JPWO2019026282A1 - 電動機駆動装置および空気調和機 - Google Patents

Abstract

本発明にかかる電動機駆動装置（１００）は、電動機（７０）に電力を印加するインバータ（５０）と、各々が第１の状態と第２の状態とで状態を切替えることにより、前記電動機の結線状態を切替える複数のリレー（６１，６２，６３）と、を備え、複数のリレー（６１，６２，６３）のうち少なくとも１つが第１の状態から第２の状態に切替わるタイミングは、他の複数のリレー（６１，６２，６３）が第１の状態から第２の状態に切替わるタイミングと異なる。

Description

本発明は、電動機を駆動する電動機駆動装置およびこの電動機駆動装置を備える空気調和機に関する。

空気調和機は圧縮機用の電動機の回転数すなわち回転速度に応じて冷房および暖房能力を調整している。家庭用の空気調和機の省エネの指標としては、近年ＡＰＦ（Ａｎｎｕａｌ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｆａｃｔｏｒ）が用いられる。ＡＰＦは、冷房中間、暖房中間、冷房定格、暖房定格、暖房低温の５条件において算出される。冷房中間および暖房中間は、電動機が、低速回転を行う低負荷領域であり、冷房定格、暖房定格、および暖房低温は、電動機が高速回転を行う高負荷領域である。低速回転は、定められた値より回転速度が遅い回転を示し、高速回転は定められた値より回転速度が速い回転を示す。低速回転時および高速回転時の両方で省エネの指標が算出されることから、電動機としては幅広い回転数領域で高効率化できることが望ましい。

圧縮機用の電動機としては、高効率化のために回転子に永久磁石を用いたブラシレスＤＣ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）モータが広く用いられている。ブラシレスＤＣモータのような電動機を用いた場合、低速回転において高効率化を実現する方法としては、電動機の固定子巻線の巻数を多くすることで巻線抵抗を上げ、これによって少ない電流で運転することでインバータ損失を低減する方法が考えられる。

一方、高速回転において高効率化を実現する方法としては、電動機へ印加する電圧を低下させるために、電動機の固定子巻線の巻数を少なくすることにより巻線抵抗を低下させる方法が考えられる。これにより、電動機へ印加される電圧が、電動機を制御するインバータの出力可能な電圧の上限値に到達しにくくなる。

上述のように、高効率化を実現するために適切となる固定子巻線の巻数は、低速回転時と高速回転時とでは異なっている。このため、回転速度に応じて、固定子巻線をスター結線とデルタ結線とで切替える結線切替方式が広く採用されている。

上述の結線切替方式では、スター結線からデルタ結線に切替える際に、切替えの前後で電圧差が生じるため突入電流が生じる。特に、電動機の始動時に電動機をスター結線とし、その後デルタ結線に切替える場合、スター結線からデルタ結線に切替える時の突入電流は、直接デルタ結線で始動した場合の電流に比べて、多くなる場合がある。この突入電流の増加は、電気的なトラブルの要因となる可能性がある。さらに、この増加した突入電流が流れることで、スター結線からデルタ結線に切替えた場合の機械的衝撃は、直接デルタ結線で始動した場合に比べ大きくなり、機械的な破損といった機械的なトラブルの要因となる可能性がある。

特許文献１には、スター結線からデルタ結線への切替え時の電圧差を抑制する技術が開示されている。特許文献１に記載の誘導電動機制御装置は、三相コイルをスター結線にするための第１スイッチと、三相コイルをデルタ結線にするための第２スイッチと、電源電圧を昇圧する回路とを備える。そして、特許文献１に記載の誘導電動機制御装置は、スター結線された三相コイルに昇圧電圧が印加された際の三相コイルの電圧が、スター結線された三相コイルに電源電圧が印加された際の三相コイルの電圧より高く、かつデルタ結線された三相コイルに電源電圧が印加された際の三相コイルの電圧より低くなるよう、電源電圧を昇圧することで、スター結線からデルタ結線に切替える際の電圧差を抑制している。

特開２０１０−１９３７０２号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、２つのスイッチにより三相コイルをスター結線からデルタ結線に切替えるため、例えば電磁接触機の一種であるリレーを用いて三相同時に切り替えた場合、過大な電流が、電動機を駆動する電動機駆動装置内に流れる可能性がある。このため、例えば、電動機駆動装置における制御回路へ電力を供給する電源の出力電圧に変動が生じ、制御回路へ供給される電圧が一時的に低下し、制御回路においてリセットが発生する可能性がある。制御回路がリセットされると、電動機駆動装置内における制御が正常に行われず、機器の故障等を招く可能性がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電動機の結線状態の切替時に生じる電流の変動を抑制することができる電動機駆動装置を得ることを特徴とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる電動機駆動装置は、電動機に電力を印加するインバータと、各々が第１の状態と第２の状態とで状態を切替えることにより、電動機の結線状態を切替える複数の切替器と、を備える。複数の切替器のうち少なくとも１つが第１の状態から第２の状態に切替わるタイミングは、他の複数の切替器が第１の状態から第２の状態に切替わるタイミングと異なる。

