JP2018519965A

JP2018519965A - デュアル電源を有する真空掃除機

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Publication number: JP2018519965A
Application number: JP2018502696A
Authority: JP
Inventors: スティーブン・グリーサム
Original assignee: ダイソン・テクノロジー・リミテッド
Priority date: 2015-07-21
Filing date: 2016-06-30
Publication date: 2018-07-26
Also published as: CN107847099A; GB2540751A; GB201512849D0; WO2017013391A1; GB2540751B; US20180199782A1

Abstract

真空モータおよび電源を備える真空掃除機。電源は、AC電源に接続するための入力端子と、真空モータに接続された出力端子と、AC-DC段と、バッテリーとを備える。AC-DC段は、AC電源から取り出された交流を、バッテリーおよび真空モータに供給される直流へと変換する。電源は、AC電源から切り離されたとき第1のモードで動作し、AC電源に接続されたとき第2のモードで動作する。電源が第2のモードで動作するとき、真空モータは低電力状態および高電力状態のうち1つで動作する。真空モータが低電力状態で動作するとき、バッテリーを充電するように、真空モータおよびバッテリーのそれぞれがAC電源から電力を取り出す。真空モータが高電力状態で動作するとき、バッテリーが放電するように、真空モータはAC電源とバッテリーの両方から電力を取り出す。

Description

本発明は、バッテリーまたは幹線の電源などのAC電源から取り出された電力を真空モータに供給する電源を有する真空掃除機に関する。

WO2008/146988は、デュアル電源と、AC電力またはDC電力を使用して駆動され得る真空モータとを有する真空掃除機を説明している。デュアル電源は、電源コード、バッテリー、充電デバイス、および制御ユニットを備える。電源コードが幹線の電源に接続されているとき、制御ユニットは、真空モータが幹線の電源によって供給されるAC電力で駆動されるように、真空モータに駆動信号を伝送する。加えて、充電デバイスは、AC電力を使用して、同時にバッテリーを充電する。後に電源コードが幹線の電源から切り離されたとき、制御ユニットは、真空モータがバッテリーによって供給されるDC電力で駆動されるように、真空モータに駆動信号を伝送する。

WO2008/146988

本発明は、真空モータおよび電源を備える真空掃除機を提供するものであり、電源は、AC電源に接続するための入力端子と、真空モータに接続された出力端子と、AC-DC段と、バッテリーとを備え、AC-DC段は、AC電源から取り出された交流を、バッテリーおよび真空モータに供給される直流へと変換し、電源は、AC電源から切り離されたとき第1のモードで動作し、AC電源に接続されたとき第2のモードで動作し、電源が第1のモードで動作するとき、真空モータはバッテリーのみから電力を取り出し、電源が第2のモードで動作するとき、真空モータは低電力状態および高電力状態のうちの1つで動作し、真空モータが低電力状態で動作するとき、バッテリーを充電するように、真空モータおよびバッテリーのそれぞれがAC電源から電力を取り出し、真空モータが高電力状態で動作するとき、バッテリーが放電するように、真空モータはAC電源とバッテリーの両方から電力を取り出す。

AC-DC段は、バッテリーの再充電と真空モータの給電の両方に使用されるDC電圧を生成するために使用され得る。したがって、DC電力とAC電力の両方で駆動され得る真空モータを用意する必要はない。

電源は、AC電源に接続されたとき、真空モータの動作状態に依拠して違ったやり方で動作する。真空モータが低電力状態のとき、AC-DC段によってAC電源から取り出された電力が真空モータとバッテリーの間で共用される。その結果、バッテリーは真空モータの動作中に充電される。真空モータが高電力状態のとき、AC-DC段によってAC電源から取り出された電力のすべてが真空モータに供給される。バッテリーは、AC電源から取り出された電力を増強するように、真空モータに対して付加的に電力を供給する。その結果、バッテリーは真空モータの動作中に放電する。したがって、真空モータは、高電力状態のときAC電源とバッテリーから同時に電力を取り出す。この機構の利点は、AC-DC段が低電力の定格の電気部品を採用し得ることである。その結果、より安価で、より小さく、より軽い電源が実現され得る。低電力の定格にもかかわらず、電源は、バッテリーを使用して、AC電源から取り出される電力を増強することにより、より大きい電力を真空モータに供給することができる。

電源が第2のモードで動作するとき真空モータによって取り出される電力は、電源が第1のモードで動作するとき真空モータによって取り出される電力を下回らないものであり得る。したがって、真空モータの性能は、電源がAC電源に接続されているときには、電源がAC電源から切り離されたときを下回ることはない。より詳細には、低電力状態で動作している真空モータによって取り出される電力は、電源が第1のモードで動作するときも第2のモードで動作するときも同一であり得る。したがって、ユーザは、電源がAC電源に接続されているときとAC電源から切り離されているときで、注目に値するほどの性能差を識別しないはずであり、それにもかかわらず、電源がAC電源に接続されているとき、バッテリーが充電されることになる。

