(57)【要約】【課題】同期機の高効率というメリットとインバータ駆動時と商用電源駆動時の機械回転数のマッチングという課題をより簡単な構成で解決し、更には４極用あるいは２極用の２種類の巻線を個別に巻き込む必要をなくすること。【解決手段】ステータ鉄心７に、互いに機械的および電気的に相対して配置された２組の３相巻線Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１及びＵ２、Ｖ２、Ｗ２と、各組の３相巻線の結線端子を外部に引き出す６つの端子とを備え、２組の３相巻線Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１及びＵ２、Ｖ２、Ｗ２の各組ごとに３相電源を接続するにつき、２組の３相巻線Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１及びＵ２、Ｖ２、Ｗ２のうち相対する巻線の対に３相電源を接続することで２極電動機を構成し、２組の３相巻線Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１及びＵ２、Ｖ２、Ｗ２のうち相対する巻線に相互に逆位相の電圧を供給して６相電源を得ることで４極電動機を構成する。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータに、互いに機械的および電気的に相対する位置に配置された２組の３相巻線と、各組の３相巻線の結線端子部を外部に引き出す６つの端子と、を備えた電動機。
【請求項２】
２組の３相巻線の各組ごとに３相電源を接続するにつき、２組の３相巻線のうち相対する巻線の対に３相電源を接続することで２極電動機を構成し、２組の３相巻線のうち相対する巻線に相互に逆位相の電圧を供給して６相電源を得ることで４極電動機を構成することを特徴とする、請求項１に記載の電動機。
【請求項３】
ロータに、永久磁石またはリラクタンストルク対応構造を備えたことを特徴とする、請求項１または２に記載の電動機。
【請求項４】
ロータに、誘導カゴ型構造を備えたことを特徴とする、請求項１または２に記載の電動機。
【請求項５】
冷凍装置の圧縮機の駆動用に適用したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の電動機。
【請求項６】
ステータの互いに機械的および電気的に相対する位置に配置された２組の３相巻線の各組ごとに３相電源を接続するにつき、２組の３相巻線のうち相対する巻線の対に３相電源を接続することで２極電動機を構成し、２組の３相巻線のうち相対する巻線に相互に逆位相の電圧を供給して６相電源を得ることで４極電動機を構成し、前記３相電源および６相電源を電圧型インバータにより供給することを特徴とする、電動機の駆動装置。
【請求項７】
３相商用電源を開閉手段を介して電動機の１組の３相巻線に接続すると共に、前記開閉手段と並列に片導通のスイッチング素子と逆並列の整流素子とで構成した電圧型インバータを接続し、この開閉手段と電圧型インバータとを電動機の２組の３相巻線に対応して２組設け、電動機駆動中に電圧型インバータを全て開路した後開閉手段を閉路して３相商用電源に切り換えることを特徴とする、電動機の駆動装置。
【請求項８】
３相商用電源で駆動する際には２極電動機となるように開閉手段を結線し、電圧型インバータで駆動する際には、２極電動機または４極電動機となるように前記電圧型インバータ制御することを特徴とする、請求項６または７に記載の電動機の駆動装置。
【請求項９】
電圧型インバータ駆動時は、４極同期電動機として動作し、３相商用電源駆動時は２極誘導電動機として動作することを特徴とする、請求項６または７に記載の電動機の駆動装置。
【請求項１０】
２組の３相電源より６相電圧を生成可能な電圧型インバータはプログラム演算または制御回路により出力波形とキャリア波形の比較によりＰＷＭタイミングを決定する方式をとり、２極電動機として制御する場合に、同相の電圧を発生するインバータ・アームのＰＷＭ制御時に位相反転したキャリア波形を用いることを特徴とする、請求項６、８、９のいずれか一つに記載の電動機の駆動装置。
【請求項１１】
２組の３相電源より６相電圧を生成可能な電圧型インバータはプログラム演算または制御回路により出力波形とキャリア波形の比較によりＰＷＭタイミングを決定する方式をとり、４極電動機として制御する場合に、逆相の電圧を発生するインバータ・アームのＰＷＭ制御時に適用する駆動信号は、一方の３相電源対応の各信号を上アームと下アームで入れ替えて適用することを特徴とする、請求項６、８、９のいずれか一つに記載の電動機の駆動装置。
【請求項１２】
電圧型インバータの各アームは互いに近接し、同一の筐体に固定されていることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の電動機の駆動装置。
【請求項１３】
電圧型インバータと電動機を接続する配線は互いに近接していることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の電動機の駆動装置。
【請求項１４】
６相の電圧型インバータに、スイッチング素子破損検出手段を設け、破損を検出した相は常時オフとしてその他の相の制御のみで電動機を駆動することを特徴とする、請求項６〜１３のいずれか一つに記載の電動機の駆動装置。
【請求項１５】
６相の電圧型インバータを、２組の３相出力インバータの出力を互いに回転磁界をキャンセルするように制御する拘束運転制御手段を備えたことを特徴とする請求項６〜１３のいずれか一つに記載の電動機の駆動装置。
【請求項１６】
