JP7270841B2 - 電動機駆動装置及び空気調和機 - Google Patents

Description

本開示は、電動機駆動装置及び空気調和機に関する。

電動機の固定子巻線（以下「巻線」とも言う。）の結線状態を切り替える機械式リレーを有する結線切替部と、電動機に交流電力を供給して電動機を駆動するインバータとを備えた電動機駆動装置が実用されている。電動機駆動装置は、巻線に流れる電流が過電流閾値を超えたときにインバータを停止させる保護動作を行う。また、巻線の結線状態に応じて過電流閾値を変更する電動機駆動装置も提案されている（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２０１８／０７８８５１号

しかしながら、機械式リレーを有する結線切替部は、切り替えを指令する指令信号を受けた時点から切替遅延時間が経過した後に機械式リレーの状態が切り替わる特性を有している。つまり、巻線の結線状態は、結線切替部が巻線の結線状態をスター結線（Ｙ結線）からデルタ結線（Δ結線）へ切り替えることを指令する指令信号を受けた時点から切替遅延時間が経過するまでの間はＹ結線状態のままであり、切替遅延時間が経過した後にΔ結線状態に切り替わる。したがって、電動機の回転動作期間中に、結線切替部による結線状態の切り替えを行い、切り替えを指令する指令信号の受信と同時に過電流閾値を現状の値より高い値に切り替えると、切替遅延時間の間に（例えば、過電流閾値を高い値に切り替えた直後に）電動機の巻線に過大な電流が流れ、電動機の永久磁石に不可逆減磁を発生させるおそれがある。

本開示は、上記課題を解決するためになされたものであり、電動機の回転動作期間中に結線状態を切り替え、過電流閾値を切り替えた場合であっても、固定子巻線に過大な電流を流す状態を発生させない電動機駆動装置及びこれを備えた空気調和機を提供することを目的とする。

本開示に係る電動機駆動装置は、機械式リレーを有し、前記機械式リレーの状態の切り替えによって電動機の固定子巻線の結線状態を第１の結線状態及び第２の結線状態のいずれかに切り替える結線切替部と、前記機械式リレーを介して前記固定子巻線に電力を供給するインバータと、前記固定子巻線に流れる巻線電流に対応する値を検出する電流検出部と、前記結線切替部及び前記インバータを制御する制御装置と、を有し、前記制御装置は、前記電動機の回転動作期間中に前記結線状態を切り替える場合、前記結線状態を前記第１の結線状態から前記第２の結線状態へ切り替えることを指令する第１の信号及び前記結線状態を前記第２の結線状態から前記第１の結線状態へ切り替えることを指令する第２の信号のいずれかを前記結線切替部に出力し、前記巻線電流に対応する前記値の過電流閾値を第１の値及び前記第１の値より高い第２の値のいずれかに設定し、前記巻線電流に対応する前記値が前記過電流閾値を超えたときに予め決められた過電流保護動作を行い、及び前記結線状態を前記第１の結線状態から前記第２の結線状態へ切り替え且つ前記過電流閾値を前記第１の値から前記第２の値へ切り替える場合、少なくとも前記第１の信号を前記結線切替部に出力した時点から前記機械式リレーの状態の切り替えが完了して前記結線状態が前記第２の結線状態に切り替わる時点までの第１の遅延時間の間は、前記過電流閾値を前記第１の値に維持する。

本開示によれば、電動機の回転動作期間中に結線状態を切り替え、過電流閾値を切り替えた場合であっても、固定子巻線に過大な電流を流す状態を発生させることがない。

実施の形態に係る空気調和機の構成を示す概略図である。 実施の形態に係る電動機駆動装置の構成を示す図である。 図２の電動機駆動装置のＹ結線状態における電流経路の一例を示す図である。 図２の電動機駆動装置のΔ結線状態における電流経路の一例を示す図である。 図２のインバータの構成を示す図である。 図２の電動機の巻線及び結線切替部の構成を示す回路図である。 図２の結線切替部の構成の例を示す回路図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、Ｙ結線状態及びΔ結線状態における巻線をそれぞれ示す図である。 機械式リレーを通って電動機の巻線に流れる電流の一例を示す波形図である。 （Ａ）は、実施の形態に係る電動機駆動装置におけるＹ結線状態からΔ結線状態への切り替えを示すタイミング図であり、（Ｂ）は、比較例の電動機駆動装置におけるＹ結線状態からΔ結線状態への切り替えを示すタイミング図である。 （Ａ）は、実施の形態に係る電動機駆動装置におけるΔ結線状態からＹ結線への切り替えを示すタイミング図であり、（Ｂ）は、比較例の電動機駆動装置におけるΔ結線状態からＹ結線状態への切り替えを示すタイミング図である。 結線状態をＹ結線状態からΔ結線状態に切り替えるときの動作を示すフローチャートである。 結線状態をΔ結線状態からＹ結線状態に切り替えるときの動作を示すフローチャートである。 空気調和機に適用された電動機駆動装置の動作を示すフローチャートである。 電動機の巻線と結線切替部の他との例を示す回路図である。

