JP5276638B2 - 圧縮機、及び密閉型回転電機 - Google Patents
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Description
また、永久磁石同期機は、半導体スイッチング素子で構成されるインバータが直流電圧を交流電圧に変換し、変換された交流電圧が入力電圧になるため、直流電圧の値が入力電圧の上限値となる。一方で、永久磁石の回転に伴う電磁誘導により、巻線端子には逆起電力が発生し、高速回転になればなるほど逆起電力は増加する。このため、逆起電力が入力電圧よりも大きくなる回転速度においては、弱め界磁制御により永久磁石磁束を打ち消すことで逆起電力が入力電圧と同等となるように制御する手法が広く適用されている。
まず、切替装置を圧力容器の外部に配置する場合の問題について説明する。この場合、圧力容器の外部に設置されたモータ駆動用の制御装置等は、切替装置への信号入力を容易に行うことができる。したがって、信号線の取り扱いには特段の問題は発生しない。しかし、切替装置を構成するためには、圧力容器外部に多数の巻線端子を引き出す必要が出てくる。例えば、3相の永久磁石モータであれば、通常は各相1端子、計3端子を圧力容器外部に取り出せばよいが、直列/並列の切替装置を構成するためには、計9端子を引き出す必要が出てくる。このため、圧力容器外壁に設ける端子箱の構造が大型化、複雑化するほか、製造工程が増加するため、コスト増を招く問題がある。また、端子箱が大型化することで圧力容器の強度が低下し、製品の信頼性が低下する問題がある。
そうすると、製造工程が増加するためコスト増を招く問題がある。また、端子箱の数が増加することで圧力容器の強度が低下し、製品の信頼性が低下する問題がある。なお、巻線端子に関しては、圧力容器内部で切替装置に接続されるので、新たに端子箱を設ける必要は無い。
このように、切替装置を圧力容器外部に設置する場合は、巻線端子の取り扱いに問題があり、圧力容器内部に設置する場合は信号線の取り扱いに問題がある。
また、前記切替装置の切り替え動作を制御する信号線は、前記と同一の端子箱を介して圧力容器外部に引き出す構成であることを特徴とする。
また、回転電機が3相の場合、切替装置の端子数は9個であり、従来のように切替装置を圧力容器の外部に設置するとき、端子箱の端子数は、3個+9個の計12個必要になる。しかしながら、本発明によれば、切替装置を圧力容器内部に設けることにより、切替装置を圧力容器外部に設置すれば、多くても3個+2個の計5個の端子数でよくなるので、引き出す巻線端子の数を低減することができる。
前記2回路は、各相毎に各回路で共通する第1共通接点(101,Ta3U,Tb3U)、及びすべての相で共通する第2共通接点(103,Tb2U,Tb2V,Tb3W)を備える第1回路と、前記第1共通接点、及び相毎に独立する独立接点(Ta1W,Ta1V,Ta1U)を備える第2回路とからなり、前記第1共通接点と前記第2共通接点との何れかに接続される第1端子(Tb1W,Tb1V,Tb1U)、及び前記第1共通接点と前記独立接点の何れかに接続される第2端子(Ta2W,Ta2V,Ta2U)は、何れかの前記巻線の終端に接続され、前記独立接点は、他の前記巻線の終端、及び多相交流電源の端子に接続されることが好ましい。なお、( )内の符号や記号は例示である。
以下、本発明の一実施形態である圧縮機(密閉型回転電機)について図面を参照して説明する。各図において、共通する構成要素や同様な構成要素については、同一の符号を付し、それらの重複する説明を省略する。
図1は、本発明の第1実施形態である圧縮機の断面構造図である。
図1において、圧縮機100(100a)は、圧縮部28と、永久磁石同期機24と、切替装置40とが圧力容器22の内部に密封され、これらが端子箱30を介して制御される構造になっている。
