WO2021181641A1

WO2021181641A1 - モータ駆動装置および冷凍サイクル装置

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Publication number: WO2021181641A1
Application number: PCT/JP2020/010958
Authority: WO
Inventors: 吉村　公志; 雅也野木; 就哉駒崎; 賢三浦
Original assignee: Toshiba Carrier Corp
Current assignee: Carrier Japan Corp
Priority date: 2020-03-12
Filing date: 2020-03-12
Publication date: 2021-09-16
Anticipated expiration: 2022-09-12
Also published as: PH12022552398A1; US12294324B2; JPWO2021181641A1; US20230020906A1; JP7305867B2

Abstract

モータ駆動装置は、機械式のリレーの開放接点の開放によりモータの各相巻線の他端を非接続状態とし第１および第２インバータを互いに連係してスイッチングするオープン巻線モード、及び上記リレーの開放接点の閉成により上記各相巻線の他端を相互接続して第１インバータをスイッチングするスター結線モードを、モータに流れる電流の値に応じて切替える。

Description

モータ駆動装置および冷凍サイクル装置

　本発明は、互いに非接続状態の複数の相巻線を有するモータを駆動するモータ駆動装置およびそのモータ駆動装置を備えた冷凍サイクル装置に関する。

　空気調和機等の冷凍サイクル装置に搭載される圧縮機の駆動モータとして、複数の相巻線を有する永久磁石同期モータが使用される。また、永久磁石同期モータ（ＤＣブラシレスモータともいう）の一例として、複数の相巻線を互いに非接続状態とした構成のオープン巻線モータ（Open-Windings Motor）が知られている。

　このオープン巻線モータ（モータと略称する）を駆動するモータ駆動装置は、モータの各相巻線の一端への通電を制御する第１インバータ、モータの各相巻線の他端への通電を制御する第２インバータ、各相巻線の他端の相互間に接続される開閉器を備え、この開閉器の閉成により各相巻線をスター結線（星形結線ともいう）して第１インバータを単独でスイッチングするスター結線モード、及び開閉器の開放により各相巻線を非接続状態として第１および第２インバータを互いに連係してスイッチングするオープン巻線モードを、選択的に設定する。オープン巻線モードの設定によりモータを高回転数で駆動することができ、低回転数域でのスター結線モードの設定によりモータを高効率で駆動することができ、よって高回転数から低回転数まで幅広い運転範囲にわたりモータをできるだけ効率よく駆動することが可能となる。モータの運転範囲の拡大とモータ駆動装置の効率向上を両立させている。

特許第4906836号

　スター結線モードとオープン巻線モードを切替える開閉器として、例えば機械的な開閉接点を有する機械式のリレーが使用される。このリレーには、適正な動作を保証するため、開閉接点を流れる電流についての上限値がある。この上限値は、一般的に定格通電電流や接点定格電流と呼ばれる（以下、定格通電電流という）。この定格通電電流を超える過電流がリレーの開閉接点に流れ続けると、リレーが故障する恐れがある。また、機械式のリレーには作動の回数に応じた寿命がある。この寿命はスター結線モードとオープン巻線モードの切替え回数が多いほど短くなる。

　本発明の実施形態の目的は、過電流がリレーの開閉接点に流れる不具合を防ぐことができ、しかもリレーの作動回数をできるだけ少なくすることができ、これによりリレーの寿命向上が図れる冷凍サイクル装置を提供することである。

　請求項１のモータ駆動装置は、互いに非接続状態の複数の相巻線を有するモータと；前記各相巻線の一端への通電を制御する第１インバータと；前記各相巻線の他端への通電を制御する第２インバータと；前記各相巻線の他端の相互間に接続された開閉接点を有するリレーと；このリレーの開放により前記各相巻線の他端を非接続状態とし前記第１および第２インバータを互いに連係してスイッチングするオープン巻線モード、及び前記リレーの閉成により前記各相巻線の他端を相互接続して前記第１インバータをスイッチングするスター結線モードを、前記モータに流れる電流の値に応じて切替えるコントローラと；を備える。

一実施形態のモータ駆動装置を備える冷凍サイクル装置の構成を示すブロック図。一実施形態のモータ駆動装置の構成を示すブロック図。一実施形態のモータ駆動装置におけるモータ回転数とモータ電流との関係をスター結線とオープン巻線のモード別に示す図。一実施形態のモータ駆動装置におけるモータ回転数と効率との関係をスター結線とオープン巻線のモード別に示す図。一実施形態のモータ駆動装置におけるモード切換条件を示す図。一実施形態のモータ駆動装置の制御を示すフローチャート。一実施形態に関わる冷凍サイクル装置の除霜準備から除霜開始および除霜終了までのモータ回転数の変化の例を示す図。

　以下、一実施形態の冷凍サイクル装置について図面を参照しながら説明する。冷凍サイクル装置の例として、複数の室外機および複数の室内機を互いに並列接続したいわゆるマルチタイプの空気調和機について説明する。空気調和機に限らず、ヒートポンプ式チラーユニットや冷凍機など他の冷凍サイクル装置への適用も可能である。

　図１に示すように、室外機Ａに液側管Ｃ１およびガス側管Ｃ２を介して、例えば２台の室内機Ｂ１，Ｂ２が互いに並列状態で接続されている。そして、室外機Ａおよび室内機Ｂ１，Ｂ２の相互間にデータ伝送用および制御用の信号ラインＥが接続されている。これら室外機Ａおよび室内機Ｂ１，Ｂ２の接続により、冷暖房を行うマルチタイプの冷凍サイクル装置が構成される。この冷凍サイクル装置では、室外機Ａが全体制御用の親機として機能し、室内機Ｂ１，Ｂ２が親機からの指示に従って動作する子機として機能する。

