(57)【要約】【課題】永久磁石同期モータを広範囲で高効率に駆動するための直流電圧の昇圧率が大きくなれば大きくなるほど、損失の増大を招く問題がある。本発明は、定格出力領域と高出力領域の効率を両立させる高効率な永久磁石同期モータとその制御手段の実現を可能とする、あたかも１つの永久磁石モータでありながら２つの最高回転数をもつような永久磁石同期モータと制御手段を提供することを目的とする。【解決手段】永久磁石同期モータの最高回転数を可変する。そのことにより、永久磁石同期モータの駆動に必要となる直流電圧の昇圧を最小とすることをでき、広範囲にわたり電動機駆動システムの高効率化が可能となる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁鋼板を積層させ内部に永久磁石を装備した回転子となるロータと、電磁鋼板を積層させ複数の巻線からなるコイルを装備可能としたスロット構造を有する固定子となるステータと、それらロータとステータの組合せを同一のモータケースに搭載した永久磁石同期モータにおいて、
一つのスロットに巻くコイルを２本の巻線で構成し、その４つの端末の一つを他相となる他スロットのコイルの４つの端末の一つと接続して三相の中性点を一つにした線をモータケースより引き出し、残りのスロットにあるコイル端末を全てモータケースより引き出した構造を特徴とする永久磁石同期モータ。
【請求項２】
請求項１記載の永久磁石同期モータにおいて、
一つの相を構成するコイルの空いている３つの端末のうちの三相の中性点を一つにしてモータケースより引き出した側の空いている端末と、三相の中性点を一つにしてモータケースより引き出した線とを短絡および開放できるスイッチを設け、また、前述のスイッチと、空いている２つの端末の一つとを短絡および開放できるスイッチを設け、また、三相の中性点を一つにしてモータケースより引き出した側ではない２つの端末を短絡および開放するスイッチを設け、それぞれのスイッチを制御することにより一相当たりのモータ巻線数を倍増および半減することを可能としたことを特徴とするモータ巻線の制御手段を備えたことを特徴とする永久磁石同期モータ。
【請求項３】
請求項２において、
前記モータ巻線の制御手段を、前記モータケースに内蔵したことを特徴とする永久磁石同期モータ。
【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た電動機駆動システムについて、永久磁石同期モータの駆動に必要となる直流電圧の昇圧を最小とすることを可能とすることで、広範囲にわたり電動機駆動システムの高効率化が可能となる永久磁石同期モータと制御手段を必要とする電動機及び冷蔵庫，空気調和機に係わる。
【背景技術】
【０００２】
永久磁石同期モータを駆動するには商用電源から直流電圧を形成、その直流電圧を回転子となるロータの角速度を一定とするための三相交流電圧に変換する必要がある。また、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いでも永久磁石モータを高回転域まで回れ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で高効率に駆動するためには直流電圧の昇圧が必要であるが電力変換には昇圧率が大きくなれば大きくなるほど、損失の増大を招く。
【０００７】
また、直流電圧の昇圧の低減を可能とする弱め磁束制御においても最高回転数が低い永久磁石同期モータを高回転で回す場合には前述に対しては直流電圧の昇圧損失の低減は図れるものの、電力変換に必要な損失は少なくない。
【０００８】
つまり、永久磁石同期モータがある一定の最高回転数を持っていて、その回転数が駆動するシステムにおいて最も効率が要求される定格運転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直流電圧の昇圧は必要不可欠であり、それに伴う電力変換の損失は大きくなるため、定格運転領域と高出力領域の効率を両立させる高効率な永久磁石同期モータと、その制御手段の実現は困難である問題がある。
【０００９】
本発明の目的は、定格出力領域と高出力領域の効率を両立させる高効率な永久磁石同期モータとその制御手段の実現を可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、
一つのスロットに巻くコイルを２本の巻線で構成し、その４つの端末の一つを他相となる他スロットのコイルの４つの端末の一つと接続して三相の中性点を一つにした線をモータケースより引き出し、残りのスロットにあるコイル端末を全てモータケースより引き出した構造とした。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、永久磁石同期モータの駆動に必要となる直流電圧の昇圧を最小とすることをでき、広範囲にわたり電動機駆動システムの高効率化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本願の永久磁石同期モータと制御手段を表す構成図。
【図２】本願の制御手段の動作図。
【図３】本願の電動機駆動システムを内蔵したモータの構成図。
【図４】本願の永久磁石同期モータと制御手段を用いて空気調和機の圧縮機モータを駆動した場合の性能改善効果図。
【図５】従来の永久磁石同期モータの制御手段を表すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明にかかる永久磁石同期モータとその制御手段について、具体的に説明する。
【実施例１】
【００１４】
図１は本発明の永久磁石同期モータを６スロット構造のステータに適用し、制御手段に結線した状態を示したものである。１は１スロットに対して２つの巻線を施し、その３相分の内部で結線した構造をもつ６スロット集中巻きコイル仕様による永久磁石モータのステータで３，６と４，７と５，８はそれぞれ同一相となり、３から順次８までで６つのスロットになっている。
