JP2010124925A - 電気掃除機 - Google Patents

Abstract

【課題】掃除負荷に応じて回転数、電流、電力制御を切り替え、安定して効率の高い電気掃除機を実現すること。
【解決手段】ブラシレスモータに流れる電流値から負荷量を推定する機能を有した負荷量推定手段と、負荷量推定手段により推定された負荷量に応じてインバータ回路の制御量を回転数、電流、電力と変更する機能を有した制御モード切替手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気掃除機に関し、特に送風ファンを回転させるブラシレスモータをインバータ回路により駆動する電気掃除機に関する。

一般的な電気掃除機は、ファンとブラシモータが用いられているが、ブラシモータは、そのブラシと整流子からなる機械的摺動を伴うため、近年のモータの高速化により、ブラシからのスパークがブラシの寿命を低下させることが問題となっている。

これに対する新しい技術として、ブラシレスモータを用いた電気掃除機が提案されている。例えば、特許文献１に記載された電気掃除機においては、インバータ制御するブラシレス直流電動機を用い、負荷状態を判断し、この負荷状態の軽負荷及び重負荷時にパワーセーブを行うことにより、掃除待機状態における静音化、省電力化を図るものであった。
特開昭６３−２４９４８７号公報

しかしながら、このような電気掃除機においては、負荷状態に対して行う制御方法がパワーセーブのみを実現するものであった。そのため、掃除状態とパワーセーブ状態の切り替えを確実に行うことができなかった。実際に、電動掃除機により高性能な掃除運転を実現するためには、パワーセーブを実現するだけではなく、掃除の待機状態を保つ、さらにそれを実現しながら負荷状態を正確に推定しながらパワーセーブを確実に実現することが必要であった。そのための制御方法をうまく行わないと、パワーセーブ状態になった後、通常の掃除運転に復帰することができない、負荷状態が確実に推定できないなどの不具合を生ずるものであった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、電動掃除機、特にファンモータがインバータにより可変速制御されるものにおいて、電気掃除機の無駄な運転を少なくすると共に、通常負荷時には、最大限に安定して掃除能力を発揮させる電気掃除機を実現することを目的としている。

本発明に係る電気掃除機は、交流電源もしくは直流電源を入力し、所望の周波数の交流電圧に変換して出力するインバータ回路と、前記インバータ回路により駆動されるブラシレスモータと、前記ブラシレスモータにより駆動される送風ファンとを有する電気掃除機であって、前記ブラシレスモータに流れる電流値から負荷量を推定する負荷量推定手段と、推定した負荷量に応じてインバータ回路の制御量を変更する機能を有した制御モード切替手段とを有するものである。

このことにより、電気掃除機の負荷量を推定し、その値に応じてインバータの制御量を変更するため、掃除能力を最大にするとともに、無駄な電力を消費せずに効率が高く、さらに安定した掃除機能を有する電気掃除機が実現される。

以上のように本発明によれば、軽負荷、過負荷の場合においても確実に無駄な電力を消費せずに効率が高く、安定した掃除機能を有するとともに、掃除時には最大限の能力で掃除機能を発揮する電気掃除機が実現される。

第１の発明は、交流電源もしくは直流電源を入力し、所望の周波数の交流電圧に変換して出力するインバータ回路と、前記インバータ回路により駆動されるブラシレスモータと、前記ブラシレスモータにより駆動される送風ファンとを有する電気掃除機であって、前記ブラシレスモータに流れる電流値から負荷量を推定する負荷量推定手段と、推定した負荷量に応じてインバータ回路の制御量を変更する機能を有した制御モード切替手段とを有する電気掃除機である。

このことにより、電気掃除機の負荷量を推定し、その値に応じてインバータの制御量を変更するため、掃除能力を最大にするとともに、無駄な電力を消費せずに効率が高く、さらに安定した掃除機能を有する電気掃除機が実現される。

第２の発明は、特に、第１の発明の制御モード切替手段が、負荷量推定手段により推定された負荷量が第一の所定の値よりも低い場合には、ブラシレスモータの回転数を制御量とするもので、無負荷の場合にでも無駄な電力を消費せずに効率が高く、安定した掃除機能を有する電気掃除機が実現される。

第３の発明は、特に、第１の発明の制御モード切替手段が、前記負荷量推定手段により推定された負荷量が第一の所定の値よりも低い場合には、前記インバータ回路の出力を停止するもので、無負荷の場合にでも無駄な電力を消費せずに効率が高く、安定した掃除機能を有する電気掃除機が実現される。

