JP4834712B2 - モータ制御装置，モータ制御システム，洗濯機及び永久磁石モータの着磁方法 - Google Patents

Description

本発明は、着磁量を変更可能な程度に低保磁力である永久磁石がロータに配置される永久磁石モータを駆動するモータ制御装置，及び前記永久磁石モータと前記モータ制御装置備えてなるモータ制御システム，洗濯機並びに前記永久磁石モータの着磁方法に関する。

近年、消費電力の低減を目的として、永久磁石モータをインバータ装置によりベクトル制御して、低速から高速まで可変速運転する技術が普及している。また、特許文献１には、可変速運転範囲の全体に亘ってモータ効率を向上させることができ、信頼性の向上を実現する永久磁石式モータとして、以下のような構成が開示されている。当該モータは、巻線を設けたステータと、ステータ巻線の電流で作る磁界により不可逆的に磁束密度が変化する程度の低保磁力の永久磁石と、前記低保磁力の２倍以上の保磁力を有する高保磁力の永久磁石を配置したロータから構成されている。そして、電源電圧の最大電圧以上となる高速回転運転を行う場合は、低保磁力の永久磁石と高保磁力の永久磁石による全鎖交磁束が減じるように、電流による磁界で低保磁力の永久磁石を磁化させて全鎖交磁束量を調整することを可能としている。
特開２００６−２８０１９５号公報

特許文献１では、ベクトル制御演算において得られるｄ軸電流を通電制御することで不可逆減磁を行っているが、同文献中で例示されている２極／３スロット構造のモータの場合、磁石を着磁させるための通電回数は１回で良く、通電する際のロータ位置（着磁位置）も特に問題とならない。

しかしながら、例えば４極／３スロット構造のモータの場合、ｄ軸電流の通電回数や着磁位置、更には着磁する際のモータの回転数などが着磁特性に大きく影響を及ぼす。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、４極以上のモータについて、低コストの位置センサを使用して永久磁石の着磁を行うことができるモータ制御装置，前記永久磁石モータと前記モータ制御装置を備えてなるモータ制御システム，洗濯機，並びに前記永久磁石モータの着磁方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載のモータ制御装置は、着磁量を変更可能な程度に低保磁力である永久磁石がロータに複数配置される４極／３スロット構成の永久磁石モータを駆動するものにおいて、
１つ以上の位置センサを用いて、前記ロータの回転位置を検出する位置検出手段と、
直流電圧源と前記モータの巻線との間に接続され、複数の半導体スイッチング素子を複数相接続して構成されるインバータ回路と、
このインバータ回路を介して前記モータの巻線に通電を行うことで、前記ロータを構成する永久磁石を着磁する着磁制御手段とを備え、
前記着磁制御手段は、前記位置センサより出力されるセンサ信号に基づいて特定される同一のタイミングで２回通電を行うことにより、前記複数の低保磁力の永久磁石の全てを同レベルに着磁することを特徴とする。

請求項７記載のモータ制御システムは、前記永久磁石モータと、請求項１乃至６の何れかに記載のモータ制御装置と備えて構成されることを特徴とする。
請求項８記載の洗濯機は、請求項７記載のモータ制御システムを備え、
前記永久磁石モータによって洗濯運転を行うための回転駆動力を発生させることを特徴とする。

本発明のモータ制御装置によれば、永久磁石モータのロータに複数の低保磁力永久磁石が配置されている場合、位置検出手段を構成する位置センサより出力されるセンサ信号に基づいて着磁用の通電を同一タイミングで２回行うことで、全ての永久磁石を同レベルに着磁して、永久磁石モータの特性を大きく変化させることができる。

本発明のモータ制御システムによれば、請求項１乃至６の何れかに記載のモータ制御装置により永久磁石モータを制御することができる。
本発明の洗濯機によれば、洗濯運転の態様に応じて、請求項１乃至６の何れかに記載のモータ制御装置により永久磁石モータの着磁量を変化させ、当該モータの特性を最適化することができる。

（第１実施例）
以下、本発明の第１実施例について図１乃至図９を参照して説明する。図２（ａ）は、永久磁石モータ１（アウタロータ型ブラシレスモータ）のロータの構成を示す平面図、図２（ｂ）は斜視図である。尚、この永久磁石モータ１は、特許文献１に開示されているものと同様の特徴を有するモータを、アウタロータ型として構成したものである。

永久磁石モータ１は、ステータ２と、これの外周に設けたロータ３とから構成されている。ステータ２は、ステータコア４とステータ巻線５とから構成されている。ステータコア４は、打ち抜き形成した軟磁性体であるケイ素鋼板を多数枚積層してかしめることにより構成したもので、環状のヨーク部４ａと、当該ヨーク部４ａの外周部から放射状に突出する多数のティース部４ｂとを有している。ステータコア４の表面は、ロータ３の内周面との間に空隙を形成する外周面４ｃ（各ティース部４ｂの先端面）を除き、ＰＥＴ樹脂（モールド樹脂）により覆われている。

