JP2006090693A - 空気調和機のファンモータの速度制御システム - Google Patents

空気調和機のファンモータの速度制御システム Download PDF

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Abstract

【課題】 圧縮機の駆動モータを駆動するインバータの出力電源を利用してファンモータを制御することにより、ファンモータの速度制御範囲を拡張でき、装置の追加なしに、圧縮機の駆動モータを駆動するインバータの出力電源の周波数を利用してファンモータを制御することにより、追加費用なしに、ファンモータの速度制御範囲を拡張できる空気調和機のファンモータの速度制御システムを提供する。
【解決手段】 メインコイル及びサブコイルを含む単相の固定子と、誘導回転子と、固定子と誘導回転子との間に設置された永久磁石回転子とを有する単相ファンモータ４１の単相電源入力端子に接続された電源出力端子を有するインバータ４２と、インバータ４２の電源出力端子に接続され、インバータ４２から入力される電源により空気調和機の圧縮機を駆動する３相駆動モータ４３とを含んで空気調和機のファンモータの速度制御システムを構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、空気調和機のファンモータに関し、詳しくは、空気調和機のファンモータの速度制御システムに関する。
一般に、空気調和機のファンモータとしては、単相誘導モータが使用されるが、単相誘導モータは、回転トルクを発生するために、回転磁界を発生する磁化電流と回転子から発生する誘導電流を共に外部電源端子に接続された巻線に供給する。
このような単相誘導モータは、固定子の１次銅損及び回転子の２次銅損により、効率を向上させるのに限界があった。そこで、このような限界を解決するために、最近、空気調和機のファンモータとして、図４及び図５に示すようなハイブリッド誘導モータ(以後ＨＩＭという)が使用されている。以下、永久磁石回転子を有する誘導モータをＨＩＭと定義する。
図４は、従来のＨＩＭの縦断面図であり、図５は、図４のＨＩＭのＢ−Ｂ’線における断面図である。
図４及び図５に示すように、従来のＨＩＭにおいて、ブラケット１０１の内部には、固定子１０２が設置され、固定子１０２の内側には、誘導回転子１０３が設置される。且つ、固定子１０２の内側には、複数のスロット１０５が突成され、これらのスロット１０５には、電流を印加するコイル１０６がそれぞれ巻回される。
また、誘導回転子１０３の縁部に上下方向に形成された複数の空隙１０３ａに、アルミニウム回転子バー１０７が上下方向にそれぞれ挿入され、これらのアルミニウム回転子バー１０７は、端絡環(end ring)１０８により互いに接続される。
且つ、誘導回転子１０３の中心に形成された空隙１０３ｂには、誘導回転子１０３の回転力を外部に伝達するための回転軸１０９が設置され、回転軸１０９は、ブラケット１０１に設置された無給油軸受１１０により回転自在になっている。
また、固定子１０２と誘導回転子１０３との間には、固定子１０２から発生する回転磁界により回転しながら、強い磁束で誘導回転子１０３を回転させるための永久磁石回転子１０４が設置される。
このように構成された従来のＨＩＭに交流電圧が印加されると、固定子１０２のコイル１０６に印加される電流により、永久磁石回転子１０４が回転し、回転する永久磁石回転子１０４から強い磁束を有する回転磁界がさらに発生することによって、誘導回転子１０３が回転する。このとき、固定子１０２の回転磁界により、ファン(図示せず)から分離されて低慣性状態の永久磁石回転子１０４が回転し、永久磁石回転子１０４の回転磁界により、誘導回転子１０３にトルク発生用磁束が供給されることによって、誘導回転子１０３が回転する。即ち、分布巻線の固定子１０２から発生する楕円状の回転磁界により永久磁石回転子１０４を回転させると、永久磁石回転子１０４が強い磁束を有する回転磁界をさらに発生して誘導回転子１０３を回転させることにより、ＨＩＭが高効率及び低騒音で運転される。
