(57)【要約】【課題】二乗逓減トルク特性を有する負荷をモータによって駆動する場合に、従来よりも低回転速度まで安定してモータを運転可能なモータ駆動システムを提供する。【解決手段】モータ駆動システム１０は、三相モータ１４とインバータ回路１２と切替回路１３とを備える。三相モータ１４は、二乗逓減トルク特性を有する負荷１５を駆動する。インバータ回路１２は、所定の回転速度で回転するように三相モータ１４を駆動する。切替回路１３は、三相モータ１４の固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷの結線方式をΔ結線とＹ結線とで切り替える。切替回路１３は、閾値Ｎｔｈ未満の回転速度で三相モータ１４を回転させる場合には、固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷの結線をΔ結線にし、閾値Ｎｔｈ以上の回転速度で三相モータ１４を回転させる場合には、固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷの結線をＹ結線にするように構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
二乗逓減トルク特性を有する負荷を駆動する三相モータと、
所定の回転速度で回転するように前記三相モータを駆動するインバータ回路と、
前記三相モータの固定子巻線の結線方式をΔ結線とＹ結線とで切り替える切替回路とを備え、
前記切替回路は、
閾値未満の回転速度で前記三相モータを回転させる場合には、前記固定子巻線の結線をΔ結線にし、
前記閾値以上の回転速度で前記三相モータを回転させる場合には、前記固定子巻線の結線をＹ結線にするように構成される、モータ駆動システム。
【請求項２】
前記三相モータは、希土類磁石を用いた永久磁石同期モータである、請求項１に記載のモータ駆動システム。
【請求項３】
前記負荷は、２ブレードファンである、請求項１または２に記載のモータ駆動システム。
【請求項４】
冷媒を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮された冷媒を蒸発させる第１の熱交換器と、
前記第１の熱交換器を通過した冷媒の流量を調整する膨張弁と、
前記膨張弁を通過した冷媒を凝縮させ、前記凝縮した冷媒を前記圧縮機に戻す第２の熱交換器と、
前記第１の熱交換器または前記第２の熱交換器に送風するためのファンと、
前記ファンを駆動する三相モータと、
所定の回転速度で回転するように前記三相モータを駆動するインバータ回路と、
前記三相モータの固定子巻線の結線方式をΔ結線とＹ結線とで切り替える切替回路とを備え、
前記切替回路は、
閾値未満の回転速度で前記三相モータを回転させる場合には、前記固定子巻線の結線をΔ結線にし、
前記閾値以上の回転速度で前記三相モータを回転させる場合には、前記固定子巻線の結線をＹ結線にするように構成される、空気調和機。
【請求項５】
前記三相モータの回転速度は、前記圧縮機の回転速度に応じて設定される、請求項４に記載の空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この開示は、ファンなど二乗逓減トルク特性を有する負荷をモータによって駆動するモータ駆動システムに関し、さらに、そのようなモータ駆動システムをファン装置として用いた空気調和機に関する。
【背景技術】
【０００２】
三相モータの固定子巻線の結線方式をＹ結線（「スター結線」とも称する）とΔ結線（「デルタ結線」とも称する）とに切り替える技術が知られている。
【０００３】
たとえば、特開２００６−２４６６７４号公報（特許文献１）に開示されたモータ駆動装置では、インバータから駆動電圧を受けるモータの巻線の結線方式は、モータの運転範囲が規定値以下の低速運転の場合にはスター結線に切り替えられ、運転範囲が規定値以上の高速運転の場合にはデルタ結線に切り替えられる。これにより、モータが低速運転の場合により高効率で運転できるようにする。
【０００４】
特開２０１１−２５０６９２号公報（特許文献２）に開示された空気調和機では、室外熱交換器のファンモータの巻線をＹ結線とΔ結線とに切り替える手段が設けられる。そして、モータの運転停止時にファンモータの巻線がΔ結線に切り替えられる。これにより、外風によってファンが回転するために生じるモータの起電力から駆動回路を保護することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２４６６７４号公報
【特許文献２】特開２０１１−２５０６９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、送風ファンのような二乗逓減トルク特性を有する負荷をモータによって駆動する場合、負荷トルクはモータ回転速度の２乗に比例する。モータ電流は負荷トルクに比例するので、モータ電流もモータ回転速度の２乗に比例することになる。したがって、送風ファンを低回転速度で駆動する場合には、モータ電流の大きさが非常に小さくなり、この結果、モータ制御のために検出されたモータ電流には多くの誤差が含まれる。
【０００７】
上記のようなファンモータの性質から、従来技術ではファンモータを低回転速度で安定に運転制御することは困難であった。無理に安定限界以下の回転速度でファンモータを運転しようとすると、電流制御が不安定となり、脱調によって回転子が停止するなどの問題が生じる。
