CN109863691A - 空气调和机以及空气调和机的控制方法 - Google Patents
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Abstract
空气调和机(5)具有:信号接收部(56),接收运转指示信号;旋转式压缩机(8),具有电动机(1),该电动机具有线圈(3);逆变器(103),被连接于线圈(3);接线切换部(60),将线圈(3)的接线状态在第一接线状态与第二接线状态之间切换;以及控制装置(50),控制逆变器(103)以及接线切换部(60)。在信号接收部(56)接收到运转停止信号的情况下,接线切换部(60)将线圈(3)的接线状态从第一接线状态切换为第二接线状态。
Description
技术领域
本发明涉及具有电动机的空气调和机。
背景技术
关于空气调和机等所使用的电动机,为了提高低速旋转时以及高速旋转时的运转效率,将电动机的线圈的接线状态在Y接线(星形接线)与三角形接线(也称为三角接线或者Δ接线)之间切换(例如,参照专利文献1)。
具体而言,将电动机的转速与阈值相比较,在转速比阈值大的状态或者比阈值小的状态经过了一定时间的情况下,进行从Y接线切换为三角形接线的控制(例如,参照专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2009-216324号公报
专利文献2:日本特许第4619826号公报
发明内容
发明所要解决的问题
然而,在电动机的停止期间用于接线的继电器电路等发生了故障的情况下,在使电动机再次启动时,存在不能迅速地应对空调负荷的问题。
本发明是为解决上述课题而作出的,目的在于考虑到空调负荷而使电动机恰当地启动。
用于解决问题的方案
本发明的空气调和机具有:信号接收部,接收运转指示信号;压缩机,具有电动机,该电动机具有线圈;逆变器,被连接于线圈;接线切换部,将线圈的接线状态在第一接线状态与第二接线状态之间切换;以及控制部,控制逆变器以及所述切换部。在信号接收部接收到运转停止信号的情况下,接线切换部将线圈的接线状态从第一接线状态切换为第二接线状态。
发明的效果
根据本发明,由于在线圈的接线状态为恰当的状态下使电动机启动,因此能够考虑到空调负荷而使电动机恰当地启动。
附图说明
图1为示出实施方式1的电动机的结构的剖视图。
图2为示出实施方式1的旋转式压缩机的结构的剖视图。
图3为示出实施方式1的空气调和机的结构的框图。
图4为示出实施方式1的空气调和机的控制系统的基本结构的概念图。
图5为示出实施方式1的空气调和机的控制系统的框图(A)以及示出基于室内温度来控制压缩机的电动机的部分的框图(B)。
图6为示出实施方式1的驱动装置的结构的框图。
图7为示出实施方式1的驱动装置的结构的框图。
图8为示出实施方式1的线圈的接线状态的切换动作的示意图(A)以及(B)。
图9为示出实施方式1的线圈的接线状态的示意图。
图10为示出实施方式1的空气调和机的基本动作的流程图。
图11为示出实施方式1的空气调和机的接线切换动作的流程图。
图12为示出实施方式1的空气调和机的接线切换动作的流程图。
图13为示出实施方式1的空气调和机的接线切换动作的其他示例的流程图(A)以及(B)。
图14为示出实施方式1的空气调和机的动作的一个示例的时序图。
图15为示出在电动机中在通过Y接线对线圈进行了接线的情况下的线间电压与转速的关系的曲线图。
图16为示出在电动机中在通过Y接线对线圈进行了接线并进行了弱磁控制的情况下的线间电压与转速的关系的曲线图。
图17为示出在进行了图16所示的弱磁控制的情况下的电动机效率与转速的关系的曲线图。
图18为示出在进行了图16所示的弱磁控制的情况下的电动机转矩与转速的关系的曲线图。
图19为示出在将线圈的接线状态设为Y接线的情况与设为三角形接线的情况中的各个情况下的线间电压与转速的关系的曲线图。
图20为示出进行了从Y接线向三角形接线的切换的情况下的线间电压与转速的关系的曲线图。
图21为示出在将线圈的接线状态设为Y接线的情况与设为三角形接线的情况中的各个情况下的电动机效率与转速的关系的曲线图。
图22为示出将线圈的接线状态设为Y接线、以在比制热中间条件略小的转速处线间电压达到逆变器最大输出电压的方式调整匝数、从Y接线切换为三角形接线的情况下的电动机效率与转速的关系的曲线图。
图23为示出在将线圈的接线状态设为Y接线的情况与设为三角形接线的情况中的各个情况下的电动机转矩与转速的关系的曲线图。
图24为示出将线圈的接线状态设为Y接线、以在比制热中间条件略小的转速处线间电压达到逆变器最大输出电压的方式调整匝数、从Y接线切换为三角形接线的情况下的电动机转矩与转速的关系的曲线图。
图25为示出通过转换器切换了母线电压的情况下的线间电压与转速的关系的曲线图。
图26为示出在实施方式1中进行了线圈的接线状态的切换和转换器的母线电压的切换的情况下的线间电压与转速的关系的曲线图。
图27为示出在将线圈的接线状态设为Y接线的情况与设为三角形接线的情况中的各个情况下的电动机效率与转速的关系的曲线图。
图28为示出在实施方式1中进行了线圈的接线状态的切换和转换器的母线电压的切换的情况下的电动机效率与转速的关系的曲线图。
图29为示出在将线圈的接线状态设为Y接线的情况与设为三角形接线的情况中的各个情况下的电动机转矩与转速的关系的曲线图。
图30为示出在实施方式1中进行了线圈的接线状态的切换和转换器的母线电压的切换的情况下的电动机效率与转速的关系的曲线图。
图31为示出实施方式1的第一变形例中的电动机效率与转速的关系的曲线图(A)、(B)。
图32为示出实施方式1的第二变形例中的线间电压与转速的关系的曲线图。
图33为示出用于说明实施方式1的第三变形例的线圈的接线状态的切换动作的示意图(A)、(B)。
图34为示出用于说明实施方式1的第三变形例的线圈的接线状态的切换动作的其他示例的示意图(A)、(B)。
图35为示出实施方式1的第四变形例中的接线切换动作的流程图。
图36为示出实施方式1的第五变形例中的接线切换动作的流程图。
图37为示出实施方式2的空气调和机的结构的框图。
图38为示出实施方式2的空气调和机的控制系统的框图。
图39为示出实施方式2的驱动装置的控制系统的框图。
图40为示出实施方式2的空气调和机的基本动作的流程图。
图41为示出实施方式2的变形例的空气调和机的基本动作的流程图。
(附图标记说明)
1:电动机;3、3U、3V、3W:线圈;5、500:空气调和机;5A:室内机;5B:室外机;8:旋转式压缩机(压缩机);9:压缩机构;10:定子;11:定子铁芯;12:齿部;20:转子;21:转子铁芯;25:永磁体;41:压缩机;42:四通阀;43:室外热交换器;44:膨胀阀;45:室内热交换器;46:室外送风风扇;47:室内送风风扇;50:控制装置;50a:室内控制装置;50b:室外控制装置;50c:通信电缆;51:输入电路;52:运算电路;53:输出电路;54:室内温度传感器;55:遥控器;56:信号接收部;57:CPU;58:存储器;60:接线切换部;61、62、63:开关;71:压缩机温度传感器;80:壳;81:玻璃端子;85:排放管;90:轴;100、100a:驱动装置;101:电源;102:转换器;103:逆变器。
具体实施方式
实施方式1.
<电动机的结构>
对本发明的实施方式1进行说明。图1为示出本发明的实施方式1的电动机1的结构的剖视图。该电动机1为永磁体嵌入型电动机,被用于例如旋转式压缩机。电动机1具备定子10和以能够旋转的方式设置于定子10的内侧的转子20。在定子10与转子20之间形成有例如0.3~1mm的气隙。此外,图1为与转子20的旋转轴正交的面中的剖视图。
以下,将转子20的轴向(旋转轴的方向)简称为“轴向”。另外,将沿着定子10以及转子20的外周(圆周)的方向简称为“周向”。将定子10以及转子20的半径方向简称为“径向”。
定子10具备定子铁芯11和卷绕于定子铁芯11的线圈3。定子铁芯11为将厚度0.1~0.7mm(在此为0.35mm)的多个电磁钢板在旋转轴方向上层叠并通过铆接紧固而成。
定子铁芯11具有环状的轭部13和从轭部13向径向内侧突出的多个(在此为9个)齿部12。在相邻齿部12之间形成有槽。各齿部12在径向内侧的前端具有宽度(定子铁芯11的周向的尺寸)宽的齿顶部。
作为定子绕组的线圈3经由绝缘体(insulator)14被卷绕于各齿部12。线圈3为例如将线径(直径)为0.8mm的磁导线在各齿部12通过集中绕组卷绕110匝(110圈)而形成。根据电动机1所需的特性(转速、转矩等)、供给电压或者槽的截面积来决定线圈3的匝数以及线径。
线圈3包括U相、V相以及W相的三相绕组(称为线圈3U、3V、3W)。各相的线圈3的两个端子是开放的。即,线圈3具有合计6个端子。如后述,线圈3的接线状态构成为能够在Y接线与三角形接线之间切换。绝缘体14包括例如由PET(聚对苯二甲酸乙二酯)形成的膜,厚度为0.1~0.2mm。
定子铁芯11具有经由薄片部连结多个(在此为9个)块的结构。在将定子铁芯11展开为带状的状态下,将磁导线卷绕于各齿部12,之后将定子铁芯11弯曲为环状并焊接两端部。
像这样由薄膜构成绝缘体14、另外定子铁芯11采用分体结构以便于形成绕组,在增加槽内的线圈3的匝数上是有效的。此外,定子铁芯11不限于具有如上所述地连结多个块(分体铁芯)的结构。
转子20具有转子铁芯21和安装于转子铁芯21的永磁体25。转子铁芯21为将厚度0.1~0.7mm(在此为0.35mm)的多个电磁钢板在旋转轴方向上层叠并通过铆接紧固而成。
转子铁芯21具有圆筒形状,在其径向中心形成有轴孔27(中心孔)。成为转子20的旋转轴的轴(例如旋转式压缩机8的轴90)通过热套或者压入等被固定于轴孔27。
沿着转子铁芯21的外周面形成有插入永磁体25的多个(在此为6个)磁体插入孔22。磁体插入孔22为空隙,1个磁体插入孔22对应1个磁极。由于在此设置了6个磁体插入孔22,因此转子20整体为6极。
在此,磁体插入孔22具有周向的中央部向径向内侧突出的V字形状。此外,磁体插入孔22不限于V字形状,也可以为例如直的形状。
在1个磁体插入孔22内配置有2个永磁体25。即,针对1个磁极配置2个永磁体25。在此,由于如上所述转子20为6极,因此合计配置12个永磁体25。
永磁体25为在转子铁芯21的轴向长的平板状的部件,在转子铁芯21的周向具有宽度,在径向具有厚度。例如,永磁体25具有由以钕(Nd)、铁(Fe)以及硼(B)为主成分的稀土类磁体。
永磁体25在厚度方向被磁化。另外,被配置于1个磁体插入孔22内的2个永磁体25以相互地同一磁极向着径向的相同侧的方式被磁化。
在磁体插入孔22的周向两侧分别形成有磁通屏障26。磁通屏障26为与磁体插入孔22连续地形成的空隙。磁通屏障26用于抑制相邻磁极间的漏磁通(即,流过极间的磁通)。
在转子铁芯21中,在各磁体插入孔22的周向的中央部形成有作为突起的第一磁体保持部23。另外,在转子铁芯21中,在磁体插入孔22的周向的两端部别形成有作为突起的第二磁体保持部24。第一磁体保持部23以及第二磁体保持部24为在各磁体插入孔22内将永磁体25定位并保持的部件。
如上所述,定子10的槽数(即齿部12的数量)为9,转子20的极数为6。即,电动机1的转子20的极数与定子10的槽数之比为2:3。
在电动机1中,虽然线圈3的接线状态在Y接线与三角形接线之间切换,但是在使用三角形接线的情况下,存在循环电流流动从而电动机1的性能下降的可能性。循环电流是由各相的绕组中的感应电压所产生的三次谐波引起的。已知在作为极数与槽数之比为2:3的集中绕组的情况下,如果没有磁饱和等影响,则感应电压不产生三次谐波,从而不产生由循环电流所致的性能下降。
<旋转式压缩机的结构>
