JP2016092920A - 電動送風機及び電気掃除機 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリの信頼性の向上を図ることができる電動送風機を得ること。
【解決手段】バッテリ１０からの直流電力を交流電力に変換するインバータ２２で駆動されるブロワモータ２１を有し、インバータ２２は、バッテリ１０の残量に応じてブロワモータ２１の回転数を変化させ、バッテリ１０の残量に応じてブロワモータ２１の回転数が定常回転数に至るまでの時間を変化させ、またはバッテリ１０の残量に応じてブロワモータ２１からバッテリ１０に回生する回生電力量を変化させる電動送風機。
【選択図】図３

Description

本発明は、バッテリで駆動する電動送風機及び電気掃除機に関する。

従来より、バッテリで駆動する電動送風機を搭載した電気掃除機では、運転時間の延長化を図る種々の提案がなされている。特許文献１に示す従来の電気掃除機では、駆動モータの駆動停止後に、慣性で回転する駆動モータからの発電出力をバッテリに回生させることで、バッテリの充電容量で制限される運転時間の延長化を図ることができる。

特開２００６−２２３６１６号公報

特許文献１の電気掃除機は、駆動モータの慣性動作時の発電出力をバッテリに回生させることで運転時間の延長化を図っているが、満充電状態のバッテリに回生させるとバッテリが過充電となり、バッテリが劣化して信頼性を損ねる要因となる。

一方、従来の掃除機では、バッテリ残量の高低に係わらずモータ回転数を一定にし、または消費電力を一定にするという制御が行われている。ただしバッテリ残量の高低に関わりなくこれらの制御が行われた場合、運転時間はバッテリ容量に比例するためバッテリ容量を増やすことなく運転時間を長くするというニーズに対応することが困難である。またバッテリ残量が低下した状態で上記の制御が行われた場合、過放電によりバッテリの劣化が進み信頼性を損ねる虞がある。

また、従来の掃除機では、運転開始時にモータ回転数を定常回転数まで上昇させる際、定常回転時のモータトルクよりも高いモータトルクを発生するよう制御している。モータトルクはトルク定数とモータ電流の積により決定されるため、モータ回転数が定常回転数に至るまでの時間を短くするためには単位時間当たりのモータ電流値を高める必要がある。ただしモータ電流値を高めた場合、消費電力が大きくなり運転時間が短くなるだけでなく、バッテリ、スイッチング素子、およびコンデンサといった部品の劣化が進み、信頼性を損ねる虞がある。

また、従来の掃除機では、塵埃を吸い込むときに吸込口が被清掃面である床面に張り付くため、このときの吸込口の密閉度合は吸込口が被清掃面に接していないときの密閉度合よりも大きくなる。従来の掃除機では、吸込口の密閉度合が低い状態、すなわち塵埃を吸い込んでいない状態のときにも吸込動作が継続される。そのため被清掃面の掃除に寄与しない無駄な消費電力が発生し、掃除機の運転時間は無駄な消費電力分だけ短くなり、またバッテリが放電されることによりバッテリの劣化も進み信頼性を損ねる虞がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、バッテリの信頼性の向上を図ることができる電動送風機を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電動送風機は、バッテリからの直流電力を交流電力に変換するインバータで駆動されるモータを有し、インバータは、前記バッテリの残量に応じて前記モータの回転数を変化させ、前記バッテリの残量に応じて前記モータの回転数が定常回転数に至るまでの時間を変化させ、または前記バッテリの残量に応じて前記モータから前記バッテリに回生する回生電力量を変化させる。

本発明によれば、バッテリの信頼性の向上を図ることができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態に係る電動送風機を搭載した電気掃除機の全体構成図 電動送風機の構成図 電気掃除機の電力制御系統の要部構成図 運転開始時にモータ回転数が定常回転数に至るまでの時間と回転数の関係を表す第１の図 運転開始時にモータ回転数が定常回転数に至るまでの時間と回転数の関係を表す第２の図 回転数に対するモータ電流と吸込口の密閉度合との関係を表す図 制御パラメータの変動を表す図 バッテリ残量と回生電力量との関係を表す図 単相インバータ回路の構成図 単相インバータ回路に流れる還流電流の経路を示す第１の図 単相インバータ回路に流れる還流電流の経路を示す第２の図 三相インバータ回路の構成図 三相インバータ回路を三相変調方式で制御した場合における端子間電圧と相電流の波形を表す図 三相インバータ回路を二相変調方式で制御した場合における端子間電圧と相電流の波形を表す図