　室外機Ａは、圧縮機１、四方弁２、室外熱交換器３、膨張弁（減圧器）４、アキュームレータ５、室外ファン６、室外温度センサ７、熱交換器温度センサＴｅ、室外コントローラ８、および本実施形態のモータ駆動装置９を備える。冷房運転時、実線矢印で示すように、室内機Ｂ１，Ｂ２からガス側管Ｃ２に流れるガス冷媒が四方弁２およびアキュームレータ５を通って圧縮機１に吸込まれ、その圧縮機１で圧縮され吐出されるガス冷媒が四方弁２を通って室外熱交換器３（凝縮器）に流れ、その室外熱交換器３で外気と熱交換して凝縮する冷媒が膨張弁４および液側管Ｃ１を通って室内機Ｂ１，Ｂ２へ流れる。暖房運転時、四方弁２の流路が切替えられることにより、室内機Ｂ１，Ｂ２から液側管Ｃ１に流れる液冷媒が膨張弁４を通って室外熱交換器３（蒸発器）に流れ、その室外熱交換器３で外気と熱交換して気化する冷媒が四方弁２およびアキュームレータ５を通って圧縮機１に吸込まれ、その圧縮機１で圧縮され吐出されるガス冷媒が四方弁２およびガス側管Ｃ２を通って室内機Ｂ１，Ｂ２へ流れる。

　なお、暖房運転時、蒸発器として機能する室外熱交換器３の表面に徐々に霜が付着しそのままでは室外熱交換器３の熱交換量が減少する。対策として、室外コントローラ８は、室外熱交換器３の温度を熱交換器温度センサＴｅで検知し、その検知温度から室外熱交換器３の着霜量を監視し、着霜量が増えた場合は室外熱交換器３の除霜が必要であるとの判断の下に、モータ回転数Ｎを下降させる除霜準備に入り、モータ回転数Ｎが所定値に低下したところで四方弁２の流路を除霜用に切替えつつモータ回転数Ｎを高回転数域まで上昇させる除霜運転を開始し、室外熱交換器３に付いた霜を冷媒の熱で除去する。そして、室外コントローラ８は、熱交換器温度センサＴｅの検知温度に基づいて室外熱交換器３の着霜状態を監視し、着霜がなくなった時点でモータ回転数Ｎを下降させ、モータ回転数Ｎが所定値に低下したところで四方弁２の流路を元の暖房用に戻して除霜運転を終了する。また、室外コントローラ８は、除霜が必要と判断した時点で除霜要の旨をモータ駆動装置９に通知し、この通知に伴い上記除霜準備に入るとともに、除霜運転を終了した時点でその旨をモータ駆動装置９に通知する。

　室内機Ｂ１，Ｂ２は、それぞれ、流量調整弁１１、室内熱交換器１２、室内ファン１３、室内温度センサ１４、および室内コントローラ１５を含む。冷房運転時、実線矢印で示すように、室外機Ａから液側管Ｃ１に流れる液冷媒が流量調整弁１１を通って室内熱交換器（蒸発器）１２に流れ、その室内熱交換器１２で室内空気と熱交換して気化する冷媒がガス側管Ｃ２を通って室外機Ａへ戻る。暖房運転時、室外機Ａからガス側管Ｃ２に流れるガス冷媒が室内熱交換器（凝縮器）１２に流れ、その室内熱交換器１２で室内空気と熱交換して凝縮する冷媒が液側管Ｃ１を通って室外機Ａへ戻る。流量調整弁１１は、供給される駆動電圧パルスの数に応じて開度が全閉から全開まで連続的に変化するパルスモータバルブ（PMV）である。室内ファン１３は、室内空気を吸込んで室内熱交換器１２に送る。室内温度センサ１４は、室内ファン１３により吸込まれる室内空気の流路に配置され、その室内空気の温度Ｔａを検知する。室内コントローラ１５は、室内温度センサ１４の検知温度Ｔａと予め設定される室内設定温度Ｔｓとの差ΔＴａを空調負荷として検出し、その空調負荷ΔＴａに応じて流量調整弁１１の開度を制御するとともに、その空調負荷ΔＴａを信号ラインＥにより室外コントローラ８に通知する。

　室外コントローラ８は、室内機Ｂ１，Ｂ２から通知される空調負荷ΔＴａの合計負荷に対応する能力を室外機Ａが発揮できるよう圧縮機１や室外ファン６の回転数等を制御する。

　圧縮機１は、図２に示すモータ１Ｍを駆動モータとして圧縮部と共に密閉ケースに収容した密閉型圧縮機である。モータ１Ｍは、三相永久磁石同期モータであって、かつ互いに非接続状態の複数の相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗを有するいわゆるオープン巻線モータ（Open-Windings Motor）である。相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗは、低回転数域（低・中回転数域ともいう）で効率が向上するよう、細径の銅線を高い密度で多く巻回して構成される。

　室外機Ａ１～Ａ３のモータ駆動装置９は、図２に示す駆動回路９ａおよびコントローラ９ｂを含む。駆動回路９ａは、三相交流電源５０の交流電圧を全波整流して平滑し出力する直流電源部５５、この直流電源部５５の出力端とオープン巻線モータ１Ｍの相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの一端との間の通電を制御するインバータ（第１インバータまたはマスタインバータともいう）３０、および上記直流電源部５５の出力端とオープン巻線モータ１Ｍの相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの他端との間の通電を制御するインバータ（第２インバータまたはスレーブインバータともいう）４０を含む。直流電源５５をインバータ３０，４０の共通の直流電源とする電源共通方式を採用している。