本発明にかかる電動機駆動装置は、電動機の結線状態の切替時に生じる電流の変動を抑制することができるという効果を奏する。

実施の形態１にかかる電動機駆動装置の構成例を示す図 実施の形態１の電動機の固定子の結線状態がデルタ結線となる場合の電動機駆動装置および電動機の接続例を示す図 実施の形態１にかかる電動機のスター結線の巻線状態を表す結線図 実施の形態１にかかる電動機のデルタ結線の巻線状態を表す結線図 実施の形態１の多出力の電源回路の構成例を示す図 実施の形態１の制御部が切替部を制御する際のタイミングチャートの一例を示す図 実施の形態１の切替部を構成するリレーの切替えタイミングの一例を示す図 実施の形態１の切替部を構成するリレーの切替えタイミングの別の一例を示す図 実施の形態１の、プロセッサを備える処理回路の構成例を示す図 実施の形態２の切替部を構成するリレーの切替えタイミングの一例を示す図 実施の形態２の切替部を構成するリレーの切替えタイミングの別の一例を示す図 実施の形態３の空気調和機の構成例を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかる電動機駆動装置および空気調和機を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる電動機駆動装置の構成例を示す図である。本実施の形態の電動機駆動装置１００は、交流電源１０に接続され、電動機７０を駆動する。電動機駆動装置１００は、リアクトル２０と、整流部３０と、コンデンサ４０と、インバータ５０と、切替部６０と、検出部８０と、制御部９０とを備える。

電動機７０は、三相電動機であり、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相にそれぞれ対応する固定子巻線７１、固定子巻線７２および固定子巻線７３を備える。固定子巻線７１の両端には、それぞれ端子Ｕ１および端子Ｕ２が設けられ、固定子巻線７２の両端には、それぞれ端子Ｖ１および端子Ｖ２が設けられ、固定子巻線７３の両端には、それぞれ端子Ｗ１および端子Ｗ２が設けられる。電動機７０は、図１に示すように、固定子巻線７１，７２，７３間の接続状態を切替えることにより、固定子の巻線の結線状態をスター結線とデルタ結線とで切替え可能なように構成される。

整流部３０は、ダイオード等の整流素子３１〜３４を備える。整流部３０は、リアクトル２０を介して、交流電源１０から供給される交流電力を、直流電力に変換する。コンデンサ４０は整流部３０に並列に接続され、整流部３０から出力される直流電力を平滑化する。

インバータ５０は、コンデンサ４０に並列に接続され、コンデンサ４０により平滑化された直流電力を、制御部９０から出力されるインバータ駆動信号にしたがって電動機７０へ印加するための所望の電圧の電力に変換し、該電力を電動機７０へ印加する。インバータ５０は、複数のスイッチング素子であるスイッチング素子５１〜５６を備える。スイッチング素子５１とスイッチング素子５４は直列に接続され、スイッチング素子５２とスイッチング素子５５は直列に接続され、スイッチング素子５３とスイッチング素子５６は直列に接続される。以下、スイッチング素子５１とスイッチング素子５４で構成されるスイッチング素子対をＵ相アームと呼び、スイッチング素子５２とスイッチング素子５５で構成されるスイッチング素子対をＶ相アームと呼び、スイッチング素子５３とスイッチング素子５６で構成されるスイッチング素子対をＷ相アームと呼ぶ。

検出部８０は、電圧検出部８１および電流検出部８２を有する。電圧検出部８１は、コンデンサ４０の両端電圧を検出し、検出した電圧値を制御部９０へ出力する。電流検出部８２は、インバータ５０に流れる電流を検出し、検出した電流値を制御部９０へ出力する。

制御部９０は、電圧検出部８１によって検出された電圧値、および電流検出部８２によって検出された電流値を用いて、インバータ５０のスイッチング素子５１〜５６をＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御によって制御するためのインバータ駆動信号を生成し、インバータ駆動信号をインバータ５０へ出力する。インバータ駆動信号は、一般には、スイッチング素子５１〜５６をオンまたはオフとするための信号である。制御部９０におけるＰＷＭ制御については一般的な電動機駆動装置におけるＰＷＭ制御方法を用いることができるため、詳細な説明は省略する。また、制御部９０は、切替部６０を制御するための切替信号を生成し、切替信号を切替部６０へ出力する。制御部９０における切替部６０の制御方法の詳細については後述する。

切替部６０は、複数の切替器の一例であるリレー６１，６２，６３を備える。以下では、切替器としてｃ接点リレーであるリレー６１，６２，６３が用いられる例を示しているが切替器はこの例に限定されず、リレー６１，６２，６３と同様に、固定子巻線７１，７２，７３間の接続状態を切替えることが可能であればよい。すなわち、リレー６１，６２，６３は、複数の切替器の一例であり、複数の切替器は、各々が第１の状態と第２の状態とで状態を切替えることにより、電動機７０の結線状態を切替えることが可能であればよい。

電動機７０の端子Ｕ１は、Ｕ相アームの中点に接続されるとともに、リレー６３に接続される。端子Ｕ２は、リレー６１に接続される。端子Ｖ１は、Ｖ相アームの中点に接続されるとともに、リレー６１に接続される。端子Ｖ２は、リレー６２に接続される。端子Ｗ１は、Ｗ相アームの中点に接続されるとともに、リレー６２に接続される。端子Ｗ２は、リレー６３に接続される。

