JP4383576B2 - 電気掃除機およびインバータ装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、集塵用のファンをブラシレスモータで駆動するように構成した電気掃除機、およびブラシレスモータを駆動するためのインバータ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、家電機器などに用いられるモータには、可変速範囲が広くモータ効率が高いブラシレスモータの採用が進んでおり、このブラシレスモータをインバータ装置で駆動することにより、使い勝手の向上や消費電力の低減といった性能の向上が図られている。
【0003】
例えば、電気掃除機においては、従来はファンが交流整流子電動機により駆動されていた。しかし、電気掃除機のファンは広範囲の可変速が要求されることから、交流整流子電動機が有する可変速能力では不足する場合があった。そこで、近年においては、例えば特開昭63−95884号公報、特開昭63−249488号公報、特開平7−337067号公報などに開示されているように、ファンをインバータ装置で制御されるブラシレスモータで駆動するように構成したものが提案されている。
【0004】
以下、図4を参照しながら、家電機器などに用いられる一般的なインバータ装置の構成について簡単に説明する。
インバータ装置の電気的構成を示す図4において、インバータ装置1は、直流電源回路2、インバータ主回路3、および制御回路4から構成されている。このうち直流電源回路2は、交流電源5(例えば単相100Vの商用電源)の一方の電源線に接続された力率改善用のリアクトル6、このリアクトル6を介して交流電源5の両電源線に接続されたダイオードブリッジ7、およびダイオードブリッジ7の整流出力端子間に接続された平滑用のコンデンサ8から構成されている。また、インバータ主回路3は、IGBT9a〜9fと還流ダイオード10a〜10fとを三相ブリッジ接続した周知の電圧形インバータとして構成され、このインバータ主回路3の出力端子にはブラシレスモータ11の巻線11u〜11wの端子が接続されている。
【0005】
ブラシレスモータ11には、ロータの回転位置を検出しそれを位置信号として出力する位置検出素子12u〜12wが設けられている。波形合成回路13は、通電信号生成回路14が位置信号に基づいて生成した通電信号Dup〜Dwnと、PWM回路15が電圧指令に基づいて生成したPWM信号とを合成してPWM制御された通電信号Fup〜Fwnを得、その通電信号Fup〜Fwnを駆動回路16を介してIGBT9a〜9fのゲートに印加するようになっている。
【0006】
以上の構成により、ブラシレスモータ11の巻線11u〜11wには電圧指令に応じた三相交流電圧が印加され、家電機器における種々の負荷(例えばファン)が接続されたブラシレスモータ11が回転駆動されるようになっている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上記構成においては、直流電源回路2において交流電源5の交流電圧から直流電圧を得るために、力率改善用のリアクトル6および平滑用のコンデンサ8が必要となる。しかしながら、リアクトル6の体積と重量、およびコンデンサ8の体積は大きく、これが機器全体としての体積と重量が増加する原因となっていた。特に、電気掃除機などのように移動させながら使用する機器にあっては、体積、重量の増加は使用者の使い勝手を悪化させるという問題があった。
【0008】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、小型且つ軽量の電気掃除機を提供すること、およびブラシレスモータを用いた一般の電気機器に適用可能な小型且つ軽量のインバータ装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1に記載した電気掃除機は、ファンと、複数相の巻線を有し前記ファンを駆動するブラシレスモータと、このブラシレスモータを駆動するインバータ装置とを備えて構成され、