冷凍装置の圧縮機の駆動に適用したことを特徴とする請求項６〜１５のいずれか一つに記載の電動機の駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電動機およびその駆動装置に係り、特に冷凍装置等に利用されるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
冷凍・空調装置（以下冷凍装置と称す）においては、高効率化の要請から、圧縮機用電動機のインバータ駆動化および圧縮機用電動機の同期機化が進んでいる。すなわち、同期機化の観点からは、永久磁石形同期電動機およびリラクタンス形同期電動機の利用が挙げられ、特開２００１−３４６３６４号公報などにはこの永久磁石形同期電動機の適用が開示されている。
【０００３】
また、この永久磁石形同期電動機を商用電源にて運転する用途では、例えば、特開２００１−００３８６４号公報にて開示されるようにカゴ付き自己始動型同期電動機とする構成が提案され、また、例えば、特開２０００−１３０８２４号公報、特開２００１−２５８２２４号公報にて開示されるようにインバータで始動しておいて商用電源に切替る構成が提案されている。
【０００４】
このようなことを踏まえて圧縮機の用途における駆動電動機では、従来２極の電動機による高速回転駆動が一般的であるが、同期電動機を用いるに当たっては４極以上の多極機が効率・振動対策等に適合しており、インバータ運転により商用電源以上の高周波数の電源電圧を供給することで必要な機械回転数を確保している。
【０００５】
ここで、圧縮機の用途において特に冷凍機の場合、インバータ破損時にも商用電源により圧縮機を引き続き駆動するという応急運転の必要もあり、この応急運転時には商用電源運転時とインバータによる運転時に機械回転数の相違が出てしまう、すなわち特に定格運転時には冷凍能力不足を生じてしまうことは、是非回避したい課題となっている。
【０００６】
従来の電動機では、このように同期機の高効率というメリットとインバータ駆動時と商用電源駆動時の機械回転数のマッチングとを両立させるという課題に対しては、特開２００１−１５７４２７号公報にて開示されるように、４極同期電動機としての動作と２極誘導電動機としての動作について、固定子巻線を２極および４極の各々に対応したものに切り換えることで実現している。また、特開２００１−２２７７７８号公報では、圧縮機の電動機を２極の永久磁石同期電動機で動作するという開示がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の例えば冷凍装置の圧縮機に用いられる電動機に着目しても、４極の永久磁石形同期電動機およびリラクタンス形同期電動機を用いてインバータによる周波数制御による回転制御を行っていたのであるが、次のような問題が生じている。すなわち、２極と４極とにそれぞれ対応する固定子巻線の切替方式では、各々の運転における特性は個々に調整できるため問題とならないのであるが、固定子に２種類の巻線を巻き込むことになるため大型化・高コスト化が避けられない。
【０００８】
この発明は上記に鑑みてなされたもので、同期機の高効率というメリットとインバータ駆動時と商用電源駆動時の機械回転数のマッチングという課題をより簡単な構成で解決し、更には４極用あるいは２極用の２種類の巻線を個別に巻き込む必要もない電動機およびその駆動装置の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明にかかる電動機は、ステータに、互いに機械的および電気的に相対する位置に配置された２組の３相巻線と、各組の３相巻線の結線端子部を外部に引き出す６つの端子と、を備えたことを特徴とする。
【００１０】
この発明によれば、従来のように４極用あるいは２極用の２種類の巻線を個別に巻き込む必要がなくなり、２組の３相巻線の組み合わせという簡単な巻線構造によって、４極用電動機あるいは２極用電動機のステータを得ることができる。
【００１１】
つぎの発明にかかる電動機は、上記の発明において、２組の３相巻線の各組ごとに３相電源を接続するにつき、２組の３相巻線のうち相対する巻線の対に３相電源を接続することで２極電動機を構成し、２組の３相巻線のうち相対する巻線に相互に逆位相の電圧を供給して６相電源を得ることで４極電動機を構成することを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、２組の３相巻線の簡単な巻線構造の組み合わせによって３相または６相の電源を得ることができ、４極用あるいは２極用の２種類の巻線を個別に巻き込む必要もなくなり、３相によって２極電動機および６相によって４極電動機を得ることができる。
【００１３】
つぎの発明にかかる電動機は、上記の発明において、ロータに、永久磁石またはリラクタンストルク対応構造を備えたことを特徴とする。
【００１４】
この発明によれば、高効率の同期電動機を得ることができる。
【００１５】
つぎの発明にかかる電動機は、上記の発明において、ロータに、誘導カゴ型構造を備えたことを特徴とする。
【００１６】
この発明によれば、４極から２極への切替え時、電動機の特性上整合性を保つことができる。
【００１７】
つぎの発明にかかる電動機は、上記の発明において、冷凍装置の圧縮機の駆動用に適用したことを特徴とする。
【００１８】
この発明によれば、圧縮機の動作について、巻線構造を簡単にして高効率、省エネルギの特長を十分発揮することができる。
【００１９】
