JP2005261198A - 交流電源直結型ブラシレスdcモータおよびそれを搭載した電気機器 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】15は商用交流電源を接続する交流電源接続手段で、9は全波整流する整流手段で、8は全波整流されたリップルを有する高圧の電圧を45V以下の略平坦な低圧直流電圧に変換する低圧直流電圧変換手段で、変換された低圧直流電圧はスイッチング素子6を介して駆動コイル2と、駆動ロジック制御手段5への制御電源としても供給し、整流手段9と低圧直流電圧変換手段8の間には電圧不足となる極めて短期間の電圧を補う小容量の平滑コンデンサ18を配す構成により、トルクリップルや回転むらを抑えた交流電源直結型ブラシレスDCモータが得られ、ファン駆動用に使用しても送風量の安定化が実現できる。
【選択図】 図1
Description
た、平滑コンデンサの容量を小さくした場合は電源リップルが大きくなるため、トルクリップルが極端に大きくなり振動・騒音がさらに大きくなるとともに、回転むらも極端におおきくなることからファン駆動用に使用した場合、風量がばらつき安定した送風量を確保できないという課題があり、回路の小型化、高品質化、長寿命化を実現した上で、安定した送風量を確保できることが要求されている。
ッチング素子に供給する平均電流値を制御することを特徴とする交流電源直結型ブラシレスDCモータの構成としたものである。
流電源に直結するブラシレスDCモータであって、前記交流電源に接続する複数の交流電源接続手段と、固定子鉄心に絶縁体を介して駆動コイルを巻装した固定子と、永久磁石を備えた磁石回転子と、この磁石回転子の磁極位置を検知する磁極位置検出手段と、前記交流電源を全波整流する整流手段と、この整流手段によって得た高圧電圧を略平坦な低圧直流電圧に変換する低圧直流電圧変換手段と、前記磁極位置検出手段の信号を基に、前記低圧直流電圧変換手段にて生成した低圧直流電圧を前記駆動コイルに所定の方向と順序で順次全波通電するための駆動ロジック制御手段と、この駆動ロジック制御手段の出力に基づいて、前記駆動コイルへの通電を行う複数のスイッチング素子と、前記スイッチング素子に供給する平均電力を略一定に制御する供給電力制御手段と、前記低圧直流電圧変換手段によって生成された低圧直流電圧をブラシレスDCモータ外部に導出する低圧直流電圧導出端子と、この低圧直流電圧導出端子より導出された低圧直流電圧を減圧した低圧直流電圧を前記供給電力値制御手段によって略一定に制御する電力値の制御信号として、ブラシレスDCモータ内部に導入する供給電力設定値入力手段を設け、この供給電力設定値入力手段より導入した低圧直流電圧の大きさにより、前記スイッチング素子に供給する平均電力を制御することを特徴とする交流電源直結型ブラシレスDCモータの構成としたものである。
よびトルク変化率を小さくし、騒音・振動の発生を抑制でき、効率が大幅に向上するので、使用可能な負荷トルクの範囲が広くなり、銅損が低減できることによって、低消費電力化が実現でき、負荷が軽くなるにしたがって電流が低くなり、印加電圧を高くすることになるので、負荷変化に対する回転数差が大きくなることとなり、シロッコファンなど遠心型の送風機に搭載しても、最大静圧時の回転数と静圧ゼロ時の回転数差が誘導電動機を搭載した場合と同等になるので、最大静圧が極端に低くなることや、静圧ゼロ時の風量が極端に多くなることを防止でき、ブラシレスDCモータ外部に簡単な減圧回路を近設することにより、無段階でスイッチング素子に供給する電力値を変更できることから、負荷変動に対する回転数差の大きな運転が無段階でできることとなり、シロッコファンなど遠心型の送風機に搭載した時に、誘導電動機を搭載した場合と同様の風量−静圧特性が複数段階設定できる交流電源直結型のブラシレスDCモータおよび電気機器が得られる。
大静圧時の回転数と静圧ゼロ時の回転数差が誘導電動機を搭載した場合と同等になるので、最大静圧が極端に低くなることや、静圧ゼロ時の風量が極端に多くなることの防止、静音化、低消費電力化を実現できるとともに、ブラシレスDCモータ外部に簡単な減圧回路を近設することにより、無段階でスイッチング素子に供給する電流値を任意に変更できることから、無段階でトルク略一定運転ができることとなり、シロッコファンなど遠心型の送風機に搭載した時に、誘導電動機を搭載した場合と同様の風量−静圧特性が無段階で設定できる交流電源直結型のブラシレスDCモータおよび電気機器を提供できる。