リレー６１，６２，６３は、制御部９０から出力される切替信号にしたがって、接点状態がオフ状態またはオン状態となる。すなわち、制御部９０は、複数の切替器であるリレー６１，６２，６３の切替えを制御する。オフ状態は、リレー６１，６２，６３の接点が非導通の状態であり、オン状態は、リレー６１，６２，６３の接点が導通の状態である。図１は、リレー６１，６２，６３が全てオフ状態である例を示している。切替信号は、例えば、ハイレベルとローレベルとのいずれかの値をとる２値信号であり、ローレベルはオフ状態となることを示し、ハイレベルはオン状態となることを示す。切替信号の値とリレー６１，６２，６３の接点状態との対応はこの例に限定されない。

リレー６１は、電動機７０の端子Ｕ２、Ｖ相アームの中点、リレー６２およびリレー６３と接続される。リレー６１がオフ状態のとき、端子Ｕ２はリレー６２およびリレー６３と接続される。リレー６１がオン状態のとき、端子Ｕ２はＶ相アームの中点と接続される。リレー６２は、電動機７０の端子Ｖ２、Ｗ相アームの中点、リレー６１およびリレー６３と接続される。リレー６２がオフ状態のとき、端子Ｖ２はリレー６１およびリレー６３と接続される。リレー６２がオン状態のとき、端子Ｖ２はＷ相アームの中点と接続される。リレー６３は、電動機７０の端子Ｗ２、Ｕ相アームの中点、リレー６１およびリレー６２と接続される。リレー６３がオフ状態のとき、端子Ｗ２はリレー６１およびリレー６２と接続される。リレー６３がオン状態のとき、端子Ｗ２はＵ相アームの中点と接続される。

以上の構成により、リレー６１，６２，６３が全てオフ状態のとき、端子Ｕ２、端子Ｖ２および端子Ｗ２が接続され、電動機７０の固定子の結線状態は、スター結線となる。

図２は、電動機７０の固定子の結線状態がデルタ結線となる場合の電動機駆動装置１００および電動機７０の接続例を示す図である。図２に示した状態では、リレー６１，６２，６３は全てオン状態であり、このとき、端子Ｕ２はＶ相アームの中点に接続され、端子Ｖ２はＷ相アームの中点に接続され、端子Ｗ２はＵ相アームの中点に接続され、電動機７０の固定子の結線状態は、デルタ結線となる。また、リレー６１，６２，６３のオン状態およびオフ状態と結線状態との対応は上述した例に限定されず、リレー６１，６２，６３がオン状態のときにスター結線となり、リレー６１，６２，６３がオフ状態のときにデルタ結線となる構成でもよい。また、以上述べたスター結線とデルタ結線は、固定子の巻線の複数の結線状態の一例であり、本発明は、上述した例に限定されず、複数の結線状態を切替える場合に適用可能である。

つぎに、電動機７０の結線状態をスター結線とデルタ結線とで切替えることの効果について説明する。図３は、実施の形態１にかかる電動機７０のスター結線の巻線状態を表す結線図である。図４は、実施の形態１にかかる電動機７０のデルタ結線の巻線状態を表す結線図である。図３および図４では、スター結線をＹ結線と記載し、デルタ結線をΔ結線と記載している。

本実施の形態の制御部９０は、回転数に応じて、切替部６０を制御する。具体的には、例えば、制御部９０は、回転数が定められた値以下である場合に電動機７０の結線状態がスター結線となり、回転数が定められた値を超える場合に電動機７０の結線状態がデルタ結線となるように、切替信号を生成する。なお、回転数は、電動機駆動装置１００に外部から入力される運転指令等によって指示されてもよいし、電動機駆動装置１００の制御部９０が決定してもよい。ここでは、制御部９０は、回転数に応じて結線状態を切替えるようにしたが、他の情報に基づいて結線状態を切替えるようにしてもよい。また、制御部９０は、回転数と他の情報との両方を用いて結線状態を切替えるようにしてもよい。

スター結線の状態における電動機７０の線間電圧をＶＹ、スター結線の状態において電動機７０に流れる電流をＩＹと定義し、デルタ結線の状態における電動機７０の線間電圧をＶΔ、デルタ結線の状態において電動機７０に流れる電流をＩΔと定義すると、ＶＹ＝√３×ＶΔ、√３×ＩＹ＝ＩΔの関係式が成り立つ。これはスター結線に対してデルタ結線は、電流は√３倍大きくなるが、駆動に必要な電圧を１／√３倍低くすることが可能であることを示す。

上記の関係から、低回転数領域ではスター結線にすることで、デルタ結線に比べて１／√３倍の電流で運転することができ、インバータ５０の損失を低減することが可能となる。一方で高回転数領域では固定子巻線の巻数が少ないデルタ結線にすることで、スター結線に比べて１／√３倍の誘起電圧で駆動することが可能となる。また、弱め磁束制御で永久磁石の磁力を下げることにより高回転数領域において誘起電圧を低減する方法も考えられるが、弱め磁束制御を行うとより多くの電流を流す必要があり効率が悪化する。これに対して、高回転数領域でデルタ結線とする方法を用いることで、弱め磁束制御を用いることによる効率の悪化をまねくこともない。低回転数領域ではスター結線とし高回転数領域ではデルタ結線とすることで、全回転数領域で高効率化を図ることが可能となる。

