JP2011072091A - 永久磁石電動機の駆動装置、密閉型圧縮機、および冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 負荷の大きさにかかわらず、回転子における磁束の鉄損を低減して効率の向上が図れる永久磁石電動機の駆動装置、密閉型圧縮機、および冷凍サイクル装置を提供する。
【解決手段】 空調負荷が所定値未満のとき、永久磁石電動機１を１シリンダ運転しながら、回転子１２の磁束量を減少させ、かつ相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗをスター結線する。空調負荷が所定値以上のとき、永久磁石電動機１を２シリンダ運転しながら、回転子１２の磁束量を増加させ、かつ相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗをデルタ結線する。
【選択図】図６

Description

この発明は、永久磁石電動機の駆動装置、その永久磁石電動機を収納した密閉型圧縮機、およびこの密閉型圧縮機を有する冷凍サイクル装置に関する。

永久磁石電動機は、巻線を有する固定子および永久磁石を有する回転子からなる。回転子は、円形の多数枚の鋼板を積層してなる鉄心の中心部に回転軸の挿通孔を有し、この挿通孔を囲む位置に複数の永久磁石を収容している。これら永久磁石の磁界と固定子の巻線が発する磁界との相互作用により、回転子が回転する。

この永久磁石電動機の例として、磁力可変の永久磁石を回転子に設け、その永久磁石の磁力変化によって回転子における磁束量を負荷に合わせて調節できるものがある（例えば特許文献１）。この磁束量の調節により、回転子の磁束による鉄損を低減できる。

特開２００６−２４６６７４号公報

ただし、上記の永久磁石電動機では、負荷が小さいときに回転子の磁束量を減らすと、インバータから供給される駆動電圧の高調波成分が多くなり、鉄損が増大するという問題がある。

この発明は、上記の事情を考慮したもので、その目的は、負荷の大きさにかかわらず、回転子における磁束の鉄損を低減して効率の向上が図れる永久磁石電動機の駆動装置を提供することである。また、その永久磁石電動機を有する密閉型圧縮機、およびこの密閉型圧縮機を有する冷凍サイクル装置を提供することである。

請求項１に係る発明の永久磁石電動機の駆動装置は、複数の相巻線を有する固定子、および磁束量可変の回転子を有する永久磁石電動機を駆動するものであって、前記各相巻線のスター結線とデルタ結線を切替える結線切替手段と、負荷が所定値未満のとき前記回転子の磁束量を減少させるとともに前記結線切替手段によるスター結線を設定し、負荷が所定値以上のとき前記回転子の磁束量を増加させるとともに前記結線切替手段によるデルタ結線を設定する制御手段と、を備える。

請求項２に係る発明の密閉型圧縮機は、請求項１記載の駆動装置より駆動される永久磁石電動機、およびこの永久磁石電動機の回転軸に連結された圧縮機構部を、密閉ケースに収納している。

請求項４に係る発明の冷凍サイクル装置は。請求項２または請求項３に係る発明の密閉型圧縮機と、凝縮器と、膨張装置と、蒸発器とからなる。

この発明の永久磁石電動機の駆動装置、密閉型圧縮機、および冷凍サイクル装置によれば、負荷の大きさにかかわらず、回転子における磁束の鉄損を低減して効率の向上が図れる。

一実施形態における密閉型圧縮機の内部の構成を示す図。 一実施形態の密閉型圧縮機の１シリンダ運転および冷凍サイクルの構成を示す図。 一実施形態の密閉型圧縮機の２シリンダ運転を示す図。 一実施形態における永久磁石電動機の回転子、各永久磁石、および磁束量増加の様子を上方から見た図。 一実施形態における永久磁石電動機の回転子、各永久磁石、および磁束量減少の様子を上方から見た図。 一実施形態の駆動装置および各相巻線の構成を示すブロック図。 一実施形態における永久磁石電動機の回転数と逆起電圧との関係を、磁束量および各相巻線の結線方法をパラメータとして示す図。 一実施形態における負荷大のときの永久磁石電動機の回転数と効率との関係を、磁束量および各相巻線の結線方法をパラメータとして示す図。 一実施形態における負荷小のときの永久磁石電動機の回転数と効率との関係を、磁束量および各相巻線の結線方法をパラメータとして示す図。 一実施形態における１シリンダ運転、２シリンダ運転、磁束量、各相巻線の結線方法、回転数に応じて損失がどのように変わるかの実験データを示す図。 一実施形態の作用を説明するためのフローチャート。

