JP7069326B2

JP7069326B2 - 空調機

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Publication number: JP7069326B2
Application number: JP2020539975A
Authority: JP
Inventors: 裕一清水; 和徳畠山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2018-08-31
Publication date: 2022-05-17
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Description

本発明は、空調機に関する。

永久磁石同期モータ（ＰＭＳモータ）を運転するためには、ＰＭＳモータの回転子の磁極位置に応じて電流と電圧とを制御する必要がある。磁極位置を検出するために、エンコーダ又はホールセンサ等の位置検出器を使う場合がある。しかしながら、位置検出器を使うことで、コストアップ又はモータの大型化といった問題が発生する。

このため、例えば、特許文献１は、ＰＭＳモータの回転子の磁極位置を推定して、ＰＭＳモータを制御するセンサレス制御を行うモータ駆動制御装置を開示している。このセンサレス制御では、ＰＭＳモータの永久磁石の磁束による回転時の誘起電圧を利用して、ＰＭＳモータの回転子の位置を推定する方法が広く知られている。

特開２０１７－１３５７８１号公報

空調機においては、近年の断熱技術の向上又は熱交換器の性能向上に伴い、温度調整の対象となる空間の温度が所望の値にある程度安定すると、ファン又は圧縮機を低速で運転させることで省エネ性を向上させている。

しかしながら、従来のセンサレス制御では、誘起電圧が小さい低速回転時において、位置推定精度が低下してしまい、ＰＭＳモータを低速で運転することができないという課題がある。

そこで、本発明の１又は複数の態様は、センサレス制御において、ＰＭＳモータを低速で運転することができるようにすることを目的とする。

本発明の第１の態様に係る空調機は、直流電圧から三相交流電圧を生成する１台のインバータと、前記インバータの出力側に直列に接続されて動力を発生するｎ台（ｎは２以上の整数）のモータと、前記動力を受けて駆動される動作部と、前記ｎ台のモータによる誘起電圧が合成された合成誘起電圧を検出する誘起電圧検出部と、前記誘起電圧検出部により検出された合成誘起電圧に基づいてセンサレス制御を行う制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明の第２の態様に係る空調機は、直流電圧から三相交流電圧を生成する１台のインバータと、前記三相交流電圧を受けて動力を発生する２台のモータと、前記２台のモータを前記インバータの出力側に直列に接続する複数接続と、前記２台のモータの内の一方のモータのみを前記インバータの出力側に接続する単独接続とを切り替える切替部と、前記動力を受けて駆動される動作部と、前記複数接続時には、前記２台のモータによる誘起電圧に基づいて、前記単独接続時には、前記一方のモータによる誘起電圧に基づいて、センサレス制御を行う制御部と、を備えることを特徴とする。

本発明の１又は複数の態様によれば、センサレス制御において、ＰＭＳモータを低速で運転することができる。

実施の形態１に係る空調機に使用されるＰＭＳモータ及びモータ駆動装置を示す概略図である。制御部のセンサレス制御を行う部分の構成を概略的に示す機能ブロック図である。（ａ）及び（ｂ）は、電圧指令生成部における処理例を説明するための概略図である。（ａ）～（ｃ）は、ＰＷＭ信号生成部における処理例を説明するための概略図である。実施の形態１に係る空調機の構成を示す概略図である。実施の形態２に係る空調機に使用されるモータ及びモータ駆動装置を示す概略図である。実施の形態２に係る空調機の構成を示す概略図である。実施の形態２に係る空調機の変形例を示す概略図である。実施の形態２に係る空調機の変形例における開閉部を説明するための概略図である。実施の形態３に係る空調機に使用されるモータ及びモータ駆動装置を示す概略図である。実施の形態３に係る空調機の構成を示す概略図である。

以下に添付図面を参照し、実施の形態に係る空調機について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る空調機に使用されるＰＭＳモータ及びモータ駆動装置を示す概略図である。このモータ駆動装置は、第１のＰＭＳモータ１４１及び第２のＰＭＳモータ１４２を駆動するためのものである。なお、以下では、ＰＭＳモータを単にモータという場合がある。

図示のモータ駆動装置は、整流器１０２と、平滑部１０３と、インバータ１０４と、インバータ電流検出部１０５と、入力電圧検出部１０６と、誘起電圧検出部１０７と、差動アンプ１０８と、制御部１０９とを備える。

整流器１０２は、交流電源１０１からの交流電圧を整流して直流電圧を生成する。
平滑部１０３は、コンデンサ等で構成され、整流器１０２からの直流電圧を平滑してインバータ１０４に供給する。

なお、交流電源１０１は、図１の例では単相であるが、三相電源でもよい。交流電源１０１が三相であれば、整流器１０２としても三相の整流器が用いられる。

平滑部１０３のコンデンサとしては、一般的には静電容量の大きなアルミ電解コンデンサを用いることが多いが、長寿命であるフィルムコンデンサを用いてもよい。さらに静電容量の小さなコンデンサを用いることで、交流電源１０１に流れる電流の高調波電流を抑制するよう構成してもよい。

また、交流電源１０１から平滑部１０３までの間に高調波電流の抑制又は力率の改善のためにリアクトル（図示せず）を挿入してもよい。

インバータ１０４は、平滑部１０３で平滑された直流電圧から、周波数及び電圧値が可変の三相交流電圧を生成する。インバータ１０４の出力側には、第１のモータ１４１と、第２のモータ１４２とが直列に接続されている。

インバータ１０４を構成する半導体スイッチング素子としては、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）又はＭＯＳＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が用いられることが多い。

なお、半導体スイッチング素子のスイッチングによるサージ電圧を抑制する目的で環流ダイオード（図示せず）を半導体スイッチング素子に並列に接続した構成としてもよい。半導体スイッチング素子の寄生ダイオードを還流ダイオードとして用いてもよい。ＭＯＳＦＥＴの場合は、環流のタイミングでＭＯＳＦＥＴをＯＮ状態とすることにより、還流ダイオードと同様の機能を実現することが可能である。

