JP2010022102A - ブラシレスｄｃモータとそれを搭載した換気送風装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ブラシレスＤＣモータとそれを搭載した換気送風装置において、電流検知のばらつきを抑えることができ、より精度良く簡単な構成で風量を略一定に制御することを目的とする。
【解決手段】機能トリミングされた電流検知手段６は、インバータ回路５を介して固定子１に流れる電流の合成電流を検出して実効値相当の電圧に変換する。風量制御手段７は、風量演算手段８と電力指示手段９を備え、駆動手段４の回転信号と電流検知手段６の電圧により風量を演算し目標の風量との差異を算出し、電力指示手段９は、固定子１に供給する電力を増減するように駆動手段４に指示信号を与えるため、精度良く簡単な構成で風量を略一定に制御することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レンジフードや天井埋め込み型の換気扇などの換気送風装置に搭載されるブラシレスＤＣモータに関するものである。

従来、この種の風量一定運転が可能な送風装置は、モータとは別に設けられたインバータ回路に流れるブラシレスＤＣモータの電流を、制御回路等により検出し、電流とモータの回転数の関係を利用して、一定風量での運転を実現しているものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

以下、その風量一定運転が可能な送風装置の動作について、図７を参照しながら説明する。

図６に示すように、交流電源１０１から供給される交流電圧を交直変換回路１０２にて直流に変換した後、平滑コンデンサ１０３にて平滑化し、インバータ回路１０５に印加する。インバータ回路１０５は６ケのスイッチング素子を順番に導通させ、ブラシレスＤＣモータ１０４を駆動している。ブラシレスＤＣモータ１０４には、ホール素子等の回転子位置検出用のセンサ１０６が装着されており、センサ１０６の出力により、回転数検出部１０８がブラシレスＤＣモータ１０４の回転数を検出するとともに、インバータ回路１０５のスイッチング素子の通電切替のタイミングを決定している。１０７はインバータ回路１０５に流れる電流を検出する為のシャント抵抗であり、電流検出部１０９にて、シャント抵抗１０７の両端の電圧から電流を検出している。インバータ回路１０５がＰＷＭ制御されている場合は、シャント抵抗１０７に流れる電流が１キャリア内で変動するので、フィルタ等で平均化するとともに、平均化した電流に補正を加えて、風量演算に必要なブラシレスＤＣモータ１０４の相電流に換算している。風量演算部１１０は、電流検出部１０９で検出された電流と回転数検出部１０８によって検出された回転数から、ブラシレスＤＣモータ１０４を搭載した送風機の風量を演算するとともに、送風機本体の制御回路等より指示された目標運転風量と演算された風量を比較し、目標風量での運転を実現する回転数を算出し、その回転数になるように、速度制御部１１１に運転電圧の指示を出力している。速度制御部１１１は、指示によりインバータ回路１０５のスイッチング素子のデューティーを変更し、ブラシレスＤＣモータ１０４の回転数を目標回転数に制御し、送風機の風量が目標の風量で一定運転できるようにしている。
特許第３７３８６８５号公報

このような従来の構成では、インバータ回路の下アームトランジスタの負電位側端子に接続されたシャント抵抗に流れる電流をフィルタで平均化して検出している為、正確なモータの相電流が検出できず、補正を加えるなど、制御、構成が複雑になるといった課題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、電流検知のばらつきを抑えることにより精度良く簡単な構成で風量を略一定に制御することができるブラシレスＤＣモータとそれを搭載した換気送風装置を提供することを主な目的としている。

また、制御回路の一部をモータと一体化して装置を簡素化することにより安価な風量を略一定に制御することのできるブラシレスＤＣモータとそれを搭載した換気送風装置を提供することを目的としている。

本発明のブラシレスＤＣモータとそれを搭載した換気送風装置は、上記目的を達成するために、巻線を巻装した固定子と、磁石を備えた回転子と、前記固定子に対する前記磁石の相対的位置を検出する位置検出手段と、ＤＣ電圧を交流に変換するインバータ回路と、前記位置検出手段が検出した前記磁石の位置に応じて、前記インバータ回路を駆動させて前記回転子を回転させるとともに回転信号を出力する駆動手段と、前記インバータ回路を介して前記巻線に流れる電流の実効値を検知する電流検知手段と、前記駆動手段の出力する回転信号と前記電流検知手段の検出値の関係に基づいて前記固定子に流れる電流を制御する風量演算手段とで構成したものである。

