CN1762089A

CN1762089A - 电动压缩机

Info

Publication number: CN1762089A
Application number: CNA2004800002232A
Authority: CN
Inventors: 浜冈孝二; 西原秀俊; 远藤胜己; 片山诚; 药师秀一; 饭塚辰幸; 佐伯雄二; 田中秀尚; 大内山智则
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Appliances Refrigeration Devices Singapore Pte Ltd
Priority date: 2003-03-17
Filing date: 2004-03-16
Publication date: 2006-04-19
Anticipated expiration: 2024-03-16
Also published as: JP2004282911A; CN100426650C; JP4341266B2; CN1754303A; CN100428619C

Abstract

一种电动压缩机，在封入了冷媒的密闭容器内收存具有转子和定子且由控制装置驱动的电机和由该电机驱动的压缩机构，其中：该电机的控制装置，在低转速驱动电机时，实行由转子的位置检测信号决定使开关元件开/关的定时的反馈控制，在高转速驱动电机时，实行输出规定频率、与该规定频率同步地驱动电机的开环控制。由此提供一种PWM驱动时噪音减小的电动压缩机。

Description

电动压缩机

技术领域

本发明涉及主要在家用冰箱或空调器中使用的逆变驱动的电动压缩机。

背景技术

无电刷直流电机是高效率的，近年来多用作在冷冻系统中使用的压缩机等中。

作为现有的电动压缩机，由电机的定子绕组产生的反电动势检测转子的位置，基于其位置检测信号来驱动电机的同时，将开关元件断路，进行PWM(脉宽调制)控制的方法(例如，日本专利申请特开平3-55478号公报)是已知的。

下面参照附图说明现有的电动压缩机的控制装置。

图8是现有的电动压缩机的电机的定子的俯视图，图9是现有的电动压缩机的电机的转子的俯视图，图10是现有的电动压缩机的控制装置的线路图。

在图8中，电机的定子1包括在芯体3上形成的多个T形部分5。在各个T形部分5上分别集中地卷绕着绕组7。

另一方面，在图9中，电机的转子10，是在铁心12中埋入4块永磁体14而形成埋入磁体型(IPM型)转子。

在图10中，电机30由在图8中所示的定子1和在图9中所示的转子10构成，通过轴(图中未显示)使压缩机构32进行动作。用于将商用电源34的交流电进行整流的整流电路36，采用倍压整流方式，输入AC100V，输出DC250V。

逆变器40是三相电桥连接6个开关元件的结构，将整流电路36的直流输出电压转换为三相的电压和频率的输出，对电机30供给电力。对各相进行各自电角度为120度的通电，将矩形波状的交变电流供给至电机。

反电动势检测电路42，由在电机30的三相的每个定子绕组中产生的反电动势，来检测转子转动的相对位置。驱动电路46使逆变器40的开关元件进行开/关。换向电路48，在电机30正常运转时基于反电动势检测电路42的输出信号，决定使逆变器40的哪个开关元件打开。PWM控制电路50，使逆变器40的上侧臂的开关元件或下侧臂的开关元件中的哪一个断路，进行PWM(脉宽调制)控制。

所谓PWM控制，是将脉宽的占空因数提高/降低，使输出的平均电压上升/下降的控制方式。在此，在本说明书中，所谓“占空因数”，定义为在脉冲周期中“开”期间的比例。

下面说明如以上那样构成的现有的电动压缩机的控制装置的动作。

由于在使电机30从停止状态启动时，在定子绕组中没有产生反电动势，所以不可能检测转子的位置。因此，从逆变器40中强制地输出低频且是低占空因数的电压。通过将该输出电压施加在定子绕组上，强制地使电机开始旋转(一般称为低频同步启动)。

如此就开始了转动，当该旋转有一定程度上升时，在各相的定子绕组中产生反电动势，从反电动势检测电路42中就输出转子位置检测信号。换向电路48对该位置检测信号进行处理，对驱动电路46输出换向信号。基于此换向信号，驱动电路46使逆变器40的6个开关元件依次开/关，由此依次向定子绕组的各相供给电力。这样，进行直流电机的正常运转(由位置检测信号进行反馈控制)。

在直流电机中，可以通过改变施加在该电机上的电压来控制转速。因此，基于来自PWM控制电路50的信号，加大脉宽调制时的占空因数，从而使电机施加电压的平均值提高，使电机的转速上升。反之，通过减小占空因数，使电机施加电压的平均值降低，使转速下降。

