JP2012125086A - ブラシレスｄｃモータとそれを搭載した送風装置 - Google Patents

Abstract

【課題】送風装置に搭載されるブラシレスＤＣモータにおいて、新たなインターフェースを追加することなく、待機時の耐ノイズ性を確保し、小型化を実現することを目的とする。
【解決手段】シーケンス制御手段１３は、ゲート信号生成部１１の出力前後で位置検出手段７の信号を安定電位から磁石回転子６の相対位置信号に切り換えるという構成にしたことにより、待機時は、シーケンス制御手段１３が速度指示信号に基づいて位置検出手段７の出力を安定電位にしてゲート信号生成部１１の入力部を安定電位とし、待機から起動時は、位置検出手段 の出力を磁石回転子の相対位置信号にしてゲート信号生成部の入力部を安定電位から切り換えることとなるので、新たなインターフェースを追加することなく、待機時の耐ノイズ性を確保し、小型化を実現することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、レンジフード、天井埋込み換気扇や浴室暖房換気扇等の換気装置、空気清浄機等の送風装置に搭載されるブラシレスＤＣモータとそれを搭載した送風装置に関するものである。

従来、この種のブラシレスＤＣモータを搭載した送風装置は、インバータ回路と呼ばれるモータ駆動回路をモータの本体に内蔵した高圧ＰＷＭモータが使用されるようになってきた。（例えば、特許文献１参照）。

以下、その高圧ＰＷＭモータを搭載した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７は、高圧ＰＷＭモータを駆動する制御系統を示したブロック図で、交流電源１０１から供給される交流電圧を整流手段１０２にて直流に変換、平滑コンデンサ１０３にて平滑化し、交流電源に対応した高圧の直流電圧をインバータ回路１０４に印加する。インバータ回路１０４は、６個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１０５を駆動している。ブラシレスＤＣモータ１０５は、３相の固定子巻線を備えている。ホール素子等のセンサ１０６は、ブラシレスＤＣモータ１０５の磁石回転子の位置を検出する。駆動手段１０７は、センサ１０６の出力に基づいてインバータ回路１０４のスイッチング素子の通電切換えを行う。マイクロコンピュータ１０８は、駆動手段１０７に所望の回転を得るための速度指示信号を与えてブラシレスＤＣモータ１０５を運転、停止させる。電圧変換手段１０９は、マイクロコンピュータ１０８や制御手段１０７等の制御系の低圧電源である。このブラシレスＤＣモータ１０５に与えられる電圧は、高圧の直流電圧を、駆動手段１０７より出力される速度指示信号に応じたＰＷＭパルスでオン、オフすることで変化し、回転数が変化することとなる。開閉手段１１０は、電圧変換手段１０９から駆動手段１０７までの電源経路に直列に挿入されており、マイクロコンピュータ１０８の信号で電源をＯＮ／ＯＦＦする。ここで、インバータ回路１０４とセンサ１０６と駆動手段１０７は、ブラシレスＤＣモータ１０５に内蔵されている。ブラシレスＤＣモータ１０５は、外部回路１１１により電源や指示を与えられ、マイクロコンピュータ１０８、開閉手段１１０、高圧の直流電源とそのＧＮＤは、リード線等のインターフェース１１２で接続されている。

特許第４１５３５８６号公報

このような回路を内蔵した従来のブラシレスＤＣモータ駆動回路を搭載した送風装置は、待機時の消費電力を削減する目的で、外部回路のマイクロコンピュータからの信号でモータに内蔵された駆動手段の電源をＯＦＦするので、駆動手段の出力、即ちインバータ回路の入力部はハイインピーダンスとなりノイズの影響を受けやすくなる。

また、起動時には、インバータ回路のスイッチング素子の破壊を防ぐために入力部分の電圧を十分確保する必要があるため駆動手段の電源ＯＮと速度指示のタインミングを制御するための回路とインターフェース、即ちリード線やコネクタや端子が必要となり、複雑となって機器の大型化を招くといった課題があった。

そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、新たなインターフェースを追加することなく、待機時の耐ノイズ性を持たせまま小型化を実現することができるブラシレスＤＣモータ駆動回路とそれを搭載した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、巻線を巻装した固定子と、磁石を備えた磁石回転子とを備えたブラシレスＤＣモータにおいて、前記固定子に対する磁石回転子の相対的位置を検出する位置検出手段と、ＤＣ電圧を前記固定子に通電するインバータ回路と、前記位置検出手段の信号に基づいて前記インバータ回路の駆動信号を生成する駆動信号生成部と、速度指示信号に基づいたデューティ比のＰＷＭパルスを生成するＰＷＭパルス生成部と、前記ＰＷＭパルス生成部と前記駆動信号生成部の信号との論理積から前記インバータ回路のゲート信号を生成するゲート信号生成部と、前記速度指示信号に基づいて前記位置検出手段の出力信号を制御するシーケンス制御手段を備え、前記シーケンス制御手段は、前記速度指示信号が停止から起動レベルに移行を開始したときに前記位置検出手段の信号を前記駆動信号生成部の入力部に対して安定となる安定電位から前記磁石回転子の相対位置信号に切り換え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、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、巻線を巻装した固定子と、磁石を備えた磁石回転子とを備えたブラシレスＤＣモータにおいて、前記固定子に対する磁石回転子の相対的位置を検出する位置検出手段と、ＤＣ電圧を前記固定子に通電するインバータ回路と、前記位置検出手段の信号に基づいて前記インバータ回路の駆動信号を生成する駆動信号生成部と、速度指示信号に基づいたデューティ比のＰＷＭパルスを生成するＰＷＭパルス生成部と、前記ＰＷＭパルス生成部と前記駆動信号生成部の信号との論理積から前記インバータ回路のゲート信号を生成するゲート信号生成部と、前記速度指示信号に基づいて前記位置検出手段の出力信号を制御するシーケンス制御手段を備え、前記シーケンス制御手段は、前記速度指示信号が停止から起動レベルに移行を開始したときに前記位置検出手段の信号を前記駆動信号生成部の入力部に対して安定となる安定電位から前記磁石回転子の相対位置信号に切り換えることを特徴とするブラシレスＤＣモータの構成にしたことにより、ブラシレスＤＣモータの待機時、即ち速度指示信号が停止レベルの時、シーケンス制御手段が速度指示信号に基づいて位置検出手段の出力を安定電位にしてゲート信号生成部の入力部を安定電位とする。また、ブラシレスＤＣモータの起動開始時、即ち速度指示信号が停止レベルから起動レベルに移行を開始したときに、位置検出手段の出力を磁石回転子の相対位置信号にしてゲート信号生成部の入力部を安定電位から切り換えることとなるので、新たなインターフェースを追加することなく、待機時の耐ノイズ性を確保し、小型化を実現す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のブラシレスＤＣモータを搭載した換気送風装置の構造外観図（（ａ）側面図、（ｂ）下面図、（ｃ）正面図） 同ブラシレスＤＣモータの概略回路ブロック図 同シーケンス制御手段のブロック図 同換気送風装置の回路構成図 同ブラシレスＤＣモータの断面図 同速度指示信号、位置検出手段の信号とゲート信号の関係図 従来のブラシレスＤＣモータの概略回路ブロック図

本発明の請求項１記載のブラシレスＤＣモータは、巻線を巻装した固定子と、磁石を備えた磁石回転子とを備えたブラシレスＤＣモータにおいて、前記固定子に対する磁石回転子の相対的位置を検出する位置検出手段と、ＤＣ電圧を前記固定子に通電するインバータ回路と、前記位置検出手段の信号に基づいて前記インバータ回路の駆動信号を生成する駆動信号生成部と、速度指示信号に基づいたデューティ比のＰＷＭパルスを生成するＰＷＭパルス生成部と、前記ＰＷＭパルス生成部と前記駆動信号生成部の信号との論理積から前記インバータ回路のゲート信号を生成するゲート信号生成部と、前記速度指示信号に基づいて前記位置検出手段の出力信号を制御するシーケンス制御手段を備え、前記シーケンス制御手段は、前記速度指示信号が停止から起動レベルに移行を開始したときに前記位置検出手段の信号を前記駆動信号生成部の入力部に対して安定となる安定電位から前記磁石回転子の相対位置信号に切り換えることを特徴とするブラシレスＤＣモータの構成を有する。これにより、ブラシレスＤＣモータの待機時、即ち速度指示信号が停止レベルの時、シーケンス制御手段が速度指示信号に基づいて位置検出手段の出力を安定電位にしてゲート信号生成部の入力部を安定電位とする。また、ブラシレスＤＣモータの動開始時、即ち速度指示信号が停止レベルから起動レベル移行を開始したときに、位置検出手段の出力を磁石回転子の相対位置信号にしてゲート信号生成部の入力部を安定電位から切り換えることとなるので、新たなインターフェースを追加することなく、待機時の耐ノイズ性を確保し、小型化を実現するという効果を奏する。