抗が低く、使用雰囲気温度による特性変化が極めて小さい固体コンデンサであるポリマーコンデンサや、フィルムコンデンサや、セラミックコンデンサでも対応可能となり、回路の大幅な小型化、高品質化、長寿命化が実現できるとともに、交流電源の電圧変動や、周波数変化の影響を受けることがなく、モータにかかる負荷が軽くなるにしたがって供給電流が低くなるため、それに応じて印加電圧を高くすることになり、逆に負荷が重くなれば供給電流が高くなるので、印加電圧を低くするため、負荷変化に対する回転数差が大きくなることとなり、シロッコファンなど遠心型の送風機に搭載しても、最大静圧時の回転数と静圧ゼロ時の回転数差が誘導電動機を搭載した場合と同等になるので、最大静圧が極端に低くなることや、静圧ゼロ時の風量が極端に多くなることを防止できるとともに、負荷変動に対して消費電力の変化がなく、ブラシレスDCモータ外部に簡単な減圧回路を近設することにより、無段階でスイッチング素子に供給する電力値を変更できることから、負荷変動に対する回転数差の大きな運転が無段階でできることとなり、シロッコファンなど遠心型の送風機に搭載した時に、誘導電動機を搭載した場合と同様の風量−静圧特性が複数段階設定できる交流電源直結型のブラシレスDCモータおよび電気機器を提供できる。
用可能な負荷トルクの範囲が広く、高出力域でも低消費電力を実現でき、交流電源の電圧変動や、周波数変化の影響を受けることがなく、無段階でスイッチング素子に供給する電流値を任意に変更できることから、無段階でトルク略一定運転ができるという作用を有する。
きることから、負荷変動に対する回転数差の大きな運転が無段階で得られるという作用を有する。
図1〜図3に示すように、1は交流電源直結型のブラシレスDCモータで、10は複数
のスロットを有する固定子鉄心10aに絶縁材にて形成されたインシュレータ11を介して駆動コイル2を巻装した固定子で、固定子10は熱硬化性樹脂21にてモールド成形されて外被を形成しており、17はブラケットで軸受け20を保持している。3は磁石回転子であり、プラスチックマグネットを射出成形時に極配向させてシャフト19と一体成形して形成しており、主磁極部は極異方性磁石3aとなっている。4は極異方性磁石3aの磁束密度分布を検知する磁束密度分布検知手段となるホール素子で、このホール素子4の検知した波形が極異方性磁石3aによって駆動コイル2に誘起される誘起電圧波形と略相似となるようにホール素子4と極異方性磁石3aの空隙を設定して配置している。12は磁束密度分布波形合成手段で、駆動コイル2のu相に供給する電流波形の高調波成分を除去するために、ホール素子4のu相波形からv相波形を減算し、同様に駆動コイル2のv相にはホール素子4のv相波形からw相波形を減算し、駆動コイルのw相にはホール素子4のw相波形からu相波形を減算している。5は駆動ロジック制御手段で、駆動コイル2に所定の方向と順序で順次全波通電となるようスイッチング素子6のON・OFFを制御し、電流波形制御手段7は磁束密度分布波形合成手段12によって高調波成分を除去した波形に略相似形になるように、スイッチング素子6が飽和に近い非飽和状態になるようにフィードバックしながら出力バイアス電流を調整する。15は商用交流電源を接続する交流電源接続手段であり、15aは強出力接続端子、15bは弱出力接続端子、15cは共通接続端子である。9は交流電源を全波整流する整流手段で、8は整流手段9にて全波整流されたリップルを有する高圧の電圧を45V以下の略平坦な低圧直流電圧に変換する低圧直流電圧変換手段で、この低圧直流電圧変換手段8にて変換された低圧直流電圧はスイッチング素子6を介して駆動コイル2に供給されるとともに、駆動ロジック制御手段5等への制御電源としても供給される。そして、低圧直流電圧変換手段8と整流手段9の間には、交流100V50Hzを全波整流した時に45V以下となる2.1ミリ秒の期間の電圧を補う小容量の平滑コンデンサ18を配している。22は外部スイッチであり、強出力接続端子15aまたは弱出力接続端子15bのどちらかに接続する構成であり、14は交流電源が弱出力接続端子15bに接続された場合に、交流入力フォトカプラなどにて構成された速度調節指示電圧検知手段13からの信号により、低圧直流電圧変換手段8にて生成する低圧直流電圧値を強出力接続端子15aに交流電源が接続された場合よりも低い電圧に変換する低圧直流電圧変更手段である。そして、図1において一点鎖線にて囲まれた電子部品の内、平滑コンデンサ18と、低圧直流電圧変換手段8を構成する部品の一つとなるコイルを除いて、アルミ製基板の上に実装、配線接続して形成したワンチップIC16の構成になっている。
