JP4595372B2 - 圧縮機、圧縮機駆動制御装置および圧縮機の駆動制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機等に用いられる圧縮機、圧縮機駆動制御装置および圧縮機の駆動制御方法に関するものである。

一般的な空気調和機は、圧縮機にて冷媒を熱交換器に循環させることで熱搬送を行う。この圧縮機には多くの場合、密閉形圧縮機が用いられる。図３は、家庭用小型空気調和機に用いられている従来のスクロール方式の密閉形の圧縮機の断面図を示すもので、圧縮機容器１は金属で形成され、内部にはスクロール方式の圧縮機構２と、圧縮機構２を駆動するモーター３が配置され、モーター３に電力を供給するための電圧印加端子（ターミナル）４が圧縮機頭部に設けられている。５は吸入管であり、６は吐出管である。

圧縮方式には、スクロール方式以外にもロータリー方式などがあるが、圧縮機構２とモーター３が配置される構成は同じである。この圧縮機をインバーターにて速度を変えて能力制御を行なうのが、現在の家庭用空気調和機の一般的な構成である。

近年、空気調和機には、地球環境保護の観点から運転効率の高効率化が必須となっており、そのためには圧縮機のシリンダー容積を最適に設計する必要がある。例えば、セパレート型の家庭用小型空気調和機を例に取れば、超省エネ型の場合、圧縮機のシリンダー容積は２．２〜４．０ｋＷクラスで約１１ｃｃ、５．６〜６．３ｋＷクラスで約１３ｃｃとなっている。このシリンダー容積は、年間を通じて運転時間の長い定格能力での冷凍サイ
クルに合わせて圧縮機の圧縮効率が最高になるようにシリンダー容積を決定している（冷房と暖房の両方の冷凍サイクルに対して最も好ましい折衷点で設計される）。

一方で、圧縮機構２を駆動するモーター３も高効率化が図られている。モーター３には希土類磁石を用いた高効率ＤＣブラシレスモーターとしてＩＰＭ（埋め込み磁石モーター）を用い、これをインバーター電源にて速度可変して空調能力調整を行なうのが主流となってきている。

図４は、ＤＣブラシレスモーター（ＩＰＭ）の構成図である。モーター３は、Ｕ、Ｖ、Ｗの各相毎に、ステーター１１に銅製の巻線１２が幾重にも巻きつけられ、これに電流を流すことにより界磁が作られる。ローター１３は、鉄芯１４と、そこに埋め込まれた永久磁石１５から構成され、界磁によってマグネットトルクとリラクタンストルクが発生して回転力を受ける。巻線１２は圧縮機頭部に設けられた電圧印加端子１６（＝図３での電圧印加端子４）に接続され、この端子間にインバーター電源からの電圧を印加して巻線１２に電流を流す。図５はＵ相巻線図であり、図４のうちＵ相巻線部分のみを記載したものである。矢印はＵＶ相間に電圧を印加した場合の電流の流れを示している。

ＤＣモーターの場合、ステーター巻線１２の線径が同じであれば、巻き数を多くすれば効率が向上するので、本来であれば出来るだけステーター巻線１２の巻き数を多くして、定格能力でのモーター効率を最高にする仕様とするのが好ましい。

しかしながら、圧縮機のシリンダー容積が前述の通り、圧縮効率で決定されるため、空気調和機に大能力が必要とされる場合、すなわち設定温度と室温の差が大きい時（特に立上げ時）には圧縮機速度を上げることにより空調能力を増大させなければならない。一般的には暖房で必要とされる最高速の方が冷房で必要とされる最高速より高く、機種にもよるが暖房の定格能力での圧縮機速度に対し、２倍近くの圧縮機速度が必要とされる。したがって、圧縮機のモーターは暖房の最高速が確保できる仕様に設計する必要がある。ＤＣモーターでは、巻線の線径が同じ場合、ステーター巻き数を多くすれば効率は向上するが、高速のトルクが低下して最高速が低下するため、巻き数は暖房の最高速が確保できる巻き数に設計しなければならない。

