JP6491455B2 - 電動機 - Google Patents

Description

本発明は、電動機に関するものである。

近年、冷凍サイクル装置では、圧縮機の回転速度を調整することで冷凍能力を可変調整可能となっているものが多い。すなわち、前記圧縮機を高回転で運転（定格運転）させることで、前記冷凍サイクル装置の冷凍能力を高めることができる。圧縮機には通常、電動機が組み込まれ、回転数は電気的に制御される。また、電動機の回転数を落とした中間運転（能力が定格の約半分となる運転）を行うことで、必要に応じて冷凍能力を調整することができる。

例えば、前記冷凍サイクル装置が空気調和機に用いられているとする。前記空気調和機の電源投入直後等で冷房又は暖房を行う場合、前記圧縮機を定格運転し、前記冷凍サイクル装置の冷凍能力を高め、冷房又は暖房の出力を上げる。また、一定の温度に到達し、温度維持程度の冷房又は暖房でよい場合、前記圧縮機を中間運転し、冷凍サイクル装置の冷凍能力を低く抑え、少ない消費電力で室温を安定させている。

前記冷凍サイクル装置の消費電力の多くは圧縮機で消費されるものである。そして、前記圧縮機（圧縮機に含まれる電動機）の効率を高めることが消費電力の低減につながる。前記電動機の特性は、コイルの巻線数によって変わり、前記巻線数によって最も高効率となる回転数が決まる。つまり、従来の構成の電動機で、低回転から高回転の全域で効率を高くすることは困難であった。

そこで、特開平６−２０５５７３号公報に記載の巻線切替型回転電機のような回転数が変化しても効率の高い状態で運転可能な電動機が提案されている。この巻線切替型回転電機では、電動機の回転数によって電力を供給するコイルを切り替え、コイルの巻線数を変更することで、高回転運転（定格運転）及び低速回転運転（中間運転）で効率の低下を抑制している。

特開平６−２０５５７３号公報

特開平６−２０５５７３号公報に記載の巻線切替型回転電機は高回転側のコイルと低回転側のコイルとを切り替えて利用するものである。冷凍サイクル装置を備える空気調和機は、圧縮機を利用して居室を冷やす冷房と居室を暖める暖房とを行う構成である。前記空気調和機では、冷房運転と暖房運転との違い、外気温の差等によって必要な冷凍能力が変動するため、圧縮機の回転数を細かく制御する必要がある。このような、回転数を細かく制御する必要がある圧縮機の電動機に前記巻線切替型回転電機を利用しても、長期間の運転で、必ずしも消費電力を低減できるとは限らない。

また、前記巻線切替型回転電機のようにコイルを切り替えて利用するとき、切り換え前後で相対的な巻き数比の変動が大きいと、コイルを切り替えたときに瞬間的に大きな電流が発生し、回転電機（電動機）自体或いは制御回路の故障、破損の原因となり、寿命を縮める原因となっていた。

そこで本発明は、広い回転数範囲で高効率運転を行うことができ、長寿命で無駄の少ない電動機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明は、複数個のコイルを含むコイルユニットが配置された固定子と、複数の極が形成された回転子と、前記コイルユニットごとに備えられた予備負荷と、前記コイルユニットをスター結線とデルタ結線とで切り替えるとともに、前記複数個のコイルの接続を切り替える制御部とを備えた電動機であって、前記制御部は、前記コイルユニットをスター結線とデルタ結線とに切り替えるとき、前記予備負荷に電流を流し、その電流が流れている状態で切り替えることを特徴とする。

この構成によると、コイルユニットのスター結線又はデルタ結線に切り替えるとき、前記予備負荷に電流を流した状態で行うため、切り替え時の瞬間的な大電流の発生を抑制することができる。これにより、コイルや制御回路に大電流が流れるのを抑制することができ、電動機及び（又は）制御回路の故障、破損や寿命が短くなるのを抑制することができる。

上記構成において、前記制御部は、前記コイルユニットをスター結線とデルタ結線とに切り替えるとき、切り替え前のコイルユニットに対して並列となるように前記予備負荷を接続したのち切り替える。

上記構成において、前記制御部は、前記コイルユニットの複数のコイルのうち、一部のコイルへの電力の供給を制限することで、巻線数を調整してもよい。

上記構成において、前記コイルユニットは、同じ構成のコイルを２個備えており、前記コイルユニットが、２個のコイルを直列に接続したコイルユニットをスター結線で接続した第１状態と、２個のコイルを直列に接続したコイルユニットをデルタ結線で接続した第２状態と、２個のコイルを並列に接続したコイルユニットをスター結線で接続した第３状態と、２個のコイルを並列に接続したコイルユニットをデルタ結線で接続した第４状態とに切り替えられるものであり、前記制御部が第１状態と第２状態との切替え、第２状態と第３状態との切替え及び第３状態と第４状態との切替えを行うとき前記予備負荷に電流を流す中間回路状態とするようにしてもよい。