前記インバータ装置は、前記ブラシレスモータが有するロータの回転位置を検出する位置検出手段と、交流電源を入力としその電圧を全波整流して得た全波整流電圧を出力する整流手段と、交流電源電圧のゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出手段と、この検出されたゼロクロス点と電圧指令とに基づいて、前記交流電源電圧に同期し且つ前記電圧指令に応じた幅を有する期間有効となる通電幅信号を生成する通電幅信号生成手段と、前記通電幅信号が有効となる期間において、前記検出されたロータの回転位置に基づいて前記複数相の巻線に通電するための通電信号を生成する通電信号生成手段と、前記整流手段から出力される全波整流電圧を入力とし前記通電信号に基づいて前記複数相の巻線に通電するインバータ主回路とを備えて構成されていることを特徴とする。
【0010】
この構成によれば、インバータ主回路は、整流手段が交流電源電圧を全波整流して得た全波整流電圧を入力電圧としてブラシレスモータの巻線への通電を行うので、従来交流電源と整流手段との間に挿入されていた力率改善などを目的とするリアクトルおよび平滑用のコンデンサが不要となる。これにより、電気掃除機を小型軽量化することができ、使用者の使い勝手が向上する。
【0011】
この場合、インバータ装置は、交流電源電圧のゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出手段と、この検出されたゼロクロス点と電圧指令とに基づいて前記交流電源電圧に同期し且つ前記電圧指令に応じた幅を有する期間有効となる通電幅信号を生成する通電幅信号生成手段とを備え、通電信号生成手段は、前記通電幅信号が有効となる期間において通電信号を生成するように構成されている。
【0012】
この構成によれば、通電信号生成手段は、検出されたゼロクロス点により交流電源電圧との同期をとり、電圧指令に応じた期間だけ通電信号を生成してブラシレスモータの巻線への通電を行うので、電圧指令に応じた電圧が巻線に印加され、ブラシレスモータを可変速可能に駆動することができる。
【0013】
また、上記目的を達成するため、請求項2に記載したインバータ装置は、複数相の巻線を有するブラシレスモータを駆動するインバータ装置において、
交流電源を入力としその電圧を全波整流して得た全波整流電圧を出力する整流手段と、前記交流電源電圧のゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出手段と、この検出されたゼロクロス点と電圧指令とに基づいて、前記交流電源電圧に同期し且つ前記電圧指令に応じた幅を有する期間有効となる通電幅信号を生成する通電幅信号生成手段と、前記ブラシレスモータが有するロータの回転位置を検出する位置検出手段と、前記通電幅信号と前記検出されたロータの回転位置とに基づいて、前記通電幅信号が有効となる期間において前記複数相の巻線に通電するための通電信号を生成する通電信号生成手段と、前記整流手段から出力される全波整流電圧を入力とし前記通電信号に基づいて前記複数相の巻線に通電するインバータ主回路とを備えて構成されていることを特徴とする。
【0014】
この構成によれば、上記した作用と同様の作用により、ブラシレスモータの巻線に印加する電圧を電圧指令に応じた値に制御でき、しかもリアクトルおよび平滑用のコンデンサが不要となるのでインバータ装置を小型軽量化することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電気掃除機の一実施形態について、図1ないし図3を参照しながら説明する。
図2は、電気掃除機の概略的な横断面図を示している。この図2において、電気掃除機の本体21内には、ブラシレスモータ22とそのブラシレスモータ22を駆動するためのインバータ装置23が設けられており、ブラシレスモータ22の回転軸22aには集塵用のファン24が取り付けられている。また、本体21内には、吸込口25に通じる孔部21aとファン24との間に位置して集塵室26が設けられている。さらに、電気掃除機の操作部(図示せず)には、例えば運転スイッチ、停止スイッチ、および吸引力を複数段階(例えば4段階)に設定可能な能力可変スイッチが設けられている。なお、本体21の移動が容易となるように、本体21には1対の車輪27、27が設けられている。
【0016】
ファン24の回転によって吸込口25から空気とともに吸い込まれた塵は、本体21内に設けられた図示しないフィルタの集塵作用によって集塵室26内に集められる。そして、清浄化された空気は、ブラシレスモータ22の内部を通過してブラシレスモータ22の冷却に寄与した後、本体21の後部から外部へ排出されるようになっている。
