JP5966143B2 - 送風装置およびそれを搭載した電気機器 - Google Patents

Description

本発明は、主にレンジフードや天井埋め込み型等の排気用および給気用の換気装置や、加湿機、除湿機、冷凍機器、空気調和機、給湯機、ファンフィルタユニットなどに搭載する送風装置およびその送風装置を搭載した電気機器に関するものである。

近年、換気装置等の電気機器に搭載する送風装置においては、低価格化、高効率化、静音化をした上で、ダクト配管形態による圧力損失や外風圧、フィルタ等の目詰まりによる圧力損失の変化の影響を受けることなく、居室の状況に応じて最適な風量で換気ができる送風装置が求められている。

従来、この種の送風装置は、特許文献１および特許文献２に開示された構成のものが知られている。

以下、その送風装置について図６を参照しながら説明する。

図に示すように、換気装置の一種である天井埋め込み型の換気扇は、駆動コイル１０２に所定の方向と順序で順次全波通電するブラシレスＤＣモータ１２７をファン駆動用として搭載したものである。この換気扇は、チョッパ回路にて形成された低圧直流電圧変換手段１０８にて生成された直流電圧をスイッチング素子１０６を介して、駆動コイル１０２に供給する。そして、供給電流値制御手段１２４は、電流検出手段１２３にて検出するスイッチング素子１０６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１１４を制御する。このようにして、低圧直流電圧変換手段１０８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し、ブラシレスＤＣモータ１２７の出力トルクを略一定運転とする構成としている。

特開２００４−１８０４７６号公報 特開２００５−２２４０９８号公報

このような従来の送風装置によれば、送風装置を搭載する電気機器の仕様によっては、強風量時と弱風量時で、要求風量が大きく異なる場合がある。その場合は、強風量時は負荷が大きくなることから、スイッチング素子１０６に供給される平均電流値が高くなる。さらに、ブラシレスＤＣモータ１２７の駆動コイル１０２に対する通電切替えに伴う電流リプルおよびチョッパ回路におけるチョピングによる電流リプルも大きくなる。従って、電流制御の精度が低下し、風量ばらつきへの影響や、電流リプルに応じて供給電圧が脈動し、回転数変動が大きくなって騒音振動への影響を与えたりするという課題がある。このような課題に対して、負荷が大きくなることによって生じる電流リプルの影響を受けることなく、機外圧力変化に対する回転数差を大きくすることで、外風圧など機外圧力損失が増加しても、送風量の減少が少なくできることが要求されている。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、負荷増大によって生じる電流リプルの影響を受けることなく、外風圧など機外圧力損失が増加しても、送風量の減少が少なくできる送風装置を提供することを目的としている。

そして、この目的を達成するために、本発明は、ブラシレスＤＣモータを搭載した遠心型送風機と、交流電源を全波整流する整流手段と、上段と下段からなり、スイッチング素子よりなるインバータ回路と、前記整流手段によって得た高圧電圧を低圧直流電圧に変換して前記インバータ回路に印加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、前記ブラシレスＤＣモータの磁石回転子の磁極位置を検出する磁極位置検出手段と、この磁極位置検出手段の信号を基に、前記インバータ回路を介して前記ブラシレスＤＣモータの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、前記スイッチング素子の温度に追従してもっとも温度が高くなるＧＮＤ端子に接続されて設置され前記スイッチング素子の温度を検知するスイッチング素子温度検知手段と、このスイッチング素子温度検知手段の検知した温度に応じて前記低圧直流電圧変換手段の出力電圧を変更し、前記遠心型送風機の送風量を制御する風量制御手段と、前記スイッチング素子の基準温度を設定するスイッチング素子基準温度設定手段を設け、前記風量制御手段は、
前記スイッチング素子温度検知手段が検知した温度が、前記スイッチング素子基準温度設定手段にて設定された基準温度よりも低い場合、前記低圧直流電圧変換手段の出力電圧を昇圧し、前記スイッチング素子温度検知手段が検知した温度が、前記スイッチング素子基準温度設定手段にて設定された基準温度よりも高い場合、前記低圧直流電圧変換手段の出力電圧を降圧する送風装置としたものであり、これにより所期の目的を達成するものである。