つぎの発明にかかる電動機の駆動装置は、ステータの互いに機械的および電気的に相対する位置に配置された２組の３相巻線の各組ごとに３相電源を接続するにつき、２組の３相巻線のうち相対する巻線の対に３相電源を接続することで２極電動機を構成し、２組の３相巻線のうち相対する巻線に相互に逆位相の電圧を供給して６相電源を得ることで４極電動機を構成し、前記３相電源および６相電源を電圧型インバータにより供給することを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、電圧型インバータにより３相および６相の電源切替えを用意に行うことができ、２極もしくは４極の電動機を容易に得ることができる。
【００２１】
つぎの発明にかかる電動機の駆動装置は、３相商用電源を開閉手段を介して電動機の１組の３相巻線に接続すると共に、前記開閉手段と並列に片導通のスイッチング素子と逆並列の整流素子とで構成した電圧型インバータを接続し、この開閉手段と電圧型インバータとを電動機の２組の３相巻線に対応して２組設け、電動機駆動中に電圧型インバータを全て開路した後開閉手段を閉路して３相商用電源に切替えることを特徴とする。
【００２２】
この発明によれば、インバータ駆動時の３相及び６相運転を好適に行うことができしかもインバータ駆動時と商用電源駆動時との切替えを円滑に行うことができる。この場合同時切替えが不要となり、切換えに際してサージも防止できる。
【００２３】
つぎの発明にかかる電動機の駆動装置は、上記の発明において、３相商用電源で駆動する際には２極電動機となるように開閉手段を結線し、電圧型インバータで駆動する際には、２極電動機または４極電動機となるように前記電圧型インバータ制御することを特徴とする。
【００２４】
この発明によれば、３相電源駆動をインバータ及び開閉手段にて行い、６相電源駆動を電圧型インバータにて行うことが可能となり、電源駆動の切替えも円滑となる。
【００２５】
つぎの発明にかかる電動機の駆動装置は、上記の発明において、インバータ駆動時は、４極同期電動機として動作し、３相商用電源駆動時は２極誘導電動機として動作することを特徴とする。
【００２６】
この発明によれば、電圧型インバータから商用電源への切替えにあって、４極から２極への切替え時、電動機の特性上整合性を保つことができる。
【００２７】
つぎの発明にかかる電動機の駆動装置は、上記の発明において、２組の３相電源より６相電圧を生成可能な電圧型インバータはプログラム演算または制御回路により出力波形とキャリア波形の比較によりＰＷＭタイミングを決定する方式をとり、２極電動機として制御する場合に、同相の電圧を発生するインバータ・アームのＰＷＭ制御時に位相反転したキャリア波形を用いることを特徴とする。
【００２８】
この発明によれば、位相を反転したキャリア波形を用いるのみにより３相および６相のうち容易に３相電源を得ることができて２極電動機を得ることができる。また、キャリア波形の周波数成分の相殺によりキャリア音の低減、ＰＷＭスイッチングノイズのキャンセル効果による低ノイズ化および漏洩電流低減、鉄損等の損失も減少、平滑コンデンサのストレスも抑制につながる。
【００２９】
つぎの発明にかかる電動機の駆動装置は、上記の発明において、２組の３相電源より６相電圧を生成可能な電圧型インバータはプログラム演算または制御回路により出力波形とキャリア波形の比較によりＰＷＭタイミングを決定する方式をとり、４極電動機として制御する場合に、逆相の電圧を発生するインバータ・アームのＰＷＭ制御時に適用する駆動信号は、一方の３相電源対応の各信号を上アームと下アームで入れ替えて適用することを特徴とする。
【００３０】
この発明によれば、位相を反転したキャリア波形を用いかつ駆動信号を上アームと下アームで入れ替えるのみにより容易に６相電源を得ることができて４極電動機を得ることができる。また、キャリア波形の周波数成分の相殺によりキャリア音の低減、ＰＷＭスイッチングノイズのキャンセル効果による低ノイズ化および漏洩電流低減、鉄損等の損失も減少、平滑コンデンサのストレスも抑制につながる。
【００３１】
つぎの発明にかかる電動機の駆動装置は、上記の発明において、電圧型インバータの各アームは互いに近接し、同一の筐体に固定されていることを特徴とする。
【００３２】
この発明によれば、キャリアの周波数成分の逆位相に起因してノイズ成分のキャンセル効果を向上することができ、互いに近接配置したアームにより対地間発生ノイズ成分のキャンセル効果を向上することができる。
【００３３】
つぎの発明にかかる電動機の駆動装置は、上記の発明において、電圧型インバータと電動機を接続する配線は互いに近接していることを特徴とする。
【００３４】
この発明によれば、キャリアの周波数成分の逆位相に起因してノイズ成分のキャンセル効果を向上することができる。
【００３５】
つぎの発明にかかる電動機の駆動装置は、上記の発明において、６相の電圧型インバータに、スイッチング素子破損検出手段を設け、破損を検出した相は常時オフとしてその他の相の制御のみで電動機を駆動することを特徴とする。
【００３６】
この発明によれば、短絡破損が１つ以下の場合には、破損している素子を含む相（アーム）を動作させずに残りの５つの相の動作により、回転磁界を生成し、電動機を回転制御することができる。
【００３７】
つぎの発明にかかる電動機の駆動装置は、上記の発明において、６相の電圧型インバータを、２組の３相出力インバータの出力を互いに回転磁界をキャンセルするように制御する拘束運転制御手段を備えたことを特徴とする。
【００３８】
この発明によれば、電動機は回転せず、発熱効果のみが得られ、排熱利用として電動機の余熱、および冷凍機圧縮機に適用して電動機周辺の冷媒の気化移動に効果が得られる。
【００３９】
つぎの発明にかかる電動機の駆動装置は、上記の発明において、冷凍装置の圧縮機の駆動に適用したことを特徴とする。
【００４０】
