(57)【要約】  電動機巻線（２，３）を有する単相電動機（１８）を駆動する電動機駆動装置（５０）であって、電動機巻線（２，３）の接続状態を切り替える切替部（１９）と、スイッチング素子（４ａ〜７ａ）を含み、電動機巻線（２，３）への通電を制御するインバータ回路（１２）と、を備え、インバータ回路（１２）に印加される電圧、インバータ回路（１２）に流れる電流および単相電動機（１８）の回転速度のうち少なくとも１つに応じて、電動機巻線（２，３）の接続状態が変化する。
2019163025.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電動機巻線を有する単相電動機を駆動する電動機駆動装置であって、
前記複数の電動機巻線の接続状態を切り替える切替部と、
複数のスイッチング素子を含み、前記複数の電動機巻線への通電を制御するインバータ回路と、
を備え、
前記インバータ回路に印加される電圧、前記インバータ回路に流れる電流および前記単相電動機の回転速度のうち少なくとも１つに応じて、前記複数の電動機巻線の接続状態が変化する電動機駆動装置。
【請求項２】
前記インバータ回路の動作を制御するとともに、前記電圧、前記電流および前記回転速度のうち少なくとも１つに応じて前記切替部を制御し、前記複数の電動機巻線を直列または並列に接続する制御部、
を備える請求項１に記載の電動機駆動装置。
【請求項３】
第１の電動機巻線および第２の電動機巻線を有する単相電動機を駆動する電動機駆動装置であって、
複数のスイッチング素子を含み、前記第１の電動機巻線への通電を制御する第１のインバータ回路と、
複数のスイッチング素子を含み、前記第２の電動機巻線への通電を制御する第２のインバータ回路と、
前記第１の電動機巻線の一端と前記第２の電動機巻線の一端との開放および短絡を切り替える切替部と、
を備え、
前記第１のインバータ回路および前記第２のインバータ回路に印加される電圧、前記第１のインバータ回路および前記第２のインバータ回路に流れる電流、および前記単相電動機の回転速度のうち少なくとも１つに応じて、前記第１の電動機巻線および前記第２の電動機巻線の接続状態が変化する電動機駆動装置。
【請求項４】
前記第１のインバータ回路および前記第２のインバータ回路の動作を制御するとともに、前記電圧、前記電流および前記回転速度のうち少なくとも１つに応じて前記切替部を制御し、前記第１の電動機巻線の一端と前記第２の電動機巻線の一端とを開放したときは、前記第１のインバータ回路を介して前記第１の電動機巻線への通電を制御し、前記第２のインバータ回路を介して前記第２の電動機巻線への通電を制御し、前記第１の電動機巻線の一端と前記第２の電動機巻線の一端とを短絡したときは、前記第１のインバータ回路および前記第２のインバータ回路を介して、直列接続された前記第１の電動機巻線および前記第２の電動機巻線への通電を制御する制御部、
を備える請求項３に記載の電動機駆動装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記複数のスイッチング素子に対する制御信号、前記インバータ回路に流れる電流のうち少なくとも１つに基づいて前記回転速度を検出する、
請求項２に記載の電動機駆動装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記複数のスイッチング素子に対する制御信号、前記第１のインバータ回路に流れる電流、前記第２のインバータ回路に流れる電流のうち少なくとも１つに基づいて前記回転速度を検出する、
請求項４に記載の電動機駆動装置。
【請求項７】
前記回転速度を検出する回転数検出部、
を備える請求項２または４に記載の電動機駆動装置。
【請求項８】
前記複数のスイッチング素子を構成するダイオードを、ワイドバンドギャップ半導体によって形成する、
請求項１から７のいずれか１つに記載の電動機駆動装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１つに記載の電動機駆動装置を備える掃除機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単相電動機を駆動する電動機駆動装置および掃除機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、単相電動機を備える電動機駆動装置では、インバータ回路が、単相電動機の動作を制御している（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３７２９４５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の電動機駆動装置では、単相電動機の効率およびインバータ回路の効率を併せた総合効率は、インバータ回路の入力電圧および単相電動機の駆動条件に依存する。特許文献１に記載の電動機駆動装置は、単相電動機が低速で回転するときの効率は良いが、単相電動機が高速で回転するときの効率は悪いといった特性になることがある。このような特性を有する場合、特許文献１に記載の電動機駆動装置は、広い回転速度の範囲で駆動される製品に搭載される場合、単相電動機の回転速度によっては効率の悪い条件で駆動しなければならない、という問題があった。【０００５】
また、特許文献１に記載の電動機駆動装置は、ある電圧値で駆動するときの効率は良いが、別の電圧値で駆動するときの効率は悪いといった特性になることがある。このような特性を有する場合、特許文献１に記載の電動機駆動装置は、広い電圧の範囲で駆動される製品に搭載される場合、印加される電圧によっては効率の悪い条件で駆動しなければならない、という問題があった。【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、単相電動機を高効率で駆動できる電動機駆動装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数の電動機巻線を有する単相電動機を駆動する電動機駆動装置である。電動機駆動装置は、複数の電動機巻線の接続状態を切り替える切替部と、複数のスイッチング素子を含み、複数の電動機巻線への通電を制御するインバータ回路と、を備える。電動機駆動装置は、インバータ回路に印加される電圧、インバータ回路に流れる電流および単相電動機の回転速度のうち少なくとも１つに応じて、複数の電動機巻線の接続状態が変化する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る電動機駆動装置は、高効率で駆動できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１に係る電動機駆動装置の構成例を示す図
【図２】実施の形態１に係る電動機駆動装置における条件ごとの単相電動機の回転数および総合効率の特性の例を示す図
【図３】実施の形態１に係る電動機駆動装置における条件ごとの単相電動機の回転数および総合効率の特性の他の例を示す図
【図４】実施の形態１に係る電動機駆動装置が搭載された掃除機の構成例を示す図
【図５】実施の形態１に係る電動機駆動装置における制御部が単相電動機の回転数に基づいて切替部を制御する処理を示すフローチャート
【図６】実施の形態１に係る電動機駆動装置における制御部がインバータ回路に入力される直流電圧および単相電動機の回転数に基づいて切替部を制御する処理を示すフローチャート
【図７】実施の形態１に係る電動機駆動装置における制御部が単相電動機に流れる電流および単相電動機の回転数に基づいて切替部を制御する処理を示すフローチャート
