JP2010183797A - 電力変換装置、それを内蔵した駆動回路内蔵モーター、並びに、その駆動回路内蔵モーターを搭載した換気扇、空気調和機の室内機、空気調和機、ポンプ及びそのポンプを搭載した給湯機 - Google Patents
電力変換装置、それを内蔵した駆動回路内蔵モーター、並びに、その駆動回路内蔵モーターを搭載した換気扇、空気調和機の室内機、空気調和機、ポンプ及びそのポンプを搭載した給湯機 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】電力変換装置27における半月形のプリント基板21のステーター側の面に、ホールIC5及び専用IC6が面実装部品として実装し、反ステーター側の面には、パワーIC7及びプリント基板21からの入出力線をまとめたモーター外部接続リード19を実装した。
【選択図】図2
Description
また、奥行き150mmから300mmの家庭用エアコンの室内機で使用されるΦ100mm以下の小径のモーターでは、ホール素子センサーをステーター側に実装する必要があり、プリント基板のステーター側の面にその他の部品を実装するスペースが著しく少なくなるという問題もあった。
また、ホール素子センサーとステーターを磁気的に結合させるため、プリント基板とステーターを近接させる必要があり、基板にどうしてもベアリングを貫通させる穴が必要となり、Φ100mm以下の小径モーターではプリント基板上に部品を載せたり、銅パターンによる配線を行うためのスペースが著しく極めて少なくなるという問題もあった。
また、実装スペースを稼ぐため、プリント基板の両面に部品を実装する方法が考えられるが、小型で実装面積を稼ぎやすい面実装部品を用いた場合、その両面に面実装部品を実装する必要があり、その場合半田付けの工程が2工程となり、高コストとなるという問題もあった。
そして、実装度を上げるため、専用IC、マイコン、ゲートドライバーIC、ホール素子センサー、抵抗及びコンデンサー等を面実装部品として、基板の両面に配置した場合、その基板をステーターと一体化しモールドした場合、反ステーター側の面実装部品とプリント基板の電気的結合をとるために用いる半田が樹脂の熱収縮応力により長期使用した場合切れやすくなるといった問題もあった。
特許文献1においては、スイッチ素子にMOSFETを用いることでIGBTに比べ低損失となるとの記載があるが、実際それが成り立つのは以下の条件である。
I:スイッチ素子電流
VCEsat:IGBTのON電圧
Ron:MOSFETのON抵抗
また、第二の目的は、プリント基板の回路の半田付け作業負担を低減し、製造コストを低減することができる電力変換装置及びそれを内蔵した駆動回路内蔵モーターを得ることである。
また、第三の目的は、応力に対し半田が切れやすい面実装部品をステーター側の面に集めることができ、熱履歴に対して半田寿命が高く、信頼性の高い電力変換装置及びそれを内蔵した駆動回路内蔵モーターを得ることである。
そして、第四の目的は、上記の駆動回路内蔵モーターを搭載した換気扇、空気調和機の室内機、空気調和機、ポンプ及びそのポンプを搭載した給湯機を得ることである。
また、プリント基板のステーター側の面に面実装部品を集め、リード部品を反ステーター側の面に集めたことによって、プリント基板の回路の半田付け作業は、反ステーター側の面のみの一回で済み、電力変換装置の製造コストを低減することができる。
さらに、高圧部品をパワーICに集約し、そのパワーICをプリント基板の反ステーター側の面に配置したことによって、応力に対し半田が切れやすい面実装部品をステーター側の面に集めることができ、熱履歴に対して半田寿命が高く、信頼性の高い電力変換装置を得ることができる。
(電力変換装置の回路構成)
図1は、本発明の実施の形態1に係る電力変換装置の回路図である。