本発明によれば、ブラシレスＤＣモータを搭載した遠心型送風機と、交流電源を全波整流する整流手段と、上段と下段からなり、スイッチング素子よりなるインバータ回路と、前記整流手段によって得た高圧電圧を低圧直流電圧に変換して前記インバータ回路に印加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、前記ブラシレスＤＣモータの磁石回転子の磁極位置を検出する磁極位置検出手段と、この磁極位置検出手段の信号を基に、前記インバータ回路を介して前記ブラシレスＤＣモータの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、前記スイッチング素子の温度を検知するスイッチング素子温度検知手段と、このスイッチング素子温度検知手段の検知した温度に応じて前記低圧直流電圧変換手段の出力電圧を変更し、前記遠心型送風機の送風量を制御する風量制御手段とを備えたことを特徴とする送風装置の構成としたものである。このような構成により、外風圧などの影響により、機外静圧が大きくなり、ファン負荷が軽くなった場合は、ブラシレスＤＣモータへの印加電圧を高くし、逆に、機外静圧が小さくなり、ファン負荷が重くなった場合は、ブラシレスＤＣモータへの印加電圧を低くすることになる。従って、負荷増大によって生じる電流リプルの影響を受けることなく、外風圧など機外圧力損失が増加しても、送風量の減少が少なくできる送風装置および電気機器が提供できるという効果を得ることができる。

本発明の実施の形態１における送風装置を内蔵した換気装置の構成を示すブロック図 同送風装置に搭載するブラシレスＤＣモータを駆動するスイッチング素子温度−印加電圧の一例を示すグラフ 同送風装置に搭載するブラシレスＤＣモータの回転数−トルク特性の一例を示すグラフ 同送風装置を内蔵した換気装置の風量−静圧特性の一例を示すグラフ 同送風装置を内蔵した換気装置を示す三面図 従来の送風装置を示すブロック図

本発明の請求項１記載の送風装置は、ブラシレスＤＣモータを搭載した遠心型送風機と、交流電源を全波整流する整流手段と、上段と下段からなり、スイッチング素子よりなるインバータ回路と、前記整流手段によって得た高圧電圧を低圧直流電圧に変換して前記インバータ回路に印加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、前記ブラシレスＤＣモータの磁石回転子の磁極位置を検出する磁極位置検出手段と、この磁極位置検出手段の信号を基に、前記インバータ回路を介して前記ブラシレスＤＣモータの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、前記スイッチング素子の温度を検知するスイッチング素子温度検知手段と、このスイッチング素子温度検知手段の検知した温度に応じて前記低圧直流電圧変換手段の出力電圧を変更し、前記遠心型送風機の送風量を制御する風量制御手段とを備えたことを特徴とする送風装置の構成を有する。これにより、外風圧などの影響により、機外静圧が大きくなり、ファン負荷が軽くなった場合は、ブラシレスＤＣモータへの印加電圧を高くして回転数をさらに高くし、逆に、機外静圧が小さくなり、ファン負荷が重くなった場合は、ブラシレスＤＣモータへの印加電圧を低くして回転数をさらに低くする。従って、負荷増大によって生じる電流リプルの影響を受けることなく、送風量の減少が少なくできるという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１〜図５に示すように、１はブラシレスＤＣモータ１１を搭載した遠心型送風機１ａを内蔵した送風装置で、１０は送風装置１を内蔵した換気装置である。送風装置１によって吸い込まれた、煙草の煙や調理等で発生し、汚れた室内空気は換気装置１０の吐出口、ダクト１９を介して建物の壁を貫通して屋外に排出される。ブラシレスＤＣモータ１１の磁石回転子３は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。ブラシレスＤＣモータ１１の外被は炭酸カルシウムやワラストナイトや水酸化アルミニウムなどの充填材とガラス繊維を含有する不飽和ポリエステル等の樹脂でモールドされている。このモールド樹脂には、ホール素子４と、磁束密度分布波形合成手段１２と、インバータ回路６と、駆動ロジック制御手段５と、電流波形制御手段７と、スイッチング素子温度検知手段１３を実装した回路基板を一体的にモールドしている。ホール素子４は、磁極位置検出手段として、磁石回転子３の磁極位置と磁束密度分布を検知する。磁束密度分布波形合成手段１２は、このホール素子４の出力波形を合成する。インバータ回路６は、上段側スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５と下段側スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６をブリッジ接続している。駆動ロジック制御手段５は、磁束密度分布波形合成手段１２の出力に基づいて駆動コイル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を制御する。電流波形制御手段７は、駆動コイル２の各相電流波形が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Ｑ１〜Ｑ６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。スイッチング素子温度検知手段１３は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度を検知する。ブラシレスＤＣモータ１１の外部には、整流手段９と、コンデンサ１８と、チョッパ回路にて構成された低圧直流電圧変換手段８と、低圧直流電圧値変更手段１４と、風量指示手段１５と、風量制御手段１６を配する構成である。整流手段９は、商用交流電源を全波整流する。コンデンサ１８は、全波整流後の高圧電圧を平滑する。低圧直流電圧変換手段８は、商用交流電源を整流平滑した後の高圧直流電圧を４５Ｖ以下の低圧直流電圧に変換するチョッパ回路にて構成されている。低圧直流電圧値変更手段１４は、低圧直流電圧変換手段８の出力電圧を可変する。風量指示手段１５は、弱、強など送風装置１の運転風量を指示する。