接下来,对使用电动机1的旋转式压缩机8进行说明。图2为示出旋转式压缩机8的结构的剖视图。旋转式压缩机8具备壳80、配设于壳80内的压缩机构9、驱动压缩机构9的电动机1。旋转式压缩机8还具有以能够传导动力的方式连结电动机1与压缩机构9的轴90(曲轴)。轴90嵌合于电动机1的转子20的轴孔27(图1)。
壳80为例如由钢板形成的密闭容器,覆盖电动机1以及压缩机构9。壳80具有上部壳80a和下部壳80b。在上部壳80a安装有作为用于将电力从旋转式压缩机8的外部供给至电动机1的端子部的玻璃端子81和用于将在旋转式压缩机8内被压缩的制冷剂排放至外部的排放管85。在此,从玻璃端子81引出了与电动机1(图1)的线圈3的U相、V相以及W相中的各相的各2根对应的合计6根引出线。在下部壳80b容纳有电动机1以及压缩机构9。
压缩机构9沿着轴90具有圆环状的第一汽缸91以及第二汽缸92。第一汽缸91以及第二汽缸92被固定于壳80(下部壳80b)的内周部。在第一汽缸91的内周侧配置有圆环状的第一活塞93,在第二汽缸92的内周侧配置有圆环状的第二活塞94。第一活塞93以及第二活塞94为与轴90一起旋转的旋转活塞。
在第一汽缸91与第二汽缸92之间设置有隔板97。隔板97为中央具有贯通孔的圆板状的部件。在第一汽缸91以及第二汽缸92的汽缸室设置有将汽缸室分为吸入侧与压缩侧的叶片(未图示)。第一汽缸91、第二汽缸92以及隔板97由螺栓98一体地固定。
在第一汽缸91的上侧,以堵塞第一汽缸91的汽缸室的上侧的方式配置有上部框架95。在第二汽缸92的下侧,以堵塞第二汽缸92的汽缸室的下侧的方式配置有下部框架96。上部框架95以及下部框架96以能够旋转的方式支承轴90。
在壳80的下部壳80b的底部贮存有润滑压缩机构9的各滑动部的冷冻机油(未图示)。冷冻机油在形成于轴90的内部的在轴向上的孔90a内上升,从形成于轴90的多个部位的供油孔90b被供给至各滑动部。
电动机1的定子10通过热套被安装于壳80的内侧。将电力从安装于上部壳80a的玻璃端子81供给至定子10的线圈3。轴90被固定于转子20的轴孔27(图1)。
储藏制冷剂气体的蓄能器(accumulator)87被安装于壳80。蓄能器87被例如设置于下部壳80b的外侧的保持部80c保持。一对吸入管88、89被安装于壳80,经由该吸入管88、89将制冷剂气体从蓄能器87供给至汽缸91、92。
作为制冷剂,可以使用例如R410A、R407C或者R22等,但是从防止地球变暖的观点来看,优选地使用低GWP(地球变暖系数)的制冷剂。作为低GWP的制冷剂,例如能够使用以下的制冷剂。
(1)首先,能够使用组成中具有碳双键的卤代烃,例如HFO(HYdro-Fluoro-Orefin,氢氟烯烃)-1234yf(CF3CF=CH2)。HFO-1234yf的GWP为4。
(2)另外,也可以使用组成中具有碳双键的烃,例如R1270(propylene,丙烯)。R1270的GWP为3,比HFO-1234yf低,但是可燃性比HFO-1234yf高。
(3)另外,也可以使用包含组成中具有碳双键的卤代烃或者组成中具有碳双键的烃中的至少任意成分的混合物,例如HFO-1234yf与R32的混合物。上述的HFO-1234yf为低压制冷剂,因此具有压力损失大的倾向,可能导致制冷循环(尤其是蒸发器)的性能下降。因此,实用上优选地使用作为比HFO-1234yf高压的制冷剂的R32或者R41的混合物。
旋转式压缩机8的基本动作如下。从蓄能器87供给的制冷剂气体通过了吸入管88、89而被供给至第一汽缸91以及第二汽缸92的各汽缸室。在驱动了电动机1从而转子20旋转时,轴90与转子20一起旋转。然后,嵌合于轴90的第一活塞93以及第二活塞94在各汽缸室内偏心旋转,在各汽缸室内压缩制冷剂。压缩的制冷剂通过了被设置于电动机1的转子20的洞(未图示)在壳80内上升,从排放管85被排放至外部。
<空气调和机的结构>
接下来,对实施方式1的包含驱动装置的空气调和机5进行说明。图3为示出空气调和机5的结构的框图。空气调和机5具备被设置于室内(空调对象空间)的室内机5A和被设置于屋外的室外机5B。室内机5A和室外机5B被流过制冷剂的连接配管40a、40b连接。通过了冷凝器的液态制冷剂流过连接配管40a。通过了蒸发器的气体制冷剂流过连接配管40b。
室外机5B配设有压缩、排放制冷剂的压缩机41、切换制冷剂的流动方向的四通阀(制冷剂流路切换阀)42、进行外部空气与制冷剂的热交换的室外热交换器43和将高压的制冷剂减压至低压的膨胀阀(减压装置)44。压缩机41包括上述的旋转式压缩机8(图2)。室内机5A配置有进行室内空气与制冷剂的热交换的室内热交换器45。
这些压缩机41、四通阀42、室外热交换器43、膨胀阀44以及室内热交换器45被包含上述连接配管40a、40b的配管40连接,构成制冷剂回路。利用压缩机41使制冷剂循环的压缩式制冷循环(压缩式热泵循环)包括这些结构要素。
为了控制空气调和机5的运转,室内机5A配置有室内控制装置50a,室外机5B配置有室外控制装置50b。室内控制装置50a以及室外控制装置50b分别具有控制基板,该控制基板形成有用于控制空气调和机5的各种电路。室内控制装置50a与室外控制装置50b通过通信电缆50c相互地连接。通信电缆50c与上述的连接配管40a、40b捆扎在一起。
在室外机5B中以与室外热交换器43对置的方式配置有作为送风机的室外送风风扇46。室外送风风扇46通过旋转产生通过室外热交换器43的空气流。室外送风风扇46包括例如螺旋桨式风扇。
四通阀42由室外控制装置50b控制,切换制冷剂的流动方向。在四通阀42处于图3中以实线示出的位置时,将从压缩机41排放出的气体制冷剂送至室外热交换器43(冷凝器)。另一方面,在四通阀42处于图3中以虚线示出的位置时,将从室外热交换器43(蒸发器)流入的气体制冷剂送至压缩机41。膨胀阀44由室外控制装置50b控制,通过变更开度来将高压的制冷剂减压至低压。
在室内机5A中以与室内热交换器45对置的方式配置有作为送风机的室内送风风扇47。室内送风风扇47通过旋转产生通过室内热交换器45的空气流。室内送风风扇47包括例如横流风扇。
在室内机5A中设置有作为温度传感器的室内温度传感器54,该温度传感器测定作为室内(空调对象空间)的空气温度的室内温度Ta并将测定出的温度信息(信息信号)送至室内控制装置50a。室内温度传感器54可以包括用于一般的空气调和机的温度传感器,也可以使用检测室内的墙壁或者地板等的表面温度的辐射温度传感器。
在室内机5A中还设置有信号接收部56,该信号接收部56接收从用户操作的遥控器55(远程操作装置)发送出的指示信号(运转指示信号)。遥控器55为用户对空气调和机5进行运转输入(运转开始以及停止)或者运转内容(设定温度、风速等)的指示的设备。
压缩机41构成为在通常运转时在20~130rps范围内变更运转转速。伴随着压缩机41的转速的增加,制冷剂回路的制冷剂循环量也增加。控制装置50(更具体而言,为室外控制装置50b)根据由室内温度传感器54得到的当前的室内温度Ta与用户通过遥控器55设定的设定温度Ts的温度差ΔT,控制压缩机41的转速。温度差ΔT越大则压缩机41越高速旋转,从而使制冷剂的循环量增加。
室内送风风扇47的旋转由室内控制装置50a控制。室内送风风扇47的转速能够切换至多个阶段。在此,能够将转速切换至例如强风、中风以及弱风三个阶段。另外,在通过遥控器55将风速设定设定为自动模式的情况下,根据测定出的室内温度Ta与设定温度Ts的温度差ΔT,切换室内送风风扇47的转速。
室外送风风扇46的旋转由室外控制装置50b控制。室外送风风扇46的转速能够切换至多个阶段。在此,根据测定出的室内温度Ta与设定温度Ts的温度差ΔT,切换室外送风风扇46的转速。
室内机5A还具备左右风向板48和上下风向板49。左右风向板48以及上下风向板49用于变更将通过室内热交换器45进行了热交换的调和空气由室内送风风扇47吹出至室内时的吹出方向。左右风向板48将吹出方向向左右变更,上下风向板49将吹出方向向上下变更。室内控制装置50a基于遥控器55的设定来控制左右风向板48以及上下风向板49中的各个风向板的角度,即吹出气流的风向。
空气调和机5的基本动作如下所述。在制冷运转时,四通阀42被切换为以实线示出的位置,从压缩机41排放出的高温高压的气体制冷剂流入室外热交换器43。在该情况下,室外热交换器43作为冷凝器而动作。当利用室外送风风扇46的旋转而空气通过室外热交换器43时,通过热交换带走制冷剂的冷凝热。制冷剂冷凝成为高压低温的液态制冷剂,通过膨胀阀44绝热膨胀而成为低压低温的二相制冷剂。
通过了膨胀阀44的制冷剂流入至室内机5A的室内热交换器45。室内热交换器45作为蒸发器而动作。当利用室内送风风扇47的旋转而空气通过室内热交换器45时,通过热交换带走制冷剂的蒸发热,据此将冷却后的空气供给至室内。制冷剂蒸发成为低温低压的气体制冷剂,通过压缩机41再次压缩为高温高压的制冷剂。
在制热运转时,四通阀42被切换为以点线示出的位置,从压缩机41排放的高温高压的气体制冷剂流入至室内热交换器45。在该情况下,室内热交换器45作为冷凝器而动作。当利用室内送风风扇47的旋转而空气通过室内热交换器45时,通过热交换带走制冷剂的冷凝热,据此将加热后的空气供给至室内。另外,制冷剂冷凝成为高压低温的液态制冷剂,通过膨胀阀44绝热膨胀而成为低压低温的二相制冷剂。
通过了膨胀阀44的制冷剂,流入至室外机5B的室外热交换器43。室外热交换器43作为蒸发器而动作。当利用室外送风风扇46的旋转而空气通过室外热交换器43时,通过热交换带走制冷剂的蒸发热。制冷剂蒸发成为低温低压的气体制冷剂,通过压缩机41再次压缩为高温高压的制冷剂。
图4为示出空气调和机5的控制系统的基本结构的概念图。上述的室内控制装置50a和室外控制装置50b经由通信电缆50c相互交换信息并控制空气调和机5。在此,将室内控制装置50a和室外控制装置50b统称为控制装置50。
图5(A)为示出空气调和机5的控制系统的框图。控制装置50包括例如微型计算机。控制装置50中嵌入有输入电路51、运算电路52以及输出电路53。
信号接收部56从遥控器55接收到的指示信号被输入至输入电路51。指示信号包含例如设定运转输入、运转模式、设定温度、风量或者风向的信号。表示室内温度传感器54检测出的室内的温度的温度信息也被输入至输入电路51。输入电路51将输入的这些信息输出至运算电路52。
运算电路52具有CPU(Central Processing Unit,中央处理单元)57和存储器58。CPU57进行运算处理以及判断处理。存储器58存储有用于空气调和机5的控制的各种设定值以及程序。运算电路52基于从输入电路51输入的信息来进行运算以及判断,将其结果输出至输出电路53。
输出电路53基于从运算电路52输入的信息,将控制信号输出至压缩机41、接线切换部60(后述)、转换器102、逆变器103、压缩机41、四通阀42、膨胀阀44、室外送风风扇46、室内送风风扇47、左右风向板48以及上下风向板49。
如上所述,由于室内控制装置50a以及室外控制装置50b(图4)经由通信电缆50c相互交换信息,从而控制室内机5A以及室外机5B的各种设备,在此将室内控制装置50a和室外控制装置50b合并表述为控制装置50。实际上,室内控制装置50a以及室外控制装置50b的各个装置包括微型计算机。此外,也可以仅在室内机5A以及室外机5B中的任意方装配控制装置,来控制室内机5A以及室外机5B的各种设备。
图5(B)为示出在控制装置50中,基于室内温度Ta来控制压缩机41的电动机1的部分的框图。控制装置50的运算电路52具备接收内容解析部52a、室内温度取得部52b、温度差计算部52c和压缩机控制部52d。这些被包含于例如运算电路52的CPU57中。