また、本発明の請求項２記載のブラシレスＤＣモータは、前記シーケンス制御手段は、前記位置検出手段の信号をＧＮＤ電位から前記磁石回転子の相対位置信号に切り換えることを特徴とする構成にしてもよい。

これにより、待機時、即ち速度指示信号が停止レベルの時、シーケンス制御手段が速度指示信号に基づいて位置検出手段の出力を安定電位であるＧＮＤ電位にしてゲート信号生成部の入力部を安定電位であるＧＮＤ電位とする。また、ブラシレスＤＣモータの起動開始時、即ち速度指示信号が停止レベルから起動レベルに移行を開始したときに、位置検出手段の出力を磁石回転子の相対位置信号にしてゲート信号生成部の入力部を安定電位のＧＮＤ電位から切り換えることとなるので、新たなインターフェースを追加することなく、待機時の耐ノイズ性を確保し、小型化を実現するという効果を奏する。

また、本発明の請求項３記載のブラシレスＤＣモータは、前記シーケンス制御手段は、前記位置検出手段へのバイアス電流をＯＮ／ＯＦＦして前記位置検出手段の信号を安定電位から前記磁石回転子の相対位置信号に切り換えることを特徴とする構成にしてもよい。

これにより、ブラシレスＤＣモータの待機時、即ち速度指示信号が停止レベルの時、シーケンス制御手段が速度指示信号に基づいて位置検出手段のバイアス電流をＯＦＦして出力を安定電位であるＧＮＤ電位にしてゲート信号生成部の入力部を安定電位であるＧＮＤ電位とする。また、ブラシレスＤＣモータの起動開始時、即ち速度指示信号が停止レベルから起動レベルへ移行を開始したときに、位置検出手段のバイアス電流をＯＮして出力を磁石回転子の相対位置信号にしてゲート信号生成部の入力部を安定電位のＧＮＤ電位から切り換えることとなるので、新たなインターフェースを追加することなく、待機時の耐ノイズ性を持たせまま小型化を実現するという効果を奏する。

また、本発明の請求項４記載のブラシレスＤＣモータは、前記位置検出手段は、ホール素子であることを特徴とするブラシレスＤＣモータ駆動装置という構成にしてもよい。

これにより、ブラシレスＤＣモータの待機時、即ち速度指示信号が停止レベルの時、シーケンス制御手段が速度指示信号に基づいて位置検出手段であるホール素子のバイアス電流をＯＦＦして出力を安定電位であるＧＮＤ電位にしてゲート信号生成部の入力部を安定電位であるＧＮＤ電位とする。また、ブラシレスＤＣモータの起動開始時、即ち速度指示信号が停止レベルから起動レベルへ移行を開始したとき、位置検出手段であるホール素子のバイアス電流をＯＮして出力を磁石回転子の相対位置信号にしてゲート信号生成部の入力部を安定電位のＧＮＤ電位から切り換えることとなるので、新たなインターフェースを追加することなく、待機時の耐ノイズ性を確保し、小型化を実現するという効果を奏する。

また、本発明の請求項５記載のブラシレスＤＣモータは、前記固定子、前記位置検出手段、前記インバータ回路、前記駆動信号生成部、前記ＰＷＭパルス生成部、前記ゲート信号生成部、前記シーケンス制御手段をモータ内部に内蔵したことを特徴とするブラシレスＤＣモータという構成を有する。

