JP4619826B2 - 電動機駆動装置、電動機駆動方法及び圧縮機 - Google Patents

Description

この発明は、電動機駆動装置、電動機駆動方法及び前記電動機駆動装置を装備した圧縮機に関するものである。

いわゆるエアコンの冷房能力や暖房能力は、圧縮機に用いる電動機の回転速度によって可変調節できることが必要である。このとき、電動機は、エアコン立上げ時の急速冷房時や急速暖房時には、高速回転で運転でき、室温が要求温度に到達した後は、回転速度を落として省エネルギー運転ができること。そして、この低速で運転される省エネルギー運転の時間は長いので、電気代低減のためには、電動機は、低速運転時の効率が良いことが望ましい。一方、冷房や暖房の最大能力を上げるためには、電動機は、高速回転まで運転できるのが望ましい。

ところで、圧縮機用の電動機としては、高効率化のために、回転子に永久磁石を用いた永久磁石型電動機が使用されており、インバータにて駆動する方法が採用されている。圧縮機に用いる電動機に要求される上記の特性との関係は、次のようになっている。

すなわち、永久磁石型電動機は、固定子巻線の巻数を多くすると、少ない電流で運転できるので、電流に伴うインバータ損失が減少し、高効率運転ができる。その一方で、誘起電圧が上昇してしまうので、誘起電圧に支配される電動機電圧がより低い回転速度でインバータ最大出力電圧に達してしまうことが起こり、それ以上の回転速度で運転できないという問題が生じる。

逆に、永久磁石型電動機は、固定子巻線の巻数を少なくすると、誘起電圧が低減するので、誘起電圧に支配される固定子電圧がより高い回転速度までインバータ最大出力電圧に到達せず、高速回転まで運転できる。しかし、その結果、固定子電流が増加し、電流に伴うインバータ損失が増加し、インバータ効率が低下するという問題が生じる。

このように、低速回転で効率の良い永久磁石型電動機は高速回転まで運転できず、高速回転まで運転できる永久磁石型電動機は、低速回転での効率が悪いものになっていた。そのため、従来では、上記したエアコンの冷暖房能力や運転に関する要求を充分に満足させることが困難な状況になっている。

この問題の解決のため、例えば、特許文献１では、永久磁石型電動機の固定子巻数は多くするが、弱め界磁制御を用いて回転速度限界値を拡大したり、インバータの出力電圧を上昇させ回転速度限界を拡大したりして、要求回転速度を満足させる方法が提案されている。

特開２００２−２４７８７６号公報

しかしながら、弱め界磁制御や、インバータ出力電圧を上昇させる方策では、回転速度限界を大きくするのには限度があり、低速運転時での高効率化のため巻数をより多くした場合に、要求される最大回転速度を満足できないという問題があった。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであり、電動機を低速運転時の高効率と高速運転との両方を満足するように駆動できる電動機駆動装置及び電動機駆動方法を得ることを目的とする。

また、この発明は、低速運転時に高効率運転が可能で、かつ高速運転も可能な圧縮機を得ることを目的とする。

上述した目的を達成するために、この発明にかかる電動機駆動装置は、永久磁石型の電動機をインバータ制御によって駆動するインバータ制御手段と、前記インバータ制御手段が供給する駆動電圧を受ける前記電動機の巻線の結線方式を、指令に従ってスター結線とデルタ結線とに切り替える結線切替手段と、前記電動機の運転状態を管理し、前記電動機の運転範囲が規定値以下の場合には前記結線切替手段に前記スター結線を行わせる前記指令を発行し、前記電動機の運転範囲が規定値以上の場合には前記結線切替手段に前記デルタ結線を行わせる前記指令を発行し、スター結線運転範囲及びデルタ結線運転範囲のそれぞれにおける所定の運転範囲において前記インバータ制御手段に対して弱め界磁制御による駆動を行わせる指令を発行する運転制御手段とを備えたことを特徴とする。

この発明によれば、永久磁石型の電動機の運転範囲が規定値以下であるか以上であるかに応じて巻線をスター結線とデルタ結線とに切り替えて運転する。そして、スター結線運転範囲及びデルタ結線運転範囲のそれぞれにおける所定の運転範囲において弱め界磁制御による運転を行うことができる。

この発明によれば、電動機を低速運転時には高効率で運転することができ、同時に高速運転も行えるという効果を奏する。

以下に図面を参照して、この発明にかかる電動機駆動装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。

図１は、この発明の一実施の形態による電動機駆動装置を構成する電動機、インバータ及び結線切替装置との関係を示す結線図である。図２は、図１に示す結線切替装置が実現するスター結線とデルタ結線とを示す模式図である。図３は、図１に示す電動機（永久磁石型電動機）の内部構造を説明する断面図である。

