JP2016077093A

JP2016077093A - 空気調和機

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Publication number: JP2016077093A
Application number: JP2014206392A
Authority: JP
Inventors: 及川　智明; Tomoaki Oikawa; 智明及川; 山本　峰雄; Mineo Yamamoto; 峰雄山本; 石井　博幸; Hiroyuki Ishii; 博幸石井; 洋樹麻生; Hiroki Aso; 隼一郎尾屋; Junichiro Oya; 優人浦辺; Yuto Urabe
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-10-07
Filing date: 2014-10-07
Publication date: 2016-05-12
Anticipated expiration: 2034-10-07
Also published as: JP6071972B2

Abstract

【課題】コストの増加を抑制しながら、永久磁石の減磁を抑制可能な空気調和機を得る。【解決手段】ロータにフェライト磁石を用いた永久磁石型モータを備えた空気調和機１００であって、永久磁石型モータであるファンモータ２０Ａおよび圧縮機モータ２０Ｂのステータがアルミ線で高占積巻線され、ファンモータ２０Ａおよび圧縮機モータ２０Ｂを駆動することなくアルミ線に拘束通電することでフェライト磁石を加熱する。ステータにアルミの巻線が高占積に巻かれることにより、減磁限界電流未満の電流でも発熱が大きくなり磁石温度が所望の温度に達するまでの時間を短縮することができ、熱電導度が銅線よりも低いアルミ線を用いても通電によるジュール熱を効果的にフェライト磁石に伝えることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石型モータを備えた空気調和機に関する。

永久磁石型モータに用いられるフェライト磁石は、低温になるほど保磁力が下がるため、低温になるほどステータ電流で発生する逆磁界に対する耐力が小さくなり減磁し易くなる。そのためフェライト磁石を用いた永久磁石型モータには、低温時の起動電流と起動後の脱調電流が減磁限界電流値未満になるように過電流保護値が設定される。過電流保護値が設定された永久磁石型モータは、ステータ電流が過電流保護値を超える場合にはステータへの通電を遮断してモータを停止し、またはステータ電流が過電流保護値を超える直前に失速制御がかかることでステータ電流が過電流保護値を超えないよう調整される。

過電流保護値は、通常、空気調和機の使用範囲の低温で起動されたときにも減磁が発生しないよう低い値に設定されるが、実際にステータ電流が最大となるのは温度が高温となる最大出力運転時である。ただし、過電流保護値は、低温時での減磁を踏まえた値に設定されているため、低温時の過電流保護値までしか運転できず、最大出力を小さくするものになっていた。

この対応として下記特許文献１では、過電流保護値を温度によって可変する方法が提案されている。また下記特許文献２では、通電周波数を可変させ、巻線の発熱による銅損に加えて、周波数の変化に伴う鉄損も利用することにより、磁石に熱を伝熱させて磁石を加熱する方法が開示されている。

特開平０７−０６７３９０号公報特開２０１３−１７９７２６号公報

しかしながら、上記特許文献１の従来技術では、過電流保護値の可変をソフトウエアで行う場合には瞬時に電流が上昇したときの処理遅延時間が発生するという問題があり、ハードウエアで行う場合には回路を複数持つ必要があるためコストが増加するという課題があった。

一方、上記特許文献２の従来技術では、インダクタンスが大きなモータの場合、高周波の電流が流れにくく鉄損が十分発生しないという課題があった。また、近年では高効率化のニーズから薄肉の電磁鋼板が用いられる傾向にあり、このような電磁鋼板では銅損と鉄損が共に小さいため磁石温度が所望の温度に達するまでに時間がかかるという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コストの増加を抑制しながら、永久磁石の減磁を抑制可能な空気調和機を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る空気調和機は、ロータにフェライト磁石を用いた永久磁石型モータを備えた空気調和機であって、前記永久磁石型モータのステータは、アルミ線で高占積巻線され、前記永久磁石型モータを駆動することなく前記アルミ線に拘束通電することでフェライト磁石を加熱する。

本発明によれば、コストの増加を抑制しながら、永久磁石の減磁を抑制することができる、という効果を奏する。

本発明の実施の形態に係る空気調和機の構成図図１に示すファンモータのＡ−Ａ矢視断面図圧縮機の拡大図図３に示す圧縮機モータのＢ−Ｂ矢視断面図フェライト磁石温度と減磁限界電流値と過電流保護値との関係を示す図

以下に、本発明の実施の形態に係る空気調和機を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態に係る空気調和機１００の構成図である。空気調和機１００は、商用電源７０から供給された交流電圧を直流電圧に変換するコンバータ回路部６２と、コンバータ回路部６２からの直流電圧を圧縮機モータ２０Ｂの駆動可能な交流電圧に変換する圧縮機モータ用インバータ回路部６０と、コンバータ回路部６２からの直流電圧を永久磁石型のファンモータ２０Ａの駆動可能な交流電圧に変換するファンモータ用インバータ回路部６１と、室内機用のファン４１または室外機用のファン４３の駆動源である永久磁石型のファンモータ２０Ａと、冷媒が循環して熱交換を行う室内側熱交換器４０と、冷媒が循環して熱交換を行う室外側熱交換器４２と、冷房と暖房の流路を切り替えるための四方弁５０と、冷媒を膨張する膨張弁５２と、冷媒を圧縮する圧縮機３０とで構成される。図中、四方弁５０の実線は暖房運転時の冷媒の流れ、点線は冷房運転時の冷媒の流れとなる。