このことは、最高速を確保するがために定格能力での効率を犠牲にしたモーター設計にならざるを得ないことを意味する。

この課題に対しての一つの対応策（すなわち、出来るだけステーター巻線の巻き数を多くしながら、高速でのトルクを確保する方策）として、ＤＣモーターのインバーター制御で弱め界磁制御がよく用いられる。弱め界磁制御とはステーター巻き線とローターの位置関係を進み位相で通電する制御で、これにより高速域でのトルクを増大させることができるが、それでも最高速度の向上度合いは１０〜２０Ｈｚ程度である。

２．８ｋＷクラスの空気調和機を例にあげると、定格能力での速度が６０Ｈｚ程度であり、この動作点の効率だけを考えた場合、巻線の巻き数は２５０ターン程度まで巻き込むのが効率が最も高くなる。しかしながら、この巻き数では最高速が弱め界磁制御を用いても８０〜９０Ｈｚ程度でトルク限界に達してしまい、必要な１２０Ｈｚまでは駆動できない。定格能力でのモーター効率を犠牲にして、最高速が１２０Ｈｚ駆動できる１５０ターン程度の巻き数にせざるを得なかった（図５）。このように、従来の圧縮機においては、最高速を確保するがゆえに、定格能力でのモーター効率を最高にする巻き数にすることができない、という課題があった。

本発明は前記従来の課題を解決するもので、最高速の確保と、定格能力での高効率を両立させた圧縮機を提供することを目的とするものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明の圧縮機は、ステーターとローターからなるＤＣブラシレスモーターで駆動される圧縮機において、前記ステーターに巻かれたステーター巻線と、前記ステーター巻線に電源を供給する電圧印加端子とを備え、各相の前記ステーター巻線の異なる巻き数の個所と前記電圧印加端子とを接続し、前記圧縮機の駆動条件に応じて、電圧を印加する前記電圧印加端子を切り替えて、通電される前記ステーター巻線の巻き数を変えるようにしたもので、前記圧縮機を高速のトルクを確保するように運転する時は、前記ステーター巻線の巻き数の少ない箇所に接続した前記電圧印加端子に電圧を印加するように切り替え、定格能力で運転する時は、巻き数の多い箇所に接続した前記電圧印加端子に電圧を印加するように切り替える構成としたもので、例えば、圧縮機を最高速で運転する時は、ステーター巻線の巻き数の少ない箇所に接続した電圧印加端子に電圧を印加するようにすれば、最高速駆動に必要なモータートルクが十分確保され、また、定格能力で運転する時は、巻き数の多い箇所に接続した電圧印加端子に電圧を印加するようにすれば、高いモーター効率点での駆動を行なうことができる。

また、本発明の圧縮機駆動制御装置は、ステーターとローターからなり圧縮機を駆動するＤＣブラシレスモーターを制御する圧縮機駆動制御装置において、前記ステーターに巻かれたステーター巻線と、前記ステーター巻線に電源を供給する電圧印加端子とを備え、各相の前記ステーター巻線の異なる巻き数の個所と前記電圧印加端子とを接続し、前記圧縮機の駆動条件に応じて、電圧を印加する前記電圧印加端子を切り替えて、通電される前記ステーター巻線の巻き数を変えるようにしたもので、例えば、圧縮機を最高速で運転する時は、ステーター巻線の巻き数の少ない箇所に接続した電圧印加端子に電圧を印加するようにすれば、最高速駆動に必要なモータートルクが十分確保され、また、定格能力で運転する時は、巻き数の多い箇所に接続した電圧印加端子に電圧を印加するようにすれば、高いモーター効率点での駆動を行なうことができる。

さらに、本発明の圧縮機の駆動制御方法は、ステーターとローターからなり圧縮機を駆動するＤＣブラシレスモーターを制御する圧縮機の駆動制御方法において、前記ステーターに巻かれたステーター巻線と、前記ステーター巻線に電源を供給する電圧印加端子とを備え、各相の前記ステーター巻線の異なる巻き数の個所と前記電圧印加端子とを接続し、前記圧縮機の駆動条件に応じて、電圧を印加する前記電圧印加端子を切り替えて、通電される前記ステーター巻線の巻き数を変えるように制御するもので、例えば、圧縮機を最高速で運転する時は、ステーター巻線の巻き数の少ない箇所に接続した電圧印加端子に電圧を印加するようにすれば、最高速駆動に必要なモータートルクが十分確保され、また、定格能力で運転する場合、巻き数の多い箇所に接続した電圧印加端子に電圧を印加するようにすれば、高いモーター効率点での駆動を行なうことができる。

