JP3891175B2 - 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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Description
の使用が必須となり、電解コンデンサを使用する場合はリプル電流や、雰囲気温度による特性変化を考慮すると、さらに大容量化が必要となるうえ、等価直列抵抗が大きいことから効率低下を生じるので、回路の小型化、品質の安定性確保、長寿命化ができないという課題があった。
また、この手段により外部スイッチなどの切替により、スイッチング素子をPWM制御するON/OFFデューティを交流電源接続手段の数だけ変更できることから、複数段の速度調節が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。
また、この手段により外部スイッチなどの切替により、スイッチング素子をPWM制御するON/OFFデューティを交流電源接続手段の数だけ変更できることから、複数段の速度調節が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。
また、トルク略一定運転となり、負荷変化に対する回転数差が大きくなるため、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、静音化、低消費電力化を実現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。
また、本発明の交流電源直結型ブラシレスDCモータは上記目的を達成するために、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、上段と下段からなり、それぞれ複数のスイッチング素子でブリッジ接続されたインバータ回路と、前記スイッチング素子の上段または下段をPWM制御するするとともに、前記磁束密度分布検知手段の信号を基に、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、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一定の低圧直流電圧に変換するチョッパ回路にて形成された低圧直流電圧変換手段と、この低圧直流電圧変換手段で生成した低圧直流電圧を前記インバータ回路に印加するとともに、デューティ指示電圧生成手段によって、減圧して前記スイッチング素子をPWM制御するON/OFFデューティを指示する指示電圧とし、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を備え、前記指示電圧を可変して前記インバータ回路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を配したことを特徴とするものである。
この手段により誘起電圧波形と電流波形が略相似形となることから、トルクリップルおよびトルク変化率を小さくし、騒音・振動の発生を抑制するとともに、ブラシレスDCモータの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るとともに、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、低圧直流電圧を駆動コイルに供給することから、全波整流回路の後段に用いる平滑コンデンサの容量を低く抑えることができるので、等価直列抵抗が高く、使用雰囲気温度による特性変化を有する電解コンデンサを使用しなくても、長寿命で等価直列抵抗が低く、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が使用可能となり、回路の大幅な小型化が実現できるとともに、高品質化、長寿命化、回転むらの発生が抑制でき、交流電源の電圧変動の影響を受けることがなく、ON/OFFデューティの設定により仕様調整ができることから、仕様調整に要する工数の大幅な削減が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。
また、トルク略一定運転となり、負荷変化に対する回転数差が大きくなるため、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、静音化、低消費電力化を実現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。
削減が実現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。
請求項5に記載の発明は、磁石回転子の永久磁石を極異方性磁石とした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り、誘起電圧波形と電流波形が略正弦波となることから、トルクリップルおよびトルク変化率をより一層小さくし、騒音・振動の発生をさらに抑制するという作用を有する。
る。
図1〜図4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は不飽和ポリエステルなどの熱硬化性樹脂22にてモールド成形されて外被を形成しており、25はブラケットで軸受け26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24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2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。Q1、Q3、Q
5は上段側スイッチング素子で、Q2、Q4、Q6は下段側スイッチング素子であり、ブリッジ接続してインバータ回路6を形成している。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Q1〜Q6のON/OFFを制御し、21はPWM制御手段で、下段側スイッチング素子Q2、Q4、Q6をPWM制御する。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、フィードバック制御しながら下段側スイッチング素子Q2、Q4、Q6のON/OFFデューティを調整する。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以下の略一定の低圧直流電圧に変換するチョッパ回路にて構成された低圧直流電圧変換手段で、この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としてポリマーコンデンサを配している。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インバータ回路6を介して駆動コイル2に供給される。17は低圧直流電圧変換手段8にて変換された低圧直流電圧を減圧してPWM制御手段21のON/OFFデューティを指示するデューティ指示電圧生成手段である。23は外部スイッチで、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、13は速度調節指示検知手段であって、外部スイッチ23が強出力接続端子15aまたは弱出力接続端子15bのどちらに接続されているのかを検知し、デューティ指示電圧生成手段17にて生成する電圧値の変更指示をする構成である。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、2次側平滑コンデンサ(図示せず)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。そして、20は交流電源直結型ブラシレスDCモータ1を搭載し、遠心型送風機19を内蔵した換気装置である。
