性を維持しつつ、冷凍サイクルのロスを低減できる。

第４の発明は、特に第２または第３の発明の前記圧縮機と前記凝縮器の間に弁を設け、前記圧縮機停止時に弁を閉じ、前記圧縮機運転時は開くとした前記冷蔵庫の前記圧縮機を駆動するモータ駆動装置としたことにより、前記凝縮器の高温高圧の冷媒が圧縮機に戻らないこととなり、前記蒸発器の温度をより上昇させず、より冷凍サイクルのロスを低減することができる。

また、四方弁を用いた構成に比べシステムも単純で安価に構成が可能となる。

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。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるモータ駆動装置のブロック図である。図１において、交流電源１は一般的な商用電源で、日本においては実効値１００Ｖの５０または６０Ｈｚの電源である。モータ駆動装置３０は、交流電源１に接続され、ブラシレスＤＣモータ５を駆動する。以下、モータ駆動装置３０について説明する。

整流回路２は、交流電源１を入力として交流電力を直流電力に整流するものであり、ブリッジ接続された４個の整流ダイオード２ａ〜２ｄで構成される。

平滑部３は整流回路２の出力側に接続され、整流回路２の出力を平滑する。平滑コンデンサ３ｅと、リアクタ３ｆとから構成される。平滑部３からの出力はインバータ４に入力される。

また、平滑コンデンサ３ｅとリアクタ３ｆは、共振周波数が交流電源周波数の４０倍より高い周波数になるように設定される。これによって、共振周波数による電流は電源高調波規制の範囲外となり、高調波電流を低減することができる。また、平滑コンデンサ３ｅをこのような値とすることで、母線電圧は大きなリプル成分を含み、交流電源１から平滑コンデンサ３ｅに流れる電流も交流電源１の周波数成分に近い電流となるため高調波電流を低減することができる。

なお、リアクタ３ｆは、交流電源１とコンデンサ３ｅの間に挿入するため、整流ダイオード２ａ〜２ｄの前後どちらでも構わない。更にリアクタ３ｆは、高周波除去手段を構成するコモンモードフィルタを回路に設けた場合、高周波除去手段のリアクタンス成分との合成成分を考慮する。

インバータ４は、平滑部３からの電圧に交流電源１の電源周期の２倍周期で大きなリプル成分を含んだ直流電力を交流電力に変換する。インバータ４は、６個のスイッチング素子４ａ〜４ｆを３相ブリッジ接続して構成される。また、６個の還流電流用ダイオード４ｇ〜４ｌは、各スイッチング素子４ａ〜４ｆに、逆方向に接続される。

ブラシレスＤＣモータ５は、永久磁石を有する回転子５ａと、３相巻線を有する固定子５ｂとから構成される。ブラシレスＤＣモータ５は、インバータ４により作られた３相交流電流が固定子５ｂの３相巻線に流れることにより、回転子５ａを回転させる。

位置検出部６は、固定子５ｂの３相巻線に発生する誘起電圧や、固定子５ｂの３相巻線に流れる電流と印加電圧などから固定子５ａの磁極位置を検出する。本実施の形態においてはブラシレスＤＣモータ５の端子電圧を取得し、ブラシレスＤＣモータ５の回転子５ａの磁極相対位置を検出する。具体的には、位置検出部６は、固定子５ｂの３相巻線に発生する誘起電圧に基づいて、回転子５ａの相対的な回転位置を検出している。具体的には誘起電圧と基準となる電圧を比較し、ゼロクロスを検出する。誘起電圧のゼロクロスの基準となる電圧は３相分の端子電圧から仮想中点を作っても良いし、直流母線電圧を取得しその電圧としても良い。本実施の形態では仮想中点とする。誘起電圧から検出する方式は構成が簡単でより安価に構成することが可能となる。

速度検出部７は、位置検出部６が検出する位置情報からブラシレスＤＣモータ５の現在の駆動速度と過去一回転の平均速度を計算する。本実施の形態では、誘起電圧のゼロクロス検出からの時間を測定し、この時間から現在の速度として計算を行う。また、誘起電圧ゼロクロスの間隔を区間経過時間として検出し、区間経過時間の過去一回転の和を算出し、結果から一回転の平均速度を算出する。