上記構成において、前記予備負荷が抵抗値を切り替える可能な構成を有しており、前記制御部は、前記コイルユニットの前記複数個のコイルの接続状態で前記予備負荷の抵抗値を切り替えるようにしてもよい。

本発明によると、広い回転数範囲で高効率運転を行うことができ、長寿命で消費電力を低減することができる電動機を提供することができる。

本発明にかかる電動機を軸と垂直な面で切断した断面図である。 本発明にかかる電動機を示す配線図である。 第１コイル部と第２コイル部を直列に接続したコイルユニットをスター接続した配線図である。 第１コイル部と第２コイル部を直列に接続したコイルユニットをデルタ接続した配線図である。 第１コイル部と第２コイル部を並列に接続したコイルユニットをスター接続した配線図である。 第１コイル部と第２コイル部を並列に接続したコイルユニットをデルタ接続した配線図である。 電動機が切り替わる途中の中間状態を示す配線図である。 電動機が切り替わる途中の中間状態を示す配線図である。 電動機が切り替わる途中の中間状態を示す配線図である。 直列スター状態の等価配線図である。 直列スター状態から直列デルタ状態に切り替わる中間状態の各状態における等価配線図である。 直列スター状態から直列デルタ状態に切り替わる中間状態の各状態における等価配線図である。 直列スター状態から直列デルタ状態に切り替わる中間状態の各状態における等価配線図である。 直列デルタ状態の等価配線図である。 直列デルタ状態から並列スター状態に切り替わる途中の中間状態を示す配線図である。 直列デルタ状態から並列スター状態に切り替わる途中の中間状態を示す配線図である。 直列デルタ状態から並列スター状態に切り替わる途中の中間状態を示す配線図である。 本発明にかかる電動機の他の例の配線図である。 電動機の他の例の中間状態を等価回路図である。 電動機の他の例の中間状態を等価回路図である。 本発明にかかる電動機を利用した空気調和機の概略図である。 図１７に示す空気調和機に備えられた冷凍サイクル装置の一例の概略図である。

以下に本発明について図面を参照して説明する。
（第１実施形態）

本発明にかかる電動機について図面を参照して説明する。図１は本発明にかかる電動機を軸と垂直な面で切断した断面図であり、図２は本発明にかかる電動機を示す配線図である。

電動機Ａは３相ＤＣブラシレスモータである。電動機Ａは、固定子（ステータ）１０が９個のスロット１１を備えている。そして、ステータ１０の内部に回転子（ロータ）２０が配置されている。そして、回転子２０の中央に出力軸２１が一体的に固定されている。回転子２０には不図示の永久磁石が配置されている。回転子２０としては、例えば、８個の永久磁石を備えた（８極が形成された）ものを挙げることができる。

電動機Ａの各スロット１１には導線を巻き付けられており、各スロット１１がコイル（界磁）を構成している。これらのコイル１２には、それぞれ位相が１２０°ずれた交流電力Ｕ相電力、Ｖ相電力、Ｗ相電力が供給される。そこで、以下の説明では、３相の各相の電力が印加されるコイルをそれぞれ、Ｕ相コイルユニット１２Ｕ、Ｖ相コイルユニット１２Ｖ及びＷ相コイルユニット１２Ｗの３系統に分けている。電動機ＡはＵ相コイルユニット１２Ｕ、Ｖ相コイルユニット１２Ｖ及びＷ相コイルユニット１２Ｗにそれぞれ対応した位相の電力を供給することで、回転子２０が回転する、すなわち、回転力が発生する。発生した回転力は、回転子２０と一体的に固定された出力軸２１を介して電動機Ａの外部に取り出される。

図２に示すように、Ｕ相コイルユニット１２Ｕ、Ｖ相コイルユニット１２Ｖ及びＷ相コイルユニット１２Ｗは、第１コイル部１２１と第２コイル部１２２とを備えている。第１コイル部１２１及び第２コイル部１２２は、構成（巻き数、インピーダンス等）が同じものである。

また、Ｕ相コイルユニット１２Ｕ、Ｖ相コイルユニット１２Ｖ及びＷ相コイルユニット１２Ｗには、第１コイル部１２１、第２コイル部１２２とは別に予備負荷Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３がそれぞれ設けられている。なお、電動機Ａには、交流が供給されるため、予備負荷Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３としては、通常の抵抗のほか、誘導性のもの（コイル）や、容量性のもの（キャパシタ）或いは、これらを組み合わせたものが用いられる。なお、以下の説明において、結線や配線について説明する場合、コイルユニットは第１コイル部と第２コイル部とを接続したものとして扱う場合もある。

さらに、電動機Ａは、Ｕ相コイルユニット１２Ｕ、Ｖ相コイルユニット１２Ｖ及びＷ相コイルユニット１２Ｗそれぞれの第１コイル部１２１、第２コイル部１２２の接続の組み合わせを変更するとともに、各コイルユニットに電力を供給する駆動回路３を備えている。なお、Ｕ相コイルユニット１２Ｕ、Ｖ相コイルユニット１２Ｖ及びＷ相コイルユニット１２Ｗは、同一の構成を有している。