以下、従来のＨＩＭ及び一般誘導モータの速度特性を図６に基づいて説明する。
図６は、従来のＨＩＭ及び一般誘導モータの速度特性を示すグラフである。
図６に示すように、ファンモータ(ＨＩＭ)に印加される電圧を制御することによりファンモータの回転速度を制御する速度制御システムを、ＨＩＭに適用したとき、電圧による速度制御範囲(例えば、７９０〜８８０ｒｐｍ(revolution per minute))が制限される。即ち、永久磁石回転子１０４により、速度制御範囲が７９０〜８８０ｒｐｍに制限される。
その他、従来の空気調和機のファンモータとして使用される誘導モータについては、２００４年１１月１６日付特許登録された特許文献１にも記載されている。
米国特許６,８１９,０２６
しかしながら、このような従来の速度制御システムにおいては、１００ｒｐｍ以上の速度制御範囲を必要とする空気調和機には適用できないという問題点があった。
本発明は、このような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、圧縮機の駆動モータを駆動するインバータの出力電源を利用してファンモータを制御することにより、ファンモータの速度制御範囲を拡張できる空気調和機のファンモータの速度制御システムを提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、装置を別途追加せずに、圧縮機の駆動モータを駆動するインバータの出力電源の周波数を利用してファンモータを制御することにより、追加費用なしに、ファンモータの速度制御範囲を拡張できる空気調和機のファンモータの速度制御システムを提供することにある。
このような目的を達成するために、本発明に係る空気調和機のファンモータの速度制御システムの第１実施形態は、メインコイル及びサブコイルを含む単相の固定子と、誘導回転子と、固定子と誘導回転子との間に設置された永久磁石回転子とを有するファンモータの単相電源入力端子に接続された電源出力端子を有するインバータと、インバータの電源出力端子に接続され、インバータから入力される電源により空気調和機の圧縮機を駆動する３相駆動モータとから構成されることを特徴とする。
また、本発明に係る空気調和機のファンモータの速度制御システムの第２実施形態は、３相平衡コイルを含む３相固定子と、誘導回転子と、固定子と誘導回転子との間に設置された永久磁石回転子とを有するファンモータの３相電源入力端子に接続された電源出力端子を有するインバータと、インバータの電源出力端に接続され、インバータから入力される電源により空気調和機の圧縮機を駆動する３相駆動モータとから構成されることを特徴とする。
本発明に係る空気調和機のファンモータの速度制御システムにおいては、圧縮機の駆動モータを駆動するインバータの出力電源を利用してファンモータを制御することにより、ファンモータの速度制御範囲を拡張できるという効果がある。
また、本発明に係る空気調和機のファンモータの速度制御システムにおいては、装置を別途追加せずに、圧縮機の駆動モータを駆動するインバータの出力電源の周波数を利用してファンモータを制御することにより、追加費用なしに、ファンモータの速度制御範囲を拡張できるという効果がある。
以下、圧縮機の駆動モータを駆動するインバータの出力電源を利用してファンモータを制御することにより、ファンモータの速度制御範囲を拡張でき、装置の追加なしに、圧縮機の駆動モータを駆動するインバータの出力電源の周波数を利用してファンモータを制御することにより、追加費用なしに、ファンモータの速度制御範囲を拡張できる、本発明に係る空気調和機のファンモータの速度制御システムの好ましい実施形態を、添付の図１〜図３に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る空気調和機のファンモータの速度制御システムの第１実施形態の構成を示す回路図である。
