JP2018161022A - DC motor and ventilator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ブラシレスのDCモータおよび前記DCモータを搭載した換気扇に関するものである。 The present invention relates to a brushless DC motor and a ventilation fan equipped with the DC motor.
電化製品に多く使用されているモータは、主流はAC(交流)モータからDC(直流)モータに移りつつある。永久磁石を回転子に用い、インバータで駆動されるモータは、エアコンディショナ及び冷蔵庫ではほとんどの製品に搭載されている。
従来のDCモータは直流電源をモータ外部から接続されるのが殆どで、モータ固定子に電圧を印加するためのインバータ回路をモータの内部に搭載し、外部の制御回路から制御信号をモータ内に入力してモータを制御している。
また換気扇など従来の製品に制御回路や電源回路をもたないものにDCモータを使用するにあたってはモータの内部に制御回路と電源回路を搭載するものが使われるようになっている。
Motors that are often used in electrical appliances are moving from AC (alternating current) motors to DC (direct current) motors. A motor that uses a permanent magnet as a rotor and is driven by an inverter is installed in almost all products in air conditioners and refrigerators.
In most conventional DC motors, a DC power supply is connected from the outside of the motor. An inverter circuit for applying a voltage to the motor stator is mounted inside the motor, and a control signal is sent from the external control circuit to the motor. Input to control the motor.
In addition, when a DC motor is used in a conventional product such as a ventilation fan that does not have a control circuit or a power supply circuit, a motor in which a control circuit and a power supply circuit are mounted inside the motor is used.
このような換気扇に使われるDCモータでは浴室、洗面など使用条件により回転子、固定子などのモータ部分と、制御回路、電源回路などの回路部分とを隔絶した構造を用い湿気などが回路部分に影響を与えないようにしている。 DC motors used in such ventilation fans use a structure in which the motor parts such as the rotor and the stator are separated from the circuit parts such as the control circuit and the power circuit depending on the usage conditions such as the bathroom and the bathroom. It is trying not to affect.
また、DCモータはセンサで回転子の位置を検出(前記文献 磁極位置センサ)して固定子巻線に印加し電圧位相を制御する必要がある。
そのため回転子近くに制御回路とは別に磁極位置センサ回路を配置する必要がある。または制御回路に磁極位置センサを実装する場合には制御回路の磁極位置センサが回転子の磁極切り替わりの信号として回転子磁束が検出できる距離まで回転子に制御基板を近づける必要がある。
そのため、モータ部分と回路部分とを隔離するための部品として磁束を透過する樹脂の材料を用いて仕切っているものが採用されている。
Further, the DC motor needs to detect the position of the rotor with a sensor (refer to the above-mentioned magnetic pole position sensor) and apply it to the stator winding to control the voltage phase.
For this reason, it is necessary to arrange a magnetic pole position sensor circuit near the rotor separately from the control circuit. Alternatively, when a magnetic pole position sensor is mounted on the control circuit, it is necessary to bring the control board close to the rotor to such a distance that the magnetic pole position sensor of the control circuit can detect the rotor magnetic flux as a magnetic pole switching signal of the rotor.
For this reason, a part that uses a resin material that transmits magnetic flux as a part for separating the motor part and the circuit part is employed.
特許文献1の構造では回路基板収納部をモータ部分から隔離するための部品として、回転子の軸受を保持し、モータフレームの開口端を塞ぐモータブラケットに樹脂材料を用いている。この構造では、樹脂材料を必要とするこで、樹脂の成形工程も加わり、材料や加工するコストが上昇するとも樹脂の強度にも限界が生じてしまい、安価で堅牢なモータ構造に支障をきたすことになる。
In the structure of
また、軸受の保持部を樹脂にした場合では強度的に限界があることから、寿命が短くなったり、大型な羽根を有する機器のモータには適さないといった課題があった。 In addition, when the bearing holding portion is made of resin, there is a problem that the life is shortened or the motor is not suitable for a device having a large blade because the strength is limited.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、回転子の軸受を確実に保持し、回転子、固定子などのモータ部分と回路基板収納部とを隔絶し、安価で堅牢なDCモータを構成することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and reliably retains the bearings of the rotor, isolates the motor portion such as the rotor and the stator from the circuit board housing portion, and provides an inexpensive and robust DC motor. The purpose is to configure.