【０００８】
この発明は上記の問題点を考慮してなされたものであり、その目的の１つは、二乗逓減トルク特性を有する負荷をモータによって駆動する場合に、従来よりも低回転速度まで安定してモータを運転可能なモータ駆動システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この開示の一局面によるモータ駆動システムは、三相モータとインバータ回路と切替回路とを備える。三相モータは、二乗逓減トルク特性を有する負荷を駆動する。インバータ回路は、所定の回転速度で回転するように三相モータを駆動する。切替回路は、三相モータの固定子巻線の結線方式をΔ結線とＹ結線とで切り替える。切替回路は、閾値未満の回転速度で三相モータを回転させる場合には、固定子巻線の結線をΔ結線にし、閾値以上の回転速度で三相モータを回転させる場合には、固定子巻線の結線をＹ結線にするように構成される。
【００１０】
好ましくは、三相モータは、希土類磁石を用いた永久磁石同期モータである。
好ましくは、負荷は、２ブレードファンである。
【００１１】
この開示の一局面による空気調和機は、冷媒を圧縮する圧縮機と、圧縮された冷媒を蒸発させる第１の熱交換器と、第１の熱交換器を通過した冷媒の流量を調整する膨張弁と、膨張弁を通過した冷媒を凝縮させ、凝縮した冷媒を圧縮機に戻す第２の熱交換器とを備える。空気調和機は、さらに、第１の熱交換器または第２の熱交換器に送風するためのファンと、ファンを駆動する三相モータと、所定の回転速度で回転するように三相モータを駆動するインバータ回路と、三相モータの固定子巻線の結線方式をΔ結線とＹ結線とで切り替える切替回路とを備える。切替回路は、閾値未満の回転速度で三相モータを回転させる場合には、固定子巻線の結線をΔ結線にし、閾値以上の回転速度で三相モータを回転させる場合には、固定子巻線の結線をＹ結線にするように構成される。
【００１２】
好ましくは、三相モータの回転速度は、圧縮機の回転速度に応じて設定される。
【発明の効果】
【００１３】
上記のモータ駆動システムによれば、二乗逓減トルク特性を有する負荷をモータによって駆動する場合に、従来よりも低回転速度まで安定してモータを運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態１によるモータ駆動システムの構成の一例を示すブロック図である。
【図２】三相モータの固定子巻線の結線方式の違いを説明するための図である。
【図３】二乗逓減トルク特性を有する負荷をモータによって駆動する場合のモータ回転速度とＵ相電流振幅との関係を示す図である。
【図４】図１のモータ駆動システムにおけるインバータ回路および切替回路の制御手順を示すフローチャートである。
【図５】モータ回転速度とＵ相電流振幅との関係を示す模式図である（２ブレードファンと３ブレードファンとの比較ならびにフェライト磁石を用いた場合とネオジム磁石を用いた場合の比較が示される）。
【図６】実施の形態３による空気調和機の全体構成の一例を示すブロック図である。
【図７】図６の冷凍サイクル制御部による空気調和機の制御手順の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、実施形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰り返さない。
【００１６】
＜実施の形態１＞
［モータ駆動システムのハードウェア構成］
図１は、実施の形態１によるモータ駆動システムの構成の一例を示すブロック図である。図１を参照して、モータ駆動システム１０は、三相モータ１４と、コンバータ回路１１と、インバータ回路１２と、切替回路１３と、制御部２０とを備える。
【００１７】
三相モータ１４は、たとえば、永久磁石同期モータ、もしくは、ブラシレスＤＣモータである。永久磁石同期モータ（ブラシレスＤＣモータ）は、回転子に永久磁石が設けられ、固定子に巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷが設けられる。この実施形態の場合、固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷは３相巻線である。
【００１８】
三相モータ１４は、ファンおよびポンプなど、負荷トルクがモータ回転数の２乗に比例する特性（「二乗逓減トルク特性」と称する）を有する負荷１５を駆動する。
【００１９】
コンバータ回路１１は、外部交流電源５から供給された交流電圧を直流電圧に変換する。コンバータ回路１１は、たとえば、ダイオードブリッジ整流回路である。
【００２０】
インバータ回路１２は、コンバータ回路１１から出力された直流電圧を３相交流電圧に変換する。インバータ回路１２に含まれるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチングのタイミングを制御することによって所望の周波数の３相交流電圧を生成することができる。
【００２１】
具体的に、インバータ回路１２は、正側電源ノードＮｐと、負側電源ノードＮｎと、出力ノードＮ１，Ｎ２，Ｎ３と、上アーム側スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３と、下アーム側スイッチング素子Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６と、ダイオード素子Ｄ１〜Ｄ６と、シャント抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３とを含む。
