二相感应电动机、具备二相感应电动机的空调机的制作方法

文档序号:12600084阅读:387来源:国知局
二相感应电动机、具备二相感应电动机的空调机的制作方法与工艺

本发明涉及一种二相感应电动机、具备二相感应电动机的空调机以及程序。



背景技术:

作为本技术领域的背景技术,在下述专利文献1的摘要中记载了如下的内容:“提供一种不使用进相用电容器而能够容易地启动单相感应电动机的单相感应电动机的速度控制装置”、“使用三相变频器4对单相感应电动机5提供可变频率、可变电压。控制该三相变频器4的开关元件Q11~Q32从而使向电动机5的各线圈5a、5b施加的电压的相位错开,由此能够启动单相感应电动机5”。

此外,在下述专利文献2的摘要中记载了如下的内容:“变频装置1将变频器电路3的各相输出端子分别与感应电动机4的主线圈4b、辅助线圈4a、中性线相连接,将从直流电源2提供的直流电压变换为2相的大致正弦波PWM电压,当从通过电流检测部5检测出的直流电源电流检测出主线圈4b和辅助线圈4a的电流时,对主线圈4b、辅助线圈4a的电感值以及电阻值进行平衡化,向量控制运算部6通过向量控制运算决定向感应电动机4的2相电压。然后,PWM信号形成部5根据上述2相电压形成用于控制变频器电路3的PWM信号”。

但是,当通过通常的变频器驱动以与进相用电容器一起使用为前提的二相感应电动机时,与通过进相用电容器进行驱动时相比,二相感应电动机的输出转矩变低,因此无法得到与使用进相电容器时同等的最高转速、输出转矩。此外,由于损失导致的发热,产生感应电动机损坏等不良情况。

专利文献1:日本特开平7-46872号公报

专利文献2:日本特开2010-57216号公报



技术实现要素:

本发明是鉴于上述问题而提出的,其目的是提供一种能够高效率运行的二相感应电动机、具备二相感应电动机的空调机以及程序。

为了解决上述课题,本发明的二相感应电动机的特征在于,

具有主线圈和辅助线圈,

该二相感应电动机用于空调机,该空调机具备:整流电路,其对商用交流电源的交流电压进行整流;感应电动机驱动电路,其对从上述整流电路输出的直流电压进行开关,分别输出相位不同的第1电压、第2电压和第3电压;以及成为驱动对象的送风扇,

在将出现最高转速时的输出转矩设为额定输出转矩时,设定上述主线圈和上述辅助线圈的阻抗值,从而在对上述主线圈和上述辅助线圈施加了上述商用交流电源输出的上述交流电压的倍以下的电压的状态下得到上述最高转速以及上述额定输出转矩。

通过本发明,能够实现高效率运行的二相感应电动机、具备二相感应电动机的空调机以及程序。

附图说明

图1是本发明的第1实施方式的空调机的主要部分的框图。

图2的(a)~(f)是第1实施方式的空调机的主要部分中的各部的波形图。

图3的(a)、(b)是表示在时刻t1、t2的电流的方向的图。

图4的(a)、(b)是表示在时刻t3、t4的电流的方向的图。

图5是电动机的转矩特性图。

图6是电动机的其他转矩特性图。

图7是第1实施方式的控制程序的流程图。

图8的(a)、(b)是启动时的电动机的转矩特性图。

图9的(a)~(c)是启动后的电动机的转矩特性图。

图10是比较例的电动机的电流等的波形图。

图11是比较例的电动机的电流等的其他波形图。

图12是第1实施方式的电动机的电流等的波形图。

图13是第1实施方式的电动机的电流等的其他波形图。

图14是本发明的第2实施方式的空调机的主要部分的框图。

图15的(a)~(e)是第2实施方式的空调机的主要部分中的各部的波形图。

图16是本发明的第3实施方式的空调机的正面图。

图17是第3实施方式的空调机的室内机的侧截面图。

图18是第3实施方式的主要部分的框图。

符号说明

10 二相感应电动机(电动机、感应电动机)

12 主线圈

14 辅助线圈

16 转速传感器

20、21 变频器

24 控制电路(计算机)

26 整流电路

54 转差率计算部

56 同步速度设定部

58 目标速度设定部

A 空调机

A1、A2 电动机驱动装置

Edc 直流电压

N、N1、N2、N3 实际转速

NS 同步速度

NX 目标同步速度

Np 转矩峰值转速

s 转差率

smax 预定值

TL、TL1、TL2 负载转矩

TM、TM1、TM2、TM3 电动机转矩

VU-V 线间电压(主线圈施加电压)

VW-V 线间电压(辅助线圈施加电压)

VU 电压(第1电压)

VV 电压(第2电压)

VW 电压(第3电压)

具体实施方式

[第1实施方式]

<实施方式的结构>

以下,参照图1所示的框图对本发明的第1实施方式的空调机的主要部分即电动机驱动装置A1的结构进行说明。

在图1中,二相感应电动机(以下,称为电动机)10具有主线圈12和辅助线圈14,与负载装置40连接从而对负载装置40进行旋转驱动。将主线圈12和辅助线圈14配置成当被提供了二相交流电流时发生旋转磁场。转速传感器16具有霍尔传感器等,检测电动机10的转子的转速(以下,称为实际转速N[rpm])。

在本实施方式中,主线圈12和辅助线圈14的阻抗大致相同。另外,在以下说明中,关于两个值“大致相同”例如是指高的值为低的值的1.05倍以下。此外,关于一个值X“大致X”例如指“X±5%”的范围。主线圈12和辅助线圈14的阻抗并非一定必须大致相同,但是希望使高的阻抗为低的阻抗的1.25倍以下。这是因为考虑电动机的线圈阻抗的波动最大为±10%左右。例如,因为在主线圈的阻抗为+10%,辅助线圈的阻抗为-10%的情况下,主线圈的阻抗成为辅助线圈的1.22倍左右。

整流电路26对从商用电源30提供的交流电压进行整流,平滑电容器28使整流电路26的输出电压平滑化,输出直流电压Edc。当使商用电源30的交流电压的有效值为E时,直流电压Edc约为将该直流电压Edc输入给变频器20。但是,也可以在整流电路26的后级,插入一般使用的升压电路等,使直流电压Edc高于由此,能够提高转速,得到更大的输出转矩。变频器(感应电动机驱动电路)20具有开关元件22a~22f(例如,IGBT或MOS-FET等半导体开关元件)、与这些并联连接的回流用二极管。另外,将开关元件22a~22f统称为“开关元件22”。