この手段により、電流検知のばらつきを抑え、精度良く風量を略一定に制御することができるブラシレスＤＣモータとそれを搭載した換気送風装置を提供できる。

また、電流検知手段は、キャリア周波数が可聴域以上でｄｕｔｙ１００％未満の実効値電流に対して予め定められた電圧となるように抵抗値を機能トリミングしたものである。

この手段により、電流検知のばらつきを抑えることにより精度良く簡単な構成で風量を略一定に制御することができるブラシレスＤＣモータとそれを搭載した換気送風装置が得られる。

また、ブラシレスＤＣモータは、少なくとも位置検出手段とインバータ回路と電流検知手段を固定子と一体にして構成したものである。

この手段により、装置を簡素化でき安価で風量を略一定に制御することのできるブラシレスＤＣモータとそれを搭載した換気送風装置を提供できる。

また、ブラシレスＤＣモータは、外郭をかねたモールド樹脂で固定子と一体化したものである。

この手段により、装置を簡素化することにより安価な風量を略一定に制御することのできるブラシレスＤＣモータとそれを搭載した換気送風装置が得られる。

また、温度検出素子をブラシレスＤＣモータに内蔵し、前記温度検出素子によって検出した温度により固定子に流れる電流を補正して制御する演算手段を備えたものである。

この手段により、温度の影響を受けずに、精度良く簡単な構成で風量を略一定に制御することができるブラシレスＤＣモータとそれを搭載した換気送風装置が得られる。

また、演算手段は、温度検出素子によって検出した温度がある温度を超えた時、駆動手段を停止させるものである。

この手段により、安全に停止でき、使用者に異常を通知するブラシレスＤＣモータとそれを搭載した換気送風装置が得られる。

また、演算手段は、停止を通知する表示手段を設けたものである。

この手段により、安全に停止でき、使用者に異常を通知するブラシレスＤＣモータとそれを搭載した換気送風装置が得られる。

本発明によれば、電流検知のばらつきを抑え、精度良く風量を略一定に制御することができるブラシレスＤＣモータとそれを搭載した換気送風装置を提供できる。

また、装置を簡素化でき安価で風量を略一定に制御することのできるブラシレスＤＣモータとそれを搭載した換気送風装置を提供できる。

本発明の請求項１記載の発明は、巻線を巻装した固定子と、磁石を備えた回転子と、前記固定子に対する前記磁石の相対的位置を検出する位置検出手段と、ＤＣ電圧を交流に変換するインバータ回路と、前記位置検出手段が検出した前記磁石の位置に応じて、前記インバータ回路を駆動させて前記回転子を回転させるとともに回転信号を出力する駆動手段と、前記インバータ回路を介して前記巻線に流れる電流の実効値を検知する電流検知手段と、前記駆動手段の出力する回転信号と前記電流検知手段の検出値の関係に基づいて前記固定子に流れる電流を制御する風量演算手段とで構成したブラシレスＤＣモータとしたものであり、風量制御手段は、駆動手段の出力する回転信号と電流検知手段の検出値からから演算される風量と目標風量との差により固定しに流れる電量を制御して、回転しに取り付けられるファンの風量を略一定に制御することとなる。

また、電流検知手段は、キャリア周波数が可聴域以上でｄｕｔｙ１００％未満の実効値電流に対して予め定められた電圧となるように抵抗値を機能トリミングしたことを特徴とするブラシレスＤＣモータとしたものであり、機能トリミングにより電流検知手段の検知した実効値電流をあらかじめ定められた電圧に対応させて出力できるよう調整することとなる。

また、ブラシレスＤＣモータは、少なくとも位置検出手段とインバータ回路と電流検知手段を固定子と一体にして構成したことを特徴とするブラシレスＤＣモータとしたものであり、制御回路の一部である位置検出手段とインバータ回路と電流検知手段を固定子をモータと一体化して装置を簡素化することができる。

また、ブラシレスＤＣモータは、外郭をかねたモールド樹脂で固定子と一体化したことを特徴とするブラシレスＤＣモータとしたものであり、固定子から発生した熱をモールド樹脂を介して効率よく放熱することとなる。

