JP6625762B2 - 駆動装置、空気調和機および電動機の駆動方法 - Google Patents
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Description
<電動機の構成>
本発明の実施の形態1について説明する。図1は、本発明の実施の形態1の電動機1の構成を示す断面図である。この電動機1は、永久磁石埋込型電動機であり、例えばロータリー圧縮機に用いられる。電動機1は、ステータ10と、ステータ10の内側に回転可能に設けられたロータ20とを備えている。ステータ10とロータ20との間には、例えば0.3〜1mmのエアギャップが形成されている。なお、図1は、ロータ20の回転軸に直交する面における断面図である。
次に、電動機1を用いたロータリー圧縮機8について説明する。図2は、ロータリー圧縮機8の構成を示す断面図である。ロータリー圧縮機8は、シェル80と、シェル80内に配設された圧縮機構9と、圧縮機構9を駆動する電動機1とを備えている。ロータリー圧縮機8は、さらに、電動機1と圧縮機構9とを動力伝達可能に連結するシャフト90(クランクシャフト)を有している。シャフト90は、電動機1のロータ20のシャフト孔27(図1)に嵌合する。
(2)また、組成中に炭素の二重結合を有する炭化水素、例えばR1270(プロピレン)を用いてもよい。R1270のGWPは3であり、HFO−1234yfより低いが、可燃性はHFO−1234yfより高い。
(3)また、組成中に炭素の二重結合を有するハロゲン化炭化水素または組成中に炭素の二重結合を有する炭化水素の少なくとも何れかを含む混合物、例えばHFO−1234yfとR32との混合物を用いてもよい。上述したHFO−1234yfは低圧冷媒のため圧損が大きくなる傾向があり、冷凍サイクル(特に蒸発器)の性能低下を招く可能性がある。そのため、HFO−1234yfよりも高圧冷媒であるR32またはR41との混合物を用いることが実用上は望ましい。
次に、実施の形態1の駆動装置を含む空気調和機5について説明する。図3は、空気調和機5の構成を示すブロック図である。空気調和機5は、室内(空調対象空間)に設置される室内機5Aと、屋外に設置される室外機5Bとを備えている。室内機5Aと室外機5Bとは、冷媒が流れる接続配管40a,40bによって接続されている。接続配管40aには、凝縮器を通過した液冷媒が流れる。接続配管40bには、蒸発器を通過したガス冷媒が流れる。
次に、電動機1を駆動する駆動装置100について説明する。図6は、駆動装置100の構成を示すブロック図である。駆動装置100は、電源101の出力を整流するコンバータ102と、電動機1のコイル3に交流電圧を出力するインバータ103と、コイル3の結線状態を切り替える結線切り替え部60と、制御装置50とを備えて構成される。コンバータ102には、交流(AC)電源である電源101から電力が供給される。
図10〜12は、空気調和機5の基本動作を示すフローチャートである。空気調和機5の制御装置50は、信号受信部56によりリモコン55から起動信号を受信することにより、運転を開始する(ステップS101)。ここでは、制御装置50のCPU57が起動する。後述するように、空気調和機5は、前回終了時にコイル3の結線状態をデルタ結線に切り替えて終了しているため、運転開始時(起動時)にはコイル3の結線状態がデルタ結線となっている。
以上の空気調和機5の動作において、コイル3の結線状態の切り替え要否の判断(ステップS107,S108)は、例えば、電動機1の回転速度、またはインバータ出力電圧に基づいて判断することもできる。但し、電動機1の回転速度は短い時間で変動する可能性があるため、回転速度が閾値以下(または閾値以上)である状態が一定時間継続するか否かを判断する必要がある。インバータ出力電圧についても同様である。
上記の通り、実施の形態1の空気調和機5は、運転起動信号を受信して電動機1を起動する際には、コイル3の結線状態をデルタ結線として制御を開始する。また、空気調和機5の運転停止時には、コイル3の結線状態はデルタ結線に切り替えられる。
次に、電動機効率および電動機トルクの改善について説明する。一般に、家庭用の空気調和機は、省エネルギー法の規制対象となっており、地球環境の視点からCO2排出削減が義務づけられている。技術の進歩により、圧縮機の圧縮効率、圧縮機の電動機の運転効率、および熱交換器の熱伝達率等が改善され、空気調和機のエネルギー消費効率COP(Coefficient Of Performance)は年々向上し、ランニングコスト(消費電力)およびCO2排出量も低減している。
以上説明したように、実施の形態1では、結線切り替え部60によるコイル3の結線状態の切り替えに応じて、コンバータ102が母線電圧の大きさを変化させるため、結線状態の切り替えの前後のいずれにおいても、高い電動機効率および高い電動機トルクを得ることができる。