風量制御手段１６は、風量指示手段１５にて指示された各風量単位に、指示された風量−静圧特性で運転するために必要なスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の基準温度をスイッチング素子基準温度設定手段１７に設定する。そして、スイッチング素子温度検知手段１３にて検知したスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度が、スイッチング素子基準温度設定手段１７にて設定された基準温度よりも低い場合、低圧直流電圧値変更手段１４を制御して低圧直流電圧変換手段８の出力電圧を昇圧する。逆にスイッチング素子温度検知手段１３が検知したスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度が、スイッチング素子基準温度設定手段１７にて設定された基準温度よりも高い場合、低圧直流電圧値変更手段１４を制御して低圧直流電圧変換手段８の出力電圧を降圧する。

ここで、風量制御手段１６が低圧直流電圧変換手段８の出力電圧を昇圧する時には、インバータ回路６の耐圧とキックバック電圧、および、集積回路としてのＡＳＯ規定を考慮した上でインバータ回路６に印加する低圧直流電圧に上限を設けられている。逆に風量制御手段１６が低圧直流電圧変換手段８の出力電圧を降圧する時には、遠心型送風機１ａの回転が止まらないように下限電圧が設けられている。また、スイッチング素子基準温度設定手段１７にて設定される基準温度は、換気装置１０の機外静圧がゼロの時の温度としている。

また、インバータ回路６と、磁束密度分布波形合成手段１２と、駆動ロジック制御手段５と、電流波形制御手段７はワンチップＩＣ２０にて形成される。スイッチング素子温度検知手段１３は、ワンチップＩＣ２０において、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度に追従して最も温度が高くなるＧＮＤ端子の近傍に設置してある（図示せず）。また、スイッチの切替えにより、風量指示手段１５が強と弱にてスイッチング素子基準温度設定手段１７にて設定するスイッチング素子の温度を変更することで、２段階の風量切替えができる構成である。

上記構成において、送風装置１に電源の投入をすると、ブラシレスＤＣモータ１１のインバータ回路６に所定の電圧が印加され、磁石回転子３が回転する。この時、磁石回転子３の主磁極部は極異方性磁石３ａとなっているため、駆動コイル２に誘起される誘起電圧は略正弦波状の波形となり、ホール素子４の検出波形も略正弦波状の波形となる。磁束密度分布波形合成手段１２は駆動コイル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相波形を減算する。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相波形を減算する。そして、電流波形制御手段７は、駆動コイル２の各相電流波形が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Ｑ１〜Ｑ６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ので、トルクリプルの発生が抑制されることとなる。

そして、風量制御手段１６は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度が、基準温度よりも低い場合、外風圧などによって、換気装置１０の機外静圧が高くなり、ブラシレスＤＣモータ１１への負荷が減少し、遠心型送風機１ａの送風量が減少したと判断する。そして、低圧直流電圧値変更手段１４を制御して低圧直流電圧変換手段８の出力電圧を昇圧し、遠心型送風機１ａの送風量を増加させる。この時のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度とは、スイッチング素子温度検知手段１３で検知された温度である。また、基準温度とは、スイッチング素子基準温度設定手段１７にて設定された換気装置１０の機外静圧がゼロの時のスイッチング素子温度である。