以下に、実施の形態に係る電動機駆動装置及び空気調和機を、図面を参照しながら説明する。以下の実施の形態は、例にすぎず、種々の変更が可能である。なお、以下の説明において、同じ符号が付された構成要素は、同じ又は同様の機能を持つ。

図１は、実施の形態に係る空気調和機２の構成を示す概略図である。図１に示されるように、空気調和機２は、冷凍サイクル装置９００を含み、冷凍サイクル装置９００は、四方弁９０２の切り替え動作により暖房運転又は冷房運転を行うことができる。なお、冷凍サイクル装置９００は、冷蔵庫、給湯機、などのような各種の冷凍サイクル適用機器に適用可能である。

暖房運転時には、実線矢印で示されるように、冷媒が圧縮機９０１で加圧されて送り出され、四方弁９０２、室内の熱交換器９０３、膨張弁９０４、室外の熱交換器９０５及び四方弁９０２を通って圧縮機９０１に戻る。冷房運転時には、破線矢印で示されるように、冷媒が圧縮機９０１で加圧されて送り出され、四方弁９０２、室外の熱交換器９０５、膨張弁９０４、室内の熱交換器９０３及び四方弁９０２を通って圧縮機９０１に戻る。

暖房運転時には、熱交換器９０３が凝縮器として作用して熱放出を行い（つまり、室内を暖房し）、熱交換器９０５が蒸発器として作用して熱吸収を行う。冷房運転時には、熱交換器９０３が蒸発器として作用して熱吸収を行い（つまり、室内を冷房し）、熱交換器９０５が凝縮器として作用して熱放出を行う。電動機駆動装置１は、電動機４０を可変速制御し、圧縮機９０１は、電動機４０によって駆動される。

図２は、実施の形態に係る電動機駆動装置１の構成を示す図である。電動機駆動装置１は、電動機４０を駆動するための回路である。図２に示されるように、電動機駆動装置１は、リアクトル１１と、整流回路２０と、コンデンサ２１と、インバータ３０と、制御装置５０と、結線切替部６０と、電流検出部７０と、制御電源生成回路８０とを備える。

電動機駆動装置１には、交流電源入力端子を介して外部の交流電源１０から交流電圧が印加される。印加される電圧は、例えば、振幅の実効値が１００Ｖ又は２００Ｖなどであり、周波数が５０Ｈｚ又は６０Ｈｚなどである。整流回路２０は、交流電源１０からリアクトル１１を介して交流電圧を受けて、これを整流することで、直流電圧を生成する。整流回路２０は、ダイオードなどの整流素子をブリッジ接続することで形成された全波整流回路である。コンデンサ２１は、整流回路２０で生成された直流電圧を平滑化して、直流電圧を出力する。

結線切替部６０は、電動機４０の巻線４１、４２、４３の結線状態を切り替える回路である。結線切替部６０は、機械式リレー６１、６２、６３を有する。機械式リレーは、電磁的に接点が開閉する電磁開閉器である。結線切替部６０は、電動機４０の巻線４１、４２、４３の結線状態を第１の結線状態としてのＹ結線状態及び第２の結線状態としてのΔ結線状態のいずれかに切り替える機能を持つ。図３は、電動機駆動装置１のＹ結線状態における電流経路の一例を矢印付きの太い破線で示す図である。図４は、電動機駆動装置１のΔ結線状態における電流経路の一例を矢印付きの太い破線で示す図である。結線切替部６０は、電動機４０の回転子が回転している回転動作期間中に（すなわち、回転動作を停止させずに）、機械式リレー６１、６２、６３の状態の切り替え動作を行うことによって、電動機４０の巻線４１、４２、４３の結線状態の切り替えを完了させることができる。

インバータ３０は、機械式リレー６１、６２、６３を介して電動機４０の巻線４１、４２、４３に交流電力を供給する。また、インバータ３０には、回転動作期間中の電動機４０の巻線４１、４２、４３から機械式リレー６１、６２、６３を介して逆起電圧が印加される。

電流検出部７０は、電動機４０の巻線４１、４２、４３に流れる巻線電流に対応する値Ｉｃを検出する。図２の例では、電流検出部７０は、巻線電流に対応する値Ｉｃとして、母線電流、すなわち、インバータ３０の入力電流を検出する。電流検出部７０は、直流母線に挿入されたシャント抵抗を含み、検出結果を示すアナログ信号を制御装置５０に供給する。この信号（すなわち、電流検出信号）は、制御装置５０で図示しないＡ／Ｄ（Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ）変換部によりデジタル信号に変換されて制御装置５０の内部での処理に用いられる。なお、電流検出部７０は、インバータ３０の入力電流を検出しているが、インバータ３０の出力電流、すなわち、電動機４０の巻線４１、４２、４３のうちの１つ又は複数の巻線に流れる電流を検出する検出部であってもよい。

