KR20200007045A - 구동 장치, 압축기, 공기 조화기 및 구동 방법 - Google Patents

구동 장치, 압축기, 공기 조화기 및 구동 방법 Download PDF

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Abstract

구동 장치는, 코일에 전압을 출력하는 인버터와, 코일의 결선 상태를 Y결선과 델타결선으로 전환하는 결선 전환부와, 제어 장치를 구비한다. 제어 장치는, 코일의 결선 상태가 Y결선이면서 인버터의 전류치가 제1의 임계치(A)에 달하든지, 또는, 코일의 결선 상태가 델타결선이면서 당해 전류치가 제2의 임계치(B)에 달한 경우에, 인버터의 출력을 정지한다. 제1의 임계치(A)와 제2의 임계치(B)는, B<√3×A를 만족한다.

Description

구동 장치, 압축기, 공기 조화기 및 구동 방법
본 발명은, 전동기를 구동하는 구동 장치, 전동기에 의해 구동되는 압축기, 전동기를 갖는 공기 조화기, 및, 전동기의 구동 방법에 관한 것이다.
공기 조화기에서는, 압축기를 구동하는 전동기의 저속 회전시 및 고속 회전시의 운전 효율을 향상하기 위해, 전동기의 코일의 결선 상태를 Y결선(스타결선이라고도 칭한다)과 델타결선(삼각결선 또는 Δ결선라고도 칭한다)으로 전환하는 것이 행하여지고 있다.
또한, 전동기의 영구자석의 감자(減磁)를 억제하기 위해, 인버터의 출력 전류가 임계치(과전류 보호 레벨)에 달하면, 전동기를 정지하는 것도 행하여지고 있다. 또한, 코일에 흐르는 전류는, 델타결선에서는 Y결선의 3배가 되기 때문에, 결선 상태에 응하여 과전류 보호 레벨을 전환하는 것도 행하여지고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조).
특허 문헌 1 : 특허 제4722069호 공보(단락 0031∼0033, 0042 참조)
그렇지만, 전동기의 운전중에는, 예를 들면 3상의 코일 중의 2상에만 전류가 흐르는 경우 등, 특수한 운전 상태도 발생할 수 있다. 이와 같은 특수한 운전 상태에서도, 영구자석의 감자를 저감하는(즉 생기기 어렵게 하는) 것이 요구되고 있다.
본 발명은, 상기한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 특수한 운전 상태에서도 영구자석의 감자를 저감하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 구동 장치는, 코일을 갖는 전동기를 구동하는 구동 장치로서, 코일에 전압을 출력하는 인버터와, 코일의 결선 상태를 Y결선과 델타결선으로 전환하는 결선 전환부와, 코일의 결선 상태가 Y결선이면서 인버터의 전류치가 제1의 임계치(A)에 달하든지, 또는, 코일의 결선 상태가 델타결선이면서 당해 전류치가 제2의 임계치(B)에 달한 경우에, 인버터의 출력을 정지하는 제어 장치를 구비한다. 제1의 임계치(A)와 제2의 임계치(B)는, B<√3×A를 만족한다.
본 발명의 구동 방법은, 코일의 결선 상태가 Y결선과 델타결선의 사이에서 전환 가능한 전동기를, 인버터를 이용하여 구동하는 구동 방법으로서, 인버터의 전류치를 검출하는 스텝과, 코일의 결선 상태가 Y결선이면서 전류치가 제1의 임계치(A)에 달하든지, 또는, 코일의 결선 상태가 델타결선이면서 당해 전류치가 제2의 임계치(B)에 달한 경우에, 인버터의 출력을 정지하는 스텝을 갖는다. 제1의 임계치(A)와 제2의 임계치(B)는, B<√3×A를 만족한다.
본 발명에서는, Y결선의 제1의 임계치(A)와, 델타결선의 제2의 임계치(B)를, B<√3×A를 만족하도록 설정하였기 때문에, 예를 들면 3상의 코일 중의 2상에만 전류가 흐르는 운전 상태에서도, 영구자석의 감자를 저감할 수 있다.
도 1은 실시의 형태 1의 전동기의 구성을 도시하는 단면도.
도 2는 실시의 형태 1의 로터리 압축기의 구성을 도시하는 단면도.
도 3은 실시의 형태 1의 공기 조화기의 구성을 도시하는 블록도.
도 4는 실시의 형태 1의 공기 조화기의 제어계의 기본 구성을 도시하는 개념도.
도 5는 실시의 형태 1의 공기 조화기의 제어계를 도시하는 블록도(A), 및 실내 온도에 의거하여 압축기의 전동기를 제어하는 부분을 도시하는 블록도(B).
도 6은 실시의 형태 1의 구동 장치의 구성을 도시하는 블록도.
도 7은 실시의 형태 1의 구동 장치의 구성을 도시하는 블록도.
도 8은 실시의 형태 1의 구동 장치의 구성을 도시하는 블록도.
도 9는 실시의 형태 1의 코일의 결선 상태의 전환 동작을 도시하는 모식도(A) 및 (B).
도 10은 실시의 형태 1의 코일의 결선 상태를 도시하는 모식도.
도 11은 코일의 결선 상태를 Y결선으로 한 경우와 델타결선으로 한 경우의 각각에서, 선간 전압과 회전수와의 관계를 도시하는 그래프.
도 12는 Y결선으로 2상의 코일에만 전류가 흐르는 운전 상태(A)와, 그때에 영구자석에 작용하는 자계(B)를 도시하는 모식도.
도 13은 델타결선으로 2상의 코일에만 전류가 흐르는 운전 상태(A)와, 그때에 영구자석에 작용하는 자계(B)를 도시하는 모식도.
도 14는 실시의 형태 1에 의한 감자율의 개선 효과를 도시하는 그래프.
도 15는 실시의 형태 1의 공기 조화기의 기본 동작을 도시하는 플로우 차트.
도 16은 실시의 형태 1의 델타결선부터 Y결선으로의 전환 동작을 도시하는 플로우 차트.
도 17은 실시의 형태 1의 Y결선부터 델타결선으로의 전환 동작을 도시하는 플로우 차트.
도 18은 실시의 형태 1의 과전류 보호 동작을 도시하는 플로우 차트.
도 19는 실시의 형태 1의 변형례의 구동 장치의 구성을 도시하는 블록도.
실시의 형태 1.
<전동기의 구성>
본 발명의 실시의 형태 1에 관해 설명한다. 도 1은, 본 발명의 실시의 형태 1의 전동기(1)의 구성을 도시하는 단면도이다. 이 전동기(1)는, 영구자석 매입형 전동기로서, 예를 들면 로터리 압축기에 사용된다. 전동기(1)는, 스테이터(10)와, 스테이터(10)의 내측에 회전 가능하게 마련된 로터(20)를 구비하고 있다. 스테이터(10)와 로터(20) 사이에는, 예를 들면 0.3∼1㎜의 에어 갭이 형성되어 있다. 또한, 도 1은, 로터(20)의 회전축에 직교하는 면에서의 단면도이다.
이하에서는, 로터(20)의 회전축을, 「축선(C1)」이라고 칭한다. 축선(C1)의 방향(즉 로터(20)의 회전축의 방향)을, 「축방향」이라고 칭한다. 축선(C1)을 중심으로 하는 둘레방향(도 1에 화살표(R1)로 도시한다)을, 「둘레방향」이라고 칭한다. 축선(C1)을 중심으로 하는 지름방향을, 「지름방향」이라고 칭한다.
스테이터(10)는, 스테이터 코어(11)와, 스테이터 코어(11)에 휘감겨진 코일(3)을 구비한다. 스테이터 코어(11)는, 두께 0.1∼0.7㎜(여기서는 0.35㎜)의 복수의 전자강판을 축방향으로 적층하고, 코킹에 의해 체결한 것이다.
스테이터 코어(11)는, 환형상의 요크부(13)와, 요크부(13)로부터 지름방향 내측으로 돌출하는 복수의 티스(12)를 갖고 있다. 티스(12)의 수는, 여기서는 9이지만, 9로 한정되는 것이 아니다. 이웃하는 티스(12)의 사이에는, 슬롯이 형성된다. 슬롯의 수는, 티스(12)의 수와 같다. 각 티스(12)는, 지름방향 내측의 선단에, 폭(스테이터 코어(11)의 둘레방향의 치수)가 넓은 치선부(齒先部)를 갖고 있다.
각 티스(12)에는, 절연체(인슐레이터(14))를 통하여, 스테이터 코일인 코일(3)이 감겨져 있다. 코일(3)은, 예를 들면, 선경(직경)이 0.8㎜의 마그넷 와이어를, 각 티스(12)에 집중권(集中卷き)으로 110권(卷)(110턴) 휘감은 것이다. 코일(3)의 권수(卷き數) 및 선경(線徑)은, 전동기(1)에 요구되는 특성(회전수, 토오크 등), 공급 전압, 또는 슬롯의 단면적에 따라 결정된다.
코일(3)은, U상, V상 및 W상의 3상(相) 권선(코일(3U, 3V, 3W)이라고 칭한다)으로 구성되어 있다. 각 상의 코일(3)의 양(兩)단자는 개방되어 있다. 즉, 코일(3)은, 합계 6개의 단자를 갖고 있다. 코일(3)의 결선 상태는, 후술하는 바와 같이, Y결선과 델타결선으로 전환 가능하게 구성되어 있다. 절연체(14)는, 예를 들면, PET(폴리에틸렌테레프탈레이트)에 의해 형성된 필름으로 구성되고, 두께는 0.1∼0.2㎜이다.
스테이터 코어(11)는, 복수의 블록(분할 코어라고 칭한다)이 박육부를 통하여 연결된 구성을 갖는다. 각 분할 코어는, 티스를 1개 갖는다. 분할 코어의 수는, 여기서는 9이지만, 9로 한정되는 것이 아니다. 스테이터 코어(11)를 띠형상(帶狀)으로 전개한 상태에서, 각 티스(12)에 마그넷 와이어를 휘감고, 그 후, 스테이터 코어(11)를 환형상으로 구부려서 양단부를 용접한다.
이와 같이 절연체(14)를 얇은 필름으로 구성하고, 또한 권선하기 쉽도록 스테이터 코어(11)를 분할 구조로 하는 것은, 슬롯 내의 코일(3)의 권수를 증가하는데 유효하다. 또한, 스테이터 코어(11)는, 상기한 바와 같이 복수의 분할 코어가 연결된 구성을 갖는 것으로는 한정되지 않는다.
로터(20)는, 로터 코어(21)와, 로터 코어(21)에 부착된 영구자석(25)을 갖는다. 로터 코어(21)는, 두께 0.1∼0.7㎜(여기서는 0.35㎜)의 복수의 전자강판을 회전축 방향으로 적층하고, 코킹에 의해 체결한 것이다.
로터 코어(21)는, 원통형상을 갖고 있고, 그 지름방향 중심에는 샤프트 구멍(27)(중심 구멍)이 형성되어 있다. 샤프트 구멍(27)에는, 로터(20)의 회전축이 되는 샤프트(예를 들면 도 2에 도시하는 로터리 압축기(8)의 샤프트(90))가, 수축끼워맞춤(燒嵌) 또는 압입 등에 의해 고정되어 있다.
로터 코어(21)의 외주면에 따라, 영구자석(25)이 삽입되는 복수(여기서는 6개)의 자석 삽입구멍(22)이 형성되어 있다. 자석 삽입구멍(22)은 공극(空隙)이고, 1자극에 하나의 자석 삽입구멍(22)이 대응하고 있다. 여기서는 6개의 자석 삽입구멍(22)이 마련되어 있기 때문에, 로터(20) 전체로 6극이 된다. 단, 자석 삽입구멍(22)의 수(즉 극수)는, 6으로 한정되는 것이 아니다.