電源が第1のモードで動作しているとき、真空モータによって取り出される電力はMでよく、電源が第2のモードで動作していて真空モータが低電力状態で動作しているとき、真空モータによって取り出される電力はNでよく、電源が第2のモードで動作していて真空モータが高電力状態で動作しているとき、真空モータによって取り出される電力はPでよい。そのとき、PはMとNのどちらよりも大きい。その結果、真空モータによって取り出される電力は、高電力状態で動作しているときのものが、低電力状態で動作しているときや電源がAC電源から切り離されているときのものよりも大きい。高電力状態で動作するとき、真空モータがバッテリーから電力を取り出すので、バッテリーは放電する。したがって、たとえば特に頑強なほこりを除去するために瞬間的に吸引力を強める必要がある場合、高電力状態が採用され得る。加えて、NはM以上でよい。その結果、バッテリーを充電しているときの真空モータの性能は、電源がAC電源から切り離されたときの性能に劣ることはない。

電源が第1のモードで動作しているときにバッテリーから取り出される電力は、少なくとも200Wでよい。したがって、電源がAC電源から切り離されたとき真空モータに供給される電力は比較的大きく、したがって比較的優れた吸引力が達成され得る。

AC-DC段とバッテリーは、入力端子と出力端子の間で並列に接続され得る。こうすると、電源が第2のモードで動作しているとき、バッテリーがAC-DC段のための蓄積デバイスとして働き得るという利点を得る。その結果、AC-DC段には蓄積容量がほとんどまたはまったくなくてよく、それによって、AC-DC段の大きさおよびコストが低減され、したがって電源の大きさおよびコストが低減される。蓄積容量が小さいことの結果として、AC-DC段によって出力される電流が比較的大きいリップルを有し得る。詳細には、AC-DC段は少なくとも50%のリップルがある電流を出力し得る。そこで、真空モータによって取り出される電流がAC-DC段によって出力される電流よりも大きい第1の期間と、真空モータによって取り出される電流がAC-DC段によって出力される電流よりも小さい第2の期間とがある。それぞれの第1の期間中に、真空モータがバッテリーから不足電流を取り出し、結果としてバッテリーが放電する。それぞれの第2の期間中に、真空モータによって取り出されない余分の電流は、代わりにバッテリーによって取り出され、それによってバッテリーを充電する。その結果、バッテリーはAC-DC段のための蓄積デバイスとして働く。したがって、電源は、AC-DC段から出力される電流におけるリップルにもかかわらず、真空モータの電流需要を間断なく満たすことができる。

「リップル」という用語は、本明細書では最大値のピークツーピークの百分率として表現され、すなわち、リップル=(Imax-Imin)/Imax×100%であり、Imaxは各サイクルにわたる電流の最大値であって、Iminは各サイクルにわたる電流の最小値である。

AC-DC段は、バッテリーの電圧の変化に応答して、AC電源から取り出される電力を調節してよい。たとえば、AC-DC段は、バッテリーの電圧を監視し、この情報を使用して過電圧および/または不足電圧を防止し得る。それに加えて、またはその代わりに、AC-DC段は、この情報を使用してバッテリーの充電速度を制御し得る。たとえば、バッテリー電圧が増加するとき、AC-DC段は、バッテリーが定電流で充電されるように、AC電源から取り出される電力を増加させてよい。一旦バッテリーが完全に充電されると、AC-DC段は、バッテリーを満充電に近い電圧に維持するために、AC電源から取り出される電力を調節してよい。たとえば、バッテリーの電圧が満充電に対応する閾値を下回るとき、AC-DC段は、AC電源から取り出される電力を、真空モータによって取り出される電力よりも高いレベルに設定してよい。その結果、バッテリーは正味の充電を経験する。後にバッテリーの電圧が満充電に対応する閾値を上回って上昇したとき、AC-DC段は、AC電源から取り出される電力を、真空モータによって取り出される電力よりも低いレベルに設定してよい。その結果、バッテリーは正味の放電を経験する。次いで、バッテリーの放電は、バッテリーの電圧がさらなる閾値を下回るまで継続し、そこで、AC-DC段は、バッテリーが再び正味の充電を経験するように、AC電源から取り出される電力を以前の値に設定する。

AC-DC段は、AC電源から取り出された電流を整流するためのAC-DCコンバータと、AC電源から取り出されて整流された電流を調整するためのPFC回路と、整流された電流の電圧を下げるための降圧のDC-DCコンバータとを備え得る。そこで、DC-DCコンバータの電圧変換比は、電圧降下されたとき、整流された電流のピーク電圧がバッテリー電圧よりも低くなるように定義され得る。そこで、このことは、PFC回路が、連続電流制御をもたらすためにブーストモードで動作することができるという利点を得る。

本発明の理解をより容易にするために、次に、本発明の一実施形態を、添付図面を参照しながら例として説明する。

本発明による真空掃除機の部分拡大図である。本発明による真空掃除機のブロック図である。真空掃除機の一部分を形成する電源のブロック図である。真空掃除機の回路図である。電源のAC-DC段によって出力される電流および真空掃除機の真空モータの電流需要を示す図である。図5と同一の波形において、電源のバッテリーから取り出される電荷(領域A)と、このバッテリーによって取り出される電荷(領域B)の合計を示す図である。