以下に、本発明の実施の形態に係る電動送風機を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は本発明の実施の形態に係る電動送風機を搭載した電気掃除機の全体構成図である。電気掃除機１００は、掃除機本体１１０に搭載されたバッテリ１０と、掃除機本体１１０の通風路１１１上に配置されバッテリ１０からの電力の供給を受けて掃除機本体１１０内の通風路１１１に吸込み負圧を作用させる電動送風機２０と、電動送風機２０によって発生した吸込み負圧によって通風路１１１に通流する空気中の塵埃を補集する集塵部３０と、吸込口１２１と連通する通風路１１１の内部圧力を検出する圧力センサ４０と、掃除機本体１１０の先端に接続され吸込口１２１から被清掃面の塵埃を吸引する吸込具１２０とを備える。点線矢印は、電動送風機２０が駆動しているときに吸込具１２０の吸込口１２１から吸い込まれ通風路１１１を通じて掃除機本体１１０の上端側へ排出される空気の経路を表す。

図１では図示を省略しているが、掃除機本体１１０には、吸込清掃を開始または停止させるスイッチまたは吸引量の強弱を切り替えるスイッチといった操作手段を有する操作パネルが設けられ、さらに電気掃除機１００の移動操作をするためのレバーが設けられているものとする。また図１にはバッテリ１０を搭載した電気掃除機１００の一例であるスティッククリーナーが示されているが、本実施の形態の電動送風機が適用される電気掃除機はスティッククリーナーに限定されるものではなく、例えば電動送風機と集塵部とバッテリとを有する電気掃除機本体に延長管を接続して構成されるキャニスター型掃除機でもよい。以下、電気掃除機１００を構成する電動送風機２０の構成例と、電動送風機２０に電力を供給すると共に電動送風機２０の動作を制御する電力制御系統の構成例とを説明する。

図２は電動送風機の構成図である。電動送風機２０はブロワモータ２１およびインバータ２２を備え、インバータ２２は半導体素子２２ｂと半導体素子２２ｂを配置した回路基板２２ａとで構成される。半導体素子２２ｂは後述する制御部１、駆動信号生成部２、およびインバータ回路９を構成する。ブロワモータ２１は、半導体素子２２ｂから供給される交流電力でモータ本体２１ａ１内の回転子に接続されたシャフト２１ａ２へ駆動力を与える永久磁石を備えたモータ２１ａと、シャフト２１ａ２の回転により負圧を発生するファン２１ｂとで構成される。点線矢印は、ファン２１ｂの回転により電動送風機２０内を通流する空気の流れを表す。例えば図１の吸込口１２１から吸い込まれた空気は、図２のファン２１ｂの下側から電動送風機２０の内部に入り込み、半導体素子２２ｂを通過して電動送風機２０の上部へ排出される。

なお図２の例ではインバータ２２が電動送風機２０の内部に設けられているが、インバータ２２の設置場所は図示例に限定されるものではない。図示例のように電動送風機２０内にインバータ２２を設けた場合、ブロワモータ２１から送り出された風でインバータ２２を効果的に冷却することができる。この効果の詳細は後述する。

また図２では、インバータ２２がブロワモータ２１の後側、すなわちブロワモータ２１で発生する風の下流側に配置されているが、ファン２１ｂの負圧で生じた風を利用して半導体素子２２ｂを冷却することができればよくブロワモータ２１の前側でもよい。

図３は電気掃除機の電力制御系統の要部構成図である。図３に示す電力制御系統は、バッテリ１０を電源として電動送風機２０を駆動する構成であり、バッテリ１０の出力端間にはコンデンサ７が接続され、コンデンサ７の両端にはインバータ回路９が接続され、コンデンサ７の一端とインバータ回路９との間にはシャント抵抗８が接続されている。インバータ回路９は制御部１および駆動信号生成部２で制御され、制御部１、駆動信号生成部２、およびインバータ回路９によってインバータ２２が構成され、バッテリ１０およびインバータ２２によってモータ駆動装置が構成される。制御部１には、電圧検出部３で検出されたバッテリ１０の電圧値Ｖｄｃと、バッテリ残量検出部４で検出されたバッテリ残量Ｂｔと、シャント抵抗８の両端に接続された電流検出部５で検出されたインバータ２２へ流れる電流値Ｉｄｃと、図２に示すモータ２１ａの回転位置を検出する位置検出部６からの位置信号Ｖｈとが入力される。制御部１は、電圧値Ｖｄｃ、バッテリ残量Ｂｔ、電流値Ｉｄｃ、および位置信号Ｖｈに基づいて、モータ２１ａ（図２参照）の回転数を制御するための制御信号を生成して駆動信号生成部２へ出力する。駆動信号生成部２は制御部１からの制御信号に基づいて、インバータ回路９を構成する複数のスイッチング素子のオンオフを制御するスイッチング素子駆動信号を生成する。なお、図３では電流検出部５で電流を検出するための手段としてシャント抵抗８が用いられているが、電流検出手段はシャント抵抗８以外でもよい。以下、制御部１で行われる各種の制御内容を従来技術と対比しながら説明する。