자석 삽입구멍(22)은, 여기서는, 둘레방향의 중앙부가 지름방향 내측으로 돌출하는 V자 형상을 갖고 있다. 또한, 자석 삽입구멍(22)은, V자 형상으로 한정되는 것이 아니고, 예를 들면 스트레이트 형상이라도 좋다.
하나의 자석 삽입구멍(22) 내에는, 2개의 영구자석(25)이 배치된다. 즉, 1자극에 대해 2개의 영구자석(25)이 배치된다. 여기서는, 상기한 바와 같이 로터(20)가 6극이기 때문에, 합계 12개의 영구자석(25)이 배치된다.
영구자석(25)은, 로터 코어(21)의 축방향으로 길다란 평판형상(平板狀)의 부재이고, 로터 코어(21)의 둘레방향으로 폭을 가지며, 지름방향으로 두께를 갖고 있다. 영구자석(25)은, 예를 들면, 네오디뮴(Nd), 철(Fe) 및 붕소(B)를 주성분으로 하는 희토류 자석으로 구성되어 있다.
영구자석(25)은, 두께 방향으로 착자되어 있다. 또한, 하나의 자석 삽입구멍(22) 내에 배치된 2개의 영구자석(25)은, 서로 동일한 자극이 지름방향의 동일측을 향하도록 착자되어 있다.
자석 삽입구멍(22)의 둘레방향 양측에는, 플럭스 배리어(26)가 각각 형성되어 있다. 플럭스 배리어(26)는, 자석 삽입구멍(22)에 연속해서 형성된 공극이다. 플럭스 배리어(26)는, 이웃하는 자극 사이의 누설 자속(즉, 극간을 통과하여 흐르는 자속)을 억제하기 위한 것이다.
로터 코어(21)에서, 각 자석 삽입구멍(22)의 둘레방향의 중앙부에는, 돌기인 제1의 자석 유지부(23)가 형성되어 있다. 또한, 로터 코어(21)에서, 자석 삽입구멍(22)의 둘레방향의 양단부에는, 돌기인 제2의 자석 유지부(24)가 각각 형성되어 있다. 제1의 자석 유지부(23) 및 제2의 자석 유지부(24)는, 각 자석 삽입구멍(22) 내에서 영구자석(25)을 위치 결정하여 유지하는 것이다.
상기한 바와 같이, 스테이터(10)의 슬롯수(즉 티스(12)의 수)는 9이고, 로터(20)의 극수는 6이다. 즉, 전동기(1)는, 로터(20)의 극수와 스테이터(10)의 슬롯수와의 비가, 2 : 3이다.
전동기(1)에서는, 코일(3)의 결선 상태가 Y결선과 델타결선으로 전환되는데, 델타결선을 이용하는 경우에, 순환전류(循環電流)가 흘러서 전동기(1)의 성능이 저하될 가능성이 있다. 순환전류는, 각 상의 권선에서의 유기전압(誘起電壓)에 발생하는 3차 고조파에 기인한다. 극수와 슬롯수와의 비가 2 : 3인 집중권인 경우에는, 자기 포화 등의 영향이 없으면, 유기전압에 3차 고조파가 발생하지 않고, 따라서 순환전류에 의한 성능 저하가 생기지 않는 것이 알려져 있다.
<로터리 압축기의 구성>
다음에, 전동기(1)를 이용한 로터리 압축기(8)에 관해 설명한다. 도 2는, 로터리 압축기(8)의 구성을 도시하는 단면도이다. 로터리 압축기(8)는, 셸(80)과, 셸(80) 내에 배설된 압축 기구(9)와, 압축 기구(9)를 구동하는 전동기(1)를 구비하고 있다. 로터리 압축기(8)는, 또한, 전동기(1)와 압축 기구(9)를 동력 전달 가능하게 연결하는 샤프트(90)(크랭크 샤프트)를 갖고 있다. 샤프트(90)는, 전동기(1)의 로터(20)의 샤프트 구멍(27)(도 1)에 감합한다.
셸(80)은, 예를 들면 강판으로 형성된 밀폐 용기이고, 전동기(1) 및 압축 기구(9)를 덮는다. 셸(80)은, 상부 셸(80a)과 하부 셸(80b)을 갖고 있다. 상부 셸(80a)에는, 로터리 압축기(8)의 외부로부터 전동기(1)에 전력을 공급하기 위한 단자부로서의 글라스 단자(81)와, 로터리 압축기(8) 내에서 압축된 냉매를 외부에 토출하기 위한 토출관(85)이 부착되어 있다. 여기서는, 글라스 단자(81)로부터, 전동기(1)(도 1)의 코일(3)의 U상, V상 및 W상의 각각 2개씩에 대응하는, 합계 6개의 인출선이 인출되어 있다. 하부 셸(80b)에는, 전동기(1) 및 압축 기구(9)가 수용되어 있다.
압축 기구(9)는, 샤프트(90)에 따라, 원환형상의 제1 실린더(91) 및 제2 실린더(92)를 갖고 있다. 제1 실린더(91) 및 제2 실린더(92)는, 셸(80)(하부 셸(80b))의 내주부에 고정되어 있다. 제1 실린더(91)의 내주측에는, 원환형상의 제1 피스톤(93)이 배치되고, 제2 실린더(92)의 내주측에는, 원환형상의 제2 피스톤(94)이 배치되어 있다. 제1 피스톤(93) 및 제2 피스톤(94)은, 샤프트(90)와 함께 회전하는 로터리 피스톤이다.
제1 실린더(91)와 제2 실린더(92)의 사이에는, 칸막이판(97)이 마련되어 있다. 칸막이판(97)은, 중앙에 관통 구멍을 갖는 원판형상의 부재이다. 제1 실린더(91) 및 제2 실린더(92)의 실린더실에는, 실린더실을 흡입측과 압축측으로 나누는 베인(도시 생략)이 마련되어 있다. 제1 실린더(91), 제2 실린더(92) 및 칸막이판(97)은, 볼트(98)에 의해 일체로 고정되어 있다.
제1 실린더(91)의 상측에는, 제1 실린더(91)의 실린더실의 상측을 막도록, 상부 프레임(95)이 배치되어 있다. 제2 실린더(92)의 하측에는, 제2 실린더(92)의 실린더실의 하측을 막도록, 하부 프레임(96)이 배치되어 있다. 상부 프레임(95) 및 하부 프레임(96)은, 샤프트(90)를 회전 가능하게 지지하고 있다.
셸(80)의 하부 셸(80b)의 저부에는, 압축 기구(9)의 각 활주부를 윤활한 냉동기유(도시 생략)가 저류되어 있다. 냉동기유는, 샤프트(90)의 내부에 축방향으로 형성된 구멍(90a) 내를 상승하여, 샤프트(90)의 복수 개소에 형성된 급유 구멍(90b)부터 각 활주부에 공급된다.
전동기(1)의 스테이터(10)는, 수축 끼워맞춤에 의해 셸(80)의 내측에 부착되어 있다. 스테이터(10)의 코일(3)에는, 상부 셸(80a)에 부착된 글라스 단자(81)로부터, 전력이 공급된다. 로터(20)의 샤프트 구멍(27)(도 1)에는, 샤프트(90)가 고정되어 있다.
셸(80)에는, 냉매 가스를 저류하는 어큐뮬레이터(87)가 부착되어 있다. 어큐뮬레이터(87)는, 예를 들면, 하부 셸(80b)의 외측에 마련된 유지부(80c)에 의해 유지되어 있다. 셸(80)에는, 한 쌍의 흡입 파이프(88, 89)가 부착되고, 이 흡입 파이프(88, 89)를 통하여 어큐뮬레이터(87)로부터 실린더(91, 92)에 냉매 가스가 공급된다.
냉매로서는, 예를 들면, R410A, R407C 또는 R22 등을 사용하여도 좋지만, 지구 온난화 방지의 관점에서는, 저GWP(지구온난화 계수)의 냉매를 사용하는 것이 바람직하다. 저GWP의 냉매로서는, 예를 들면, 이하의 냉매를 사용할 수 있다.
(1) 우선, 조성 중에 탄소의 2중결합을 갖는 할로겐화탄화수소, 예를 들면 HFO(Hydro-Fluoro-Orefin)-1234yf(CF3CF=CH2)를 사용할 수 있다. HFO-1234yf의 GWP는 4이다.
(2) 또한, 조성 중에 탄소의 2중결합을 갖는 탄화수소, 예를 들면 R1270(프로필렌)를 사용하여도 좋다. R1270의 GWP는 3이고, HFO-1234yf보다 낮지만, 가연성은 HFO-1234yf보다 높다.
(3) 또한, 조성 중에 탄소의 2중결합을 갖는 할로겐화탄화수소 또는 조성 중에 탄소의 2중결합을 갖는 탄화수소의 적어도 어느 하나를 포함하는 혼합물, 예를 들면 HFO-1234yf와 R32와의 혼합물을 사용하여도 좋다. 상술한 HFO-1234yf는 저압 냉매이기 때문에 압손(壓損)이 커지는 경향이 있고, 냉동 사이클(특히 증발기)의 성능 저하를 초래할 가능성이 있다. 그 때문에, HFO-1234yf보다도 고압 냉매인 R32 또는 R41과의 혼합물을 사용하는 것이 실용상은 바람직하다.
로터리 압축기(8)의 기본 동작은, 이하와 같다. 어큐뮬레이터(87)로부터 공급된 냉매 가스는, 흡입 파이프(88, 89)를 통과하여 제1 실린더(91) 및 제2 실린더(92)의 각 실린더실에 공급된다. 전동기(1)가 구동되어 로터(20)가 회전하면, 로터(20)와 함께 샤프트(90)가 회전한다. 그리고, 샤프트(90)에 감합하는 제1 피스톤(93) 및 제2 피스톤(94)이 각 실린더실 내에서 편심 회전하고, 각 실린더실 내에서 냉매를 압축한다. 압축된 냉매는, 전동기(1)의 로터(20)에 마련된 구멍(도시 생략)을 통과하여 셸(80) 내를 상승하고, 토출관(85)부터 외부로 토출된다.
또한, 전동기(1)가 이용되는 압축기는, 로터리 압축기로 한정되는 것이 아니고, 예를 들면 스크롤 압축기 등이라도 좋다.
<공기 조화기의 구성>
다음에, 실시의 형태 1의 구동 장치를 포함하는 공기 조화기(5)에 관해 설명한다. 도 3은, 공기 조화기(5)의 구성을 도시하는 블록도이다. 공기 조화기(5)는, 실내(공조 대상 공간)에 설치된 실내기(5A)와, 옥외에 설치된 실외기(5B)를 구비하고 있다. 실내기(5A)와 실외기(5B)는, 냉매가 흐르는 접속 배관(40a, 40b)에 의해 접속되어 있다. 접속 배관(40a)에는, 응축기를 통과한 액냉매가 흐른다. 접속 배관(40b)에는, 증발기를 통과한 가스 냉매가 흐른다.
실외기(5B)에는, 냉매를 압축하여 토출한 압축기(41)와, 냉매의 흐름 방향을 전환한 4방밸브(냉매 유로 전환 밸브)(42)와, 외기와 냉매와의 열교환을 행하는 실외 열교환기(43)와, 고압의 냉매를 저압에 감압하는 팽창밸브(감압 장치)(44)가 배설되어 있다. 압축기(41)는, 상술한 로터리 압축기(8)(도 2)로 구성되어 있다. 실내기(5A)에는, 실내 공기와 냉매와의 열교환을 행하는 실내 열교환기(45)가 배치된다.
이들 압축기(41), 4방밸브(42), 실외 열교환기(43), 팽창밸브(44) 및 실내 열교환기(45)는, 상술한 접속 배관(40a, 40b)을 포함하는 배관(40)에 의해 접속되고, 냉매 회로를 구성하고 있다. 이들의 구성 요소에 의해, 압축기(41)에 의해 냉매를 순환시키는 압축식 냉동 사이클(압축식 히트 펌프 사이클)이 구성된다.