半導体スイッチング素子を構成する材料は、ケイ素Ｓｉに限定されず、ワイドバンドギャップ半導体である炭化ケイ素ＳｉＣ、窒化ガリウムＧａＮ、酸化ガリウムＧａ_２Ｏ_３又はダイヤモンド等を用いることが可能であり、ワイドバンドギャップ半導体を用いることで、低損失化及び高速スイッチング化を実現することが可能となる。

インバータ電流検出部１０５は、インバータ１０４に流れる電流を検出する。図示の例では、インバータ電流検出部１０５は、インバータ１０４の３つの下アームのスイッチング素子にそれぞれ直列に接続された抵抗Ｒ_ｕ、Ｒ_ｖ、Ｒ_ｗの両端電圧Ｖ_Ｒｕ、Ｖ_Ｒｖ、Ｖ_Ｒｗに基づいて、インバータ１０４のそれぞれの相の電流（インバータ電流）ｉ_{ｕ＿ａｌｌ}、ｉ_{ｖ＿ａｌｌ}、ｉ_{ｗ＿ａｌｌ}を求める。

入力電圧検出部１０６は、インバータ１０４の入力電圧（直流母線電圧）Ｖ_ｄｃを検出する。
誘起電圧検出部１０７は、第１のモータ１４１及び第２のモータ１４２による誘起電圧が合成された合成誘起電圧を検出する。
差動アンプ１０８は、誘起電圧検出部１０７で検出された合成誘起電圧と、モータ巻線の中性点との電位差を検出する。

制御部１０９は、インバータ電流検出部１０５で検出された電流値、入力電圧検出部１０６で検出された電圧値、及び、差動アンプ１０８で検出された電位差に基づいて、インバータ１０４を動作させるための信号を出力する。例えば、制御部１０９は、第１のモータ１４１及び第２のモータ１４２による誘起電圧に基づいてセンサレス制御を行う。具体的には、制御部１０９は、第１のモータ１４１及び第２のモータ１４２による誘起電圧に基づいて、第１のモータ１４１又は第２のモータ１４２の回転子（図示せず）の磁極位置を推定して、インバータ１０４を介して、第１のモータ１４１及び第２のモータ１４２を制御する。

なお、上記の例では、インバータ電流検出部１０５が、インバータ１０４の下アームのスイッチング素子に直列に接続された３つの抵抗Ｒ_ｕ，Ｒ_ｖ，Ｒ_ｗにより、インバータ１０４のそれぞれの相の電流を検出するが、代わりに、下アームのスイッチング素子の共通接続点と平滑部１０３としてのコンデンサの負側電極との間に接続された抵抗（図示せず）により、インバータ１０４のそれぞれの相の電流を検出するものであってもよい。

また、インバータ１０４と、第１のモータ１４１との間に電流検出部（図示せず）を設けて、この電流検出部により、インバータ１０４のそれぞれの相の電流を検出してもよい。
さらに、第１のモータ１４１と第２のモータ１４２との間に電流検出部（図示せず）を設けて、この電流検出部により、インバータ１０４のそれぞれの相の電流を検出してもよい。

電流の検出には、抵抗の両端電圧から電流を算出する構成の代わりに、カレントトランス又はホール素子等を用いてもよい。

制御部１０９は、処理回路で実現可能である。処理回路は、アナログ回路又はデジタル回路等を用いた専用のハードウェアで構成されていてもよく、ソフトウェアで構成されていてもよく、ハードウェアとソフトウェアとの組み合せで構成されていてもよい。ソフトウェアで構成される場合、制御部１０９は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）を備えたマイクロコンピュータ又はＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）等で構成される。

差動アンプ１０８は、制御部１０９を構成するマイコン等に内蔵された回路を用いてもよい。なお、簡略化のため、図１では、１つの差動アンプ１０８のみが示されているが、モータ１４１、１４２の合成誘起電圧の三相分を検出するため、実際には３つの作動アンプが備えられている。

また、図１では、差動アンプ１０８で検出された電位差が制御部１０９に入力されているが、例えば、誘起電圧検出部１０７で検出された合成誘起電圧が制御部１０９に入力されてもよい。このような場合には、差動アンプ１０８を設ける必要がなくなる。

図２は、制御部１０９のセンサレス制御を行う部分の構成を概略的に示す機能ブロック図である。
図示のように、制御部１０９のセンサレス制御を行う部分は、座標変換部１１０、１１１と、速度推定部１１２、１１３と、積分部１１４、１１５と、電圧指令生成部１１６と、平均値算出部１１７と、座標変換部１１８と、ＰＷＭ信号生成部１１９とを有する。

座標変換部１１０は、第１のモータ１４１の位相推定値（磁極位置推定値）θ_ａを用いて、差動アンプ１０８からの電位差Ｅ_{ｕ＿ａｌｌ}、Ｅ_{ｖ＿ａｌｌ}、Ｅ_{ｗ＿ａｌｌ}を、静止三相座標系から回転二相座標系に座標変換して、第１のモータ１４１のｄｑ軸における誘起電圧Ｅ_ｄ＿ａ、Ｅ_ｑ＿ａを求める。

座標変換部１１１は、第２のモータ１４２の位相推定値（磁極位置推定値）θ_ｂを用いて、差動アンプ１０８からの電位差Ｅ_{ｕ＿ａｌｌ}、Ｅ_{ｖ＿ａｌｌ}、Ｅ_{ｗ＿ａｌｌ}を、静止三相座標系から回転二相座標系に座標変換して、第２のモータ１４２のｄｑ軸における誘起電圧Ｅ_ｄ＿ｂ、Ｅ_ｑ＿ｂを求める。

