(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石を備えた回転子とコイルを備えた固定子とで構成される永久磁石同期モータを有する圧縮機と、交流電圧を直流電圧にするコンバータと、前記コンバータから供給される直流電圧を三相交流電圧にし、前記圧縮機の回転数を制御するインバータと、前記インバータと前記永久磁石同期モータの間に位置し、前記インバータと前記永久磁石同期モータの間におけるコイルの接続を切り替えて各相におけるコイルの接続を変更するスイッチと、前記室内機の設定温度と室内温度の偏差に応じて前記スイッチを制御するコイル接続制御手段とを備えた室外機と、
前記室外機とともに冷凍サイクルを構成する室内機と、
を有する空気調和機において、
前記コイル接続制御手段は前記室内機の設定温度と室内温度の偏差に応じて前記スイッチを制御し、各相におけるコイルの接続を直列または並列に変更し、
各相におけるコイルの接続が並列である場合に、前記室内機の設定温度と室内温度の偏差が小さい運転条件に遷移したとき、前記圧縮機の運転を停止し、各相のコイルを直列に接続して前記圧縮機を起動することを特徴とする空気調和機。
【請求項２】
永久磁石を備えた回転子とコイルを備えた固定子とで構成される永久磁石同期モータを有する圧縮機と、交流電圧を直流電圧にするコンバータと、前記コンバータから供給される直流電圧を三相交流電圧にし、前記圧縮機の回転数を制御するインバータと、前記インバータと前記永久磁石同期モータの間に位置し、前記インバータと前記永久磁石同期モータの間におけるコイルの接続を切り替えて各相におけるコイルの接続を変更するスイッチと、前記圧縮機の最低回転数と実回転数の偏差に応じて前記スイッチを制御するコイル接続制御手段とを備えた室外機と、
前記室外機とともに冷凍サイクルを構成する室内機と、
を有する空気調和機において、
前記コイル接続制御手段は前記圧縮機の最低回転数と実回転数の偏差に応じて前記スイッチを制御し、各相におけるコイルの接続を直列または並列に変更し、
各相におけるコイルの接続が並列である場合に、前記圧縮機の最低回転数と実回転数の偏差が小さい運転条件に遷移したとき、前記圧縮機の運転を停止し、各相のコイルを直列に接続して前記圧縮機を起動することを特徴とする空気調和機。
【請求項３】
永久磁石を備えた回転子とコイルを備えた固定子とで構成される永久磁石同期モータを有する圧縮機と、交流電圧を直流電圧にするコンバータと、前記コンバータから供給される直流電圧を三相交流電圧にし、前記圧縮機の回転数を制御するインバータと、前記インバータと前記永久磁石同期モータの間に位置し、前記インバータと前記永久磁石同期モータの間におけるコイルの接続を切り替えて各相におけるコイルの接続を変更するスイッチと、前記インバータ電圧の変調率に応じて前記スイッチを制御するコイル接続制御手段とを備えた室外機と、
前記室外機とともに冷凍サイクルを構成する室内機と、
を有する空気調和機において、
前記コイル接続制御手段は前記インバータ電圧の変調率に応じて前記スイッチを制御し、各相におけるコイルの接続を直列または並列に変更し、
各相におけるコイルの接続が並列である場合に、前記インバータ電圧の変調率が最大変調率に対して半分以下である運転条件に遷移したとき、前記圧縮機の運転を停止し、各相のコイルを直列に接続して前記圧縮機を起動することを特徴とする空気調和機。
【請求項４】
請求項１において、
各相におけるコイルの接続が直列である場合に、前記室内機の設定温度と室内温度の偏差が大きい運転条件に遷移したとき、前記圧縮機の運転を停止し、各相のコイルを並列に接続して前記圧縮機を起動することを特徴とする空気調和機。
【請求項５】
請求項２において、
各相におけるコイルの接続が直列である場合に、前記圧縮機の最低回転数と実回転数の偏差が大きい運転条件に遷移したとき、前記圧縮機の運転を停止し、各相のコイルを並列に接続して前記圧縮機を起動することを特徴とする空気調和機。
【請求項６】
請求項３において、
各相におけるコイルの接続が直列である場合に、前記インバータ電圧の変調率が最大変調率に対して同等以上である運転条件に遷移したとき、前記圧縮機の運転を停止し、各相のコイルを並列に接続して前記圧縮機を起動することを特徴とする空気調和機。
【請求項７】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記圧縮機の運転が停止中であるとき、各相におけるコイルを直列に接続することを特徴とする空気調和機。
【請求項８】
請求項７において、
前記圧縮機が停止して所定時間経過後に運転開始する場合、各相におけるコイルを並列に接続して前記圧縮機を起動することを特徴とする空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は永久磁石同期モータを用いる圧縮機を搭載した室外機と、室内機から構成される空気調和機に係わる。