공기 조화기(5)의 운전을 제어하기 위해, 실내기(5A)에는 실내 제어 장치(50a)가 배치되고, 실외기(5B)에는 실외 제어 장치(50b)가 배치되어 있다. 실내 제어 장치(50a) 및 실외 제어 장치(50b)는, 각각, 공기 조화기(5)를 제어하기 위한 각종 회로가 형성된 제어 기판을 갖고 있다. 실내 제어 장치(50a)와 실외 제어 장치(50b)란, 연락 케이블(50c)에 의해 서로 접속되어 있다. 연락 케이블(50c)은, 상술한 접속 배관(40a, 40b)과 함께 묶여져 있다.
실외기(5B)에는, 실외 열교환기(43)에 대향하도록, 송풍기인 실외 송풍 팬(46)이 배치된다. 실외 송풍 팬(46)은, 회전에 의해, 실외 열교환기(43)를 통과하는 공기흐름을 생성한다. 실외 송풍 팬(46)은, 예를 들면 프로펠러 팬으로 구성된다.
4방밸브(42)는, 실외 제어 장치(50b)에 의해 제어되고, 냉매가 흐르는 방향을 전환한다. 4방밸브(42)가 도 3에 실선으로 도시하는 위치에 있을 때에는, 압축기(41)로부터 토출된 가스 냉매를 실외 열교환기(43)(응축기)에 보낸다. 한편, 4방밸브(42)가 도 3에 파선으로 도시하는 위치에 있을 때에는, 실외 열교환기(43)(증발기)로부터 유입한 가스 냉매를 압축기(41)에 보낸다. 팽창밸브(44)는, 실외 제어 장치(50b)에 의해 제어되고, 개방도를 변경함에 의해 고압의 냉매를 저압으로 감압한다.
실내기(5A)에는, 실내 열교환기(45)에 대향하도록, 송풍기인 실내 송풍 팬(47)이 배치된다. 실내 송풍 팬(47)은, 회전에 의해, 실내 열교환기(45)를 통과하는 공기흐름을 생성한다. 실내 송풍 팬(47)은, 예를 들면 크로스 플로우 팬으로 구성된다.
실내기(5A)에는, 실내(공조 대상 공간)의 공기 온도인 실내 온도(Ta)를 측정하고, 측정한 온도 정보(정보 신호)를 실내 제어 장치(50a)에 보내는 온도 센서로서의 실내 온도 센서(54)가 마련되어 있다. 실내 온도 센서(54)는, 일반적인 공기 조화기로 이용되는 온도 센서로 구성하여도 좋고, 실내의 벽 또는 바닥 등의 표면 온도를 검출하는 복사 온도 센서를 이용하여도 좋다.
실내기(5A)에는, 또한, 유저가 조작하는 조작부로서의 리모콘(55)(원격 조작 장치)으로부터 발신된 지시 신호(운전 지시 신호)를 수신하는 신호 수신부(56)가 마련되어 있다. 리모콘(55)은, 유저가 공기 조화기(5)에 운전 입력(운전 시작 및 정지) 또는 운전 내용(설정 온도, 풍속 등)의 지시를 행하는 것이다.
압축기(41)는, 통상운전시(通常運轉時)에는, 20∼130rps의 범위에서 운전 회전수를 변경할 수 있도록 구성되어 있다. 압축기(41)의 회전수의 상승에 수반하여, 냉매 회로의 냉매 순환량이 증가한다. 압축기(41)의 회전수는, 실내 온도 센서(54)에 의해 얻어지는 현재의 실내 온도(Ta)와, 유저가 리모콘(55)에서 설정한 설정 온도(Ts)와의 온도차(ΔT)에 응하여, 제어 장치(50)(보다 구체적으로는, 실외 제어 장치(50b))가 제어한다. 온도차(ΔT)가 클수록 압축기(41)가 고회전으로 회전하고, 냉매의 순환량을 증가시킨다.
실내 송풍 팬(47)의 회전은, 실내 제어 장치(50a)에 의해 제어된다. 실내 송풍 팬(47)의 회전수는, 복수단계로 전환 가능하다. 여기서는, 예를 들면, 강풍, 중풍 및 약풍의 3단계로 회전수를 전환할 수 있다. 또한, 리모콘(55)에서 풍속 설정이 자동 모드로 설정되어 있는 경우에는, 측정한 실내 온도(Ta)와 설정 온도(Ts)와의 온도차(ΔT)에 응하여, 실내 송풍 팬(47)의 회전수가 전환된다.
실외 송풍 팬(46)의 회전은, 실외 제어 장치(50b)에 의해 제어된다. 실외 송풍 팬(46)의 회전수는, 복수단계로 전환 가능하다. 여기서는, 측정된 실내 온도(Ta)와 설정 온도(Ts)와의 온도차(ΔT)에 응하여, 실외 송풍 팬(46)의 회전수가 전환된다.
실내기(5A)는, 또한, 좌우 풍향판(48)과 상하 풍향판(49)을 구비하고 있다. 좌우 풍향판(48) 및 상하 풍향판(49)은, 실내 열교환기(45)에서 열교환한 조화 공기가 실내 송풍 팬(47)에 의해 실내에 취출(吹出)될 때의 송풍 방향을 변경하는 것이다. 좌우 풍향판(48)은 취출 방향을 좌우로 변경하고, 상하 풍향판(49)은 취출 방향을 상하로 변경한다. 좌우 풍향판(48) 및 상하 풍향판(49)의 각각의 각도, 즉 취출하는 기류의 풍향은, 실내 제어 장치(50a)가, 리모콘(55)의 설정에 의거하여 제어한다.
공기 조화기(5)의 기본 동작은, 다음과 같다. 냉방 운전시에는, 4방밸브(42)가 실선으로 도시하는 위치로 전환되어, 압축기(41)로부터 토출된 고온 고압의 가스 냉매는 실외 열교환기(43)에 유입한다. 이 경우, 실외 열교환기(43)는 응축기로서 동작한다. 실외 송풍 팬(46)의 회전에 의해 공기가 실외 열교환기(43)를 통과할 때에, 열교환에 의해 냉매의 응축열을 빼앗는다. 냉매는 응축되어 고압 저온의 액냉매가 되고, 팽창밸브(44)에서 단열 팽창하여 저압 저온의 2상(相) 냉매가 된다.
팽창밸브(44)를 통과한 냉매는, 실내기(5A)의 실내 열교환기(45)에 유입한다. 실내 열교환기(45)는 증발기로서 동작한다. 실내 송풍 팬(47)의 회전에 의해 공기가 실내 열교환기(45)를 통과할 때에, 열교환에 의해 냉매에 증발열을 빼앗기고, 이에 의해 냉각된 공기가 실내에 공급된다. 냉매는 증발하여 저온 저압의 가스 냉매가 되고, 압축기(41)에서 재차 고온 고압의 냉매로 압축된다.
난방 운전시에는, 4방밸브(42)가 점선으로 도시하는 위치로 전환되어, 압축기(41)로부터 토출된 고온 고압의 가스 냉매는 실내 열교환기(45)에 유입한다. 이 경우, 실내 열교환기(45)는 응축기로서 동작한다. 실내 송풍 팬(47)의 회전에 의해 공기가 실내 열교환기(45)를 통과할 때에, 열교환에 의해 냉매로부터 응축열을 빼앗고, 이에 의해 가열된 공기가 실내에 공급된다. 또한, 냉매는 응축되어 고압 저온의 액냉매가 되고, 팽창밸브(44)에서 단열 팽창하여 저압 저온의 2상 냉매가 된다.
팽창밸브(44)를 통과한 냉매는, 실외기(5B)의 실외 열교환기(43)에 유입한다. 실외 열교환기(43)는 증발기로서 동작한다. 실외 송풍 팬(46)의 회전에 의해 공기가 실외 열교환기(43)를 통과할 때에, 열교환에 의해 냉매에 증발열을 빼앗긴다. 냉매는 증발하여 저온 저압의 가스 냉매가 되고, 압축기(41)에서 재차 고온 고압의 냉매로 압축된다.
도 4는, 공기 조화기(5)의 제어계의 기본 구성을 도시하는 개념도이다. 상술한 실내 제어 장치(50a)와 실외 제어 장치(50b)는, 연락 케이블(50c)을 통하여 서로 정보를 교환하여 공기 조화기(5)를 제어하여 있다. 여기서는, 실내 제어 장치(50a)와 실외 제어 장치(50b)를 합쳐서, 제어 장치(50)로 칭한다.
도 5(A)는, 공기 조화기(5)의 제어계를 도시하는 블록도이다. 제어 장치(50)는, 예를 들면 마이크로 컴퓨터로 구성되어 있다. 제어 장치(50)에는, 입력 회로(51), 연산 회로(52) 및 출력 회로(53)가 조립되어 있다.
입력 회로(51)에는, 신호 수신부(56)가 리모콘(55)부터 수신한 지시 신호가 입력된다. 지시 신호는, 예를 들면, 운전 입력, 운전 모드, 설정 온도, 풍량 또는 풍향을 설정하는 신호를 포함한다. 입력 회로(51)에는, 또한, 실내 온도 센서(54)가 검출한 실내의 온도를 나타내는 온도 정보가 입력된다. 입력 회로(51)는, 입력된 이들의 정보를, 연산 회로(52)에 출력한다.
연산 회로(52)는, CPU(Central Processing Unit)(57)와 메모리(58)를 갖는다. CPU(57)는, 연산 처리 및 판단 처리를 행한다. 메모리(58)는, 공기 조화기(5)의 제어에 이용하는 각종의 설정치 및 프로그램을 기억하고 있다. 연산 회로(52)는, 입력 회로(51)로부터 입력된 정보에 의거하여 연산 및 판단을 행하고, 그 결과를 출력 회로(53)에 출력한다.
출력 회로(53)는, 연산 회로(52)로부터 입력된 정보에 의거하여, 압축기(41), 결선 전환부(60)(후술), 컨버터(102), 인버터(103), 압축기(41), 4방밸브(42), 팽창밸브(44), 실외 송풍 팬(46), 실내 송풍 팬(47), 좌우 풍향판(48) 및 상하 풍향판(49)을 제어하는 제어부분을 포함한다. 출력 회로(53)는, 예를 들면, 인버터(103)를 제어한 후술하는 인버터 구동 회로(111)(도 6)를 포함한다.
상술한 바와 같이, 실내 제어 장치(50a) 및 실외 제어 장치(50b)(도 4)는, 연락 케이블(50c)을 통하여 서로 정보를 교환하고, 실내기(5A) 및 실외기(5B)의 각종 기기를 제어하여 있기 때문에, 여기서는 실내 제어 장치(50a)와 실외 제어 장치(50b)를 합쳐서 제어 장치(50)로 표현하고 있다. 실제로는, 실내 제어 장치(50a) 및 실외 제어 장치(50b)의 각각이, 마이크로 컴퓨터로 구성되어 있다. 또한, 실내기(5A) 및 실외기(5B)의 어느 일방에만 제어 장치를 탑재하고, 실내기(5A) 및 실외기(5B)의 각종 기기를 제어하도록 하여도 좋다.
도 5(B)는, 제어 장치(50)에서, 실내 온도(Ta)에 의거하여 압축기(41)의 전동기(1)를 제어하는 부분을 도시하는 블록도이다. 제어 장치(50)의 연산 회로(52)는, 수신 내용 해석부(52a)와, 실내 온도 취득부(52b)와, 온도차 산출부(52c)와, 압축기 제어부(52d)를 구비한다. 이들은, 예를 들면, 연산 회로(52)의 CPU(57)에 포함된다.