図1および図2の真空掃除機1は、本体2、真空モータ3、電源4、システムコントローラ5、オンオフスイッチ6、電力モードスイッチ7、および電源コード8を備える。

真空モータ3は本体2の内部に収容されており、スタンバイ、低電力、および高電力の3つの動作状態を有する。真空モータ3は、スタンバイ状態のときには吸引力を生成することなく、真空モータ3の内部コントローラが必要とする電力のみを取り出す。真空モータ3は、低電力状態および高電力状態では吸引力を生成し、電源4からそれぞれ200Wおよび400W取り出す。したがって、真空モータ3は、高電力状態で動作するとき、より高い吸引力を生成する。

電源4は、同様に本体2の内部に収容され、入力端子10、出力端子11、AC-DC段12、およびバッテリー13を備える。入力端子10は、電源コード8を介して幹線の電源などのAC電源14に接続可能である。出力端子11は真空モータ3に接続されている。本体2の上部に収容されているAC-DC段12と本体2の下部に収容されているバッテリー13は、入力端子10と出力端子11の間で並列に接続されている。

電源4は、電源4がAC電源14に接続されているか否かということに依拠して、2つのモードのうちの1つで動作する。電源4は、AC電源14から切り離されているとき、第1のモードすなわちバッテリーモードで動作する。電源4は、AC電源14に接続されているとき、第2のモードすなわち幹線モードで動作する。AC電源14が一般的には幹線の電源であるため、ここでは「幹線モード」という用語が使用される。

システムコントローラ5は、電源4の出力電圧と、オンオフスイッチ6および電力モードスイッチ7の状態とを監視する。そこで、システムコントローラ5は、この情報を使用して真空モータ3の動作状態を制御する。より具体的には、システムコントローラ5は、入力信号V_BAT、S_PWRおよびS_HILOを監視する。V_BATは、バッテリー13の電圧の測定値をもたらし、したがって電源4の出力電圧をもたらす。S_PWRおよびS_HILOは、それぞれオンオフスイッチ6および電力モードスイッチ7が作動したとき論理的Hに引き上げられるデジタル信号である。システムコントローラ5は、これら3つの信号に応答して、真空モータ3へ信号OP_STATEを出力する。OP_STATEは、STBY、LOおよびHIに対応する3つの可能な値を有する。それに応じて、真空モータ3は、それぞれスタンバイ状態、低電力状態および高電力状態で動作する。OP_STATEの別々の値は複数のやり方で達成され得る。たとえば、OP_STATEの電圧は、0V(STBY)、2.5V(LO)または5V(HI)でよい。あるいは、OP_STATEは、0%(STBY)、50%(LO)または100%(HI)のデューティサイクルを有するPWM信号でもよい。

オンオフスイッチ6は、本体2のハンドル上に配置されているトリガスイッチである。スイッチ6は、ユーザによって、真空掃除機1の電源をオン/オフするように動作される。スイッチ6はシステムコントローラ5へ信号S_PWRを出力する。オンオフスイッチ6が作動したとき、S_PWRは論理的Hに引き上げられる。

電力モードスイッチ7は、本体2の後部に配置されているモーメンタリの押ボタンスイッチである。スイッチ7は、ユーザによって、真空モータ3を低電力状態と高電力状態の間で切り換えるように動作される。電力モードスイッチ7はシステムコントローラ5へ信号S_HILOを出力する。電力モードスイッチ7が作動したとき、信号S_HILOは瞬間的に論理的Hに引き上げられる。

電源コード8は電源4をAC電源14に接続するために使用される。バッテリーモードで動作するときには電源コード8がなくてよい(can be discarded)ように、電源コード8は電源4から取外し可能である。

次に図3および図4を参照して、AC-DC段12は、電磁障害(EMI)フィルタ20、AC-DCコンバータ21、力率補正(PFC)回路22、およびDC-DCコンバータ23を備える。

EMIフィルタ20は、AC電源14から取り出される入力電流における高周波数の高調波を減衰させるように使用される。

AC-DCコンバータ21は、全波整流をもたらすブリッジ整流器D1〜D4を備える。

PFC回路22は、AC-DCコンバータ21とDC-DCコンバータ23の間に配置された昇圧コンバータを備える。昇圧コンバータは、インダクタL1、キャパシタC1、ダイオードD5、スイッチS1および制御回路を備える。インダクタ、キャパシタ、ダイオードおよびスイッチは従来の配置で配置されている。結果的に、スイッチS1が閉じているときインダクタL1がエネルギーを与えられ、スイッチS1が開かれたとき、インダクタL1からエネルギーがキャパシタC1に伝達される。次いで、スイッチS1の開閉は制御回路によって制御される。

制御回路は、電流センサR1、電圧センサR2、R3、およびPFCコントローラ25を備える。電流センサR1が出力する信号I_INは、AC電源14から取り出された入力電流の測定値をもたらす。電圧センサR2、R3が出力する信号V_INは、AC電源14から取り出された入力電圧の測定値をもたらす。電流センサR1および電圧センサR2、R3は、AC-DCコンバータ21のDC側に配置されている。結果的に、I_INは入力電流の整流された形態であり、V_INは入力電圧の整流された形態である。両方の信号がPFCコントローラ25に対して出力される。PFCコントローラ25は、電流基準を生成するためにV_INをスケーリングする。次いで、PFCコントローラ25は、電流基準を使用して入力電流I_INを調整する。PFCコントローラ25は、入力電流を調整するために様々な制御方式を採用する。たとえば、PFCコントローラ25は、ピーク電流、平均電流またはヒステリシス電流の制御を採用してよい。そのような制御方式は周知であり、したがって、ここで特定の方式を詳細に説明することは企図されていない。PFCコントローラ25は信号V_BATも受け取り、V_BATは、バッテリー13の電圧の測定値をもたらし、さらなる電圧センサR4、R5によって出力される。以下で説明されるように、PFCコントローラ25は、バッテリー電圧の変化に応答して、入力電流を調整する。これは、V_BATの変化に応答して電流基準の振幅を調節する(すなわちV_INをスケーリングする)ことによって達成される。