这些开关元件22通过串联连接2组开关元件22来构成各相的上下臂。在图1的例子中,通过开关元件22a、22b构成U相的上下臂,通过开关元件22c、22d构成V相的上下臂,通过开关元件22e、22f构成W相的上下臂。各相的上下臂的连接点与电动机10连接。通过从控制电路24提供的驱动信号,对开关元件22a~22f进行接通/关断控制。由此,变频器20根据该驱动信号对直流电压Edc进行PWM(Pulse Width Modulation脉冲宽度调制)调制。电源电路25从直流电压Edc生成控制电路24用电源电压。另外,希望使针对开关元件22进行PWM调制时的调制频率为高于可听频率的频率(例如,15kHz以上)。

控制电路24具备CPU(Central Processing Unit,中央处理单元)、RAM(Random Access Memory,随机存取存储器)、ROM(Read Only Memory,只读存储器)等作为一般的计算机的硬件,在ROM中存储由CPU执行的控制程序、各种数据等。在图1中,关于控制电路24的内部,将通过控制程序等实现的功能表示为模块。

在控制电路24的内部,目标速度设定部58输出电动机10的同步速度NS的目标值即目标同步速度NX。同步速度设定部56设定同步速度NS以使同步速度NS与目标同步速度NX接近或一致。转差率计算部54根据同步速度NS和实际转速N计算电动机10的转差率s(=(NS-N)/NS)。驱动部52根据同步速度设定部56输出的同步速度NS生成上述的驱动信号,并提供给开关元件22。

从变频器20输出的U相、V相、W相的电压为大致正弦波,将这些称为VU、VV、VW。另外,有时将这些统称为“电压V”。此外,将电压V的频率称为“驱动频率f”。若将电动机10的极数设为p,则同步速度NS和驱动频率f之间存在“NS=120f/p”的关系。因此,驱动部52将实现该驱动频率f的PWM信号作为驱动信号而输出。

在本实施方式中,设定驱动信号,以使V相电压VV的相位相对于U相电压VU前进90°,W相电压VW的相位相对于V相电压VV进一步前进90°。向主线圈12施加U相、V相间的线间电压VU-V,向辅助线圈14施加W相、V相间的线间电压VW-V。图2的(a)~(c)表示电压VU、VV、VW的波形。相对于商用电源30的交流电压的有效值E,电压VU、VV、VW的极大值为极小值为零。因此,电压VU、VV、VW的振幅为它们的有效值为(1/2)E。

在二相感应电动机中,已知在流过主线圈和辅助线圈的电流的相位差为90°时,即具有1/4周期的周期差时效率最佳。这是在电动机的结构方面得到的,在2极、4极、8极时也相同。

然而,感应电动机的线圈的阻抗由线圈的电感和线圈的导线电阻来决定,在主线圈和辅助线圈的阻抗不同的情况下,相对于所施加的电压,流过的电流的相位延迟在主线圈和辅助线圈中不同。因此,流过各线圈的电流的相位差不相差90°,即不相差1/4周期,因此效率降低。因此,在该情况下,也可以考虑该延迟量的相位来调整施加的电压的相位差。

在本实施方式的二相感应电动机中,优点在于,在进行了设定从而使主线圈和辅助线圈的阻抗相同时,使输入电压分别为1/4周期,由此流过各线圈的电流也错开90°,即错开1/4周期,因此不需要调整对使用的每个感应电动机施加的电压的相位差。

此外,在图2(d)~(f)中示出了线间电压VU-V、VW-V、VU-W的波形。分别向主线圈12和辅助线圈14施加线间电压VU-V和VW-V。当电压VU、VV、VW为正弦波时,线间电压VU-V和VW-V的振幅为它们的有效值为

换言之,在将电动机10的最高转速的输出转矩设为额定输出转矩时,主线圈12和辅助线圈14的阻抗为通过输入有效值为以下的交流电压而得到额定输出转矩的值。

在此,“最高转速”是指在向主线圈12输入有效值为的交流电压,向辅助线圈14输入相对于向主线圈12输入的交流电压预定进相的交流电压,来进行与电动机10连接的负载装置40的驱动(例如,从送风扇送风)的情况下,使向主线圈12和辅助线圈14的交流电压的输入频率可变时得到的转速中的最高的转速。

上述的例子为不进行过调制时的例子,但通过向电压VU、VV、VW混入奇数次的高频成分,能够使它们的振幅上升至另外,过调制是用于变频器控制的技术的一例,可以进行过调制也可以不进行。

向主线圈12施加的线间电压VU-V和向辅助线圈14施加的线间电压VW-V虽然相位不同,但电压值大致相同。因此,流过主线圈12的电流和流过辅助线圈14的电流大致相同。此外,通过图3的(a)、(b)和图4的(a)、(b)的粗实线表示图2的(a)~(f)的在时刻t1、t2、t3、t4的电流流动。

接着,参照图5对电动机10的转矩特性进行说明。在图5中,横轴表示电动机10的转子的实际转速N[rpm],纵轴表示转矩[N·m]。在感应电动机即电动机10中,实线表示的电动机转矩TM具有图示那样的大致三角形的形状。此外,虚线表示的TL1、TL2为负载装置40的负载转矩的特性例。与负载转矩TL1或TL2相对的实际转速N为负载转矩TL1或TL2的特性与电动机转矩TM的特性交差的点的速度。

将电动机转矩TM为最大的实际转速N称为转矩峰值转速Np。根据电动机10的结构、运行状态而不同,但转矩峰值转速Np成为转差率s为“0.2”附近的速度。将实际转速N超过转矩峰值转速Np的区域称为“稳定区域”,将实际转速N为转矩峰值转速Np以下的区域称为“不稳定区域”。在不稳定区域中,由于负载转矩TL2的微小变动,实际转速N大幅度变化。此外,转差率s变大,因此电动机10的电力损失、温度上升也变大。因此,本实施方式的控制电路24控制同步速度NS从而避免不稳定区域的动作。另外,将在后面对其细节进行说明。