圧縮機３０、四方弁５０、室外側熱交換器４２、膨張弁５２および室内側熱交換器４０は、各々冷媒配管５１により接続され冷凍サイクル８０を構成する。圧縮機３０の密閉容器３２内部には、冷媒を圧縮する圧縮機構部３１と圧縮機構部３１を動作させる圧縮機モータ２０Ｂとが設けられている。圧縮機構部３１には、スクロール、ロータリ、またはレシプロといった機構が用いられる。

空気調和機１００の動作を説明する。商用電源７０から供給された交流電圧は、コンバータ回路部６２で直流電圧に変換され、圧縮機モータ用インバータ回路部６０において圧縮機モータ２０Ｂで要求される周波数および電圧の交流電圧に変換され、圧縮機モータ２０Ｂに供給される。またコンバータ回路部６２で変換された直流電圧は、ファンモータ用インバータ回路部６１においてファンモータ２０Ａで要求される周波数および電圧の交流電圧に変換され、ファンモータ２０Ａに供給される。

図２は図１に示すファンモータ２０ＡのＡ−Ａ矢視断面図である。図示例のファンモータ２０Ａは、ステータ１と、ステータ１の内径側に配置されるロータ２と、ロータ２の中心部に貫通するシャフト４を回転可能に支持する２つの軸受３と、ファンモータ２０Ａの外郭を構成すると共にステータ１の一端側に配置される軸受３の外輪を取り囲むハウジング１３を構成するモールド樹脂９と、ステータ１の他端側に配置される軸受３の外輪を取り囲みモールド樹脂９で形成された開口部の内周面に嵌め込まれるブラケット５とを有して構成される。

ステータ１は、特定形状に打ち抜かれた電磁鋼板を複数枚かしめ、溶接、または接着しながら積層してなるステータコア１ａと、ステータコア１ａの図示しないティースに巻かれる巻線１ｂと、絶縁材１ｃとで構成される。ロータ２は、シャフト４の外周部に設けられた樹脂部２ａと、樹脂部２ａに配置されるフェライト磁石２ｂとで構成される。

図３は圧縮機３０の拡大図である。図３には圧縮機３０の構成要素の一部が示され、図２のファンモータ２０Ａと同一の構成要素には同一の符号を付している。図３に示す密閉容器３２の内周面に圧入、焼き嵌め、または冷し嵌めで固定されるステータコア１ａと、ステータコア１ａに巻かれた巻線１ｂと、ステータコア１ａの内径側に配置されるロータ２と、圧縮機３０の上部と下部に設けた図示しない軸受により回転自在な状態で保持されロータ２に貫通するシャフト４と、シャフト４が接続されロータ２の回転により低温低圧の冷媒ガスを高温高圧の冷媒ガスにして吐き出す圧縮機３０とが示されている。図３に示すステータコア１ａと巻線１ｂはステータ１の構成要素の一例であり、またステータ１とロータ２は圧縮機モータ２０Ｂを構成する。

図４は図３に示す圧縮機モータ２０ＢのＢ−Ｂ矢視断面図である。図４に示すようにステータ１は、ステータコア１ａと巻線１ｂの他、巻線間絶縁材１ｃ１とティース被覆用絶縁材１ｃ２から成る絶縁材１ｃを有する。ステータコア１ａは、環状のバックヨーク１ａ１と、バックヨーク１ａ１の内径側において回転方向に一定間隔で配置されバックヨーク１ａ１からステータコア１ａの中心の方向に伸びる複数のティース１ａ２とから成り、ステータコア１ａには、バックヨーク１ａ１とティース１ａ２とで区画される空間である複数のスロット１ａ３とが形成される。ステータ１では、ティース被覆用絶縁材１ｃ２で絶縁されたティース１ａ２に巻線１ｂが巻かれている。図示例ではステータコア１ａに９つのティース１ａ２が形成されているが、ティース１ａ２の数はこれに限定されるものではない。

ステータコア１ａは、磁束の変化による渦電流を防止するため、表面に絶縁コーティングが塗布された薄板の電磁鋼板を積層して構成されている。絶縁材１ｃはフィルムまたは樹脂で構成される。フィルムの一例としてはＰＥＴポリエチレンテレフタレート、ＰＥＮポリエチレンナフタレート、ＰＰＳポリフェニレンサルファイド、またはＴＬＴ（ＰＥＴ／ＰＰＳ複合フィルム）である。樹脂の一例としては、ＰＢＴポリブチレンテレフタレート、ＰＰＳポリフェニレンスルフィド、ＬＣＰ液晶ポリマー、またはＢＭＣバルクモールディングコンパウンドである。