制御電源生成回路８０は、コンデンサ２１の両電極間の電圧、すなわち、母線電圧を受けて降圧し、制御電源電圧Ｖ５０及び切替電源電圧Ｖ６０を生成し、制御電源電圧Ｖ５０を制御装置５０に供給するとともに、切替電源電圧Ｖ６０を結線切替部６０に供給する。

制御装置５０は、インバータ３０を制御することによって電動機４０の回転数（すなわち、回転速度）を制御する。また、制御装置５０は、結線切替部６０に結線状態の切り替えを実行させる。制御装置５０は、電動機４０の巻線４１、４２、４３に流れる交流電流の値がゼロに近づけられている電流制御期間（後述の図９に示されるＰｃ）内に、機械式リレー６１、６２、６３の切り替え動作を実行させる。

巻線４１、４２、４３の結線状態の切り替えは、結線状態をＹ結線状態及びΔ結線状態のいずれかに切り替える切り替え、又は巻線の巻数の切り替えである。巻線の巻数の切り替えについては、後述の図１５に示される。

制御装置５０は、例えば、制御情報をソフトウェアプログラムとして記憶する記憶装置としてのメモリと、このプログラムを実行する情報処理装置としてのＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）とを備えたマイコン（マイクロコンピュータ）、又はＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）などで構成される。また、制御装置５０は、専用のハードウェア（例えば、処理回路）で構成されてもよい。

図５は、図２のインバータ３０の構成を示す図である。図５に示されるように、インバータ３０は、インバータ主回路３１０と、駆動回路３５０とを有する。インバータ主回路３１０の入力端子は、コンデンサ２１の電極に接続されており、電圧Ｖ２０が印加される。整流回路２０の出力、コンデンサ２１の電極、及びインバータ主回路３１０の入力端子を結ぶ線は、直流母線である。

インバータ３０は、制御装置５０から受け取るＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号Ｓｍ１～Ｓｍ６によって制御されて、インバータ主回路３１０の６つのアームのスイッチング素子３１１～３１６がオン、オフ動作する。このオン、オフ動作によって、インバータ３０は、周波数可変で電圧可変の３相交流電流を生成し、この３相交流電流を電動機４０に供給する。スイッチング素子３１１～３１６には、還流用の整流素子３２１～３２６がそれぞれ並列接続されている。

電動機４０は、３相永久磁石同期電動機であり、巻線４１、４２、４３の端部が電動機４０の外部に引き出されており、Ｙ結線状態及びΔ結線状態のいずれかへの切り替えが可能なものである。この切り替えは、結線切替部６０により行われる。Ｙ結線状態は第１の結線状態であり、Δ結線状態が第２の結線状態である。

電動機４０の巻線４１、４２、４３に流れる駆動電流である巻線電流に対応する値Ｉｃが過電流閾値Ｉｏｖｅｒを越えた場合に、インバータ３０からの駆動電流の供給を低減（例えば、停止）する。過電流閾値Ｉｏｖｅｒは、過電流から電動機４０を保護するための電流レベル、すなわち、駆動電流によって永久磁石である希土類磁石に不可逆減磁が発生しないようにするための駆動電流の上限値である。

図６は、電動機４０の巻線４１、４２、４３及び結線切替部６０の構成を示す回路図である。図６に示されるように、電動機４０の、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相から成る３つの相の巻線４１、４２、４３の第１の端部４１ａ、４２ａ、４３ａは、外部端子４１ｃ、４２ｃ、４３ｃにそれぞれ接続されている。電動機４０の、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の巻線４１、４２、４３の第２の端部４１ｂ、４２ｂ、４３ｂは、外部端子４１ｄ、４２ｄ、４３ｄにそれぞれ接続されている。このように、電動機４０は、結線切替部６０と接続されている。また、外部端子４１ｃ、４２ｃ、４３ｃには、インバータ３０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の出力線３３１、３３２、３３３が接続されている。

図７は、図２の結線切替部６０の構成の例を示す回路図である。結線切替部６０は、励磁コイル６１１、６２１、６３１に電流が流されているときと、電流が流されていないときとで、異なる状態になる。励磁コイル６１１、６２１、６３１は、半導体スイッチ６０４を介して、切替電源電圧Ｖ６０を受けるように接続される。図２及び図７に示される例では、半導体スイッチ６０４の開閉は、制御装置５０から出力される制御信号である指令信号Ｓ１又はＳ２により制御される。指令信号Ｓ１を第１の信号と言い、指令信号Ｓ２を第２の信号と言う。