一般的な掃除機では、バッテリ残量の高低に係わらずモータ回転数を一定にし、または消費電力を一定にするという制御が行われているため、運転時間を延ばすためにはバッテリ体積を増やして放電容量を増やし、またはエネルギー密度の高いバッテリを採用して放電容量を増やすという手法が採られていた。ただしバッテリ容量を増やす従来の手法では、バッテリ体積の増大により掃除機の重量が増加し、掃除機の小型化の妨げにもなりうるため、電気掃除機１００が扱い難くなる可能性がある。またエネルギー密度の高いバッテリを採用した場合、製造コストの低減化の妨げとなる。一方、バッテリ残量が低下した状態で上記の制御が行われた場合、過放電によりバッテリの劣化が進み信頼性を損ねる虞がある。

本実施の形態の制御部１は、バッテリ残量が一定の値に低下するまでは通常運転時のモータ回転数となる制御信号を生成し、バッテリ残量が一定の値まで低下したとき、通常運転時のモータ回転数よりも低いモータ回転数となる制御信号を生成する。または、制御部１は、バッテリ残量が低下するに従いモータ回転数を低下させる、すなわちバッテリ残量の低下度合に対応したモータ回転数とする制御信号を生成する。

この制御による効果が発揮される例として、例えばバッテリを搭載した掃除機で掃除を行う際、モータ回転数を一定とする制御で掃除機が動作し、または電力を一定とする制御で掃除機が動作していると、使用者側からはバッテリの残量を把握することが難しく、掃除をしたい空間が残っているにもかかわらずバッテリ残量が無くなった時点で運転が停止してしまうという問題がある。使用者がバッテリ残量を把握する方法としては、掃除機に設けられた発光体であるＬＥＤランプの色の変化でバッテリ残量を視覚的に分かり易くする方法が考えられる。ただし、日中の光が強い環境下のように発光体の色の変化が視覚的に判別し難い状況では、使用者がバッテリ残量を把握しながら運転させることは少ないといえる。そのため使用者がバッテリ残量を視覚的に把握せずとも、バッテリ残量が少なくなった時点で自動的に消費電力を抑える構成とすれば、モータ回転数が低下することで運転音が変化するため、聴覚を通じて使用者がバッテリ残量の低下に気付き易い。またバッテリ残量が低下した時点で消費電力が抑えられるため、運転時間が確保された状態でバッテリ残量が低下したことを使用者に気付かせることができる。バッテリ残量が低下するに従いモータ回転数を低下させる場合でも同様に運転音が変化するため、バッテリ残量が低下したことを使用者に気付かせることができる。

本実施の形態の電気掃除機１００は以下のように構成してもよい。以下では、通常運転時のモータ回転数で運転する運転モードを「通常運転モード」、通常運転時のモータ回転数よりも低いモータ回転数とすることで消費電力を抑制した運転モードを「セーブ運転モード」と称する。

電気掃除機１００には使用者が「通常運転モード」と「セーブ運転モード」との切り替えを任意に行える切り替えスイッチが設けられ、「通常運転モード」が選択されている場合、制御部１は、バッテリ残量が低下しても「セーブ運転モード」へ移行させることなくブロワモータ２１を駆動する構成でもよい。具体例で説明すると、制御部１が通常４００Ｗの消費電力となるようモータ２１ａを回転させている場合、バッテリ残量が一定の値、例えば満充電時の１０％になったとき、制御部１は消費電力を１００Ｗまで落とした「セーブ運転モード」に移行する。これにより、４００Ｗの消費電力で運転を継続したならば残り５分であった運転時間が４倍の２０分まで延長される。従って、５分では掃除できないような清掃範囲が残っていた場合でも、運転時間が延長されることで掃除をすることが可能となる。なお「セーブ運転モード」では、消費電力を落とした分、電気掃除機１００の吸引能力が下がることから「通常運転モード」でなければ吸引が困難な塵埃を吸引できなくなる可能性があるものの、「セーブ運転モード」は被清掃面に存在する大半の塵埃を吸引できるだけの吸引能力が確保されているものとする。消費電力が異なる複数の運転モードを手動で切り替え可能とする構成は従来の掃除機に採用されているが、上記のようにバッテリ残量に応じて運転モードの切り替えを自動的に行う構成は従来の掃除機では見られない。

以上のように本実施の形態の電気掃除機１００では、バッテリ残量の低下度合に応じて通常運転時のモータ回転数よりも低いモータ回転数とすることでモータ２１ａへ供給する電力量を低下させて、バッテリ残量を有効に活用でき、運転時間の延長化を図ることが可能である。またモータ２１ａへ供給する電流も小さくなることから、インバータ回路９を構成するスイッチング素子の発熱が抑制され、電力制御系統を構成する部品の信頼性向上を図ることができる。