図４に示すステータ１では、各ティース１ａ２に巻かれた複数の巻線１ｂの内、隣接する巻線１ｂ間が巻線間絶縁材１ｃ１で絶縁され、巻線１ｂと巻線間絶縁材１ｃ１が密着している。なお、信頼性が確保できれば巻線間絶縁材１ｃ１を省略し、巻線１ｂの表面に塗布された絶縁コーティングのみで絶縁性を持たせてもよい。

ロータ２は、特定形状に打ち抜かれた電磁鋼板を複数枚かしめ、溶接、または接着しながら積層してなる円柱状の樹脂部２ａと、磁極数に対応して回転方向に一定間隔で設けられた複数の磁石挿入孔２ｃと、各磁石挿入孔２ｃの形に対応した形状であり磁石挿入孔２ｃに挿入されるフェライト磁石２ｂと、樹脂部２ａの径方向中心に形成されるシャフト挿入孔２ｄとを有する。フェライト磁石２ｂには焼結磁石またはボンド磁石が用いられる。

ここで、ファンモータ２０Ａおよび圧縮機モータ２０Ｂに用いられる巻線１ｂの巻線方式は、大きく分けて集中巻と分布巻に分類され、本実施の形態では一例として集中巻が採用される。

また一般的には抵抗が小さく汎用的な銅線を巻線に使用するが、本実施の形態に係るファンモータ２０Ａおよび圧縮機モータ２０Ｂでは、抵抗率が銅の１．６倍のアルミの巻線１ｂが用いられている。

また本実施の形態に係るステータ１は、アルミ線である巻線１ｂで高占積巻線されている。高占積とはアルミ線が隣接するティースに巻かれたアルミ線に接する、または、アルミ線間、コア間の絶縁のための絶縁材に接することを意味し、高占積巻線によって、熱電導度が銅線の０．５７倍のアルミ線においても、通電によるジュール熱を効果的にフェライト磁石２ｂに伝えることができる。

なお、以下の説明では説明を簡単化するため、特に言及する場合を除き、ファンモータ２０Ａおよび圧縮機モータ２０Ｂを単に「モータ」と称し、圧縮機モータ用インバータ回路部６０およびファンモータ用インバータ回路部６１を単に「インバータ回路」と称する。

図５はフェライト磁石２ｂの温度と減磁限界電流値と過電流保護値との関係を示す図である。横軸はフェライト磁石２ｂの温度、縦軸はフェライト磁石２ｂの温度に対応するフェライト磁石２ｂの減磁限界電流値を表す。

フェライト磁石２ｂは、低温になるほど保磁力が下がる性質があるため、低温になるほどステータ電流で発生する逆磁界に対する耐力が小さくなり減磁し易くなる。減磁限界電流値は、磁石の初期磁力に対して特性に影響の出る数％の減磁率を招く虞のあるステータ電流を表し、フェライト磁石２ｂの減磁特性を考慮して、フェライト磁石２ｂの温度が低い領域では低く、フェライト磁石２ｂの温度が上昇するに従い高くなる。このような減磁限界電流値を超えるようなステータ電流がステータ１に通電されるとロータ２の磁力低下を招く。そのため、空気調和機１００にはステータ電流が減磁限界電流値を超えないよう過電流保護値が設定され、空気調和機１００は、ステータ電流が過電流保護値を超えた場合にはステータへの通電を遮断してモータを停止し、またはステータ電流が過電流保護値を超える直前に失速制御をかけることでステータ電流が過電流保護値を超えないように調整する。

Ｔ１は、空気調和機１００の使用範囲内の下限温度、Ｔ３は最大出力時の磁石温度、Ｔ２はＴ１より高くかつＴ３より低い磁石温度である。Ｐ１は、磁石温度がＴ１のときに流れるステータ電流が減磁限界電流値Ｉ１を超えないよう設定された過電流保護値である。Ｐ２は、磁石温度がＴ２のときに流れるステータ電流が減磁限界電流値Ｉ２を超えないよう設定された過電流保護値である。Ｐ３は、磁石温度がＴ３のときに流れるステータ電流が減磁限界電流値Ｉ３を超えないよう設定された過電流保護値である。

このように過電流保護値は、通常、空気調和機１００の使用範囲内の下限温度Ｔ１で起動されたときにも減磁が発生しないよう減磁限界電流値Ｉ１に設定される。ところが実際にステータ電流が減磁限界付近に近づくのは最大出力時であり、その際の磁石温度はＴ３に達する。このときの減磁限界電流値はＩ３であるが、空気調和機１００には低温時の減磁を踏まえて減磁限界電流値Ｉ１が設定されているため、ステータ電流としては減磁限界電流値Ｉ１までしか流せないことになる。