機械式リレー６１の共通接点６１ｃは、リード線６１ｅを介して外部端子４１ｄに接続されている。常閉接点６１ｂは、中性点ノード６４に接続され、常開接点６１ａは、インバータ３０のＶ相の出力線３３２に接続されている。機械式リレー６２の共通接点６２ｃは、リード線６２ｅを介して外部端子４２ｄに接続されている。常閉接点６２ｂは、中性点ノード６４に接続され、常開接点６２ａは、インバータ３０のＷ相の出力線３３３に接続されている。機械式リレー６３の共通接点６３ｃは、リード線６３ｅを介して外部端子４３ｄに接続されている。常閉接点６３ｂは、中性点ノード６４に接続され、常開接点６３ａは、インバータ３０のＵ相の出力線３３１に接続されている。

励磁コイル６１１、６２１、６３１に電流が流れていないときは、機械式リレー６１、６２、６３が、図７に示されるように、常閉接点側に切り替った状態、すなわち、共通接点６１ｃ、６２ｃ、６３ｃが常閉接点６１ｂ、６２ｂ、６３ｂに接続された状態（すなわち、導通状態）にあり、常開接点６１ａ、６２ａ、６３ａに接続されていない状態（すなわち、非導通状態）にある。この状態では、電動機４０は、Ｙ結線状態にある。

励磁コイル６１１、６２１、６３１に電流が流れているときは、機械式リレー６１、６２、６３が図７の状態とは逆になり、常開接点側に切り替った状態、すなわち、共通接点６１ｃ、６２ｃ、６３ｃが常開接点６１ａ、６２ａ、６３ａに接続された状態にあり、常閉接点６１ｂ、６２ｂ、６３ｂに接続されていない状態（すなわち、非導通状態）にある。この状態では、電動機４０は、Δ結線状態にある。

ここで、電動機４０としてＹ結線状態及びΔ結線状態のいずれかへの切り替えが可能なものを用いることの利点について説明する。図８（Ａ）及び（Ｂ）は、Ｙ結線状態及びΔ結線状態における巻線をそれぞれ示す図である。図８（Ａ）は、Ｙ結線状態の巻線の結線状態、図８（Ｂ）は、Δ結線状態の巻線の結線状態をそれぞれ示す。

Ｙ結線状態における線間電圧をＶ_Ｙ、巻線に流れ込む電流をＩ_Ｙとし、Δ結線状態における線間電圧をＶ_Δ、巻線に流れ込む電流をＩ_Δとし、各相の巻線に掛かる電圧が互いに等しいとすると、以下の式（１）及び（２）が成立する。
Ｖ_Δ＝Ｖ_Ｙ／（√３） （１）
Ｉ_Δ＝（√３）×Ｉ_Ｙ （２）

Ｙ結線状態における電圧Ｖ_Ｙ及び電流Ｉ_Ｙと、Δ結線状態における電圧Ｖ_Δ及び電流Ｉ_Δとが式（１）及び（２）の関係を有するとき、Ｙ結線状態とΔ結線状態とで電動機４０に供給される電力が互いに等しい。つまり、電動機４０に供給される電力が互いに等しいとき、Δ結線状態の方が電流は大きく、駆動に必要な電圧が低い。

以上の性質を利用し、負荷条件などに応じて結線状態を選択することが考えられる。例えば、低負荷時にはＹ結線状態で低速運転し、高負荷時にはΔ結線状態で高速運転することが考えられる。このようにすることで、低負荷時で効率化が可能であり、高負荷時で高出力化が可能である。

この点について、空気調和機の圧縮機を駆動する電動機の場合を例に、さらに詳しく述べる。空気調和機の圧縮機駆動用の電動機４０としては、省エネルギー化の要求に応えるため、回転子に永久磁石を備えた同期電動機が広く用いられている。また、空気調和機においては、室温と設定温度との差が大きいときは、電動機４０を高速で回転させる高速運転によって室温を設定温度に早く近づけ、室温が設定温度に近いときは、電動機４０を低速で回転させる低速運転によって室温を維持するようにしている。一般に、このように制御する場合、全運転時間に対する低速運転の時間の占める割合が大きい。

同期電動機を用いた場合、回転数が上がると逆起電力が増加し、駆動に必要な電圧値が増加する。この逆起電力は、上記のようにＹ結線状態の場合の方がΔ結線状態の場合に比べて高い。高速運転時における逆起電力を抑制するために、永久磁石の磁力を小さくする、又は、巻線の巻数を減らすことが考えられる。しかし、そのようにすると、同一出力トルクを得るための電流が増加するため、電動機４０及びインバータ３０に流れる電流が増加し、効率が低下する。

そこで、電動機の回転数に応じて結線状態を切り替えることが考えられる。例えば、高速での運転が必要な場合には、Δ結線状態とする。このようにすることで、駆動に必要な電圧を（Ｙ結線状態において必要な電圧に比べ）１／（√３）にすることができる。このため、巻線の巻数を減らす必要もなく、また、弱め磁束制御を用いる必要もない。

