(57)【要約】【課題】広い回転数範囲で高効率運転を行うことができ、長期的に見て消費電力を低減することができる圧縮機を提供する【解決手段】複数個のコイル２３Ｕ、２３Ｖ、２３Ｗが設けられた固定子２１と、複数の極が着磁された回転子２２とを備え、複数個のコイル２３Ｕ、２３Ｖ、２３Ｗは、第１巻線数Ｎ１と、第１巻線数Ｎ１よりも少ない第２巻線数Ｎ２を切り替え可能であるとともに、各巻線数のそれぞれで弱め界磁制御が可能であり、第２巻線数Ｎ２は定格運転時の回転数が、弱め界磁制御の開始回転数よりも小さくなるように決定されており、第１巻線数Ｎ１は定格運転よりも出力が小さい中間運転時の回転数で効率が最大となるように決定されており、少なくとも定格運転を行うときには第２巻線数Ｎ２が選択され中間運転時のときには第１巻線数Ｎ２が選択されることを特徴とする圧縮機１１。【選択図】図４Ａ
2015171203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数個のコイルが設けられた固定子と、
複数の極が形成された回転子と、を備えた圧縮機であって、
前記複数個のコイルは、第１巻線数と、第１巻線数よりも少ない第２巻線数を切り替え可能であるとともに、各巻線数のそれぞれで弱め界磁制御が可能であり、
前記第２巻線数は定格運転時の回転数が、弱め界磁制御の開始回転数よりも小さくなるように決定されており、
前記第１巻線数は前記定格運転よりも出力が小さい中間運転時の回転数で効率が最大となるように決定されており、
少なくとも定格運転を行うときには前記第２巻線数が選択され前記中間運転時のときには前記第１巻線数が選択されることを特徴とする圧縮機。
【請求項２】
前記コイルが前記第２巻線数に切り替えられている状態において、前記複数個のコイルの少なくとも一つに流れる電流を検出し、前記コイルに流れる電流と回転数との比である電流の変化値が変化したときの回転数を前記弱め界磁制御の開始回転数とする請求項１に記載の圧縮機。
【請求項３】
前記コイルが前記第１巻線数に切り替えられている状態において、前記第１巻線数は前記中間運転時の回転数で弱め界磁制御が開始されないように決定されている請求項１又は請求項２に記載の圧縮機。
【請求項４】
前記第１巻線数と前記第２巻線数とは、
１．５＜（第１巻線数／第２巻線数）＜４．０
の関係が成り立つように決定されている請求項１から請求項３のいずれかに記載の圧縮機。
【請求項５】
前記コイルが前記第１巻線数に切り替えられている状態の効率と、前記コイルが前記第２巻線数に切り替えられている状態の効率とが一致する臨界回転数を備えており、
前記臨界回転数未満の回転数のとき前記コイルの巻線数を前記第１巻線数に切り替え、前記臨界回転数以上の回転数のとき前記コイルの巻線数を前記第２巻線数に切り替えられる請求項１から請求項４のいずれかに記載の圧縮機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、冷凍サイクル装置では、圧縮機の回転速度を調整することで冷凍能力を可変調整可能となっているものが多い。すなわち、前記圧縮機を高回転で運転（定格運転）させることで、前記冷凍サイクル装置の冷凍能力を高めることができる。圧縮機には通常、電動機が組み込まれ、回転数は電気的に制御される。また、電動機の回転数を落とした中間運転（能力が定格の約半分となる運転）を行うことで、必要に応じて冷凍能力を調整することができる。
【０００３】
例えば、前記冷凍サイクル装置が空気調和機に用いられているとする。前記空気調和機の電源投入直後等で冷房又は暖房を行う場合、前記圧縮機を定格運転し、前記冷凍サイクル装置の冷凍能力を高め、冷房又は暖房の出力を上げる。また、一定の温度に到達し、温度維持程度の冷房又は暖房でよい場合、前記圧縮機を中間運転し、冷凍サイクル装置の冷凍能力を低く抑え、少ない消費電力で室温を安定させている。
【０００４】
前記冷凍サイクル装置の消費電力の多くは圧縮機で消費されるものである。そして、前記圧縮機（圧縮機に含まれる電動機）の効率を高めることが消費電力の低減につながる。前記電動機の特性は、コイルの巻線数によって変わり、前記巻線数によって最も高効率となる回転数が決まる。つまり、従来の構成の電動機で、低回転から高回転の全域で効率を高くすることは困難であった。
【０００５】