由于反电动势检测电路42的位置检测信号的输出，与转子的旋转是同步的，所以能够由此信号探测转速。将该探测到的转速信号与速度基准信号相比较，将该比较结果进行反馈来调节占空因数，从而能够进行电机的转速控制。

在此，占空因数＝(开的期间/(开的期间+关的期间))×100。例如，当开的期间是50％、关的期间是50％时，占空因数就表示为50％。

但是，在这样的现有结构中，是由来自PWM控制电路50的脉冲占空因数控制转速的。在脉宽调制中的断路频率(下面称为载波频率)，一般是由数kHz到十几kHz，伴随着这样的载波频率要产生噪音。

由于在IPM型转子10中内藏着永磁体14，所以形成转子10的铁心12和定子1的T形部分5连结的磁路。因此，在供给至定子绕组7的电流是矩形波的情况下，在通电相进行切换时，在相邻的T形部分5中磁路也进行切换，引起磁力的急剧变化。其结果是，由于在定子1上引起变形而发生噪音。

因为由脉冲的占空因数控制转速，所以在占空因数成为100％时具有最大的输出，不能以比该时刻高的转速运转。因此，为了得到所需的电动压缩机的能力，需要提高电机30的输出，在使用相同量的铜作为定子绕组的情况下，输出提高多少，电机效率就下降多少。

为了解决如上所述的问题，在电机30的定子绕组7中不输入矩形波，而是施加三相正弦波交流电，就会降低噪音。

但是，施加三相正弦波交流电的方法，由于难以从反电动势检测电路得到转子位置检测信息，所以必须由用于检测流过定子绕组的电流的电流检测电路的信息来计算转子的位置。在此情况下，通常的作法是，对于该电流检测，需要使用电流互感器，另外，对于转子位置的计算，需要使用能够进行高速运算的微型计算机。其结果是，施加三相正弦波交流电的方法，价格很昂贵。

发明内容

本发明的电动压缩机具有如下的结构。

本发明的电动压缩机，包括：封入了冷媒的密闭容器；收存于密闭容器内、具有含永磁体的转子和定子、且由控制装置驱动的电机；收存于密闭容器内、由电机驱动的压缩机构。其特征在于：该控制装置，在低转速驱动电机时，实行由转子的位置检测信号决定使开关元件开/关的定时的反馈控制，在高转速驱动电机时，实行输出规定频率、与该规定频率同步地驱动电机的开环控制。

按照这样的结构，由于能够在高转速下运行，所以可以使用将最大输出设定得较低的高效率的电机。相对地增大占空因数，能够减小PWM控制的载波频率的噪音。这样一来，本发明就能够提供一种廉价、低噪音和高效率的电动压缩机。

附图说明

图1是本发明实施方式的电动压缩机的剖面图。

图2是图1所示的电动压缩机的电机定子的俯视图。

图3是图1所示的电动压缩机的电机转子的俯视图。

图4是本发明实施方式的电动压缩机的控制装置的电路图。

图5是图4所示的控制装置的框图。

图6是本发明实施方式的电动压缩机中的电机的转矩对转速的特性图。

图7是本发明实施方式的电动压缩机的控制装置的特性图。

图8是现有的电动压缩机的电机定子的俯视图。

图9是现有的电动压缩机的电机转子的俯视图。

图10是现有的电动压缩机的控制装置的电路图。

具体实施方式

下面，参照附图说明本发明的电动压缩机的实施方式。

图1是本发明实施方式的电动压缩机的剖面图，图2是图1所示的电动压缩机的电机定子的俯视图，图3是图1所示的电动压缩机的电机转子的俯视图，图4是本发明实施方式的电动压缩机的控制装置的电路图，图5是图4所示的控制装置的框图，图6是本发明实施方式的电动压缩机中的电机的转矩对转速的特性图，图7是本发明实施方式的电动压缩机的控制装置中的开关元件的开/关的定时和电流波形的特性图。

在图1中，在密闭容器101内，在储存有油103的同时还封入了冷媒102。作为冷媒102的种类来说，适合采用R600a。在密闭容器101内收存了具备定子110和转子112的电机115。在密闭容器101内，弹性地支撑着由电机115驱动的压缩机构120。