これにより、モータ内部に内蔵して構造を簡略化できるので、新たなインターフェースを追加することなく、待機時の耐ノイズ性を確保し、小型化を実現するという効果を奏する。

また、本発明の請求項６記載のブラシレスＤＣモータは、前記固定子、前記位置検出手段、前記インバータ回路、前記駆動信号生成部、前記ＰＷＭパルス生成部、前記ゲート信号生成部、前記シーケンス制御手段を絶縁を兼ねた樹脂で一体に成型してモータに内蔵したことを特徴とするブラシレスＤＣモータという構成を有する。

これにより、インバータ回路等の発熱部品の放熱性能を高めて小型化できることにより、新たなインターフェースを追加することなく、待機時の耐ノイズ性を確保し、小型化を実現するという効果を奏する。

また、本発明の請求項７記載のブラシレスＤＣモータおよび駆動装置を搭載した送風装置は、請求項１から６の何れか一項に記載のブラシレスＤＣモータおよび駆動装置を搭載した送風装置という構成を有する。

これにより、待機時の耐ノイズ性がある小型なブラシレスＤＣモータおよび駆動装置を搭載することにより、待機時の耐ノイズ性を確保した小型な送風装置得ることが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は、本発明のブラシレスＤＣモータを搭載した送風装置の一例である換気送風装置の構造外観図で、図１（ａ）は、同換気送風装置の構造外観図の側面図、図１（ｂ）は、換気送風装置の構造外観図の下面図、図１（ｃ）は、同換気送風装置の構造外観図の正面図で、ケーシング１にブラシレスＤＣモータ２を取り付け、ブラシレスＤＣモータ２に送風ファン３を取り付け、ケーシング１の天面に外部回路４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３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。

また、図２は、本発明のブラシレスＤＣモータの概略回路ブロック図で、巻線を巻装した固定子５と、磁石を備えた磁石回転子６とを備えたブラシレスＤＣモータ２と、固定子５に対する磁石回転子６の相対的位置を検出する位置検出手段７としての磁気センサ、例えば、ホール素子７ａやホールＩＣ等と、ＤＣ電圧を固定子５に与えるスイッチング素子、例えば、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等をブリジッジ接続したインバータ回路８と、位置検出手段７の信号の組み合わせからインバータ回路８のスッチング素子をオン／オフして固定子５に電流を流す箇所と方向を制御するための駆動信号を生成する駆動信号生成部９と、外部回路４から入力される速度指示に基づいたデューティ比のＰＷＭパルス（例えば、可聴域以上の２０ｋＨｚのキャリア周波数のパルス）を生成するＰＷＭパルス生成部１０と、ＰＷＭパルス生成部１０のＰＷＭパルスと前記駆動信号生成部９の駆動信号との論理積を取り、インバータ回路８のスイッチング素子のゲート信号を生成するゲート信号生成部１１と、位置検出手段７の信号に基づいて回転信号を出力する回転信号生成部１２と、速度指示に基づいて位置検出手段７の出力信号を安定電位から磁石回転子６の相対位置信号に出力を切り換えるシーケンス制御手段１３を備え、シーケンス制御手段１３は、ブラシレスＤＣモータ２の起動時、即ち、速度指示信号が停止レベルから起動レベルへ移行を開始したときに、位置検出手段７の信号を安定電位から磁石回転子６の相対位置信号に切り換える。また、ここで、駆動信号生成部９、ＰＷＭパルス生成部１０、ゲート信号生成部１１は、マイクロコンピュータやＩＣ１４に内蔵されている。また、ブラシレスＤＣモータ２は、位置検出手段７とインバータ回路８と回転信号生成部１２とシーケンス制御手段１３とＩＣ１４を内蔵している。

次に、シーケンス制御手段１３について、図３を参照しながら説明する。シーケンス制御手段１３は、速度指示信号と閾値Ｖ１を比較器１５、例えばコンパレータ１５ａで比較してスイッチ手段１６としての例えば、トランジスタ１６ａ、１６ｂをオン、オフして位置検出手段７としてのホール素子７ａの出力信号を安定電位であるＧＮＤと出力信号とに切り替えて駆動信号生成部９に入力する。（ここで、位置検出手段７としてのホール素子７ａを１個のみ図示したが、３相モータであれば３個が一般的だが、２個分は省略して図示せず。）。