圧縮部28は、固定スクロール部材13と、旋回スクロール部材16と、滑り軸受27とを備え、固定スクロール部材13の端板14に直立する渦巻状ラップ15と、旋回スクロール部材16の端板17に直立する渦巻状ラップ18とを噛み合わせて、圧縮室19(19a,19b,……)が形成されている。そして、圧縮部28は、旋回スクロール部材16をクランクシャフト6によって旋回運動させることで圧縮動作を行うようになっている。圧縮室19(19a,19b,……)のうち、最も外径側に位置している圧縮室19a,19bは、旋回運動に伴って両スクロール部材13,16の中心に向かって移動し、容積が次第に縮小する。
油溜め部25内の油は、回転運動により生ずる圧力差によって、クランクシャフト6内に設けられた油孔26を通って、旋回スクロール部材16とクランクシャフト6との摺動部や、滑り軸受け27等の潤滑に供される。
半導体素子を用いたリレーの場合、圧力容器内は高温環境であることから、耐熱性に優れた半導体素子を使う必要がある。また、圧力容器内では高圧の油冷媒が定常的に循環しているため、耐熱性,耐圧性に優れた部材を用いて素子を封入する必要がある。また、圧縮動作に伴う振動により、半導体素子のはんだが剥離し接触不良を引き起こす可能性があるため,高強度の導電材を用いて接着させる必要がある。
「有接点リレー」の場合、電磁石は、電機子巻線12とは別の巻線を用いて構成してもよいし、電機子巻線12のうち少なくとも一相の巻線を用いて構成してもよい。また、リレーの構成は、電磁石のみを使用し、電磁石を構成する巻線の端子に+極,−極の指定がない「無極リレー」でもよいし、電磁石及び永久磁石を使用し、電磁石を構成する巻線の端子に+極,−極の指定がある「有極リレー」でもよい。圧力容器内では高圧の油冷媒が定常的に循環しているため、切替装置40の端子接続部を、高耐熱樹脂又は非導電性部材により覆うことで、腐食、接触不良、や回路短絡等を防止する構成であればよい。
図2において、圧縮機100(100a)は、三相の永久磁石同期機24(図1)と、切替装置40とが圧力容器22の内部に備えられ、端子箱30aを介して、インバータ60及び制御装置70に接続されている。また、三相の永久磁石同期機24(図1)は、電機子巻線12が各相2つの巻線(第1の巻線:U1,V1,W1、第2の巻線:U2,V2,W2)で構成されて、端子箱30aは、三相電源用の端子31W、31V,31U、及び切替装置制御用の端子33a,33bの5端子が内蔵されている。
また、切替装置40を構成する電磁石巻線32(32a,32b)は、互いに直列接続され、圧力容器端子33a,33bを介して制御回路70に接続されている。これにより、切替装置40(Sa,Sb)は、制御回路70により同時に切り換えられる。
永久磁石同期機24(図1)は、複数の電機子巻線を直列接続とし、巻数を多く設計した状態とすることにより、インバータの電流許容値を小さく抑えたまま、大トルクを発生することができる。一方、永久磁石同期機24は、複数の電機子巻線を並列接続とし、巻数を小さく設計した状態とすることにより、高速回転領域を拡大することができる。なお、永久磁石同期機24は、回転速度が低いときは、定トルク駆動となり、回転速度が高くなると、定出力駆動となる。
端子箱30(30a)は、三相の永久磁石同期機の電機子巻線12(図1)を構成するU,V,W各相巻線の端子31u,31v,31w(計3個)と、電磁石巻線32(32a,32b)の端子33a,33b(計2個)とが納められている。
電磁石巻線32は、電機子巻線12とは別の導線であって、端子33a,33bのいずれか一方が電流入力端となり、もう一方が電流出力端となる。三相分の切替装置において、電磁石巻線32(32a,32b)を共通にして構成することで、端子33a,33bへの単一の電流入出力にって、三相の巻線接続を同時に切り替えることができる。
ここで、接続状態を保持する目的で定常的に電流を流す必要がある切替装置(単安定リレー)の場合は、電磁石巻線32に通電する電流が電機子巻線12に通電する電流よりも少なくなるように、リレーを構成する。これによって、端子31u,31v,31wよりも端子33a,33bを小さくすることができ、端子箱30の大型化を招くことなく、切替装置40を設置することができる。
