密閉型電動圧縮機
【課題】電源の大容量化や高電圧化を招くことなく、低回転数域及び高回転数域の双方の効率改善を図るようにした密閉型電動圧縮機を提供する。
【解決手段】切替部１４３は、電源側に接続されている第１巻線１４０への印加電圧に応じて、第１巻線１４０、第２巻線１４１及び第３巻線１４２を直列に接続するか、第１巻線１４０に対して第２巻線１４１及び第３巻線１４２を並列に接続するか、を切り替える。
【解決手段】切替部１４３は、電源側に接続されている第１巻線１４０への印加電圧に応じて、第１巻線１４０、第２巻線１４１及び第３巻線１４２を直列に接続するか、第１巻線１４０に対して第２巻線１４１及び第３巻線１４２を並列に接続するか、を切り替える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒等の流体を圧縮する密閉型電動圧縮機に関し、特に電動機の効率改善を図るようにした密閉型電動圧縮機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の密閉型電動圧縮機の消費電力低減への要求に対し、駆動用電動機の効率向上のため、種々の永久磁石同期電動機が用いられることが多い。このような密閉型電動圧縮機に用いられる永久磁石同期電動機は、一般的に、内部に複数の永久磁石が装着されたローターと、積層鋼板に絶縁部材を介して巻線を施した複数の歯部を有するステーターと、により構成されている。そして、ステーターに施された巻線に通電が成されると巻線による磁界と磁石の磁束とによりトルクが発生する（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、以上のような従来の密閉型電動圧縮機に用いられる永久磁石同期電動機の巻線の巻数は、最大回転数の最大負荷において運転電流が電源の許容値以下となるように設定されている。なお、従来の密閉型電動圧縮機に用いられる永久磁石同期電動機のステーターでは、各々の巻線が回転磁界を生じさせるような接続がなされている。また、各々の巻線の端部（中性点側引出線、電源側引出線）が接続されることで、中性点や入力線（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＷＯ０８／１０２４３９号公報（図１等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
永久磁石同期電動機におけるトルクは、巻線による磁界と磁石の磁束により生じるため、直列に接続された巻線の巻数が多い仕様では、低回転数域において直列に接続された巻線の巻数が少ない仕様より小さな電流でトルクを発生させることができる。そのため、低回転数域において直列に接続された巻線の巻数が多い仕様では、制御器を含めた電気回路の高効率な運転が可能である。
【０００６】
一方、回転数が増加するとローターの磁束により巻線に誘起される誘起電圧が高くなる。そのため、誘起電圧以上の電圧を印加する必要があるが、電源入力電圧以上の電圧を印加するには別回路が必要となり、コスト、製造工程、部品点数の増加などの課題が生じる。そこで、高回転数域では、ローター磁束を弱めるタイミングでステーターへ通電することにより運転を可能にする「弱め界磁制御」などの制御方法が通常採用される。
【０００７】
しかしながら、「弱め界磁制御」時は、トルクを発生させるために、より大きな電流を流すことが必要となり、効率が低下してしまう。つまり、直列に接続された巻線の巻数を増やして低回転数域の効率を改善した場合、高回転数域では効率が低下してしまう。また、電流値が高いことにより、電源の大容量化も必要となる。すなわち、電源の大容量化や高電圧化を招くことなく、低回転数域及び高回転数域の双方の効率を改善するということは困難であった。
【０００８】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、電源の大容量化や高電圧化を招くことなく、低回転数域及び高回転数域の双方の効率改善を図るようにした密閉型電動圧縮機を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る密閉型電動圧縮機は、密閉容器と、前記密閉容器内に配置された流体圧縮機構と、前記密閉容器内に配置され、前記流体圧縮機構を駆動する電動機と、を備えた密閉型電動圧縮機であって、前記電動機は、歯部を有する固定子コアと、同一歯部に巻き付けられる複数本の巻線と、前記密閉容器内に収容され、ワイドバンドギャップ半導体で構成するスイッチング素子を有する切替部と、を有しており、前記切替部は、ローターの回転数に応じて、前記複数本の巻線への電流の流れを切り替え可能としているものである。
【００１０】
本発明に係る密閉型電動圧縮機は、密閉容器と、前記密閉容器内に配置された流体圧縮機構と、前記密閉容器内に配置され、前記流体圧縮機構を駆動する電動機と、を備えた密閉型電動圧縮機であって、前記電動機は、歯部を有する固定子コアと、同一歯部に巻き付けられる第１巻線、第２巻線及び第３巻線と、前記密閉容器内に収容され、ワイドバンドギャップ半導体で構成するスイッチング素子を有する切替部と、を有しており、前記切替部は、ローターの回転数に応じて、前記第１巻線、前記第２巻線及び前記第３巻線を直列に接続するか、前記第１巻線に対して前記第２巻線及び前記第３巻線を並列に接続するか、を切り替え可能としているものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る密閉型電動圧縮機によれば、ローターの回転数に応じて巻線への電流の流れを切り替えることができるので、電源の大容量化や高電圧化を招くことなく、低回転数域及び高回転数域の双方の効率改善を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態に係る密閉型電動圧縮機の概略構成の一例を示す概略縦断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る密閉型電動圧縮機のステーターを説明するための概略図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る密閉型電動圧縮機のステーターの巻線の電気的な接続例を示す概略図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る密閉型電動圧縮機のステーターの巻線の概略構成を示す概略図である。
【図５】同一トルクにおいて直列に接続された巻線の巻数と運転電流との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る密閉型電動圧縮機（以下、圧縮機１００と称する）の概略構成の一例を示す概略縦断面図である。図１に基づいて、圧縮機１００の構成及び動作について説明する。この圧縮機１００は、たとえば冷蔵庫や冷凍庫、自動販売機、空気調和機、冷凍装置、給湯器等の冷凍サイクル装置の一構成要素となるものである。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。
【００１４】
この圧縮機１００は、冷媒などの流体を吸入し、圧縮して高温高圧の状態として吐出するものである。圧縮機１００は、流体圧縮機構１０６と駆動機構部１０７とを有している。この流体圧縮機構１０６及び駆動機構部１０７は、密閉容器１０２内に収納されている。この密閉容器１０２は、圧力容器となっている。図１に示すように、流体圧縮機構１０６が密閉容器１０２の上側に配置され、駆動機構部１０７が密閉容器１０２の下側に配置されている。密閉容器１０２の底部は、冷凍機油１３０を貯留する油だめ１３１となっている。また、密閉容器１０２には、流体を吸入するための吸入管１０３と、流体を吐出するための吐出管１０４とが連接されている。
【００１５】