図１において、電動機１は、３相の永久磁石型電動機である。電動機１には、３相「Ｕ、Ｖ、Ｗ」の各内部巻線の一端が接続される３つの端子２ａと各内部巻線の他端が接続される３つの端子２ｂとが設けられている。３つの端子２ａはインバータ４の出力端子に直接接続されている。そして、３つの端子２ａと３つの端子２ｂとの間に結線切替装置３が設けられている。

結線切替装置３には、３個のスイッチを備えるスイッチＡ５及びスイッチＢ６が設けられている。スイッチＡ５が備える３個のスイッチの各一端側端子は共通に接続され、各他端側３端子が電動機１の３つの端子２ｂに接続されている。一方、スイッチＢ６が備える３個のスイッチは、３つの端子２ａと３つの端子２ｂとの間において、Ｕ相とＶ相の間を接離するスイッチと、Ｖ相とＷ相の間を接離するスイッチと、Ｗ相とＵ相の間を接離するスイッチとで構成されている。

したがって、スイッチＡ５が備える３個のスイッチが一斉に閉路し、スイッチＢ６が備える３個のスイッチが一斉に開路すると、電動機１の内部巻線は、図２（ａ）に示すスター結線となる。一方、スイッチＡ５が備える３個のスイッチが一斉に開路し、スイッチＢ６が備える３個のスイッチが一斉に閉路すると、電動機１の内部巻線は、図２（ｂ）に示すデルタ結線となる。

インバータ４は、結線切替装置３に対して、電動機１の運転範囲に応じた結線切替指令を発行し、結線切替装置３に、スイッチＡ５及びスイッチＢ６の閉路操作、開路操作によって、インバータ４から３相電圧の供給を受ける電動機１の巻線を、図２（ａ）に示すスター結線と、図２（ｂ）に示すデルタ結線とに切り替えさせる運転制御を行うようになっている。

次に、図３において、固定子１５の内部に回転子７を配置している。固定子１５は、集中巻構造を取っており、ティース部８に絶縁材（図示せず）を介して巻線９が巻回されている。集中巻は、エアコン等の圧縮機電動機に採用されている方式で、従来一般的であった分布巻方式に対して巻線周長が短くできるため高効率となっている。

なお、図３では、固定子１５は分割コアで構成され、各回動軸１６を中心に各ティース８が開くことができる構造になっている。これによって、ティース８が開いた状態で巻線することにより巻線９を占積率良く巻くことができるので、更に高効率な電動機となっている。

また、回転子７の内部には、永久磁石１１が埋め込まれている。永久磁石としては希土類磁石またはフェライト磁石が採用される。永久磁石１１の外周コア部には、スリット１２が配置されている。このスリット１２は、固定子巻線電流による電機子反作用の影響を弱め、磁束分布に高調波が重畳されるのを低減する作用を有し、高調波による効率低下、騒音、振動増加を防止する作用を行う。また、固定子１５及び回転子７の鉄心には、ガス抜き穴１３、１４が設けられている。このガス抜き穴１３、１４は、電動機の冷却作用、また圧縮機用電動機の場合は、冷媒ガス通路または油戻し通路として作用する。

ここで、電動機１の内部結線について説明する。図３では、各ティース８に、説明のためティース番号「Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３」「Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３」「Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３」を示してある。これは、Ｕ相巻線はティース番号「Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３」の位置に巻回され、Ｖ相巻線はティース番号「Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３」の位置に巻回され、Ｗ相巻線はティース番号「Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３」の位置に巻回されていることを示している。

図３は、６極電動機を示しているので、１相あたり３ティース分の巻線となっている。その他、例えば４極電動機の場合は、ティース数は６となり、１相あたりの巻線は２ティース分となる。また、８極電動機の場合は、ティース数は１２となり、１相あたりの巻線は４ティース分となる。

図４は、図１に示す電動機（永久磁石型電動機）の内部結線を説明する模式図である。図４（ａ）に示すように直列結線を行う場合と、図４（ｂ）に示すように並列結線を行う場合とがある。巻線の線径や巻線を複数本巻きすることで、どちらの結線でも等価設計ができる。結局、製造設備や巻線材料等の制約によってどちらかの結線が選択される。図３に示す引出線１０は、各相巻線群（例えばＵ相巻線群であればＵ１巻線とＵ２巻線とＵ３巻線が直列結線または並列結線されたもの）の入口側と出口側から２本ずつ、合計６本引き出されている。図１では、３つの端子２ａと３つの端子２ｂとに接続されている。

