JP3699081B2 - 交流電源直結型ブラシレスｄｃモータおよびそれを搭載した電気機器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主にパイプファンや天井埋め込み型等の排気用および給気用の換気装置や、送風機、加湿器、除湿機、冷凍機器などのファン駆動用のブラシレスＤＣモータおよびそのブラシレスＤＣモータを搭載した電気機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、換気装置等の電気機器に搭載するファン駆動用の電動機においては、低価格化、高効率化、静音化が強く求められており、誘導電動機では大幅な高効率化は困難であることから、永久磁石を使用したブラシレスＤＣモータが増えてきている。一方では、交流電源に接続するだけで簡単に回転するというような、使い勝手の良い電動機も求められている。
【０００３】
従来、この種の電動機は、特許文献１〜３に開示された構成のものが知られている。
【０００４】
以下、その電動機について図１０〜図１３を参照しながら説明する。
【０００５】
図に示すように、単一のプリント基板５６に商用のＡＣ電源を整流する整流部５１と、ＤＣモータの２相の駆動コイル５３、５４と、永久磁石５５ａを配した磁石回転子５５と、モータ駆動コイル５３、５４と整流部５１の間には平滑コンデンサ５９として大容量の電解コンデンサを配し、モータ駆動コイル５３、５４に一方向にのみ電流を流すスイッチング素子５７、５８と、このスイッチング素子５７、５８を含め、モータ駆動コイル５３、５４への通電を制御をする制御部５２とを備え、整流部５１で整流してなる高圧ＤＣ電源をモータ駆動コイル５３、５４に直接に供給し、整流部５１で整流した高圧ＤＣ電源を減圧して制御部５２に供給するようにした２相半波駆動方式の構成としている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−４１３７０号公報
【特許文献２】
特開２０００−４１３９５号公報
【特許文献３】
特開２００２−１０６０９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の電動機によれば、２相半波駆動方式であることから、死点の発生を防止するために、空間高調波トルクを重畳して対策したり、固定子ティースの間隔を変えて対策したとしても、トルクリップル、トルク変化率が大きくなるので、騒音・振動が大きくなり、静音化ができないという課題があり、トルクリップルおよびトルク変化率を小さくし、騒音・振動の発生を抑制することが要求されている。
【０００８】
また、半波駆動方式であることから、電流が大きくなるとともに、負荷トルクに対する電流変化も大きくなるので、使用可能な負荷トルクの範囲が狭くなるという課題があり、電流を小さくでき、使用可能な負荷トルクの範囲が広いことが要求されている。
【０００９】
また、半波駆動方式であることから、出力の高い領域では銅損が極端に大きくなるために、誘導電動機に対しての消費電力の削減効果がなくなってしまうという課題があり、出力の高い領域であっても低消費電力を実現できることが要求されている。
【００１０】
また、整流部で得た高圧ＤＣ電圧を直接駆動電源としているため、整流部後段の平滑コンデンサの容量を大きくする必要があり、そのためには電解コンデンサの使用が必須となるので、回路の小型化、品質の安定性確保、長寿命化ができないという課題があった。また、平滑コンデンサの容量を小さくした場合は電源リップルが大きくなるため、トルクリップルが極端に大きくなり振動・騒音がさらに大きくなるとともに、回転むらも極端におおきくなることからファン駆動用に使用した場合、風量がばらつき安定した送風量を確保できないという課題があり、回路の小型化、高品質化、長寿命化を実現した上で、安定した送風量を確保できることが要求されている。
【００１１】
本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、トルクリップルおよびトルク変化率を小さくし、騒音・振動の発生を抑制することができ、また、電流を小さくし、使用可能な負荷トルクの範囲が広く、高出力域でも低消費電力を実現でき、回路の小型化、高品質化、長寿命化を実現した上で、回転むらの発生も抑制できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータを提供することを目的としている。
【００１２】
そして、速度調節ができないことから、換気装置における強制換気モードと風量の少ない常時換気モードのどちらかにしか対応できないので、換気装置への搭載が困難であるという課題があり、２段階以上の速度調節ができることが要求されている。
【００１３】
本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、２段階以上の速度調節ができる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータを提供することを目的としている。
【００１４】
さらには、ダクト式換気装置のようなシロッコファンなど遠心型の送風機を内蔵した機器では、誘導電動機を搭載し、そのトルク特性において起動トルクから最大トルクまでの回転数変化の大きな領域で使用している機器が大半を占めており、このような送風機にブラシレスＤＣモータを搭載して、印加電圧一定で運転した場合、図１３のトルク−回転数特性比較グラフに示すように、最大静圧時の回転数と静圧ゼロ時の回転数差が誘導電動機の場合と比較して極端に小さくなるので、風量−静圧特性において、最大静圧値を誘導電動機搭載時の値と同等にした場合は、静圧ゼロ時の風量が極端に多くなり、騒音・振動が大きくなるうえ、冷暖房エネルギーロスも含めて消費電力の削減効果も少なくなるという課題があり、逆に静圧ゼロ時の風量を同等にした場合は最大静圧の値が極端に低くなり、外風などにより機外圧力損失の変化にともなって風量が大きく変動するという課題があり、誘導電動機を搭載した場合と同等の風量−静圧特性が得られることが要求されている。
【００１５】
本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、誘導電動機を搭載した場合と同等の風量−静圧特性を得ることができる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータを提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明のブラシレスＤＣモータは上記目的を達成するために、交流電源に直結するブラシレスＤＣモータであって、前記交流電源に接続する複数の交流電源接続手段と、固定子鉄心に絶縁体を介して駆動コイルを巻装した固定子と、永久磁石を備えた磁石回転子と、この磁石回転子の磁束密度分布を検知する磁束密度分布検知手段と、前記交流電源を全波整流する整流手段と、この整流手段によって得た高圧電圧を略平坦な低圧直流電圧に変換する低圧直流電圧変換手段と、前記磁束密度分布検知手段の信号を基に、前記低圧直流電圧変換手段にて生成した低圧直流電圧を前記駆動コイルに所定の方向と順序で順次全波通電するための駆動ロジック制御手段と、この駆動ロジック制御手段の出力に基づいて、前記駆動コイルへの通電を行う複数のスイッチング素子と、前記磁束密度分布検知手段によって検知される磁束密度分布波形が、前記磁石回転子が回転することによって前記駆動コイルに誘起される誘起電圧波形に略相似形となるよう前記磁束密度分布検知手段を配置するとともに、前記駆動ロジック制御手段は前記磁束密度分布検知手段が検出した波形に略相似形の電流を前記駆動コイルに流す電流波形制御手段を備え、前記スイッチング素子に供給する平均電流を略一定に制御する供給電流値制御手段を設け、前記交流電源接続手段への接続箇所に応じて、前記供給電流値制御手段によって略一定に制御する電流値を変更する供給電流値変更手段を設けたことを特徴とする交流電源直結型ブラシレスＤＣモータの構成としたものである。
【００１７】
また他の手段は、ＰＷＭ制御することによって、電流波形を形成することを特徴とする交流電源直結型ブラシレスＤＣモータの構成としたものである。
【００１８】
また他の手段は、前記磁束密度分布検知手段が検出した波形のうち２相分の波形を合成する磁束密度分布波形合成手段を設け、駆動ロジック制御手段は前記磁束密度分布波形合成手段が合成した波形に略相似形の電流を前記駆動コイルに流すことを特徴とする交流電源直結型ブラシレスＤＣモータの構成としたものである。
【００１９】
また他の手段は、前記磁石回転子の永久磁石は極異方性磁石としたことを特徴とする交流電源直結型ブラシレスＤＣモータの構成としたものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、交流電源に直結するブラシレスＤＣモータであって、前記交流電源に接続する複数の交流電源接続手段と、固定子鉄心に絶縁体を介して駆動コイルを巻装した固定子と、永久磁石を備えた磁石回転子と、この磁石回転子の磁束密度分布を検知する磁束密度分布検知手段と、前記交流電源を全波整流する整流手段と、この整流手段によって得た高圧電圧を略平坦な低圧直流電圧に変換する低圧直流電圧変換手段と、前記磁束密度分布検知手段の信号を基に、前記低圧直流電圧変換手段にて生成した低圧直流電圧を前記駆動コイルに所定の方向と順序で順次全波通電するための駆動ロジック制御手段と、この駆動ロジック制御手段の出力に基づいて、前記駆動コイルへの通電を行う複数のスイッチング素子と、前記磁束密度分布検知手段によって検知される磁束密度分布波形が、前記磁石回転子が回転することによって前記駆動コイルに誘起される誘起電圧波形に略相似形となるよう前記磁束密度分布検知手段を配置するとともに、前記駆動ロジック制御手段は前記磁束密度分布検知手段が検出した波形に略相似形の電流を前記駆動コイルに流す電流波形制御手段を備え、前記スイッチング素子に供給する平均電流を略一定に制御する供給電流値制御手段を設け、前記交流電源接続手段への接続箇所に応じて、前記供給電流値制御手段によって略一定に制御する電流値を変更する供給電流値変更手段を設けたことを特徴とする交流電源直結型ブラシレスＤＣモータの構成とすることにより、誘起電圧波形と電流波形が略相似形となることから、トルクリップルおよびトルク変化率を小さくし、騒音・振動の発生を抑制するとともに、ブラシレスＤＣモータの効率が大幅に向上するので、使用可能な負荷トルクの範囲が広くなるとともに、銅損が低減できることによって、低消費電力化が実現できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよび電気機器が得られる。さらには、低圧直流電圧を駆動コイルに供給することから、全波整流回路の後段に用いる平滑コンデンサの容量を低く抑えることができるので、電解コンデンサを必要としなくなり、回路の大幅な小型化が実現できるとともに、トルク略一定運転となることから、負荷変化に対する回転数差が大きくなるため、シロッコファンなど遠心型の送風機に搭載しても、最大静圧時の回転数と静圧ゼロ時の回転数差が誘導電動機を搭載した場合と同等になるので、最大静圧が極端に低くなることや、静圧ゼロ時の風量が極端に多くなることを防止できるとともに、静音化、低消費電力化、高品質化、長寿命化、回転むら発生の抑制を実現できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよび電気機器が得られる。
【００２１】
請求項２に記載の発明は、駆動ロジック制御手段をＰＷＭ制御することによって、電流波形を形成する駆動ロジック制御手段にすることにより、スイッチング素子の発熱を抑制できるので、使用可能な負荷トルクの範囲がさらに広くできる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよび電気機器が得られる。