流体圧縮機構１０６は、吸入管１０３から吸入した流体を圧縮して密閉容器１０２内の吐出空間１０５に排出する機能を有している。この吐出空間１０５に排出された流体は、吐出管１０４から圧縮機１００の外部に吐出されるようになっている。駆動機構部１０７は、流体圧縮機構１０６で流体を圧縮するために、流体圧縮機構１０６を構成する揺動スクロール１１６を駆動する機能を果たすようになっている。つまり、駆動機構部１０７が主軸１１０を介して揺動スクロール１１６を駆動することによって、流体圧縮機構１０６で流体を圧縮するようになっているのである。
【００１６】
流体圧縮機構１０６は、揺動スクロール１１６と、固定スクロール１２１とで概略構成されている。図１に示すように、揺動スクロール１１６は下側に、固定スクロール１２１は上側に配置されるようになっている。固定スクロール１２１には、台板の一方の面に突設された渦巻状突起である渦巻体１２２が形成されている。また、揺動スクロール１１６にも、台板の一方の面に突設された渦巻状突起である渦巻体１１７が形成されている。揺動スクロール１１６及び固定スクロール１２１は、渦巻体１１７と渦巻体１２２とを互いに噛み合わせ、密閉容器１０２内に装着される。そして、渦巻体１１７と渦巻体１２２との間には、相対的に容積が変化する圧縮室１０８が形成される。
【００１７】
固定スクロール１２１は、フレーム１２５に図示省略のボルト等によって固定されている。固定スクロール１２１の中央部には、圧縮され、高圧となった流体を吐出する突出ポート１２４が形成されている。そして、圧縮され、高圧となった流体は、固定スクロール１２１の上部に設けられている吐出空間１０５に排出されるようになっている。
【００１８】
揺動スクロール１１６は、固定スクロール１２１に対して自転運動することなく公転旋回運動を行うようになっている。また、揺動スクロール１１６の渦巻体１１７形成面とは反対側の面（以下、スラスト面１１９と称する）の略中心部には、中空円筒形状の揺動スクロールボス部１１８が形成されている。この揺動スクロールボス部１１８には、後述する主軸１１０の上端に設けられた偏心ピン部１１１が嵌入（係合）される。
【００１９】
駆動機構部１０７は、内部に永久磁石を有し、主軸１１０に固定されたローター１２９と、密閉容器１０２に収容され、固着保持されたステーター１０９と、回転軸である主軸１１０とで構成されている。ローター１２９は、ステーター１０９への通電が開始することによりトルクを発生し、主軸１１０を回転させるようになっている。また、ステーター１０９の外周面は焼き嵌め等により密閉容器１０２に固着支持されている。そして、ローター１２９は、ステーター１０９の内周面側に回転可能に配設されている。すなわち、ローター１２９及びステーター１０９でモーター（電動機）を構成しているのである。なお、ステーター１０９については、後段で詳述する。
【００２０】
主軸１１０は、ローター１２９の回転に伴って回転し、揺動スクロール１１６を旋回させるようになっている。この主軸１１０の上端部は、揺動スクロール１１６の揺動スクロールボス部１１８と回転自在に嵌合する偏心ピン部１１１が形成されている。油だめ１３１に溜まっている冷凍機油１３０は、主軸１１０の回転に伴い、吸い上げられて、主軸１１０に形成されている給油流路１１４を流れて流体圧縮機構１０６に給油されるようになっている。
【００２１】
主軸１１０の上方部分は、フレーム１２５の貫通孔に設けられている主軸受で回転自在に支持され、主軸１１０の下方部分は、サブフレーム１２８の貫通孔に設けられている副軸受で回転自在に支持されている。
【００２２】
フレーム１２５は、密閉容器１０２の内周面に固着され、中心部に主軸１１０を挿通される貫通孔が形成されている。この貫通孔には、主軸１１０を回転自在に支持する主軸受が設けられている。また、フレーム１２５に、揺動スクロール１１６のスラスト面１１９側から軸方向下側に貫通する排油穴１２６を形成し、スラスト面１１９を潤滑した冷凍機油１３０を油だめ１３１に戻すようにしておくとよい。なお、フレーム１２５は、その外周面を焼き嵌めや溶接等によって密閉容器１０２の内周面に固定するとよい。
【００２３】
サブフレーム１２８は、密閉容器１０２の内周面に外周面が焼き嵌めや溶接等によって固着され、中心部に主軸１１０が挿通される貫通孔が形成されている。この貫通孔には、主軸１１０を回転自在に支持させるための副軸受が設けられている。このサブフレーム１２８は、密閉容器１０２内の下方に設置され、主軸１１０の下方部分を支持している。
【００２４】
揺動スクロール１１６と固定スクロール１２１との間には、揺動スクロール１１６の偏心旋回運動中における自転運動を阻止するためのオルダムリング１２７が配設されている。このオルダムリング１２７は、揺動スクロール１１６と固定スクロール１２１との間に配設され、揺動スクロール１１６の自転運動を阻止するとともに、公転旋回運動を可能とする機能を果たすようになっている。つまり、オルダムリング１２７は、揺動スクロール１１６の自転防止機構として機能している。
【００２５】
ここで、圧縮機１００の動作について簡単に説明する。
電動機を構成するローター１２９は、ステーター１０９が発生する回転磁界からの回転力を受けて発生したトルクにより回転する。それに伴って、ローター１２９に固定された主軸１１０が回転駆動する。揺動スクロール１１６は、主軸１１０の偏心ピン部１１１に係合されており、揺動スクロール１１６の自転回転運動がオルダムリング１２７の自転防止機構によって公転旋回運動に変換される。この主軸１１０の回転駆動によって、密閉容器１０２内の流体が固定スクロール１２１の渦巻体１２２と揺動スクロール１１６の渦巻体１１７とにより形成される圧縮室１０８内へ流れ、吸入過程が開始する。
【００２６】
圧縮室１０８内に流体が吸入されると、主軸１１０に対して偏心させられた揺動スクロール１１６の公転旋回運動で、圧縮室１０８の容積を減少させる圧縮過程へと移行する。つまり、流体圧縮機構１０６では、揺動スクロール１１６が公転旋回運動すると、流体が吸入口となる揺動スクロール１１６の渦巻体１１７及び固定スクロール１２１の渦巻体１２２の最外周開口部から取り込まれて、揺動スクロール１１６の回転とともに徐々に圧縮されながら中心部に向かうようになっている。流体は、吸入管１０３から密閉容器１０２内に流入する。そして、圧縮室１０８で圧縮された流体は、吐出過程に移行する。流体は、固定スクロール１２１の突出ポート１２４を通過し、吐出空間１０５を経由してから圧縮機１００の外部へと吐出される。
【００２７】
図２は、圧縮機１００のステーター１０９を説明するための概略図である。図２に基づいて、ステーター１０９への巻線１４０の接続方法について説明する。図２では、固定子コアを構成する、たとえば略Ｔ字型形状の複数個の固定子コア１５０のうちの１つを示している。この複数個の固定子コア１５０の歯部１５０ａのそれぞれに巻線１４０が施され、それらを環状に組み合わせてステーター１０９が構成される。図２では、複数個の固定子コア１５０が環状に組み合わされて構成されている分割コアタイプのステーター１０９を例に図示しているが、これに限定するものではない。
【００２８】
固定子コア１５０の内周側には、巻線が集中巻される歯部１５０ａが突出するように形成されている。そして、複数個の固定子コア１５０が環状に組み合わされた状態においては、隣り合う歯部１５０ａの間に所定の間隙が形成される。図２に示すように、各固定子コア１５０は、その上下面に絶縁部材の一例であるインシュレーター１５１が装着され、巻線１４０がインシュレーター１５１を介して歯部１５０ａに集中巻される。なお、固定子コア１５０は、複数枚の鋼板を積層して構成するとよい。また、インシュレーター１５１の上部には、切替部１４３が設置されている。この切替部１４３は、同一の歯部１５０ａに集中巻される巻線への電流の流し方を所定の条件によって切り替えるものである。
【００２９】
同一の歯部１５０ａに集中巻される巻線は、電源側の第１巻線１４０と、中間の第２巻線１４１と、中性点側の第３巻線１４２と、で構成される。第１巻線１４０の一方の端末側を電源側口出し線１４０ａ、他方の端末側を反電源側口出し線１４０ｂと称する。第２巻線１４１の一方の端末側を電源側口出し線１４１ａ、他方の端末側を反電源側口出し線１４１ｂと称する。第３巻線１４２の一方の端末側を電源側口出し線１４２ａ、他方の端末側を中性点側口出し線１４２ｂと称する。