一方、低速回転では、Ｙ結線状態とすることでΔ結線状態の場合に比べて電流値を１／（√３）にできる。さらに、電動機を、巻線をＹ結線状態においての低速運転に適したように設計することが可能となり、Ｙ結線を速度範囲の全域にわたり使用する場合に比べて、電流値を低減することが可能となる。この結果、インバータ３０の損失を低減することができ、効率を高めることが可能となる。

図９は、電動機４０の機械式リレー６１、６２、６３を通って巻線に流れる電流の一例を示す波形図である。図９は、結線切替前後の電流波形の一例を示している。制御装置５０は、電動機４０の回転子が回転している回転動作期間中に結線状態を切り替える機能を持つ。電動機４０の巻線に流れる電流、すなわち、機械式リレー６１、６２、６３に流れる電流の値（実効値）を、図９に示される電流制御期間Ｐｃのように、ゼロにする制御をさせることができる。よって、機械式リレー６１、６２、６３に電流が流れていない状態で機械式リレー６１、６２、６３の切り替え動作を行うことができ、機械式リレー６１、６２、６３の接点間にアーク放電を生じさせることが無い。このため、機械式リレー６１、６２、６３の接点溶着を防止し、信頼性の高い電動機駆動装置を実現できる。

図１０（Ａ）は、実施の形態に係る電動機駆動装置１におけるＹ結線からΔ結線への切り替えを示すタイミング図であり、図１０（Ｂ）は、比較例の電動機駆動装置におけるＹ結線からΔ結線への切り替えを示すタイミング図である。制御装置５０は、電動機４０の回転子が回転している回転動作期間中に結線状態を切り替える場合、結線状態をＹ結線状態からΔ結線状態へ切り替えることを指令する指令信号Ｓ１及び結線状態をΔ結線状態からＹ結線状態へ切り替えることを指令する指令信号Ｓ２のいずれかを結線切替部６０に出力する。また、制御装置５０は、過電流閾値ＩｏｖｅｒをＹ結線用の第１の値Ｉ１及び第１の値Ｉ１より高いΔ結線用の第２の値Ｉ２のいずれかに設定し、巻線電流に対応する値Ｉｃが過電流閾値Ｉｏｖｅｒを超えたときに予め決められた過電流保護動作を行う。過電流保護動作は、例えば、インバータ３０の停止である。なお、例えば、結線状態をＹ結線状態からΔ結線状態に切り替える際には、指令信号Ｓ１の出力の時点ｔ１１から切替遅延時間の１．０倍より長く５．０倍以内の時点ｔ１３で過電流閾値Ｉｏｖｅｒを切り替えることが可能である。或いは、指令信号Ｓ１の出力の時点ｔ１１から切替遅延時間である第１の遅延時間Ｐ１の値の１．５倍の秒数から最大１．０秒までの間の時点ｔ１３で過電流閾値Ｉｏｖｅｒを切り替えることが可能である。

制御装置５０は、結線状態をＹ結線状態からΔ結線状態へ切り替え且つ過電流閾値Ｉｏｖｅｒを第１の値Ｉ１から第２の値Ｉ２へ切り替える場合、少なくとも指令信号Ｓ１を結線切替部６０に出力した時点（後述の図１０（Ａ）における時点ｔ１１）から機械式リレー６１、６２、６３の状態の切り替えが完了して結線状態がΔ結線状態に切り替わる時点（後述の図９（Ａ）における時点ｔ１２）までの第１の遅延時間Ｐ１の間は、過電流閾値Ｉｏｖｅｒを第１の値Ｉ１に維持する。制御装置５０は、結線状態をＹ結線状態からΔ結線状態へ切り替え且つ過電流閾値Ｉｏｖｅｒを第１の値Ｉ１から第２の値Ｉ２へ切り替える場合、第１の遅延時間Ｐ１の経過後に前記過電流閾値Ｉｏｖｅｒを第１の値Ｉ１から第２の値Ｉ２に切り替える。例えば、Ｉ２＝（√３）×Ｉ１である。

図１１（Ａ）は、実施の形態に係る電動機駆動装置１におけるΔ結線からＹ結線への切り替えを示すタイミング図であり、図１１（Ｂ）は、比較例の電動機駆動装置におけるΔ結線からＹ結線への切り替えを示すタイミング図である。制御装置５０は、結線状態をΔ結線状態からＹ結線状態へ切り替え且つ過電流閾値Ｉｏｖｅｒを第２の値Ｉ２から第１の値Ｉ１へ切り替える場合、少なくとも指令信号Ｓ２を結線切替部６０に出力した時点ｔ２１から機械式リレーの状態の切り替えが完了して結線状態がＹ結線状態に切り替わる時点ｔ２２までの第２の遅延時間Ｐ２の間は、過電流閾値Ｉｏｖｅｒを第１の値Ｉ１に設定する。