そこで、特開平６−２０５５７３号公報に記載の巻線切替型回転電機のような回転数が変化しても効率の高い状態で運転可能な電動機が提案されている。この巻線切替型回転電機では、電動機の回転数によって電力を供給するコイルを切り替え、コイルの巻線数を変更することで、高回転運転（定格運転）及び低速回転運転（中間運転）で効率の低下を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２０５５７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特開平６−２０５５７３号公報に記載の巻線切替型回転電機は高回転側のコイルと低回転側のコイルとを切り替えて利用するものである。冷凍サイクル装置を備える空気調和機は、圧縮機を利用して居室を冷やす冷房と居室を暖める暖房とを行う構成である。前記空気調和機では、冷房運転と暖房運転との違い、外気温の差等によって必要な冷凍能力が変動するため、圧縮機の回転数を細かく制御する必要がある。このような、回転数を細かく制御する必要がある圧縮機の電動機に前記巻線切替型回転電機を利用しても、長期間の運転で、必ずしも消費電力を低減できるとは限らない。
【０００８】
そこで本発明は、広い回転数範囲で高効率運転を行うことができ、長期的に見て消費電力を低減することができる圧縮機を提供することを目的とする。
【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、複数個のコイルが設けられた固定子と、複数の極が形成された回転子と、を備えた圧縮機であって、前記複数個のコイルは、第１巻線数と、第１巻線数よりも少ない第２巻線数を切り替え可能であるとともに各巻線数のそれぞれで弱め界磁制御が可能であり、前記第２巻線数は定格運転時の回転数が、弱め界磁制御の開始回転数よりも小さくなるように決定されており、前記第１巻線数は前記定格運転よりも出力が小さい中間運転時の回転数で効率が最大となるように決定されており、少なくとも定格運転を行うときには前記第２巻線数が選択され前記中間運転時のときには前記第１巻線数が選択されることを特徴とする。
【００１０】
この構成によると、中間運転と定格運転の回転数に基づいて、最適化した第１巻線数と第２巻線数を切り替えることで、少なくとも中間運転又は定格運転時の効率の低下を抑制することが可能である。
【００１１】
これにより、長期間にわたり、効率のよい運転が可能な圧縮機を提供することが可能である。また、このような圧縮機を利用することで、前記圧縮機が搭載された機器の長期間の総消費電力量を低減することが可能である。
【００１２】
上記構成において、前記コイルが前記第２巻線数に切り替えられている状態において、前記複数個のコイルの少なくとも一つに流れる電流を検出し、前記コイルに流れる電流と回転数との比である電流の変化値が変化したときの回転数を前記弱め界磁制御の開始回転数としてもよい。
【００１３】
上記構成において、前記コイルが前記第１巻線数に切り替えられている状態において、前記第１巻線数は前記中間運転時の回転数で弱め界磁制御が開始されないように決定されていてもよい。
【００１４】
上記構成において、前記第１巻線数と前記第２巻線数とは、１．５＜（第１巻線数／第２巻線数）＜４．０、の関係が成り立つように決定されていてもよい。
【００１５】
上記構成において、前記コイルが前記第１巻線数に切り替えられている状態の効率と、前記コイルが前記第２巻線数に切り替えられている状態の効率とが一致する臨界回転数を備えており、前記臨界回転数未満の回転数のとき前記コイルの巻線数を前記第１巻線数に切り替え、前記臨界回転数以上の回転数のとき前記コイルの巻線数を前記第２巻線数に切り替えられるようにしてもよい。このようにすることで、圧縮機の回転数が細かく変動した場合でも、その回転数で高効率の運転が可能であり、広い回転数範囲で高効率運転が可能である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によると、広い回転数範囲で高効率運転を行うことができ、長期的に見て消費電力を低減することができる圧縮機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】空気調和機の概略図である。
【図２】本発明にかかる圧縮機を備えた冷凍サイクル装置の一例の概略図である。
【図３】本発明にかかる圧縮機に配置された電動機の軸と垂直な面で切断した断面図である。
【図４Ａ】圧縮機に設けられた電動機の駆動回路の等価回路図である。
【図４Ｂ】圧縮機に設けられた電動機の駆動回路の他の例の等価回路図である。
【図５】図４Ａに示す駆動回路のスイッチング素子が閉じられたときの電動機の等価回路である。
【図６】本発明にかかる圧縮機に用いられるコイルの巻線数を決定する手順を示すフローチャートである。
【図７】本発明にかかる圧縮機に用いられるコイルの巻線数を決定する手順を示すフローチャートである。
【図８】電動機効率と回転数の関係を示すグラフである。
【図９】異なる巻線数で電動機を駆動したときの回転数と電動機効率の関係を示すグラフである。
【図１０】本発明にかかる電動機で弱め界磁制御を行う場合の回転数とコイルに流れる電流値の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に本発明について図面を参照して説明する。