第４の発明は、特に、第１の発明の制御モード切替手段が、負荷量推定手段により推定された負荷量が第二の所定の値よりも高い場合には、前記ブラシレスモータの電流を制御量とするもので、過負荷の場合にでも無駄な電力を消費せずに効率が高く、安定した掃除機能を有する電気掃除機が実現される。

第５の発明は、特に、第１の発明の制御モード切替手段が、前記負荷量推定手段により推定された負荷量が第一の所定の値よりも大で、かつ第二の所定の値よりも小である場合には、前記インバータ回路の電力を制御量とするもので、掃除時には最大限の能力で掃除機能を発揮する電気掃除機が実現される。

第６の発明は、特に、第２〜第５のいずれか１つの発明の制御モード切替手段が、制御量を切換える負荷量の第一の所定の値が、掃除機吸込流の抵抗がない状態にある場合の値であり、第二の所定の値が、掃除機吸込流が閉塞状態にある場合の値であるもので、掃除機能を確実に実現するとともに、無駄な電力を消費せずに効率が高く、安定した掃除機能を有する電気掃除機が実現される。

第７の発明は、交流電源もしくは直流電源を入力し、所望の周波数の交流電圧に変換して出力するインバータ回路と、前記インバータ回路により駆動されるブラシレスモータと、前記ブラシレスモータにより駆動される送風ファンとを有する電気掃除機であって、吸入口と床との近接度を計測し掃除負荷量を推定する掃除負荷量測定手段と、前記掃除負荷量測定手段により測定された負荷測定量に応じてインバータ回路の制御量を変更する制御モード切替手段とを有することを特徴とする電気掃除機である。

このことにより、電気掃除機の負荷量を測定し、その値に応じてインバータの制御量を変更するため、確実に掃除能力を最大にするとともに、無駄な電力を消費せずに効率が高く、さらに安定した掃除機能を有する電気掃除機が実現される。

第８の発明は、特に、第７の発明の掃除負荷量測定手段が、吸入口と床との距離が小であるほど負荷測定量が大であるように測定し、距離が大であるほど負荷測定量が小であるように測定するもので、電気掃除機の負荷量を吸入口と床との距離から測定し、その値に応じてインバータの制御量を変更するため、確実に掃除能力を最大にするとともに、無駄な電力を消費せずに効率が高く、さらに安定した掃除機能を有する電気掃除機が実現される。

第９の発明は、特に、第７または第８の発明の前記制御モード切替手段が、前記掃除負荷量測定手段により測定された負荷測定量が第一の所定の値よりも低い場合には、前記ブラシレスモータの回転数を制御量とするもので、無負荷の場合においても確実に無駄な電力を消費せずに効率が高く、安定した掃除機能を有する電気掃除機が実現される。

第１０の発明は、特に、第７または第８の発明の制御モード切替手段が、前記掃除負荷量測定手段により測定された負荷測定量が第一の所定の値よりも低い場合には、前記インバータ回路の出力を停止するもので、無負荷の場合においても確実に無駄な電力を消費せずに効率が高く、安定した電気掃除機能を有する電気掃除機が実現される。

第１１の発明は、特に、第７または第８の発明の制御モード切替手段が、掃除負荷量測定手段により推定された負荷測定量が第二の所定の値よりも高い場合には、前記ブラシレスモータの電流を制御量とすることで、過負荷の場合においても確実に無駄な電力を消費せずに効率が高く、安定した掃除機能を有する電気掃除機が実現される。

第１２の発明は、特に、第７または第８の発明の制御モード切替手段が、前記掃除負荷量測定手段により推定された負荷測定量が第一の所定の値よりも大で、かつ第二の所定の値よりも小である場合には、前記インバータ回路の電力を制御量とするもので、掃除時には最大限の能力で掃除機能を発揮する電気掃除機が実現される。

第１３の発明は、特に、第１〜第１２のいずれか１つの発明のインバータ回路の電力が所定の値以下となる様に前記ブラシレスモータの回転数もしくは出力トルクを設定する機能を有した電力制限手段を有するもので、掃除能力を最大にすることができる。

第１４の発明は、特に、第１３の発明の電力制限手段が制限する前記インバータ回路の電力量が、交流電源もしくは直流電源の電力の最大値であるもので、電源容量の中で掃除能力を最大にすることができる。