수신 내용 해석부(52a)는, 리모콘(55)부터 신호 수신부(56) 및 입력 회로(51)를 경유하여 입력된 지시 신호를 해석한다. 수신 내용 해석부(52a)는, 해석 결과에 의거하여, 예를 들면 운전 모드 및 설정 온도(Ts)를, 온도차 산출부(52c)에 출력한다. 실내 온도 취득부(52b)는, 실내 온도 센서(54)로부터 입력 회로(51)를 경유하여 입력된 실내 온도(Ta)를 취득하고, 온도차 산출부(52c)에 출력한다.
온도차 산출부(52c)는, 실내 온도 취득부(52b)로부터 입력된 실내 온도(Ta)와, 수신 내용 해석부(52a)로부터 입력된 설정 온도(Ts)와의 온도차(ΔT)를 산출한다. 수신 내용 해석부(52a)로부터 입력된 운전 모드가 난방 운전인 경우는, 온도차(ΔT)=Ts-Ta로 산출된다. 운전 모드가 냉방 운전인 경우는, 온도차(ΔT)=Ta-Ts로 산출된다. 온도차 산출부(52c)는, 산출한 온도차(ΔT)를, 압축기 제어부(52d)에 출력한다.
압축기 제어부(52d)는, 온도차 산출부(52c)로부터 입력된 온도차(ΔT)에 의거하여, 구동 장치(100)를 제어하여, 이에 의해 전동기(1)의 회전수(즉 압축기(41)의 회전수)를 제어한다.
<구동 장치의 구성>
다음에, 전동기(1)를 구동하는 구동 장치(100)에 관해 설명한다. 도 6은, 구동 장치(100) 및 전동기(1)의 구성을 도시하는 블록도이다. 구동 장치(100)는, 전원(101)의 출력을 정류하는 컨버터(102)와, 전동기(1)의 코일(3)에 교류 전압을 출력하는 인버터(103)와, 코일(3)의 결선 상태를 전환하는 결선 전환부(60)와, 제어 장치(50)를 갖는다. 전원(101)은, 예를 들면 200V(실효 전압)의 교류 전원이다.
제어 장치(50)는, 인버터(103)의 입력측 또는 출력측의 전류를 검출하는 전류 검출 회로(108)와, 인버터(103)를 구동하는 인버터 구동 회로(111)와, 인버터 제어부로서의 CPU(110)를 구비한다.
컨버터(102)는, 전원(101)부터 리액터(109)를 통하여 교류 전압을 받고, 정류 및 평활화를 행하여, 직류 전압을 모선(L1, L2)로부터 출력하는 정류 회로이다. 컨버터(102)는, 교류 전압을 정류하는 브리지 다이오드(102a, 102b, 102c, 102d)와, 출력 전압을 평활화하는 평활 콘덴서102e)를 갖는다. 컨버터(102)로부터 출력된 전압을, 모선 전압이라고 칭한다. 컨버터(102)의 출력 전압은, 제어 장치(50)에 의해 제어된다.
인버터(103)는, 입력단자가 컨버터(102)의 모선(L1, L2)에 접속되어 있다. 또한, 인버터(103)의 출력 단자는, 각각, U상, V상, W상의 배선(출력선)(104, 105, 106)을 통하여, 전동기(1)의 3상의 코일(3U, 3V, 3W)에 접속되어 있다.
인버터(103)는, 제1의 U상 스위칭 소자(1Ua), 제2의 U상 스위칭 소자(1Ub), 제1의 V상 스위칭 소자(1Va), 제2의 V상 스위칭 소자(1Vb), 제1의 W상 스위칭 소자(1Wa) 및 제2의 W상 스위칭 소자(1Wb)를 갖는다.
제1의 U상 스위칭 소자(1Ua)는, U상(相) 상(上)암에 상당하고, 제2의 U상 스위칭 소자(1Ub)는, U상 하(下)암에 상당한다. 제1의 U상 스위칭 소자(1Ua) 및 제2의 U상 스위칭 소자(1Ub)는, U상의 배선(104)에 접속되어 있다. 또한, 제1의 U상 스위칭 소자(1Ua)에는, 제1의 U상 다이오드(2Ua)가 병렬로 접속되고, 제2의 U상 스위칭 소자(1Ub)에는, 제2의 U상 다이오드(2Ub)가 병렬로 접속되어 있다.
제1의 V상 스위칭 소자(1Va)는, V상 상암에 상당하고, 제2의 V상 스위칭 소자(1Vb)는, V상 하암에 상당한다. 제1의 V상 스위칭 소자(1Va) 및 제2의 V상 스위칭 소자(1Vb)는, V상의 배선(105)에 접속되어 있다. 또한, 제1의 V상 스위칭 소자(1Va)에는, 제1의 V상 다이오드(2Va)가 병렬로 접속되고, 제2의 V상 스위칭 소자(1Vb)에는, 제2의 V상 다이오드(2Vb)가 병렬로 접속되어 있다.
제1의 W상 스위칭 소자(1Wa)는, W상 상암에 상당하고, 제2의 W상 스위칭 소자(1Wb)는, W상 하암에 상당한다. 제1의 W상 스위칭 소자(1Wa) 및 제2의 W상 스위칭 소자(1Wb)는, W상의 배선(106)에 접속되어 있다. 또한, 제1의 W상 스위칭 소자(1Wa)에는, 제1의 W상 다이오드(2Wa)가 병렬로 접속되고, 제2의 W상 스위칭 소자(1Wb)에는, 제2의 W상 다이오드(2Wb)가 병렬로 접속되어 있다.
각 스위칭 소자(1Ua∼1Wb)는, 예를 들면, IGBT(절연 게이트형 트랜지스터) 등의 트랜지스터에 의해 구성할 수 있다. 또한, 각 스위칭 소자(1Ua∼1Wb)의 온 오프는, 인버터 구동 회로(111)에서의 구동 신호에 의해 제어된다.
인버터 구동 회로(111)는, CPU(110)로부터 입력된 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 의거하여, 인버터(103)의 각 스위칭 소자(1Ua∼1Wb)를 온 오프 시키기 위한 구동 신호를 생성하고, 인버터(103)에 출력한다. 이 인버터 구동 회로(111)는, 상술한 출력 회로(53)(도 5(A))의 일부이다.
인버터(103)의 입력측(예를 들면 컨버터(102)에서의 모선(L2))에는, 저항(107)이 접속되어 있고, 이 저항(107)에는 전류 검출 회로(108)가 접속되어 있다. 전류 검출 회로(108)는, 인버터(103)의 입력측의 전류(즉 컨버터(102)의 모선 전류)의 전류치를 검출하는 전류 검출부이고, 여기서는 션트 저항을 이용하고 있다. 또한, 전류 검출 회로(108)는, 이와 같은 예로 한하지 않고, 인버터(103)의 출력측의 전류(상(相) 전류)의 전류치를 검출하도록 하여도 좋다. 또한, 션트 저항으로 한하지 않고, 홀 소자, 트랜스(전자 유도를 이용하는 것)를 이용하여도 좋다.
인버터 제어부로서의 CPU(110)는, 인버터(103) 및 결선 전환부(60)를 제어하는 것이다. CPU(110)에는, 신호 수신부(56)가 수신한 리모콘(55)부터의 운전 지시 신호와, 실내 온도 센서(54)가 검출한 실내 온도와, 전류 검출 회로(108)에서의 전류치가 입력된다.
CPU(110)는, 이들의 입력 정보에 의거하여, 컨버터(102)에 전압 전환 신호를 출력하고, 인버터(103)에 인버터 구동 신호(PWM 신호)를 출력하고, 결선 전환부(60)에 결선 전환 신호를 출력하고, 컨버터(102)에 전압 전환 신호를 출력한다. 또한, CPU(110)는, 도 5(A)에 도시한 CPU(57)에 대응하고 있다.
다음에, 코일(3) 및 그 결선 전환에 관해 설명한다. 도 7은, 구동 장치(100)의 구성을 도시하는 도면이고, 컨버터(102), 인버터(103) 및 제어 장치(50)를 각각 1블록으로서 나타내고 있다. 결선 전환부(60)는, 코일(3)의 결선 상태를, Y결선과 델타결선으로 전환한다.
전동기(1)의 3상의 코일(3U, 3V, 3W) 중, 코일(3U)은, 단자(31U, 32U)를 갖는다. 코일(3V)은, 단자(31V, 32V)를 갖는다. 코일(3W)은, 단자(31W, 32W)를 갖는다. 배선(104)은, 코일(3U)의 단자(31U)에 접속되어 있다. 배선(105)은, 코일(3V)의 단자(31V)에 접속되어 있다. 배선(106)은, 코일(3W)의 단자(31W)에 접속되어 있다.
결선 전환부(60)는, 모두 릴레이 접점으로 구성된 스위치(61, 62, 63)를 갖는다. 스위치(61)는, 코일(3U)의 단자(32U)를, 배선(105) 및 중성점(공통 접점33))의 어느 하나에 접속한다. 스위치(62)는, 코일(3V)의 단자(32V)를, 배선(106) 및 중성점(33)의 어느 하나에 접속한다. 스위치(63)는, 코일(3V)의 단자(32W)를, 배선(104) 및 중성점(33)의 어느 하나에 접속한다. 또한, 결선 전환부(60)의 스위치(61, 62, 63)는, 반도체 스위치로 구성하여도 좋은데, 이에 관해서는 변형례(도 19)에서 설명한다.
도 7에 도시한 상태에서는, 스위치(61)는, 코일(3U)의 단자(32U)를 중성점(33)에 접속하고 있고, 스위치(62)는, 코일(3V)의 단자(32V)를 중성점(33)에 접속하고 있고, 스위치(63)는, 코일(3W)의 단자(32W)를 중성점(33)에 접속하고 있다. 즉, 코일(3U, 3V, 3W)의 단자(31U, 31V, 31W)는 인버터(103)에 접속되고, 단자(32U, 32V, 32W)는 중성점(33)에 접속되어 있다.
도 8은, 구동 장치(100)에서, 결선 전환부(60)의 스위치(61, 62, 63)가 전환된 상태를 도시하는 블록도이다. 도 8에 도시한 상태에서는, 스위치(61)는, 코일(3U)의 단자(32U)를 배선(105)에 접속하고 있고, 스위치(62)는, 코일(3V)의 단자(32V)를 배선(106)에 접속하고 있고, 스위치(63)는, 코일(3W)의 단자(32W)를 배선(104)에 접속하고 있다.
도 9(A)는, 스위치(61, 62, 63)가 도 7에 도시한 상태에 있을 때의 코일(3U, 3V, 3W)의 결선 상태를 도시하는 모식도이다. 코일(3U, 3V, 3W)은, 각각 단자(32U, 32V, 32W)에서 중성점(33)에 접속되어 있다. 그 때문에, 코일(3U, 3V, 3W)의 결선 상태는, Y결선(스타결선)이 된다.
도 9(B)는, 스위치(61, 62, 63)가 도 8에 도시한 상태에 있을 때의 코일(3U, 3V, 3W)의 결선 상태를 도시하는 모식도이다. 코일(3U)의 단자(32U)는, 배선(105)(도 8)을 통하여 코일(3V)의 단자(31V)에 접속된다. 코일(3V)의 단자(32V)는, 배선(106)(도 8)을 통하여 코일(3W)의 단자(31W)에 접속된다. 코일(3W)의 단자(32W)는, 배선(104)(도 8)을 통하여 코일(3U)의 단자(31U)에 접속된다. 그 때문에, 코일(3U, 3V, 3W)의 결선 상태는, 델타결선(삼각결선)이 된다.
이와 같이, 결선 전환부(60)는, 스위치(61, 62, 63)의 전환에 의해, 전동기(1)의 코일(3U, 3V, 3W)의 결선 상태를, Y결선(제1의 결선 상태) 및 델타결선(제2의 결선 상태)의 사이에서 전환할 수 있다.