DC-DCコンバータ23は、1対の一次側スイッチS2、S3を備えるハーフブリッジLLC直列共振コンバータと、一次側スイッチを制御するための一次側コントローラ(図示せず)と、共振回路網Cr、Lrと、変圧器Txと、1対の二次側スイッチS4、S5と、二次側スイッチを制御するための二次側コントローラ(図示せず)と、低域通過フィルタC2、L2とを備える。一次側コントローラは、一次側スイッチS2、S3を、CrとLrの共振によって定義された固定周波数でスイッチングする。同様に、二次側コントローラは、同期整流を達成するために、二次側スイッチS4、S5を、同じ固定周波数でスイッチングする。次いで、コンバータ23のスイッチング周波数から生じる高周波数の電流リップルを低域通過フィルタC2、L2が除去する。

DC-DCコンバータ23のインピーダンスは比較的小さい。結果として、PFC回路22の出力における電圧は、バッテリー13の電圧によって定義されたレベルに維持される。より具体的には、PFC回路22の出力における電圧は、バッテリー電圧にDC-DCコンバータ23の巻数比を掛けた値に維持される。以下の議論を簡単にするために、バッテリー電圧(V_BAT)に巻線比(Np/Ns)を掛けたもの参照するとき、「昇圧/降圧された(stepped)バッテリー電圧」という用語を使用する。

PFC回路22のスイッチS1を開くと、インダクタL1からのエネルギーがキャパシタC1に伝達され、キャパシタ電圧が上昇する。キャパシタ電圧が昇圧/降圧されたバッテリー電圧に到達すると直ちに、インダクタL1からのエネルギーがバッテリー13に伝達される。DC-DCコンバータ23のインピーダンスが比較的低いために、キャパシタC1の電圧はそれ以上上昇することなく、昇圧/降圧されたバッテリー電圧に維持される。PFC回路22のスイッチS1を閉じると、キャパシタC1は、キャパシタ電圧と昇圧/降圧されたバッテリー電圧の間に差があるときのみ放電する。その結果、スイッチS1が閉じられた後、キャパシタC1は昇圧/降圧されたバッテリー電圧に維持され続ける。したがって、バッテリー13の電圧がPFC回路22に反映される。

PFC回路22が、AC電源14から取り出される入力電流を連続的に制御することができるように、キャパシタ電圧を、AC電源14の入力電圧のピーク値よりも高いレベルに維持する必要がある。キャパシタC1が昇圧/降圧されたバッテリー電圧に維持されるので、昇圧/降圧されたバッテリー電圧を、入力電圧のピーク値よりも高いレベルに維持する必要がある。その上、この条件は、バッテリー13の全電圧範囲にわたって満たされなければならない。結果的に、DC-DCコンバータ23の巻数比はNp/Ns>V_IN(peak)/V_BAT(min)と定義され、Np/Nsは巻数比であり、V_IN(peak)はAC電源14の入力電圧のピーク値であり、V_BAT(min)はバッテリー13の最低電圧である。

PFC回路22は、AC電源14から取り出される入力電流が実質的に正弦波であることを保証する。AC電源14の入力電圧が正弦波であるので、AC-DC段12によってAC電源14から取り出される入力電力は2乗された正弦波の波形を有する。AC-DC段12の蓄積容量が非常に小さいので、AC-DC段12の出力電力は入力電力と実質的に同一の形状を有し、すなわち出力電力も2乗された正弦波の波形を有する。AC-DC段12の出力電圧はバッテリー電圧に維持される。結果的に、AC-DC段12は、2乗された正弦波の波形の出力電流を出力する電流源として働く。したがって、出力電流の波形は周期的であり、入力電流の2倍の周波数および100%のリップルを有する。

AC-DC段12の出力電流のリップルのために、真空モータ3が必要とする電流が出力電流よりも大きい期間と、真空モータ3が必要とする電流が出力電流よりも小さい期間とがある。今後、これらの期間は、放電期間、充電期間と称する。

図5は、2サイクルにわたる真空モータ3の電流需要およびAC-DC段12の出力電流を示す。説明を簡単にするために、出力電流は滑らかな波形として示されている。しかしながら、出力電流は、PFC回路22およびDC-DCコンバータ23のスイッチング周波数におけるいくらかの高周波リップルを有するはずであることが理解されよう。図5に見られるように、真空モータ3の電流需要がAC-DC段12の出力電流よりも大きい放電期間がある。そこで、電流の不足はバッテリー13によって補償される。したがって、真空モータ3は、各放電期間中にAC-DC段12とバッテリー13の両方から電流を取り出す。言うまでもなく、バッテリー13から電流が取り出されるので、バッテリー13は各放電期間中に放電する。真空モータ3の電流需要がAC-DC段12の出力電流よりも小さい充電期間があることも見られる。そこで、余分な電流はバッテリー13を充電するために使用される。したがって、真空モータ3およびバッテリー13は、各充電期間中にAC-DC段12から電流を取り出す。その結果、バッテリー13は、電源4が幹線モードで動作するとき、AC-DC段12のための平滑キャパシタとして働く。

