JP2021093778A - インバータ装置及び洗濯機 - Google Patents
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Abstract
【課題】スイッチング素子用の温度センサや電流センサ等を設けることなく、スイッチング素子の過熱に対する保護動作を行うことができるインバータ装置を提供する。【解決手段】インバータ装置は、インバータ回路と、昇圧回路と、電圧検出部と、インバータ回路及び昇圧回路を制御する制御回路と、インバータ回路及び昇圧回路が搭載される回路基板の周囲温度を検出する温度センサとを備える。昇圧回路は、スイッチング素子を含むチョッパ回路として構成される。制御回路は、スイッチング素子のスイッチング制御を一定周期で行うと共に、一定周期中のスイッチング回数を駆動用電源の電圧に応じて可変制御し、温度センサにより検出された温度とスイッチング回数とに基づいて推定されるスイッチング素子の負荷であるスイッチング負荷を、予め設定された閾値と比較した結果に応じて、インバータ回路及び昇圧回路のうち少なくとも一方の制御態様を変更する。【選択図】図3
Description
本発明の実施形態は、モータを駆動する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インバータ装置,及びそのインバータ装置を備える洗濯機に関する。
一般に、スイッチング素子を用いる回路においては、スイッチング素子の温度が上昇することに伴い素子が破壊に至ることを防止するため、スイッチング素子の温度を監視し、必要に応じて保護動作を行っている。
しかしながら、そのためには、スイッチング素子用の温度センサや、スイッチング素子を介して流れる電流を検出する電流センサ等を別途設ける必要があり、コストアップの要因となっていた。
そこで、スイッチング素子用の温度センサや電流センサ等を設けることなく、スイッチング素子の過熱に対する保護動作を行うことができるインバータ装置,及びそのインバータ装置を備える洗濯機を提供する。
実施形態のインバータ装置は、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、
前記駆動用電源の電圧を検出する電圧検出部と、
前記インバータ回路及び前記昇圧回路を制御する制御回路と、
前記インバータ回路及び前記昇圧回路が搭載される回路基板の周囲温度を検出する温度センサとを備え、
前記昇圧回路は、スイッチング素子を含むチョッパ回路として構成され、
前記制御回路は、前記スイッチング素子のスイッチング制御を一定周期で行うと共に、前記一定周期中のスイッチング回数を前記駆動用電源の電圧に応じて可変制御し、
前記温度センサにより検出された温度と前記スイッチング回数とに基づいて推定される前記スイッチング素子の負荷であるスイッチング負荷を、予め設定された閾値と比較した結果に応じて、前記インバータ回路及び前記昇圧回路のうち少なくとも一方の制御態様を変更する。
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、
前記駆動用電源の電圧を検出する電圧検出部と、
前記インバータ回路及び前記昇圧回路を制御する制御回路と、
前記インバータ回路及び前記昇圧回路が搭載される回路基板の周囲温度を検出する温度センサとを備え、
前記昇圧回路は、スイッチング素子を含むチョッパ回路として構成され、
前記制御回路は、前記スイッチング素子のスイッチング制御を一定周期で行うと共に、前記一定周期中のスイッチング回数を前記駆動用電源の電圧に応じて可変制御し、
前記温度センサにより検出された温度と前記スイッチング回数とに基づいて推定される前記スイッチング素子の負荷であるスイッチング負荷を、予め設定された閾値と比較した結果に応じて、前記インバータ回路及び前記昇圧回路のうち少なくとも一方の制御態様を変更する。
(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。
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の負側と制御回路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。
また、マイコン45は、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141V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42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、分圧抵抗回路48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の回転数についても推測する。マイコン45は、制御回路及び回転数検出部に相当する。
周囲温度センサ49は、インバータ装置31が搭載されている回路基板の周辺に取り付けられており、基板近くの周囲温度を検出して検出信号をマイコン45に入力する。回路基板のサイズは、例えば30cm×15cm程度である。