【0017】
続いて、本体21に収納された上記インバータ装置23の電気的構成について図1に基づいて説明する。インバータ装置23は、整流手段としての整流回路28、インバータ主回路29、および制御回路30から構成されている。整流回路28は例えばダイオードブリッジ28aから構成されており、その交流入力端子には交流電源31(例えば単相100Vの商用電源)が接続され、その整流出力端子には正側電源線32pおよび負側電源線32nを介してインバータ主回路29が接続されている。ここで、本インバータ装置23の一つの特徴として、交流電源31と整流回路28との間には力率改善用のリアクトルは挿入されておらず、また正側電源線32pと負側電源線32nとの間には平滑用のコンデンサは接続されていない。
【0018】
インバータ主回路29は、スイッチング素子例えばIGBT33a〜33fと、これらIGBT33a〜33fに対しそれぞれ通電方向が逆方向となる向きに並列接続される還流ダイオード34a〜34fとを三相ブリッジ接続して構成されている。このインバータ主回路29の出力端子35u、35v、35wは、それぞれブラシレスモータ22の巻線22u、22v、22wの各端子に接続されている。
【0019】
そのブラシレスモータ22は、巻線22u、22v、22wが巻回されたステータ22s(図2参照)と永久磁石が配設されたロータ22r(図2参照)とを備えて構成されており、ロータ22rの回転位置を検出するために例えばホール素子からなる3つの位置検出素子36u、36v、36w(本発明における位置検出手段に相当)が設けられている。この位置検出素子36u、36v、36wからは、ロータ22rの回転位置に対応してハイレベルまたはロウレベルを有する位置信号Su 、Sv 、Sw (図3参照)が出力されるようになっている。
【0020】
さて、上記インバータ主回路29を制御する制御回路30は、マイクロコンピュータを主体として以下のように構成されている。すなわち、通電信号生成手段としての通電信号生成回路37は、位置信号Su 、Sv 、Sw を入力し、それらを論理演算して120°通電方式に従った通電信号Dup、Dun、Dvp、Dvn、Dwp、Dwn(図3参照)を生成する。また、ゼロクロス点検出手段としてのゼロクロス点検出回路38は、交流電源31の交流電圧についてゼロクロス点を検出し、その検出時点においてハイレベルとなるパルス状のゼロクロス信号を出力するようになっている。
【0021】
通電幅信号生成手段としての通電幅信号生成回路39は、上記ゼロクロス点が検出される毎に、そのゼロクロス点から電圧指令Sv に応じた幅だけ有効レベルとしてのハイレベルとなる通電幅信号Sonを生成する。そして、上記通電信号生成回路37とともに通電信号生成手段を構成する波形合成回路40は、生成された通電信号Dup〜Dwnと通電幅信号Sonとを波形合成して通電信号Gup〜Gwnを生成し、その通電信号Gup〜Gwnを駆動回路41を介してIGBT33a〜33fの各ゲートに印加するように構成されている。なお、通電信号Dup〜Dwnと通電信号Gup〜Gwnは、ハイレベルがIGBT33a〜33fのオンに対応し、ロウレベルがオフに対応するようになっている。
【0022】
次に、本実施形態の作用について図3も参照しながら説明する。
電気掃除機の操作部の停止スイッチがオンになると、操作部から通電幅信号生成回路39に対し出力電圧0%の電圧指令Sv が与えられ、操作部の運転スイッチがオンになると、操作部から通電幅信号生成回路39に対し能力可変スイッチの状態に応じて出力電圧0%から100%の間の所定の電圧指令Sv が与えられる。この場合、吸引能力が高いほど電圧指令値が大きくなり、能力可変可能な4段階のうち「最大能力」に設定された場合には例えば100%の電圧指令Sv 、つまりインバータ主回路29が出力し得る最大電圧が指令されるようになっている。また、電圧指令Sv が0%の場合には、通電幅信号Sonの信号幅が0となることから、波形合成回路40は通電信号Gup〜Gwnの出力を禁止し、巻線22u、22v、22wへの通電は停止する。
【0023】