【図８】実施の形態１に係る電動機駆動装置における制御部がインバータ回路に入力される直流電圧、単相電動機に流れる電流、および単相電動機の回転数に基づいて切替部を制御する処理を示すフローチャート
【図９】実施の形態１に係る電動機駆動装置が備える処理回路をプロセッサおよびメモリで構成する場合の例を示す図
【図１０】実施の形態１に係る電動機駆動装置が備える処理回路を専用のハードウェアで構成する場合の例を示す図
【図１１】実施の形態２に係る電動機駆動装置の構成例を示す図
【図１２】実施の形態２に係る電動機駆動装置における条件ごとの単相電動機の回転数および総合効率の特性の例を示す図
【図１３】実施の形態３に係る電動機駆動装置の構成例を示す図
【図１４】実施の形態４に係る電動機駆動装置の構成例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施の形態に係る電動機駆動装置および掃除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。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電動機駆動装置５０の構成例を示す図である。図１に示すように、電動機駆動装置５０は、直流電源３１および交流電源３２に接続される。以下では一例として、直流電源３１はＤＣ（Direct  Current）２０Ｖの直流電圧を供給するバッテリーとし、交流電源３２はＡＣ（Alternating  Current）１００Ｖの交流電圧を供給する家庭用交流電源とする。図１に示した例では、直流電源３１および交流電源３２の両方が電動機駆動装置５０に接続されているが、使用条件によってはいずれか一方のみが接続されることもある。電動機駆動装置５０は、直流電源３１から供給される直流電圧、または交流電源３２から供給される交流電圧によって動作する。電動機駆動装置５０は、整流器３３と、ダイオード３４と、コンデンサ１と、電圧検出部３５と、電流検出部３０と、インバータ回路１２と、単相電動機１８と、切替部１９と、回転数検出部３８と、制御部１４と、を備える。
【００１２】
整流器３３は、整流ダイオード３３ａ〜３３ｄを備える。電動機駆動装置５０では、整流器３３が交流電源３２から供給される交流電圧を整流して直流電圧に変換し、この直流電圧をコンデンサ１が平滑することによって、ＤＣ約１４１Ｖ（＝１００×√２Ｖ）の直流電圧が生成される。
【００１３】
ダイオード３４は、コンデンサ１の両端電圧が直流電源３１の電圧以上になった場合に、コンデンサ１から直流電源３１に電流が流れ込むのを防止するための逆流防止素子である。
【００１４】
電圧検出部３５は、コンデンサ１の両端電圧、すなわちインバータ回路１２に印加される電圧を検出する。電圧検出部３５は、抵抗値Ｒ１の抵抗３５ａ、および抵抗値Ｒ２の抵抗３５ｂから構成される分圧抵抗を備え、抵抗３５ｂの両端電圧を検出し、検出した電圧値を制御部１４に出力する。なお、電圧検出部３５から電圧値を取得する制御部１４は、あらかじめ抵抗３５ａの抵抗値Ｒ１および抵抗３５ｂの抵抗値Ｒ２の情報を保持している。そのため、制御部１４は、電圧検出部３５から取得した電圧値をＶ１とすると、「Ｖ１×（（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２）」の計算式から、実際のコンデンサ１の両端電圧を算出することができる。
【００１５】
電流検出部３０は、インバータ回路１２に流れる電流、すなわちコンデンサ１の正極からインバータ回路１２を経由してコンデンサ１の負極に流れる電流を検出する。インバータ回路１２に流れる電流は、後述する単相電動機１８の電動機巻線２，３に流れる電流である。電流検出部３０は、検出した電流値を制御部１４に出力する。図１に示す電動機駆動装置５０では、電流検出部３０は、コンデンサ１とインバータ回路１２との間に接続されているが、一例であり、インバータ回路１２に流れる電流を検出できる場所であれば、電流検出部３０の接続箇所は図１に示す場所に限定されない。
【００１６】
インバータ回路１２は、スイッチング素子４ａ〜７ａと、スイッチング素子４ａ〜７ａの各々に並列に接続されたダイオード４ｂ〜７ｂと、を備える。インバータ回路１２は、制御部１４から取得した制御信号１５に基づいてスイッチング素子４ａ〜７ａをオンまたはオフし、電動機巻線２，３に流す電流を制御する、すなわち電動機巻線２，３への通電を制御する。なお、ダイオード４ｂ〜７ｂは、スイッチング素子４ａ〜７ａに内蔵される寄生ダイオードであってもよい。
【００１７】
単相電動機１８は、電動機巻線２，３を備える。電動機巻線２，３は、スイッチング素子４ａとスイッチング素子６ａとの間に位置する接続点とスイッチング素子５ａとスイッチング素子７ａとの間に位置する接続点との間に接続され、切替部１９の制御によって直列または並列に接続される。単相電動機１８は、インバータ回路１２から電動機巻線２，３に電流が流されることによって、図示しない回転子を駆動すなわち回転させる。記載を簡潔にするため、以降の説明において、スイッチング素子４ａとスイッチング素子６ａとの間に位置する接続点をスイッチング素子４ａ，６ａの接続点と称し、スイッチング素子５ａとスイッチング素子７ａとの間に位置する接続点をスイッチング素子５ａ，７ａの接続点と称する。
【００１８】
切替部１９は、電動機巻線２，３の接続状態を切り替え、電動機巻線２，３を直列または並列に接続する。切替部１９は、スイッチ２５，２６を備える。スイッチ２５は、電動機巻線２と直列に接続される。スイッチング素子４ａ，６ａの接続点と電動機巻線２の一端とが接続され、電動機巻線２の他端とスイッチ２５の一端とが接続され、スイッチ２５の他端とスイッチング素子５ａ，７ａの接続点とが接続される。スイッチ２５は、制御部１４からの制御信号１７ａに基づいて、開くまたは閉じる。スイッチ２６は、電動機巻線３と直列に接続される。スイッチ２６は、３つの端子２６ａ〜２６ｃを有し、端子２６ｃと端子２６ａとの接続、または端子２６ｃと端子２６ｂとの接続のうちの一方を選択するスイッチである。スイッチング素子４ａ，６ａの接続点とスイッチ２６の端子２６ａとが接続され、スイッチ２６の端子２６ｃと電動機巻線３の一端とが接続され、電動機巻線３の他端とスイッチング素子５ａ，７ａの接続点とが接続される。また、スイッチ２６の端子２６ｂが、電動機巻線２とスイッチ２５との間の接続点に接続される。スイッチ２６は、制御部１４からの制御信号１７ｂに基づいて、端子２６ｃの接続先を切り替える。
【００１９】
回転数検出部３８は、単相電動機１８の図示しない回転子の回転速度、すなわち単位時間当たりの回転数を検出する。以降の説明では、回転速度を回転数と表す。回転数検出部３８は、検出した回転数を制御部１４に出力する。
【００２０】
制御部１４は、電圧検出部３５で検出される電圧値、電流検出部３０で検出される電流値、回転数検出部３８で検出される回転数などを用いて、インバータ回路１２の動作を制御する。具体的には、制御部１４は、インバータ回路１２へ制御信号１５を出力し、インバータ回路１２が備えるスイッチング素子４ａ〜７ａのオンオフを制御する。また、制御部１４は、電圧検出部３５で検出される電圧値、電流検出部３０で検出される電流値、および回転数検出部３８で検出される回転数のうち少なくとも１つに応じて、切替部１９へ制御信号１７ａ，１７ｂを出力し、切替部１９が備えるスイッチ２５，２６を制御する。制御部１４は、切替部１９が備えるスイッチ２５，２６を制御することにより、電動機巻線２，３を直列または並列に接続する。回転数検出部３８で検出される回転数を用いる代わりに、制御部１４は、インバータ回路１２へ出力するスイッチング素子４ａ〜７ａに対する制御信号１５、インバータ回路１２に流れる電流のうち少なくとも１つに基づいて単相電動機１８の回転数を検出してもよい。この場合、電動機駆動装置５０は、回転数検出部３８を備えなくてもよい。
