專利名稱：電動壓縮機的制作方法
技術領域：
本發明涉及主要在家用冰箱或空調器中使用的逆變驅動的電動壓縮機。
背景技術：
無電刷直流電機是高效率的，近年來多用作在冷凍系統中使用的壓縮機等中。
作為現有的電動壓縮機，由電機的定子繞組產生的反電動勢檢測轉子的位置，基于其位置檢測信號來驅動電機的同時，將開關元件斷路，進行PWM(脈寬調制)控制的方法(例如，日本專利申請特開平3-55478號公報)是已知的。
下面參照
現有的電動壓縮機的控制裝置。
圖8是現有的電動壓縮機的電機的定子的俯視圖，圖9是現有的電動壓縮機的電機的轉子的俯視圖，圖10是現有的電動壓縮機的控制裝置的線路圖。
在圖8中，電機的定子1包括在芯體3上形成的多個T形部分5。在各個T形部分5上分別集中地卷繞著繞組7。
另一方面，在圖9中，電機的轉子10，是在鐵心12中埋入4塊永磁體14而形成埋入磁體型(IPM型)轉子。
在圖10中，電機30由在圖8中所示的定子1和在圖9中所示的轉子10構成，通過軸(圖中未顯示)使壓縮機構32進行動作。用于將商用電源34的交流電進行整流的整流電路36，采用倍壓整流方式，輸入AC100V，輸出DC250V。
逆變器40是三相電橋連接6個開關元件的結構，將整流電路36的直流輸出電壓轉換為三相的電壓和頻率的輸出，對電機30供給電力。對各相進行各自電角度為120度的通電，將矩形波狀的交變電流供給至電機。
反電動勢檢測電路42，由在電機30的三相的每個定子繞組中產生的反電動勢，來檢測轉子轉動的相對位置。驅動電路46使逆變器40的開關元件進行開/關。換向電路48，在電機30正常運轉時基于反電動勢檢測電路42的輸出信號，決定使逆變器40的哪個開關元件打開。PWM控制電路50，使逆變器40的上側臂的開關元件或下側臂的開關元件中的哪一個斷路，進行PWM(脈寬調制)控制。
所謂PWM控制，是將脈寬的占空因數提高/降低，使輸出的平均電壓上升/下降的控制方式。在此，在本說明書中，所謂“占空因數”，定義為在脈沖周期中“開”期間的比例。
下面說明如以上那樣構成的現有的電動壓縮機的控制裝置的動作。
由于在使電機30從停止狀態啟動時，在定子繞組中沒有產生反電動勢，所以不可能檢測轉子的位置。因此，從逆變器40中強制地輸出低頻且是低占空因數的電壓。通過將該輸出電壓施加在定子繞組上，強制地使電機開始旋轉(一般稱為低頻同步啟動)。
如此就開始了轉動，當該旋轉有一定程度上升時，在各相的定子繞組中產生反電動勢，從反電動勢檢測電路42中就輸出轉子位置檢測信號。換向電路48對該位置檢測信號進行處理，對驅動電路46輸出換向信號。基于此換向信號，驅動電路46使逆變器40的6個開關元件依次開/關，由此依次向定子繞組的各相供給電力。這樣，進行直流電機的正常運轉(由位置檢測信號進行反饋控制)。
在直流電機中，可以通過改變施加在該電機上的電壓來控制轉速。因此，基于來自PWM控制電路50的信號，加大脈寬調制時的占空因數，從而使電機施加電壓的平均值提高，使電機的轉速上升。反之，通過減小占空因數，使電機施加電壓的平均值降低，使轉速下降。
由于反電動勢檢測電路42的位置檢測信號的輸出，與轉子的旋轉是同步的，所以能夠由此信號探測轉速。將該探測到的轉速信號與速度基準信號相比較，將該比較結果進行反饋來調節占空因數，從而能夠進行電機的轉速控制。
在此，占空因數＝(開的期間/(開的期間+關的期間))×100。例如，當開的期間是50％、關的期間是50％時，占空因數就表示為50％。
但是，在這樣的現有結構中，是由來自PWM控制電路50的脈沖占空因數控制轉速的。在脈寬調制中的斷路頻率(下面稱為載波頻率)，一般是由數kHz到十幾kHz，伴隨著這樣的載波頻率要產生噪音。
由于在IPM型轉子10中內藏著永磁體14，所以形成轉子10的鐵心12和定子1的T形部分5連結的磁路。因此，在供給至定子繞組7的電流是矩形波的情況下，在通電相進行切換時，在相鄰的T形部分5中磁路也進行切換，引起磁力的急劇變化。其結果是，由于在定子1上引起變形而發生噪音。