　インバータ３０は、スイッチング素子たとえばＩＧＢＴ３１，３２を直列接続しそのＩＧＢＴ３１，３２の相互接続点がオープン巻線モータ１Ｍの相巻線Ｌｕの一端に接続されるＵ相直列回路、ＩＧＢＴ３３，３４を直列接続しそのＩＧＢＴ３３，３４の相互接続点がオープン巻線モータ１Ｍの相巻線Ｌｖの一端に接続されるＶ相直列回路、ＩＧＢＴ３５，３６を直列接続しそのＩＧＢＴ３５，３６の相互接続点がオープン巻線モータ１Ｍの相巻線Ｌｗの一端に接続されるＷ相直列回路を含み、直流電源５５の正側出力端から相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの一端への通電および相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの一端から直流電源５５の負側出力端への通電をＩＧＢＴ３１～３６のスイッチングにより制御する。ＩＧＢＴ３１～３６には、回生用ダイオード（フリー・ホイール・ダイオードともいう）３１ａ～３６ａが逆並列接続されている。

　インバータ４０は、ＩＧＢＴ４１，４２を直列接続しそのＩＧＢＴ４１，４２の相互接続点がオープン巻線モータ１Ｍの相巻線Ｌｕの他端に接続されるＵ相直列回路、ＩＧＢＴ４３，４４を直列接続しそのＩＧＢＴ４３，４４の相互接続点がモータ１Ｍの相巻線Ｌｖの他端に接続されるＶ相直列回路、ＩＧＢＴ４５，４６を直列接続しそのＩＧＢＴ４５，４６の相互接続点がオープン巻線モータ１Ｍの相巻線Ｌｗの他端に接続されるＷ相直列回路を互いに並列接続し、直流電源５５の正側出力端から相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの他端への通電および相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの他端から直流電源５５の負側出力端への通電をＩＧＢＴ４１～４６のスイッチングにより制御する。ＩＧＢＴ４１～４６には、回生用ダイオード４１ａ～４６ａが逆並列接続されている。

　なお、インバータ３０は、実際には、Ｕ相・Ｖ相・Ｗ相の上記３つの直列回路を互いに並列接続してなる主回路と、この主回路のＩＧＢＴ３１～３６を駆動する駆動回路などの周辺回路とを、単一のパッケージに収納したモジュールいわゆるＩＰＭ（Intelligent Power Module）である。インバータ４０も、同様の構成のＩＰＭが使用される。

　モータ１Ｍの相巻線Ｌｕの他端と相巻線Ｌｖの他端との相互間に、機械式のリレー５１の常開形の開閉接点（リレー接点という）５１ａが接続されている。モータ１Ｍの相巻線Ｌｖの他端と相巻線Ｌｗの他端との相互間に、機械式のリレー５２の常開形の開閉接点（リレー接点という）５２ａが接続されている。リレー５１,５２は、コントローラ９ｂにより、互いに同期した状態で付勢（通電オン）と消勢（通電オフ）が制御される。リレー５１,５２が付勢されるとリレー接点５１ａ，５２ａが閉成し、相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの他端が相互接続されて相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗがスター結線状態となる。リレー５１,５２が消勢されるとリレー接点５１ａ，５２ａが開放し、相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗが非接続状態つまり電気的に分離したオープン巻線状態となる。

　リレー５１,５２には、その適正な動作を保つため、リレー接点５１ａ，５２ａを流れる電流についての上限値いわゆる定格通電電流がある。定格通電電流を超える過電流がリレー接点５１ａ，５２ａに流れると、リレー５１,５２が故障する可能性が高くなる。定格通電電流の大きなリレー５１，５２はサイズが大きくなるとともに高価となるため、できれば定格通電電流の小さなリレーを使うことが望ましい。また、リレー接点５１ａ，５２ａの開閉回数がリレー５１，５２の寿命に大きく影響する。すなわち、リレー接点５１ａ，５２ａの開閉回数が多くなると、リレー５１，５２が寿命を迎えて故障してしまう。

　インバータ３０と相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの一端との間の３つの通電ラインに電流センサ５３ｕ，５３ｖ，５３ｗが配置され、これら電流センサ５３ｕ，５３ｖ，５３ｗの出力信号がコントローラ９ｂに送られる。電流センサ５３ｕ，５３ｖ，５３ｗは、相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに流れる電流（モータ電流という）Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検知する。

　コントローラ９ｂは、後述のスター結線モード時はモータ電流Ｉからモータ１Ｍの回転数を推定しその推定回転数が室外コントローラ８からの指令に応じた目標回転数となるようインバータ３０の単独のスイッチングを制御するセンサレス・ベクトル制御を実行し、後述のオープン巻線モード時は上記推定回転数が目標回転数となるようインバータ３０，４０のスイッチングを制御するオープン巻線モードのセンサレス・ベクトル制御を実行するもので、制御の中枢となる主制御部６０、電流検出部６１、リレー駆動部６２、表示部６３、リレー５１，５２などを含む。電流検出部６１は、電流センサ５３ｕ，５３ｖ，５３ｗで検知されるモータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのそれぞれの瞬時値を検出する。モータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのそれぞれ瞬時値のことをモータ電流Ｉという。リレー駆動部６２は、主制御部６０からの指令に応じてリレー５１，５２を付勢および消勢する。主制御部６０は、マイクロコンピュータおよびその周辺回路により構成され、室外コントローラ８からの指令および電流検出部６２の検出結果などに応じてリレー接点５１ａ，５２ａの開閉およびインバータ３０，４０のスイッチングを制御する。