負荷トルクの範囲が広く、高出力領域であっても低消費電力を実現できる交流電源直結型のブラシレスDCモータが得られる。
図4および図5に示すように、25は換気装置の一種である天井埋め込み型の換気扇であり、交流電源直結型のブラシレスDCモータ27をファン駆動用として搭載している。23はスイッチング素子6に供給される電流を検知する電流検出手段で、24は供給電流値制御手段である。この供給電流値制御手段24は電流検出手段23にて検出するスイッチング素子6に供給される平均電流値が設定された電流値と同等になるように、低圧直流電圧値変更手段14を制御することにより、低圧直流電圧変換手段8から出力される電圧を可変しながらフィードバック制御する。そして、速度調節指示電圧検知手段13からの信号により、供給電流値変更手段26がスイッチング素子6に流す電流の設定値を変更する構成であり、その他の構成において、実施の形態1と同一部分には同一番号を付し、詳細な説明は省略する。
図7に示すように、30は交流電源直結型のブラシレスDCモータで、整流手段9、小容量平滑コンデンサ18、低圧直流電圧変換手段8、磁束密度分布検知手段4、磁束密度分布波形合成手段12、駆動ロジック制御手段5、スイッチング素子6、電流波形制御手段7を同一のプリント基板上に実装した上でブラシレスDCモータ30内に内蔵している。31は低圧直流電圧変換手段8にて生成した低圧直流電圧をブラシレスDCモータ30外部に導出する低圧直流電圧導出端子で、この低圧直流電圧導出端子31より導出した低圧電源をブラシレスDCモータ30外部に近接した抵抗分圧回路などにて形成した減圧手段33にて減圧し、この減圧した直流電圧を低圧直流電圧導入端子32よりブラシレスDCモータ30内部に導入し、スイッチング素子6および駆動ロジック制御手段5に供給する構成であり、その他の構成において、実施の形態1と同一部分には同一番号を付して詳細な説明は省略する。
図8に示すように、34は交流電源直結型のブラシレスDCモータで、整流手段9、小容量平滑コンデンサ18、低圧直流電圧変換手段8、磁束密度分布検知手段4、磁束密度分布波形合成手段12、駆動ロジック制御手段5、スイッチング素子6、電流波形制御手段7、低圧直流電圧変更手段14、電流検出手段23、供給電流値制御手段24、供給電流値変更手段26を同一のプリント基板上に実装した上でブラシレスDCモータ34内に内蔵している。31は低圧直流電圧変換手段8にて生成した低圧直流電圧をブラシレスDCモータ34外部に導出する低圧直流電圧導出端子で、この低圧直流電圧導出端子31より導出した低圧電源をブラシレスDCモータ34外部に近接した抵抗分圧回路などにて形成した減圧手段33にて減圧して、供給電流値指示電圧に変換し、この供給電流値指示電圧を供給電流設定値入力手段35よりブラシレスDCモータ34内部に導入し、この供給電流値指示電圧の大きさに応じて供給電流値変更手段26が供給電流値制御手段24にて略一定制御する平均電流値を変更する構成であり、その他の実施の形態1および2と同一部分には同一番号を付して詳細な説明は省略する。
る低圧直流電圧導出端子31と、この低圧直流電圧導出端子31より導出された低圧直流電圧を減圧した低圧直流電圧をブラシレスDCモータ34内部に導入する供給電流設定値入力手段35を設け、この供給電流設定値入力手段35より導入した低圧直流電圧の大きさに応じて供給電流値変更手段26が供給電流値制御手段24にて略一定制御する平均電流値を変更する構成とすることにより、ブラシレスDCモータ34外部に簡単な減圧手段33を近設することにより、無段階でトルク略一定運転ができることとなり、シロッコファンなど遠心型の送風機に搭載した時に、誘導電動機を搭載した場合と同様の風量−静圧特性が無段階で設定できる交流電源直結型のブラシレスDCモータ34およびそのブラシレスDCモータ34を搭載した電気機器が得られる。