接着,图6表示当驱动频率为f1、f2、f3时(其中,f1<f2<f3)的电动机转矩TM1、TM2、TM3的特性例和实际转速N1、N2、N3。控制电路24设定电压V以使电压V与驱动频率f的比大致恒定。将这样的电压V的设定方法称为“V/F恒定控制”。如图所示,在实际转速N越大,负载转矩TL越大的情况下,随着实际转速N的增加转差率s变大。

<实施方式的动作>

接着,参照图7对本实施方式的动作进行说明。另外,图7是由控制电路24执行的控制程序的流程图,在启动电动机10时执行该控制程序。

在图7中,当处理前进到步骤S2时,通过同步速度设定部56判定电动机10是否正在反转。在此,若判定为“是”,则处理向步骤S3前进,判定转速是否为预定速度以上。在此,若判定为“是”,则处理返回到步骤S2。以后,只要电动机10为预定速度以上且反转中,则重复进行步骤S2、S3的循环。例如,在负载装置40为风扇的情况下,有可能因外部空气的流动,风扇以该预定速度以上的速度进行反转。在这样的情况下,若使变频器20动作,则变频器20成为过负载状态,因此在本实施方式中不使变频器20动作。但是,在电动机10用于室内设备时等,电动机10进行反转的可能性小的情况下,也可以省略步骤S2、S3的处理。

若在步骤S2、S3中的任意一个步骤中判定为“否”,则处理向步骤S4前进,通过同步速度设定部56执行启动处理。以下,参照图8的(a)、(b)对该启动处理的内容进行说明。图8(a)中的电动机转矩TM的特性表示开始了步骤S4的时间点的特性。如图所示,在步骤S4开始时,将同步速度NS设定为低于目标同步速度NX的值。

更具体地说,优选使开始了步骤S4的时间点的同步速度NS为目标同步速度NX的0.01倍~0.3倍左右。之后,在步骤S4中,同步速度NS逐渐上升。然后,当同步速度NS达到目标同步速度NX的预定值倍(例如,0.3倍~0.8倍)时,步骤S4结束。图8(b)表示步骤S4结束时的电动机转矩TM的特性的一例。

因此,说明在本实施方式中执行启动处理(步骤S4)的原因。一般,即使在停止状态下将目标同步速度NX设定为同步速度NS,电动机10等感应电动机得到充分的启动转矩的情况较多。但是,在启动初期转差率s变大,电动机10的损失、发热变大。因此,在本实施方式中,使同步速度NS从低于目标同步速度NX的速度开始。

接着,在图7中,当处理前进到步骤S6时,通过同步速度设定部56判定转差率s是否不足预定值smax。在此,如图5所示,可以从实际转速N进入不稳定区域的范围(实际转速N不足转矩峰值转速Np的范围)中选择预定值smax。在此,预定值smax既可以与同步速度NS对应地设定,也可以不管同步速度NS地设定为相同值。当与同步速度NS对应地设定预定值smax时,能够起到与同步速度NS对应地应用最佳的预定值smax的效果。另一方面,当不管同步速度NS地将预定值smax设定为恒定值时,能够起到减少控制程序的步骤数的效果。

当在步骤S6中判定为“是”时,处理前进到步骤S8,通过同步速度设定部56使同步速度NS接近目标同步速度NX。例如,将同步速度NS增减预定步长ΔN。但是,在当前的同步速度NS已经达到了目标同步速度NX的情况下,维持当前的同步速度NS

另一方面,当在步骤S6中判定为“否”时,处理前进到步骤S10,通过同步速度设定部56使同步速度NS下降。例如,将同步速度NS减少上述步长ΔN。通过使同步速度NS减少,脱离不稳定区域(参照图5)的动作,可转移至稳定区域的动作的可能性提高。以后,重复进行步骤S6~S10的循环。

在此,参照具体例对步骤S6~S10的动作进行说明。在最初执行步骤S6的定时(步骤S4结束的定时),当使电动机转矩TM和负载转矩TL成为了图8(b)所示时,转差率s不足预定值smax(参照图5),因此在步骤S6中判定为“是”,在步骤S8中增加同步速度NS使其接近目标同步速度NX

这样重复执行步骤S8,当同步速度NS与目标同步速度NX一致时,电动机转矩TM和负载转矩TL成为图9(a)所示。以后,只要在负载转矩TL中不出现特别的变化,将同步速度NS保持恒定。

在此,当由于某种原因负载转矩TL增加了时,有时实际转速N变得不足转矩峰值转速Np。图9(b)表示其中一例。图9(b)所示的负载转矩TL1的特性与图9(a)所示的负载转矩TL的特性相同,负载转矩TL2的特性是由于某种原因增加后的特性。负载转矩TL2的转差率s为预定值smax以上,因此当接着执行步骤S6时,判定为“否”,在步骤S10中减低同步速度NS

当重复执行步骤S10时,同步速度NS逐渐下降。然后,当负载转矩TL2的转差率s也不足预定值smax时,再次在步骤S6判定为“是”。图9(c)表示此时的电动机转矩TM的特性例。之后,消除使负载转矩增加的原因,当负载转矩的特性再次返回到TL1时,重复执行步骤S8,返回到同步速度NS等于目标同步速度NX的状态(图9(a))。

<应用电动机10的意义>

如上所述,在本实施方式中,作为电动机10应用二相感应电动机,使主线圈12和辅助线圈14的阻抗大致相同,对其意义进行说明。

在空调机中,希望能够以小型机箱对整个房间进行空气调节,因此希望风量多,还希望使风扇旋转的电动机的最高转速也高。另一方面,从静音性、各种功能方面出发,也存在以低速进行旋转的情况,因此需求能够任意变更转速的电动机。

在二相感应电动机的定子的磁极上卷绕主线圈和辅助线圈,向两者施加相同不同的输入电压,由此转子旋转。一般,在以下的前提下来设计二相感应电动机:向辅助线圈输入通过进相用电容器对输入给主线圈的交流电压变更了相位后的交流电压。由此,作为原本的电源可以仅使用单相交流电源来进行驱动,因此将通过该进相用电容器驱动的感应电动机称为“单相感应电动机”。

在向二相感应电动机追加进相用电容器来作为单相感应电动机使用的上述方法中,很多时候作为电源使用商用电源等。在通过单一频率的电源驱动单相感应电动机的情况下,使用分接头式电动机线圈,通过对其进行切换可以变更转速。但是,在该方式中,需要具备想要进行驱动的转速的数量的分接头,因此难以多阶段地切换转速。