図１に示すように、本発明に係る空気調和機のファンモータの速度制御システムは、メインコイル及びサブコイルを含む単相の固定子と、誘導回転子と、固定子と誘導回転子との間に設置された永久磁石回転子とを有する単相ファンモータ４１の単相電源入力端子に接続された電源出力端子を有するインバータ４２と、インバータ４２の電源出力端子に接続され、インバータ４２から入力される電源により空気調和機の圧縮機を駆動する３相駆動モータ４３とから構成される。ここで、３相駆動モータ４３は、３相ＢＬＤＣ(ブラシレス直流：Brushless Direct Current)モータ、３相誘導モータ、または３相ＨＩＭである。
制御手段(図示せず)は、室内温度及び使用者の希望温度によって、圧縮機の圧縮容量を変化させるための制御信号を、インバータ４２に出力する。
そして、インバータ４２は、制御手段から出力された制御信号により、インバータ４２のスイッチング素子がスイッチングされることによって、３相駆動モータ４３の駆動電源の周波数が変化し、その変化した駆動電源の周波数により、３相駆動モータ４３の回転速度が変化する。このとき、単相ファンモータ４１は、変化した駆動電源の周波数がインバータ４２から入力されることによって、圧縮機の３相駆動モータ４３と連動して回転する。
通常、３相駆動モータ４３は、インバータ４２から出力される駆動電源の周波数により、特定の回転数(例えば、２４００ｒｐｍ)で回転し、単相ファンモータ４１は、特定の回転数の１／３程度の回転数(例えば、８００ｒｐｍ)で回転する。例えば、インバータ４２から出力される駆動電源の周波数６０Ｈｚにより、３相駆動モータ４３は、１２００ｒｐｍ〜３６００ｒｐｍで回転し、単相ファンモータ４１は、４００ｒｐｍ〜１２００ｒｐｍで回転するようになっている。よって、駆動電源の周波数により、３相駆動モータ４３の回転数と単相ファンモータ４１の回転数との比が３：１の関係を有するようにする過程が必要である。従って、本発明は、単相ファンモータ４１の極数が圧縮機の３相駆動モータ４３の極数の３倍となるように設計されている。
また、単相ファンモータ４１は、メインコイル及びサブコイルからなる固定子を有する単相ＨＩＭであるため、単相ファンモータ４１には、３相のインバータ４２の３相電源出力端子から単相電源が入力される。
以下、本発明に係る空気調和機のファンモータの速度制御システムの第２実施形態を図２に基づいて説明する。
図２は、本発明に係る空気調和機のファンモータの速度制御システムの第２実施形態の構成を示す回路図である。
図２に示すように、本発明に係る空気調和機のファンモータの速度制御システムの第２実施形態は、３相平衡コイルを含む３相固定子と、誘導回転子と、固定子と誘導回転子との間に設置された永久磁石回転子とを有する３相ファンモータ５１の３相電源入力端子に接続された電源出力端子を有するインバータ５２と、インバータ５２の電源出力端子に接続され、インバータ５２から入力される電源により空気調和機の圧縮機を駆動する３相駆動モータ５３とから構成される。ここで、３相駆動モータ５３は、３相ＢＬＤＣモータ、３相誘導モータ、または３相ＨＩＭである。
このように構成された本発明に係る空気調和機のファンモータの速度制御システムの第２実施形態は、３相ファンモータ５１として、メインコイル及びサブコイルからなる固定子を有する単相ＨＩＭの代りに、３相平衡コイルを含む３相固定子を有する３相ＨＩＭを使用することが好ましい。従って、本発明に係る空気調和機のファンモータの速度制御システムの第２実施形態は、３相ファンモータ５１が３相のインバータ５２の３相電源出力端子に接続されて駆動電源が印加されることに差があるだけで、本発明に係る空気調和機のファンモータの速度制御システムの第１実施形態と他の差はない。
以下、本発明に係る空気調和機のファンモータの速度制御システムの具体的な実施例を図３に基づいて説明する。
図３は、本発明に係る３相駆動モータ及びファンモータの極数による空気調和機のファンモータの速度と電源周波数との相関関係を示すテーブルである。
図３の実施例１に示すように、３相駆動モータの極数及びファンモータの極数は、それぞれ６及び１８で１：３の関係を有する。また、インバータの出力電源の周波数(２１０〜３０Ｈｚ)によって、３相駆動モータは、４２００〜６００ｒｐｍで回転し、ファンモータは、１４００〜２００ｒｐｍで回転する。