固定子および回転子を含むモータ部分と、このモータ部分を収納する有底円筒状のモータフレームと、回転子の回転数を制御する制御回路を搭載した回路基板と、この回路基板を覆い回路基板収納部を形成するモータカバーと、モータフレームとモータカバーの間に配置しモータ部分と回路基板収納部を隔絶する金属製のモータブラケットと、を備えたものである。 A motor part including a stator and a rotor, a bottomed cylindrical motor frame for housing the motor part, a circuit board on which a control circuit for controlling the rotation speed of the rotor is mounted, and a circuit board that covers the circuit board A motor cover that forms a storage portion, and a metal motor bracket that is disposed between the motor frame and the motor cover and isolates the motor portion from the circuit board storage portion.
本発明によれば、樹脂を成型して作るモータブラケットではなく、金属製の板金などの材料を絞ってモータブラケットを構成していることから、材料を安価にできるとともに、樹脂の成形型などを準備しなくても良い。また、軸受の支持力が高まるので大きな羽根なども使用することができ構造の強度アップに繋げられることになる。
また、磁極位置センサと回路を離すことなく配置しなくてはならないという従来の構造上の制約がなくなり、構造設計の自由度が大きく改善されることになる。
According to the present invention, the motor bracket is formed by constricting a material such as a metal sheet metal instead of a motor bracket formed by molding a resin. There is no need to prepare. Further, since the bearing support force is increased, a large blade can be used, which leads to an increase in the strength of the structure.
Further, the conventional structural restriction that the magnetic pole position sensor and the circuit must be arranged without being separated is eliminated, and the degree of freedom in structural design is greatly improved.
以下に、本発明にかかるDCモータおよび換気扇の実施の形態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。 Embodiments of a DC motor and a ventilation fan according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1によるDCモータの配置構成を示す断面図である。図2は、図1に示す回路基板に搭載される制御回路の一例を示すブロック図である。
図1において、DCモータ1の外郭筐体は、有底円筒状のモータフレーム2と、モータフレーム2の開口部を塞ぐカバーであるモータブラケット3と、回路基板10を覆うモータカバー4とで構成されている。モータフレーム2およびモータブラケット3およびモータカバー4は、外周縁に互いをネジ締結できるフランジ2a,3a,4aが設けられている。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing the arrangement of a DC motor according to
In FIG. 1, the outer casing of the
このDCモータ1の外郭筐体は、モータブラケット3により、モータフレーム2側のモータ部分収納部と、モータブラケット3の上部の回路基板収納部とに仕切られている。回路ケース5は、樹脂材を凹凸状にプレス成形したもので、その外周縁が、モータブラケット3の開口部に近い位置の内周面に固定されている。
The outer casing of the
モータ部分収納部には、固定子7および回転子6が配置されている。
固定子7は、円筒状ヨークの内周に120度間隔で突設した3つの鉄心に3相(U相、V相、W相)の固定子巻線7aがそれぞモータフレーム2の内周面に密着させて配置されている。
A
The
回転子6は、永久磁石で構成され、シャフト8に固定されている。シャフト8は、モータフレーム2の円筒中心位置において軸受け9a,9bに回転自在に支持されている。軸受け9aは、モータブラケット3に固定され、シャフト8の一端を回転自在に支持している。軸受け9bは、モータフレーム2の底部に固定され、モータフレーム2の底部から外へ飛び出しているシャフト8の他端側途中を回転自在に支持している。
The
回路基板収納部では、回路基板10が回路ケース5に位置決め固定されている。回路基板10には、制御回路の全てが搭載されている。但し、図1では、制御回路の要部構成が示されている。すなわち、図1では、モータブラケット3に設けられるAC入力コネクタ11と、フィルタ回路13と、電源回路14と、インバータ回路15とが示されている。
In the circuit board housing portion, the
そして、固定子7の回路ケース5側を被覆する樹脂層(図示ししない)に、コイルピン16の一端が固定されている。コイルピン16は、軟銅線からなり、3相分設けられ、それぞれの一端は、樹脂層とハウジング4との間において対応するステータ巻線の一端に半田接続され、それぞれの他端は、回路基板10上においてインバータ回路15内のスイッチング回路15bの対応する出力端にパターン接続されている。
One end of the
次に、回路基板10に搭載される制御回路について具体的に説明する。
図2において、制御回路に入力される交流電源37(AC100V〜AC240V)は、ヒューズ20、フィルタ回路13を介して電源回路14に入力し、インバータ回路15にて必要とされる直流電源に変換される。
Next, the control circuit mounted on the
