JP4049132B2

JP4049132B2 - 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

Info

Publication number: JP4049132B2
Application number: JP2004209542A
Authority: JP
Inventors: 昌亨高田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-07-16
Filing date: 2004-07-16
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2024-07-16
Also published as: JP2006034002A

Description

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、加湿機、除湿機、冷凍機器、空気調和機、給湯機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。

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、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が良く、低価格化、高効率化、静音化、標準化を実現したうえで、強制大風量換気モードと常時小風量換気モードの２種類以上の風量設定、および換気する部屋の広さに応じた機種設定を１機種の電動機にて対応できることが強く求められている。

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。

以下、その電動機について図８〜図１０を参照しながら説明する。

図に示すように、単一のプリント基板１０６に商用のＡＣ電源を整流する整流部１０１と、ＤＣモータの２相の駆動コイル１０３、１０４と、永久磁石１０５ａを配した磁石回転子１０５と、モータ駆動コイル１０３、１０４と整流部１０１の間には平滑コンデンサ１０９として大容量のアルミ電解コンデンサを配し、モータ駆動コイル１０３、１０４に一方向にのみ電流を流すスイッチング素子１０７、１０８と、このスイッチング素子１０７、１０８を含め、モータ駆動コイル１０３、１０４への通電の制御をする制御部１０２とを備え、整流部１０１で整流してなる高圧ＤＣ電源をモータ駆動コイル１０３、１０４に直接に供給し、整流部１０１で整流した高圧ＤＣ電源を減圧して制御部１０２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。

また、この種の電動機は、特許文献４に開示された構成のものが知られている。

以下、その電動機について図１１および図１２を参照しながら説明する。

図に示すように、ＡＣ電源を整流する整流部１０１と、この整流部１０１で整流して得たＤＣを低電圧化するＤＣ−ＤＣコンバータ１１０と、ＤＣモータの２相の駆動コイル１０３、１０４と、永久磁石１０５ａを配した磁石回転子１０５と、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１０と整流部１０１の間には平滑コンデンサ１０９として大容量のアルミ電解コンデンサと、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１０とモータ駆動コイル１０３、１０４の間には平滑コンデンサ１１１として大容量のアルミ電解コンデンサとモータ駆動コイル１０３、１０４に一方向にのみ電流を流すスイッチング素子１０７、１０８とを配し、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１０にて整流部１０１で生じたＤＣ電源の電圧実行値を低くし、磁極検知素子からの信号でスイッチング素子１０７、１０８を制御し、モータ駆動コイル１０３、１０４に順次低電圧ＤＣ電流が流されるようにした２相半波駆動方式の構成としている。
特開２０００−４１３７０号公報特開２０００−４１３９５号公報特開２００２−１０６０９号公報特開２００３−２８４３０７号公報

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、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。

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。

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、そのためには電解液を含浸したアルミ電解コンデンサの使用が必須となり、アルミ電解コンデンサを使用する場合はリプル電流を考慮すると、さらに大容量化が必要となるので、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、回転むらも極端に大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。

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、交流電源の電圧変動の影響を受け、特性変動を生じるという課題があり、入力する電源電圧の変動の影響を受けないことが要求されている。

また、電動機を搭載する電気機器の特性調整のためには、電動機の巻線仕様を常に変更して対応する必要があり、それによって、回転数−トルク特性の傾きが大きく変化するので、電気機器の使用範囲を全て満足させるための仕様調整に関わる工数が多くなるという課題があり、仕様調整に要する工数を削減できることが要求されている。

また、速度調節ができないことから、換気装置における強制大風量換気モードと風量の少ない常時小風量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に対応できることが要求されている。
さらに、換気装置においては、部屋の広さ、空間の容積に応じて必要風量は異なることから、１台のモータにて複数の部屋の広さ、空間容積に応じた風量設定に対応できることが要求されている。

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、電解液を含浸したアルミ電解コンデンサを使用することなく、回路の小型化、高品質化、長寿命化を実現したうえで、２段階以上の速度調節および２機種以上の機種対応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。

