JP6964022B2 - リニア圧縮機及びリニア圧縮機制御システム - Google Patents
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Description
例えば特許文献1には、電圧及び電流から誘起電圧を計算し、ストロークを演算及び検出するリニアモータ制御システムが開示されている。具体的には、特許文献1には、誘起電圧e(t)が、リニアモータの磁気特性及び駆動回路に依存した誘起電圧係数α(推力係数)と可動子(ピストン)の速度vp(t)との関数で表され、e(t)=αvp(t)との関数にて表される旨開示され、更に、誘起電圧係数αの値が可動子の位置に関係なく一定値であることを前提とする旨記載されている。また、特許文献1には、誘起電圧係数αの測定方法として、任意の動作条件(モータ電圧の大きさ、モータ電圧の角速度、および負荷条件)で、外部センサ(レーザ変位計など)により可動子のストロークSTを測定しながら、外部測定器によりモータ電圧の実効値V、モータ電流の実効値I及び位相差θを測定する旨も記載されている。
そこで、本発明は、可動子の位置を検出するためのセンサを不要とし、且つ、誘起電圧定数の位置依存性を考慮し可動子位置を高精度に演算し得るリニア圧縮機及びリニア圧縮機制御システムを提供する。
また、本発明に係るリニア圧縮機は、一端が弾性体に接続され永久磁石を有する界磁子と、磁極に捲回される巻線を有する電機子と、前記界磁子と電機子を相対的に軸方向に往復運動させるリニアモータを備え、前記リニアモータへ出力される電圧指令値及び前記巻線を流れる電流値に基づき演算される誘起電圧が所定値での誘起電圧の傾きが所定の範囲である箇所を、前記界磁子の他端に接続されるピストンのストロークの上死点及び/又は下死点となるよう前記ピストンのストロークが制御され、前記演算される誘起電圧が0Vのときの誘起電圧の傾きが所定の範囲である箇所を、前記界磁子の他端に接続されるピストンのストロークの上死点及び/又は下死点となるよう前記ピストンのストロークが制御され、前記演算される誘起電圧が0Vのときの誘起電圧の傾きがゼロでない場合、前記ピストンが上死点に到達するよう前記ピストンのストロークが大となることを特徴とする。
また、本発明に係るリニア圧縮機制御システムは、一端が弾性体に接続され永久磁石を有する界磁子と、磁極に捲回される巻線を有する電機子と、前記界磁子と電機子を相対的に軸方向に往復運動させるリニアモータと、少なくとも前記巻線を流れる電流に基づき、前記巻線に印加する電圧を制御する制御装置と、を備えるリニア圧縮機制御システムであって、前記制御装置は、前記リニアモータへ出力される電圧指令値及び前記巻線を流れる電流値に基づき誘起電圧を求め、求めた誘起電圧が所定値での誘起電圧の傾きが所定の範囲である箇所を、前記界磁子の他端に接続されるピストンのストロークの上死点及び/又は下死点となるよう制御し、前記リニアモータへ出力される電圧指令値及び前記巻線を流れる電流値に基づき誘起電圧を求め、求めた誘起電圧が0Vのときの当該誘起電圧の微分値を前記誘起電圧の傾きとして求める誘起電圧演算部と、前記誘起電圧演算部により求められた誘起電圧が0Vのときの当該誘起電圧の微分値を入力し、前記誘起電圧の微分値がゼロの場合、上死点及び/又は下死点にピストンが到達していると判定するストローク制御部と、を有することを特徴とする。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
<リニアモータ10>
図2はリニアモータ10の斜視図であり、図3は図2に示すリニアモータ10のXZ平面断面図である。
図2及び図3に示すように、リニアモータ10は、3枚の永久磁石111を有する界磁子11、及び電機子12を備える。本実施例では、一例として、界磁子11が可動子であり、電機子12が固定子である構成について説明する。なお、これに限らず、界磁子11が固定子であり、電機子12が可動子である構成としても良い。換言すれば、界磁子11及び電機子12が相対的に往復運動可能な構成であれば良い。
図2に示すように、電機子12は、2つの磁極121、4つの巻線122、2つの磁極121の間に設けられるスペーサ124、及び、2つの端部ブリッジ123を有する。磁極121は、例えば、積層した電磁鋼板にて形成される。図3に示すように、それぞれの磁極121は、Z方向に空隙を介して対向する磁極歯121u及び磁極歯121d(ティースとも称される)を有し、これら2つの磁極歯121u及び磁極歯121dにて磁極歯組121aを形成している。各磁極歯121u、121dには巻線122が捲回されている。また、2つの磁極歯組121aは、X方向に沿ってスペーサ124により規定される間隔にて離間している。
