JP2018161022A - Ｄｃモータおよび換気扇 - Google Patents

Abstract

【課題】固定子、回転子を含むモータ部分と、制御回路を搭載した回路基板を収納する回路基板収納部とを隔絶するとともに、回転子軸受の強度を向上させた回路内蔵型のＤＣモータを得ること。【解決手段】固定子７および回転子６を含むモータ部分と、前記モータ部分を収納する有底円筒状のモータフレーム２と、制御回路を搭載した回路基板１０と、回路基板１０を覆い回路基板収納部を形成するモータカバー４と、モータフレーム２とモータカバー４の間にモータ部分と回路基板収納部を隔絶する金属製のモータブラケット３と、を設ける。【選択図】 図１

Description

本発明は、ブラシレスのＤＣモータおよび前記ＤＣモータを搭載した換気扇に関するものである。

電化製品に多く使用されているモータは、主流はＡC（交流）モータからＤＣ（直流）モータに移りつつある。永久磁石を回転子に用い、インバータで駆動されるモータは、エアコンディショナ及び冷蔵庫ではほとんどの製品に搭載されている。
従来のＤＣモータは直流電源をモータ外部から接続されるのが殆どで、モータ固定子に電圧を印加するためのインバータ回路をモータの内部に搭載し、外部の制御回路から制御信号をモータ内に入力してモータを制御している。
また換気扇など従来の製品に制御回路や電源回路をもたないものにＤＣモータを使用するにあたってはモータの内部に制御回路と電源回路を搭載するものが使われるようになっている。

このような換気扇に使われるＤＣモータでは浴室、洗面など使用条件により回転子、固定子などのモータ部分と、制御回路、電源回路などの回路部分とを隔絶した構造を用い湿気などが回路部分に影響を与えないようにしている。

また、ＤＣモータはセンサで回転子の位置を検出（前記文献 磁極位置センサ）して固定子巻線に印加し電圧位相を制御する必要がある。
そのため回転子近くに制御回路とは別に磁極位置センサ回路を配置する必要がある。または制御回路に磁極位置センサを実装する場合には制御回路の磁極位置センサが回転子の磁極切り替わりの信号として回転子磁束が検出できる距離まで回転子に制御基板を近づける必要がある。
そのため、モータ部分と回路部分とを隔離するための部品として磁束を透過する樹脂の材料を用いて仕切っているものが採用されている。

特開２０１１−２５０５４５号公報

特許文献１の構造では回路基板収納部をモータ部分から隔離するための部品として、回転子の軸受を保持し、モータフレームの開口端を塞ぐモータブラケットに樹脂材料を用いている。この構造では、樹脂材料を必要とするこで、樹脂の成形工程も加わり、材料や加工するコストが上昇するとも樹脂の強度にも限界が生じてしまい、安価で堅牢なモータ構造に支障をきたすことになる。

また、軸受の保持部を樹脂にした場合では強度的に限界があることから、寿命が短くなったり、大型な羽根を有する機器のモータには適さないといった課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、回転子の軸受を確実に保持し、回転子、固定子などのモータ部分と回路基板収納部とを隔絶し、安価で堅牢なＤＣモータを構成することを目的とする。

固定子および回転子を含むモータ部分と、このモータ部分を収納する有底円筒状のモータフレームと、回転子の回転数を制御する制御回路を搭載した回路基板と、この回路基板を覆い回路基板収納部を形成するモータカバーと、モータフレームとモータカバーの間に配置しモータ部分と回路基板収納部を隔絶する金属製のモータブラケットと、を備えたものである。

本発明によれば、樹脂を成型して作るモータブラケットではなく、金属製の板金などの材料を絞ってモータブラケットを構成していることから、材料を安価にできるとともに、樹脂の成形型などを準備しなくても良い。また、軸受の支持力が高まるので大きな羽根なども使用することができ構造の強度アップに繋げられることになる。
また、磁極位置センサと回路を離すことなく配置しなくてはならないという従来の構造上の制約がなくなり、構造設計の自由度が大きく改善されることになる。

図１は、本発明の実施の形態１によるＤＣモータの配置構成を示す断面図である。 図２は、図１に示す回路基板に搭載される制御回路の一例を示すブロック図である。 図３は、本発明の実施の形態２によるＤＣモータの配置構成を示す断面図 図４は、本発明の実施の形態３による換気扇の概略外観構成図である。

