JP2006149178A - 空気調和機のファンモータの速度制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 空気調和機のファンモータの平均回転数(Ｒｅｖｏｌｕｔｉｏｎ Ｐｅｒ Ｍｉｎｕｔｅ；ＲＰＭ)を制御することにより、ファンモータの速度制御範囲を拡張できる空気調和機のファンモータの速度制御装置を提供する。
【解決手段】 空気調和機のファンモータの速度制御装置は、ファンモータ２０４の速度制御範囲を拡張するために、ファンモータ２０４に電気的に接続されたスイッチング素子の予め設定されたデューティ比に基づいて、ファンモータ２０４の平均回転数(ＲＰＭ)を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、空気調和機に関し、詳しくは、空気調和機のファンモータの速度制御装置に関する。
一般に、空気調和機のファンモータとしては、単相誘導電動機が使用されるが、単相誘導電動機は、回転トルクを発生するために、回転磁界を発生する磁化電流と回転子から発生する誘導電流を共に外部電源端子に接続された巻線に供給する。
このような単相誘導電動機は、固定子の１次銅損及び回転子の２次銅損により、効率を向上させるのに限界があった。そこで、このような限界を解決するために、最近、空気調和機のファンモータとして、図３及び図４に示すようなハイブリッド誘導モータ(以後ＨＩＭという)が使用されている。以下、永久磁石回転子を有する誘導電動機をＨＩＭと定義する。
図３は、従来のＨＩＭの縦断面図であり、図４は、図３のＨＩＭのＢ−Ｂ’線における断面図である。
図３及び図４に示すように、従来のＨＩＭ１００のブラケット１０４の内部には、固定子１０５が設置され、固定子１０５の内側には、誘導回転子１０１が設置される。且つ、固定子１０５の内側には、複数のスロット１０８が突成され、これらのスロット１０８には、電流を印加するコイル１０３がそれぞれ巻回される。
また、誘導回転子１０１の縁部に上下方向に形成された複数の空隙１１１に、アルミニウム回転子バー１１２が上下方向にそれぞれ挿入され、これらのアルミニウム回転子バー１１２は、端絡環(end ring)１０２により互いに接続される。
且つ、誘導回転子１０１の中心に形成された空隙１１０には、誘導回転子１０１の回転力を外部に伝達するための回転軸１０９が設置され、回転軸１０９は、ブラケット１０４に設置された無給油軸受１０７により回転自在になっている。
また、固定子１０５と誘導回転子１０１との間には、固定子１０５から発生する回転磁界により回転しながら、強い磁束で誘導回転子１０１を回転させるための永久磁石回転子１０６が設置される。
このように構成された従来のＨＩＭに交流電圧が印加されると、固定子１０５のコイル１０３に印加される電流により、永久磁石回転子１０６が回転し、回転する永久磁石回転子１０６から強い磁束を有する回転磁界がさらに発生することによって、誘導回転子１０１が回転する。このとき、固定子１０５の回転磁界により、ファン(図示せず)から分離されて低慣性状態の永久磁石回転子１０６が回転し、永久磁石回転子１０６の回転磁界により、誘導回転子１０１にトルク発生用磁束が供給されることによって、誘導回転子１０１が回転する。即ち、分布巻線の固定子１０５から発生する楕円状の回転磁界により永久磁石回転子１０６を回転させると、永久磁石回転子１０６が強い磁束を有する回転磁界をさらに発生して誘導回転子１０１を回転させることにより、ＨＩＭが高効率及び低騒音で運転される。
以下、従来のＨＩＭ及び一般誘導電動機の速度特性を図５に参照して説明する。
図５は、従来のＨＩＭ及び一般誘導電動機の速度特性を示すグラフである。
図５に示すように、ファンモータ(ＨＩＭ)に印加される電圧を制御することによりファンモータの回転速度を制御する速度制御装置を、ＨＩＭに適用したとき、電圧による速度制御範囲(例えば、７９０〜８８０ＲＰＭ(Revolution Per Minute))が制限された。即ち、永久磁石回転子１０６により、速度制御範囲が７９０〜８８０ＲＰＭ(９０ＲＰＭ)に制限された。
その他、従来の空気調和機のファンモータとして使用される誘導電動機については、２００４年１１月１６日付で特許登録された特許文献１にも記載されている。
米国特許６,８１９,０２６
しかしながら、このような従来の速度制御装置においては、１００ＲＰＭ以上の速度制御範囲を必要とする空気調和機には適用できないという問題点があった。
本発明は、このような従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、空気調和機のファンモータの平均回転数(ＲＰＭ)を制御することにより、ファンモータの速度制御範囲を拡張できる空気調和機のファンモータの速度制御装置を提供することを目的とする。