この発明によれば、高効率というメリットとインバータ駆動時と商用電源駆動時の機械回転数のマッチングとを簡単な構成で可能とすることにより、冷凍装置の圧縮機にとって好適な駆動装置を得ることができた。
【００４１】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００４２】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１である電動機およびその駆動装置の回路構成を示す。図１において、電動機およびその駆動装置は、３相電源１、Ｕ１・Ｖ１・Ｗ１・Ｕ２・Ｖ２・Ｗ２からなる計６つの端子をもつ電動機２、３相電源１と電動機２の間に挿入された開閉手段３（図示上は３Ａおよび３Ｂに分割）、３相電源１の整流手段４、直流平滑用コンデンサ５、電圧型の６相インバータ６（図示上は３相インバータ６Ａおよび６Ｂに分割）からなる。
【００４３】
ここで、開閉手段３は、三相電源１のＲ・Ｓ・Ｔ相と電動機２の端子Ｕ１・Ｖ１・Ｗ１（３Ａ側）Ｕ２・Ｖ２・Ｗ２（３Ｂ側）の各３相を接離するもので、ＲとＵ１・Ｕ２、ＳとＶ１・Ｖ２、ＴとＷ１・Ｗ２が対応している。
【００４４】
また、インバータ６については、インバータの出力アームＸ１・Ｙ１・Ｚ１（６Ａ側）Ｘ２・Ｙ２・Ｚ２（６Ｂ側）と電動機２のＵ１・Ｖ１・Ｗ１・Ｕ２・Ｖ２・Ｗ２の各端子とが接続され、Ｘ１とＵ１、Ｙ１とＶ１、Ｚ１とＷ１、Ｘ２とＵ２、Ｙ２とＶ２、Ｚ２とＷ２が対応する構成となっている。
【００４５】
また、端子Ｕ１・Ｖ１・Ｗ１・Ｕ２・Ｖ２・Ｗ２を有する電動機２のステータは、図２に示すような構成となっている。この図２では、簡単のため、集中巻構造で示しているが分布巻でも考え方は同様である。
【００４６】
図２（ａ）において、ステータ鉄心７には、機械角で６０°毎に６個の突極（図２では集中巻の突極である）が形成され、各突極には巻線端Ｕ１Ａ・Ｕ１Ｂを有するＵ１巻線、巻線端Ｖ１Ａ・Ｖ１Ｂを有するＶ１巻線、巻線端Ｗ１Ａ・Ｗ１Ｂを有するＷ１巻線、巻線端Ｕ２Ａ・Ｕ２Ｂを有するＵ２巻線、巻線端Ｖ２Ａ・Ｖ２Ｂを有するＶ２巻線、巻線端Ｗ２Ａ・Ｗ２Ｂを有するＷ２巻線がそれぞれ巻回されており、各巻線の巻線端ＡからＢへの通電によって黒丸側にＮ極が形成される。また、Ｕ１巻線、Ｖ１巻線、Ｗ１巻線、Ｕ２巻線、Ｖ２巻線、Ｗ２巻線の各相は時計回りでＵ１、Ｗ２、Ｖ１、Ｕ２、Ｗ１、Ｖ２の順に配置され、Ｕ１とＵ２、Ｖ１とＶ２、Ｗ１とＷ２の各巻線が対抗する配置となっている。すなわち、ステータの各巻線は、相互に機械的に相対するように位置した２組の３相巻線が配置されている。
【００４７】
ここでは、Ｕ１巻線は、巻線端Ｕ１ＡからＵ１Ｂの方向に電流を流した時に、ロータと近接しない側が磁石のＮ極となるように巻回されている。また、Ｗ２巻線は、巻線端Ｗ２ＡからＷ２Ｂの方向に電流を流した時に、ロータと近接する側が磁石のＮ極となるように巻回されている。更に、Ｖ１巻線は、巻線端Ｖ１ＡからＶ１Ｂの方向に電流を流した時に、ロータと近接しない側が磁石のＮ極となるように巻回されている。また、Ｕ２巻線は、巻線端Ｕ２ＡからＵ２Ｂの方向に電流を流した時に、Ｕ１巻線とは逆のロータと近接する側が磁石のＮ極となるように巻回されている。Ｗ１巻線は、巻線端Ｗ１ＡからＷ１Ｂの方向に電流を流した時に、Ｗ２巻線とは逆のロータと近接しない側が磁石のＮ極となるように巻回されている。そして、Ｖ２巻線は、巻線端Ｖ２ＡからＶ２Ｂの方向に電流を流した時に、Ｖ１巻線とは逆のロータと近接する側が磁石のＮ極となるように巻回されている。
【００４８】
このような巻回状態を採るステータの各巻線の結線方法としては、図２（ｂ）に示すようにΔ結線とＹ結線の２種類がある。Δ結線としては、巻線端Ｕ１ＡとＷ１ＢでＵ１端子、巻線端Ｕ１ＢとＶ１ＡでＶ１端子、巻線端Ｖ１ＢとＷ１ＡでＷ１端子、巻線端Ｖ２ＢとＷ２ＡでＷ２端子、巻線端Ｗ２ＢとＵ２ＡでＵ２端子、巻線端Ｕ２ＢとＶ２ＡでＶ２端子、にそれぞれ接続される。
【００４９】
また、Ｙ結線としては、巻線端Ｕ１ＢとＶ１ＢとＷ１Ｂで第１の中性点、巻線端Ｕ２ＢとＶ２ＢとＷ２Ｂで第２の中性点を構成し、巻線端Ｕ１ＡをＵ１端子、巻線端Ｖ２ＡをＶ２端子、巻線端Ｗ１ＡをＷ１端子、巻線端Ｕ２ＡをＵ２端子、巻線端Ｖ２ＡをＶ２端子、巻線端Ｗ２ＡをＷ２端子、にそれぞれ接続する。
【００５０】
このような構成のもとで、図３に示すように各相のＵ、Ｖ、Ｗ巻線に電圧を印加して、Ｕ１＝Ｕ２、Ｖ１＝Ｖ１、Ｗ１＝Ｗ２（ここで＝は同相の意味である）からなる３相電圧をＵ→Ｖ→Ｗの相回転方向で印加することで、図面上時計回りに２極電動機を構成することができ、図４に示すように各相のＵ、Ｖ、Ｗ巻線に電圧を印加して、Ｕ１＝−Ｕ２、Ｖ１＝−Ｖ２、Ｗ１＝−Ｗ２（ここで−は逆相の意味である）からなる６相電圧をＵ→Ｗ→Ｖの相回転方向で印加することで、図面上時計回りに４極電動機を構成することができる。すなわち、ステータは、相互に電気的に相対する（電気的に同相あるいは逆相となる）２組の３相巻線が配置される。
【００５１】
なお、図１にて開閉手段３の結線は、３相電源１に対してＵ１＝Ｕ２、Ｖ１＝Ｖ１、Ｗ１＝Ｗ２の関係に接続するので、２極電動機対応となっている。また、インバータ６においては、図３、図４の電圧印加状態と等価の各アーム出力状態をＰＷＭ制御により実現することで、２極および４極の双方に対応が可能である。
【００５２】
前述の各相のＵ、Ｖ、Ｗ巻線にＵ１＝Ｕ２、Ｖ１＝Ｖ１、Ｗ１＝Ｗ２からなる３相電圧をＵ→Ｖ→Ｗの相回転方向で印加する２極電動機をインバータ駆動において達成しようとした場合、プログラム演算または制御回路によるＰＷＭ制御上図６に示すように正弦波である電圧波形を裁断する三角波であるキャリアを３相インバータ６Ａ／６Ｂについて互いに逆相にするという工夫を行っている。
【００５３】