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。洗い又は脱水運転を開始すると、マイコン45はらモータ11の駆動を開始させ(S1)、周囲温度センサ49によりその時点の周囲温度を検出してメモリに記録すると(S2)、昇圧回路47による昇圧動作を開始させる(S3)。
洗い又は脱水運転が継続中であれば(S4;YES)、マイコン45は、駆動電圧の目標電圧と現在の電圧との差分と、昇圧回路47のIGBT34を前回にスイッチングさせた回数であるパルス数より、今回のパルス数を決定する(S5)。このパルス数の決定は、例えば商用交流電源電圧の半周期毎に行われる。ここでの半周期は、一定周期の一例である。そして、昇圧動作を開始した時点からのパルス数を累積すると(S6)、その時点のパルスの累積数から温度の上昇分を推定する(S7)。
次に、ステップS2で記録した周囲温度と、ステップS7で推定した温度上昇分とを加算した値を閾値と比較する(S8)。閾値は、例えば事前に昇圧動作におけるパルス数に対するIGBT34の温度上昇特性を測定しておき、IGBT34の過熱による破損を防止できる温度に設定する。加算した温度が閾値以下であれば(NO)ステップS4に戻り、閾値を超えていれば(YES)モータ11の出力を低下させる(S9)。それから、ステップS4に戻る。
ここで、「加算した温度」は、IGBT34がスイッチング動作したことに伴い上昇した温度に相当することから、スイッチング負荷の一例である。また、「モータ出力を低下させる」ことは、インバータ回路40及び昇圧回路47のうち少なくとも一方の制御態様を変更することを意味する。
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、IGBT34を含むチョッパ回路として構成され、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、IGBT34のスイッチング制御を一定周期で行うと共に、その一定周期中のスイッチング回数であるパルス数を駆動用電源の電圧に応じて可変制御する。そして、モータ11を駆動する前に検出された温度と前記パルス数とに基づいてその時点の温度を推定し、推定した温度と予め設定された閾値とを比較した結果に応じて、モータ11の出力を低下させる。
このように構成すれば、IGBT34の温度を直接検出するためのセンサを別途設けずともIGBT34の温度を推定して、過熱による破損を防止できる。具体的には、マイコン45は、累積した昇圧動作におけるパルス数に応じて温度を推定するので、周囲温度センサ49に検出された初期の周囲温度をベースとして、その時点の温度を妥当に推定できる。更に、マイコン45は、推定した温度が閾値を超えるとモータ11の出力を低下させるので、駆動用電源電圧を大きく上昇させる必要がなくなることでIGBT34の温度上昇を抑制できる。
(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4に示す第2実施形態では、ステップS6,S7に替えてステップS11〜S13を実行する。ステップS11では、今回のパルス数が例えば「20」以上か否かを判断し、「20」以上であれば(YES)カウント数nをインクリメントする(S12)。そして、カウント数nに基づいて温度の上昇度合いを推定する(S13)。また、ステップS8で「YES」と判断すると、昇圧動作における目標電圧を例えば20V低下させる(S14)。「20」は所定回数の一例である。
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4に示す第2実施形態では、ステップS6,S7に替えてステップS11〜S13を実行する。ステップS11では、今回のパルス数が例えば「20」以上か否かを判断し、「20」以上であれば(YES)カウント数nをインクリメントする(S12)。そして、カウント数nに基づいて温度の上昇度合いを推定する(S13)。また、ステップS8で「YES」と判断すると、昇圧動作における目標電圧を例えば20V低下させる(S14)。「20」は所定回数の一例である。
以上のように第2実施形態によれば、マイコン45は、ステップS2で記録した周囲温度と昇圧動作におけるパルス数が所定回数を超えた頻度に応じて推定する。この場合も、その時点の温度を妥当に推定できる。また、マイコン45は、推定した温度が閾値を超えると昇圧回路47の目標昇圧電圧を低下させることでで、IGBT34の温度上昇を抑制できる。
(第3実施形態)
図5に示す第3実施形態では、第2実施形態のステップS14に替えてステップS15を実行する。ステップS15では、昇圧動作における最大パルス数を例えば「15」に制限する。この場合も、第2実施形態と同様に目標昇圧電圧を低下させることになるので、IGBT34の温度上昇を抑制できる。