また、逆にスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度が、スイッチング素子基準温度設定手段１７にて設定された基準温度よりも高い場合、ブラシレスＤＣモータ１１への負荷が増加し、遠心型送風機１ａの送風量が増加したと判断する。そして、低圧直流電圧値変更手段１４を制御して低圧直流電圧変換手段８の出力電圧を降圧し、遠心型送風機１ａの送風量を減少させる。つまり、図２に示すスイッチング素子温度−印加電圧のグラフのようにブラシレスＤＣモータ１１に対して電源を供給することで、ブラシレスＤＣモータ１１の回転数−トルク特性は図３に示すようになる。そして、換気装置１０の風量−静圧特性は図４に示すような特性になる。したがって、ブラシレスＤＣモータ１１への負荷増大によって生じる電流リプルの影響を受けることなく、外風圧など機外圧力損失が増加しても、送風量の減少が少なくできる送風装置および換気装置などの電気機器が得られる。

また、スイッチング素子基準温度設定手段１７にて設定される基準温度は、換気装置１０の機外静圧がゼロの時の温度としている。換気装置１０の実使用時においては、確実に機外圧損が増加していることから、ブラシレスＤＣモータ１１への負荷が減少することになる。そして、スイッチング素子温度検知手段１３にて検知したスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の温度が基準温度よりも確実に下がる。従って、換気装置１０の機外静圧がゼロの時よりも確実に低圧直流電圧変換手段８の出力電圧が高くなり、遠心型送風機１ａの送風量を確実に増加させることができる。

なお、本実施の形態１では、駆動コイル２に供給される電流波形を、誘起電圧波形に略相似形となるように構成したが、用途、商品の要求される風量精度や騒音レベルに応じて、１２０度矩形波通電や、１４０度、１５０度通電のように広角通電方式や、二相変調による正弦波駆動方式としても良い。この場合にも、電流を検知することなく、スイッチング素子温度検知手段の検知した温度に応じて、低圧直流電圧変換手段８の出力電圧を制御することで、外風圧など機外圧力損失が増加しても、送風量の減少が少なくできるという作用効果に差異は生じない。

また、本実施の形態１では、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６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したが、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をＰＷＭ制御して電流波形を制御しても良い。その場合にはスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の損失が低減できるので、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の発熱が抑制され、使用可能な負荷トルクの範囲がさらに広くできる送風装置が得られることとなる。この場合にも、電流を検知することなく、スイッチング素子温度検知手段の検知した温度に応じて、低圧直流電圧変換手段８の出力電圧を制御することで、外風圧など機外圧力損失が増加しても、送風量の減少が少なくできるという作用効果に差異は生じない。

また、本実施の形態１では、磁束密度分布波形合成手段１２が、ホール素子４が検知したｕ相、ｖ相、ｗ相の波形を合成することにより、各相のホール素子４のばらつきの影響が小さくなる。さらに、ｕ相、ｖ相、ｗ相各相の磁束密度分布波形は、基本的には位相が単にずれただけの波形である。従って、２相を減算合成することにより、検知した磁束密度分布波形に含まれた高調波成分が除去されるので、回転むらの発生が抑制できるとともに、トルクリプルおよびトルク変化率をさらに低く抑えることができることとなる。この場合にも、電流を検知することなく、スイッチング素子温度検知手段の検知した温度に応じて、低圧直流電圧変換手段８の出力電圧を制御することで、外風圧など機外圧力損失が増加しても、送風量の減少が少なくできるという作用効果に差異は生じない。

また、本実施の形態１では、磁束密度分布検知手段としてホール素子４を用いた構成としたが、非通電相に誘起される誘起電圧を検知して磁石回転子に対する通電位相を決める方式や、ホールＩＣなどの磁石のＮ極、Ｓ極を判断して磁石回転子の磁極位置を検知する磁極位置検出手段を用いる方式としても良く、その作用効果に差異を生じない。