本発明の圧縮機、圧縮機駆動制御装置及び圧縮機の駆動制御方法によれば、圧縮機の最高速の確保と、定格能力での高効率を両立させることができる。

第１の発明は、ステーターとローターからなるＤＣブラシレスモーターで駆動される圧縮機において、前記ステーターに巻かれたステーター巻線と、前記ステーター巻線に電源を供給する電圧印加端子とを備え、各相の前記ステーター巻線の異なる巻き数の個所と前記電圧印加端子とを接続し、前記圧縮機の駆動条件に応じて、電圧を印加する前記電圧印
加端子を切り替えて、通電される前記ステーター巻線の巻き数を変えるようにしたもので、前記圧縮機を高速のトルクを確保するように運転する時は、前記ステーター巻線の巻き数の少ない箇所に接続した前記電圧印加端子に電圧を印加するように切り替え、定格能力で運転する時は、巻き数の多い箇所に接続した前記電圧印加端子に電圧を印加するように切り替える構成としたもので、例えば、圧縮機を最高速で運転する時は、ステーター巻線の巻き数の少ない箇所に接続した電圧印加端子に電圧を印加するようにすれば、最高速駆動に必要なモータートルクが十分確保され、また、定格能力で運転する時は、巻き数の多い箇所に接続した電圧印加端子に電圧を印加するようにすれば、高いモーター効率点での駆動を行なうことができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の各相のステーター巻線において、途中から線径を変えたもので、例えば効率重視の定格能力で運転する際に用いる巻線部分の線径を太くすれば、巻線の抵抗による損失が低減され、より定格能力で高効率を得ることができる。

第３の発明は、ステーターとローターからなり圧縮機を駆動するＤＣブラシレスモーターを制御する圧縮機駆動制御装置において、前記ステーターに巻かれたステーター巻線と、前記ステーター巻線に電源を供給する電圧印加端子とを備え、各相の前記ステーター巻線の異なる巻き数の個所と前記電圧印加端子とを接続し、前記圧縮機の駆動条件に応じて、電圧を印加する前記電圧印加端子を切り替えて、通電される前記ステーター巻線の巻き数を変えるようにしたもので、前記圧縮機を高速のトルクを確保するように運転する時は、前記ステーター巻線の巻き数の少ない箇所に接続した前記電圧印加端子に電圧を印加するように切り替え、定格能力で運転する時は、巻き数の多い箇所に接続した前記電圧印加端子に電圧を印加するように切り替える構成としたことにより、例えば、圧縮機を最高速で運転する時は、ステーター巻線の巻き数の少ない箇所に接続した電圧印加端子に電圧を印加するようにすれば、最高速駆動に必要なモータートルクが十分確保され、また、定格能力で運転する時は、巻き数の多い箇所に接続した電圧印加端子に電圧を印加するようにすれば、高いモーター効率点での駆動を行なうことができる。

第４の発明は、特に、第３の発明の各相のステーター巻線において、途中から線径を変えたもので、例えば効率重視の定格能力で運転する際に用いる巻線部分の線径を太くすれば、巻線の抵抗による損失が低減され、より定格能力での高効率を得ることができる。

第５の発明は、ステーターとローターからなり圧縮機を駆動するＤＣブラシレスモーターを制御する圧縮機の駆動制御方法において、前記ステーターに巻かれたステーター巻線と、前記ステーター巻線に電源を供給する電圧印加端子とを備え、各相の前記ステーター巻線の異なる巻き数の個所と前記電圧印加端子とを接続し、前記圧縮機の駆動条件に応じて、電圧を印加する前記電圧印加端子を切り替えて、通電される前記ステーター巻線の巻き数を変えるように制御するもので、前記圧縮機を高速のトルクを確保するように運転する時は、前記ステーター巻線の巻き数の少ない箇所に接続した前記電圧印加端子に電圧を印加するように切り替え、定格能力で運転する時は、巻き数の多い箇所に接続した前記電圧印加端子に電圧を印加するように切り替えることにより、例えば、圧縮機を最高速で運転する時は、ステーター巻線の巻き数の少ない箇所に接続した電圧印加端子に電圧を印加するようにすれば、最高速駆動に必要なモータートルクが十分確保され、また、定格能力で運転する場合、巻き数の多い箇所に接続した電圧印加端子に電圧を印加するようにすれば、高いモーター効率点での駆動を行なうことができる。