本発明の交流電源直結型ブラシレスＤＣモータは上記目的を達成するために、磁石回転子の磁極位置を検知する磁極位置検出手段と、上段と下段からなり、それぞれ複数のスイッチング素子でブリッジ接続されたインバータ回路と、前記スイッチング素子の上段または下段をＰＷＭ制御するとともに、前記磁極位置検出手段の信号を基に、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、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一定の低圧直流電圧に変換するチョッパ回路にて形成された低圧直流電圧変換手段と、前記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、前記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、前記低圧直流電圧変換手段で生成した低圧直流電圧を前記インバータ回路に印加するとともに、この生成された低圧直流電圧をさらに減圧して外部導出用低圧直流電圧を生成し、この外部導出用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外部導出用低圧直流電圧を外部にて減圧した後、前記スイッチング素子をＰＷＭ制御するＯＮ／ＯＦＦデューティを指示する指示信号として、ブラシレスＤＣモータ内部に導入するデューティ設定値入力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。

この手段により、低圧直流電圧を駆動コイルに供給し、全波通電することから、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、等価直列抵抗が高く、使用雰囲気温度による特性変化を有するアルミ電解コンデンサを使用しなくても、長寿命で等価直列抵抗が低く、使用雰囲気温度による特性変化が極めて小さいポリマーコンデンサや、フィルムコンデンサや、セラミックコンデンサなどの固体コンデンサが使用可能となるうえ、交流電源の電圧が変動しても低圧直流電圧変換手段がチョッパ回路の制御にて電圧の定出力化をするので、交流電源の電圧変動の影響を受けることがなく、全波通電によって低トルクリップル化および高効率化できるため、回路の大幅な小型化、高品質化、長寿命化ができ、回転むら発生の抑制ができるとともに、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化を実現でき、ＯＮ／ＯＦＦデューティの設定により仕様調整ができることから、仕様調整に要する工数の大幅な削減が可能となり、ブラシレスＤＣモータ外部に設けたスイッチなどの切り替えによって、インバータ回路に印加する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、生成した低圧直流電圧をブラシレスＤＣモータ外部に導出し、外部にて減圧し、前記スイッチング素子をＰＷＭ制御するＯＮ／ＯＦＦデューティを指示する指示信号として、ブラシレスＤＣモータ内部に導入してスイッチング素子をＰＷＭ制御する時のＯＮ／ＯＦＦデューティを変更できることから、組み合わせにより、さらに複数の速度調節ができることとなるため、複数の機種に対応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。

また、本発明の交流電源直結型ブラシレスＤＣモータは上記目的を達成するために、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、上段と下段からなり、それぞれ複数のスイッチング素子でブリッジ接続されたインバータ回路と、前記スイッチング素子の上段または下段をＰＷＭ制御するとともに、前記磁極位置検出手段の信号を基に、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、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一定の低圧直流電圧に変換するチョッパ回路にて形成された低圧直流電圧変換手段と、前記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、前記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、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設け、前記低圧直流電圧変換手段で生成した低圧直流電圧を前記インバータ回路に印加するとともに、この生成された低圧直流電圧をさらに減圧して外部導出用低圧直流電圧を生成し、この外部導出用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外部導出用低圧直流電圧を外部にて減圧した後、前記スイッチング素子をＰＷＭ制御するＯＮ／ＯＦＦデューティを指示する指示信号として、ブラシレスＤＣモータ内部に導入するデューティ設定値入力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。

この手段により、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、低圧直流電圧を駆動コイルに供給し、全波通電することから、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ため、等価直列抵抗が高く、使用雰囲気温度による特性変化を有するアルミ電解コンデンサを使用しなくても、長寿命で等価直列抵抗が低く、使用雰囲気温度による特性変化が極めて小さいポリマーコンデンサや、フィルムコンデンサや、セラミックコンデンサなどの固体コンデンサが使用可能となるうえ、交流電源の電圧が変動しても低圧直流電圧変換手段がチョッパ回路の制御にて電圧の定出力化をするので、交流電源の電圧変動の影響を受けることがなく、回路の大幅な小型化、長寿命化が実現できるとともに、回転むら発生の抑制ができ、ＯＮ／ＯＦＦデューティの設定により仕様調整ができることから、仕様調整に要する工数の大幅な削減ができ、ブラシレスＤＣモータ外部に設けたスイッチなどの切り替えによって、インバータ回路に印加する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、生成した低圧直流電圧をブラシレスＤＣモータ外部に導出し、外部にて減圧し、前記スイッチング素子をＰＷＭ制御するＯＮ／ＯＦＦデューティを指示する指示信号として、ブラシレスＤＣモータ内部に導入してスイッチング素子をＰＷＭ制御する時のＯＮ／ＯＦＦデューティを変更できることから、さらに複数の速度調節ができることとなり、組み合わせにより、複数の機種に対応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。