ここでスイッチング素子で発生した熱を除去する方法に関して説明する。スイッチング素子で発生した熱を除去する方法としては、（１）熱伝導率が高い材質で製作された放熱フィンをスイッチング素子に取り付ける方法、（２）表面実装型のスイッチング素子を使用して実装基板へ熱を分散させる方法、（３）放熱用ファンを用いてスイッチング素子を空冷する方法、（４）水冷方式でスイッチング素子を冷却する方法がある。ただし（１），（３），（４）の冷却方法では製造コストが高くなるだけでなく、部品の設置スペースが制約される小型な掃除機には適さない。また（２）の冷却方法では（１），（３）の冷却方法に比べて放熱量が低く、信頼性の低下が懸念される。本実施の形態の電気掃除機１００では、図２に示すように半導体素子２２ｂがブロワモータ２１によって発生する風の通流経路上に配置されている。そのため（１），（３）の方法のように追加部品を用いなくてもスイッチング素子を効果的に冷却することができ、また追加部品が不要なためコストの増加を抑えることができる。また追加部品を設置するための余分なスペースも不要となり、掃除機本体１１０の更なる小型化を図ることができる。また掃除機本体１１０の小型化を図る代わりに、小型化に割り当てられるスペースを例えばバッテリ１０の増設スペースに割り当てることができ、これにより運転時間の延長化を図ることも可能である。

なお、本実施の形態の電気掃除機１００では従来の掃除機に比べて消費電力が少なくなり、運転に必要なバッテリ容量を相対的に減らすことができるため、必要なバッテリのセル数を削減でき、それに伴いバッテリ重量を軽くすることができる。例えば電気掃除機１００が、バッテリ１０を搭載したスティッククリーナーである場合、スティッククリーナーではクリーナー本体重量に対するバッテリ重量の割合が大きいため、バッテリ重量を軽くすることは、クリーナー本体重量の軽量化に大きく寄与し、スティッククリーナーの使い勝手の向上にもつながる。

またバッテリ１０は、複数のセルを直列または並列に連ねて形成されているため、例えば、複数のセルが直列に接続されているバッテリ１０が放電する場面では、複数のセルの内の一のセルが他のセルよりも早く放電終止電圧に達して残量がゼロになった場合、一のセルの過放電を防止するため掃除機ではバッテリ１０の放電を停止する制御が行われる。従って放電終止電圧に達していない他のセルの残量を有効に利用することができない場合があり、バッテリ残量を有効活用するためにはセル毎の残量を一定に保つことが重要となる。そこで本実施の形態に係る電気掃除機１００は、放電時におけるセル毎の電圧を検出し、例えば放電終止電圧に近づいた一のセルの放電量を他のセルの放電量よりも低くするといったセル毎の放電制御を行う構成としてもよい。この構成によりセル毎の残量のばらつきを抑えることができ、バッテリ１０の放電時間を相対的に延ばすことができる。

一方、複数のセルが直列に接続されているバッテリ１０を充電する場面では、セル毎の残量のばらつきが発生している場合、複数のセルの内の一のセルが他のセルよりも早く充電終止電圧に達しても、他のセルが充電終止電圧に達するまで一のセルの充電が継続され過充電となり、バッテリ１０の信頼性が損なわれる。そこで本実施の形態に係る電気掃除機１００は、充電時におけるセル毎の電圧を検出し、例えば充電終止電圧に近づいた一のセルの充電量を他のセルの充電量よりも低くするといったセル毎の充電制御を行う構成としてもよい。この構成によりセル毎の残量のばらつきを抑えることができ、バッテリ１０の信頼性を高めることができる。なおセル毎の充放電状態の監視には例えばバッテリマネジメントユニットを利用すればよい。

またバッテリ１０ではバッテリ残量が低下するに従ってバッテリ電圧が降下する。よってバッテリ残量はバッテリ電圧の値から予測できるため、バッテリ残量検出部４を用いなくとも電圧検出部３で検出された電圧値Ｖｄｃからバッテリ残量を推定することができる。前述したように本実施の形態の制御部１では、バッテリ残量が一定の値まで低下したときにモータ回転数を低下させるという制御が可能であるが、モータ回転数を低下させるタイミングには誤差があってもよいため、電圧値Ｖｄｃからバッテリ残量を推定する構成でも問題はない。

また、本実施の形態の電気掃除機１００ではバッテリ１０を構成するセルを使用者が交換可能な構成としてもよい。これによりバッテリ１０をより長持ちさせることができ、またバッテリ１０そのものを交換しなくてもよいためＬＣＡ（Ｌｉｆｅ Ｃｙｃｌｅ Ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ）の点からも好ましい。

ここまではバッテリ残量の低下度合に応じてモータ回転数を制御する例を説明したが、以下では運転開始時にモータ回転数が定常回転数に至るまでの時間を制御する例に関して説明する。

図４は運転開始時にモータ回転数が定常回転数に至るまでの時間と回転数の関係を表す第１の図である。縦軸はモータ回転数、横軸は時間である。点線は、従来の掃除機で行われる制御によるモータ回転数の推移を表す。Ｔ１は、運転開始時にモータ回転数が定常回転数に至るまでの時間を表す。実線は、本実施の形態の電気掃除機１００で行われる制御によるモータ回転数の推移を表し、Ｔ２は、運転開始時にモータ回転数が定常回転数に至るまでの時間であり、Ｔ１よりも長い時間である。

