具体实施方式
下面,参照附图,说明作为本发明一实施方式的压缩机(密闭型旋转电机)。在各图中,对于共同的构成要素及同样的构成要素赋予同一符号,并省略这些构成要素的重复说明。
第一实施方式
图1是作为本发明第一实施方式的压缩机的剖面构造图。
在图1中,压缩机100(100a)采用如下构造:压缩机28、永久磁铁同步机24及切换装置40密封在压力容器22的内部,这些部件经由端子箱30进行控制。
压缩机28具备固定涡旋构件13、回旋涡旋构件16及滑动轴承27,并使在固定涡旋构件13的端板14直立的螺旋状卷边(lap)15和在回旋涡旋构件16的端板17直立的螺旋状卷边18咬合,而形成了压缩室19(19a、19b、……)。之后,压缩部28通过曲柄轴6使回旋涡旋构件16回旋运动,来进行压缩动作。压缩室19(19a、19b、……)中的位于最外径侧的压缩室19a、19b,伴随着回旋运动,朝向两涡旋构件13、16的中心移动,容积逐渐缩小。
压缩部28采用如下构成:当两压缩室19a、19b内的压缩气体达两涡旋构件13、16的中心附近时,压缩气体从与压缩室19连通的吐出口20中吐出。被吐出的压缩气体通过被设置于固定涡旋构件13及框架21的气体通路(未图示)送至框架21下部的压力容器22内,并从设置于压力容器22侧壁上的吐出管23向压缩机外排出。
永久磁铁同步机24被封入在压力容器22内,经由曲柄轴6使回旋涡旋构件16回旋运动。永久磁铁同步机24由定子9和转子1构成,定子9将电枢绕线12卷绕在电磁钢板上,转子1将多个永久磁铁3插设于磁铁插入孔7。此外,铆接用螺栓4用于捆绑多个电磁钢板。
压缩机100将贮油部25设置于永久磁铁同步机24的下部。
贮油部25内的油,因由旋转运动产生的压力差而通过了设置于曲柄轴6内的油孔26,以供回旋涡旋构件16和曲柄轴6之间的滑动部、滑动轴承27等的润滑。
压缩机100为了将电枢绕线12引出到压力容器22的外侧,而在压力容器22的侧壁设置了密闭式端子箱30。端子箱30,在三相永久磁铁同步机24的情况下,例如收纳U、V、W各绕线的端子31u、31v、31w共计3个端子。
压缩机100在压力容器22的内部设置了用于切换绕线连接的切换装置40。切换装置40也可以设置在永久磁铁同步机24的轴方向的上方部,也可以设置在下方部。另外,从绕线电阻降低、布线处理简单的观点出发,切换装置40优选与定子9或端子箱30接近地设置,但只要能有效利用压力容器22内的空余空间,设置在任何位置均可。另外,压力容器22从容易制作的观点出发而优选圆筒形状,但是也可使外周而部分向外侧凸出以确保切换装置40的设置空间。
切换装置40也可以是使用了半导体元件的继电器,也可是不使用半导体元件而利用电磁铁以机械方式切换接点的(有接点继电器)的构成。
在使用了半导体元件的继电器的情况下,由于压力容器内处于高温环境,因此需要使用耐热性优良的半导体元件。另外,由于压力容器内高压的油冷却剂稳定地循环,因此需要使用耐热性及耐压性优良的构件来封入元件。另外,因伴随压缩动作的振动,导致半导体元件的焊料脱落、引起接触不良的可能性存在,因此需要使用高强度的导电材料进行焊接。
在“有接点继电器”的情况下,电磁铁也可使用与电枢绕线12不同的绕线来构成,也可使用电枢绕线12中的至少一相的绕线来构成。另外,继电器的构成也可是仅仅使用电磁铁而在构成电磁铁的绕线的端子没有+极、-极的指定的“无极继电器”,也可以是使用电磁铁及永久电磁铁而在构成电磁铁的绕线的端子有+极、-极的指定的“有极继电器”。由于在压力电容器内高压的油冷却剂稳定地循环,因此采用通过高耐热树脂或非导电性构件覆盖切换装置40的端子连接部来防止腐蚀、接触不良、或电路短路等的构成即可。