一方、例えば切替部６０を構成する複数のリレー６１，６２，６３に、安価なリレーを用いた場合、全て同時にオン状態またはオフ状態に切替えると、電動機駆動装置１００内に過電流が発生する。一般には、電動機駆動装置１００の制御部９０および切替部６０には、図１では図示を省略している電源回路から電力が供給される。この場合、リレー６１，６２，６３を全て同時にオン状態またはオフ状態に切替えることによって過電流が生じると、電源回路のレギュレーションが不安定になる、すなわち電源回路の出力電圧に変動が生じる可能性がある。特に、多出力の電源回路が用いられる場合、一部の電源ラインで過電流が発生した場合に、トランスの巻線を介して他の電源ラインにおいて電源回路からの出力電圧に変動が生じる可能性がある。したがって、例えば、制御部９０および切替部６０が多出力の電源回路の別の電源ラインから電源が供給される場合、切替部６０に生じた過電流が他の電源ラインである制御部９０へ電力を供給する電源ラインの出力電圧の変動を生じさせる可能性がある。家庭用の電源回路では、多出力の電源回路が用いられることが多く、電動機７０および電動機駆動装置１００が家庭用の空気調和機に搭載される場合、リレー６１，６２，６３を全て同時にオン状態またはオフ状態に切替えることによって生じる過電流により、制御部９０に供給される電圧に変動が生じる可能性がある。

図５は、多出力の電源回路の構成例を示す図である。図５に示した電源回路２００は、整流回路１１０、トランス１２０、スイッチング制御回路１３０、スイッチング素子Ｑ、抵抗Ｒ、巻線Ｂ、ｎ（ｎは２以上の整数）個のダイオードＤ１，Ｄ２，…，Ｄｎおよびｎ個のコンデンサＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎを備える。トランス１２０は、一次側巻線Ｐ１，Ｐ２と、ｎ個の二次側巻線Ｓ１，Ｓ２，…，Ｓｎとを備える。整流回路１１０は、交流電源１０から供給される交流電力を直流電力に変換し、直流電力をトランス１２０に供給する。トランス１２０は、それぞれ一次側巻線Ｐ１，Ｐ２と二次側巻線Ｓ１，Ｓ２，…，Ｓｎとの巻線比に応じた二次側電圧Ｖ１，Ｖ２，…，Ｖｎを生成し、一次側巻線Ｐ１，Ｐ２から二次側巻線Ｓ１，Ｓ２，…，Ｓｎへ出力する。ダイオードＤ１，Ｄ２，…，Ｄｎは二次側電圧Ｖ１，Ｖ２，…，Ｖｎをそれぞれ整流し、コンデンサＣ１，Ｃ２，…，Ｃｎは二次側電圧Ｖ１，Ｖ２，…，Ｖｎをそれぞれ平滑化する。電源回路２００からは、整流され平滑化された二次側電圧Ｖ１，Ｖ２，…，Ｖｎがそれぞれ異なる電源ラインによって出力される。

電源回路２００から出力される二次側電圧Ｖ１，Ｖ２，…，Ｖｎの電源ラインのうちの一部は、フィードバック回路１４０に接続され、フィードバック回路１４０を介してスイッチング制御回路１３０にフィードバック信号を送る。スイッチング制御回路１３０は、フィードバック信号を用いて、スイッチング素子Ｑのオン状態とオフ状態の時間の比を調整し、抵抗Ｒおよび巻線Ｂに流れる一次側電流を制御することにより、フィードバック回路１４０に接続される電源ラインの二次側電圧を制御することが可能である。

フィードバック回路１４０を接続している電源ラインの二次側電圧はスイッチング制御回路１３０によって制御可能であるが、フィードバック回路１４０に接続されていない電源ラインの二次側電圧の変動については制御できない。このため、例えばフィードバック回路１４０に接続されていない電源ラインから切替部６０に電力が供給される場合、切替部６０のリレー６１，６２，６３を全て同時にオン状態にすると過電流が発生する。この過電流により、同一の巻線を用いて生成される電圧、他の電源ラインの二次側電圧に電圧降下が発生する可能性がある。制御部９０に、電源回路２００の他の電源ラインから電力が供給されている場合、上述した過電流により、制御部９０の電源が不安定になることで制御部９０にリセットが発生し、それに伴う誤動作によって機器の故障等が生じる可能性がある。

なお、ここでは、トランスを用いた多出力の電源回路を一例として説明しているが、トランスではなくスイッチングレギュレータを用いた降圧型または昇圧型の電源回路においても過電流が発生した場合は同様にレギュレーションが不安定になる可能性がある。

また、リレー６１，６２，６３を全て同時にオフ状態またはオン状態に切替える場合、過電流および過電圧が発生する可能性があるため、これらの電流および電圧に合わせて電動機駆動装置１００を構成する各部品の部品定格を上げる必要が生じる可能性がある。また、急峻な電流および電圧の変化はノイズ要因になりえるため、図１に示した切替部６０および切替部６０に接続される部品と、図５に示した電源回路２００とにノイズ対策素子またはノイズ対策回路を追加する必要が生じる可能性がある。いずれの場合も回路規模の拡大、部品の大型化、コスト増加というデメリットが生じる可能性がある。