因為由脈沖的占空因數控制轉速，所以在占空因數成為100％時具有最大的輸出，不能以比該時刻高的轉速運轉。因此，為了得到所需的電動壓縮機的能力，需要提高電機30的輸出，在使用相同量的銅作為定子繞組的情況下，輸出提高多少，電機效率就下降多少。
為了解決如上所述的問題，在電機30的定子繞組7中不輸入矩形波，而是施加三相正弦波交流電，就會降低噪音。
但是，施加三相正弦波交流電的方法，由于難以從反電動勢檢測電路得到轉子位置檢測信息，所以必須由用于檢測流過定子繞組的電流的電流檢測電路的信息來計算轉子的位置。在此情況下，通常的作法是，對于該電流檢測，需要使用電流互感器，另外，對于轉子位置的計算，需要使用能夠進行高速運算的微型計算機。其結果是，施加三相正弦波交流電的方法，價格很昂貴。
發明內容
本發明的電動壓縮機具有如下的結構。
本發明的電動壓縮機，包括封入了冷媒的密閉容器；收存于密閉容器內、具有含永磁體的轉子和定子、且由控制裝置驅動的電機；收存于密閉容器內、由電機驅動的壓縮機構。其特征在于該控制裝置，在低轉速驅動電機時，實行由轉子的位置檢測信號決定使開關元件開/關的定時的反饋控制，在高轉速驅動電機時，實行輸出規定頻率、與該規定頻率同步地驅動電機的開環控制。
按照這樣的結構，由于能夠在高轉速下運行，所以可以使用將最大輸出設定得較低的高效率的電機。相對地增大占空因數，能夠減小PWM控制的載波頻率的噪音。這樣一來，本發明就能夠提供一種廉價、低噪音和高效率的電動壓縮機。
圖1是本發明實施方式的電動壓縮機的剖面圖。
圖2是圖1所示的電動壓縮機的電機定子的俯視圖。
圖3是圖1所示的電動壓縮機的電機轉子的俯視圖。
圖4是本發明實施方式的電動壓縮機的控制裝置的電路圖。
圖5是圖4所示的控制裝置的框圖。
圖6是本發明實施方式的電動壓縮機中的電機的轉矩對轉速的特性圖。
圖7是本發明實施方式的電動壓縮機的控制裝置的特性圖。
圖8是現有的電動壓縮機的電機定子的俯視圖。
圖9是現有的電動壓縮機的電機轉子的俯視圖。
圖10是現有的電動壓縮機的控制裝置的電路圖。
具體實施例方式
下面，參照
本發明的電動壓縮機的實施方式。
圖1是本發明實施方式的電動壓縮機的剖面圖，圖2是圖1所示的電動壓縮機的電機定子的俯視圖，圖3是圖1所示的電動壓縮機的電機轉子的俯視圖，圖4是本發明實施方式的電動壓縮機的控制裝置的電路圖，圖5是圖4所示的控制裝置的框圖，圖6是本發明實施方式的電動壓縮機中的電機的轉矩對轉速的特性圖，圖7是本發明實施方式的電動壓縮機的控制裝置中的開關元件的開/關的定時和電流波形的特性圖。
在圖1中，在密閉容器101內，在儲存有油103的同時還封入了冷媒102。作為冷媒102的種類來說，適合采用R600a。在密閉容器101內收存了具備定子110和轉子112的電機115。在密閉容器101內，彈性地支撐著由電機115驅動的壓縮機構120。
壓縮機構120包括由固定著轉子112的主軸部123和偏心軸部124構成的曲軸126、軸支撐著主軸123的同時還具有壓縮室130的氣缸132、在該壓縮室130內自由往復運動的活塞135和連接著偏心軸124和活塞135的連接機構138，構成所謂往復式壓縮機。
如圖2所示，電機的定子110包括在芯體140上面形成的9個T形部分142。在各T形部分142上分別集中地卷繞著繞組145，構成所謂集中卷繞型定子。
在此，電機是具有如下所述這樣進行連線的U相繞組、V相繞組和W相繞組的三相電機。
繞組171集中地卷繞在T形部分181上。繞組174集中地卷繞在T形部分184上。繞組177集中地卷繞在T形部分187上。這些繞組171、174和177構成串聯連接的U相繞組。
繞組172集中地卷繞在T形部分182上。繞組175集中地卷繞在T形部分185上。繞組178集中地卷繞在T形部分188上。這些繞組172、175和178構成串聯連接的V相繞組。