图2是表示在作为本发明第一实施方式的压缩机中密封的永久磁铁同步机的电枢绕线和绕线切换电路之间的连接构成的布线图。该连接构成与专利文献1公开的内容相近。
在图2中,压缩机100(100a)在压力容器22的内部配备三相永久磁铁同步机24(图1)和切换装置40,经由端子箱30a与逆变器60及控制装置70连接。另外,关于三相永久磁铁同步机24(图1),电枢绕线12的各相由2个绕线(第一绕线:U1、V1、W1,第二绕线:U2、V2、W2)构成,端子箱30a内置有三相电源用的端子31w、31v、31u及切换装置控制用的端子33a、33b共计5个端子。
第一绕线(U1、V1、W1)的一端经由端子箱33的各端子31(在图2中,将三相分别表示为31U、31V、31W)与设置于压缩容器22外部的逆变器60连接。第一绕线(U1、V1、W1)的另一端与端子Tb1(Tb1U、Tb1V、Tb1W)连接,经由端子Tb2(Tb2U、Tb2V、Tb2W)与中性点50a连接,从而构成了Y接线。
第二绕线(U2,V2,W2)的一端与中性点50b连接,从而构成了Y接线;另一端与端子Ta2(Ta2U、Ta2V、Ta2W)连接。另外,端子Ta3(Ta3U、Ta3V、Ta3W)和端子Tb3(Tb3U、Tb3V、Tb3W)相互连接。
另一方面,逆变器60将直流电源61产生的直流电压E变换成三相交流电压,并将变换后的交流电压经由压力容器端子31(31u、31v,31w)施加于电枢绕线。即、逆变器60作为多相交流电源发挥功能。压力容器端子31与端子Ta1及第一绕线连接。
另外,构成切换装置40的电磁铁绕线32(32a、32b)相互串联连接,且经由压力容器端子33a、33b与控制电路70连接。由此,切换装置40(Sa、Sb)通过控制电路70被同时切换。
控制电路70利用晶体管等半导体元件构成。在串联连接第一绕线(U1、V1、W1)和第二绕线(U2、V2、W2)的情况下,控制电路70将端子Tb1和端子Tb3进行连接,将端子Ta3和端子Ta2进行连接。另一方面,在并联连接第一绕线和第二绕线的情况下,控制电路70将端子Tb1和端子Tb2进行连接,将端子Ta1和端子Ta2进行连接。此时,中性点50a和50b也可断开,也可短路。
图3是与电枢绕线的连接状态相应的转矩-转速的特性图。
永久磁铁同步机24(图1)在将多个电枢绕线串联连接且将匝数设计得较多的状态下,能一直将逆变器的电流容许值抑制为较小,能够产生大转矩。另一方面,永久磁铁同步机24在将多个电枢绕线并联连接且将匝数设计得较少的状态下,能扩大高速旋转区域。此外,永久磁铁同步机24在转速低时为恒定转矩驱动,在转速变高时为恒定输出驱动。
图4是从本发明第一实施方式的压缩机所用到的压力容器的外侧观看到的端子箱的主视图。
端子箱30(30a)收纳有:构成三相永久磁铁同步机的电枢绕线12(图1)的U、V、W各相绕线的端子31u、31v、31w(共计3个)、和电磁铁绕线32(32a、32b)的端子33a、33b(共计2个)。
电磁铁绕线32是与电枢绕线12不同的导线,端子33a、33b的任意一方为电流输入端,另一方为电流输出端。在三相切换装置中,以使电磁铁绕线32(32a、32b)共用的方式构成,在向端子33a、33b输入输出单一电流的过程中,能够同时切换三相绕线连接。