そこで、本実施の形態では、制御部９０が、複数の切替器であるリレー６１，６２，６３の切替えのタイミングを個別に制御することで、リレー６１，６２，６３の切替えタイミングをシフトさせ、電源回路２００のレギュレーションへの影響を抑制するとともに部品の定格の上昇、回路規模の増大およびコスト増加を抑制する。

図６は、本実施の形態の制御部９０が切替部６０を制御する際のタイミングチャートの一例を示す図である。図６の１段目には、制御部９０から出力される信号である切替信号を示し、２段目には切替部６０を構成するリレーの接点状態を示し、３段目には電動機７０の固定子巻線を流れる電流であるコイル電流を示す。後述するように、切替部６０を構成する各リレー６１，６２，６３のうち少なくとも１つはオフ状態からオン状態へ切替わる際の切替えのタイミングがシフトさせられる。図６の２段目に接点状態が示されたリレーは、切替部６０を構成するリレー６１，６２，６３のうちの最初に切替えられるリレーである。各リレー６１，６２，６３の切替えタイミングの詳細については後述する。

制御部９０は、巻線状態の切替えの条件が満たされると、電動機７０の結線状態を変更すると判断し、切替信号によって切替部６０を制御する。巻線状態の切替えの条件は、上述したように例えば回転数に応じて定められるが、巻線状態の切替えの条件はこの例に限定されない。図６に示した例では、切替信号がローレベルのときに、切替部６０の各リレーがオフ状態すなわち非導通であることを示し、切替信号がハイレベルのときに、切替部６０の各リレーがオン状態すなわち導通であることを示す。本実施の形態では、切替信号は、切替部６０のリレーごとに生成される。

図６の１段目および２段目に示すように、切替信号がローレベルからハイレベルに変化すると、遅延時間Ｔ０の後に、切替部６０のリレーの接点状態は、非導通状態から導通状態に変化する。また、図６の３段目に示すように、切替信号がローレベルからハイレベルに変化してから遅延時間Ｔ０が経過すると、コイル電流は増加し始め、増加し始めてから時間Ｔ１が経過するとコイル電流が最大となり、その後コイル電流が減少しはじめる。コイル電流が最大となってから時間Ｔ２が経過すると、コイル電流が一定の範囲に収まるようになりコイル電流が安定する。

その後、図６の１段目および２段目に示すように、切替信号がハイレベルからローレベルに変化すると、遅延時間Ｔ３の後に、切替部６０のリレーの接点状態は、導通状態から非導通状態に変化する。図６において横軸は時間を示す。また、図６の３段目に示すように、切替信号がハイレベルからローレベルに変化してから遅延時間Ｔ３が経過すると、コイル電流は減少し始め、減少し始めてから時間Ｔ４が経過するとコイル電流が最小となり、その後コイル電流が増加しはじめる。コイル電流が最小となってから時間Ｔ５が経過すると、コイル電流が一定の範囲に収まるようになりコイル電流が安定する。

したがって、制御部９０が切替信号によりオフ状態からオン状態への切替えを指示したタイミング、すなわち切替信号がローレベルからハイレベルになったタイミングから、リレーがオン状態となり、コイル電流が安定するまでの時間であるＴ_ｏｎは、Ｔ０、Ｔ１およびＴ２を加算した値となる。また、制御部９０が切替信号によりオン状態からオフ状態への切替えを指示したタイミング、すなわち切替信号がハイレベルからローレベルになったタイミングから、リレーがオフ状態となり、コイル電流が安定するまでの時間であるＴｏｆｆは、Ｔ３、Ｔ４およびＴ５を加算した値となる。

制御部９０と切替部６０との間、または制御部９０および切替部６０の前段または後段に、ノイズフィルタ等の素子または遅延回路を追加してもよい。信号伝達に遅延時間が生じる素子または回路、内部制御回路等を追加した場合には、対応する遅延時間が、Ｔ_ｏｎおよびＴ_ｏｆｆのうちの少なくとも１つに加算されることは言うまでもない。

図７は、本実施の形態の切替部６０を構成するリレー６１，６２，６３の切替えタイミングの一例を示す図である。図７において、横軸は時間を示す。図７に示した例では、制御部９０はリレー６１、リレー６２、リレー６３の順に、それぞれをオフ状態からオン状態に変化させるように切替信号を生成する。図７に示した電流２１１は、切替部６０から電源回路２００へ流れる電流である電源電流を示す。電流２１１は、リレー６１がオンとなるタイミング、リレー６２がオンとなるタイミング、リレー６３がオンとなるタイミングでそれぞれいったん上昇した後に減少している。一方、破線で示した、比較例２１０は、リレー６１，６２，６３を全て同時にオフ状態からオン状態に切り替えた例を示している。リレー６１，６２，６３を全て同時にオフ状態からオン状態に切り替えると、比較例２１０のように急激に電流が増加するが、リレー６１、リレー６２、リレー６３の切替えタイミングをシフトさせることにより、電流２１１に示すように、電源電流の急激な増加を抑制する効果を得ることができる。なお、リレー６１，６２，６３を切替える順序は図７に示した例に限定されず、リレー６３、リレー６２、リレー６１の順等他の順序であってもよい。