接收内容解析部52a解析从遥控器55经过信号接收部56以及输入电路51输入的指示信号。接收内容解析部52a基于解析结果将例如运转模式以及设定温度Ts输出至温度差计算部52c。室内温度取得部52b取得从室内温度传感器54经过输入电路51输入的室内温度Ta,并输出至温度差计算部52c。
温度差计算部52c计算从室内温度取得部52b输入的室内温度Ta与从接收内容解析部52a输入的设定温度Ts的温度差ΔT。在从接收内容解析部52a输入的运转模式为制热运转的情况下,通过温度差ΔT=Ts-Ta来进行计算。在运转模式为制冷运转的情况下,通过温度差ΔT=Ta-Ts来进行计算。温度差计算部52c将计算出的温度差ΔT输出至压缩机控制部52d。
压缩机控制部52d基于从温度差计算部52c输入的温度差ΔT来控制驱动装置100,据此控制电动机1的转速(即压缩机41的转速)。
<驱动装置的结构>
接下来,对驱动电动机1的驱动装置100进行说明。图6为示出驱动装置100的结构的框图。驱动装置100构成为具备:转换器102,对电源101的输出进行整流;逆变器103,将交流电压输出至电动机1的线圈3;接线切换部60,切换线圈3的接线状态;以及控制装置50。从作为交流(AC)电源的电源101向转换器102供给电力。
电源101为例如200V(有效电压)的交流电源。转换器102为整流电路,输出例如280V的直流(DC)电压。将从转换器102输出的电压称为母线电压。母线电压被从转换器102供给至逆变器103,逆变器103将线间电压(也称为电动机电压)输出至电动机1的线圈3。分别连接于线圈3U、3V、3W的布线104、105、106与逆变器103连接。
线圈3U具有端子31U、32U。线圈3V具有端子31V、32V。线圈3W具有端子31W、32W。布线104与线圈3U的端子31U连接。布线105与线圈3V的端子31V连接。布线106与线圈3W的端子31W连接。
接线切换部60具有开关61、62、63。开关61将线圈3U的端子32U与布线105以及中性点33中的任意方连接。开关62将线圈3V的端子32V与布线106以及中性点33中的任意方连接。开关63将线圈3V的端子32W与布线104以及中性点33中的任意方连接。在此,接线切换部60的开关61、62、63包括继电器触点。但是,也可以包括半导体开关。
控制装置50控制转换器102、逆变器103以及接线切换部60。控制装置50的结构为参照图5所说明的结构。信号接收部56接收到的来自遥控器55的运转指示信号和室内温度传感器54检测出的室内温度被输入至控制装置50。控制装置50基于这些输入信息,将电压切换信号输出至转换器102,将逆变器驱动信号输出至逆变器103,将接线切换信号输出至接线切换部60。
在图6所示的状态下,开关61将线圈3U的端子32U与中性点33连接,开关62将线圈3V的端子32V与中性点33连接,开关63将线圈3W的端子32W与中性点33连接。即,线圈3U、3V、3W的端子31U、31V、31W与逆变器103连接,端子32U、32V、32W与中性点33连接。
图7为示出在驱动装置100中,接线切换部60的开关61、62、63被切换后的状态的框图。在图7所示的状态下,开关61将线圈3U的端子32U与布线105连接,开关62将线圈3V的端子32V与布线106连接,开关63将线圈3W的端子32W与布线104连接。
图8(A)为示出在开关61、62、63为图6所示的状态时的线圈3U、3V、3W的接线状态的示意图。线圈3U、3V、3W在各自的端子32U、32V、32W处与中性点33连接。因此,线圈3U、3V、3W的接线状态成为Y接线(星形接线)。
图8(B)为示出在开关61、62、63为图7所示的状态时的线圈3U、3V、3W的接线状态的示意图。线圈3U的端子32U经由布线105(图7)与线圈3V的端子31V连接。线圈3V的端子32V经由布线106(图7)与线圈3W的端子31W连接。线圈3W的端子32W经由布线104(图7)与线圈3U的端子31U连接。因此,线圈3U、3V、3W的接线状态成为三角形接线(三角接线)。
如此,接线切换部60通过开关61、62、63的切换,能够将电动机1的线圈3U、3V、3W的接线状态在Y接线(第一接线状态)以及三角形接线(第二接线状态)之间切换。
图9为示出线圈3U、3V、3W各自的线圈部分的示意图。如上所述,电动机1具有9个齿部12(图1),线圈3U、3V、3W被分别缠绕于3个齿部12。即,线圈3U为将缠绕于3个齿部12的U相的线圈部分Ua、Ub、Uc串联连接而成。同样地,线圈3V为将缠绕于3个齿部12的V相的线圈部分Va、Vb、Vc串联连接而成。另外,线圈3W为将缠绕于3个齿部12的W相的线圈部分Wa、Wb、Wc串联连接而成。
<空气调和机的动作>
图10~12为示出空气调和机5的基本动作的流程图。空气调和机5的控制装置50通过由信号接收部56从遥控器55接收启动信号,从而开始运转(步骤S101)。在此,控制装置50的CPU57启动。如后述,由于空气调和机5在前次结束时将线圈3的接线状态切换为三角形接线并结束,因此在运转开始时(启动时)线圈3的接线状态为三角形接线。
接下来,控制装置50进行空气调和机5的启动处理(步骤S102)。具体而言,例如,驱动室内送风风扇47以及室外送风风扇46的各风扇马达。
接下来,控制装置50将电压切换信号输出至转换器102,将转换器102的母线电压升压至与三角形接线对应的母线电压(例如390V)(步骤S103)。转换器102的母线电压为从逆变器103施加于电动机1的最大电压。
接下来,控制装置50启动电动机1(步骤S104)。据此,电动机1在线圈3的接线状态为三角形接线的状态下被启动。另外,控制装置50控制逆变器103的输出电压,控制电动机1的转速。
具体而言,控制装置50根据温度差ΔT,使电动机1的转速以预先设定的速度阶段地上升。电动机1的旋转速度的允许最大转速为例如130rps。据此,使压缩机41的制冷剂循环量增加,在制冷运转的情况下提高制冷能力,在制热运转的情况下提高制热能力。
另外,当室内温度Ta由于空调效果而接近设定温度Ts,温度差ΔT示出减少的倾向时,控制装置50根据温度差ΔT使电动机1的转速降低。当温度差ΔT降低至预先设定的接近零的温度(但大于0)时,控制装置50以允许最小转速(例如20rps)运转电动机1。
另外,在室内温度Ta达到设定温度Ts的情况(即温度差ΔT为0以下的情况)下,控制装置50停止电动机1的旋转以防止过度制冷(或者过度制热)。据此,压缩机41变成停止的状态。然后,在温度差ΔT再次变得大于0的情况下,控制装置50重新开始电动机1的旋转。此外,为了不在短时间内重复电动机1的旋转和停止,控制装置50限制电动机1的短时间内的重新开始旋转。
另外,当电动机1的转速达到预先设定的转速时,逆变器103开始弱磁控制。关于弱磁控制,参照图15~30后述。
控制装置50判断是否从遥控器55经由信号接收部56接收到运转停止信号(空气调和机5的运转停止信号)(步骤S105)。在未接收到运转停止信号的情况下,进入步骤S106。另一方面,在接收到运转停止信号的情况下,控制装置50进入步骤S109。
控制装置50取得由室内温度传感器54检测出的室内温度Ta与通过遥控器55设定的设定温度Ts的温度差ΔT(步骤S106),基于该温度差ΔT判断将线圈3从三角形接线向Y接线的切换的必要性。即,判断是否线圈3的接线状态为三角形接线且上述的温度差ΔT的绝对值为阈值ΔTr以下(步骤S107)。阈值ΔTr为与小到足以切换为Y接线的空调负荷(也简称为“负荷”)相当的温度差。
如上所述,由于在运转模式为制热运转的情况下将ΔT表示为ΔT=Ts-Ta,为制冷运转的情况下表示为ΔT=Ta-Ts,因此在此将ΔT的绝对值与阈值ΔTr进行比较来判断切换为Y接线的必要性。
如果步骤S107中的比较的结果是线圈3的接线状态为三角形接线且温度差ΔT的绝对值为阈值ΔTr以下,则进入步骤S121(图11)。
如图11所示,在步骤S121中,控制装置50将停止信号输出至逆变器103,来停止电动机1的旋转。之后,控制装置50将接线切换信号输出至接线切换部60,来将线圈3的接线状态从三角形接线切换为Y接线(步骤S122)。接下来,控制装置50将电压切换信号输出至转换器102,将转换器102的母线电压降压至与Y接线对应的电压(280V)(步骤S123),重新开始电动机1的旋转(步骤S124)。之后,返回上述的步骤S105(图10)。
在上述步骤S107中的比较的结果是线圈3的接线状态不是三角形接线的情况(为Y接线的情况)或者温度差ΔT的绝对值大于阈值ΔTr的情况(即不需要切换为Y接线的情况)下,进入步骤S108。
在步骤S108中,判断从Y接线向三角形接线的切换的必要性。即,判断是否线圈3的接线状态为Y接线且上述的温度差ΔT的绝对值大于阈值ΔTr。
如果步骤S108中的比较的结果是线圈3的接线状态为Y接线且温度差ΔT的绝对值大于阈值ΔTr,则进入步骤S131(图12)。
如图12所示,在步骤S131中,控制装置50停止电动机1的旋转。之后,控制装置50将接线切换信号输出至接线切换部60,将线圈3的接线状态从Y接线切换为三角形接线(步骤S132)。接下来,控制装置50将电压切换信号输出至转换器102,将转换器102的母线电压升压至与三角形接线对应的电压(390V)(步骤S133),重新开始电动机1的旋转(步骤S134)。
在三角形接线的情况下,由于与Y接线相比能够以更高的转速驱动电动机1,因此能够对应更大的负荷。因此,能够在短时间内使室内温度与设定温度的温度差ΔT收敛。之后,返回上述的步骤S105(图10)。
在上述步骤S108中的比较的结果是线圈3的接线状态不是Y接线的情况(是三角形接线的情况)或者温度差ΔT的绝对值为阈值ΔTr以下的情况(即不需要切换为三角形接线的情况)下,返回步骤S105。
在上述的步骤S105中接收到运转停止信号的情况下,停止电动机1的旋转(步骤S109)。之后,控制装置50将线圈3的接线状态从Y接线切换为三角形接线(步骤S110)。在线圈3的接线状态已经为三角形接线的情况下,维持该接线状态。此外,虽然在图10中省略了,但是即使在步骤S106~S108之间,在接收到运转停止信号的情况下,也进入步骤S109来停止电动机1的旋转。
之后,控制装置50进行空气调和机5的停止处理(步骤S111)。具体而言,停止室内送风风扇47以及室外送风风扇46的各风扇马达。之后,控制装置50的CPU57停止,空气调和机5的运转结束。
如以上所述,在室内温度Ta与设定温度Ts的温度差ΔT的绝对值比较小的情况(即为阈值ΔTr以下的情况)下,通过高效率的Y接线运转电动机1。然后,在需要应对更大的负荷的情况下,即在温度差ΔT的绝对值大于阈值ΔTr的情况下,通过能够应对更大的负荷的三角形接线运转电动机1。因此,能够提高空气调和机5的运转效率。
此外,在从Y接线向三角形接线的切换动作(图12)中,如图13(A)所示,也可以在停止电动机1的旋转的步骤S131之前检测电动机1的转速(步骤S135),判断检测出的转速是否为阈值(转速的基准值)以上(步骤S136)。检测电动机1的转速,作为逆变器103的输出电流的频率。
在步骤S136中,作为电动机1的转速的阈值,使用例如和后述的制热中间条件相当的转速35rps与和制热额定条件相当的转速85rps的中间的60rps。如果电动机1的转速为阈值以上,则停止电动机1的旋转并进行向三角形接线的切换,将转换器102的母线电压升压(步骤S131、S132、S133)。如果电动机1的转速小于阈值,则返回图10的步骤S105。
除了像这样地基于温度差ΔT的接线切换必要性的判断(步骤S108)之外,还基于电动机1的转速来进行接线切换必要性的判断,从而能够可靠地抑制频繁地重复接线切换。