第６の発明は、特に、第５の発明の各相のステーター巻線において、途中から線径を変えたもので、例えば効率重視の定格能力で運転する際に用いる巻線部分の線径を太くすれば、巻線の抵抗による損失が低減され、より定格能力での高効率を得ることができる。

第７の発明は、特に、第５又は第６の発明の圧縮機を高速で運転する時に、各相のステーター巻線の最も巻き数が少ない巻線に接続された電圧印加端子に電圧を印加するもので、最高速を確保しながらも、多様な駆動条件の時々に応じて最も効率の良い運転を行なうことができる。

第８の発明は、特に、第５〜７のいずれか１つの発明の圧縮機の起動時に、各相のステーター巻線の最も巻き数が多い巻線に接続された電圧印加端子に電圧を印加して起動し、所定の駆動後、目的に応じた電圧印加端子に切り替えるもので、起動時のトルクを最大にして安定的かつ確実な圧縮機起動が行なえるものである。

第９の発明は、特に、第５〜８のいずれか１つの発明の電圧印加端子を切り替える時は、圧縮機の駆動を一時的に停止し、切り替えたのち再起動するもので、電圧を印加する巻線の切替によってＤＣブラシレスモーターの特性が急変して（モーターの脱調などで）、圧縮機が異常停止することを防止することができるものである。

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、本発明の第１の実施の形態における圧縮機を駆動するＤＣブラシレスモーターのＵ相巻線図である。なお、従来例と同一部分については、同一符号を付してその説明を省略する。

図１において、ステーター１１とローター１３は従来例（図５）と同様である。ステーター１１に巻かれるステーター巻線１２は、従来例では、２．８ｋＷクラス用で線径φ０．８５の銅線を１５０ターン巻いていたが、本実施の形態においては、線径φ０．７０で１００ターン巻いた巻線１７と、線径φ０．９０で１５０ターン巻かれた巻線１８とに分けられており、双方の巻線は同一ステータースロットに重ねて、もしくは直列に巻き込まれている。

各相の電圧印加端子１６は、巻線の終端に接続された電圧印加端子Ｂ１６ｂと、巻線１７と巻線１８の結合点が接続された電圧印加端子Ａ１６ａの２つが設けられている。図中の矢印はＵＶ相間に電圧を印加した場合の電流の流れを示している。図１ではＵ相のみ示しているが、他のＶ相、Ｗ相も同様の構成になっており、ＤＣブラシレスモーター３を形成する。

圧縮機を定格能力で高効率で運転する場合は、電圧印加端子Ｂ１６ｂに電圧を印加する。この時、電流は図中の黒矢印のように、１５０ターン巻かれた巻線１８を流れ、その後、１００ターン巻かれた巻線１７を流れて、中性点を経てＶ相の巻線に流れている。

巻線１７と巻線１８は同一のステータースロットに巻かれているので、双方の巻線で発生した磁束が重畳され、ＤＣブラシレスモーター３としては両方の巻き数を足した２５０ターン相当の特性とすることができ、定格能力での運転効率が最高になる圧縮機とすることが出来る。もちろん、電圧印加端子Ｂ１６ｂを用いたままでは、最高速で運転しようとしても高速でのトルクが不足し、駆動することはできないのは先に述べたとおりである。