【００３０】
そして、第１巻線１４０の反電源側口出し線１４０ｂと第２巻線１４１の電源側口出し線１４１ａ、及び、第２巻線１４１の反電源側口出し線１４１ｂと第３巻線１４２の電源側口出し線１４２ａは、切替部１４３で接続されるようになっている。また、切替部１４３には、一端が第３巻線１４２の中性点側口出し線１４２ｂに接続される中性点接続線１４５の他端が接続されている。つまり、切替部１４３には、第１巻線１４０の反電源側口出し線１４０ｂと、第２巻線１４１の電源側口出し線１４１ａと、第２巻線１４１の反電源側口出し線１４１ｂと、第３巻線１４２の電源側口出し線１４２ａと、中性点接続線１４５と、が接続されている。なお、中性点側口出し線１４２ｂと中性点接続線１４５の一端は、制御端子１５２を介して接続されている。
【００３１】
また、図２では、切替部１４３に、外部からの信号が入力される制御線１４６が接続されている状態を例に示している。つまり、切替部１４３は、マイコン等の制御装置（図示省略）から出力され、制御線１４６を介して入力される信号によって、巻線への電流の流し方を切り替えることが可能になっている。ただし、切替部１４３に制御装置を備えることが可能であれば、制御線１４６は不要である。この場合、第１巻線１４０の電源側口出し線１４０ａを動力線としての機能を兼用させ、電源側口出し線１４０ａを介して入力される電源によって切替部１４３が動作可能にしておくとよい。
【００３２】
切替部１４３は、同一の歯部１５０ａに集中巻される巻線への電流の流し方を切り替えるスイッチング素子を有している。そして、切替部１４３は、樹脂製品等でモールドされ、インシュレーター１５１の上部に設置される。ただし、切替部１４３の設置位置を、インシュレーター１５１の上部に限定するものではない。切替部１４３をインシュレーター１５１の上部に設置する場合には、インシュレーター１５１の上面に凹部等を形成し、形成した凹部に切替部１４３を収容して設置するとよい。
【００３３】
切替部１４３は、たとえば炭化珪素（ＳｉＣ）素子や、窒化ガリウム（ＧａＮ）素子、ダイヤモンド素子等のワイドバンドギャップ半導体素子で形成されたスイッチング素子を有している。ワイドバンドギャップ半導体とは、シリコン（Ｓｉ）素子と比較して、バンドギャップが大きい半導体素子の総称であり、耐熱温度が高く（約４００℃）、高温での動作が可能であるといった特徴がある。
【００３４】
また、切替部１４３に損失が少なく高温下でも動作可能なワイドバンドギャップ素子を用いているので、切替部１４３を小型化でき、ステーター１０９への取り付け性およびステーター１０９の密閉容器１０２への収納性を向上させることができる。さらに、切替部１４３を小型化できるので、圧縮機１００の運転中の密閉容器１０２の内部の流体の乱れも抑制することができる。加えて、切替部１４３にワイドバンドギャップ素子を用いているので、密閉容器１０２内が高温の吐出ガス雰囲気となる場合に対しても適応することができる。
【００３５】
切替部１４３は、第１巻線１４０に印加される電圧が所定値以下であるときは、第１巻線１４０〜第３巻線１４２の全部を直列に接続する。一方、切替部１４３は、第１巻線１４０に印加される電圧が所定値を超えるときは、第１巻線１４０と第２巻線１４１と中性点接続線１４５、及び、第１巻線１４０と第３巻線１４２を接続するようになっている。つまり、この場合、切替部１４３は、第２巻線１４１と第３巻線１４２とが第１巻線１４０に対して並列になるように接続状態を切り替える。
【００３６】
なお、印加される電圧が所定値以下であるかどうかについては、ローター１２９の回転数により判断してもよい。具体的には、圧縮機１００に接続されている制御装置（図示省略）が、ローター１２９の回転数を必要な出力を得るために指令しており、その回転数に応じて印加電圧が所定値以下であるかどうかも判断できるようになっている。また、印加電圧が所定値以下であるときを「低回転数域」と、印加電圧が所定値を超えているときを「高回転数域」と、それぞれ称するものとする。制御装置は、たとえば指令している設定回転数に応じて印加電圧が所定値以下であるかどうかを判断してもよく、指令した回転数が所定値以下であるかどうかを判断してもよい。
【００３７】
図３は、圧縮機１００のステーター１０９の巻線の電気的な接続例を示す概略図である。図４は、圧縮機１００のステーター１０９の巻線の概略構成を示す概略図である。図３及び図４に基づいて、本実施の形態の特徴部分である切替部１４３による巻線への電流の流れの切り替えについて説明する。図３では、巻線をＹ結線した場合を示しており、Ｕ相の電気的な接続のみを詳細に図示し、Ｖ相、Ｗ相の電動的な接続については図示を省略している。また、上述したように、圧縮機１００のステーター１０９の巻線は、第１巻線１４０、第２巻線１４１、第３巻線１４２の３分割構成になっている。さらに、図３では、各相の並列数が３になっている場合を例に示している。
【００３８】
図３及び図４に示すように、切替部１４３は、第１巻線１４０の反電源側口出し線１４０ｂが接続される接続部ａと、第２巻線１４１の電源側口出し線１４１ａが接続される接続部ｂと、第２巻線１４１の反電源側口出し線１４１ｂが接続される接続部ｃと、第３巻線１４２の電源側口出し線１４２ａが接続される接続部ｄと、中性点接続線１４５が接続される接続部ｅと、制御線１４６が接続される接続部Ｘと、を少なくとも有している。そして、切替部１４３は、「低回転数域」であるのか、「高回転数域」であるのか、によって、巻線への電流の流れを切り替える。
【００３９】
上述したように、切替部１４３は、「低回転数域」であるときは、第１巻線１４０〜第３巻線１４２の全部を直列に接続する。つまり、切替部１４３は、接続部ａと接続部ｂとを、接続部ｃと接続部ｄとを、それぞれ接続する。このようにすることによって、第１巻線１４０、第２巻線１４１、第３巻線１４２が直列に接続されることになる。第１巻線１４０の電源側口出し線１４０ａから流れてきた電流は、第１巻線１４０を流れて、切替部１４３の接続部ａに至る。この電流は、切替部１４３の接続部ｂを介して第２巻線１４１を流れて、切替部１４３の接続部ｃに至る。この電流は、切替部１４３の接続部ｄを介して第３巻線１４２を流れて、中性点に至る。
【００４０】
一方、切替部１４３は、「高回転数域」であるときは、第２巻線１４１と第３巻線１４２とを並列に接続する。つまり、切替部１４３は、接続部ａと接続部ｂとを、接続部ａと接続部ｄとを、接続部ｃと接続部ｅとを、それぞれ接続する。このようにすることによって、第２巻線１４１と第３巻線１４２が並列に接続されることになる。第１巻線１４０の電源側口出し線１４０ａから流れてきた電流は、第１巻線１４０を流れて、切替部１４３の接続部ａに至る。この電流は、切替部１４３の接続部ｂ、接続部ｄを介して第２巻線１４１、第３巻線１４２を流れる。第２巻線１４１を流れた電流は、切替部１４３の接続部ｃに至る。この電流は、切替部１４３の接続部ｅを介して中性点に至る。第３巻線１４２を流れた電流は、中性点に至る。
【００４１】
なお、図３及び図４では、巻線の分割数が３である場合を例に図示しているが、これに限定するものではなく、巻線の分割数は２以上であればよい。そして、巻線の分割数が多くなればなるほど、より細やかな電流低減制御を実現できる。また、図３及び図４では、各相の並列数が３である場合を例に図示しているが、これに限定するものではない。ただし、各相の並列数については、モーターの極数にも影響されるため、多い少ないで効果の差は生じない。さらに、「低回転数域」及び「高回転数域」のいずれにおいても、切替部１４３の接続に関与していない部分は絶縁されている。
【００４２】