另外,如图13(B)所示,也可以在停止电动机1的旋转的步骤S131之前检测逆变器103的输出电压(步骤S137),判断检测出的输出电压是否为阈值(输出电压的基准值)以上(步骤S138)。
在图13(A)以及(B)中,示出了从Y接线向三角形接线的切换动作,但是也可以在从三角形接线向Y接线的切换时,进行基于电动机1的转速或者逆变器103的输出电压的判断。
图14为示出空气调和机5的动作的一个示例的时序图。在图14中示出了空气调和机5的运转状态和室外送风风扇46以及电动机1(压缩机41)的驱动状态。作为空气调和机5的电动机1以外的结构要素的一个示例示出了室外送风风扇46。
通过信号接收部56从遥控器55接收运转启动信号(ON指令),CPU57启动,空气调和机5成为启动状态(ON状态)。当空气调和机5成为启动状态时,经过了时间t0之后,室外送风风扇46的风扇马达开始旋转。时间t0为由室内机5A与室外机5B之间的通信所导致的延迟时间。
空气调和机5启动后,在经过了时间t1之后,开始通过三角形接线的电动机1的旋转。时间t1为在室外送风风扇46的风扇马达的旋转稳定之前的等待时间。在电动机1的旋转开始之前使室外送风风扇46旋转,从而防止制冷循环的温度上升到超过必要的程度。
在图14的示例中,进行从三角形接线向Y接线的切换,在进一步地进行了从Y接线向三角形接线的切换之后,从遥控器55接收运转停止信号(OFF指令)。接线的切换所需的时间t2为电动机1的再启动所需要的等待时间,被设定为制冷循环中的制冷剂压力变得大致均匀为止所需要的时间。
当从遥控器55接收到运转停止信号时,电动机1的旋转停止,之后,在经过了时间t3后室外送风风扇46的风扇马达的旋转停止。时间t3为用于使制冷循环的温度充分降低所需要的等待时间。之后,在经过了时间t4之后,CPU57停止,空气调和机5成为运转停止状态(OFF状态)。时间t4为预先设定的等待时间。
<关于基于温度检测的接线切换>
在以上的空气调和机5的动作中,对于线圈3的接线状态的切换必要性的判断(步骤S107、S108)也能够基于例如电动机1的旋转速度或者逆变器输出电压来判断。但是,由于存在电动机1的旋转速度在短时间内发生变动的可能性,因此需要判断旋转速度为阈值以下(或者阈值以上)的状态是否持续一定时间。关于逆变器输出电压也是同样的。
尤其地,在遥控器55的设定温度被大幅变更的情况下,或者在由于打开了房间的窗户等导致空气调和机5的负荷产生了急剧变化的情况下,在线圈3的接线状态的切换必要性的判断需要时间时,压缩机41的运转状态针对负荷变动的应对迟缓。其结果,可能会降低空气调和机5的舒适性。
对此,在该实施方式中,将由室内温度传感器54检测出的室内温度Ta与设定温度Ts的温度差ΔT(绝对值)和阈值比较。由于温度在短时间内的变动少,因此不需要持续进行温度差ΔT的检测以及与阈值的比较,因此能够在短时间内进行接线切换必要性的判断。因此,能够使压缩机41的运转状态迅速地应对负荷变动,从而提高空气调和机5的舒适性。
此外,在上述的空气调和机5的动作中,持续进行从三角形接线向Y接线的切换必要性的判断(步骤S107)和从Y接线向三角形接线的切换的必要性的判断(步骤S108),但是进行从三角形接线向Y接线的切换为空调负荷降低(室内温度接近设定温度)的情况,由于之后空调负荷突然增加的可能性低,因此不易产生频繁进行接线的切换的事态。
另外,在上述的空气调和机5的动作中,在停止了电动机1的旋转的状态(即停止了逆变器103的输出的状态)下进行线圈3的接线状态的切换(步骤S122、S132)。虽然能够在持续进行向电动机1的电力供给的同时切换线圈3的接线状态,但是从构成接线切换部60的开关61、62、63(图6)的继电器触点的可靠性的观点而言,优选在停止了向电动机1的电力供给的状态下进行切换。
此外,在使电动机1的转速充分地降低的状态下进行线圈3的接线状态的切换,之后也能够返回到原来的转速。
另外,在此为接线切换部60的开关61、62、63包括继电器触点,但是在包括半导体开关的情况下,在线圈3的接线状态的切换时不需要停止电动机1的旋转。
另外,也可以在重复了多次室内温度Ta与设定温度Ts的温度差ΔT(绝对值)成为阈值ΔTr以下的状态(预先设定的次数)的情况下,切换线圈3的接线状态。以这样的方式能够抑制由小的温度变化导致重复接线切换。
此外,如上所述,在室内温度与设定温度的温度差ΔT成为0以下(ΔT≤0)时,控制装置50为了防止过度制冷(或者过度制热)而停止电动机1的旋转,但是也可以在该定时将线圈3的接线状态从三角形接线切换为Y接线。具体而言,在上述的步骤S107中判断温度差ΔT是否为0以下,在温度差ΔT为0以下的情况下停止电动机1的旋转,将线圈3的接线状态切换为Y接线即可。
另外,在上述的空气调和机5的动作中,在从Y接线向三角形接线的切换时,由于将转换器102的母线电压升压,因此能够通过电动机1产生高的转矩。因此,能够使室内温度与设定温度的差ΔT在更短时间内收敛。关于转换器102的母线电压的升压后述。
<关于启动时的接线状态>
如上所述,实施方式1的空气调和机5在接收运转启动信号启动电动机1时,将线圈3的接线状态设为三角形接线来开始控制。另外,在空气调和机5的运转停止时,将线圈3的接线状态切换为三角形接线。
在空气调和机5的运转开始时难以准确地检测空调负荷。尤其地,在空气调和机5的运转开始时,室内温度与设定温度的差大,空调负荷一般比较大。于是,在该实施方式1中,在将线圈3的接线状态设为能够应对更大的负荷(即,能够旋转至更高转速的)的三角形接线的状态下,启动电动机1。据此,在空气调和机5的运转开始时,能够使室内温度Ta与设定温度Ts的差ΔT在更短时间内收敛。
另外,即使在长时间停止空气调和机5、在停止期间接线切换部60发生异常(例如,开关61~63的继电器粘附而变得无法动作等)的情况下,由于在空气调和机5的运转停止前进行了从Y接线向三角形接线的切换,因此也能够通过三角形接线启动电动机1。因此,能够防止空气调和机5的能力的降低,不会损失舒适性。
此外,在将线圈3的接线状态设为三角形接线来启动电动机1、不进行向Y接线的切换的情况下,能够得到与作为线圈的接线状态总是三角形接线的(不具有接线切换功能)一般的电动机同等的电动机效率。
<电动机效率以及电动机转矩>
接下来,对电动机效率以及电动机转矩的改善进行说明。一般而言,家庭用的空气调和机作为节约能源法的限制对象,从地球环境的观点来看必须削减CO2排放。随着技术的进步,压缩机的压缩效率、压缩机的电动机的运转效率以及热交换器的热传导率等得到改善,空气调和机的能源消耗效率COP(Coefficient Of Performance)逐年提高,也降低了运行成本(功耗)以及CO2排放量。
COP用于评价在特定的温度条件下运转时的性能,不考虑与季节相应的空气调和机的运转状况。然而,在空气调和机的实际使用时,随着外部空气温度的变化,制冷或者制热所需要的能力以及功耗发生变化。于是,为了进行在接近实际使用时的状态下的评价,使用APF(Annual Performance Factor:全年能源消耗效率)作为节约能源的指标,该APF是指确定某模型示例,计算全年的综合负荷和总功耗量,求出效率。
尤其地,在当前主流的逆变器电动机中,由于能力根据压缩机的转速而变化,因此仅在额定条件下进行接近实际的使用的评价存在问题。
家庭用的空气调和机的APF根据制冷额定、制冷中间、制热额定、制热中间以及制热低温这5个评价点计算与全年综合负荷相应的功耗量。该值越大评价为节约能源性越高。
作为全年综合负荷的细分内容,制热中间条件的比率非常大(50%),其次制热额定条件的比率大(25%)。因此,在制热中间条件与制热额定条件下提高电动机效率,在空气调和机的节约能源性的提高方面是有效的。
APF的评价负荷条件中的压缩机的电动机的转速根据空气调和机的能力以及热交换器的性能而变化。例如,在制冷能力6.3kW的家庭用空气调和机中,制热中间条件下的转速N1(第一转速)为35rps,制热额定条件下的转速N2(第二转速)为85rps。
该实施方式的电动机1的目的在于,在与制热中间条件相当的转速N1以及与制热额定条件相当的转速N2中,获得高电动机效率以及电动机转矩。即,作为性能改善的对象的2个负荷条件中的低速侧的转速为N1,高速侧的转速为N2。
在转子20中装配有永磁体25的电动机1中,当转子20旋转时,永磁体25的磁通与定子10的线圈3交链,线圈3中产生感应电压。感应电压与转子20的转速(旋转速度)成比例,另外也与线圈3的匝数成比例。电动机1的转速越大,线圈3的匝数越多,感应电压变得越大。
从逆变器103输出的线间电压(电动机电压)等于上述的感应电压与由线圈3的电阻以及电感产生的电压之和。由于线圈3的电阻以及电感与感应电压相比较小到可以忽略的程度,因此实际上线间电压受感应电压支配。另外,电动机1的磁体转矩与感应电压和流过线圈3的电流之积成比例。
线圈3的匝数越多则感应电压越高。因此,线圈3的匝数越多,则用于产生需要的磁体转矩的电流越少。其结果是能够减少逆变器103的通电所导致的损失,从而提高电动机1的运转效率。另一方面,随着感应电压的上升,感应电压所支配的线间电压在更低的转速处达到逆变器最大输出电压(即从转换器102供给至逆变器103的母线电压),无法将转速提高至更快。
另外,由于当线圈3的匝数变少时,感应电压降低,因此感应电压所支配的线间电压即使在更高的转速下也不会达到逆变器最大输出电压,能够高速旋转。然而,随着感应电压的降低,由于用于产生需要的磁体转矩的电流增加,因此由逆变器103的通电所导致的损失增加,电动机1的运转效率降低。
另外,从逆变器103的开关频率的观点而言,在线间电压接近逆变器最大输出电压的情况下,由于由逆变器103的开关的ON/OFF占空比所引起的谐波分量降低,因此更能够减少由电流的谐波分量引起的铁损。
图15以及图16为示出电动机1的线间电压与转速的关系的曲线图。设线圈3的接线状态为Y接线。线间电压与励磁磁场和转速之积成比例。如图15所示,如果励磁磁场为恒定,则线间电压与转速成比例。此外,在图15中,转速N1与制热中间条件对应,转速N2与制热额定条件对应。
虽然随着转速的增加,线间电压也增加,但是如图16所示,当线间电压达到逆变器最大输出电压时,由于无法将线间电压升高至更高,因此开始由逆变器103进行的弱磁控制。在此,设为在转速N1、N2之间的转速处开始弱磁控制。
在弱磁控制中,将d轴相位(抵消永磁体25的磁通的方向)的电流流过线圈3,从而减弱感应电压。将该电流称为弱化电流。由于除了用于产生通常的电动机转矩的电流之外,还需要流过弱化电流,因此由线圈3的电阻所引起的铜损增加,逆变器103的通电损失也增加。
图17为示出进行了图16所示的弱磁控制的情况下的电动机效率与转速的关系的曲线图。如图17所示,电动机效率随着转速增加而增加,在刚开始了弱磁控制之后,如以箭头P所示电动机效率达到顶峰。
当转速进一步地增加时,由于流过线圈3的弱化电流也增加,由此导致的铜损增加,电动机效率降低。此外,在作为电动机效率与逆变器效率之积的综合效率中,可见与图17同样的曲线所表示的变化。
图18为示出进行了图16所示的弱磁控制的情况下的电动机的最大转矩与转速的关系的曲线图。在开始弱磁控制之前,电动机的最大转矩是恒定的(例如由于电流阈值的制约)。当开始弱磁控制时,随着转速的增加,电动机1的最大转矩降低。电动机1的最大转矩设定得比在产品使用时电动机1实际产生的负荷(所需负荷)大。以下为了便于说明,将电动机的最大转矩称为电动机转矩。
图19为分别针对Y接线与三角形接线,示出线间电压与转速的关系的曲线图。当匝数相同时,线圈3的接线状态为三角形接线的情况下的线圈3的相阻抗成为线圈3的接线状态为Y接线的情况下的倍。因此,当转速相同时,线圈3的接线状态为三角形接线的情况下的相间电压(单点划线)成为线圈3的接线状态为Y接线的情况下的相间电压(实线)的倍。