以下に、本発明にかかるＤＣモータおよび換気扇の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるＤＣモータの配置構成を示す断面図である。図２は、図１に示す回路基板に搭載される制御回路の一例を示すブロック図である。
図１において、ＤＣモータ１の外郭筐体は、有底円筒状のモータフレーム２と、モータフレーム２の開口部を塞ぐカバーであるモータブラケット３と、回路基板１０を覆うモータカバー４とで構成されている。モータフレーム２およびモータブラケット３およびモータカバー４は、外周縁に互いをネジ締結できるフランジ２ａ，３ａ，４ａが設けられている。

このＤＣモータ１の外郭筐体は、モータブラケット３により、モータフレーム２側のモータ部分収納部と、モータブラケット３の上部の回路基板収納部とに仕切られている。回路ケース５は、樹脂材を凹凸状にプレス成形したもので、その外周縁が、モータブラケット３の開口部に近い位置の内周面に固定されている。

モータ部分収納部には、固定子７および回転子６が配置されている。
固定子７は、円筒状ヨークの内周に１２０度間隔で突設した３つの鉄心に３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の固定子巻線７ａがそれぞモータフレーム２の内周面に密着させて配置されている。

回転子６は、永久磁石で構成され、シャフト８に固定されている。シャフト８は、モータフレーム２の円筒中心位置において軸受け９ａ，９ｂに回転自在に支持されている。軸受け９ａは、モータブラケット３に固定され、シャフト８の一端を回転自在に支持している。軸受け９ｂは、モータフレーム２の底部に固定され、モータフレーム２の底部から外へ飛び出しているシャフト８の他端側途中を回転自在に支持している。

回路基板収納部では、回路基板１０が回路ケース５に位置決め固定されている。回路基板１０には、制御回路の全てが搭載されている。但し、図１では、制御回路の要部構成が示されている。すなわち、図１では、モータブラケット３に設けられるＡＣ入力コネクタ１１と、フィルタ回路１３と、電源回路１４と、インバータ回路１５とが示されている。

そして、固定子７の回路ケース５側を被覆する樹脂層（図示ししない）に、コイルピン１６の一端が固定されている。コイルピン１６は、軟銅線からなり、３相分設けられ、それぞれの一端は、樹脂層とハウジング４との間において対応するステータ巻線の一端に半田接続され、それぞれの他端は、回路基板１０上においてインバータ回路１５内のスイッチング回路１５ｂの対応する出力端にパターン接続されている。

次に、回路基板１０に搭載される制御回路について具体的に説明する。
図２において、制御回路に入力される交流電源３７（ＡＣ１００Ｖ〜ＡＣ２４０Ｖ）は、ヒューズ２０、フィルタ回路１３を介して電源回路１４に入力し、インバータ回路１５にて必要とされる直流電源に変換される。

フィルタ回路１３は、ノイズフィルタを構成する、ＸコンデンサＣｘと、コモンモードチョークコイルＬと、ＹコンデンサＣｙ１，Ｃｙ２とを備えている。ＸコンデンサＣｘは、交流電源の２線間に接続されている。コモンモードチョークコイルＬは、交流電源の２線にそれぞれ介挿されされている。ＹコンデンサＣｙ１，Ｃｙ２は、それぞれ、一端が交流電源の２線の片方に接続され、アース側である他端が回路基板１０の回路アースに接続されている。なお、ＸコンデンサＣｘは、図２では、コモンモードチョークコイルＬの一端側（電源入力側）に配置した場合を示すが、さらに、コモンモードチョークコイルＬの他端側（電源回路側）にも配置する場合がある。

電源回路１４は、整流回路１４ａと、平滑用コンデンサ１４ｂと、スイッチング電源１４ｃとを備えている。インバータ回路１５は、駆動回路１５ａと、スイッチング回路１５ｂとを備えている。

電源回路１４では、フィルタ回路１３を通して入力される交流電源がダイオードブリッジによる整流回路１４ａにて全波整流されて直流電源に変換され、平滑用コンデンサ１４ｂに蓄電される。平滑用コンデンサ１４ｂには、スイッチング回路１５ｂで必要とされる直流電源（例えばＤＣ１４０ＶやＤＣ２８０Ｖ）が生成される。スイッチング電源１４ｃは、平滑用コンデンサ１４ｂに生成された直流電源から、駆動回路１５ａで必要とされる制御電源（例えばＤＣ１５Ｖ）を生成する。

スイッチング回路１５ｂは、正極母線Ｐと負極母線Ｎとの間に形成されるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相ブリッジ構成である。正極母線Ｐは平滑用コンデンサ１４ｂの正極端に接続され、負極母線Ｎは平滑用コンデンサ１４ｂの負極端に接続されている。正極母線Ｐ側の３個のトランジスタは上アームトランジスタであり、負極母線Ｎ側の３個のトランジスタは下アームトランジスタである。各スイッチング素子には、それぞれ逆並列に還流ダイオードが接続されている。上下の各アームトランジスタの接続端は、出力端を構成し、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の固定子巻線７ａに接続されている。