図1において、商用電源を整流した直流100V〜350Vの高圧電源1及びDC20V〜3.3Vの低圧安定化電源が供給される低圧電源供給線2が、パワーIC7に接続されている。また、制御マイコン(図示せず)等からの出力電圧指令又は後述するモーター8の回転数指令が入力される指令入力端子3及びパワーIC7によって駆動されるモーター8の回転数に応じたパルスが出力されるFG信号出力端子4が、低耐圧PN接合プロセスの半導体によって作られる専用IC又はマイコン(以下、専用IC6)に設けられている。
図2は、本発明の実施の形態1に係る電力変換装置の構造図である。このうち、図2(a)はステーター側からの見取り図であり、図2(b)は反ステーター側からの見取り図である。両図は、位置関係がわかりやすいように左右反転して記載してある。
図2で示されるように、半月形のプリント基板21のステーター側の面には、前述のホールIC5及び専用IC6が面実装部品として実装されている。一方、プリント基板21の反ステーター側の面には、前述のパワーIC7及びプリント基板21からの入出力線をまとめたモーター外部接続リード19が実装されている。このモーター外部接続リード19によって、図1における高圧電源1及び低圧電源供給線2の電力線、並びに、指令入力端子3及びFG信号出力端子4に接続された通信線がまとめられている。また、プリント基板21の周縁部には、ステーターと電気的に接続するためのモーター端子22が設置されている。また、プリント基板21の中央部には、後述するモーターシャフトを貫通させるための穴であるモーターシャフト貫通用穴26が設けられている。以上のような構成で、電力変換装置27が構成されている。
また、プリント基板21のステーター側の面に面実装部品を集め、リード部品を反ステーター側の面に集めたことによって、プリント基板21上の回路の半田付け作業は、反ステーター側の面のみの一回で済み、電力変換装置27の製造コストを低減することができる。
そして、プリント基板21上のパワーIC7内のスイッチ素子12〜スイッチ素子17について、MOSFETを配置するかIGBTを配置するかについては、パワーIC7内部の同じ位置に載せ替えるだけでよく、例えば、電流容量の小さな家庭用エアコン又は電流容量の大きな業務用エアコンに搭載されるモーターに対し本実施の形態に係る電力変換装置27を搭載することができる。
図3で示されるように、半月形のプリント基板21が6個、一つの長方形基板28上に形成されている。
図4は、本発明の実施の形態1に係る電力変換装置を搭載した駆動回路内蔵モーターの構造図である。
図4で示されるように、プリント基板21の下方に、電磁鋼板を積層したステーターコアに銅線又はアルミ線を巻いた外径が100mm以下のステーター20が設置されており、そのステーター20及びプリント基板21は、モーター端子22によって電気的に接続されている。また、前述のようにプリント基板21において、そのステーター20側の面には、ホールIC5及び専用IC6が面実装部品として実装されており、ステーター20側の反対側の面には、パワーIC7及びモーター外部接続リード19が実装され、電力変換装置27を構成している。そして、ステーター20及び電力変換装置27を一体構造に保持し封止するためにモールド樹脂23が形成されている。そのモールド樹脂23の中央上部には、モールド樹脂で形成され、ベアリングを保持するためのベアリングハウジング24が設置されている。円環状のステーター20の内側は、モールド樹脂が充填されていないローター貫通用穴25が形成されている。そのローター貫通用穴25には、ローター30が設置されており、そのローター30の中心を通ってモーターシャフト31が設置されている。このモーターシャフト31は、ベアリングハウジング24に収納されているベアリング(図示せず)と結合するために、プリント基板21のモーターシャフト貫通用穴26を貫通している。以上のような構成で、駆動回路内蔵モーター18が構成されている。
また、高圧部品を集約したパワーIC7を、プリント基板21のステーター20側の反対側の面に実装したことで、ステーター20側に実装集約性の高い面実装部品を効率よく配置できたことで、外径が100mm以下の円形のステーター上に半月形のプリント基板21を配置することができる。
