JP2021090478A - 洗濯機 - Google Patents

Abstract

【課題】回路部品の増加を抑制しつつ、洗濯運転に必要な駆動電圧を確保できる洗濯機を提供する。【解決手段】実施形態の洗濯機は、洗濯運転を行うための回転駆動力を発生させるモータと、このモータを駆動するインバータ回路と、このインバータ回路に供給する駆動用電源を昇圧する昇圧回路と、この昇圧回路による昇圧を制御すると共に、前記インバータ回路を介して前記モータを駆動制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、洗い運転を行う際には前記モータの始動を開始する前に前記昇圧回路による昇圧制御を開始し、脱水運転を行う際には前記モータの始動を開始した後に前記昇圧回路による昇圧制御を開始する。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、インバータ回路に供給する駆動用電源を昇圧する昇圧回路を備えた洗濯機に関する。

一般に、洗濯運転を行うモータをインバータ回路により駆動する際には、高い駆動電圧を供給するため、交流電源を倍電圧整流し、更に昇圧制御を行う電源回路を採用するものが多い。

特開２０１７−８６５６９号公報

しかしながら、上記のような電源回路は回路部品が多くなるため、回路基板に占める面積が大きくなり、総じて回路基板が大型化するという問題がある。
そこで、回路部品の増加を抑制しつつ、洗濯運転に必要な駆動電圧を確保できる洗濯機を提供する。

実施形態の洗濯機は、洗濯運転を行うための回転駆動力を発生させるモータと、
このモータを駆動するインバータ回路と、
このインバータ回路に供給する駆動用電源を昇圧する昇圧回路と、
この昇圧回路による昇圧を制御すると共に、前記インバータ回路を介して前記モータを駆動制御する制御回路とを備え、
前記制御回路は、洗い運転を行う際には前記モータの始動を開始する前に前記昇圧回路による昇圧制御を開始し、脱水運転を行う際には前記モータの始動を開始した後に前記昇圧回路による昇圧制御を開始する。

第１実施形態であり、縦型洗濯機の構成を概略的に示す縦断側面図 インバータ装置の構成を示す回路図 洗濯及び脱水運転中における昇圧制御を中心に示すフローチャート 洗い運転における昇圧動作とモータの駆動タイミングとの関係を示すタイミングチャート 脱水運転における昇圧動作とモータの駆動タイミングとの関係を示すタイミングチャート 第２実施形態であり、洗濯及び脱水運転中における昇圧制御を中心に示すフローチャート 第３実施形態であり、洗濯及び脱水運転中における昇圧制御を中心に示すフローチャート 第４実施形態であり、洗濯及び脱水運転中における昇圧制御を中心に示すフローチャート 布の負荷量に応じて設定される待機時間の一覧を示す図

（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態の洗濯機１は、縦型の全自動洗濯機であり、家電機器に相当する。図１において、洗濯機１の外殻は、外箱２と、外箱２の上部に装着されたトップカバー３とにより構成されている。トップカバー３には、図示しない洗濯物出入口を開閉する洗濯蓋４が開閉可能に設けられている。外箱２内には、水槽５が配設されている。水槽５は、底部が閉塞され且つ上面が開口した円筒容器状をなしていて、外箱２の四隅に設けられた吊り棒６ａと図示しないコイルばねを主体に構成された防振装置６を介して弾性的に吊り下げ支持されている。水槽５の中心軸線は上下方向に指向している。

水槽５の内部には、洗濯槽と脱水槽を兼ねた回転槽７が収容配置されている。回転槽７も底部が閉塞され上面が開口した円筒容器状をなしている。回転槽７は、中心軸線を上下方向に指向させた状態で、その中心軸線を中心に回転可能とされている。回転槽７は、周壁部に多数の脱水孔８を有するとともに、上端部にバランスリング９を備えている。各脱水孔８は、回転槽７の周壁部を厚さ方向に貫通していて、回転槽７の内外を連通させている。回転槽７には、トップカバー３の洗濯物出入口を通して洗濯物が出し入れされる。回転槽７内の底部には、撹拌体１０が回転可能に配設されている。この場合、水槽５と回転槽７で槽体３０を構成している。