図４は、換気送風装置の回路構成で、外部回路４には、交流電源１７が接続される。外部回路４には、交流電源１７を全波整流する整流回路１８、それを高圧直流電圧に平滑する平滑コンデンサ１９、高圧直流電圧を降圧して制御用の低電圧を得るＤＣ電源２０と、換気送風装置のマイクロコンピュータ２１を内蔵している。

外部回路４とブラシレスＤＣモータ２は、インターフェースとしてのリード線２２で接続されている。つまり、リード線２２は、ブラシレスＤＣモータ２の駆動源となる高圧直流電圧、ブラシレスＤＣモータ２に内蔵されているＩＣ１４の制御用電圧、また、それらのＧＮＤ、ブラシレスＤＣモータ２の回転数を制御するための速度指示信号と回転信号を外部回路４とブラシレスＤＣモータ２間で接続するものである。

図５は、ブラシレスＤＣモータ２の断面図で、固定子５は、巻線２３が巻装され、磁石回転子６は、永久磁石２４とシャフトを一体化して形成されている。２５は、ベアリング、２６は、金属のブラケットである。２７は、プリント基板で、インバータ回路８、位置検出手段７としてのホール素子７ａ、ＩＣ１４が実装されたブラシレスＤＣモータ駆動回路である。プリント基板２７は、コネクタ２８でリード線２２を介して外部回路４と接続される。ここで、固定子５と電子部品が実装されたプリント基板２７は絶縁を兼ねた樹脂、例えば、不飽和ポリエステルを主成分とする熱硬化性樹脂２９で隙間無く充填されて一体化しているのでインバータ回路８等の発熱部品の放熱性能に優れる。

次に、速度指示信号、位置検出手段７の出力とゲート信号の関係を図６により説明する。

待機時、即ち、速度指示信号が停止レベルの例えば、０Ｖでは、ゲート信号生成部１１の入力である位置検出手段７のホール素子７ａの信号ＨＵ，ＨＶ，ＨＷが安定電位のＧＮＤとなっている。この時、インバータ回路８の入力信号であるゲート信号生成部１１の出力は、上アーム、下アーム各相Ｕ，Ｖ，Ｗは、ＯＦＦ、安定電位で待機してブラシレスＤＣモータ２は停止している。

次に、速度指示信号がＶ１、即ちＡ点まで上昇すると、ホール素子の信号ＨＵ，ＨＶ，ＨＷが磁石回転子６の相対位置信号を出力する様にシーケンス制御手段１３がスイッチする。更に、速度指示信号がＶ２、即ちＢ点まで上昇すると、上下アーム各相のゲート信号が出力されブラシレスＤＣモータ２が回転してホール素子７ａの信号も変化することになる。ここで、Ａ点からＢ点は、停止レベルから起動レベルまで移行させる間の速度指示信号となっており、ゲート信号は安定電位のままのためブラシレスＤＣモータ２は回転せずホール素子７ａの信号は変化しない。

この様な構成によれば、速度指示信号が停止レベルの時、シーケンス制御手段１３が速度指示信号に基づいて位置検出手段７の出力を安定電位にしてゲート信号生成部１１の入力部を安定電位とする。また、速度指示信号が停止から起動レベルに移行を開始したとき（つまり速度指示信号がＶ１を超えたとき）に、位置検出手段７の出力を磁石回転子６の相対位置信号にしてゲート信号生成部１１の入力部を安定電位から切り換えることとなるので、新たなインターフェースを追加することなく、待機時の耐ノイズ性を確保し、小型化を実現することができる。

なお、実施の形態１では、シーケンス制御手段１３のスイッチ手段１６を位置検出手段７としてのホール素子７ａの出力側に設けたが、ホール素子７ａのバイアス電流をカットしてホール素子７ａの出力電位を安定電位にする構成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の図６では、上アームＰＷＭの矩形波通電を例にしたが、下アームＰＷＭや上下ＰＷＭの正弦波駆動でも良い。