そして、スイッチ素子12〜スイッチ素子17としてのMOSFETのオン抵抗Ronは素子温度に対し単調増加となることは一般的に知られているが、本実施の形態では発熱源であるステーター20に対し熱抵抗の大きなプリント基板21を介し、温度の低い駆動回路内蔵モーター18表面側にスイッチ素子12〜スイッチ素子17を内蔵したパワーIC7を配置する構成としているため、スイッチ素子12〜スイッチ素子17にMOSFETを用いた場合、特に損失の低い電力変換装置27を得る事ができる。
(電力変換装置の構造)
図5は、本発明の実施の形態2に係る電力変換装置の構造図である。このうち、図5(a)はステーター側からの見取り図であり、図5(b)は反ステーター側からの見取り図である。両図は、位置関係がわかりやすいように左右反転して記載してある。本実施の形態においては、実施の形態1との相違点を中心に説明する。
図5で示されるように、円形で実施の形態1におけるプリント基板21よりも外形が小さいプリント基板21aのステーター側の面に、ホールIC5及び専用IC6が面実装部品として実装されている。一方、プリント基板21aの反ステーター側の面には、パワーIC7及びモーター外部接続リード19が実装されている。
以上のような電力変換装置27の構成においては、高圧部品である9〜17が一体化されたパワーIC7と、高圧結線を含むモーター外部接続リード19が、プリント基板21aの反ステーター側に配置されるため、ステーター側の部品実装領域には低圧部品のみの配置構成とすることができ、小径のプリント基板21aのステーター側の面を、低圧部品実装のために有効に使用することが可能となる。
また、プリント基板21aを半月形ではなく、円形かつ小径化したことで、実施の形態1よりも小径の駆動回路内蔵モーター18を得ることができる。
(電力変換装置の構造)
図6は、本発明の実施の形態3に係る電力変換装置の構造図である。このうち、図6(a)はステーター側からの見取り図であり、図6(b)は反ステーター側からの見取り図である。両図は、位置関係がわかりやすいように左右反転して記載してある。本実施の形態においては、実施の形態1との相違点を中心に説明する。
図6で示されるように、半月形のプリント基板21にステーター側の面には、ホールIC5、専用IC6及びパワーIC7が面実装部品として実装されている。一方、プリント基板21の反ステーター側の面には、モーター外部接続リード19のみが実装されている。
図7は、本発明の実施の形態3に係る電力変換装置を搭載した駆動回路内蔵モーターの構造図である。ここでは、実施の形態1における図4で示される駆動回路内蔵モーターの構造との相違点を中心に説明する。
図7で示されるように、プリント基板21において、そのステーター20側の面には、ホールIC5、専用IC6及びパワーIC7が面実装部品として実装されており、ステーター20側の反対側の面には、モーター外部接続リード19のみが実装されている。図6で示される電力変換装置27は、実施の形態1及び実施の形態2に係る電力変換装置27よりも薄型に構成されているため、図7で示されるように、ステーター20におけるステーターコアの幅を大きくした構成となっている。以上のような構成で、駆動回路内蔵モーター18が構成されている。
(換気扇の構造)
図8は、本発明の実施の形態4に係る駆動回路内蔵モーターを搭載した換気扇の構造図である。
図8で示されるように、円形のプリント基板21aにおいて、そのステーター20側の面に、ホールIC5及び専用IC6が面実装部品として実施されており、ステーター20側の反対側の面には、図1における高圧部品である9〜17及び高圧の商用電源を整流するためのダイオードブリッジを内蔵したパワーIC7、そして、モーター外部接続リード19(図示せず)が実装されている。この円形のプリント基板21aの中央部にはモーターシャフト貫通用穴26(図示せず)が設けられている。以上のような構成で、電力変換装置27が構成されており、実施の形態1における図4で示された構成と同様の構成によって駆動回路内蔵モーター18が構成されている。