また、温度検出素子をブラシレスＤＣモータに内蔵し、前記温度検出素子によって検出した温度により駆動手段の出力する回転信号と電流検知手段の検出値の関係を補正して風量を制御する風量制御手段を備えたことを特徴とするブラシレスＤＣモータとしたものであり、温度検出素子によってブラシレスＤＣモータ内の温度を検出して回転信号と電流検知手段の検出値の関係を補正して風量制御を行うこととなる。

また、風量制御手段は、温度検出素子によって検出した温度がある温度を超えた時、駆動手段を停止させることを特徴とするブラシレスＤＣモータとしたものであり、温度の影響を受けずに、精度良く簡単な構成で風量を略一定に制御することができ、異常な温度では安全に停止することとなる。

また、風量制御手段は、停止を通知する表示手段を設けたことを特徴とする請求項７記載のブラシレスＤＣモータとしたであり、安全に停止して、使用者に異常を通知することとなる。

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は、本発明のブラシスＤＣモータの概略構成図である。

図１において、１は巻線を巻装した固定子、２は磁石を備えた回転子で、前記固定子１に対する前記回転子２の相対的位置を、磁気センサ、例えばホール素子やホールＩＣなどの位置検出手段３が検出し、駆動手段４は、前記位置検出手段３の信号に応じて所定の順序でインバータ回路５のスイッチング素子、例えばトランジスタやＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等を駆動して前記固定子１の巻線に電力を供給して前記回転子２を回転させる。また、駆動手段４は、前記回転子２の回転数に相当する回転信号を出力する。電流検知手段６は、前記インバータ回路５を介して前記固定子１に流れる電流の合成電流を検出して実効値相当の電圧に変換する。風量制御手段７は、例えばマイクロコンピュータで構成されており、風量演算手段８と電力指示手段９を備えている。風量演算手段８は、前記駆動手段４の回転信号と前記電流検知手段６の電圧により風量を演算し目標の風量との差異を算出する。電力指示手段９は、前記風量演算手段８により算出された目標との差異があれば固定子１に供給する電力を増減するように駆動手段４に指示信号を与える。駆動手段４は、インバータ回路の下アームまたは上アームまたは両アームをＰＷＭ駆動して前記固定子１に与える平均電力を増減させる。

図２は、本発明の電流検知手段の概略構成図の一例である。

電流検知手段６は、ピークホールド回路１０と同相増幅回路１１で構成されており、前記インバータ回路５を介して前記固定子１に流れる電流は、シャント抵抗Ｒｓに流れ、電圧ＶＲｓが発生する。ここでシャント抵抗Ｒｓに流れる電流は、予め定められたキャリア周波数、例えば可聴域以上の２０ｋＨｚのパルス電流である。シャント抵抗Ｒｓの両端に発生するパルス電圧は、ピークホールド回路１０によりピーク値が保持され、同相増幅回路１１によりある一定のゲインで増幅され連続した直流電圧に変換される。同相増幅回路１１には、例えばレーザーによる機能トリミングに使用できる抵抗器であるトリミング抵抗１２が接続されている。

図３は、本発明のブラシレスＤＣモータを用いた換気送風機の構造外観図である。

図３（ａ）は、換気送風装置の構造外観図の側面図、図３（ｂ）は、換気送風装置の構造外観図の下面図、図３（ｃ）は、換気送風装置の構造外観図の正面図である。

ケーシング１３にブラシレスＤＣモータ１４を取り付け、ブラシレスＤＣモータ１４の回転子２に送風ファン１５を取り付けた構造であり、この換気送風装置を天井に取り付け、遠心型の送風ファン１５を回転させて室内空気を吸気または排気して室内の換気を行う。

前記送風装置の運転風量Ｑは、一般流体の相似則により導かれるモータ出力Ｐと風量Ｑと回転数Ｎの関係式Ｐ∝Ｑ・Ｎ²、モータ出力Ｐとモータの誘起電圧Ｅ₀とモータ電流Ｉの関係式Ｐ＝Ｅ₀・Ｉ、モータの誘起電圧Ｅ₀と誘起電圧定数Ｋ_Eと回転数Ｎの関係式Ｅ₀＝Ｋ_E・Ｎより、モータ電流Ｉと回転数Ｎの関係式Ｑ＝Ｋ・（Ｉ／Ｎ）で表すことがでる。したがって、風量演算手段８により電流と回転数から風量を算出することができるため、風量を略一定になる様に電力指示手段９より駆動手段４を制御することが可能になる。尚、Ｋは比例定数であり、ファン効率やモータ効率により決定される。