水槽５の下方には、洗濯および脱水用の洗濯機モータ１１およびクラッチ機構１２が設けられている。洗濯機モータ１１は、例えばアウターロータ型の３相のＤＣブラシレスモータである。洗濯機モータ１１が有するロータの回転位置は、ロータ位置検知部に相当する図示しない回転センサ，例えば３つの磁気的な位置センサにより検出される。

クラッチ機構１２は、洗濯機モータ１１により撹拌体１０だけを回転させる場合と、撹拌体１０と回転槽７を一体的に回転させる場合とを切り替えるためのものである。水槽５の底部に形成された排水口１３には、排水弁１４を介して排水ホース１５が接続されている。排水弁１４が開放されると、回転槽７内および水槽５内の水が排水ホース１５を通して機外へ排出される。

この場合、クラッチ機構１２と排水弁１４は、水槽５の底部下面に設けられた切替用モータ１６により連動して切り替え操作される。具体的には、切替用モータ１６により排水弁１４を開放動作させた場合には、クラッチ機構１２は、洗濯機モータ１１により撹拌体１０と回転槽７を一体的に回転させるように切り替えられる。また、排水弁１４を閉鎖動作させた場合には、クラッチ機構１２は、洗濯機モータ１１により撹拌体１０だけを独立させて回転させるように切り替えられる。なお、切替用モータ１６の代わりに電磁ソレノイドを用いる構成とすることもできる。

外箱２内の下部には、運転制御部を構成する制御装置１８が設けられている。また、トップカバー３の内部には、安全レバー１９によって操作される安全スイッチ２０が設けられている。安全レバー１９は、トップカバー３の下部から水槽５の外周面と外箱２の内面との間に位置するように垂下する状態に設けられている。安全スイッチ２０は、水槽５が揺れて水槽５の外面が安全レバー１９に当接することに伴い操作されることで、水槽５の揺れが大きいことを検出する。

トップカバー３の上面における前部，図１中の左側には、操作パネル２１が設けられている。操作パネル２１には、表示部や操作入力部２３が設けられている。トップカバー３内には、回転槽７内および水槽５内へ給水するための給水弁や、水槽５内の水位を検出するための水位センサが設けられている。給水弁には、図示はしないが水道の蛇口に接続された給水ホースが接続されていて、その給水弁が開放されると、水道水が、図示しない注水口を通して回転槽７内ひいては水槽５内に供給される。

図２は、洗濯機１に搭載され、昇圧回路を備えるインバータ装置３１の構成を示す。１００Ｖの商用交流電源には、一端側にリアクトル３２を介して、４つのダイオードをブリッジ接続してなる整流ブリッジ回路３３が接続される。整流ブリッジ回路３３の出力端子間には、スイッチング素子であるＩＧＢＴ３４のコレクタ，エミッタと、ダイオード３５及び平滑コンデンサ３６の直列回路とが並列に接続されている。ＩＧＢＴ３４のコレクタ，エミッタ間には、フリーホイールダイオード３７が接続されている。

平滑コンデンサ３６の両端には、インバータ回路４０が接続されている。インバータ回路４０は、６個のＩＧＢＴ４１を３相ブリッジ接続して構成されている。ＩＧＢＴ１１のコレクタ，エミッタ間には、フリーホイールダイオード４２が接続されている。インバータ回路４０の各相出力端子は、洗濯機モータ１１のスター結線されている各相固定子巻線の一端にそれぞれ接続されている。

インバータ回路４０の負側とグランドとの間には、シャント抵抗４４が接続されている。シャント抵抗４４の両端は、図示しないがマイクロコンピュータ４５の入力端子にそれぞれ接続されている。以下、マイコン４５と称す。シャント抵抗４４は、インバータ回路４０を介してモータ１１に通電される相電流を検出するもので、本実施形態では１シャント電流検出方式を採用している。マイコン４５は、シャント抵抗４４の端子電圧を所定のタイミングでＡ／Ｄ変換して読み込むことで、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相電流を検出する。そして、マイコン４５は、検出した電流に基づいてＰＷＭ信号を生成し、インバータ回路４０を構成する各ＩＧＢＴ４１にゲート信号として出力する。