【００２２】
正側電源ノードＮｐと負側電源ノードＮｎとの間にコンバータ回路１１から出力された直流電圧が印加される。出力ノードＮ１，Ｎ２，Ｎ３は、三相モータ１４のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷの一端とそれぞれ接続される。上アーム側スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３は、正側電源ノードＮｐと出力ノードＮ１，Ｎ２，Ｎ３との間にそれぞれ接続される。下アーム側スイッチング素子Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６は、負側電源ノードＮｎと出力ノードＮ１，Ｎ２，Ｎ３との間にそれぞれ接続される。還流電流を流すためのダイオード素子Ｄ１〜Ｄ６はスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６とそれぞれ逆並列に（すなわち、並列かつ逆バイアス方向に）接続される。シャント抵抗Ｒ１〜Ｒ３は、下アーム側のスイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６と直列にそれぞれ接続される。
【００２３】
スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、図１の場合、バイポーラパワートランジスタの例が示されているが、これに限られるものではない。たとえば、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であってもよいし、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であってもよい。
【００２４】
切替回路１３は、３個のスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３からなるスイッチ群ＳＷＹと、３個のスイッチＳＷ４，ＳＷ５，ＳＷ６からなるスイッチ群ＳＷΔとを備える。なお、図１では三相モータ１４と切替回路１３とは別個の構成として示されているが、実際上は、切替回路１３が三相モータ１４に内蔵されることにより、両者が一体化された形態となっていてもよい。
【００２５】
以下、各スイッチＳＷ１〜ＳＷ６の接続について説明する。
前述のように、固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷの一端はそれぞれ出力ノードＮ１，Ｎ２，Ｎ３と接続されるのに対して、固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷの他端はそれぞれスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３の一端と接続される。スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３の他端は共通ノードＮＣに接続される。スイッチＳＷ４は固定子巻線ＳＵの一端と固定子巻線ＳＷの他端との間に接続される。スイッチＳＷ５は固定子巻線ＳＶの一端と固定子巻線ＳＵの他端との間に接続される。スイッチＳＷ６は固定子巻線ＳＷの一端と固定子巻線ＳＶの他端との間に接続される。
【００２６】
上記の切替回路１３の構成によれば、スイッチ群ＳＷＹを構成する全てのスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３を導通状態にし、スイッチ群ＳＷΔを構成する全てのスイッチＳＷ４，ＳＷ５，ＳＷ６を非導通状態にすれば、固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷの結線方式はＹ結線になる。逆に、スイッチ群ＳＷＹを構成する全てのスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３を非導通状態にし、スイッチ群ＳＷΔを構成する全てのスイッチＳＷ４，ＳＷ５，ＳＷ６を導通状態にすれば、固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷの結線方式はΔ結線になる。
【００２７】
制御部２０は、シャント抵抗Ｒ１，Ｒ２によって検出されたモータ電流に基づいてインバータ回路１２のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のオンオフを制御するとともに、切替回路１３を制御する。具体的に、制御部２０は、電流検出回路２２と、マイクロコンピュータ２１と、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号発生回路２３と、切替信号発生回路２４とを含む。
【００２８】