また、本発明の交流電源直結型ブラシレスＤＣモータは上記目的を達成するために、磁石回転子の永久磁石を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。

この手段により誘起電圧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。

また、本発明の交流電源直結型ブラシレスＤＣモータは上記目的を達成するために、磁束密度分布検知手段は検出した波形のうち２相分の波形を合成し、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。

この手段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。

本発明によれば、回路の大幅な小型化、高品質化、長寿命化ができ、回転むら発生の抑制ができるとともに、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、交流電源の電圧が変動しても特性の変化はなく、仕様調整に要する工数の大幅な削減ができるうえに、複数段の速度調節ができ、複数の機種に対応できるという効果のあ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を提供できる。

また、本発明によれば、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、高効率化、回路の大幅な小型化、高品質化、長寿命化ができ、回転むら発生の抑制ができるとともに、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、交流電源の電圧が変動しても特性の変化はなく、仕様調整に要する工数の大幅な削減ができるうえに、複数段の速度調節ができ、複数の機種に対応できるという効果のあ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を提供できる。

また、本発明によれば、回路の大幅な小型化、高品質化、長寿命化ができ、回転むら発生の抑制ができるとともに、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、交流電源の電圧が変動しても特性の変化はなく、仕様調整に要する工数の大幅な削減ができるうえに、複数段の速度調節ができ、複数の機種に対応できるという効果のあ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を提供できる。

また、本発明によれば、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、高効率化、回路の大幅な小型化、高品質化、長寿命化ができ、回転むら発生の抑制ができるとともに、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、交流電源の電圧変動の影響を受けることがなく、仕様調整に要する工数の大幅な削減ができるうえに、複数段の速度調節ができ、複数の機種に対応できるという効果のあ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を提供できる。

また、本発明によれば、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・低振動化が可能になるという効果のあ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を提供できる。

また、本発明によれば、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・低振動化が可能になるという効果のあ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を提供できる。

本発明の請求項１記載の発明は、磁石回転子の磁極位置を検知する磁極位置検出手段と、上段と下段からなり、それぞれ複数のスイッチング素子でブリッジ接続されたインバータ回路と、前記スイッチング素子の上段または下段をＰＷＭ制御するとともに、前記磁極位置検出手段の信号を基に、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、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一定の低圧直流電圧に変換するチョッパ回路にて形成された低圧直流電圧変換手段と、前記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、前記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、前記低圧直流電圧変換手段で生成した低圧直流電圧を前記インバータ回路に印加するとともに、この生成された低圧直流電圧をさらに減圧して外部導出用低圧直流電圧を生成し、この外部導出用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外部導出用低圧直流電圧を外部にて減圧した後、前記スイッチング素子をＰＷＭ制御するＯＮ／ＯＦＦデューティを指示する指示信号として、ブラシレスＤＣモータ内部に導入するデューティ設定値入力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り、全波整流回路の後段に用いる平滑コンデンサの低容量化、インバータ回路への印加電圧の定出力化、低トルクリップル化、高効率化、高品質化、長寿命化、高出力化、低回転むら化、ＯＮ／ＯＦＦデューティの設定により仕様調整ができ、インバータ回路に印加する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、ブラシレスＤＣモータ外部の減圧手段の設定に応じて前記スイッチング素子をＰＷＭ制御するＯＮ／ＯＦＦデューティを変更できるという作用を有する。