まず、電力変換装置27によって生成する交流電圧によってローター30に取り付けられるモーターシャフト31が回転駆動する。そのモーターシャフト31に取り付けられたシロッコファン34も、モーターシャフト31の回転駆動に伴い回転する。前述の換気扇金属筐体33は、外部へ空気を排出する排出口まで導くダクト(図示せず)に接続されており、このシロッコファン34の回転によって、室内の空気が換気扇金属筐体33内に送り込まれ、さらにその空気はダクトを流通して、排出口を介して外部に排出される。
以上の構成によって、プリント基板21aにおけるステーター20側の反対側の面に、商用電源の整流用のダイオードブリッジを内蔵したパワーIC7内やその他高圧部品を実装したことと、そのプリント基板21aが円形であることによって、実施の形態1〜実施の形態3に係る電力変換装置27よりもステーター20側の反対側の面に、部品実装領域に余裕ができ、例えば、平滑用のコンデンサー等(図示せず)の交流直流変換部品も一枚のプリント基板21a上に実装できる。したがって、交流直流変換部品の実装スペースがとれない換気扇等の機器にも搭載可能な、交流直流変換部品も内蔵した駆動回路内蔵モーター18を得ることができる。
また、本実施の形態に係る換気扇40に搭載された駆動回路内蔵モーター18における電力変換装置27において、その構成要素であるパワーIC7にダイオ−ドブリッジが内蔵されているものを説明したが、これに限られるものではなく、実施の形態1〜実施の形態3に係る電力変換装置27を内蔵した駆動回路内蔵モーター18が換気扇40に搭載されるものとしてもよい。
さらに、上記の説明における電力変換装置27を構成するプリント基板は、円形のプリント基板21aとしたが、これに限られるものではなく、実施の形態1又は実施の形態3における半月形のプリント基板21が使用される構成としてもよい。
(空気調和機の構造)
図9は本発明の実施の形態5に係る空気調和機の全体外観図であり、図10は同空気調和機における室内機の横断面図である。
図9で示される空気調和機100において、室内機50は冷媒配管51を介して室外機60に接続されている。また、室内機50には、後述する室内機送風機54が内蔵されており、室外機60には、室外機送風機61が設置されている。
また、図10で示されるように、室内機50の内部には、室内空気と冷媒との間で熱交換を実施する熱交換器52、及び、室内機50の上面に備えられた吸込口53から室内空気を室内機50内部に吸込み、熱交換器52を通過させて熱交換された調和空気とし、その調和空気を室内に吹出す室内機送風機54が固定されている。熱交換器52は、折り曲げられた構成となっており、室内機送風機54を囲うように設置されている。室内機送風機54は、室内機50の長手方向に延びる態様で固定されているラインフローファンである。そして、室内機送風機54には、例えば、その回転駆動をさせるため実施の形態2に係る電力変換装置27が搭載された駆動回路内蔵モーター18が連結されている。また、室内機送風機54の下部は、前述した調和空気が流通する吹出風路55が形成されており、その吹出風路55を流通する調和空気を外部に排出するための吹出口56が、室内機50の下部、かつ、室内機50の長手方向に延びる態様で備えられている。
次に、室内機50の基本的な動作について説明する。
使用者がリモコン等を操作することによって空気調和機100の運転開始が指令されると、室内機送風機54に連結された駆動回路内蔵モーター18が回転駆動し、その回転に連動して室内機送風機54が回転駆動する。この室内機送風機54の回転によって室内空気が吸込口53から吸い込まれる。吸い込まれた室内空気は、室内機送風機54の連続的な回転によってさらに熱交換器52を通過し、この熱交換器52内部を流通する冷媒と熱交換される。この熱交換器52は、空気調和機100の運転が冷房運転の場合は蒸発器として機能し、熱交換器52の内部の冷媒が蒸発するため、通過する室内空気は冷却される。一方、暖房運転の場合は、凝縮器として機能し、通過する室内空気は加熱される。このように、室内機50に吸い込まれた室内空気は、熱交換器52を通過する際に、熱交換器52によって熱交換され、使用者が要求する調和空気となる。熱交換器52を通過した調和空気は、室内機送風機54の連続的な回転によって、吹出風路55を通過して吹出口56から室内に吹き出される。また、この室内機送風機54に連結された駆動回路内蔵モーター18の回転数が変化することによって、吹き出される調和空気の風量が調整される。