速度推定部１１２は、第１のモータ１４１のｄｑ軸における誘起電圧Ｅ_ｄ＿ａ、Ｅ_ｑ＿ａ及び回転数との比例係数Ｋ_ｅに基づいて第１のモータ１４１の回転数推定値ω_ａを求める。
同様に、速度推定部１１３は、第２のモータ１４２のｄｑ軸における誘起電圧Ｅ_ｄ＿ｂ、Ｅ_ｑ＿ｂ及び比例係数Ｋ_ｅに基づいて第２のモータ１４２の回転数推定値ω_ｂを求める。

なお、回転数の推定方法については、例えば、モータの誘起電圧の大きさと回転数とが比例の関係にあることを用いればよい。具体的には、モータの誘起電圧と回転数との比例係数Ｋ_ｅ（以下、誘起電圧定数という）を予め制御部１０９に記憶しておき、各モータ１４１、１４２のｑ軸上の誘起電圧Ｅ_ｄ＿ａ、Ｅ_ｑ＿ａ、Ｅ_ｄ＿ｂ、Ｅ_ｑ＿ｂを、それぞれ誘起電圧定数Ｋ_ｅで除すれば、およその回転数を推定することができる。

ここで、誘起電圧定数Ｋ_ｅの大きさは、直列に接続されたｎ台のモータがそれぞれ同じ仕様であれば、Ｋ_ｅ＝Ｋ_ｅ＿ｍ×ｎとすればよい。値Ｋ_ｅ＿ｍは、モータ１台あたりの誘起電圧と回転数との誘起電圧定数である。

なお、回転数の推定方法は、回転数又は位相が推定可能な方式であればどのような方式でもよく、また、演算に使用する情報は、回転数又は位相が推定可能であれば、今回示した情報を省いても、また今回示した以外の情報を用いても何ら問題ない。

積分部１１４は、第１のモータ１４１の回転数推定値ω_ａを積分することで、第１のモータ１４１の位相推定値θ_ａを求める。
同様に、積分部１１５は、第２のモータ１４２の回転数推定値ω_ｂを積分することで、第２のモータ１４２の位相推定値θ_ｂを求める。

続いて、出力電圧指令値を決定する。例えば、モータ１４１、１４２のｑ軸に対する出力電圧指令値Ｖ_ｑ ^＊は、目標となる回転数ω^＊に、誘起電圧定数Ｋ_ｅを乗じた値とし、ｄ軸に対する出力電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊は、ゼロとする。

電圧指令生成部１１６は、図３（ａ）に示すように、ｑ軸の出力電圧指令値Ｖ_ｑ ^＊と、第１のモータ１４１のｑ軸誘起電圧Ｅ_ｑ＿ａ及び第２のモータ１４２のｑ軸誘起電圧Ｅ_ｑ＿ｂの平均値Ｅ_{ｑ＿ａｖｅ}との差分がゼロになるようにＰＩ制御を行い、ｑ軸電圧指令値Ｖ_ｑ ^＊＊を決定する。

同様に、電圧指令生成部１１６は、図３（ｂ）に示すように、ｄ軸の出力電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊と、第１のモータ１４１のｄ軸誘起電圧Ｅ_ｄ＿ａ及び第２のモータ１４２のｄ軸誘起電圧Ｅ_ｄ＿ｂの平均値Ｅ_{ｄ＿ａｖｅ}との差分がゼロになるようにＰＩ制御を行い、ｄ軸電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊＊を決定する。

平均値算出部１１７は、第１のモータ１４１のｑ軸誘起電圧Ｅ_ｑ＿ａ及び第２のモータ１４２のｑ軸誘起電圧Ｅ_ｑ＿ｂの平均値Ｅ_{ｑ＿ａｖｅ}、並びに、第１のモータ１４１のｄ軸誘起電圧Ｅ_ｄ＿ａ及び第２のモータ１４２のｄ軸誘起電圧Ｅ_ｄ＿ｂの平均値Ｅ_{ｄ＿ａｖｅ}を算出する。
また、平均値算出部１１７は、第１のモータ１４１の位相推定値θ_ａ及び第２のモータ１４２の位相推定値θ_ｂの平均値である平均位相θ_ａｖｅを算出する。

座標変換部１１８は、平均位相θ_ａｖｅに基づき、ｄ軸電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊＊及びｑ軸電圧指令値Ｖ_ｑ ^＊＊を、回転二相座標系から静止三相座標系に座標変換して、静止三相座標系上の電圧指令値ｖ_ｕ ^＊、ｖ_ｖ ^＊、ｖ_ｗ ^＊を求める。

例えば、座標変換部１１８は、平均位相θ_ａｖｅと、ｄｑ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊、ｖ_ｑ ^＊とから、印加電圧位相θ_ｖを求め、印加電圧位相θ_ｖに基づき、ｄ軸電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊＊及びｑ軸電圧指令値Ｖ_ｑ ^＊＊を回転二相座標系から静止三相座標系に座標変換して、静止三相座標系上の電圧指令値ｖ_ｕ ^＊、ｖ_ｖ ^＊、ｖ_ｗ ^＊を求める。

印加電圧位相θ_ｖは、例えば、ｄｑ軸電圧指令値ｖ_ｄ ^＊、ｖ_ｑ ^＊から、θ_ｆ＝ｔａｎ^-１（ｖ_ｑ ^＊／ｖ_ｄ ^＊）により得られる進み位相角θ_ｆを、平均位相θ_ａｖｅに加算することで得られる。

平均位相θ_ａｖｅ、進み位相角θ_ｆ、及び印加電圧位相θ_ｖの例が図４（ａ）に示され、座標変換部１１８で求められる電圧指令値ｖ_ｕ ^＊、ｖ_ｖ ^＊、ｖ_ｗ ^＊の例が図４（ｂ）に示されている。