도 10은, 코일(3U, 3V, 3W)의 각각의 코일 부분을 도시하는 모식도이다. 상술한 바와 같이, 전동기(1)는, 9개의 티스(12)(도 1)를 갖고 있고, 코일(3U, 3V, 3W)은 각각 개의 티스(12)에 감겨져 있다. 즉, 코일(3U)은, 3개의 티스(12)에 감겨진 U상의 코일 부분(Ua, Ub, Uc)을 직렬로 접속한 것이다. 마찬가지로, 코일(3V)은, 3개의 티스(12)에 감겨진 V상의 코일 부분(Va, Vb, Vc)을 직렬로 접속한 것이다. 또한, 코일(3W)은, 3개의 티스(12)에 감겨진 W상의 코일 부분(Wa, Wb, Wc)을 직렬로 접속한 것이다.
실시의 형태 1의 전동기(1)에서는, 극수와 슬롯수와의 비가 2 : 3이고, 코일(3)은 집중권으로 감겨져 있다. 이 구성에서는, 각 티스(12)에는, 같은 권수 또한 같은 감는 방향으로 코일(3)이 감겨지고, 둘레방향으로 코일 부분(Ua, Va, Wa, Ub, Vb, Wb, Uc, Vc, Wc)의 순서로 나열한다(도 1 참조).
<과전류 보호를 위한 구성>
다음에, 실시의 형태 1의 구동 장치(100)에서의 과전류 보호를 위한 구성에 관해 설명한다. 과전류 보호란, 영구자석(25)의 감자의 저감을 목적으로 하여, 인버터(103)의 전류치가 과전류 임계치(과전류 보호 레벨이라고도 칭한다)를 초과하지 않도록 제어하는 것을 말한다.
도 11은, Y결선과 델타결선의 각각에 관해, 선간(線間) 전압과 회전수와의 관계를 도시하는 그래프이다. 코일(3)의 결선 상태가 델타결선인 경우의 코일(3)의 상 임피던스는, 권수를 동수라고 하면, 코일(3)의 결선 상태가 Y결선인 경우의 1/√3배가 된다. 그 때문에, 코일(3)의 결선 상태가 델타결선인 경우의 선간 전압(1점쇄선)은, 회전수를 같다고 하면, 코일(3)의 결선 상태가 Y결선인 경우의 선간 전압(실선)의 1/√3배가 된다.
즉, 코일(3)을 델타결선에 의해 결선한 경우, 권수를 Y결선인 경우의 √3배로 하면, 같은 회전수(N)에 대해, 선간 전압이 Y결선인 경우와 등가(等價)가 되고, 따라서 인버터(103)의 출력 전류도 Y결선인 경우와 등가가 된다.
3상 교류 동기 상태에서는, 델타결선시의 인버터 출력 전류는, Y결선시의 인버터 출력 전류를 √3배가 되고, 위상을 π/6 늦춤으로써 등가(즉, 전동기(1)의 자속 분포가 같게 되고, 발생 토오크도 같게 되는 상태)가 된다.
예를 들면, 도 9(A)에 도시한 Y결선에서, U상, V상, W상의 인버터 출력 전류를 Iu, Iv, Iw로 하고, U상의 코일(3U)에 흐르는 전류의 전류치를 Io로 한다. 이 경우, 각상의 인버터 출력 전류(Iu, Iv, Iw)는, ω를 각진동수(角振動數), t를 시간으로 하여 이하와 같이 표시된다.
Iu=Io×sin(ωt)
Iv=Io×sin(ωt-2π/3)
Iw=Io×sin(ωt-4π/3).
한편, 도 9(B)에 도시한 델타결선에서, U상, V상, W상의 인버터 출력 전류를 Iu', Iv', Iw'로 한다. 이 경우, 각 상의 Iu', Iv', Iw'는, 상기한 Io를 이용하여, 이하와 같이 표시된다.
Iu'=√3×Io×sin(ωt)
Iv'=√3×Io×sin(ωt-2π/3)
Iw'=√3×Io×sin(ωt-4π/3).
즉, 델타결선시의 인버터 출력 전류는, Y결선시의 인버터 출력 전류의 √3배가 되기 때문에, 델타결선시의 과전류 임계치(과전류 보호 레벨)를, Y결선시의 과전류 임계치의 √3배로 설정하면 좋다.
그렇지만, 전동기(1)의 운전중에는, U상, V상, W상의 인버터 출력 전류 중, 어느 1상(相)의 전류가 흐르지 않는 특수한 운전 상태가 생길 수 있다. 예를 들면, 어느 한 1상의 인버터 출력 전류가 0이 된 시점에서 정전(停電)이 있던 경우 등이다. 이와 같은 특수한 운전 상태에서는, 통상의 운전 상태와는 코일에의 전류가 흐르는 방식이 다르기 때문에, 감자의 발생 상황도 다르다.
도 12(A)는, 코일(3)의 결선 상태가 Y결선이고, 인버터 출력 전류의 1상이 결상(缺相)인 상태를 도시하는 모식도이다. 여기서는, W상의 인버터 출력 전류(Iw)가 흐르지 않는 것으로 한다. 전동기(1)의 극수는 6, 슬롯수는 9로 하고, 코일(3)의 감는 방식은 집중권이라고 한다.
도 12(A)에서, U상의 코일(3U)에 흐르는 전류의 전류치를 Io라고 하면, V상의 코일(3V)에 흐르는 전류의 전류치도, Io가 된다. 코일(3U)에 흐르는 전류 방향(보다 구체적으로는, 권선 방향에 대한 전류 방향)과, 코일(3V)에 흐르는 전류 방향은, 서로 역방향이다. 이때, 코일(3U, 3V)에 서로 역방향의 기자력(起磁力)이 발생하기 때문에, 인접하는 티스 사이를 단락하도록 자속의 흐름이 생긴다.
도 12(B)는, 도 12(A)에 도시한 바와 같이 W상의 인버터 출력 전류가 흐르지 않는 상태에서, 영구자석(25)의 감자가 가장 발생하기 쉬운 스테이터(10)와 로터(20)와의 위치 관계를 도시하는 모식도이다. 도 12(B)에 도시하는 바와 같이, 로터(20)의 극간(極間)(부호 201로 나타낸다)이, 코일(3U)이 감겨진 티스(12)와 코일(3V)이 감겨진 티스(12)의 사이에 대향하고 있는 경우, 영구자석(25)의 감자가 가장 발생하기 쉽다.
즉, 코일(3U)의 전류에 의해, 코일(3U)이 감겨진 티스(12) 내에 지름방향 내측을 향하는 기자력(M1)이 생기고, 코일(3V)의 전류에 의해, 코일(3V)이 감겨진 티스(12) 내에 지름방향 외측을 향하는 기자력(M2)이 생긴다. 그 때문에, 코일(3U)이 감겨진 티스(12)의 선단에서, 코일(3V)이 감겨진 티스(12)의 선단을 향하여, 영구자석(25)을 가로지르는 자속의 흐름(F1)이 생긴다.
이때, 코일(3U)이 감겨진 티스(12)에 대향하는 영구자석(25)의 착자 방향(화살표(N1))가 지름방향 외측을 향하는 방향이고, 코일(3V)이 감겨진 티스(12)에 대향하는 영구자석(25)의 착자 방향(화살표(N2))이 지름방향 내측을 향하는 방향인 경우에는, 각 영구자석(25)에 착자 방향과 역방향으로 자속이 흐른다. 그 결과, 영구자석(25)의 감자가 생길 가능성이 있다.
그 때문에, Y결선인 경우에는, 스테이터(10)와 로터(20)가 도 12(B)에 도시한 위치 관계에 있을 때에, 영구자석(25)의 감자가 생기지 않도록 과전류 임계치를 결정할 필요가 있다.
도 13(A)는, 코일(3)의 결선 상태가 델타결선이고, 인버터 출력 전류의 1상이 결상인 상태를 도시하는 모식도이다. 여기서는, W상의 인버터 출력 전류(Iw)가 흐르지 않는 것으로 한다.
도 13(A)에서, U상의 코일(3U)에 흐르고 있는 전류의 전류치는, (2×√3/3)×Io(=1.15×Io)가 된다. V상의 코일(3V)에 흐르는 전류의 전류치 및 W상의 코일(3W)에 흐르는 전류의 전류치는, 모두(√3/3)×Io(=0.58×Io)가 된다. 이 경우, U상의 코일(3U)부터, 인접하는 V상 및 W상의 코일(3V, 3W)을 향하도록 분기된 자속의 흐름이 생긴다.
도 13(B)는, 도 13(A)에 도시한 바와 같이 W상의 인버터 출력 전류가 흐르지 않는 상태에서, 영구자석(25)의 감자가 가장 발생하기 쉬운 스테이터(10)와 로터(20)와의 위치 관계를 도시하는 모식도이다. 도 13(B)에 도시하는 바와 같이, 로터(20)의 자극(부호 200으로 나타낸다)이, 코일(3U)이 감겨진 티스(12)에 대향하고 있는 경우, 영구자석(25)의 감자가 가장 발생하기 쉽다.
즉, 코일(3U)의 전류에 의해, 코일(3U)이 감겨진 티스(12) 내에 지름방향 내측을 향하는 기자력(M3)이 생긴다. 또한, 코일(3V, 3W)의 전류에 의해, 코일(3V, 3W)이 각각 감겨진 티스(12) 내에 지름방향 외측을 향하는 기자력(M4)이 생긴다. 그 때문에, 코일(3U)이 감겨진 티스(12)의 선단부터, 코일(3V, 3W)이 각각 감겨진 티스(12)의 각 선단을 향하여, 영구자석(25)을 가로지르는 자속의 흐름(F2)이 생긴다.
이때, 코일(3U)이 감겨진 티스(12)에 대향하는 영구자석(25)의 착자 방향(화살표(N1))이 지름방향 외측을 향하는 방향인 경우에는, 이 영구자석(25)에 착자 방향과 역방향으로 자속이 흐른다. 그 결과, 영구자석(25)의 감자가 생길 가능성이 있다.
그 때문에, 델타결선인 경우에는, 스테이터(10)와 로터(20)가 도 13(B)에 도시한 위치 관계에 있을 때에, 영구자석(25)의 감자가 생기지 않도록 과전류 임계치를 결정할 필요가 있다.
상기한 바와 같이, 코일(3)의 결선 상태가 델타결선인 경우, 코일(3U)에 1.15×Io의 전류가 흐르기 때문에, 코일(3U)의 전류에 의해 생기는 기자력(M3)은, Y결선인 경우의 기자력(M1)(도 12(B))의 1.15 배, 즉 15% 증가가 된다.
단, 로터(20)와 스테이터(10)가 도 13(B)에 도시하는 위치 관계(즉 가장 감자가 생기기 쉬운 위치 관계)에 있을 때에는, 코일(3U)이 감겨진 티스(12)에 대향하는 영구자석(25)의 지름방향 외측에, 로터 코어(21)의 일부(로터 코어 외주부(28)라고 칭한다)가 존재한다.
그 때문에, 코일(3U)이 감겨진 티스(12)의 선단부터, 코일(3V)이 감겨진 티스(12)의 선단을 향하는 자속의 일부는, 영구자석(25)을 통과하는 것이 아니라, 화살표(F3)로 도시하는 바와 같이 로터 코어 외주부(28)를 통과한다. 마찬가지로, 코일(3U)이 감겨진 티스(12)의 선단부터, 코일(3W)이 감겨진 티스(12)의 선단을 향하는 자속의 일부도, 영구자석(25)을 통과하는 것이 아니라, 화살표(F3)로 도시하는 바와 같이 로터 코어 외주부(28)를 통과한다.