駆動回路３は、モータコントローラ３１、スイッチング素子３２１、３２２、３２３、３３１〜３３４、３４１〜３４４、３５１〜３５４及び制御部３６を備えている。モータコントローラ３１は、Ｕ相コイルユニット１２Ｕ、Ｖ相コイルユニット１２Ｖ及びＷ相コイルユニット１２Ｗのそれぞれに電力を供給するドライバ回路である。モータコントローラ３１は不図示の電源からの電力を電動機Ａの駆動に適した電力（電圧の波形、周波数、周期等）に変換している。そして、モータコントローラ３１は、Ｕ相電力を出力するＵ端子３１１、Ｖ相電力を出力するＶ端子３１２及びＷ相電力を出力するＷ端子３１３を備えている。

次にスイッチング素子について説明する。Ｕ相コイルユニット１２Ｕ、Ｖ相コイルユニット１２Ｖ、Ｗ相コイルユニット１２ＷのＵ端子３１１、Ｖ端子３１２及びＷ端子３１３と接続しているのと反対側には、それぞれ、スイッチング素子３２１、３２２、３２３が取り付けられている。スイッチング素子３２１、３２２、３２３は配線を切り替えるためのスイッチング素子である。スイッチング素子３２１、３２２、３２３をＡ接点に接続すると、Ｕ相コイルユニット１２Ｕ、Ｖ相コイルユニット１２Ｖ、Ｗ相コイルユニット１２Ｗがスター結線で結線される。逆に、スイッチング素子３２１、３２２、３２３をＢ接点に接続すると、Ｕ相コイルユニット１２Ｕ、Ｖ相コイルユニット１２Ｖ、Ｗ相コイルユニット１２Ｗがデルタ結線で結線される。

つまり、スイッチング素子３２１、３２２、３２３は、Ｕ相コイルユニット１２Ｕ、Ｖ相コイルユニット１２Ｖ、Ｗ相コイルユニット１２Ｗをスター結線とデルタ結線に切り替えるためのスイッチである。そのため、制御部３６は、スイッチング素子３２１、３２２、３２３を同期制御する。例えば、スター結線にするとき、制御部３６は、同じタイミングでスイッチング素子３２１、３２２、３２３をそれぞれのＡ接点に接続する。

スイッチング素子３３１、３３２、３３３、３３４は、Ｕ相コイルユニット１２Ｕに設けられている。スイッチング素子３３１、スイッチング素子３３４は接続方向を切り替える切り替えスイッチになっている。また、スイッチング素子３３２、３３３は、ＯＮ又はＯＦＦ（回路の接続又は切断）を切り替えるスイッチである。

スイッチング素子３３１及びスイッチング素子３３２は第１コイル部１２１と第２コイル部１２２とを直列又は並列のいずれかの接続方法で接続するスイッチである。スイッチング素子３３１をＡ接点に接続するとともに、スイッチング素子３３２をＯＦＦにすることで、第１コイル部１２１と第２コイル部１２２とを直列に接続できる。また、スイッチング素子３３１をＢ接点に接続するとともに、スイッチング素子３３２をＯＮにすることで第１コイル部１２１と第２コイル部１２２とを並列に接続できる。

スイッチング素子３３３は、予備負荷Ｚ１に電力を供給する回路を接続又は切断するＯＮ／ＯＦＦスイッチである。スイッチング素子３３４は、予備負荷Ｚ１をスター結線の配線又はデルタ接点の配線に切り替えて接続する切り替えスイッチである。

スイッチング素子３４１、３４２、３４３、３４４はＶ相コイルユニット１２Ｖの接続を切り替えるためのスイッチング素子である。また、スイッチング素子３５１、３５２、３５３、３５４はＶ相コイルユニット１２Ｖの接続を切り替えるためのスイッチング素子である。スイッチング素子３４１、３５１はスイッチング素子３３１と、スイッチング素子３４２、３５２はスイッチング素子３３２と、スイッチング素子３４３、３５３はスイッチング素子３３３と、スイッチング素子３４４、３５４はスイッチング素子３３４とそれぞれ対応するスイッチング素子である。そのため、Ｖ相コイルユニット１２Ｖ及びＷ相コイルユニット１２Ｗに備えられている各スイッチング素子は、対応するＵ相コイルユニット１２Ｕに備えられている角スイッチング素子と同じ構成及び動作を行う。

スイッチング素子３２１、３２２、３２３、３３１〜３３４、３４１〜３４４、３５１〜３５４としては、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ等の素子及びこれらを組み合わせたものを挙げることができるが、これに限定されない。

電動機Ａは、３相のコイルユニットをスター結線とデルタ結線とで切り替えて使うことが可能な構成となっている。また、本発明にかかる電動機Ａでは、各コイルユニットの第１コイル部１２１と第２コイルユニット１２２を直列又は並列に切り替えることができる。以下に、スイッチング素子を切り替えたときの電動機の状態について図面を参照して説明する。