根据本实施方式,相对于将切换装置40设置于压力容器22外部的现有技术而言,不会导致成本增加的同时也不会使压缩机的构造复杂化,可将切换装置设置于压缩容器内。另外,压缩机100能够扩大可变速运转范围。特别是,在低速运转时通过采用串联连接,从而压缩机100可提高控制响应性,可提高最大转矩。同时,因电流的降低,从而可实现逆变器导通损耗的降低、半导体元件的温度上升的缓和、及逆变器效率的提高。同时,因串联连接的电感增加使得电机电流的载波高次谐波分量降低,由此得到了铁耗降低及电机温度上升的缓和这一效果。
第一实施方式的变形例
这里,在以保持连接状态为目的而需要稳定流动电流的切换装置(单稳态继电器)的情况下,以电磁铁绕线32中通电的电流比对电枢绕线12中通电的电流少的方式构成继电器。由此,能够将端子33a、33b设定得比端子31u、31v、31w小,不会导致端子箱30大型化的情况下,能够设置切换装置40。
另一方面,也可在仅在切换绕线连接时需要流经电流的切换装置(双稳态继电器)的情况下,以电磁铁绕线32中通电的电流比电枢绕线12中通电的电流多的方式构成继电器。因为并非对电磁铁绕线32稳定通电,因此这种情况下能够将端子33a、33b设定得比端子31u、31v、31w小。
因此,在不会导致端子箱30大型化的情况下,能够设置切换装置40。此外,只要端子33a、33b能有效利用端子箱30的空余空间,放置在任何地方均可。
控制电路70利用晶体管等半导体元件构成,对构成继电器的电磁铁绕线32的通电电流进行控制。此外,在电动机连接继电器的情况下,有可能在接点接通的瞬间流动着大电流,接点产生火花引起烧损。为了防止该现象,也可将火花抑制器(将电容器和电阻器串联连接的电子部件)或变阻器(吸收过电压的半导体元件)内置于压力容器22中,与接点并联连接。
以上,叙述了由共用绕线构成三相切换电路的情况,但也可由不同绕线构成各相的切换装置,这种情况下,通过将与各自绕线相对应的端子设置于端子箱,从而可独立地切换三相各相的绕线连接。切换装置的端子只要是能有效利用端子箱30的空余空间,设置在任何地方均可。
其次,在图2中说明由利用了半导体元件的继电器来构成切换装置Sa、Sb的情况。元件的开关动作根据电子电路的动作以电子方式进行,因此代替电磁铁绕线32而需要输入切换信号的信号线及电源线。
只是,在该情况下,信号线A的一端与设置于端子箱30的端子33a连接,另一端与端子33b连接。通过向端子33a、33b输入单一信号,从而能够使2个切换装置Sa、Sb同时动作。其中,如后述,因为信号线的端子可设计得较小,因此也可用不同信号线构成切换装置Sa和切换装置Sb,重新设置与端子33a、33b不同的端子。通过采样这样的构成,从而可对切换装置Sa和切换装置Sb独立地切换。
在将第一绕线(U1、V1、W1)和第二绕线(U2、V2、W2)串联连接的情况下,将端子Tb1和端子Tb3进行连接,且将端子Ta3和端子Ta2进行连接。另一方面,在并联连接的情况下,将端子Tb1和端子Tb2进行连接,且将端子Ta1和端子Ta2进行连接。中性点50a和中性点50b可以断开,也可以短路。
第二实施方式
图5是表示作为本发明第二实施方式的压缩机的电枢绕线和切换装置的连接构成的图。在图5中,对与图2相同的构成要素赋予同一符号,且避免重复说明。
图5的构成与图2的构成不同点在于:三相永久磁铁同步机24(图1)的电枢绕线12的各相由3个绕线(U1、U2、U3)、(V1、V2、V3)、(W1、W2、W3)构成。由此,压缩机100b是对压缩机100a(图2)追加了第三绕线(U3、V3、W3)、切换装置的端子Tc、Td、电磁铁绕线32c、32d、及中性点50c而成的。相应地,电磁铁绕线32(32a、32b、32c、32d)被串联连接4个,经由端子33a、33b与控制装置70连接。