（第１実施形態）
図１は空気調和機の概略図であり、図２は本発明にかかる圧縮機を備えた冷凍サイクル装置の一例の概略図である。図１に示すように、空気調和機Ａｃは、居室Ｒｍの内部（壁）に設置される室内機ＩＭと、居室Ｒｍの外部に設置される室外機ＯＭとを有する。なお、扉、窓等の開口は空調を行うときに閉じ、壁、天井等と一体と考えてもよいため、省略している。空気調和機Ａは、居室Ｒｍの空気を室内機ＩＭに取込み、口調した空気を吐出することで居室Ｒｍ内の空調を行っている。
【００１９】
図２に示すように冷凍サイクル装置Ａは、圧縮機１１、四方弁１２、室外熱交換器１３、減圧部１４、室内熱交換器１５等の機器を備えている。そして、これらの機器が冷媒配管で接続されているとともに、内部に冷媒が封入されており、公知の冷媒回路を構成している。
【００２０】
図２に示すように、冷凍サイクル装置Ａにおいて、圧縮機１１、四方弁１２、室外熱交換器１３、減圧部１４、室外ファン１３１及びアキュムレータ１６は室外機ＯＭに配置されており、室内熱交換器１５及び室内ファン１５１は室内機ＩＭに配置されている。なお、減圧部１４は室外機ＯＭではなく、室内機ＩＭに設けられていてもよい。
【００２１】
圧縮機１１は冷媒を圧縮する装置である。圧縮機１１には冷媒が流出する流出配管Ｐｏと流入する流入配管Ｐｉが接続されており、流出配管Ｐｏ及び流入配管Ｐｉはともに四方弁１２に接続されている。また、圧縮機１１に冷媒が流入する流入配管には、アキュムレータ１６が取り付けられている。圧縮機１１に戻る冷媒は気相と液相とが混じった状態である。冷媒はアキュムレータ１６を通過することで液体と気体とに分離される。そして、気体の冷媒が圧縮機１１に流入する。
【００２２】
四方弁１２は冷媒回路の流れ方向を変更するものである。つまり、流出配管Ｐｏと流入配管Ｐｉの接続先（室外熱交換器１３又は室内熱交換器１５）を切り替える。例えば、四方弁１２が流出配管Ｐｏと室外熱交換器１３とを接続し、流入配管Ｐｉと室内熱交換器１５とを接続すると、空気調和機Ａｃは居室Ｒｍ内を冷却する冷房運転となる。また、四方弁１２を逆接続すると、居室Ｒｍ内を加熱する暖房運転となる。
【００２３】
減圧部１４は冷媒の圧力を低下させるものであり、ここでは、膨張弁が採用される。室外熱交換器１３及び室内熱交換器１５はそれぞれ、居室Ｒｍの外部及び内部の空気と冷媒との間の熱交換を行うためのものであり、例えば、冷媒配管に断面積を増やすためのフィンが設けられた構成を挙げることができる。このフィンに空気を吹き付け、強制的に空気を送り込むことで熱交換の効率を高めることが可能である。そのため、冷凍サイクル装置Ａでは、室外熱交換器１３の近傍に室外ファン１３１を、室内熱交換器１５の近傍に室内ファン１５１を設け、各熱交換器に送風することで、冷媒と空気との間で効率よく熱交換を行う。
【００２４】
圧縮機１１は内部に配置された電動機によって冷媒を圧縮している。次に、圧縮機１１に含まれる電動機について図面を参照して説明する。図３は本発明にかかる圧縮機に配置された電動機の軸と垂直な面で切断した断面図であり、図４Ａは圧縮機に設けられた電動機の駆動回路の等価回路図である。
【００２５】
圧縮機１１に含まれる電動機２は３相のＤＣブラシレスモータである。図３に示す電動機２では、固定子（ステータ）２１が９個のスロット２２を備えている。そして、ステータ２１の内部に回転子（ロータ）２２が配置されている。なお、回転子２２には不図示の永久磁石が配置されている。回転子２２としては、例えば、８個の永久磁石を備えた（８極が形成された）固定子を挙げることができる。また、スロット及び極の数はこれに限定されない。
【００２６】
電動機２の各スロットには導線を巻き付けられており、各スロットがコイル（界磁）を構成している。これらのコイルは、印加される電圧によって、Ｕ相コイル２３Ｕ、Ｖ相コイル２３Ｖ及びＷ相コイル２３Ｗの３系統に分けられる。
【００２７】
図４Ａに示すように、Ｕ相コイル２３Ｕ、Ｖ相コイル２３Ｖ及びＷ相コイル２３Ｗはスター結線になっている。そして、駆動回路３からＵ相コイル２３Ｕ、Ｖ相コイル２３Ｖ及びＷ相コイル２３Ｗに電力を供給することで、電動機２は回転駆動する。なお、駆動回路３は、電動機２の駆動のために設けられた回路であってもよいし、冷凍サイクル装置Ａ又は空気調和機Ａｃの制御回路の一部であってもよい。
【００２８】
図４Ａに示すように、Ｕ相コイル２３Ｕ、Ｖ相コイル２３Ｖ及びＷ相コイル２３Ｗは、巻線数Ｎ１−Ｎ２のコイル部２３１と巻線数Ｎ２のコイル部２３２とを備えている。コイル部２３１とコイル部２３２は直列に接続されている。なお、Ｕ相コイル２３Ｕ、Ｖ相コイル２３Ｖ及びＷ相コイル２３Ｗは、後述するスイッチング素子を利用して、コイル部２３１とコイル部２３２を切り替えることで巻線数を切り替えることができるようになっている。なお、巻線数Ｎ1が第１巻線数に相当し、巻線数Ｎ２が第２巻線数に相当する。