電流検出回路２２は、スイッチング素子Ｑ４がオン状態のときに流れるモータ電流Ｉｍ１を抵抗素子Ｒ１に生じた電圧Ｖ１ｓとして検出するとともに、スイッチング素子Ｑ５がオン状態のときに流れるモータ電流Ｉｍ２を抵抗素子Ｒ２に生じた電圧Ｖ２ｓとして検出する。なお、出力ノードＮ１，Ｎ２，Ｎ３から三相モータ１４に供給される電流をそれぞれモータ電流Ｉｍ１，Ｉｍ２，Ｉｍ３とする。電流検出回路２２は、これらの電圧Ｖ１ｓ，Ｖ２ｓをアンプ（図示省略）によって増幅し、増幅された信号をＡ／Ｄ（Analog  to  Digital）変換器（図示省略）によってデジタル信号に変換する。
【００２９】
マイクロコンピュータ２１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、および不揮発性メモリなどを含む公知の構成を有している。ＣＰＵは、ＲＯＭおよび不揮発性メモリに格納されたプログラムを実行することによって、三相モータ１４の起動、停止、および回転速度などを制御するともに、切替回路１３を制御する。
【００３０】
より具体的には、マイクロコンピュータ２１のＣＰＵは、電流検出回路２２から受取った電圧Ｖ１ｓ，Ｖ２ｓを表わすデジタル信号に基づいてモータ電流Ｉｍ１およびモータ電流Ｉｍ２を算出する。モータ電流Ｉｍ３は、Ｉｍ３＝−（Ｉｍ１＋Ｉｍ２）によって算出される。ＣＰＵは、算出したモータ電流Ｉｍ１〜Ｉｍ３に基づいて、モータ電圧の指令値を生成してＰＷＭ信号発生回路２３に出力する。さらに、ＣＰＵは、目標となるモータ回転速度に応じて、切替信号発生回路２４を介して、切替回路１３のスイッチ群ＳＷＹ，ＳＷΔを制御するための制御信号を出力する。
【００３１】
ＰＷＭ信号発生回路２３は、マイクロコンピュータ２１から受取ったモータ電圧の指令値に応じたパルス信号を生成してスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のゲートに出力する。たとえば、三角波比較方式の場合、ＰＷＭ信号発生回路２３は、マイクロコンピュータ２１から受け取ったモータ電圧の指令値と三角波信号（キャリア信号とも称する）とを比較することによって、モータ電圧の指令値に応じた通電率のパルス信号を生成する。
【００３２】
［Ｙ結線とΔ結線との違いについて］
図２は、三相モータの固定子巻線の結線方式の違いを説明するための図である。図２（Ａ）はＹ結線の回路図を示し、図２（Ｂ）はΔ結線の回路図を示し、図２（Ｃ）は結線方式による特性の違いを表形式で示す。
【００３３】
図２を参照して、結線方式の違いによらず、各相の固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷには同一の大きさＥの電圧が印加され、同一の大きさＩの電流が流れているものとする。ここで、大きさとは振幅値または実効値を表すものとする。固定子巻線ごとの電流および電圧の大きさが結線方式の違いによらず同じであるので、三相モータの銅損、すなわち固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷの抵抗損失は結線方式の違いによらず同じになる。具体的に各固定子巻線の抵抗値をＲとすれば、三相モータの銅損は３ＲＩ2で与えられる。
【００３４】
一方、三相モータの端子間（すなわち、ノードＮ１，Ｎ２の間、ノードＮ２，Ｎ３の間、ノードＮ３，Ｎ１の間）に印加される電圧Ｅｍおよび各端子（すなわち各ノードＮ１，Ｎ２，Ｎ３）を流れる電流Ｉｃは、結線方式によって違いが生じる。Ｙ結線の場合には、三相モータの各端子を流れる電流の大きさはＩであるのに対し、端子間電圧の大きさは√３×Ｅになる。Δ結線の場合には、三相モータの各端子を流れる電流の大きさは√３×Ｉになるのに対し、端子間電圧の大きさはＥである。したがって、Ｙ結線をΔ結線に変更することによって、端子間電圧の大きさは１／√３になるのに対し、各端子電流の大きさは√３倍になる。
【００３５】
上記のように各端子電流の大きさが結線方式によって異なるので、インバータ回路（すなわち、ＩＰＭ（Intelligent Power Module）におけるスイッチング素子の抵抗損は、モータの結線方式に応じて異なる。具体的に、各スイッチング素子のオン抵抗をＲcとすると、Ｙ結線の場合には３相分の抵抗損は３ＲCＩ2であるのに対し、Δ結線の場合には９ＲCＩ2となって増加する。
【００３６】
［ファンモータの固定子巻線に流れる電流と回転速度との関係］
図３は、二乗逓減トルク特性を有する負荷をモータによって駆動する場合のモータ回転速度とＵ相電流振幅との関係を示す図である。図３では三相モータの固定子巻線がＹ結線の場合とΔ結線の場合とが対比して示されている。
【００３７】
送風ファンのような二乗逓減トルク特性を有する負荷をモータによって駆動する場合、負荷トルクはモータ回転速度の２乗に比例する、いわゆる「二乗逓減トルク特性」を示す。なお、この場合、風量はモータ回転速度に比例し、消費電力はモータ回転速度の３乗に比例する。さらに、負荷トルクはモータ電流に比例するので、モータ電流振幅とモータ回転速度との関係は、図３に示すようにモータ電流振幅がモータ回転速度の２乗に比例する関係にある。
【００３８】
したがって、二乗逓減トルク特性を有する負荷の場合には、図３に示すように、モータ回転速度が小さくなるにつれてモータ電流の大きさが著しく小さくなる。この傾向は、Ｙ結線の場合のほうがより顕著になる。そして、前述のように、インバータ回路１２は、モータ電流の検出値に基づいてＰＷＭ制御されるので、モータ電流の大きさが著しく小さくなると検出誤差が大きくなり、結果としてインバータ回路１２の制御が困難になる。
【００３９】