一方、巻線接続の切り替え時にのみ電流を流す必要がある切替装置(双安定リレー)の場合は、電磁石巻線32に通電する電流が電機子巻線12に通電する電流よりも多くなるようにリレーを構成してもよい。電磁石巻線32には定常的に通電するわけではないので、この場合においても、端子31u,31v,31wよりも端子33a,33bを小さくすることができる。
したがって、端子箱30の大型化を招くことなく、切替装置40を設置することができる。なお、端子33a,33bは、端子箱30の空きスペースを有効活用できるのであればどこに設置してもよい。
ただし、この場合も、信号線Aの一端は端子箱30に設けられた端子33aに接続され、他端は端子33bに接続される。端子33a,33bに単一の信号を入力することで、2つの切替装置Sa,Sbを同時に動作させることができる。ただし、後述するように信号線の端子は小さく設計できるので、切替装置Saと切替装置Sbとを別の信号線で構成し、端子33a,33bとは別の端子を新たに設けてもよい。このような構成とすることで、切替装置Saと切替装置Sbとを独立に切り替えることが可能となる。
図5は、本発明の第2実施形態である圧縮機の電機子巻線と切替装置の接続構成を示す図である。図5において、図2と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。
図5の構成と図2の構成との相違点は、三相の永久磁石同期機24(図1)の電機子巻線12が各相3つの巻線(U1,U2,U3)、(V1,V2,V3)、(W1,W2,W3)で構成されていることである。これにより、圧縮機100bは、圧縮機100a(図2)に対して、第3の巻線(U3,V3,W3)、切替装置の端子Tc,Td、電磁石巻線32c,32dや、中性点50cが追加されている。これに伴い、電磁石巻線32(32a,32b,32c,32d)が4個直列接続され、端子33a,33bを介して制御装置70に接続される。
また、第2の巻線U2,V2,W2の他端と端子Td1とが接続され、端子Td2と中性点50bとが接続され、端子Td3と端子Tc3とが接続されている。
一方、第1の巻線、第2の巻線、及び第3の巻線をそれぞれ並列接続する場合は、端子Tb1と端子Tb2とを接続し、端子Ta1と端子Ta2とを接続し、端子Tc1と端子Tc2とを接続し、端子Td1と端子Td2とを接続する。中性点50aと中性点50bと中性点50cとは切り離してもよく、短絡してもよい。
以上、三相の永久磁石同期機の電機子巻線12が各相2つの巻線で構成される場合、及び3つの巻線で構成される場合の接続構成に関して述べた。ここで、電機子巻線12が各相n個(nは自然数)の巻線で構成される場合においても、同様にして直列接続と並列接続とを切り替えることができる。また、電機子巻線12が各相2n個の巻線で構成される場合は、2並列の巻線をn個直列に接続することもできる。
同様に、電機子巻線12が各相m×n個(mは3以上の自然数)の巻線で構成される場合は、m並列の巻線をn個直列に接続することもできる。また、上記において電機子巻線12を構成する複数の巻線すべてに通電するのではなく、一部の巻線のみに通電するように接続してもよい。
図6は、本発明の第3実施形態の圧縮機の電機子巻線と切替装置の接続図である。図6において、図2と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。
図6の構成が図2と異なる点は、W相巻線の端子31wが電磁石巻線32(図7では32a,32bと表示)の端子を兼ねており、制御装置70の代わりにインバータ60の一次側にスイッチ63(63a,63b,63c)を設けている点である。
言い換えると、圧縮機100cは、直流電源61の負極がスイッチの端子63cに接続され、端子63aがインバータ60に接続され、端子63bと端子箱30bの端子33aとが接続されている。
なお、電磁石巻線32の一端は、端子31wに接続する代わりに、端子31u又は端子31vに接続してもよい。