制御装置５０は、結線状態をΔ結線状態からＹ結線状態へ切り替え且つ過電流閾値Ｉｏｖｅｒを第２の値Ｉ２から第１の値Ｉ１へ切り替える場合、第２の遅延時間Ｐ２が開始する時点ｔ２１の前の時点ｔ２０に過電流閾値Ｉｏｖｅｒを第２の値Ｉ２から第１の値Ｉ１に切り替える。例えば、Ｉ１＝Ｉ２／（√３）である。

図１２は、結線状態をＹ結線状態からΔ結線状態に切り替えるときの動作（ステップＳ１００）を示すフローチャートである。図１２及び図１０（Ａ）に示されるように、制御装置５０は、電動機４０の結線状態の切り替えの指令信号Ｓ１を結線切替部６０に出力する（時点ｔ１１、ステップＳ１０１）。第１の遅延時間Ｐ１が経過した後に、機械式リレー６１、６２、６３の状態がΔ結線状態に切り替わる（時点ｔ１２、ステップＳ１０２）。次に、制御装置５０は、過電流閾値Ｉｏｖｅｒを第１の値Ｉ１から第２の値Ｉ２に切り替える（時点ｔ１３、ステップＳ１０３）。

図１３は、結線状態をΔ結線状態からＹ結線状態に切り替えるときの動作（ステップＳ２００）を示すフローチャートである。図１３及び図１１（Ａ）に示されるように、制御装置５０は、制御装置５０は、過電流閾値ＩｏｖｅｒをΔ結線用の第２の値Ｉ２からＹ結線用の第１の値Ｉ１に切り替えることを指令する指令信号を生成し、過電流閾値Ｉｏｖｅｒを第２の値Ｉ２から第１の値Ｉ１に切り替える（時刻ｔ２０、ステップＳ２０１）。次に、制御装置５０は、電動機４０の結線状態の切り替えの指令信号Ｓ２を結線切替部６０に出力する（時点ｔ２１、ステップＳ２０２）。第１の遅延時間Ｐ１が経過した後に、機械式リレー６１、６２、６３の状態がΔ結線状態に切り替わる（時点ｔ２２、ステップＳ２０３）。

図１４は、空気調和機２に適用された電動機駆動装置１の動作を示すフローチャートである。先ず、制御装置５０は、結線切替部６０に指令信号を出力して電動機４０の結線状態をＹ結線状態に設定する（ステップＳ３０１）。次に、制御装置５０は、過電流閾値ＩｏｖｅｒをＹ結線用の第１の値Ｉ１に設定する（ステップＳ３０２）。次に、制御装置５０は、インバータ３０に制御信号を出力して電動機４０を回転起動させ（ステップＳ３０３）、Ｙ結線状態で電動機４０の駆動制御を行う（ステップＳ３０４）。

Ｙ結線状態で電動機４０の駆動中に、制御装置５０は、空気調和機２の図示しない制御部からの空調負荷の要求に応じて電動機４０の回転数を制御する（ステップＳ３０５）。次に、制御装置５０は、空調負荷の能力が空調負荷の要求に足りているか否かを判断する。つまり、制御装置５０は。空調負荷の要求に適した結線状態がＹ結線状態であるかΔ結線状態であるかを判断する（ステップＳ３０６）。

ステップＳ３０６における要求に適した状態がＹ結線状態であるときは、制御装置５０は、Ｙ結線状態における電動機４０の運転を行う（ステップＳ３０７）。つまり、制御装置５０は、現状の結線状態がＹ結線状態であれば、Ｙ結線状態での運転を継続し、現状の結線状態がΔ結線状態であれば、図１２にステップＳ１００として示される切り替え動作を行う。

ステップＳ３０６における要求に適した状態がΔ結線状態であるときは、制御装置５０は、Δ結線状態における電動機４０の運転を行う（ステップＳ３０８）。つまり、制御装置５０は、現状の結線状態がＹ結線状態であれば、図１３にステップＳ２００として示される切り替え動作を行い、現状の結線状態がΔ結線状態であれば、Δ結線状態での運転を継続する。

次に、制御装置５０は、電動機４０の駆動停止指令の入力があるか否かを判定し（ステップＳ３０９）、駆動停止指令が無い場合には、処理をステップＳ３０５に戻して電動機４０の運転を継続し、駆動停止指令がある場合には、駆動停止信号をＯＮにして電動機４０の運転を停止する（ステップＳ３１０）。

以上に説明したように、実施の形態に係る電動機駆動装置１によれば、機械式リレー６１、６２、６３の状態の切り替えによって電動機４０の結線状態をＹ結線状態からΔ結線状態に切り替えるときに、図１０（Ａ）に示されるように、機械式リレー６１、６２、６３の状態の切り替えが完了した時点ｔ１２より後の時点ｔ１３で過電流閾値ＩｏｖｅｒをＹ結線用の第１の値Ｉ１からΔ結線用の第２の値Ｉ２に切り替えている。このように、機械式リレー６１、６２、６３の状態の切り替えが完了する前には、過電流閾値Ｉｏｖｅｒを第１の値Ｉ１よりも高い第２の値Ｉ２に切り替えない制御によって、電動機４０の巻線４１、４２、４３に過大な電流が流れる状態を発生させることがない。したがって、電動機４０の永久磁石に不可逆減磁を発生させないことができる。