モータ回転数が定常回転数に至るまでの時間を短くするためには大きなモータトルクが必要であり、モータトルクは（１）式に示すようにトルク定数とモータ電流の積により決定される。Ｔはモータトルク、Ｋｔはトルク定数、Ｉａはモータ電流を表す。（１）式から分かるようにモータ回転数が定常回転数に至るまでの時間を短くするためには、単位時間当たりのモータ電流値を高める必要がある。

ただし短時間に大きな値のモータ電流を流した場合、モータ２１ａの消費電力が大きくなり運転時間が短くなるだけでなく、バッテリ、スイッチング素子、およびコンデンサといった部品の劣化が進み、信頼性を損ねる虞がある。

このような問題を解決するため本実施の形態の制御部１は、バッテリ残量が一定の値に低下するまでは、モータ回転数が定常回転数に至るまでの時間をＴ１とし、バッテリ残量が一定の値まで低下したときには、モータ回転数が定常回転数に至るまでの時間を長くし、例えばＴ１からＴ２に変更する。他の制御例としては、制御部１は、バッテリ残量が低下するに従って、モータ回転数が定常回転数に至るまでの時間を例えばＴ１からＴ２の範囲で長くする。具体的には、制御部１は、バッテリ１０の残量が満充電状態から徐々に低下するに従って、モータ回転数が定常回転数に至るまでの時間をＴ１からＴ２まで連続的に変化させる。

このようにモータ回転数を制御することでモータ電流値を経時的に緩やかに上昇させることができ、運転時間を延長させることができる。また運転開始時に流れる電流を抑えることで、部品の発熱量も抑えられ、信頼性の向上を図ることもできる。またモータ回転数を急激に高めた場合、モータ振動による人への不快感と周辺装置への影響が懸念されるが、モータ回転数を緩やかに上昇させることでこのような影響を少なくすることができ、モータ振動を抑えることで装置から発生する音も抑制することができる。

図５は運転開始時にモータ回転数が定常回転数に至るまでの時間と回転数の関係を表す第２の図である。縦軸はモータ回転数、横軸は時間である。点線は、従来の掃除機で行われる制御によるモータ回転数の推移を表す。実線は、本実施の形態の電気掃除機１００で行われる制御によるモータ回転数の推移を表す。図５に示すＳ字状の実線によれば、運転開始直後ではモータ回転数の上昇率が低く、その後時間が経過する毎にモータ回転数の上昇率が高まり、モータ回転数が定常回転数に至る手前でモータ回転数の上昇率が低くなる。

図５の例では、モータ回転数が定常回転数に至るまでの時間は点線も実線も殆ど同じであるが、図５の実線のように運転開始直後のモータ回転数の上昇率を低くすることでも、図４の実線の制御と同様の効果が得られる。

また静止状態のモータ２１ａが始動するときのモータ電流は、回転中のモータ２１ａが加速するときのモータ電流よりも大きいため、このような大きなモータ電流で運転を開始した場合には上記のような問題が生じるが、図５の実線のように、運転開始直後のモータ回転数の上昇率を小さくすることでモータ電流を低下させることができ、より効果的であると言える。

また図４，５に示す実線の制御を使用者が任意に切り替えることができるよう、例えば図１に示す掃除機本体１１０に制御モードの切り替えスイッチを設けてもよいし、前述した「通常運転モード」と「セーブ運転モード」に連動させてもよい。具体的には「通常運転モード」が選択されている場合には図４，５に示す点線の制御が行われ、「セーブ運転モード」が選択されている場合には図４，５に示す実線の制御が行われるように構成してもよい。

図４，５では運転開始時にモータ回転数が定常回転数に至るときにおける制御例を説明したが、以下では吸込具１２０の底面に開口する吸込口１２１の密閉度合に応じてモータ回転数を変化させる制御例を説明する。

図６は回転数に対するモータ電流と吸込口の密閉度合との関係を表す図である。縦軸はモータ電流、横軸はモータ回転数を表す。密閉度合は図１に示す吸込口１２１と被清掃面との密着度を表し、制御部１は、圧力センサ４０で検出された通風路１１１の内部圧力から密閉度合を推定することができる。

電気掃除機１００が被清掃面の塵埃を吸い込む場合、吸込口１２１が被清掃面に近くなるため、図６の実線のように回転数に対して吸込口１２１の密閉度合が変化する。一方、塵埃を吸い込まない場合、被清掃面から吸込口１２１が離れるため、点線のように密閉度合は低下する。このように塵埃を吸い込まないときには吸込口１２１が被清掃面から離れるため、このときの吸込口１２１の密閉度合は塵埃を吸い込むときの密閉度合よりも小さくなる。本実施の形態は、吸込口１２１と連通する電気掃除機内の通風路１１１の内部圧力を検出する圧力センサ４０を備え、インバータ２２は、圧力センサ４０で検出された内部圧力を用いて密閉度合を推定し、吸込口１２１が被清掃面から離れることで密閉度合が一定の値まで低下したとき、モータ回転数を定常回転数よりも低くし、またはモータの回転を停止する。これによって清掃に寄与しないときの電力の消費を低減して、運転時間の延長化を図ることができる。