第１５の発明は、特に、第１〜第１２のいずれか１つの発明のブラシレスモータの回転数が所定の値以下となる様に前記インバータ回路の出力トルクを設定する回転数制限手段を有するもので、ブラシレスモータの過回転を防止することができる。

第１６の発明は、特に、第１５の発明の回転数制限手段が制限する回転数が、前記ブラシレスモータにより駆動される送風ファンの最大回転数であるもので、送風ファンの過回転を防止することができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、この実施の形態に係る電気掃除機の構成を示すブロック図である。

交流電源１から入力された電源は、整流回路２により整流された後、平滑コンデンサ３を通して平滑化された直流電力として、インバータ回路４により所望の交流に変換された
後、ファン５を負荷とするブラシレスモータ６を回転駆動する。ブラシレスモータ６に流れる電流を検出する電流検出手段７により検出された電流値を用いて、電流制御手段１０は、ブラシレスモータ６に流れる電流を所定の値となるように制御する。制御は、インバータ回路４が出力する交流電圧を変化させるために、インバータ回路４に含まれるスイッチング素子のパルス幅を変調することによる行われる。

ブラシレスモータ６の負荷となるファン５の回転数は、回転数検出手段８により検出され、回転数制御手段１１は、検出された回転数の値を所定の値となるように制御を行う。この場合も制御は、インバータ回路４に含まれるスイッチング素子のパルス幅を変調することによる行われる。

インバータ回路４に入力される電力量は、交流電源１からの入力部に設置された電力量検出手段９により検出され、電力制御手段１２は、検出された電力の値を所定の値となるように制御を行う。この場合も制御は、インバータ回路４に含まれるスイッチング素子のパルス幅を変調することによる行われる。

一方、負荷推定手段１３は、電流検出手段７により検出された電流値を用いて、電気掃除機のファン５の負荷を推定する。電気掃除機のファン５の負荷は、吸込み口が閉塞されることにより最大となり、吸込み口が完全に解放されることにより最小となるように規定する。通常、吸込み口が完全に解放されると、それにより回転数が増大し、消費電力量が増えるが、ここで定義する負荷量は、ファン５の風圧、つまりそれを駆動するブラシレスモータ６のトルクで考え、電気掃除機のファンにかかる負荷と定義する。従って、負荷量はブラシレスモータ６のトルクに比例する電流量で推定することができる。

図２は、この実施の形態に係る電気掃除機の負荷推定手段の推定原理を表す特性図である。電気掃除機のようなファンによる駆動負荷は、一般的に次のように考えられる。つまり、単位時間当りの回転数Ｗに対する負荷トルクＴは、下記（式１）の式で求められる。

Ｔ＝α×Ｗ^２ ・・・ （式１）
α：比例定数
しかしながら、ファンの負荷、例えば、風路抵抗の違いなどによりその比例定数は変化する。一般的なモータのトルクと電流は比例するので、電流Ｉとの間で下記（式２）の関係が得られる。

Ｉ＝Ｃ×Ｗ^２ ・・・ （式２）
Ｃ：比例定数
そして、ファンの負荷に対して、図２に示す、負荷１、負荷２、負荷３の曲線のように電流は変化する。最も負荷が大きい場合には、負荷１のような曲線となり、最も負荷が少ない場合には、負荷３のような曲線となる。従って、単位時間当りの回転数Ｗに対する、ブラシレスモータ６を流れる電流値の関係を（式２）関係式に当てはめ、比例定数Ｃを求めることにより、その比例定数よりブラシレスモータ６の負荷、つまりファン５の負荷を推定することができる。

図３は、この実施の形態に係る電気掃除機の制御状態の原理を表す特性図である。前記負荷推定手段１３により求められた負荷量に対し、制御モード切替手段１４は、図に示すような制御状態となる様に制御の切り替えを実施する。つまり、求められた負荷量Ｆが、（式３）の関係を示す場合には、電力量を制御する。