速度制御部８は、速度検出部７で検出された一回転の平均速度と目標速度を比較し、目標速度のほうが一回転の平均速度より高ければ、ブラシレスＤＣモータ５への印加電圧を上げるよう設定し、目標速度が一回転の平均速度より低ければ、ブラシレスＤＣモータ５に印加する電圧を下げるよう設定し、一致していれば、ブラシレスＤＣモータ５に印加する電圧を維持するよう設定する。

ＰＷＭオン比率増減部９では、速度検出部７で検出された現在の速度があらかじめ決定された所定の速度よりも高ければ、速度制御部８で設定されたブラシレスＤＣモータ５への印加電圧を増加させ、現在の速度が所定の速度より低ければ、速度制御部８で設定されたブラシレスＤＣモータ５への印加電圧低下させるよう設定する。所定の速度は、固定の値であらかじめ設定しても良いし、母線電圧とデューティ幅の積から決定しても良い。所定の速度は、あらかじめ定めておくことで、処理が非常に簡素化され、安価で低性能なマイコンであっても実現が可能となる。また、母線電圧とデューティ幅の積から決定する場合は、ブラシレスＤＣモータ５への印加電圧の大きさに応じて変わるため、状態に応じたより安定した駆動が可能となる。本実施の形態では、所定の速度をあらかじめ定めておく方式とする。電圧の増加および低下の幅は、あらかじめ定めた所定の値や前記の所定の速度に応じて変化させるとしても良い。あらかじめ定めた値では、想定される範囲内での起動に対して、簡易な処理および構成となり、安価に実現できる。また、所定の速度に応じて変化させる方式では、運転状態に応じて変化させることとなり、広い負荷範囲に対応が可能となる。本実施の形態ではあらかじめ定めた値とする。

ドライブ部１０は位置検出部６で検出されるブラシレスＤＣモータの回転子５ａの位置に基づき、インバータ４がブラシレスＤＣモータ５の３相巻線に供給する電力の供給タイミングとＰＷＭ制御するドライブ信号を出力する。具体的にはドライブ信号は、インバータ４のスイッチング素子４ａ〜４ｆをオンまたはオフ（以下、オン／オフと記す）する。これにより、固定子５ｂに最適な交流電力が印加され、回転子５ａが回転し、ブラシレスＤＣモータ５が駆動される。駆動波形は矩形波や正弦波などがある。

また、ドライブ部１０ではＰＷＭオン比率増減部９で設定した印加電圧を元にＰＷＭデ
ューティ幅を計算し、出力する。

また、どの相に通電するかの決定を位置検出部６からの情報を元に、ドライブ部１０で行っており、本実施の形態では１２０度矩形波で行っているため、上側アームのスイッチング素子４ａ、４ｃ、４ｅをそれぞれ１２０度ずつずらして通電している。下側アームも同様に１２０度ずつずらして、スイッチング素子４ｂ、４ｄ、４ｆを通電している。スイッチング素子４ａと４ｂ、４ｃと４ｄ、４ｅと４ｆはそれぞれお互いの通電期間の間に６０度ずつのオフ期間が存在する。

次に、本実施の形態におけるモータ駆動装置３０を用いた冷蔵庫２２について説明する。

冷蔵庫２２には圧縮機１７が搭載されているが、ブラシレスＤＣモータ５の回転子５ａの回転運動は、クランクシャフト（図示せず）により、往復運動に変換される。クランクシャフトに接続されたピストン（図示せず）は、シリンダ（図示せず）内を往復運動することにより、シリンダ内の冷媒を圧縮する。つまり、ブラシレスＤＣモータ５と、クランクシャフト、ピストン、シリンダにより、圧縮機１７が構成される。

圧縮機１７の圧縮方式（機構方式）は、ロータリー型やスクロール型など、任意の方式が用いられる。本実施の形態においては、レシプロ型の場合について説明する。レシプロ型の圧縮機１７は吸入と圧縮の工程でのトルク変動が大きく、速度および電流値が大きく変動する。

圧縮機１７で圧縮された冷媒は、弁１８、凝縮器１９、減圧器２０、蒸発器２１を順に通って、再び圧縮機１７に戻るような冷凍サイクルを構成する。この時、凝縮器１９では放熱を、蒸発器２１では吸熱を行うので、冷却や加熱を行うことができる。この冷凍サイクルを搭載して冷蔵庫２２が構成される。

弁１８は、通電によって開閉動作が可能な電磁弁などがあり、本実施の形態では弁を用いる。弁１８は、圧縮機１７が運転中は開状態とし、圧縮機１７と凝縮器１９を連通させ、冷媒が流れる。一方で圧縮機１７が停止中は弁１８は閉状態とし、圧縮機１７と凝縮器１９との間を閉塞させ、冷媒が流れないようにする。