風量Ｑは演算で算出する以外にも、あらかじめ風量Ｑと電流Ｉと回転数Ｎの関係を、実際に前記換気送風装置を略一定の風量で運転させて、前記風量制御手段７に記憶しておき、実際の運転時にそれぞれの関係が記憶された関係になるように制御して、略一定の風量を実現することも可能である。

上記構成において、ブラシレスＤＣモータ１４に流れる電流は、電流検知手段６により連続的な直流電圧に変換されるが、ピークホールド回路１０や同相増幅回路１１のオペアンプ（図示せず）のオフセット電圧や半導体（図示せず）の飽和電圧や抵抗、コンデンサのばらつきにより予め定められたキャリア周波数、ｄｕｔｙの実効値電流、例えば、キャリア周波数２０ｋＨｚ、ｄｕｔｙ５０％で実効値電流０．５Ａを流しても所望の電圧値としての２．５Ｖに対して２．６Ｖが検出されてしまうように正確な電圧値が得られない。しかし、予め電流検知手段６の出力電圧をモニタしながらレーザーによりトリミング抵抗１２の抵抗値を変化させる機能トリミングを行うため、例えば２．５Ｖ±１％以内の出力を得ることが可能となる。

以上のように構成したブラシレスＤＣモータおよびそれを搭載した換気送風装置は、電流検知手段６のばらつきを抑えることができ、より精度良く簡単な構成で風量を略一定に制御することができる。

なお、実施の形態１では、予め電流検知手段６をレーザーによる機能トリミングを実施して実効値電流に対する出力電圧を調整したが、ボリューム抵抗による調整でもよく、その作用効果に差異を生じない。また、換気送風装置の状態で調整することにより装置全体のばらつきを含めた調整することも可能であることは言うまでもない。

（実施の形態２）
図４は、本発明のブラシレスＤＣモータの構造を示す図、図５は同ブラシレスＤＣモータの概略構成図である。

図４において、モールド樹脂１６は例えば不飽和ポリエステルを主成分とする熱硬化性の樹脂で熱伝導率が良い。また、温度検知手段１７はサーミスタなどの温度検知素子である。そして、固定子１と回路基板上の位置検出手段３、インバータ回路５、電流検知手段６と温度検知手段１７は、ブラシレスＤＣモータ１４の外郭を形成するモールド樹脂１６で一体化している。図５において、温度検知手段１７は、インバータ回路５、固定子１の巻線の近傍に配置されており、電力指示手段９に表示手段１８として、ＬＥＤを接続している。

上記構成において、すくなくとも位置検出手段３とインバータ回路５と電流検知手段６を外郭を兼ねた放熱の良いモールド樹脂で固定子１と一体化しているため、発熱部品であるインバータ回路５を小型で安価なものを選択することができる。さらに、電流検知手段６や他の電子部品を一体化することにより、リード線などの配線や回路ケースなどを省略することができる。また、実施の形態１で示した通り、風量Ｑ＝Ｋ・（Ｉ／Ｎ）で表されるが、モータ温度が高くなると、モータの固定子１の温度が高くなり銅損が増加するとともに、回転子２の磁石の磁束が減少し、同じ風量Ｑを実現するモータトルクとなるモータ電流Ｉが高くなる。逆にモータ温度が低くなると、モータ電流は低くなる。そのため、モータの温度に応じて風量制御手段７が補正しなければ風量に誤差が発生することとなるが、本実施の形態では、風量制御手段７は、温度検知手段１７が検出するモータ温度に応じて、電流検知手段６の電流値を補正し、補正した電流に基づいて風量を算出するので、温度の影響を受けることなく略一定の風量を実現することができる。

また、温度検知手段１７は、インバータ回路５の温度も検出できるのでモータロックなどの異常時、例えば検知温度が１００度を超えたときに風量制御手段７より駆動手段４に停止信号を出力するとともに、表示手段１８であるＬＥＤを点灯するなどして使用者に異常で停止したことを通知することができる。