図３〜図６は第１コイル部と第２コイル部を直列又は並列に接続したコイルユニットをスター結線又はデルタ結線したときの配線図である。なお、電動機Ａにおいて対応するスイッチング素子は同期して駆動されるものであるため、以下の説明では、Ｕ相コイルユニット１２Ｕに含まれるスイッチング素子について主に説明し、Ｖ相コイルユニット１２Ｖ、Ｗ相コイルユニット１２Ｗのスイッチング素子は同時に同じ動作をするものとして説明する。なお、以下の説明において配線図では、電力が供給される（電流が流れる又は電圧が印加される）回路を太線で示す。

図３は第１コイル部と第２コイル部を直列に接続したコイルユニットをスター接続した配線図である。図３に示すように、制御部３６が、Ｕ相コイルユニット１２Ｕのスイッチング素子３３１をＡ接点に接続し、スイッチング素子３３２をＯＦＦにすることで、第１コイル部２３１と第２コイル部２３２とが直列に接続される。Ｖ相コイルユニット１２Ｖ、Ｗ相コイルユニット１２Ｗも同様に対応するスイッチング素子を操作することで、各コイルユニットの第１コイル部２３１と第２コイル部２３２とが直列に接続される。そして、スイッチング素子３２１、３２２、３２３をＡ接点に接続する。これにより、電動機Ａは、第１コイル部２３１と第２コイル部２３２を直列に接続したコイルユニットをスター結線した直列スター状態となる。

図４は第１コイル部と第２コイル部を直列に接続したコイルユニットをデルタ接続した配線図である。図４に示すように、図３の状態からスイッチング素子３２１、３２２、３２３をＢ接点に切り替えることで、電動機Ａは、第１コイル部２３１と第２コイル部２３２を直列に接続したコイルユニットをデルタ結線した直列デルタ状態となる。

図５は第１コイル部と第２コイル部を並列に接続したコイルユニットをスター接続した配線図である。図５に示すように、制御部３６が、Ｕ相コイルユニット１２Ｕのスイッチング素子３３１をＢ接点に接続し、スイッチング素子３３２をＯＮにすることで、第１コイル部２３１と第２コイル部２３２とが並列に接続される。Ｖ相コイルユニット１２Ｖ、Ｗ相コイルユニット１２Ｗも同様に対応するスイッチング素子を操作することで、各コイルユニットの第１コイル部２３１と第２コイル部２３２とが並列に接続される。そして、スイッチング素子３２１、３２２、３２３をＡ接点に接続する。これにより、第１コイル部２３１と第２コイル部２３２を並列に接続したコイルユニットをスター結線した並列スター状態となる。

図６は第１コイル部と第２コイル部を並列に接続したコイルユニットをデルタ接続した配線図である。図６に示すように、図５の状態からスイッチング素子３２１、３２２、３２３をＢ接点に切り替えることで、電動機Ａは、第１コイル部２３１と第２コイル部２３２を並列に接続したコイルユニットをデルタ結線した並列デルタ状態となる。

次に、電動機Ａの巻線の切替えについて説明する。３相ブラシレスモータである電動機Ａでは一般的に、巻線数が多いと低回転での効率が高く（最高効率に達し）、高回転では効率が低下する。一方、巻線数が少ないと低回転での効率は低いが高回転での効率が高くなる（最高効率に達する）。

電動機Ａは、上述のとおり、スイッチング素子を切り替えることで、相対的な巻線数を変更する構成となっている。例えば、直列スター状態のときの巻線数を基準としたとき、相対的な巻き数比は、直列デルタ状態のとき１／√３、並列スター状態のとき１／２、並列デルタ状態のとき１／２√３になる。つまり、電動機Ａでは、状態を切り替えることで巻線数を変更したときと同じ効果を得ることができる。

例えば、電動機Ａでは、起動時、低回転時には、大きなトルクが必要であるため、直列デルタ状態であることが好ましい。その後、回転速度が上昇するとともに、相対的な巻き数比を小さくすることで、電動機Ａの効率の低下を抑制しつつ、回転速度を上げることができる。一方、電動機Ａを駆動している状態で、上述の各状態に切り替えるとき、切り替え時に瞬間的に大きな電流が流れる。瞬間的であっても大電流が流れると回路を破損したり、回路の寿命が短くなってしまったりする。そこで、本発明の電動機Ａは、切り替わり時に予備負荷に電流を流すことで、瞬間的に大きな電流が流れるのを抑制している。以下にスイッチング素子の切替えについて説明する。

まず、直列スター状態から直列デルタ状態に切り替わる手順について説明する。図７、図８、図９は電動機が切り替わる途中の中間状態を示す配線図である。さらに図１０Ａ―図１０Ｅは直列スター状態から直列デルタ状態に切り替わる中間状態の各状態における等価配線図である。

電動機Ａは直列スター状態で始動する。電動機Ａの各スイッチング素子は、図３に示す状態となっており、電動機Ａは、図１０Ａの「（１）直列スター状態」に示すように、第１コイル部１２１と第２コイル部１２２とを直列に接続したコイルユニットをスター結線した状態になる。