図6は図5と同一の波形を示す。領域Aの面積は、各放電期間中にバッテリー13から取り出される合計の電荷を表す。領域Bの面積は、各充電期間中にバッテリー13によって取り出される合計の電荷を表す。領域Aの面積が領域Bの面積よりも大きいとき、バッテリー13の正味の放電がある。反対に、領域Bの面積が領域Aの面積よりも大きいとき、バッテリー13の正味の充電がある。そこで、2つの領域の面積が同一であるとき、バッテリー13には正味の充電も正味の放電もない。

図6から明らかなように、領域AおよびBの面積は、真空モータ3の電流需要の大きさおよびAC-DC段12の出力電流の振幅に依拠する。出力される電流の振幅は、AC電源14から取り出される入力電流の振幅によって定義され、この入力電流の振幅は、PFC回路22によって採用された電流基準によって定義される。したがって、電流基準を調節することにより、AC-DC段12によって出力される電流の振幅が調節され得、したがって領域AおよびBの面積が調節され得る。

次に真空掃除機1の動作を説明する。

バッテリーモード
電源4は、AC電源14から切り離されているときにはバッテリーモードで動作する。そこで、真空モータ3およびシステムコントローラ5に対して、バッテリー13が単独で給電する。真空モータ3のコントローラおよびシステムコントローラ5は、継続的に電源オンになっている。

スタンバイ状態
オンオフスイッチ6が開かれたとき、S_PWRは論理的Lになる。それに応じて、システムコントローラ5はOP_STATEをSTBYに設定し、したがって真空モータ3はスタンバイ状態で動作する。

低電力状態
オンオフスイッチ6が閉じられたとき、S_PWRは論理的Hに引き上げられる。それに応じて、システムコントローラ5は、V_BATによって供給されるバッテリー13の電圧を完全放電の閾値と比較する。バッテリー13の電圧が完全放電の閾値よりも低ければ、バッテリー13は完全に放電していると見なされる。したがって、システムコントローラ5は、真空モータ3がスタンバイ状態にとどまるようにOP_STATEをSTBYに設定し続ける。考えられるところでは、システムコントローラ5は、バッテリー13が完全に放電しているという指示をユーザにさらに提供してよい。たとえば、真空掃除機1は、システムコントローラ5が瞬間的にオンにするLEDを含み得る。バッテリー13の電圧が完全放電の閾値よりも高ければ、システムコントローラ5はOP_STATEをLOに設定する。そこで、真空モータ3は低電力状態で動作し、電源4から200Wを取り出す。真空モータ3が電源4から電力を取り出すとき、バッテリー13は当然放電する。システムコントローラ5は、バッテリー13の電圧が完全放電の閾値未満に低下したと判定したとき、OP_STATEをSTBYに設定することにより、真空モータ3をスタンバイ状態に切り換える。

真空モータ3は低電力状態および高電力状態を有するが、電源4がバッテリーモードで動作しているとき、高電力状態は無効になる。この目的を達成するために、システムコントローラ5は、電源4がバッテリーモードで動作しているときS_HILO信号を無視する。

幹線モード
電源4は、AC電源14に接続されているときには幹線モードで動作する。真空モータ3のコントローラおよびシステムコントローラ5は、やはり継続的に電源オンになっている。

スタンバイ状態
オンオフスイッチ6が開かれたときS_PWRは論理的Lになり、システムコントローラ5はOP_STATEをSTBYに設定する。PFCコントローラ25は、V_BAT信号によってバッテリー13の電圧を監視する。バッテリー13の電圧が完全充電の閾値よりも低ければ、PFCコントローラ25は、電流基準の振幅をゼロでない値に設定する。その結果、電力がAC電源14から取り出されて、AC-DC段12によって出力される。真空モータ3がスタンバイ状態であるため、AC-DC段12によって出力されたすべての電力がバッテリー13によって取り出される。システムコントローラ5および真空モータ3のコントローラは、AC-DC段12からいくらかの電力を取り出すはずであり、したがって、厳密には、AC-DC段12によって出力されるすべての電力がバッテリー13によって取り出されると言うのは正確ではない。しかしながら、コントローラによって取り出される電力はAC-DC段12によって出力される合計の電力に対して非常に小さく、現在の議論については、AC-DC段12からのすべての電力をバッテリー13が取り出すと言ってもよい。バッテリー13は、AC-DC段12から電力を取り出すので、正味の充電を経験する。

バッテリー13を充電するとき(すなわちバッテリー13の電圧が完全充電の閾値よりも低いとき)、PFCコントローラ25は、バッテリー13が一定の平均電流で充電されるように電流基準の振幅を設定する。すなわち、AC-DC段12によって出力される電流の大きさは、波形の各サイクルにわたって平均されたとき一定である。したがって、PFCコントローラ25は、電流基準の振幅を、バッテリー13の電圧に依拠する値に設定する。詳細には、バッテリー13の電圧が増加するとき、PFCコントローラ25は電流基準の振幅を増加させる。