此外,也可以通过相位控制方法来变更转速,但由于电源频率本身不变动,所以不仅转速的变动幅度存在限制,还存在产生齿槽转矩(Cogging torque)引起的振动或由此产生的声音,或容易出现高次谐波的问题,每次改变转速时制约大。

还有如下的方法:对二相感应电动机应用变极电动机,通过切换极数来变更转速。在电源频率为50Hz的情况下,若为2极则同步速度可变为3000rpm,若为4极则同步速度可变为1500rpm,若为6极则同步速度可变为1000rpm,若为8极则同步速度可变为750rpm,但在原理上同步速度为这些固定的速度,无法细致地设定。此外,还存在电动机的结构复杂,且价格高的问题。

二相感应电动机与其他3相电动机等相比,虽然在效率方面差,并且在实际规格方面希望考虑发热,但存在结构简单且廉价的优点。

因此,研究了以下的方式:通过变频器使输入的频率自身变动,向各线圈输入错开了相位的电压,由此驱动二相感应电动机。只要是变频器能够任意设定向二相感应电动机输入的频率,因此能够实现符合空调机等产品需求的转速。

在使用进相用电容器来驱动二相感应电动机的情况下,希望根据电动机的辅助线圈的阻抗(电感器L、电阻R)决定进相用电容器的容量。设定恰当的电容器容量,从而成为下式那样。

(主线圈电压)2+(辅助线圈电压)2=(电容器两端电压)2

另一方面,在通过变频器进行驱动的情况下,存在能够任意调整输入的相位的优点。使用二相感应电动机在成为廉价的结构的同时,如DC电动机那样成为多级切换转速的结构,因此采用了通过变频器驱动二相感应电动机的方式。对于变频器电路,可以采取使用IGBT、MOS-FET、GaN等元件,通过SIC等进行驱动的结构,也可以使用市场上销售的变频器IC等。

对于以与进相用电容器一起使用为前提的二相感应电动机,研究了从变频器向主线圈、辅助线圈施加同一振幅的交流电压的情况。在这种二相感应电动机中,辅助线圈的阻抗高于主线圈,因此输入电流与主线圈相比变小。由此,电动机的输出下降,希望进行用于提高转矩的变更。作为提高转矩的方法,考虑使主线圈、辅助线圈的输入相匹配的方法。在此有两种方法,考虑以下两种方法:考虑主线圈、辅助线圈的阻抗的波动,调整来自变频器的输出的方法、使用主线圈、辅助线圈的阻抗相同的电动机的方法。

前者的优点是可以直接使用成品的二相感应电动机,但缺点是存在如下的问题:需要针对使用的二相感应电动机的主线圈、辅助线圈的每个阻抗协调来自变频器的输出,使各输入电流相同,并且如上所述对商用电源进行整流,从变频器输出时得到的线间电压的有效值成为商用电源的倍,因此与通过进相用电容器进行驱动的情况相比,得到的输出小。在调整向主线圈、辅助线圈的输出时,需要通过电流检测电路进行输出电流的监视或针对使用的产品的每个规格、每个电动机生成变频器的驱动软件。并且,由于成为与输入变低的辅助线圈相匹配地限制主线圈的输入的调整,因此在想要增加转矩的情况下,反而有可能转矩降低。

关于后者,如果为主线圈和辅助线圈的阻抗大致相同的二相感应电动机,则能够以全部相同的电路进行驱动,因此存在以下的优点:不需要针对每个产品、每个机种与使用的二相感应电动机进行协调。此外,如后所述,能够得到相对于前者更大的输出转矩。关于选择哪个,可以根据应用的产品群的规格来选择,但后者的方式能够得到更多的输出转矩,且电动机的额定也为所需最小限度,因此总体上能够廉价地构成,因此在上述实施方式中,使主线圈12、辅助线圈14的阻抗大致相同。

并且,因为增加输入电流来提高转矩,所以可以通过降低线圈阻抗来提高转矩。此时,为了从通过3相变频器驱动的感应电动机享受与通过进相电容器驱动的二相感应电动机的输出转矩相同的转矩,可知需要使感应电动机的主线圈和辅助线圈的阻抗至少为通过进相用电容器进行驱动时的阻抗的70%以下。

关于电动机,只要使主线圈、辅助线圈的规格相同即可,因此试生产的难易度也低。此外,通过在铁芯上将导线缠绕成卷状,电动机线圈的电感器得到电感L。因此,电感L与线圈的匝数相关。电动机线圈的电阻成分R与线材的电阻相关,因此可通过使线径变粗的变更来进行调整,但通过使线径变粗线圈的外径变大,因此有时导致电动机本身的大型化。在为一般家庭用壁挂式空调机的室内机的情况下,安装位置存在制约,因此在决定了产品的外形尺寸,电动机的外形变大的情况下,希望使热交换器等其他部件变小。但是,在使热交换器变小的情况下,存在热交换效率下降等弊端。

通过向电动机线圈通电而产生的磁场,由电动机线圈的匝数、芯材的磁导率来决定,因此即使在减少电动机线圈的匝数,降低了电感的情况下,也可以通过增加芯材的叠厚来抑制输出转矩下降。然而,在使叠厚变大的情况下,与将线圈线径变大的情况相比,电动机的外形极端变大,因此有可能产生上述的弊端。因此,能够尽可能小型化的结构有利,因此通过变更线圈来提高转矩比通过变更叠厚来提高转矩有利。

在此,参照图10~图13所示的电流波形图,说明对两种电动机(样品1、样品2)进行了验证后的结果。样品1的二相感应电动机为比较例,是通过进相用电容器进行驱动的方式,是通过单相AC230V的输入能够达成目标转速的二相感应电动机。此外,样品2的二相感应电动机为用于本实施方式的电动机10,是通过3相变频器20驱动的方式,是通过电源单相AC230V的输入能够达成目标转速的二相感应电动机。在验证中,目标为在装入实机的状态下,在2.2N·m的负载下以1200rpm稳定地进行动作。

图10表示使用进相用电容器驱动样品1的二相感应电动机(进相用电容器用)时的各线圈的电流波形。

此时的同步速度为1500rpm,实际转速为1295.4rpm,转差率为0.136,主线圈电流振幅为0.8A,辅助线圈电流振幅为0.62A,电动机温度上升(壳体部分)为62.7℃。在该例子中,实际转速达到目标值(1200rpm)。温度上升也在允许范围内。