以上のように構成されたモータ駆動装置３０について、その動作を図２を用いて説明する。図２において、横軸はゼロクロス検出を行ってからの時間を示し、図２のＡの縦軸は、インバータ４をＰＷＭ制御をおこなう際のデューティのオン比率を示し、図２のＢの縦軸は、ゼロクロスからの平均ＰＷＭオン比率を示している。

Ｒｂ１はブラシレスＤＣモータ５の駆動速度が平均より過去１回転の平均より早いときに印加する最大の平均ＰＷＭオン比率を示しＲａ１と等しい。Ｒｂ２は速度制御部で決定したＰＷＭオン比率を示している。Ｒｂ３はブラシレスＤＣモータ５の駆動速度が過去１回転の平均速度より遅いときに印加する最小の平均ＰＷＭオン比率を示しており、Ｒａ２と等しい。Ｒａ３は位置検出部６で回転子５ａの磁極位置を検出するために最低限必要なＰＷＭオン比率を示している。

Ｔ０はゼロクロス検出のタイミングを示し、Ｔ２は過去一回転分の平均速度からもとまるゼロクロス検出間隔の平均時間で、例えば本実施の形態の３相４極モータでは１回転で１２回転流し、平均速度が３ｒ／ｓだとすると１秒間に１２と３の積である３６回転流することとなるため、ゼロクロス検出間隔の平均時間は１秒を３６で除算した約２７．８ｍｓとなる。Ｔ１は

であらわされる。具体的には、Ｔ２のタイミングで平均ＰＷＭオン比率が速度制御部８で決定したＰＷＭオン比率Ｒｂ２になるために、Ｔ０からＰＷＭオン比率Ｒａ１で運転し途中でＰＷＭオン比率をＲａ３に切り換えるタイミングを示す。Ｔ３は

であらわされる。具体的には、Ｔ２のタイミングからＰＷＭオン比率をＲａ３で運転を継続した場合、平均ＰＷＭオン比率がＲｂ３になるタイミングを示し、ＰＷＭオン比率をＲａ３からＲａ２に切り換えるタイミングとなる。

実際のＰＷＭオン比率の変化を示すと図２のＡに示すように、Ｔ０からＴ１まで、Ｒａ１とし、Ｔ１からＴ２までＲａ３とすることで、平均以上の速度では速度制御部８で決定したＰＷＭオン比率よりも高いＰＷＭオン比率で駆動することとなる。Ｔ２からＴ３に関しては引き続きＲａ３で駆動し、Ｔ３以降はＲａ２で駆動することで、平均以下の速度では速度制御部８で決定したＰＷＭオン比率以下で駆動することとなる。その際の平均ＰＷＭオン比率の最大はＲｂ１、最小はＲｂ３となる。このときＲｂ１、Ｒｂ２、Ｒｂ３、Ｒａ３の関係は
Ｒｂ１≧Ｒｂ２≧Ｒｂ３＞Ｒａ３（３）
となる。Ｒａ３は少なくとも位置検出部６で回転子５ａの磁極位置を検出できるＰＷＭオン比率を確保する。

詳細な制御方法に関して、図３を用いて説明する。図３はゼロクロス検出が行われた際に呼び出される。まず、ＳＴＥＰ２０１において、ゼロクロス検出が発生したためゼロクロス検出からの経過時間を示す、ゼロクロス検出タイマをクリアし、ＳＴＥＰ２０２に移行する。

ＳＴＥＰ２０２では、ゼロクロス検出からの経過時間を計測するため、ゼロクロス検出タイマをスタートし、ＳＴＥＰ２０３に移行する。

ＳＴＥＰ２０３では、ゼロクロス検出タイマの経過時間がＴ１以上かどうかを判定する。Ｔ１未満であればＳＴＥＰ２０４へ、Ｔ１以上であればＳＴＥＰ２０６へ移行する。ここでは、ゼロクロス検出タイマはＴ１未満としてＳＴＥＰ２０４へ移行する。

ＳＴＥＰ２０４では、ブラシレスＤＣモータ５をＰＷＭ制御する際のインバータ４のオン比率を設定する。ここでのＰＷＭオン比率はＲａ１としてＳＴＥＰ２０５へ移行する。

ＳＴＥＰ２０５では、位置検出部６がゼロクロスを検出したかどうかを判定する。ゼロロスを検出しなかった場合は再びＳＴＥＰ２０３へ移行し、ゼロクロスを検出した場合は処理を終了する。