【００２１】
つづいて、電動機駆動装置５０の動作について説明する。電動機駆動装置５０では、制御部１４の制御により、スイッチ２５を開き、スイッチ２６において端子２６ｂと端子２６ｃとを接続すると、電動機巻線２，３は直列接続となる。このときの接続状態を直列接続モードとし、このときの特性を条件Ａとする。また、電動機駆動装置５０では、制御部１４の制御により、スイッチ２５を閉じ、スイッチ２６において端子２６ａと端子２６ｃとを接続すると、電動機巻線２，３は並列接続となる。このときの接続状態を並列接続モードとし、このときの特性を条件Ｂとする。電動機駆動装置５０では、電動機巻線２，３が直列接続になる条件Ａの場合、電動機巻線２，３が並列接続になる条件Ｂの場合と比較して、単相電動機１８の誘起電圧が高くなる。そのため、電動機駆動装置５０は、条件Ａで単相電動機１８を駆動した場合、条件Ｂで単相電動機１８を駆動した場合と比較して、単相電動機１８を低回転の領域で効率良く駆動することができる。また、電動機駆動装置５０は、条件Ｂで単相電動機１８を駆動した場合、条件Ａで単相電動機１８を駆動した場合と比較して、単相電動機１８を高回転の領域で効率良く駆動することができる。
【００２２】
図２は、実施の形態１に係る電動機駆動装置５０における条件ごとの単相電動機１８の回転数および総合効率の特性の例を示す図である。図２において、横軸は単相電動機１８の回転数を示し、縦軸は総合効率を示す。総合効率は、インバータ回路１２の効率および単相電動機１８の効率を併せたものである。図２に示すように、電動機駆動装置５０は、条件Ａで単相電動機１８を駆動した場合、単相電動機１８の回転数が０近辺から大きくなるにつれて総合効率が高くなり、回転数Ｓ１をピークにして総合効率が低下する。同様に、電動機駆動装置５０は、条件Ｂで単相電動機１８を駆動した場合、単相電動機１８の回転数が０近辺から大きくなるにつれて総合効率が高くなり、回転数Ｓ３をピークにして総合効率が低下する。また、図２は、電動機駆動装置５０が条件Ａまたは条件Ｂで単相電動機１８を駆動する場合、単相電動機１８の回転数Ｓ２を境に効率が逆転することを示している。すなわち、電動機駆動装置５０は、単相電動機１８の回転数がＳ２までは条件Ａで単相電動機１８を駆動した方が効率は良く、単相電動機１８の回転数がＳ２より大きくなると条件Ｂで単相電動機１８を駆動した方が効率は良い。ここで、条件Ａに示す回転数Ｓ１、および条件Ｂに示す回転数Ｓ３は、インバータ回路１２から単相電動機１８に印加されるインバータ出力電圧に依存している。また、インバータ出力電圧は、インバータ回路１２の入力電圧、すなわちコンデンサ１の両端電圧に依存している。
【００２３】
図３は、実施の形態１に係る電動機駆動装置５０における条件ごとの単相電動機１８の回転数および総合効率の特性の他の例を示す図である。電動機駆動装置５０では、インバータ回路１２に入力される電圧、すなわちコンデンサ１の両端電圧を大きくした場合、直列接続モードのときの特性は図３に示す条件Ｃのような特性になり、並列接続モードのときの特性は図３に示す条件Ｄのような特性になる。直列接続モードにおいて、電動機駆動装置５０は、条件Ａでは回転数Ｓ１のときに総合効率が最大値η１となる。従って、電動機駆動装置５０は、条件Ａでは回転数Ｓ１のときに総合効率η１で単相電動機１８を駆動することができる。一方、電動機駆動装置５０は、コンデンサ１の両端電圧を条件Ａより大きくした条件Ｃでは回転数Ｓ４のときに総合効率が最大値η２となる。従って、電動機駆動装置５０は、条件Ｃでは回転数Ｓ４のときに総合効率η２で単相電動機１８を駆動することができる。また、並列接続モードにおいて、電動機駆動装置５０は、条件Ｂでは回転数Ｓ３のときに総合効率が最大値となる。従って、電動機駆動装置５０は、条件Ｂでは回転数Ｓ３のときに最大の総合効率で単相電動機１８を駆動することができる。一方、電動機駆動装置５０は、コンデンサ１の両端電圧を条件Ｂより大きくした条件Ｄでは回転数Ｓ６のときに総合効率が最大値となる。従って、電動機駆動装置５０は、条件Ｄでは回転数Ｓ６のときに最大の総合効率で単相電動機１８を駆動することができる。また、図３は、電動機駆動装置５０が条件Ｃまたは条件Ｄで単相電動機１８を駆動する場合、単相電動機１８の回転数Ｓ５を境に効率が逆転することを示している。なお、回転数Ｓ１＜回転数Ｓ４とし、回転数Ｓ３＜回転数Ｓ６とし、総合効率η１＜総合効率η２とする。
【００２４】
前述のように、電動機駆動装置５０では、整流器３３が交流電源３２から供給される交流電圧を整流して直流電圧に変換し、この直流電圧をコンデンサ１が平滑することによって、ＤＣ約１４１Ｖ（＝１００×√２Ｖ）の直流電圧を生成する。交流電源３２から供給される交流電圧から生成される直流電圧のＤＣ約１４１Ｖは、直流電源３１から供給される直流電圧のＤＣ２０Ｖよりも大きい。すなわち、電動機駆動装置５０は、直流電源３１を使用する場合は条件Ａまたは条件Ｂで単相電動機１８を駆動し、交流電源３２を使用する場合は条件Ｃまたは条件Ｄで単相電動機１８を駆動する。
【００２５】
具体的には、電動機駆動装置５０は、直流電源３１を用いて単相電動機１８を駆動する際に条件Ｂを選択すると、回転数Ｓ３で総合効率がピークになる。電動機駆動装置５０は、単相電動機１８の電動機巻線２，３が同じ並列接続で、交流電源３２を用いて単相電動機１８を駆動する際に条件Ｄを選択すると、回転数Ｓ６で総合効率がピークになる。このように、電動機駆動装置５０は、単相電動機１８を駆動する際の電圧値を変更することによって、単相電動機１８を高回転まで高効率で駆動することができる。同様に、電動機駆動装置５０は、直流電源３１を用いて単相電動機１８を駆動する際に条件Ａを選択すると、回転数Ｓ１で総合効率がピークになる。電動機駆動装置５０は、単相電動機１８の電動機巻線２，３が同じ直列接続で、交流電源３２を用いて単相電動機１８を駆動する際に条件Ｃを選択すると、回転数Ｓ４で総合効率がピークになる。このように、電動機駆動装置５０は、単相電動機１８を駆動する際の電圧値を変更することによって、単相電動機１８を高回転まで高効率で駆動することができる。
【００２６】
また、電動機駆動装置５０は、単相電動機１８を回転数Ｓ３で駆動しているときに、使用する電源を直流電源３１から交流電源３２に切り替える場合、単相電動機１８の電動機巻線２，３の接続を並列接続モードから直列接続モードに切り替える。すなわち、電動機駆動装置５０は、条件Ｂから条件Ｃに切り替えて、単相電動機１８を駆動する。これにより、電動機駆動装置５０は、総合効率を差分Δηだけ改善することができる。
【００２７】
ここで、電動機駆動装置５０をバッテリーおよび家庭用交流電源の両方で運転できる掃除機に適用した例について説明する。図４は、実施の形態１に係る電動機駆動装置５０が搭載された掃除機６１の構成例を示す図である。掃除機６１は、ごみを吸い込む吸込口体６３と、ごみが集められる集塵部６５と、吸込口体６３と集塵部６５とを繋ぐ延長管６２と、ユーザが掃除機６１を使用する際に掴む把持部６６と、ごみを吸い込むための電動送風機６４が格納された本体部６７と、を備える。掃除機６１において、電動送風機６４には電動機駆動装置５０が搭載されており、把持部６６には直流電源３１が格納されている。電動機駆動装置５０は、バッテリーである直流電源３１、または図示しない家庭用交流電源である交流電源３２から供給される電圧によって駆動する。
【００２８】