即,在将线圈3以三角形接线进行接线的情况下,如果将匝数设为Y接线的情况下的倍,则相对于相同转速N,线间电压(电动机电压)变得与Y接线的情况下等价,从而逆变器103的输出电流也变得与Y接线的情况下等价。
在齿的匝数为数十匝以上的电动机中,由于下列理由,相比三角形接线,采用Y接线的情形更多。一个理由是,由于三角形接线与Y接线相比线圈的匝数多,因此在制造工艺中线圈的卷绕所需的时间变长。另一个理由是,在三角形接线的情况下存在产生循环电流的可能性。
一般而言,在采用Y接线的电动机中,在转速N2(即,作为性能提高的对象的转速中的高速侧的转速)处,以线间电压(电动机电压)达到逆变器最大输出电压的方式调整线圈的匝数。然而,在该情况下,在转速N1(即,作为性能提高的对象的转速中的低速侧的转速)处,变为在线间电压比逆变器最大输出电压低的状态下运转电动机,难以得到高的电动机效率。
于是,将线圈的接线状态设为Y接线,以在比转速N1略低的转速处线间电压达到逆变器最大输出电压的方式调整匝数,在达到转速N2之前,进行将线圈的接线状态切换为三角形接线的控制。
图20为示出进行了从Y接线向三角形接线的切换的情况下的线间电压与转速的关系的曲线图。在图20所示的示例中,当达到比转速N1(制热中间条件)略低的转速(设为转速N11)时,开始上述的弱磁控制。当转速N进一步地增加而达到转速N0时,进行从Y接线向三角形接线的切换。在此,转速N11为比转速N1低5%的转速(即N11=N1×0.95)。
通过向三角形接线的切换,由于线间电压降低为Y接线的倍,因此能够将弱磁的程度抑制为小(即,使弱化电流变小)。据此,抑制弱化电流所引起的铜损,能够抑制电动机效率以及电动机转矩的降低。
图21为分别针对Y接线与三角形接线,示出电动机效率与转速的关系的曲线图。由于如上所述将线圈3的接线状态设为Y接线,以在比转速N1略低的转速N11处线间电压达到逆变器最大输出电压的方式调整匝数,因此如图21中以实线所示,在转速N1处得到了高的电动机效率。
另一方面,当线圈3的匝数相同时,如图21中以单点划线所示,在三角形接线的情况下,在转速N2处得到了比Y接线的情况下更高的电动机效率。因此,如果在图21所示的实线与单点划线的交点处从Y接线切换为三角形接线,则能够在转速N1(制热中间条件)与转速N2(制热额定条件)这双方得到高的电动机效率。
因此,如参照图20所说明的那样,将线圈3的接线状态设为Y接线,以在转速N11(比转速N1略低的转速)时线间电压达到逆变器最大输出电压的方式调整匝数,在比转速N1更高的转速N0处进行从Y接线切换为三角形接线的控制。
然而,仅通过单纯地将线圈3的接线状态从Y接线切换为三角形接线无法充分地提高电动机效率。关于这点以下说明。
图22为示出在将线圈3的接线状态设为Y接线、以在转速N11时线间电压达到逆变器最大输出电压的方式调整匝数、在转速N0处从Y接线切换至三角形接线的情况下(实线)的电动机效率与转速的关系的曲线图。此外,虚线为示出如图17所示的那样将线圈3的接线状态设为Y接线、进行了弱磁控制的情况下的电动机效率与转速的关系的曲线图。
线间电压与转速成正比。例如,在制冷能力6.3kW的家庭用空气调和机中,由于转速N1(制热中间条件)为35rps,转速N2(制热额定条件)为85rps,因此在将制热中间条件下的线间电压作为基准时,制热额定条件下的线间电压成为2.4倍(=85/35)。
将线圈3的接线状态切换为三角形接线之后的、制热额定条件(转速N2)的线间电压相对于逆变器最大输出电压成为1.4倍由于无法将线间电压变得大于逆变器最大输出电压,因此开始弱磁控制。
在弱磁控制中,由于弱化励磁所需要的弱化电流流过线圈3,因此铜损增加,电动机效率以及电动机转矩降低。因此,如图22中以实线所示的那样,无法改善制热额定条件(转速N2)下的电动机效率。
为了抑制制热额定条件(转速N2)下的弱磁的程度(将弱化电流变小),需要将线圈3的匝数减少以将相间电压变低,但是在该情况下,制热中间条件(转速N1)下的相间电压也降低,接线的切换所带来的电动机效率的改善效果变小。
即,作为性能改善的对象的负荷条件有2个,在低速侧的转速N1与高速侧的转速N2满足的情况下,由于即使从Y接线切换为三角形接线也需要进行弱磁控制,因此仅通过单纯地从Y接线切换为三角形接线,无法得到电动机效率的充分的改善效果。
图23为分别针对Y接线与三角形接线,示出电动机转矩与转速的关系的曲线图。在Y接线的情况下,如参照图18所说明的那样,相对于转速N的增加,电动机转矩为恒定,但是当开始弱磁控制时,随着转速N的增加,电动机转矩降低。在三角形接线的情况下,在比Y接线的情况下(N11)更高的转速处开始弱磁控制,但是当开始弱磁控制时,随着转速N的增加,电动机转矩降低。
图24为示出将线圈3的接线状态设为Y接线、以在转速N11(比转速N1略低的转速)时线间电压达到逆变器最大输出电压的方式调整匝数、在比转速N1略高的转速N0处从Y接线切换至三角形接线的情况下的电动机转矩与转速的关系的曲线图。如图24所示,当转速达到转速N11而开始弱磁控制时,随着转速N的增加,电动机转矩降低。
当转速进一步地增加而达到转速N0,进行了从Y接线向三角形接线的切换时,由于弱磁控制暂时停止,因此电动机转矩上升。然而,当转速N进一步地增加而开始弱磁控制时,随着转速N的增加,电动机转矩降低。如此,仅通过单纯地从Y接线切换为三角形接线,尤其是无法抑制高转速区域中的电动机转矩的降低。
于是,该实施方式1的驱动装置100除了由接线切换部60进行的线圈3的接线状态的切换之外,还由转换器102切换母线电压。从电源101将电源电压(200V)供给至转换器102,转换器102将母线电压供给至逆变器103。优选地转换器102包括伴随电压上升(升压)而损失小的元件,例如SiC元件或者GaN元件。
具体而言,线圈3的接线状态为Y接线的情况下的母线电压V1(第一母线电压)被设定为280V(DC)。对此,线圈3的接线状态为三角形接线的情况下的母线电压V2(第二母线电压)被设定为390V(DC)。即,三角形接线的情况下的母线电压V2被设定为Y接线的情况下的的母线电压V1的1.4倍。此外,母线电压V2相对于母线电压V1为即可。从转换器102被供给了母线电压的逆变器103将线间电压供给至线圈3。逆变器最大输出电压为母线电压的
图25为分别针对Y接线与三角形接线,示出通过转换器102切换了母线电压的情况下的线间电压与转速的关系的曲线图。如图25所示,线圈3的接线状态为Y接线的情况下的线间电压(实线)最大成为母线电压V1的(即)。线圈3的接线状态为三角形接线的情况下的线间电压(单点划线)最大成为母线电压V2的(即)。
图26为示出进行了由接线切换部60进行的接线状态的切换与由转换器102进行的母线电压的切换的情况下的线间电压与转速的关系的曲线图。如图26所示,在包含转速N1(制热中间条件)的转速区域中,线圈3的接线状态为Y接线。随着转速的增加,线间电压也增加,在比转速N1略低的转速N11处,线间电压达到逆变器最大输出据此,开始弱磁控制。
当转速进一步地上升达到转速N0时,接线切换部60将线圈3的接线状态从Y接线切换为三角形接线。同时,转换器102将母线电压从V1升压至V2。通过升压,逆变器最大输出成为在该时间点,由于相间电压比逆变器最大输出低,所以不进行弱磁控制。
之后,随着转速N的增加,线间电压也增加,在比转速N2(制热额定条件)略低的转速N21处,线间电压达到逆变器最大输出从而开始弱磁控制。此外,转速N21为比转速N2低5%的转速(即N21=N2×0.95)。
在该实施方式1中,如上所述,基于室内温度Ta和设定温度Ts的温度差ΔT与阈值ΔTr的比较结果,切换线圈3的接线状态。转速N0处的从Y接线向三角形接线的切换与图10的步骤S108以及图12的步骤S131~S134所示的从Y接线向三角形接线的切换对应。
对该情况下的电动机效率的改善效果进行说明。图27为分别针对Y接线与三角形接线,示出电动机效率与转速的关系的曲线图。在图27中,线圈3的接线状态为Y接线的情况下的电动机效率(实线)与图21所示的Y接线的电动机效率是同样的。另一方面,由于转换器102的母线电压上升,因此线圈3的接线状态为三角形接线的情况下的电动机效率(单点划线)比图21所示的三角形接线的电动机效率高。
图28为示出进行了由接线切换部60进行的接线状态的切换与由转换器102进行的母线电压的切换的情况下的电动机效率与转速的关系的曲线图。将线圈3的接线状态设为Y接线,由于以在转速N11(比转速N1略低的转速)时线间电压达到逆变器最大输出电压的方式设定匝数,因此在包含转速N1的转速区域能够得到高的电动机效率。
当转速达到上述的转速N11时,开始弱磁控制,当进一步地达到转速N0时,线圈3的接线状态从Y接线被切换为三角形接线,另外母线电压因转换器102而上升。
由于随着母线电压的上升,逆变器最大输出电压也上升,因此线间电压变得比逆变器最大输出电压低,其结果是弱磁控制停止。由于弱磁控制的停止,弱化电流所引起的铜损降低,从而电动机效率上升。
而且,当转速N达到比转速N2(制热额定条件)略小的转速N21时,线间电压达到逆变器最大输出电压,开始弱磁控制。虽然随着弱磁控制的开始导致铜损增加,但是由于母线电压因转换器102而上升,所以能够得到高的电动机效率。
即,如图28中以实线所示的那样,可在转速N1(制热中间条件)以及转速N2(制热额定条件)的双方得到高的电动机效率。
接下来,对电动机转矩的改善效果进行说明。图29为针对线圈3的接线状态为Y接线的情况与三角形接线的情况中的各个情况,示出电动机转矩与转速的关系的曲线图。Y接线的情况下的电动机转矩(实线)与图18是同样的。当在比转速N2(制热额定条件)略低的转速N21处开始弱磁控制时,三角形接线的情况下的电动机转矩(单点划线)随着转速N的增加而降低。
图30为示出将线圈3的接线状态设为Y接线、以在转速N11时线间电压达到逆变器最大输出电压的方式调整匝数、在转速N0(>N1)处从Y接线切换为三角形接线、进而使母线电压升压的情况下的电动机转矩与转速的关系的曲线图。如图30所示,在比转速N1(制热中间条件)略低的转速N11处开始弱磁控制时,随着转速N的增加,电动机转矩降低。
当转速N进一步地增加达到转速N0时,线圈3的接线状态从Y接线被切换为三角形接线,进而母线电压上升。由于通过向三角形接线的切换和母线电压的上升,线间电压变得比变器最大输出电压低,因此停止弱磁控制。据此,电动机转矩上升。之后,当在比转速N2(制热额定条件)略低的转速N21处开始弱磁控制时,随着转速N的增加,电动机转矩降低。
如此,由于在向三角形接线的切换后,在转速N达到转速N21(比转速N2略小的转速)之前不进行弱磁控制,尤其在包含转速N2(制热额定条件)的转速区域中,能够抑制电动机转矩的降低。
即,如图30中以实线所示那样,在转速N1(制热中间条件)以及转速N2(制热额定条件)这双方,可得到高的电动机转矩。即,能够在空气调和机5的制热中间条件以及制热额定条件这双方得到高的性能(电动机效率以及电动机转矩)。
此外,当将转换器102的电压升压时,由于伴随着升压产生损失,因此在对电动机效率的贡献率最大的制热中间条件下的接线状态(即Y接线)下,优选为将电源电压不进行升压地利用。电源101的电源电压为200V(有效值),最大值为因此,可以说在Y接线的情况下的转换器102的母线电压(280V)与电源电压的最大值相同。
另外,也可以通过使电源电压升压或者降压来进行对供给至逆变器103的母线电压的切换。