一方、ＳＴＥＰ２０３において、ゼロクロス検出タイマがＴ１以上だったとして、ＳＴＥＰ２０６へ移行する。

ＳＴＥＰ２０６では、ゼロクロス検出タイマが、ゼロクロス検出からこれまでの平均ＰＷＭオン比率が平均速度よりも遅い場合の最小ＰＷＭオン比率と一致するＴ３以上かどうかを判定する。Ｔ３未満であれば、ＳＴＥＰ２０７へ移行し、Ｔ３以上であればＳＴＥＰ２０８へ移行する。ここではゼロクロス検出タイマがＴ３未満としてＳＴＥＰ２０７へ移行する。

ＳＴＥＰ２０７では、ブラシレスＤＣモータ５をＰＷＭ制御する際のインバータ４のオン比率を設定する。ここでのＰＷＭオン比率はＲａ３としてＳＴＥＰ２０５へ移行する。

一方、ＳＴＥＰ２０６でゼロクロス検出タイマの経過時間がＴ３以上だった場合、ＳＴＥＰ２０８に以降する。

ＳＴＥＰ２０８では、ブラシレスＤＣモータ５をＰＷＭ制御する際のインバータ４のオン比率を設定する。ここでのＰＷＭオン比率はＲａ２としてＳＴＥＰ２０５へ移行する。

ＳＴＥＰ２０５でゼロクロス検出が有った場合、処理を終了するが、ＳＴＥＰ２０４からの経路で終了へ移行した場合は現在の平均ゼロクロス検出間隔を表すＴ２よりも前にゼロクロスを検出したこととなるため、平均速度よりも速い区間ということとなり、その間の平均ＰＷＭオン比率は速度制御部８で決定したＰＷＭオン比率Ｒｂ２よりも高いＲａ１を出力することとなる。

また、ＳＴＥＰ２０８からの経路で終了へ移行した場合は、現在の平均ゼロクロス検出間隔を表すＴ２より後にゼロクロスを検出したため、平均より遅い区間ということとなり、その間の平均ＰＷＭオン比率は速度制御部８で決定したＰＷＭオン比率Ｒｂ２よりも低いＲａ３を出力することとなる。

また、ＳＴＥＰ２０７からの経路で終了へ移行した場合は、ゼロクロス検出タイマがＴ２で、平均ＰＷＭオン比率は速度制御部８で決定したＰＷＭオン比率Ｒｂ２と一致し、Ｔ２より速い場合は、平均ＰＷＭオン比率はＲｂ１からＲｂ２の間の速度制御部８で決定したＰＷＭオン比率Ｒｂ２より高い値となり、Ｔ２より遅い場合は、Ｒｂ２からＲｂ３の間のＲｂ２より低い値となる。

このフローをゼロクロス検出のタイミングで呼び出すことで、過去１回転の平均速度より速い区間ではＰＷＭオン比率を増加させ、遅い区間ではＰＷＭオン比率を減少させることができる。速度が低いほど、同じ負荷の変化に対して、速度の変化が大きくなるため、起動時に負荷トルクが大きく変動するような場合は、速度の遅い部分ではブラシレスＤＣモータ５の誘起電圧が特に低くなり、印加電圧が一定では電流が大きくなるため、インバータ４の破壊を防止に大きな容量の素子を用いたり、ブラシレスＤＣモータの減磁限界電流を大きくするために効率の悪いモータを使用するなどが必要であった。

ここで、ブラシレスＤＣモータ５の効率と減磁限界電流の関係を詳しく説明する。固定子５ｂを巻き数を多くすることで、同じ電流で得られるトルクが大きくなり、必要なトル
クを出力するための電流が小さくなるため、効率が良くなるが、回転子５ａの中の永久磁石の磁力が不可逆的に低減する減磁の磁力は変わらないため、回転子５ａの減磁とならない限界の電流である減磁限界電流は固定子５ｂの巻き数が多くなるほど小さくなる。つまり大きな電流を流そうとすると大きな減磁限界電流が必要となり効率の悪いモータを使うこととなる。

また、これらを防ぐための用意された過電流保護によってブラシレスＤＣモータの駆動が停止することもあった。本実施の形態では速度が遅い部分でＰＷＭオン比率を低減し、印加電圧を減少させることで電流値を抑制することとなるので、インバータ４に比較的小さな容量の素子を採用したり、高効率のモータを採用できることとなる。