この状態で、回転数が上昇すると、効率が低下してくる。そこで、制御部３６は、直列デルタ状態に切り替えるため、スイッチング素子３３４をＡ接点に接続するとともに、スイッチング素子３３３をＯＮにする（図７参照）。このように接続することで、予備負荷Ｚ１を第１コイル部１２１と第２コイル部１２２とを直列に接続したコイルと並列に接続した状態となる。なお、Ｕ相コイルユニット１２Ｕ、Ｖ相コイルユニット１２Ｖ及びＷ相コイルユニット１２Ｗはそれぞれ予備負荷Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３を並列に接続した状態でスター結線になっている。このとき、電動機Ａは、図１０Ｂの「（２）第１の状態」になる。なお、予備負荷Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３の結線は、スイッチング素子３３４、３４４、３５４に制御されるものであるため、コイル部と独立して結線状態を切り替えることができる。

そして、制御部３６は、スイッチング素子３２１、３２２、３２３をＡ接点からＢ接点に切り替える。スイッチング素子３２１、３２２、３２３の接点が切り替わる瞬間、第１コイル部１２１、第２コイル部１２２は解列される（図８参照）。一方で、予備負荷Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３がスター結線された状態、すなわち、図１０Ｃに示す（３）第２の状態になる。そして、スイッチング素子３２１、３２２、３２３がＢ接点に接続されたとき（図９参照）、予備負荷Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３はスター状態を維持したまま、第１コイル部１２１と第２コイル部１２２が直列の各コイルユニット１２Ｕ、１２Ｖ、１２Ｗがデルタ結線された、図１０Ｄに示す（４）第３の状態になる。

そして、制御部３６は、スイッチング素子３３３をＯＦＦにすることで、予備負荷Ｚ１への電力の供給を停止する。制御部３６が、Ｖ相コイルユニット１２Ｖ、Ｗ相コイルユニット１２Ｗでも同時に、スイッチング素子３４３、３５３をＯＦＦにすることで（図４参照）、電動機Ａは直列デルタ状態、すなわち、図１０Ｅに示す（５）直列デルタ状態になる。

「図１０Ｃの（３）第２の状態」から「図１０Ｄの（４）第３の状態」に切り替わるとき、予備負荷Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３がスター結線されている状態を維持して切り替わる。つまり、本発明にかかる電動機Ａでは、コイルユニットの配線を切り替えるとき、予備負荷を用いて疑似的な回路を構成しておき、回路を切り替えたのちに予備負荷を解列するようにすることで、切り替え時に予備負荷に一定の電流を流し続ける。これにより、切り替え時に電圧が急激に変化しにくいので、瞬間的な大電流の発生を抑制することができる。

以上のように直列スター状態から直列デルタ状態に切り替えるとき、予備負荷に電流を流しつつスイッチングすることで、電動機Ａの回路に瞬間的な大電流が発生するのを抑制できる。

電動機Ａは、直列デルタ状態で回転数を上げると、効率が低下する。そのため、より効率が高くなるように、相対的な巻き数比が小さい並列スター状態に切り替える。図１１−図１３は直列デルタ状態から並列スター状態に切り替わる途中の中間状態を示す配線図である。

図４に示す、直列デルタ状態から、スイッチング素子３３４をＢ接点に接続するとともに、スイッチング素子３３３をＯＮにする（図１１参照）。これにより、Ｕ相コイルユニット１２Ｕは、第１コイル部１２１と第２コイル部１２２を直列にしたコイルに予備負荷Ｚ１を並列にした状態になる。そして、電動機Ａは、同様な構成のＶ相コイルユニット１２Ｖ、Ｗ相コイルユニット１２Ｗとでデルタ結線された状態となる。

その後、スイッチング素子３２１、３２２、３２３をＢ接点からＡ接点に切り替える。スイッチング素子３２１、３２２、３２３をＢ接点からＡ接点に切り替えるタイミングと同時に、スイッチング素子３３１をＢ接点に切り替えるとともに、スイッチング素子３３２をＯＮにする（図１２参照）。

スイッチング素子３３１をＢ接点に切り替えるとともにスイッチング素子３３２をＯＮにすることで、第１コイル部１２１と第２コイル部１２２が直列から並列に切り替わる。Ｖ相コイルユニット１２Ｖ、Ｗ相コイルユニット１２Ｗも、対応するスイッチング素子が切り替えられることで、第１コイル部１２１と第２コイル部１２２が並列になる。

スイッチング素子３２１、３２２、３２３の接点が切り替わる瞬間、第１コイル部１２１、第２コイル部１２２は解列される（図１２参照）。一方で、予備負荷Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３がデルタ結線された状態を維持する。そして、スイッチング素子３２１、３２２、３２３がＡ接点に接続されたとき（図１３参照）、予備負荷Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３がデルタ結線されている状態で、第１コイル部１２１と第２コイル部１２２が並列の各コイルユニット１２Ｕ、１２Ｖ、１２Ｗがスター結線される。