この対策として上記特許文献１では、過電流保護値を温度によって可変する方法が提案されている。ところが、過電流保護値の可変をソフトウエアで行う場合には、瞬時に電流が上昇したときの処理遅延時間が発生し、ハードウエアで行う場合には、回路を複数持つ必要があるコストの増加を招く。そのため、過電流保護値を温度によって可変する方法は一般的に空気調和機１００では採用されていない。

他の対策としては、磁石温度が所望の温度になるまで加温してから起動するという方法が考えられる。なお本実施の形態では説明を簡単化するため、図５に示すＴ２を「所望の温度」と定義する。

磁石温度を上昇させる従来の方法としては、低温ではモータを起動させずにヒータでモータを加熱し、加熱後にモータを起動する方法がある。ただしこの方法ではヒータを搭載する分、コストが課題となる。他の加熱の方法としては、巻線に通電してステータを発熱させることでヒータレスとする方法がある。ところがこの方法では減磁限界電流値未満の電流しか通電できず、磁石温度が所望の温度に達するまでに時間がかかるという課題があった。

磁石温度を上昇させる他の方法として、インバータ回路を構成するスイッチング素子を駆動してロータ２を回転させることなく巻線に通電する拘束通電を行い、Ｉ^２Ｒで表される巻線のジュール熱損を発生させ、この熱を磁石に伝えて磁石を加熱するものがある。Ｉは電流を表し、Ｒは巻線抵抗を表す。ジュール熱損は一般的に銅線を用いるため銅損とも呼ばれる。

拘束通電の方法としては、直流通電をする方法、ロータ２の回転が追従しないような高周波の交流電流を通電する方法、または１相を欠相させ２相通電する方法がある。何れの方法でも、インバータ回路を構成するスイッチング素子で電流を生成でき、電流のキャリア周波数は、通電加熱時の騒音として問題となりにくい１６ｋＨｚ以上のスイッチングで生成される。また交流電流を通電の場合、銅損のみならず、電流変化に伴う磁束の変化によってコアで発生する鉄損も熱として利用することができる。しかしながら、これらの拘束通電の方法では、減磁限界電流未満での電流でしか銅損を発生させることができないため、磁石温度が所望の温度に達するまで時間がかかる。

特に小型モータおよび高効率モータで採用されることが多い集中巻の場合、巻線周長が短く巻線抵抗が小さいため、発熱量が小さくなる。また、ティース毎に分割されたタイプのステータコアと、薄肉で連結されコアを広げて巻線を巻くことができるタイプのステータコアとでは、巻線がし易いため高密度に巻線を巻くことができるだけでなく、太い巻線を使用できる。そのためこれらの種類のステータコアに集中巻を採用した場合、より銅損が小さくなり、磁石温度が所望の温度に達するまで更に時間がかかることとなる。

一方、鉄損については、近年、コアを構成する電磁鋼板の低鉄損化によるモータ効率の改善が図られてきているため、発熱量も少なくなってきている。電磁鋼板は低鉄損化のために従来主流であった厚み０．５ｍｍよりも更に薄板化が図られており、０．３５ｍｍ，０．３ｍｍ，０．２５ｍｍのように電磁鋼板の厚みを薄くすると、鉄損の中でも高周波に伴う渦電流損が特に低下する。よって、高周波通電による鉄損発熱が小さいものになり、磁石温度が所望の温度に達するまでに時間がかかる要因の一つとなっている。特に集中巻モータは、銅損に対する鉄損の比率が大きいため、その改善として薄肉電磁鋼板、一例としては厚み０．３５ｍｍ以下のものが用いられることが多く、銅損と鉄損が共に小さく、磁石温度が所望の温度に達するまでに時間がかかる。

そこで本実施の形態に係るファンモータ２０Ａおよび圧縮機モータ２０Ｂは、ステータ１のスロット１ａ３にアルミ製の巻線１ｂが高占積で巻かれ、かつ、巻線１ｂに拘束通電することで予備加熱を行うよう構成されている。アルミ線の抵抗率は銅線の抵抗率の１．６倍であるため、Ｉ^２Ｒで表されるアルミ線のジュール熱損は、電流値を同一としたときに銅線で発生するジュール熱損の１．６倍となる。そのため、減磁限界電流値未満の通電であっても、磁石温度が所望の温度に達するまでの時間を短縮することができる。圧縮機モータ２０Ｂへの拘束通電の一例としては、圧縮機モータ用インバータ回路部６０を構成するスイッチング素子がスイッチング動作することで実現され、ファンモータ２０Ａへの拘束通電の一例としては、ファンモータ用インバータ回路部６１を構成するスイッチング素子がスイッチング動作することで実現される。

ただしアルミ線の熱伝導度は銅線の熱伝導度に対して０．５７倍と小さいため、アルミ線で発生した熱を磁石に伝える面では不利になる。アルミ線で発生した熱を磁石へ効率的に伝達するためには、アルミ線同士を密着させてアルミ線同士の間の隙間を小さくし、あるいはアルミ線をティースに密着させてアルミ線とティースとの間の隙間を小さくすることが望ましい。なお、ティースに巻かれたアルミ線は必然的にティースと密着するが、隣接するアルミ線間には隙間が生じる。