そこで、本実施の形態のモータ駆動システム１０では、閾値未満のモータ回転速度で三相モータを運転する場合には、固定子巻線の結線方式をＹ結線からΔ結線に切り替える。これによって、モータ電流の大きさが√３倍になるのでモータ電流の検出精度が増し、結果として三相モータを安定して運転可能な回転速度の範囲を拡大することができる。
【００４０】
上記の閾値として、たとえば、定格回転数の５０％が選択される。ただし、Δ結線の場合にはＹ結線の場合に比べてインバータ回路１２の損失が増加する。したがって、損失を低減するためには、Ｙ結線で安定制御が可能な範囲のうちでできるだけ小さな回転速度を閾値に選択するのが望ましい。
【００４１】
［インバータ回路および切替回路の制御手順］
図４は、図１のモータ駆動システムにおけるインバータ回路および切替回路の制御手順を示すフローチャートである。以下、図１および図４を参照してこれまでの説明を総括する。
【００４２】
まず、制御部２０は、外部から指定された回転速度で三相モータ１４の運転開始指令を受けたとする（ステップＳ１００）。制御部２０は、指定回転速度が閾値Ｎｔｈ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０５）。
【００４３】
指定回転速度が閾値Ｎｔｈ未満の場合には（ステップＳ１０５でＮＯ）、制御部２０は、三相モータ１４の結線方式がΔ結線となるように切替回路１３を切り替える（ステップＳ１１０）。結線方式の切替え後に、制御部２０は、当該指定回転速度で三相モータ１４の運転されるようにインバータ回路１２を制御する（ステップＳ１１５）。
【００４４】
その後、回転速度の変更指令を受けない限り（ステップＳ１２５でＮＯ）、当該回転速度で三相モータ１４の運転が継続される。回転速度の変更指令を受けた場合には（ステップＳ１２５でＹＥＳ）、制御部２０は、新しい指定回転速度が閾値Ｎｔｈ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１３０）。この結果、指定回転速度が閾値Ｎｔｈ未満の場合には（ステップＳ１３０でＮＯ）、制御部２０は、この新しい指定回転速度で三相モータ１４が運転されるようにインバータ回路１２を制御する（ステップＳ１１５）。
【００４５】
一方、新たな指定回転速度が閾値Ｎｔｈ以上である場合には（ステップＳ１３０でＹＥＳ）、制御部２０は、一旦三相モータ１４の運転を停止するために、出力が零となるようにインバータ回路１２を制御する（ステップＳ１３５）。三相モータの停止後に、制御部２０は、三相モータ１４の結線方式がＹ結線となるように切替回路１３を切り替える（ステップＳ１５０）。結線方式の切替え後に、制御部２０は、指定回転速度で三相モータ１４の運転されるようにインバータ回路１２を制御する（ステップＳ１５５）。
【００４６】
その後、回転速度の変更指令を受けない限り（ステップＳ１６５でＮＯ）、当該回転速度で三相モータ１４の運転が継続される。回転速度の変更指令を受けた場合には（ステップＳ１６５でＹＥＳ）、制御部２０は、新しい指定回転速度が閾値Ｎｔｈ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１７０）。この結果、指定回転速度が閾値Ｎｔｈ以上の場合には（ステップＳ１７０でＹＥＳ）、制御部２０は、この新しい指定回転速度で三相モータ１４が運転されるようにインバータ回路１２を制御する（ステップＳ１５５）。
【００４７】
一方、新たな指定回転速度が閾値Ｎｔｈ未満である場合には（ステップＳ１７０でＮＯ）、制御部２０は、一旦三相モータ１４の運転を停止するために、出力が零となるようにインバータ回路１２を制御する（ステップＳ１７５）。三相モータの停止後に、制御部２０は、三相モータ１４の結線方式がΔ結線となるように切替回路１３を切り替える（ステップＳ１１０）。結線方式の切替え後に、制御部２０は、指定回転速度で三相モータ１４の運転されるようにインバータ回路１２を制御する（ステップＳ１１５）。以下、同様の制御が繰り返される。
【００４８】
なお、三相モータ１４の運転中にモータ停止指令を受けた場合には（ステップＳ１２０，Ｓ１６０でＹＥＳ）、制御部２０は、インバータ回路１２の出力が零となるようにインバータ回路１２を制御することによって三相モータ１４の運転を停止する（ステップＳ１４０，Ｓ１８０）。
【００４９】
上記では、三相モータ１４の結線方式をΔ結線からＹ結線またはその逆に切り替える場合には、一旦三相モータ１４を停止していた。これに対して、たとえば、キャリア周波数１６ｋＨｚのＰＷＭ制御信号において３パルス程度の範囲内のような短時間内に切替回路１３を切替可能であれば、三相モータ１４の停止は不要である。実際上、Δ結線とＹ結線との切替はモータ回転速度が低下したときに行われるので、上記の時間的な制約はほとんど問題とならない。なお、切替回路１３を切り替える際には、ＰＷＭ信号の通電率を変更することによって、インバータ回路１２から出力する電流および電圧の大きさを変更する必要がある。
【００５０】
［効果］
上記のとおり、実施の形態１のモータ駆動システムによれば、二乗逓減トルク特性を有する負荷をモータ駆動する場合において、モータ回転速度が閾値未満であればモータの固定子巻線の結線方式がＹ結線からΔ結線に切り替えられる。これによって、モータ電流の大きさが√３倍に増加するので、モータ電流の検出誤差を減らすことができる。この結果、より低回転速度の範囲までモータを安定的にインバータ制御することができる。