【００２２】
請求項３に記載の発明は、磁束密度分布検知手段が検出した波形のうち２相分の波形を合成する磁束密度分布波形合成手段を設けるとともに、駆動ロジック制御手段を前記磁束密度分布波形合成手段が合成した波形に略相似形の電流を前記駆動コイルに流す駆動ロジック制御手段にすることにより、電流波形における３次調波や５次調波などの高調波成分が除去できることから、瞬時トルクに高調波成分の含有を抑制した低騒音化・低振動化が可能な交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよび電気機器が得られる。
【００２３】
請求項４に記載の発明は、磁石回転子の永久磁石を極異方性磁石とすることにより、誘起電圧波形と電流波形が略正弦波となることから、トルクリップルおよびトルク変化率をより一層小さくし、騒音・振動の発生をさらに抑制した低騒音化・低振動化が可能な交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよび電気機器が得られる。
以下、本発明の実施例について図１〜図９を参照しながら説明する。
【００２４】
【実施例】
（実施例１）
図１〜図３に示すように、１は交流電源直結型のブラシレスＤＣモータで、１０は複数のスロットを有する固定子鉄心１０ａに絶縁材にて形成されたインシュレータ１１を介して駆動コイル２を巻装した固定子で、固定子１０は熱硬化性樹脂２１にてモールド成形されて外被を形成しており、１７はブラケットで軸受け２０を保持している。３は磁石回転子であり、プラスチックマグネットを射出成形時に極配向させてシャフト１９と一体成形して形成しており、主磁極部は極異方性磁石３ａとなっている。４は極異方性磁石３ａの磁束密度分布を検知する磁束密度分布検知手段となるホール素子で、このホール素子４の検知した波形が極異方性磁石３ａによって駆動コイル２に誘起される誘起電圧波形と略相似となるようにホール素子４と極異方性磁石３ａの空隙を設定して配置している。１２は磁束密度分布波形合成手段で、駆動コイル２のｕ相に供給する電流波形の高調波成分を除去するために、ホール素子４のｕ相波形からｖ相波形を減算し、同様に駆動コイル２のｖ相にはホール素子４のｖ相波形からｗ相波形を減算し、駆動コイルのｗ相にはホール素子４のｗ相波形からｕ相波形を減算している。５は駆動ロジック制御手段で、駆動コイル２に所定の方向と順序で順次全波通電となるようスイッチング素子６のＯＮ・ＯＦＦを制御し、電流波形制御手段７は磁束密度分布波形合成手段１２によって高調波成分を除去した波形に略相似形になるように、スイッチング素子６が飽和に近い非飽和状態になるようにフィードバックしながら出力バイアス電流を調整する。１５は商用交流電源を接続する交流電源接続手段であり、１５ａは強出力接続端子、１５ｂは弱出力接続端子、１５ｃは共通接続端子である。９は交流電源を全波整流する整流手段で、８は整流手段９にて全波整流されたリップルを有する高圧の電圧を４５Ｖ以下の略平坦な低圧直流電圧に変換する低圧直流電圧変換手段で、この低圧直流電圧変換手段８にて変換された低圧直流電圧はスイッチング素子６を介して駆動コイル２に供給されるとともに、駆動ロジック制御手段５等への制御電源としても供給される。そして、低圧直流電圧変換手段８と整流手段９の間には、交流１００Ｖ５０Ｈｚを全波整流した時に４５Ｖ以下となる２．１ミリ秒の期間の電圧を補う小容量の平滑コンデンサ１８を配している。２２は外部スイッチであり、強出力接続端子１５ａまたは弱出力接続端子１５ｂのどちらかに接続する構成であり、１４は交流電源が弱出力接続端子１５ｂに接続された場合に、交流入力フォトカプラなどにて構成された速度調節指示電圧検知手段１３からの信号により、低圧直流電圧変換手段８にて生成する低圧直流電圧値を強出力接続端子１５ａに交流電源が接続された場合よりも低い電圧に変換する低圧直流電圧変更手段である。そして、図１において一点鎖線にて囲まれた電子部品の内、平滑コンデンサ１８と、低圧直流電圧変換手段８を構成する部品の一つとなるコイルを除いて、アルミ製基板の上に実装、配線接続して形成したワンチップＩＣ１６の構成になっている。
【００２５】
このような本発明の交流電源直結型のブラシレスＤＣモータ１によれば、全波整流する整流手段９によって整流されたリプルを有する高圧電圧を、低圧直流電圧変換手段８が４５Ｖ以下の略平坦な低圧直流電圧に変換し、駆動電源として駆動コイル２に供給することにより、全波整流後の平滑コンデンサ１８は電圧不足となる非常に短い期間の２．１ミリ秒を補うだけの容量に低く抑えることができるので、コンデンサの小型化、省スペース化ができるとともに、電解コンデンサを使用しなくても、セラミックコンデンサやフイルムコンデンサを使用できるため、大幅な小型化、温度特性の変化がないなどの高品質化、長寿命化ができる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータが得られる。
【００２６】
また、平滑コンデンサ１８の容量が少なくても、低圧直流電圧変換手段８が略平坦な低圧直流電圧にするので、トルクリップルや回転むらを抑えた交流電源直結型のブラシレスＤＣモータが得られる。そして、ファン駆動用に使用しても送風量の安定化が実現できる。
【００２７】
また、駆動ロジック制御手段５が３相全波駆動することにより、死点を考慮する必要がなくなるうえ、トルクリップルやトルク変化率を小さくでき、駆動電流を小さくできるとともに、高出力領域での銅損を削減できるため、騒音・振動の発生を抑制し、使用可能な負荷トルクの範囲が広く、高出力領域であっても低消費電力を実現できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータが得られる。
【００２８】
また、磁束密度分布検知手段４の検知する波形が極異方性磁石３ａによって駆動コイル２に誘起される誘起電圧波形と略相似となるように磁束密度分布検知手段４と磁石の空隙を設定して配置し、電流波形制御手段７は磁束密度分布検知手段４が検知した磁束密度分布波形に略相似形の電流を駆動コイル２に流すことにより、誘起電圧波形と電流波形が略相似となるので、トルクリップルおよびトルク変化率を一層低く抑えることができるとともに、モータ効率が大幅に向上するため、低騒音化、高効率化を実現した交流電源直結型のブラシレスＤＣモータが得られる。
【００２９】
また、磁石回転子３の主磁極部を極異方性磁石３ａとすることにより、誘起電圧波形も電流波形もともに正弦波となることから、トルクリップルおよびトルク変化率をより一層低く抑えることができるとともに、モータ効率も大幅に向上するので、静音化、高効率化を実現した交流電源直結型のブラシレスＤＣモータが得られる。
【００３０】
また、磁束密度分布波形合成手段１２が、磁束密度分布検知手段４が検知したｕ相、ｖ相、ｗ相の波形を合成することにより、各相の磁束密度分布検知手段４のばらつきの影響が小さくなるとともに、ｕ相、ｖ相、ｗ相各相の磁束密度分布波形は、基本的には位相が単にずれただけの波形であることから、２相を減算合成することにより、検知した磁束密度分布波形に含まれた高調波成分が除去されるので、回転むらの発生が抑制できるとともに、トルクリップルおよびトルク変化率をさらに低く抑えることができるため、高品質化を実現した交流電源直結型のブラシレスＤＣモータが得られる。
【００３１】
また、速度調節指示電圧検知手段１３を設け、速度調節指示電圧検知手段１３が速度指示電圧の有無を検知し、速度指示電圧が有ることを受けて低圧直流電圧値変更手段１４が低圧直流電圧変換手段８によって生成する低圧直流電圧の値を変更する構成により、２段階の低圧直流電圧出力調節ができるので、２段階の速度調節が可能な交流電源直結型のブラシレスＤＣモータが得られる。
【００３２】
また、交流電源接続手段１５において、強出力接続端子１５ａと弱出力接続端子１５ｂのように２箇所設け、低圧直流電圧値変更手段１４を設けることにより、２段階の低圧直流電圧出力調節ができるので、速度調節が可能な交流電源直結型のブラシレスＤＣモータが得られる。ここで、交流電源接続手段１５において、その接続端子の数量に応じて、低圧直流電圧値変更手段１４の設定量を変更すれば、接続端子の数だけ速度調節ができることとなる。
【００３３】
なお、本実施例１では駆動コイル２に供給される電流波形を、誘起電圧波形に略相似形となるように構成したが、用途、商品の要求される騒音レベルに応じて、１２０度矩形波通電や、１４０度、１５０度通電のように広角通電方式としても良く、低圧直流電圧を駆動電源として駆動コイル２に供給することにより、全波整流後の平滑コンデンサの容量を低く抑え、回転むらを抑制し、高出力領域での銅損の削減による、大幅な小型化、高品質化、長寿命化、使用可能な負荷トルクの範囲が広く、高出力領域であっても低消費電力を実現できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータが得られることに差異は生じない。
【００３４】
また、本実施例１では磁束密度分布検知手段４を用いた構成としたが、非通電相に誘起される誘起電圧や、電流を検知して磁石回転子に対する通電位相を決める方式としても良く、その作用効果に差異を生じない。
【００３５】
また、本実施例１ではスイッチング素子６が飽和に近い非飽和状態になるようにフィードバックしながら出力バイアス電流を調整したが、スイッチング素子６をＰＷＭ制御して電流波形を制御しても良く、その場合にはスイッチング素子６の損失が低減できるので、スイッチング素子６の発熱が抑制され、使用可能な負荷トルクの範囲がさらに広くできる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータが得られることとなる。
【００３６】
また、本実施例１では低圧直流電圧変換手段８が４５Ｖ以下の略平坦な低圧直流電圧に変換したが、３６Ｖ以下の低圧直流電圧に変換するならば、１．７ミリ秒の期間を補うだけのコンデンサ容量にさらに低く抑えることができることとなる。
【００３７】
また、本実施例１では交流電源接続手段１５を速度調節指示電圧検知手段１３に接続する構成としたが、整流手段９と平滑コンデンサ１８を増設した構成としても良く、その作用効果に差異を生じない。
【００３８】
（実施例２）
図４および図５に示すように、２５は換気装置の一種である天井埋め込み型の換気扇であり、交流電源直結型のブラシレスＤＣモータ２７をファン駆動用として搭載している。２３はスイッチング素子６に供給される電流を検知する電流検出手段で、２４は供給電流値制御手段である。この供給電流値制御手段２４は電流検出手段２３にて検出するスイッチング素子６に供給される平均電流値が設定された電流値と同等になるように、低圧直流電圧値変更手段１４を制御することにより、低圧直流電圧変換手段８から出力される電圧を可変しながらフィードバック制御する。そして、速度調節指示電圧検知手段１３からの信号により、供給電流値変更手段２６がスイッチング素子６に流す電流の設定値を変更する構成であり、その他の構成において、実施例１と同一部分には同一番号を付し、詳細な説明は省略する。
【００３９】
このような本発明の交流電源直結型のブラシレスＤＣモータ２７によれば、供給電流値制御手段２４がスイッチング素子６に供給する平均電流を略一定に制御するので、出力トルクが略一定運転となり、負荷変化に対する回転数差が大きくなるため、シロッコファンなど遠心型の送風機を搭載した換気装置２５においては、最大静圧時の回転数と静圧ゼロ時の回転数差が誘導電動機を搭載した場合と同等になるので、最大静圧が極端に低くなることや、静圧ゼロ時の風量が極端に多くなることを防止できるとともに、静音化、低消費電力化を実現できる。
【００４０】