繞組173集中地卷繞在T形部分183上。繞組176集中地卷繞在T形部分186上。繞組179集中地卷繞在T形部分189上。這些繞組173、176和179構成串聯連接的W相繞組。
在此，在本發明實施方式的說明中，以繞組145作為上述繞組171～179的代表、而以T形部分142作為上述T形部分181～189的代表進行說明。
另一方面，在圖3中，電機的轉子112，在鐵心150中埋設了6塊板狀的永磁體152，構成所謂埋入磁體型(內永磁型(IPM型))轉子。永磁體152是由例如釹-鐵-硼系稀土類磁體形成的。
電機，是在如圖2所示的定子110的內側配置了如圖3所示的轉子112而構成的。定子110的各T形部分142的內面和轉子112的外面，隔著一個空隙相對向。
就如上述那樣構成的電機來說，由流經在定子110的各T形部分142上卷繞的繞組145中的電流產生的旋轉磁場和在轉子112的鐵心150中埋設的永磁體152發生關系而產生的磁力轉矩及磁阻轉矩的合成轉矩使轉子112旋轉。也就是說，該電機，由于在轉子112的鐵心150中埋設的永磁體152的效果，不僅能夠有效地利用磁力轉矩，而且還能夠有效地利用磁阻轉矩，與只利用磁力轉矩的電機相比，提高了效率。
下面說明本實施方式中的電動壓縮機的控制裝置。
在圖4中，商用電源161是例如100V60Hz的交流電源。
控制裝置160包括整流電路162、逆變器163、位置檢測電路165和控制電路166。
整流電路162將商用電源161的交流電整流變換為直流，在本實施方式中，表示倍壓整流方式的電路，輸入AC100V，輸出DC250V。
逆變器163是將6個開關元件例如絕緣柵型雙極晶體管(IBGT)或場效應晶體管(FET)等進行三相電橋連接的結構。在構成逆變器163的上臂的三個開關元件和下臂的三個開關元件的各自連接點上，分別連接著電機115的定子繞組的U相繞組、V相繞組和W相繞組的各自的一端。而U相繞組、V相繞組和W相繞組的另外一端連接在一起構成中性點。該逆變器163，通過對整流電路162的直流輸出進行脈寬調制(PWM)控制，變換為規定電壓和規定頻率的三相輸出，然后通電至電機115的上述三相繞組中。在三相的各相中分別進行電角度為120度的通常通電，或者分別進行電角度為130度以上不足180度的廣角通電。在此，其通電角度設為150度。
位置檢測電路165檢測在電機115的輸入端子、即、三相繞組的各自一端產生的反電動勢，也就相對地檢測轉子112相對于定子110的旋轉位置。
控制電路166，根據其運轉狀況，對根據位置檢測電路165的輸出信號決定使構成逆變器163的六個開關元件進行開/關的定時的反饋控制、和、與位置檢測電路165的輸出信號沒有關系地從逆變器163中輸出規定頻率和規定電壓的開環控制進行切換。
上面說明了結構，下面說明其動作。
由控制裝置160驅動電機115，由該電機的轉子112使曲軸126旋轉。與該曲軸連接的偏心軸部124的偏心運動，通過連接機構138，轉換成活塞135在壓縮室130內進行的往復運動，由此進行壓縮動作。
下面使用圖5，說明控制裝置160的動作。
在圖5中，控制裝置160從位置檢測電路165中接受信號，在步驟1中確認電機的轉速。然后，在步驟2中，當其轉速在規定值以下時(即低轉速驅動時)，控制裝置160在步驟3中根據轉子的位置檢測信號進行反饋控制。另一方面，當在步驟2中的轉速不在規定值以下時(即高轉速驅動時)，控制裝置160在步驟4中進行輸出規定頻率、與該輸出頻率同步地驅動電機的開環控制。
在此，控制裝置160進行輸出規定頻率、與該輸出頻率同步地驅動電機的開環控制，由此，與根據位置檢測信號進行的反饋控制的情形相比，能夠實現更高的轉速。
對于該動作，還利用圖6進行了詳細地說明。在圖6中，C表示根據通常的位置檢測信號進行反饋控制時的在最大占空因數(例如100％)時的電機特性。成為通常轉矩提高轉速降低這樣的特性。