図7において、図4と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。図5において、図4と同様な点は、切替装置40(図示していない)の電磁石巻線32(図示していない)が、電機子巻線12とは別の導線で構成される点である。
一方、相違点は、U,V,W各相巻線の端子31u,31v,31wのうちの1つが電磁石巻線32の端子を兼ねている点である。このような構成とすることで、端子箱30bは、内蔵する端子数が4端子で済むため、図4の5端子の場合に比べ、製造工程を簡略化することができ、コスト低減につながる。また、圧力容器22(図1,2)に取り付けるような密閉用の三相電源コネクタは、種類が少ないが、U,V,Wの各端子に接地用端子を加えた4端子のコネクタは一般的である。
図8は、本発明の第4実施形態の圧縮機の電機子巻線と巻線切替回路の接続構成図である。図8において、図6と同一構成要素には同一符号を付け、重複説明は避ける。
図8の構成と図6の構成との相違点は、永久磁石同期機24(図1)のW相巻線W1,W2が、切替装置Sa(Sau,Sav,Saw)とSb(Sbu,Sbv,Sbw)とを構成する電磁石巻線32(32a,32b)に対して、直列に接続されており、スイッチ63が無い点である。このような構成とすることで、切替装置40を構成する電磁石巻線32の引出し線が不要となり、端子箱30cは、内蔵する端子数が3個で済む。このため、圧縮機100dは、図7の場合の4端子に比べ、さらに製造工程を簡略化でき、コスト低減につながる。なお、W相巻線と電磁石巻線32とを直列ではなく並列に接続してもよい。また、W相巻線の代わりにU相巻線又はV相巻線を用いてもよい。
本実施形態によれば、コスト増を招かないと同時に、圧縮機の構造を複雑化することなく切替装置を設置することが可能となり、可変速運転範囲を拡大できる。特に、低速運転時には直列接続とすることで,制御応答性向上や、最大トルク向上が可能となる。同時に、電流低減により、インバータ導通損の低減,ならびに半導体素子の温度上昇緩和,およびインバータ効率の向上を図ることができる。同時に,インダクタンス増加により、モータ電流のキャリア高調波成分が低減するため、鉄損低減,ならびにモータの温度上昇緩和といった効果が得られる。
前記各実施形態は、切替装置40(Sa,Sb)の構造については何ら考慮していない。
本実施形態では、第1実施形態の切替装置40が端子Ta3Wと端子Tb3Wとが接続され、端子Ta3Vと端子Tb3Vとが接続され、端子Ta3Uと端子Tb3Uとが接続され、さらに、端子Tb2W、端子Tb2V、及び端子Tb2Uが中性点50aとして互いに接続されていることに着目する。
したがって、端子部分の配線簡略化、及び切替装置の小形化は実用上きわめて有用である。
以上のように、巻線切替装置を図10乃至図13に示す構成とすることで、端子部分の配線簡略化および小形化が可能となる。
本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような種々の変形が可能である。
(1)前記各実施形態は、圧縮部、及び回転電機を設けた圧縮機に適用した場合について説明したが、汎用モータなどの密閉型回転電機にも適用可能である。
3 永久磁石
4 カシメ用ボルト
6 クランクシャフト
7 磁石挿入孔
9 固定子
12 電機子巻線
13 固定スクロール部材
14 端板
15 渦巻状ラップ
16 旋回スクロール部材
17 端板
18 渦巻状ラップ
19,10a,19b 圧縮室
20 吐出口
21 フレーム
22 圧力容器
23 吐出パイプ
24 永久磁石同期機(回転電機)
25 油溜め部
26 油孔
27 滑り軸受け
28 圧縮部
30,30a,30b,30c 端子箱
31,31U,31V,31W 端子
32,32a,32b,32c,32d 電磁石巻線
33,33a,33b,33c、62 端子
40 切替装置
50,50a,50b,50c 中性点
60 インバータ(多相交流電源)
61 直流電源
63 スイッチ
70 制御回路
100,100a,100b,100c,100d 圧縮機(密閉型回転電機)