以上のような構成のように、空気調和機100、特に室内機50における室内機送風機54に実施の形態2に係る駆動回路内蔵モーター18を連結し搭載することによって、室内機50のサイズダウンを可能とし、窓上と天井の間が狭い室内においても設置可能な空気調和機を得ることができる。
また、本実施の形態における空気調和機100においては、前述のようにサイズダウンが可能であるので、室内の壁からの出っ張りの小さな室内機50を得ることができ、設置された室内において、使用者に室内機50の出っ張りによる圧迫感を感じさせない意匠性の高い空気調和機を得ることができる。
また、本実施の形態に係る空気調和機100の室内機50における室内機送風機54に連結されるモーターとして、実施の形態2に係る電力変換装置27が搭載された駆動回路内蔵モーター18が使用される構成を説明したが、これに限られるものではなく、実施の形態1、実施の形態3又は実施の形態4に係る電力変換装置27が搭載された駆動回路内蔵モーター18が使用される構成としてもよい。
さらに、上記の説明において、駆動回路内蔵モータ−18は、室内機50における室内機送風機54に連結される構成を説明したが、これに限られるものではなく、室外機60における室外機送風機61に連結され使用される構成としてもよい。
(給湯機の全体構成)
図11は、本発明の実施の形態6に係る給湯機の全体構成図である。
本実施の形態に係る給湯機70は、冷凍サイクル部80及び蓄熱回路部90によって構成されている。
冷凍サイクル部80は、圧縮機81、水−冷媒熱交換器82、膨張弁83、空気熱交換器84、アキュムレーター85及び空気熱交換器84に取り付けられた送風機86によって構成されている。また、圧縮機81、水−冷媒熱交換器82、膨張弁83、空気熱交換器84及びアキュムレーター85の順に冷媒配管によって環状に接続されて冷媒回路が形成されている。
蓄熱回路部90は、水−冷媒熱交換器82、その水−冷媒熱交換器82によって加熱された水を貯めるタンク91及びそのタンク91から流出した水を送り出すポンプ92によって構成されている。ポンプ92には、その回転駆動をさせるため実施の形態1〜実施の形態4のいずれかに係る駆動回路内蔵モーター18が連結されている。また、水−冷媒熱交換器82に導通している水配管は、冷媒回路の冷媒配管とは分離しており、水−冷媒熱交換器82、その水−冷媒熱交換器82によって加熱された水を貯めるタンク91及びそのタンク91から流出した水を送り出すポンプ92を順に水配管によって環状に接続されて水循環回路が形成されている。
まず、冷凍サイクル部80の基本動作を説明する。
圧縮機81から吐出された高温高圧のガス冷媒は、水−冷媒熱交換器82へ流入し、水配管を流通する水に対し放熱して熱交換を実施し凝縮する。その凝縮した液冷媒は、膨張弁83によって減圧され、低圧の気液二相冷媒又は液冷媒となって、空気熱交換器84に流入する。この空気熱交換器84において、低圧の冷媒は、送風機86によって送られる外気から熱を吸収して蒸発し、ガス冷媒となる。このガス冷媒は、アキュムレーター85において一時蓄積され、再び圧縮機81に吸入される。以後、この動作を繰り返す。
水循環回路を流通する水は、ポンプ92によって水−冷媒熱交換器82に送られ、その水−冷媒熱交換器82において冷媒回路からの放熱によって温められる。その温められた水は、タンク91に流入し貯水される。このタンク91に貯められた水は、再びポンプ92に送られる。以後、この動作を繰り返す。
以上の構成によって、実施の形態1〜実施の形態4と同様の効果を有する駆動回路内蔵モーター18を備えた給湯機を得ることができる。
Claims (19)
- ステーターを有するブラシレスモーターの回転を検出するセンサーと、