また、速度調節指示電圧検知手段１３を設け、速度調節指示電圧検知手段１３が速度指示電圧の有無を検知し、速度指示電圧が有ることを受けて供給電流値変更手段２６がスイッチング素子６に流す電流の設定値を変更する構成により、２段階のトルク略一定運転ができることとなり、シロッコファンなど遠心型の送風機を搭載した換気装置２５においては、誘導電動機を搭載した場合と同等の風量−静圧特性が２段階設定できるため、換気装置２５においては、強制換気モードと常時換気モードの両方に対応できることとなる。
【００４１】
また、交流電源接続手段１５において、強出力接続端子１５ａと弱出力接続端子１５ｂのように２箇所設け、供給電流値変更手段２６を設けることにより、２段階のトルク略一定運転ができるので、シロッコファンなど遠心型の送風機を搭載した換気装置２５においては、誘導電動機を搭載した場合と同等の風量−静圧特性が２段階設定できる。ここで、交流電源接続手段１５において、その接続端子の数量に応じて、供給電流値変更手段２６の設定量を変更すれば、接続端子の数だけ速度調節ができることとなる。
【００４２】
なお、実施例１と同様の構成における作用効果に差異は生じない。
【００４３】
また、図６に示すように、供給電流値制御手段２４を供給電力制御手段２８に置き換え、供給電流値変更手段２６を供給電力変更手段２９に置き換えることにより、モータにかかる負荷が軽くなるにしたがって供給電流が低くなるので、それに応じて印加電圧を高くすることになり、逆に負荷が重くなれば供給電流が高くなるため、印加電圧を低くするので、負荷変化に対する回転数差が大きくなることとなり、シロッコファンなど遠心型の送風機に搭載しても、最大静圧時の回転数と静圧ゼロ時の回転数差が誘導電動機を搭載した場合と同等になるので、最大静圧が極端に低くなることや、静圧ゼロ時の風量が極端に多くなることを防止できるとともに、負荷変動に対して消費電力の変化がなく、静音化、低消費電力化を実現できる。
【００４４】
（参考例１）
図７に示すように、３０は交流電源直結型のブラシレスＤＣモータで、整流手段９、小容量平滑コンデンサ１８、低圧直流電圧変換手段８、磁束密度分布検知手段４、磁束密度分布波形合成手段１２、駆動ロジック制御手段５、スイッチング素子６、電流波形制御手段７を同一のプリント基板上に実装した上でブラシレスＤＣモータ３０内に内蔵している。３１は低圧直流電圧変換手段８にて生成した低圧直流電圧をブラシレスＤＣモータ３０外部に導出する低圧直流電圧導出端子で、この低圧直流電圧導出端子３１より導出した低圧電源をブラシレスＤＣモータ３０外部に近接した抵抗分圧回路などにて形成した減圧手段３３にて減圧し、この減圧した直流電圧を低圧直流電圧導入端子３２よりブラシレスＤＣモータ３０内部に導入し、スイッチング素子６および駆動ロジック制御手段５に供給する構成であり、その他の構成において、実施例１と同一部分には同一番号を付して詳細な説明は省略する。
【００４５】
このような本発明の交流電源直結型のブラシレスＤＣモータ３０によれば、低圧直流電圧変換手段８によって生成された低圧直流電圧をブラシレスＤＣモータ３０外部に導出する低圧直流電圧導出端子３１と、この低圧直流電圧導出端子３１より導出された低圧直流電圧を減圧した低圧直流電圧をブラシレスＤＣモータ３０内部に導入する低圧直流電圧導入端子３２を設け、この低圧直流電圧導入端子３２より導入した低圧直流電圧をスイッチング素子６に供給する構成とすることにより、ブラシレスＤＣモータ外部に簡単な減圧手段３３を近設することにより、無段階で低圧直流電圧を可変することが可能となるので、無段階の速度調節ができる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータ３０およびそのブラシレスＤＣモータ３０を搭載した電気機器が得られる。
【００４６】
（参考例２）
図８に示すように、３４は交流電源直結型のブラシレスＤＣモータで、整流手段９、小容量平滑コンデンサ１８、低圧直流電圧変換手段８、磁束密度分布検知手段４、磁束密度分布波形合成手段１２、駆動ロジック制御手段５、スイッチング素子６、電流波形制御手段７、低圧直流電圧変更手段１４、電流検出手段２３、供給電流値制御手段２４、供給電流値変更手段２６を同一のプリント基板上に実装した上でブラシレスＤＣモータ３４内に内蔵している。３１は低圧直流電圧変換手段８にて生成した低圧直流電圧をブラシレスＤＣモータ３４外部に導出する低圧直流電圧導出端子で、この低圧直流電圧導出端子３１より導出した低圧電源をブラシレスＤＣモータ３４外部に近接した抵抗分圧回路などにて形成した減圧手段３３にて減圧して、供給電流値指示電圧に変換し、この供給電流値指示電圧を供給電流設定値入力手段３５よりブラシレスＤＣモータ３４内部に導入し、この供給電流値指示電圧の大きさに応じて供給電流値変更手段２６が供給電流値制御手段２４にて略一定制御する平均電流値を変更する構成であり、その他の実施例１および２と同一部分には同一番号を付して詳細な説明は省略する。
【００４７】
このような本発明の交流電源直結型のブラシレスＤＣモータ３４によれば、低圧直流電圧変換手段８によって生成された低圧直流電圧をブラシレスＤＣモータ３４外部に導出する低圧直流電圧導出端子３１と、この低圧直流電圧導出端子３１より導出された低圧直流電圧を減圧した低圧直流電圧をブラシレスＤＣモータ３４内部に導入する供給電流設定値入力手段３５を設け、この供給電流設定値入力手段３５より導入した低圧直流電圧の大きさに応じて供給電流値変更手段２６が供給電流値制御手段２４にて略一定制御する平均電流値を変更する構成とすることにより、ブラシレスＤＣモータ３４外部に簡単な減圧手段３３を近設することにより、無段階でトルク略一定運転ができることとなり、シロッコファンなど遠心型の送風機に搭載した時に、誘導電動機を搭載した場合と同様の風量−静圧特性が無段階で設定できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータ３４およびそのブラシレスＤＣモータ３４を搭載した電気機器が得られる。
【００４８】
なお、参考例２では低圧直流電圧変換手段８によって生成した低圧直流電圧をブラシレスＤＣモータ３４の外部に導出し、減圧して供給する平均電流値の設定値信号となる電圧を生成して供給電流設定値入力手段３５に入力したが、別の電源より入力してもよく、無段階で電流略一定運転ができるという効果に差異は生じない。
【００４９】
また、参考例２では供給電流値制御手段２４と、供給電流値変更手段２６によって平均電流略一定運転をする構成としたが、図９に示すように、供給電流値制御手段２４を供給電力制御手段２８に置き換え、供給電流値変更手段２６を供給電力変更手段２９に置き換え、供給電流設定値入力手段３５を供給電力設定値入力手段３６に置き換えることにより、モータにかかる負荷が軽くなるにしたがって供給電流が低くなり、それに応じて印加電圧を高くすることになり、逆に負荷が重くなれば供給電流が高くなるので、印加電圧を低くするので、負荷変化に対する回転数差が大きくなることとなり、シロッコファンなど遠心型の送風機に搭載しても、最大静圧時の回転数と静圧ゼロ時の回転数差が誘導電動機を搭載した場合と同等になるので、最大静圧が極端に低くなることや、静圧ゼロ時の風量が極端に多くなることを防止できるとともに、負荷変動に対して消費電力の変化がなく、静音化、低消費電力化を実現できるため、誘導電動機を搭載した場合と同様の風量−静圧特性が無段階設定できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよびそのブラシレスＤＣモータを搭載した電気機器が得られることとなる。
【００５０】
【発明の効果】
以上の実施例から明らかなように、本発明によれば、全波整流する整流手段によって整流されたリプルを有する高圧電圧を、低圧直流電圧変換手段が４５Ｖ以下の略平坦な低圧直流電圧に変換し、駆動電源として駆動コイルに供給することにより、全波整流後の平滑コンデンサは電圧不足となる非常に短い期間（例えば、ＡＣ１００Ｖ５０Ｈｚならば２．１ミリ秒）を補うだけの容量に低く抑えることができるので、コンデンサの小型化、省スペース化ができるとともに、電解コンデンサを使用しなくても、セラミックコンデンサやフイルムコンデンサを使用できるため、大幅な小型化や、温度特性の変化がないなどの高品質化、大幅な長寿命化ができるとともに、トルクリップルや回転むらの発生を抑制できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータが得られる。そして、ファン駆動用に使用しても送風量の安定化が実現できる。
【００５１】
また、駆動ロジック制御手段が３相全波駆動することにより、死点を考慮する必要がなくなるうえ、トルクリップルやトルク変化率を小さくでき、駆動電流を小さくできるとともに、高出力領域での銅損を削減できるため、騒音・振動の発生を抑制し、使用可能な負荷トルクの範囲が広く、高出力領域であっても低消費電力を実現できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータが得られる。
【００５２】
また、磁束密度分布検知手段の検知する波形が磁石回転子によって駆動コイルに誘起される誘起電圧波形と略相似となるように磁束密度分布検知手段と磁石の空隙を設定して配置し、電流波形制御手段は磁束密度分布検知手段が検知した磁束密度分布波形に略相似形の電流を駆動コイルに流すことにより、誘起電圧波形と電流波形が略相似となるので、トルクリップルおよびトルク変化率を一層低く抑えることができるとともに、モータ効率が大幅に向上するため、低騒音化、高効率化を実現した交流電源直結型のブラシレスＤＣモータが得られる。
【００５３】
また、電流検出手段によってスイッチング素子に流れる平均電流値を検知し、供給電流値制御手段がスイッチング素子に供給する平均電流を略一定に制御するので、出力トルクが略一定運転となり、負荷変化に対する回転数差が大きくなるため、シロッコファンなど遠心型の送風機を搭載した換気装置等の電気機器においては、最大静圧時の回転数と静圧ゼロ時の回転数差が誘導電動機を搭載した場合と同等になるので、最大静圧が極端に低くなることや、静圧ゼロ時の風量が極端に多くなることを防止できるとともに、静音化、低消費電力化を実現できる。
【００５４】
また、スイッチング素子に供給する平均電力を略一定に制御する供給電力制御手段を備えることにより、モータにかかる負荷が軽くなるにしたがって供給電流が低くなるため、それに応じて印加電圧を高くすることになり、逆に負荷が重くなれば供給電流が高くなるので、印加電圧を低くするため、負荷変化に対する回転数差が大きくなることとなり、シロッコファンなど遠心型の送風機に搭載しても、最大静圧時の回転数と静圧ゼロ時の回転数差が誘導電動機を搭載した場合と同等になるので、最大静圧が極端に低くなることや、静圧ゼロ時の風量が極端に多くなることを防止できるとともに、負荷変動に対して消費電力の変化がなく、静音化、低消費電力化を実現できる。
【００５５】
また、磁石回転子の永久磁石を極異方性磁石とすることにより、誘起電圧波形も電流波形もともに正弦波となることから、トルクリップルおよびトルク変化率をより一層低く抑えることができるとともに、モータ効率も大幅に向上するので、静音化、高効率化を実現した交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよびそのブラシレスＤＣモータを搭載した電気機器が得られる。
【００５６】
また、磁束密度分布波形合成手段が、磁束密度分布検知手段が検知した２相分の波形を合成することにより、各相の磁束密度分布検知手段のばらつきの影響が小さくなるとともに、各相の磁束密度分布波形は、基本的には位相が単にずれただけの波形であることから、２相を減算合成することにより、検知した磁束密度分布波形に含まれた高調波成分が除去されるので、回転むらの発生が抑制できるとともに、トルクリップルおよびトルク変化率をさらに低く抑えることができるため、高品質化を実現した交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよびそのブラシレスＤＣモータを搭載した電気機器が得られる。