また、本実施の形態１では、磁石回転子３の主磁極部を極異方性磁石３ａとすることにより、誘起電圧波形も電流波形もともに正弦波となる。このことから、トルクリプルおよびトルク変化率をより一層低く抑えることができるとともに、モータ効率も大幅に向上する。すなわち、静音化、高効率化を実現できることとなるが、商品として要求される特性に応じて、磁石回転子３の主磁極部をセグメント磁石や、台形波着磁の磁石としても良い。この場合にも、電流を検知することなく、スイッチング素子温度検知手段の検知した温度に応じて、低圧直流電圧変換手段８の出力電圧を制御することで、外風圧など機外圧力損失が増加しても、送風量の減少が少なくできるという作用効果に差異は生じない。

また、本実施の形態１では、三相全波駆動としたが、商品として要求される特性に応じて、単相全波駆動としても良く、その作用効果に差異を生じない。

また、本実施の形態１では、スイッチング素子基準温度設定手段１７にて設定される基準温度は、換気装置１０の機外静圧がゼロの時の温度としたが、例えば、アメリカなど、基準の機外静圧が決まっている場合においては、その基準の機外静圧時のスイッチング素子温度をスイッチング素子基準温度設定手段１７に設定しても良く、その作用効果に差異を生じない。

また、本実施の形態１では、スイッチング素子温度検知手段１３を特別に設ける構成としたが、送風装置として要求される風量−静圧特性の精度によっては、ワンチップＩＣに内蔵されるＮＰＮトランジスタのベース−エミッタ間の温度特性のある順方向立ち上り電圧を利用する方式としても良く、その作用効果に差異を生じない。

以上のように、本発明にかかる送風装置は、スイッチング素子の温度に応じて、ブラシレスＤＣモータへの供給電圧を変更し、遠心型送風機の送風量が少なくなることを抑制することによって、機外静圧の変化があっても、風量変化が少ないことが要求される電気機器である換気装置、給湯機、エアコンなどの空気調和機、空気清浄機、除湿機、乾燥機、ファンフィルタユニット、冷却ユニットなどへの搭載が有用である。

１ 送風装置
１ａ 遠心型送風機
２ 駆動コイル
３ 磁石回転子
３ａ 極異方性磁石
４ ホール素子
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 換気装置
１１ ブラシレスＤＣモータ
１２ 磁束密度分布波形合成手段
１３ スイッチング素子温度検知手段
１４ 低圧直流電圧値変更手段
１５ 風量指示手段
１６ 風量制御手段
１７ スイッチング素子基準温度設定手段
１８ コンデンサ
１９ ダクト
２０ ワンチップＩＣ
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 (4)

1. ブラシレスＤＣモータを搭載した遠心型送風機と、
   交流電源を全波整流する整流手段と、
   上段と下段からなり、スイッチング素子よりなるインバータ回路と、
   前記整流手段によって得た高圧電圧を低圧直流電圧に変換して前記インバータ回路に印加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、
   前記ブラシレスＤＣモータの磁石回転子の磁極位置を検出する磁極位置検出手段と、
   この磁極位置検出手段の信号を基に、前記インバータ回路を介して前記ブラシレスＤＣモータの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、
   前記スイッチング素子の温度に追従してもっとも温度が高くなるＧＮＤ端子に接続されて設置され前記スイッチング素子の温度を検知するスイッチング素子温度検知手段と、
   このスイッチング素子温度検知手段の検知した温度に応じて前記低圧直流電圧変換手段の出力電圧を変更し、前記遠心型送風機の送風量を制御する風量制御手段と、
   前記スイッチング素子の基準温度を設定するスイッチング素子基準温度設定手段を設け、
   前記風量制御手段は、
   前記スイッチング素子温度検知手段が検知した温度が、前記スイッチング素子基準温度設定手段にて設定された基準温度よりも低い場合、前記低圧直流電圧変換手段の出力電圧を昇圧し、
   前記スイッチング素子温度検知手段が検知した温度が、前記スイッチング素子基準温度設定手段にて設定された基準温度よりも高い場合、前記低圧直流電圧変換手段の出力電圧を降圧する送風装置。
2. 送風装置の機外静圧ゼロ時の温度を前記スイッチング素子基準温度設定手段にて設定する基準温度としたことを特徴とする請求項１に記載の送風装置。
3. 請求項１または２に記載の送風装置を搭載した電気機器。
4. 請求項３記載の電気機器は換気装置、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、冷却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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