次に、実施の形態1の第1の変形例について説明する。上記の実施の形態1では、コイルの結線状態をY結線からデルタ結線に切り替える回転数N0(すなわち、温度差ΔTと閾値ΔTrとが同じになるときの回転数)と、デルタ結線からY結線に切り替える回転数N0(温度差)とが同じであったが、異なる回転数であってもよい。
次に、実施の形態1の第2の変形例について説明する。上記の実施の形態1では、コンバータ102の母線電圧を2段階(V1/V2)に切り替えたが、図32に示すように、3段階に切り替えてもよい。
次に、実施の形態1の第3の変形例について説明する。上記の実施の形態1では、コイル3の結線状態をY結線とデルタ結線とで切り替えた。しかしながら、コイル3の結線状態を直列接続と並列接続とで切り替えてもよい。
上述した実施の形態1では、室内温度センサ54によって検出した室内温度Taと設定温度Tsとの差ΔTの絶対値を閾値ΔTrと比較して、コイル3の結線状態およびコンバータ102の母線電圧を切り替えたが、室内温度Taに基づいて空調負荷を算出し、空調負荷に基づいてコイル3の結線状態およびコンバータ102の母線電圧を切り替えてもよい。
上述した実施の形態1では、室内温度センサ54によって検出した室内温度Taと設定温度Tsとの温度差ΔTに基づいてコイル3の結線状態およびコンバータ102の母線電圧を切り替えたが、電動機1の回転数に基づいてコイル3の結線状態およびコンバータ102の母線電圧を切り替えてもよい。
次に、本発明の実施の形態2について説明する。
図37は、実施の形態2の空気調和機500の構成を示すブロック図である。図38は、実施の形態2の空気調和機500の制御系を示すブロック図である。図39は、実施の形態2の駆動装置100aの制御系を示すブロック図である。実施の形態2の空気調和機500は、圧縮機状態検出部としての圧縮機温度センサ71をさらに備える。圧縮機温度センサ71は、ロータリー圧縮機8の状態を示す圧縮機温度TCを検出する温度センサである。ただし、圧縮機状態検出部は、ロータリー圧縮機8の状態を検出可能な検出器であればよく、温度センサに限られない。
次に、実施の形態2の空気調和機500の基本動作(電動機1、ロータリー圧縮機8および空気調和機500の制御方法)について説明する。
図40は、実施の形態2の空気調和機500の基本動作を示すフローチャートである。
実施の形態2によれば、コイル3の結線状態を考慮して、圧縮機温度閾値を用いて電動機1を制御する。例えば、圧縮機温度センサ71によって検出された検出値が圧縮機温度閾値よりも大きいとき、圧縮機温度TC(すなわち、ロータリー圧縮機8内の温度)が低下するように電動機1が制御される。これにより、電動機1における減磁を防ぐことができ、ロータリー圧縮機8の状態に応じて、電動機1を適切に制御することができる。
次に、本発明の実施の形態2の変形例について説明する。上記の実施の形態2は、実施の形態1(各変形例を含む)と組み合わせることができる。そこで、実施の形態2の変形例では、実施の形態2で説明した空気調和機の動作(電動機1、ロータリー圧縮機8および空気調和機500の制御方法)の他の例について説明する。実施の形態2の変形例の空気調和機の構成は、実施の形態2の空気調和機500の構成と同じである。したがって、実施の形態2の変形例の空気調和機を、空気調和機500と称する。
Claims (16)
- コイルを有する電動機を駆動する駆動装置であって、
母線電圧を生成するコンバータと、
前記母線電圧を交流電圧に変換して前記コイルに供給するインバータと、
前記コイルの結線状態を切り替える結線切り替え部と
を備え、
前記コイルの結線状態には、第1の結線状態と第2の結線状態とがあり、
前記コイルの線間電圧は、前記電動機の回転数を同一とした場合、前記第1の結線状態よりも前記第2の結線状態の方が低く、
前記結線切り替え部が前記コイルの結線状態を前記第1の結線状態から前記第2の結線状態に切り替える場合に、前記コンバータが生成する前記母線電圧が、第1の母線電圧V1から、当該第1の母線電圧V1よりも高い第2の母線電圧V2に切り替えられる
駆動装置。 - 前記結線切り替え部が前記コイルの結線状態を前記第1の結線状態から前記第2の結線状態に切り替える場合には、前記電動機の回転を一旦停止させ、当該回転を停止させた状態で前記結線切り替え部が前記コイルの結線状態を前記第2の結線状態に切り替える
請求項1に記載の駆動装置。 - 前記コイルは、3相コイルであり、
前記第1の結線状態は、前記3相コイルがY結線によって結線された状態であり、
前記第2の結線状態は、前記3相コイルがデルタ結線によって結線された状態である、請求項1または2に記載の駆動装置。 - 前記電動機の第1の回転数N1と第2の回転数N2とが、N2/N1>√3を満足し、