そこで本実施の形態では、銅線を用いたモータで採用されることが多い空気絶縁は行わずに、隣接する巻線１ｂ間を巻線間絶縁材１ｃ１で絶縁することにより、少なくとも１ターン分の巻線１ｂを巻線間絶縁材１ｃ１に密着させている。巻線間絶縁材１ｃ１の一例としては、前述したフィルムまたは樹脂の絶縁材をピース状に成形したものを隣接する巻線１ｂ間に挿入してもよいし、あるいは、隣接する巻線１ｂ間を樹脂で一体モールドさせてもよい。巻線１ｂの表面に施された絶縁コーティングによって信頼性が十分と判断されれば、隣接する巻線１ｂ同士を密着させてもよい。

本実施の形態に係る空気調和機１００では予備加熱が以下のようにして行われる。空気調和機１００内に設置された図示しない温度センサーで測定された温度と、巻線抵抗と、拘束通電電流値と、通電電流の周波数と、通電時間とに基づいて、予め実験によってデータベース化されたものから推定した磁石温度が、所望の温度に達するまで予備加熱が行われる。すなわち磁石温度が、ステータ電流が過電流保護値Ｐ２を超えたと判断されたときの温度に達するまで予備加熱が行われる。その後、空気調和機１００では通常の起動を行う。

なお、巻線１ｂを銅線からアルミ線に変更することで、通常運転時の巻線１ｂのジュール熱損も大きくなり、モータ効率が低下するが、モータ効率の低下分は磁石サイズを増加させることで相殺することができる。モータトルクＴは、簡易的にＴ∝ｎ・Ｉ・φで表され、磁石サイズを大きくして磁束φを増加させれば、その分電流Ｉが小さくてもモータトルクＴを発生できる。電流が下がることにより、アルミ線化によって増加した通常運転時のジュール熱損を抑制できる。また磁石サイズを大きくすることで減磁に対する耐力を上げることができ、減磁限界電流値が上がり、過電流保護値を上げることが可能となる。過電流保護値が上がることによって拘束通電時では通電電流を増加させることが可能となり、磁石温度が所望の温度に達するまでの時間をさらに縮減できる。

また通電加熱でフェライト磁石２ｂの低温減磁が緩和されると、高磁力の磁石が使い易くなる。高磁力の磁石の一例としては希土類磁石が挙げられる。磁石では減磁耐力の指標となる保磁力と磁束量の指標となる残留磁束密度とがトレードオフの関係にあり、低めの保磁力の磁石の採用が可能となれば、高磁力化が図れ、より少ない電流でトルクを発生させることができ、効率改善となる。なお、磁石サイズの増加によるコストの増加に関しては、巻線１ｂを高価な銅線から安価なアルミ線に変更することで、コストの大幅な低減を図ることができる。そのため、磁石サイズは、モータ効率の狙い値も含めて、総合的に適正値が判断される。

なお、アルミ線の線膨張係数は銅線の線膨張係数の１．３５倍であるため、巻線を銅線からアルミ線に変更した場合、特に巻線１ｂとモータ外に出されるリード線との結線部における品質に注意が必要である。モータ外に出されるリード線には、強度の問題から銅線を使用することが多く、アルミ製の巻線１ｂと銅製のリード線との結線は、銅の金属端子を機械的にかしめる場合がある。その他にも、ヒュージング、超音波振動溶着、半田付け、あるいはろう付けといった結線方法もある。ただし何れの結線方法であっても拘束通電による電流ヒートショックにより、銅とアルミの線膨張係数の違いから結線部を剥離する力が生じる。このような力が働いても必要最小限の密着力が発生していれば結線部での必要接触抵抗を満足できるが、結線部に隙間が生じてその部分に酸素が入ると、酸化し易いアルミの表面に絶縁層である酸化層が生成され、接触不良となる場合がある。よって、この酸化が発生しないよう結線部を酸素から隔離する必要がある。隔離方法としては、結線部をモールドし、または圧縮機３０のように外気と遮断された密閉空間内に結線部を配置する必要がある。

通電加熱の目的の１つである磁石の低温減磁対策について述べたが、以下では通電加熱のもう１つの目的である圧縮機３０の冷媒寝込み防止に関して説明する。一般に、冷媒配管５１を介して室内側熱交換器４０と室外側熱交換器４２を圧縮機３０に接続したヒートポンプ式冷凍装置においては、圧縮機３０の運転停止の際、ヒートポンプ式冷凍装置の冷却された部分に冷媒が移動して凝縮する傾向がある。