後にバッテリー13の電圧が完全充電の閾値を超えるとき、PFCコントローラ25は、AC電源14から電力が取り出されないように電流基準の振幅をゼロに設定し、したがってAC-DC段12は電力を出力しない。PFCコントローラ25は、完全充電の閾値よりもわずかに低く設定されたさらなる閾値を採用する。このさらなる閾値は、まもなく明らかになる理由から、今後は補充の閾値と称する。(たとえばバッテリー13の内部のイオン緩和により)バッテリー13の電圧が補充の閾値未満に低下した場合には、PFCコントローラ25は、AC電源14から再び電力が取り出されてAC-DC段12によって出力されるように、電流基準の振幅をゼロでない値に設定する。その結果、バッテリー13は再び正味の充電を経験する。後にバッテリー13の電圧が完全充電の閾値を超えるとき、PFCコントローラ25は、電流基準の振幅をゼロに設定する。したがって、バッテリー13の電圧は、補充の閾値未満に低下した場合は常に補充される。

電源4によってAC電源14から取り出される最大の電力は300Wである。したがって、PFCコントローラ25は、完全充電の閾値においてAC電源14から取り出される電力が300Wを上回らないように電流基準の振幅を設定する。

低電力状態
オンオフスイッチ6が閉じられたとき、S_PWRは論理的Hに引き上げられる。それに応じて、システムコントローラ5はOP_STATEをLOに設定する。そこで、真空モータ3は低電力状態で動作し、電源4から200Wを取り出す。

PFCコントローラ25は、V_BAT信号によってバッテリー13の電圧を監視する。バッテリー13の電圧が完全充電の閾値よりも低ければ、PFCコントローラ25は、AC電源14から200W〜300Wの間の電力が取り出されてAC-DC段12によって出力されるように、電流基準の振幅をゼロでない値に設定する。真空モータ3が200Wしか取り出さないので、バッテリー13が、AC-DC段12によって出力されたさらなる電力を取り出して、正味の充電を経験する。スタンバイ状態と同様に、PFCコントローラ25は、バッテリー13を一定の平均電流で充電するように電流基準の振幅を設定する。AC電源14から取り出される電力が一定ではなく200W〜300Wの間で変化するのはこのためである。たとえば、バッテリー13の電圧が増加するとき、PFCコントローラ25は、AC電源14から取り出される電力が増加するように電流基準の振幅を増加させ、したがって、AC-DC段12によって一定の平均電流が出力される。

後にバッテリー13の電圧が完全充電の閾値を超えるとき、PFCコントローラ25は、AC電源14から取り出される電力が200Wを下回るように、電流基準の振幅を減少させる。たとえば、AC電源14から取り出される電力は180Wでよい。しかしながら、真空モータ3によって要求される電力は引き続き200Wである。そこで、不足電力はバッテリー13によって供給され、すなわち、真空モータ3はAC電源14から180Wを取り出してバッテリー13から20Wを取り出す。その結果、バッテリー13は正味の放電を経験する。後にバッテリー13の電圧が補充の閾値(これはスタンバイ状態で使用される補充の閾値と同一でも異なってもよい)未満に低下したとき、PFCコントローラ25は、AC電源14から取り出される電力が再び200W〜300Wの間になるように電流基準の振幅を増加させる。その結果、バッテリー13は再び正味の充電を経験し、したがってバッテリー13の電圧は完全充電の閾値と補充の閾値の間でチョッピングされる。

高電力状態
電力モードスイッチ7が作動されたとき、信号S_HILOは瞬間的に論理的Hに引き上げられる。それに応じて、システムコントローラ5はOP_MODEをHIに設定する。そこで、真空モータ3は高電力状態で動作し、電源4から400Wを取り出す。加えて、PFCコントローラ25は、AC電源14から300Wの電力が取り出されてAC-DC段12によって出力されるように、電流基準の振幅を設定する。そこで、不足電力はバッテリー13によって供給され、すなわち、真空モータ3はAC電源14から300Wを取り出してバッテリー13から100Wを取り出す。その結果、バッテリー13は正味の放電を経験する。

後にバッテリー13の電圧が完全放電の閾値未満に低下したとき、システムコントローラ5はOP_STATEをLOに設定する。その結果、真空モータ3は低電力状態に切り換わり、バッテリー13は正味の充電を経験する。システムコントローラ5は、バッテリー13の電圧が特定の値に回復するまで、高電力状態を無効にしてよい(すなわちS_HILO信号を無視してよい)。

OP_STATEがHIに設定されている間に電力モードスイッチ7を作動させると、システムコントローラ5はOP_STATEをLOに設定し得る。そこで、電力モードスイッチ7は、低電力状態と高電力状態の間を切り換えるように使用され得る。