【００２９】
駆動回路３は、モータコントローラ３１、スイッチング素子３２１、３２２、３２３及び制御部３３を備えている。モータコントローラ３１は、Ｕ相コイル２３Ｕ、Ｖ相コイル２３Ｖ及びＷ相コイル２３Ｗのそれぞれに電力を供給するドライバ回路である。モータコントローラ３１は不図示の電源からの電力を電動機２の駆動に適した電力（電圧の波形、周波数）に変換している。そして、モータコントローラ３１は、Ｕ相コイル２３Ｕと接続するＵ端子３１１、Ｖ相コイル２３Ｖと接続するＶ端子３１２及びＷ相コイル２３Ｗと接続するＷ端子３１３を備えている。
【００３０】
モータコントローラ３１は、Ｕ端子３１１、Ｖ端子３１２及びＷ端子３１３から、Ｕ相コイル２３Ｕ、Ｖ相コイル２３Ｖ及びＷ相コイル２３Ｗに位相が異なる同波形の電圧を順次印加する。また、このとき、Ｕ端子３１１、Ｖ端子３１２及びＷ端子３１３のうち、電圧を印加していない端子の一方が接地されるように制御している。具体的には、Ｕ端子３１１に電圧を印加している状態のとき、Ｖ端子３１２を接地とすることで、Ｕ相コイル２３Ｕに流れた電流がＶ相コイル２３Ｖを流れる。同様に、Ｖ端子３１２に電圧を印加したときＷ端子３１３を接地し、Ｗ端子３１３に電圧を印加したときＵ端子３１１を接地する。このように、電圧を印加する端子と接地端子を順次切り替えることで、電動機２を回転駆動する。なお、モータコントローラ３１のＵ端子３１１、Ｖ端子３１２及びＷ端子３１３からＵ相コイル２３Ｕ、Ｖ相コイル２３Ｖ及びＷ相コイル２３Ｗに印加される電圧の波形及び周波数は、制御部３３によって制御される。
【００３１】
スイッチング素子３２１は、Ｕ相コイル２３Ｕのコイル部２３１とコイル部２３２の接続点と、Ｖ相コイル２３Ｖのコイル部２３１とコイル部２３２の接続点とを結ぶ配線に配置されている。同様にスイッチング素子３２２はＶ相コイル２３ＶとＷ相コイル２３Ｗの間の配線に設けられており、スイッチング素子３２３はＷ相コイル２３ＷとＵ相コイル２３Ｕの間の配線に設けられている。
【００３２】
スイッチング素子３２１、３２２、３２３は、制御部３３によって制御される。スイッチング素子３２１、３２２、３２３としては、ＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ等を挙げることができるが、これに限定されない。
【００３３】
駆動回路３についてさらに詳しく説明する。上述しているように、制御部３３はスイッチング素子３２１、３２２及び３２３の開閉を制御している。スイッチング素子３２１、３２２及び３２３は、同時に開又は閉になるように制御される。スイッチング素子３２１、３２２及び３２３が開状態のとき、電動機２のＵ相コイル２３Ｕ、Ｖ相コイル２３Ｖ及びＷ相コイル２３Ｗはコイル部２３１とコイル部２３２を直列に接続したコイルとなる、すなわち、巻線数がＮ１になる。
【００３４】
一方、スイッチング素子３２１、３２２及び３２３を閉じると、Ｕ相コイル２３Ｕのコイル部２３２と、Ｖ相コイル２３Ｖのコイル部２３２と、Ｗ相コイルのコイル部２３２とが接続した状態となる。Ｕ相コイル２３Ｕ、Ｖ相コイル２３Ｖ及びＷ相コイル２３Ｗは、それぞれ、コイル部２３２のみに通電する構成となる。この状態の電動機２の等価回路を図５に示す。図５はスイッチング素子が閉じられたときの電動機の等価回路である。図５に示すように、スイッチング素子３２１、３２２及び３２３を閉じると、Ｕ相コイル２３Ｕ、Ｖ相コイル２３Ｖ及びＷ相コイル２３Ｗが、それぞれ、コイル部２３２のみで構成される、すなわち、巻線数がＮ２となる。
【００３５】
なお、電動機の駆動回路としては図４Ａに示す駆動回路３以外の構成であってもよい。例えば、図４Ｂに示すような駆動回路３Ｂを挙げることができる。図４Ｂは圧縮機に設けられた電動機の駆動回路の他の例の等価回路図である。図４Ｂに示す駆動回路３Ｂは、駆動回路３のスイッチング素子３２１、３２２、３２３に変えてスイッチング素子３２４、３２５、３２６を備えている。スイッチング素子３２４、３２５、３２６もスイッチング素子３２１、３２２、３２３同様、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴを備えた構成のものを利用できる。
【００３６】
駆動回路３Ｂは、Ｕ相コイル２３Ｕのコイル部２３２がＵ端子３１１と接続している。同様に、Ｖ相コイル２３Ｖのコイル部２３２がＶ端子３１２と接続し、Ｗ相コイル２３Ｗのコイル部２３２がＷ端子３１３と接続している。
【００３７】
そして、スイッチング素子３２４は、Ｖ相コイル２３Ｖのコイル部２３２とＶ相コイル２３Ｖのコイル部２３１とを接続するＡ接点と、Ｖ相コイル２３Ｖのコイル部２３２とＵ相コイル２３Ｕのコイル部２３２とを接続するＢ接点とを備えている。スイッチング素子３２４は、制御部３３に制御されている。
【００３８】