図３の実施例２に示すように、３相駆動モータの極数及びファンモータの極数は、それぞれ４及び１２で１：３の関係を有する。また、インバータの出力電源の周波数(２１０〜３０Ｈｚ)によって、３相駆動モータは、６３００〜９００ｒｐｍで回転し、ファンモータは、２１００〜３００ｒｐｍで回転する。
図３の実施例３に示すように、３相駆動モータの極数及びファンモータの極数は、それぞれ２及び６で１：３の関係を有する。また、インバータの出力電源の周波数(２１０〜３０Ｈｚ)によって、３相駆動モータは、１２６００〜１８００ｒｐｍで回転し、ファンモータは、４２００〜６００ｒｐｍで回転する。
即ち、図３の実施例１〜３から分かるように、本発明に係る空気調和機のファンモータの速度制御範囲は、従来技術に比べて顕著に拡張された。
本発明に係る空気調和機のファンモータの速度制御システムの第１実施形態の構成を示す回路図である。 本発明に係る空気調和機のファンモータの速度制御システムの第２実施形態の構成を示す回路図である。 本発明に係る３相駆動モータ及びファンモータの極数による空気調和機のファンモータの速度と電源周波数との相関関係を示すテーブルである。 従来のＨＩＭの縦断面図である。 図４のＨＩＭのＢ−Ｂ’線における断面図である。 従来のＨＩＭ及び一般誘導モータの速度特性を示すグラフである。
符号の説明
４１ 単相ファンモータ(ＨＩＭ)
４２、５２ インバータ
４３、５３ ３相駆動モータ
５１ ３相ファンモータ(ＨＩＭ)

Claims (8)

  1. メインコイル及びサブコイルを含む単相の固定子と、誘導回転子と、前記固定子と前記誘導回転子との間に設置された永久磁石回転子とを有するファンモータの単相電源入力端子に接続された電源出力端子を有するインバータと、
    前記インバータの電源出力端子に接続され、前記インバータから入力される電源により空気調和機の圧縮機を駆動する３相駆動モータと、
    を含むことを特徴とする空気調和機のファンモータの速度制御システム。
  2. 前記ファンモータは、前記３相駆動モータに３相電源を供給する前記インバータの電源出力端子から単相電源を受け取ることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機のファンモータの速度制御システム。
  3. ３相平衡コイルを含む３相固定子と、誘導回転子と、前記固定子と前記誘導回転子との間に設置された永久磁石回転子とを有するファンモータの３相電源入力端子に接続された電源出力端子を有するインバータと、
    前記インバータの電源出力端子に接続され、前記インバータから入力される電源により空気調和機の圧縮機を駆動する３相駆動モータと、
    を含むことを特徴とする空気調和機のファンモータの速度制御システム。
  4. 前記ファンモータは、前記３相駆動モータに３相電源を供給する前記インバータの電源出力端子から３相電源を受け取ることを特徴とする請求項３に記載の空気調和機のファンモータの速度制御システム。
  5. 前記ファンモータは、前記圧縮機を駆動する３相駆動モータの極数の３倍数の極数を有することを特徴とする請求項１または３に記載の空気調和機のファンモータの速度制御システム。
  6. 前記圧縮機の３相駆動モータの極数及び前記ファンモータの極数は、それぞれ６及び１８、４及び１２、または２及び６であることを特徴とする請求項１または３に記載の空気調和機のファンモータの速度制御システム。
  7. 前記３相駆動モータは、３相ブラシレス直流モータ、３相誘導モータ、または３相ハイブリッド誘導モータであることを特徴とする請求項１または３に記載の空気調和機のファンモータの速度制御システム。
  8. 室内温度及び使用者の希望温度によって、前記圧縮機の圧縮容量を変化させるために、前記インバータを制御する制御信号を出力する制御手段をさらに含むことを特徴とする請求項１または３に記載の空気調和機のファンモータの速度制御システム。
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