　とくに、主制御部６０は、リレー接点５１ａ，５２ａの開放により相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの他端を非接続状態としインバータ３０，４０を互いに連係してスイッチングするオープン巻線モード及びリレー接点５１ａ，５２ａの閉成により相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの他端を相互接続してインバータ３０を単独でスイッチングするスター結線モードを少なくともモータ電流Ｉの値に応じて切替えるもので、この切替えに関する主要な機能として回転数検出部６０ａおよび第１，第２，第３制御部６０ｂ～６０ｄを含む。

　回転数検出部６０ａは、インバータ３０,４０のスイッチング状態、および相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの各モータ電流Ｉのうちいずれか１つのモータ電流Ｉに基づき、モータ１Ｍの回転数（速度）Ｎを検出（推定）する。以下、モータ１Ｍの回転数Ｎのことをモータ回転数Ｎという。

　第１制御部６０ｂは、モータ１Ｍの起動に際し、オープン巻線モードを設定し、モータ回転数Ｎが高回転数域の所定値まで上昇するようインバータ３０，４０のスイッチングを制御するとともに、モータ回転数Ｎが上記所定値まで上昇したところで、一旦、圧縮機１中の潤滑油の油面の安定性を確保するため、モータ回転数Ｎが１分程度の所定時間にわたり上記所定値を保つようインバータ３０，４０のスイッチングを制御する。

　第２制御部６０ｃは、第１制御部６０ｂの制御に続き、モータ回転数Ｎが室外コントローラ８から指示される能力に対応する目標回転数（目標速度）Ｎｔとなるようオープン巻線モードでのインバータ３０，４０のスイッチングを制御する。とくに、第２制御部６０ｃは、リレー５１，５２の定格通電電流と同じまたはそれよりわずかに小さい第２閾値Ｉ２、およびその第２閾値Ｉ２より小さい第１閾値Ｉ１を内部メモリに記憶しており、この閾値Ｉ１，Ｉ２に基づいて次の（１）～（３）の制御を実行する。

　（１）スター結線モード時、モータ電流Ｉのピーク値が第２閾値Ｉ２まで上昇した場合、モータ回転数Ｎにかかわらず、モータ駆動を続けながら直ちにリレー接点５１ａ，５２ａを開放してオープン巻線モードに切替え、切替えが完了したところでモータ回転数Ｎが目標回転数Ｎｔとなるようインバータ３０，４０のスイッチングを制御する。すなわち、モータ電流Ｉのピーク値が閾値Ｉ２まで上昇した際にリレー接点５１ａ，５２ａが閉成した状態のスター結線モードのままではリレー接点５１ａ，５２ａに過電流が流れる可能性があるので、モータ回転数Ｎにかかわらず直ちにオープン巻線モードに切替える。リレー接点５１ａ，５２ａを開放するオープン巻線モードであれば、そもそもリレー接点５１ａ，５２ａに電流が流れないので、モータ１Ｍの駆動を続けながら、過電流によるリレー５１，５２の故障を防ぐことができる。

　（２）スター結線モード時、モータ電流Ｉのピーク値が第２閾値Ｉ２よりも低く、モータ回転数Ｎが第２設定値Ｎ２以上の高速度域に上昇してその状態が第２所定時間ｔ２ｓ（例えば1分間）にわたり継続した場合、上記同様、モータ駆動を続けながら直ちにリレー接点５１ａ，５２ａを開放してオープン巻線モードに切替え、モータ回転数Ｎが目標回転数Ｎｔとなるようインバータ３０，４０のスイッチングを制御する。すなわち、モータ回転数Ｎが第２設定値Ｎ２以上の高回転数域にあれば２つのインバータ３０，４０を動作させるオープン巻線モードの方がモータ駆動に必要な高レベルの電圧を得られて効率もよい点を考慮し、オープン巻線モードに切替える。ただし、空調負荷等の変動に伴いモータ回転数Ｎおよびモータ電流Ｉが頻繁に変動するおそれがあるので、モータ回転数Ｎおよびモータ電流Ｉに変動があってもその変動が収束するまでに要する少なくとも第２所定時間ｔ２ｓは、スター結線モードからオープン巻線モードへの切替えを待つようにしている。これにより、リレー接点５１ａ，５２ａの頻繁な開閉を防ぐことができ、ひいてはリレー接点５１ａ，５２ａの開閉回数を減少させることができ、リレー５１，５２の長寿命化が図れる。