Ｆ１＜Ｆ＜Ｆ２ ・・・ （式３）
Ｆ１：第１の所定値の負荷量、Ｆ２：第２の所定値の負荷量
ここで、与えられる所定の負荷量Ｆ１、Ｆ２は、それぞれ、以下のような値に設定される。つまり、負荷量Ｆ１は、電気掃除機の負荷が充分に低い状態となる値に設定される。たとえば、電気掃除機の吸い込み口を完全に開放した状態を想定した時の負荷量である。つまり、負荷量Ｆ１以下においては、電気掃除機は完全にアイドル状態となっており、掃除機能を果たしていない状態であると考える。一方、負荷量Ｆ２は、電気掃除機の負荷が充分に高い状態となる値に設定される。たとえば、電気掃除機の吸い込み口を完全に閉塞した状態を想定した時の負荷量である。つまり、負荷量Ｆ２以上においては、掃除機吸込流が完全に閉塞状態となっており、掃除機能を果たしていない状態であると考える。

負荷量Ｆが上記（式３）の関係を示す場合には、通常の掃除作業が行われている状態であるので、吸い込み仕事量を最大にするために、ブラシレスモータ６に供給する電力が最大限界値Ｐ１となるように制御する。これにより、最大限界値Ｐ１となる電力を電気掃除機の電源で発生させて、電気掃除機を最大の吸い込み仕事量で動作させ、電気掃除機の掃除能力を最大限に発揮することができる。

次に、求められた負荷量Ｆが下記（式４）の関係を示す場合には、回転数を制御する。

Ｆ＜Ｆ１ ・・・ （式４）
この状態においては、電気掃除機が、完全にアイドリング状態となっており、掃除機能を果たしていない。その場合においては、ファン５を回転させることは無駄な仕事をすることになるので、掃除の準備状態となる最低風量となるように回転数を回転数Ｗ１に制御する。このことにより、掃除作業をしているかどうかを判定するために必要な最低限の風量が確保されるとともに、無駄な電力消費が抑えられ、効率が高く、安定した掃除機能を有する電気掃除機が実現される。

さらに、求められた負荷量Ｆが下記（式５）の関係を示す場合には、電流を制御する。

Ｆ２＜Ｆ ・・・ （式５）
この状態においては、掃除機吸込流が完全に閉塞状態となっており、掃除機能を果たしていない。その場合においては、ファン５を回転させ、風圧を高めることは無駄な仕事をすることになるので、掃除機能を実現できる最適風圧となるように電流を電流Ｉ１に制御する。このことにより、電気掃除機が異常に閉塞されている時においても、掃除に必要な最適風圧を保ちつつ、無駄な仕事を発生させることなく、無駄な電力消費が抑えられ、効率が高く、安定した掃除機能を有する電気掃除機が実現される。

なお、図１において示した負荷推定手段１３は、ブラシレスモータ６を流れる電流により負荷を推定し、その値に従い制御モード切替手段１４が制御を切り替える最適な制御を実現したが、電気掃除機の吸い込み口に床面までの距離を測定する負荷測定手段を設けて実施しても良い。

図４は、本発明に係る電気掃除機の負荷測定手段２０の形態を表わす概要図である。図４に示すように、掃除機本体１６にホース１７及び延長管１８を介して繋がった吸込み口１９の床面側に負荷測定手段２０を設けている。この負荷測定手段２０は、吸い込み口１９と掃除対象となる床面との距離を測るセンサ、例えば近接センサである負荷測定手段２０を備えることにより、掃除負荷を直接測定することが可能である。掃除対象との間の距離により吸い込み負荷が変化するため、それによりファン６の負荷量は測定できる。たとえば、距離が大の場合には、吸込み口１９の風路抵抗は低いため、負荷は軽くなり、反対に距離が小の場合には、吸込み口１９が閉塞状態に近くなるため負荷は増大する。これにより負荷推定手段１３により推定した負荷量を直接、測定し、図３に示したのとどうようの制御が実現されることは明らかである。

このように、本実施の形態における電気掃除機においては、掃除作業を実施している状態においては最大限に掃除能力を高めるとともに、無負荷状態、閉塞状態のような状態においては、確実に無駄な電力を消費せずに効率が高く、安定した掃除機能を有する電気掃除機が実現されるものである。

以上説明したように本発明は、電気掃除機に関し、インバータ回路でファンモータを駆動する電気掃除機について有用である。

本発明の実施の形態１に係る電気掃除機の構成を示すブロック図 本電気掃除機の負荷推定手段の推定原理を表す特性図 本電気掃除機の制御状態の原理を表す特性図 本電気掃除機の負荷測定手段の形態を表わす概要図