密閉度合を推定する手段は圧力センサ４０に限定されるものではなく、以下の方法で密閉度合を推定してもよい。密閉度合を変化させず一定とした場合のモータ電流とモータ回転数との関係を予めマイコンにテーブルデータとして記録しておき、その記録データを、実使用でのモータ電流およびモータ回転数と比較することで、密閉度合の変化を検出することができる。図６に示したモータ回転数とモータ電流の関係において密閉度合が大きい場合、モータ２１ａの回転に必要なトルクが増加することから電流が増加し、モータ回転数に対するモータ電流は大きくなる。これにより圧力センサ４０を用いなくとも吸込口１２１の密閉度合を推定することが可能となり、圧力センサ４０を用いない分、小型化、軽量化、および低コスト化を図ることが可能となる。ただし、運転開始時においては回転数の変動が激しく、テーブルデータと比較することは困難であるため、回転数がある一定の値を超えてから比較を行うような制御としてもよい。

図７は制御パラメータの瞬時変化を表す図である。図７の縦軸は制御パラメータ、横軸は時間を表す。制御パラメータは、例えばモータ回転数、モータ電流、またはモータ電力の値を一定に保つためのパラメータである。密閉度合の変化によりモータ回転数、モータ電流、またはモータ電力が変動すると、これらの値の変動を打ち消すように制御パラメータの値が変化する。従って、制御部１は、上記の方法で密閉度合を推定しなくても、図７に示すような制御パラメータの瞬時変動を検出することで密閉度合を推定することができる。

なお密閉度合の大小の変化が短時間に連続して繰り返されると、モータ回転数が上昇する際にモータ電流値が高くなり消費電力が増加する。そこで制御部１は、密閉度合が小から大に変化したとき、図３，４に示す実線のようにモータ回転数が定常回転数に至るまでの時間を長くし、この時間を用いてモータ回転数を制御する構成としてもよい。これにより密閉度合が小から大に変化した際のモータ回転数の加速度が低減され、消費電力の増加を抑制することができる。

図６，７では吸込口１２１の密閉度合が低下したときにモータ回転数を低下させる制御例を説明したが、以下ではバッテリ１０の残量に応じて回生電力量を制御する例を説明する。

図８はバッテリ残量と回生電力量との関係を表す図である。縦軸はバッテリ残量を表し、横軸はバッテリ１０への回生電力量を表す。点線は、従来の掃除機で行われる制御による回生電力量の推移を表す。従来の掃除機ではバッテリが満充電のときにも最大の回生電力量としているため過充電となり、バッテリが劣化して信頼性を損ねる恐れがあった。実線は、本実施の形態の電気掃除機１００で行われる制御による回生電力量の推移を表す。本実施の形態の制御部１は、バッテリ残量Ｂｔに基づいて、バッテリ１０が満充電であるか否かを判断し、バッテリ１０が満充電である場合にはバッテリ１０に回生する回生電力量をゼロとし、バッテリ１０の残量が低いほど回生電力量を高める。

図９は単相インバータ回路の構成図である。図９に示す単相インバータ回路２２ｂ１は図３に示すインバータ回路９の一例である。単相インバータ回路２２ｂ１では、スイッチング素子Ａおよびスイッチング素子Ｂからなる直列回路の中点にモータ２１ａの一端が接続され、スイッチング素子Ｃおよびスイッチング素子Ｄからなる直列回路の中点にモータ２１ａの他端が接続されている。スイッチング素子Ａのドレイン側に図１に示すバッテリ１０の正極が接続され、スイッチング素子Ｂのソース側にバッテリ１０の負極が接続されているものとする。図示例ではスイッチング素子Ａ，Ｂ，Ｃ，ＤにＭＯＳＦＥＴ（ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ−ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が用いられているが、スイッチング素子Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの種類はＭＯＳＦＥＴに限定されるものではない。

スイッチング素子Ｂ，Ｃがオン、スイッチング素子Ａ，Ｄがオフのとき、バッテリ、スイッチング素子Ｃ、モータ２１ａ、スイッチング素子Ｂ、バッテリの順で電流が流れる。

この状態からスイッチング素子Ａ，Ｄがオン状態に移行し、スイッチング素子Ｂ，Ｃがオフ状態に移行した場合、モータ２１ａは誘導性負荷であることから、電流の流れはバッテリ、スイッチング素子Ｄ、モータ２１ａ、スイッチング素子Ａ、バッテリとなり、モータ２１ａで発電された電力がバッテリに回生される回生モードが一時的に発生する。バッテリが満充電のときに回生モードが発生すると、バッテリが過充電となりバッテリの信頼性を損ねる虞がある。そこで本実施の形態の制御部１は、バッテリが満充電のとき、バッテリへ回生させない還流経路を設ける。