請求項２に記載の発明は、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、上段と下段からなり、それぞれ複数のスイッチング素子でブリッジ接続されたインバータ回路と、前記スイッチング素子の上段または下段をＰＷＭ制御するとともに、前記磁極位置検出手段の信号を基に、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、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一定の低圧直流電圧に変換するチョッパ回路にて形成された低圧直流電圧変換手段と、前記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、前記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、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設け、前記低圧直流電圧変換手段で生成した低圧直流電圧を前記インバータ回路に印加するとともに、この生成された低圧直流電圧をさらに減圧して外部導出用低圧直流電圧を生成し、この外部導出用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外部導出用低圧直流電圧を外部にて減圧した後、前記スイッチング素子をＰＷＭ制御するＯＮ／ＯＦＦデューティを指示する指示信号として、ブラシレスＤＣモータ内部に導入するデューティ設定値入力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り、低トルクリップル化、低トルク変化率化、高効率化、高出力化、全波整流回路の後段に用いる平滑コンデンサの低容量化、インバータ回路への印加電圧の定出力化、低トルクリップル化、高効率化、高品質化、長寿命化、高出力化、低回転むら化、ＯＮ／ＯＦＦデューティの設定により仕様調整ができ、インバータ回路に印加する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、ブラシレスＤＣモータ外部の減圧手段の設定に応じて前記スイッチング素子をＰＷＭ制御するＯＮ／ＯＦＦデューティを変更できるという作用を有する。

また、他の発明は、磁石回転子の永久磁石を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り、誘起電圧波形と電流波形がともに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するという作用を有する。

また、他の発明は、磁束密度分布検知手段は検出した波形のうち２相分の波形を合成し、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という作用を有する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１〜図４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は不飽和ポリエステル等の熱硬化性樹脂１７にてモールド成形されて外被を形成しており、１８はブラケットで軸受け１９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２０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。磁石回転子３は固定子１０に対向し、回転自在に配置されている。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。Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５は上段側スイッチング素子で、Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６は下段側スイッチング素子であり、ブリッジ接続してインバータ回路６を形成している。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Ｑ１〜Ｑ６のＯＮ・ＯＦＦを制御し、２３はＰＷＭ制御手段で、下段側スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６をＰＷＭ制御する。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、下段側スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６のＯＮ／ＯＦＦデューティを調整する。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以下の低圧直流電圧に変換する降圧型のチョッパ回路にて形成された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インバータ回路６を介して駆動コイル２に供給される。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ミリ秒程度の期間の電圧を補う小容量の平滑コンデンサ１３としてポリマーコンデンサを配している。２２は外部スイッチで、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、１６は速度調節指示検知手段であって、外部スイッチ２２が強出力接続端子１５ａまたは弱出力接続端子１５ｂのどちらに接続されているのかを検知し、外部スイッチ２２が弱出力接続端子１５ｂに接続されている場合は、低圧直流電圧値変更手段１４が速度調節指示検知手段１６の出力信号を受けて、低圧直流電圧変換手段８にて生成する低圧直流電圧の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更する構成である。２４は低圧直流電圧変換手段８にて生成された低圧直流電圧を減圧して定出力の基準電圧を生成する基準電圧生成手段で、２５は基準電圧生成手段２４にて生成した低圧直流電圧を交流電源直結型ブラシレスＤＣモータ１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２５より導出された低圧直流電圧は分圧回路等で形成された減圧手段２７にて減圧された後、ＰＷＭ制御手段２３のＯＮ／ＯＦＦデューティを指示するデューティ指示電圧としてデューティ設定値入力手段２６を介して交流電源直結型ブラシレスＤＣモータ１内部に導入される構成である。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１３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、２次側平滑コンデンサ（図示せず）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ＩＣ２１の構成になっている。そして、２８は交流電源直結型ブラシレスＤＣモータ１を搭載し、遠心型送風機２９を内蔵した換気装置である。

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、交流電源直結型ブラシレスＤＣモータ１外部に設けたスイッチ２２などの切り替えによって、インバータ回路６に印加する低圧直流電圧の値が交流電源接続手段１５の数だけ変更できることから、複数段の速度調節ができ、基準電圧生成手段２４にて生成した低圧直流電圧を低圧直流電圧導出端子２５から交流電源直結型ブラシレスＤＣモータ１外部に導出し、減圧手段２７にて減圧した後、ＰＷＭ制御手段２３のＯＮ／ＯＦＦデューティを指示するデューティ指示電圧として、デューティ設定値入力手段２６を介して交流電源直結型ブラシレスＤＣモータ１内部に導入して下段側スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６をＰＷＭ制御する時のＯＮ／ＯＦＦデューティを変更できることから、組み合わせにより、さらに複数の速度調節ができることとなり、複数の機種に対応できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータ１が得られる。さらに、換気装置２８においては、強制大風量換気モードと常時小風量換気モードへの速度調節対応はスイッチ２２の切り替えによって、インバータ回路６に印加する低圧直流電圧値の変更にて対応し、部屋の広さ、空間容積に応じた風量設定への対応は、ＰＷＭ制御手段２３のＯＮ／ＯＦＦデューティの設定変更にて対応できることとなる。