また、このＰＥＴ樹脂から成る複数の取付部６が、ステータ２の内周部に一体的に成形されている。これら取付部６には複数のねじ穴６ａが設けられており、これら取付部６をねじ止めすることで、ステータ２が、この場合、ドラム式洗濯乾燥機２１の水槽２５（図３参照）の背面に固着されるようになっている。ステータ巻線５は三相からなり、各ティース部４ｂに巻装されている。

ロータ３は、フレーム７とロータコア８と複数の永久磁石９とを図示しないモールド樹脂により一体化した構成となっている。フレーム７は、磁性体である例えば鉄板をプレス加工することにより扁平な有底円筒状に形成したものである。ロータコア８は、ほぼ環状に打ち抜き形成した軟磁性体であるケイ素鋼板を多数枚積層してかしめることにより構成したもので、フレーム７の内周部に配置されている。このロータコア８の内周面（ステータ２の外周面（ステータコア４の外周面）と対向し当該ステータ２との間に空隙を形成する面）は、内方に向けて円弧状に突出する複数の凸部８ａを有した凹凸状に形成されている。

これら複数の凸部８ａの内部には、ロータコア８を軸方向（ケイ素鋼板の積層方向）に貫通する矩形状の挿入穴１３が形成されており、これら複数の挿入穴１３がロータコア８において環状に配置された構成となっている。また、これら複数の挿入穴１３は、短辺の長さが異なる２種類の挿入穴１３ａ，１３ｂから構成されており、これら挿入穴１３ａ，１３ｂは、ロータコア８の周方向に沿って１つずつ交互に配置されている。

永久磁石９は、挿入穴１３ａに挿入された矩形状のネオジム磁石９ａ（高保磁力永久磁石）と、挿入穴１３ｂに挿入された矩形状のアルニコ磁石９ｂ（低保磁力永久磁石）とから構成されている。この場合、ネオジム磁石９ａの保磁力は約９００ｋＡ／ｍ、アルニコ磁石９ｂの保磁力は約１００ｋＡ／ｍであり、保磁力が９倍程度異なっている。すなわち、永久磁石９は保磁力が異なる２種類の永久磁石９ａ，９ｂから構成され、これら永久磁石９ａ，９ｂは、ロータコア８内部においてほぼ環状に且つ１つずつ交互に配置されている。
尚、ネオジム磁石９ａが高保磁力であり、アルニコ磁石９ｂが低保磁力であるというのは、後述するようにステータ２を介して着磁電流を通電した場合に、アルニコ磁石９ｂの着磁量を変化させることができる程度の電流ではネオジム磁石９ａの着磁量が変化しないという基準において、前者を高保磁力，後者を低保磁力と称している。

また、これら２種類の永久磁石９ａ，９ｂは、それぞれ１種類で１磁極を形成しており、その磁化方向が永久磁石モータ１の径方向（永久磁石モータ１の外周部からステータ２とロータ３間の空隙に向かう方向）に沿うように配設されている。このように２種類の永久磁石９ａ，９ｂを、交互に且つその磁化方向が径方向に沿うように配置することにより、隣同士に配置された永久磁石９ａ，９ｂが互いに反対方向に磁極を有する状態（一方のＮ極が内側、他方のＮ極が外側となる状態）となり、これらネオジム磁石９ａとアルニコ磁石９ｂとの間に例えば矢印Ｂで示す方向に磁気経路（磁束）が生ずる。尚、上方の破線で示す矢印は、ロータコア８を経由する磁束である。すなわち、保磁力が大きいネオジム磁石９ａと保磁力が小さいアルニコ磁石９ｂの双方を通過する磁気経路が形成されるようになっている。
そして、永久磁石モータ１は、４８極／３６スロット構成となっており、３スロット当たりでは４極が対応する（４極／３スロット）。

次に、上記のように構成された永久磁石モータ１を備えたドラム式洗濯乾燥機２１の構成について説明する。図３は、ドラム式洗濯乾燥機２１の内部構成を概略的に示す縦断側面図である。ドラム式洗濯乾燥機２１の外殻を形成する外箱２２は、前面に円形状に開口する洗濯物出入口２３を有しており、この洗濯物出入口２３は、ドア２４により開閉されるようになっている。外箱２２の内部には、背面が閉鎖された有底円筒状の水槽２５が配置されており、この水槽２５の背面中央部には上述の永久磁石モータ１（ステータ２）がねじ止めにより固着されている。この永久磁石モータ１の回転軸２６は、後端部（図３では右側の端部）が永久磁石モータ１（ロータ３）の軸取付部１０に固定されており、前端部（図３では左側の端部）が水槽２５内に突出している。

回転軸２６の前端部には、背面が閉鎖された有底円筒状のドラム２７が水槽２５に対して同軸状となるように固定されており、このドラム２７は、永久磁石モータ１の駆動によりロータ３および回転軸２６と一体的に回転する。なお、ドラム２７には、空気および水を流通可能な複数の流通孔２８と、ドラム２７内の洗濯物の掻き上げやほぐしを行うための複数のバッフル２９が設けられている。水槽２５には給水弁３０が接続されており、当該給水弁３０が開放されると、水槽２５内に給水されるようになっている。また、水槽２５には排水弁３１を有する排水ホース３２が接続されており、当該排水弁３１が開放されると、水槽２５内の水が排出されるようになっている。