【背景技術】
【０００２】
空気調和機の室外機に搭載される圧縮機には永久磁石同期モータが広く用いられることが一般的である。その理由には直流モータの高効率性、回転制御の容易さなどがある。その永久磁石同期モータを駆動するには、三相交流電圧を印加する必要がある。具体的には、商用電源から直流電圧に変換した後、三相交流電圧に変換して与え、その電圧の周波数や大きさを回転子となるロータの角速度を一定とするために制御する必要がある。ここで、固定子となるステータのコイルには誘起電圧が発生するため、三相交流電圧は、その誘起電圧よりも大きな電圧が必要となる。これらは一般的に知られており、永久磁石同期モータを広範囲でかつ高効率に駆動する技術が多く提案されている。
【０００３】
例えば特許文献１は永久磁石同期モータに印加する三相交流電圧を形成する前の直流電圧を低圧から高圧まで高効率でかつ任意に可変する手段が提案されている。以下、その内容を簡単に説明する。商用電源にはリアクトルを介して整流回路とコンデンサからなる平滑回路が接続されている。これにより商用電源を全波整流して直流電圧を得ている。また、リアクトルには整流回路を介して商用電源を短絡できるスイッチング素子が接続されており、このスイッチを制御することによりリアクトルのエネルギー蓄積効果による昇圧と、商用電源電流波形の波形整形による力率改善を行っている。また、整流回路と平滑回路を構成するコンデンサの接続点を短絡するスイッチを構成することで全波と倍電圧整流を可能としており、直流電圧を任意に可変するときにもスイッチング素子による昇圧に要する損失を最小にする工夫をしている。
【０００４】
特許文献２では永久磁石同期モータの高回転駆動する際の直流電圧の昇圧による損失を低減する技術が提案されている。以下、その内容を簡単に説明する。ここでは永久磁石同期モータを駆動する制御技術としてベクトル制御を提案している。ベクトル制御の利点としては波形を正弦波状に整形できることからトルク脈動を最小にできることが知られているが、ここでは位相制御の容易性を利用した弱め磁束制御と、直流電圧制御の最適制御について空気調和機への適用例にて説明されている。空気調和機の圧縮機に用いる永久磁石同期モータは運転状態により低速から高速域までの広範囲で駆動する必要がある。一方、空気調和機では室内空調が安定する定格能力で運転される期間が総運転時間に対する高い割合であるため、定格能力で永久磁石同期モータの効率が最高点になるような最大回転数としている。なお、最大回転数とは直流電圧および負荷を一定として矩形波通電した際に最大運転できる回転数のことで前述の場合、定格能力における回転数および負荷のことである。その様な最大回転数である永久磁石モータを高回転で駆動するためには特許文献１のように直流電圧を昇圧する必要があるが、これでは直流電圧を昇圧する際の損失悪化が懸念される。その昇圧損失を最小とする、つまり直流電圧を大きくしなくても永久磁石モータを高回転域まで回せる技術としてベクトル制御による弱め磁束制御が提案されている。具体的には負のｄ軸電流を流すことにより生じる減磁作用により、永久磁石同期モータに印加する直流電圧の昇圧を最小とする工夫をしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２０６１３０号公報
【特許文献２】特開２００４−１０１１５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、永久磁石同期モータを広範囲に駆動するためには直流電圧の昇圧、弱め磁束制御などを行う必要がある。これらは永久磁石同期モータが或る一定の最高回転数を持っていて、その回転数が空気調和機において効率が要求される定格能力領域に設定される以上、それ以上の回転数を回すためには必要不可欠となるからである。
【０００７】
しかしながら、近年では住宅の高気密，高断熱化などが進んでいることもあり、定格よりも低い運転領域である中間能力に重点を置く通年エネルギー効率の改善が空気調和機の最重要課題となっており、前述した２つの技術では中間能力を改善すべく、永久磁石同期モータの最高回転数を下げることには限界がある。その限界とは永久磁石同期モータの回転数を中間能力付近にすると、最大回転数を維持するための直流電圧の昇圧や、弱め界磁制御のかけ方が大きくなることにより、最大能力時の空気調和機の効率の悪化，最悪の場合は圧縮機を安定して高回転させることができなくなるなどの問題がある。
【０００８】