また、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、降圧型のチョッパ回路にて形成された低圧直流電圧変換手段８が４５Ｖ以下の低圧直流電圧に降圧変換し、駆動電源として駆動コイル２に供給し、駆動ロジック制御手段５が全波駆動することにより、全波整流後の平滑コンデンサ１３は電圧不足となる非常に短い期間の２．１ミリ秒程度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、等価直列抵抗が高く、使用雰囲気温度による特性変化を有し、電解液を含有するアルミ電解コンデンサを使用しなくても、長寿命、高品質で等価直列抵抗が低く、使用雰囲気温度による特性変化が極めて小さい固体コンデンサの一種であるポリマーコンデンサや、フィルムコンデンサや、セラミックコンデンサが使用できるため、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ブラシレスＤＣモータが得られる。また、低圧直流電圧変換手段８が所定の低圧直流電圧を生成するので、交流電源の電圧変動があっても、その影響を受けることがなく、交流電源の電圧変動にて特性変化を生じない換気装置２８が得られる。さらには、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ブラシレスＤＣモータが得られる。

また、平滑コンデンサ１３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し、駆動ロジック制御手段５が全波駆動するので、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遠心型送風機２９の送風量の安定化が実現できる交流電源直結型ブラシレスＤＣモータが得られる。

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ブラシレスＤＣモータが得られる。

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ブラシレスＤＣモータが得られる。

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ブラシレスＤＣモータが得られる。

また、熱硬化性樹脂１７にて一体的にモールドするので、平滑コンデンサ１３や低圧直流電圧変換手段８に使用する２次側平滑コンデンサにおいては吸湿劣化や酸化劣化等の寿命に影響を与えることに対する構造上の対策が簡素化できるうえ、低圧直流電圧変換手段８を構成するスイッチング素子、ダイオード、コイル等の発熱部品の温度上昇を抑制できることから、小型化、低コスト化、長寿命化が実現できることとなる。

なお、本実施の形態１では交流電源接続手段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箇所を設ける構成としたが、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。

また、本実施の形態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、その作用効果に差異は生じない。

また、本実施の形態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、駆動コイル２の相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や、ホールＩＣなどの磁石のＮ極、Ｓ極を判断する磁極検出手段を用いる方式としても良く、その作用効果に差異を生じない。

また、本実施の形態１ではワンチップＩＣ２１を構成する基板はアルミ製としたが、アルミナ製や銅製としても良く、その作用効果に差異を生じない。

また、本実施の形態１ではＰＷＭ制御手段２３は下段側スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６をＰＷＭ制御したが、上段側スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５をＰＷＭ制御しても良く、その作用効果に差異を生じない。

また、本実施の形態１では遠心型送風機２９を搭載した換気装置２８の構成としたが、軸流型送風機を搭載した換気装置の構成としても良く、その作用効果に差異を生じることはない。