In FIG. 2, an AC power source 37 (AC 100 V to AC 240 V) input to the control circuit is input to the
フィルタ回路13は、ノイズフィルタを構成する、XコンデンサCxと、コモンモードチョークコイルLと、YコンデンサCy1,Cy2とを備えている。XコンデンサCxは、交流電源の2線間に接続されている。コモンモードチョークコイルLは、交流電源の2線にそれぞれ介挿されされている。YコンデンサCy1,Cy2は、それぞれ、一端が交流電源の2線の片方に接続され、アース側である他端が回路基板10の回路アースに接続されている。なお、XコンデンサCxは、図2では、コモンモードチョークコイルLの一端側(電源入力側)に配置した場合を示すが、さらに、コモンモードチョークコイルLの他端側(電源回路側)にも配置する場合がある。
The
電源回路14は、整流回路14aと、平滑用コンデンサ14bと、スイッチング電源14cとを備えている。インバータ回路15は、駆動回路15aと、スイッチング回路15bとを備えている。
The
電源回路14では、フィルタ回路13を通して入力される交流電源がダイオードブリッジによる整流回路14aにて全波整流されて直流電源に変換され、平滑用コンデンサ14bに蓄電される。平滑用コンデンサ14bには、スイッチング回路15bで必要とされる直流電源(例えばDC140VやDC280V)が生成される。スイッチング電源14cは、平滑用コンデンサ14bに生成された直流電源から、駆動回路15aで必要とされる制御電源(例えばDC15V)を生成する。
In the
スイッチング回路15bは、正極母線Pと負極母線Nとの間に形成されるU相、V相、W相の3相ブリッジ構成である。正極母線Pは平滑用コンデンサ14bの正極端に接続され、負極母線Nは平滑用コンデンサ14bの負極端に接続されている。正極母線P側の3個のトランジスタは上アームトランジスタであり、負極母線N側の3個のトランジスタは下アームトランジスタである。各スイッチング素子には、それぞれ逆並列に還流ダイオードが接続されている。上下の各アームトランジスタの接続端は、出力端を構成し、U相、V相、W相の固定子巻線7aに接続されている。
The switching circuit 15b has a U-phase, V-phase, and W-phase three-phase bridge configuration formed between the positive electrode bus P and the negative electrode bus N. The positive electrode bus P is connected to the positive electrode end of the smoothing capacitor 14b, and the negative electrode bus N is connected to the negative electrode end of the smoothing capacitor 14b. The three transistors on the positive bus P side are upper arm transistors, and the three transistors on the negative bus N side are lower arm transistors. A free-wheeling diode is connected to each switching element in antiparallel. The connection ends of the upper and lower arm transistors constitute an output end and are connected to the U-phase, V-phase, and W-
駆動回路15aは、スイッチング回路15b内の6個のスイッチング素子をオン・オフ駆動するPWM信号を生成する。本システムでは、ホールIC等の磁極位置センサを削除した磁極位置センサレス駆動によりDCモータを駆動する構成であり、回転子の磁極位置を推定する磁極位置推定手段を有している。磁極位置推定手段は、固定子巻線7aに流れる電流とモータ定数から回転子6の位置を推定し、所望の固定子巻線7aに通電できるように、PWM信号を生成する。これによって、回転子6が回転し、シャフト8が回転する。
The drive circuit 15a generates a PWM signal for driving on and off the six switching elements in the switching circuit 15b. In this system, the DC motor is driven by a magnetic pole position sensorless drive in which a magnetic pole position sensor such as a Hall IC is deleted, and has a magnetic pole position estimating means for estimating the magnetic pole position of the rotor. The magnetic pole position estimating means estimates the position of the
さて、図1において、モータフレーム2の開口端にはモータブラケット3を設けている。また、モータフレーム2、、モーターブラケット3、モータカバー4はそれぞれ金属製の材料で構成する。モータブラケット3は例えば板金の絞り型などで成形し、中央に回転子の軸受9aを保持する保持部を設けている。
In FIG. 1, a
このように、モータブラケット3を設けることで、モータ部分と回路基板収納部に収納した回路基板10とを簡単に隔絶することができる。このため換気扇が使用される部屋の湿気等を回路基板10に与えることがなく信頼性の向上が可能である。また軸受9aの保持部の強度が向上できることから重量の重い大型の羽根を搭載した大型の機器にも採用することが可能で、さらにモータの長寿命化も図れる。
また従来、磁極位置センサを搭載した場合、回転子6に装備した磁石は、その磁石の端面を制御回路に実装してある磁極位置センサに近づけるために、回転子6の厚みよりも多くはみ出した形状にする必要があった。しかしながら、今回磁極位置センサがなく、回転子の磁石を、磁極位置センサに近づける必要もなくなったので、回転子6の構成が簡単になるとともに磁石が必要最低限の長さですみ、モータを小型化できる。
Thus, by providing the
Conventionally, when the magnetic pole position sensor is mounted, the magnet mounted on the
実施の形態2.