具体而言,端子Ta2及第二绕线U2、V2、W2的一端的连接点与端子Tc1相连接,端子Tc2与第三绕线U3、V3、W3的一端相连接,第三绕线U3、V3、W3的另一端与中性点50c相连接。
另外,第二绕线U2、V2、W2的另一端与端子Td1相连接,端子Td2与中性点50b相连接,端子Td3与端子Tc3相连接。
在将第一绕线(U1、V1、W1)、第二绕线(U2、V2、W2)和第三绕线(U3、V3、W3)串联连接的情况下,将端子Tb1和端子Tb3进行连接,将端子Ta3和端子Ta2进行连接,将端子Td1和端子Td3进行连接,将端子Tc3(Tc3U、Tc3V、Tc3W)和端子Tc2(Tc2U、Tc2V、Tc2W)进行连接。
另一方面,在将第一绕线、第二绕线和第三绕线分别并联连接的情况下,将端子Tb1和端子Tb2进行连接,将端子Ta1和端子Ta2进行连接,将端子Tc1和端子Tc2进行连接,将端子Td1和端子Td2进行连接。中性点50a、中性点50b和中性点50c也可断开,也可短路。
另外,端子箱30a的构成与图4同样。即、端子箱30a的端子数为5个。在利用了半导体元件的继电器的情况下,微弱电流作为切换信号动作,因此能够将端子33a、33b设置得比端子31u、31v、31w小。因此,不会导致端子箱30大型化的情况下,能够设置切换装置40。此外,如图4所示,在各相由三个以上的绕线构成的情况下,同样地也能由利用了半导体元件的继电器来构成切换装置40。
第二实施方式的变形例
以上,关于三相永久磁铁同步机的电枢绕线12的各相由2个绕线构成的情况、以及由3个绕线构成的情况下的连接构成已经进行了叙述。这里,在电枢绕线12的各相由n个(n为自然数)绕线构成的情况下,同样地也能够切换串联连接和并联连接。另外,在电枢绕线12的各相由2n个绕线构成的情况下,也能将2个并联的绕线串联连接n个。
同样地,在电枢绕线12的各相由m×n个(m为3以上的自然数)绕线构成的情况下,也能将m个并联的绕线串联连接n个。另外,在上述中,也可仅对一部分绕线通电的方式进行连接,而不是对构成电枢绕线12的多根绕线都通电。
第三实施方式
图6是本发明第三实施方式的压缩机的电枢绕线和切换装置的连接图。在图6中,对与图2相同的构成要素赋予同一符号,且避免重复说明。
图6的构成与图2的构成的不同点在于:W相绕线的端子31w兼作电磁铁绕线32(在图7中表示32a、32b)的端子,代替控制装置70而在逆变器60的一次侧设置开关63(63a、63b、63c)。
换言之,关于压缩机100c,直流电源61的负极与开关的端子63c连接,端子63a与逆变器60连接,端子63b和端子箱30b的端子33a相连接。
电磁铁绕线32的一端与端子箱30b的端子31w连接,另一端子与端子33a连接,还与端子63b连接。此时,端子箱30b采用图7所示的构成。切换装置40(Sa(在图7中三相分别表示为Sau、Sav、Saw)、Sb(在图7中三相分别表示为Sbu、Sbv、Sbw))采用在仅切换绕线连接时需要流经电流的切换装置(双稳态继电器)。即、在切换动作时暂时停止电机驱动,保持电机停止状态下通电用于进行切换动作的电流,然后再起动电机。
在永久磁铁同步机24驱动时,直流电源61的负侧端子62与端子63a连接,向逆变器电路60提供直流电压。此时,由于端子63b开放,因此在电磁铁绕线32中没有电流流动。与此相对,在使切换装置40(Sa、Sb)动作的情况下,将端子63c与端子63b连接,由直流电源61与电磁铁绕线32(32a、32b)构成了闭合电路。通过适当地控制逆变器电路60,从而电磁铁绕线32中通电了适当电流,而能切换绕线连接。此时,因为端子63a开放,因此在构成电枢绕线12的任何绕线中都没有电流流动。