マイコン４５は、制御装置１８に含まれており、ＩＧＢＴ３４にもゲート信号を出力する。そして、リアクトル３２，整流ブリッジ回路３３，ＩＧＢＴ３４，ダイオード３５，平滑コンデンサ３６及びマイコン４５により、昇圧回路４７が構成されている。昇圧回路４７は、リアクトル４２を用いた昇圧動作を行わない場合には、１００Ｖの交流電源を全波整流し、約１４０Ｖの直流電圧をインバータ回路４０等に供給する。

ＩＧＢＴ３４のオンオフ制御は、マイコン４５からのパルス指令により制御される。ＩＧＢＴ３４がＯＮすると、交流電源からリアクトル４２，整流ブリッジ回路４３，ＩＧＢＴ３４を介して短絡電流が流れ，このとき短絡電流が磁気エネルギーとしてリアクタ４２に蓄えられる。ＩＧＢＴ３４がＯＦＦすると、蓄えられた磁気エネルギーが解放され、ダイオード３５を介してインバータ回路４０に供給される電圧が昇圧される。ＩＧＢＴ３４への指令パルスをコントロールすることにより昇圧レベルが変更可能となる。

インバータ回路４０の入力端子間には、図示しない分圧抵抗回路が接続されており、その分圧点はマイコン４５の入力端子に接続されている。これにより、マイコン４５は、インバータ回路４０に供給される駆動電源電圧を検知する。シャント抵抗４４には、下側の３相のうち１相のＩＧＢＴ４１がＯＮしており、且つ他の２相のＩＧＢＴ４１がＯＦＦしているタイミングでモータ１１の巻線と同じ電流が発生するので、正負の電圧が発生する。この正負の電圧は、図示しないレベルシフト用分圧抵抗によりプラス側にレベルシフトされて、マイコン４５のＡ／Ｄ端子に入力される。

マイコン４５は、ＰＷＭの搬送波周期毎に下相のＩＧＢＴ４１がオンするタイミングで、最低２相分の電圧を変換する。またマイコン４５の内部には、インバータ回路４０の上下アームが短絡した場合に、回路の破壊を防止するために過電流検出を行なう機能がある。過電流として、例えば１５Ａに相当する比較電圧を検知すると、ＰＷＭ信号の出力が直ちに遮断されて回路部品の破損を防ぐ。マイコン４５は、前述した３つの位置センサの情報からモータ１１の現在のロータの位置を推測してベクトル制御を行い、ＰＷＭ信号の出力を制御してモータ１１のｄ軸，ｑ軸電流を適切に発生させる。また、マイコン４５は、推測したロータ位置を微分することでモータ１１の回転速度についても推測する。マイコン４５は、制御回路及び回転速度検出部に相当する。

次に、本実施形態の作用について図３から図５を参照して説明する。洗い運転時には、水を含んだ衣類が回転槽７の内底部にある撹拌体１０の凹凸形状部分に引っ掛かるため、モータ１１に大きな負荷がかかる。すると、モータ１１に通電される電流量が増加するので電源電圧が低下する。本実施形態の構成では倍電圧整流回路を用いていないので、昇圧回路４７が昇圧動作を行わない場合の電源電圧は、ＤＣ１４０Ｖ程度である。電源電圧の不足によるモータエラーを防止するため、本実施形態では、洗い運転時にはモータ１１の起動前に昇圧動作を行い、モータ１１の負荷が小さい脱水運転時にはモータ１１の起動後に昇圧動作を行う。

図３は、洗濯及び脱水運転中における昇圧制御を中心に示すフローチャートである。洗い運転においてモータ１１の駆動命令が入力されると（Ｓ１；ＹＥＳ，Ｓ２）、マイコン４５は昇圧回路４７による昇圧動作を開始させ（Ｓ３）、それからモータ１１の駆動を開始させる（Ｓ４）。運転中においてモータ１１の回転速度が所定回転速度，例えば２０ｒｐｍ以下になると（Ｓ５；ＹＥＳ）、高い電圧は不要となるので昇圧動作を停止させる（Ｓ６）。その後、モータ１１の回転が停止すると（Ｓ７）ステップＳ１に戻る。