図3は、本発明の実施の形態2によるDCモータ1の構成を示す断面図である。なお図3では、図1(実施の形態1)に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態2に関わる部分を中心に説明する。図3では、磁極位置センサ40を用いて、回転子6の位置情報を検出する。
図3に示すように、磁極位置センサ40はセンサ基板41に搭載している。また、センサ基板41はモータ内部の固定子7の樹脂層に固定し、回路基板10とはセンサリード43で接続している。モータブラケット3および、回路ケース5には貫通穴43を設けており、センサリード42は、この貫通穴43を通して接続している。
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the configuration of the
As shown in FIG. 3, the magnetic
このように、実施の形態2によれば、DCモータ1の外郭筐体内、回転子6の近傍に磁極位置センサ40を用いているため回転子6の位置情報が正確に把握できる。さらに、モータブラケット3、並びに回路ケース5の貫通穴43は、センサリード42を通すだけの直径ですむことから、モータ部分と回路基板収納部との隔絶に大きな影響を与えることがなく仕切ることが可能となっている。
さらに磁極位置センサ40を回転子6の近傍に配置した事から、回転子6の磁石を回路基板10に近づける必要もなく最小限の大きさで良く、材料費の削減が可能である。
As described above, according to the second embodiment, since the magnetic
Further, since the magnetic
したがって、実施の形態1と同様に、換気扇が使用される部屋の湿気等を回路基板10に影響を及ぼすことがなく、また軸受9aの保持部の強度が確保できることから、大型の機器にも採用することが可能で、また、モータの長寿命化も図れる。
Therefore, as in the first embodiment, the humidity of the room where the ventilation fan is used does not affect the
実施の形態3.
図4は、本発明の実施の形態1による換気扇の概略外観構成図である。図4において、この実施の形態1による換気扇30は、実施の形態1にて説明したDCモータ1を搭載している。なお、実施の形態2にて説明したDCモータ1も、それぞれ、図4に示す態様で換気扇30に搭載される。
FIG. 4 is a schematic external configuration diagram of the ventilation fan according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 4, the
DCモータ1は、シャフト8にファン31が取り付けられた状態で、外郭筐体が換気扇ボディ32にネジ33で固定されることで、換気扇30に搭載されている。換気扇ボディ32には、電源接続端子台34とアース接続端子35とが設けられている。
The
DCモータ1のAC入力コネクタ11は、電源接続端子台34に接続する。電源接続端子台34は、一方の外部接続端子がスイッチ36を介してAC100Vの交流電源37の一方の電源ラインに接続され、他方の外部接続端子がAC100Vの交流電源37の他方の電源ラインと直接接続されている。すなわち、スイッチ36のオン・オフにより、DCモータ1への通電・遮断が行われる。スイッチ36をオンしてDCモータ1に通電すると、DCモータ1のシャフト8に接続されたファン31が回転し、室内の換気が行われる。
The
図4で示すようにDCモータ1は、換気扇30の換気扇ボディ32と、モータカバー4のフランジ4aをねじ33で固定している。ネジ33は図4では2本であるが、DCモータ1の大きさより適宜選択し締め付けている。この構造ではDCモータ1のモータフレーム2、回転子6、固定子7等のモータ部分は換気扇ボディ32の中に配置される。一方、モータカバー4に内蔵される回路基板収納部の回路基板10は換気扇ボディ32の外に配置している。
As shown in FIG. 4, in the
ここで換気扇30は様々な用途で使用される。例えば住宅用途では、住宅内の居間、台所、浴室、トイレ等幅広く用いられている。このため換気扇30の換気扇ボディ32の内部は、住宅の台所では油煙や水蒸気を含んだ高温の空気にさらされたり、例えば浴室では高湿度な空気にさらされることなど、使用環境により大きく異なる。
Here, the
したがって、換気扇ボディ32の内部にあるDCモータ1のモータ部分は上記のように住宅内の様々な環境にさらされる場合があるが、モータカバー4に内蔵される回路基板収納部の回路基板10はほぼ安定した雰囲気となるよう、モータブラケット3でモータ部分とは隔絶することができる。
Therefore, although the motor part of the
このように実施の形態3によれば、回路基板収納部にある回路基板10は換気扇30の使用される環境に左右されることなく、比較的に安定した状態を保つことが可能で、DCモータ1の信頼性を向上させ、長寿命化が図れる。またモータブラケット3を金属製としたことで、回転子6の軸受9aを保持する強度が向上し、大型の羽根や、金属製の羽根などの重量の重い羽根も採用することができ、換気扇30の用途を広げられることになる。