大幅な小型化、高品質化、長寿命化、使用可能な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モータが得られることに差異は生じない。
図5〜図7に示すように、28は遠心型送風機29と、この遠心型送風機29のシロッコファンを回転させる交流電源直結型ブラシレスDCモータ27を搭載した換気装置の一種である天井埋め込み型の換気扇である。30はインバータ回路6に供給される電流を検知する電流検出手段で、31は供給電流値制御手段でり、電流検出手段30にて検出するインバータ回路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、デューティ指示電圧生成手段17にて生成する電圧を変更してPWM制御手段21のON/OFFデューティを可変しながらフィードバック制御する。そして、速度調節指示検知手段13からの信号により、供給電流値変更手段32がインバータ回路6に流す電流の設定値を変更する構成であり、その他の整流手段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、インバータ回路6、電流波形制御手段7、および固定子10、磁石回転子3、交流電源接続手段15などの構成については実施の形態1と同じであり、詳細な説明は省略する。
図8および図9に示すように、34は遠心型送風機35と、この遠心型送風機35のシロッコファンを回転させる交流電源直結型ブラシレスDCモータ33を搭載した換気装置の一種である天井埋め込み型の換気扇である。36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減圧回路39にて5Vに減圧してからブラシレスDCモータ33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36より導出した低圧電源をブラシレスDCモータ33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37にて減圧し、この減圧した直流電圧をデューティ設定値入力手段38よりブラシレスDCモータ33内部に導入し、PWM制御手段21のON/OFFデューティとする構成であり、その他の整流手段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、インバータ回路6、電流波形制御手段7、および固定子10、磁石回転子3などの構成については実施の形態1と同じであり、詳細な説明は省略する。
図10および図11に示すように、
41は遠心型送風機42と、この遠心型送風機42のシロッコファンを回転させる交流電源直結型ブラシレスDCモータ40を搭載した換気装置の一種である天井埋め込み型の換気扇である。36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減圧回路39にて所定の電圧まで減圧してからブラシレスDCモータ40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36より導出した低圧電源をブラシレスDCモータ33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37にて減圧し、この減圧した直流電圧を供給電流設定値入力手段43よりブラシレスDCモータ33内部に導入し、インバータ回路6に流す電流の設定値を変更する構成であり、その他の整流手段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、インバータ回路6、電流波形制御手段7、デューティ指示電圧生成手段17、および固定子10、磁石回転子3、交流電源接続手段15などの構成については実施の形態1および2と同じであり、詳細な説明は省略する。
する電圧を変更してPWM制御手段21のON/OFFデューティを可変しながらフィードバック制御する構成により、ブラシレスDCモータ40外部に簡単な減圧手段37を近設することにより、無段階でON/OFFデューティを可変することが可能となるので、無段階の速度調節ができる交流電源直結型のブラシレスDCモータ40およびそのブラシレスDCモータ40を搭載した換気装置41などの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 インバータ回路
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 共通接続端子
16 ワンチップIC
17 デューティ指示電圧生成手段
18 平滑コンデンサ
19 遠心型送風機
20 換気装置
21 PWM制御手段
22 熱硬化性樹脂
23 スイッチ
24 シャフト
25 ブラケット
26 軸受け
27 ブラシレスDCモータ
28 換気装置
29 遠心型送風機
30 電流検出手段
31 供給電流値制御手段
32 供給電流値変更手段
33 ブラシレスDCモータ
34 換気装置
35 遠心型送風機
36 低圧直流電圧導出端子
37 減圧手段
38 デューティ設定値入力手段
39 減圧回路
40 ブラシレスDCモータ
41 換気装置
42 遠心型送風機
43 供給電流設定値入力手段
Q1 上段側スイッチング素子
Q2 下段側スイッチング素子
Q3 上段側スイッチング素子
Q4 下段側スイッチング素子
Q5 上段側スイッチング素子
Q6 下段側スイッチング素子
Claims (11)