図６では、代表例としてＵ１＝Ｕ２である各相の半周期の出力ＰＷＭ波形生成状態を示しているが、他相および他の位相でも同様である。図６において、ＰＷＭは、原理としてキャリア周期の三角波と電圧波形を重畳しこの両波形の比較により生成されて図示するような矩形波を得るもので、この矩形波の立ち上がりおよび立ち下がり時点にてインバータの転流が行われる。
【００５４】
ここで、図示したように巻線Ｕ１とＵ２に印加される同じ電圧波形に対して、逆位相の三角波を突き当てて比較することにより、この両波形の交点にてインバータ６のアームＸ１とＸ２とのスイッチング素子がオンオフ制御されるのであるが、逆位相の三角波に起因して矩形波である出力波形内に含まれるキャリア周波数成分の位相が反転される。
【００５５】
このことは、キャリア波形の周波数成分が相殺されることになりキャリア音の低減につながる。そして、このキャリア波形に基づくＰＷＭスイッチングノイズのキャンセル効果による低ノイズ化およびその影響の一つとしての漏洩電流低減が実現できる。
【００５６】
また、鉄心に流れるトータルのキャリア成分電流がキャンセル効果により減少することより、鉄損等の損失も減少して鉄心素材の板厚増等のコスト低減効果も期待できる。
【００５７】
また、同じくトータルのキャリア成分電流がキャンセル効果により減少することにより、平滑コンデンサへの電流の流入流出が相殺されてこのコンデンサへのストレスも抑制され、長寿命化およびまたは長寿命相当分の部品小型化・低コスト化も期待できる。
【００５８】
なお、ここでは、ＰＷＭ波形生成手法として一般的な三角波比較方式を用いたが、ベクトルパターン選定等の他の手法においても、ベクトルの出力順序を変更することで同様の効果が得られる。
【００５９】
前述の各相のＵ、Ｖ、Ｗ巻線に電圧を印加して、Ｕ１＝−Ｕ２、Ｖ１＝−Ｖ２、Ｗ１＝−Ｗ２からなる６相電圧をＵ→Ｗ→Ｖの相回転方向で印加する４極電動機をインバータ駆動において達成しようとした場合にも、プログラム演算または制御回路によるＰＷＭ制御上図７に示すように互いに逆相の正弦波である電圧波形を裁断する三角波であるキャリアを互いに逆相にするという工夫を行っている。
【００６０】
図７では、代表例としてＵ１＝−Ｕ２の半周期の出力ＰＷＭ波形生成状態を示しているが、他相および他の位相でも同様である。図７においては、図６と同様ＰＷＭは、原理としてキャリア周期の三角波と電圧波形を重畳しこの両波形の比較により生成されて図示するような矩形波を得るもので、この矩形波の立ち上がりおよび立ち下がり時点にてインバータの転流が行われる。そしてここでも、図示したように巻線Ｕ１とＵ２に印加される逆相の電圧波形に対して、逆位相の三角波を突き当てて比較することにより、この両波形の交点にてインバータ６のアームＸ１とＸ２とのスイッチング素子がオンオフ制御される。
【００６１】
ここで、図７に示したように、実際のＰＷＭ出力においては、上アームと下アームで同時オン防止のため、若干の空白期間Ｔｄ（上下短絡防止期間）を設けている。また、４極電動機を得るためにＵ１巻線出力に対してＵ２巻線出力を生成する際に、上記上アームと下アームの駆動信号を入れ替えている。このようにすることで、Ｕ２巻線出力波形はＵ１巻線に対して逆位相となる。
【００６２】
このことにより、キャリア波形の周波数成分が相殺されることによりキャリア音の低減、およびＰＷＭスイッチングノイズのキャンセル効果による低ノイズ化およびその影響の一つとしての漏洩電流低減が実現できる。特に、本制御においては、Ｕ１巻線とＵ２巻線とで出力電圧矩形波の立ち上がり／立下りの波形が図示のとおり完全に逆方向で同一タイミングとなるため、ノイズ及び漏洩電流のキャンセル効果は極めて大きい。
【００６３】
また、鉄心に流れるトータルのキャリア成分電流がキャンセル効果により減少することより、鉄心の素材の板厚増等コスト低減効果も期待できる。
【００６４】
また、同じくトータルのキャリア成分電流がキャンセル効果により減少することにより、平滑コンデンサへのストレスも抑制され、長寿命化およびまたは長寿命相当分の部品小型化・低コスト化も期待できる。
【００６５】
なお、ここでは、ＰＷＭ波形生成手法として一般的な三角波比較方式を用いたが、ベクトルパターン選定等の他の手法においても、生成された個々の上下アームの駆動信号レベルでの操作のため、同様の効果が得られる。
【００６６】
ここで、電動機としてのロータ側構造については特に図示していないが、誘導機としての商用電源による起動および運転の効果と同期機としての通常運転時の効率との両立を考慮し、かつ各々の運転状態での機械回転数の確保の観点より、２極誘導機かつ４極同期機として運転可能なように、カゴ付の４極同期ロータの適用が効果的である。そして、ここでは同期ロータの構造としては、永久磁石組込型およびリラクタンストルク型の構造を活用することができる。
【００６７】
また、上述にて説明してきた電動機とその駆動装置の適用としては、省エネルギと機器の部分機能喪失時の応急運転要求の両立を求められる製品として、冷凍装置の圧縮機駆動などが効果的であると考えられる。通常はインバータ運転により４極同期機として高効率省エネルギ運転を実現し、インバータ６のうち３相インバータ６Ａまたは６Ｂのいずれかが破損した場合には、開閉手段３の投入によって商用電源により２極誘導機として運転を継続することができる。４極同期機での定格機械回転速度を２極誘導機相当とすることで、電動機としての特性の整合性を保つことができる。
【００６８】