즉, 코일(3U)의 전류에 의한 기자력(M3)에 의해 생기는 자속 중, 0∼10%에 상당하는 부분은, 영구자석(25)을 통과하지 않는 누설 자속이 된다. 그 때문에, 델타결선인 경우에는, Y결선인 경우와 비교하여, 기자력의 증가분인 15%에서, 누설 자속인 0∼10%를 공제한, 5∼15%만큼 감자가 생기기 쉬워진다고 할 수 있다.
환언하면, Y결선과 델타결선에서 영구자석(25)의 감자를 억제하기 위해서는, 델타결선인 경우의 과전류 임계치는, Y결선인 경우의 과전류 임계치의 √3배보다도 5∼15% 낮은 값으로 설정할 필요가 있다.
예를 들면, 영구자석 매입형의 전동기에서는, 영구자석의 감자율의 합부(合否) 기준은 -3%이다. 그 때문에, 감자율이 -3%를 하회하지 않도록, 과전류 임계치(과전류 보호 레벨)를 설정한다. Y결선인 경우의 과전류 임계치를 A라고 하면, 델타결선인 경우의 과전류 임계치(B)를 (√3×A)와 같이 설정한 것에서는, 인버터 출력 전류가 결상하여 있는 경우에 감자가 생길 가능성이 있다.
그래서, 이 실시의 형태 1에서는, 델타결선인 경우의 과전류 임계치(B)를 (√3×A) 미만(未滿)로 설정하고 있다(즉 B<√3×A). 또한, 과전류 임계치(A)는, 제1의 임계치(A)(또는 제1의 과전류 임계치(A))라고도 칭한다. 또한, 과전류 임계치(B)는, 제2의 임계치(B)(또는 제2의 과전류 임계치(B))라고도 칭한다.
영구자석(25)의 감자의 억제라는 관점에서는, 과전류 임계치(B)는 (√3×A)보다도 가능한 한 작은 것이 바람직하지만, 과전류 임계치(B)가 너무 작으면, 전동기(1)의 최대 구동 출력이 제한된다. 그 때문에, 과전류 임계치(B)는, 영구자석(25)의 감자를 억제하면서, 가능한 한 큰 값으로 설정하는 것이 바람직하다.
U상의 코일(3U)의 전류에 의해 생기는 기자력은, 상기한 바와 같이, 델타결선에서는 Y결선보다도 최대로 15% 커진다. 그 때문에, 델타결선인 경우의 과전류 임계치(B)를, (√3×A×0.85)보다도 크게, (√3×A) 미만으로 설정하는 것이 바람직하다. 환언하면, (√3×A×0.85)<B<(√3×A)를 만족하는 것이 바람직하다.
또한, 델타결선에서, 스테이터(10)와 로터(20)가 가장 감자가 생기기 쉬운 위치 관계에 있을 때(도 13(B)), 코일(3)을 흐르는 전류에 의한 기자력(M3)에 의해 생기는 자속 중의 0∼10%는, 로터 코어 외주부(28)를 통과하는 누설 자속이 된다. 그 때문에, 델타결선에서의 과전류 임계치(B)는, Y결선에서의 과전류 임계치(A)에 대해, 기자력의 증가분인 15%에서, 누설 자속에 상당하는 0∼10%를 공제한, 5∼15% 높은 것이 바람직하다. 환언하면, (√3×A×0.85)<B<(√3×A×0.95)를 만족하는 것이 바람직하다.
도 14는, 실시의 형태 1의 전동기(1)의 감자 특성을 도시하는 그래프이다. 감자 특성이란, 전류치에 대한 감자율의 변화를 말한다. 횡축은, 인버터(103)의 출력 전류(A)이고, 종축은, 감자율(%)이다. 감자율(%)은, {(전류 인가 후의 유기전압/전류 인가 전의 유기전압-1)}×100으로 구하여진다. 또한, 유기전압은, 코일(3)에 쇄교하는 자속량에 대응한다. 여기서는, 인버터(103)의 출력 전류를 0A∼30A로 변화시켜서, 영구자석(25)의 감자율을 측정하였다.
도 14에서, 실선은, Y결선에서의 감자 특성을 도시하고, 파선은, 델타결선에서의 감자 특성을 도시한다. 점선은, Y결선에서의 감자 특성에서 전류치를 √3배가 된 점을 연결한 것이다.
과전류 임계치(A)는, Y결선에서 감자율이 -3%가 될 때의 전류치이다. 과전류 임계치(B)는, 델타결선에서 감자율이 -3%가 될 때의 전류치이다. 과전류 임계치(B)는, 과전류 임계치(A)에 √3배가 된 값(즉 √3A)에 대해 5∼15% 낮은 전류치이다.
즉, 과전류 임계치(B)를, 과전류 임계치(A)를 √3배한 값(즉 √3A)과 같이 설정한 것에서는, 예를 들면 인버터 출력 전류의 1상이 흐르지 않는 상태에서 감자가 생길 수 있다. 과전류 임계치(B)를, √3A보다도 5∼15% 낮은 값으로 함에 의해, 감자의 억제 효과를 높일 수 있다.
이상과 같이, Y결선과 델타결선의 전환을 행함과 함께, 결선 상태에 응하여 과전류 임계치(A, B)를 설정하고, 과전류 임계치(B)를, B<(√3×A), 보다 바람직하게는 (√3×A×0.85)<B<(√3×A), 더욱 바람직하게는 (√3×A×0.85)<B<(√3×A×0.95)를 만족하도록 설정함으로써, 전동기(1)의 구동 효율을 높이고, 또한 영구자석의 감자를 저감하여 전동기(1)의 신뢰성을 향상할 수 있다.
또한, 로터리 압축기(8) 등에서는, 전동기(1)가 100℃ 이상의 분위기에서 사용되는데, 영구자석(25)을 구성하는 희토류 자석은, 고온에서 감자하기 쉽게 되는 특성을 갖는다. 그 때문에, 일반적으로, 희토류 자석에는, 감자를 억제하기 위한 디스프로슘(Dy)이라는 고가의 희토류 원소를 첨가할 필요가 있다.
이 실시의 형태 1에서는, 영구자석(25)의 감자를 억제할 수 있기 때문에, 로터리 압축기(8) 등에 사용하는 전동기(1)에서도, 영구자석(25)을, 디스프로슘을 함유하지 않는 희토류 자석으로 구성할 수 있다. 그 결과, 전동기(1)의 제조 비용을 향상할 수 있다.
<공기 조화기의 동작>
도 15는, 공기 조화기(5)의 기본 동작을 도시하는 플로우 차트이다. 공기 조화기(5)의 제어 장치(50)는, 신호 수신부(56)에 의해 리모콘(55)부터 기동 신호를 수신함에 의해, 운전을 시작한다(스텝 S101). 여기서는, 제어 장치(50)의 CPU(57)가 기동한다. 후술하는 바와 같이, 공기 조화기(5)는, 전회(前回) 종료시에 코일(3)의 결선 상태를 델타결선으로 전환하여 종료하고 있기 때문에, 운전 시작시(기동시)에는 코일(3)의 결선 상태가 델타결선으로 되어 있다.
다음에, 제어 장치(50)는, 공기 조화기(5)의 기동 처리를 행한다(스텝 S102). 구체적으로는, 예를 들면, 실내 송풍 팬(47) 및 실외 송풍 팬(46)의 각 팬 모터를 구동한다.
다음에, 제어 장치(50)는, 컨버터(102)에 전압 전환 신호를 출력하여, 컨버터(102)의 모선 전압을, 델타결선에 대응한 제2의 모선 전압(예를 들면 390V)으로 승압한다(스텝 S103). 컨버터(102)의 모선 전압은, 인버터(103)로부터 전동기(1)에 인가되는 최대 전압이다.
다음에, 제어 장치(50)는, 전동기(1)를 기동한다(스텝 S104). 이에 의해, 전동기(1)는, 코일(3)의 결선 상태가 델타결선으로 기동된다. 제어 장치(50)는, 인버터(103)의 출력 전압을 제어하여, 전동기(1)의 회전수를 제어한다. 보다 구체적으로는, 도 6에 도시한 CPU(110)가, 인버터 구동 회로(111)를 통하여, 인버터(103)의 출력 전압을 제어한다.
제어 장치(50)는, 실내 온도 센서(54)에 검출된 실내 온도(Ta)와 설정 온도(Ts)와의 온도차(ΔT)에 응하여, 전동기(1)의 회전수를 미리 정하여진 속도로 단계적으로 상승시킨다. 전동기(1)의 회전수의 허용 최대 회전수는, 예를 들면 130rps이다. 이에 의해, 압축기(41)에 의한 냉매 순환량을 증가시켜, 냉방 운전인 경우에는 냉방 능력을 높이고, 난방 운전인 경우에는 난방 능력을 높이다.
또한, 공조 효과에 의해 실내 온도(Ta)가 설정 온도(Ts)에 접근하고, 온도차(ΔT)가 감소 경향을 나타내게 되면, 제어 장치(50)는, 온도차(ΔT)에 응하여 전동기(1)의 회전수를 저하시킨다. 온도차(ΔT)가 미리 정하여진 제로 부근 온도(단 0보다 대)까지 감소하면, 제어 장치(50)는, 전동기(1)를 허용 최소 회전수(예를 들면 20rps)로 운전한다.
또한, 실내 온도(Ta)가 설정 온도(Ts)에 달한 경우(즉 온도차(ΔT)가 0 이하가 되는 경우)에는, 제어 장치(50)는, 과냉방(또는 과난방) 방지를 위해 전동기(1)의 회전을 정지한다. 이에 의해, 압축기(41)가 정지한 상태가 된다. 그리고, 온도차(ΔT)가 재차 0보다 커진 경우에는, 제어 장치(50)는 전동기(1)의 회전을 재개한다. 또한, 제어 장치(50)는, 전동기(1)의 회전과 정지를 단시간에 반복하지 않도록, 전동기(1)의 단시간에서의 회전 재개를 규제한다.
또한, 전동기(1)의 회전수가 미리 설정한 회전수에 달하면, 인버터(103)에 의한 약한(弱め) 계자(界磁) 제어가 시작된다.
제어 장치(50)는, 리모콘(55)부터 신호 수신부(56)를 통하여 운전 정지 신호(공기 조화기(5)의 운전 정지 신호)를 수신하였는지의 여부를 판단한다(스텝 S105). 운전 정지 신호를 수신하지 않은 경우에는, 스텝 S106으로 진행한다. 한편, 운전 정지 신호를 수신한 경우에는, 제어 장치(50)는, 스텝 S109로 진행한다.
제어 장치(50)는, 실내 온도 센서(54)에서 검출한 실내 온도(Ta)와, 리모콘(55)에 의해 설정된 설정 온도(Ts)와의 온도차(ΔT)를 취득하고(스텝 S106), 이 온도차(ΔT)에 의거하여, 코일(3)의 델타결선부터 Y결선으로 전환하는지의 여부를 판단한다. 즉, 코일(3)의 결선 상태가 델타결선이고, 게다가, 상기한 온도차(ΔT)의 절대치가 임계치(ΔTr) 이하인지의 여부를 판단한다(스텝 S107). 임계치(ΔTr)(설정 온도차)는, Y결선으로 전환 가능할 정도로 작은 공조(空調) 부하(단지 「부하」라고도 칭한다)에 상당하는 온도차이다.
상기한 바와 같이, ΔT는, 운전 모드가 난방 운전인 경우에는 ΔT=Ts-Ta로 표시되고, 냉방 운전인 경우에는 ΔT=Ta-Ts로 표시되기 때문에, 여기서는 ΔT의 절대치와 임계치(ΔTr)를 비교하여 Y결선으로의 전환의 필요여부를 판단하고 있다.
스텝 S107에서, 코일(3)의 결선 상태가 델타결선이며, 또한, 온도차(ΔT)의 절대치가 임계치(ΔTr) 이하라면, 스텝 S121(도 16)로 진행한다.