压缩机构120包括由固定着转子112的主轴部123和偏心轴部124构成的曲轴126、轴支撑着主轴123的同时还具有压缩室130的气缸132、在该压缩室130内自由往复运动的活塞135和连接着偏心轴124和活塞135的连接机构138，构成所谓往复式压缩机。

如图2所示，电机的定子110包括在芯体140上面形成的9个T形部分142。在各T形部分142上分别集中地卷绕着绕组145，构成所谓集中卷绕型定子。

在此，电机是具有如下所述这样进行连线的U相绕组、V相绕组和W相绕组的三相电机。

绕组171集中地卷绕在T形部分181上。绕组174集中地卷绕在T形部分184上。绕组177集中地卷绕在T形部分187上。这些绕组171、174和177构成串联连接的U相绕组。

绕组172集中地卷绕在T形部分182上。绕组175集中地卷绕在T形部分185上。绕组178集中地卷绕在T形部分188上。这些绕组172、175和178构成串联连接的V相绕组。

绕组173集中地卷绕在T形部分183上。绕组176集中地卷绕在T形部分186上。绕组179集中地卷绕在T形部分189上。这些绕组173、176和179构成串联连接的W相绕组。

在此，在本发明实施方式的说明中，以绕组145作为上述绕组171～179的代表、而以T形部分142作为上述T形部分181～189的代表进行说明。

另一方面，在图3中，电机的转子112，在铁心150中埋设了6块板状的永磁体152，构成所谓埋入磁体型(内永磁型(IPM型))转子。永磁体152是由例如钕-铁-硼系稀土类磁体形成的。

电机，是在如图2所示的定子110的内侧配置了如图3所示的转子112而构成的。定子110的各T形部分142的内面和转子112的外面，隔着一个空隙相对向。

就如上述那样构成的电机来说，由流经在定子110的各T形部分142上卷绕的绕组145中的电流产生的旋转磁场和在转子112的铁心150中埋设的永磁体152发生关系而产生的磁力转矩及磁阻转矩的合成转矩使转子112旋转。也就是说，该电机，由于在转子112的铁心150中埋设的永磁体152的效果，不仅能够有效地利用磁力转矩，而且还能够有效地利用磁阻转矩，与只利用磁力转矩的电机相比，提高了效率。

下面说明本实施方式中的电动压缩机的控制装置。

在图4中，商用电源161是例如100V60Hz的交流电源。

控制装置160包括整流电路162、逆变器163、位置检测电路165和控制电路166。

整流电路162将商用电源161的交流电整流变换为直流，在本实施方式中，表示倍压整流方式的电路，输入AC100V，输出DC250V。

逆变器163是将6个开关元件例如绝缘栅型双极晶体管(IBGT)或场效应晶体管(FET)等进行三相电桥连接的结构。在构成逆变器163的上臂的三个开关元件和下臂的三个开关元件的各自连接点上，分别连接着电机115的定子绕组的U相绕组、V相绕组和W相绕组的各自的一端。而U相绕组、V相绕组和W相绕组的另外一端连接在一起构成中性点。该逆变器163，通过对整流电路162的直流输出进行脉宽调制(PWM)控制，变换为规定电压和规定频率的三相输出，然后通电至电机115的上述三相绕组中。在三相的各相中分别进行电角度为120度的通常通电，或者分别进行电角度为130度以上不足180度的广角通电。在此，其通电角度设为150度。

位置检测电路165检测在电机115的输入端子、即、三相绕组的各自一端产生的反电动势，也就相对地检测转子112相对于定子110的旋转位置。

控制电路166，根据其运转状况，对根据位置检测电路165的输出信号决定使构成逆变器163的六个开关元件进行开/关的定时的反馈控制、和、与位置检测电路165的输出信号没有关系地从逆变器163中输出规定频率和规定电压的开环控制进行切换。

上面说明了结构，下面说明其动作。

由控制装置160驱动电机115，由该电机的转子112使曲轴126旋转。与该曲轴连接的偏心轴部124的偏心运动，通过连接机构138，转换成活塞135在压缩室130内进行的往复运动，由此进行压缩动作。