此外,也可以是电磁铁绕线32的一端代替与端子31w连接,而与端子31u或端子31v连接。
图7是本发明第三实施方式的压缩机所用到的端子箱的主视图。
在图7中,对与图4相同的构成要素赋予同一符号,且避免重复说明。在图5中,与图4相同点在于:切换装置40(未图示)的电磁铁绕线32(未图示)与电枢绕线32用不同导线构成。
另一方面,不同点在于:U、V、W各相绕线的端子31u、31v、31w中的一个端子兼作电磁铁绕线32的端子。通过采样该构成,端子箱30b内置的端子数采用4个即可,因此与图4的5个端子的情况相比,能简化制造工序,从而降低成本。另外,安装于压力容器22(图1、图2)的密闭用的三相电源连接器种类少,在U、V、W各端子上附加接地用端子后的4端子的连接器为一般情况。
根据图6及图7的构成,较之图2、图5的构成,不会导致成本增加,同时不会将构造复杂化,压缩机100c能够设置切换装置40(图1),能扩大可变速运转范围。特别是,压缩机100c,在低速运转时通过采用串联连接,从而可提高控制响应性及最大转矩。同时,压缩机100c因电流的降低,从而可实现逆变器导通损耗的降低、半导体元件温度上升的缓和、及逆变器效率的提高。同时,压缩机100c因电感的增加使得电机电流的载波高次谐波分量降低,因此可得到铁耗降低及电机温度上升的缓和这一效果。
第四实施方式
图8是本发明第四实施方式的压缩机的电枢绕线和绕线切换电路的连接构成图。在图8中,对与图6相同的构成要素赋予同一符号,且避免重复说明。
图8的构成与图6的构成的不同点在于:永久磁铁同步机24(图1)的W相绕线W1、W2,相对于构成切换装置Sa(Sau、Sav、Saw)和Sb(Sbu、Sbv、Sbw)的电磁铁绕线32(32a、32b)串联连接,且没有开关63。通过采样该构成,从而不需要构成切换装置40的电磁铁绕线32的引出线,端子箱30c内置的端子数采用3个即可。因此,压缩机100d,较之图7情况下的4个电阻,能进一步简化制造工序,而降低成本。此外,也可将W相绕线和电磁铁绕线32并联连接而不是串联连接。另外,也可代替W相绕线而使用U相绕线或V相绕线。
在永久磁铁同步机24驱动时,以电磁铁绕线32中通电的电流值比切换动作所需的电流值充分小的方式构成切换装置。换言之,在使切换装置Sa、Sb动作的情况下,以需要比电动机驱动时所需的最大电流值还大的电流的方式构成切换装置,并且以成为比逆变器电路60的过电流检测值小的电流的方式进行控制。
这里,在图8所示的构成中,W相绕线的阻抗会比其他相大,因此会导致三相不平衡。因此,为了消除阻抗的不平衡,以三相的各绕线与电磁铁绕线32串联连接或者并联连接的方式构成。在使切换装置动作的情况下,以需要比电动机驱动时所需的最大电流值还大的电流的方式构成切换装置,并且以成为比逆变器电路60的过电流检测值还小的电流的方式进行控制。这样,能够防止电动机驱动时切换装置任意切换等的误动作。
此外,在电动机连接继电器的情况下,有可能在接点接通的瞬间流动着大电流,接点产生火花引起烧损。为了防止该现象,也可将浪涌限制器(将电容器和电阻器串联连接的电子部件)、火花抑制器(将电容器和电阻器串联连接的电子部件)或变阻器(吸收过电压的半导体元件)内置于压力容器22中,与接点并联连接。