另外,在上述的空气调和机5的运转控制中,在转速N1(制热中间条件)处设为Y接线,在转速N2(制热额定条件)处设为三角形接线,但是在未决定具体的负荷条件的情况下,也可以将转速N1设为通过Y接线运转的最大转速,将转速N2设为通过三角形接线运转的最大转速,来调整电压电平。这样进行控制,也能够提高电动机1的效率。
如上所述,在家庭用空气调和机5中,能够通过将转速N1设为制热中间条件的转速、将转速N2设为制热额定条件的转速来提高电动机1的效率。
<实施方式1的效果>
如以上说明那样,在实施方式1中,由于基于室内温度Ta来切换线圈3的接线状态,因此能够在短时间内切换接线状态。因此,能够使压缩机41的运转状态迅速地应对例如像打开了房间的窗户的情况这样的空气调和机5的急剧的负荷变动,从而能够提高舒适性。
另外,由于在切换线圈3的接线状态之前使电动机1的旋转停止,因此即使在接线切换部60包括继电器触点的情况下,也能够确保接线切换动作的可靠性。
另外,由于将线圈3的接线状态在Y接线(第一接线状态)与线间电压比第一接线状态低的三角形接线(第二接线状态)之间切换,因此能够选择与电动机1的转速匹配的接线状态。
另外,在由室内温度传感器54检测出的室内温度Ta与设定温度Ts的差(温度差ΔT)的绝对值大于阈值ΔTr的情况下,由于将线圈3的接线状态切换为三角形接线(第二接线状态),因此在空调负荷大的情况下使电动机1的转速增加,能够产生高的输出。
另外,在温度差ΔT的绝对值为阈值ΔTr以下的情况下,由于将线圈3的接线状态切换为Y接线(第一接线状态),因此能够提高空调负荷低的情况下的运转效率。
另外,在Y接线(第一接线状态)以及三角形接线(第二接线状态)的各个接线状态下,由于根据电动机1的转速进行弱磁控制,因此即使线间电压达到逆变器最大输出电压也能够使电动机1的转速上升。
另外,由于根据由接线切换部60进行的线圈3的接线状态的切换,转换器102使母线电压的大小变化,因此在接线状态的切换的前后的任意状态下,都能够得到高的电动机效率以及高的电动机转矩。
另外,如果除了将室内温度Ta与设定温度Ts之差和阈值相比较之外,还将电动机1的转速与基准值相比较,基于该比较结果来切换线圈3的接线状态,则能够有效地抑制频繁地重复进行接线切换。
另外,如果除了将室内温度Ta与设定温度Ts相比较之外,还将逆变器103的输出电压与基准值相比较,基于该比较结果来切换线圈3的接线状态,则能够有效地抑制频繁地重复进行接线切换。
另外,在控制装置50从遥控器55经由信号接收部56接收到运转停止信号的情况下,线圈3的接线状态从Y接线被切换为三角形接线之后,控制装置50使空气调和机5的运转结束。在线圈3的接线状态已经为三角形接线的情况下,维持该接线状态。因此,在空气调和机5的运转开始时(启动时),能够在线圈3的接线状态为三角形接线的状态下使空气调和机5开始运转。据此,即使在室内温度Ta与设定温度Ts的温度差ΔT大的情况下,也能够在三角形接线的状态下使空气调和机5开始运转,能够使室内温度Ta迅速地接近设定温度Ts。
第一变形例.
接下来,对实施方式1的第一变形例进行说明。在上述的实施方式1中,将线圈的接线状态从Y接线切换为三角形接线的转速N0(即,温度差ΔT与阈值ΔTr相同时的转速)与从三角形接线切换为Y接线的转速N0(温度差)相同,但是也可以为不同的转速。
图31(A)以及(B)为示出进行了由接线切换部60进行的接线状态的切换以及由转换器102进行的母线电压的切换的情况下的电动机效率与转速的关系的曲线图。如图31(A)以及(B)所示,将线圈3的接线状态从Y接线切换为三角形接线的转速N4与从三角形接线切换为Y接线的转速N5相互不同。
另外,同时进行由转换器102进行的母线电压的切换与线圈3的接线状态的切换。即,在从Y接线切换为三角形接线的转速N4处,母线电压被升压。另一方面,在从三角形接线切换为Y接线的转速N5处,母线电压被降压。
例如,能够通过将图10的步骤S107的阈值ΔTr与步骤S108的阈值ΔTr设定为相互不同的值来执行这样的控制。在图31(A)以及(B)所示的示例中,从Y接线切换为三角形接线的转速N4比从三角形接线切换为Y接线的转速N5大,但是该大小也可以相反。第一变形例中的其他动作以及结构与实施方式1是同样的。
在该第一变形例中,通过基于室内温度Ta来切换线圈3的接线状态,也能够使压缩机41的运转状态迅速地应对空气调和机5的急剧的负荷变动。另外,通过根据线圈3的接线状态的切换来切换转换器102的母线电压,能够得到高的电动机效率。
第二变形例.
接下来,对实施方式1的第二变形例进行说明。在上述的实施方式1中,将转换器102的母线电压切换至2个阶段(V1/V2),但如图32所示,也可以切换至3个阶段。
图32为示出在第二变形例中进行了接线状态的切换和转换器102的母线电压的切换的情况下的线间电压与转速的关系的曲线图。在图32的示例中,在与制热中间条件相当的转速N1(Y接线)处将转换器102的母线电压设为V1,在转速N1与转速N2(制热额定条件)之间的转速N6处,从Y接线切换为三角形接线,同时将母线电压升压至V2。
此外,在比转速N2高的转速N7处,保持接线状态不变,将转换器102的母线电压升压至V3。从该转速N7直到最高转速N8,转换器102的母线电压为V3。第二变形例中的其他动作以及结构与实施方式1是同样的。
如此,在第二变形例中,由于将转换器102的母线电压切换至V1、V2、V3这3个阶段,所以尤其在高旋转速度区域中,能够得到高的电动机效率以及高的电动机转矩。
此外,母线电压的切换不限于2个阶段或者3个阶段,也可以为4个阶段以上。另外,在第一变形例(图31)中,也可以分3个阶段以上切换转换器102的母线电压。
第三变形例.
接下来,对实施方式1的第三变形例进行说明。在上述的实施方式1中,将线圈3的接线状态在Y接线与三角形接线之间进行了切换。然而,也可以将线圈3的接线状态在串联连接与并联连接之间进行切换。
图33(A)以及(B)为用于说明第三变形例的线圈3的接线状态的切换的示意图。在图33(A)中,以Y接线对三相的线圈3U、3V、3W进行接线。而且,线圈3U的线圈部分Ua、Ub、Uc被串联连接,线圈3V的线圈部分Va、Vb、Vc被串联连接,线圈3W的线圈部分Wa、Wb、Wc被串联连接。即,线圈3的各相的线圈部分被串联连接。
另一方面,在图33(B)中,虽然以Y接线对三相的线圈3U、3V、3W进行接线,但是线圈3U的线圈部分Ua、Ub、Uc被并联连接,线圈3V的线圈部分Va、Vb、Vc被并联连接,线圈3W的线圈部分Wa、Wb、Wc被并联连接。即,线圈3的各相的线圈部分被并联连接。例如,能够通过在线圈3U、3V、3W的各线圈部分设置切换开关,来实现图33(A)以及(B)所示的线圈3的接线状态的切换。
在将在各相中并联连接的线圈部分的数量(即列数)设为n时,通过从串联连接(图33(A))切换为并联连接(图33(B)),线间电压降低至1/n倍。因而,在线间电压接近逆变器最高输出电压时,通过将线圈3的接线状态从串联连接切换为并联连接,能够将弱磁的程度抑制为小(即,使弱化电流变小)。
作为性能改善的对象的负荷条件有2个,在低速侧的转速N1和高速侧的转速N2满足(N2/N1)>n的情况下,仅通过将线圈3的接线状态从串联连接切换为并联连接,线间电压就变得比逆变器最大输出电压大,因此需要进行弱磁控制。于是,如实施方式1中所说明的那样,在将线圈3的接线状态从串联连接切换为并联连接的同时,将转换器102的母线电压升压。据此,在包含转速N1的转速区域与包含转速N2的转速区域中的任意区域,能够得到高的电动机效率以及高的电动机转矩。
图34(A)以及(B)为用于说明第三变形例的其他结构例的示意图。在图34(A)中,以三角形接线对三相的线圈3U、3V、3W进行接线。而且,线圈3U的线圈部分Ua、Ub、Uc被串联连接,线圈3V的线圈部分Va、Vb、Vc被串联连接,线圈3W的线圈部分Wa、Wb、Wc被串联连接。即,线圈3的各相的线圈部分被串联连接。
另一方面,在图34(B)中,虽然以三角形接线对三相的线圈3U、3V、3W进行接线,但是线圈3U的线圈部分Ua、Ub、Uc被并联连接,线圈3V的线圈部分Va、Vb、Vc被并联连接,线圈3W的线圈部分Wa、Wb、Wc被并联连接。即,线圈3的各相的线圈部分被并联连接。
该情况也与图33(A)以及(B)所示的示例同样地,在作为性能改善的对象的2个负荷条件中的低速侧的转速N1与高速侧的转速N2满足(N2/N1)>n的情况下,将线圈3的接线状态从串联连接(图33(A))切换为并联连接(图33(B)),同时将转换器102的母线电压升压。第三变形例中的其他动作以及结构与实施方式1是同样的。升压后的母线电压V2相对于升压前的母线电压V1满足V2≥(V1/n)×N2/N1即可。
如此,在第三变形例中,通过将转换器102的接线状态在串联连接与并联连接之间切换,从而能够将弱磁的程度抑制为小,提高电动机效率。另外,通过使母线电压V1、V2以及转速N1、N2满足V2≥(V1/n)×N2/N1,能够在转速N1、N2处得到高的电动机效率以及电动机转矩。
此外,在第一变形例以及第二变形例中,也可以切换串联连接(第一接线状态)与并联连接(第二接线状态)。
第四变形例.
在上述的实施方式1中,将由室内温度传感器54检测出的室内温度Ta与设定温度Ts的差ΔT的绝对值与阈值ΔTr相比较来切换线圈3的接线状态以及转换器102的母线电压,但是也可以基于室内温度Ta来计算空调负荷,基于空调负荷来切换线圈3的接线状态以及转换器102的母线电压。
图35为示出第四变形例的空气调和机的基本动作的流程图。步骤S101~S105与实施方式1是同样的。在步骤S104中启动了电动机1之后,如果未接收到运转停止信号(步骤S105),则控制装置50取得由室内温度传感器54检测出的室内温度Ta与由遥控器55设定的设定温度Ts的温度差ΔT(步骤S201),基于该温度差ΔT计算空调负荷(步骤S202)。
接下来,基于计算出的空调负荷,判断线圈3的从三角形接线向Y接线的切换的必要性。即,判断是否线圈3的接线状态为三角形接线且在步骤S202中计算出的空调负荷为阈值(空调负荷的基准值)以下(步骤S203)。
如果步骤S203中的比较的结果是线圈3的接线状态为三角形接线且空调负荷为阈值以下,则进行图11所示的步骤S121~S124的处理。在图11的步骤S121~S124中,如实施方式1所说明的那样,进行从三角形接线向Y接线的切换以及由转换器102进行的母线电压的升压。
在上述步骤S203中的比较的结果是线圈3的接线状态不是三角形接线的情况(为Y接线的情况)或者空调负荷大于阈值的情况(即不需要切换为Y接线的情况)下,进入步骤S204。
在步骤S204中,判断从Y接线向三角形接线的切换的必要性。即,判断是否线圈3的接线状态为Y接线且在步骤S202中计算出的空调负荷大于阈值。
如果步骤S204中的比较的结果是线圈3的接线状态为Y接线且空调负荷大于阈值,则进行图12所示的步骤S131~S134的处理。在图12的步骤S131~S134中,如实施方式1所说明的那样,进行从Y接线向三角形接线的切换以及由转换器102进行的母线电压的降压。
在上述步骤S204中的比较的结果是线圈3的接线状态不是Y接线的情况(为三角形接线的情况)或者空调负荷大于阈值的情况(即不需要切换为三角形接线的情况)下,返回步骤S105。接收到运转停止信号的情况下的处理(步骤S109~S111)与实施方式1是同样的。第四变形例中的其他动作以及结构与实施方式1是同样的。
如此,在第四变形例中,由于基于室内温度Ta来计算空调负荷,基于计算出的空调负荷来切换线圈3的接线状态以及转换器102的母线电压,因此能够使压缩机41的运转状态迅速地应对空气调和机5的负荷变动,能够提高舒适性。
此外,在第一变形例、第二变形例以及第三变形例中,也可以基于空调负荷来进行线圈3的接线状态以及转换器102的母线电压的切换。
第五变形例.