そこで、モーター効率は低下しても高速でのトルクを確保したい場合には、電圧印加端子Ａ１６ａに電圧を印加する。すると、巻線の終端は開放状態で絶縁されているので、図中の白矢印のように巻線１８には電流は流れず、巻線１７のみに電流が流れる。この場合、巻線１７は１００ターンしか巻いていないので、ＤＣブラシレスモーターとしては１０
０ターン相当の特性とすることが出来、すなわち高速のトルクを確保することが出来るので、圧縮機を必要な最高速で運転することが出来る。

また、従来例（図５）では巻線の線径はφ０．８５としていたが、本実施の形態ではφ０．９０とφ０．７０とを組合わせている。ＤＣブラシレスモーター３の効率を考えた場合、モーター巻線の線径は太い方が銅損が少なくなり効率は向上するが、太い線径の巻線を多く巻き込むためにはそれだけ巻線の占有する体積が大きくなるので、ステーター１１を大きくしなければならず、圧縮機の大型化、コストの増大につながる。

そこで、本実施の形態では、定格能力での運転時に高効率を得るために必要な巻線１８の線径をφ０．８５からφ０．９０へと太くし、効率は低下してもトルクさえ得られればよい高速運転時に用いる巻線１７を必要最低限の線径であるφ０．７０にしたものである。こうすることで、ＤＣブラシレスモーター３の大型化を抑制しながらも、より目的に適したモーター特性を使い分けができる。

さらに本実施の形態においては巻線を２つに分けることで、２つのモーター特性を得ているが、巻線を３つ以上に分けて、３つ以上のモーター特性を得ることも可能で、圧縮機の運転する条件に合わせてきめ細かく使い分けてもよいのは言うまでもない。その場合、圧縮機の起動を行なう際には、低速で高トルクが必要ためＤＣブラシレスモーター３としての巻線の巻き数が最も多くなる電圧印加端子を用いるのが好ましく、起動して安定的に駆動するようになってから目的に応じた電圧印加端子に切り替えるのが良い。

一方、３以上に分ける場合も、最高速で駆動する場合は高速でのトルクを大きくする必要があるため、ＤＣブラシレスモーター３としての巻線の巻き数が最も少なくなる電圧印加端子１６を用いると良い。

図２は、本実施の形態における圧縮機を駆動制御する駆動制御装置の配線図である。圧縮機のＤＣブラシレスモーター１９には各相毎に電圧印加端子Ａ１６ａと電圧印加端子Ｂ１６ｂが共に圧縮機頭部に配置した電圧印加端子１６に設けられ、電圧印加端子切替え装置２０を経てインバーター電源２１に接続される。電圧印加端子切替え装置２０の切り替えスイッチには電気リレーを用いているが、もちろん半導体スイッチを用いても良い。

ところで、電圧印加端子Ａ１６ａと電圧印加端子Ｂ１６ｂを切り替えると、瞬時にしてモーター特性が大きく変化し、モーター電流やモーター誘起電圧が変化する。密閉形圧縮機を駆動するＤＣブラシレスモーターは、磁極位置検出のための位置センサーを用いることができないので、モーター電流の検出手段や、モーター誘起電圧を検出手段による磁極位置推定を行なうセンサレス駆動が行なわれる。

従って、電圧印加端子Ａ、Ｂ１６ａ、１６ｂを切替える時には、この磁極位置推定の制御係数なども同時に切りかえる必要があるが、モーター駆動を継続したまま切り替える場合は、切替えの瞬間にセンサレス駆動が不安定になり、最悪の場合、脱調して異常停止することがあり得る。このことを防止するために、電圧印加端子Ａ、Ｂ１６ａ、１６ｂを切替える時は、圧縮機を一旦停止し、切替えたのち再起動することで異常停止のリスクを排除することが出来る。

本発明の圧縮機は、最高速の確保と、定格能力での高効率を両立することができ、運転条件に応じた最適なモーター特性で圧縮機を運転することができるので、家庭用、業務用の空気調和機、車載用空気調和機等の高効率化、省エネルギー化に広く利用できるものである。

本発明の実施の形態１における圧縮機に搭載されたＤＣブラシレスモーターの巻線図（Ｕ相のみを図示） 同圧縮機を駆動制御する圧縮機駆動制御装置の配線図 従来のスクロール方式の密閉形圧縮機の断面図 同圧縮機に搭載されたＤＣブラシレスモーターの構成図 同ＤＣブラシレスモーターのＵ相巻線図