下面使用图5，说明控制装置160的动作。

在图5中，控制装置160从位置检测电路165中接受信号，在步骤1中确认电机的转速。然后，在步骤2中，当其转速在规定值以下时(即低转速驱动时)，控制装置160在步骤3中根据转子的位置检测信号进行反馈控制。另一方面，当在步骤2中的转速不在规定值以下时(即高转速驱动时)，控制装置160在步骤4中进行输出规定频率、与该输出频率同步地驱动电机的开环控制。

在此，控制装置160进行输出规定频率、与该输出频率同步地驱动电机的开环控制，由此，与根据位置检测信号进行的反馈控制的情形相比，能够实现更高的转速。

对于该动作，还利用图6进行了详细地说明。在图6中，C表示根据通常的位置检测信号进行反馈控制时的在最大占空因数(例如100％)时的电机特性。成为通常转矩提高转速降低这样的特性。

现在，当电机的指令转速为r1，转矩是t1时，电机在A点运转。此时，控制电路166进行基于位置检测信号的反馈控制，由于是由最适宜的变换状态进行运转，因而进行高效率的运转。

在此，当指令转速变为r2时，控制电路166以B点为目标，为了提高转速而加大占空因数。由此使转速提高，但当行进到与特性C相交的D点时，达到最大占空因数(例如100％)，不能再提高到此以上的转速。

此时，控制电路166在将占空因数固定在最大占空因数(例如100％)处不变的同时，切换到提高输出频率的开环控制。也就是说，只提高与位置检测信号无关的输出频率，成为与该频率同步地驱动的同步电机的运转控制。

此时，电机电流的相位，与在定子绕组中产生的反电动势的相位相比，处于超前的状态，通过这样的运转，就使得一部分电机电流减弱了磁通量。其结果是，使得在定子绕组中产生的反电动势降低，由于此反电动势使来自电源的供给电压得以提高，使得转速值提高，从而能够以高转速进行运转。通常将该作用称为弱场磁控制。

下面使用图7说明驱动波形的广角通电。

在图7中，横轴表示时间，纵轴表示U相上、V相上、W相上、U相下、V相下、W相下的各开关元件的开/关状态，同时显示出U相电流的波形。V相电流及W相电流，相对于U相电流，具有电角度为120度的相位差，它们的电流波形与U相电流波形相似，在图7上被省略。

如图7所示，通过将通电角度变成电角度为150度的广角通电，U相电流波形，与通常的电角度为120度通电的矩形波电流相比，上升的电流降低，近似于正弦波形。

其结果是，在低转速驱动时，在进行基于位置检测信号的反馈控制时，由于广角通电，电流接近正弦波状，使电机的转矩脉动减小。其结果是，在本实施方式的情况下，与现有的120度通电相比，能够显著地降低振动。

而在高转速驱动时，进行以规定频率驱动的开环控制，在占空因数100％、而且进行广角通电的情况下，电流接近于正弦波状，使电机的转矩脉动减小。其结果是，旋转变得平稳，而且能进行高速运转。

在上面的说明中，通电角度采用150度的电角度，但即使电角度为130度以上、不足180度时，也能够预期有近乎同样的效果，不会偏离本发明的主题。

由如上所述的本发明实施方式的优点来看，本实施方式中的电动压缩机需要具有与现有的电动压缩机相同的冷冻能力的情况下，能够减小气缸容积，能够减小图1所示的活塞135，能够减小偏心轴部124相对于主轴部123的偏心量。因此，本实施方式中的电动压缩机，能够减小压缩机构120的振动。特别是，作为冷媒的种类，在使用冷冻能力非常小而要求很大的气缸容积的R600a的情况下，会取得显著的改善效果。

由本发明实施方式的优点来看，对于电机来说，能够使用将最大输出设定得较低的电机。其结果是，由于可以采用更多地卷绕绕组的高效率的电机，能够得到高效率的电动压缩机。

由于可以相对地增大了相同转速下的占空因数，所以相对地降低了PWM控制的载波频率的噪音。

定子是以集中卷绕的方式在铁心的各T形部分上实施了绕组而成的，与分布卷绕的方式相比，虽然在绕组和T形部分之间的振动衰减效果小，因振动增大而容易产生声音，但可以减小载波频率或转矩脉动的噪音。因此，本发明的电动压缩机，可以使用廉价而高效率的集中卷绕式电机，能够实现低噪音。