図5に示す第3実施形態では、第2実施形態のステップS14に替えてステップS15を実行する。ステップS15では、昇圧動作における最大パルス数を例えば「15」に制限する。この場合も、第2実施形態と同様に目標昇圧電圧を低下させることになるので、IGBT34の温度上昇を抑制できる。
(第4実施形態)
図6に示す第4実施形態は、洗い運転のみについての処理である。洗い運転を開始すると、マイコン45は、例えば回転数が100rpmである水流Aに設定し(S21)、それからステップS1〜S8を実行する。ステップS22は、ステップS4に替わる判断ステップである。そして、ステップS8で「YES」と判断すると、例えば回転数が50rpmである水流Bに変更する(S23)。これにより、第1実施形態のステップS9と同様に、モータ11の出力を低下せることができる。
図6に示す第4実施形態は、洗い運転のみについての処理である。洗い運転を開始すると、マイコン45は、例えば回転数が100rpmである水流Aに設定し(S21)、それからステップS1〜S8を実行する。ステップS22は、ステップS4に替わる判断ステップである。そして、ステップS8で「YES」と判断すると、例えば回転数が50rpmである水流Bに変更する(S23)。これにより、第1実施形態のステップS9と同様に、モータ11の出力を低下せることができる。
(その他の実施形態)
一定周期や所定回数,モータ11の電力を低下させる態様については適宜変更して良い。
スイッチング素子はIGBTに限らない。
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。
洗濯用モータを駆動するものに限らず、その他一般的なモータを駆動対象とするインバータ装置に適用できる。
一定周期や所定回数,モータ11の電力を低下させる態様については適宜変更して良い。
スイッチング素子はIGBTに限らない。
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。
洗濯用モータを駆動するものに限らず、その他一般的なモータを駆動対象とするインバータ装置に適用できる。
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、34はIGBT、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、49は周囲温度センサを示す。
Claims (7)
- 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、
前記駆動用電源の電圧を検出する電圧検出部と、
前記インバータ回路及び前記昇圧回路を制御する制御回路と、
前記インバータ回路及び前記昇圧回路が搭載される回路基板の周囲温度を検出する温度センサとを備え、
前記昇圧回路は、スイッチング素子を含むチョッパ回路として構成され、
前記制御回路は、前記スイッチング素子のスイッチング制御を一定周期で行うと共に、前記一定周期中のスイッチング回数を前記駆動用電源の電圧に応じて可変制御し、
前記温度センサにより検出された温度と前記スイッチング回数とに基づいて推定される前記スイッチング素子の負荷であるスイッチング負荷を、予め設定された閾値と比較した結果に応じて、前記インバータ回路及び前記昇圧回路のうち少なくとも一方の制御態様を変更するインバータ装置。 - 前記制御回路は、前記スイッチング負荷を、累積したスイッチング回数に応じて推定する請求項1記載のインバータ装置。
- 前記制御回路は、前記スイッチング負荷を、前記一定周期内のスイッチング回数が所定回数を超えた頻度に応じて推定する請求項1記載のインバータ装置。
- 前記制御回路は、前記スイッチング負荷が前記閾値を超えると、前記モータの出力を低下させる請求項1から3の何れか一項に記載のインバータ装置。
- 前記制御回路は、前記スイッチング負荷が前記閾値を超えると、前記昇圧回路の目標昇圧電圧を低下させる請求項1から4の何れか一項に記載のインバータ装置。
- 前記制御回路は、前記推定した温度が前記閾値を超えると、前記スイッチング素子のスイッチング回数を低減させる請求項1から5の何れか一項に記載のインバータ装置。
- 請求項1から5の何れか一項に記載のインバータ装置と、
このインバータ装置により駆動制御され、洗濯物を撹拌する駆動力を発生させるモータとを備える洗濯機。
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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WO2022023846A1 (en) | 2020-07-30 | 2022-02-03 | Ricoh Company, Ltd. | Measuring apparatus |
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2019
- 2019-12-06 JP JP2019221277A patent/JP2021093778A/ja active Pending
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