界磁子(可動子)11は、磁極歯組121aを形成する磁極歯121u及び磁極歯121dの空隙に位置しており、電機子12に対してX方向に相対的に移動する。界磁子(可動子)11は、平板形状の3つの永久磁石111、及び永久磁石111を固定するフレーム112を有する。3つの平板状の永久磁石111はZ方向に磁化されている。電機子12の巻線122に電圧を印加して電流を流すことで、Z方向に空隙を介して対向する磁極歯121u及び磁極歯121d間に磁束を発生させ、永久磁石111を有する界磁子(可動子)11に推力を付与し、界磁子(可動子)11を往復運動させる。
なお、界磁子(可動子)11及び電機子12において、永久磁石111及び磁極歯組121aの個数は上記の個数に限定されるものではない。本実施例では、永久磁石111及び磁極歯組121aが複数個設けられるものとする。また、以下では、界磁子(可動子)11が往復運動する方向を単に軸方向と称する場合もある。
図1は、本発明の一実施例に係る実施例1のリニア圧縮機制御システム100の軸方向における縦断面図である。
図1に示すように、リニア圧縮機制御システム100は、リニア圧縮機20及び詳細後述する制御装置30より構成される。
リニア圧縮機20は、圧縮要素210、リニアモータ10、弾性体である共振バネ201a,201b、弾性体支持部材202、及びベース部材203が密閉容器214内に配置されたレシプロ圧縮機である。
圧縮要素210は、シリンダ211とピストン212とを含む。シリンダ211内に吸入管(図示せず)を介して供給された作動流体は、ピストン212がシリンダ211の内面と摺動しつつ往復運動することにより圧縮、吐出を繰り返す。圧縮された作動流体は、圧縮機外部に連通する吐出管(図示せず)へと送られる。これら図示しない吸入管及び吐出管には逆止弁(図示せず)が設けられている。なお、作動流体は、例えば、空気や冷凍サイクルの冷媒などを採用できる。
或いは、電機子12がZ方向(鉛直方向)において静止し、界磁子(可動子)11がZ方向(鉛直方向)に沿って往復運動する構成としても良く、電機子12がZ方向(鉛直方向)に沿って往復運動し、界磁子11がZ方向(鉛直方向)において静止する構成としても良く、更には、電機子12及び界磁子(可動子)11が互いに異なる速度でZ方向(鉛直方向)に沿って往復運動する構成としても良い。
図4は、界磁子(可動子)11の変位に対する誘起電圧定数の関係図である。図4において、縦軸は誘起電圧定数Keであり、横軸は界磁子(可動子)11中心のX方向位置x(以下、可動子位置xと称する)である。図4に示すように、誘起電圧定数Keは可動子位置xの変化に対して依存性を有し、所定の位置でゼロクロスするという特性を持つ。
図4に示す誘起電圧定数Keの位置依存性及び上述の式(2)の関係から、上死点及び下死点の位置が誘起電圧定数Keのゼロクロスポイント(ゼロクロス点)である場合、誘起電圧Eの傾きも“ゼロ”となる。すなわち、誘起電圧Eが“ゼロ”になるときの誘起電圧Eの傾きが“ゼロ”であるかを検出することで、界磁子(可動子)11の上死点及び下死点が、誘起電圧定数Keのゼロクロスポイント(ゼロクロス点)に達しているかどうかを検出することができる。
図5は可動子のストローク端と誘起電圧定数のゼロクロスポイント(ゼロクロス点)の関係の一例を示す図である。上述の図4に示したように、可動子位置xに対する誘起電圧定数Keの関係は、界磁子(可動子)11とリニアモータ10の位置関係に依存する。そのため、リニア圧縮機20を効率的に駆動するためには、界磁子(可動子)11の上死点位置(ピストン212の上死点位置)を制御することが望ましく、位置制御の観点から、可動子(ピストン212)のストローク端と誘起電圧定数Keのゼロクロスポイント(ゼロクロス点)を一致させ、上死点を最大ストロークにするよう設計することが望ましい。すなわち、図5に示すように、図4に示した可動子位置xに対する誘起電圧定数Keの関係において、ゼロクロスポイント1(ピストン212の上死点に対応)及びゼロクロスポイント2(ピストン212の下死点に対応)となるよう設計することが望ましい。なお、可動子(ピストン212)のストローク端と誘起電圧定数Keのゼロクロスポイント(ゼロクロス点)を一致させる点は上死点のみに限らず、下死点のみでも良く、或は、上死点及び下死点の双方でも良い。
<制御装置30>
図6は、図1に示す制御装置30のブロック線図である。図6に示すように、制御装置30は、誘起電圧演算部31、ストローク制御部32、PWM制御部33、及びインバータ34を備える。