水槽２５の下方には、前後方向へ延びる通風ダクト３３が設けられている。この通風ダクト３３の前端部は前部ダクト３４を介して水槽２５内に接続されており、後端部は後部ダクト３５を介して水槽２５内に接続されている。通風ダクト３３の後端部には、送風ファン３６が設けられており、この送風ファン３６の送風作用により、水槽２５内の空気が、矢印で示すように、前部ダクト３４から通風ダクト３３内に送られ、後部ダクト３５を通して水槽２５内に戻されるようになっている。

通風ダクト３３内部の前端側には蒸発器３７が配置されており、後端側には凝縮器３８が配置されている。これら蒸発器３７および凝縮器３８は、コンプレッサ３９および絞り弁４０とともにヒートポンプ４１を構成しており（図４参照）、通風ダクト３３内を流れる空気は、蒸発器３７により除湿され凝縮器３８により加熱されて、水槽２５内に循環される。絞り弁４０は膨張弁から成り、開度調整機能を有している。

外箱２２の前面にはドア２４の上方に位置して操作パネル４２が設けられており、この操作パネル４２には運転コースなどを設定するための複数の操作スイッチ（図示せず）が設けられている。操作パネル４２は、マイクロコンピュータを主体として構成されドラム式洗濯乾燥機２１の運転全般を制御する制御回路部（図示せず）に接続されており、当該制御回路部は、操作パネル４２を介して設定された内容に従って、永久磁石モータ１、給水弁３０、排水弁３１、コンプレッサ３９、絞り弁４０などの駆動を制御しながら各種の運転コースを実行する。また、図示しないが、コンプレッサ３９を構成するコンプレッサモータも、永久磁石モータ１と同様の構成を採用している。

図１は、永久磁石モータ１の回転をベクトル制御するモータ制御装置５０の構成をブロック図で示したものである。尚、上記コンプレッサモータも同様の構成によって制御される。ベクトル制御では、電機子巻線に流れる電流を、界磁である永久磁石の磁束方向と、それに直交する方向とに分離してそれらを独立に調整し、磁束と発生トルクとを制御する。電流制御には、モータ１のロータと共に回転する座標系、いわゆるｄ−ｑ座標系で表わした電流値が用いられるが、ｄ軸はロータに取り付けた永久磁石の作る磁束方向であり、ｑ軸はｄ軸に直交する方向である。巻線に流れる電流のｑ軸成分であるｑ軸電流Ｉｑは回転トルクを発生させる成分であり（トルク成分電流）、同ｄ軸成分であるｄ軸電流Ｉｄは磁束を作る成分である（励磁または磁化成分電流）。

電流センサ５１（Ｕ，Ｖ，Ｗ）は、モータ１の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に流れる電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出するセンサである。尚、電流センサ５１（電流検出手段）に替えて、インバータ回路５２（駆動手段）を構成する下アーム側のスイッチング素子とグランドとの間に３個のシャント抵抗を配置し、それらの端子電圧に基づいて電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出する構成としても良い。

電流センサ５１により検出された電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは、図示しないＡ／Ｄ変換器によりＡ／Ｄ変換されるとｕｖｗ／ｄｑ座標変換器５３により２相電流Ｉα，Ｉβに変換された後、更にｄ軸電流Ｉｄ，ｑ軸電流Ｉｑに変換される。α，βは、モータ１のステータに固定された２軸座標系の座標軸である。ここでの座標変換の計算には、速度・位置推定部５４により推定されるロータの回転位置推定値（α軸とｄ軸との位相差の推定値）θ＿est，若しくは速度・位置検出部５５により検出される回転位置検出値θ＿hの何れかが、切換えスイッチ５６により選択されて出力される位相θが用いられる。また、速度・位置推定部５４により推定されるモータ１の回転速度（角速度）ω＿estと、速度・位置検出部５５により検出される回転速度ω＿hとは、切換えスイッチ５６に連動する切換えスイッチ５７により選択されて回転速度ωが出力される。

着磁制御部５８（着磁制御手段）は、上記位相θ及び回転速度ωに基づいて決定した、アルニコ磁石９ｂを着磁するための着磁電流指令Ｉd＿com2を加算器５９に出力し、加算器５９は、その着磁電流指令Ｉd＿com2に弱め界磁電流指令Ｉd＿com1を加算した結果を、ｄ軸電流指令値Ｉd＿refとして電流制御部６０に出力する。また、外部より与えられる回転数指令値ω＿refは、減算器６１において回転速度ωとの差が求められると、その差が比例積分器６２で比例積分演算され、ｑ軸電流指令値Ｉq＿refとして電流制御部６０に出力される。

電流制御部６０では、減算器６３ｄ，６３ｑにおいてｄ軸電流指令値Ｉd＿ref，ｑ軸電流指令値Ｉq＿refとｄ軸電流Ｉｄ，ｑ軸電流Ｉｑとの差がそれぞれ求められ、その差が比例積分器６４ｄ，６４ｑで比例積分演算される。そして、比例積分演算の結果は、ｄ−ｑ座標系で表わされた出力電圧指令値Ｖｄ，Ｖｑとして、ｄｑ／ｕｖｗ座標変換器６５に出力される。
ｄｑ／ｕｖｗ座標変換器６５では、電圧指令値Ｖｄ，Ｖｑは、α−β座標系で表わした値に変換された後、更にステータ２の各相電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに変換される。なお、ｄｑ／ｕｖｗ座標変換器６５における座標変換の計算にも、後述する磁極位置θが用いられる。