一例として夜間に暖房運転を停止したとき、室内側熱交換器４０の温度は圧縮機３０および室外側熱交換器４２の温度よりも高いため、圧縮機３０および室外側熱交換器４２に室内側熱交換器４０内の冷媒が移動する。また、圧縮機３０の熱容量は室外側熱交換器４２よりも大きいため、朝方に外気温度が上昇すると、室外側熱交換器４２の温度は圧縮機３０の温度よりも早く上昇することから、室外側熱交換器４２内の冷媒が、室外側熱交換器４２よりも温度が低い圧縮機３０側へ移動して凝縮し、圧縮機３０の密閉容器３２内に設けた油溜め空間の油中に液冷媒が溶け込んで溜まる冷媒寝込み現象が発生する。冷媒寝込みにより、液冷媒が油溜め空間内の油を希釈したり、圧縮機３０の再起動を行うとき油溜め空間内の油中に溶け込んだ液冷媒が気泡状になって溶出することによりフォーミング現象が発生したり、あるいは、圧縮機３０が液冷媒を直接吸い込むことにより液圧縮が発生して圧縮機３０の故障の原因になることがある。

本実施の形態に係る空気調和機１００では、圧縮機３０が起動する前に圧縮機モータ２０Ｂを拘束通電することにより、圧縮機３０内の冷媒を所望の温度に達するまで加温し、液冷媒を気化させて寝込み起動を防止する。圧縮機３０の場合、所望の温度はフェライト磁石２ｂの減磁を緩和する温度と寝込みを防止する温度とを踏まえて適宜決定される。

なお本実施の形態に係る空気調和機１００ではファンモータ２０Ａと圧縮機モータ２０Ｂの両方を用いられているが、空気調和機１００にはファンモータ２０Ａと圧縮機モータ２０Ｂの一方のみを用いてもよい。

また本実施の形態に係るロータ２は、磁石挿入孔２ｃにフェライト磁石２ｂを挿入するＩＰＭ（ＩｎｔｅｒｉｏｒＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔ）型であるが、これに限定されず、樹脂部２ａの外周面に磁石を配置するＳＰＭ（ＳｕｒｆａｃｅＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔ）型であってもよい。

また本実施の形態に係るステータコア１ａおよび樹脂部２ａは、電磁鋼板を積層したものに限定されず、鋼材を加工した一体型コア、樹脂と鉄粉を混ぜたものを固めた樹脂コア、または磁性粉を加圧成形した圧粉コアでもよく、コアの種類は目的と用途によって使い分けられる。

実施の形態２．
実施の形態２に係る空気調和機１００は、ファンモータ２０Ａと圧縮機モータ２０Ｂの両方を用い、かつ、圧縮機モータ２０Ｂを拘束通電している間にファンモータ２０Ａも拘束通電する構成である。

圧縮機３０はモータの設計によらず、空気調和機１００の内部構造に起因して、冷媒が圧縮機３０内に液冷媒となって滞留する場合がある。液冷媒の滞留による油の希釈または液圧縮による圧縮機構部３１のストレスを防止するため、拘束通電せざるを得ない場合がある。一方、ファンモータ２０Ａは冷凍回路中に用いられていないため、ファンモータ２０Ａには液冷媒による影響の心配がなく、フェライト磁石２ｂの低温減磁のみ懸念されるため、フェライト磁石２ｂの低温減磁の対策としては、磁石の保磁力を上げるといった拘束通電以外の手段がある。ただし、磁石の保磁力を上げることは、磁束量を落としたりコストの増加を招く結果となるため、性能低下およびコスト増加の抑制を図りながら空気調和機としてのシステムを組むべきである。

そこで実施の形態２に係る空気調和機１００では、圧縮機モータ２０Ｂの拘束通電を行う時間を利用してファンモータ２０Ａも拘束通電する。これによってファンモータ２０Ａに使用されるフェライト磁石２ｂの保磁力を上げる対策、すなわち希土類磁石を代表とする高価な磁石を用いることなく低温減磁の対策が可能となり、低コストなファンモータ２０Ａを実現できる。一般的にファンモータ２０Ａの方が圧縮機モータ２０Ｂよりも熱容量が小さいため、圧縮機モータ２０Ｂよりも短い時間の拘束通電で十分であり、圧縮機モータ２０Ｂとファンモータ２０Ａとを同時に拘束通電を行うことで、別々に拘束通電を行う場合よりも空気調和機１００全体として、磁石温度が所望の温度に達するまでに時間を短縮できる。

実施の形態３．
実施の形態３に係る空気調和機１００は、拘束通電の方式が、圧縮機モータ２０Ｂでは交流通電を主とし、ファンモータ２０Ａでは直流通電を主とする構成である。

ファンモータ２０Ａは、モータ負荷トルクが圧縮機モータ２０Ｂの半分以下、使用回転速度が圧縮機モータ２０Ｂの１／３程度であり、出力が小さく、電流値も小さい。一方、ファンモータ２０Ａは、圧縮機モータ２０Ｂに比べて磁石量が少ないため磁力が小さく、また圧縮機モータ２０Ｂに比べて最大回転速度が小さいことから、巻線１ターンあたりの誘起電圧が小さい。