同様に、スイッチング素子３２５は、Ｗ相コイル２３Ｗのコイル部２３２とＷ相コイル２３Ｗのコイル部２３１とを接続するＡ接点と、Ｗ相コイル２３Ｗのコイル部２３２とＶ相コイル２３Ｖのコイル部２３２とを接続するＢ接点とを備えている。スイッチング素子３２５も制御部３３に制御されている。
【００３９】
さらに、スイッチング素子３２６は、Ｕ相コイル２３Ｕのコイル部２３２とＵ相コイル２３Ｕのコイル部２３１とを接続するＡ接点と、Ｕ相コイル２３Ｕのコイル部２３２とＷ相コイル２３Ｗのコイル部２３２とを接続するＢ接点とを備えている。スイッチング素子３２６も制御部３３に制御されている。
【００４０】
そして、スイッチング素子３２４、３２５及び３２６は、いずれも同時にＡ接点又はＢ接点を閉じるように制御される。スイッチング素子３２４、３２５及び３２６のＡ接点を閉じることで、電動機２は、Ｕ相コイル２３Ｕ、Ｖ相コイル２３Ｖ及びＷ相コイル２３Ｗとして、コイル部２３１とコイル部２３２とを直列に接続した構成となる（図４Ａと同じ構成）。また、スイッチング素子３２４、３２５及び３２６のＢ接点を閉じることで、電動機２は、Ｕ相コイル２３Ｕ、Ｖ相コイル２３Ｖ及びＷ相コイル２３Ｗとして、コイル部２３２のみに通電される構成となる（図５参照）。
【００４１】
以上のように、駆動回路３Ｂをもちいても、電動機２のＵ相コイル２３Ｕ、Ｖ相コイル２３Ｖ及びＷ相コイル２３Ｗの巻線数をＮ１とＮ２とに切り替えることが可能である。また、駆動回路３、３Ｂ以外にも、巻線数を切り替えることが可能な回路構成の駆動回路を広く採用することができる。なお、以下の説明では、駆動回路３を用いて説明を行う。また、各スイッチング素子の切り替えタイミングは同時が基本だが、圧縮機を一旦停止させて切り替えるような場合には必ずしも同時である必要はない。
【００４２】
本発明にかかる圧縮機１１では、内部に配置される電動機２のコイルの巻線数を変更することができる構成となっている。冷凍サイクル装置Ａでは、圧縮機１１の回転数、すなわち、電動機２の回転数を調整することで、冷凍能力（空気調和機では、冷房能力又は暖房能力）を調整している。そして、３相ブラシレスモータである電動機２では一般的に、巻線数が多いと低回転での効率が高く（最高効率に達し）、高回転では効率が低下する。一方、巻線数が少ないと低回転での効率は低いが高回転での効率が高くなる（最高効率に達する）。
【００４３】
そこで、本発明の電動機２の駆動回路３は回転子２２の回転数を検出し、その回転数に応じて、スイッチング素子３２１、３２２、３２３の開閉を制御し、Ｕ相コイル２３Ｕ、Ｖ相コイル２３Ｖ及びＷ相コイル２３Ｗの巻線数を変更する制御を行っている。この制御によって、電動機２は低回転及び高回転の両方で高効率運転が可能である。つまり、冷凍サイクル装置Ａでは、冷凍能力が高いときと低きときの両方で圧縮機１１を高効率で運転することが可能である。
【００４４】
また、３相ブラシレスモータは回転子２２が回転するとき、Ｕ相コイル２３Ｕ、Ｖ相コイル２３Ｖ及びＷ相コイル２３Ｗに逆起電力（電流）が発生する。逆起電力は回転数によって増加し、逆起電力による電圧がモータコントローラ３１から各コイルに供給される電圧を超えるとそれ以上回転数を上げることができなくなる。そこで制御部３３は、モータコントローラ３１の各端子から出力する電圧の位相（進角）を進めて各コイルによる磁界の発生をずらし、逆起電力を低減する制御（弱め界磁制御）を行う。弱め界磁制御を行うことで逆起電力が低減されるため、回転数を上げることが可能である。
【００４５】
そして、本発明にかかる圧縮機１１では、コイルの巻線数を最適化するとともに、コイルの切替えのタイミング及び弱め界磁制御を行うタイミングを最適化することで、広い回転数の範囲で効率が高くなるように運転制御している。
【００４６】
つぎに、本発明にかかる圧縮機のコイルの巻線数の決定方法について説明する。図６は本発明にかかる圧縮機に用いられるコイルの巻線数を決定する手順を示すフローチャートである。圧縮機１１に設けられる電動機２では、コイル部２３２の巻線数Ｎ２を決定した後、コイル部２３１とコイル部２３２とを直列に接続したときの巻線数Ｎ１を決定する。
【００４７】
まず、冷凍サイクル装置Ａの冷凍能力に基づいて、圧縮機１１の電動機２の定格動力を決定する（ステップＳ１０１）。巻線数ＮのコイルをＵ相コイル２３Ｕ、Ｖ相コイル２３Ｖ及びＷ相コイル２３Ｗとして電動機２ｎを作製する（ステップＳ１０２）。なお、電動機２ｎは実際にコイルを使って作製してもよいし、巻線数Ｎを用いた電動機２ｎのモデルを作製してもよい。
【００４８】
ステップＳ１０２で作製した電動機２ｎに電力を供給するとともに回転数を上昇させる（ステップＳ１０３）。回転数を上昇する方法として、現在の回転数に対して予め決められた回転数だけ高い回転数になるように調整するものを挙げることができるが、これに限定されない。
【００４９】