電源4は、幹線モードで動作するとき、AC電源14から最大300Wを取り出す。詳細には、PFCコントローラ25は、AC電源14から取り出される電力が真空モータ3の動作状態に関係なく高々300Wになるように、電流基準の振幅を設定する。考えられるところでは、電源4は、最大300Wではなく最大500Wを取り出してもよい。こうすると、真空モータ3が高電力状態で動作するときバッテリー13が充電され得るという利点を得ることになる。しかしながら、取り出される最大の電力を300Wまで低下させることにより、AC-DC段12は電力定格が低い部品を採用することができる。その結果、より安価で、より小さく、かつ/またはより軽い電源4が実現され得る。電源4は真空掃除機1の本体2の内部に収容されるので、電源4の大きさと重さを低減することは、この用途では特に有利である。AC-DC段12の定格が300Wであっても、電源4は、AC-DC段12がAC電源14から取り出す電力を、バッテリー13を使用して増強することにより、真空モータ3に400Wを供給することができる。

真空モータ3は、高電力状態で動作するとき400Wの電力を要求する。しかしながら、真空モータ3は、より低い定格電力でよい。詳細には、真空モータ3の定格はわずか200Wでよい。結果的に、真空モータ3は、高電力状態で長期間動作すると、内部温度が上昇して被害を受ける恐れがある。したがって、電源4は、高電力状態が短期間しか有効にならないように構成されてよい。たとえば、S_HILOが論理的Hに引き上げられるとき、システムコントローラ5は、OP_STATEをHIに設定することに加えてタイマを始動してよい。システムコントローラ5は、所定の期間が経過した後、OP_STATEをLOに設定してよい。次いで、システムコントローラ5は、真空モータ3の内部温度が低下し得るように、設定された期間にわたって高電力状態を無効にしてよい(すなわちS_HILO信号を無視してよい)。それに加えて、またはその代わりに、システムコントローラ5は、(たとえばサーミスタを用いて)真空モータ3の内部温度を監視して、真空モータ3の内部温度が閾値を超えた場合には高電力状態を無効にしてよい。定格が200Wしかない真空モータ3を採用するとともに高電力状態を比較的短期間しか有効にしないことにより、より安価な真空モータ3(すなわち、より低い定格電力のもの)が採用され得、それにもかかわらず400Wのより大きい電力が一時的に達成され得る。

真空モータ3および電源4によって取り出される電力について特定の値が与えられてきたが、これらの値は例としてのみ与えられていることが理解されよう。より一般的な意味では、真空モータ3によって取り出される電力は、低電力状態で動作するときはMであり、高電力状態動作するときはMよりも大きいNであると言ってもよい。電源4によってAC電源14から取り出される最大の電力は、真空モータ3が低電力状態で動作するときPであり、真空モータ3が高電力状態で動作するときQであると言ってもよい。そこで、真空モータ3が低電力状態で動作するときバッテリー13が充電されるように、MはPよりも小さい。加えて、真空モータが高電力状態で動作するときAC電源14から取り出される電力がバッテリー13によって増強されるように、NはQよりも大きい。前述の実施形態では、AC電源14から取り出される最大の電力が、真空モータ3が低電力状態で動作する場合と高電力状態で動作する場合とで同一になるように、PとQは等しい。しかしながら、あるいはPはQよりも小さくてよい。これは、たとえば低電力状態でAC電源14から最大の電力Qを取り出すとバッテリー13の充電速度が過大になる場合には、望ましいことであり得る。

真空モータ3が低電力状態で動作するときの電力需要は、電源4がバッテリーモードであるかそれとも幹線モードであるかということに関係なく同一である。その結果、電源4がAC電源14に接続されていようといまいと、ユーザは、真空掃除機1の性能の注目に値する差を識別しないはずである。考えられるところでは、しかしながら、真空モータ3の電力需要は異なる可能性がある。たとえば、真空掃除機1の実行時間がより長くなるように、電源4がバッテリーモードのときには真空モータ3の電力需要をより小さくしてよい。

電源4に関する特定の実施形態が説明されてきたが、特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、様々な修正形態が可能であることが当業者には明らかであろう。たとえば、EMIフィルタ20を設けると特定の利益が得られ、規定を遵守するために実際に必要とされることがあるが、EMIフィルタ20は特許請求される発明にとって必須ではなく、省略され得ることが明らかであろう。加えて、PFC回路22は、DC-DCコンバータ23の一次側に配置された昇圧コンバータを備えるが、代替構成が可能である。例としてのみ、PFC回路22はバックコンバータを備えてよく、またはDC-DCコンバータ23の二次側に配置されてもよい。PFC回路22がDC-DCコンバータ23の一次側に配置されている場合には、AC-DCコンバータ21およびPFC回路22は、考えられるところでは、単一の、ブリッジなしのPFC回路で置換され得る。同様に、DC-DCコンバータ13はLLC共振コンバータを備えるが、LC直列またはLC並列の共振コンバータなどの代替構成が可能である。