ここで永久磁石型モータの回路方程式は簡易的にＶ−Ｅ＝ＩＺで表される。Ｖはコンバータ回路部６２の母線電圧で決まるインバータ出力最大電圧、ＥはＥ＝ｎ・ｄφ／ｄｔで決まる誘起電圧、Ｉは巻線電流、Ｚはモータインピーダンス、ｎは巻線の巻数、φは磁束量、ｄ／ｄｔは時間微分を表す。モータトルクは簡易的にＴ∝ｎ・Ｉ・φで表され、電流を流してトルクを得るため、誘起電圧Ｅはインバータ出力最大電圧未満になるよう制御されるが、ファンモータ２０Ａは圧縮機モータ２０Ｂに比較し、最大回転速度と磁束量が小さいため、ｄΦ／ｄｔが小さく、その分、巻数ｎを多くすることができる。巻数ｎが大きくなれば、Ｔ∝ｎ・I・φより少ない電流でトルクが発生できるようになり、少ない電流であればその分インバータ回路の素子を小さな容量のものにでき、またインバータ回路の効率の向上を図ることができる。

しかしながら巻数ｎが多くなるとインダクタンスも大きくなり、高周波交流の振幅が小さくなる。ここで拘束通電の方式と合わせて考えてみると、直流通電の場合は巻線によるジュール熱損が主で、直流に重畳された高周波成分による鉄損発熱は小さい。交流通電は、交流で発生する磁束の変化でコアに鉄損を生じさせるので、交流通電による拘束通電では鉄損による発熱が主となる。

ファンモータ２０Ａでは巻数ｎが多くインダクタンスＬが大きいため、特にインバータ回路のキャリア周波数ｆが高い場合、インダクタンスと周波数で定まるインピーダンス（＝２πｆＬ）が大きくなり、交流電流振幅が大きく取れず、鉄損発熱が小さいものとなってしまう。キャリア周波数ｆは、通電加熱時の騒音として問題となりにくい１６ｋＨｚ以上の値である。

そこでファンモータ２０Ａに対する拘束通電の方式としては、鉄損よりも巻線ジュール熱損が大きくできる直流通電を主とすることが望ましい。直流通電を主とするとは、拘束通電時の電流に交流成分が重畳してもよいが、拘束通電時の電流に対する直流成分の割合が拘束通電時の電流に対する交流成分の割合より大きい電流を通電すること、または拘束通電時における直流通電時間が交流通電時間よりも長いことを示す。

一方、圧縮機モータ２０Ｂでは、インダクタンスが小さいため、電流振幅をファンモータ２０Ａより大きく取れるので、圧縮機モータ２０Ｂに対する拘束通電の方式としては、鉄損と巻線ジュール熱損との両方で発熱が可能な交流通電を主とすることが望ましい。交流通電が主とは、拘束通電時の電流に直流成分が重畳してもよいが、拘束通電時の電流に対する交流成分の割合が拘束通電時の電流に対する直流成分の割合より大きい電流を通電すること、または拘束通電時における交流通電時間が直流通電時間よりも長いことを示す。

なお、ファンモータ２０Ａは圧縮機モータ２０Ｂよりもインダクタンスが大きいと述べたが、その理由は、ファンモータ用インバータ回路部６１の最大出力電圧が、圧縮機モータ用インバータ回路部６０の最大出力電圧よりも小さい場合、一般的な空気調和機では、共通のコンバータ回路部６２の母線電圧をファンモータ用インバータ回路部６１と圧縮機モータ用インバータ回路部６０に分岐し、要求最大回転速度がファンモータ２０Ａの方が低いためである。

実施の形態４．
実施の形態４に係る空気調和機１００では、モータを駆動するインバータ回路を構成するスイッチング素子がワイドバンドギャップ半導体で構成されている。拘束通電時の印加電圧および電流を生成するインバータ回路のスイッチング素子にはＳｉケイ素を材料とするＳｉ系半導体を用いるのが一般的であるが、ＳｉＣ炭化ケイ素、ＧａＮ窒化ガリウム、Ｃダイヤモンドといった材料を用いたワイドバンドギャップ半導体は、スイッチングの電力損失が小さいため、インバータ回路を構成するスイッチング素子をワイドバンドギャップ半導体で構成することにより、拘束通電時における電力損失を抑制することができる。

以上に説明したように本実施の形態に係る空気調和機１００は、永久磁石型モータであるファンモータ２０Ａおよび圧縮機モータ２０Ｂのステータ１がアルミ線で高占積巻線され、ファンモータ２０Ａおよび圧縮機モータ２０Ｂを駆動することなくアルミ線に拘束通電することでフェライト磁石２ｂを加熱する。ステータ１にアルミの巻線１ｂが高占積で巻かれることにより、減磁限界電流未満の電流でも発熱が大きくなり磁石温度が所望の温度に達するまでの時間を短縮することができ、熱電導度が銅線よりも低いアルミ線を用いても通電によるジュール熱を効果的にフェライト磁石２ｂに伝えることができる。従って、実施の形態１から４に係る空気調和機１００では、電流保護値の可変をソフトウエアで行うことによる処理遅延時間を生じることなく、かつ、電流保護値の可変をハードウエアで行うことによるコストの増加を招くことなく、永久磁石の減磁を抑制することができる。