各相電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗは電力変換部６６に入力され、指令値に一致する電圧を供給するためのパルス幅変調されたゲート駆動信号が形成される。インバータ回路５２は例えばＩＧＢＴなどのスイッチング素子を三相ブリッジ接続して構成され、図示しない直流電源回路より直流電圧の供給を受けるようになっている。電力変換部６６で形成されたゲート駆動信号は、インバータ回路５２を構成する各スイッチング素子のゲートに与えられ、それにより各相電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに一致するＰＷＭ変調された三相交流電圧が生成されてモータ１の巻線５に印加される。

上記の構成において、電流制御器６０では比例積分（ＰＩ）演算によるフィードバック制御が行なわれ、ｄ軸電流Ｉｄ，ｑ軸電流Ｉｑはそれぞれｄ軸電流指令値Ｉd＿ref，ｑ軸電流指令値Ｉq＿refに一致するように制御される。その制御結果としての角速度推定値ωが減算器６１にフィードバックされ、比例積分器６２は、比例積分演算により偏差Δωをゼロに収束させる。その結果、回転速度ωは指令値ωrefに一致するようになる。

速度・位置推定部５４（速度・位置推定手段）は、モータ１の角速度ω，ロータの回転位置θをそれぞれ推定するもので、モータ１の回路定数（モータ定数）である電機子巻線のｄ軸インダクタンスＬｄ，ｑ軸インダクタンスＬｑ，巻線抵抗値Ｒの各値が記憶されていると共に、ｄ軸電流Ｉｄ，ｑ軸電流Ｉｑ及びｄ軸出力電圧指令値Ｖｄが入力されている。速度・位置推定部５４は、（１）式のｄ軸モータ電圧方程式を用いて、モータ１の回転速度ω＿estを推定する。
Ｖｄ＝Ｒ・Ｉｄ＋ω＿est・Ｌｑ・Ｉｑ …（１）
更に、角速度ω＿estを積分器６７で積分し、その積分結果が回転位置推定値θ＿estとして出力される。

モータ１には、ホールＩＣを用いて構成される位置センサ：ホールセンサ６８が３個（Ｕ，Ｖ，Ｗ）配置されており、これらのホールセンサ６８により出力される位置信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗは、速度・位置検出部５５に与えられている。速度・位置検出部５５は、位置信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗに基づいて回転位置検出値θ＿h，回転速度検出値ω＿hを算出して出力する。

図５は、３つのホールセンサ６８により出力される位置信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗと電気角との関係を示すものである。位置信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗの立上りエッジは、それぞれ電気角３０度，−３０度（３３０度），９０度となるように６０度間隔で配置されている。この場合、電気角０度は、位置信号Ｈｖの立上りエッジと、位置信号Ｈｕの立上りエッジとの中間位相に位置する。したがって、各位置信号の立ち下がりエッジも加えることで、電気角１周期を６０度間隔で分割したロータ位置を得ることができる。

なお、以上の構成において、モータ制御装置５０に永久磁石モータ１を加えたものが、モータ制御システム７０を構成している。また、インバータ回路５２，ＰＷＭ形成部６２を除く部分は、モータ制御装置５０を構成するマイクロコンピュータのソフトウエアにより実現されている機能である。

次に、上記のように永久磁石モータ１を備えたドラム式洗濯乾燥機２１の作用について説明する。制御回路部がインバータ回路５２を介してステータ巻線５に通電すると、電機子反作用による外部磁界（ステータ巻線５を流れる電流により発生する磁界）が、ロータ３の永久磁石９ａ，９ｂに作用するようになる。そして、これら永久磁石９ａ，９ｂのうち、保磁力が小さいアルニコ磁石９ｂの磁化状態が、この電機子反作用による外部磁界により減磁または増磁され、これにより、ステータ巻線５に鎖交する磁束量（鎖交磁束量）を増減することができる。そこで、本実施例では、制御回路部は、ステータ巻線５の通電を制御することにより、アルニコ磁石９ｂの磁化状態を運転行程（洗濯行程、脱水行程、乾燥行程）ごとに切り換えて実行する。ここで、各運転行程における動作内容について順に説明する。

まず、洗濯行程では、制御回路部は、給水弁３０を開放して水槽２５内に給水を行い、続いてドラム２７を回転させて洗濯を行う。この洗濯行程では、水を含んだ洗濯物をバッフル２９によって掻き上げるためドラム２７を高トルクで回転させる必要があるが、回転速度は低速でよい。そこで、制御回路部は、アルニコ磁石９ｂの磁化状態が増磁されるように、インバータ回路５２によるステータ巻線５の通電を制御する。これにより、ステータ巻線５に作用する磁束量が多く（磁力が強く）なることから、ドラム２７を高トルク低速度で回転させることができる。