此外,图11表示使用3相的变频器20驱动样品1的二相感应电动机(进相用电容器用)时的各线圈的电流波形。

此时的同步速度为1364rpm,实际转速为1095rpm,转差率为0.197,主线圈电流振幅为0.8A,辅助线圈电流振幅为0.55A,电动机温度上升(壳体部分)为26℃。在图11的例子中,电动机输出不足,实际转速(1095rpm)没有达到目标值(1200rpm)。

此外,图12表示使用3相的变频器20驱动样品2的二相感应电动机(变频器用)时的各线圈的电流波形。

此时的同步速度为1395rpm,实际转速为1234.56rpm,转差率为0.115,主线圈电流振幅为0.8A,辅助线圈电流振幅为0.8A,电动机温度上升(壳体部分)为47℃。在图12的例子中,实际转速达到目标值(1200rpm),温度上升也在允许范围内。

此外,图13表示使用进相用电容器驱动样品2的二相感应电动机(变频器用)时的各线圈的电流波形。

此时的同步速度为1500rpm,实际转速为1371rpm,转差率为0.086,主线圈电流振幅为1.2A,辅助线圈电流振幅为1.2A。但是,电动机温度上升至100℃以上,温度保护动作。在图13的例子中,达到了转速的目标值(1200rpm),但发热急剧,难以说是稳定地进行动作。

根据以上的研究结果可知,在为一般驱动二相感应电动机的方式即使用进相用电容器的情况和通过变频器驱动二相感应电动机的情况下,为了得到相同的输出所需要的主线圈和辅助线圈的规格不同。这是因为如后所述与直接输入商用电源的情况相比施加电压的有效值变低。

此外,根据以上的研究结果,验证了以下情况:调整所使用的二相感应电动机的主线圈和辅助线圈的阻抗,从而成为通过进相用电容器驱动时的二相感应电动机的以下各值,这对于通过在同一电源下使用的变频器驱动来享受通过进相用电容器驱动二相感应电动机时能够享受的输出转矩来说是有效的。

电感L:在主线圈中约70%以下,在辅助线圈中约50%以下

电阻值R:在主线圈中约85%以下,在辅助线圈中约60%以下

阻抗Z:在主线圈中约50%以下,在辅助线圈中约35%以下

如上所述,辅助线圈与主线圈的规格相匹配,因此根据主线圈的结果加以考察。感应电动机的线圈的阻抗由线圈的线径以及线圈的匝数、叠厚来决定,因此电感相同电阻值不同的感应电动机等可以任意地调整阻抗。然而,实际上,叠厚的变更与感应电动机的形状有很大的关系,因此无法进行极端的变更。这是因为本电动感应机用于壁挂式空调机。

当前,空调机的外形大小受限于一般家庭的墙壁的安装空间,因此无法极端变大。因此,无法实现只通过变更叠厚来应对转矩的不足量从而使变频器驱动方式与电容器进相方式相同。此外,通过变更叠厚实现的转矩提高为20%左右。当考虑通过变更叠厚而实现的转矩20%的提高时,根据以上的研究结果可以导出:为了通过在同一电源下使用的变频器驱动来享受通过进相用电容器驱动二相感应电动机时可享受的输出转矩,即使在考虑了通过电动机的叠厚而实现的转矩20%的提高的情况下,也需要使线圈的阻抗为70%以下。

此外,同样地验证了以下情况:调整所使用的二相感应电动机的主线圈和辅助线圈的阻抗,从而成为通过变频器驱动时的二相感应电动机的以下各值,这对于通过在同一电源下使用的进相用电容器的驱动来享受对二相感应电动机进行变频器驱动时能够享受的输出转矩来说是有效的。

电感L:在主线圈中约150%以上,在辅助线圈中约200%以上

电阻值R:在主线圈中约120%以上,在辅助线圈中约180%以上

阻抗Z:在主线圈中约210%以上,在辅助线圈中约300%以上

以上记载了从变频器输出正弦波的情况,但如果在实机中没有温度上升、高频噪声等问题的情况下,可以追加作为一般公知的技术的通过过调制使输入电压的峰值增大的控制。

<应用例>

(应用例1)

接着,说明将本实施方式的电动机驱动装置A1应用于各种设备的例子。

首先,表示了将本实施方式的二相感应电动机应用于在电源电压AC200V下使用的空调机的室内机的送风用风扇的情况。

根据在产品规格上所需要的空调机的室内机的最大风量,设为二相感应电动机的需要转速为1500rpm,此时需要的二相感应电动机的输出转矩为2.2N·m。

如果为通过通常的进相用电容器进行驱动的方式,则通过按已知的方式变更极数,能够阶段性地变更同步速度。例如,在电源频率为50Hz的情况下,同步速度可以阶段性地变更为3000rpm、1500rpm、750rpm。本次的目标转速为1500rpm,但感应电动机因负载而产生转差率,因此即使以同步速度1500rpm进行驱动,由于转差率未达到1500rpm。此外,研究了使用同步速度为3000rpm的2极感应电动机的情况。此时,在实机中调整了动作点从而以1500rpm进行动作的情况下,转差率为0.5,因此产生效率恶化导致的发热等问题。并且,在电源频率为60Hz的环境下使用时,存在转速的设计发生变化的问题。根据以上的研究结果,为了得到稳定的输出,当采用通过变频器驱动二相感应电动机的方式,能够实现高效率。

此时,基于变频器输出的向二相感应电动机的线圈的输出电压为此外,当设整流电路和变频器电路中的损失为10%时,为了补充该损失减去141.42[V]×0.1=14.142[v],应用通过AC127.278V以上的输入,能够进行负载转矩2.2N·m、转速1500rpm的输出的电动机,向应用本实施方式的变频器进行连接。

此时,负载转矩2.2N·m且转速1500rpm与在本空调机中装配的变频器的最大输出时二相感应电动机可输出的最大输出大致相等。因此,不仅能够使用廉价的二相感应电动机实现可任意变更转速的结构,还能够抑制由于应用超出所需的大输出的感应电动机或超出所需的高效率的变频器等导致的价格上升等。

(应用例2)

接着,表示了将在电源电压AC200V、50Hz下使用的空调机的室外机的送风扇中所使用的通过进相用电容器方式驱动的二相感应电动机置换为变频器以及通过变频器驱动的二相感应电动机时的例子。