一方、脱水運転においてモータ１１の駆動命令が入力されると（Ｓ１；ＮＯ，Ｓ８；ＹＥＳ，Ｓ９）、マイコン４５はモータ１１の駆動を開始させてから（Ｓ１０）昇圧回路４７による昇圧動作を開始させる（Ｓ１１）。以降のステップＳ１２〜Ｓ１４は、ステップＳ５〜Ｓ７と同様である。

図４に示すように、洗い運転では、ステップＳ３で昇圧動作を開始すると０．５秒後に電源電圧を２８０Ｖまで昇圧させて、そのタイミングでステップＳ４にてモータ１１の駆動を開始する。そして、電源電圧が２８０Ｖに維持された状態でモータ１１の回転速度を０．５秒後に１５０ｒｐｍまで上昇させる。

一方、図５に示す脱水運転では、ステップＳ１０でモータ１１の駆動を開始すると、その１秒後にステップＳ１１で昇圧動作を開始させる。脱水運転では、モータ１１の回転速度を６秒後に１３０ｒｐｍまで上昇させるのに併せて、電源電圧を２８０Ｖまで昇圧させる。その後、モータ１１の回転速度を１３０ｒｐｍに維持する期間をある程度継続させた後に、３００ｒｐｍまで上昇させる。

以上のように本実施形態によれば、インバータ回路４０は、洗濯運転を行うための回転駆動力を発生させるモータ１１を駆動する。昇圧回路４７は、インバータ回路４０に供給する駆動用電源を昇圧する。マイコン４５は、昇圧回路４７による昇圧動作を制御すると共に、インバータ回路４０を介してモータ１１を駆動制御する際に、洗い運転を行う場合はモータ１１の始動を開始する前に昇圧回路４７による昇圧制御を開始し、脱水運転を行う場合はモータ１１の始動を開始した後に昇圧制御を開始する。

このように構成すれば、モータ１１の負荷が比較的大きい洗濯運転時には、電源電圧の不足を防止しつつ運転を行うことができる。また、モータ１１の負荷が比較的小さい脱水運転時には、昇圧制御を行う時間を削減して昇圧回路４７における電力損失を抑制することができる。

また、マイコン４５は、モータ１１の回転速度が所定値以下に低下すると昇圧制御を停止するので、昇圧制御を行う時間を更に削減できる。特に、洗濯運転時には、モータ１１の正転，停止，反転，停止を数秒〜数１０秒周期で繰り返し実行するので、モータ１１の回転速度低下時及び停止時に昇圧制御を停止することで、昇圧制御を行う時間を大幅に削減できる。

（第２実施形態）
以下、第１実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図６に示す第２実施形態では、ステップＳ５，Ｓ６の間とステップＳ１２，Ｓ１３の間に、それぞれモータ１１のロック判定（Ｓ２１，Ｓ２２）を行う。すなわち、昇圧動作の実行中にモータ１１の回転速度が低下しても、それがモータロックによるものであれば、それぞれステップＳ５，Ｓ１２に戻って昇圧制御を継続する。モータロックによるものでなければ（Ｓ２１；ＹＥＳ，Ｓ２２；ＹＥＳ）それぞれステップＳ６，Ｓ１３に移行する。

モータ１１のロック判定については様々な周知技術があるが、例えば回転指令が有効であるにもかかわらず、マイコン４５が推定しているモータ１１の回転速度が一定時間，例えば１秒程度変化しなければモータ１１のロックと判定できる。また、例えばモータ１１に回転センサを取り付けて、同様に回転センサの出力信号が一定時間変化しなければロックと判定できる。マイコン４５は、モータロック検出部に相当する。

すなわち、モータ１１がロック状態となった場合には、その状態を脱してモータ１１を再度回転させるためにトルクを出力し続ける必要があるので、回転速度が低下しても昇圧制御を継続する。これにより、モータ１１のロック状態を解消できる。