掃除機６１では、集塵性能、仕事率などを満足するため、延長管６２による風路、電動送風機６４の仕様などから決められる単相電動機１８の回転数を確保する必要がある。例えば、掃除機６１の電動機駆動装置５０が備える単相電動機１８に必要とされる回転数の範囲が５万ｒｐｍ〜１０万ｒｐｍとする。すなわち、電動機駆動装置５０は、５万ｒｐｍ〜１０万ｒｐｍの回転数の範囲で単相電動機１８を駆動する。掃除機６１において電動機駆動装置５０は、直流電源３１で駆動するときの総合効率の特性が図２，３に示す条件Ａ，Ｂの場合、単相電動機１８の回転数と総合効率の関係から、単相電動機１８の回転数により条件Ａまたは条件Ｂ、すなわち直列接続モードまたは並列接続モードを選択して単相電動機１８を駆動することが可能である。電動機駆動装置５０は、例えば、Ｓ２＜５万ｒｐｍの場合、必要とされる回転数の範囲５万ｒｐｍ〜１０万ｒｐｍの下限値を回転数Ｓ２が下回るので、並列接続モードで単相電動機１８を駆動することを選択する。
【００２９】
図５は、実施の形態１に係る電動機駆動装置５０における制御部１４が単相電動機１８の回転数に基づいて切替部１９を制御する処理を示すフローチャートである。制御部１４は、単相電動機１８の回転数を確認する（ステップＳＴ１）。制御部１４は、単相電動機１８の回転数がＳ２より大きい場合（ステップＳＴ１：Ｙｅｓ）、切替部１９を制御して、並列接続モードで単相電動機１８を駆動する（ステップＳＴ２）。制御部１４は、単相電動機１８の回転数がＳ２以下の場合（ステップＳＴ１：Ｎｏ）、切替部１９を制御して、直列接続モードで単相電動機１８を駆動する（ステップＳＴ３）。
【００３０】
つぎに、掃除機６１において電動機駆動装置５０は、家庭用交流電源で駆動するときの総合効率の特性が図３に示す条件Ｃ，Ｄの場合、単相電動機１８の回転数と総合効率の関係から、単相電動機１８の回転数により条件Ｃまたは条件Ｄ、すなわち直列接続モードまたは並列接続モードを選択して単相電動機１８を駆動することが可能である。電動機駆動装置５０は、例えば、Ｓ５＞１０万ｒｐｍの場合、必要とされる回転数の範囲５万ｒｐｍ〜１０万ｒｐｍの上限値を回転数Ｓ５が上回るので、直列接続モードで単相電動機１８を駆動することを選択する。
【００３１】
図６は、実施の形態１に係る電動機駆動装置５０における制御部１４がインバータ回路１２に入力される直流電圧および単相電動機１８の回転数に基づいて切替部１９を制御する処理を示すフローチャートである。制御部１４は、電圧検出部３５の検出値に基づいて、コンデンサ１の両端電圧すなわちインバータ回路１２に入力される直流電圧が５０Ｖより小さいか否かを判定する（ステップＳＴ１１）。なお、閾値の５０Ｖは一例である。前述のように直流電源３１を使用した場合は直流電圧２０Ｖであり、交流電源３２を使用した場合は直流電圧１４１Ｖであることから、直流電圧２０Ｖと直流電圧１４１Ｖとを識別できる値であれば、閾値は他の値であってもよい。制御部１４は、インバータ回路１２に入力される直流電圧が５０Ｖより小さい場合（ステップＳＴ１１：Ｙｅｓ）、交流電源３２を使用していると判断し、単相電動機１８の回転数を確認する（ステップＳＴ１２）。制御部１４は、単相電動機１８の回転数がＳ２より大きい場合（ステップＳＴ１２：Ｙｅｓ）、切替部１９を制御して、並列接続モードで単相電動機１８を駆動する（ステップＳＴ１３）。制御部１４は、単相電動機１８の回転数がＳ２以下の場合（ステップＳＴ１２：Ｎｏ）、切替部１９を制御して、直列接続モードで単相電動機１８を駆動する（ステップＳＴ１４）。
【００３２】
制御部１４は、インバータ回路１２に入力される直流電圧が５０Ｖ以上の場合（ステップＳＴ１１：Ｎｏ）、直流電源３１を使用していると判断し、単相電動機１８の回転数を確認する（ステップＳＴ１５）。制御部１４は、単相電動機１８の回転数がＳ５より大きい場合（ステップＳＴ１５：Ｙｅｓ）、切替部１９を制御して、並列接続モードで単相電動機１８を駆動する（ステップＳＴ１３）。制御部１４は、単相電動機１８の回転数がＳ５以下の場合（ステップＳＴ１５：Ｎｏ）、切替部１９を制御して、直列接続モードで単相電動機１８を駆動する（ステップＳＴ１４）。
【００３３】
なお、制御部１４は、電流検出部３０から電流値を取得しているので、この電流値を用いて切替部１９の制御を行ってもよい。制御部１４は、電流検出部３０で検出された電流値に基づいて過電流の有無を判定することで、電動機巻線２，３に過電流が流れる事態を回避することができる。図７は、実施の形態１に係る電動機駆動装置５０における制御部１４が単相電動機１８に流れる電流および単相電動機１８の回転数に基づいて切替部１９を制御する処理を示すフローチャートである。制御部１４は、単相電動機１８の回転数を確認する（ステップＳＴ２１）。制御部１４は、単相電動機１８の回転数がＳ２より大きい場合（ステップＳＴ２１：Ｙｅｓ）、切替部１９を制御して、並列接続モードで単相電動機１８を駆動する（ステップＳＴ２２）。制御部１４は、単相電動機１８の回転数がＳ２以下の場合（ステップＳＴ２１：Ｎｏ）、単相電動機１８の電流値が２０Ａより大きいか否かを判定する（ステップＳＴ２３）。なお、閾値の２０Ａは一例である。単相電動機１８の電動機巻線２，３に流すことが可能な電流値に基づいて、設計者などが閾値を設定する。制御部１４は、単相電動機１８の電流値が２０Ａより大きい場合（ステップＳＴ２３：Ｙｅｓ）、切替部１９を制御して、並列接続モードで単相電動機１８を駆動する（ステップＳＴ２２）。電動機駆動装置５０は、電流値が閾値より大きい場合、電動機巻線２，３を並列接続にして各電動機巻線２，３に流れる電流を分散させる。制御部１４は、単相電動機１８の電流値が２０Ａ以下の場合（ステップＳＴ２３：Ｎｏ）、切替部１９を制御して、直列接続モードで単相電動機１８を駆動する（ステップＳＴ２４）。
【００３４】
図８は、実施の形態１に係る電動機駆動装置５０における制御部１４がインバータ回路１２に入力される直流電圧、単相電動機１８に流れる電流、および単相電動機１８の回転数に基づいて切替部１９を制御する処理を示すフローチャートである。制御部１４は、電圧検出部３５の検出値に基づいて、コンデンサ１の両端電圧すなわちインバータ回路１２に入力される直流電圧が５０Ｖより小さいか否かを判定する（ステップＳＴ３１）。制御部１４は、インバータ回路１２に入力される直流電圧が５０Ｖより小さい場合（ステップＳＴ３１：Ｙｅｓ）、交流電源３２を使用していると判断し、単相電動機１８の回転数を確認する（ステップＳＴ３２）。制御部１４は、単相電動機１８の回転数がＳ２より大きい場合（ステップＳＴ３２：Ｙｅｓ）、切替部１９を制御して、並列接続モードで単相電動機１８を駆動する（ステップＳＴ３３）。制御部１４は、単相電動機１８の回転数がＳ２以下の場合（ステップＳＴ３２：Ｎｏ）、単相電動機１８の電流値が２０Ａより大きいか否かを判定する（ステップＳＴ３４）。制御部１４は、単相電動機１８の電流値が２０Ａより大きい場合（ステップＳＴ３４：Ｙｅｓ）、切替部１９を制御して、並列接続モードで単相電動機１８を駆動する（ステップＳＴ３３）。制御部１４は、単相電動機１８の電流値が２０Ａ以下の場合（ステップＳＴ３４：Ｎｏ）、切替部１９を制御して、直列接続モードで単相電動機１８を駆動する（ステップＳＴ３５）。
【００３５】