現在，當電機的指令轉速為r1，轉矩是t1時，電機在A點運轉。此時，控制電路166進行基于位置檢測信號的反饋控制，由于是由最適宜的變換狀態進行運轉，因而進行高效率的運轉。
在此，當指令轉速變為r2時，控制電路166以B點為目標，為了提高轉速而加大占空因數。由此使轉速提高，但當行進到與特性C相交的D點時，達到最大占空因數(例如100％)，不能再提高到此以上的轉速。
此時，控制電路166在將占空因數固定在最大占空因數(例如100％)處不變的同時，切換到提高輸出頻率的開環控制。也就是說，只提高與位置檢測信號無關的輸出頻率，成為與該頻率同步地驅動的同步電機的運轉控制。
此時，電機電流的相位，與在定子繞組中產生的反電動勢的相位相比，處于超前的狀態，通過這樣的運轉，就使得一部分電機電流減弱了磁通量。其結果是，使得在定子繞組中產生的反電動勢降低，由于此反電動勢使來自電源的供給電壓得以提高，使得轉速值提高，從而能夠以高轉速進行運轉。通常將該作用稱為弱場磁控制。
下面使用圖7說明驅動波形的廣角通電。
在圖7中，橫軸表示時間，縱軸表示U相上、V相上、W相上、U相下、V相下、W相下的各開關元件的開/關狀態，同時顯示出U相電流的波形。V相電流及W相電流，相對于U相電流，具有電角度為120度的相位差，它們的電流波形與U相電流波形相似，在圖7上被省略。
如圖7所示，通過將通電角度變成電角度為150度的廣角通電，U相電流波形，與通常的電角度為120度通電的矩形波電流相比，上升的電流降低，近似于正弦波形。
其結果是，在低轉速驅動時，在進行基于位置檢測信號的反饋控制時，由于廣角通電，電流接近正弦波狀，使電機的轉矩脈動減小。其結果是，在本實施方式的情況下，與現有的120度通電相比，能夠顯著地降低振動。
而在高轉速驅動時，進行以規定頻率驅動的開環控制，在占空因數100％、而且進行廣角通電的情況下，電流接近于正弦波狀，使電機的轉矩脈動減小。其結果是，旋轉變得平穩，而且能進行高速運轉。
在上面的說明中，通電角度采用150度的電角度，但即使電角度為130度以上、不足180度時，也能夠預期有近乎同樣的效果，不會偏離本發明的主題。
由如上所述的本發明實施方式的優點來看，本實施方式中的電動壓縮機需要具有與現有的電動壓縮機相同的冷凍能力的情況下，能夠減小氣缸容積，能夠減小圖1所示的活塞135，能夠減小偏心軸部124相對于主軸部123的偏心量。因此，本實施方式中的電動壓縮機，能夠減小壓縮機構120的振動。特別是，作為冷媒的種類，在使用冷凍能力非常小而要求很大的氣缸容積的R600a的情況下，會取得顯著的改善效果。
由本發明實施方式的優點來看，對于電機來說，能夠使用將最大輸出設定得較低的電機。其結果是，由于可以采用更多地卷繞繞組的高效率的電機，能夠得到高效率的電動壓縮機。
由于可以相對地增大了相同轉速下的占空因數，所以相對地降低了PWM控制的載波頻率的噪音。
定子是以集中卷繞的方式在鐵心的各T形部分上實施了繞組而成的，與分布卷繞的方式相比，雖然在繞組和T形部分之間的振動衰減效果小，因振動增大而容易產生聲音，但可以減小載波頻率或轉矩脈動的噪音。因此，本發明的電動壓縮機，可以使用廉價而高效率的集中卷繞式電機，能夠實現低噪音。
而且，本發明的電動壓縮機的電機，在轉子112的鐵心150中埋入了板狀的永磁體152，同時利用了磁力轉矩和磁阻轉矩這兩者，提高了電機的效率，構成了具有所謂IPM型(內永磁型)轉子的電機。而且，為了提高磁通密度而得到高的效率，永磁體152是由釹-鐵-硼系稀土類磁體構成的。
IMP型轉子，內藏的磁體形成了連接轉子鐵心和定子的T形部分的強的磁路。在本實施方式中，由于永磁體152是由稀土類磁體形成的，所以形成了更強的磁路。其結果是，在各相電流是矩形波的情況下，在換相時，磁路在相鄰的T形部分中進行切換，因此，引起磁力的急劇變化，由此使定子變形，產生以此為起因的噪音。