【００５７】
また、ＰＷＭ制御することによって、電流波形を形成する駆動ロジック制御手段にすることにより、スイッチング素子の発熱を抑制できるので、使用可能な負荷トルクの範囲がさらに広くできる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよびそのブラシレスＤＣモータを搭載した電気機器が得られる。
【００５８】
また、速度調節指示電圧検知手段を設け、速度調節指示電圧検知手段が速度指示電圧の有無を検知し、速度指示電圧が有ることを受けて低圧直流電圧値変更手段が低圧直流電圧変換手段によって生成する低圧直流電圧の値を変更する構成により、２段階の低圧直流電圧出力調節ができるので、速度調節が可能な交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよびそのブラシレスＤＣモータを搭載した電気機器が得られる。
【００５９】
また、交流電源を接続する交流電源接続手段を複数設け、この交流電源接続手段への接続箇所に応じて、低圧直流電圧変換手段によって生成する低圧直流電圧の値を変更する低圧直流電圧値変更手段を設けることにより、外部スイッチの切替により、低圧直流電圧の値が交流電源接続手段の数だけ変更できることから、複数段の速度調節ができる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよびそのブラシレスＤＣモータを搭載した電気機器が得られる。
【００６０】
また、低圧直流電圧変換手段によって生成された低圧直流電圧をブラシレスＤＣモータ外部に導出する低圧直流電圧導出端子と、この低圧直流電圧導出端子より導出された低圧直流電圧を減圧した低圧直流電圧をブラシレスＤＣモータ内部に導入する低圧直流電圧導入端子を設け、この低圧直流電圧導入端子より導入した低圧直流電圧を駆動コイルに供給する構成とすることにより、ブラシレスＤＣモータ外部に簡単な減圧回路を近設することにより、無段階で低圧直流電圧を可変することが可能となるので、無段階の速度調節ができる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよびそのブラシレスＤＣモータを搭載した電気機器が得られる。
【００６１】
また、速度調節指示電圧検知手段を設け、この速度調節指示電圧検知手段が速度指示電圧の有無を検知し、速度指示電圧が有ることを受けて供給電流値変更手段がスイッチング素子に流す電流の設定値を変更する構成により、２段階のトルク略一定運転ができることとなり、シロッコファンなど遠心型の送風機に搭載した時に、誘導電動機を搭載した場合と同等の風量−静圧特性が２段階設定できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよびそのブラシレスＤＣモータを搭載した電気機器が得られる。
【００６２】
また、速度調節指示電圧検知手段を設け、この速度調節指示電圧検知手段が速度指示電圧の有無を検知し、速度指示電圧が有ることを受けて供給電力値変更手段がスイッチング素子に供給する電力の設定値を変更する構成により、２段階の電力一定運転ができることとなり、シロッコファンなど遠心型の送風機に搭載した時に、誘導電動機を搭載した場合と同等の風量−静圧特性が２段階設定できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよびそのブラシレスＤＣモータを搭載した電気機器が得られる。
【００６３】
また、交流電源を接続する交流電源接続手段を複数設け、この交流電源接続手段への接続箇所に応じて、供給電流値制御手段によって略一定に制御する電流値を変更する供給電流値変更手段を設けることにより、スイッチング素子に供給する電流値を変更できることから、交流電源接続手段の数だけトルク略一定運転ができることとなり、シロッコファンなど遠心型の送風機に搭載した時に、誘導電動機を搭載した場合と同様の風量−静圧特性が複数段階設定できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよびそのブラシレスＤＣモータを搭載した電気機器が得られる。
【００６４】
また、交流電源を接続する交流電源接続手段を複数設け、この交流電源接続手段への接続箇所に応じて、供給電力制御手段によって略一定に制御する電力値を変更する供給電力値変更手段を設けることにより、スイッチング素子に供給する電力値を変更できることから、負荷変動に対する回転数差の大きな運転が交流電源接続手段の数だけできることとなり、シロッコファンなど遠心型の送風機に搭載した時に、誘導電動機を搭載した場合と同様の風量−静圧特性が複数段階設定できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよびそのブラシレスＤＣモータを搭載した電気機器が得られる。
【００６５】
また、供給電流値制御手段によって略一定に制御する電流値の設定値信号を入力する供給電流設定値入力手段を設け、この供給電流設定値入力手段によって指示された電流値にて略一定に制御することにより、スイッチング素子に供給する電流値を任意に変更できることから、無段階でトルク略一定運転ができることとなり、シロッコファンなど遠心型の送風機に搭載した時に、誘導電動機を搭載した場合と同様の風量−静圧特性が無段階で設定できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよびそのブラシレスＤＣモータを搭載した電気機器が得られる。
【００６６】
また、供給電力値制御手段によって略一定に制御する電力値の設定値信号を入力する供給電力設定値入力手段を設け、この供給電力設定値入力手段によって指示された電力値にて略一定に制御することにより、負荷変動に対する回転数差の大きな運転が無段階できることとなり、シロッコファンなど遠心型の送風機に搭載した時に、誘導電動機を搭載した場合と同様の風量−静圧特性が無段階で設定できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよびそのブラシレスＤＣモータを搭載した電気機器が得られる。
【００６７】
また、低圧直流電圧変換手段によって生成された低圧直流電圧をブラシレスＤＣモータ外部に導出する低圧直流電圧導出端子と、この低圧直流電圧導出端子より導出された低圧直流電圧を減圧した低圧直流電圧を前記供給電流値制御手段によって略一定に制御する電流値の制御信号として、ブラシレスＤＣモータ内部に導入する供給電流設定値入力手段を設け、この供給電流設定値入力手段より導入した低圧直流電圧の大きさにより、スイッチング素子に供給する平均電流値を制御することにより、ブラシレスＤＣモータ外部に簡単な減圧回路を近設することにより、無段階でスイッチング素子に供給する電流値を任意に変更できることから、無段階でトルク一定運転ができることとなり、シロッコファンなど遠心型の送風機に搭載した時に、誘導電動機を搭載した場合と同様の風量−静圧特性が無段階で設定できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよびそのブラシレスＤＣモータを搭載した電気機器が得られる。
【００６８】
また、低圧直流電圧変換手段によって生成された低圧直流電圧をブラシレスＤＣモータ外部に導出する低圧直流電圧導出端子と、この低圧直流電圧導出端子より導出された低圧直流電圧を減圧した低圧直流電圧を前記供給電力値制御手段によって略一定に制御する電力値の制御信号として、ブラシレスＤＣモータ内部に導入する供給電力設定値入力手段を設け、この供給電力設定値入力手段より導入した低圧直流電圧の大きさにより、スイッチング素子に供給する平均電力を制御することにより、ブラシレスＤＣモータ外部に簡単な減圧回路を近設することにより、無段階でスイッチング素子に供給する電力値を変更できることから、負荷変動に対する回転数差の大きな運転が無段階でできることとなり、シロッコファンなど遠心型の送風機に搭載した時に、誘導電動機を搭載した場合と同様の風量−静圧特性が複数段階設定できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよびそのブラシレスＤＣモータを搭載した電気機器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における交流電源直結型ブラシレスＤＣモータを示すブロック図
【図２】同ブラシレスＤＣモータを示す断面図
【図３】同ブラシレスＤＣモータの整流後の電圧波形を示す図
【図４】本発明の実施例２における交流電源直結型ブラシレスＤＣモータを示すブロック図
【図５】同ブラシレスＤＣモータを搭載した換気装置を示す断面図
【図６】同ブラシレスＤＣモータにおいて他の構成を示すブロック図
【図７】本発明の参考例１における交流電源直結型ブラシレスＤＣモータを示すブロック図
【図８】本発明の参考例２における交流電源直結型ブラシレスＤＣモータを示すブロック図
【図９】同ブラシレスＤＣモータにおいて他の構成を示すブロック図
【図１０】従来のＤＣモータを示す回路図
【図１１】同ＤＣモータを示す断面図
【図１２】同ＤＣモータを示す斜視図
【図１３】同ＤＣモータと誘導電動機のトルク−回転数特性を比較するグラフ
【符号の説明】
１ ブラシレスＤＣモータ
２ 駆動コイル
３ 磁石回転子
４ 磁束密度分布検知手段
５ 駆動ロジック制御手段
６ スイッチング素子
７ 電流波形制御手段
８ 低圧直流電圧変換手段
９ 整流手段
１０ 固定子
１０ａ 固定子鉄心
１１ インシュレータ
１２ 磁束密度分布波形合成手段
１３ 速度調節指示電圧検知手段
１４ 低圧直流電圧変更手段
１５ 交流電源接続手段
１５ａ 強出力接続端子
１５ｂ 弱出力接続端子
１５ｃ 共通接続接続端子
１６ ワンチップＩＣ
１７ ブラケット
１８ 平滑コンデンサ
１９ シャフト
２０ 軸受け
２１ 熱硬化性樹脂
２２ 外部スイッチ
２３ 電流検出手段
２４ 供給電流値制御手段
２５ 換気装置
２６ 供給電流値変更手段
２７ ブラシレスＤＣモータ
２８ 供給電力制御手段
２９ 供給電力変更手段
３０ ブラシレスＤＣモータ
３１ 低圧直流電圧導出端子
３２ 低圧直流電圧導入端子
３３ 減圧手段
３４ ブラシレスＤＣモータ
３５ 供給電流設定値入力手段
３６ 供給電力設定値入力手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、主にパイプファンや天井埋め込み型等の排気用および給気用の換気装置や、送風機、加湿器、除湿機、冷凍機器などのファン駆動用のブラシレスＤＣモータおよびそのブラシレスＤＣモータを搭載した電気機器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、換気装置等の電気機器に搭載するファン駆動用の電動機においては、低価格化、高効率化、静音化が強く求められており、誘導電動機では大幅な高効率化は困難であることから、永久磁石を使用したブラシレスＤＣモータが増えてきている。一方では、交流電源に接続するだけで簡単に回転するというような、使い勝手の良い電動機も求められている。
【０００３】
従来、この種の電動機は、特許文献１〜３に開示された構成のものが知られている。
【０００４】
以下、その電動機について図１０〜図１３を参照しながら説明する。
【０００５】