制御部１４は、インバータ回路１２に入力される直流電圧が５０Ｖ以上の場合（ステップＳＴ３１：Ｎｏ）、直流電源３１を使用していると判断し、単相電動機１８の回転数を確認する（ステップＳＴ３６）。制御部１４は、単相電動機１８の回転数がＳ５より大きい場合（ステップＳＴ３６：Ｙｅｓ）、切替部１９を制御して、並列接続モードで単相電動機１８を駆動する（ステップＳＴ３３）。制御部１４は、単相電動機１８の回転数がＳ５以下の場合（ステップＳＴ３６：Ｎｏ）、単相電動機１８の電流値が４０Ａより大きいか否かを判定する（ステップＳＴ３７）。なお、閾値の４０Ａは一例である。インバータ回路１２に入力される直流電圧の大きさに応じて、設計者などが閾値を設定する。設計者などは、ステップＳＴ３７用の閾値を、ステップＳＴ３４用の閾値より大きな値に設定してもよい。制御部１４は、単相電動機１８の電流値が４０Ａより大きい場合（ステップＳＴ３７：Ｙｅｓ）、切替部１９を制御して、並列接続モードで単相電動機１８を駆動する（ステップＳＴ３３）。制御部１４は、単相電動機１８の電流値が４０Ａ以下の場合（ステップＳＴ３７：Ｎｏ）、切替部１９を制御して、直列接続モードで単相電動機１８を駆動する（ステップＳＴ３５）。
【００３６】
なお、電動機駆動装置５０において、制御部１４が、単相電動機１８の回転数とともに、電圧検出部３５で検出された電圧値、電流検出部３０で検出された電流値などを用いて切替部１９を制御する場合について説明したが、制御部１４の制御方法はこれらに限定されない。制御部１４は、例えば、単相電動機１８の回転数の範囲が図３に示す回転数Ｓ３から回転数Ｓ４の間の狭い範囲に限定される場合、電圧検出部３５で検出された電圧値のみに基づいて、または電流検出部３０で検出された電流値のみに基づいて、切替部１９を制御してもよい。
【００３７】
また、電動機駆動装置５０に接続される直流電源３１および交流電源３２は一例であり、これに限定されない。電動機駆動装置５０のコンデンサ１に異なる電圧値の直流電圧を印加することができれば、直流電源３１および交流電源３２以外の電源を用いてもよい。
【００３８】
つづいて、電動機駆動装置５０のハードウェア構成について説明する。電動機駆動装置５０において、制御部１４は、処理回路により実現される。すなわち、電動機駆動装置５０は、単相電動機１８を高効率で駆動するための処理回路を備える。処理回路は、メモリに格納されるプログラムを実行するプロセッサおよびメモリであってもよいし、専用のハードウェアであってもよい。
【００３９】
図９は、実施の形態１に係る電動機駆動装置５０が備える処理回路をプロセッサおよびメモリで構成する場合の例を示す図である。処理回路がプロセッサ９１およびメモリ９２で構成される場合、処理回路の各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアまたはファームウェアはプログラムとして記述され、メモリ９２に格納される。処理回路では、メモリ９２に記憶されたプログラムをプロセッサ９１が読み出して実行することにより、各機能を実現する。すなわち、処理回路は、単相電動機１８を高効率で駆動することが結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ９２を備える。また、これらのプログラムは、制御部１４の手順および方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。
【００４０】
ここで、プロセッサ９１は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、またはＤＳＰ（Digital  Signal  Processor）などであってもよい。また、メモリ９２には、例えば、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable  Programmable  ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically  ＥＰＲＯＭ）などの、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、またはＤＶＤ（Digital  Versatile  Disc）などが該当する。
【００４１】
図１０は、実施の形態１に係る電動機駆動装置５０が備える処理回路を専用のハードウェアで構成する場合の例を示す図である。処理回路が専用のハードウェアで構成される場合、図１０に示す処理回路９３は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application  Specific  Integrated  Circuit）、ＦＰＧＡ（Field  Programmable  Gate  Array）、またはこれらを組み合わせたものが該当する。制御部１４の各機能を機能別に処理回路９３で実現してもよいし、各機能をまとめて処理回路９３で実現してもよい。
【００４２】
なお、制御部１４の各機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。このように、処理回路は、専用のハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって、上述の各機能を実現することができる。以降の実施の形態で説明する電動機駆動装置の制御部も、同様のハードウェア構成である。
【００４３】
以上説明したように、本実施の形態によれば、電動機駆動装置５０では、制御部１４は、電圧検出部３５で検出された電圧値、電流検出部３０で検出された電流値、および単相電動機１８の回転数のうち少なくとも１つに応じて切替部１９を制御し、電動機巻線２，３を直列接続、または並列接続にすることとした。これにより、電動機駆動装置５０は、使用される電源の電圧、単相電動機１８の回転数などに応じて、単相電動機１８を高効率で駆動することができる。また、電動機駆動装置５０は、交流電源３２を用いて運転する場合、制御部１４が条件Ｄの並列接続モードを選択することで、直流電源３１を用いる場合と比較して、単相電動機１８を、高回転、高効率、かつハイパワーで駆動させることも可能である。
【００４４】
実施の形態２．
実施の形態１では、単相電動機１８が備える電動機巻線２，３の数は２つであったが、電動機巻線の数を３つ以上にすることも可能である。実施の形態２では、一例として、単相電動機が４つの電動機巻線を備える場合について説明する。
【００４５】
図１１は、実施の形態２に係る電動機駆動装置５０ａの構成例を示す図である。電動機駆動装置５０ａは、図１に示す実施の形態１の電動機駆動装置５０に対して、単相電動機１８および切替部１９を削除し、単相電動機３７および切替部３６を追加したものである。
【００４６】
単相電動機３７は、電動機巻線３７ａ〜３７ｄを備える。電動機巻線３７ａ〜３７ｄは、スイッチング素子４ａ，６ａの接続点とスイッチング素子５ａ，７ａの接続点との間に接続され、切替部３６の制御によって直列または並列に接続される。単相電動機３７は、インバータ回路１２から電動機巻線３７ａ〜３７ｄに電流が流されることによって、図示しない回転子を回転させる。
【００４７】
切替部３６は、スイッチ３６ａ〜３６ｆを備える。スイッチ３６ａ〜３６ｃは、図１に示す実施の形態１のスイッチ２５と同様の構成であり、スイッチ３６ｄ〜３６ｆは、図１に示す実施の形態１のスイッチ２６と同様の構成である。切替部３６は、スイッチ３６ａ〜３６ｃを開き、スイッチ３６ｄ〜３６ｆを電動機巻線３７ａ〜３７ｄが直列となるよう接続することで、４直列の電動機巻線を構成することができる。また、切替部３６は、スイッチ３６ａ〜３６ｃを閉じ、電動機巻線３７ａ〜３７ｄのそれぞれの一端が短絡するようスイッチ３６ｄ〜３６ｆを接続することで、４並列の電動機巻線を構成することができる。スイッチ３６ａ〜３６ｃは、制御部１４からの制御信号１７ａに基づいて、閉じる、または開く。また、スイッチ３６ｄ〜３６ｆは、制御部１４からの制御信号１７ｂに基づいて、接続先を切り替える。
【００４８】