在上述的实施方式1中,虽然基于由室内温度传感器54检测出的室内温度Ta与设定温度Ts的温度差ΔT来切换线圈3的接线状态以及转换器102的母线电压,但是也可以基于电动机1的转速来切换线圈3的接线状态以及转换器102的母线电压。
图36为示出第五变形例的空气调和机的基本动作的流程图。步骤S101~S105与实施方式1是同样的。在步骤S104中启动了电动机1之后,如果未接收到运转停止信号(步骤S105),则控制装置50取得电动机1的转速(步骤S301)。电动机1的转速为逆变器103的输出电流的频率,能够使用安装于电动机1的电流传感器等来进行检测。
接下来,基于该电动机1的转速,判断线圈3的从三角形接线向Y接线的切换的必要性。即,判断是否线圈3的接线状态为三角形接线且电动机1的转速为阈值(转速的基准值)以下(步骤S302)。
在制热运转的情况下,步骤S302中所使用的阈值优选为和制热中间条件相当的转速N1与和制热额定条件相当的转速N2之间的值(更优选为中间值)。另外,在制冷运转的情况下,步骤S302中所使用的阈值优选为和制冷中间条件相当的转速N1与和制冷额定条件相当的转速N2之间的值(更优选为中间值)。
在例如制冷能力6.3kW的家庭用空气调和机的情况下,由于与制热中间条件相当的转速N1为35rps,与制热额定条件相当的转速N2为85rps,因此步骤S302中所使用的阈值优选为作为转速N1与转速N2的中间值的60rps。
但是,存在电动机1的转速变动的可能性。因此,在该步骤S302中,判断电动机1的转速为阈值以上的状态是否持续了预先设定的时间。
如果步骤S302中的比较的结果是线圈3的接线状态为三角形接线且电动机1的转速为阈值以下,则进行图11所示的步骤S121~S124的处理。在图11的步骤S121~S124中,如实施方式1所说明的那样,进行从三角形接线向Y接线的切换以及转换器102的母线电压的升压。
在上述步骤S302中的比较的结果是线圈3的接线状态不是三角形接线的情况(为Y接线的情况)或者电动机1的转速大于阈值的情况(即不需要切换为Y接线的情况)下,进入步骤S303。
在步骤S303中,判断从Y接线向三角形接线的切换的必要性。即,判断是否线圈3的接线状态为Y接线且电动机1的转速大于阈值。
如果步骤S303中的比较的结果是线圈3的接线状态为Y接线且电动机1的转速大于阈值,则进行图12所示的步骤S131~S134的处理。在图12的步骤S131~S134中,如实施方式1所说明的那样,进行从Y接线向三角形接线的切换以及转换器102的母线电压的降压。
在上述步骤S303中的比较的结果是线圈3的接线状态不是Y接线的情况(为三角形接线的情况)或者电动机1的转速大于阈值的情况(即不需要切换为三角形接线的情况)下,返回步骤S105。接收到运转停止信号的情况下的处理(步骤S109~S111)与实施方式1是同样的。第五变形例中的其他动作以及结构与实施方式1是同样的。
如此,在第五变形例中,通过基于电动机1的转速来切换线圈3的接线状态以及转换器102的母线电压,能够得到高的电动机效率以及高的电动机转矩。
此外,在第一变形例、第二变形例以及第三变形例中,也可以基于电动机1的转速来进行线圈3的接线状态以及转换器102的母线电压的切换。
此外,在此,作为压缩机的一个示例对旋转式压缩机8进行了说明,但是各实施方式的电动机也可以应用于旋转式压缩机8以外的压缩机。
实施方式2.
接下来,对本发明的实施方式2进行说明。
<空气调和机的结构>
图37为示出实施方式2的空气调和机500的结构的框图。图38为示出实施方式2的空气调和机500的控制系统的框图。图39为示出实施方式2的驱动装置100a的控制系统的框图。实施方式2的空气调和机500还具备作为压缩机状态检测部的压缩机温度传感器71。压缩机温度传感器71为检测示出旋转式压缩机8的状态的压缩机温度TC的温度传感器。但是,压缩机状态检测部为能够检测旋转式压缩机8的状态的检测器即可,不限于温度传感器。
除了压缩机温度传感器71之外,实施方式2的空气调和机500以及驱动装置100a的结构分别与实施方式1的空气调和机5以及驱动装置100是同样的。
在图39所示的示例中,驱动装置100a构成为具备:转换器102,对电源101的输出进行整流;逆变器103,将交流电压输出至电动机1的线圈3;接线切换部60,切换线圈3的接线状态;控制装置50;以及压缩机温度传感器71。电力被从作为交流(AC)电源的电源101供给至转换器102。
除了压缩机温度传感器71之外,实施方式2的驱动装置100a的结构与实施方式1的驱动装置100是同样的。但是,压缩机温度传感器71也可以不作为驱动装置100a的结构要素。驱动装置100a和旋转式压缩机8一起被使用,来驱动电动机1。
用于永磁体型电动机的、以Nd-Fe-B(钕-铁-硼)为主成分的钕稀土类磁体的矫顽力具有因温度而降低的性质。在压缩机这样的140℃的高温气氛中使用采用了钕稀土类磁体的电动机的情况下,由于磁体的矫顽力因温度而劣化(-0.5~-0.6%/ΔK),因此需要添加Dy(镝)元素来提高矫顽力。
当将Dy元素添加于磁体时,虽然矫顽力特性提高,但是存在残余磁通密度特性降低的缺点。当残余磁通密度降低时,由于电动机的磁体转矩降低,通电电流增加,因此铜损增加。因此,从效率角度而言,非常希望减少Dy添加量。
例如如果在压缩机的驱动中的压缩机的最高温度下降,则能够降低磁体最高温度,能够减轻磁体的退磁。因此,基于作为用于限制压缩机的温度的阈值的压缩机温度阈值来控制压缩机(例如,电动机的转速)是有效的。
然而,当将压缩机温度阈值设定得低时,存在根据设定值而在低负荷(空调负荷)的状态下发出降低电动机的转速的指令或者停止电动机的指令的情况。在该情况下,电动机的最大运转范围变窄,不管具备空气调和机的室内的状况(例如,上述的温度差ΔT)如何都限制电动机的运转。
于是,在实施方式2中,控制装置50基于根据线圈3的接线状态而不同的阈值(压缩机温度阈值)来发出变更电动机1的驱动方法的指令。具体而言,在控制装置50判定为由压缩机温度传感器71检测出的压缩机温度TC比压缩机温度阈值大的情况下,发出变更电动机1的驱动方法的指令。据此,使旋转式压缩机8的温度降低,从而保护旋转式压缩机8。
压缩机温度传感器71检测示出旋转式压缩机8的状态的压缩机温度TC。在本实施方式中,压缩机温度传感器71被固定于旋转式压缩机8的排放管85。但是,固定压缩机温度传感器71的位置不限于排放管85。
例如,压缩机温度TC为旋转式压缩机8的壳80、旋转式压缩机8的排放管85(例如,排放管85的上部)、旋转式压缩机8内的制冷剂(例如,通过排放管85的制冷剂)以及旋转式压缩机8的内部所具备的电动机1中的至少1者的温度。压缩机温度TC也可以为这些要素以外的要素的温度。
压缩机温度TC例如为在预先设定的时间内测量出的最高温度。针对每个压缩机温度TC的测定对象,也可以将预先测量出的旋转式压缩机8内的温度数据与压缩机温度TC的相关关系预先存储于控制装置50内的存储器58。所谓预先测量出的旋转式压缩机8内的温度数据是指示出随着制冷剂的循环量以及电动机1的发热温度等而变动的旋转式压缩机8内的温度(最高温度)的数据。在该情况下,可以使用由压缩机温度传感器71检测出的压缩机温度TC作为后述的第一检测值或者第二检测值,也可以使用基于与压缩机温度TC的相关关系而计算出的温度数据作为后述的第一检测值或者第二检测值。
在线圈3的接线状态为第一接线状态(例如为Y接线)时,控制装置50基于由压缩机温度传感器71检测出的第一检测值和作为压缩机温度阈值的阈值TY(第一阈值)来控制电动机1。阈值TY例如为90℃。在使用温度传感器以外的检测器作为压缩机状态检测部的情况下,也可以将温度以外的值设定为阈值。
具体而言,在第一检测值大于阈值TY时,控制装置50以由压缩机温度传感器71检测出的至少1个温度(压缩机温度TC)降低的方式控制电动机1。例如,控制装置50发出以电动机1的转速减少的方式变更电动机1的转速的指令,或者使电动机1的驱动(旋转)停止。据此,能够降低压缩机温度TC。
在线圈3的接线状态为第二接线状态(例如为三角形接线)时,控制装置50基于由压缩机温度传感器71检测出的第二检测值和作为压缩机温度阈值的阈值TΔ(第二阈值)来控制电动机1。
具体而言,在第二检测值大于阈值TΔ时,控制装置50以由压缩机温度传感器71检测出的至少1个温度(压缩机温度TC)降低的方式控制电动机1。例如,控制装置50发出以电动机1的转速减少的方式变更电动机1的转速的指令,或者使电动机1的驱动(旋转)停止。据此,能够降低压缩机温度TC。
考虑由电动机1的发热所导致的温度变化、制冷剂的冷却效果等,电动机1被设计为在磁体能够达到的最高温度(压缩机温度阈值)下不会退磁。例如,在本实施方式中,电动机1的永磁体25被设计为在作为磁体最高温度的140℃附近不会退磁。在该情况下,阈值TΔ被设定为140℃。
在能够由接线切换部60切换的线圈3的接线状态中,在线间电压越低的接线状态下将压缩机温度阈值设定得越高。在本实施方式中,三角形接线的逆变器103的线间电压比Y接线的逆变器103的线间电压低。因此,阈值TΔ被设定为大于阈值TY。据此,能够使电动机1的最大运转范围(尤其是三角形接线的电动机1的最大转速)不变窄。
<空气调和机的动作>
接下来,对实施方式2的空气调和机500的基本动作(电动机1、旋转式压缩机8以及空气调和机500的控制方法)进行说明。
图40为示出实施方式2的空气调和机500的基本动作的流程图。
步骤S101~S105与实施方式1(图10)是同样的。在步骤S105中未接收到运转停止信号的情况下,进入步骤S401。
接线切换部60能够根据上述的温度差ΔT或者电动机1的转速等,将线圈3的接线状态在三角形接线(在本实施方式中为第二接线状态)与Y接线(在本实施方式中为第一接线状态)之间切换。
压缩机温度传感器71检测旋转式压缩机8的状态(步骤S401)。在本实施方式中,检测示出旋转式压缩机8的状态的压缩机温度TC(例如,排放管85的温度)。
在步骤S401中,在线圈3的接线状态为Y接线时,检测压缩机温度TC作为第一检测值。另一方面,在线圈3的接线状态为三角形接线时,检测压缩机温度TC作为第二检测值。
进而,控制装置50判断是否线圈3的接线状态为Y接线且压缩机温度TC大于阈值TY(步骤S402)。
如果步骤S402中的比较的结果是线圈3的接线状态为Y接线且压缩机温度TC大于阈值TY,则进入步骤S404。
在上述步骤S402中的比较的结果是线圈3的接线状态不是Y接线的情况(为三角形接线的情况)或者压缩机温度TC为阈值TY以下的情况下,进入步骤S403。
在步骤S403中,控制装置50判断是否线圈3的接线状态为三角形接线且压缩机温度TC大于阈值TΔ。
如果步骤S403中的比较的结果是线圈3的接线状态为三角形接线且压缩机温度TC大于阈值TΔ,则进入步骤S404。
在上述步骤S403中的比较的结果是线圈3的接线状态不是三角形接线的情况(为Y接线的情况)或者压缩机温度TC为阈值TΔ以下的情况下,返回步骤S105。
在步骤S404中,控制装置50使电动机1的转速降低。但是,代替使电动机1的转速降低,也可以使电动机1停止。在步骤S404中使电动机1停止的情况下,不变更线圈3的接线状态地使电动机1停止。在步骤S404中使电动机1停止的情况下,例如在经过预先设定的时间后启动电动机1然后返回步骤S105。