通常のインバータ制御方式では、３相出力が一般的であるが、今回は３相出力および６相出力ともに６相インバータとして駆動している。これは、上述のような低騒音・低ノイズの効果と共に素子の必要容量が１／２になることによるインバータ主回路素子の小型化による市場流通量増に基づく部品コスト抑制の効果も期待している。特に６相化することで、素子容量が３０〜５０Ａ以下にできる場合、インバータ用部品がモジュール構造からＤＩＰまたはＳＩＰ構造となることで現状部品価格レベルも容量に対してコスト抑制効果が極めた大きく期待できる。
【００６９】
実施の形態２．
つぎに、この発明の実施の形態２について説明する。図１の構成において、電動機２、開閉手段３、インバータ６の相数は６相に限らず３相でも良いのであるが、いずれにしても図５により、電動機を同期機とした場合に特に効果のあるインバータ運転から商用電源運転に切り換える場合の制御法について説明する。ここではインバータ駆動時と商用電源駆動時の極数が同一の場合を説明する。
【００７０】
図５において、ステップＳ１ではインバータ運転中かどうかを判定し、運転中であればステップＳ２へ移行し、インバータ運転をしていなければ本制御を終了する。ステップＳ２では、インバータの出力と電源電圧との位相が一致しているかどうかを判定し、一致していればステップＳ３へ移行し、不一致ならば本制御を終了する。ステップＳ３では、インバータの出力スイッチング素子を全てオフ（開）状態とし、ステップＳ４へ進む。ステップＳ４では、商用電源の開閉手段３をオン（閉）にし、本制御を終了する。
【００７１】
この図５の説明にて判明するように、インバータ電源と商用電源を切替える際には、両方の電源から同時に電圧を供給するタイミングを計らなくてもよいこと、およびインバータ出力からの電圧供給停止時に出力回路を開路する開閉手段を持たなくてもよいことという特長がある。
【００７２】
ここで、ステップＳ３においてインバータ電源を遮断し、ステップＳ４において商用電源と接続されるまでの間の挙動を更に述べる。この場合、インバータ電源から商用電源への切替えにおいて切替え時の電動機電流の処理については、続流遮断によるサージ電圧の発生が課題となるのであるが、この切替えの間は電動機はインバータの還流用のダイオードを介して直流平滑コンデンサに接続され、すなわち電動機を流れつづけている電流は流れつづける経路が確保されているため、サージ電圧の発生はない。
【００７３】
そして、商用電源に切替え後は常時インバータの還流ダイオードが接続されたままの状態となるが、インバータ６にとっては、２次側からの整流動作が付加されるのみであり、平滑用コンデンサ５が既に十分充電されている状況では特に問題はない。また、電動機２にとっても、３相電源１に対し電動機２と並列に整流手段４が接続されているだけであり動作に影響はない。
【００７４】
また、商用電源遮断時にもインバータ６の還流ダイオードが接続されたままの状態となるので、遮断時の電動機続流の流路が確保され、サージ電圧の抑制効果が得られる。
【００７５】
このように、インバータ電源から商用電源への運転中の同期切替えにおいては、特に複雑な回路を構成する必要はなくスムーズな切替えが実現できる。なお、自己始動の困難な同期機においては上記切替作業が要求される場合が多いが、インバータによる損失をなくす目的で誘導機にて同様の制御を行うことができる。
【００７６】
実施の形態３．
つぎに、この発明の実施の形態３について説明する。この実施の形態では、図８にて、図１の構成におけるノイズ抑制の構造的な対策について説明する。図８においては、インバータ６が固定される放熱用ヒートシンク８、接続配線９を示している。すなわち、ヒートシンク８上にインバータ６Ａ／６Ｂが固定され、かつ接続配線９を介してインバータ６Ａ／６Ｂ出力が電動機２に接続される。この場合、接続配線９はインバータ出力のＵ１端子とＵ２端子、Ｖ１端子とＶ２端子、Ｗ１端子とＷ２端子を各々寄り合せている。これらの寄り合せ配線は、インバータ運転時にキャリア周波数成分が逆位相になるように制御されているもの同士であり、近傍に配置することによりそのキャンセル効果を増大させている。
【００７７】
各インバータ素子のスイッチング動作による対地間発生ノイズに関しても、ノイズ成分が近傍に配置された素子間で、ヒートシンクを介してキャンセルする効果を大きくするため各インバータ素子を互いに近傍に配置するのが効果的である。
【００７８】
上記の考え方を拡張すると、同一モジュール内にＵ１端子とＵ２端子等の対抗するアームを配置することもノイズキャンセルにとって効果的である。
【００７９】
実施の形態４．
つぎに、この発明の実施の形態４について説明する。この実施の形態４は、図９を用いてインバータ運転による過電流異常時の応急運転について述べる。
【００８０】
図１に示すように３相２組を備えた６相インバータを適用する場合において、１相分の出力欠相に対しては歪みが増大するものの回転磁界の確保が可能となるため、直ちに商用電源駆動に切替えなくともインバータ駆動での応急運転が可能となる。この場合、応急運転のフローチャートを図９に示す。この図９では、仮変数ｉおよびｊを用いるが、このｉはインバータの各アームのＰ側とＮ側の位置を示し、ｊは故障回数を示している。
【００８１】
すなわち、ｉとインバータ６の各スイッチング素子との対応は、図１にてｉ＝１＝Ｘ１Ｐ側、ｉ＝２＝Ｘ１Ｎ側、ｉ＝３＝Ｙ１Ｐ側、ｉ＝４＝Ｙ１Ｎ側、ｉ＝５＝Ｚ１Ｐ側、ｉ＝６＝Ｚ１Ｎ側であり、ｉ＝７＝Ｘ２Ｐ側、ｉ＝８＝Ｘ２Ｎ側、ｉ＝９＝Ｙ２Ｐ側、ｉ＝１０＝Ｙ２Ｎ側、ｉ＝１１＝Ｚ２Ｐ側、ｉ＝１２＝Ｚ２Ｎ側、である。
【００８２】