【００５１】
実施の形態１のモータ駆動システムは、送風ファン、ポンプ、扇風機、空気清浄機、ならびに空気調和機の室内ファン装置および室外ファン装置など、二乗逓減トルク特性を有する負荷を備えた機器に広く適用することができる。
【００５２】
＜実施の形態２＞
実施の形態２のモータ駆動システムでは、ファン装置のブレードの数が２枚である場合、ならびに三相モータが希土類磁石を用いた永久磁石同期モータである場合について説明する。この明細書では、ブレードの数が２枚のファンを２ブレードファンと称し、ブレードの数が３枚のファンを３ブレードファンと称する。
【００５３】
図５はモータ回転速度とＵ相電流振幅との関係を示す模式図であり、２ブレードファンと３ブレードファンとの比較ならびにフェライト磁石を用いた場合とネオジム磁石を用いた場合の比較が示されている。図５において、固定子巻線の結線方式はＹ結線であるとする。
【００５４】
［２ブレードファンと３ブレードファンの比較］
ブレードの数が増加するほどファンモータの負荷トルクが増大するので、同一の回転速度におけるモータ電流も増加する。このため、３ブレードファンを用いるとインバータ回路に用いられている半導体スイッチング素子の限界電流にモータ電流が達してしまい、モータ回転速度が制限されてしまうという問題がある。そこで、特に高出力のファン装置では２ブレードファンが用いられる傾向にある。
【００５５】
ところが、既に説明したようにファンモータではモータ回転速度が低速の場合にモータ電流の大きさが著しく減少する。このモータ電流の減少の程度は、図５に模式的に示すように２ブレードファンのほうが３ブレードファンに比べて顕著になる。したがって、特に２ブレードファンを用いたファン装置の場合には、実施の形態１で説明したように、固定子巻線の結線方式をΔ結線に切り替えて運転することによって、低回転速度領域でのファンモータの制御性を増すことができる。
【００５６】
［フェライト磁石とネオジム磁石の比較］
永久磁石同期モータでは、永久磁石の磁力が増加するほど、すなわち界磁束が大きくなるほどモータ電流の大きさを小さくしても同一のトルクを発生することができる。特に磁力の大きな永久磁石として希土類磁石が知られている。希土類磁石にはネオジム磁石およびサマリウムコバルト磁石などがある。
【００５７】
図５では、希土類を用いないフェライト磁石を用いた場合と、希土類磁石の代表例としてネオジム磁石を用いた場合とが模式的に示されている。図５に示すようにネオジム磁石を用いた場合にはネオジム磁石を用いない場合に比べて、同一の回転速度におけるモータ電流の大きさが小さくなる。特に２ブレードファンを駆動する永久磁石同期モータにおいてネオジム磁石のような希土類磁石を用いた場合にモータ電流の低下が顕著になる。そこで、実施の形態１で説明したように、固定子巻線の結線方式をΔ結線に切り替えて運転することによって、低回転速度領域でのファンモータの制御性を増すことができる。
【００５８】
＜実施の形態３＞
実施の形態３では、実施の形態１のモータ駆動システム１０を空気調和機の室外ファン装置および室内ファン装置に適用した例について説明する。
【００５９】
［空気調和機の全体構成］
図６は、実施の形態３による空気調和機の全体構成の一例を示すブロック図である。図６を参照して、空気調和機３０は、圧縮機３４、四方弁３５、室外熱交換器３６、膨張弁３７、および室内熱交換器３８を含む冷凍サイクル（ヒートポンプサイクルとも称する）６５を備える。さらに、空気調和機３０は、室外ファン装置４０、室内ファン装置５０、コンバータ回路３２、インバータ回路３３，４４，５４、および制御部６０を備える。
【００６０】
冷凍サイクル６５において、圧縮機３４は、冷媒を圧縮する。四方弁３５は、冷房運転および暖房運転において冷媒の巡回方向を切替える。室外熱交換器３６は、室外の空気および冷媒の間で熱交換する。膨張弁３７は、冷媒の流量を調整するためにその開度が制御される。室内熱交換器３８は、室内の空気および冷媒の間で熱交換する。
【００６１】
四方弁３５を切替えたときの冷媒の巡回方向について説明する。冷房運転モード時には、図６の実線の矢印ＣＬで示されるように、圧縮機３４、四方弁３５、室外熱交換器３６、膨張弁３７、室内熱交換器３８、四方弁３５、圧縮機３４の順に冷媒が巡回する。この場合、室外熱交換器３６が、圧縮された高温の冷媒を凝縮して液化させるための凝縮器として機能し、室内熱交換器３８が、液化された冷媒を蒸発させることで冷媒を低温の気体に変化させるための蒸発器として機能する。一方、暖房運転モード時には、図２の破線の矢印ＨＴで示されるように、圧縮機３４、四方弁３５、室内熱交換器３８、膨張弁３７、室外熱交換器３６、四方弁３５、圧縮機３４の順に冷媒が巡回する。この場合、室外熱交換器３６が蒸発器として機能し、室内熱交換器３８が凝縮器として機能する。
【００６２】
室外ファン装置４０は、室外の空気（すなわち、外気）を室外熱交換器３６に送風することによって室外熱交換器での熱交換を促進する。室外ファン装置４０は、ファン４１（たとえば、プロペラファン）と、ファン４１を回転駆動するモータ４２と、モータ４２の固定子巻線の結線方式をＹ結線とΔ結線とで切り替える切替回路４３とを含む。なお、図６ではモータ４２と切替回路４３とは別個の構成として示されているが、実際上は、切替回路４３がモータ４２に内蔵されることにより、両者が一体化された形態となっていてもよい。