本発明の目的は、通年エネルギー効率ＡＰＦが高い空気調和機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため本発明は、永久磁石を備えた回転子とコイルを備えた固定子とで構成される永久磁石同期モータを有する圧縮機と、交流電圧を直流電圧にするコンバータと、前記コンバータから供給される直流電圧を三相交流電圧にし、前記圧縮機の回転数を制御するインバータと、前記インバータと前記永久磁石同期モータの間に位置し、前記インバータと前記永久磁石同期モータの間におけるコイルの接続を切り替えて、各相におけるコイルの接続を変更するスイッチと、前記室内機の設定温度と室内温度の偏差に応じて前記スイッチを制御するコイル接続制御手段とを備えた室外機と、前記室外機とともに冷凍サイクルを構成する室内機と、を有する空気調和機において、前記コイル接続制御手段は前記室内機の設定温度と室内温度の偏差に応じて前記スイッチを制御し、各相におけるコイルの接続を直列または並列に変更し、各相におけるコイルの接続が並列である場合に、前記室内機の設定温度と室内温度の偏差が小さい運転条件に遷移したとき、前記圧縮機の運転を停止し、各相のコイルを直列に接続して前記圧縮機を起動することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、通年エネルギー効率ＡＰＦが高い空気調和機を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】空気調和機等の冷凍サイクル装置を示す図。
【図２】空気調和機における室外機の主要部の内部構成を示したブロック図。
【図３（ａ）】スイッチと永久磁石モータの各相が直列に接続される構成図。
【図３（ｂ）】スイッチと永久磁石モータの各相が並列に接続される構成図。
【図４】各相コイルを直並列接続した際の効率を比較したグラフ。
【図５】空気調和機の設定温度と室温の関係からスイッチを制御するタイムチャート。
【図６】圧縮機の設定回転数と実回転数の関係からスイッチを制御するタイムチャート。
【図７】本発明の実施例の出力と回転数との関係を表す図。
【図８】従来技術に用いられる制御ブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る空気調和機について、具体的に説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１は空気調和機等の冷凍サイクル装置を示す図である。６０は圧縮機、７０は第一熱交換器、８０は減圧装置、９０は第二熱交換器であり、これらを順次接続してループ上にすることにより冷凍サイクル装置を構成している。なお、この冷凍サイクル装置が空気調和機であれば、図示しない周知の四方弁を備えている。また、再熱除湿機能付きの空気調和機であれば、第一熱交換器７０または第二熱交換器９０のうち、室内機となる方の熱交換器を２つに分割して、その間に絞り弁を配設することとなる。
【００１４】
図２は本実施例の空気調和機における室外機の主要部の内部構成を示したブロック図である。６は圧縮機用の永久磁石同期モータであって、図１の圧縮機６０の中に入っている。１は商用電源、２は商用電源から供給される交流電圧を直流電圧にするコンバータ、３はコンバータから供給される直流電圧を三相交流電圧にするインバータ、４は永久磁石同期モータのステータのコイルの接続変更を可能とするスイッチ、５はステータのコイルの接続変更を制御するコイル接続制御手段である。
【００１５】
図３（ａ）にスイッチ４と永久磁石同期モータ６の各相が直列に接続される構成図を、図３（ｂ）にスイッチ４と永久磁石同期モータ６の各相が並列に接続される構成図を示す。ここではスイッチに一般的な電磁接点をもつリレーを用いており、直列接続時には各スイッチのコイル電力は必要無いように構成する。このことによりＡＰＦ改善効果の高い中間能力時に各相コイルを直列に接続する際にもコイル電力は必要がなく、かつ、一般リレーはスイッチ構成の低コスト化ができるので、安価で中間能力の改善に優位なコイル接続が可能となる。
【００１６】
図４は、ある一定のモータ最大回転数をもつ永久磁石同期モータの各相コイルを、空気調和機の中間能力における回転数で直並列接続に切替えた際のインバータ効率とモータ効率とをそれぞれ比較したグラフである。一定回転数において、直列接続時を基準として並列接続時モータに印加される電圧と電流を比較すると、各相コイルに誘起される電圧は約２倍となり、各相電流は約１／２となることは既知の事実である。よって、中間能力などの回転数が比較的小さい状態では各相コイルを直列接続することによりインバータ効率及びモータ効率が大幅に改善されることは推測でき、その効果が実測としても現れた結果となっている。
【００１７】
図５にスイッチ４をコイル接続制御手段５により切替えることで各相のコイルの直並列接続を変更するタイミングを、空気調和機の設定温度と室温の関係で制御した場合のタイムチャートを示す。
【００１８】
７が設定温度、８が室温、９が制御に用いる温度偏差である。温度偏差Δθは破線と破線とのギャップで表している。まず、設定温度７に対して室温８が追従するように推移し、その後、温度偏差９がある設定した値よりも小さくなった場合Δθ１、空調制御としては能力を下げるように動作するため、圧縮機回転数も下がることになる。そのため、圧縮機を一度、停止させ、各相コイルを直列に接続させるようにコイル接続制御手段５によりスイッチ４を制御して、圧縮機を再動作させる。