このような目的を達成するために、本発明による空気調和機のファンモータの速度制御装置は、ファンモータの速度制御範囲を拡張するために、ファンモータに電気的に接続されたスイッチング素子の予め設定されたデューティ比に基づいて、ファンモータの平均回転数(ＲＰＭ)を制御することを特徴とする。
また、本発明による空気調和機のファンモータの速度制御装置は、固定子と、誘導回転子と、固定子と誘導回転子との間に設置された永久磁石回転子とを有するファンモータを含む空気調和機であって、使用者により、ファンモータを回転させるための回転要求信号が入力されると、回転要求信号に対応する予め決定されたデューティ比制御信号を発生する制御器と、デューティ比制御信号によって、ファンモータに印加される電圧を制御することにより、ファンモータの平均回転数を制御する１つのスイッチング素子とを含み、デューティ比制御信号は、スイッチング素子のターンオン時間及びターンオフ時間を制御する制御信号であることを特徴とする。
本発明による空気調和機のファンモータの速度制御装置においては、予め設定されたトライアックのデューティ比に基づいてＨＩＭを回転させ、回転するＨＩＭの回転数の平均値を制御することにより、ＨＩＭの速度制御範囲を拡張できるという効果がある。
本発明による空気調和機のファンモータの速度制御装置は、従来技術による一般誘導電動機に適用するより、ＨＩＭに適用したときにその速度制御範囲を効果的に拡張できることを、数回の試行錯誤及び実験を通して明らかにした。以下、空気調和機のファンモータの回転数の平均値を制御することにより、ファンモータ(ＨＩＭ)の速度制御範囲を拡張できる空気調和機のファンモータの速度制御装置の好ましい実施形態を図１及び図２を参照して説明する。
図１は、本発明による空気調和機のファンモータの速度制御装置の構成を示すブロック図である。
図１に示すように、本発明による空気調和機のファンモータの速度制御装置は、使用者により、空気調和機のファンモータ(ＨＩＭ)２０４を回転させるための回転要求信号が入力されると、回転要求信号に対応する予め決定されたデューティ比制御信号を発生する制御器２０１と、ファンモータ２０４の速度制御範囲を拡張するために、デューティ比制御信号によって、ファンモータ２０４に印加される電圧を制御することにより、ファンモータ２０４の回転数の平均値を制御する１つのトライアック２０３とから構成される。制御器２０１には、ファンモータ２０４の平均回転数を制御するために、予め決定されたデューティ比制御信号を保存するメモリ２０２を電気的に接続することが好ましい。ここで、本発明は、トライアック２０３の代りに、インバータのようなスイッチング素子を使用することもできる。
デューティ比制御信号は、１つのサイクルの間にトライアック２０３のターンオン時間とターンオフ時間との比率を制御する信号として、１つのトライアック２０３を、予め設定された第１時間の間にターンオンさせ、予め設定された第２時間の間にターンオフさせる制御信号である。即ち、実験を通して、多様なデューティ比制御信号によるＨＩＭ２０４の回転数の平均値を計算し、その計算された平均値に対応するデューティ比制御信号をメモリ２０２に予め保存した後、予め保存されたデューティ比制御信号に基づいて、ファンモータ２０４の回転数の平均値を制御することにより、ファンモータ２０４の速度制御範囲を拡張することができる。
制御器２０１は、ファンモータ(ＨＩＭ)２０４の回転数を増加させるための回転要求信号が入力されるとき、トライアック２０３のターンオン時間を長くし、トライアック２０３のターンオフ時間を短くするデューティ比制御信号を発生する。トライアック２０３のターンオフ時間は、１秒を超えないことが好ましい。
これに対し、制御器２０１は、ファンモータ(ＨＩＭ)２０４の回転数を減少させるための回転要求信号が入力されるとき、トライアック２０３のターンオン時間を短くし、トライアック２０３のターンオフ時間を長くするデューティ比制御信号を発生する。トライアック２０３のターンオフ時間は、１秒を超えないことが好ましい。
以下、本発明による空気調和機のファンモータの速度制御装置の動作を図２(Ａ)及び図２(Ｂ)を参照して説明する。
図２(Ａ)及び図２(Ｂ)は、本発明による空気調和機のファンモータの速度制御装置を通してファンモータに印加される電圧及び回転速度を示すグラフである。
まず、制御器２０１は、使用者により、空気調和機のファンモータ(ＨＩＭ)２０４を回転させるための回転要求信号が入力されると、回転要求信号に対応する予め決定されたデューティ比制御信号をトライアック２０３に出力する。