ＰＷＭ信号生成部１１９は、入力電圧Ｖ_ｄｃと、電圧指令値ｖ_ｕ ^＊、ｖ_ｖ ^＊、ｖ_ｗ ^＊とから図４（ｃ）に示されるＰＷＭ信号ＵＰ、ＶＰ、ＷＰ、ＵＮ、ＶＮ、ＷＮを生成する。ＰＷＭ信号ＵＰ、ＶＰ、ＷＰ、ＵＮ、ＶＮ、ＷＮは、インバータ１０４に供給され、スイッチング素子の制御に用いられる。

インバータ１０４では、ＰＷＭ信号ＵＰ、ＶＰ、ＷＰ、ＵＮ、ＶＮ、ＷＮに基づいてインバータ１０４のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御することで、インバータ１０４から周波数及び電圧値が可変の交流電圧を出力させ、第１のモータ１４１及び第２のモータ１４２に印加することができる。

なお、電圧指令値ｖ_ｕ ^＊、ｖ_ｖ ^＊、ｖ_ｗ ^＊については、図４中では正弦波として説明しているが、三次高調波を重畳させてもよく、第１のモータ１４１及び第２のモータ１４２を駆動可能であれば方式は問わない。

ここで、前述したようにｎ台（ｎは２以上の整数）のＰＭＳモータを直列に制御するため、インバータに対して作用する各ＰＭＳモータの誘起電圧の合計は、１台のＰＭＳモータを運転する場合のｎ倍となる。一般に、センサレス制御にてＰＭＳモータを運転する際のモータ誘起電圧が小さいと、インバータのスイッチング素子をＯＮにする時間が短くなり、ＰＭＳモータの電流検出精度及び位置推定精度が低下する。

本実施の形態においては、複数のＰＭＳモータを直列接続することで、誘起電圧の大きさをｎ倍にすることができる。すなわち、従来１台のＰＭＳモータで運転した場合に比べて、本実施の形態は、最低回転数をおよそ１／ｎまで下げることが可能となる。

本実施の形態では、図１に示されているように、二つのモータ１４１、１４２が直列でインバータ１０４に接続されているため、一つのモータがインバータに接続されている場合に比べて、最低回転数を１／２まで下げることができる。これにより、制御部１０９は、１台のモータ（例えば、モータ１４１）を予め定められた期間回転させることのできる最も低い回転数である最低回転数よりも低い回転数で、直列に接続された２台のモータ１４１、１４２を運転することができる。予め定められた期間は、モータの運転開始時又は運転停止時のように、モータ１４１、１４２の回転数が一時的に低回転となる期間を除くものであって、ある程度の長さのある期間である。このため、予め定められた期間としては、瞬間的な期間を除くことのできる任意の長さが定められていればよい。

また、１台のＰＭＳモータをセンサレス制御で運転する場合の最低回転数は、インバータの母線電圧とＰＭＳモータの誘起電圧定数とから決まる、ＰＭＳモータを運転可能な最高回転数のおよそ１／１０程度が目安となる。このため、ｎ台のＰＭＳモータを直列に接続することで、１／（１０×ｎ）程度の回転数まで、最低回転数を下げることができる。

このため、ＰＭＳモータを運転可能な最高回転数をＲ_Ｈとすると、本実施の形態では、ｎ台のＰＭＳモータを直列に接続することで、１台のＰＭＳモータをセンサレス制御で運転する場合の最低回転数よりも低い、Ｒ_Ｈ×１／（１０×ｎ）≦Ｒ＜Ｒ_Ｈ×１／１０の範囲の回転数Ｒで、ｎ台のＰＭＳモータを運転することができる。

ここで、図１に示されているモータ１４１、１４２及びモータ駆動装置を空調機のファンに適用した場合について説明する。
図５は、実施の形態１に係る空調機１００の構成を示す概略図である。
空調機１００は、インバータ１０４、制御部１０９、モータ１４１、１４２、ファン１５０、１５１及びセンサ１５２を備える。

図５に示されているように、１台のインバータ１０４に対して、２台のモータ１４１、１４２が接続されている。モータ１４１には、ファン１５０が接続され、モータ１４２には、ファン１５１が接続されている。言い換えると、ファン１５０、１５１は、モータ１４１、１４２から動力を得て駆動される動作部である。モータ１４１、１４２は、動力を発生する。

センサ１５２は、人の活動量、室内の温度及び室外の温度の少なくとも１つを示す物理量を検出する。例えば、センサ１５２は、カメラ、赤外線センサ又は温度センサ等により実現することができる。

そして、制御部１０９は、センサ１５２にて検出した人の活動量、室内の温度、又は、室外の温度といった物理量が、予め定められた範囲内にあり、室内の温度を急激に変更する必要がなくなった場合において、モータ１４１、１４２を低速運転することにより、ファン１５０、１５１を極低速で運転する。このことで、省エネ性の向上又はファン１５０、１５１の騒音低減を図ることが可能となり、より快適な空間を提供することができる。

なお、ここでいう極低速とは、１台のモータを運転可能な最高回転数の１／１０よりも低く、その極低速は、その最高回転数の１／（ｎ×１０）以上の回転数であることが、望ましい。図１では、ｎ＝２である。

以上のように、実施の形態１に係る空調機１００によれば、センサレス制御において、ＰＭＳモータ１４１、１４２を低速で運転すること、言い換えると、１つのＰＭＳモータが接続されている場合よりも低い回転数で運転することができる。

実施の形態１に係る空調機１００によれば、センサで検出される物理量が予め定められた範囲内である場合に、非常に低い回転数で、モータ１４１、１４２を運転することができる。