2 駆動コイル
3 磁石回転子
4 磁束密度分布検知手段
5 駆動ロジック制御手段
6 スイッチング素子
7 電流波形制御手段
8 低圧直流電圧変換手段
9 整流手段
10 固定子
10a 固定子鉄心
11 インシュレータ
12 磁束密度分布波形合成手段
13 速度調節指示電圧検知手段
14 低圧直流電圧変更手段
15 交流電源接続手段
15a 強出力接続端子
15b 弱出力接続端子
15c 共通接続接続端子
16 ワンチップIC
17 ブラケット
18 平滑コンデンサ
19 シャフト
20 軸受け
21 熱硬化性樹脂
22 外部スイッチ
23 電流検出手段
24 供給電流値制御手段
25 換気装置
26 供給電流値変更手段
27 ブラシレスDCモータ
28 供給電力制御手段
29 供給電力変更手段
30 ブラシレスDCモータ
31 低圧直流電圧導出端子
32 低圧直流電圧導入端子
33 減圧手段
34 ブラシレスDCモータ
35 供給電流設定値入力手段
36 供給電力設定値入力手段
Claims (9)
- 交流電源に直結するブラシレスDCモータであって、固定子鉄心に絶縁体を介して駆動コイルを巻装した固定子と、永久磁石を備えた磁石回転子と、この磁石回転子の磁極位置を検知する磁極位置検出手段と、前記交流電源を全波整流する整流手段と、この整流手段によって得た高圧電圧を略平坦な低圧直流電圧に変換する低圧直流電圧変換手段と、前記磁極位置検出手段の信号を基に、前記低圧直流電圧変換手段にて生成した低圧直流電圧を前記駆動コイルに所定の方向と順序で順次全波通電するための駆動ロジック制御手段と、この駆動ロジック制御手段の出力に基づいて、前記駆動コイルへの通電を行う複数のスイッチング素子と、前記スイッチング素子に供給する平均電流を略一定に制御する供給電流値制御手段と、前記低圧直流電圧変換手段によって生成された低圧直流電圧をブラシレスDCモータ外部に導出する低圧直流電圧導出端子と、この低圧直流電圧導出端子より導出された低圧直流電圧を減圧した低圧直流電圧を前記供給電流値制御手段によって略一定に制御する電流値の制御信号として、ブラシレスDCモータ内部に導入する供給電流設定値入力手段を設け、この供給電流設定値入力手段より導入した低圧直流電圧の大きさにより、前記スイッチング素子に供給する平均電流値を制御することを特徴とする交流電源直結型ブラシレスDCモータ。
- 交流電源に直結するブラシレスDCモータであって、固定子鉄心に絶縁体を介して駆動コイルを巻装した固定子と、永久磁石を備えた磁石回転子と、この磁石回転子の磁束密度分布を検知する磁束密度分布検知手段と、前記交流電源を全波整流する整流手段と、この整流手段によって得た高圧電圧を略平坦な低圧直流電圧に変換する低圧直流電圧変換手段と、前記磁束密度分布検知手段の信号を基に、前記低圧直流電圧変換手段にて生成した低圧直流電圧を前記駆動コイルに所定の方向と順序で順次全波通電するための駆動ロジック制御手段と、この駆動ロジック制御手段の出力に基づいて、前記駆動コイルへの通電を行う複数のスイッチング素子と、前記磁束密度分布検知手段によって検知される磁束密度分布波形が、前記磁石回転子が回転することによって前記駆動コイルに誘起される誘起電圧波形に略相似形となるよう前記磁束密度分布検知手段を配置するとともに、前記駆動ロジック制御手段は前記磁束密度分布検知手段が検出した波形に略相似形の電流を前記駆動コイルに流す電流波形制御手段と、前記スイッチング素子に供給する平均電流を略一定に制御する供給電流値制御手段と、前記低圧直流電圧変換手段によって生成された低圧直流電圧をブラシレスDCモータ外部に導出する低圧直流電圧導出端子と、この低圧直流電圧導出端子より導出された低圧直流電圧を減圧した低圧直流電圧を前記供給電流値制御手段によって略一定に制御する電流値の制御信号として、ブラシレスDCモータ内部に導入する供給電流設定値入力手段を設け、この供給電流設定値入力手段より導入した低圧直流電圧の大きさにより、前記スイッチング素子に供給する平均電流値を制御することを特徴とする交流電源直結型ブラシレスDCモータ。