つづいて、電動機駆動装置５０ａの動作について説明する。実施の形態１の電動機駆動装置５０は、２つの電動機巻線２，３を用いて直列接続モードまたは並列接続モードに切り替えていたが、実施の形態２の電動機駆動装置５０ａは、４つの電動機巻線３７ａ〜３７ｄを用いて直列接続モードまたは並列接続モードに切り替える。この場合、実施の形態２の電動機駆動装置５０ａでは、実施の形態１の電動機駆動装置５０と比較して、直列接続モードのときの誘起電圧と並列接続モードのときの誘起電圧との差が大きくなる。図１２は、実施の形態２に係る電動機駆動装置５０ａにおける条件ごとの単相電動機３７の回転数および総合効率の特性の例を示す図である。図１２に示す特性では、図３に示す実施の形態１のときの特性と比較して、並列接続モードである条件Ｂ，Ｄの特性が高回転側に移動している。例えば、電動機駆動装置５０ａは、単相電動機３７を回転数Ｓ３で駆動中に使用する電源を直流電源３１から交流電源３２に切り替える場合、単相電動機３７の電動機巻線３７ａ〜３７ｄの接続を並列接続モードの条件Ｂから直列接続モードの条件Ｃに切り替える。これにより、電動機駆動装置５０ａは、総合効率を差分Δη´だけ改善することができ、実施の形態１のときの改善効果の差分Δηよりも大きな改善効果を得ることができる。
【００４９】
電動機駆動装置５０ａでは、単相電動機に使用する電動機巻線の数を増やすほど、図１２の例において、並列接続モードである条件Ｂ，Ｄの特性を高回転側に移動することができる。そのため、電動機駆動装置５０ａが搭載される機器の設計者は、想定される単相電動機の回転数に応じて、単相電動機で使用される電動機巻線の数を決定すればよい。
【００５０】
実施の形態２では、実施の形態１と比較して、電動機巻線の数が異なり、切替部の形態も異なるが、制御部１４における電動機巻線を並列接続モードにするか直列接続モードにするのかの判定方法は、実施の形態１のときと同様である。
【００５１】
以上説明したように、本実施の形態によれば、電動機駆動装置５０ａは、単相電動機３７は電動機巻線３７ａ〜３７ｄを備え、電動機巻線３７ａ〜３７ｄを並列接続モードで使用する場合、並列接続モードでの総合効率の特性を、単相電動機３７の回転数に対して高回転側に移動させることができる。これにより、電動機駆動装置５０ａは、実施の形態１の電動機駆動装置５０と比較して、広い回転数範囲で使用される場合に単相電動機３７を高効率で駆動することができる。また、実施の形態１の電動機駆動装置５０と同様、電動機駆動装置５０ａを掃除機６１に搭載することが可能である。
【００５２】
なお、電動機駆動装置５０ａでは、複数の電動機巻線を全て直列接続または並列接続にするのではなく、直列接続と並列接続とを組み合わせてもよい。電動機駆動装置５０ａは、スイッチ３６ｄ〜３６ｆを制御して、図１１の例では、電動機巻線３７ａ，３７ｂを直列接続させ、電動機巻線３７ｃ，３７ｄを直列接続させ、電動機巻線３７ａ，３７ｂと電動機巻線３７ｃ，３７ｄとを並列接続させることも可能である。
【００５３】
実施の形態３．
実施の形態１の電動機駆動装置５０では、１つのインバータ回路１２が複数の電動機巻線２，３に電流を流していた。実施の形態３では、電動機駆動装置が複数のインバータ回路を備え、複数のインバータ回路を用いて複数の電動機巻線２，３に電流を流す。実施の形態１と異なる部分について説明する。
【００５４】
図１３は、実施の形態３に係る電動機駆動装置５０ｂの構成例を示す図である。電動機駆動装置５０ｂは、図１に示す実施の形態１の電動機駆動装置５０に対して、切替部１９を削除し、インバータ回路１３および切替部２４を追加したものである。
【００５５】
インバータ回路１３は、スイッチング素子８ａ〜１１ａと、スイッチング素子８ａ〜１１ａのそれぞれに並列に接続されたダイオード８ｂ〜１１ｂと、を備える。インバータ回路１３は、制御部１４から取得した制御信号１６に基づいてスイッチング素子８ａ〜１１ａをオンまたはオフし、電動機巻線２，３が並列接続モードの場合に電動機巻線３に流す電流を制御する、すなわち電動機巻線３への通電を制御する。なお、ダイオード８ｂ〜１１ｂは、スイッチング素子８ａ〜１１ａに内蔵される寄生ダイオードであってもよい。
【００５６】
インバータ回路１２は、図１に示す実施の形態１では電動機巻線２，３に流す電流を制御していたが、図１３に示す実施の形態３では、電動機巻線２，３が並列接続モードの場合に電動機巻線２に流す電流を制御する、すなわち電動機巻線２への通電を制御する。また、インバータ回路１２，１３は、制御部１４の制御により、電動機巻線２，３が直列接続モードの場合に電動機巻線２，３に流す電流を制御する、すなわち電動機巻線２，３への通電を制御する。実施の形態３では、インバータ回路１２を第１のインバータ回路とし、インバータ回路１３を第２のインバータ回路とする。また、実施の形態３では、電動機巻線２を第１の電動機巻線とし、電動機巻線３を第２の電動機巻線とする。
【００５７】
単相電動機１８は、電動機巻線２，３を備える。電動機巻線２は、スイッチング素子４ａ，６ａの接続点とスイッチング素子５ａ，７ａの接続点との間に接続される。電動機巻線３は、スイッチング素子８ａとスイッチング素子１０ａとの間に位置する接続点とスイッチング素子９ａとスイッチング素子１１ａとの間に位置する接続点との間に接続される。電動機巻線２，３は、切替部２４の制御によって直列または並列に接続される。単相電動機１８は、インバータ回路１２，１３から電動機巻線２，３に電流が流されることによって、図示しない回転子を回転させる。記載を簡潔にするため、以降の説明において、スイッチング素子８ａとスイッチング素子１０ａとの間に位置する接続点をスイッチング素子８ａ，１０ａの接続点と称し、スイッチング素子９ａとスイッチング素子１１ａとの間に位置する接続点をスイッチング素子９ａ，１１ａの接続点と称する。
【００５８】
切替部２４は、スイッチング素子５ａ，７ａの接続点とスイッチング素子８ａ，１０ａの接続点との間に接続されるスイッチである。切替部２４は、電動機巻線２の一端と電動機巻線３の一端との開放および短絡を切り替える。
【００５９】
電流検出部３０は、インバータ回路１２，１３に流れる電流、すなわちコンデンサ１の正極からインバータ回路１２，１３を経由して、コンデンサ１の負極に流れる電流を検出する。インバータ回路１２，１３に流れる電流は、単相電動機１８の電動機巻線２，３に流れる電流である。
【００６０】
制御部１４は、電圧検出部３５で検出される電圧値、電流検出部３０で検出される電流値、回転数検出部３８で検出される回転数などを用いて、インバータ回路１２，１３の動作を制御する。具体的には、制御部１４は、インバータ回路１２へ制御信号１５を出力し、インバータ回路１２が備えるスイッチング素子４ａ〜７ａのオンオフを制御する。また、制御部１４は、インバータ回路１３へ制御信号１６を出力し、インバータ回路１３が備えるスイッチング素子８ａ〜１１ａのオンオフを制御する。また、制御部１４は、電圧検出部３５で検出される電圧値、電流検出部３０で検出される電流値、および回転数検出部３８で検出される回転数のうち少なくとも１つに応じて、切替部２４へ制御信号１７を出力し、切替部２４の開閉を制御する。回転数検出部３８で検出される回転数を用いる代わりに、制御部１４は、インバータ回路１２，１３へ出力するスイッチング素子４ａ〜１１ａに対する制御信号１５，１６、インバータ回路１２，１３に流れる電流のうち少なくとも１つに基づいて単相電動機１８の回転数を検出してもよい。この場合、電動機駆動装置５０ｂは、回転数検出部３８を備えなくてもよい。
【００６１】