도 16에 도시하는 바와 같이, 스텝 S121에서는, 제어 장치(50)는, 인버터(103)에 정지 신호를 출력하여, 전동기(1)의 회전을 정지한다(즉, 인버터(103)의 출력을 정지한다). 그 후, 제어 장치(50)는, 결선 전환부(60)에 결선 전환 신호를 출력하여, 코일(3)의 결선 상태를 델타결선부터 Y결선으로 전환한다(스텝 S122). 계속해서, 제어 장치(50)는, 컨버터(102)에 전압 전환 신호를 출력하여, 컨버터(102)의 모선 전압을 Y결선에 대응한 제1의 전압(280V)으로 강압하고(스텝 S123), 전동기(1)의 회전을 재개한다(스텝 S124). 그 후, 상술한 스텝 S105(도 15)로 되돌아온다.
상기 스텝 S107에서, 코일(3)의 결선 상태가 델타결선이 아닌 경우, 또는, 온도차(ΔT)의 절대치가 임계치(ΔTr)보다 큰 경우(즉 Y결선으로 전환할 필요가 없는 경우)에는, 스텝 S108로 진행한다.
스텝 S108에서는, Y결선부터 델타결선으로 전환하는지의 여부를 판단한다. 즉, 코일(3)의 결선 상태가 Y결선이고, 게다가, 상기한 온도차(ΔT)의 절대치가 임계치(ΔTr)보다 큰지의 여부를 판단한다.
스텝 S108에서의 비교의 결과, 코일(3)의 결선 상태가 Y결선이며, 또한, 온도차(ΔT)의 절대치가 임계치(ΔTr)보다 크면, 스텝 S131(도 17)로 진행한다.
도 17에 도시하는 바와 같이, 스텝 S131에서는, 제어 장치(50)는, 전동기(1)의 회전을 정지한다. 그 후, 제어 장치(50)는, 결선 전환부(60)에 결선 전환 신호를 출력하여, 코일(3)의 결선 상태를 Y결선부터 델타결선으로 전환한다(스텝 S132). 계속해서, 제어 장치(50)는, 컨버터(102)에 전압 전환 신호를 출력하여, 컨버터(102)의 모선 전압을 델타결선에 대응한 제2의 모선 전압(390V)으로 승압하고(스텝 S133), 전동기(1)의 회전을 재개한다(스텝 S134).
델타결선인 경우, Y결선에 비하여, 전동기(1)를 보다 높은 회전수까지 구동할 수 있기 때문에, 보다 큰 부하에 대응할 수 있다. 그 때문에, 실내 온도와 설정 온도와의 온도차(ΔT)를 단시간에 수속시킬 수 있다. 그 후, 상술한 스텝 S105(도 15)로 되돌아온다.
또한, 코일(3)의 결선 상태가 델타결선이면서 온도차(ΔT)의 절대치가 임계치(ΔTr)보다 큰 경우, 및, 코일(3)의 결선 상태가 Y결선이면서 온도차(ΔT)의 절대치가 임계치(ΔTr) 이하인 경우에는, 스텝 S107, S108에서의 판단 결과가 모두 NO로 되기 때문에, 스텝 S105로 되돌아온다.
상기한 스텝 S105에서 운전 정지 신호를 수신한 경우에는, 전동기(1)의 회전을 정지한다(스텝 S109). 그 후, 제어 장치(50)는, 코일(3)의 결선 상태를 Y결선부터 델타결선으로 전환한다(스텝 S110). 코일(3)의 결선 상태가 이미 델타결선인 경우에는, 그 결선 상태를 유지한다. 또한, 도 15에서는 생략하지만, 스텝 S106∼S108의 사이에서도, 운전 정지 신호를 수신한 경우에는, 스텝 S109로 진행하여 전동기(1)의 회전을 정지한다.
그 후, 제어 장치(50)는, 공기 조화기(5)의 정지 처리를 행한다(스텝 S111). 구체적으로는, 실내 송풍 팬(47) 및 실외 송풍 팬(46)의 각 팬 모터를 정지한다. 그 후, 제어 장치(50)의 CPU(57)가 정지하고, 공기 조화기(5)의 운전이 종료된다.
이상과 같이, 실내 온도(Ta)와 설정 온도(Ts)와의 온도차(ΔT)의 절대치가 임계치(ΔTr) 이하인 경우에는, 고효율의 Y결선으로 전동기(1)를 운전하고, 온도차(ΔT)의 절대치가 임계치(ΔTr)보다 큰 경우에는, 보다 큰 부하에의 대응이 가능한 델타결선으로 전동기(1)를 운전한다. 그 때문에, 공기 조화기(5)의 운전 효율을 향상할 수 있다.
특히, 온도는 짧은 시간에서의 변동이 적고, 결선 전환을 행하는지 여부의 판단을 짧은 시간에 행할 수 있다. 그 때문에, 예를 들면 방의 창문을 열은 경우와 같은 급속한 부하 변동에도 신속하게 대응할 수 있고, 공기 조화기(5)에 의한 쾌적성을 향상할 수 있다.
또한, 이 실시의 형태 1에서는, 코일(3)의 결선 상태가 Y결선인 경우에는, 컨버터(102)의 모선 전압을 280V로 하고(스텝 S123), 코일(3)의 결선 상태가 델타결선인 경우에는, 컨버터(102)의 모선 전압을 390V로 하고 있다(스텝 S133). 환언하면, 전동기(1)의 고회전수역에서의 모선 전압을, 저회전수역에서의 모선 전압보다도 높게 하고 있다. 그 때문에, 높은 전동기 효율을 얻을 수 있다.
또한, 이 실시의 형태 1에서는, 전동기(1)의 기동시의 코일(3)의 결선 상태를, 보다 큰 공조 부하에 대응 가능한 델타결선으로 하고 있다(도 15의 스텝 S110). 공기 조화기(5)의 운전 시작시는 공조 부하의 정확한 검출이 어렵기 때문에, 기동시의 결선 상태를 델타결선으로 함에 의해, 실내 온도(Ta)와 설정 온도(Ts)와의 온도차(ΔT)를, 보다 단시간에 수속시킬 수 있다.
또한, 도 15의 스텝 S106∼S108에서는, 실내 온도(Ta)와 설정 온도(Ts)와의 온도차(ΔT)에 의거하여 결선 전환을 행하고 있지만, 다른 방법으로 결선 전환을 행하여도 좋다. 예를 들면, 전동기(1)의 회전수를 검출하고, 전동기(1)의 회전수가 설정 회전수(임계치) 이하인 경우에는 델타결선부터 Y결선으로의 전환을 행하고, 전동기(1)의 회전수가 설정 회전수보다 큰 경우에는 델타결선부터 Y결선으로의 전환을 행하도록 하여도 좋다.
전동기(1)의 회전수는, 예를 들면 전류 검출 회로(108)에서 검출되는 전류치에 의거하여 검출할 수 있다. 또한, 설정 회전수(임계치)는, 난방 중간 조건(냉방 중간 조건)에 상당하는 35rps와, 난방 정격(正格) 조건(냉방 정격 조건)에 상당하는 85rps의 중간치인 60rps로 하는 것이 바람직하다.
<과전류 보호 동작>
도 18은, 실시의 형태 1의 과전류 보호 동작을 도시하는 플로우 차트이다. 이 과전류 보호 동작은, 전동기(1)의 회전 중, 즉 도 15에 도시하는 스텝 S104∼S108의 사이에 실행된다.
제어 장치(50)의 CPU(110)(도 6)는, 우선, 전류 검출 회로(108)에 의해 인버터(103)의 전류치를 검출한다(스텝 S200). 다음에, CPU(110)는, 코일(3)의 결선 상태가 Y결선인지 델타결선인지를 판단한다(스텝 S201).
코일(3)의 결선 상태가 Y결선인 경우에는, 전류 검출 회로(108)에서 검출된 전류치가 과전류 임계치(A)보다 낮은지의 여부를 판단한다(스텝 S202). 전류치가 과전류 임계치(A)보다 낮은 경우에는, 스텝 S201로 되돌아온다. 한편, 전류치가 과전류 임계치(A) 이상인 경우에는, 인버터(103)에 정지 신호를 출력하여, 인버터(103)의 출력을 정지하는, 환언한다면 전동기(1)의 회전을 정지한다(스텝 S204).
또한, 상기한 스텝 S201에서, 코일(3)의 결선 상태가 델타결선인 경우에는, 전류 검출 회로(108)에서 검출된 전류치가 과전류 임계치(B)보다 낮은지의 여부를 판단한다(스텝 S203). 전류치가 과전류 임계치(B)보다 낮은 경우에는, 스텝 S201로 되돌아온다. 한편, 전류치가 과전류 임계치(B) 이상인 경우에는, 인버터(103)에 정지 신호를 출력하여, 인버터(103)의 출력을 정지하는, 환언한다면 전동기(1)의 회전을 정지한다(스텝 S204).
과전류 임계치(A, B)는, B<√3×A를 만족하고, 바람직하게는 √3×A×0.85<B<√3×A를 만족하고, 더욱 바람직하게는 √3×A×0.85<B<√3×A×0.95를 만족한다. 그 때문에, 델타결선에서 코일(3)의 1상에 전류가 흐르지 않는 운전 상태에서의 기자력의 증가가 있어도, 영구자석(25)의 감자를 억제할 수 있다.
또한, 델타결선인 경우의 과전류 임계치(B)를 (√3×A) 미만으로 설정하면, 과전류 임계치(B)를 (√3×A)로 설정한 경우보다도 출력이 낮아진다. 또한, 압축기 및 자동차 등에서는, 전동기(1)의 회전수의 범위가 넓은데, 고회전수역(예를 들면 Y결선에서 인버터(103)의 출력이 인버터 최대 출력 전압에 달한 상태)에서는, 약한 계자 제어가 시작된다. 약한 계자 제어에서는 약한 전류의 분만큼 인버터 출력 전류가 커지기 때문에, 과전류 임계치(B)에 도달하기 쉬워진다.
이 실시의 형태 1에서는, 상기한 바와 같이 Y결선부터 델타결선으로의 전환을 행하기 때문에, 고회전수역에서 약한 계자 제어가 시작되기 어렵다. 그 때문에, 델타결선인 경우의 과전류 임계치(B)를 (√3×A) 미만으로 설정하여도, Y결선인 경우 이상의 토오크를 발생할 수 있고, 고출력을 얻을 수 있다.
<실시의 형태 1의 효과>
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시의 형태 1의 구동 장치(100)에서는, 코일(3)의 결선 상태가 Y결선에서 인버터(103)의 전류치가 제1의 임계치(A)(즉 과전류 임계치(A))에 달한 경우, 및 코일(3)의 결선 상태가 델타결선에서 인버터(103)의 전류치가 제2의 임계치(B)(즉 과전류 임계치(B))에 달한 경우에, 인버터의 출력을 정지한다. 제1의 임계치(A)와 제2의 임계치(B)는, B<√3×A를 만족한다. 그 때문에, 예를 들면 코일(3)의 1상에 전류가 흐르지 않는 운전 상태에서도, 영구자석(25)의 감자를 저감할(생기기 어렵게 할) 수 있다.
또한, 과전류 임계치(A, B)가 √3×A×0.85<B<√3×A를 만족함에 의해, 델타결선에서 코일(3)의 1상에 전류가 흐르지 않는 운전 상태에서 기자력이 증가하여도, 영구자석(25)의 감자를 억제할 수 있다.
또한, 과전류 임계치(A, B)가 (√3×A×0.85)<B<(√3×A×0.95)를 만족하기 때문에, 로터 코어 외주부(28)에서의 누설 자속을 고려하여, 영구자석(25)의 감자를 억제할 수 있다.