また、実施の形態に係る電動機駆動装置１によれば、機械式リレー６１、６２、６３の状態の切り替えによって電動機４０の結線状態をΔ結線状態からΔ結線状態に切り替えるときに、図１１（Ａ）に示されるように、機械式リレー６１、６２、６３の状態の切り替えの指令信号Ｓ２が出力される時点ｔ２１の前の時点ｔ２０に過電流閾値ＩｏｖｅｒをΔ結線用の第２の値Ｉ２からＹ結線用の第１の値Ｉ１に切り替える。このように、機械式リレー６１、６２、６３の状態の切り替えの指令信号Ｓ２が出力される時点ｔ２１の前に、過電流閾値Ｉｏｖｅｒを第２の値Ｉ２よりも低い第１の値Ｉ１に切り替える制御によって、電動機４０の巻線４１、４２、４３に過大な電流が流れる状態を発生させることがない。したがって、電動機４０の永久磁石に不可逆減磁を発生させないことができる。

また、電動機４０に、ディスプロシウムなどの希土類元素の含有によって減磁耐力を強化した永久磁石を使用する必要がないので、電動機４０のコストを低減しつつ、減磁保護が可能になる。

また、結線切替部６０は、機械式リレー６１、６２、６３を用いているので、半導体リレーを用いた場合に比べ、損失を低減することができる。

また、実施の形態に係る電動機駆動装置１によれば、電動機４０の回転動作期間中に結線状態を切り替えることができるので、空気調和機２の運転を停止させることなく、快適性を保ったまま運転継続が可能である。さらに、圧縮機９０１の差圧起動による圧縮機故障の発生を抑制することが可能である。例えば、空気調和機２の圧縮機９０１に電動機４０を適用した場合、空調軽負荷条件では結線状態をＹ結線状態にし、過電流閾値ＩｏｖｅｒとしてＹ結線用の第１の値Ｉ１を採用し、空気調和機２の電流値を抑制しつつＡＰＦ（通年エネルギー消費効率：Ａｎｎｕａｌ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｆａｃｔｏｒ）の計算に効果的な指数である中間条件での運転効率を向上させて高効率化を実現することができる。一方で、空調の過負荷運転では、結線状態をΔ結線状態にし、過電流閾値ＩｏｖｅｒとしてΔ結線用の第２の値Ｉ２を採用し、ハイパワー運転を実現することができる。

図１５は、電動機の巻線と結線切替部の他との例を示す回路図である。図１５では、巻線４１、４２、４３の各々の巻数を切り替え可能な電動機４０ａに、電動機駆動装置が接続されている例を説明している。図１５の例では、例えば、各相の巻線４１、４２、４３が、２以上の巻線部分から成るものを用いる。この場合、各相の巻線４１、４２、４３を構成する２以上の巻線部分の各々の両端部を、電動機４０ａの外部に接続可能として、結線切替部６０で巻線４１、４２、４３の結線状態を切り替える。また、結線切替部６０は、巻線部分を並列接続及び直列接続のいずれかに切り替えることができる電動機にも適用できる。

図１５には、Ｙ結線された電動機において各相の巻線を２つの巻線部分で構成し、該巻線部分の各々の両端部を、電動機４０ａの外部に接続可能として、結線切替部６０で結線状態を切り替える構成を示す。具体的には、Ｕ相の巻線４１が２つの巻線部分４１１、４１２で構成され、Ｖ相の巻線４２が２つの巻線部分４２１、４２２で構成され、Ｗ相の巻線４３が２つの巻線部分４３１、４３２で構成されている。

巻線部分４１１、４２１、４３１の第１の端部は、外部端子４１ｃ、４２ｃ、４３ｃを介してインバータ３０の出力線３３１、３３２、３３３にそれぞれ接続されている。巻線部分４１１、４２１、４３１の第２の端部は、外部端子４１ｇ、４２ｇ、４３ｇを介して機械式リレー６１７、６２７、６２７の共通接点にそれぞれ接続されている。巻線部分４１２、４２２、４３２の第１の端部は、外部端子４１ｈ、４２ｈ、４３ｈを介して機械式リレー６１８、６２８、６３８の共通接点にそれぞれ接続されている。巻線部分４１２、４２２、４３２の第２の端部は、外部端子４１ｄ、４２ｄ、４３ｄを介して中性点ノード６４にそれぞれ接続されている。

機械式リレー６１７、６２７、６３７の常閉接点は、機械式リレー６１８、６２８、６３８の常閉接点にそれぞれ接続されている。機械式リレー６１７、６２７、６３７の常開接点は、中性点ノード６４に接続されている。機械式リレー６１８、６２８、６３８の常開接点は、インバータ３０の出力線３３１、３３２、３３３に接続されている。機械式リレー６１７、６２７、６３７、６１８、６２８、６３８により、結線切替部６０が構成されている。