現在の回転数で電動機２ｎが定格動力に達したか（定格運転に入ったか）否か確認する（ステップＳ１０４）。電動機２ｎが定格動力に達した場合（ステップＳ１０４でＹｅｓの場合）、現在の電動機２のコイルの巻線数Ｎをコイル部２３２の巻線数Ｎ２に決定する（ステップＳ１０５）。
【００５０】
また、現在の回転数で電動機２ｎが定格運転に入っていない場合（ステップＳ１０４でＮｏの場合）、弱め界磁制御をスタートしたか否か判断する（ステップＳ１０６）。弱め界磁制御がスタートしていない場合（ステップＳ１０６でＮｏの場合）、電動機２ｎの回転数を上げることができると判断し、電動機２ｎの回転数を上げる（ステップＳ１０３に戻る）。また、弱め界磁制御がスタートしている場合（ステップＳ１０６でＹｅｓの場合）、現在の巻線数Ｎで、弱め界磁制御を行わずに定格運転には到達できないので、コイルの巻線数Ｎを小さくする（ステップＳ１０７）。そして、電動機２ｎの回転数を上昇させる動作（ステップＳ１０３に戻る）。なお、この回転数を上昇させる動作は、常に予め決められた回転数から回転数を上げるように制御してもよいし、弱め界磁を確認したときの回転数に対し回転数を上げるようにしてもよい。
【００５１】
このようにして、コイル部２３２の巻線数Ｎ２を決定することで、Ｕ相コイル２３Ｕ、Ｖ相コイル２３Ｖ及びＷ相コイル２３Ｗの巻線数Ｎ２に切り替えた（コイル部２３２だけで構成した）電動機２の定格運転時の回転数を、弱め界磁制御が開始される回転数よりも小さくすることができる。換言すると、巻線数Ｎ２に切り替えた電動機２を定格運転するときには、弱め界磁による効率低下を抑制することが可能となっている。
【００５２】
次に、コイル部２３１とコイル部２３２とを直列で接続したＵ相コイル２３Ｕ、Ｖ相コイル２３Ｖ及びＷ相コイル２３Ｗの巻線数Ｎ１の決定方法を説明する。図７は本発明にかかる圧縮機に用いられるコイルの巻線数を決定する手順を示すフローチャートである。
【００５３】
まず、巻線数Ｎ２よりも大きい巻線数Ｍの電動機２ｍを作製する（ステップＳ２０１）、なお、ここでは、巻線数Ｍとして巻線数Ｎ２の２倍を採用している。Ｕ相コイル２３Ｕ、Ｖ相コイル２３Ｖ及びＷ相コイル２３Ｗの巻線数Ｍとした電動機２ｍに電力を供給し、回転数を上昇させる（ステップＳ２０２）。回転数を上昇させる方法として、現在の回転数に対して予め決められた回転数だけ高い回転数になるように調整するものを挙げることができるが、これに限定されない。
【００５４】
現在の回転数での電動機効率を検出する（ステップＳ２０３）。検出した電動機効率が現在の巻線数Ｍでの最高効率に達しているか否か判断する（ステップＳ２０４）。なお、電動機２ｍの電動機効率は、図８に示すような特性を示す。図８は電動機効率と回転数の関係を示すグラフであり、縦軸に電動機効率、横軸に回転数を取っている。そして、電動機効率と回転数とを記憶し、回転数と電動機効率とをプロットすることで、最高効率を検出することができる。
【００５５】
現在の回転数での電動機効率が最高効率ではない場合（ステップＳ２０４でＮｏの場合）、電動機２ｍの回転数を上げる（ステップＳ２０２に戻る）。検出した電動機効率が最高効率の場合（ステップＳ２０４でＹｅｓの場合）、現在の回転数Ｒ１として記録する（ステップＳ２０５）。また、中間条件（定格出力の半分の出力）で運転するときの電動機２ｍの回転数Ｒ２を算出する（ステップＳ２０６）。
【００５６】
現在の電動機２ｍのＵ相コイル２３Ｕ、Ｖ相コイル２３Ｖ及びＷ相コイル２３Ｗの巻線数Ｍと、最高効率時の回転数Ｒ１と、中間条件で運転したときの回転数Ｒ２に基づいて、電動機２の回転数Ｎ１を決定する（ステップＳ２０７）。演算式は以下のとおりである。
Ｍ／Ｎ１＝Ｒ１／Ｒ２
すなわち、
Ｎ１＝（Ｒ２／Ｒ１）×Ｍ
【００５７】
このように、巻線数Ｎ１を決定することで、Ｕ相コイル２３Ｕ、Ｖ相コイル２３Ｖ及びＷ相コイル２３Ｗが巻線数Ｎ１のとき、中間条件で運転したときに最大効率となる。
【００５８】
以上示した電動機２では、定格運転時にＵ相コイル２３Ｕ、Ｖ相コイル２３Ｖ及びＷ相コイル２３Ｗを巻線数Ｎ２のコイル部２３２とすることで弱め界磁制御を行わないようにし、定格運転時の電動機効率の低下を抑制している。また、電動機２は中間条件で運転する場合において、Ｕ相コイル２３Ｕ、Ｖ相コイル２３Ｖ及びＷ相コイル２３Ｗを、巻線数Ｎ１のコイル部２３１とコイル部２３２を直列に接続するものとすることで、中間条件時に最高効率とすることができる。
【００５９】
冷凍サイクル装置Ａでは、空気調和機Ａｃで居室内Ｒｍの冷房又は暖房を行う場合等、運転開始直後に高い冷凍能力が必要であり、圧縮機１１を定格運転させて冷凍能力を高める。また、居室内Ｒｍ内の温度が一定温度に達した後は、冷凍能力は高くなくてもよく、圧縮機１１を中間運転（例えば、定格運転時の半分の出力の運転）させる。
【００６０】