図９のフローチャートにおいて、過電流異常時の応急運転に際しステップＳ１１では、過電流異常に対応してインバータ出力を停止し、ステップＳ１２へ進む。ステップＳ１２では、仮変数ｉ＝１すなわちＸ１Ｐ側位置、ｊ＝０すなわち故障回数なしとして、ステップＳ１３へ進む。ステップＳ１３では、ｉ番目（ここでは１）のスイッチング素子をオフ→オンとし、ステップＳ１４へ進む。ステップＳ１４では、ステップＳ１３のｉ番目（ここでは１番目）のオン動作によって過電流遮断が発生するかどうかを判定し、発生した場合はステップＳ１５へ進み、しなかった場合はステップＳ１７へ進む。電流遮断が発生した場合、ステップＳ１５では、ｉ番目（ここでは１番目）のスイッチング素子を含むアームをＰ側およびＮ側共オフのまま固定とし、ステップＳ１６へ進む。ステップ１６では、故障回数ｊ＝ｊ＋１とし、ステップＳ１７へ進む。ステップＳ１７では、ｉ番目（ここでは１番目）のスイッチング素子をオン→オフとし、ステップＳ１８へ進む。ステップＳ１８では、位置をずらしｉ＝ｉ＋１とし、ステップＳ１９へ進む。ステップＳ１９では、位置ｉが１２より大きいかどうかを判定し、大きければステップＳ２０へ進み、１２以下であればステップＳ１３へ戻ってステップＳ１３〜Ｓ１８を繰り返す。ステップＳ２０では、故障回数ｊ＝０かどうかを判定し、０であれば本制御を終了し、０でなければステップＳ２１へ進む。ステップＳ２１では、ｊ＝１かどうかを判定し、１であれば本制御を終了し、そうでなければステップＳ２２へ進む。ステップＳ２２では、次回以降の電動機駆動時は商用電源駆動に切替える事とし、本制御を終了する。なおこの場合、ステップＳ１４での過電流判定は、そのときに動作させているスイッチング素子と同じアームの対になる素子が短絡破壊している際に、短絡電流が検知できることにより不良アームを検出するようにしている。
【００８３】
このように制御することで、スイッチング素子の短絡破損が１つ以下の場合には、破損している素子を含む相（アーム）を動作させずに残りの５つの相の動作により、回転磁界を生成し、電動機を回転制御することができる。
【００８４】
実施の形態５．
つぎに、この発明の実施の形態５について説明する。この実施の形態５は、図１０により、電動機を回転させずに発熱させる方式について説明する。基本的な構成は図１と同様である。
【００８５】
図１０（ａ）に示している６相の印加電圧を電動機にかける場合、このような電圧の印加により、Ｕ１巻線、Ｖ１巻線、Ｗ１巻線の回転磁界は時計方向、Ｕ２巻線、Ｗ２巻線、Ｖ２巻線の回転磁界は反時計方向となり、同じ周波数、同じ電圧値であれば図１０（ｂ）に示すように合成磁界は往復動となり、回転磁界は発生しない。したがって、電動機は回転せず、発熱効果のみが得られる。
【００８６】
このことは、電動機の余熱、および冷凍機圧縮機に適用して電動機周辺の冷媒の気化移動に効果が得られる。なお、冷凍機圧縮機においては液冷媒をそのまま圧縮工程に進めると過負荷により過電流遮断の原因になると共に、圧縮機の機械的破損にもつながるため、この発熱工程は重要である。
【００８７】
【発明の効果】
以上説明したように、この電動機の発明によれば、ステータに、互いに機械的および電気的に相対する位置に配置された２組の３相巻線と、各組の３相巻線の結線端子部を外部に引き出す６つの端子と、を備えたことにより、従来のように４極用あるいは２極用の２種類の巻線を個別に巻き込む必要がなくなり、２組の３相巻線の組み合わせという簡単な巻線構造によって、４極用電動機あるいは２極用電動機のステータを得ることができる。
【００８８】
つぎの電動機の発明によれば、２組の３相巻線の各組ごとに３相電源を接続するにつき、２組の３相巻線のうち相対する巻線の対に３相電源を接続することで２極電動機を構成し、２組の３相巻線のうち相対する巻線に相互に逆位相の電圧を供給して６相電源を得ることで４極電動機を構成することにより、２組の３相巻線の簡単な巻線構造の組み合わせによって３相または６相の電源を得ることができ、４極用あるいは２極用の２種類の巻線個別に巻き込む必要もなくなり、３相によって２極電動機および６相によって４極電動機を得ることができる。
【００８９】
つぎの電動機の発明によれば、ロータに、永久磁石またはリラクタンストルク対応構造を備えたことにより、高効率の同期電動機を得ることができる。
【００９０】
つぎの電動機の発明によれば、ロータに、誘導カゴ型構造を備えたことにより、４極から２極への切替え時、電動機の特性上整合性を保つことができる。
【００９１】
つぎの電動機の発明によれば、冷凍装置の圧縮機の駆動用に適用したことにより、圧縮機の動作について、巻線構造を簡単にして高効率、省エネルギの特長を十分発揮することができる。
【００９２】
つぎの電動機の駆動装置の発明によれば、ステータの互いに機械的および電気的に相対する位置に配置された２組の３相巻線の各組ごとに３相電源を接続するにつき、２組の３相巻線のうち相対する巻線の対に３相電源を接続することで２極電動機を構成し、２組の３相巻線のうち相対する巻線に相互に逆位相の電圧を供給して６相電源を得ることで４極電動機を構成し、前記３相電源および６相電源を電圧型インバータにより供給することにより、電圧型インバータにより３相および６相の電源切替えを用意に行うことができ、２極もしくは４極の電動機を容易に得ることができる。
【００９３】
つぎの電動機の駆動装置の発明によれば、３相商用電源を開閉手段を介して電動機の１組の３相巻線に接続すると共に、前記開閉手段と並列に片導通のスイッチング素子と逆並列の整流素子とで構成した電圧型インバータを接続し、この開閉手段と電圧型インバータとを電動機の２組の３相巻線に対応して２組設け、電動機駆動中に電圧型インバータを全て開路した後開閉手段を閉路して３相商用電源に切替えることにより、インバータ駆動時の３相及び６相運転を好適に行うことができしかもインバータ駆動時と商用電源駆動時との切替えを円滑に行うことができる。この場合同時切替えが不要となり、切換えに際してサージも防止できる。
【００９４】