図５は、同一トルクにおいて直列に接続された巻線の巻数と運転電流との関係を示すグラフである。図５に基づいて、同一トルクにおいて直列に接続された巻線の巻数と運転電流との関係について説明するとともに、切替部１４３の作用について説明する。なお、図５では、横軸が回転数を、縦軸が運転電流を、それぞれ表している。また、図５では、巻線を図４に示すように３分割した場合の巻線の巻数と運転電流との関係を示している。図３においては、Ｔ１は直列に接続された巻線の巻数が少ない仕様、つまり第２巻線１４１と第３巻線１４２とが並列に接続されているパターンを、Ｔ２は直列に接続された巻線の巻数が多い仕様、つまり第１巻線１４０、第２巻線１４１、第３巻線１４２とが直列に接続されているパターンを、それぞれ表している。
【００４３】
永久磁石同期電動機におけるトルクは、巻線による磁界と磁石の磁束により生じるため、図５に示す通り、直列に接続された巻線の巻数が多い仕様（図５に示すＴ２）では、「低回転数域」において直列に接続された巻線の巻数が少ない仕様（図５に示すＴ１）より小さな電流でトルクを発生させることができる。そのため、「低回転数域」においては、直列に接続された巻線の巻数が多い仕様では、制御器を含めた電気回路の高効率な運転が可能である。
【００４４】
そこで、圧縮機１００では、「低回転数域」である場合、切替部１４３が、第１巻線１４０、第２巻線１４１、第３巻線１４２の全部を直列に接続させる。低回転数域である場合、切替部１４３により第１巻線１４０、第２巻線１４１、第３巻線１４２は直列に接続されるため、同一歯部における巻線の巻数は第１巻線１４０〜第３巻線１４２の巻数の和となる。このように、「低回転数域」では切替部１４３により第１巻線１４０〜第３巻線１４２の全部が直列に接続されるため、同一歯部に巻き付けられ、直列に接続される巻線の巻数は、第１巻線１４０の巻数〜第３巻線１４２の巻数の和となるため、発生トルクが増加し、運転電流を減少させることができる。
【００４５】
一方、回転数が増加するとローターの磁束により巻線に誘起される誘起電圧が高くなる。そこで、「高回転数域」では、ローター磁束を弱めるタイミングでステーターへ通電することにより運転を可能にする「弱め界磁制御」などの制御方法が通常採用される。しかしながら、「弱め界磁制御」時は、トルクを発生させるために、より大きな電流を流すことが必要となり、効率が低下してしまう（図５に示す破線矢印Ａ）。また、電流値が高いことにより、電源の大容量化も必要となる。そのため、「高回転数域」においては、直列に接続された巻線の巻数が少ない仕様とすれば、電源の大容量化及び高電圧化を招来することなく高効率な運転が可能である。
【００４６】
そこで、圧縮機１００では、「高回転数域」である場合、切替部１４３が、第２巻線１４１と第３巻線１４２とを並列に接続させる。高回転数域である場合、切替部１４３により第２巻線１４１と第３巻線１４２が並列接続されるため、同一歯部の直列に接続される巻線の巻数は第１巻線１４０と第２巻線１４１の巻数の和、もしくは第１巻線１４０と第３巻線１４２の巻数の和となる。このように、「高回転数域」では切替部１４３により第２巻線１４１と第３巻線１４２とが並列に接続されるため、同一歯部に巻きつけられ、直列に接続される巻線の巻数は、第１巻線１４０の巻数と第２巻線１４１の巻数の和、もしくは第１巻線１４０の巻数と第３巻線１４２の巻数の和となるため、巻線に誘起する誘起電圧を低減でき、運転電流を低減することができる（図５に示す実線矢印Ｂ）。
【００４７】
以上のように、圧縮機１００によれば、各相の巻線を複数に分割し、第１巻線１４０への印加電圧によって巻線への電流の流れを切り替えるので、「低回転数域」及び「高回転数域」の双方において電動機の効率を大幅に改善できる。また、圧縮機１００によれば、ワイドバンドギャップ素子を用いた切替部１４３を設けているので、密閉容器１０２の小型化を実現することができる。さらに、圧縮機１００によれば、特別な電源装置を用いる必要もないので、電源装置を大型化することなく高効率な運転が可能になる。
【００４８】
なお、制御線１４６を省略することができれば、制御線１４６の配置部分を省略することができ、密閉容器１０２の更なる小型化を実現できる。また、インシュレーター１５１に切替部１４３を設置した例を示したが、インシュレーター１５１以外の樹脂成型品等の絶縁部材を用意し、この絶縁部材に切替部１４３を設置するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１００ 密閉型電動圧縮機（圧縮機）、１０２ 密閉容器、１０３ 吸入管、１０４ 吐出管、１０５ 吐出空間、１０６ 流体圧縮機構、１０７ 駆動機構部、１０８ 圧縮室、１０９ ステーター、１１０ 主軸、１１１ 偏心ピン部、１１４ 給油流路、１１６ 揺動スクロール、１１７ 渦巻体、１１８ 揺動スクロールボス部、１１９ スラスト面、１２１ 固定スクロール、１２２ 渦巻体、１２４ 突出ポート、１２５ フレーム、１２６ 排油穴、１２７ オルダムリング、１２８ サブフレーム、１２９ ローター、１３０ 冷凍機油、１３１ 油だめ、１４０ 第１巻線、１４０ａ 電源側口出し線、１４０ｂ 反電源側口出し線、１４１ 第２巻線、１４１ａ 電源側口出し線、１４１ｂ 反電源側口出し線、１４２ 第３巻線、１４２ａ 電源側口出し線、１４２ｂ 中性点側口出し線、１４３ 切替部、１４５ 中性点接続線、１４６ 制御線、１５０ 固定子コア、１５０ａ 歯部、１５１ インシュレーター、１５２ 接続端子、Ｘ 接続部、ａ 接続部、ｂ 接続部、ｃ 接続部、ｄ 接続部、ｅ 接続部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒等の流体を圧縮する密閉型電動圧縮機に関し、特に電動機の効率改善を図るようにした密閉型電動圧縮機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の密閉型電動圧縮機の消費電力低減への要求に対し、駆動用電動機の効率向上のため、種々の永久磁石同期電動機が用いられることが多い。このような密閉型電動圧縮機に用いられる永久磁石同期電動機は、一般的に、内部に複数の永久磁石が装着されたローターと、積層鋼板に絶縁部材を介して巻線を施した複数の歯部を有するステーターと、により構成されている。そして、ステーターに施された巻線に通電が成されると巻線による磁界と磁石の磁束とによりトルクが発生する（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、以上のような従来の密閉型電動圧縮機に用いられる永久磁石同期電動機の巻線の巻数は、最大回転数の最大負荷において運転電流が電源の許容値以下となるように設定されている。なお、従来の密閉型電動圧縮機に用いられる永久磁石同期電動機のステーターでは、各々の巻線が回転磁界を生じさせるような接続がなされている。また、各々の巻線の端部（中性点側引出線、電源側引出線）が接続されることで、中性点や入力線（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＷＯ０８／１０２４３９号公報（図１等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
永久磁石同期電動機におけるトルクは、巻線による磁界と磁石の磁束により生じるため、直列に接続された巻線の巻数が多い仕様では、低回転数域において直列に接続された巻線の巻数が少ない仕様より小さな電流でトルクを発生させることができる。そのため、低回転数域において直列に接続された巻線の巻数が多い仕様では、制御器を含めた電気回路の高効率な運転が可能である。
【０００６】
一方、回転数が増加するとローターの磁束により巻線に誘起される誘起電圧が高くなる。そのため、誘起電圧以上の電圧を印加する必要があるが、電源入力電圧以上の電圧を印加するには別回路が必要となり、コスト、製造工程、部品点数の増加などの課題が生じる。そこで、高回転数域では、ローター磁束を弱めるタイミングでステーターへ通電することにより運転を可能にする「弱め界磁制御」などの制御方法が通常採用される。
【０００７】
しかしながら、「弱め界磁制御」時は、トルクを発生させるために、より大きな電流を流すことが必要となり、効率が低下してしまう。つまり、直列に接続された巻線の巻数を増やして低回転数域の効率を改善した場合、高回転数域では効率が低下してしまう。また、電流値が高いことにより、電源の大容量化も必要となる。すなわち、電源の大容量化や高電圧化を招くことなく、低回転数域及び高回転数域の双方の効率を改善するということは困難であった。