駆動回路１５ａは、スイッチング回路１５ｂ内の６個のスイッチング素子をオン・オフ駆動するＰＷＭ信号を生成する。本システムでは、ホールＩＣ等の磁極位置センサを削除した磁極位置センサレス駆動によりＤＣモータを駆動する構成であり、回転子の磁極位置を推定する磁極位置推定手段を有している。磁極位置推定手段は、固定子巻線７ａに流れる電流とモータ定数から回転子６の位置を推定し、所望の固定子巻線７ａに通電できるように、ＰＷＭ信号を生成する。これによって、回転子６が回転し、シャフト８が回転する。

さて、図１において、モータフレーム２の開口端にはモータブラケット３を設けている。また、モータフレーム２、、モーターブラケット３、モータカバー４はそれぞれ金属製の材料で構成する。モータブラケット３は例えば板金の絞り型などで成形し、中央に回転子の軸受９ａを保持する保持部を設けている。

このように、モータブラケット３を設けることで、モータ部分と回路基板収納部に収納した回路基板１０とを簡単に隔絶することができる。このため換気扇が使用される部屋の湿気等を回路基板１０に与えることがなく信頼性の向上が可能である。また軸受９ａの保持部の強度が向上できることから重量の重い大型の羽根を搭載した大型の機器にも採用することが可能で、さらにモータの長寿命化も図れる。
また従来、磁極位置センサを搭載した場合、回転子６に装備した磁石は、その磁石の端面を制御回路に実装してある磁極位置センサに近づけるために、回転子６の厚みよりも多くはみ出した形状にする必要があった。しかしながら、今回磁極位置センサがなく、回転子の磁石を、磁極位置センサに近づける必要もなくなったので、回転子６の構成が簡単になるとともに磁石が必要最低限の長さですみ、モータを小型化できる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２によるＤＣモータ１の構成を示す断面図である。なお図３では、図１（実施の形態１）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態２に関わる部分を中心に説明する。図３では、磁極位置センサ４０を用いて、回転子６の位置情報を検出する。
図３に示すように、磁極位置センサ４０はセンサ基板４１に搭載している。また、センサ基板４１はモータ内部の固定子７の樹脂層に固定し、回路基板１０とはセンサリード４３で接続している。モータブラケット３および、回路ケース５には貫通穴４３を設けており、センサリード４２は、この貫通穴４３を通して接続している。

このように、実施の形態２によれば、ＤＣモータ１の外郭筐体内、回転子６の近傍に磁極位置センサ４０を用いているため回転子６の位置情報が正確に把握できる。さらに、モータブラケット３、並びに回路ケース５の貫通穴４３は、センサリード４２を通すだけの直径ですむことから、モータ部分と回路基板収納部との隔絶に大きな影響を与えることがなく仕切ることが可能となっている。
さらに磁極位置センサ４０を回転子６の近傍に配置した事から、回転子６の磁石を回路基板１０に近づける必要もなく最小限の大きさで良く、材料費の削減が可能である。

したがって、実施の形態１と同様に、換気扇が使用される部屋の湿気等を回路基板１０に影響を及ぼすことがなく、また軸受９ａの保持部の強度が確保できることから、大型の機器にも採用することが可能で、また、モータの長寿命化も図れる。

実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態１による換気扇の概略外観構成図である。図４において、この実施の形態１による換気扇３０は、実施の形態１にて説明したＤＣモータ１を搭載している。なお、実施の形態２にて説明したＤＣモータ１も、それぞれ、図４に示す態様で換気扇３０に搭載される。

ＤＣモータ１は、シャフト８にファン３１が取り付けられた状態で、外郭筐体が換気扇ボディ３２にネジ３３で固定されることで、換気扇３０に搭載されている。換気扇ボディ３２には、電源接続端子台３４とアース接続端子３５とが設けられている。

ＤＣモータ１のＡＣ入力コネクタ１１は、電源接続端子台３４に接続する。電源接続端子台３４は、一方の外部接続端子がスイッチ３６を介してＡＣ１００Ｖの交流電源３７の一方の電源ラインに接続され、他方の外部接続端子がＡＣ１００Ｖの交流電源３７の他方の電源ラインと直接接続されている。すなわち、スイッチ３６のオン・オフにより、ＤＣモータ１への通電・遮断が行われる。スイッチ３６をオンしてＤＣモータ１に通電すると、ＤＣモータ１のシャフト８に接続されたファン３１が回転し、室内の換気が行われる。