つぎの電動機の駆動装置の発明によれば、３相商用電源で駆動する際には２極電動機となるように開閉手段を結線し、電圧型インバータで駆動する際には、２極電動機または４極電動機となるように前記電圧型インバータ制御することにより、３相電源駆動を電圧型インバータ及び開閉手段にて行い、６相電源駆動を電圧型インバータにて行うことが可能となり、電源駆動の切替えも円滑となる。
【００９５】
つぎの電動機の駆動装置の発明によれば、インバータ駆動時は、４極同期電動機として動作し、３相商用電源駆動時は２極誘導電動機として動作することにより、電圧型インバータから商用電源への切替えにあって、４極から２極への切替え時、電動機の特性上整合性を保つことができる。
【００９６】
つぎの電動機の駆動装置の発明によれば、２組の３相電源より６相電圧を生成可能な電圧型インバータはプログラム演算または制御回路により出力波形とキャリア波形の比較によりＰＷＭタイミングを決定する方式をとり、２極電動機として制御する場合に、同相の電圧を発生するインバータ・アームのＰＷＭ制御時に位相反転したキャリア波形を用いることにより、位相を反転したキャリア波形を用いるのみにより３相および６相のうち容易に３相電源を得ることができて２極電動機を得ることができる。また、キャリア波形の周波数成分の相殺によりキャリア音の低減、ＰＷＭスイッチングノイズのキャンセル効果による低ノイズ化および漏洩電流低減、鉄損等の損失も減少、平滑コンデンサのストレスも抑制につながる。
【００９７】
つぎの電動機の駆動装置の発明によれば、２組の３相電源より６相電圧を生成可能な電圧型インバータはプログラム演算または制御回路により出力波形とキャリア波形の比較によりＰＷＭタイミングを決定する方式をとり、４極電動機として制御する場合に、逆相の電圧を発生するインバータ・アームのＰＷＭ制御時に適用する駆動信号は、一方の３相電源対応の各信号を上アームと下アームで入れ替えて適用することにより、位相を反転したキャリア波形を用いかつ駆動信号を上アームと下アームで入れ替えるのみにより容易に６相電源を得ることができて４極電動機を得ることができる。また、キャリア波形の周波数成分の相殺によりキャリア音の低減、ＰＷＭスイッチングノイズのキャンセル効果による低ノイズ化および漏洩電流低減、鉄損等の損失も減少、平滑コンデンサのストレスも抑制につながる。
【００９８】
つぎの電動機の駆動装置の発明によれば、電圧型インバータの各アームは互いに近接し、同一の筐体に固定されていることにより、キャリアの周波数成分の逆位相に起因してノイズ成分のキャンセル効果を向上することができ、互いに近接配置したアームにより対地間発生ノイズ成分のキャンセル効果を向上することができる。
【００９９】
つぎの電動機の駆動装置の発明によれば、電圧型インバータと電動機を接続する配線は互いに近接していることにより、キャリアの周波数成分の逆位相に起因してノイズ成分のキャンセル効果を向上することができる。
【０１００】
つぎの電動機の駆動装置の発明によれば、６相の電圧型インバータに、スイッチング素子破損検出手段を設け、破損を検出した相は常時オフとしてその他の相の制御のみで電動機を駆動することにより、短絡破損が１つ以下の場合には、破損している素子を含む相（アーム）を動作させずに残りの５つの相の動作により、回転磁界を生成し、電動機を回転制御することができる。
【０１０１】
つぎの電動機の駆動装置の発明によれば、６相の電圧型インバータを、２組の３相出力インバータの出力を互いに回転磁界をキャンセルするように制御する拘束運転制御手段を備えたことにより、電動機は回転せず、発熱効果のみが得られ、排熱利用として電動機の余熱、および冷凍機圧縮機に適用して電動機周辺の冷媒の気化移動に効果が得られる。
【００１０２】
つぎの電動機の駆動装置の発明によれば、冷凍装置の圧縮機の駆動に適用したことにより、高効率というメリットとインバータ駆動時と商用電源駆動時の機械回転数のマッチングとを簡単な構成で可能とすることにより、冷凍装置の圧縮機にとって好適な駆動装置を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１にかかる全体構成図である。
【図２】この発明における実施の形態１にかかる電動機のステータの構成図及び結線の説明図である。
【図３】この発明における実施の形態１にかかる２極電動機の動作電圧波形図である。
【図４】この発明における実施の形態１にかかる４極電動機の動作電圧波形図である。
【図５】この発明における実施の形態２にかかる制御フローチャートである。
【図６】この発明における実施の形態１にかかる２極電動機の動作電圧生成法についての波形図である。
【図７】この発明における実施の形態１にかかる４極電動機の動作電圧生成法についての波形図である。
【図８】この発明における実施の形態３にかかる構造概念図である。
【図９】この発明における実施の形態４にかかる制御フローチャートである。
【図１０】本発明における実施の形態５にかかる電動機動作電圧波形図及び概念図である。
【符号の説明】
１　３相電源、２　電動機、３　開閉手段、４　整流手段、５　直流平滑用コンデンサ、６　インバータ、７　ステータ鉄心。
【図１】
2004064893.tif 000003
【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】
2004064893.tif 000008
【図７】
2004064893.tif 000009
【図８】
2004064893.tif 000010
【図９】
2004064893.tif 000011
【図１０】
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