次に、動作について説明する。まず、永久磁石型電動機の諸特性について説明する。図５は、図１に示す電動機（永久磁石型電動機）の回転速度に対する各特性を説明する特性図である。図５（ａ）は永久磁石型電動機の回転速度Ｎと電圧Ｖとの関係である。図５（ｂ）は永久磁石型電動機の回転速度ＮとトルクＴとの関係である。図５（ｃ）は永久磁石型電動機の回転速度Ｎと効率ηとの関係である。図５（ｄ）は永久磁石型電動機の電圧仕様と特性の関係である。

図５（ａ）に示すように永久磁石型電動機の電圧Ｖは概略回転速度Ｎに比例し、電圧Ｖがインバータ最大出力電圧Ｖ１に到達する回転速度Ｎ１まで、図５（ｂ）に示すように最大トルクＴｍａｘ以下の負荷で運転が可能である。Ｎ１を越える回転速度で運転する場合は、電圧を押さえる弱め界磁制御によって運転可能である。しかし、図５（ｂ）に示すように回転速度Ｎの増加とともに最大トルクＴｍａｘが低下し、モータに要求される負荷トルクＴＬを下まわる回転速度Ｎ２以上の運転は不可能となる。

また、効率ηは、一般的に、図５（ｃ）のように回転速度Ｎの増加と共に増加し、弱め界磁に入った後にピークを迎え、その後低下する。インバータ効率を含めた総合効率（モータ効率×インバータ効率）でも同様の曲線を示す。

次に、図５（ｄ）において、高電圧仕様は、電動機の結線をスター結線、直列結線、多巻数などにして誘起電圧を上げた仕様であり、低い回転速度でインバータの最大出力電圧に達する。一方、低電圧仕様は、デルタ結線、並列結線、少巻数などにして誘起電圧を下げたものであり、インバータの最大出力電圧に到達する回転速度は高くなる。

ここで、それぞれの効率であるが、電動機の発生トルクは誘起電圧と電流の積であるので、誘起電圧が高い高電圧仕様の方が低電流となり、低電流によってインバータ損失が低減し、インバータ効率が高効率となる。逆に、低電圧仕様は、電流が大きくなりインバータ効率が悪化する。また、電動機効率においても高電圧仕様の方がインバータスイッチングのデューティー比の関係で電流高調波成分が減少し高調波損失が低減し、電動機効率は良好となり、低電圧仕様では、電動機効率が低いものとなる。つまり、高効率な電動機は低速回転までしか運転できず、高速回転まで運転できる電動機は効率の低いものとなる。

そこで、この実施の形態では、電動機１とインバータ４との間に結線切替装置３を設けて、電動機１の結線方式をスター結線とデルタ結線とに切り替え得るようし、低速運転時の高効率と高速運転との両方を満足させるようにした。

結線切替装置３は、電動機１の運転状態がある規定値のときに、結線切替信号が入力され、スイッチＡ５とスイッチＢ６とが開閉操作される。例えば、回転速度がある回転速度よりも遅い時には、スイッチＡ５に閉路指示信号が入力され、スイッチＢ６に開路指示信号が入力され、電動機１の結線は図２（ａ）に示すスター結線となる。また、回転速度がある回転速度よりも速い時には、スイッチＡ５に開路指示信号が入力され、スイッチＢ６に閉路指示信号が入力され、電動機１の結線は図２（ｂ）に示すデルタ結線となる。

図２（ａ）に示されるスター結線は、図２（ｂ）に示されるデルタ結線に対し、線間誘起電圧が√３倍となるので、低速回転速度域での高効率化が達成できる。また、高速回転運転が必要になった場合は、デルタ結線に切り替えられるので、誘起電圧を低下させて高速回転運転も可能となる。スター結線とデルタ結線との切り替えは図６に示すようなタイミングで行うのが望ましい。

図６は、図１に示す電動機駆動装置によって得られる電動機の回転速度に対する電圧及び効率の関係特性を説明する特性図である。図６（ａ）は、回転速度Ｎと電圧Ｖとの関係を示し、図６（ｂ）は、スター結線とデルタ結線時の回転速度Ｎと総合効率（電動機効率×インバータ効率）ηとの関係を示している。