根据本实施方式,不会导致成本增加,同时不会将压缩机的构造复杂化,可设置切换装置,能扩大可变速运转范围。特别是,在低速运转时通过采用串联连接,从而可提高控制响应性及最大转矩。同时,因电流的降低,从而可实现逆变器导通损耗的降低、半导体元件温度上升的缓和、及逆变器效率的提高。同时,因电感的增加使得电机电流的载波高次谐波分量降低,因此可得到铁耗降低及电机温度上升的缓和这一效果。
第五实施方式
上述各实施方式,对切换装置40(Sa、Sb)没有任何考虑。
在本实施方式中,第一实施方式的切换装置40着眼于:端子Ta3W和端子Tb3W相连接,端子Ta3V和端子Tb3V相连接,端子Ta3U和端子Tb3U相连接,进而端子Tb2W、端子Tb2V及端子Tb2U作为中性点50a相互连接。
图9是一般的单电路双接点的机械式继电器的端子部分的构造图,相当于图2的切换装置SaU(端子Ta1U、Ta2U、Ta3U)。在图9中,对与图2相同的构成要素赋予同一符号,且避免重复说明。图9的切换器SaU为通过产生弹力及电磁力的切换动作部(未图示)进行状态保持、上下运动的构成。端子Ta2U能够自由切换连接,或者经由导电板101与端子Ta3U连接,或者经由导电板102与端子Ta1U连接。
在将切换装置设置于压力容器内部的情况下,图9所示的机械式继电器共计需要6个。即、只是单纯组合现有技术中的单电路双接点的机械式继电器,除了切换装置的端子部分的布线复杂化、制造工序复杂化之外,会导致切换装置的尺寸变大、压缩机框体的大型化。
因此,端子部分的布线简化及切换装置的小型化在应用上是非常有用的。
图10至图13是实现了本实施方式的压缩机所用到的机械式继电器的端子部分的布线简化及小型化的构造图。在图10至图13中,对与图2相同的构成要素赋予同一符号,且避免重复说明。首先,如图10的侧视图所示,考虑切换器SaU、SbU沿着纸面进深方向排列,且切换器SaU、SbU双方都与导电板(第一公共接点)101接触的情况。这里,虽然未图示,但是还沿着切换器SaU、SbU的纸面进深方向依次排列切换器SaV、SbV、SaW、SbW。上述6个切换器采用通过产生弹力及电磁力的切换动作部(未图示)进行状态保持、上下动作的构成。
此时,各端子的布线如图11的俯视图所示,端子Tb1U和端子Ta2U经由导电板101U(相当于图2的Ta3U、Tb3U)进行连接,端子Tb1V和端子Ta2V经由导电板101V(相当于图2的Ta3V、Tb3V)进行连接,端子Tb1W和端子Ta2W经由导电板101W(相当于图2的Ta3W、Tb3W)进行连接,由此各端子导通。此外,导电板101U、101V、101W因绝缘材104而相互绝缘。
另一方面,如图12的另一侧视图所示,考虑切换器SaU、SbU沿着纸面进深方向排列,且切换器SaU与导电板(独立接点)102接触,切换器SbU与导电板(第二公共接点)103接触的情况。这里,虽然未图示,但是还沿着切换器SaU、SbU的纸面进深方向依次排列切换器SaV、SbV、SaW、SbW。上述6个切换器采用通过产生弹力及电磁力的切换动作部(未图示)进行状态保持、上下动作的构成。
此时,各端子的布线如图13的另一俯视图所示,端子Tb1U、端子Tb1V和端子Tb1W经由导电板103(相当于中性点50a)相互连接,端子Ta1U和端子Ta2U经由导电板102U进行连接,端子Ta1V和端子Ta2V经由导电板102V进行连接,端子Ta1W和端子Ta2W经由导电板102W进行连接。
以上,通过将绕线切换装置采用图10乃至图13所示的构成,可实现端子部分的布线的简化及小型化。
变形例
本发明并不限于上述的实施方式,例如也可以是以下的各种变形。
(1)上述各实施方式对适用于设有压缩部及旋转电机的压缩机的情况进行了说明,但也可适用于通用电机等密闭型旋转电机。