図８は、本実施の形態の切替部６０を構成するリレー６１，６２，６３の切替えタイミングの別の一例を示す図である。図８に示した電流２１２は、リレー６１，６２，６３のリレーのうち、リレー６１およびリレー６２の２つのリレーを同時にオフ状態からオン状態へ切り替え、リレー６３の切替えタイミングをリレー６１およびリレー６２の切替えタイミングとシフトさせた場合の電源電流を示している。このように、３つのリレーのうちの１つの切替えタイミングをシフトさせた場合でも、図７に示した例と同様に、電流２１２の急激な増加を抑制する効果を得ることができる。

以上のように、複数の切替器のうち少なくとも１つが第１の状態から第２の状態に切替わるタイミングは、他の複数の切替器が第１の状態から第２の状態に切替わるタイミングと異なる。本実施の形態では、複数の切替器はリレー６１，６２，６３であり、第１の状態は、非通電状態であり、第２の状態は通電状態である。図７に示した例では、複数の切替器が第１の状態から第２の状態に切替わるタイミングは、互いに重複しない。図８にした例では、複数の切替器のうち２つは第１の状態から第２の状態に切替わるタイミングが同一である。

図７および図８に例示したように、切替えタイミングをずらした切替信号を生成するために、遅延回路を用いてもよい。例えば、図７に示した動作を行う場合、制御部９０が、リレー６１に対応する切替信号を生成し、生成した切替信号をリレー６１へ出力するとともに遅延回路に出力する。遅延回路は、ローレベルからハイレベルになるタイミングを遅延させ、遅延させた切替信号をリレー６２に出力する。また、遅延させた切替信号を再度遅延回路に入力して、遅延させた切替信号をリレー６３へ出力する。すなわち、電動機駆動装置１００が、遅延回路を備え、リレー６１，６２，６３は、それぞれに対応する複数の切替信号を用いて制御され、制御部９０は、複数の切替信号のうちの１つの切替信号を生成し、他の複数の切替信号は、１つの切替信号に遅延回路により遅延が付加されることによって生成されてもよい。

なお、整流素子３１〜３４としては、ダイオード等を用いることが一般的であるが、例えばＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等を用いて、交流電源１０の極性に合わせてオン状態とすることで整流を行うように構成しても良い。

また、スイッチング素子５１〜５６は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴと並列に接続された環流ダイオードとの組み合わせ、等を用いることができるが、スイッチングを行うことが可能であれば、これらに限定されずどのようなものを用いても何ら問題ない。また、ＭＯＳＦＥＴを用いる場合は、構造上寄生ダイオードを有するため敢えて環流ダイオードを並列に接続しなくても同様の効果を得ることができる。

整流素子３１〜３４およびスイッチング素子５１〜５６のうち少なくとも１つを構成する材料については、ケイ素（Ｓｉ）を用いることができる。整流素子３１〜３４およびスイッチング素子５１〜５６のうち少なくとも１つは、ワイドバンドギャップ半導体で形成されてもよい。整流素子３１〜３４およびスイッチング素子５１〜５６のうち少なくとも１つが、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）、ダイヤモンド等を用いたもので構成することにより、より損失を低減することが可能となる。

また、切替部６０は、上述したように、電動機７０の巻線状態を切替えられればどのような方式を用いても良く、例えば、ａ接点およびｂ接点のリレーを組合わせて、図１に示したリレー６１，６２，６３と同等の動作が実現できるように構成してもよい。また、リレーに限定されず、コンタクタ等の電磁接触器、半導体等で形成されたスイッチング素子等で切替部６０を構成しても良く、電動機７０の巻線を切替え可能なものであればどんなものを用いても何ら問題ない。スイッチング素子を用いる場合、例えば、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子で１つの切替器を構成し、第１のスイッチング素子がオン状態で第２のスイッチング素子がオフ状態である第１の状態と、第２のスイッチング素子がオン状態で第１のスイッチング素子がオフ状態である第２の状態とを切替えることで、固定子巻線７１，７２，７３の結線状態を切替えるように構成する。ただし、半導体を用いて切替部６０を構成した場合には、オン状態とした場合に、導通損失が発生する。このため、機械式のリレー等を用いると、導通損失を低減することができ、半導体を用いた場合に比べより効率の良い電動機駆動装置１００を得ることが可能となる。

電圧検出部８１および電流検出部８２は、図１に示す位置だけでなく、制御部９０が動作するために必要な情報を検出可能な位置であれば、どの位置に設けても良いことは言うまでもない。例えば電圧検出部８１については、コンデンサ４０と並列に設けた抵抗により分圧し、分圧された電圧を検出するようにすることで、マイコン（マイクロコンピュータ）等で検出可能な例えば５Ｖ以下の電圧に変換して検出するようにしても良い。また電流検出部８２については、図１に示した位置の替わりに、インバータ５０と電動機７０との間に電流を検出するセンサを取り付けることにより実現されてもよい。

また、制御部９０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、マイコン等の離散システムで構成可能であるが、その他にもアナログ回路、デジタル回路等の電気回路素子等で構成してもよい。すなわち、制御部９０は処理回路に実現され、処理回路は専用ハードウェアであっても、ＣＰＵ等のプロセッサを備える処理回路であってもよい。