図２(Ａ)に示すように、制御器２０１は、使用者により、ＨＩＭ２０４を７５０ＲＰＭ(Ｗ１)で回転させるための回転要求信号が入力されると、回転要求信号に対応する予め決定されたデューティ比制御信号(例えば、デューティ比１／(１＋０．５))をトライアック２０３に出力する。即ち、制御器２０１は、トライアック２０３を１秒間(Ｓ１区間)ターンオンさせて、ＨＩＭ２０４に電圧を印加する。ここで、トライアック２０３を最初の１秒間ターンオンさせたとき、ＨＩＭ２０４は最大８８０ＲＰＭで回転する。
その後、制御器２０１は、トライアック２０３を０．５秒間(Ｓ２区間)ターンオフさせて、ＨＩＭ２０４に電圧を印加しない。このとき、ＨＩＭ２０４に０．５秒間電圧Ｖａｃが供給されないため、ＨＩＭ２０４の回転数は０．５秒間減少する。ここで、前述の０．５秒は、ＨＩＭ２０４の慣性及び機械的な時定数を考慮して、ＨＩＭ２０４の回転が停止しない程度の時間とする。ここで、実験を通して測定されたＳ２区間でのＨＩＭ２０４の平均回転数(最低回転数)は６２０ＲＰＭである。
その後、制御器２０１は、トライアック２０３を１秒間(Ｓ３区間)再びターンオンさせて、ＨＩＭ２０４に１秒間電圧を印加する。このとき、ＨＩＭ２０４は、既に慣性により平均６２０ＲＰＭで回転している状態であるので、平均８８０ＲＰＭで回転する。ここで、実験を通して測定されたＳ３区間でのＨＩＭ２０４の平均回転数(最高回転数)は８８０ＲＰＭである。
従って、本発明によるデューティ比制御信号(１／(１＋０．５))によって速度制御装置を動作させたとき、実験を通して測定されたＨＩＭ２０４の最低回転数(トライアック２０３が０．５秒間ターンオフされる間の平均回転数)は６２０ＲＰＭで、最大回転数(トライアック２０３が１秒間ターンオンされる間の平均回転数)は８８０ＲＰＭであるので、ＨＩＭ２０４の回転数の平均値は７５０ＲＰＭ((６２０ＲＰＭ＋８８０ＲＰＭ)／２)である。
図２(Ｂ)に示すように、制御器２０１は、使用者により、ＨＩＭ２０４を５６０ＲＰＭ(Ｗ２)で回転させるための回転要求信号が入力されると、回転要求信号に対応する予め決定されたデューティ比制御信号(例えば、デューティ比１／(１＋１))をトライアック２０３に出力する。即ち、制御器２０１は、トライアック２０３を１秒間(Ｓ４区間)ターンオンさせて、ＨＩＭ２０４に１秒間電圧を印加する。ここで、トライアック２０３を最初の１秒間ターンオンさせたとき、ＨＩＭ２０４は最大８８０ＲＰＭで回転する。
その後、制御器２０１は、トライアック２０３を１秒間(Ｓ５区間)ターンオフさせて、ＨＩＭ２０４に１秒間電圧を印加しない。このとき、ＨＩＭ２０４に１秒間電圧Ｖａｃが供給されないため、ＨＩＭ２０４の回転数は１秒間減少する(ＨＩＭ２０４は慣性により回転する)。ここで、前述の１秒は、ＨＩＭ２０４の慣性及び機械的な時定数を考慮して、ＨＩＭ２０４の回転が停止しない程度の時間とする。ここで、実験を通して測定されたＳ５区間でのＨＩＭ２０４の平均回転数(最低回転数)は３００ＲＰＭである。
その後、制御器２０１は、トライアック２０３を１秒間(Ｓ６区間)ターンオンさせて、ＨＩＭ２０４に電圧を印加する。このとき、ＨＩＭ２０４に１秒間電圧を印加すると、ＨＩＭ２０４は平均８２０ＲＰＭで回転する。即ち、ＨＩＭ２０４のＳ５区間での平均回転数(３００ＲＰＭ)は、Ｓ２区間での平均回転数(６２０ＲＰＭ)より低いため、実験を通して測定されたＨＩＭ２０４のＳ６区間での平均回転数(最高回転数)は８２０ＲＰＭである。
従って、本発明によるデューティ比制御信号(１／(１＋１))によって速度制御装置を動作させたとき、実験を通して測定されたＨＩＭ２０４の最低回転数(トライアック２０３が１秒間ターンオフされる間の平均回転数)は３００ＲＰＭで、最大回転数(トライアック２０３が１秒間ターンオンされる間の平均回転数)は８２０ＲＰＭであるので、ＨＩＭ２０４の回転数の平均値は５６０ＲＰＭ((３００ＲＰＭ＋８２０ＲＰＭ)／２)である。
結果的に、トライアック２０３の多様なデューティ比によってＨＩＭ２０４を回転させ、ＨＩＭ２０４の回転数の平均値を予め計算し、その予め計算された平均値に対応するデューティ比によって、トライアック２０３のターンオン時間／ターンオフ時間を制御することにより、ＨＩＭ２０４の速度制御範囲を拡張させることができる。例えば、本発明による空気調和機のファンモータの速度制御装置をＨＩＭ２０４に適用させたとき、本発明による空気調和機のファンモータの速度制御範囲は５６０、７５０、８８０ＲＰＭであるので(本発明によるＨＩＭの速度制御範囲は５６０〜８８０ＲＰＭである)、１００ＲＰＭ以上の速度制御範囲を必要とする空気調和機に適用することができる。