前記電動機の回転数が前記第1の回転数N1である場合に、前記結線切り替え部は前記コイルの前記結線状態を前記第1の結線状態とし、
前記電動機の回転数が前記第2の回転数N2である場合に、前記結線切り替え部は前記コイルの前記結線状態を前記第2の結線状態とする、請求項3に記載の駆動装置。 - 前記第1の母線電圧V1、前記第2の母線電圧V2、前記第1の回転数N1および前記第2の回転数N2が、
V2≧(V1/√3)×N2/N1
を満足する、請求項4に記載の駆動装置。 - 前記コイルは、Y結線またはデルタ結線によって結線された3相コイルであり、
前記第1の結線状態は、前記3相コイルが、直列に結線された第1の数のコイル部分を相毎に有する状態であり、
前記第2の結線状態は、前記3相コイルが、並列に結線された前記第1の数のコイル部分を相毎に有する状態である、
請求項1または2に記載の駆動装置。 - 前記第1の数が「n」で表され、
前記電動機の第1の回転数N1と第2の回転数N2とが、N2/N1>nを満足し、
前記電動機の回転数が前記第1の回転数N1である場合に、前記結線切り替え部は前記コイルの前記結線状態を前記第1の結線状態とし、
前記電動機の回転数が前記第2の回転数N2である場合に、前記結線切り替え部は前記コイルの前記結線状態を前記第2の結線状態とする、請求項6に記載の駆動装置。 - 前記第1の母線電圧V1および前記第2の母線電圧V2、並びに前記第1の回転数N1および前記第2の回転数N2が、
V2≧(V1/n)×N2/N1
を満足する、請求項7に記載の駆動装置。 - 前記電動機は空気調和機で用いられるものであり、
前記第1の回転数N1は、前記空気調和機の暖房中間条件に相当し、
前記第2の回転数N2は、前記空気調和機の暖房定格条件に相当する、請求項4、5、7および8の何れか1項に記載の駆動装置。 - 前記電動機は空気調和機で用いられるものであり、
前記第1の回転数N1は、前記空気調和機の通年エネルギー消費効率(APF)における比率が最も高い運転条件に相当し、
前記第2の回転数N2は、前記空気調和機の通年エネルギー消費効率における比率が2番目に高い運転条件に相当する、請求項4、5、7、8および9の何れか1項に記載の駆動装置。 - 前記コンバータに交流の電源電圧を供給する電源をさらに備え、
前記第1の母線電圧V1は、前記電源電圧の実効値の√2倍と同じである、請求項1から10までの何れか1項に記載の駆動装置。 - 前記結線切り替え部は、
前記電動機の回転数が閾値以下の場合に、前記電動機の結線状態を前記第1の結線状態に切り替え、
前記電動機の回転数が前記閾値より大きい場合に、前記電動機の結線状態を前記第2の結線状態に切り替える、請求項1から11までの何れか1項に記載の駆動装置。 - 前記インバータは、前記電動機の回転数に応じて弱め界磁制御を行う、請求項1から12までの何れか1項に記載の駆動装置。
- 前記コンバータは、SiC素子またはGaN素子を有する、請求項1から13までの何れか1項に記載の駆動装置。
- コイルを有する電動機と、前記電動機によって駆動される圧縮機と、前記電動機を駆動する駆動装置とを備えた空気調和機であって、
前記駆動装置は、
母線電圧を生成するコンバータと、
前記母線電圧を交流電圧に変換して前記コイルに供給するインバータと、
前記コイルの結線状態を切り替える結線切り替え部と
を備え、
前記コイルの結線状態には、第1の結線状態と第2の結線状態とがあり、
前記コイルの線間電圧は、前記電動機の回転数を同一とした場合、前記第1の結線状態よりも前記第2の結線状態の方が低く、
前記結線切り替え部が前記コイルの結線状態を前記第1の結線状態から前記第2の結線状態に切り替える場合に、前記コンバータが生成する前記母線電圧が、第1の母線電圧V1から、当該第1の母線電圧V2よりも高い第2の母線電圧V2に切り替えられる
空気調和機。 - コイルを有する電動機を、母線電圧を生成するコンバータと、前記母線電圧を交流電圧に変換して前記コイルに供給するインバータとを用いて駆動する駆動方法であって、
前記コイルの結線状態には、第1の結線状態と第2の結線状態とがあり、前記コイルの線間電圧は、前記電動機の回転数を同一とした場合、前記第1の結線状態よりも前記第2の結線状態の方が低く、
前記コイルの結線状態を前記第1の結線状態から前記第2の結線状態に切り替えるステップと、
前記コイルの結線状態を前記第1の結線状態から前記第2の結線状態に切り替える場合に、前記コンバータが生成する前記母線電圧を、第1の母線電圧V1から、当該第1の母線電圧V1よりも高い第2の母線電圧V2に切り替えるステップと
を有する電動機の駆動方法。
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