即,在步骤S401~S404中,在线圈3的接线状态为Y接线时,基于第一检测值和第一阈值(阈值TY)来控制电动机1,在线圈3的接线状态为三角形接线时,基于第二检测值和第二阈值(阈值TΔ)来控制电动机1。据此,能够以压缩机温度TC变得比阈值TY或者阈值TΔ低的方式控制旋转式压缩机8。
在上述的步骤S105中接收到运转停止信号的情况下,控制装置50停止电动机1的旋转(步骤S109)。此外,在步骤S404中在使电动机1停止了的状态下接收到运转停止信号的情况下,在使电动机1停止了的状态下进入步骤S110。此外,虽然在图40中省略了,但是即使在步骤S401~S404之间,在接收到运转停止信号的情况下,也进入步骤S109来停止电动机1的旋转。
之后,控制装置50进行空气调和机500的停止处理(步骤S110)。具体而言,停止室内送风风扇47以及室外送风风扇46的各风扇马达。之后,控制装置50的CPU57停止,空气调和机500的运转结束。
在步骤S110中,在进行空气调和机500的停止处理的情况下,优选地线圈3的接线状态为三角形接线。例如,在步骤S110中,在线圈3的接线状态为Y接线时,控制装置50将接线切换信号输出至接线切换部60,将线圈3的接线状态从Y接线切换为三角形接线。
<实施方式2的效果>
根据实施方式2,考虑线圈3的接线状态,使用压缩机温度阈值来控制电动机1。例如,在由压缩机温度传感器71检测出的检测值大于压缩机温度阈值时,以压缩机温度TC(即,旋转式压缩机8内的温度)降低的方式控制电动机1。据此,能够防止电动机1中的退磁,能够根据旋转式压缩机8的状态来恰当地控制电动机1。
如实施方式1所说明的那样,在将线圈3的接线状态在Y接线与三角形接线之间切换并运转的驱动装置中,通过三角形接线来进行如以往的高转速的运转,通过Y接线以空调负荷小的低转速进行运转。因此,通过将线圈3的接线状态从三角形接线切换为Y接线,关于进行通常负荷运转时的旋转式压缩机8的最高温度(压缩机温度TC的最大值),能够构成为在Y接线下的运转时的旋转式压缩机8的最高温度比在三角形接线下的运转时低。
例如,在不考虑线圈3的接线状态,基于预先设定的1个压缩机温度阈值(例如,与阈值TY相同的值)来控制电动机1的情况下,存在电动机1的最大运转范围(尤其地,三角形接线的电动机1的最大转速)变窄的情况。于是,在实施方式2中,考虑线圈3的接线状态,使用多个压缩机温度阈值来控制电动机1。
具体而言,基于根据线圈3的接线状态而不同的压缩机温度阈值(例如,阈值TY以及阈值TΔ)来控制电动机1。因此,即使将压缩机温度阈值设定为在Y接线下的运转时比在三角形接线下的运转时低,也能够使电动机1的最大运转范围(尤其地,在三角形接线下的电动机1的最大转速)不变窄。
例如,在进行实施方式1所说明的线圈3的接线状态的切换的结构中,构成为在线圈3的接线状态为Y接线且电动机1为低转速(制热中间条件)时,线间电压(电动机电压)与逆变器最大输出电压几乎相等,从而谋求高效率化。在该情况下,为了减少接线切换次数,存在想要尽可能地使电动机1旋转至高速旋转的情况。因此,尽管在弱磁下进行运转,但是弱化电流增加,退磁恶化。
温度越低永磁体25的矫顽力越高,即使增大电流也能够不易退磁。于是,根据实施方式2,将线圈3的接线状态为Y接线时的压缩机温度阈值TY设定为比在三角形接线时的压缩机温度阈值TΔ低。据此,能够构成为通过在Y接线下的运转时的旋转式压缩机8的最高温度比在三角形接线下的运转时低。从而,具有如下优点:能够形成即使弱化电流增大也不会退磁的结构,通过Y接线的驱动能够达到更高速旋转,接线的切换自由度变大。换言之,能够在电动机1的磁体的矫顽力高的状态下驱动电动机1,能够即使更大的电流流过电动机1也不易退磁。而且,在线圈3的接线状态为Y接线时,通过弱磁能够驱动电动机1达到更高速旋转。
另外,在从作为与不进行接线切换的以往的线圈的匝数(圈数)接近的匝数的线圈的Y接线切换为三角形接线的情况下,能够抑制高速旋转中的弱磁,能够得到相比以往在三角形接线中更耐退磁的结构。
此外,在Y接线中,由于相比以往能够将压缩机温度阈值设定得低,能够在Y接线以及三角形接线这双方提高退磁特性,能够使用不添加镝(Dy)的磁体。
例如,作为永磁体25,能够使用以钕(Nd)、铁(Fe)以及硼(B)为主成分的稀土类磁体,该永磁体25不含有作为用于提高矫顽力的添加物的镝(Dy)。在该情况下,永磁体25的残余磁通密度为1.36T至1.42T,矫顽力为1671kA/m至1989kA/m,最大能量积为354kJ/m3至398kJ/m3。
实施方式2的变形例.
接下来,对本发明的实施方式2的变形例进行说明。上述的实施方式2能够与实施方式1(包括各变形例)组合。于是,在实施方式2的变形例中,对实施方式2所说明的空气调和机的动作(电动机1、旋转式压缩机8以及空气调和机500的控制方法)的其他示例进行说明。实施方式2的变形例的空气调和机的结构与实施方式2的空气调和机500的结构相同。因此,将实施方式2的变形例的空气调和机称为空气调和机500。
图41为示出实施方式2的变形例的空气调和机500的基本动作的流程图。
步骤S101~S106与实施方式1(图10)是同样的。
在步骤S107中,控制装置50基于由室内温度传感器54检测出的室内温度Ta与由遥控器55设定的设定温度Ts的温度差ΔT,判断线圈3的从三角形接线向Y接线的切换的必要性。即,判断是否线圈3的接线状态为三角形接线且上述的温度差ΔT的绝对值为阈值ΔTr以下(步骤S107)。
如果步骤S107中的比较的结果是线圈3的接线状态为三角形接线,并且,温度差ΔT的绝对值为阈值ΔTr以下,则进入步骤S121(图11)。
在上述步骤S107中的比较的结果是线圈3的接线状态不是三角形接线的情况(为Y接线的情况)或者温度差ΔT的绝对值大于阈值ΔTr的情况(即不需要切换为Y接线的情况)下,进入步骤S108。
在步骤S108中,判断线圈3的从Y接线向三角形接线的切换的必要性。例如,与实施方式1(步骤S108)同样地,控制装置50判断是否线圈3的接线状态为Y接线且上述的温度差ΔT的绝对值大于阈值ΔTr。
如果步骤S108中的比较的结果是线圈3的接线状态为Y接线且温度差ΔT的绝对值大于阈值ΔTr,则进入步骤S131(图12)。在实施方式2的变形例中,也可以将图12所示的步骤S131~S134中的处理置换为图13(A)所示的处理(步骤S135、S136以及S131~S134)或者图13(B)所示的处理(步骤S137、S138以及S131~S134)。
也可以将图41所示的步骤S106~S108中的处理置换为实施方式1的各变形中的处理(例如,图35所示的步骤S201~S204或者图36所示的步骤S301~S303)。
在上述步骤S108中的比较的结果是线圈3的接线状态不是Y接线的情况(为三角形接线的情况)或者温度差ΔT的绝对值为阈值ΔTr以下的情况(即不需要切换为三角形接线的情况)下,进入步骤S401。
步骤S401~S404与实施方式2(图40)是同样的。
在上述的步骤S105中接收到运转停止信号的情况下,控制装置50停止电动机1的旋转(步骤S109)。此外,在步骤S404中在使电动机1停止了的状态下接收到运转停止信号的情况下,在使电动机1停止了的状态下进入步骤S110。此外,虽然在图41中省略了,但是在步骤S105~S108或者步骤S401~S404中,在接收到运转停止信号的情况下,也进入步骤S109来停止电动机1的旋转。
之后,控制装置50(具体而言,接线切换部60)将线圈3的接线状态从Y接线切换为三角形接线(步骤S110)。在线圈3的接线状态已经为三角形接线的情况下,维持该接线状态。
步骤S111与实施方式1(图10)是同样的。
根据实施方式2的变形例,具有与实施方式1(包括各变形例)以及实施方式2所说明的效果相同的效果。
以上所说明的各实施方式以及各变形例中的特征能够互相适当地组合。
以上对本发明的优选的实施方式进行了具体的说明,但是本发明不限于上述的实施方式,在不脱离本发明的主旨的范围内,能够进行各种改良或者变形。
Claims (15)
1.一种空气调和机,具有:
信号接收部,接收运转指示信号;
压缩机,具有电动机,该电动机具有线圈;
逆变器,被连接于所述线圈;
接线切换部,将所述线圈的接线状态在第一接线状态与第二接线状态之间切换;以及
控制装置,控制所述逆变器以及所述接线切换部,
在所述信号接收部接收到运转停止信号的情况下,所述接线切换部将所述线圈的接线状态从所述第一接线状态切换为所述第二接线状态。
2.根据权利要求1所述的空气调和机,其中,
在所述信号接收部接收到所述空气调和机的所述运转停止信号的情况下,所述控制装置使所述电动机停止。
3.根据权利要求1或者2所述的空气调和机,其中,
在所述线圈的接线状态从所述第一接线状态切换为所述第二接线状态之后,所述空气调和机的运转停止。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的空气调和机,其中,
在所述电动机停止之后,所述线圈的接线状态为所述第二接线状态。
5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的空气调和机,其中,
在所述空气调和机启动时,所述线圈的接线状态为所述第二接线状态,在所述空气调和机启动后,所述接线切换部将所述线圈的接线状态从所述第二接线状态切换为所述第一接线状态。
6.根据权利要求5所述的空气调和机,其中,
在所述电动机的转速达到预先设定的转速时,所述接线切换部将所述线圈的接线状态从所述第二接线状态切换为所述第一接线状态。
7.根据权利要求1至6中的任意一项所述的空气调和机,其中,
所述第二接线状态下的所述逆变器的线间电压比所述第一接线状态下的所述逆变器的线间电压低。
8.根据权利要求1至7中的任意一项所述的空气调和机,其中,
还具有转换器,所述转换器在所述空气调和机启动时,使施加于所述线圈的接线状态为所述第二接线状态的所述电动机的电压升压。
9.根据权利要求1至8中的任意一项所述的空气调和机,其中,
所述线圈为三相线圈。
10.根据权利要求9所述的空气调和机,其中,
所述第一接线状态为所述三相线圈以Y接线方式接线了的状态。
11.根据权利要求9或者10所述的空气调和机,其中,
所述第二接线状态为所述三相线圈以Δ接线方式接线了的状态。
12.根据权利要求1至8中的任意一项所述的空气调和机,其中,
所述线圈为以Y接线方式或者Δ接线方式接线了的三相线圈,
所述第一接线状态为所述三相线圈按每相串联接线了的状态,
所述第二接线状态为所述三相线圈按每相并联接线了的状态。
13.根据权利要求10至12中的任意一项所述的空气调和机,其中,
在所述空气调和机启动时,为所述三相线圈按每相并联接线了的状态。
14.根据权利要求1至13中的任意一项所述的空气调和机,还具备:
室内机,具有所述信号接收部;以及
室外机,具有所述压缩机和所述接线切换部。
15.一种空气调和机的控制方法,所述空气调和机具备电动机,所述电动机具有线圈,所述空气调和机的控制方法具备:
接收所述空气调和机的运转停止信号的步骤;以及
基于所述运转停止信号,将所述线圈的接线状态从第一接线状态切换为第二接线状态的步骤。
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