以下、この発明の一実施形態について図面を参照して説明する。
図１において、１は密閉型圧縮機で、金属製の密閉ケース１ａで被われている。この密閉ケース１ａの下部に２つの吸込口２ａ，２ｂが取付けられ、上部に１本の吐出管３が取付けられている。

密閉ケース１ａの内部には、永久磁石電動機１０および圧縮機構部２０が上下に分かれて収納されている。永久磁石電動機１０は、密閉ケース１ａの内周面に接するように設けられた筒状の固定子１１、この固定子１１の内側に回転可能に設けられた回転子１２を有する。この回転子１２の中心部に回転軸（シャフトともいう）１３が挿通され、その回転軸１３が下方の圧縮機構部２０に連結されている。

圧縮機構部２０は、２つの圧縮要素からなるもので、上記吸込口２ａ，２ｂを通して冷媒が流入する２つのシリンダ室２１ａ，２１ｂ、このシリンダ室２１ａ，２１ｂ内で上記回転軸１３の回動を受けて偏心回転するローラ２２ａ，２２ｂ、このローラ２２ａ，２２ｂの周面に先端縁が当接してシリンダ室２１ａ，２１ｂ内をローラ２２ａ，２２ｂの回転方向に二分するブレード２３ａ，２３ｂ（ブレード２３ｂのみ図示）を有し、ローラ２２ａ，２２ｂの偏心回転によりシリンダ室２１ａ，２１ｂ内のガス冷媒を圧縮して密閉ケース１ａ内に吐出する。吐出されたガス冷媒は、永久磁石電動機１０の隙間を通って密閉ケース１ａ内の上部空間に流れ、吐出管３から流出する。

なお、密閉ケース１ａの上部には、後述の駆動装置を配線接続するための端子１４が設けられる。

このような構成の密閉型圧縮機１に対し、図２に示すヒートポンプ式冷凍サイクルが接続される。暖房時は、密閉型圧縮機１から吐出される冷媒が四方弁４１を通って室内熱交換器４２に流れ、その室内熱交換器４２を経た冷媒が電子膨張弁（パルスモータバルブ；ＰＭＶ）４３を介して室外熱交換器４４に流れる。室外熱交換器４４を経た冷媒は、四方弁４１およびアキュームレータ４７を介してシリンダ室２１ａに吸込まれるとともに、アキュームレータ４７を経た冷媒の一部が切換弁４８およびバッファタンク４９を介してシリンダ室２１ｂに吸込まれる。室内熱交換器４２の近傍には室内ファン４５、室外熱交換器４４の近傍には室外ファン４６が設けられている。

冷房時は、四方弁４１が反転作動することにより、破線矢印で示すように、密閉型圧縮機１から吐出される冷媒が四方弁４１を通って室外熱交換器４４に流れ、その室外熱交換器４４を経た冷媒が電子膨張弁４３を介して室内熱交換器４２に流れる。室内熱交換器４２を経た冷媒は、四方弁４１およびアキュームレータ４７を介してシリンダ室２１ａに吸込まれるとともに、アキュームレータ４７を経た冷媒の一部が切換弁４８およびバッファタンク４９を介してシリンダ２１ｂに吸込まれる。

切換弁４８は、密閉型圧縮機１の２シリンダ運転に際して図２のようにアキュームレータ４７とバッファタンク４９とを結ぶ冷媒流路を形成し、密閉型圧縮機１の１シリンダ運転に際しては、図３に示すように、アキュームレータ４７とバッファタンク４９とを結ぶ冷媒流路を遮断しつつ、密閉型圧縮機１の吐出冷媒の一部がシリンダ室２１ｂに戻る冷媒流路を形成する。シリンダ室２１ｂ内は高圧となり、シリンダ室２１ｂ内に臨むブレード２３ｂの前面側と、密閉ケース１ａ内空間に臨むブレード２３ｂの後面側との圧力差がなくなり、ローラ２２ｂに対するブレード２３ｂの押付力がなくなる。その結果、ブレード２３ｂの先端がローラ２２ｂの外周面から離れてシリンダ室２１ｂ側は空転状態となる。結局、シリンダ２１ｂ側では圧縮運転が行われず、シリンダ２１ａ側でのみ圧縮運転を行う１シリンダ運転状態となる。