Claims (11)
- 各相に複数の巻線が巻回された回転電機を有する圧縮機において、
前記複数の巻線を直列接続、及び並列接続の何れか一方に切り替える切替装置と、前記回転電機及び前記切替装置を内部に収納する圧力容器と、を備え、
前記切替装置は、電磁石を用いて機械的に接点を切り替える構成であり、
前記圧力容器は、前記巻線の終端を外部に引き出す端子、及び他の端子を有する単一の密閉用のコネクタを設け、
前記電磁石の電磁石巻線の両端は、前記他の端子を介して前記圧力容器の外部に引き出される構成であることを特徴とする圧縮機。 - 各相に複数の巻線が巻回された回転電機を有する圧縮機において、
前記複数の巻線を直列接続、及び並列接続の何れか一方に切り替える切替装置と、
前記回転電機及び前記切替装置を内部に収納する圧力容器とを備え、
前記切替装置は、電磁石を用いて機械的に接点を切り替える構成であり、
前記圧力容器は、前記巻線の終端を外部に引き出す単一の端子箱を設け、
前記電磁石は、複数備えられ、
前記複数の電磁石が直列接続された電磁石巻線の両端は、前記端子箱を介して前記圧力容器の外部に引き出される構成であることを特徴とする圧縮機。 - 請求項2に記載の圧縮機において、
前記切替装置は、2回路2接点の機械式リレーを各相毎に用いた6回路構成であり、
前記2回路は、各相毎に各回路で共通する第1共通接点、及びすべての相で共通する第2共通接点を備える第1回路と、前記第1共通接点、及び相毎に独立する独立接点を備える第2回路とからなり、
前記第1共通接点と前記第2共通接点との何れかに接続される第1端子、及び前記第1共通接点と前記独立接点の何れかに接続される第2端子は、何れかの前記巻線の終端に接続され、
前記独立接点は、他の前記巻線の終端、及び多相交流電源の端子に接続される
ことを特徴とする圧縮機。 - 請求項2又は請求項3に記載の圧縮機において、
前記回転電機は、三相交流電動機であり、
前記両端は、一端が前記巻線のうち少なくとも一相の巻線の終端と共通し、
前記端子箱は、4端子で構成されていることを特徴とする圧縮機。 - 請求項2又は請求項3に記載の圧縮機において、
前記電磁石は、前記回転電機に巻回された巻線のうち少なくとも一相の巻線に挿入されており、
前記端子箱は、3端子で構成されていることを特徴とする圧縮機。 - 請求項5に記載の圧縮機において、
切替動作の際に、前記切替装置の巻線に通電する電流が、制御回路を介して入力される構成であり、
前記制御回路は、電動機駆動時に必要とされる最大電流値よりも大きくなるように制御することを特徴とする圧縮機。 - 請求項2又は請求項3に記載の圧縮機において、
前記電磁石に通電する導線は、前記電磁石巻線とは別の導線を用いて構成し、
前記端子箱は、5端子で構成されていることを特徴とする圧縮機。 - 請求項2乃至請求項7の何れか一項に記載の圧縮機において、
前記切替装置は、半導体素子を用いて電子的に接点を切り替える構成であることを特徴とする圧縮機。 - 請求項2乃至請求項8の何れか一項に記載の圧縮機において,
前記切替装置は、端子接続部が高耐熱樹脂又は非導電性部材により覆われていることを特徴とする圧縮機。 - 請求項2乃至請求項9の何れか一項に記載の圧縮機において、
前記切替装置の端子接続部は、スパークキラー,及びバリスタ何れか1つ又はこれらの組み合わせが接続されていることを特徴とする圧縮機。 - 相毎に複数の巻線が巻回された密閉型回転電機において、
前記複数の巻線を直列接続、及び並列接続の何れか一方に切り替える切替装置と、
前記巻線及び前記切替装置を内部に収納する圧力容器と、
を備え、
前記切替装置は、電磁石を用いて機械的に接点を切り替える構成であり、
前記圧力容器は、前記巻線の終端を外部に引き出す単一の端子箱を設け、
前記電磁石は、複数備えられ、
前記複数の電磁石が直列接続された電磁石巻線の両端は、前記端子箱を介して前記圧力容器の外部に引き出される構成であることを特徴とする密閉型回転電機。
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