図６（ａ）に示すように、回転速度Ｎが規定回転速度Ｎ５以下ではスター結線され、規定回転速度Ｎ５以上ではデルタ結線される。そして、スター結線された場合では、回転速度がＮ５からＮ１に低下するまでの弱め界磁領域の期間では一定電圧（インバータ最大電圧）Ｖ１である。また、デルタ結線された場合では、回転速度がＮ５からＮ３に上昇した時点からＮ４に上昇するまでの弱め界磁領域の期間では一定電圧（インバータ最大電圧）Ｖ１である。

また、図６（ｂ）に示すように、スター結線は低回転速度ではデルタ結線よりも高効率であるが、電圧がインバータ最大電圧Ｖ１に達する回転速度Ｎ１で弱め界磁制御に入り、効率ピークを迎えた後に低下し、規定回転速度Ｎ５にてデルタ結線での電動機効率に逆転され、回転速度Ｎ２で電動機発生トルクが負荷トルクを下回り、運転限界となる。一方、デルタ結線においては回転速度Ｎ３で弱め界磁制御に入り、その後効率ピークを迎え回転速度Ｎ４まで運転可能となる。

したがって、切り替えタイミングとしては規定回転速度Ｎ５以下ではスター結線とし、規定回転速度Ｎ５以上ではデルタ結線とするのが効率的には望ましい。

このとき、規定回転速度Ｎ５は、予め、実験的に求めておき、回転速度で制御する方法や、電流値、温度など電動機が使用される製品に最適な制御方法を採ることで定めることができる。また、効率以外の要素、例えば電流制約や切替制御の最適性に応じて規定回転速度Ｎ５以外の回転速度で切り替えることも可能である。

また、制御性等の理由により、スター結線からデルタ結線に切り替えるタイミングとデルタ結線からスター結線に切り替えるタイミングとをずらすことも可能である。そして、この実施の形態による電動機駆動方法を適用する電動機１が搭載される製品の特性上問題がなければ、結線切替制御を確実にするために、一度電動機１を停止させるか、或いは切替制御上問題のない回転速度まで低下させて結線切り替えを行い、再度要求回転速度まで上昇させることも行うことができる。

ここで、この実施の形態による電動機駆動方法を適用する電動機１は、図３に示すように、固定子１５を集中巻としている。集中巻は、分布巻電動機よりも高効率であるので、低速回転時にスター結線とすれば更に高効率運転が可能となる。その一方で、集中巻は、磁束分布に高調波が乗る構造となっているので、磁束高調波に伴う騒音が発生する欠点がある。また、インバータキャリアによるキャリア周波数の騒音が分布巻よりも大きくなるという欠点もある。

このキャリア騒音は、インバータ４の出力電圧を調整するスイッチング比＝ＯＮ時間／（ＯＮ時間＋ＯＦＦ時間）で表されるデューティー比が大きくなると、小さくなるという特性があるので、特にデューティー比が小さい低回転速度域で問題となる。このような特性を有する集中巻電動機にこの実施の形態による電動機駆動方法を適用すれば、低回転速域ではスター結線としてデューティー比を大きく採ることができるので、低騒音化に有効となる。

また、この実施の形態による電動機駆動装置を構成するインバータ４としては、略正弦波電流駆動でキャリア周波数を４ｋＨｚ以上とするのが良い。正弦波は、騒音低減に有効な電流波形であり、磁束高調波による騒音悪化を緩和することができる。なお、キャリア周波数を４ｋＨｚ以上とする理由は、キャリア音に対してはエアコン等で一般的に遮音材として用いられるフェルト等の遮音特性が得られやすいこと、また圧縮機の固有値から外しやすいこと等によるものである。但し、キャリア周波数を上げ過ぎると、キャリアのスイッチングロスが増加しインバータ効率が悪化するので、４〜７ｋＨｚとするのが効率と騒音のバランスから最適である。

そして、エアコンの圧縮機で用いる電動機及びそれを駆動するインバータを、以上説明した電動機１及びインバータ４で構成し、それに結線切替装置３を装備すれば、次のような優れた使い勝手を有するエアコンを実現することができる。

すなわち、前述したように、エアコンの圧縮機で用いる永久磁石型電動機は、低速回転での効率を良くすることと、高速回転まで運転できることとを両立させることができないので、従来では、エアコンの冷暖房能力や運転に関する要求を充分に満足させることが困難であったが、この実施の形態による電動機駆動法によれば、低速回転では、スター結線とし高効率運転を行い、高速回転ではデルタ結線に切り替えるので、エアコンの必要能力に応じた充分な回転速度で運転できるようになる。