- 交流電源に直結するブラシレスDCモータであって、前記交流電源を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、上段と下段からなり、それぞれ複数のスイッチング素子でブリッジ接続されたインバータ回路と、前記スイッチング素子の上段または下段をPWM制御するするとともに、前記磁極位置検出手段の信号を基に、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、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一定の低圧直流電圧に変換するチョッパ回路にて形成された低圧直流電圧変換手段と、この低圧直流電圧変換手段で生成した低圧直流電圧を前記インバータ回路に印加するとともに、デューティ指示電圧生成手段によって、減圧して前記スイッチング素子をPWM制御する時のON/OFFデューティを指示する指示電圧とし、前記交流電源接続手段への接続箇所に応じて、デューティ指示電圧生成手段によって生成する電圧値を変更指示する速度調節指示検知手段を設け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。
- 交流電源に直結するブラシレスDCモータであって、前記交流電源を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、上段と下段からなり、それぞれ複数のスイッチング素子でブリッジ接続されたインバータ回路と、前記スイッチング素子の上段または下段をPWM制御するするとともに、前記磁束密度分布検知手段の信号を基に、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、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一定の低圧直流電圧に変換するチョッパ回路にて形成された低圧直流電圧変換手段と、この低圧直流電圧変換手段で生成した低圧直流電圧を前記インバータ回路に印加するとともに、デューティ指示電圧生成手段によって、減圧して前記スイッチング素子をPWM制御するON/OFFデューティを指示する指示電圧とし、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を備え、前記交流電源接続手段への接続箇所に応じて、デューティ指示電圧生成手段によって生成する電圧値を変更指示する速度調節指示検知手段を設け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。
- 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、上段と下段からなり、それぞれ複数のスイッチング素子でブリッジ接続されたインバータ回路と、前記スイッチング素子の上段または下段をPWM制御するするとともに、前記磁極位置検出手段の信号を基に、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、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一定の低圧直流電圧に変換するチョッパ回路にて形成された低圧直流電圧変換手段と、この低圧直流電圧変換手段で生成した低圧直流電圧を前記インバータ回路に印加するとともに、デューティ指示電圧生成手段によって、減圧して前記スイッチング素子をPWM制御する時のON/OFFデューティを指示する指示電圧とし、この指示電圧を可変して前記インバータ回路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を配し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。
- 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、上段と下段からなり、それぞれ複数のスイッチング素子でブリッジ接続されたインバータ回路と、前記スイッチング素子の上段または下段をPWM制御するするとともに、前記磁束密度分布検知手段の信号を基に、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、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一定の低圧直流電圧に変換するチョッパ回路にて形成された低圧直流電圧変換手段と、この低圧直流電圧変換手段で生成した低圧直流電圧を前記インバータ回路に印加するとともに、デューティ指示電圧生成手段によって、減圧して前記スイッチング素子をPWM制御するON/OFFデューティを指示する指示電圧とし、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を備え、前記指示電圧を可変して前記インバータ回路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を配し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。
- 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1〜4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。
- 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、4または5に記載の交流電源直結型ブラシレスDCモータ。
- 前記交流電源を接続する交流電源接続手段を複数設け、この交流電源接続手段への接続箇所に応じて、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を変更する供給電流値変更手段を設けたことを特徴とする請求項3〜6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。
- 前記低圧直流電圧変換手段によって生成し、さらに減圧して得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、外部にて減圧した低圧直流電圧を、前記スイッチング素子をPWM制御するON/OFFデューティを指示する指示信号として、ブラシレスDCモータ内部に導入するデューティ設定値入力手段を設けたことを特徴とする請求項1、2、5または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。
- 前記低圧直流電圧変換手段によって生成し、さらに減圧して得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、前記インバータ回路に供給する平均電流値を制御することを特徴とする請求項2または4に記載の交流電源直結型ブラシレスDCモータ。
- 請求項1〜9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10記載の電気機器は換気装置、送風機、除湿機、加湿機、空気調和機、給湯機、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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