【００１５】
次に２は図１の永久磁石モータのステータ巻線を半減，倍増する制御を行う制御手段でスイッチ９から順次１７までの９つのスイッチを各々、開閉することにより永久磁石同期モータのステータ巻線を半減，増加することを可能としている。
【００１６】
具体的な制御手段の動作について図２のスイッチ開閉表を用いて説明する。まず、電動機の駆動システムにおいて、低速域や中速域など比較的にシステム的に動作が安定して、かつ、運転率が最も高い回転数に効率を最もよくしたい、つまり、永久磁石同期モータの最高回転数を下げたい場合、図２のモード１とする。具体的にはスイッチ９，１０，１１，１５，１６，１７を開き、スイッチ１１，１２，１３を閉める。このようにした際には１スロットに２つの巻線を施しているコイルが直列に接続されるため、コイルに発生する誘起電圧は大きくなり、モータ電流を小さくすることが可能となる。その結果、直流電圧の昇圧は最小となり高効率化が実現可能となる。
【００１７】
次に電動機の駆動システムにおいて、一時的に高回転が必要とされる場合、例えば空気調和機であれば外気が低温でかつ、室内温度が低いときに暖房運転をする際、早急に部屋の温度を上げる必要があるため圧縮機に使用される永久磁石同期モータなどを高回転で運転する必要がある。この際に前述した低速域や中速域など比較的に電動機の駆動システムの動作が安定して、かつ、運転率が最も高い回転数において効率を良くすることに特化した最高回転数の永久磁石同期モータであれば、それに印加される直流電圧は大きくする必要があり、電力変換上の直流電圧の昇圧に要する電力ロスが大きくなり、電動機の駆動システムの効率は大幅に低下することになる。
【００１８】
ここで、図２のモード２とした場合、同一モータでありながらモード１としていた際の最高回転数に対して、最高回転数を倍とすることができるため、前述の電力変換上の直流電圧の昇圧に要する損失を最小にできる。具体的にはスイッチ９，１０，１１，１５，１６，１７を閉め、スイッチ１１，１２，１３を開ける。このようにした際には１スロットに２つの巻線を施しているコイルが並列に接続されるため、コイルに発生する誘起電圧は小さくなり、印加する直流電圧を小さくすることが可能となる。その結果、直流電圧の昇圧は最小となり高効率化が実現可能となる。
【００１９】
以上のように本発明による永久磁石同期モータとその制御手段を用いることにより、電動機の駆動システムを低速から高速に至る広い範囲において高効率に駆動することが可能となる。
【００２０】
ではここで、本発明による永久磁石同期モータと制御手段を空気調和機の圧縮機用モータに用いた場合の効果について具体的に紹介する。まず、その前提として冷房４ｋＷ暖房５ｋＷの能力をもつ空気調和機の圧縮機モータの回転数範囲について説明するが、定格回転数は２８００〜３３００回転程度、室内空調が安定する中間回転数は１０００〜１５００回転と定格回転数の約半分以下となり、低温時で急激に暖房能力を上げる必要がある場合などは７０００回転程度にも上げる必要がある。つまり、低速は１０００回転から高速では７０００回転と広い範囲を運転できる最大回転数を持つモータを選定と、それを広域まで回すことのが可能となる制御装置が必要である。
【００２１】
では、定格回転数近傍で最も効率がよくなるモータを定格用モータとして、その定格モータのステータ巻線を半減したモータを中間用モータとする。それぞれのモータを空気調和機の運転モードである暖房および冷房で、かつ、運転能力を定格および中間とした場合の電動機駆動システムの回路効率，モータ効率、それぞれを乗算して得られる総合効率を図３に示す。それぞれの効率結果からも判るように中間回転数においては中間モータの方が高効率となり、定格回転数においては定格モータが高効率となっている。それぞれ一方の特性しか持ち得ないモータでは、どちらかの回転数において効率が悪くなるが、本発明による永久磁石同期モータとその制御手段であれば、それぞれの良い特性の選択が可能となる。近年、空気調和機の性能を表す指針の一つとして通年エネルギー効率ＡＰＦが用いられているが、ＡＰＦは運転時間を加味した考え方を用いているため、中間能力でかつ、暖房中間能力の改善がＡＰＦ向上に優位となる。ここで、定格モータの特性しか持ち合わせないモータであった場合に対して、中間，定格の二つの特性を持ち合わせた本発明による永久磁石同期モータと制御手段を用いた場合のＡＰＦ改善率は１％以上と大きく、広範囲にわたる効率改善が可能となる。
【実施例２】
【００２２】
図４に本発明による永久磁石同期モータとその制御手段を一つのモータに内蔵した実施例を示す。この様に永久磁石モータ内部に制御手段を内蔵することで、引き出し線は１８，１９，２０の三相電圧を印加する線、２１の制御手段を制御する信号線及び制御信号用の電源２２の線，制御信号のＧＮＤ２３の線の計６配線とすることが可能となり、簡単な構造でありながら最高回転数の可変が可能となる永久磁石同期モータの提案が可能となる。
【符号の説明】
【００２３】
１  ６スロット構造の永久磁石同期モータのステータ
２  制御手段
３  スロット１（Ｕ相）
４  スロット２（Ｖ相）
５  スロット３（Ｗ相）
６  スロット４（Ｕ相）
７  スロット５（Ｖ相）
８  スロット６（Ｗ相）
９  スイッチ１
１０  スイッチ２
１１  スイッチ３
１２  スイッチ４
１３  スイッチ５
１４  スイッチ６
１５  スイッチ７
１６  スイッチ８
１７  スイッチ９
１８  三相電圧印加線（Ｕ相）
１９  三相電圧印加線（Ｖ相）
２０  三相電圧印加線（Ｗ相）
２１  制御手段の信号線
２２  制御手段の電源線
２３  制御手段のＧＮＤ線
【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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