このとき、この実施の形態による電動機駆動装置は、圧縮機に対して例えば図７に示すようにして装備することができる。図７は、図１に示す電動機駆動装置を装備する圧縮機の構成例を示す要部断面図である。

図７において、圧縮機２０に用いる電動機１は、図１では端子２ａ，２ｂと示してあるが、図３に示したように、各相２本ずつ合計６本の引出線１０が出ているので、その６本の引出線１０を圧縮機２０のシェル２１に設けたガラス端子２２を介して外部に導出し、図７では示してないが、ガラス端子２２から引き出される６本の線に結線切替装置３を外付けする。つまり、結線切替装置３は、圧縮機２０の外部に設置し、スイッチ接点の火花等の影響が圧縮機内部に及ぼさないようにする。

これによって、この実施の形態による電動機駆動装置を装備した圧縮機では、ガラス端子２２から６本の引出線を引き出すだけで、低速回転時にはスター結線とし、高速回転時にはデルタ結線とする切り替えが可能となるので、低回転速度時の高効率化と、高回転速度まで運転可能との両立化を達成できるようになる。

このとき、通常、圧縮機から取り出される引出線は３本であり、引出本数が増えてしまうことになるが、スター・デルタ結線変換以外の結線切り替えが６本よりも多くの引出線が必要であるのに対し、この実施の形態の適用では６本という最小の引出線数で、結線切替が可能になるので、少ないコスト上昇のもとで、圧縮機の性能を大幅に向上させることができる。

以上のように、この発明にかかる電動機駆動装置及び方法は、低回転速度時の高効率化と、高回転速度まで運転可能との両立化を図るのに有用であり、特に、エアコン等の圧縮機で用いられる永久磁石型電動機を駆動するのに適している。

この発明の一実施の形態による電動機駆動装置を構成する電動機、インバータ及び結線切替装置との関係を示す結線図である。 図１に示す結線切替装置が実現するスター結線とデルタ結線とを示す模式図である。 図１に示す電動機（永久磁石型電動機）の内部構造を説明する断面図である。 図１に示す電動機（永久磁石型電動機）の内部結線を説明する模式図である。 図１に示す電動機（永久磁石型電動機）の回転速度に対する各特性を説明する特性図である。 図１に示す電動機駆動装置によって得られる電動機の回転速度に対する電圧及び効率の関係特性を説明する特性図である。 図１に示す電動機駆動装置を装備する圧縮機の構成例を示す要部断面図である。

符号の説明

１ 電動機（永久磁石型電動機）
２ａ，２ｂ 端子
３ 結線切替装置
４ インバータ
５ スイッチＡ
６ スイッチＢ
７ 回転子
８ ティース部
９ 巻線
１０ 引出線
１１ 永久磁石
１２ スリット
１３，１４ ガス抜き穴
１５ 固定子
１６ 回動軸
２０ 圧縮機
２１ シェル
２２ ガラス端子

Claims (5)

1. 永久磁石型の電動機をインバータ制御によって駆動するインバータ制御手段と、
   前記インバータ制御手段が供給する駆動電圧を受ける前記電動機の巻線の結線方式を、指令に従ってスター結線とデルタ結線とに切り替える結線切替手段と、
   前記電動機の運転状態を管理し、前記電動機の運転範囲が規定値以下の場合には前記結線切替手段に前記スター結線を行わせる前記指令を発行し、前記電動機の運転範囲が規定値以上の場合には前記結線切替手段に前記デルタ結線を行わせる前記指令を発行し、スター結線運転範囲及びデルタ結線運転範囲のそれぞれにおける所定の運転範囲において前記インバータ制御手段に対して弱め界磁制御による駆動を行わせる指令を発行する運転制御手段と、
   を備えたことを特徴とする電動機駆動装置。
2. 前記電動機の巻線は集中巻であることを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動装置。
3. インバータ制御によって駆動される永久磁石型の電動機の運転状態を管理し、当該電動機の運転範囲が規定値以下の場合には巻線をスター結線に切り替えて運転する一方、運転範囲が規定値以上の場合にはデルタ結線に切り替えて運転する工程と、
   スター結線運転範囲及びデルタ結線運転範囲のそれぞれにおける所定の運転範囲において弱め界磁制御による運転を行う工程と、
   を含むことを特徴とする電動機駆動方法。
4. 前記電動機の巻線は集中巻であることを特徴とする請求項３に記載の電動機駆動方法。
5. 請求項１または２に記載の電動機駆動装置を搭載したことを特徴とする圧縮機。

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