以上のように構成したブラシレスＤＣモータおよびそれを搭載した換気送風装置は、制御回路の一部を放熱性の良い樹脂モールドでモータと一体化することにより、装置を小型化、簡素化でき、安価な風量を略一定に制御することができるブラシレスＤＣモータが得られる。また、温度によらず、精度良く簡単な構成で風量を略一定に制御することができ、異常な温度では安全に停止し、使用者に異常を通知することができる。

なお、本実施の形態では、モールド樹脂を不飽和ポリエステルを主成分とする熱硬化性樹脂としたが、紫外線硬化性や熱可塑性でも良く、また熱伝導率が良い絶縁物であれば主成分によらない。また、温度検知手段１７をサーミスタとしたが、モータ温度やインバータ回路の温度が検出できる素子であれば良く、その作用効果に差異を生じない。

また、実施の形態１では電流検知手段６、トリミング抵抗１２を用いた一例に加えてボリューム抵抗による調整でもよいとしたが、電流検知手段６をモールド樹脂で封止するような場合はトリミング抵抗１２を用いた電流検知手段６の方が生産性が向上し、ばらつきを抑えてより精度良く簡単な構成で風量を略一定に制御することが容易に実現できる。

本発明のブラシレスＤＣモータは、電流検知のばらつきを抑え、精度良く風量を略一定に制御することができるブラシレスＤＣモータを搭載した換気扇や浴室乾燥機などの換気送風装置の他、冷蔵庫、除湿機、エアコンなどの家庭用電気機器用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１のブラシレスＤＣモータの概略構成図 同ブラシレスＤＣモータの電流検知手段の概略構成図 同ブラシレスＤＣモータを用いた換気送風機の構造外観図（（ａ）換気送風装置の構造外観図の側面図、（ｂ）換気送風装置の構造外観図の下面図、（ｃ）換気送風装置の構造外観図の正面図） 同実施の形態２のブラシレスＤＣモータの構造を示す図 同ブラシレスＤＣモータの概略構成図 従来のブラシレスＤＣモータの概略構成図

符号の説明

１ 固定子
２ 回転子
３ 位置検出手段
４ 駆動手段
５ インバータ回路
６ 電流検知手段
７ 風量制御手段
８ 風量演算手段
９ 電力指示手段
１０ ピークホールド回路
１１ 同相増幅回路
１２ トリミング抵抗
１３ ケーシング
１４ ブラシレスＤＣモータ
１５ 送風ファン
１６ モールド樹脂
１７ 温度検知手段
１８ 表示手段

Claims (8)

1. 巻線を巻装した固定子と、磁石を備えた回転子と、前記固定子に対する前記磁石の相対的位置を検出する位置検出手段と、ＤＣ電圧を交流に変換するインバータ回路と、前記位置検出手段が検出した前記磁石の位置に応じて、前記インバータ回路を駆動させて前記回転子を回転させるとともに回転信号を出力する駆動手段と、前記インバータ回路を介して前記巻線に流れる電流の実効値を検知する電流検知手段と、前記駆動手段の出力する回転信号と前記電流検知手段の検出値の関係に基づいて前記固定子に流れる電流を制御する風量演算手段とで構成したブラシレスＤＣモータ。
2. 電流検知手段は、キャリア周波数が可聴域以上でｄｕｔｙ１００％未満の実効値電流に対して予め定められた電圧となるように抵抗値を機能トリミングしたことを特徴とする請求項１記載のブラシレスＤＣモータ。
3. ブラシレスＤＣモータは、少なくとも位置検出手段とインバータ回路と電流検知手段を固定子と一体にして構成したことを特徴とする請求項１、２に記載のブラシレスＤＣモータ。
4. ブラシレスＤＣモータは、外郭をかねたモールド樹脂で固定子と一体化したことを特徴とする請求項３記載のブラシレスＤＣモータ。
5. 温度検出素子をブラシレスＤＣモータに内蔵し、前記温度検出素子によって検出した温度により固定子に流れる電流を補正して制御する演算手段を備えたことを特徴とする請求項４に記載のブラシレスＤＣモータ。
6. 演算手段は、温度検出素子によって検出した温度がある温度を超えた時、駆動手段を停止させることを特徴とする請求項５記載のブラシレスＤＣモータ。
7. 演算手段は、停止を通知する表示手段を設けたことを特徴とする請求項６記載のブラシレスＤＣモータ。
8. 請求項１から７の何れかに記載のブラシレスＤＣモータを搭載した換気送風装置。

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