図3には、交流電源31の半周期毎に電圧指令値が増加する場合の各部の波形が示されている。この図3において、例えば50Hzあるいは60Hzの周波数を有する交流電源31の交流電圧は、整流回路28で全波整流されて全波整流電圧となる。通電幅信号生成回路39は、ゼロクロス信号が入力される交流電源31の半周期毎に、そのゼロクロス点を始点として電圧指令Sv に対応した時間幅だけハイレベルとなる通電幅信号Sonを生成する。この通電幅信号Sonのハイレベル(有効レベル)の幅(通電幅)は、次式により演算される。
通電幅[秒]=電圧指令値×(1/電源周波数)/2 …(1)
ただし、電圧指令値:0(0%)〜1(100%)
【0024】
図3においては、期間1が「最低能力」の場合を示し、期間4が「最大能力」の場合を示し、期間2および3がこれらの中間能力の場合を示している。「最大能力」である期間4では、(1)式に基づいて通電幅はゼロクロス点間の時間間隔(つまり交流電源電圧の半周期)に等しくなる。
【0025】
一方、通電信号生成回路37は、ロータ22rの回転位置に対応し互いに120°だけ位相がずれた位置信号Su 、Sv 、Sw に基づいて、120°通電方式に従った通電信号Dup、Dun、Dvp、Dvn、Dwp、Dwnを生成する。そして、波形合成回路40は、通電幅信号Sonと通電信号Dup〜Dwnとを論理的に乗算することにより、通電幅信号Sonがハイレベルにある期間にあっては通電信号Dup〜Dwnに等しく、通電幅信号Sonがロウレベルにある期間にあってはロウレベルとなる通電信号Gup〜Gwnを生成する。これら通電信号Gup〜Gwnは、それぞれ駆動回路41を通してIGBT33a〜33fのゲートに印加され、ブラシレスモータ22の各相の巻線端子には三相交流電圧が印加される。これに伴って、巻線22u、22v、22wには、全波整流電圧の大きさに応じた振幅(図3において二点鎖線で示す)を有する電流iu 、iv 、iw が流れる。
【0026】
つまり、(1)式に従って電圧指令Sv に応じた通電幅が決定され、その通電幅の期間内(通電幅信号Sonがハイレベルの期間)においては120°通電方式による通電が行われ、その通電幅の期間外(通電幅信号Sonがロウレベルの期間)においては通電が禁止される。これにより、電圧指令Sv に応じて巻線22u〜22wに印加される平均的な電圧が決定されるので、ブラシレスモータ22を可変速駆動することが可能となる。
【0027】
以上述べたように、本実施形態によれば、インバータ装置23は交流電源31の全波整流電圧をインバータ主回路29の入力としてブラシレスモータ22への通電を行うように構成されているので、従来構成(図4参照)のインバータ装置1で用いられていたリアクトル6およびコンデンサ8が不要となり、インバータ装置23を小型軽量化することができる。その結果、電気掃除機が小型軽量化され使い勝手が向上するとともに、そのコストも下がる。
【0028】
インバータ装置23は、交流電源電圧に同期してその半周期毎に電圧指令Sv に応じた通電幅を決定し、ゼロクロス点を始点としてその通電幅の期間だけ巻線22u〜22wに通電するように構成されている。すなわち、インバータ装置23は、PWMを行うことなく巻線22u〜22wへの印加電圧を可変することができる。これにより、ブラシレスモータ22を広範囲に可変速駆動することが可能になる。そして、通電幅信号Sonと交流電源電圧とが同期しているので、電圧指令Sv に対するインバータ主回路29の出力電圧の単調増加性が確保され、電圧の制御性が良い。
【0029】
また、電圧制御にPWMを必要としないことから、インバータ主回路29のスイッチングによるスイッチングノイズの発生が少なく電波障害の発生を抑えることができる。加えて、スイッチング損失が低減するので、IGBT33a〜33fや還流ダイオード34a〜34fの放熱板を小型化できる。さらに、交流電源31にPWMに伴う高調波電流が流れることがないという利点もある。
【0030】
なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施形態に限定されるものではなく、以下のような拡張または変更が可能である。
インバータ装置23は、電気掃除機の他、例えば家電機器や移動しながら使用する電気機器について好適である。
インバータ装置23は、速度指令を入力し、この速度指令値と位置信号Su 、Sv 、Sw に基づいて得た速度検出値とから電圧指令Sv を生成するように構成しても良い。
【0031】