ここでの物理量は、人の活動量、室内の温度、及び、室外の温度の少なくとも何れか１つとすることで、実施の形態１に係る空調機１００により、快適な空間を提供することができるようになる。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２に係る空調機に使用されるモータ及びモータ駆動装置を示す概略図である。
図示のモータ駆動装置は、整流器１０２と、平滑部１０３と、インバータ１０４と、インバータ電流検出部１０５と、入力電圧検出部１０６と、誘起電圧検出部１０７と、差動アンプ１０８と、制御部２０９と、開閉部２２０、２２１、２２２とを備える。
実施の形態２におけるモータ駆動装置は、制御部２０９及び開閉部２２０、２２１、２２２において、実施の形態１におけるモータ駆動装置と異なっている。

図６に示されているように、実施の形態２では、第１のモータ１４１と第２のモータ１４２との間に、開閉部２２０、２２１が設けられている。
また、実施の形態２では、差動アンプ１０８への入力を、第１のモータ１４１の後段と、第２のモータ１４２の後段との間で切り替えるための開閉部２２２が設けられている。

複数のモータが直列に接続されている場合、どれか１つのモータが、例えば、断線による故障を引き起こすと、電流経路が形成されず、全てのモータが停止してしまう。そこで実施の形態２では、モータ１４１、１４２間の接続を切替えるための開閉部２２０、２２１、２２２が設けられている。

開閉部２２０は、第１の端子２２０ａと、第２の端子２２０ｂと、第３の端子２２０ｃとを備える。第１の端子２２０ａは、第１のモータ１４１のｕ相の出力線に接続されている。第２の端子２２０ｂは、第２のモータ１４２のｕ相の入力線に接続されている。第３の端子２２０ｃは、開閉部２２２に接続されている。

そして、開閉部２２０は、制御部２０９からの指示に従って、第１の端子２２０ａとの接続を、第２の端子２２０ｂと、第３の端子２２０ｃとの間で切り替えることができる。

同様に、開閉部２２１は、第１の端子２２１ａと、第２の端子２２１ｂと、第３の端子２２１ｃとを備える。第１の端子２２１ａは、第１のモータ１４１のｗ相の出力線に接続されている。第２の端子２２１ｂは、第２のモータ１４２のｗ相の入力線に接続されている。第３の端子２２１ｃは、開閉部２２２に接続されている。

そして、開閉部２２１は、制御部２０９からの指示に従って、第１の端子２２１ａとの接続を、第２の端子２２１ｂと、第３の端子２２１ｃとの間で切り替えることができる。

開閉部２２２は、第１の端子２２２ａと、第２の端子２２２ｂと、第３の端子２２２ｃとを備える。第１の端子２２２ａは、差動アンプ１０８への入力線に接続されている。第２の端子２２２ｂは、第２のモータ１４２の出力線に接続されている。第３の端子２２２ｃは、開閉部２２０、２２１の第３の端子２２０ｃ、２２１ｃに接続されている。

そして、開閉部２２２は、制御部２０９からの指示に従って、第１の端子２２２ａとの接続を、第２の端子２２２ｂと、第３の端子２２２ｃとの間で切り替えることができる。

実施の形態２では、開閉部２２０、２２１の第１の端子２２０ａ、２２１ａを、第２の端子２２０ｂ、２２０ｂに接続し、開閉部２２２の第１の端子２２２ａを、第２の端子２２２ｂに接続することで、第１のモータ１４１と、第２のモータ１４２とを直列に接続することができる。

このような状態において、例えば、第２のモータ１４２の断線により、モータ１４１、１４２に電流が流れなくなった場合、制御部２０９は、インバータ電流検出部１０５で検出された電流値から断線を検出する。

断線を検出した制御部２０９は、開閉部２２０、２２１、２２２に指示することで、開閉部２２０、２２１の第１の端子２２０ａ、２２１ａを、第３の端子２２０ｃ、２２１ｃに接続し、開閉部２２２の第１の端子２２２ａを、第３の端子２２２ｃに接続することで、第２のモータ１４２をインバータ１０４から切り離し、第１のモータ１４１のみを動作させることができる。

ここで、制御部２０９では、モータ１４１、１４２の運転台数の切り替えに伴い、誘起電圧定数Ｋ_ｅの値を変更する。誘起電圧定数Ｋ_ｅの値は、前述の式が示すように、例えば、運転台数が２台から１台となった場合には、半分の値となる。

ここで、図６に示されているモータ１４１、１４２及びモータ駆動装置を空調機のファンに適用した場合について説明する。
図７は、実施の形態２に係る空調機２００の構成を示す概略図である。
空調機２００は、インバータ１０４、制御部２０９、モータ１４１、１４２、ファン１５０、１５１、センサ１５２及び開閉部２２０、２２１、２２２を備える。

図７に示されているように、制御部２０９は、開閉部２２０、２２１、２２２を制御することで、１台のインバータ１０４の出力側に、２台のモータ１４１、１４２の接続と、１台のモータ１４１の接続とを切り替えることができる。言い換えると、開閉部２２０、２２１、２２２は、インバータ１０４の出力側に、複数のモータ１４１、１４２を接続する複数接続と、１台のモータ１４１を接続する単独接続とを切り替える切替部として機能する。例えば、開閉部２２０、２２１、２２２は、１台のモータ１４２に通電を行わない場合に、１台のモータ１４１を接続する単独接続とする。

図７のように配線することで、配線の無駄な引き回しを抑制でき、基板側に開閉部２２０、２２１、２２２を設ける場合よりもモータ１４１、１４２の効率悪化又はノイズ悪化を抑制できる。

実施の形態２によれば、第２のモータ１４２が故障した場合においても、第１のモータ１４１を単独で運転することができ、空調機２００としての機能を継続することができるため、ファン１５１故障時の延命運転が可能となる。

なお、実施の形態２では、第２のモータ１４２を切り離し、第１のモータ１４１を単独で動作できるようになっているが、開閉部２２０、２２１、２２２の構成を変更することで、第２のモータ１４２を単独で動作できるようにしてもよい。