本発明にかかる圧縮機１１では電動機２の巻線数として巻線数Ｎ２を選択し、電動機効率を高める。また、中間運転を行う場合、巻線数Ｎ１を選択し、電動機効率を高める。以上のように、高回転の定格運転時又は低回転の中間運転時のいずれもで、電動機効率を高めることができるため、冷凍サイクル装置Ａは圧縮機１１の回転数を調整し、冷凍能力を可変調整する場合でも、電動機２の電動機効率を高く維持するため、長期間にわたって、消費電力を低減することが可能である。
【００６１】
巻線数Ｎ１は巻線数Ｎ１の電動機２が中間運転時に最高効率となるように設定されている。一方、巻線数Ｎ２は弱め界磁制御の開始が定格運転よりも高回転で発生するように決定されている。そして、巻線数Ｎ２によっては、定格運転時に巻線数Ｎ２の電動機２が最高効率となっていてもよい。
【００６２】
また、一般的に電動機に流れる電流が同じであれば巻線数に比例して磁束が増え、これに伴って回転数が上昇する。そのため、巻線数Ｎ１と巻線数Ｎ２の比（Ｎ１／Ｎ２）は、（定格運転時の回転数／中間運転時の回転数）の値を含むように構成される範囲であることが好ましい。
【００６３】
圧縮機１１（の電動機２）の冷房定格運転時の回転数、暖房定格運転時の回転数及び中間運転時の回転数は空気調和機の能力（ｋＷ）によって異なる。そのため、巻線数Ｎ１と巻線数Ｎ２の比（Ｎ１／Ｎ２）の値は、空気調和機の能力に基づいて設定される。例えば、４．０ｋＷクラスの空気調和機で用いられる圧縮機では、暖房定格運転時の回転数が４０００ｒｐｍ程度であり、冷房定格運転時の回転数が３０００ｒｐｍ程度である。また、暖房中間運転時の回転数が１８００ｒｐｍ程度であり、冷房中間運転時の回転数が１２００ｒｐｍ程度である。これらの定格運転時の回転数及び中間運転時の回転数より、Ｎ１／Ｎ２の範囲は、およそ１．５＜Ｎ１／Ｎ２＜４の範囲に収まるように設定されることが好ましい。
【００６４】
（第２実施形態）
第１実施形態では、電動機２は中間条件又は定格条件で駆動している。そのため、巻線数Ｎ１と巻線数Ｎ２を適切に調整している。このような構成の場合、中間運転及び定格運転を行う場合の効率を高めることが可能である。一方で、冷凍サイクル装置Ａに要求される冷凍能力によっては、中間運転と定格運転の間の回転数で圧縮機１１（の電動機２）を動作させる場合もある。
【００６５】
本発明にかかる駆動回路３ではＵ相コイル２３Ｕ、Ｖ相コイル２３Ｖ及びＷ相コイル２３Ｗの巻線数をＮ１とＮ２とで切り替えるようになっているが、いずれの巻線数の場合でも弱め界磁制御ができる構成となっている。そのため、巻線数Ｎ１で弱め界磁制御が行われている場合の電動機効率が、同じ回転数で巻線数Ｎ２の電動機２を駆動した場合の電動機効率よりも高くなる場合もある。
【００６６】
そこで、巻線数Ｎ１及び巻線数Ｎ２を切り替えることができる電動機２について、巻線数を切り替えるタイミングを決める手順について説明する。図９は異なる巻線数で電動機を駆動したときの回転数と電動機効率の関係を示すグラフである。図９に示すグラフでは、縦軸に電動機効率、横軸に電動機回転数としている。そして、図９に示すグラフにおいて、破線はＵ相コイル２３Ｕ、Ｖ相コイル２３Ｖ及びＷ相コイル２３Ｗとしてコイル部２３１、コイル部２３２を直列に接続した（巻線数Ｎ１の）構成の電動機効率と回転数の関係を示している。また、実線は、Ｕ相コイル２３Ｕ、Ｖ相コイル２３Ｖ及びＷ相コイル２３Ｗとしてコイル部２３２（巻線数Ｎ２）に切り替えた電動機２の電動機効率と回転数の関係を示している。
【００６７】
本発明にかかる駆動回路３ではＵ相コイル２３Ｕ、Ｖ相コイル２３Ｖ及びＷ相コイル２３Ｗの巻線数をＮ１とＮ２とを選択し、そして、いずれの巻線数の場合でも弱め界磁制御ができる構成となっている。巻線数Ｎ１では、中間運転の回転数を超え、一定の回転数に到達すると弱め界磁制御が開始される。弱め界磁制御が行われると、電動機２の回転数は上がるが電動機効率が低下する。一方で、巻線数Ｎ２では、低回転数の状態では、電動機効率が低い。
【００６８】
そこで、巻線数Ｎ１の電動機２を中間運転の回転数から回転数を上昇させ、各回転数と電動機効率との関係を記録する（図９破線）。また、巻線数Ｎ２の電動機を中間運転の回転数で運転を開始し、その回転数から回転数を上昇させ、各回転数と電動機効率との関係を記録する（図９実線）。この巻線数Ｎ１の電動機の電動機効率と巻線数Ｎ２の電動機の電動機効率を比較し、電動機効率が交差する回転数（臨界回転数）を検出する。
【００６９】
そして、電動機効率が交差する回転数よりも低い回転数で電動機２を駆動する場合、巻線数Ｎ１を採用する。また、電動機効率が交差する回転数以上の回転数で電動機２を駆動する場合、巻線数Ｎ２を採用する。
【００７０】