図４、５に示すように、永久磁石電動機１０の回転子１２は、円形の多数枚の鋼板を積層してなる鉄心の中心部に回転軸１３が挿通され、その回転軸１３を囲む正方形の４辺の位置にそれぞれ永久磁石５１を収容するとともに、これら永久磁石５１の外側で且つ上記正方形の角部となる位置に永久磁石５２を収容している。永久磁石５１として、保磁力の大きい例えばネオジウム磁石が用いられる。永久磁石５２として、保磁力の小さい例えばアルコニ磁石が用いられる。

固定子１１の各相巻線に着磁用または減磁用の励磁電流が供給されると、保磁力の小さい方の永久磁石５２が着磁または減磁されてその磁力が変化するが、保磁力が大きい方の永久磁石５２はなかなか磁力が変化しない。この性質を利用し、各永久磁石５２を図４に示す極性に着磁すれば、回転子１２の磁束量を増大させることができる。各永久磁石５２を図５に示す反対の極性に着磁すれば、回転子１２の磁束量を減少させることができる。また、励磁電流の大きさを調節して各永久磁石５２に対する着磁量を変えることにより、回転子１２の磁束量を適宜に増減できる。

固定子１１に装着される相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗ、およびこれら相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに上記端子１４を介して接続される駆動装置を図６に示す。

６０は商用交流電源で、この商用交流電源６０の交流電圧が順変換部６１で直流電圧に変換され、その直流電圧がスイッチング回路６２に印加される。スイッチング回路６２は、一対のスイッチング素子の直列回路を３相分設けたもので、Ｕ相用としてスイッチング素子Ｕ＋，Ｕ−の直列回路、Ｖ相用としてスイッチング素子Ｖ＋，Ｖ−の直列回路、Ｗ相用としてスイッチング素子Ｗ＋，Ｗ−の直列回路を有し、各スイッチング素子が制御部６３からの駆動信号によってオン，オフすることにより、順変換部６１からの直流電圧を三相交流電圧に変換する。これら順変換部６１およびスイッチング回路６２により、インバータが構成される。

そして、スイッチング回路６２のスイッチング素子Ｕ＋，Ｕ−の相互接続点に相巻線Ｌｕの一端が接続され、スイッチング素子Ｖ＋，Ｖ−の相互接続点に相巻線Ｌｖの一端が接続され、スイッチング素子Ｗ＋，Ｗ−の相互接続点に相巻線Ｌｗの一端が接続される。

相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの他端は、結線切替回路６５の接点６５ａ，６５ｂ，６５ｃをそれぞれ介して共通接続される。また、相巻線Ｌｕの他端が結線切替回路６６の接点６６ｃを介して相巻線Ｌｗの一端に接続され、相巻線Ｌｖの他端が結線切替回路６６の接点６６ｂを介して相巻線Ｌｕ一端に接続され、相巻線Ｌｗの他端が結線切替回路６６の接点６６ａを介して相巻線Ｌｖの一端に接続される。

結線切替回路６５，６６は、各相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗのスター結線（星形結線）とデルタ結線（三角結線）を切替える結線切替手段として機能するもので、例えば半導体スイッチあるいはリレー接点により構成され、制御部６３の指令に応じてそれぞれ開閉動作する。

結線切替回路６５の接点６５ａ，６５ｂ，６５ｃが閉じ、結線切替回路６６の接点６６ａ，６６ｂ，６６ｃが開くと、相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗがスター結線（星形結線）された状態でスイッチング回路６２に接続される。

結線切替回路６５の接点６５ａ，６５ｂ，６５ｃが開き、結線切替回路６６の接点６６ａ，６６ｂ，６６ｃが閉じると、相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗがデルタ結線（三角結線）された状態でスイッチング回路６２に接続される。

一方、相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの一端に２相通電位置検出部６４が接続される。２相通電位置検出部６４は、３つの相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗのうち２つの相巻線に順に電流が流れる２相通電に際し、非通電相の１つの相巻線に誘起する電圧から回転子１２の回転位置を検出する。すなわち、誘起電圧のレベルと基準電位（直流電圧の１／２または抵抗器で作られた仮想中性点電位）とを比較し、誘起電圧のレベルが基準電位を横切るときのタイミングを、回転子１２の回転位置として検出する。