図９は、プロセッサを備える処理回路の構成例を示す図である。図９は、制御部９０を実現する処理回路がプロセッサを備える処理回路である場合の該処理回路の構成例を示している。図９に示した処理回路３００は、ＣＰＵ等であるプロセッサ３０１およびメモリ３０２を備える。メモリ３０２は、例えば、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリ等が該当する。

制御部９０が図９に示した処理回路３００により実現される場合、制御部９０を実現する機能が実現されるためのプログラムが、プロセッサ３０１により実行されることにより制御部９０の機能が実現される。メモリ３０２は、プロセッサ３０１によりプログラムが実行される際の記憶領域としても用いられる。また、制御部９０は、一部が専用のハードウェアである処理回路により実現され、残部が上述した図９に示した処理回路３００により実現されてもよい。

本実施の形態を空気調和機に適用した場合、使用頻度の高い低回転数領域における運転をスター結線で行い、高回転数領域における運転をデルタ結線で行うことになる。上述したように、本実施の形態では、電動機７０の結線状態を切替えるためにリレー６１，６２，６３の接点状態をオン状態からオフ状態へ切替える際に、切替部６０を構成する複数の切替器であるリレー６１，６２，６３の切替えタイミングを個別に制御し、複数の切替器のうち少なくも１つの切替えタイミングを他の切替器の切替えタイミングと異ならせることで、電動機７０の結線状態の切替時に生じる電流の変動を抑制することができる。これにより、電源回路２００のレギュレーションを安定させることが可能となり、信頼性の高い電動機駆動装置１００を得ることが可能となる。

実施の形態２．
次に、本発明にかかる実施の形態２の電動機駆動装置１００の動作について説明する。本実施の形態の電動機駆動装置１００および電動機７０の構成は、実施の形態１と同様である。以下、実施の形態１と異なる点を説明し、実施の形態１と重複する説明は省略する。

実施の形態１においては、切替部６０を構成する複数の切替器であるリレー６１，６２，６３をオフ状態からオン状態にする切替えタイミングを、リレー６１，６２，６３のうち少なくとも１つの切替えタイミングを他と異ならせることで、電流の変動を抑制する例を説明した。

図１０は、本実施の形態の切替部６０を構成するリレー６１，６２，６３の切替えタイミングの一例を示す図である。図１０において、横軸は時間を示す。図１０に示した例では、制御部９０はリレー６１、リレー６２、リレー６３の順に、それぞれをオン状態からオフ状態に変化させるように切替信号を生成する。図１０に示した電流２２１は、切替部６０から電源回路へ流れる電流である電源電流を示す。電流２２１は、リレー６１がオフ状態となるタイミング、リレー６２がオフ状態となるタイミング、リレー６３がオフ状態となるタイミングでそれぞれいったん低下した後に増加している。

一方、破線で示した、比較例２２０は、リレー６１，６２，６３を全て同時にオン状態からオフ状態に切り替えた場合の電源電流を示している。リレー６１，６２，６３を全て同時にオン状態からオフ状態に切り替えると、比較例２２０のように急激に電流が変化し、これにより電源回路のトランスを介して他の２次側電源ラインにおいてレギュレーションが不安定になる可能性がある。リレー６１、リレー６２、リレー６３の切替えタイミングをシフトさせることにより、電流２２１に示すように、電源電流の急激な変化を抑制することができる。なお、リレー６１，６２，６３を切替える順序は図１０に示した例に限定されず、リレー６３、リレー６２、リレー６１の順等他の順序であってもよい。

図１１は、本実施の形態の切替部６０を構成するリレー６１，６２，６３の切替えタイミングの別の一例を示す図である。図１１に示した電流２２２は、リレー６１，６２，６３のリレーのうち、リレー６１およびリレー６２の２つのリレーを同時にオン状態からオフ状態へ切り替え、リレー６３の切替えタイミングをリレー６１およびリレー６２の切替えタイミングとシフトさせた場合の電源電流を示している。このように、３つのリレーのうちの１つの切替えタイミングをシフトさせた場合でも、図１０に示した例と同様に、電流２２２に示すように、電源電流の急激な変動を抑制する効果を得ることができる。

本実施の形態では、電動機７０の結線状態を切替えるためにリレー６１，６２，６３の接点状態をオフ状態からオン状態へ切替える際に、切替部６０を構成する複数の切替器であるリレー６１，６２，６３の切替えタイミングを個別制御し、複数の切替器のうち少なくも１つの切替えタイミングを他の切替器の切替えタイミングと異ならせることで、電動機７０の結線状態の切替時に生じる電流の変動を抑制することができる。これにより、電源回路のレギュレーションを安定させることが可能となり、信頼性の高い電動機駆動装置１００を得ることが可能となる。

なお、実施の形態１で述べたオフ状態からオン状態へ切替える際の切替えタイミングのシフト、および実施の形態２で述べたオン状態からオフ状態へ切替える際の切替えタイミングのシフトのうち一方を実施することで、電動機７０の結線状態の切替時に生じる電流の変動を抑制することができるが、両方を実施してもよい。