设通过进相用电容器方式驱动的二相感应电动机的转速为900rpm,此时的负载为3.5N·m。因此,关于通过变频器驱动的二相感应电动机的所需输出,设所需最大转速为900rpm,最大输出扭矩为3.5N·m。

此时,如上所述,在通过进相用电容器方式使用的二相感应电动机中,辅助线圈的阻抗高于主线圈,因此在用于变频器驱动的二相感应电动机中,进行设定以使主线圈和辅助线圈的阻抗大致相同。

另外,在本例子中表示了不变更电动机叠厚的情况。此外,设平滑电路和变频器电路中的损失足够小。如上所述,在通过变频器驱动二相感应电动机的情况下,输入给二相感应电动机的电压为通过进相电容器进行驱动时的在输入阻抗相同时,根据欧姆定律,线圈电流也为倍。

如上所述,在电感L和R恒定的情况下,电动机磁极的磁动势与电流值相关。因此,为了在变频器驱动的情况下得到相同的输出,需要调整线圈阻抗以便得到相同的电流输入。因此,根据欧姆定律,可知通过使通过变频器驱动的二相感应电动机的主线圈和辅助线圈的阻抗为倍,能够得到相同的输入电流。因此,使通过变频器驱动的二相感应电动机的线圈的线形变粗来降低导通电阻,由此将主线圈和辅助线圈的阻抗调整为倍来使用。由此,即使在为变频器驱动的情况下,也能够实现具有与通过进相用电容器方式使用二相感应电动机时的最大输出相同的变频器驱动方式的二相感应电动机的空调机。

(应用例3)

接着,研究在将进相用电容器和二相感应电动机的结构置换为变频器电路和二相感应电动机时,一并变更感应电动机的叠厚的情况。因此,研究在与上述应用例2相同的条件下,一并变更感应电动机的叠厚时的例子。

设通过进相用电容器方式驱动的二相感应电动机的转速为900rpm,此时的负载为3.5N·m。因此,关于通过变频器驱动的二相感应电动机的所需输出,使所需最大转速为900rpm,最大输出扭矩为3.5N·m。

相对于通过进相用电容器使用的感应电动机,增加通过变频器电路驱动的二相感应电动机的叠厚。考虑通过该变更输出转矩预计增加15%的情况。

因为通过变频器进行驱动,所以用于变频器驱动的二相感应电动机同样地进行设定以使主线圈和辅助线圈的阻抗大致相同。同样地,在通过变频器驱动二相感应电动机的情况下,向二相感应电动机输入的电压为通过进相电容器驱动时的在输入阻抗相同时,根据欧姆定律,线圈电流也为倍。

如上所述,在电感L和R恒定的情况下,电动机磁极的磁动势与电流值相关。因此在上述例2中在为变频器驱动的情况下为了得到与通过进相电容器方式进行驱动时相同的输出,调整线圈阻抗从而得到相同的电流输入,但是在本例中,由于叠厚的变更输出转矩增大15%,因此考虑该转矩的增大,关于电流值的调整,根据下式为0.601倍即可。

也就是说,关于在变频器驱动的情况下使用的二相感应电动机的线圈,根据欧姆定律,可以进行设定从而成为进相用电容器驱动方式时的二相感应电动机的阻抗的0.601倍。

(应用例4)

并且,研究在上述应用例1所示的结构中,使用转差率限制器使其动作时的例子。

如应用例1那样,针对目标值,在通过变频器驱动方式使二相感应电动机进行动作时,应用的变频器和二相感应电动机根据上述额定条件下的变频器输入的同步速度和实际转速确定转差率。

如上所述,本实施方式的二相感应电动机内置有根据转速进行输出的例如霍尔传感器等,可通过控制用微型计算机确认实际转速。此时,当在控制用微型计算机的软件上追加了转差率的限制器的情况下,确认在以额定负载进行动作的状态下的转差率值以及动作时的负载变动,设定限制值。

在实际的动作时,如上所述向电动机施加低于目标转速的同步速度的驱动电流。感应电动机停止,因此在电流施加时间点转差率为1,但在启动时不施加转差率的限制器。关于感应电动机启动时的控制,有各种方法,因此任意设定。在确认实际转速的同时,直到实际转速达到目标转速或转差率达到限制值为止提高同步速度。当在感应电动机的加速过程中转差率达到了限制值的情况下,或者在实际转速达到目标转速后因负载的变动等转速下降,转差率达到限制值的情况下,与转差率相匹配地降低输入的同步速度以使转差率不超过限制值,由此在转差率不超过限制值的状态下稳定地进行动作。

明确在空调机中使用的感应电动机的额定输出,即最高转速以及此时的输出转矩的考虑方法。在连接了负载的感应电动机中,如已知的那样,对应于负载的轻重相对于输入的同步速度产生转差率,因此最高转速根据负载来决定。本实施方式的二相感应电动机用于空调机室内机的送风扇,因此以预定的转速进行旋转时的送风扇的负载转矩与二相感应电动机的输出转矩相同。在空调机中使用的环流风扇成为图6的TL所示的负载转矩。另外,在本实施方式中,提出并表示了作为送风扇使用环流风扇的情况,但是本实施方式的二相感应电动机只对应于连接的负载,得到最高转速和输出转矩,因此作为二相感应电动机的负载可以应对螺旋桨式风扇、压缩机驱动用感应电动机等所谓的负载。

在实测在本实施方式中所示的与空调机的室内机的回流风扇连接的二相感应电动机的最高转速时,将该二相感应电动机搭载于应用的空调机上,在实际进行空气调节的条件,即风向板的位置、空气吸入口的负载、吹出口的负载等在实际的产品上使用的条件下,通过任意的驱动方法使感应电动机进行动作。由此,能够明确通过任意的驱动方法驱动感应电动机时的最高转速以及输出转矩。

另外,在此所说的任意的驱动方法既可以是使用可任意地设定电压、频率的电压源、电流源的方法,也可以是使用在监视输出的同时可进行相位控制等控制的变频器的方法,还可以使用符合测定意图的方法。