図に示すように、単一のプリント基板５６に商用のＡＣ電源を整流する整流部５１と、ＤＣモータの２相の駆動コイル５３、５４と、永久磁石５５ａを配した磁石回転子５５と、モータ駆動コイル５３、５４と整流部５１の間には平滑コンデンサ５９として大容量の電解コンデンサを配し、モータ駆動コイル５３、５４に一方向にのみ電流を流すスイッチング素子５７、５８と、このスイッチング素子５７、５８を含め、モータ駆動コイル５３、５４への通電を制御をする制御部５２とを備え、整流部５１で整流してなる高圧ＤＣ電源をモータ駆動コイル５３、５４に直接に供給し、整流部５１で整流した高圧ＤＣ電源を減圧して制御部５２に供給するようにした２相半波駆動方式の構成としている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−４１３７０号公報
【特許文献２】
特開２０００−４１３９５号公報
【特許文献３】
特開２００２−１０６０９号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の電動機によれば、２相半波駆動方式であることから、死点の発生を防止するために、空間高調波トルクを重畳して対策したり、固定子ティースの間隔を変えて対策したとしても、トルクリップル、トルク変化率が大きくなるので、騒音・振動が大きくなり、静音化ができないという課題があり、トルクリップルおよびトルク変化率を小さくし、騒音・振動の発生を抑制することが要求されている。
【０００８】
また、半波駆動方式であることから、電流が大きくなるとともに、負荷トルクに対する電流変化も大きくなるので、使用可能な負荷トルクの範囲が狭くなるという課題があり、電流を小さくでき、使用可能な負荷トルクの範囲が広いことが要求されている。
【０００９】
また、半波駆動方式であることから、出力の高い領域では銅損が極端に大きくなるために、誘導電動機に対しての消費電力の削減効果がなくなってしまうという課題があり、出力の高い領域であっても低消費電力を実現できることが要求されている。
【００１０】
また、整流部で得た高圧ＤＣ電圧を直接駆動電源としているため、整流部後段の平滑コンデンサの容量を大きくする必要があり、そのためには電解コンデンサの使用が必須となるので、回路の小型化、品質の安定性確保、長寿命化ができないという課題があった。また、平滑コンデンサの容量を小さくした場合は電源リップルが大きくなるため、トルクリップルが極端に大きくなり振動・騒音がさらに大きくなるとともに、回転むらも極端におおきくなることからファン駆動用に使用した場合、風量がばらつき安定した送風量を確保できないという課題があり、回路の小型化、高品質化、長寿命化を実現した上で、安定した送風量を確保できることが要求されている。
【００１１】
本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、トルクリップルおよびトルク変化率を小さくし、騒音・振動の発生を抑制することができ、また、電流を小さくし、使用可能な負荷トルクの範囲が広く、高出力域でも低消費電力を実現でき、回路の小型化、高品質化、長寿命化を実現した上で、回転むらの発生も抑制できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータを提供することを目的としている。
【００１２】
そして、速度調節ができないことから、換気装置における強制換気モードと風量の少ない常時換気モードのどちらかにしか対応できないので、換気装置への搭載が困難であるという課題があり、２段階以上の速度調節ができることが要求されている。
【００１３】
本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、２段階以上の速度調節ができる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータを提供することを目的としている。
【００１４】
さらには、ダクト式換気装置のようなシロッコファンなど遠心型の送風機を内蔵した機器では、誘導電動機を搭載し、そのトルク特性において起動トルクから最大トルクまでの回転数変化の大きな領域で使用している機器が大半を占めており、このような送風機にブラシレスＤＣモータを搭載して、印加電圧一定で運転した場合、図１３のトルク−回転数特性比較グラフに示すように、最大静圧時の回転数と静圧ゼロ時の回転数差が誘導電動機の場合と比較して極端に小さくなるので、風量−静圧特性において、最大静圧値を誘導電動機搭載時の値と同等にした場合は、静圧ゼロ時の風量が極端に多くなり、騒音・振動が大きくなるうえ、冷暖房エネルギーロスも含めて消費電力の削減効果も少なくなるという課題があり、逆に静圧ゼロ時の風量を同等にした場合は最大静圧の値が極端に低くなり、外風などにより機外圧力損失の変化にともなって風量が大きく変動するという課題があり、誘導電動機を搭載した場合と同等の風量−静圧特性が得られることが要求されている。
【００１５】
本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、誘導電動機を搭載した場合と同等の風量−静圧特性を得ることができる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータを提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明のブラシレスＤＣモータは上記目的を達成するために、交流電源に直結するブラシレスＤＣモータであって、前記交流電源に接続する複数の交流電源接続手段と、固定子鉄心に絶縁体を介して駆動コイルを巻装した固定子と、永久磁石を備えた磁石回転子と、この磁石回転子の磁束密度分布を検知する磁束密度分布検知手段と、前記交流電源を全波整流する整流手段と、この整流手段によって得た高圧電圧を略平坦な低圧直流電圧に変換する低圧直流電圧変換手段と、前記磁束密度分布検知手段の信号を基に、前記低圧直流電圧変換手段にて生成した低圧直流電圧を前記駆動コイルに所定の方向と順序で順次全波通電するための駆動ロジック制御手段と、この駆動ロジック制御手段の出力に基づいて、前記駆動コイルへの通電を行う複数のスイッチング素子と、前記磁束密度分布検知手段によって検知される磁束密度分布波形が、前記磁石回転子が回転することによって前記駆動コイルに誘起される誘起電圧波形に略相似形となるよう前記磁束密度分布検知手段を配置するとともに、前記駆動ロジック制御手段は前記磁束密度分布検知手段が検出した波形に略相似形の電流を前記駆動コイルに流す電流波形制御手段を備え、前記スイッチング素子に供給する平均電流を略一定に制御する供給電流値制御手段を設け、前記交流電源接続手段への接続箇所に応じて、前記供給電流値制御手段によって略一定に制御する電流値を変更する供給電流値変更手段を設けたことを特徴とする交流電源直結型ブラシレスＤＣモータの構成としたものである。
【００１７】
また他の手段は、ＰＷＭ制御することによって、電流波形を形成することを特徴とする交流電源直結型ブラシレスＤＣモータの構成としたものである。
【００１８】
また他の手段は、前記磁束密度分布検知手段が検出した波形のうち２相分の波形を合成する磁束密度分布波形合成手段を設け、駆動ロジック制御手段は前記磁束密度分布波形合成手段が合成した波形に略相似形の電流を前記駆動コイルに流すことを特徴とする交流電源直結型ブラシレスＤＣモータの構成としたものである。
【００１９】
また他の手段は、前記磁石回転子の永久磁石は極異方性磁石としたことを特徴とする交流電源直結型ブラシレスＤＣモータの構成としたものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、交流電源に直結するブラシレスＤＣモータであって、前記交流電源に接続する複数の交流電源接続手段と、固定子鉄心に絶縁体を介して駆動コイルを巻装した固定子と、永久磁石を備えた磁石回転子と、この磁石回転子の磁束密度分布を検知する磁束密度分布検知手段と、前記交流電源を全波整流する整流手段と、この整流手段によって得た高圧電圧を略平坦な低圧直流電圧に変換する低圧直流電圧変換手段と、前記磁束密度分布検知手段の信号を基に、前記低圧直流電圧変換手段にて生成した低圧直流電圧を前記駆動コイルに所定の方向と順序で順次全波通電するための駆動ロジック制御手段と、この駆動ロジック制御手段の出力に基づいて、前記駆動コイルへの通電を行う複数のスイッチング素子と、前記磁束密度分布検知手段によって検知される磁束密度分布波形が、前記磁石回転子が回転することによって前記駆動コイルに誘起される誘起電圧波形に略相似形となるよう前記磁束密度分布検知手段を配置するとともに、前記駆動ロジック制御手段は前記磁束密度分布検知手段が検出した波形に略相似形の電流を前記駆動コイルに流す電流波形制御手段を備え、前記スイッチング素子に供給する平均電流を略一定に制御する供給電流値制御手段を設け、前記交流電源接続手段への接続箇所に応じて、前記供給電流値制御手段によって略一定に制御する電流値を変更する供給電流値変更手段を設けたことを特徴とする交流電源直結型ブラシレスＤＣモータの構成とすることにより、誘起電圧波形と電流波形が略相似形となることから、トルクリップルおよびトルク変化率を小さくし、騒音・振動の発生を抑制するとともに、ブラシレスＤＣモータの効率が大幅に向上するので、使用可能な負荷トルクの範囲が広くなるとともに、銅損が低減できることによって、低消費電力化が実現できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよび電気機器が得られる。さらには、低圧直流電圧を駆動コイルに供給することから、全波整流回路の後段に用いる平滑コンデンサの容量を低く抑えることができるので、電解コンデンサを必要としなくなり、回路の大幅な小型化が実現できるとともに、トルク略一定運転となることから、負荷変化に対する回転数差が大きくなるため、シロッコファンなど遠心型の送風機に搭載しても、最大静圧時の回転数と静圧ゼロ時の回転数差が誘導電動機を搭載した場合と同等になるので、最大静圧が極端に低くなることや、静圧ゼロ時の風量が極端に多くなることを防止できるとともに、静音化、低消費電力化、高品質化、長寿命化、回転むら発生の抑制を実現できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよび電気機器が得られる。
【００２１】
請求項２に記載の発明は、駆動ロジック制御手段をＰＷＭ制御することによって、電流波形を形成する駆動ロジック制御手段にすることにより、スイッチング素子の発熱を抑制できるので、使用可能な負荷トルクの範囲がさらに広くできる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよび電気機器が得られる。
【００２２】
請求項３に記載の発明は、磁束密度分布検知手段が検出した波形のうち２相分の波形を合成する磁束密度分布波形合成手段を設けるとともに、駆動ロジック制御手段を前記磁束密度分布波形合成手段が合成した波形に略相似形の電流を前記駆動コイルに流す駆動ロジック制御手段にすることにより、電流波形における３次調波や５次調波などの高調波成分が除去できることから、瞬時トルクに高調波成分の含有を抑制した低騒音化・低振動化が可能な交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよび電気機器が得られる。
【００２３】
請求項４に記載の発明は、磁石回転子の永久磁石を極異方性磁石とすることにより、誘起電圧波形と電流波形が略正弦波となることから、トルクリップルおよびトルク変化率をより一層小さくし、騒音・振動の発生をさらに抑制した低騒音化・低振動化が可能な交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよび電気機器が得られる。
以下、本発明の実施例について図１〜図９を参照しながら説明する。
【００２４】
【実施例】
（実施例１）