なお、電動機効率が交差する回転数よりも低い回転数が、巻線数Ｎ１の電動機２で弱め界磁制御が開始される回転数よりも大きい場合、巻線数Ｎ１の電動機２で弱め界磁制御を行う。以上のように、巻線数Ｎ１とＮ２を切り替えるようにすることで、中間運転時の回転数と定格運転時の回転数との間の回転数で電動機２を動作させる場合でも、電動機効率を高く維持することができる。これにより、圧縮機１１は広い回転数範囲において高い効率で駆動が可能であるため、冷凍サイクル装置Ａの冷凍能力を細かく変動させても、消費電力を低く抑えることができる。
【００７１】
これ以外の特徴については、第１実施形態と同じである。
【００７２】
（第３実施形態）
本発明にかかる圧縮機の他の例について図面を参照して説明する。図１０は本発明にかかる電動機で弱め界磁制御を行う場合の回転数とコイルに流れる電流値の関係を示す図である。なお、図１０のグラフは、縦軸は電動機２のＵ相コイル２３Ｕ、Ｖ相コイル２３Ｖ及びＷ相コイル２３Ｗに流れる電流を、横軸は回転数である。そして、図１０のグラフは、Ｕ相コイル２３Ｕ、Ｖ相コイル２３Ｖ及びＷ相コイル２３Ｗとして、巻線数Ｎ２のコイル部２３２を利用した電動機２の電流の変化を示している。
【００７３】
本発明にかかる圧縮機１１では、駆動回路３が電動機２の駆動を制御している。そして、駆動回路３の制御部３３が、電動機２の回転数を検知し、電動機２の弱め界磁制御を行うか否か判断している。そのため、弱め界磁制御が行われる回転数は、制御部３３の制御によって確認することができる。しかしながら、制御部３３が弱め界磁制御を開始しても、弱め界磁制御がすぐに開始するとは限らず、制御部３３が指示する回転数と弱め界磁制御が効果を発揮する回転数とは異なる場合が多い。
【００７４】
最適な巻線数Ｎ１及び巻線数Ｎ２を決定するためには、弱め界磁制御が確実に効き始めている回転数を取得できることが好ましい。そこで、巻線数Ｎ１及び巻線数Ｎ２を決定する際に、弱め界磁制御が行われているか否かの判断として以下のような方法を採用している。例えば、図５に示すＵ相コイル２３Ｕ、Ｖ相コイル２３Ｖ及びＷ相コイル２３Ｗに巻線数Ｎ２のコイル部２３２を用いた電動機２において、各コイル部２３２の電流を検出するようにする。そして、図５に示す電動機２に電力を供給するとともに、電動機２の回転数を上昇させる。
【００７５】
電動機２のＵ相コイル２３Ｕ、Ｖ相コイル２３Ｖ及びＷ相コイル２３Ｗの各コイル部２３２に流入する電流の変化率（コイルに流れる電流／回転数）は一定となっている。そして、弱め界磁制御が効きはじめると、逆起電力による電流が小さくなるため、各コイル部２３２に流れる電流の変化率が変化する。電動機２では、この電流値の変化率が変化する回転数のとき、弱め界磁制御が効き始める回転数となる。
【００７６】
例えば、図６に示す手順で巻線数Ｎ２を決定する場合において、弱め界磁制御の開始をコイル部２３２に流れる電流の変化率が切り替わる回転数とする。そして、その回転数が定格運転時の回転数を超えないように巻線数Ｎ２を調整する。このように、巻線数Ｎ２を決定することで、制御部３３の弱め界磁制御を開始する回転数を利用する場合に比べて、巻線数Ｎ２を大きく設定することができる。そして、この巻線数Ｎ２を利用して、第１実施形態に示す方法で巻線数Ｎ１を決定する。このように巻線数Ｎ１及びＮ２を決定することで、巻線数Ｎ１及び巻線数Ｎ２をより最適なものを選択することができる。
【００７７】
なお、これ以外の特徴については、第１実施形態及び第２実施形態と同じである。
【００７８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこの内容に限定されるものではない。また本発明の実施形態は、発明の趣旨を逸脱しない限り、種々の改変を加えることが可能である。
【符号の説明】
【００７９】
Ａ  冷凍サイクル装置
１１  圧縮機
１２  四方弁
１３  室外熱交換器
１３１  室外ファン
１４  減圧部
１５  室内熱交換器
１５１  室内ファン
１６  アキュムレータ
２  電動機
２１  ステータ
２２  ロータ
２３Ｕ  Ｕ相コイル
２３１  コイル部
２３２  コイル部
２３Ｖ  Ｖ相コイル
２３Ｗ  Ｗ相コイル
３  駆動回路
３１  モータコントローラ
３１１  Ｕ端子
３１２  Ｖ端子
３１３  Ｗ端子
３２１、３２２、３２３  スイッチング素子
３３  制御部
【図１】
2015171203.tif 000003
【図２】
2015171203.tif 000004
【図３】
2015171203.tif 000005
【図４Ａ】
2015171203.tif 000006
【図４Ｂ】
2015171203.tif 000007
【図５】
2015171203.tif 000008
【図６】
2015171203.tif 000009
【図７】
2015171203.tif 000010
【図８】
2015171203.tif 000011
【図９】
2015171203.tif 000012
【図１０】
2015171203.tif 000013