該センサーの出力信号及び外部からの指令信号が入力され、制御信号を生成し出力する周辺回路と、
高圧部品によって構成され、そして、前記周辺回路の前記制御信号に基づいて前記ブラシレスモーターを回転駆動させるパワー回路と、
前記センサー、前記周辺回路及び前記パワー回路が実装された基板と、
を備え、
前記基板は、前記ステーターに対向するように配置され、
前記センサー及び前記周辺回路は、面実装部品であり、前記基板の前記ステーター側の面に実装され、
前記パワー回路は、前記基板の前記ステーター側の反対側の面に実装された
ことを特徴とする電力変換装置。 - 前記周辺回路は、低耐圧PN接合プロセスの半導体によって作られるプリドライブIC又はマイコンである
ことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。 - 前記パワー回路は、商用電源を整流するためのダイオードブリッジを内蔵した
ことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の電力変換装置。 - 前記パワー回路は、ゲートドライブIC及び6つのスイッチ素子を内蔵した一体構造のパワーICである
ことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の電力変換装置。 - 前記パワー回路は、
前記ゲートドライブICによって前記周辺回路から入力する制御信号を増幅させ、
該増幅された制御信号を前記6つのスイッチ素子のそれぞれのゲートに出力して、前記6つのスイッチ素子の開閉動作を制御することによって前記ブラシレスモーターを駆動させる
ことを特徴とする請求項4記載の電力変換装置。 - 前記ゲートドライブIC及び前記6つのスイッチ素子は、高耐圧PN接合プロセスによって作られる
ことを特徴とする請求項4又は請求項5記載の電力変換装置。 - 前記6つのスイッチ素子のうち、3素子は、それぞれのドレインが直流電源の正側に接続され、残りの3素子は、それぞれのソースが前記直流電源の負側に接続され、前記3素子のそれぞれのソース及び前記残りの3素子のそれぞれのドレインは、前記ブラシレスモーターにおける駆動巻線の各相端子に接続される
ことを特徴とする請求項4〜請求項6のいずれかに記載の電力変換装置。 - 前記6つのスイッチ素子のうち、3つ以上の素子がMOSFETである
ことを特徴とする請求項4〜請求項7のいずれかに記載の電力変換装置。 - 前記6つのスイッチ素子のうち、3つ以上の素子がIGBTである
ことを特徴とする請求項4〜請求項7のいずれかに記載の電力変換装置。 - 前記基板は、半月形である
ことを特徴とする請求項1〜請求項9のいずれかに記載の電力変換装置。 - 前記基板は、円形である
ことを特徴とする請求項1〜請求項9のいずれかに記載の電力変換装置。 - 前記パワー回路は、
面実装部品であり、
前記基板の前記ステーター側の反対側の面に実装されるのに代えて、前記基板の前記ステーター側の面に実装された
ことを特徴とする請求項1〜請求項11のいずれかに記載の電力変換装置。 - 請求項1〜請求項12のいずれかに記載の電力変換装置と、
ステーターを有するブラシレスモーターと、
を備え、
前記電力変換装置及び前記ステーターは、電気的に接続され、樹脂によって封止された
ことを特徴とする駆動回路内蔵モーター。 - 前記ステーターの外径が100mm以下である
ことを特徴とする請求項13記載の駆動回路内蔵モーター。 - 請求項13又は請求項14記載の駆動回路内蔵モーターを搭載した
ことを特徴とする換気扇。 - 請求項13又は請求項14記載の駆動回路内蔵モーターを搭載した
ことを特徴とする空気調和機の室内機。 - 請求項13又は請求項14記載の駆動回路内蔵モーターを搭載した
ことを特徴とする空気調和機。 - 請求項13又は請求項14記載の駆動回路内蔵モーターを搭載した
ことを特徴とするポンプ。 - 請求項18記載のポンプを搭載した
ことを特徴とする給湯機。
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