制御部６３は、スイッチング回路６２における１つの相の一方のスイッチング素子をオンして他方のスイッチング素子をオフし、同時に別の１つの相の一方のスイッチング素子をオフして他方のスイッチング素子をオンする２相通電を順次に切換えるべく、２相通電位置検出部６４で検出される回転位置に応じて、スイッチング回路６２の各スイッチング素子をオン，オフ駆動する。

この制御部６３に、室内温度センサ７１および受光部７２が接続される。室内温度センサ７１は、室内温度Ｔａを検知する。受光部７２は、リモートコントロール式の操作器（リモコンという）７３から発せられる赤外線光を受光する。

そして、制御部６３は、主要な機能として次の（１）〜（３）の手段を有する。
（１）リモコン７３の操作による設定温度Ｔｓと室内温度センサ７１で検知される室内温度Ｔａとの差を空調負荷として検出する検出手段。

（２）上記検出手段で検出される空調負荷が所定値未満のとき、永久磁石電動機１を１シリンダ運転させながら、回転子１２の磁束量を減少させ、かつ相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗのスター結線を設定する第１制御手段。

（３）、上記検出手段で検出される空調負荷が所定値以上のとき、永久磁石電動機１を２シリンダ運転させながら、回転子１２の磁束量を増加させ、かつ相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗのデルタ結線を設定する第２制御手段。

つぎに、作用について説明する。

まず、図７、図８、図９により永久磁石電動機１０の回転数効率について説明する。図７は永久磁石電動機１０の回転数と逆起電圧との関係を磁束量および各相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの結線方法をパラメータとして示す。図８は、負荷大のときの永久磁石電動機１０の回転数と効率との関係を、磁束量および各相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの結線方法をパラメータとして示す。図９は、負荷小のときの永久磁石電動機１０の回転数と効率との関係を、磁束量および各相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの結線方法をパラメータとして示す。

図７から分かるように、永久磁石電動機１０の逆起電圧は、回転数に比例し、磁束量が多くなるほど傾きが急になり、またデルタ結線よりもスター結線の方がより急になる。一方、スイッチング回路６２から各相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに印加される直流電圧のレベルは予め決まっている。したがって、永久磁石電動機１０の最高回転数は、磁束量が少なく、かつデルタ結線の方が、高くなる。

また、負荷が所定値以上のときの効率に関しては、図８から分かるように、低回転数の領域では、磁束量が多くてスター結線であることが、最も高い効率が得られる条件となる。回転数が少し上がると、磁束量が多くてデルタ結線であることが、高い効率が得られる条件となる。回転数がさらに上がると、磁束量が少なくてスター結線であることが、高い効率が得られる条件となる。最高回転数の領域では、磁束量が少なくてデルタ結線であることが、高い効率が得られる条件となる。

負荷が所定値未満のときの効率に関しては、図９から分かるように、低回転数から中回転数の領域では、磁束量が少なくてスター結線であることが、高い効率が得られる条件となる。中回転数から最高回転数の領域では、磁束量が少なくてデルタ結線であることが、高い効率が得られる条件となる。

相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗのターン数について見ると、スター結線の方がデルタ結線より多くなる。例えば、２１０ターンのスター結線は、デルタ結線では１２１ターン相当となる。ターン数が多ければ、低回転域では効率がよく、高回転域では効率が落ちる。そこで、回転数が低い側ではターン数の多いスター結線、高い側ではターン数の少ないデルタ結線を選択することで、低回転域でも高回転域でもよい効率が得られることになる。

また、負荷が小さいとき、密閉型圧縮機１を１シリンダ運転しながら、磁束量を減少させ、かつスター結線を設定すると、回転子１２の磁束による鉄損が低減されるとともに、密閉型圧縮機１およびインバータ（順変換部６１およびスイッチング回路６２）ともに高い効率が得られる。