また、本実施の形態１で説明したブラシレスＤＣモータ２を搭載した換気扇等の換気装置や空気清浄機等の送風装置に搭載した場合、外部回路４とブラシレスＤＣモータ２を接続するインターフェースとしてのリード線２２等の本数を増やすこと無く、待機時の耐ノイズ性を確保した小型な機器とすることができるのはいうまでもない。

本発明にかかるブラシレスＤＣモータ駆動回路とそれを搭載した送風装置は、新たなインターフェースを追加することなく、待機時の耐ノイズ性を確保し、小型化を実現することができるので、レンジフード、天井埋込み換気扇や浴室暖房換気扇等の換気装置、空気清浄機等の送風装置に搭載されるブラシレスＤＣモータ駆動回路とそれを搭載した送風装置等として有用である。

１ ケーシング
２ ブラシレスＤＣモータ
３ 送風ファン
４ 外部回路
５ 固定子
６ 磁石回転子
７ 位置検出手段
７ａ ホール素子
８ インバータ回路
９ 駆動信号生成部
１０ ＰＷＭパルス生成部
１１ ゲート信号生成部
１２ 回転信号生成部
１３ シーケンス制御手段
１４ ＩＣ
１５ 比較器
１５ａ コンパレータ
１６ スイッチ手段
１６ａ トランジスタ
１６ｂ トランジスタ
１７ 交流電源
１８ 整流回路
１９ 平滑コンデンサ
２０ ＤＣ電源
２１ マイクロコンピュータ
２２ リード線
２３ 巻線
２４ 永久磁石
２５ ベアリング
２６ ブラケット
２７ プリント基板
２８ コネクタ
２９ 熱硬化性樹脂

Claims (7)

1. 巻線を巻装した固定子と、磁石を備えた磁石回転子とを備え、前記固定子に対する磁石回転子の相対的位置を検出する位置検出手段と、ＤＣ電圧を前記固定子に通電するインバータ回路と、前記位置検出手段の信号に基づいて前記インバータ回路の駆動信号を生成する駆動信号生成部と、速度指示信号に基づいたデューティ比のＰＷＭパルスを生成するＰＷＭパルス生成部と、前記ＰＷＭパルス生成部と前記駆動信号生成部の信号との論理積から前記インバータ回路のゲート信号を生成するゲート信号生成部と、前記速度指示信号に基づいて前記位置検出手段の出力信号を制御するシーケンス制御手段を備え、前記シーケンス制御手段は、前記速度指示信号が停止から起動レベルに移行を開始したときに前記位置検出手段の信号を前記駆動信号生成部の入力部に対して安定となる安定電位から前記磁石回転子の相対位置信号に切り換えることを特徴とするブラシレスＤＣモータ。
2. 前記シーケンス制御手段は、ＧＮＤ電位から前記磁石回転子の相対位置信号に切り換えることを特徴とする請求項１に記載のブラシレスＤＣモータ。
3. 前記シーケンス制御手段は、前記位置検出手段へのバイアス電流をＯＮ／ＯＦＦして前記位置検出手段の信号を安定電位から前記磁石回転子の相対位置信号に切り換えることを特徴とする請求項１または２に記載のブラシレスＤＣモータ。
4. 前記位置検出手段は、ホール素子であることを特徴とする請求項１または３の何れか一つに記載のブラシレスＤＣモータ。
5. 前記固定子、前記位置検出手段、前記インバータ回路、前記駆動信号生成部、前記ＰＷＭパルス生成部、前記ゲート信号生成部、前記シーケンス制御手段をモータ内部に内蔵したことを特徴とする請求項１から４の何れか一つに記載のブラシレスＤＣモータ。
6. 前記固定子、前記位置検出手段、前記インバータ回路、前記駆動信号生成部、前記ＰＷＭパルス生成部、前記ゲート信号生成部、前記シーケンス制御手段を絶縁を兼ねた樹脂で一体に成型してモータに内蔵したことを特徴とする請求項１から５の何れか一つに記載のブラシレスＤＣモータ。
7. 請求項１から６の何れか一つに記載のブラシレスＤＣモータを搭載した送風装置。

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