（実施の形態２）
図５〜図７に示すように、３４は遠心型送風機３５と、この遠心型送風機３５のシロッコファンを回転させる交流電源直結型ブラシレスＤＣモータ３０を内蔵した換気装置であり、交流電源直結型ブラシレスＤＣモータ３０には、商用交流電源を整流する整流手段９、小容量平滑コンデンサ１３、降圧型のチョッパ回路にて形成され、電圧が一定出力の低圧直流電圧変換手段８、上段側スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５と下段側スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６をブリッジ接続して形成したインバータ回路６、磁石回転子３の磁束密度分布を検知する磁束密度分布検知手段４、この磁束密度分布検知手段４にて検知した波形のそれぞれ２相分を合成する磁束密度分布波形合成手段１２、この磁束密度分布波形合成手段１２の出力波形に基づいて駆動コイル２に所定の方向と順序で順次全波通電するようスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をＯＮ・ＯＦＦ制御する駆動ロジック制御手段５、下段側スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御手段２３、磁束密度分布波形合成手段１２の出力波形に駆動コイル２の電流波形が略相似形になるよう下段側スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６のＯＮ／ＯＦＦデューティを調整しながらフィードバック制御する電流波形制御手段７、速度調節指示検知手段１６、低圧直流電圧変換手段８にて変換された低圧直流電圧を減圧してＰＷＭ制御手段２３のＯＮ／ＯＦＦデューティを指示するデューティ指示電圧生成手段３１と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。速度調節指示検知手段１６は、外部スイッチ２２が強出力接続端子１５ａまたは弱出力接続端子１５ｂのどちらに接続されているのかを検知し、外部スイッチ２２が弱出力接続端子１５ｂに接続されている場合は、デューティ指示電圧生成手段３１にて生成する電圧を強出力接続端子１５ａに交流電源が接続された場合よりも下げて、ＰＷＭ制御手段２３のＯＮデューティを短くして、駆動コイル２に供給する等価電圧を下げる。そして、交流電源直結型ブラシレスＤＣモータ３０には、低圧直流電圧変換手段８にて生成した低圧直流電圧を外部に導出する低圧直流電圧導出端子３２と、この低圧直流電圧導出端子３２より導出された低圧直流電圧を分圧回路等で形成された減圧手段２７にて減圧した低圧直流電圧を交流電源直結型ブラシレスＤＣモータ３０内部に導入する低圧直流電圧導入端子３３を配し、この低圧直流電圧導入端子３３より導入した低圧直流電圧をインバータ回路６に印加する構成であり、その他の磁石回転子３、固定子１０、熱硬化性樹脂１７でのモールド成形による外被形成などの構成は実施の形態１と同じであり、同一部分には同一番号を付して詳細な説明は省略する。

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、交流電源直結型ブラシレスＤＣモータ３０外部に設けたスイッチ２２などの切り替えによって、デューティ指示電圧生成手段３１にて生成する電圧を変化させて、ＰＷＭ制御手段２３のＯＮ／ＯＦＦデューティを変更することで、駆動コイル２に供給する等価電圧を交流電源接続手段１５の数だけ変更できることから、複数段の速度調節ができ、低圧直流電圧変換手段８にて生成した低圧直流電圧を低圧直流電圧導出端子３２から交流電源直結型ブラシレスＤＣモータ３０外部に導出し、減圧手段２７にて減圧した後、低圧直流電圧導入端子３３より導入してインバータ回路６に印加する電圧を変更できることから、組み合わせにより、さらに複数の速度調節ができることとなり、複数の機種に対応できる交流電源直結型のブラシレスＤＣモータ３０が得られる。さらに、換気装置３４においては、強制大風量換気モードと常時小風量換気モードへの速度調節対応はスイッチ２２の切り替えによって、デューティ指示電圧生成手段３１にて生成する電圧を変化させて、ＰＷＭ制御手段２３のＯＮ／ＯＦＦデューティを変更して対応し、部屋の広さ、空間容積に応じた風量設定への対応は、インバータ回路６に印加する低圧直流電圧値の変更にて対応できることとなる。

また、ＰＷＭ制御手段２３のＯＮ／ＯＦＦデューティを変更することによって、仕様調整等が可能になるので、巻線仕様の変更などの大幅な仕様調整が必要なくなるため、交流電源直結型ブラシレスＤＣモータの特性調整が簡素化できる。

なお、実施の形態１と同様の構成における作用効果には差異を生じない。

また、本実施の形態２では交流電源接続手段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箇所を設ける構成としたが、その接続端子の数量に応じて、デューティ指示電圧生成手段３１にて生成する電圧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。

また、本実施の形態２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、その作用効果に差異は生じない。

また、本実施の形態２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、駆動コイル２の相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や、ホールＩＣなどの磁石のＮ極、Ｓ極を判断する磁極検出手段を用いる方式としても良く、その作用効果に差異を生じない。

また、本実施の形態２ではＰＷＭ制御手段２３は下段側スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６をＰＷＭ制御したが、上段側スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５をＰＷＭ制御しても良く、その作用効果に差異を生じない。

また、本実施の形態２では遠心型送風機３５を搭載した換気装置３４の構成としたが、軸流型送風機を搭載した換気装置の構成としても良く、その作用効果に差異を生じることはない。