更に、図４を用いて、速度が速い区間でＰＷＭオン比率を増加させ、速度が遅い区間でＰＷＭオン比率を低減させる効果を示す。図４の横軸はブラシレスＤＣモータ５の位相を示し、１回転分の位相をプロットしたものである。図４のＡの縦軸はゼロクロス検出間隔を示し、図４のＢは負荷トルクの変化を示している。図４に示すように、差圧起動を行う場合、負荷トルクとゼロクロス検出間隔は大きく変化するが、負荷トルクの増加と実際のゼロクロス検出間隔の増加のピークは一致せず、負荷トルクに対してゼロクロス検出間隔には応答遅れが存在する。

これにより、位置検出間隔が長い速度の遅い区間では必要なトルクは小さいため、速度が遅い区間でＰＷＭオン比率を低減することは過剰な出力トルクを抑制することとなり、速度が速い区間でＰＷＭオン比率を増加させることはトルクが不足している部分で出力トルク大きくすることとなるので、負荷トルク変動が大きい条件であっても速度変化を減少させ、振動を低減しながら起動することができる。

また、速度が速く、負荷トルクが小さい部分も存在するがその区間では、負荷が大きく速度が低下する区間の前に加速することで、回転子５ａの回転エネルギーを利用し、速度の低下を低減させることができるので、振動の低減に効果がある。

圧縮機１７において、吸入と吐出の間の差圧が０．０５ＭＰａ以上ある状態で、印加電圧を１回転の中で速度に応じて変化させず、加速のために単調に増加させた場合、差圧により負荷トルクの変動が大きく速度変動が大きくなるため、振動が大きくなり、圧縮機１７の部品の磨耗による故障の可能性の増加などがあったが、速度が速い区間でＰＷＭオン比率を増加させ、速度が遅い区間でＰＷＭオン比率を低減させることで、従来の印加方式に比べ信頼性を大きく向上できる。

次に、本実施の形態のモータ駆動装置３０を冷蔵庫２２に用いて、圧縮機１７を駆動した場合について説明する。

圧縮機１７を起動と同時に、弁１８を開の状態とし、圧縮機１７の吐出と凝縮器１９を連通させる。弁１８は圧縮機１７の起動と同時に開にするとしたが、時間的に多少前後しても問題とはならない。圧縮機１７の駆動を継続すると凝縮器１９は高圧となり、減圧器２０で減圧され蒸発器２１は低圧となる。このとき、圧縮機１７の凝縮器１９につながる吐出は高圧に、蒸発器２１につながる吸入は低圧となる。ここで、冷蔵庫２２の庫内温度が低下し、圧縮機１７を停止したとする。弁１８が開のままの状態では徐々に凝縮器１９と蒸発器２１の圧力がバランスしていく。圧縮機１７の吸入と吐出の間の圧力差が０．０５ＭＰａ以下のバランスしたといえる状態になるまで、冷蔵庫のシステムにもよるが１０分程度かかる。圧縮機１７の停止と同時に弁１８を開から閉状態に移行させると凝縮器１９と蒸発器２１の圧力差はほぼ維持され、圧縮機１７の吐出と吸入に圧力差が残る。冷蔵庫２２の庫内温度が上昇し、再び圧縮機１７を起動する際に、圧縮機１７の停止中に弁１
８を閉め圧力差を保持した状態と、圧力がバランスした状態から起動する場合と比較した場合、弁１８を閉め圧力差を保持したほうが、凝縮器１９と蒸発器２１の間に再び圧力差を設けるための電力が小さくすむため、省エネとなる。また、圧縮機１７の停止中も弁１８を開のままにする場合や、弁１８を設けない場合であっても、停止から圧力がバランスする１０分経過前に庫内温度が上昇した場合も従来であれば圧力差が０．０５ＭＰａ以下でしか起動できなかったため、１０分経過することを待っていた。一方、本実施の形態では、０．０５ＭＰａ以上の差圧でも起動を可能にしているため、庫内温度が上昇し、圧縮機１７の運転が必要なタイミングで起動が可能となり、バランスした状態に比べ凝縮器１９と蒸発器２１との間に圧力差を設けるための電力が減少することとなるため、省エネが可能となる。