【００６３】
室内ファン装置５０は、室内熱交換器３８で熱交換された空気を室内に送風する。室内ファン装置５０は、ファン５１（たとえば、クロスフローファンまたはプロペラファン）と、ファン５１を回転駆動するモータ５２と、モータ５２の固定子巻線の結線方式をＹ結線とΔ結線とで切り替える切替回路５３とを含む。モータ４２，５２は、たとえば、永久磁石同期モータである。なお、図６ではモータ５２と切替回路５３とは別個の構成として示されているが、実際上は、切替回路５３がモータ５２に内蔵されることにより、両者が一体化された形態となっていてもよい。
【００６４】
コンバータ回路３２は、外部交流電源５から供給された交流電圧を直流電圧に変換する。インバータ回路３３，４４，５４は、コンバータ回路３２から出力された直流電圧を３相交流電圧に変換する。具体的に、インバータ回路３３は圧縮機３４に内蔵されたモータ（不図示）を駆動し、インバータ回路４４は室外ファン装置４０のモータ４２を駆動し、インバータ回路５４は室内ファン装置５０のモータ５２を駆動する。
【００６５】
制御部６０は、ＣＰＵおよびメモリを含むマイクロコンピュータをベースに構成される。制御部６０は、空気調和機３０の全体を制御する。ここで、制御部６０のうち冷凍サイクル６５を制御する部分を冷凍サイクル制御部６１と称し、室内ファン装置５０用のインバータ回路５４および切替回路５３を制御する部分を室内ファン制御部５５と称し、室外ファン装置４０用のインバータ回路４４および切替回路４３を制御する部分を室外ファン制御部４５と称する。
【００６６】
空気調和機３０は、さらに、室外熱交換器３６の温度を測定するための温度センサ７１と、圧縮機３４の出口での冷媒温度である吐出温度を測定するための温度センサ７０と、室内熱交換器３８の温度を測定するための温度センサ７３とを含む。これらの温度センサ７１，７０，７３は、たとえばサーミスタである。室外熱交換器３６用の温度センサ７１および室内熱交換器３８用の温度センサ７３はいずれも、熱交換器の入口と出口の中間に配置される。したがって、通常の場合には、これらの熱交換器が凝縮器として機能するときに検出される温度は冷媒の凝縮温度であり、蒸発器として機能するときに検出される温度は冷媒の蒸発温度である。空気調和機３０にはさらに、外気温を測定するための温度センサ７２と、室内温度を測定するための温度センサ７４とが取り付けられている。これらの温度センサ７２，７４もたとえばサーミスタによって構成することができる。
【００６７】
上記の構成のうち、室外ファン装置４０のモータ４２および切替回路４３と、インバータ回路４４と、室外ファン制御部４５とは、実施の形態１のモータ駆動システム１０に対応する。同様に、室内ファン装置５０のモータ５２および切替回路５３と、インバータ回路５４と、室内ファン制御部５５とは、実施の形態１のモータ駆動システム１０に対応する。
【００６８】
実施の形態１で説明したように、室外ファン４１を閾値よりも低回転速度で駆動する場合には、切替回路４３によってモータ４２の固定子巻線の結線をΔ結線に切り替えることによって、室外ファン装置４０をより安定に制御することができる。同様に、室内ファン５１を閾値よりも低回転速度で駆動する場合には、切替回路５３によってモータ５２の固定子巻線の結線をΔ結線に切り替えることによって、室内ファン装置５０をより安定に制御することができる。
【００６９】
［空気調和機の制御手順の一例］
図７は、図６の冷凍サイクル制御部による空気調和機の制御手順の一例を示す図である。図７の制御手順では、室外ファン装置４０および室内ファン装置５０への回転速度指令に関係する部分が簡略化して示されている。
【００７０】
図６および図７を参照して、ユーザから空気調和機３０の運転開始指令を受けると（ステップＳ２００でＹＥＳ）、冷凍サイクル制御部６１は、温度センサ７４によって室内温度を検出する（ステップＳ２１０）。冷凍サイクル制御部６１は、室内温度の検出値とユーザが設定した設定温度との温度差に応じた回転速度で圧縮機３４を運転する。
【００７１】
さらに、冷凍サイクル制御部６１は、圧縮機３４の回転速度の設定値に応じて室外熱交換器３６および室内熱交換器３８において必要十分な熱交換が行われるように、室外ファン装置４０および室内ファン装置５０におけるファンモータ４２，５２の回転速度の指令値を決定する（ステップＳ２３０，Ｓ２４０）。
【００７２】
室外ファン制御部４５は、決定されたファンモータ４２の回転速度の指令値に基づいてインバータ回路４４および切替回路４３を制御する。同様に、室内ファン制御部５５は、決定されたファンモータ５２の回転速度の指令値に基づいてインバータ回路５４および切替回路５３を制御する。インバータ回路４４，５４および切替回路４３，５３の具体的な制御方法は、実施の形態１の場合と同様であるので詳しい説明を繰り返さない。
【００７３】
上記のステップＳ２１０〜Ｓ２４０の制御は、ユーザから空気調和機３０の運転停止指令を受けるまで（ステップＳ２５０でＹＥＳとなるまで）繰り返される。ユーザから空気調和機３０の運転停止指令を受けると（ステップＳ２５０でＹＥＳ）、冷凍サイクル制御部６１は、インバータ回路３３の出力を零にすることによって圧縮機３４を停止する（ステップＳ２６０）とともに、室外ファン制御部４５および室内ファン制御部５５に室外ファン装置４０および室内ファン装置５０の停止指令を出力する（ステップＳ２７０，Ｓ２８０）。