本発明による空気調和機のファンモータの速度制御装置の構成を示すブロック図である。 (Ａ)及び(Ｂ)は、本発明による空気調和機のファンモータの速度制御装置を通してファンモータに印加される電圧及び回転速度を示すグラフである。 従来のＨＩＭの縦断面図である。 図３のＨＩＭのＢ−Ｂ’線における断面図である。 従来のＨＩＭ及び一般誘導電動機の速度特性を示すグラフである。
符号の説明
２０１ 制御器
２０２ メモリ
２０３ トライアック
２０４ ＨＩＭ(ハイブリッド誘導モータ)

Claims (12)

  1. ファンモータの速度制御範囲を拡張するために、前記ファンモータに電気的に接続されたスイッチング素子の予め設定されたデューティ比に基づいて、前記ファンモータの平均回転数を制御することを特徴とする空気調和機のファンモータの速度制御装置。
  2. 前記スイッチング素子は、トライアックであることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機のファンモータの速度制御装置。
  3. 前記速度制御装置は、
    使用者により、前記ファンモータを回転させるための回転要求信号が入力されると、前記回転要求信号に対応する予め決定されたデューティ比制御信号を発生する制御器と、
    前記デューティ比制御信号によって、前記ファンモータに印加される電圧を制御することにより、前記ファンモータの回転数の平均値を制御するトライアックとを含み、
    前記デューティ比制御信号は、前記スイッチング素子のターンオン時間及びターンオフ時間を制御する制御信号であることを特徴とする請求項１に記載の空気調和機のファンモータの速度制御装置。
  4. 固定子と、誘導回転子と、前記固定子と前記誘導回転子との間に設置された永久磁石回転子とを有するファンモータを含む空気調和機であって、
    使用者により、前記ファンモータを回転させるための回転要求信号が入力されると、前記回転要求信号に対応する予め決定されたデューティ比制御信号を発生する制御器と、
    前記デューティ比制御信号によって、前記ファンモータに印加される電圧を制御することにより、前記ファンモータの回転数の平均値を制御する１つのスイッチング素子とを含み、
    前記デューティ比制御信号は、前記スイッチング素子のターンオン時間及びターンオフ時間を制御する制御信号であることを特徴とする空気調和機のファンモータの速度制御装置。
  5. 前記スイッチング素子は、インバータであることを特徴とする請求項１または４に記載の空気調和機のファンモータの速度制御装置。
  6. 前記スイッチング素子は、トライアックであることを特徴とする請求項４に記載の空気調和機のファンモータの速度制御装置。
  7. 前記デューティ比制御信号は、前記トライアックを、予め設定された第１時間の間にターンオンさせ、予め設定された第２時間の間にターンオフさせるための制御信号であることを特徴とする請求項６に記載の空気調和機のファンモータの速度制御装置。
  8. 前記制御器は、
    前記ファンモータの回転数を増加させるための回転要求信号が入力されるとき、前記トライアックのターンオン時間を長くし、前記トライアックのターンオフ時間を短くするデューティ比制御信号を発生し、
    前記ファンモータの回転数を減少させるための回転要求信号が入力されるとき、前記トライアックのターンオン時間を短くし、前記トライアックのターンオフ時間を長くするデューティ比制御信号を発生することを特徴とする請求項６に記載の空気調和機のファンモータの速度制御装置。
  9. 前記トライアックのターンオフ時間は、１秒以下であることを特徴とする請求項８に記載の空気調和機のファンモータの速度制御装置。
  10. 前記制御器は、前記トライアックがターンオフされる間の前記ファンモータの平均回転数と、前記トライアックがターンオンされる間の前記ファンモータの平均回転数との平均値を制御することにより、前記ファンモータの速度制御範囲を拡張することを特徴とする請求項９に記載の空気調和機のファンモータの速度制御装置。
  11. 前記予め決定されたデューティ比制御信号を保存するメモリを含むことを特徴とする請求項１０に記載の空気調和機のファンモータの速度制御装置。
  12. 前記ファンモータは、前記トライアックのターンオフ時間の間に慣性により回転し、前記トライアックのターンオン時間の間に前記電圧により回転することを特徴とする請求項１１に記載の空気調和機のファンモータの速度制御装置。
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