（第３実施形態）
図７に示す第３実施形態では、第１実施形態のステップＳ５，Ｓ１２に替わるステップＳ２３，Ｓ２４において、モータ１１に通電している電流の平均値が、所定値，例えば０．５Ａ以下か否かを判断する。すなわち、モータ１１の回転速度が低下すれば通電される電流値も低下するので、第１実施形態と同様の判断を行うことができる。尚、ステップＳ５，Ｓ１２の判断を併せて行っても良い。

（第４実施形態）
図８に示す第４実施形態では、最初に回転槽７内の布負荷を検知する処理を行う（Ｓ０）。そして、ステップＳ３の実行後に、布の負荷量が小さいか否かを判断する（Ｓ２５）。図９に示すように、例えば推定重量として検知した布の負荷量が１ｋｇ以下であれば「負荷量小」と判定してステップＳ４に移行する。負荷量が１ｋｇを超えていれば、ステップＳ２６に移行して所定時間待機する。ここでは、負荷量が４ｋｇ以下か、又は１０ｋｇ以下かによって、例えば待ち時間をそれぞれ０．２秒，１秒に設定する。それから、ステップＳ４に移行する。

すなわち、負荷量が小さい場合は、昇圧制御を開始してから待ち時間なしでモータ１１の駆動を開始しても問題は無い。負荷量が大きい場合は、その負荷量に応じて待ち時間を設定することで、電源電圧がある程度昇圧された段階でモータ１１の駆動を開始する。これにより、電源電圧の不足による駆動エラーの発生を防止する。

また、第４実施形態では、ステップＳ１０，Ｓ１１の間で、モータ１１の回転速度が所定回転速度，例えば２０ｒｐｍ以上か否かを判断する（Ｓ２７）。脱水運転時には、モータ１１の回転速度がある程度上昇した時点で昇圧制御を開始すれば良いので、これにより昇圧制御を行う時間を削減して、電力損失を抑制することができる。

（その他の実施形態）
所定回転速度は、２０ｒｐｍに限ることはない。
電流の平均値に対する所定値にも、０．５Ａに限ることはない。
図９に示す待ち時間は、個別の設計に応じて適宜変更すれば良い。
回転槽がドラムであるドラム式洗濯機に適用しても良い。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１は洗濯機、１１は洗濯機モータ、４０はインバータ回路、４５はマイクロコンピュータ、４７は昇圧回路を示す。

Claims (6)

1. 洗濯運転を行うための回転駆動力を発生させるモータと、
   このモータを駆動するインバータ回路と、
   このインバータ回路に供給する駆動用電源を昇圧する昇圧回路と、
   この昇圧回路による昇圧を制御すると共に、前記インバータ回路を介して前記モータを駆動制御する制御回路とを備え、
   前記制御回路は、洗い運転を行う際には前記モータの始動を開始する前に前記昇圧回路による昇圧制御を開始し、脱水運転を行う際には前記モータの始動を開始した後に前記昇圧回路による昇圧制御を開始する洗濯機。
2. 前記モータの回転速度を検出する回転速度検出部を備え、
   前記制御回路は、前記モータの回転速度が所定値以下に低下すると、前記昇圧制御を停止する請求項１記載の洗濯機。
3. 前記モータの回転がロック状態になったことを検出するモータロック検出部を備え、
   前記制御回路は、前記モータの回転速度が所定値以下に低下しても、前記モータの回転がロック状態になると前記昇圧制御を継続する請求項２記載の洗濯機。
4. 前記モータに通電される電流を検出する電流検出部を備え、
   前記制御回路は、前記電流が所定値以下に低下すると、前記昇圧制御を停止する請求項１から３の何れか一項に記載の洗濯機。
5. 前記モータに加わる負荷量を検出する負荷量検出部を備え、
   前記制御回路は、前記洗い運転において昇圧制御を開始するタイミングを、前記負荷量に応じて決定する請求項１から４の何れか一項に記載の洗濯機。
6. 前記モータの回転速度を検出する回転速度検出部を備え、
   前記制御回路は、前記脱水運転において昇圧制御を開始するタイミングを、前記回転速度に応じて決定する請求項１から５の何れか一項に記載の洗濯機。

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