AC-DC段12は、100%のリップルを有する電流を出力する電流源として働く。そこで、バッテリー13はAC-DC段12のための平滑キャパシタとして働く。こうすると、PFC回路22が比較的小さい容量のキャパシタC1を採用し得るという利点を得る。実際、PFC回路22のキャパシタC1は、PFC回路22とDC-DCコンバータ23の間に流れる電荷を短時間蓄積するだけでよい。その結果、より小さくより安価なPFC回路22が実現され得、したがってより小さくより安価な電源4が実現され得る。前述の利点にもかかわらず、AC-DC段12は、リップルがより小さい電流を出力するように構成されてよい。これは、少なくとも2つの理由から望ましいことであり得る。第1に、バッテリー13の、各充電期間および放電期間中の充電および放電の速度がより遅くなるはずであり、各充電期間中にバッテリー13によって取り出される電荷と、各放電期間中にバッテリー13から取り出される電荷の合計がより小さくなるはずである。これらの要因の一方または両方が、バッテリー13の寿命を長くするのに役立ち得る。第2に、AC-DC段12の同一の平均出力電力を得るための出力電流のピーク値がより小さくなり、したがって、より小さい電流定格を有する、より小さく、かつ/またはより安価なフィルタインダクタL2が使用され得る。DC-DCコンバータ23を共振よりも高い周波数で動作させることにより、出力電流のリップルが低減され得る。そこで、これによってDC-DCコンバータ23のインピーダンスが増加することにより、PFC回路22とバッテリー13の間に電圧差が生じ得る。そこで、この電圧差は、AC-DC段12のリップルが100%よりも小さくなるように、AC-DC段12によって電流出力を成形するために使用され得る。しかしながら、リップルのいかなる低減も、追加の容量を必要とするはずである。したがって、AC-DC段12は、好ましくは出力電流が少なくとも50%のリップルを有するように構成される。

1 真空掃除機
2 本体
3 真空モータ
4 電源
5 システムコントローラ
6 オンオフスイッチ
7 電力モードスイッチ
8 電源コード
12 AC-DC段
13 バッテリー
14 AC電源
20 電磁障害(EMI)フィルタ
21 AC-DCコンバータ
22 力率補正(PFC)回路
23 DC-DCコンバータ
25 PFCコントローラ

Claims

真空モータおよび電源を備える真空掃除機であって、
前記電源が、AC電源に接続するための入力端子と、前記真空モータに接続された出力端子と、AC-DC段と、バッテリーとを備え、
前記AC-DC段が、前記AC電源から取り出された交流を、前記バッテリーおよび前記真空モータに供給される直流へと変換し、
前記電源が、前記AC電源から切り離されたとき第1のモードで動作し、前記AC電源に接続されたとき第2のモードで動作し、
前記電源が前記第1のモードで動作するとき、前記真空モータは前記バッテリーのみから電力を取り出し、
前記電源が前記第2のモードで動作するとき、
前記真空モータが低電力状態および高電力状態のうちの1つで動作し、
前記真空モータが前記低電力状態で動作するとき、前記バッテリーを充電するように、前記真空モータおよび前記バッテリーのそれぞれが前記AC電源から電力を取り出し、
前記真空モータが前記高電力状態で動作するとき、前記バッテリーが放電するように、前記真空モータが前記AC電源と前記バッテリーの両方から電力を取り出す、真空掃除機。
前記電源が前記第2のモードで動作するとき前記真空モータによって取り出される前記電力が、前記電源が前記第1のモードで動作するとき前記真空モータによって取り出される前記電力を下回らないものである、請求項1に記載の真空掃除機。
前記電源が前記第1のモードで動作しているとき、前記真空モータによって取り出される前記電力がMであり、前記電源が前記第2のモードで動作していて前記真空モータが前記低電力状態で動作しているとき、前記真空モータによって取り出される前記電力がNであり、前記電源が前記第2のモードで動作していて前記真空モータが前記高電力状態で動作しているとき、前記真空モータによって取り出される前記電力がPであり、PがMとNのどちらよりも大きく、NがM以上である、請求項1または2に記載の真空掃除機。
前記電源が前記第1のモードで動作しているとき前記バッテリーから取り出される前記電力が、少なくとも200Wである、請求項1から3のいずれか一項に記載の真空掃除機。
前記AC-DC段と前記バッテリーが、前記入力端子と前記出力端子の間で並列に接続されている、請求項1から4のいずれか一項に記載の真空掃除機。
前記AC-DC段が、少なくとも50%のリップルがある周期的波形の電流を出力する、請求項5に記載の真空掃除機。
前記AC-DC段が、前記バッテリーの電圧の変化に応答して、前記AC電源から取り出される前記電力を調節する、請求項1から6のいずれか一項に記載の真空掃除機。
前記バッテリーの前記電圧が閾値を超えたとき、前記AC-DC段によって前記AC電源から取り出される前記電力が前記真空モータによって前記電源から取り出される前記電力よりも小さくなるように、前記AC-DC段が、前記AC電源から取り出す前記電力を減少させる、請求項7に記載の真空掃除機。
前記バッテリーの前記電圧がさらなる閾値未満に低下したとき、前記AC-DC段によって前記AC電源から取り出される前記電力が前記真空モータによって前記電源から取り出される前記電力よりも大きくなるように、前記AC-DC段が、前記AC電源から取り出す前記電力を増加させる、請求項8に記載の真空掃除機。
前記AC-DC段が、前記AC電源から取り出された電流を整流するためのAC-DCコンバータと、前記AC電源から取り出されて整流された電流を調整するためのPFC回路と、前記整流された電流の電圧を下げるための降圧のDC-DCコンバータとを備える、請求項1から9のいずれか一項に記載の真空掃除機。