図１０は単相インバータ回路に流れる還流電流の経路を示す第１の図である。図１１は単相インバータ回路に流れる還流電流の経路を示す第２の図である。制御部１は、バッテリが満充電のとき、スイッチング素子Ａ，Ｃをオフにし、スイッチング素子Ｂ，Ｄをオンにすることで、図１０に示す矢印の経路で電流を還流させる。また制御部１は、バッテリが満充電のとき、スイッチング素子Ｂ，Ｄをオフにし、スイッチング素子Ａ，Ｃをオンにすることで、図１１に示す矢印の経路で電流を還流させる。なお電流の還流方向は、直前に流れていた電流方向によって決定されるため一方向に定まるわけではない。

本実施の形態の制御部１は、バッテリへの回生を抑制する還流モードとバッテリへ回生を行う回生モードとが設定され、これらを選択することでバッテリ残量を高めながら過充電を防止している。その結果、バッテリの信頼性を向上することが可能となる。

図１２は三相インバータ回路の構成図である。図１２に示す三相インバータ回路２２ｂ２は図３に示すインバータ回路９の一例である。スイッチング素子Ｕｐおよびスイッチング素子Ｕｎからなる直列回路の中点にモータ２１ａのＵ相が接続され、スイッチング素子Ｖｐおよびスイッチング素子Ｖｎからなる直列回路の中点にモータ２１ａのＶ相が接続され、スイッチング素子Ｗｐおよびスイッチング素子Ｗｎからなる直列回路の中点にモータ２１ａのＷ相が接続されている。スイッチング素子Ｕｐのドレイン側に図１に示すバッテリ１０の正極が接続され、スイッチング素子Ｕｎのソース側にバッテリ１０の負極が接続されているものとする。なお図示例では各スイッチング素子にＭＯＳＦＥＴが用いられているが、各スイッチング素子の種類はＭＯＳＦＥＴに限定されるものではない。

電流を還流させる場合、制御部１は、上側のスイッチング素子Ｕｐ，Ｖｐ，Ｗｐをオンにして、かつ、下側のスイッチング素子Ｕｎ，Ｖｎ，Ｗｎをオフにする。または、制御部１は、上側のスイッチング素子Ｕｐ，Ｖｐ，Ｗｐをオフにして、かつ、下側のスイッチング素子Ｕｎ，Ｖｎ，Ｗｎをオンにする。

図１３は三相インバータ回路を三相変調方式で制御した場合における端子間電圧と相電流の波形を表す図である。（ａ）は三相の電圧指令ｕ，ｗ，ｖと三角波の搬送波ｃａを表し、（ｂ）はスイッチング素子駆動信号を表し、（ｃ）は端子間電圧を表し、（ｄ）は相電流を表す。三相の電圧指令ｕ，ｗ，ｖと搬送波ｃａとを比較することでスイッチング素子駆動信号を生成する三相変調方式の場合、スイッチング素子駆動信号ｕｎ，ｖｎ，ｖｎの全てがオン、またはスイッチング素子駆動信号ｕｐ，ｖｐ，ｗｐの全てがオンであれば、モータ２１ａとスイッチング素子との間で還流するループを形成することが可能となる。

図１４は三相インバータ回路を二相変調方式で制御した場合における端子間電圧と相電流の波形を表す図である。図１４では、三相の内の一つの相のスイッチングを行わず、二つの相のみでスイッチングを行う２相変調方式の場合の動作例が示される。図１３と同様に、（ａ）は三相の電圧指令ｕ，ｗ，ｖと三角波の搬送波ｃａを表し、（ｂ）はスイッチング素子駆動信号を表し、（ｃ）は端子間電圧を表し、（ｄ）は相電流を表す。図１４の例では、電圧指令ｕを搬送波ｃａよりも大きい値に設定することでＵ相のスイッチングを行わない制御となっている。二相変調の場合、スイッチングの制御を行うのは２つの電圧指令ｖ，ｗになるため、三相変調の場合と比較して、制御が簡単になり、またスイッチング損失が減少するといった効果が得られる。還流モードを生成する場合にはこの二つの指令の内、変調率がゼロに近い側の指令値に応じて下側で還流するモードの時間を設定でき、還流は全て下側で還流するモードとなる。よって一つの指令値を制御することのみで還流時間を設定できることから三相変調よりも容易に還流時間を設定できる。また、還流するモードが全て下側で行われるモードのみを取ることから駆動素子の駆動電源をブートストラップにて駆動する方式をとる場合においては、下側の還流ループ中にブートストラップ駆動用のコンデンサに充電できることから有利な構成となる。