【０００８】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、電源の大容量化や高電圧化を招くことなく、低回転数域及び高回転数域の双方の効率改善を図るようにした密閉型電動圧縮機を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る密閉型電動圧縮機は、密閉容器と、前記密閉容器内に配置された流体圧縮機構と、前記密閉容器内に配置され、前記流体圧縮機構を駆動する電動機と、を備えた密閉型電動圧縮機であって、前記電動機は、歯部を有する固定子コアと、同一歯部に巻き付けられる複数本の巻線と、前記密閉容器内に収容され、ワイドバンドギャップ半導体で構成するスイッチング素子を有する切替部と、を有しており、前記切替部は、ローターの回転数に応じて、前記複数本の巻線への電流の流れを切り替え可能としているものである。
【００１０】
本発明に係る密閉型電動圧縮機は、密閉容器と、前記密閉容器内に配置された流体圧縮機構と、前記密閉容器内に配置され、前記流体圧縮機構を駆動する電動機と、を備えた密閉型電動圧縮機であって、前記電動機は、歯部を有する固定子コアと、同一歯部に巻き付けられる第１巻線、第２巻線及び第３巻線と、前記密閉容器内に収容され、ワイドバンドギャップ半導体で構成するスイッチング素子を有する切替部と、を有しており、前記切替部は、ローターの回転数に応じて、前記第１巻線、前記第２巻線及び前記第３巻線を直列に接続するか、前記第１巻線に対して前記第２巻線及び前記第３巻線を並列に接続するか、を切り替え可能としているものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る密閉型電動圧縮機によれば、ローターの回転数に応じて巻線への電流の流れを切り替えることができるので、電源の大容量化や高電圧化を招くことなく、低回転数域及び高回転数域の双方の効率改善を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態に係る密閉型電動圧縮機の概略構成の一例を示す概略縦断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る密閉型電動圧縮機のステーターを説明するための概略図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る密閉型電動圧縮機のステーターの巻線の電気的な接続例を示す概略図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る密閉型電動圧縮機のステーターの巻線の概略構成を示す概略図である。
【図５】同一トルクにおいて直列に接続された巻線の巻数と運転電流との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る密閉型電動圧縮機（以下、圧縮機１００と称する）の概略構成の一例を示す概略縦断面図である。図１に基づいて、圧縮機１００の構成及び動作について説明する。この圧縮機１００は、たとえば冷蔵庫や冷凍庫、自動販売機、空気調和機、冷凍装置、給湯器等の冷凍サイクル装置の一構成要素となるものである。なお、図１を含め、以下の図面では各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。
【００１４】
この圧縮機１００は、冷媒などの流体を吸入し、圧縮して高温高圧の状態として吐出するものである。圧縮機１００は、流体圧縮機構１０６と駆動機構部１０７とを有している。この流体圧縮機構１０６及び駆動機構部１０７は、密閉容器１０２内に収納されている。この密閉容器１０２は、圧力容器となっている。図１に示すように、流体圧縮機構１０６が密閉容器１０２の上側に配置され、駆動機構部１０７が密閉容器１０２の下側に配置されている。密閉容器１０２の底部は、冷凍機油１３０を貯留する油だめ１３１となっている。また、密閉容器１０２には、流体を吸入するための吸入管１０３と、流体を吐出するための吐出管１０４とが連接されている。
【００１５】
流体圧縮機構１０６は、吸入管１０３から吸入した流体を圧縮して密閉容器１０２内の吐出空間１０５に排出する機能を有している。この吐出空間１０５に排出された流体は、吐出管１０４から圧縮機１００の外部に吐出されるようになっている。駆動機構部１０７は、流体圧縮機構１０６で流体を圧縮するために、流体圧縮機構１０６を構成する揺動スクロール１１６を駆動する機能を果たすようになっている。つまり、駆動機構部１０７が主軸１１０を介して揺動スクロール１１６を駆動することによって、流体圧縮機構１０６で流体を圧縮するようになっているのである。
【００１６】
流体圧縮機構１０６は、揺動スクロール１１６と、固定スクロール１２１とで概略構成されている。図１に示すように、揺動スクロール１１６は下側に、固定スクロール１２１は上側に配置されるようになっている。固定スクロール１２１には、台板の一方の面に突設された渦巻状突起である渦巻体１２２が形成されている。また、揺動スクロール１１６にも、台板の一方の面に突設された渦巻状突起である渦巻体１１７が形成されている。揺動スクロール１１６及び固定スクロール１２１は、渦巻体１１７と渦巻体１２２とを互いに噛み合わせ、密閉容器１０２内に装着される。そして、渦巻体１１７と渦巻体１２２との間には、相対的に容積が変化する圧縮室１０８が形成される。
【００１７】
固定スクロール１２１は、フレーム１２５に図示省略のボルト等によって固定されている。固定スクロール１２１の中央部には、圧縮され、高圧となった流体を吐出する突出ポート１２４が形成されている。そして、圧縮され、高圧となった流体は、固定スクロール１２１の上部に設けられている吐出空間１０５に排出されるようになっている。
【００１８】
揺動スクロール１１６は、固定スクロール１２１に対して自転運動することなく公転旋回運動を行うようになっている。また、揺動スクロール１１６の渦巻体１１７形成面とは反対側の面（以下、スラスト面１１９と称する）の略中心部には、中空円筒形状の揺動スクロールボス部１１８が形成されている。この揺動スクロールボス部１１８には、後述する主軸１１０の上端に設けられた偏心ピン部１１１が嵌入（係合）される。
【００１９】
駆動機構部１０７は、内部に永久磁石を有し、主軸１１０に固定されたローター１２９と、密閉容器１０２に収容され、固着保持されたステーター１０９と、回転軸である主軸１１０とで構成されている。ローター１２９は、ステーター１０９への通電が開始することによりトルクを発生し、主軸１１０を回転させるようになっている。また、ステーター１０９の外周面は焼き嵌め等により密閉容器１０２に固着支持されている。そして、ローター１２９は、ステーター１０９の内周面側に回転可能に配設されている。すなわち、ローター１２９及びステーター１０９でモーター（電動機）を構成しているのである。なお、ステーター１０９については、後段で詳述する。
【００２０】
主軸１１０は、ローター１２９の回転に伴って回転し、揺動スクロール１１６を旋回させるようになっている。この主軸１１０の上端部は、揺動スクロール１１６の揺動スクロールボス部１１８と回転自在に嵌合する偏心ピン部１１１が形成されている。油だめ１３１に溜まっている冷凍機油１３０は、主軸１１０の回転に伴い、吸い上げられて、主軸１１０に形成されている給油流路１１４を流れて流体圧縮機構１０６に給油されるようになっている。
【００２１】
主軸１１０の上方部分は、フレーム１２５の貫通孔に設けられている主軸受で回転自在に支持され、主軸１１０の下方部分は、サブフレーム１２８の貫通孔に設けられている副軸受で回転自在に支持されている。
【００２２】