　（３）オープン巻線モード時、モータ電流Ｉのピーク値が第１閾値Ｉ１以下である状態が第１所定時間（例えば20分間）ｔ１ｓにわたり継続した場合、モータ駆動を続けながらリレー接点５１ａ，５２ａを閉成してスター結線モードに切替え、切替えが完了したところでモータ回転数Ｎが目標回転数Ｎｔとなるようインバータ３０のスイッチングを制御する（インバータ４０のスイッチングは停止）。具体的には、オープン巻線モード時、モータ電流Ｉのピーク値が第１閾値Ｉ１以下である状態かつモータ回転数Ｎが第２設定値Ｎ２より低い第１設定値以下の低回転数域に存する状態が第１所定時間ｔ１ｓにわたり継続した場合、モータ駆動を続けながらリレー接点５１ａ，５２ａを閉成してスター結線モードに切替え、モータ回転数Ｎが目標回転数Ｎｔとなるようインバータ３０のスイッチングを制御する。すなわち、モータ電流Ｉのピーク値が第１閾値Ｉ１以下の状態に第１所定時間ｔ１ｓ以上にわたり継続的に収まる状態にあれば、リレー接点５１ａ，５２ａを閉成するスター結線モードを設定してもリレー接点５１ａ，５２ａに過電流が流れる心配がない点、またモータ回転数Ｎが第１設定値Ｎ１以下の低回転数域に第１所定時間ｔ１ｓにわたり継続的に収まる状態にあれば、１つのインバータ３０のみ動作させる高効率のスター結線モードでもモータ駆動に十分なレベルの電圧が得られる点を考慮し、スター結線モードに切替える。

　なお、オープン巻線モードからスター結線モードへ切替えの判定の基準である第１閾値Ｉ１をスター結線モードからオープン巻線モードへの切替えの判定基準である第２閾値Ｉ２よりも低く設定しているのは、オープン巻線モードからスター結線モードに切替えた場合、モータ１Ｍにおけるロータ軸上の界磁軸（ｄ軸）座標に換算された界磁成分電流（ｄ軸電流）の大きさなどの影響から、同じモータ回転数Ｎで駆動していてもスター結線モードの方がオープン巻線モード時よりもモータ電流Ｉが大きくなることに対処している。つまり、第１閾値Ｉ１を第２閾値Ｉ２よりも低く設定しておくことで、オープン巻線モードからスター結線モードに切替えた後、モータ電流Ｉのピーク値がすぐに第２閾値Ｉ２まで上昇してスター結線モードからオープン巻線モードに切替わる不具合を未然に防ぐことができる。この点でも、リレー接点５１ａ，５２ａの開閉回数を減少させることができる。

　図３は、モータ回転数Ｎと電源電流Ｉｓとの関係をスター結線モードとオープン巻線モードのモード別に示している。モータ回転数Ｎが低いときはスター結線モード時の電源電流Ｉｓの方がオープン巻線モード時の電源電流Ｉｓよりも少し低くなりスター結線モード時の方が効率が良い。モータ回転数Ｎがそこから上昇するのに伴い、スター結線モード時の電源電流Ｉｓは速い速度で上昇し、オープン巻線モード時の電源電流Ｉｓはゆっくり上昇する。この際、スター結線モード時はモータ電流Ｉが高くなってしまうとともに、モータ１Ｍの逆起電力が大きくなってしまい、さらなる高回転数でモータ１Ｍを駆動することができなくなる。
図４は、モータ回転数Ｎと効率との関係をスター結線モードとオープン巻線モードのモード別に示している。モータ回転数Ｎが低いときはスター結線モードの方がオープン巻線モードよりも効率が高く、モータ回転数Ｎが高くなるとオープン巻線モードの方がスター結線モードよりも効率が高くなる。

　この図３および図４のモータ１Ｍの特性を考慮し、モータ電流Ｉがリレー５１，５２の定格通電電流を超えない範囲でできるだけ高い効率を得るための図５に示すモード切換条件がコントローラ９ｂの第２制御部６０ｃに格納されている。

　上記第３制御部６０ｄは、室外コントローラ８による除霜運転の実行に際し、その除霜運転の開始前にモータ電流Iにかかわらずオープン巻線モードを設定し、その設定状態を除霜運転が終了するまで継続する。具体的には、第３制御部６０ｄは、除霜要の旨の通知を室外コントローラ８から受けた時点、つまり四方弁２の流路が切替わって除霜運転が開始となる前の除霜準備の時点で、モータ電流Ｉにかかわらずオープン巻線モードを設定し、モータ回転数Ｎが室外コントローラ８からの指令に応じた除霜運転用の目標回転数Ｎｔとなるようインバータ３０，４０のスイッチングを制御し、このモータ電流Ｉにかかわらないオープン巻線モードの設定状態を室外コントローラ８から除霜運転の終了通知を受けるまで継続する。

　つぎに、コントローラ９ｂが実行する制御を図６のフローチャートを参照しながら説明する。フローチャート中のステップS1，S2…については単にS1，S2…と略称する。

　［モータ１Ｍの起動時］
　室外コントローラ８から運転開始指令を受けた場合（S1のYES）、コントローラ９ｂは、タイムカウントｔ１，ｔ２をそれぞれ“０”に初期化するとともに（S2）、リレー接点５１ａ，５２ａの開放により相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗの他端を非接続状態としてインバータ３０，４０をスイッチングするオープン巻線モードを設定する（S3）。モータ１Ｍの停止時はリレー５１，５２の消勢（通電オフ）により常開形のリレー接点５１ａ，５２ａがもともと開放状態にあって、相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗが互いに非接続状態となっているので、リレー接点５１ａ，５２ａの作動を要することなくオープン巻線モードを設定することができる。

　このオープン巻線モードの設定に伴い、コントローラ９ｂは、室外コントローラ８から指示される能力に見合う目標回転数Ｎｔを設定し（S4）、モータ回転数Ｎがその目標回転数Ｎｔとなるようインバータ３０，４０のスイッチングを制御する（S5）。これにより、モータ１Ｍが起動する。この起動時の目標回転数Ｎｔの設定およびスイッチング制御は、モータ回転数Ｎを高回転数域の所定値まで上昇させてその状態を１分程度の所定時間にわたり保つ制御を含む。