【００７４】
＜付記＞
上記の実施の形態１〜３の一部を要約すると次のようになる。
【００７５】
（１）  モータ駆動システム１０は、三相モータ１４とインバータ回路１２と切替回路１３とを備える。三相モータ１４は、二乗逓減トルク特性を有する負荷１５を駆動する。インバータ回路１２は、所定の回転速度で回転するように三相モータ１４を駆動する。切替回路１３は、三相モータ１４の固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷの結線方式をΔ結線とＹ結線とで切り替える。切替回路１３は、閾値Ｎｔｈ未満の回転速度で三相モータ１４を回転させる場合には、固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷの結線をΔ結線にし、閾値Ｎｔｈ以上の回転速度で三相モータ１４を回転させる場合には、固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷの結線をＹ結線にするように構成される。
【００７６】
上記構成によれば、モータ回転速度が閾値未満であれば三相モータ１４の固定子巻線ＳＵ、ＳＶ，ＳＷの結線方式がＹ結線からΔ結線に切り替えられる。これによって、モータ電流の大きさが√３倍に増加するので、モータ電流の検出誤差を減らすことができる。この結果、より低回転速度の範囲まで三相モータ１４を安定的にインバータ制御することができる。
【００７７】
（２）  上記（１）において、三相モータ１４は、希土類磁石を用いた永久磁石同期モータである。希土類磁石を用いた永久磁石同期モータでは、界磁力が大きくなるために、低回転速度領域におけるモータ電流の大きさが顕著に小さくなる。したがって、固定子巻線ＳＵ，ＳＶ，ＳＷの結線方式をΔ結線に切り替えることはインバータ制御を安定化させるために極めて有効である。
【００７８】
（３）  上記（１）または（２）において、負荷１５は、２ブレードファンである。２ブレードファンは３ブレードファンに比べて、ファンモータの負荷トルクが小さくなるために、低回転速度領域におけるモータ電流の大きさが顕著に小さくなる。したがって、固定子巻線ＳＵ、ＳＶ，ＳＷの結線方式をΔ結線に切り替えることはインバータ制御を安定化させるために極めて有効である。
【００７９】
（４）  空気調和機３０は、冷媒を圧縮する圧縮機３４と、圧縮された冷媒を蒸発させる第１の熱交換器（３６；３８）と、第１の熱交換器（３６；３８）を通過した冷媒の流量を調整する膨張弁３７と、膨張弁３７を通過した冷媒を凝縮させ、凝縮した冷媒を圧縮機３４に戻す第２の熱交換器（３８；３６）とを備える。空気調和機３０は、さらに、第１の熱交換器（３６；３８）または第２の熱交換器（３８；３６）に送風するためのファン４１，５１と、ファンを駆動する三相モータ４２，５２と、所定の回転速度で回転するように三相モータ４２，５２を駆動するインバータ回路４４，５４と、三相モータ４２，５２の固定子巻線の結線方式をΔ結線とＹ結線とで切り替える切替回路４３，５３とを備える。切替回路４３，５３は、閾値未満の回転速度で三相モータ４２，５２を回転させる場合には、固定子巻線の結線をΔ結線にし、閾値以上の回転速度で三相モータ４２，５２を回転させる場合には、固定子巻線の結線をＹ結線にするように構成される。
【００８０】
上記構成の空気調和機によれば、熱交換器３６，３８に送風するファン４１，５１を駆動する三相モータ４２，５２の結線方式が、モータ回転速度が閾値未満の場合にＹ結線からΔ結線に切り替えられる。これによって、モータ電流の大きさが√３倍に増加するので、モータ電流の検出誤差を減らすことができ、結果として、より低回転速度の範囲までファンモータ４２，５２を安定的に制御することができる。
【００８１】
（５）  上記（４）において、三相モータ４２，５２の回転速度は、圧縮機３４の回転速度に応じて設定される。したがって、圧縮機３４の回転速度に応じて熱交換器３６，３８で必要十分な熱交換が行われるように制御できる。
【００８２】
今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００８３】
１０  モータ駆動システム、１１，３２  コンバータ回路、１２，３３，４４，５４  インバータ回路、１３，４３，５３  切替回路、１４  三相モータ、１５  負荷、２０，６０  制御部、２１  マイクロコンピュータ、３０  空気調和機、３４  圧縮機、３５  四方弁、３６  室外熱交換器、３７  膨張弁、３８  室内熱交換器、４０  室外ファン装置、４１，５１  ファン、４２，５２  ファンモータ（三相モータ）、４５  室外ファン制御部、５０  室内ファン装置、５５  室内ファン制御部、６１  冷凍サイクル制御部、７０〜７４  温度センサ、Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３  出力ノード、ＮＣ  共通ノード、Ｎｎ  負側電源ノード、Ｎｐ  正側電源ノード、Ｑ１〜Ｑ６  スイッチング素子、ＳＵ，ＳＶ，ＳＷ  固定子巻線、ＳＷΔ，ＳＷＹ  スイッチ群。
【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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