つづいて、電動機駆動装置５０ｂの動作について説明する。電動機駆動装置５０ｂにおいて、制御部１４は、切替部２４を制御して閉じることで、電動機巻線２の一端と電動機巻線３の一端とを短絡し、直列接続モードにすることができる。直列接続モードにおいて、制御部１４は、インバータ回路１２のスイッチング素子５ａ，７ａをオフとし、インバータ回路１３のスイッチング素子８ａ，１０ａをオフとする。制御部１４は、インバータ回路１２のスイッチング素子４ａ，６ａ、およびインバータ回路１３のスイッチング素子９ａ，１１ａをオンオフ制御することによって、電動機巻線２，３への通電を制御する。このように、制御部１４は、直列接続モードでは、インバータ回路１２，１３が備える８つのスイッチング素子のうち両端の４つのスイッチング素子を用いて、電動機巻線２，３への通電を制御する。すなわち、実施の形態３の制御部１４におけるスイッチング素子４ａ，６ａ，９ａ，１１ａに対する制御内容は、実施の形態１の制御部１４におけるスイッチング素子４ａ〜７ａに対する制御内容と同様である。
【００６２】
また、電動機駆動装置５０ｂにおいて、制御部１４は、切替部２４を制御して開くことで、電動機巻線２の一端と電動機巻線３の一端とを開放し、並列接続モードにすることができる。並列接続モードにおいて、制御部１４は、インバータ回路１２のスイッチング素子４ａ〜７ａをオンオフ制御することによって電動機巻線２への通電を制御し、インバータ回路１３のスイッチング素子８ａ〜１１ａをオンオフ制御することによって電動機巻線３への通電を制御する。
【００６３】
実施の形態３において、電動機駆動装置５０ｂが直列接続モードまたは並列接続モードで動作するときの単相電動機１８の回転数および総合効率の特性は、実施の形態１に示す図２および図３の特性と同様である。すなわち、制御部１４における電動機巻線２，３を並列接続モードにするか直列接続モードにするのかの判定方法は、実施の形態１のときと同様である。
【００６４】
なお、実施の形態３では、電動機駆動装置５０ｂがインバータ回路を２つ備える構成について説明したが、一例であり、インバータ回路を３つ以上にすることも可能である。インバータ回路を３つ以上備える場合、電動機駆動装置において、各インバータ回路の間に切替部２４を設ける構成とする。図１３に示す電動機駆動装置５０ｂの例では、インバータ回路１３の右側に、切替部２４およびインバータ回路をセットにして増設すればよい。制御部１４は、複数の切替部２４を開閉することによって、各インバータ回路に接続される電動機巻線を直列または並列に接続することができる。また、電動機駆動装置では、複数のインバータ回路を備える場合、直列接続モードと並列接続モードとを組み合わせて単相電動機を駆動することも可能である。例えば、電動機駆動装置が４つのインバータ回路、および各インバータ回路間に設置された３つの切替部２４を備える場合を想定する。制御部１４は、３つの切替部２４のうち、両端の切替部２４を閉じ、中央の切替部２４を開く。これにより、電動機駆動装置では、２つのインバータ回路が直列接続された回路が、２並列できることになる。
【００６５】
以上説明したように、本実施の形態によれば、電動機駆動装置５０ｂでは、インバータ回路を複数備え、各インバータ回路の間に切替部２４を備え、制御部１４は、切替部２４を制御して、複数のインバータ回路を直列接続または並列接続することとした。これにより、電動機駆動装置５０ｂは、実施の形態２と同様、実施の形態１の電動機駆動装置５０と比較して、広い回転数範囲で使用される場合に単相電動機１８を高効率で駆動することができる。また、実施の形態１の電動機駆動装置５０と同様、電動機駆動装置５０ｂを掃除機６１に搭載することが可能である。
【００６６】
実施の形態４．
実施の形態３では、切替部２４の具体的な構成はメカ式リレーである。実施の形態４では、切替部を半導体スイッチで構成する場合について説明する。実施の形態３と異なる部分について説明する。
【００６７】
図１４は、実施の形態４に係る電動機駆動装置５０ｃの構成例を示す図である。電動機駆動装置５０ｃは、図１３に示す実施の形態３の電動機駆動装置５０ｂに対して、切替部２４を削除し、切替部２４ａを追加したものである。切替部２４ａは、半導体スイッチ２０ａ，２１ａと、半導体スイッチ２０ａ，２１ａのそれぞれに並列に接続されたダイオード２０ｂ，２１ｂと、を備える。切替部２４ａでは、半導体スイッチ２０ａ，２１ａは逆接続されている。半導体スイッチ２０ａ，２１ａは、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal  Oxide  Semiconductor  Field  Effect  Transistor）などの半導体素子である。半導体スイッチ２０ａ，２１ａは、制御部１４によって開閉すなわちオンオフ制御される。なお、ダイオード２０ｂ，２１ｂは、半導体スイッチ２０ａ，２１ａに内蔵される寄生ダイオードであってもよい。
【００６８】
実施の形態３の切替部２４は、メカ式リレーのため、制御部１４からの制御信号１７によって開から閉に切り替えて電動機巻線２，３間を短絡しようとしても、制御信号１７が開から閉に切り替わってから実際にメカ式リレーが閉じるまでの反応時間が長くなる。このときの反応時間は、例えば１０ｍｓである。この場合、制御部１４では、認識する電動機巻線２，３の巻線状態と実際の電動機巻線２，３の巻線状態とが異なってしまい、単相電動機１８に対する制御が不安定になる可能性がある。
【００６９】
一方、実施の形態４の切替部２４ａは、半導体スイッチ２０ａ，２１ａによって構成されているため、メカ式リレーの切替部２４と比較して、制御信号１７が開から閉に切り替わってから実際に半導体スイッチ２０ａ，２１ａが閉じるすなわちオンするまでの反応時間が短くなる。このときの反応時間は、例えば２μｓである。このように、切替部２４ａは、電動機巻線２，３の巻線状態を高速に切り替えることができる。これにより、制御部１４では、認識する電動機巻線２，３の巻線状態と実際の電動機巻線２，３の巻線状態とが異なる時間が極めて短くなり、安定して単相電動機１８の制御を行うことが可能となる。
【００７０】
また、メカ式リレーの切替部２４は、切り替え時に接点部にアークを引くことがあり、接点寿命が短くなる。一方、半導体スイッチ２０ａ，２１ａを備える切替部２４ａは、アークによる寿命低下の心配がなく、長期の寿命を確保することができる。なお、半導体スイッチ２０ａ，２１ａは、ＳＪ−ＭＯＳＦＥＴ（Super  Junction  ＭＯＳＦＥＴ）、ＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）、バイポーラトランジスタなどによって構成されてもよい。
【００７１】
実施の形態４において、電動機駆動装置５０ｃが直列接続モードまたは並列接続モードで動作するときの単相電動機１８の回転数および総合効率の特性は、実施の形態１に示す図２および図３の特性と同様である。すなわち、制御部１４における電動機巻線２，３を並列接続モードにするか直列接続モードにするのかの判定方法は、実施の形態１のときと同様である。
【００７２】
以上説明したように、本実施の形態によれば、電動機駆動装置５０ｃにおいて、切替部２４ａを半導体スイッチで構成する。これにより、切替部２４ａは、制御部１４から取得した制御信号１７に対して、短い応答時間で開閉すなわちオンオフを切り替えることができる。また、実施の形態１の電動機駆動装置５０と同様、電動機駆動装置５０ｃを掃除機６１に搭載することが可能である。
【００７３】
実施の形態５．
実施の形態５では、インバータ回路１２等で使用されるスイッチング素子４ａ〜７ａなどの半導体について説明する。
【００７４】