　オープン巻線モード時に形成される電流経路の一部を図２に破線で示す。まず、インバータ３０のＩＧＢＴ３１がオンしてインバータ４０のＩＧＢＴ４２がオン，オフを繰返すとともに、インバータ４０のＩＧＢＴ４３，４５が共にオンしてインバータ３０のＩＧＢＴ３４，３６が互いに同期してオン，オフを繰返す。これにより、破線矢印で示すように、直流電源５５の正側出力端からＩＧＢＴ３１を通って相巻線Ｌｕに電流が流れ、その相巻線Ｌｕを経た電流がＩＧＢＴ４２を通って直流電源５５の負側出力端に流れるとともに、直流電源５５の正側出力端からＩＧＢＴ４３，４５を通って相巻線Ｌｖ，Ｌｗに電流が流れ、その相巻線Ｌｖ，Ｌｗを経た電流がＩＧＢＴ３４，３６を通って直流電源５５の負側出力端に流れる。次に、インバータ３０のＩＧＢＴ３３がオンしてインバータ４０のＩＧＢＴ４４がオン，オフを繰返すとともに、インバータ４０のＩＧＢＴ４１，４５が共にオンしてインバータ３０のＩＧＢＴ３２，３６が互いに同期してオン，オフを繰返す。これにより、直流電源５５の正側出力端からＩＧＢＴ３３を通って相巻線Ｌｖに電流が流れ、その相巻線Ｌｖを経た電流がＩＧＢＴ４４を通って直流電源５５の負側出力端に流れるとともに、直流電源５５の正側出力端からＩＧＢＴ４１，４５を通って相巻線Ｌｕ，Ｌｗに電流が流れ、その相巻線Ｌｕ，Ｌｗを経た電流がＩＧＢＴ３２，３６を通って直流電源５５の負側出力端に流れる。次に、インバータ３０のＩＧＢＴ３５がオンしてインバータ４０のＩＧＢＴ４６がオン，オフを繰返すとともに、インバータ４０のＩＧＢＴ４１，４３が共にオンしてインバータ３０のＩＧＢＴ３２，３４が互いに同期してオン，オフを繰返す。これにより、直流電源５５の正側出力端からＩＧＢＴ３５を通って相巻線Ｌｗに電流が流れ、その相巻線Ｌｗを経た電流がＩＧＢＴ４６を通って直流電源５５の負側出力端に流れるとともに、直流電源５５の正側出力端からＩＧＢＴ４１，４３を通って相巻線Ｌｕ，Ｌｖに電流が流れ、その相巻線Ｌｕ，Ｌｖを経た電流がＩＧＢＴ３２，３４を通って直流電源５５の負側出力端に流れる。これら３パターンの電流経路が順に切替わることにより、モータ１Ｍのロータが回転する。

　このオープン巻線モードの設定により、スター結線モード時の約√３倍の電圧を相巻線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗに印加することができ、よって運転開始時の高空調負荷に対応する高回転数域へとモータ回転数Ｎを効率よく上昇させることが可能となる。とくに、空気調和装置の運転開始時は、空調負荷が高いだけでなく、室内ファン１３が動き始めたばかりで新鮮な室内空気が室内温度センサ１４にうまく流れないため室内温度検知が不安定な状態にあって、空調負荷を的確に捕らえることが難しい。このような運転開始時の状況では、リレー５１，５２を付勢せずリレー接点５１ａ，５２ａを開放したままのオープン巻線モードを初めから設定してモータ１Ｍの回転数Ｎを高回転数域まで上昇させるほうが、リレー５１，５２を付勢してリレー接点５１ａ，５２ａを閉成するスター結線モードを低回転数域で設定し、その後の高回転数域でオープン巻線モードに移行する場合よりも、リレー接点５１ａ，５２ａの作動回数を確実に１回は少なくすることができる。つまり、リレー接点５１ａ，５２ａの作動回数を少なく抑えながら、不安定な高空調負荷に対処し得る十分な空調能力を発揮することが可能となる。

　［モータ１Ｍの起動後］
　上記オープン巻線モードによるモータ１Ｍの起動に伴い、コントローラ９ｂは、室外コントローラ８から除霜要の通知があるか確認する（S6）。除霜要の通知がない場合（S6のNO）、コントローラ９ｂは、現時点でオープン巻線モードを設定しているので（S10のYES）、モータ電流Ｉのピーク値が第１閾値Ｉ１以下に収まっていて（S11のYES）、かつモータ回転数Ｎが設定値Ｎ１以下に下降していれば（S12のYES）、タイムカウントｔ１を開始し（S13）、そのタイムカウントｔ１と所定時間（20分間）ｔ１ｓとを比較する（S15）。

　タイムカウントｔ１が所定時間ｔ１ｓに満たない間（S15のNO）、コントローラ９ｂは、室外コントローラ８からの運転停止指令を確認する（S25）。運転停止指令がなければ（S25のNO）、コントローラ９ｂは、上記S4に戻って目標回転数Ｎｔを設定し（S4）、モータ回転数Ｎがその目標回転数Ｎｔとなるようインバータ３０，４０のスイッチングを制御する（S5）。続いて、コントローラ９ｂは、除霜要の通知がなければ（S6のNO）、上記S10からの判定を繰り返す。

　上記S11の判定においてモータ電流Ｉのピーク値が第１閾値Ｉ１以下の領域から第１閾値Ｉ１超の領域に上昇した場合（S11のNO）、あるいは上記S11の判定においてモータ回転数Ｎが設定値Ｎ１以下の領域から設定値Ｎ１超の領域に上昇した場合（S12のNO）、コントローラ９ｂは、タイムカウントｔ１を“０”にクリアし（S14）、そのタイムカウントｔ１と所定時間ｔ１ｓとを比較する（S15）。