フレーム１２５は、密閉容器１０２の内周面に固着され、中心部に主軸１１０を挿通される貫通孔が形成されている。この貫通孔には、主軸１１０を回転自在に支持する主軸受が設けられている。また、フレーム１２５に、揺動スクロール１１６のスラスト面１１９側から軸方向下側に貫通する排油穴１２６を形成し、スラスト面１１９を潤滑した冷凍機油１３０を油だめ１３１に戻すようにしておくとよい。なお、フレーム１２５は、その外周面を焼き嵌めや溶接等によって密閉容器１０２の内周面に固定するとよい。
【００２３】
サブフレーム１２８は、密閉容器１０２の内周面に外周面が焼き嵌めや溶接等によって固着され、中心部に主軸１１０が挿通される貫通孔が形成されている。この貫通孔には、主軸１１０を回転自在に支持させるための副軸受が設けられている。このサブフレーム１２８は、密閉容器１０２内の下方に設置され、主軸１１０の下方部分を支持している。
【００２４】
揺動スクロール１１６と固定スクロール１２１との間には、揺動スクロール１１６の偏心旋回運動中における自転運動を阻止するためのオルダムリング１２７が配設されている。このオルダムリング１２７は、揺動スクロール１１６と固定スクロール１２１との間に配設され、揺動スクロール１１６の自転運動を阻止するとともに、公転旋回運動を可能とする機能を果たすようになっている。つまり、オルダムリング１２７は、揺動スクロール１１６の自転防止機構として機能している。
【００２５】
ここで、圧縮機１００の動作について簡単に説明する。
電動機を構成するローター１２９は、ステーター１０９が発生する回転磁界からの回転力を受けて発生したトルクにより回転する。それに伴って、ローター１２９に固定された主軸１１０が回転駆動する。揺動スクロール１１６は、主軸１１０の偏心ピン部１１１に係合されており、揺動スクロール１１６の自転回転運動がオルダムリング１２７の自転防止機構によって公転旋回運動に変換される。この主軸１１０の回転駆動によって、密閉容器１０２内の流体が固定スクロール１２１の渦巻体１２２と揺動スクロール１１６の渦巻体１１７とにより形成される圧縮室１０８内へ流れ、吸入過程が開始する。
【００２６】
圧縮室１０８内に流体が吸入されると、主軸１１０に対して偏心させられた揺動スクロール１１６の公転旋回運動で、圧縮室１０８の容積を減少させる圧縮過程へと移行する。つまり、流体圧縮機構１０６では、揺動スクロール１１６が公転旋回運動すると、流体が吸入口となる揺動スクロール１１６の渦巻体１１７及び固定スクロール１２１の渦巻体１２２の最外周開口部から取り込まれて、揺動スクロール１１６の回転とともに徐々に圧縮されながら中心部に向かうようになっている。流体は、吸入管１０３から密閉容器１０２内に流入する。そして、圧縮室１０８で圧縮された流体は、吐出過程に移行する。流体は、固定スクロール１２１の突出ポート１２４を通過し、吐出空間１０５を経由してから圧縮機１００の外部へと吐出される。
【００２７】
図２は、圧縮機１００のステーター１０９を説明するための概略図である。図２に基づいて、ステーター１０９への巻線１４０の接続方法について説明する。図２では、固定子コアを構成する、たとえば略Ｔ字型形状の複数個の固定子コア１５０のうちの１つを示している。この複数個の固定子コア１５０の歯部１５０ａのそれぞれに巻線１４０が施され、それらを環状に組み合わせてステーター１０９が構成される。図２では、複数個の固定子コア１５０が環状に組み合わされて構成されている分割コアタイプのステーター１０９を例に図示しているが、これに限定するものではない。
【００２８】
固定子コア１５０の内周側には、巻線が集中巻される歯部１５０ａが突出するように形成されている。そして、複数個の固定子コア１５０が環状に組み合わされた状態においては、隣り合う歯部１５０ａの間に所定の間隙が形成される。図２に示すように、各固定子コア１５０は、その上下面に絶縁部材の一例であるインシュレーター１５１が装着され、巻線１４０がインシュレーター１５１を介して歯部１５０ａに集中巻される。なお、固定子コア１５０は、複数枚の鋼板を積層して構成するとよい。また、インシュレーター１５１の上部には、切替部１４３が設置されている。この切替部１４３は、同一の歯部１５０ａに集中巻される巻線への電流の流し方を所定の条件によって切り替えるものである。
【００２９】
同一の歯部１５０ａに集中巻される巻線は、電源側の第１巻線１４０と、中間の第２巻線１４１と、中性点側の第３巻線１４２と、で構成される。第１巻線１４０の一方の端末側を電源側口出し線１４０ａ、他方の端末側を反電源側口出し線１４０ｂと称する。第２巻線１４１の一方の端末側を電源側口出し線１４１ａ、他方の端末側を反電源側口出し線１４１ｂと称する。第３巻線１４２の一方の端末側を電源側口出し線１４２ａ、他方の端末側を中性点側口出し線１４２ｂと称する。
【００３０】
そして、第１巻線１４０の反電源側口出し線１４０ｂと第２巻線１４１の電源側口出し線１４１ａ、及び、第２巻線１４１の反電源側口出し線１４１ｂと第３巻線１４２の電源側口出し線１４２ａは、切替部１４３で接続されるようになっている。また、切替部１４３には、一端が第３巻線１４２の中性点側口出し線１４２ｂに接続される中性点接続線１４５の他端が接続されている。つまり、切替部１４３には、第１巻線１４０の反電源側口出し線１４０ｂと、第２巻線１４１の電源側口出し線１４１ａと、第２巻線１４１の反電源側口出し線１４１ｂと、第３巻線１４２の電源側口出し線１４２ａと、中性点接続線１４５と、が接続されている。なお、中性点側口出し線１４２ｂと中性点接続線１４５の一端は、制御端子１５２を介して接続されている。
【００３１】
また、図２では、切替部１４３に、外部からの信号が入力される制御線１４６が接続されている状態を例に示している。つまり、切替部１４３は、マイコン等の制御装置（図示省略）から出力され、制御線１４６を介して入力される信号によって、巻線への電流の流し方を切り替えることが可能になっている。ただし、切替部１４３に制御装置を備えることが可能であれば、制御線１４６は不要である。この場合、第１巻線１４０の電源側口出し線１４０ａを動力線としての機能を兼用させ、電源側口出し線１４０ａを介して入力される電源によって切替部１４３が動作可能にしておくとよい。
【００３２】
切替部１４３は、同一の歯部１５０ａに集中巻される巻線への電流の流し方を切り替えるスイッチング素子を有している。そして、切替部１４３は、樹脂製品等でモールドされ、インシュレーター１５１の上部に設置される。ただし、切替部１４３の設置位置を、インシュレーター１５１の上部に限定するものではない。切替部１４３をインシュレーター１５１の上部に設置する場合には、インシュレーター１５１の上面に凹部等を形成し、形成した凹部に切替部１４３を収容して設置するとよい。
【００３３】
切替部１４３は、たとえば炭化珪素（ＳｉＣ）素子や、窒化ガリウム（ＧａＮ）素子、ダイヤモンド素子等のワイドバンドギャップ半導体素子で形成されたスイッチング素子を有している。ワイドバンドギャップ半導体とは、シリコン（Ｓｉ）素子と比較して、バンドギャップが大きい半導体素子の総称であり、耐熱温度が高く（約４００℃）、高温での動作が可能であるといった特徴がある。
【００３４】
また、切替部１４３に損失が少なく高温下でも動作可能なワイドバンドギャップ素子を用いているので、切替部１４３を小型化でき、ステーター１０９への取り付け性およびステーター１０９の密閉容器１０２への収納性を向上させることができる。さらに、切替部１４３を小型化できるので、圧縮機１００の運転中の密閉容器１０２の内部の流体の乱れも抑制することができる。加えて、切替部１４３にワイドバンドギャップ素子を用いているので、密閉容器１０２内が高温の吐出ガス雰囲気となる場合に対しても適応することができる。
【００３５】
切替部１４３は、第１巻線１４０に印加される電圧が所定値以下であるときは、第１巻線１４０〜第３巻線１４２の全部を直列に接続する。一方、切替部１４３は、第１巻線１４０に印加される電圧が所定値を超えるときは、第１巻線１４０と第２巻線１４１と中性点接続線１４５、及び、第１巻線１４０と第３巻線１４２を接続するようになっている。つまり、この場合、切替部１４３は、第２巻線１４１と第３巻線１４２とが第１巻線１４０に対して並列になるように接続状態を切り替える。
【００３６】