図４で示すようにＤＣモータ１は、換気扇３０の換気扇ボディ３２と、モータカバー４のフランジ４ａをねじ３３で固定している。ネジ３３は図４では２本であるが、ＤＣモータ１の大きさより適宜選択し締め付けている。この構造ではＤＣモータ１のモータフレーム２、回転子６、固定子７等のモータ部分は換気扇ボディ３２の中に配置される。一方、モータカバー４に内蔵される回路基板収納部の回路基板１０は換気扇ボディ３２の外に配置している。

ここで換気扇３０は様々な用途で使用される。例えば住宅用途では、住宅内の居間、台所、浴室、トイレ等幅広く用いられている。このため換気扇３０の換気扇ボディ３２の内部は、住宅の台所では油煙や水蒸気を含んだ高温の空気にさらされたり、例えば浴室では高湿度な空気にさらされることなど、使用環境により大きく異なる。

したがって、換気扇ボディ３２の内部にあるＤＣモータ１のモータ部分は上記のように住宅内の様々な環境にさらされる場合があるが、モータカバー４に内蔵される回路基板収納部の回路基板１０はほぼ安定した雰囲気となるよう、モータブラケット３でモータ部分とは隔絶することができる。

このように実施の形態３によれば、回路基板収納部にある回路基板１０は換気扇３０の使用される環境に左右されることなく、比較的に安定した状態を保つことが可能で、ＤＣモータ１の信頼性を向上させ、長寿命化が図れる。またモータブラケット３を金属製としたことで、回転子６の軸受９ａを保持する強度が向上し、大型の羽根や、金属製の羽根などの重量の重い羽根も採用することができ、換気扇３０の用途を広げられることになる。
また、ここでは例えば住宅用途で説明したが、業務用の用途でも同様である。さらにＤＣモータ１の小型化も可能であることから、換気扇３０の小型化も図ることができ、従来の換気扇ボディ３２の大きさで大風量の換気扇３０が得られるなど、その用途をさらに広げることが可能である。

なお、実施の形態１〜３では、ＤＣモータ１は、シャフトをモータフレーム側から出した片軸モータを示したが、この実施の形態で説明した内容は、シャフトをモータフレーム側とモータブラケット側との両側から出した両軸モータにも同様に適用することができることは言うまでもない。

以上のように、本発明にかかるＤＣモータは、モータ部分と回路基板部とを強度のある金属性のモータブラケットで隔絶できることから、制御回路内蔵型のＤＣモータとして有用である。

また、本発明にかかる換気扇は、上記発明のＤＣモータの制御回路を安定した温湿度環境が確保できるように搭載しており、ＤＣモータの長期信頼性が期待できる換気扇として有用である。

１ ＤＣモータ
２ モータフレーム
３ モータブラケット
４ モータカバー
５ 回路ケース
６ 回転子
７ 固定子
７a 固定子巻線
８ シャフト
９ａ、９ｂ 軸受
１０ 回路基板
１１ ＡＣ入力コネクタ
１３ フィルタ回路
１４ 電源回路
１４ａ 整流回路
１４ｂ 平滑用コンデンサ
１４ｃ スイッチング電源
１５ インバータ回路
１５ａ 駆動回路
１５ｂ スイッチング回路
１６ コイルピン
２０ 電流ヒューズ
３０ 換気扇
３１ ファン
３３ ネジ
３４ 電源端子台
３２ 換気扇ボディ
３５ アース接続端子
３６ スイッチ
３７ 交流電源
３８ アース線
４０ 磁極位置センサ
４１ センサ基板
４２ センサリード
４３ 貫通穴
Ｃｘ Ｘコンデンサ
Ｃｙ１、Ｃｙ２ Ｙコンデンサ
Ｌ コモンモードチョークコイル

Claims (4)

1. 固定子と回転子を含むモータ部分と、
   前記モータ部分を収納する有底円筒状のモータフレームと、
   前記回転子の回転数を制御する制御回路を搭載した回路基板と、
   前記回路基板を覆い回路基板収納部を形成するモータカバーと、
   前記モータフレームと前記モータカバーの間に配置し前記モータ部分と前記回路基板収納部を隔絶する金属製のモータブラケットと、
   を備えたことを特徴とするＤＣモータ。
2. 前記制御回路に前記回転子の磁極位置を推定する磁極位置推定手段を備えたことを特徴とする請求項１記載のＤＣモータ。
3. 前記回転子の磁極位置を検出する磁極位置センサーを搭載するセンサー基板を前記固定子に備えたことを特徴とする請求項１記載のＤＣモータ。
4. 請求項１〜請求項３いずれかに記載のＤＣモータを搭載した換気扇。

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