　上記S11の判定においてモータ電流Ｉのピーク値が第１閾値Ｉ１以下に収まったまま（S11のYES）、しかも上記S12の判定においてモータ回転数Ｎが設定値Ｎ１以下に下降したまま（S12のYES）、タイムカウントｔ１が続いてそのタイムカウントｔ１が所定時間ｔ１ｓに達した場合（S13，S15のYES）、コントローラ９ｂは、これまでのオープン巻線モードからスター結線モードに切替え（S16）、かつタイムカウントｔ１を“０”にクリアする（S17）。そして、コントローラ９ｂは、運転停止指令がなければ（S25のNO）、上記S4に戻って目標回転数Ｎｔを設定し（S4）、モータ回転数Ｎがその目標回転数Ｎｔとなるようインバータ３０のスイッチングを制御する（S5）。

　続いて、コントローラ９ｂは、除霜要の通知がなければ（S6のNO）、現時点で設定しているのはスター結線モードなので（S10のNO）、モータ電流Ｉのピーク値が第２閾値Ｉ２未満であることを前提に（S18のNO）、モータ回転数Ｎが設定値Ｎ２以上であるか否かを判定する（S19）。モータ回転数Ｎが設定値Ｎ２以上の場合（S19のYES）、コントローラ９ｂは、タイムカウントｔ２を開始し（S20）、そのタイムカウントｔ２と所定時間（１分間）ｔ２ｓとを比較する（S22）。

　タイムカウントｔ１が所定時間ｔ１ｓに満たない間（S22のNO）、コントローラ９ｂは、運転停止指令がなければ（S25のNO）、上記S4に戻って目標回転数Ｎｔを設定し（S4）、モータ回転数Ｎがその目標回転数Ｎｔとなるようインバータ３０のスイッチングを制御する（S5）。続いて、コントローラ９ｂは、除霜要の通知がなければ（S6のNO）、上記S10からの判定を繰り返す。

　上記S18の判定においてモータ電流Ｉのピーク値が第２閾値Ｉ２未満という前提条件が満たされたまま（S18のNO）、しかも上記S19の判定においてモータ回転数Ｎが設定値Ｎ２以上に上昇したまま（S19のYES）、タイムカウントｔ２が続いてそのタイムカウントｔ２が所定時間ｔ２ｓに達した場合（S20，S22のYES）、コントローラ９ｂは、これまでのスター結線モードからオープン巻線モードに切替え（S23）、かつタイムカウントｔ２を“０”にクリアする（S24）。そして、コントローラ９ｂは、運転停止指令がなければ（S25のNO）、上記S4に戻って目標回転数Ｎｔを設定し（S4）、モータ回転数Ｎがその目標回転数Ｎｔとなるようインバータ３０，４０のスイッチングを制御する（S5）。続いて、コントローラ９ｂは、除霜要の通知がなければ（S6のNO）、上記S10からの判定を繰り返す。

　上記S18の判定においてモータ電流Ｉのピーク値が第２閾値Ｉ２未満という前提条件が満たされたままでも（S18のNO）、上記S19の判定においてモータ回転数Ｎが設定値Ｎ２未満の領域に下降した場合（S19のNO）、コントローラ９ｂは、タイムカウントｔ１を“０”にクリアし（S21）、そのタイムカウントｔ１と所定時間ｔ１ｓとを比較する（S22）。

　ただし、上記S18の判定においてモータ電流Ｉのピーク値が第２閾値Ｉ２まで上昇すると（S18のYES）、リレー接点５１ａ，５２ａに定格通電電流を超える過電流が流れ続けてしまう可能性があるので、コントローラ９ｂは、直ちに、スター結線モードからオープン巻線モードに切替える（S23）。リレー接点５１ａ，５２ａを開放するオープン巻線モードではそもそもリレー接点５１ａ，５２ａに電流が流れないので、過電流によるリレー５１，５２への悪影響を回避することができる。

　上記S6の判定において、除霜要の通知がある場合（S6のYES）、コントローラ９ｂは、モータ電流Ｉにかかわらずオープン巻線モードを強制的に設定し（S7）、モータ回転数Ｎが室外コントローラ８からの指令に応じた除霜運転用の目標回転数Ｎｔとなるようそのインバータ３０，４０のスイッチングを制御する（S8）。そして、コントローラ９ｂは、室外コントローラ８からの除霜運転の終了通知を確認する（S9）。終了通知がなければ（S9のNO）、コントローラ９ｂは、上記S8のスイッチングの制御を繰り返す（S8）。

　除霜要の通知で除霜準備が始まり、続いて除霜運転が実行され終了するまでのモータ回転数Ｎの変化の例を図７に示している。負荷が大きくなる除霜運転中はモータ回転数Ｎが高回転数域に達するので、除霜運転の開始前に予めオープン巻線モードを設定しておくことで、安定かつ確実な除霜運転が可能となる。

　［まとめ］
　要するに、オープン巻線モード時、モータ電流Ｉのピーク値がリレー５１，５２の定格通電電流より小さい第１閾値Ｉ１以下の状態を所定時間ｔ１ｓにわたり継続する状態にあれば、スター結線モードに切替えてもリレー接点５１ａ，５２ａに過電流が流れる心配がない点を考慮し、かつモータ回転数Ｎが設定値Ｎ１以下の低回転数域に所定時間ｔ１ｓにわたり継続して収まる状態にあれば１つのインバータ３０のみ動作させる高効率のスター結線モードに切替えてもモータ駆動に十分なレベルの電圧が得られる点を考慮し、スター結線モードに切替える。