【００１９】
その後、何らかの理由により空調制御が追従しなくなり、設定温度に対して室温の関係が温度偏差９に設定した値よりも大きくなった場合Δθ２、空調制御としては能力を上げるように動作するため、圧縮機回転数も上がることになる。そのため、圧縮機を一度、停止させ、各相コイルを並列に接続させるようにコイル接続制御手段５によりスイッチ４を制御して、圧縮機を再動作させる。
【００２０】
なお、圧縮機６０が停止してから十分に時間が経って安定状態にある場合には、並列接続から圧縮機６０の運転を開始する。斯様な状態であれば、室内の設定温度と実温度との差が大きいことが多いと考えられるからであり、その際は定格能力が必要となるからである。
【００２１】
以上の一連の動作により、図７に示すとおり、１つの永久磁石同期モータでありながら２つの高効率点をもつ永久磁石同期モータとして利用することができる。これを空気調和機に適用すれば、中間能力（低速運転）と定格能力（高速運転）の高効率化を両立させる運転が可能となる。従って、通年エネルギー効率ＡＰＦを改善することができる。
【実施例２】
【００２２】
説明の無い点については基本的に実施例１と同様である。
【００２３】
図６にスイッチ４をコイル接続制御手段５により切替えることで各相のコイルの直並列接続を変更するタイミングを、圧縮機の最低回転数と実回転数の関係で制御した場合のタイムチャートを示す。
【００２４】
１０が最低回転数、１１が実回転数、１２が制御に用いる回転数偏差である。まず、最低回転数１０に対して実回転数１１が近づき、その後、回転数偏差１２で設定した或る値よりも小さくなった場合、空調制御としては能力を下げるように動作するため、圧縮機回転数も下がることになる。そのため、圧縮機を一度、停止させ、各相コイルを直列に接続させるようにコイル接続制御手段５によりスイッチ４を制御して、圧縮機を再動作させる。その後、何らかの理由により空調制御が追従しなくなり、最低回転数１０に対して実回転数１１の関係が回転数偏差１２に設定した値よりも大きくなった場合、空調制御としては能力を上げるように動作するため、圧縮機回転数も上がることになる。そのため、圧縮機を一度、停止させ、各相コイルを並列に接続させるようにコイル接続制御手段５によりスイッチ４を制御して、圧縮機を再動作させる。以上の一連の動作により、空気調和機の定格能力と中間能力の高効率化を両立させる運転が可能となる。
【実施例３】
【００２５】
説明の無い点については基本的に実施例１と同様である。
【００２６】
次にスイッチ４をコイル接続制御手段５により切替えることで各相のコイルの直並列接続を変更するタイミングを、インバータの変調率の関係で制御した場合について説明する。
【００２７】
なお、インバータ変調率とはモータをある一定回転数で回すときに必要となる各相の交流電圧に対して、直流電圧の１／２の値を除算して得られる値であり、インバータの電圧を三相変調する場合には最大が１，２相変調する場合には最大１.１５となる。まず、インバータ変調率が最大に対して半分以下となった場合、空調制御としては能力を下げるように動作するため、圧縮機回転数も下がることになる。そのため、圧縮機を一度、停止させ、各相コイルを直列に接続させるようにコイル接続制御手段５によりスイッチ４を制御して、圧縮機を再動作させる。その後、何らかの理由により空調制御が追従しなくなり、インバータ変調率が最大値同等以上になった場合は、空調制御としては能力を上げるように動作するため、圧縮機回転数も上がることになる。そのため、圧縮機を一度、停止させ、各相コイルを並列に接続させるようにコイル接続制御手段５によりスイッチ４を制御して、圧縮機を再動作させる。以上の一連の動作により、空気調和機の定格能力と中間能力の高効率化を両立させる運転が可能となる。
【符号の説明】
【００２８】
１  商用電源
２，３  インバータ
４  スイッチ
５  コイル接続制御手段
６  永久磁石同期モータ
７  設定温度
８  室温
９  設定温度と室温との温度偏差
１０  最低回転数
１１  実回転数
１２  最低回転数と実回転数との回転数偏差
６０  圧縮機
７０  第一熱交換器
８０  減圧装置
９０  第二熱交換器
【図１】
0005501132.tif 000002
【図２】
0005501132.tif 000003
【図３（ａ）】
0005501132.tif 000004
【図３（ｂ）】
0005501132.tif 000005
【図４】
0005501132.tif 000006
【図５】
0005501132.tif 000007
【図６】
0005501132.tif 000008
【図７】
0005501132.tif 000009
【図８】
0005501132.tif 000010