正側電源線32pと負側電源線32nとの間に、ノイズフィルタやスナバとして機能するコンデンサ、あるいは交流電源31から侵入する外来ノイズを除去する目的のためのコンデンサを設けることは、本発明の趣旨から外れるものではない。同様に、整流回路28と交流電源31との間に、ノーマルモードフィルタ用あるいはコモンモードフィルタ用のリアクトルやコンデンサを設けても良い。
【0032】
通電幅信号Sonの有効レベル(ハイレベル)の始点はゼロクロス点に限らず、例えばゼロクロス点から電圧指令Sv に応じた時間が経過した時点を始点としても良い。また、通電幅は、ゼロクロス点間の中央点(全波整流電圧の最大点)を中心にその前後に広がるように設定しても良い。さらに、通電幅をゼロクロス点間(交流電源31の半周期内)で複数に分割して設定しても良い。
【0033】
電圧指令Sv に基づく通電幅の演算方法は(1)式に限定されるものではなく、例えば全波整流電圧を考慮して電圧指令値とインバータ主回路29の出力電圧とが線形となるような演算方法を用いても良い。
【0034】
【発明の効果】
以上説明した通り本発明の電気掃除機に搭載されるインバータ装置は、交流電源電圧を全波整流して得た全波整流電圧をインバータ主回路の入力としてブラシレスモータを駆動するので、力率改善などを目的とするリアクトルおよび平滑用のコンデンサが不要となる。従って、インバータ装置ひいては電気掃除機を小型軽量化でき、電気掃除機の使い勝手が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示すインバータ装置の電気的構成図
【図2】電気掃除機の概略的な横断面図
【図3】インバータ装置の作用を説明するための各部の波形を示す図
【図4】従来技術を示す図1相当図
【符号の説明】
22はブラシレスモータ、22rはロータ、22u、22v、22wは巻線、23はインバータ装置、24はファン、28は整流回路(整流手段)、29はインバータ主回路、36u、36v、36wは位置検出素子(位置検出手段)、37は通電信号生成回路(通電信号生成手段)、38はゼロクロス点検出回路(ゼロクロス点検出手段)、39は通電幅信号生成回路(通電幅信号生成手段)、40は波形合成回路(通電信号生成手段)である。
Claims (2)
- ファンと、
複数相の巻線を有し前記ファンを駆動するブラシレスモータと、
このブラシレスモータを駆動するインバータ装置とを備えて構成され、
前記インバータ装置は、
前記ブラシレスモータが有するロータの回転位置を検出する位置検出手段と、
交流電源を入力としその電圧を全波整流して得た全波整流電圧を出力する整流手段と、
交流電源電圧のゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出手段と、
この検出されたゼロクロス点と電圧指令とに基づいて、前記交流電源電圧に同期し且つ前記電圧指令に応じた幅を有する期間有効となる通電幅信号を生成する通電幅信号生成手段と、
前記通電幅信号が有効となる期間において、前記検出されたロータの回転位置に基づいて前記複数相の巻線に通電するための通電信号を生成する通電信号生成手段と、
前記整流手段から出力される全波整流電圧を入力とし前記通電信号に基づいて前記複数相の巻線に通電するインバータ主回路とを備えて構成されていることを特徴とする電気掃除機。 - 複数相の巻線を有するブラシレスモータを駆動するインバータ装置において、
交流電源を入力としその電圧を全波整流して得た全波整流電圧を出力する整流手段と、
前記交流電源電圧のゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出手段と、
この検出されたゼロクロス点と電圧指令とに基づいて、前記交流電源電圧に同期し且つ前記電圧指令に応じた幅を有する期間有効となる通電幅信号を生成する通電幅信号生成手段と、
前記ブラシレスモータが有するロータの回転位置を検出する位置検出手段と、
前記通電幅信号と前記検出されたロータの回転位置とに基づいて、前記通電幅信号が有効となる期間において前記複数相の巻線に通電するための通電信号を生成する通電信号生成手段と、
前記整流手段から出力される全波整流電圧を入力とし前記通電信号に基づいて前記複数相の巻線に通電するインバータ主回路とを備えて構成されていることを特徴とするインバータ装置。
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