なお、印加される電圧が所定値以下であるかどうかについては、ローター１２９の回転数により判断してもよい。具体的には、圧縮機１００に接続されている制御装置（図示省略）が、ローター１２９の回転数を必要な出力を得るために指令しており、その回転数に応じて印加電圧が所定値以下であるかどうかも判断できるようになっている。また、印加電圧が所定値以下であるときを「低回転数域」と、印加電圧が所定値を超えているときを「高回転数域」と、それぞれ称するものとする。制御装置は、たとえば指令している設定回転数に応じて印加電圧が所定値以下であるかどうかを判断してもよく、指令した回転数が所定値以下であるかどうかを判断してもよい。
【００３７】
図３は、圧縮機１００のステーター１０９の巻線の電気的な接続例を示す概略図である。図４は、圧縮機１００のステーター１０９の巻線の概略構成を示す概略図である。図３及び図４に基づいて、本実施の形態の特徴部分である切替部１４３による巻線への電流の流れの切り替えについて説明する。図３では、巻線をＹ結線した場合を示しており、Ｕ相の電気的な接続のみを詳細に図示し、Ｖ相、Ｗ相の電動的な接続については図示を省略している。また、上述したように、圧縮機１００のステーター１０９の巻線は、第１巻線１４０、第２巻線１４１、第３巻線１４２の３分割構成になっている。さらに、図３では、各相の並列数が３になっている場合を例に示している。
【００３８】
図３及び図４に示すように、切替部１４３は、第１巻線１４０の反電源側口出し線１４０ｂが接続される接続部ａと、第２巻線１４１の電源側口出し線１４１ａが接続される接続部ｂと、第２巻線１４１の反電源側口出し線１４１ｂが接続される接続部ｃと、第３巻線１４２の電源側口出し線１４２ａが接続される接続部ｄと、中性点接続線１４５が接続される接続部ｅと、制御線１４６が接続される接続部Ｘと、を少なくとも有している。そして、切替部１４３は、「低回転数域」であるのか、「高回転数域」であるのか、によって、巻線への電流の流れを切り替える。
【００３９】
上述したように、切替部１４３は、「低回転数域」であるときは、第１巻線１４０〜第３巻線１４２の全部を直列に接続する。つまり、切替部１４３は、接続部ａと接続部ｂとを、接続部ｃと接続部ｄとを、それぞれ接続する。このようにすることによって、第１巻線１４０、第２巻線１４１、第３巻線１４２が直列に接続されることになる。第１巻線１４０の電源側口出し線１４０ａから流れてきた電流は、第１巻線１４０を流れて、切替部１４３の接続部ａに至る。この電流は、切替部１４３の接続部ｂを介して第２巻線１４１を流れて、切替部１４３の接続部ｃに至る。この電流は、切替部１４３の接続部ｄを介して第３巻線１４２を流れて、中性点に至る。
【００４０】
一方、切替部１４３は、「高回転数域」であるときは、第２巻線１４１と第３巻線１４２とを並列に接続する。つまり、切替部１４３は、接続部ａと接続部ｂとを、接続部ａと接続部ｄとを、接続部ｃと接続部ｅとを、それぞれ接続する。このようにすることによって、第２巻線１４１と第３巻線１４２が並列に接続されることになる。第１巻線１４０の電源側口出し線１４０ａから流れてきた電流は、第１巻線１４０を流れて、切替部１４３の接続部ａに至る。この電流は、切替部１４３の接続部ｂ、接続部ｄを介して第２巻線１４１、第３巻線１４２を流れる。第２巻線１４１を流れた電流は、切替部１４３の接続部ｃに至る。この電流は、切替部１４３の接続部ｅを介して中性点に至る。第３巻線１４２を流れた電流は、中性点に至る。
【００４１】
なお、図３及び図４では、巻線の分割数が３である場合を例に図示しているが、これに限定するものではなく、巻線の分割数は２以上であればよい。そして、巻線の分割数が多くなればなるほど、より細やかな電流低減制御を実現できる。また、図３及び図４では、各相の並列数が３である場合を例に図示しているが、これに限定するものではない。ただし、各相の並列数については、モーターの極数にも影響されるため、多い少ないで効果の差は生じない。さらに、「低回転数域」及び「高回転数域」のいずれにおいても、切替部１４３の接続に関与していない部分は絶縁されている。
【００４２】
図５は、同一トルクにおいて直列に接続された巻線の巻数と運転電流との関係を示すグラフである。図５に基づいて、同一トルクにおいて直列に接続された巻線の巻数と運転電流との関係について説明するとともに、切替部１４３の作用について説明する。なお、図５では、横軸が回転数を、縦軸が運転電流を、それぞれ表している。また、図５では、巻線を図４に示すように３分割した場合の巻線の巻数と運転電流との関係を示している。図３においては、Ｔ１は直列に接続された巻線の巻数が少ない仕様、つまり第２巻線１４１と第３巻線１４２とが並列に接続されているパターンを、Ｔ２は直列に接続された巻線の巻数が多い仕様、つまり第１巻線１４０、第２巻線１４１、第３巻線１４２とが直列に接続されているパターンを、それぞれ表している。
【００４３】
永久磁石同期電動機におけるトルクは、巻線による磁界と磁石の磁束により生じるため、図５に示す通り、直列に接続された巻線の巻数が多い仕様（図５に示すＴ２）では、「低回転数域」において直列に接続された巻線の巻数が少ない仕様（図５に示すＴ１）より小さな電流でトルクを発生させることができる。そのため、「低回転数域」においては、直列に接続された巻線の巻数が多い仕様では、制御器を含めた電気回路の高効率な運転が可能である。
【００４４】
そこで、圧縮機１００では、「低回転数域」である場合、切替部１４３が、第１巻線１４０、第２巻線１４１、第３巻線１４２の全部を直列に接続させる。低回転数域である場合、切替部１４３により第１巻線１４０、第２巻線１４１、第３巻線１４２は直列に接続されるため、同一歯部における巻線の巻数は第１巻線１４０〜第３巻線１４２の巻数の和となる。このように、「低回転数域」では切替部１４３により第１巻線１４０〜第３巻線１４２の全部が直列に接続されるため、同一歯部に巻き付けられ、直列に接続される巻線の巻数は、第１巻線１４０の巻数〜第３巻線１４２の巻数の和となるため、発生トルクが増加し、運転電流を減少させることができる。
【００４５】
一方、回転数が増加するとローターの磁束により巻線に誘起される誘起電圧が高くなる。そこで、「高回転数域」では、ローター磁束を弱めるタイミングでステーターへ通電することにより運転を可能にする「弱め界磁制御」などの制御方法が通常採用される。しかしながら、「弱め界磁制御」時は、トルクを発生させるために、より大きな電流を流すことが必要となり、効率が低下してしまう（図５に示す破線矢印Ａ）。また、電流値が高いことにより、電源の大容量化も必要となる。そのため、「高回転数域」においては、直列に接続された巻線の巻数が少ない仕様とすれば、電源の大容量化及び高電圧化を招来することなく高効率な運転が可能である。
【００４６】
そこで、圧縮機１００では、「高回転数域」である場合、切替部１４３が、第２巻線１４１と第３巻線１４２とを並列に接続させる。高回転数域である場合、切替部１４３により第２巻線１４１と第３巻線１４２が並列接続されるため、同一歯部の直列に接続される巻線の巻数は第１巻線１４０と第２巻線１４１の巻数の和、もしくは第１巻線１４０と第３巻線１４２の巻数の和となる。このように、「高回転数域」では切替部１４３により第２巻線１４１と第３巻線１４２とが並列に接続されるため、同一歯部に巻きつけられ、直列に接続される巻線の巻数は、第１巻線１４０の巻数と第２巻線１４１の巻数の和、もしくは第１巻線１４０の巻数と第３巻線１４２の巻数の和となるため、巻線に誘起する誘起電圧を低減でき、運転電流を低減することができる（図５に示す実線矢印Ｂ）。
【００４７】
以上のように、圧縮機１００によれば、各相の巻線を複数に分割し、第１巻線１４０への印加電圧によって巻線への電流の流れを切り替えるので、「低回転数域」及び「高回転数域」の双方において電動機の効率を大幅に改善できる。また、圧縮機１００によれば、ワイドバンドギャップ素子を用いた切替部１４３を設けているので、密閉容器１０２の小型化を実現することができる。さらに、圧縮機１００によれば、特別な電源装置を用いる必要もないので、電源装置を大型化することなく高効率な運転が可能になる。