リニアモータ10の巻線122を流れる電流は、検出電流値Iとして検出され、誘起電圧演算部31に入力される。詳細後述する誘起電圧演算部31は、リニアモータ10に印加される印加電圧Vuをストローク制御部32からPWM制御部33へ出力される出力電圧指令値Vuとして入力し、当該出力電圧指令値Vu及び検出電流値Iに基づき誘起電圧E及び誘起電圧Eの微分値を演算により求める。そして、誘起電圧演算部31は求めた誘起電圧Eの微分値をストローク制御部32へ出力する。
スイッチング素子の導通状態(オン/オフ)を制御することにより、直流電圧源の直流電圧を交流電圧に相当する電圧を巻線122に出力できる。なお、直流電圧源に代えて直流電流源を用いても良い。スイッチング素子としては、例えば、IGBTやMOS−FETなどの半導体スイッチング素子を採用できる。
図8は、可動子位置xの時間変化を示す波形及び可動子速度vの時間変化を示す波形の説明図である。上述の図7に示すように設計されたリニアモータ10と可動子の関係を有するリニア圧縮機20では、可動子位置xの時間変化を示す波形(時間波形)は、振動中心x0だけオフセットを有する正弦波状の波形となる。可動子(ピストン212)の上死点での可動子位置xはピーク1を示し、下死点での可動子位置xはピーク2を示す。また、可動子速度vの時間変化を示す波形(時間波形)は、正弦波状の波形となり、可動子(ピストン212)の上死点では可動子速度vが“ゼロ”となることからゼロクロスポイント1を示し、可動子(ピストン212)の下死点においても可動子速度vが“ゼロ”となることからゼロクロスポイント2を示している。
ストローク制御部32は、誘起電圧演算部31より入力された、誘起電圧Eが0Vのときの誘起電圧Eの微分値(誘起電圧Eの傾き)を所定値と比較する。ストローク制御部32は、比較の結果、誘起電圧Eの微分値(誘起電圧Eの傾き)が所定値に達していない場合には、可動子(ピストン212)が上死点及び/又は下死点に到達していないと判定する。そして、仮に、可動子(ピストン212)が上死点に達していない場合、すなわち、上死点が誘起電圧定数Keと可動子位置xとの関係におけるゼロクロスポイント(ゼロクロス点)に達していない場合、出力電圧指令値Vuを大きくする、又は、出力電圧指令値Vuに正の直流成分を加え、PWM制御部33及び誘起電圧演算部31に出力する。これにより、可動子振幅を伸ばしゼロクロスポイント(ゼロクロス点)に近づけることができる。
なお、所定値としてゼロクロスポイント(ゼロクロス点)であっても、ある所定の値でも良い。
<制御装置30の動作>
図10は、図1に示す制御装置30の動作を示すフローチャートである。
図10に示すように、ステップS101では、制御装置30を構成する誘起電圧演算部31が、リニアモータ10の巻線122を流れる電流の検出値である検出電流値I及び上述の制御装置30を構成するストローク制御部32より入力される出力電圧指令値Vuに基づき、上述の式(1)を演算することにより誘起電圧E(誘起電圧定数Ke×可動子速度v)を、Ke・dx/dtとして求める。
ステップS103では、誘起電圧演算部31が、上述の式(2)を演算することにより誘起電圧Eの微分値であるd/dt(Ke・dx/dt)を、誘起電圧Eの傾きとして求める。そして、求めた誘起電圧演算部31は、求めた誘起電圧Eの微分値(誘起電圧Eの傾き)をストローク制御部32へ出力する。
ステップS108では、ストローク制御部32が、出力電圧指令値Vuを大きく、又は、出力電圧指令値Vuに正の直流成分を加え、PWM制御部33及び誘起電圧演算部31に出力する。
また、上述の実施例1におけるリニア圧縮機及びリニア圧縮機制御システムは、エアサスペンションにおいて車高を調整するために作動流体を圧縮する圧縮機に適用できる。
更にまた、上述の実施例1におけるリニア圧縮機およびリニア圧縮機制御システムは、凝縮器及び蒸発器を有する冷蔵庫において、液冷媒を圧送する圧縮機にも適用可能である。
また、本実施例によれば、共振バネなどの影響を考慮することなく、誘起電圧定数Keが可動子の位置に対する依存性を有することに着目し、検出電流値I及び出力電圧指令値Vuに基づき演算により誘起電圧E及び誘起電圧Eの微分値(誘起電圧Eの傾き)を求めることで、可動子位置を高精度に検出できる。
11…界磁子(可動子)
12…電機子
20…リニア圧縮機
30…制御装置
31…誘起電圧演算部
32…ストローク制御部
33…PWM制御部
34…インバータ
100…リニア圧縮機制御システム
111…永久磁石
121…磁極
121a…磁極歯組
121u…磁極歯
121d…磁極歯
122…巻線
123…端部ブリッジ
124…スペーサ
201a,201b…共振バネ