予備負荷Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３には電流が流れた状態で、各コイルユニット１２Ｕ、１２Ｖ、１２Ｗは、第１コイル部１２１と第２コイル部１２２が直列のデルタ結線状態から、並列のスター結線状態に切り替わる。そのため、スイッチング素子３２１、３２２、３２３の切り替わりによる瞬間的な大電流の発生を抑制することができる。

そして、制御部３６は、スイッチング素子３３３をＯＦＦにすることで、予備負荷Ｚ１への電力の供給を停止する。制御部３６が、Ｖ相コイルユニット１２Ｖ、Ｗ相コイルユニット１２Ｗでも同時に、スイッチング素子３４３、３５３をＯＦＦにすることで（図５
参照）、電動機Ａは並列スター状態になる。

以上のように直列デルタ状態から並列スター状態に切り替えるとき、予備負荷に電流を流しつつスイッチングすることで、電動機Ａの回路に瞬間的な大電流が発生するのを抑制できる。

また、制御部３６が、直列スター状態から直列デルタ状態に切り替えたときと同じようにスイッチング素子を切り替えることで、電動機Ａを並列スター状態から並列デルタ状態に切り替えることが可能である（図６参照）。なお、電動機Ａを並列スター状態から並列デルタ状態に切り替えるときも、電動機Ａの回路に瞬間的な大電流が発生するのを抑制できる。

以上示したように、本発明にかかる電動機Ａでは、スター結線とデルタ結線、コイルの巻線（直列と並列）を切り替えることができるため、これらを適宜組み合わせることで、広い回転数で効率のよい駆動が可能である。また、スター結線からデルタ結線に切り替わるとき、予備負荷に電流を流した状態で切り替えるため、切り替わり時に瞬間的に大電流が発生するのを抑制することができる。これにより、電動機Ａ自体や駆動回路を長寿命化することが可能である。

なお、予備負荷Ｚ１、Ｚ２、Ｚ３は、全て同じインピーダンスを有しているとともに、そのインピーダンスとしては、上述のようなコイルユニットを切り替えるときに、瞬間的な大電流を抑えることができるものを広く採用することができる。

（第２実施形態）
本発明にかかる電動機の他の例について図面を参照して説明する。図１４は本発明にかかる電動機の他の例の配線図であり、図１５、図１６は図１４に示す電動機の他の例の中間状態を等価回路図である。図１５に示す電動機Ｂは、Ｕ相コイルユニット１２Ｕと並列となるように設けられた２個の予備負荷Ｚ１１、Ｚ１２を備えている。また、Ｖ相コイルユニット１２Ｖと並列となるように設けられた２個の予備負荷Ｚ２１、Ｚ２２を備えており、Ｗ相コイルユニット１２Ｗと並列となるように設けられた２個の予備負荷Ｚ３１、Ｚ３２とを備えている。これ以外は、電動機Ａと同じであり、実質上同じ部分には同じ符号を付すとともに、同じ部分の詳細な説明は省略する。また、電動機Ｂも電動機Ａと同様、Ｕ相コイルユニット１２Ｕ、Ｖ相コイルユニット１２Ｖ及びＷ相コイルユニット１２Ｗは同じ構成であるため、代表してＵ相コイルユニット１２Ｕを用いて説明する。

電動機Ａでは、３相それぞれの相のコイルユニットにコイルユニットと並列に接続可能な予備負荷を備えている。そして、予備負荷のインピーダンスを適切に設定することで、スター結線とデルタ結線とに切り替える時の瞬間的な大電流の発生を抑制している。しかしながら、第１コイル部及び第２コイル部の巻き数、インピーダンス等によっては、直列と並列及びスター結線とデルタ結線とを切り替えたときに、瞬間的に発生する大電流を十分に抑制できない場合や急激なトルク変動を伴ってしまったりする場合がある。

そこで、予備負荷を第１予備負荷Ｚ１１と第２予備負荷Ｚ１２とし、スイッチング素子３３３の替わりにＡ接点とＢ接点とに切り替えることができるスイッチング素子３３５を用いる。そして、スイッチング素子３３５をＡ接点に接続したとき、第２予備負荷Ｚ１２だけに電力を供給できる。また、Ｂ接点に接続したとき、第１予備負荷Ｚ１１と第２予備負荷Ｚ１２とを直列に接続しタ状態で電力を供給できる。

例えば、図１５に示すような、第１コイル部１２１と第２コイル部１２２とを直列につないだコイルユニットをスター結線する場合について説明する。スイッチング素子３３５をＢ接点に接続し、第１予備負荷Ｚ１１と第２予備負荷Ｚ１２とを直列に接続し、インピーダンスを大きくした状態で、第１コイル部１２１と第２コイル部１２２と直列に接続したＵ相コイルユニット１２Ｕと並列に接続する。なお、Ｖ相コイルユニット１２Ｖ、Ｗ相コイルユニット１２Ｗについても同様であり、このように予備負荷を接続したＵ相コイルユニット１２Ｕ、Ｖ相コイルユニット１２Ｖ及びＷ相コイルユニット１２Ｗをスター結線する。