また、例えば、図８に示されているように、インバータ１０４と、第１のモータ１４１との間に、開閉部２２３、２２４、２２５を設けて、制御部２０９＃により、開閉部２２３、２２４、２２５を制御することで、第１のモータ１４１及び第２のモータ１４２の何れか一方を単独で動作させることができるようにしてもよい。

具体的には、図９に示されているように、開閉部２２３は、第１の端子２２３ａと、第２の端子２２３ｂと、第３の端子２２３ｃとを備える。第１の端子２２３ａは、インバータ１０４のｕ相の出力線に接続されている。第２の端子２２３ｂは、開閉部２２０の第１の端子２２０ａに接続されている。第３の端子２２３ｃは、第１のモータ１４１のｕ相の入力線に接続されている。

そして、開閉部２２３は、制御部２０９＃からの指示に従って、第１の端子２２３ａとの接続を、第２の端子２２３ｂと、第３の端子２２３ｃとの間で切り替えることができる。

同様に、開閉部２２４は、第１の端子２２４ａと、第２の端子２２４ｂと、第３の端子２２４ｃとを備える。第１の端子２２４ａは、インバータ１０４のｖ相の出力線に接続されている。第２の端子２２４ｂは、第２のモータ１４２のｖ相の入力線に接続されている。第３の端子２２４ｃは、第１のモータ１４１のｖ相の入力線に接続されている。

そして、開閉部２２４は、制御部２０９＃からの指示に従って、第１の端子２２４ａとの接続を、第２の端子２２４ｂと、第３の端子２２４ｃとの間で切り替えることができる。

開閉部２２５は、第１の端子２２５ａと、第２の端子２２５ｂと、第３の端子２２５ｃとを備える。第１の端子２２５ａは、インバータ１０４のｗ相の出力線に接続されている。第２の端子２２５ｂは、開閉部２２１の第１の端子２２１ａに接続されている。第３の端子２２５ｃは、第１のモータ１４１のｗ相の入力線に接続されている。

そして、開閉部２２５は、制御部２０９＃からの指示に従って、第１の端子２２５ａとの接続を、第２の端子２２５ｂと、第３の端子２２５ｃとの間で切り替えることができる。

この変形例では、開閉部２２３、２２４、２２５の第１の端子２２３ａ、２２４ａ、２２５ａを、第３の端子２２３ｃ、２２４ｃ、２２５ｃに接続し、開閉部２２０、２２１の第１の端子２２０ａ、２２１ａを、第２の端子２２０ｂ、２２１ｂに接続し、開閉部２２２の第１の端子２２２ａを、第２の端子２２２ｂに接続することで、第１のモータ１４１と、第２のモータ１４２とを直列に接続することができる。

また、開閉部２２３、２２４、２２５の第１の端子２２３ａ、２２４ａ、２２５ａを、第２の端子２２３ｂ、２２４ｂ、２２５ｂに接続し、開閉部２２０、２２１の第１の端子２２０ａ、２２１ａを、第２の端子２２０ｂ、２２１ｂに接続し、開閉部２２２の第１の端子２２２ａを、第２の端子２２２ｂに接続することで、第２のモータ１４２のみを単独で動作させることができる。

さらに、開閉部２２３、２２４、２２５の第１の端子２２３ａ、２２４ａ、２２５ａを、第３の端子２２３ｃ、２２４ｃ、２２５ｃに接続し、開閉部２２０、２２１の第１の端子２２０ａ、２２１ａを、第３の端子２２０ｃ、２２１ｃに接続し、開閉部２２２の第１の端子２２２ａを、第３の端子２２２ｃに接続することで、第１のモータ１４１のみを単独で動作させることができる。

言い換えると、開閉部２２０、２２１、２２２、２２３、２２４、２２５は、インバータ１０４の出力側に、複数のモータ１４１、１４２を直列で接続する複数接続と、モータ１４１又はモータ１４２を接続する単独接続とを切り替える切替部として機能する。

実施の形態３．
図１０は、実施の形態３に係る空調機に使用されるモータ及びモータ駆動装置を示す概略図である。
図示のモータ駆動装置は、整流器１０２と、平滑部１０３と、インバータ１０４と、インバータ電流検出部１０５と、入力電圧検出部１０６と、誘起電圧検出部１０７と、差動アンプ１０８と、制御部３０９と、開閉部３２６、３２７、３２８、３２９、３３０、３３１とを備える。
実施の形態２におけるモータ駆動装置は、制御部３０９及び開閉部３２６、３２７、３２８、３２９、３３０、３３１において、実施の形態１におけるモータ駆動装置と異なっている。

開閉部３２６は、第１の端子３２６ａと、第２の端子３２６ｂと、第３の端子３２６ｃとを備える。
第１の端子３２６ａは、第１のモータ１４１のｕ相の出力線に接続され、第２の端子３２６ｂは、第２のモータ１４２のｕ相の入力線に接続され、第３の端子３２６ｃは、第２のモータ１４２の出力線に接続されている。
そして、開閉部３２６は、制御部３０９からの指示に従って、第１の端子３２６ａの接続を、第２の端子３２６ｂと、第３の端子３２６ｃとの間で切り替える。

開閉部３２７は、第１の端子３２７ａと、第２の端子３２７ｂと、第３の端子３２７ｃとを備える。
第１の端子３２７ａは、第１のモータ１４１のｖ相の出力線に接続され、第２の端子３２７ｂは、第２のモータ１４２のｖ相の入力線に接続され、第３の端子３２７ｃは、第２のモータ１４２の出力線に接続されている。
そして、開閉部３２７は、制御部３０９からの指示に従って、第１の端子３２７ａの接続を、第２の端子３２７ｂと、第３の端子３２７ｃとの間で切り替える。