インバータ回路１２で使用されるスイッチング素子４ａ〜７ａおよびダイオード４ｂ〜７ｂ、インバータ回路１３で使用されるスイッチング素子８ａ〜１１ａおよびダイオード８ｂ〜１１ｂ、切替部２４ａで使用される半導体スイッチ２０ａ，２１ａおよびダイオード２０ｂ，２１ｂには、現在一般的には珪素（Ｓｉ）を材料とする半導体を用いるのが主流である。しかし、これに代えて、炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、酸化ガリウム（Ｇａ2Ｏ3）、ダイヤモンドなどを材料とするワイドバンドギャップ半導体を用いてもよい。
【００７５】
このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子等は、導通時の抵抗が低いという特徴から、損失の低減を図ることができる。また、このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子等は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高い。そのため、スイッチング素子等の小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子等を用いることにより、これらの素子を組み込んだ半導体モジュールの小型化が可能となる。また、このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子等は、耐熱性も高い。そのため、放熱用部品の小型化が可能であるので、半導体モジュールの一層の小型化が可能になる。さらに、このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子等は、電力損失が低い。そのため、スイッチング素子等の高効率化が可能であり、延いては半導体モジュールの高効率化が可能になる。また、高周波数でのスイッチングが可能となるため、単相電動機１８，３７に高周波数の電流を流すことが可能となる。なお、全てのスイッチング素子がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることが望ましいが、一部のスイッチング素子がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていてもよく、この実施の形態に記載の効果を得ることができる。
【００７６】
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。
【符号の説明】
【００７７】
１  コンデンサ、２，３，３７ａ〜３７ｄ  電動機巻線、４ａ〜１１ａ  スイッチング素子、４ｂ〜１１ｂ，２０ｂ，２１ｂ  ダイオード、１２，１３  インバータ回路、１４  制御部、１８，３７  単相電動機、１９，２４，２４ａ，３６  切替部、２０ａ，２１ａ  半導体スイッチ、２５，２６，３６ａ〜３６ｆ  スイッチ、２６ａ〜２６ｃ  端子、３０  電流検出部、３１  直流電源、３２  交流電源、３３  整流器、３３ａ〜３３ｄ  整流ダイオード、３４  ダイオード、３５  電圧検出部、３５ａ，３５ｂ  抵抗、３８  回転数検出部、５０，５０ａ，５０ｂ，５０ｃ  電動機駆動装置、６１  掃除機、６２  延長管、６３  吸込口体、６４  電動送風機、６５  集塵部、６６  把持部、６７  本体部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年6月5日(2020.6.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電動機巻線を有する単相電動機を駆動する電動機駆動装置であって、
前記複数の電動機巻線の接続状態を切り替える切替部と、
複数のスイッチング素子を含み、前記複数の電動機巻線への通電を制御するインバータ回路と、
を備え、
前記インバータ回路に印加される電圧および前記インバータ回路に流れる電流のうち少なくとも１つと、前記単相電動機の回転速度とに応じて、前記複数の電動機巻線の接続状態が変化する電動機駆動装置。
【請求項２】
前記インバータ回路の動作を制御するとともに、前記電圧、前記電流および前記回転速度のうち少なくとも１つに応じて前記切替部を制御し、前記複数の電動機巻線を直列または並列に接続する制御部、
を備える請求項１に記載の電動機駆動装置。
【請求項３】
第１の電動機巻線および第２の電動機巻線を有する単相電動機を駆動する電動機駆動装置であって、
複数のスイッチング素子を含み、前記第１の電動機巻線への通電を制御する第１のインバータ回路と、
複数のスイッチング素子を含み、前記第２の電動機巻線への通電を制御する第２のインバータ回路と、
前記第１の電動機巻線の一端と前記第２の電動機巻線の一端との開放および短絡を切り替える切替部と、
を備え、
前記第１のインバータ回路および前記第２のインバータ回路に印加される電圧、前記第１のインバータ回路および前記第２のインバータ回路に流れる電流、および前記単相電動機の回転速度のうち少なくとも１つに応じて、前記第１の電動機巻線および前記第２の電動機巻線の接続状態が変化する電動機駆動装置。
【請求項４】
前記第１のインバータ回路および前記第２のインバータ回路の動作を制御するとともに、前記電圧、前記電流および前記回転速度のうち少なくとも１つに応じて前記切替部を制御し、前記第１の電動機巻線の一端と前記第２の電動機巻線の一端とを開放したときは、前記第１のインバータ回路を介して前記第１の電動機巻線への通電を制御し、前記第２のインバータ回路を介して前記第２の電動機巻線への通電を制御し、前記第１の電動機巻線の一端と前記第２の電動機巻線の一端とを短絡したときは、前記第１のインバータ回路および前記第２のインバータ回路を介して、直列接続された前記第１の電動機巻線および前記第２の電動機巻線への通電を制御する制御部、
を備える請求項３に記載の電動機駆動装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記複数のスイッチング素子に対する制御信号、前記インバータ回路に流れる電流のうち少なくとも１つに基づいて前記回転速度を検出する、
請求項２に記載の電動機駆動装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記複数のスイッチング素子に対する制御信号、前記第１のインバータ回路に流れる電流、前記第２のインバータ回路に流れる電流のうち少なくとも１つに基づいて前記回転速度を検出する、
請求項４に記載の電動機駆動装置。
【請求項７】
前記回転速度を検出する回転数検出部、
を備える請求項２または４に記載の電動機駆動装置。
【請求項８】
前記複数のスイッチング素子を構成するダイオードを、ワイドバンドギャップ半導体によって形成する、
請求項１から７のいずれか１つに記載の電動機駆動装置。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか１つに記載の電動機駆動装置を備える掃除機。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、複数の電動機巻線を有する単相電動機を駆動する電動機駆動装置である。電動機駆動装置は、複数の電動機巻線の接続状態を切り替える切替部と、複数のスイッチング素子を含み、複数の電動機巻線への通電を制御するインバータ回路と、を備える。電動機駆動装置は、インバータ回路に印加される電圧およびインバータ回路に流れる電流のうち少なくとも１つと、単相電動機の回転速度とに応じて、複数の電動機巻線の接続状態が変化する。
【国際調査報告】
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