而且，本发明的电动压缩机的电机，在转子112的铁心150中埋入了板状的永磁体152，同时利用了磁力转矩和磁阻转矩这两者，提高了电机的效率，构成了具有所谓IPM型(内永磁型)转子的电机。而且，为了提高磁通密度而得到高的效率，永磁体152是由钕-铁-硼系稀土类磁体构成的。

IMP型转子，内藏的磁体形成了连接转子铁心和定子的T形部分的强的磁路。在本实施方式中，由于永磁体152是由稀土类磁体形成的，所以形成了更强的磁路。其结果是，在各相电流是矩形波的情况下，在换相时，磁路在相邻的T形部分中进行切换，因此，引起磁力的急剧变化，由此使定子变形，产生以此为起因的噪音。

但是，在本实施方式中，由于相电流近似于正弦波形，在换相前后，电流值减小，而且，在换相后，电子流平滑地增减，因此磁力相对于定子的变化小。其结果是，就抑制了定子的变形，能够将振动抑制得很小，能够实现高效率、低噪音的电动压缩机。

根据如上所述的实施方式，能够实现廉价、低噪音和高效率的电动压缩机。

在本实施方式中，说明了在密闭容器中弹性地支撑的往复式压缩机构而构成的电动压缩机，但在密闭容器中固定直接定子的电动压缩机或者压缩机的类型例如是旋转型或涡旋型时也具有同样的效果。

在本实施方式中，永磁体是由稀土类磁体形成的，但即使用铁氧体磁体等形成，也能得到同样的作用和效果。

在本实施方式中，整流电路162是倍压整流电路，但也可以是其它的整流方式(例如全波整流电路或半波整流电路)，不用说，也可以是输出电压能够切换的整流方式(例如对倍压整流和全波整流进行转换或用半导体开关进行切换的整流方式等)或输出电压能够变换为线性的整流方式(升压断路或高压断路等DC-DC变换器)。位置检测电路165采取在电机115的输入端子检测产生的反电动势的方式，但也可以使用空穴元件等的位置检测传感器。

如上所述，在本发明的电动压缩机中的控制装置，在低转速驱动时，实行基于位置检测信号进行PWM驱动的反馈控制，在高转速驱动时，实行输出规定频率的开环控制。而且，在高转速驱动时，与位置检测信号无关地提高输出频率，与其同步而提高转速，进行作为同步电机的动作，电机电流的相位与电机的反电动势的相位相比超前地进行运转，因此弱场磁控制起作用，能够以高转速进行运转。其结果是，能够使用将最大输出设定得较低的高效率的电机，同时也可以提高同样转速下的占空因数，因此能够减小PWM控制的载波频率的噪音。

产业上的可利用性

本发明的电动压缩机，由于能够进行高转速的运转，能够使用与目前相比将最大输出设定得较低的高效率的电机，并且通过与目前相比相对地增大占空因数而能够减小PWM控制的载波频率的噪音。由此，能够提供一种廉价、低噪音、高效率的电动压缩机，所以特别适合于家用冰箱或空调器等用途中。

Claims

1.一种电动压缩机，包括：封入了冷媒的密闭容器；收存于所述密闭容器内、具有含永磁体的转子和定子、且由控制装置驱动的电机；收存于所述密闭容器内、由所述电机驱动的压缩机构，其特征在于：

所述控制装置，在低转速驱动所述电机时，实行由所述转子的位置检测信号决定使开关元件开/关的定时的反馈控制，在高转速驱动所述电机时，实行输出规定频率、与所述规定频率同步地驱动所述电机的开环控制。

2.如权利要求1所述的电动压缩机，其特征在于：

电机是三相电机，控制装置对所述电机的三相中的各相分别进行电角度为130度以上、不足180度的通电。

3.如权利要求1或2所述的电动压缩机，其特征在于：定子是以集中卷绕的方式在该定子的各T形部分上实施了绕组。

4.如权利要求1或2所述的电动压缩机，其特征在于：永磁体埋设在形成转子的铁心中。

5.如权利要求1或2所述的电动压缩机，其特征在于：

压缩机构包括：形成压缩室的气缸；插入到所述压缩室内能够自由往复运动的活塞；具有主轴部和偏心轴部的曲轴；和，连接所述活塞和所述偏心轴部的连接机构。

6.如权利要求1或2所述的电动压缩机，其特征在于：冷媒的种类是R600a。