- 交流電源に直結するブラシレスDCモータであって、前記交流電源に接続する複数の交流電源接続手段と、固定子鉄心に絶縁体を介して駆動コイルを巻装した固定子と、永久磁石を備えた磁石回転子と、この磁石回転子の磁極位置を検知する磁極位置検出手段と、前記交流電源を全波整流する整流手段と、この整流手段によって得た高圧電圧を略平坦な低圧直流電圧に変換する低圧直流電圧変換手段と、前記磁極位置検出手段の信号を基に、前記低圧直流電圧変換手段にて生成した低圧直流電圧を前記駆動コイルに所定の方向と順序で順次全波通電するための駆動ロジック制御手段と、この駆動ロジック制御手段の出力に基づいて、前記駆動コイルへの通電を行う複数のスイッチング素子と、前記スイッチング素子に供給する平均電力を略一定に制御する供給電力制御手段と、前記低圧直流電圧変換手段によって生成された低圧直流電圧をブラシレスDCモータ外部に導出する低圧直流電圧導出端子と、この低圧直流電圧導出端子より導出された低圧直流電圧を減圧した低圧直流電圧を前記供給電力値制御手段によって略一定に制御する電力値の制御信号として、ブ
ラシレスDCモータ内部に導入する供給電力設定値入力手段を設け、この供給電力設定値入力手段より導入した低圧直流電圧の大きさにより、前記スイッチング素子に供給する平均電力を制御することを特徴とする交流電源直結型ブラシレスDCモータ。 - 交流電源に直結するブラシレスDCモータであって、前記交流電源に接続する複数の交流電源接続手段と、固定子鉄心に絶縁体を介して駆動コイルを巻装した固定子と、永久磁石を備えた磁石回転子と、この磁石回転子の磁束密度分布を検知する磁束密度分布検知手段と、前記交流電源を全波整流する整流手段と、この整流手段によって得た高圧電圧を略平坦な低圧直流電圧に変換する低圧直流電圧変換手段と、前記磁束密度分布検知手段の信号を基に、前記低圧直流電圧変換手段にて生成した低圧直流電圧を前記駆動コイルに所定の方向と順序で順次全波通電するための駆動ロジック制御手段と、この駆動ロジック制御手段の出力に基づいて、前記駆動コイルへの通電を行う複数のスイッチング素子と、前記磁束密度分布検知手段によって検知される磁束密度分布波形が、前記磁石回転子が回転することによって前記駆動コイルに誘起される誘起電圧波形に略相似形となるよう前記磁束密度分布検知手段を配置するとともに、前記駆動ロジック制御手段は前記磁束密度分布検知手段が検出した波形に略相似形の電流を前記駆動コイルに流す電流波形制御手段と、前記スイッチング素子に供給する平均電力を略一定に制御する供給電力制御手段と、前記低圧直流電圧変換手段によって生成された低圧直流電圧をブラシレスDCモータ外部に導出する低圧直流電圧導出端子と、この低圧直流電圧導出端子より導出された低圧直流電圧を減圧した低圧直流電圧を前記供給電力値制御手段によって略一定に制御する電力値の制御信号として、ブラシレスDCモータ内部に導入する供給電力設定値入力手段を設け、この供給電力設定値入力手段より導入した低圧直流電圧の大きさにより、前記スイッチング素子に供給する平均電力を制御することを特徴とする交流電源直結型ブラシレスDCモータ。
- 前記磁束密度分布検知手段が検出した波形のうち2相分の波形を合成する磁束密度分布波形合成手段を設け、駆動ロジック制御手段は前記磁束密度分布波形合成手段が合成した波形に略相似形の電流を前記駆動コイルに流す駆動ロジック制御手段に置き換えたことを特徴とする請求項2または4記載の交流電源直結型ブラシレスDCモータ。
- 前記磁石回転子の永久磁石は極異方性磁石としたことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の交流電源直結型ブラシレスDCモータ。
- 請求項1〜6のいずれかに記載の交流電源直結型ブラシレスDCモータにおいて、駆動ロジック制御手段はPWM制御することによって、電流波形を形成する駆動ロジック制御手段に置き換えたことを特徴とする交流電源直結型ブラシレスDCモータ。
- 請求項1〜7のいずれかに記載の交流電源直結型ブラシレスDCモータを搭載した電気機器。
- 請求項8記載の電気機器は換気装置、送風機、除湿機、加湿器、冷凍機器、ファンフィルタユニットのいずれかであることを特徴とする電気機器。
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