３ ＤＣブラシレスモーター
１１ ステーター
１２ ステーター巻線
１３ ローター
１６ 電圧印加端子
１６ａ 電圧印加端子Ａ
１６ｂ 電圧印加端子Ｂ
１７、１８ 巻線
１９ 圧縮機のＤＣブラシレスモーター
２０ 電圧印加端子切替え装置
２１ インバーター電源

Claims (9)

1. ステーターとローターからなるＤＣブラシレスモーターで駆動される圧縮機において、前記ステーターに巻かれたステーター巻線と、前記ステーター巻線に電源を供給する電圧印加端子とを備え、各相の前記ステーター巻線の異なる巻き数の個所と前記電圧印加端子とを接続し、前記圧縮機の駆動条件に応じて、電圧を印加する前記電圧印加端子を切り替えて、通電される前記ステーター巻線の巻き数を変えるようにしたもので、前記圧縮機を高速のトルクを確保するように運転する時は、前記ステーター巻線の巻き数の少ない箇所に接続した前記電圧印加端子に電圧を印加するように切り替え、定格能力で運転する時は、巻き数の多い箇所に接続した前記電圧印加端子に電圧を印加するように切り替える構成としたことを特徴とする圧縮機。
2. 各相のステーター巻線において、途中から線径を変えたことを特徴とする請求項１記載の圧縮機。
3. ステーターとローターからなり圧縮機を駆動するＤＣブラシレスモーターを制御する圧縮機駆動制御装置において、前記ステーターに巻かれたステーター巻線と、前記ステーター巻線に電源を供給する電圧印加端子とを備え、各相の前記ステーター巻線の異なる巻き数の個所と前記電圧印加端子とを接続し、前記圧縮機の駆動条件に応じて、電圧を印加する前記電圧印加端子を切り替えて、通電される前記ステーター巻線の巻き数を変えるようにしたもので、前記圧縮機を高速のトルクを確保するように運転する時は、前記ステーター巻線の巻き数の少ない箇所に接続した前記電圧印加端子に電圧を印加するように切り替え、定格能力で運転する時は、巻き数の多い箇所に接続した前記電圧印加端子に電圧を印加するように切り替える構成としたことを特徴とする圧縮機駆動制御装置。
4. 各相のステーター巻線において、途中から線径を変えたことを特徴とする請求項３記載の圧縮機駆動制御装置。
5. ステーターとローターからなり圧縮機を駆動するＤＣブラシレスモーターを制御する圧縮機駆動制御方法において、前記ステーターに巻かれたステーター巻線と、前記ステーター巻線に電源を供給する電圧印加端子とを備え、各相の前記ステーター巻線の異なる巻き数
   の個所と前記電圧印加端子とを接続し、前記圧縮機の駆動条件に応じて、電圧を印加する前記電圧印加端子を切り替えて、通電される前記ステーター巻線の巻き数を変えるように制御するもので、前記圧縮機を高速のトルクを確保するように運転する時は、前記ステーター巻線の巻き数の少ない箇所に接続した前記電圧印加端子に電圧を印加するように切り替え、定格能力で運転する時は、巻き数の多い箇所に接続した前記電圧印加端子に電圧を印加するように切り替えることを特徴とする圧縮機の駆動制御方法。
6. 各相のステーター巻線において、途中から線径を変えたことを特徴とする請求項５記載の圧縮機の駆動制御方法。
7. 圧縮機を最高速で運転する時に、各相のステーター巻線の最も巻き数が少ない巻線に接続された電圧印加端子に電圧を印加するように切り替えることを特徴とする請求項５又は６に記載の圧縮機の駆動制御方法。
8. 圧縮機の起動時に、各相のステーター巻線の最も巻き数が多い巻線に接続された電圧印加端子に電圧を印加して起動し、所定の駆動後、目的に応じた電圧印加端子に切り替えることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の圧縮機の駆動制御方法。
9. 電圧印加端子を切り替える時は、圧縮機の駆動を一時的に停止し、切り替えたのち再起動することを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載の圧縮機の駆動制御方法。
   

Images