　スター結線モード時、モータ電流Ｉのピーク値が第２閾値Ｉ２未満という前提の下、モータ回転数Ｎが設定値Ｎ２以上の高回転数域に所定時間ｔ２ｓ以上にわたり収まる状態にあれば、２つのインバータ３０，４０を動作させるオープン巻線モードの方がより高効率を得られることから、オープン巻線モードに切替える。

　ただし、スター結線モード時、モータ電流Ｉのピーク値が第２閾値Ｉ２まで上昇した場合には、効率よりもリレー接点５１ａ，５２ａにおける過電流防止を優先するべく、リレー接点５１ａ，５２ａに電流が流れないオープン巻線モードに直ちに切替える。

　したがって、過電流がリレー接点５１ａ，５２ａに流れる不具合を防ぎながら、できるだけ高い効率のモータ駆動を行うことができる。過電流がリレー接点５１ａ，５２ａに流れないので、リレー接点５１，５２の寿命向上が図れる。

　オープン巻線モードとスター結線モードの切替えが頻繁に繰り返されないので、リレー５１，５２の作動回数をできるだけ少なく抑えることができる。この点でもリレー接点５１，５２の寿命が向上する。

　［変形例］
　上記実施形態では、モータ電流値Ｉとして瞬時値のピーク値を用いてオープン巻線モードとスター結線モードの切替えを実施したが、瞬時値のピーク値の代わりに実効値Ｉａを用いてオープン巻線モードとスター結線モードの切替えを行ってもよい。

　さらに、上記実施形態では、モータの回転数に応じてオープン巻線モードとスター結線モードの切替えを実施したが、モータの回転数と均等と考えられる弱め界磁量であるd軸電流値やインバータのＰＷＭ電圧出力デューティー、または変調率等をモータ回転数の代わりに用いることができる。

　上記実施形態では、インバータ３０，４０を同じ直流電源５５に接続する電源共通方式を採用したが、インバータ３０，４０を別々の直流電源に接続する電源絶縁方式においても、同様に実施できる。

　その他、上記各実施形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な各実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態や変形は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

　１…圧縮機、１Ｍ…オープン巻線モータ、Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗ…相巻線、２…四方弁、３…室外熱交換器、４…膨張弁、８…室外コントローラ、９…モータ駆動装置、９ａ…駆動回路、９ｂ…コントローラ、１２…室内熱交換器、１５…室内コントローラ、５０…３相交流電源、５５…直流電源部、３０…インバータ（第１インバータ）、４０…インバータ（第２インバータ）、５１，５２…リレー（開閉器）、５１ａ，５２ａ…常開形接点、５３ｕ，５３ｖ，５３ｗ…電流センサ、６０…主制御部、６０ａ…回転数検出部、６０ｂ～６０ｄ…第１，第２，第３制御部、６１…電流検出部、６２…リレー駆動部

Claims

　互いに非接続状態の複数の相巻線を有するモータと、
　前記各相巻線の一端への通電を制御する第１インバータと、
　前記各相巻線の他端への通電を制御する第２インバータと、
　前記各相巻線の他端の相互間に接続された開閉接点を有するリレーと、
　前記リレーの開放により前記各相巻線の他端を非接続状態とし前記第１および第２インバータを互いに連係してスイッチングするオープン巻線モード、及び前記リレーの閉成により前記各相巻線の他端を相互接続して前記第１インバータをスイッチングするスター結線モードを、前記モータに流れる電流の値に応じて切替えるコントローラと、
　を備えることを特徴とするモータ駆動装置。
　前記コントローラは、
　前記スター結線モード時、前記モータに流れる電流が前記リレーの定格通電電流と同じまたはそれより小さい第２閾値まで上昇した場合、前記オープン巻線モードに切替える、
　ことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
　前記コントローラは、
　前記オープン巻線モード時、前記モータに流れる電流が前記第２閾値より小さい第１閾値以下の状態を所定時間にわたり継続した場合、前記スター結線モードに切替える、
　ことを特徴とする請求項２に記載のモータ駆動装置。
　前記コントローラは、
　前記スター結線モード時、前記モータに流れる電流が前記リレーの定格通電電流と同じまたはそれより小さい第２閾値まで上昇した場合、および前記モータの回転数が第２設定値以上に上昇してその状態が所定時間にわたり継続した場合、前記オープン巻線モードに切替える、
　ことを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動装置。
　前記コントローラは、
　前記オープン巻線モード時、前記モータに流れる電流が前記第２閾値より小さい第１閾値以下の状態でかつ前記モータの回転数が前記第２設定値より低い第１設定値以下の状態を所定時間にわたり継続した場合、前記スター結線モードに切替える、
　ことを特徴とする請求項４に記載のモータ駆動装置。
　前記コントローラは、前記モータの起動に際し前記オープン巻線モードを設定する、
　ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のモータ駆動装置。
　請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のモータ駆動装置を備えた冷凍サイクル装置であって、
　前記コントローラは、当該冷凍サイクル装置の除霜運転の実行に際し、その除霜運転の開始前に前記モータに流れる電流にかかわらず前記オープン巻線モードを設定し、その設定状態を前記除霜運転が終了するまで継続する、
　ことを特徴とする冷凍サイクル装置。