【００４８】
なお、制御線１４６を省略することができれば、制御線１４６の配置部分を省略することができ、密閉容器１０２の更なる小型化を実現できる。また、インシュレーター１５１に切替部１４３を設置した例を示したが、インシュレーター１５１以外の樹脂成型品等の絶縁部材を用意し、この絶縁部材に切替部１４３を設置するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００４９】
１００ 密閉型電動圧縮機（圧縮機）、１０２ 密閉容器、１０３ 吸入管、１０４ 吐出管、１０５ 吐出空間、１０６ 流体圧縮機構、１０７ 駆動機構部、１０８ 圧縮室、１０９ ステーター、１１０ 主軸、１１１ 偏心ピン部、１１４ 給油流路、１１６ 揺動スクロール、１１７ 渦巻体、１１８ 揺動スクロールボス部、１１９ スラスト面、１２１ 固定スクロール、１２２ 渦巻体、１２４ 突出ポート、１２５ フレーム、１２６ 排油穴、１２７ オルダムリング、１２８ サブフレーム、１２９ ローター、１３０ 冷凍機油、１３１ 油だめ、１４０ 第１巻線、１４０ａ 電源側口出し線、１４０ｂ 反電源側口出し線、１４１ 第２巻線、１４１ａ 電源側口出し線、１４１ｂ 反電源側口出し線、１４２ 第３巻線、１４２ａ 電源側口出し線、１４２ｂ 中性点側口出し線、１４３ 切替部、１４５ 中性点接続線、１４６ 制御線、１５０ 固定子コア、１５０ａ 歯部、１５１ インシュレーター、１５２ 接続端子、Ｘ 接続部、ａ 接続部、ｂ 接続部、ｃ 接続部、ｄ 接続部、ｅ 接続部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
密閉容器と、
前記密閉容器内に配置された流体圧縮機構と、
前記密閉容器内に配置され、前記流体圧縮機構を駆動する電動機と、を備えた密閉型電動圧縮機であって、
前記電動機は、
歯部を有する固定子コアと、
同一歯部に巻き付けられる複数本の巻線と、
前記密閉容器内に収容され、ワイドバンドギャップ半導体で構成するスイッチング素子を有する切替部と、を有しており、
前記切替部は、
ローターの回転数に応じて、前記複数本の巻線への電流の流れを切り替え可能としている
ことを特徴とする密閉型電動圧縮機。
【請求項２】
前記切替部は、
ローターの回転数に応じて、前記複数本の巻線の全部を直列に接続するか、前記複数本の巻線のうち一部を並列に接続又は短絡するか、を切り替える
ことを特徴とする請求項１に記載の密閉型電動圧縮機。
【請求項３】
密閉容器と、
前記密閉容器内に配置された流体圧縮機構と、
前記密閉容器内に配置され、前記流体圧縮機構を駆動する電動機と、を備えた密閉型電動圧縮機であって、
前記電動機は、
歯部を有する固定子コアと、
同一歯部に巻き付けられる第１巻線、第２巻線及び第３巻線と、
前記密閉容器内に収容され、ワイドバンドギャップ半導体で構成するスイッチング素子を有する切替部と、を有しており、
前記切替部は、
ローターの回転数に応じて、
前記第１巻線、前記第２巻線及び前記第３巻線を直列に接続するか、前記第１巻線に対して前記第２巻線及び前記第３巻線を並列に接続するか、を切り替え可能としている
ことを特徴とする密閉型電動圧縮機。
【請求項４】
一端が中性点に接続され、他端が前記切替部に接続された中性点接続線を設け、
前記切替部は、
前記第１巻線に対して前記第２巻線及び前記第３巻線を並列に接続するとき、
前記第１巻線、前記第２巻線及び前記中性点接続線を接続するとともに前記第１巻線と前記第３巻線を接続する
ことを特徴とする請求項３に記載の密閉型電動圧縮機。
【請求項５】
前記切替部は、
外部からの信号に基づいて動作が制御される
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の密閉型電動圧縮機。
【請求項６】
前記複数本の巻線は、
絶縁部材を介して前記歯部に巻き付けられており、
前記切替部は、
前記絶縁部材に装着されている
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の密閉型電動圧縮機。
【請求項７】
前記ワイドバンドギャップ半導体は、
炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドである
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の密閉型電動圧縮機。
【請求項１】
密閉容器と、
前記密閉容器内に配置された流体圧縮機構と、
前記密閉容器内に配置され、前記流体圧縮機構を駆動する電動機と、を備えた密閉型電動圧縮機であって、
前記電動機は、
歯部を有する固定子コアと、
同一歯部に巻き付けられる複数本の巻線と、
前記密閉容器内に収容され、ワイドバンドギャップ半導体で構成するスイッチング素子を有する切替部と、を有しており、
前記切替部は、
ローターの回転数に応じて、前記複数本の巻線への電流の流れを切り替え可能としている
ことを特徴とする密閉型電動圧縮機。
【請求項２】
前記切替部は、
ローターの回転数に応じて、前記複数本の巻線の全部を直列に接続するか、前記複数本の巻線のうち一部を並列に接続又は短絡するか、を切り替える
ことを特徴とする請求項１に記載の密閉型電動圧縮機。
【請求項３】
密閉容器と、
前記密閉容器内に配置された流体圧縮機構と、
前記密閉容器内に配置され、前記流体圧縮機構を駆動する電動機と、を備えた密閉型電動圧縮機であって、
前記電動機は、
歯部を有する固定子コアと、
同一歯部に巻き付けられる第１巻線、第２巻線及び第３巻線と、
前記密閉容器内に収容され、ワイドバンドギャップ半導体で構成するスイッチング素子を有する切替部と、を有しており、
前記切替部は、
ローターの回転数に応じて、
前記第１巻線、前記第２巻線及び前記第３巻線を直列に接続するか、前記第１巻線に対して前記第２巻線及び前記第３巻線を並列に接続するか、を切り替え可能としている
ことを特徴とする密閉型電動圧縮機。
【請求項４】
一端が中性点に接続され、他端が前記切替部に接続された中性点接続線を設け、
前記切替部は、
前記第１巻線に対して前記第２巻線及び前記第３巻線を並列に接続するとき、
前記第１巻線、前記第２巻線及び前記中性点接続線を接続するとともに前記第１巻線と前記第３巻線を接続する
ことを特徴とする請求項３に記載の密閉型電動圧縮機。
【請求項５】
前記切替部は、
外部からの信号に基づいて動作が制御される
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の密閉型電動圧縮機。
【請求項６】
前記複数本の巻線は、
絶縁部材を介して前記歯部に巻き付けられており、
前記切替部は、
前記絶縁部材に装着されている
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の密閉型電動圧縮機。
【請求項７】
前記ワイドバンドギャップ半導体は、
炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドである
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の密閉型電動圧縮機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−３６３８８（Ｐ２０１３−３６３８８Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７３１４３（Ｐ２０１１−１７３１４３）
【出願日】平成２３年８月８日（２０１１．８．８）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月８日（２０１１．８．８）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
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