以上ように、本実施の形態においては、負荷を駆動するブラシレスＤＣモータ５と、ブラシレスＤＣモータ５をＰＷＭ制御するためのＰＷＭオン比率を決定する速度制御部８と、所定の速度より遅い区間では速度制御部８で決定したＰＷＭオン比率以下に設定し所定の速度より速い区間では速度制御部８で決定したＰＷＭオン比率以上に設定するＰＷＭオン比率増減部９と、ＰＷＭオン比率増減部９で決定されたＰＷＭオン比率に従ってブラシレスＤＣモータ５を駆動するためのＰＷＭ制御を行うドライブ部１０を有するとしたことにより、必要なトルクが小さい速度の遅い区間では、過剰な出力トルクを抑制することとなり、トルクが不足している速度が速い区間では出力トルク大きくすることとなるので、負荷トルク変動が大きい条件であっても速度変化を減少させ、振動を低減しながら起動することができる。更に、前記ブラシレスＤＣモータの誘起電圧が低下し電流が流れやすくなる速度が低下する区間でＰＷＭオン比率を低減させ電流を流れにくくし、ピーク電流を抑制することとなり、減磁電流の低い高効率モータの使用による省エネや電流定格の小さい素子の使用によるコストダウンなどが可能となる。

また、本実施の形態ではモータ駆動装置３０が圧縮機１７、凝縮器１９、減圧器２０、蒸発器２１、圧縮機１７の順に接続された冷凍サイクルの圧縮機１７を駆動し、圧縮機１７の吸入側と吐出側の圧力差が残る状態で起動するとしたことにより、圧縮機の吸入と吐出に圧力差がついた状態であっても起動できることとなり、単純なシステム構成で安価に前記蒸発器の温度を上昇させず、冷凍サイクルのロスを低減することができる。また、前記圧縮機が運転中に停電となり、圧縮機の吸入と吐出の圧力がバランスする前に停電から復帰した場合でもすぐに圧縮機を運転開始することが可能となり、停電が頻発するような電源事情の悪い状況であっても即座に冷却することができる。

また、本実施の形態では圧縮機１７の吐出側と吸入側の圧力差は少なくとも０．０５ＭＰａ以上であるとしたことにより、振動の増加による劣化の促進を軽減し、圧縮機１７の信頼性を維持しつつ、冷凍サイクルのロスを低減できる。

また、本実施の形態では圧縮機１７と凝縮器１９の間に弁１８を設け、圧縮機１７の停止時に弁１８を閉じ、圧縮機１７の運転時は開くとした冷蔵庫２２の圧縮機１７を駆動するとしたことにより、凝縮器１９の高温高圧の冷媒が圧縮機１７に戻らないこととなり、蒸発器２１の温度をより上昇させず、より冷凍サイクルのロスを低減することができる。

本発明のモータ駆動装置は、起動時に負荷トルクが変動する状態であっても起動が可能となる。これにより、冷蔵庫のみならず、エアコン、自動販売機やショーケース、ヒートポンプ給湯器における圧縮機に適用できる。

５ブラシレスＤＣモータ
８速度制御部
９ＰＷＭオン比率増減部
１０ドライブ部
１７圧縮機
１８弁
１９凝縮器
２０減圧器
２１蒸発器
２２冷蔵庫
３０モータ駆動装置

Claims

負荷を駆動するブラシレスＤＣモータと、前記ブラシレスＤＣモータをＰＷＭ制御するためのＰＷＭオン比率を決定する速度制御部と、所定の速度より遅い区間では前記速度制御部で決定したＰＷＭオン比率以下に設定し、前記所定の速度より速い区間では前記速度制御部で決定したＰＷＭオン比率以上に設定するＰＷＭオン比率増減部と、前記ＰＷＭオン比率増減部で決定されたＰＷＭオン比率に従って前記ブラシレスＤＣモータを駆動するためのＰＷＭ制御を行うドライブ部を有するモータ駆動装置。
請求項１に記載のモータ駆動装置が圧縮機、凝縮器、減圧器、蒸発器、前記圧縮機の順に接続された冷凍サイクルの前記圧縮機を駆動し、前記圧縮機の吸入側と吐出側の圧力差が残る状態で起動するとした冷蔵庫。
前記圧力差は少なくとも０．０５ＭＰａ以上であるとした請求項２に記載の冷蔵庫。
前記圧縮機と前記凝縮器の間に弁を設け、前記圧縮機停止時に前記弁を閉じ、前記圧縮機運転時は開くとした請求項２または３に記載の冷蔵庫。