図１〜図３に示すように、１は交流電源直結型のブラシレスＤＣモータで、１０は複数のスロットを有する固定子鉄心１０ａに絶縁材にて形成されたインシュレータ１１を介して駆動コイル２を巻装した固定子で、固定子１０は熱硬化性樹脂２１にてモールド成形されて外被を形成しており、１７はブラケットで軸受け２０を保持している。３は磁石回転子であり、プラスチックマグネットを射出成形時に極配向させてシャフト１９と一体成形して形成しており、主磁極部は極異方性磁石３ａとなっている。４は極異方性磁石３ａの磁束密度分布を検知する磁束密度分布検知手段となるホール素子で、このホール素子４の検知した波形が極異方性磁石３ａによって駆動コイル２に誘起される誘起電圧波形と略相似となるようにホール素子４と極異方性磁石３ａの空隙を設定して配置している。１２は磁束密度分布波形合成手段で、駆動コイル２のｕ相に供給する電流波形の高調波成分を除去するために、ホール素子４のｕ相波形からｖ相波形を減算し、同様に駆動コイル２のｖ相にはホール素子４のｖ相波形からｗ相波形を減算し、駆動コイルのｗ相にはホール素子４のｗ相波形からｕ相波形を減算している。５は駆動ロジック制御手段で、駆動コイル２に所定の方向と順序で順次全波通電となるようスイッチング素子６のＯＮ・ＯＦＦを制御し、電流波形制御手段７は磁束密度分布波形合成手段１２によって高調波成分を除去した波形に略相似形になるように、スイッチング素子６が飽和に近い非飽和状態になるようにフィードバックしながら出力バイアス電流を調整する。１５は商用交流電源を接続する交流電源接続手段であり、１５ａは強出力接続端子、１５ｂは弱出力接続端子、１５ｃは共通接続端子である。９は交流電源を全波整流する整流手段で、８は整流手段９にて全波整流されたリップルを有する高圧の電圧を４５Ｖ以下の略平坦な低圧直流電圧に変換する低圧直流電圧変換手段で、この低圧直流電圧変換手段８にて変換された低圧直流電圧はスイッチング素子６を介して駆動コイル２に供給されるとともに、駆動ロジック制御手段５等への制御電源としても供給される。そして、低圧直流電圧変換手段８と整流手段９の間には、交流１００Ｖ５０Ｈｚを全波整流した時に４５Ｖ以下となる２．１ミリ秒の期間の電圧を補う小容量の平滑コンデンサ１８を配している。２２は外部スイッチであり、強出力接続端子１５ａまたは弱出力接続端子１５ｂのどちらかに接続する構成であり、１４は交流電源が弱出力接続端子１５ｂに接続された場合に、交流入力フォトカプラなどにて構成された速度調節指示電圧検知手段１３からの信号により、低圧直流電圧変換手段８にて生成する低圧直流電圧値を強出力接続端子１５ａに交流電源が接続された場合よりも低い電圧に変換する低圧直流電圧変更手段である。そして、図１において一点鎖線にて囲まれた電子部品の内、平滑コンデンサ１８と、低圧直流電圧変換手段８を構成する部品の一つとなるコイルを除いて、アルミ製基板の上に実装、配線接続して形成したワンチップＩＣ１６の構成になっている。
【００２５】
このような本発明の交流電源直結型のブラシレスＤＣモータ１によれば、全波整流する整流手段９によって整流されたリプルを有する高圧電圧を、低圧直流電圧変換手段８が４５Ｖ以下の略平坦な低圧直流電圧に変換し、駆動電源として駆動コイル２に供給することにより、全波整流後の平滑コンデンサ１８は電圧不足となる非常に短い期間の２．１ミリ秒を補うだけの容量に低く抑えることができるので、コンデンサの小型化、省スペース化ができるとともに、電解コンデンサを使用しなくても、セラミックコンデンサやフイルムコンデンサを使用できるため、大幅な小型化、温度特性の変化がないなどの高品質化、長寿命化ができる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータが得られる。
【００２６】
また、平滑コンデンサ１８の容量が少なくても、低圧直流電圧変換手段８が略平坦な低圧直流電圧にするので、トルクリップルや回転むらを抑えた交流電源直結型のブラシレスＤＣモータが得られる。そして、ファン駆動用に使用しても送風量の安定化が実現できる。
【００２７】
また、駆動ロジック制御手段５が３相全波駆動することにより、死点を考慮する必要がなくなるうえ、トルクリップルやトルク変化率を小さくでき、駆動電流を小さくできるとともに、高出力領域での銅損を削減できるため、騒音・振動の発生を抑制し、使用可能な負荷トルクの範囲が広く、高出力領域であっても低消費電力を実現できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータが得られる。
【００２８】
また、磁束密度分布検知手段４の検知する波形が極異方性磁石３ａによって駆動コイル２に誘起される誘起電圧波形と略相似となるように磁束密度分布検知手段４と磁石の空隙を設定して配置し、電流波形制御手段７は磁束密度分布検知手段４が検知した磁束密度分布波形に略相似形の電流を駆動コイル２に流すことにより、誘起電圧波形と電流波形が略相似となるので、トルクリップルおよびトルク変化率を一層低く抑えることができるとともに、モータ効率が大幅に向上するため、低騒音化、高効率化を実現した交流電源直結型のブラシレスＤＣモータが得られる。
【００２９】
また、磁石回転子３の主磁極部を極異方性磁石３ａとすることにより、誘起電圧波形も電流波形もともに正弦波となることから、トルクリップルおよびトルク変化率をより一層低く抑えることができるとともに、モータ効率も大幅に向上するので、静音化、高効率化を実現した交流電源直結型のブラシレスＤＣモータが得られる。
【００３０】
また、磁束密度分布波形合成手段１２が、磁束密度分布検知手段４が検知したｕ相、ｖ相、ｗ相の波形を合成することにより、各相の磁束密度分布検知手段４のばらつきの影響が小さくなるとともに、ｕ相、ｖ相、ｗ相各相の磁束密度分布波形は、基本的には位相が単にずれただけの波形であることから、２相を減算合成することにより、検知した磁束密度分布波形に含まれた高調波成分が除去されるので、回転むらの発生が抑制できるとともに、トルクリップルおよびトルク変化率をさらに低く抑えることができるため、高品質化を実現した交流電源直結型のブラシレスＤＣモータが得られる。
【００３１】
また、速度調節指示電圧検知手段１３を設け、速度調節指示電圧検知手段１３が速度指示電圧の有無を検知し、速度指示電圧が有ることを受けて低圧直流電圧値変更手段１４が低圧直流電圧変換手段８によって生成する低圧直流電圧の値を変更する構成により、２段階の低圧直流電圧出力調節ができるので、２段階の速度調節が可能な交流電源直結型のブラシレスＤＣモータが得られる。
【００３２】
また、交流電源接続手段１５において、強出力接続端子１５ａと弱出力接続端子１５ｂのように２箇所設け、低圧直流電圧値変更手段１４を設けることにより、２段階の低圧直流電圧出力調節ができるので、速度調節が可能な交流電源直結型のブラシレスＤＣモータが得られる。ここで、交流電源接続手段１５において、その接続端子の数量に応じて、低圧直流電圧値変更手段１４の設定量を変更すれば、接続端子の数だけ速度調節ができることとなる。
【００３３】
なお、本実施例１では駆動コイル２に供給される電流波形を、誘起電圧波形に略相似形となるように構成したが、用途、商品の要求される騒音レベルに応じて、１２０度矩形波通電や、１４０度、１５０度通電のように広角通電方式としても良く、低圧直流電圧を駆動電源として駆動コイル２に供給することにより、全波整流後の平滑コンデンサの容量を低く抑え、回転むらを抑制し、高出力領域での銅損の削減による、大幅な小型化、高品質化、長寿命化、使用可能な負荷トルクの範囲が広く、高出力領域であっても低消費電力を実現できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータが得られることに差異は生じない。
【００３４】
また、本実施例１では磁束密度分布検知手段４を用いた構成としたが、非通電相に誘起される誘起電圧や、電流を検知して磁石回転子に対する通電位相を決める方式としても良く、その作用効果に差異を生じない。
【００３５】
また、本実施例１ではスイッチング素子６が飽和に近い非飽和状態になるようにフィードバックしながら出力バイアス電流を調整したが、スイッチング素子６をＰＷＭ制御して電流波形を制御しても良く、その場合にはスイッチング素子６の損失が低減できるので、スイッチング素子６の発熱が抑制され、使用可能な負荷トルクの範囲がさらに広くできる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータが得られることとなる。
【００３６】
また、本実施例１では低圧直流電圧変換手段８が４５Ｖ以下の略平坦な低圧直流電圧に変換したが、３６Ｖ以下の低圧直流電圧に変換するならば、１．７ミリ秒の期間を補うだけのコンデンサ容量にさらに低く抑えることができることとなる。
【００３７】
また、本実施例１では交流電源接続手段１５を速度調節指示電圧検知手段１３に接続する構成としたが、整流手段９と平滑コンデンサ１８を増設した構成としても良く、その作用効果に差異を生じない。
【００３８】
（実施例２）
図４および図５に示すように、２５は換気装置の一種である天井埋め込み型の換気扇であり、交流電源直結型のブラシレスＤＣモータ２７をファン駆動用として搭載している。２３はスイッチング素子６に供給される電流を検知する電流検出手段で、２４は供給電流値制御手段である。この供給電流値制御手段２４は電流検出手段２３にて検出するスイッチング素子６に供給される平均電流値が設定された電流値と同等になるように、低圧直流電圧値変更手段１４を制御することにより、低圧直流電圧変換手段８から出力される電圧を可変しながらフィードバック制御する。そして、速度調節指示電圧検知手段１３からの信号により、供給電流値変更手段２６がスイッチング素子６に流す電流の設定値を変更する構成であり、その他の構成において、実施例１と同一部分には同一番号を付し、詳細な説明は省略する。
【００３９】
このような本発明の交流電源直結型のブラシレスＤＣモータ２７によれば、供給電流値制御手段２４がスイッチング素子６に供給する平均電流を略一定に制御するので、出力トルクが略一定運転となり、負荷変化に対する回転数差が大きくなるため、シロッコファンなど遠心型の送風機を搭載した換気装置２５においては、最大静圧時の回転数と静圧ゼロ時の回転数差が誘導電動機を搭載した場合と同等になるので、最大静圧が極端に低くなることや、静圧ゼロ時の風量が極端に多くなることを防止できるとともに、静音化、低消費電力化を実現できる。
【００４０】
また、速度調節指示電圧検知手段１３を設け、速度調節指示電圧検知手段１３が速度指示電圧の有無を検知し、速度指示電圧が有ることを受けて供給電流値変更手段２６がスイッチング素子６に流す電流の設定値を変更する構成により、２段階のトルク略一定運転ができることとなり、シロッコファンなど遠心型の送風機を搭載した換気装置２５においては、誘導電動機を搭載した場合と同等の風量−静圧特性が２段階設定できるため、換気装置２５においては、強制換気モードと常時換気モードの両方に対応できることとなる。
【００４１】
また、交流電源接続手段１５において、強出力接続端子１５ａと弱出力接続端子１５ｂのように２箇所設け、供給電流値変更手段２６を設けることにより、２段階のトルク略一定運転ができるので、シロッコファンなど遠心型の送風機を搭載した換気装置２５においては、誘導電動機を搭載した場合と同等の風量−静圧特性が２段階設定できる。ここで、交流電源接続手段１５において、その接続端子の数量に応じて、供給電流値変更手段２６の設定量を変更すれば、接続端子の数だけ速度調節ができることとなる。
【００４２】
なお、実施例１と同様の構成における作用効果に差異は生じない。
【００４３】