次に、脱水行程では、制御回路部は、排水弁３１を開放して水槽２５内の水を排出し、続いてドラム２７を高速回転させることにより洗濯物に含まれる水分を脱水する。この脱水行程においては、脱水効率を向上するためにドラム２７を高速で回転させる必要があるが、トルクは小さくてもよい。そこで、制御回路部は、アルニコ磁石９ｂの磁化状態が減磁されるように、インバータ回路５２によるステータ巻線５の通電を制御する。これにより、ステータ巻線５に作用する磁束量が少なく（磁力が弱く）なることから、ドラム２７を低トルク高速度で回転させることができる。

最後に、乾燥行程では、制御回路部は、送風ファン３６およびヒートポンプ４１を駆動させるとともにドラム２７を回転させることにより洗濯物の乾燥を行う。この乾燥行程においては、制御回路部は、次回の洗濯行程に備えて、アルニコ磁石９ｂの磁化状態が増磁されるように、インバータ回路５２によるステータ巻線５の通電を制御する。これにより、ステータ巻線５に作用する磁束量を多くした状態とすることができ、次回の洗濯行程において、ドラム２７を高トルク低速度で回転させ易くすることができる。

次に、上述のように洗濯乾燥機２１の運転状態に応じて、アルニコ磁石９ｂの着磁量，モータ１の磁束量，特性を変更する場合の制御について図６及び図７も参照して説明する。今、モータ１のステータ２とロータ３との位置関係が図６（ａ）に示す状態にあるとすると、図中にＡで示すアルニコ磁石９ｂ（以下、磁石Ａと称す）を増磁させるような磁界を発生させるため、Ｕ相，Ｗ相の巻線５に通電を行う。

この場合、ステータ２が発生する磁界は、ロータ３にネオジム磁石９ａと１個置きに配置される全てのアルニコ磁石９ｂの内、１／２となる磁石Ａを通過する着磁磁束量が最大となり、残りの１／２となるＢのアルニコ磁石９ｂ（以下、磁石Ｂと称す）については、ステータ２が発生した磁界がかかることはなく（すなわち、着磁磁束量が最小となる）、増磁，減磁は生じない。
そして、磁石Ｂを増磁する際には、モータ１が回転中であれば、図６（ｂ）に示すように、図６（ａ）における磁石Ａの位置に磁石Ｂが到達した時点で２回目の増磁電流を通電する。この位置関係では、磁石Ｂを通過する着磁磁束量が最大となり、磁石Ａについては、ステータ２が発生した磁界がかかることはなく、既に着磁された状態に影響が及ぶことはない。

また、モータ１の回転が停止中であれば、直流励磁による位置決めを行い、図６（ａ）に示す位置関係となるようにロータ３を動かして通電する。アルニコ磁石９ｂを減磁させる場合は、上記と同様の位置関係においてＵ相，Ｗ相の巻線５に通電する電流の極性を反転させれば良い。巻線５に通電する電流量に応じてアルニコ磁石９ｂの増減磁量が決まるので、増減磁させる変化量を大きくしたい場合には、それに比例した振幅の電流を通電するのが望ましい。

次に、通電可能電流と、モータ回転数との関係について説明する。一般に、モータの回転数が上昇すると、それに比例して発生する誘起電圧レベルも上昇する。（２）式は、ｑ軸モータ電圧方程式であり、モータ１の誘起電圧Ｅｑが増加すると、それに応じてｑ軸電圧Ｖｑも増加することが判る。
Ｖｑ＝Ｒ・Ｉｑ−ω・Ｌｄ・Ｉｄ＋Ｅｑ …（２）
そして、（３）式は、インバータ回路５２の出力電圧Ｖdqであり、ｄ軸電圧Ｖｄと、ｑ軸電圧Ｖｑとの２乗和の平方根となる。尚、√（）は、括弧内の数値の平方根を示すものとする。
Ｖdq＝√（Ｖｄ^２＋Ｖｑ^２） …（３）
また、インバータ回路５２に供給される直流電源電圧Ｖdcより、出力電圧Ｖdqの√（３）倍を減じたものが、インバータ回路５２の余裕電圧Ｖdc’となる。
Ｖdc’＝Ｖdc−√（３）・Ｖdq …（４）
この余裕電圧Ｖdc’分で、アルニコ磁石９ｂを増減磁するための電流を通電する。

例えばモータ１が停止中であれば誘起電圧はゼロであるから、直流電源電圧Ｖdcを１００％用いて着磁を行うことができる。一方、モータ１の回転数が高く、出力電圧Ｖdqが直流電源電圧Ｖdcの９０％程度に達している場合は、着磁のための通電電流は１０％となる。増減磁電流Ｉｄは、（５）式で表わされる。
Ｉｄ＝Ｖdc’／（Ｒ＋ω・Ｌｄ） …（５）
ここでのωは、増減磁電流Ｉｄの立上り，立下がり時間を周波数に換算したものである。すなわち、使える電圧が小さければ増減磁電流も小さくなるので、アルニコ磁石９ｂの着磁量をより大きく変化させたい場合には、モータ１の回転数が低い期間に行うことが望ましい。