また、図１６に示すような、第１コイル部１２１と第２コイル部１２２とを並列につないだコイルユニットをスター結線する場合、コイルの相対的な巻き数比が小さくなる。そのため、予備負荷は小さい方が良い。そこで、スイッチング素子３３５をＡ接点に接続し、第２予備負荷１２２にだけ電力を供給するようにする。そして、並列に接続された第１コイル部１２１と第２コイル部１２２とに、第２予備負荷Ｚ１２を並列に接続する。なお、Ｖ相コイルユニット１２Ｖ、Ｗ相コイルユニット１２Ｗについても同様であり、このように予備負荷を接続したＵ相コイルユニット１２Ｕ、Ｖ相コイルユニット１２Ｖ及びＷ相コイルユニット１２Ｗをスター結線する。

なお、電動機Ｂの使用する予備負荷の個数を切り替える部分以外は、電動機Ａと同じ構成であることから、各状態への切替えの手順は、電動機Ａと同じである。

このように、コイルユニットに備えられているコイルの相対的な巻き数比に応じて予備負荷のインピーダンスを調整することで、スター結線とデルタ結線とを切り替えるとき、コイルユニットの相対的な巻き数比が大きく変化する場合でも瞬間的な大電流を抑制できる。

なお、２個の予備負荷を用いているが、これに限定されない。１個でもインピーダンスを可変のものを利用してもよいし、３個以上の予備負荷をスイッチング素子を利用して、切り替える又は組み合わせるようにして用いてもよい。

これ以外の特徴については、第１実施形態と同じである。

（第３実施形態）
本発明にかかる電動機の利用例について図面を参照して説明する。図１７は本発明にかかる電動機を利用した空気調和機の概略図であり、図１８は図１７に示す空気調和機に備えられた冷凍サイクル装置の一例の概略図である。空気調和機Ａｃでは、冷凍サイクル装置Ｒｃ内を循環する冷媒の状態変化を利用して熱又は冷熱を得る流体装置である。冷凍サイクル装置では、冷媒に対して仕事をする圧縮機４１を備えており、圧縮機４１からの仕事によって、冷媒は状態変化する。

そして、冷凍サイクル装置Ｒｃを備えた空気調和機Ａｃは、居室Ｒｍの内部（壁）に設置される室内機ＩＭと、居室Ｒｍの外部に設置される室外機ＯＭとを有する。なお、扉、窓等の開口は空調を行うときに閉じ、壁、天井等と一体と考えてもよいため、省略している。空気調和機Ａｃは、居室Ｒｍの空気を室内機ＩＭに取込み、口調した空気を吐出することで居室Ｒｍ内の空調を行っている。

図１８に示すように冷凍サイクル装置Ｒｃは、圧縮機４１、四方弁４２、室外熱交換器４３、減圧部４４、室内熱交換器４５等の機器を備えている。そして、これらの機器が冷媒配管で接続されているとともに、内部に冷媒が封入されており、公知の冷媒回路を構成している。

図１８に示すように、冷凍サイクル装置Ｒｃにおいて、圧縮機４１、四方弁４２、室外熱交換器４３、減圧部４４、室外ファン４３１及びアキュムレータ４６は室外機ＯＭに配置されており、室内熱交換器４５及び室内ファン４５１は室内機ＩＭに配置されている。なお、減圧部４４は室外機ＯＭではなく、室内機ＩＭに設けられていてもよい。

圧縮機４１は冷媒を圧縮する装置であり、本発明にかかる電動機Ａ（Ｂ）を含む構成となっている。圧縮機４１には冷媒が流出する流出配管Ｐｏと流入する流入配管Ｐｉが接続されており、流出配管Ｐｏ及び流入配管Ｐｉはともに四方弁４２に接続されている。また、圧縮機４１に冷媒が流入する流入配管には、アキュムレータ４６が取り付けられている。圧縮機４１に戻る冷媒は気相と液相とが混じった状態である。冷媒はアキュムレータ４６を通過することで液体と気体とに分離される。そして、気体の冷媒が圧縮機４１に流入する。

四方弁４２は冷媒回路の流れ方向を変更するものである。つまり、流出配管Ｐｏと流入配管Ｐｉの接続先（室外熱交換器４３又は室内熱交換器４５）を切り替える。例えば、四方弁４２が流出配管Ｐｏと室外熱交換器４３とを接続し、流入配管Ｐｉと室内熱交換器４５とを接続すると、空気調和機Ａｃは居室Ｒｍ内を冷却する冷房運転となる。また、四方弁４２を逆接続すると、居室Ｒｍ内を加熱する暖房運転となる。

減圧部４４は冷媒の圧力を低下させるものであり、ここでは、膨張弁が採用される。室外熱交換器４３及び室内熱交換器４５はそれぞれ、居室Ｒｍの外部及び内部の空気と冷媒との間の熱交換を行うためのものであり、例えば、冷媒配管に断面積を増やすためのフィンが設けられた構成を挙げることができる。このフィンに空気を吹き付け、強制的に空気を送り込むことで熱交換の効率を高めることが可能である。そのため、冷凍サイクル装置Ｒｃでは、室外熱交換器４３の近傍に室外ファン４３１を、室内熱交換器４５の近傍に室内ファン４５１を設け、各熱交換器に送風することで、冷媒と空気との間で効率よく熱交換を行う。