以上のように、本発明にかかる交流電源直結型ブラシレスＤＣモータは、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、回転むらの発生が抑制でき、電源電圧が変動しても特性変化が無く、２段階以上の速度調節および２機種以上の機種対応が可能となるとともに、仕様調整に要する工数が削減できることから、送風機を内蔵した電気機器である換気装置、給湯機、エアコンなどの空気調和機、空気清浄機、除湿機、乾燥機、ファンフィルタユニットなどへの搭載が有用である。

本発明の実施の形態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同交流電源直結型ブラシレスＤＣモータを示す断面図同交流電源直結型ブラシレスＤＣモータの整流後の電圧波形を示すグラフ同交流電源直結型ブラシレスＤＣモータを搭載した換気装置を示す三面図本発明の実施の形態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同交流電源直結型ブラシレスＤＣモータを示す断面図同交流電源直結型ブラシレスＤＣモータを搭載した換気装置を示す三面図従来のＤＣモータを示す回路図同ＤＣモータを示す断面図同ＤＣモータを示す一部切欠斜視図従来の他のＤＣモータを示す回路図同ＤＣモータを示す断面図

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
３ａ極異方性磁石
４磁束密度分布検知手段
５駆動ロジック制御手段
６インバータ回路
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平滑コンデンサ
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共通接続端子
１６速度調節指示検知手段
１７熱硬化性樹脂
１８ブラケット
１９軸受け
２０シャフト
２１ワンチップＩＣ
２２外部スイッチ
２３ＰＷＭ制御手段
２４基準電圧生成手段
２５低圧直流電圧導出端子
２６デューティ設定値入力手段
２７減圧手段
２８換気装置
２９遠心型送風機
３０ブラシレスＤＣモータ
３１デューティ指示電圧生成手段
３２低圧直流電圧導出端子
３３低圧直流電圧導入端子
３４換気装置
３５遠心型送風機
Ｑ１上段側スイッチング素子
Ｑ２下段側スイッチング素子
Ｑ３上段側スイッチング素子
Ｑ４下段側スイッチング素子
Ｑ５上段側スイッチング素子
Ｑ６下段側スイッチング素子

Claims

交流電源に直結するブラシレスＤＣモータであって、
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、
この固定子に対向して回転自在に配置した永久磁石を備えた磁石回転子と、
この磁石回転子の磁極位置を検知する磁極位置検出手段と、
上段と下段からなり、それぞれ複数のスイッチング素子でブリッジ接続されたインバータ回路と、
前記スイッチング素子の上段または下段をＰＷＭ制御するとともに、前記磁極位置検出手段の信号を基に、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、
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一定の低圧直流電圧に変換するチョッパ回路にて形成された低圧直流電圧変換手段と、
前記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、前記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、
前記低圧直流電圧変換手段で生成した低圧直流電圧を前記インバータ回路に印加するとともに、この生成された低圧直流電圧をさらに減圧して外部導出用低圧直流電圧を生成し、この外部導出用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外部導出用低圧直流電圧を外部にて減圧した後、前記スイッチング素子をＰＷＭ制御するＯＮ／ＯＦＦデューティを指示する指示信号として、ブラシレスＤＣモータ内部に導入するデューティ設定値入力手段
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。
交流電源に直結するブラシレスＤＣモータであって、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、この固定子に対向して回転自在に配置した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、上段と下段からなり、それぞれ複数のスイッチング素子でブリッジ接続されたインバータ回路と、前記スイッチング素子の上段または下段をＰＷＭ制御するとともに、前記磁極位置検出手段の信号を基に、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、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一定の低圧直流電圧に変換するチョッパ回路にて形成された低圧直流電圧変換手段と、前記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、前記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、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設け、前記低圧直流電圧変換手段で生成した低圧直流電圧を前記インバータ回路に印加するとともに、この生成された低圧直流電圧をさらに減圧して外部導出用低圧直流電圧を生成し、この外部導出用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外部導出用低圧直流電圧を外部にて減圧した後、前記スイッチング素子をＰＷＭ制御するＯＮ／ＯＦＦデューティを指示する指示信号として、ブラシレスＤＣモータ内部に導入するデューティ設定値入力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。
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または２記載の交流電源直結型ブラシレスＤＣモータ。
請求項２または３に記載の交流電源直結型ブラシレスＤＣモータにおいて、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、加湿機、空気調和機、給湯機、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。