そして、図６（ａ）,（ｂ）に示すような位置でアルニコ磁石９ｂの着磁を行うには、図６（ａ）にＺで示す磁石９ｂの位置を電気角０度とすると、図６（ａ）に示すステータ２とロータ３との位置関係は、電気角−１５０度に対応する。また、図６（ｂ）に示す位置関係は、次の電気角周期の−１５０度に対応する。そこで本実施例では、ホールセンサ６８Ｕが出力する位置信号Ｈｕの立ち下がりエッジが電気角−１５０度に対応するように、ホールセンサ６８Ｕを配置する。

図７は、モータ１の回転が停止している状態から起動した直後の低速期間において、図６（ａ）,（ｂ）に示す位置でアルニコ磁石９ｂの着磁を行う場合のタイミングチャートである。モータ１が停止している状態では、ｑ軸電流Ｉｑ，ｄ軸電流Ｉｄは何れもゼロであり、ホールセンサ６８により検出したロータ位置：電気角に基づいてｑ軸電流Ｉｑを通電し、モータ１を起動する（図７（ｄ），時点（１）参照）。

そして、位置信号Ｈｕの立ち下がりエッジタイミング（−１５０度）である図７（ａ），（ｂ）の時点（２）でｄ軸電流Ｉｄをパルス状に出力し（増減磁電流）、１回目の着磁（磁石Ａの着磁）を行う。アルニコ磁石９ｂを増磁する場合は正極性の電流を通電し、減磁する場合は負極性の電流を通電する。通電時間は、例えば１ｍｓ〜２０ｍｓ程度とする。１回目の通電を行うと、モータ１の起動を引き続き行い、電気角で１周期後となる次の位置信号Ｈｕの立ち下がりエッジタイミングでも同様にｄ軸電流Ｉｄをパルス状に出力し、図７（ａ），（ｂ）の時点（３）に示す位置で２回目の着磁（磁石Ｂの着磁）を行う。

この場合、モータ１が停止している状態から、最初に位置信号Ｈｕの立ち下がりエッジを検出したタイミングと、そこから電気角３６０度回転した次の同エッジ検出タイミングとで通電を行うため、モータ１の回転数は非常に低速の領域にあり、洗濯機２１に使用されるモータ１の場合、ドラム２７や負荷のイナーシャを考慮すると、回転数は例えば５〜１０ｒｐｍ程度になると想定される。モータ１の誘起電圧定数が０．２５［Ｖ／ｒｐｍ］程度あるとすれば、発生する誘起電圧は２．５Ｖ程度であるから、インバータ回路５２に供給される直流電源電圧が２８０Ｖであれば、ほぼ１００％に近い電圧分を増減磁用の通電に使用できる。

またこの場合、増減磁電流の振幅のピークが電気角−１５０度に一致するのが望ましい。例えば増減磁電流の立上り，立ち下がりにそれぞれ５ｍｓを要する場合は、それに応じて通電タイミングが５ｍｓ相当の位相だけ進み側となるように調整する。この調整を一般化すると、速度・位置検出部５５，又は速度・位置推定部５４より与えられるモータ１の回転数をω（Ｈｚ），増減磁電流の立上り時間をｔ（ｓｅｃ）とすると、調整位相角θadd（ｄｅｇ）は（６）式で表わされる。
θadd＝ｔ×ω×３６０ …（６）
例えばｔ＝５ｍｓ，ω＝２０Ｈｚとすると、θadd＝３６度となるから、実際の通電開始角度は、−１５０−３６＝−１８６（度），すなわち＋１７４度にすれば良い。

また、図７に示すタイミングで２回着磁を行うことは、図８及び図９に示すタイミングで２回着磁を行う場合と同様である。図８及び図９は、図７の（ｂ）,（ｅ）のみを示したもので、図８はモータ１を一定速度で回転させている場合について図７と同様に着磁を行うケースである。また、図９は、図８と同様に定速回転させている場合で、１回目の通電で磁石Ａを着磁した３電気周期後に２回目の通電を行い、磁石Ｂを着磁するケースである。すなわち、１電気周期が経過する毎に、最適な着磁対象磁石は、Ｂ，Ａ，Ｂ，Ａ，…と交互に変化するからである。

以上のように本実施例によれば、低保磁力のアルニコ磁石９ｂをロータ３に配置して構成される４８極／３６スロットの永久磁石モータ１に対してホールセンサ６８を配置し、
着磁制御部５８は、ホールセンサ６８より出力されるセンサ信号に基づいて特定される同一のタイミングで、インバータ回路５２を介してモータ１の巻線５に２回通電を行い、ロータ３に配置される全てのアルニコ磁石９ｂを同レベルに着磁するようにした。

すなわち、４８極／３６スロット構成の場合、特定の電気角におけるステータ２とロータ３とは、ネオジム磁石９ａと１個置きに配置されるアルニコ磁石９ｂの１／２を着磁するのに適した位置関係となり、その状態から電気角で１周期が経過すると、アルニコ磁石９ｂの残りの１／２を着磁するのに適した位置関係となる。したがって、ロータ３に配置される全てのアルニコ磁石９ｂを同レベルに着磁することができる。

また、着磁制御部５８は、着磁対象とするアルニコ磁石９ｂ（例えば図６に示す磁石Ａ）を通過する磁束量が最大になると共に、着磁対象外のアルニコ磁石９ｂ（同磁石Ｂ）を通過する磁束量が最小となる回転位置に対応するタイミングで着磁を行うので、アルニコ磁石９ｂの１／２を着磁する場合に、残り１／２のアルニコ磁石９ｂの着磁状態に影響を及ぼすことを回避できる。