また、ここでは例えば住宅用途で説明したが、業務用の用途でも同様である。さらにDCモータ1の小型化も可能であることから、換気扇30の小型化も図ることができ、従来の換気扇ボディ32の大きさで大風量の換気扇30が得られるなど、その用途をさらに広げることが可能である。
As described above, according to the third embodiment, the
Further, here, for example, the explanation was made for residential use, but the same applies to business use. Furthermore, since the
なお、実施の形態1〜3では、DCモータ1は、シャフトをモータフレーム側から出した片軸モータを示したが、この実施の形態で説明した内容は、シャフトをモータフレーム側とモータブラケット側との両側から出した両軸モータにも同様に適用することができることは言うまでもない。
In the first to third embodiments, the
以上のように、本発明にかかるDCモータは、モータ部分と回路基板部とを強度のある金属性のモータブラケットで隔絶できることから、制御回路内蔵型のDCモータとして有用である。 As described above, the DC motor according to the present invention is useful as a DC motor with a built-in control circuit because the motor portion and the circuit board portion can be separated by a strong metallic motor bracket.
また、本発明にかかる換気扇は、上記発明のDCモータの制御回路を安定した温湿度環境が確保できるように搭載しており、DCモータの長期信頼性が期待できる換気扇として有用である。 Moreover, the ventilation fan concerning this invention is mounted as the DC motor control circuit of the said invention is ensured so that the stable temperature-humidity environment can be ensured, and it is useful as a ventilation fan which can anticipate long-term reliability of a DC motor.
1 DCモータ
2 モータフレーム
3 モータブラケット
4 モータカバー
5 回路ケース
6 回転子
7 固定子
7a 固定子巻線
8 シャフト
9a、9b 軸受
10 回路基板
11 AC入力コネクタ
13 フィルタ回路
14 電源回路
14a 整流回路
14b 平滑用コンデンサ
14c スイッチング電源
15 インバータ回路
15a 駆動回路
15b スイッチング回路
16 コイルピン
20 電流ヒューズ
30 換気扇
31 ファン
33 ネジ
34 電源端子台
32 換気扇ボディ
35 アース接続端子
36 スイッチ
37 交流電源
38 アース線
40 磁極位置センサ
41 センサ基板
42 センサリード
43 貫通穴
Cx Xコンデンサ
Cy1、Cy2 Yコンデンサ
L コモンモードチョークコイル
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記モータ部分を収納する有底円筒状のモータフレームと、
前記回転子の回転数を制御する制御回路を搭載した回路基板と、
前記回路基板を覆い回路基板収納部を形成するモータカバーと、
前記モータフレームと前記モータカバーの間に配置し前記モータ部分と前記回路基板収納部を隔絶する金属製のモータブラケットと、
を備えたことを特徴とするDCモータ。 A motor part including a stator and a rotor;
A bottomed cylindrical motor frame that houses the motor portion;
A circuit board equipped with a control circuit for controlling the rotational speed of the rotor;
A motor cover that covers the circuit board and forms a circuit board housing portion;
A metal motor bracket disposed between the motor frame and the motor cover to isolate the motor portion and the circuit board housing;
A DC motor comprising:
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