또한, 제어 장치(50)는, 인버터(103)의 전류를 검출하는 전류 검출 회로(108)와, 전류 검출 회로(108)에 의해 검출된 전류와 코일(3)의 결선 상태에 의거하여, 인버터(103)에 PWM 신호를 출력하는 CPU(인버터 제어부)(110)를 또한 구비하기 때문에, 전동기(1)에 공급되는 전류와 코일(3)의 결선 상태에 응하여, 전동기(1)의 회전을 제어할 수 있다.
또한, 결선 전환부(60)는, 전동기(1)의 제1의 회전수역(예를 들면 실내 온도(Ta)와 설정 온도(Ts)와의 온도차(ΔT)가 임계치(ΔTr) 이하인 경우)에서는 코일(3)의 결선 상태를 Y결선으로 하고, 제1의 회전수역보다도 고속의 제2의 회전수역(예를 들면 온도차(ΔT)가 임계치(ΔTr)보다 큰 경우)에서는 코일(3)의 결선 상태를 델타결선으로 하기 때문에, 공조 부하에 응한 결선 상태로 전동기(1)를 회전시킬 수가 있어서, Y결선과 델타결선의 어느 것에서도 전동기 효율을 향상할 수 있다.
또한, 인버터(103)가 전동기(1)의 회전수에 응하여 약한 계자 제어를 행하기 때문에, 인버터(103)의 출력이 최대 출력 전압에 달한 후도, 전동기(1)의 회전수를 증가시킬 수 있다.
또한, 전동기(1)는, 집중권으로 감겨진 코일(3)을 가지며, 로터(20)의 자극수와 슬롯수(즉 티스(12)의 수)와의 비가 2 : 3이기 때문에, 유기전압의 3차 고조파의 발생을 억제할 수 있고, 따라서 순환전류에 의한 전동기(1)의 성능 저하를 억제할 수 있다.
또한, 영구자석(25)의 감자는 고온일수록 발생하기 쉽기 때문에, 전동기(1)가 100℃ 이상의 온도에서 사용되는 경우에는, 이 실시의 형태 1에 의한 감자 억제 효과가 특히 현저하게 얻어진다.
또한, 결선 전환부(60)는, 릴레이 접점으로 구성된 스위치(61, 62, 63)를 갖기 때문에, 비교적 염가의 구성으로, 코일(3)의 결선 상태를 전환할 수 있다.
또한, 결선 전환부(60)에 의한 코일(3)의 결선 상태의 전환에 응하여, 컨버터(102)가 모선 전압의 크기를 변화시키기 때문에, 결선 상태의 전환의 전후의 어느 것에서도, 높은 전동기 효율 및 높은 전동기 토오크를 얻을 수 있다.
변형례.
다음에, 실시의 형태 1의 변형례에 관해 설명한다. 상술한 실시의 형태 1에서는, 릴레이 접점(스위치(61, 62, 63))을 갖는 결선 전환부(60)를 이용하였다. 이에 대해, 이 실시의 형태 3에서는, 반도체 스위치(71, 72, 73)를 갖는 결선 전환부(70)를 이용한다.
도 19는, 실시의 형태 3의 구동 장치(100A)의 구성을 도시하는 블록도이다. 구동 장치(100A)는, 결선 전환부(70)의 구성이, 도 6에 도시한 구동 장치(100)와 다른 것이다.
결선 전환부(70)는, 반도체 스위치(반도체 소자)(71, 72, 73)를 갖는다. 반도체 스위치(71, 72, 73)는, 모두, 예를 들면 MOS 트랜지스터(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)를 포함하는 회로에 의해 구성되어 있다.
반도체 스위치(71)는, 배선(105)(V상)에 접속된 제1의 단자(71a)와, 중성점(33)에 접속된 제2의 단자(71b)와, 코일(3U)의 단자(32U)에 접속되고 제1의 단자(71a) 및 제2의 단자(71b)의 어느 하나에 접속된 제3의 단자(71c)를 갖는다.
반도체 스위치(72)는, 배선(106)(W상)에 접속된 제1의 단자(72a)와, 중성점(33)에 접속된 제2의 단자(72b)와, 코일(3V)의 단자(32V)에 접속되고 제1의 단자(72a) 및 제2의 단자(72b)의 어느 하나에 접속된 제3의 단자(72c)를 갖는다.
반도체 스위치(73)는, 배선(104)(U상)에 접속된 제1의 단자(73a)와, 중성점(33)에 접속된 제2의 단자(73b)와, 코일(3W)의 단자(32W)에 접속되고 제1의 단자(73a) 및 제2의 단자(73b)의 어느 하나에 접속된 제3의 단자(73c)를 갖는다.
반도체 스위치(71)가 코일(3U)의 단자(32U)를 중성점(33)에 접속하고, 반도체 스위치(72)가 코일(3V)의 단자(32V)를 중성점(33)에 접속하고, 반도체 스위치(73)가 코일(3W)의 단자(32W)를 중성점(33)에 접속하고 있는 이 경우, 코일(3U, 3V, 3W)의 결선 상태는, 도 9(A)에 도시한 Y결선이 된다.
또한, 반도체 스위치(71)가 코일(3U)의 단자(32U)를 배선(105)에 접속하고, 반도체 스위치(72)가 코일(3V)의 단자(32V)를 배선(106)에 접속하고, 반도체 스위치(73)가 코일(3W)의 단자(32W)를 배선(104)에 접속하고 있을 때에는, 코일(3U, 3V, 3W)의 결선 상태는, 도 9(B)에 도시한 델타결선(삼각결선)이 된다.
이와 같이, 결선 전환부(70)는, 반도체 스위치(71, 72, 73)의 전환에 의해, 전동기(1)의 코일(3U, 3V, 3W)의 결선 상태를, Y결선(제1의 결선 상태) 및 델타결선(제2의 결선 상태)과의 사이에서 전환할 수 있다.
이 변형례에서는, 결선 전환부(70)가 반도체 스위치(71, 72, 73)를 갖기 때문에, 결선 전환시의 동작의 신뢰성을 향상할 수 있다.
또한, 릴레이 접점(스위치(61, 62, 63))을 갖는 결선 전환부(60)(도 7)를 이용하는 경우에는, 결선 전환시에 전동기(1)의 회전수를 정지하는 것이 바람직하지만, 반도체 스위치(71, 72, 73)를 갖는 결선 전환부(70)를 이용한 경우에는, 결선 전환시에 전동기(1)의 회전수를 저하시키는(감속하는) 것만으로 좋다는 이점이 있다.
또한, 실시의 형태 1 및 변형례에서는, 압축기의 한 예로서 로터리 압축기(8)에 관해 설명하였지만, 각 실시의 형태의 전동기는, 로터리 압축기(8) 이외의 압축기에 적용하여도 좋다. 또한, 전동기(1)는, 반드시 압축기(로터리 압축기(8))의 내부에 조립되어 있을 필요는 없고, 압축기로부터 독립하고 있어도 좋다. 즉, 전동기(1)는, 압축기를 구동하는 것이면 좋다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시의 형태에 관해 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기한 실시의 형태로 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 여러가지의 개량 또는 변형을 행할 수 있다.
1 : 전동기
3, 3U, 3V, 3W : 코일
5 : 공기 조화기
5A : 실내기
5B : 실외기
8 : 로터리 압축기(압축기)
9 : 압축 기구
10 : 스테이터
11 : 스테이터 코어
12 : 티스
20 : 로터
21 : 로터 코어
25 : 영구자석
28 : 로터 코어 외주부
41 : 압축기
42 : 4방밸브
43 : 실외 열교환기
44 : 팽창밸브
45 : 실내 열교환기
46 : 실외 송풍 팬
47 : 실내 송풍 팬
50 : 제어 장치
50a : 실내 제어 장치
50b : 실외 제어 장치
50c : 연락 케이블
51 : 입력 회로
52 : 연산 회로
53 : 출력 회로
54 : 실내 온도 센서
55 : 리모콘(조작부)
56 : 신호 수신부
57 : CPU
58 : 메모리
60, 70 : 결선 전환부
61, 62, 63 : 반도체 스위치(릴레이 접점)
71, 72, 73 : 반도체 스위치(반도체 소자)
80 : 셸
81 : 글라스 단자
85 : 토출관
90 : 샤프트
100, 100A : 구동 장치
101 : 전원
102 : 컨버터(정류 회로)
103 : 인버터
104, 105, 106 : 배선(출력선)
108 : 전류 검출 회로
110 : CPU
111 : 인버터 구동 회로
200 : 자극
201 : 극간

Claims (14)

  1. 코일을 갖는 전동기를 구동하는 구동 장치로서,
    상기 코일에 전압을 출력하는 인버터와,
    상기 코일의 결선 상태를 Y결선과 델타결선으로 전환하는 결선 전환부와,
    상기 코일의 결선 상태가 Y결선이면서 상기 인버터의 전류치가 제1의 임계치(A)에 달하든지, 또는, 상기 코일의 결선 상태가 델타결선이면서 상기 전류치가 제2의 임계치(B)에 달한 경우에, 상기 인버터의 출력을 정지하는 제어 장치를
    구비하고,
    상기 제1의 임계치(A)와 상기 제2의 임계치(B)가,
    B<√3×A
    를 만족하는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1의 임계치(A)와 상기 제2의 임계치(B)가,
    3×A×0.85<B<√3×A
    를 만족하는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1의 임계치(A)와 상기 제2의 임계치(B)가,
    3×A×0.85<B<√3×A×0.95
    를 만족하는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치는,
    상기 인버터의 전류치를 검출하는 전류 검출부와,
    상기 전류 검출부에 의해 검출된 전류치와, 상기 코일의 결선 상태에 의거하여, 상기 인버터를 PWM 제어하는 인버터 제어부를
    또한 구비하는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전동기는, 제1의 회전수역과, 상기 제1의 회전수역보다도 고회전수인 제2의 회전수역에서 운전 가능하고,
    상기 결선 전환부는, 상기 전동기가 상기 제1의 회전수역에 있을 때에 상기 코일의 결선 상태를 Y결선으로 하고, 상기 전동기가 상기 제2의 회전수역에 있을 때 상기 코일의 결선 상태를 델타결선으로 하는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인버터는, 상기 전동기의 회전수에 응하여 약한 계자 제어를 행하는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전동기는, 회전축을 중심으로 하여 회전 가능한 로터와, 상기 로터를 둘러싸는 스테이터를 가지며,
    상기 로터는, 로터 코어와, 로터 코어에 매입된 영구자석을 갖는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 스테이터는, 상기 회전축을 중심으로 하는 둘레방향으로 복수의 티스를 갖는 스테이터 코어와, 상기 복수의 티스에 집중권으로 감겨진 코일을 가지며,
    상기 로터의 자극수와, 상기 티스의 수와의 비는, 2 : 3인 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전동기는, 100℃ 이상의 온도에서 사용되는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결선 전환부는, 릴레이 접점을 갖는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결선 전환부는, 반도체 소자를 갖는 것을 특징으로 하는 구동 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 구동 장치에 의해 구동되는 전동기와,
    상기 전동기에 의해 구동되는 압축 기구를
    구비한 것을 특징으로 하는 압축기.
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 구동 장치에 의해 구동되는 전동기와,
    상기 전동기에 의해 구동되는 압축기를
    구비한 것을 특징으로 하는 공기 조화기.
  14. 코일의 결선 상태가 Y결선과 델타결선의 사이에서 전환 가능한 전동기를, 인버터를 이용하여 구동하는 구동 방법으로서,
    상기 인버터의 전류치를 검출하는 스텝과,
    상기 코일의 결선 상태가 Y결선이면서 상기 전류치가 제1의 임계치(A)에 달하든지, 또는, 상기 코일의 결선 상태가 델타결선이면서 상기 전류치가 제2의 임계치(B)에 달한 경우에, 상기 인버터의 출력을 정지하는 스텝을
    가지며,
    상기 제1의 임계치(A)와 상기 제2의 임계치(B)가,
    B<√3×A
    를 만족하는 것을 특징으로 하는 구동 방법.
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