開閉部３２８は、第１の端子３２８ａと、第２の端子３２８ｂと、第３の端子３２８ｃとを備える。
第１の端子３２８ａは、第１のモータ１４１のｗ相の出力線に接続され、第２の端子３２８ｂは、第２のモータ１４２のｗ相の入力線に接続され、第３の端子３２８ｃは、第２のモータ１４２の出力線に接続されている。
そして、開閉部３２８は、制御部３０９からの指示に従って、第１の端子３２８ａの接続を、第２の端子３２８ｂと、第３の端子３２８ｃとの間で切り替える。

開閉部３２９は、第１の端子３２９ａと、第２の端子３２９ｂと、第３の端子３２９ｃとを備える。
第１の端子３２９ａは、インバータ１０４のｕ相の出力線に接続され、第２の端子３２９ｂは、何れの線にも接続されず、開放されており、第３の端子３２９ｃは、第２のモータ１４２のｕ相の入力線に接続されている。
そして、開閉部３２９は、制御部３０９からの指示に従って、第１の端子３２９ａの接続を、第２の端子３２９ｂと、第３の端子３２９ｃとの間で切り替える。

開閉部３３０は、第１の端子３３０ａと、第２の端子３３０ｂと、第３の端子３３０ｃとを備える。
第１の端子３３０ａは、インバータ１０４のｖ相の出力線に接続され、第２の端子３３０ｂは、何れの線にも接続されず、開放されており、第３の端子３３０ｃは、第２のモータ１４２のｖ相の入力線に接続されている。
そして、開閉部３３０は、制御部３０９からの指示に従って、第１の端子３３０ａの接続を、第２の端子３３０ｂと、第３の端子３３０ｃとの間で切り替える。

開閉部３３１は、第１の端子３３１ａと、第２の端子３３１ｂと、第３の端子３３１ｃとを備える。
第１の端子３３１ａは、インバータ１０４のｗ相の出力線に接続され、第２の端子３３１ｂは、何れの線にも接続されず、開放されており、第３の端子３３１ｃは、第２のモータ１４２のｗ相の入力線に接続されている。
そして、開閉部３３１は、制御部３０９からの指示に従って、第１の端子３３１ａの接続を、第２の端子３３１ｂと、第３の端子３３１ｃとの間で切り替える。

以上のような構成において、開閉部３２６～３３１の第１の端子３２６ａ～３３１ａを第２の端子３２６ｂ～３３１ｂに接続させた場合には、第１のモータ１４１と第２のモータ１４２とは、直列に接続される。一方、開閉部３２６～３３１の第１の端子３２６ａ～３３１ａを第３の端子３２６ｃ～３３１ｃに接続させた場合には、第１のモータ１４１と第２のモータ１４２とは、並列に接続される。

なお、制御部３０９ではモータ１４１、１４２の接続方式の切り替えに伴い、誘起電圧定数Ｋ_ｅの値を変更する。ｎ台のモータが直列に接続されている場合、誘起電圧定数Ｋ_ｅの値は、Ｋ_ｅ＝Ｋ_ｅ＿ｍ×ｎとすればよく、ｎ台のモータが並列に接続されている場合、誘起電圧定数Ｋ_ｅの値は、Ｋ_ｅ＝Ｋ_ｅ＿ｍとすればよい。

図１０の例では、２台のモータ１４１が使用されているので、直列接続の場合は、誘起電圧定数Ｋ_ｅの値は、Ｋ_ｅ＝Ｋ_ｅ＿ｍ×２であり、並列接続の場合は、誘起電圧定数Ｋ_ｅの値は、Ｋ_ｅ＝Ｋ_ｅ＿ｍである。

一般的に、モータを直列で接続して運転する場合、モータの誘起電圧が運転台数に比例して増加するため、運転可能な最高回転数が低下する。インバータの母線電圧を昇圧させれば運転可能な最高回転数を上げることができるが、昇圧回路分のコスト増又は制御が複雑になるといった課題が生じる。

実施の形態３によれば、モータの回転数を上げたい場合に並列接続に切替えることによって、モータの最高回転数を１台のみで運転する場合と同等まで上げることが可能となる。

ここで、図１０に示されているモータ１４１、１４２及びモータ駆動装置を空調機のファンに適用した場合について説明する。
図１１は、実施の形態３に係る空調機３００の構成を示す概略図である。
空調機３００は、インバータ１０４、制御部３０９、モータ１４１、１４２、ファン１５０、１５１、センサ１５２及び開閉部３２６～３３１を備える。

例えば、センサ１５２で検出される物理量から、室内の温度を急激に変更する必要がなくなった場合では、制御部３０９は、第１のモータ１４１及び第２のモータ１４２を直列に接続し、ファン１５０、１５１を極低速で運転することで、省エネ性の向上及びファン１５０、１５１の騒音低減を図ることが可能となる。

一方、センサ１５２で検出される物理量から、室内の温度を急激に変更する必要が生じた場合には、制御部３０９は、第１のモータ１４１及び第２のモータ１４２を並列に接続し、ファン１５０、１５１を高速で運転することによって、より早く室温を調整することができる。

すなわち、制御部３０９は、開閉部３２６～３３１を制御することで、複数のモータ１４１、１４２を予め定められた回転数以上の回転数で運転する場合には、複数のモータ１４１、１４２を並列接続にし、複数のモータ１４１、１４２を予め定められた回転数よりも低い回転数で運転する場合には、複数のモータ１４１、１４２を直列接続にする。