また本実施の形態に係る空気調和機１００ではアルミ線が集中巻でステータ１に巻かれている。集中巻では分布巻に比べて巻線周長が短いため巻線での通電発熱であるジュール熱が小さい。一方、磁束が分布巻に対してアンバランスになることから鉄損は大きめになる。アルミの巻線１ｂと組み合わせることにより、巻線１ｂの抵抗によるジュール熱損と鉄損を利用して、磁石温度が所望の温度に達するまでの時間を短縮することができる。

また本実施の形態に係る空気調和機１００のステータ１は、空気調和機１００に搭載される圧縮機３０を駆動する圧縮機モータ２０Ｂと、空気調和機１００に搭載されるファン４１およびファン４３を駆動するファンモータ２０Ａとに用いられ、圧縮機モータ２０Ｂを拘束通電している間にファンモータ２０Ａも拘束通電する。これによって圧縮機モータ２０Ｂとファンモータ２０Ａとを別々に拘束通電を行う場合よりも空気調和機１００全体として磁石温度が所望の温度に達するまでに時間を短縮できる。

また本実施の形態に係る空気調和機１００は、拘束通電が圧縮機モータ２０Ｂでは交流通電を主とし、ファンモータ２０Ａでは直流通電を主とする。鉄損と巻線ジュール熱損との両方で発熱が可能な圧縮機モータ２０Ｂでは交流通電を主とし、鉄損よりも巻線１ｂによるジュール熱損が支配的なファンモータ２０Ａでは直流通電を主とすることで、磁石温度が所望の温度に達するまでに時間をより短縮することができる。

また本実施の形態に係る空気調和機１００は、圧縮機モータ２０Ｂを駆動する圧縮機モータ用インバータ回路部６０を有し、圧縮機モータ用インバータ回路部６０を構成するスイッチング素子が、ワイドバンドギャップ半導体で構成されている。また本実施の形態に係る空気調和機１００は、ファンモータ２０Ａを駆動するファンモータ用インバータ回路部６１を有し、ファンモータ用インバータ回路部６１を構成するスイッチング素子が、ワイドバンドギャップ半導体で構成されている。これにより拘束通電時における電力損失を抑制することができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ステータ、１ａステータコア、１ａ１バックヨーク、１ａ２ティース、１ａ３スロット、１ｂ巻線、１ｃ絶縁材、１ｃ１巻線間絶縁材、１ｃ２ティース被覆用絶縁材、２ロータ、２ａ樹脂部、２ｂフェライト磁石、２ｃ磁石挿入孔、２ｄシャフト挿入孔、３軸受、４シャフト、５ブラケット、９モールド樹脂、１３ハウジング、２０Ａファンモータ、２０Ｂ圧縮機モータ、３０圧縮機、３１圧縮機構部、３２密閉容器、４０室内側熱交換器、４１ファン、４２室外側熱交換器、４３ファン、５０四方弁、５１冷媒配管、５２膨張弁、６０圧縮機モータ用インバータ回路部、６１ファンモータ用インバータ回路部、６２コンバータ回路部、７０商用電源、８０冷凍サイクル、１００空気調和機。

Claims

ロータにフェライト磁石を用いた永久磁石型モータを備えた空気調和機であって、
前記永久磁石型モータのステータは、アルミ線で高占積巻線され、
前記永久磁石型モータを駆動することなく前記アルミ線に拘束通電することでフェライト磁石を加熱する空気調和機。
前記アルミ線は集中巻で前記ステータに巻かれている請求項１に記載の空気調和機。
前記ステータは、前記空気調和機に搭載される圧縮機を駆動する圧縮機モータと、前記空気調和機に搭載されるファンを駆動するファンモータとに用いられ、
前記圧縮機モータを拘束通電している間に前記ファンモータも拘束通電する請求項１または請求項２に記載の空気調和機。
前記拘束通電は、前記圧縮機モータでは交流通電を主とし、前記ファンモータでは直流通電を主とする請求項３に記載の空気調和機。
前記圧縮機モータを駆動する圧縮機モータ用インバータ回路部を有し、
前記圧縮機モータ用インバータ回路部を構成するスイッチング素子が、ワイドバンドギャップ半導体で構成されている請求項３または請求項４に記載の空気調和機。
前記ファンモータを駆動するファンモータ用インバータ回路部を有し、
前記ファンモータ用インバータ回路部を構成するスイッチング素子が、ワイドバンドギャップ半導体で構成されている請求項３または請求項４に記載の空気調和機。