また、図６に示すように、供給電流値制御手段２４を供給電力制御手段２８に置き換え、供給電流値変更手段２６を供給電力変更手段２９に置き換えることにより、モータにかかる負荷が軽くなるにしたがって供給電流が低くなるので、それに応じて印加電圧を高くすることになり、逆に負荷が重くなれば供給電流が高くなるため、印加電圧を低くするので、負荷変化に対する回転数差が大きくなることとなり、シロッコファンなど遠心型の送風機に搭載しても、最大静圧時の回転数と静圧ゼロ時の回転数差が誘導電動機を搭載した場合と同等になるので、最大静圧が極端に低くなることや、静圧ゼロ時の風量が極端に多くなることを防止できるとともに、負荷変動に対して消費電力の変化がなく、静音化、低消費電力化を実現できる。
【００４４】
（参考例１）
図７に示すように、３０は交流電源直結型のブラシレスＤＣモータで、整流手段９、小容量平滑コンデンサ１８、低圧直流電圧変換手段８、磁束密度分布検知手段４、磁束密度分布波形合成手段１２、駆動ロジック制御手段５、スイッチング素子６、電流波形制御手段７を同一のプリント基板上に実装した上でブラシレスＤＣモータ３０内に内蔵している。３１は低圧直流電圧変換手段８にて生成した低圧直流電圧をブラシレスＤＣモータ３０外部に導出する低圧直流電圧導出端子で、この低圧直流電圧導出端子３１より導出した低圧電源をブラシレスＤＣモータ３０外部に近接した抵抗分圧回路などにて形成した減圧手段３３にて減圧し、この減圧した直流電圧を低圧直流電圧導入端子３２よりブラシレスＤＣモータ３０内部に導入し、スイッチング素子６および駆動ロジック制御手段５に供給する構成であり、その他の構成において、実施例１と同一部分には同一番号を付して詳細な説明は省略する。
【００４５】
このような本発明の交流電源直結型のブラシレスＤＣモータ３０によれば、低圧直流電圧変換手段８によって生成された低圧直流電圧をブラシレスＤＣモータ３０外部に導出する低圧直流電圧導出端子３１と、この低圧直流電圧導出端子３１より導出された低圧直流電圧を減圧した低圧直流電圧をブラシレスＤＣモータ３０内部に導入する低圧直流電圧導入端子３２を設け、この低圧直流電圧導入端子３２より導入した低圧直流電圧をスイッチング素子６に供給する構成とすることにより、ブラシレスＤＣモータ外部に簡単な減圧手段３３を近設することにより、無段階で低圧直流電圧を可変することが可能となるので、無段階の速度調節ができる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータ３０およびそのブラシレスＤＣモータ３０を搭載した電気機器が得られる。
【００４６】
（参考例２）
図８に示すように、３４は交流電源直結型のブラシレスＤＣモータで、整流手段９、小容量平滑コンデンサ１８、低圧直流電圧変換手段８、磁束密度分布検知手段４、磁束密度分布波形合成手段１２、駆動ロジック制御手段５、スイッチング素子６、電流波形制御手段７、低圧直流電圧変更手段１４、電流検出手段２３、供給電流値制御手段２４、供給電流値変更手段２６を同一のプリント基板上に実装した上でブラシレスＤＣモータ３４内に内蔵している。３１は低圧直流電圧変換手段８にて生成した低圧直流電圧をブラシレスＤＣモータ３４外部に導出する低圧直流電圧導出端子で、この低圧直流電圧導出端子３１より導出した低圧電源をブラシレスＤＣモータ３４外部に近接した抵抗分圧回路などにて形成した減圧手段３３にて減圧して、供給電流値指示電圧に変換し、この供給電流値指示電圧を供給電流設定値入力手段３５よりブラシレスＤＣモータ３４内部に導入し、この供給電流値指示電圧の大きさに応じて供給電流値変更手段２６が供給電流値制御手段２４にて略一定制御する平均電流値を変更する構成であり、その他の実施例１および２と同一部分には同一番号を付して詳細な説明は省略する。
【００４７】
このような本発明の交流電源直結型のブラシレスＤＣモータ３４によれば、低圧直流電圧変換手段８によって生成された低圧直流電圧をブラシレスＤＣモータ３４外部に導出する低圧直流電圧導出端子３１と、この低圧直流電圧導出端子３１より導出された低圧直流電圧を減圧した低圧直流電圧をブラシレスＤＣモータ３４内部に導入する供給電流設定値入力手段３５を設け、この供給電流設定値入力手段３５より導入した低圧直流電圧の大きさに応じて供給電流値変更手段２６が供給電流値制御手段２４にて略一定制御する平均電流値を変更する構成とすることにより、ブラシレスＤＣモータ３４外部に簡単な減圧手段３３を近設することにより、無段階でトルク略一定運転ができることとなり、シロッコファンなど遠心型の送風機に搭載した時に、誘導電動機を搭載した場合と同様の風量−静圧特性が無段階で設定できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータ３４およびそのブラシレスＤＣモータ３４を搭載した電気機器が得られる。
【００４８】
なお、参考例２では低圧直流電圧変換手段８によって生成した低圧直流電圧をブラシレスＤＣモータ３４の外部に導出し、減圧して供給する平均電流値の設定値信号となる電圧を生成して供給電流設定値入力手段３５に入力したが、別の電源より入力してもよく、無段階で電流略一定運転ができるという効果に差異は生じない。
【００４９】
また、参考例２では供給電流値制御手段２４と、供給電流値変更手段２６によって平均電流略一定運転をする構成としたが、図９に示すように、供給電流値制御手段２４を供給電力制御手段２８に置き換え、供給電流値変更手段２６を供給電力変更手段２９に置き換え、供給電流設定値入力手段３５を供給電力設定値入力手段３６に置き換えることにより、モータにかかる負荷が軽くなるにしたがって供給電流が低くなり、それに応じて印加電圧を高くすることになり、逆に負荷が重くなれば供給電流が高くなるので、印加電圧を低くするので、負荷変化に対する回転数差が大きくなることとなり、シロッコファンなど遠心型の送風機に搭載しても、最大静圧時の回転数と静圧ゼロ時の回転数差が誘導電動機を搭載した場合と同等になるので、最大静圧が極端に低くなることや、静圧ゼロ時の風量が極端に多くなることを防止できるとともに、負荷変動に対して消費電力の変化がなく、静音化、低消費電力化を実現できるため、誘導電動機を搭載した場合と同様の風量−静圧特性が無段階設定できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよびそのブラシレスＤＣモータを搭載した電気機器が得られることとなる。
【００５０】
【発明の効果】
以上の実施例から明らかなように、本発明によれば、全波整流する整流手段によって整流されたリプルを有する高圧電圧を、低圧直流電圧変換手段が４５Ｖ以下の略平坦な低圧直流電圧に変換し、駆動電源として駆動コイルに供給することにより、全波整流後の平滑コンデンサは電圧不足となる非常に短い期間（例えば、ＡＣ１００Ｖ５０Ｈｚならば２．１ミリ秒）を補うだけの容量に低く抑えることができるので、コンデンサの小型化、省スペース化ができるとともに、電解コンデンサを使用しなくても、セラミックコンデンサやフイルムコンデンサを使用できるため、大幅な小型化や、温度特性の変化がないなどの高品質化、大幅な長寿命化ができるとともに、トルクリップルや回転むらの発生を抑制できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータが得られる。そして、ファン駆動用に使用しても送風量の安定化が実現できる。
【００５１】
また、駆動ロジック制御手段が３相全波駆動することにより、死点を考慮する必要がなくなるうえ、トルクリップルやトルク変化率を小さくでき、駆動電流を小さくできるとともに、高出力領域での銅損を削減できるため、騒音・振動の発生を抑制し、使用可能な負荷トルクの範囲が広く、高出力領域であっても低消費電力を実現できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータが得られる。
【００５２】
また、磁束密度分布検知手段の検知する波形が磁石回転子によって駆動コイルに誘起される誘起電圧波形と略相似となるように磁束密度分布検知手段と磁石の空隙を設定して配置し、電流波形制御手段は磁束密度分布検知手段が検知した磁束密度分布波形に略相似形の電流を駆動コイルに流すことにより、誘起電圧波形と電流波形が略相似となるので、トルクリップルおよびトルク変化率を一層低く抑えることができるとともに、モータ効率が大幅に向上するため、低騒音化、高効率化を実現した交流電源直結型のブラシレスＤＣモータが得られる。
【００５３】
また、電流検出手段によってスイッチング素子に流れる平均電流値を検知し、供給電流値制御手段がスイッチング素子に供給する平均電流を略一定に制御するので、出力トルクが略一定運転となり、負荷変化に対する回転数差が大きくなるため、シロッコファンなど遠心型の送風機を搭載した換気装置等の電気機器においては、最大静圧時の回転数と静圧ゼロ時の回転数差が誘導電動機を搭載した場合と同等になるので、最大静圧が極端に低くなることや、静圧ゼロ時の風量が極端に多くなることを防止できるとともに、静音化、低消費電力化を実現できる。
【００５４】
また、スイッチング素子に供給する平均電力を略一定に制御する供給電力制御手段を備えることにより、モータにかかる負荷が軽くなるにしたがって供給電流が低くなるため、それに応じて印加電圧を高くすることになり、逆に負荷が重くなれば供給電流が高くなるので、印加電圧を低くするため、負荷変化に対する回転数差が大きくなることとなり、シロッコファンなど遠心型の送風機に搭載しても、最大静圧時の回転数と静圧ゼロ時の回転数差が誘導電動機を搭載した場合と同等になるので、最大静圧が極端に低くなることや、静圧ゼロ時の風量が極端に多くなることを防止できるとともに、負荷変動に対して消費電力の変化がなく、静音化、低消費電力化を実現できる。
【００５５】
また、磁石回転子の永久磁石を極異方性磁石とすることにより、誘起電圧波形も電流波形もともに正弦波となることから、トルクリップルおよびトルク変化率をより一層低く抑えることができるとともに、モータ効率も大幅に向上するので、静音化、高効率化を実現した交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよびそのブラシレスＤＣモータを搭載した電気機器が得られる。
【００５６】
また、磁束密度分布波形合成手段が、磁束密度分布検知手段が検知した２相分の波形を合成することにより、各相の磁束密度分布検知手段のばらつきの影響が小さくなるとともに、各相の磁束密度分布波形は、基本的には位相が単にずれただけの波形であることから、２相を減算合成することにより、検知した磁束密度分布波形に含まれた高調波成分が除去されるので、回転むらの発生が抑制できるとともに、トルクリップルおよびトルク変化率をさらに低く抑えることができるため、高品質化を実現した交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよびそのブラシレスＤＣモータを搭載した電気機器が得られる。
【００５７】
また、ＰＷＭ制御することによって、電流波形を形成する駆動ロジック制御手段にすることにより、スイッチング素子の発熱を抑制できるので、使用可能な負荷トルクの範囲がさらに広くできる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよびそのブラシレスＤＣモータを搭載した電気機器が得られる。
【００５８】
また、速度調節指示電圧検知手段を設け、速度調節指示電圧検知手段が速度指示電圧の有無を検知し、速度指示電圧が有ることを受けて低圧直流電圧値変更手段が低圧直流電圧変換手段によって生成する低圧直流電圧の値を変更する構成により、２段階の低圧直流電圧出力調節ができるので、速度調節が可能な交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよびそのブラシレスＤＣモータを搭載した電気機器が得られる。
【００５９】