例如,在本实施方式中,考虑作为电源使用商用电源的AC200V的空调机的情况。此时,向电动机的主线圈准备的141.4V的交流电源。此时,141.4V的电源使用来自滑动式变压器的输出、变频器电源等各种电源。向主线圈连接该AC141.4V的电源,为了将相位变更90℃,从该AC141.4V的电源经由电容器向辅助线圈连接来使感应电动机旋转。另外,关于此时的旋转方向,设为空调机在通常运行时进行送风的方向。在该状态下,设定风向板和设置场所从而成为空调机的运行状态,并根据感应电动机最高转速以及此时的负载转矩测定感应电动机的输出转矩。此外,该AC141.4V的交流电源任意地变更频率,搜索感应电动机的转速成为最高的点。将此时的转速以及输出转矩设置为最高转速以及额定输出转矩。

<实施方式的效果>

如上所述,本实施方式的二相感应电动机(10)的特征在于,

具有主线圈(12)和辅助线圈(14),

该二相感应电动机用于空调机,该空调机具备:整流电路(26),其对商用交流电源(30)的交流电压进行整流;感应电动机驱动电路(20),其对从上述整流电路(26)输出的直流电压(Edc)进行开关,分别输出相位不同的第1电压(VU)、第2电压(VV)和第3电压(VW);以及成为驱动对象的送风扇(40、103),

在将出现最高转速时的输出转矩设为额定输出转矩时,设定了上述主线圈(12)和上述辅助线圈(14)的阻抗值,从而在对上述主线圈(12)和上述辅助线圈(14)施加了上述商用交流电源(30)输出的上述交流电压的倍以下的电压的状态下得到上述最高转速以及上述额定输出转矩。

此外,特征在于,上述最高转速是如下的转速:

向上述主线圈施加具有上述商用交流电源(30)的有效值的倍的有效值的主线圈施加电压(VU-V),向上述辅助线圈施加相对于上述主线圈施加电压(VU-V)预定进相的辅助线圈施加电压(VW-V),在从与上述二相感应电动机连接的上述送风扇(40、103)进行送风的情况下,使上述主线圈施加电压(VU-V)和上述辅助线圈施加电压(VW-V)的频率可变时得到的转速中的最高的转速。

此外,二相感应电动机(10)的特征在于,在上述主线圈(12)的阻抗和上述辅助线圈(14)的阻抗中,高的阻抗为低的阻抗的1.25倍以下,

优选上述主线圈(12)的阻抗和上述辅助线圈(14)的阻抗大致相同。

由此,能够实现适于变频器(20)的驱动的二相感应电动机。

此外,本实施方式的空调机的特征在于,具有二相感应电动机(10),

上述感应电动机驱动电路(20)具有能够进行三相输出的变频器,

向上述主线圈(12)的一端施加上述第1电压(VU),

向上述辅助线圈(14)的一端施加上述第3电压(VW),

向上述主线圈(12)的另一端和上述辅助线圈(14)的另一端施加上述第2电压(VV),

上述第2电压(VV)比上述第1电压(VU)延迟第1周期,上述第3电压(VW)比上述第2电压(VV)延迟第2周期。

此外,本实施方式的空调机的特征在于,具备:

整流电路(26),其对商用交流电源(30)的交流电压进行整流,输出直流电压(Edc);

变频器(20),其对上述直流电压(Edc)进行开关,输出第1电压(VU)、第2电压(VV)、第3电压(VW);

二相感应电动机(10),其具有主线圈(12)和辅助线圈(14);以及

送风扇(40、103),其与上述二相感应电动机(10)连接,

向上述主线圈(12)的一端施加上述第1电压(VU),

向上述辅助线圈(14)的一端施加上述第3电压(VW),

向上述主线圈(12)的另一端和上述辅助线圈(14)的另一端施加上述第2电压(VV),

上述第2电压(VV)比上述第1电压(VU)延迟第1周期,上述第3电压(VW)比上述第2电压(VV)延迟第2周期,

流过上述辅助线圈(14)的电流的有效值与流过上述主线圈(12)的电流的有效值大致相同。

由此,能够以高效率运行空调机。

此外,本实施方式的空调机的特征在于,具备:

控制电路(24),其控制上述变频器(20);以及

转速传感器(16),其测定上述二相感应电动机(10)的实际转速(N),

上述控制电路(24)对应于上述实际转速(N)使上述二相感应电动机(10)的同步速度(NS)增减。

由此,能够实现与实际转速(N)对应的控制。

此外,上述变频器(20)的特征在于,通过过调制控制,输出上述商用交流电源(30)输出的上述交流电压的峰值的倍以上的峰值电压。

由此,能够根据需要使二相感应电动机(10)高速运行。

此外,特征在于,上述第1周期和上述第2周期大致为“1/4”周期。

由此,能够使空调机以更高效率运行。

此外,特征在于,上述变频器(20)进行15kHz以上的开关。

由此,能够降低刺耳的杂音。

此外,上述控制电路(24)的特征在于,具有:

转差率计算部(54),其根据上述实际转速(N)和上述同步速度(NS)计算上述二相感应电动机(10)的转差率(s);以及

同步速度设定部(56),其在上述转差率(s)为预定值(smax)以上的情况下,使上述同步速度(NS)降低。

由此,当转差率s变大时,能够使同步速度NS降低,抑制损失和发热。

此外,上述控制电路(24)的特征在于,具有:

目标速度设定部(58),其设定上述二相感应电动机(10)的目标同步速度(NX),

上述同步速度设定部(56)具有:在启动上述二相感应电动机(10)时设定上述同步速度(NS)使其低于上述目标同步速度(NX)的功能、以及直到上述同步速度(NS)达到上述目标同步速度(NX)或上述转差率(s)成为上述预定值(smax)以上为止,使上述同步速度(NS)增加的功能。

由此,能够降低启动时的损失和发热。

此外,上述二相感应电动机(10)的特征在于,具有以下的转矩特性:在上述实际转速(N)从零值达到上述同步速度(NS)过程中的转矩峰值转速(Np)在电动机转矩(TM)中出现峰值,上述预定值(smax)为在上述转矩峰值转速(Np)的转差率(s)以上的值。

由此,能够尽可能使电动机10在稳定区域动作,在抑制电动机10的损失和发热的同时,能够持续驱动电动机10。

[第2实施方式]

接着,参照图14所示的框图对本发明的第2实施方式的空调机的主要部分即电动机驱动装置A2的结构进行说明。

与第1实施方式的电动机驱动装置A1(参照图1)相比,本实施方式的电动机驱动装置A2在整流电路26的输出端子上连接有串联连接的2个平滑电容器28a、28b,来代替1个平滑电容器28。将平滑电容器28a、28b的连接点的电压直接作为V相电压VV来施加到电动机10。