そして、ホールセンサ６８の１つであるセンサ６８ｕを、着磁制御部５８が着磁を行う回転位置で位置信号Ｈｕのレベル変化が最大となる立ち下がりエッジが出力されるようにモータ１に配置するので、その立ち下がりエッジを検出すれば着磁タイミングを容易に特定できる。また、着磁制御部５８は、モータ１が起動した直後に着磁を行うので、モータ１が発生する誘起電圧が低い期間に、高い出力電圧で通電した着磁を行うことができ、アルニコ磁石９ｂの着磁量を大きく変化させることができる。
加えて、着磁制御部５８は、モータ１の回転速度が速くなるのに応じて、着磁を行うタイミングを進み側にずらすように調整するので、着磁電流振幅のピークにおいて発生する磁界が最大となる位置でアルニコ磁石９ｂを着磁することができる。

そして、洗濯乾燥機２１は、永久磁石モータ１により洗濯運転や脱水運転を行うための駆動力を発生させるので、洗濯運転において要求される低速回転・高出力トルクでの駆動特性，脱水運転において要求される高速回転・低出力トルクでの駆動特性に応じてモータ１の特性を変化させ、最適効率で運転を行うことで消費電力を低減することができる。特に脱水運転では、弱め界磁制御を行う必要をなくしたり、若しくは弱め界磁制御を最小限にしてモータ１の回転数を上昇させることができ、効率を向上させることができる。また、ヒートポンプ４１を構成するコンプレッサ３９を駆動する永久磁石モータについても同様に制御すれば、乾燥運転を行う場合も同様の効果が得られる。

（第２実施例）
図１０及び図１１は本発明の第２実施例を示すものであり、第１実施例と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分について説明する。第２実施例では、位置検出手段として、第１実施例のホールセンサ６８に替えて、光学式の位置センサ７１を使用する場合を示す。

図１０（ｂ）は、ロータ３を構成するフレーム７の下端側を一部のみ示す斜視図であるが、フレーム７の下端部に、凸部７２がアルニコ磁石９ｂの各位置に対応して配置されている。位置センサ７１は透過型の光センサであり、図１０（ａ）に示すように投光素子７１Ｔと受光素子７１Ｒとの組み合わせで構成されている。そして、電気角６０度に相当する間隔で、図１０（ａ）中で奥側から手前側にかけて、７１Ｗ，７１Ｕ，７１Ｖの順で配置されている。

図１０（ｃ）は、モータ１が組み付けられた状態で、固定側となる位置センサ７１と、凸部７２とが組み合わされた状態を示している。すなわち、ロータ３が回転すると、凸部７２が、位置センサ７１の投光素子７１Ｔと受光素子７１Ｒとの間を通過するように組み合わされ、図１１に示すように、凸部７２が両者間を通過する際に、投光素子７１Ｔが発した光が遮られて受光素子７１Ｒが受光できなくなることで、出力信号（位置信号）がハイレベルからロウレベルに変化する。
以上のように構成される位置センサ７１を用いた場合も、第１実施例と同様の作用効果を得ることができる。また、光学式の位置センサ７１は、ホールセンサ６８に比較して低コストであるから、コストメリットを得ることができる。

本発明は上記し又は図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形または拡張が可能である。
モータ１の回転が停止する直前にアルニコ磁石９ｂの着磁を行っても良い。
着磁を行うタイミングが、位置信号Ｈｕの立下がりエッジに一致するように調整する必要はなく、立上りエッジや、Ｈｖ，Ｈｗのエッジでも良い。また、必ずしもエッジに対応するように調整する必要はなく、エッジを基準として所定位相だけ異なるタイミングとなるように調整しても良い。
特許文献１に開示されているような、ＩＰＭ（Interior Permanent Magnet）タイプの永久磁石モータに適用しても良い。
乾燥機能を持たない洗濯機に適用しても良い。

低保磁力永久磁石は、アルニコ磁石９ｂに限ることなく、インバータ回路を介して通電を行うことで発生させる磁界により着磁量が変化可能な程度に保磁力が低い永久磁石であれば材料はとはない。同様に、高保磁力永久磁石もネオジム磁石９ａに限ることはない。
更に、低保磁力永久磁石の着磁量を変化させることで、要求される運転特性を満たすことができる場合は、高保磁力永久磁石は不要である。
永久磁石モータは、４８極／３６スロット構成に限ることなく、３スロット当たり４極構成のモータであれば適用が可能である。
着磁電流の立上り時間に応じたタイミングの補正は、必要に応じて行えば良い。例えば、立上り時間が非常に短く影響がない場合や、既知の立上り時間に応じて位置センサの配置が調整されている場合には補正は不要である。
また、洗濯機や空調機に限ることなく、低保磁力永久磁石を備えて構成されるモータの磁束量を変化させるものであれば、広く適用することができる。