また、交流電源を接続する交流電源接続手段を複数設け、この交流電源接続手段への接続箇所に応じて、低圧直流電圧変換手段によって生成する低圧直流電圧の値を変更する低圧直流電圧値変更手段を設けることにより、外部スイッチの切替により、低圧直流電圧の値が交流電源接続手段の数だけ変更できることから、複数段の速度調節ができる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよびそのブラシレスＤＣモータを搭載した電気機器が得られる。
【００６０】
また、低圧直流電圧変換手段によって生成された低圧直流電圧をブラシレスＤＣモータ外部に導出する低圧直流電圧導出端子と、この低圧直流電圧導出端子より導出された低圧直流電圧を減圧した低圧直流電圧をブラシレスＤＣモータ内部に導入する低圧直流電圧導入端子を設け、この低圧直流電圧導入端子より導入した低圧直流電圧を駆動コイルに供給する構成とすることにより、ブラシレスＤＣモータ外部に簡単な減圧回路を近設することにより、無段階で低圧直流電圧を可変することが可能となるので、無段階の速度調節ができる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよびそのブラシレスＤＣモータを搭載した電気機器が得られる。
【００６１】
また、速度調節指示電圧検知手段を設け、この速度調節指示電圧検知手段が速度指示電圧の有無を検知し、速度指示電圧が有ることを受けて供給電流値変更手段がスイッチング素子に流す電流の設定値を変更する構成により、２段階のトルク略一定運転ができることとなり、シロッコファンなど遠心型の送風機に搭載した時に、誘導電動機を搭載した場合と同等の風量−静圧特性が２段階設定できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよびそのブラシレスＤＣモータを搭載した電気機器が得られる。
【００６２】
また、速度調節指示電圧検知手段を設け、この速度調節指示電圧検知手段が速度指示電圧の有無を検知し、速度指示電圧が有ることを受けて供給電力値変更手段がスイッチング素子に供給する電力の設定値を変更する構成により、２段階の電力一定運転ができることとなり、シロッコファンなど遠心型の送風機に搭載した時に、誘導電動機を搭載した場合と同等の風量−静圧特性が２段階設定できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよびそのブラシレスＤＣモータを搭載した電気機器が得られる。
【００６３】
また、交流電源を接続する交流電源接続手段を複数設け、この交流電源接続手段への接続箇所に応じて、供給電流値制御手段によって略一定に制御する電流値を変更する供給電流値変更手段を設けることにより、スイッチング素子に供給する電流値を変更できることから、交流電源接続手段の数だけトルク略一定運転ができることとなり、シロッコファンなど遠心型の送風機に搭載した時に、誘導電動機を搭載した場合と同様の風量−静圧特性が複数段階設定できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよびそのブラシレスＤＣモータを搭載した電気機器が得られる。
【００６４】
また、交流電源を接続する交流電源接続手段を複数設け、この交流電源接続手段への接続箇所に応じて、供給電力制御手段によって略一定に制御する電力値を変更する供給電力値変更手段を設けることにより、スイッチング素子に供給する電力値を変更できることから、負荷変動に対する回転数差の大きな運転が交流電源接続手段の数だけできることとなり、シロッコファンなど遠心型の送風機に搭載した時に、誘導電動機を搭載した場合と同様の風量−静圧特性が複数段階設定できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよびそのブラシレスＤＣモータを搭載した電気機器が得られる。
【００６５】
また、供給電流値制御手段によって略一定に制御する電流値の設定値信号を入力する供給電流設定値入力手段を設け、この供給電流設定値入力手段によって指示された電流値にて略一定に制御することにより、スイッチング素子に供給する電流値を任意に変更できることから、無段階でトルク略一定運転ができることとなり、シロッコファンなど遠心型の送風機に搭載した時に、誘導電動機を搭載した場合と同様の風量−静圧特性が無段階で設定できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよびそのブラシレスＤＣモータを搭載した電気機器が得られる。
【００６６】
また、供給電力値制御手段によって略一定に制御する電力値の設定値信号を入力する供給電力設定値入力手段を設け、この供給電力設定値入力手段によって指示された電力値にて略一定に制御することにより、負荷変動に対する回転数差の大きな運転が無段階できることとなり、シロッコファンなど遠心型の送風機に搭載した時に、誘導電動機を搭載した場合と同様の風量−静圧特性が無段階で設定できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよびそのブラシレスＤＣモータを搭載した電気機器が得られる。
【００６７】
また、低圧直流電圧変換手段によって生成された低圧直流電圧をブラシレスＤＣモータ外部に導出する低圧直流電圧導出端子と、この低圧直流電圧導出端子より導出された低圧直流電圧を減圧した低圧直流電圧を前記供給電流値制御手段によって略一定に制御する電流値の制御信号として、ブラシレスＤＣモータ内部に導入する供給電流設定値入力手段を設け、この供給電流設定値入力手段より導入した低圧直流電圧の大きさにより、スイッチング素子に供給する平均電流値を制御することにより、ブラシレスＤＣモータ外部に簡単な減圧回路を近設することにより、無段階でスイッチング素子に供給する電流値を任意に変更できることから、無段階でトルク一定運転ができることとなり、シロッコファンなど遠心型の送風機に搭載した時に、誘導電動機を搭載した場合と同様の風量−静圧特性が無段階で設定できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよびそのブラシレスＤＣモータを搭載した電気機器が得られる。
【００６８】
また、低圧直流電圧変換手段によって生成された低圧直流電圧をブラシレスＤＣモータ外部に導出する低圧直流電圧導出端子と、この低圧直流電圧導出端子より導出された低圧直流電圧を減圧した低圧直流電圧を前記供給電力値制御手段によって略一定に制御する電力値の制御信号として、ブラシレスＤＣモータ内部に導入する供給電力設定値入力手段を設け、この供給電力設定値入力手段より導入した低圧直流電圧の大きさにより、スイッチング素子に供給する平均電力を制御することにより、ブラシレスＤＣモータ外部に簡単な減圧回路を近設することにより、無段階でスイッチング素子に供給する電力値を変更できることから、負荷変動に対する回転数差の大きな運転が無段階でできることとなり、シロッコファンなど遠心型の送風機に搭載した時に、誘導電動機を搭載した場合と同様の風量−静圧特性が複数段階設定できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータおよびそのブラシレスＤＣモータを搭載した電気機器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における交流電源直結型ブラシレスＤＣモータを示すブロック図
【図２】同ブラシレスＤＣモータを示す断面図
【図３】同ブラシレスＤＣモータの整流後の電圧波形を示す図
【図４】本発明の実施例２における交流電源直結型ブラシレスＤＣモータを示すブロック図
【図５】同ブラシレスＤＣモータを搭載した換気装置を示す断面図
【図６】同ブラシレスＤＣモータにおいて他の構成を示すブロック図
【図７】本発明の参考例１における交流電源直結型ブラシレスＤＣモータを示すブロック図
【図８】本発明の参考例２における交流電源直結型ブラシレスＤＣモータを示すブロック図
【図９】同ブラシレスＤＣモータにおいて他の構成を示すブロック図
【図１０】従来のＤＣモータを示す回路図
【図１１】同ＤＣモータを示す断面図
【図１２】同ＤＣモータを示す斜視図
【図１３】同ＤＣモータと誘導電動機のトルク−回転数特性を比較するグラフ
【符号の説明】
１ ブラシレスＤＣモータ
２ 駆動コイル
３ 磁石回転子
４ 磁束密度分布検知手段
５ 駆動ロジック制御手段
６ スイッチング素子
７ 電流波形制御手段
８ 低圧直流電圧変換手段
９ 整流手段
１０ 固定子
１０ａ 固定子鉄心
１１ インシュレータ
１２ 磁束密度分布波形合成手段
１３ 速度調節指示電圧検知手段
１４ 低圧直流電圧変更手段
１５ 交流電源接続手段
１５ａ 強出力接続端子
１５ｂ 弱出力接続端子
１５ｃ 共通接続接続端子
１６ ワンチップＩＣ
１７ ブラケット
１８ 平滑コンデンサ
１９ シャフト
２０ 軸受け
２１ 熱硬化性樹脂
２２ 外部スイッチ
２３ 電流検出手段
２４ 供給電流値制御手段
２５ 換気装置
２６ 供給電流値変更手段
２７ ブラシレスＤＣモータ
２８ 供給電力制御手段
２９ 供給電力変更手段
３０ ブラシレスＤＣモータ
３１ 低圧直流電圧導出端子
３２ 低圧直流電圧導入端子
３３ 減圧手段
３４ ブラシレスＤＣモータ
３５ 供給電流設定値入力手段
３６ 供給電力設定値入力手段
Claims (6)
- 交流電源に直結するブラシレスＤＣモータであって、前記交流電源に接続する複数の交流電源接続手段と、固定子鉄心に絶縁体を介して駆動コイルを巻装した固定子と、永久磁石を備えた磁石回転子と、この磁石回転子の磁束密度分布を検知する磁束密度分布検知手段と、前記交流電源を全波整流する整流手段と、この整流手段によって得た高圧電圧を略平坦な低圧直流電圧に変換する低圧直流電圧変換手段と、前記磁束密度分布検知手段の信号を基に、前記低圧直流電圧変換手段にて生成した低圧直流電圧を前記駆動コイルに所定の方向と順序で順次全波通電するための駆動ロジック制御手段と、この駆動ロジック制御手段の出力に基づいて、前記駆動コイルへの通電を行う複数のスイッチング素子と、前記磁束密度分布検知手段によって検知される磁束密度分布波形が、前記磁石回転子が回転することによって前記駆動コイルに誘起される誘起電圧波形に略相似形となるよう前記磁束密度分布検知手段を配置するとともに、前記駆動ロジック制御手段は前記磁束密度分布検知手段が検出した波形に略相似形の電流を前記駆動コイルに流す電流波形制御手段を備え、前記スイッチング素子に供給する平均電流を略一定に制御する供給電流値制御手段を設け、前記交流電源接続手段への接続箇所に応じて、前記供給電流値制御手段によって略一定に制御する電流値を変更する供給電流値変更手段を設けたことを特徴とする交流電源直結型ブラシレスＤＣモータ。
- 駆動ロジック制御手段はＰＷＭ制御することによって、電流波形を形成する駆動ロジック制御手段に置き換えたことを特徴とする請求項１記載の交流電源直結型ブラシレスＤＣモータ。
- 前記磁束密度分布検知手段が検出した波形のうち２相分の波形を合成する磁束密度分布波形合成手段を設け、駆動ロジック制御手段は前記磁束密度分布波形合成手段が合成した波形に略相似形の電流を前記駆動コイルに流す駆動ロジック制御手段に置き換えたことを特徴とする請求項１または２記載の交流電源直結型ブラシレスＤＣモータ。
- 前記磁石回転子の永久磁石は極異方性磁石としたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の交流電源直結型ブラシレスＤＣモータ。
- 請求項１〜４のいずれかに記載の交流電源直結型ブラシレスＤＣモータを搭載した電気機器。
- 請求項５記載の電気機器は換気装置、送風機、除湿機、加湿器、冷凍機器、ファンフィルタユニットのいずれかであることを特徴とする電気機器。
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