202…弾性体支持部材
203…ベース部材
210…圧縮要素
211…シリンダ
212…ピストン
214…密閉容器
Claims (8)
- 一端が弾性体に接続され永久磁石を有する界磁子と、磁極に捲回される巻線を有する電機子と、前記界磁子と電機子を相対的に軸方向に往復運動させるリニアモータを備え、
前記リニアモータへ出力される電圧指令値及び前記巻線を流れる電流値に基づき演算される誘起電圧が所定値での誘起電圧の傾きが所定の範囲である箇所を、前記界磁子の他端に接続されるピストンのストロークの上死点及び/又は下死点となるよう前記ピストンのストロークが制御され、
前記演算される誘起電圧が0Vのときの誘起電圧の傾きが所定の範囲である箇所を、前記界磁子の他端に接続されるピストンのストロークの上死点及び/又は下死点となるよう前記ピストンのストロークが制御され、
前記演算される誘起電圧が0Vのときの誘起電圧の傾きがゼロの場合、前記ピストンが上死点及び/又は下死点に到達していることを特徴とするリニア圧縮機。 - 一端が弾性体に接続され永久磁石を有する界磁子と、磁極に捲回される巻線を有する電機子と、前記界磁子と電機子を相対的に軸方向に往復運動させるリニアモータを備え、
前記リニアモータへ出力される電圧指令値及び前記巻線を流れる電流値に基づき演算される誘起電圧が所定値での誘起電圧の傾きが所定の範囲である箇所を、前記界磁子の他端に接続されるピストンのストロークの上死点及び/又は下死点となるよう前記ピストンのストロークが制御され、
前記演算される誘起電圧が0Vのときの誘起電圧の傾きが所定の範囲である箇所を、前記界磁子の他端に接続されるピストンのストロークの上死点及び/又は下死点となるよう前記ピストンのストロークが制御され、
前記演算される誘起電圧が0Vのときの誘起電圧の傾きがゼロでない場合、前記ピストンが上死点に到達するよう前記ピストンのストロークが大となることを特徴とするリニア圧縮機。 - 請求項1又は請求項2に記載のリニア圧縮機において、
前記弾性体は共振バネであって、
前記界磁子の他端が固定される弾性体支持部材と前記電機子との間に取り付けられた第1の共振バネと、
前記弾性体支持部材とベース部材との間に取り付けられた第2の共振バネと、を備えることを特徴とするリニア圧縮機。 - 一端が弾性体に接続され永久磁石を有する界磁子と、磁極に捲回される巻線を有する電機子と、前記界磁子と電機子を相対的に軸方向に往復運動させるリニアモータと、
少なくとも前記巻線を流れる電流に基づき、前記巻線に印加する電圧を制御する制御装置と、を備えるリニア圧縮機制御システムであって、
前記制御装置は、
前記リニアモータへ出力される電圧指令値及び前記巻線を流れる電流値に基づき誘起電圧を求め、求めた誘起電圧が所定値での誘起電圧の傾きが所定の範囲である箇所を、前記界磁子の他端に接続されるピストンのストロークの上死点及び/又は下死点となるよう制御し、
前記リニアモータへ出力される電圧指令値及び前記巻線を流れる電流値に基づき誘起電圧を求め、求めた誘起電圧が0Vのときの当該誘起電圧の微分値を前記誘起電圧の傾きとして求める誘起電圧演算部と、
前記誘起電圧演算部により求められた誘起電圧が0Vのときの当該誘起電圧の微分値を入力し、前記誘起電圧の微分値がゼロの場合、上死点及び/又は下死点にピストンが到達していると判定するストローク制御部と、を有することを特徴とするリニア圧縮機制御システム。 - 請求項4に記載のリニア圧縮機制御システムにおいて、
前記ストローク制御部は、前記誘起電圧の微分値が所定値に達していない場合、前記電圧指令値を大きく、又は、前記電圧指令値に正の直流成分を加えることを特徴とするリニア圧縮機制御システム。 - 請求項4に記載のリニア圧縮機制御システムにおいて、
前記ストローク制御部は、前記誘起電圧の微分値が所定値を超える場合、前記電圧指令値を小さく、又は、前記電圧指令値に負の直流成分を加えることを特徴とするリニア圧縮機制御システム。 - 請求項5又は請求項6に記載のリニア圧縮機制御システムにおいて、
前記誘起電圧演算部は、求めた誘起電圧が0Vのときのみ当該誘起電圧の微分値を求め前記ストローク制御部へ出力することを特徴とするリニア圧縮機制御システム。 - 請求項7に記載のリニア圧縮機制御システムにおいて、
前記弾性体は共振バネであって、
前記界磁子の他端が固定される弾性体支持部材と前記電機子との間に取り付けられた第1の共振バネと、
前記弾性体支持部材とベース部材との間に取り付けられた第2の共振バネと、を備えることを特徴とするリニア圧縮機制御システム。
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