このような結線切替部６０が使用されている場合にも、図６で示したものと同様に、電流制御期間Ｐｃに結線切替部６０の機械式リレーの切り替え動作を行うことができる。

図１５に示される構成の場合、機械式リレー６１７、６２７、６３７、６１８、６２８、６３８が図示のように常閉接点側に切り替えられた状態では、電動機４０ａは、直列結線状態となり、機械式リレー６１７、６２７、６３７、６１８、６２８、６３８が図示とは逆の常開接点側に切り替えられた状態では、電動機４０ａは並列結線状態となる。

なお、以上の実施の形態に示した構成は、例に過ぎず、別の公知の技術と組み合わせることも可能である。

１ 電動機駆動装置、 ２ 空気調和機、 １０ 交流電源、 １１ リアクトル、 ２０ 整流回路、 ２１ コンデンサ、 ３０ インバータ、 ３１ 上アーム、 ３２ 下アーム、 ４０、４０ａ 電動機、 ４１、４２、４３ 巻線、 ５０ 制御装置、 ６０ 結線切替部、 ６１、６２、６３ 機械式リレー、 ７０ 電流検出部、 ８０ 制御電源生成回路。

Claims (8)

1. 機械式リレーを有し、前記機械式リレーの状態の切り替えによって電動機の固定子巻線の結線状態を第１の結線状態及び第２の結線状態のいずれかに切り替える結線切替部と、
   前記機械式リレーを介して前記固定子巻線に電力を供給するインバータと、
   前記固定子巻線に流れる巻線電流に対応する値を検出する電流検出部と、
   前記結線切替部及び前記インバータを制御する制御装置と、
   を有し、
   前記制御装置は、
   前記電動機の回転動作期間中に前記結線状態を切り替える場合、前記結線状態を前記第１の結線状態から前記第２の結線状態へ切り替えることを指令する第１の信号及び前記結線状態を前記第２の結線状態から前記第１の結線状態へ切り替えることを指令する第２の信号のいずれかを前記結線切替部に出力し、
   前記巻線電流に対応する値の過電流閾値を第１の値及び前記第１の値より高い第２の値のいずれかに設定し、前記巻線電流に対応する値が前記過電流閾値を超えたときに予め決められた過電流保護動作を行い、及び
   前記結線状態を前記第１の結線状態から前記第２の結線状態へ切り替え且つ前記過電流閾値を前記第１の値から前記第２の値へ切り替える場合、少なくとも前記第１の信号を前記結線切替部に出力した時点から前記機械式リレーの状態の切り替えが完了して前記結線状態が前記第２の結線状態に切り替わる時点までの第１の遅延時間の間は、前記過電流閾値を前記第１の値に維持する
   電動機駆動装置。
2. 前記制御装置は、前記結線状態を前記第１の結線状態から前記第２の結線状態へ切り替え且つ前記過電流閾値を前記第１の値から前記第２の値へ切り替える場合、前記第１の遅延時間の経過後に前記過電流閾値を前記第１の値から前記第２の値に切り替える
   請求項１に記載の電動機駆動装置。
3. 前記制御装置は、前記結線状態を前記第２の結線状態から前記第１の結線状態へ切り替え且つ前記過電流閾値を前記第２の値から前記第１の値へ切り替える場合、少なくとも前記第２の信号を前記結線切替部に出力した時点から前記機械式リレーの状態の切り替えが完了して前記結線状態が前記第１の結線状態に切り替わる時点までの第２の遅延時間の間は、前記過電流閾値を前記第１の値に設定する
   請求項１又は２に記載の電動機駆動装置。
4. 前記制御装置は、前記結線状態を前記第２の結線状態から前記第１の結線状態へ切り替え且つ前記過電流閾値を前記第２の値から前記第１の値へ切り替える場合、前記第２の遅延時間の前に前記過電流閾値を前記第２の値から前記第１の値に切り替える
   請求項３に記載の電動機駆動装置。
5. 前記結線状態の切り替えは、前記インバータの出力電流がゼロになるように前記制御装置によって前記インバータが制御されている期間に行われる
   請求項１から４のいずれか１項に記載の電動機駆動装置。
6. 前記第１の結線状態は、Ｙ結線状態であり、
   前記第２の結線状態は、Δ結線状態である、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の電動機駆動装置。
7. 前記第１の結線状態と前記第２の結線状態は、互いに前記巻線の巻数が異なる結線状態であり、
   前記第１の結線状態における巻数は、前記第２の結線状態における巻数より多い
   請求項１から５のいずれか１項に記載の電動機駆動装置。
8. 前記電動機を駆動する、請求項１から７のいずれか１項に記載の電動機駆動装置と、
   前記電動機と、
   を備えた空気調和機。

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