なお、本実施の形態では電動送風機を電気掃除機に搭載した例を説明したが、電動送風機は、電気掃除機に限らず、ハンドドライヤー、焼却炉、粉砕機、乾燥機、集塵機、印刷機械、クリーニング機械、製菓機械、製茶機械、木工機械、プラスチック押出機、ダンボール機械、包装機械、熱風発生機、物体輸送、吸塵用、一般送排風、またはＯＡ機器といった通風路を備えた製品にも適用可能である。

また、インバータ２２を構成する複数のスイッチング素子は、少なくとも一つがワイドバンドギャップ半導体で構成されている。炭化珪素（ＳｉＣ）、窒化ガリウム系材料（ＧａＮ）、ダイヤモンド（Ｃ）といった材料を用いたワイドバンドギャップ半導体は、スイッチングの電力損失が小さいため、インバータ２２を構成するスイッチング素子をワイドバンドギャップ半導体で構成することにより、消費電力がより低減され、運転時間の一層の延長化を図ることができる。

以上に説明したように本実施の形態に係る電動送風機は、バッテリ１０からの直流電力を交流電力に変換するインバータ２２で駆動されるモータ２１ａを有し、インバータ２２は、バッテリ１０の残量に応じてモータ２１ａの回転数を変化させ、バッテリ１０の残量に応じてモータ２１ａの回転数が定常回転数に至るまでの時間を変化させ、またはバッテリ１０の残量に応じてモータ２１ａからバッテリ１０に回生する回生電力量を変化させる。この構成により、モータ駆動時の消費電力が低減されることから放電量が低減されてバッテリ１０の劣化が抑制され、または、バッテリ１０の過充電が抑制されることからバッテリ１０の劣化が抑制される。その結果、装置の信頼性の向上を図ることができ、さらにバッテリ１０に蓄えられたエネルギーを有効活用できるバッテリ１０への充電量が低減され省エネ効果も期待できる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 制御部、２ 駆動信号生成部、３ 電圧検出部、４ バッテリ残量検出部、５ 電流検出部、６ 位置検出部、７ コンデンサ、８ シャント抵抗、９ インバータ回路、１０ バッテリ、２０ 電動送風機、２１ ブロワモータ、２１ａ モータ、２１ａ１ モータ本体、２１ａ２ シャフト、２１ｂ ファン、２２ インバータ、２２ａ 回路基板、２２ｂ 半導体素子、２２ｂ１ 単相インバータ回路、２２ｂ２ 三相インバータ回路、３０ 集塵部、４０ 圧力センサ、１００ 電気掃除機、１１０ 掃除機本体、１１１ 通風路、１２０ 吸込具、１２１ 吸込口。

Claims (11)

1. バッテリからの直流電力を交流電力に変換するインバータで駆動されるモータを有し、
   前記インバータは、前記バッテリの残量に応じて前記モータの回転数を変化させ、前記バッテリの残量に応じて前記モータの回転数が定常回転数に至るまでの時間を変化させ、または前記バッテリの残量に応じて前記モータから前記バッテリに回生する回生電力量を変化させる電動送風機。
2. 前記インバータは、前記バッテリの残量が一定の値まで低下したとき、前記モータを通常運転時の回転数よりも低い回転数に制御し、または、前記バッテリの残量が低下するに従い、前記モータの回転数を低下させる請求項１に記載の電動送風機。
3. 前記インバータは、前記バッテリの残量が一定の値まで低下したとき、前記モータの回転数が定常回転数に至るまでの時間を長くし、または、前記バッテリの残量が低下するに従い、前記モータの回転数が定常回転数に至るまでの時間を長くする請求項１に記載の電動送風機。
4. 前記インバータは、前記バッテリが満充電である場合には前記バッテリに回生する回生電力量をゼロとし、または前記バッテリの残量が低いほど回生電力量を高める請求項１に記載の電動送風機。
5. 前記モータは、永久磁石を備える請求項１から請求項４の何れか一項に記載の電動送風機。
6. 前記インバータを構成する複数のスイッチング素子は、少なくとも一つがワイドバンドギャップ半導体で構成されている請求項１から請求項５の何れか一項に記載の電動送風機。
7. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドである請求項６に記載の電動送風機。
8. 請求項１から請求項７の何れか一項に記載の電動送風機を搭載した電気掃除機。
9. 前記インバータは、吸込具の底面に開口する吸込口の密閉度合に応じて前記モータの回転数を変化させる請求項８に記載の電気掃除機。
10. 前記吸込口と連通する電気掃除機内の通風路の内部圧力を検出する圧力センサを備え、
    前記インバータは、前記圧力センサで検出された前記内部圧力を用いて前記密閉度合を推定する請求項９に記載の電気掃除機。
11. 前記インバータは、前記密閉度合が一定の値にまで低下したとき、前記モータの回転数を定常回転数よりも低くする請求項９または請求項１０に記載の電気掃除機。

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