図１０に示すように、低回転数での２シリンダ運転では、鉄損が小さく、銅損、インバータ損失が大きいという問題がある。１シリンダ運転にすると、負荷が小さくなるので、電流が小さくなり、銅損は低下するが、同じ冷凍能力を出そうとすると回転数を２倍にしなければならず、鉄損が増加してしまうという問題がある。また、１シリンダ運転で、かつ磁束を少なくすると、鉄損が減り、銅損が増える。このように、デルタ結線に１シリンダ運転、２シリンダ運転、磁束量大小を組み合わせても、効率はよくならない。しかし、１シリンダ運転しながら、磁束量を減少させ、かつスター結線を設定すると、鉄損、インバータ損が減少し、効率をアップさせることができる。すなわち、スター結線にすることで、モータ電流が少なくなる。なお、銅損は、モータ電流が少なくなっても、抵抗が増えるので同じである。

負荷が大きいときには、密閉型圧縮機１を２シリンダ運転させながら、回転子１２の磁束量を増加させ、かつ相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗのデルタ結線を設定すると、モータ電流を少なくすることができ、高い効率が得られる。しかも、スター結線時に比べ、高い周波数まで運転可能となる。

したがって、図１１のフローチャートに示すように、空調負荷が所定値未満のとき、密閉型圧縮機１を１シリンダ運転しながら、回転子１２の磁束量を減少させ、かつ相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗをスター結線する。空調負荷が所定値以上のとき、密閉型圧縮機１を２シリンダ運転しながら、回転子１２の磁束量を増加させ、かつ相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗをデルタ結線する。また、暖房運転では高回転数が必要となるので、その場合は密閉型圧縮機１を２シリンダ運転しながら、回転子１２の磁束量を減少させ、かつ相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗをデルタ結線する。

以上の制御により、空調負荷の大きさにかかわらず、回転子１２における磁束の鉄損を確実に低減できて、効率の向上が図れる。

なお、一実施形態では、圧縮機構部２０が２つのシリンダ室２１ａ，２１ｂを有する２シリンダ型である場合を例に説明したが、圧縮機構部２０が１シリンダ型である場合にも、同様に実施可能である。この場合、空調負荷が所定値未満のときに、回転子１２の磁束量を減少させ、かつ相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗのスター結線を設定し、空調負荷が所定値以上のときに、回転子１２の磁束量を増加させ、かつ相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗのデルタ結線を設定する制御が行われる。上記実施形態と同様、空調負荷の大きさにかかわらず、回転子１２における磁束の鉄損を低減できて、効率の向上が図れる。

その他、この発明は、一実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、一実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成できる。一実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除することも可能である。

１…密閉型圧縮機、１ａ…密閉ケース、１０…永久磁石電動機、１１…固定子、１２…回転子、１３…回転軸、５１…永久磁石、５２…永久磁石、Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗ…相巻線、６０…商用交流電源、６１…順変換部、６２…スイッチング回路、６３…制御部、６４…２相通電位置検出部、６５，６６…結線切替回路（結線切替回路）

Claims (4)

1. 複数の相巻線を有する固定子、および磁束量可変の回転子を有する永久磁石電動機の駆動装置において、
   前記各相巻線のスター結線とデルタ結線を切替える結線切替手段と、
   負荷が所定値未満のとき前記回転子の磁束量を減少させるとともに前記結線切替手段によるスター結線を設定し、負荷が所定値以上のとき前記回転子の磁束量を増加させるとともに前記結線切替手段によるデルタ結線を設定する制御手段と、
   を備えることを特徴とする永久磁石電動機の駆動装置。
2. 請求項１記載の駆動装置より駆動される永久磁石電動機、およびこの永久磁石電動機の回転軸に連結された圧縮機構部を、密閉ケースに収納したことを特徴とする密閉型圧縮機。
3. 前記圧縮機構部は、２つの圧縮要素からなり、
   これら圧縮要素は、吸込み冷媒が流入するシリンダ室、このシリンダ室内で偏心回転するローラ、このローラの周面に当接して前記シリンダ室内を同ローラの回転方向に沿って二分するブレードを有し、
   負荷が所定値未満のとき前記各圧縮要素のうちの１つの圧縮要素による１シリンダ運転、前記回転子の磁束量の減少、および前記各相巻線のスター結線が設定され、負荷が所定値以上のとき前記各圧縮要素の両圧縮要素による２シリンダ運転、前記回転子の磁束量の増加、および前記各相巻線のデルタ結線が設定されることを特徴とする請求項２記載の密閉型圧縮機。
4. 請求項２または請求項３に記載の密閉型圧縮機と、凝縮器と、膨張装置と、蒸発器とからなることを特徴とする冷凍サイクル装置。

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