本発明にかかる電動機Ａ（Ｂ）は、広い回転数で効率のよい運転が可能である。そして、効率よい運転に切り替えるときに瞬間的な大電流の発生を抑制するので、長寿命化が可能である。すなわち、長期間にわたって連続的に運転したとしても、状態を切り替えるときの瞬間的な大電流を抑制するため、長期間の連続運転が要求され得る空気調和機や冷蔵庫等の冷凍サイクル装置の圧縮機として適している。

上述の各実施形態では、各相のコイルユニットの第１コイル部及び第２コイル部を直列又は並列に接続するものを挙げているが、これに限定されるものではない。スイッチング素子を適切に配置することで、第１コイル部又は第２コイル部のいずれか一方を利用するような構成とすることも可能である。また、第１コイル部及び第２コイル部としては、同じ構成（巻き数、インピーダンス）であるものとしているが、これに限定されるものではない。

上述の各実施形態では、各相のコイルユニットが第１コイル部と第２コイル部の２個のコイルを備えているものを例に説明しているが、これに限定されるものではない。例えば、３個以上のコイル部を備える構成であってもよい。また、コイルユニットが１個のコイル部から構成されるものとし、コイルユニットをスター結線からデルタ結線に切り替える時に、予備負荷を利用する構成も本発明と同様の効果を得ることが可能である。

上述の実施形態では、冷凍サイクル装置を空気調和機に使用しているものを挙げているが、これに限定されるものではなく、例えば、冷蔵庫、乾燥洗濯機、湯沸かし器等の長期間にわたり熱交換を行うもので、運転条件が変動する装置の熱交換装置として用いることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこの内容に限定されるものではない。また本発明の実施形態は、発明の趣旨を逸脱しない限り、種々の改変を加えることが可能である。

Ａ、Ｂ 電動機
１０ 固定子
１１ スロット
１２Ｕ Ｕ相コイルユニット
１２Ｖ Ｖ相コイルユニット
１２Ｗ Ｗ相コイルユニット
１２１ 第１コイル部
１２２ 第２コイル部
２０ 回転子
２１ 出力軸
３１ モータコントローラ
３１１ Ｕ端子
３１２ Ｖ端子
３１３ Ｗ端子
３２１、３２２、３２３ スイッチング素子
３３１、３３２、３３３、３３４、３３５ スイッチング素子（Ｕ相コイルユニット）
３４１、３４２、３４３、３４４、３４５ スイッチング素子（Ｖ相コイルユニット）
３５１、３５２、３５３、３５４、３５５ スイッチング素子（Ｗ相コイルユニット）
３６ 制御部
Ｒｃ 冷凍サイクル装置
４１ 圧縮機
４２ 四方弁
４３ 室外熱交換器
４３１ 室外ファン
４４ 減圧部
４５ 室内熱交換器
４５１ 室内ファン
４６ アキュムレータ

Claims (5)

1. 複数個のコイルを含むコイルユニットが配置された固定子と、
   複数の極が形成された回転子と、
   前記コイルユニットごとに備えられた予備負荷と、
   前記コイルユニットをスター結線とデルタ結線とで切り替えるとともに、前記複数個のコイルの接続を切り替える制御部とを備えた電動機であって、
   前記制御部は、前記コイルユニットをスター結線とデルタ結線とに切り替えるとき、前記予備負荷に電流を流し、その電流が流れている中間回路状態で切り替えを行い、
   前記中間回路状態は、前記コイルユニットが切替後の結線状態であるとともに前記予備負荷が切替前の結線状態であることを特徴とする電動機。
2. 前記中間回路状態において、コイルユニットが解列されて予備負荷にのみ電流が供給されている状態となる請求項１に記載の電動機。
3. 前記制御部は、前記コイルユニットの複数のコイルのうち、利用するコイルにのみ電力を供給して、前記コイルユニットの巻線数を調整する請求項１又は請求項２に記載の電動機。
4. 前記コイルユニットは、同じ構成のコイルを２個備えており、
   前記コイルユニットが、
   ２個のコイルを直列に接続したコイルユニットをスター結線で接続した第１状態と、
   ２個のコイルを直列に接続したコイルユニットをデルタ結線で接続した第２状態と、
   ２個のコイルを並列に接続したコイルユニットをスター結線で接続した第３状態と、
   ２個のコイルを並列に接続したコイルユニットをデルタ結線で接続した第４状態とに切り替えられるものであり、
   前記制御部が第１状態と第２状態との切替え、第２状態と第３状態との切替え及び第３状態と第４状態との切替えを行うとき前記中間回路状態とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の電動機。
5. 前記予備負荷が抵抗値を切り替え可能な構成を有しており、
   前記制御部は、前記コイルユニットの前記複数個のコイルの接続状態で前記予備負荷の抵抗値を切り替える請求項１から請求項４のいずれかに記載の電動機。

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