此外,在本实施方式中,应用变频器21代替第1实施方式的变频器20。变频器21为了输出U相、W相的电压VU、VW,具有开关元件22a、22b、22e、22f,但没有与V相对应的开关元件。上述以外的电动机驱动装置A2的结构与第1实施方式的电动机驱动装置A1的结构相同。图15的(a)~(e)表示本实施方式的电压VU、VV、VW以及线间电压VU-V、VW-V的波形。如图所示,在本实施方式中,W相电压VW的相位相对于U相电压VU前进90°。

通过本实施方式的电动机驱动装置A2,线间电压VU-V、VW-V的振幅小于第1实施方式的电动机驱动装置A1。但是,具有能够使变频器21内设置的开关元件22的数量(4个)少于第1实施方式的变频器20中的数量(6个)的效果,在所需的电动机转矩小的情况下尤其有利。

[第3实施方式]

接着,参照图16对本发明的第3实施方式的空调机A的结构进行说明。另外,图16是本实施方式的空调机A的主视图。

本实施方式是将上述的第1、第2实施方式中的电动机驱动装置A1、A2用于空调机A的例子。

如图16所示,空调机A具备室内机100、室外机200、遥控器Re。室内机100和室外机200通过制冷剂配管(未图示)连接,通过公知的制冷剂循环对设置有室内机100的室内进行空气调节。此外,室内机100和室外机200经由通信电缆(未图示)相互收发信息。

遥控器Re由用户操作,对室内机100的遥控器收发部Q发送红外线信号。该信号的内容是运行请求、设定温度的变更、定时器、运行模式的变更、停止请求等指令。空调机A根据这些信号,进行制冷模式、制热模式、除湿模式等空调运行。此外,从室内机100的遥控器收发部Q向遥控器Re发送室温信息、湿度信息、电费信息等数据。

图17是室内机100的侧截面图。壳体基体101收纳有热交换器102、送风扇103、过滤器108等内部构造体。

热交换器102具有多根传热管102a,使通过送风扇103取入到室内机100内的空气与在传热管102a中流动的制冷剂进行热交换,对上述空气进行加热或冷却。另外,传热管102a与上述的制冷剂配管(未图示)连通,构成公知的制冷剂循环(未图示)的一部分。

左右风向板104按照来自室内机微型计算机(未图示)的指示,以设置于下部的旋转轴(未图示)为支点,通过左右风向板用电动机(未图示)进行转动。

上下风向板105按照来自室内机微型计算机(未图示)的指示,以设置于两端部的转动轴(未图示)为支点,通过上下风向板用电动机(未图示)进行转动。

前面板106被设置成覆盖室内机100的前面,成为以下端为轴可通过前面板用电动机(未图示)进行转动的结构。顺便说,也可以将前面板106固定在下端。

通过图17所示的送风扇103进行旋转,经由空气吸入口107和过滤器108取入室内空气,将通过热交换器102进行热交换后的空气引导至吹出风路109a。并且,被引导至吹出风路109a的空气通过左右风向板104和上下风向板105调整风向,从空气吹出口109b送出到外部来对室内进行空气调节。

另外,图16、图17所示的空调机A的结构只不过是本实施方式的一例,当然也可以用于所有的空调机的形式。

图18是表示包含控制部140的空调机A的主要部分的结构的框图。

例如,控制部140包含ROM(Read Only Memory,只读存储器)、RAM(Random Access Memory,随机存取存储器)等。存储单元150存储各种信息。并且,由控制部140的运算处理部145内的CPU(Central Processing Unit,中央处理单元)读出存储在ROM中的程序,在RAM中展开并执行。传感器170测定室内外的温度等。

例如,负载160包括室内机100具备的室内用送风扇电动机161、室外机200具备的压缩机电动机162、设置于上下风向板105的风向板用电动机163(上述的上下风向板用电动机以及左右风向板用电动机)。按照从控制部130的驱动控制部146输入的驱动信号驱动这些负载160。

该驱动控制部146和负载160对应于上述的第1、第2实施方式中的电动机驱动装置A1、A2。因此,根据本实施方式,能够在抑制发热等的同时,以高效率驱动负载160。

[变形例]

本发明并不限于上述的实施方式,可以进行各种变形。上述的实施方式例是为了便于理解本发明而进行的详细说明,并不一定必须具备所说明的所有结构。此外,也可以将某实施方式的结构的一部分置换成其他实施方式的结构,并且,也可以对某实施例的结构增加其他实施方式的结构。此外,可以对各实施方式的结构的一部分进行删除,或进行其他结构的追加、置换。例如,能够对上述实施方式进行的变形如以下所示。

(1)在上述第1、第2实施方式中,控制电路24包括目标速度设定部58。但是,也可以使别的上位装置(未图示)包含目标速度设定部58。由此,控制电路24成为根据从外部接收到的目标同步速度NX驱动电动机10的装置,容易通过通用集成电路来实现。

(2)在上述各实施方式中,说明了作为电动机10应用二相感应电动机的例子,但作为电动机10也可以使用三相感应电动机等其他感应电动机。此外,电动机驱动装置A1、A2的电路结构为示例,也可以将整流电路26、变频器20、21置换成其他结构。

(3)在上述各实施方式中,为了计算转差率s,使用霍尔传感器等转速传感器16来检测电动机10的实际转速N。但是,已知各种检测感应电动机的转速的方法,也可以通过任何方法来检测实际转速N。此外,并不限于在电动机10的内部内置霍尔传感器等转速传感器16,也可以将转速传感器16设置在电动机10的外部。

(4)上述第1、第2实施方式中的控制电路24的硬件可以通过一般的计算机来实现,因此也可以将图7所示的流程图的程序等存储在存储介质中,或经由传送线路来发布。

(5)关于图7所示的处理,在上述实施方式中作为使用程序的软件性处理进行了说明,但也可以将其一部分或全部置换为使用ASIC(Application Specific Integrated Circuit,专用集成电路)或FPGA(field-programmable gate array,现场可编程门阵列)等的硬件性处理。

(6)此外,第1、第2实施方式的电动机驱动装置A1、A2不仅可以应用于第3实施方式的空调机A,也可以应用于换气扇、制冷机、洗衣机、扫除机、工业机械,电动汽车,铁道车辆,船舶,电梯,自动扶梯等各种电子设备。由此,在这些电子设备中能够根据其用途发挥优越的性能。

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