なお、空調機３００における最も低い回転数で、複数のモータ１４１、１４２を運転する場合には、制御部３０９は、開閉部３２６～３３１を制御することで、複数のモータ１４１、１４２を直列接続にする。直列接続にした場合には、並列接続において予め定められた期間回転させることのできる最低回転数よりも低い回転数で、複数のモータ１４１、１４２を運転することができる。予め定められた期間は、モータの運転開始時又は運転停止時のように、モータ１４１、１４２の回転数が一時的に低回転となる期間を除くものであって、ある程度の長さのある期間である。このため、予め定められた期間としては、瞬間的な期間を除くことのできる任意の長さが定められていればよい。

ここで、開閉部３２６～３３１は、複数のモータ１４１、１４２をインバータ１０４の出力側に直列に接続する直列接続と、複数のモータ１４１、１４２をインバータ１０４の出力側に並列に接続する並列接続とを切り替える切替部として機能する。

なお、以上に記載された実施の形態１～３において、モータに高周波電圧を印加して、その検出電流を用いて、モータの回転子の位置を推定する高周波重畳方式をさらに適用することも可能である。このような場合には、さらにモータの回転数を低くすることができる。

以上に記載された実施の形態１～３に係る空調機１００～３００では、モータ１４１、１４２からの動力を得て駆動される動作部として、ファン１５０、１５１を例に挙げて説明したが、実施の形態１～３に係る空調機１００～３００は、このような例に限定されない。例えば、実施の形態１～３に係る空調機１００～３００は、モータ１４１、１４２からの動力を得て駆動される動作部として、図示しない圧縮機を備えていてもよい。圧縮機は、空調機で使用される冷媒を圧縮する機器である。

なお、以上に記載された実施の形態１～３では、２台のモータ１４１、１４２を直列接続しているが、実施の形態１～３は、２台のモータ１４１、１４２に限定されず、３台以上のモータが接続されていてもよい。実施の形態３において、３台以上のモータが接続されている場合には、並列接続では、分岐された複数の経路の各々に接続されている１又は複数のモータの数が等しくなるようにすることが望ましい。

１００，２００，３００空調機、１０１交流電源、１０２整流器、１０３平滑部、１０４インバータ、１０５インバータ電流検出部、１０６入力電圧検出部、１０７誘起電圧検出部、１０８差動アンプ、１０９，２０９，３０９制御部、２２０，２２１，２２２，２２３，２２４，２２５開閉部、３２６，３２７，３２８，３２９，３３０，３３１開閉部、１４１，１４２モータ、１５０，１５１ファン。

Claims

直流電圧から三相交流電圧を生成する１台のインバータと、
前記インバータの出力側に直列に接続されて動力を発生するｎ台（ｎは２以上の整数）のモータと、
前記動力を受けて駆動される動作部と、
前記ｎ台のモータによる誘起電圧が合成された合成誘起電圧を検出する誘起電圧検出部と、
前記誘起電圧検出部により検出された合成誘起電圧に基づいてセンサレス制御を行う制御部と、を備えること
を特徴とする空調機。
物理量を検出するセンサをさらに備え、
前記制御部は、前記物理量が予め定められた範囲内である場合に、前記インバータを制御することにより、前記ｎ台のモータを低速運転すること
を特徴とする請求項１に記載の空調機。
前記物理量は、人の活動量、室内の温度、及び、室外の温度の少なくとも何れか１つであること
を特徴とする請求項２に記載の空調機。
前記低速運転では、前記制御部は、前記ｎ台のモータの内の１つのモータを予め定められた期間回転させることのできる最も低い回転数である最低回転数よりも低い回転数で、前記ｎ台のモータを運転すること
を特徴とする請求項２又は３に記載の空調機。
前記低速運転では、前記制御部は、前記ｎ台のモータの内の１つのモータの最高回転数の１０分の１よりも低く、かつ、前記最高回転数の１０×ｎ分の１以上の回転数で、前記ｎ台のモータを運転すること
を特徴とする請求項２又は３に記載の空調機。
前記ｎ台のモータは、第１のモータ及び第２のモータであり、
前記制御部は、前記誘起電圧検出部により検出された合成誘起電圧とモータ巻線の中性点との電位差に基づいて前記第１のモータのｄｑ軸における誘起電圧と前記第２のモータのｄｑ軸における誘起電圧とを求め、前記第１のモータのｄｑ軸における誘起電圧に基づいて前記第１のモータの回転数推定値を求め、前記第２のモータのｄｑ軸における誘起電圧に基づいて前記第２のモータの回転数推定値を求め、前記第１のモータの回転数推定値を積分することで前記第１のモータの磁極位置推定値を求め、前記第２のモータの回転数推定値を積分することで前記第２のモータの磁極位置推定値を求め、前記インバータを介して、前記第１のモータ及び第２のモータを制御すること
を特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の空調機。
直流電圧から三相交流電圧を生成する１台のインバータと、
前記三相交流電圧を受けて動力を発生する２台のモータと、
前記２台のモータを前記インバータの出力側に直列に接続する複数接続と、前記２台のモータの内の一方のモータのみを前記インバータの出力側に接続する単独接続とを切り替える切替部と、
前記動力を受けて駆動される動作部と、
前記複数接続時には、前記２台のモータによる誘起電圧に基づいて、前記単独接続時には、前記一方のモータによる誘起電圧に基づいて、センサレス制御を行う制御部と、を備えること
を特徴とする空調機。
前記切替部は、前記複数接続において前記２台のモータの内の他方のモータへの通電を行わない場合に、前記複数接続から、前記単独接続に切り替えること
を特徴とする請求項７に記載の空調機。
前記インバータに流れる電流を検出するインバータ電流検出部をさらに備え、
前記２台のモータは、第１のモータ及び第２のモータであり、
前記第２のモータの断線により、前記第１のモータ及び第２のモータに電流が流れなくなった場合、前記制御部は、前記インバータ電流検出部で検出された電流値から断線を検出し、前記切替部に指示することで、前記第２のモータを前記インバータから切り離し、前記第１のモータのみを動作させること
を特徴とする請求項７又は８に記載の空調機。