符号の説明

１ 交流電源
２ 整流回路
３ 平滑コンデンサ
４ インバータ回路
５ ファン
６ ブラシレスモータ
７ 電流検出手段
８ 回転検出手段
９ 電力量検出手段
１０ 電流制御手段
１１ 回転数制御手段
１２ 電力制御手段
１３ 負荷推定手段
１４ 制御モード切替手段

Claims (16)

1. 交流電源もしくは直流電源を入力し、所望の周波数の交流電圧に変換して出力するインバータ回路と、前記インバータ回路により駆動されるブラシレスモータと、前記ブラシレスモータにより駆動される送風ファンとを有する電気掃除機であって、前記ブラシレスモータに流れる電流値から負荷量を推定する負荷量推定手段と、推定した負荷量に応じてインバータ回路の制御量を変更する機能を有した制御モード切替手段とを有することを特徴とする電気掃除機。
2. 前記制御モード切替手段は、前記負荷量推定手段により推定された負荷量が第一の所定の値よりも低い場合には、前記ブラシレスモータの回転数を制御量とすることを特徴とする請求項１記載の電気掃除機。
3. 前記制御モード切替手段は、前記負荷量推定手段により推定された負荷量が第一の所定の値よりも低い場合には、前記インバータ回路の出力を停止することを特徴とする請求項１記載の電気掃除機。
4. 前記制御モード切替手段は、前記負荷量推定手段により推定された負荷量が第二の所定の値よりも高い場合には、前記ブラシレスモータの電流を制御量とすることを特徴とする請求項１記載の電気掃除機。
5. 前記制御モード切替手段は、前記負荷量推定手段により推定された負荷量が第一の所定の値よりも大で、かつ第二の所定の値よりも小である場合には、前記インバータ回路の電力を制御量とすることを特徴とする請求項１記載の電気掃除機。
6. 前記制御モード切替手段が、制御量を切換える負荷量の第一の所定の値が、掃除機吸込流の抵抗がない状態にある場合の値であり、第二の所定の値が、掃除機吸込流が閉塞状態にある場合の値であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載の電気掃除機。
7. 交流電源もしくは直流電源を入力し、所望の周波数の交流電圧に変換して出力するインバータ回路と、前記インバータ回路により駆動されるブラシレスモータと、前記ブラシレスモータにより駆動される送風ファンとを有する電気掃除機であって、吸入口と床との近接度を計測し掃除負荷量を推定する掃除負荷量測定手段と、前記掃除負荷量測定手段により測定された負荷測定量に応じてインバータ回路の制御量を変更する制御モード切替手段とを有することを特徴とする電気掃除機。
8. 前記掃除負荷量測定手段は、吸入口と床との距離が小であるほど負荷測定量が大であるように測定し、距離が大であるほど負荷測定量が小であるように測定することを特徴とする請求項７記載の電気掃除機。
9. 前記制御モード切替手段は、前記掃除負荷量測定手段により測定された負荷測定量が第一の所定の値よりも低い場合には、前記ブラシレスモータの回転数を制御量とすることを特徴とする請求項７または８記載の電気掃除機。
10. 前記制御モード切替手段は、前記掃除負荷量測定手段により測定された負荷測定量が第一の所定の値よりも低い場合には、前記インバータ回路の出力を停止することを特徴とする請求項７または８記載の電気掃除機。
11. 前記制御モード切替手段は、前記掃除負荷量測定手段により推定された負荷測定量が第二の所定の値よりも高い場合には、前記ブラシレスモータの電流を制御量とすることを特徴
    とする請求項７または８記載の電気掃除機。
12. 前記制御モード切替手段は、前記掃除負荷量測定手段により推定された負荷測定量が第一の所定の値よりも大で、かつ第二の所定の値よりも小である場合には、前記インバータ回路の電力を制御量とすることを特徴とする請求項７または８記載の電気掃除機。
13. 前記インバータ回路の電力が所定の値以下となる様に前記ブラシレスモータの回転数もしくは出力トルクを設定する機能を有した電力制限手段を有することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電気掃除機。
14. 前記電力制限手段が制限する前記インバータ回路の電力量が、交流電源もしくは直流電源の電力の最大値であることを特徴とする請求項１３記載の電気掃除機。
15. 前記ブラシレスモータの回転数が所定の値以下となる様に前記インバータ回路の出力トルクを設定する回転数制限手段を有することを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電気掃除機。
16. 前記回転数制限手段が制限する回転数が、前記ブラシレスモータにより駆動される送風ファンの最大回転数であることを特徴とする請求項１５記載の電気掃除機。