但是，在本實施方式中，由于相電流近似于正弦波形，在換相前后，電流值減小，而且，在換相后，電子流平滑地增減，因此磁力相對于定子的變化小。其結果是，就抑制了定子的變形，能夠將振動抑制得很小，能夠實現高效率、低噪音的電動壓縮機。
根據如上所述的實施方式，能夠實現廉價、低噪音和高效率的電動壓縮機。
在本實施方式中，說明了在密閉容器中彈性地支撐的往復式壓縮機構而構成的電動壓縮機，但在密閉容器中固定直接定子的電動壓縮機或者壓縮機的類型例如是旋轉型或渦旋型時也具有同樣的效果。
在本實施方式中，永磁體是由稀土類磁體形成的，但即使用鐵氧體磁體等形成，也能得到同樣的作用和效果。
在本實施方式中，整流電路162是倍壓整流電路，但也可以是其它的整流方式(例如全波整流電路或半波整流電路)，不用說，也可以是輸出電壓能夠切換的整流方式(例如對倍壓整流和全波整流進行轉換或用半導體開關進行切換的整流方式等)或輸出電壓能夠變換為線性的整流方式(升壓斷路或高壓斷路等DC-DC變換器)。位置檢測電路165采取在電機115的輸入端子檢測產生的反電動勢的方式，但也可以使用空穴元件等的位置檢測傳感器。
如上所述，在本發明的電動壓縮機中的控制裝置，在低轉速驅動時，實行基于位置檢測信號進行PWM驅動的反饋控制，在高轉速驅動時，實行輸出規定頻率的開環控制。而且，在高轉速驅動時，與位置檢測信號無關地提高輸出頻率，與其同步而提高轉速，進行作為同步電機的動作，電機電流的相位與電機的反電動勢的相位相比超前地進行運轉，因此弱場磁控制起作用，能夠以高轉速進行運轉。其結果是，能夠使用將最大輸出設定得較低的高效率的電機，同時也可以提高同樣轉速下的占空因數，因此能夠減小PWM控制的載波頻率的噪音。
產業上的可利用性本發明的電動壓縮機，由于能夠進行高轉速的運轉，能夠使用與目前相比將最大輸出設定得較低的高效率的電機，并且通過與目前相比相對地增大占空因數而能夠減小PWM控制的載波頻率的噪音。由此，能夠提供一種廉價、低噪音、高效率的電動壓縮機，所以特別適合于家用冰箱或空調器等用途中。
權利要求
1.一種電動壓縮機，包括封入了冷媒的密閉容器；收存于所述密閉容器內、具有含永磁體的轉子和定子、且由控制裝置驅動的電機；收存于所述密閉容器內、由所述電機驅動的壓縮機構，其特征在于所述控制裝置，在低轉速驅動所述電機時，實行由所述轉子的位置檢測信號決定使開關元件開/關的定時的反饋控制，在高轉速驅動所述電機時，實行輸出規定頻率、與所述規定頻率同步地驅動所述電機的開環控制。
2.如權利要求1所述的電動壓縮機，其特征在于電機是三相電機，控制裝置對所述電機的三相中的各相分別進行電角度為130度以上、不足180度的通電。
3.如權利要求1或2所述的電動壓縮機，其特征在于定子是以集中卷繞的方式在該定子的各T形部分上實施了繞組。
4.如權利要求1或2所述的電動壓縮機，其特征在于永磁體埋設在形成轉子的鐵心中。
5.如權利要求1或2所述的電動壓縮機，其特征在于壓縮機構包括形成壓縮室的氣缸；插入到所述壓縮室內能夠自由往復運動的活塞；具有主軸部和偏心軸部的曲軸；和，連接所述活塞和所述偏心軸部的連接機構。
6.如權利要求1或2所述的電動壓縮機，其特征在于冷媒的種類是R600a。
全文摘要
一種電動壓縮機，在封入了冷媒的密閉容器內收存具有轉子和定子且由控制裝置驅動的電機和由該電機驅動的壓縮機構，其中該電機的控制裝置，在低轉速驅動電機時，實行由轉子的位置檢測信號決定使開關元件開/關的定時的反饋控制，在高轉速驅動電機時，實行輸出規定頻率、與該規定頻率同步地驅動電機的開環控制。由此提供一種PWM驅動時噪音減小的電動壓縮機。
文檔編號H02P6/08GK1762089SQ20048000022
公開日2006年4月19日 申請日期2004年3月16日 優先權日2003年3月17日
發明者浜岡孝二, 西原秀俊, 遠藤勝己, 片山誠, 藥師秀一, 飯塚辰幸, 佐伯雄二, 田中秀尚, 大內山智則 申請人:松下電器產業株式會社