すなわち、複数の切替器がリレーであり、実施の形態１で述べたように、複数の切替器のうち少なくとも１つが第１の状態から第２の状態に切替わるタイミングは、他の複数の切替器が第１の状態から第２の状態に切替わるタイミングと異なり、第１の状態は非通電状態であり、第２の状態は通電状態であるときに、複数の切替器のうち少なくとも１つが第２の状態から第１の状態に切替わるタイミングは、他の複数の切替器が第２の状態から第１の状態に切替わるタイミングと異なってもよい。

または、複数の切替器がリレーであり、実施の形態１で述べたように、複数の切替器のうち少なくとも１つが第１の状態から第２の状態に切替わるタイミングは、他の複数の切替器が第１の状態から第２の状態に切替わるタイミングと異なり、第１の状態が通電状態であり、第２の状態が非通電状態であってもよい。

実施の形態３．
図１２は、本発明の実施の形態３の空気調和機の構成例を示す図である。本実施の形態の空気調和機は、実施の形態１で述べた電動機駆動装置１００を備える。本実施の形態の空気調和機は、実施の形態１の電動機７０を内蔵した圧縮機１０１、四方弁１０２、室外熱交換器１０３、膨張弁１０４、室内熱交換器１０５が冷媒配管１０６を介して取り付けられた冷凍サイクルを有して、セパレート形空気調和機を構成している。なお、本実施の形態の空気調和機は、実施の形態１で述べた電動機駆動装置１００の替わりに実施の形態２で述べた電動機駆動装置１００を備えてもよい。

圧縮機１０１内部には冷媒を圧縮する圧縮機構１０７とこれを動作させる電動機７０が設けられ、圧縮機１０１から室外熱交換器１０３と室内熱交換器１０５間を冷媒が循環することで冷暖房等を行う冷凍サイクルが構成されている。なお、図１２に示した構成は、空気調和機だけでなく、冷蔵庫、冷凍庫等の冷凍サイクルを備える冷凍サイクル装置に適用可能である。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

２０ リアクトル、３０ 整流部、３１〜３４ 整流素子、４０ コンデンサ、５０ インバータ、５１〜５６ スイッチング素子、６０ 切替部、６１〜６３ リレー、７０ 電動機、７１〜７３ 固定子巻線、８０ 検出部、８１ 電圧検出部、８２ 電流検出部、９０ 制御部、１００ 電動機駆動装置、１０１ 圧縮機、１０２ 四方弁、１０３ 室外熱交換器、１０４ 膨張弁、１０５ 室内熱交換器、１０６ 冷媒配管、１０７ 圧縮機構。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる電動機駆動装置は、供給する直流電力の電圧変動を抑制するフィードバック回路を備える多出力電源回路、に接続される電動機駆動装置であって、電動機に電力を印加するインバータと、各々が第１の状態と第２の状態とで状態を切替えることにより、電動機の結線状態を切替える複数の切替器と、を備える。切替器に、多出力電源回路の電源ラインのうちフィードバック回路に接続されていない電源ラインから直流電力が供給される場合に、複数の切替器のうち少なくとも１つが第１の状態から第２の状態に切替わるタイミングは、他の複数の切替器が第１の状態から第２の状態に切替わるタイミングと異なる。

Claims (10)

1. 電動機に電力を印加するインバータと、
   各々が第１の状態と第２の状態とで状態を切替えることにより、前記電動機の結線状態を切替える複数の切替器と、
   を備え、
   前記複数の切替器のうち少なくとも１つが前記第１の状態から前記第２の状態に切替わるタイミングは、他の前記複数の切替器が前記第１の状態から前記第２の状態に切替わるタイミングと異なることを特徴とする電動機駆動装置。
2. 前記複数の切替器が前記第１の状態から前記第２の状態に切替わるタイミングは、互いに重複しないことを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動装置。
3. 前記複数の切替器のうち２つは前記第１の状態から前記第２の状態に切替わるタイミングが同一であることを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動装置。
4. 前記複数の切替器の状態の切替えを制御する制御部、を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の電動機駆動装置。
5. 遅延回路を備え、
   前記複数の切替器は、それぞれに対応する複数の切替信号を用いて制御され、
   前記制御部は、前記複数の切替信号のうちの１つの切替信号を生成し、他の前記複数の切替信号は、前記１つの切替信号に前記遅延回路により遅延が付加されることによって生成されることを特徴とする請求項４に記載の電動機駆動装置。
6. 前記インバータは複数のスイッチング素子を備え、
   前記複数のスイッチング素子のうち少なくとも１つはワイドバンドギャップ半導体で形成されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の電動機駆動装置。
7. 前記複数の切替器は、各々がリレーであり、
   前記第１の状態は非通電状態であり、前記第２の状態は通電状態であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の電動機駆動装置。
8. 前記複数の切替器のうち少なくとも１つが前記第２の状態から前記第１の状態に切替わるタイミングは、他の前記複数の切替器が前記第２の状態から前記第１の状態に切替わるタイミングと異なることを特徴とする請求項７に記載の電動機駆動装置。
9. 前記複数の切替器は、各々がリレーであり、
   前記第１の状態は通電状態であり、前記第２の状態は非通電状態であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の電動機駆動装置。
10. 請求項１から９のいずれか１つに記載の電動機駆動装置と、
    前記電動機駆動装置によって駆動される電動機と、
    を備えることを特徴とする空気調和機。

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