本発明を洗濯機に適用した場合の第１実施例であり、モータの回転をベクトル制御する構成を示す機能ブロック図 （ａ）は永久磁石モータの構成を示すステータ側から見た平面図、（ｂ）はロータの一部を示す斜視図 洗濯乾燥機の構成を示す縦断側面図 ヒートポンプの構成を示す図 ホールセンサにより出力される位置信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗと電気角との関係を示す図 アルニコ磁石を着磁する場合のステータとロータとの位置関係を示す図 モータの起動時にアルニコ磁石を着磁する場合のタイミングチャート モータの定速回転時の図７相当図（その１） モータの定速回転時の図７相当図（その２） 本発明の第２実施例であり、光学式位置センサの構成を示す図 光学式位置センサによる位置検出を説明する図

符号の説明

図面中、１は永久磁石モータ、３はロータ、５はステータ巻線、９ａはネオジム磁石（高保磁力永久磁石）、９ｂはアルニコ磁石（低保磁力永久磁石）、２１は洗濯乾燥機、３９はコンプレッサ、４１はヒートポンプ、５０はモータ制御装置、５１は電流センサ（電流検出手段）、５２はインバータ回路（駆動手段）、５８は着磁電流制御部（着磁制御手段）、６３は速度・位置推定部（速度・位置推定手段）、６８はホールセンサ（位置検出手段）、７０はモータ制御システム、７１は位置センサ（位置検出手段）を示す。

Claims (14)

1. 着磁量を変更可能な程度に低保磁力である永久磁石がロータに複数配置される４極／３スロット構成の永久磁石モータを駆動するモータ制御装置において、
   １つ以上の位置センサを用いて、前記ロータの回転位置を検出する位置検出手段と、
   直流電圧源と前記モータの巻線との間に接続され、複数の半導体スイッチング素子を複数相接続して構成されるインバータ回路と、
   このインバータ回路を介して前記モータの巻線に通電を行うことで、前記ロータを構成する永久磁石を着磁する着磁制御手段とを備え、
   前記着磁制御手段は、前記位置センサより出力されるセンサ信号に基づいて特定される同一のタイミングで２回通電を行うことにより、前記複数の低保磁力の永久磁石の全てを同レベルに着磁することを特徴とするモータ制御装置。
2. 前記ロータにおいて、前記低保磁力の永久磁石と、着磁量が変化しない程度に高保磁力の永久磁石とが交互に配置される構成の永久磁石モータを、駆動対象とすることを特徴とする請求項１記載のモータ制御装置。
3. 前記着磁制御手段は、着磁対象とする永久磁石を通過する磁束量が最大になると共に、その他の永久磁石を通過する磁束量が最小となる回転位置に対応するタイミングで着磁を行うことを特徴とする請求項１又は２記載のモータ制御装置。
4. 前記位置センサの少なくとも１つは、前記着磁制御手段が着磁を行う回転位置でセンサ信号のレベル変化が最大となるように、前記モータに配置されていることを特徴とする請求項３記載のモータ制御装置。
5. 前記着磁制御手段は、前記モータが起動した直後、又は前記モータが停止する直前に着磁を行うことを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のモータ制御装置。
6. 前記モータの回転速度を検出する速度検出手段を備え、
   前記着磁制御手段は、前記回転速度が速くなるのに応じて、着磁を行うタイミングを進み側にずらすように調整することを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載のモータ制御装置。
7. 前記永久磁石モータと、
   請求項１乃至６の何れかに記載のモータ制御装置と備えて構成されることを特徴とするモータ制御システム。
8. 請求項７記載のモータ制御システムを備え、
   前記永久磁石モータによって洗濯運転を行うための回転駆動力を発生させることを特徴とする洗濯機。
9. 着磁量を変更可能な程度に低保磁力である永久磁石がロータに複数配置される４極／３スロット構成の永久磁石モータの巻線にインバータ回路を介して通電を行うことで、前記永久磁石を着磁する方法において、
   １つ以上の位置センサによって、前記ロータの回転位置を検出し、
   前記位置センサより出力されるセンサ信号に基づいて特定される同一のタイミングで２回通電を行うことにより、前記複数の低保磁力の永久磁石の全てを同レベルに着磁することを特徴とする永久磁石モータの着磁方法。
10. 前記ロータに、前記低保磁力の永久磁石と、着磁量が変化しない程度に高保磁力の永久磁石とが交互に配置される構成の永久磁石モータを、着磁対象とすることを特徴とする請求項９記載の永久磁石モータの着磁方法。
11. 着磁対象とする永久磁石を通過する磁束量が最大になると共に、その他の永久磁石を通過する磁束量が最小となる回転位置に対応するタイミングで着磁を行うことを特徴とする請求項９又は１０記載の永久磁石モータの着磁方法。
12. 前記位置センサの少なくとも１つを、着磁を行う回転位置でセンサ信号のレベル変化が最大となるように、前記モータに配置することを特徴とする請求項１１記載の永久磁石モータの着磁方法。
13. 前記モータが起動した直後、又は前記モータが停止する直前に着磁を行うことを特徴とする請求項９乃至１２の何れかに記載の永久磁石モータの着磁方法。
14. 前記モータの回転速度を検出し、
    前記回転速度が速くなるのに応じて、着磁を行うタイミングを進み側にずらすように調整することを特徴とする請求項９乃至１３の何れかに記載の永久磁石モータの着磁方法。

Images