JP4108428B2

JP4108428B2 - ブラシレスｄｃファンモータ

Info

Publication number: JP4108428B2
Application number: JP2002285003A
Authority: JP
Inventors: 雅人村田; 愛彦工藤; 宗仙高桑
Original assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Current assignee: Sanyo Denki Co Ltd
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2008-06-25
Anticipated expiration: 2022-09-30
Also published as: US20050254799A1; JP2004120980A; WO2004030200A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、通信機能を有するブラシレスＤＣファンモータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ブラシレスＤＣファンモータは、複数枚のブレードが装着されたロータと、ロータを回転させるために励磁される励磁巻線を有するステータと、ステータ側に配置され、速度制御指令に応じて励磁巻線に励磁電流を流す駆動回路と、入力信号に応じて演算を実行して速度制御指令を発生する速度制御指令発生手段とを具備する。そしてホール素子等の位置検出器でロータの位置を検出して励磁電流を切り換えている。速度制御指令発生手段に入力される入力信号がすべて内部から得られる場合も多いが、入力信号の一部が外部回路や外部機器から入力される場合もある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら従来のブラシレスＤＣファンモータは、外部機器からの指令をアナログ回路により処理している。そのため従来のブラシレスＤＣファンモータでは、外部機器からのデジタル指令をアナログ電圧の信号に変換して処理するための付加回路が必要となり、ブラシレスＤＣファンモータの内部の回路構成が複雑になるという問題点があった。
【０００４】
本発明の目的は、外部機器との通信が可能で、しかも回路構成が簡単になるブラシレスＤＣファンモータを提供することにある。
【０００５】
本発明の他の目的は、風量−静圧特性の改善を簡単に行えるブラシレスＤＣファンモータを提供することにある。
【０００６】
本発明の他の目的は、使用する駆動回路の構成を変えることなく、低速回転時における騒音の低減化を図ることができるブラシレスＤＣファンモータを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、複数枚のブレードが装着されたロータと、ロータを回転させるために励磁される励磁巻線を有するステータと、ステータ側に配置され、速度制御指令に応じて励磁巻線に励磁電流を流す駆動回路と、ステータ側に配置され、入力信号に応じて演算を実行して速度制御指令を発生する速度制御指令発生手段とを具備するブラシレスＤＣファンモータを改良の対象とする。
【０００８】
本発明では、速度制御指令発生手段を、外部機器と通信可能な機能を有するマイクロコンピュータを含んで構成する。このようにすると、マイクロコンピュータの通信機能を用いて、外部機器からの指令（入力信号）を受けて行う制御が簡単な構成で可能になる。またマイクロコンピュータを用いれば速度指令の演算が簡単になるだけでなく、各種の制御をプログラムを変更することにより簡単に実現することができるようになる。
【０００９】
より具体的なファンモータでは、ロータの回転速度を検出する速度検出器と、励磁巻線に流れる励磁電流を検出する電流検出器とを更に備えている。そして駆動回路はＰＷＭ制御により励磁電流を励磁巻線に流すように構成されている。この場合、マイクロコンピュータは、外部機器から送信された制御条件と検出された回転速度及び／または励磁電流を示す信号とに基づいて、速度制御指令を演算する機能を実現するようにプログラムすることができる。このようにすると、プログラムの設定または変更により、任意の速度制御が可能になる。
【００１０】
マイクロコンピュータは、予め定めた通信規約に基づくシリアル通信により、外部機器と双方向に通信可能な機能を有している。マイクロコンピュータと外部機器との通信規約を予め決めておくと、外部機器の種類が変わっても共通の通信プログラムを使用できる効果がある。またシリアル通信を用いると、有線通信において配線の本数を減らすことができる効果がある。
【００１１】
またマイクロコンピュータを搭載したことにより、風量−静圧特性を改善する速度制御指令を演算することも容易になり、任意の風量−静圧特性を得ることができるようになる。
【００１２】
また低速回転時における騒音を低減して、しかも消費電力を削減するためには、速度制御指令発生手段を、ロータが高速で回転しているときよりも、ロータが低速で回転しているときの駆動回路のＰＷＭ制御周波数を高くするように構成する。モータの低速回転時には、モータの振動音が低いので、ファンモータの騒音を低く抑えるために、ＰＷＭ制御の周波数をスイッチング音が可聴周波数領域外となるように、１６ＫＨｚ以上に設定する。このようにすると、騒音が低減化されるだけでなく、入力電流値も小さくなってスイッチング素子の消費電力を低減できる。また高速回転時では、ファンモータの風切り音が大きくなる。そこでＰＷＭ制御の周波数を可聴周波数領域まで下げても、スイッチング音は耳障りな音とはならないので、高速回転時におけるＰＷＭ制御の周波数を１ＫＨｚ程度の可聴周波数とする。周波数を低くすれば、入力電流は大きくなるもののスイッチング素子のスイッチング損失は小さく抑えられるので、結果として消費電力を低減することができる。従って低速回転でも、また高速回転でも、消費電力を低減して、しかも低速回転時における騒音を低減化することができる。具体的には、速度制御指令発生手段は、ＰＷＭ制御周波数をモータの低速回転時には１６ＫＨｚに、モータの高速回転時には１ＫＨｚの低い周波数に切り換えるように構成すればよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。図１は、本発明のブラシレスＤＣファンモータの実施の形態の一例の構成を示すブロック図である。図１において、ブラシレスＤＣファンモータ１は、磁石回転子３ａの外周部に複数枚の図示しないブレードが装着されたロータ３と、ロータ３を回転させるために励磁される複数の励磁巻線４がコア６に巻装された構造を有するステータ５とを備えている。磁石回転子の位置を検出するために、ステータ５側にはホール素子Ｈが設けられている。
【００１４】
駆動回路７は、励磁巻線４に励磁電流を流す複数のスイッチング素子と、複数のスイッチング素子をＰＷＭ制御するためのＰＷＭ信号発生回路とを含んで構成されている。駆動回路７が実装された回路基板は、ステータ５のコア６に対して固定されている。またこの回路基板には、速度制御指令発生手段９、速度検出器１３及び電流検出器１５がそれぞれ実装されている。
【００１５】
速度制御指令発生手段９は、入力信号（ロータの回転速度、励磁電流の電流値、制御条件）に応じて演算を実行して速度制御指令を駆動回路７に含まれるＰＷＭ制御信号発生回路に出力する。本実施の形態では、速度制御指令発生手段９が、外部機器１１と通信可能な機能を有するマイクロコンピュータ９ａを含んで構成されている。
【００１６】
速度検出器１３はロータ３の回転速度を検出する。速度検出器１３は、ホール素子Ｈからなる位置検出器の出力に基づいてロータ３の位置を検出するとともに回転速度を検出する。電流検出器１５は、励磁巻線４に流れる励磁電流を検出する。
【００１７】
速度制御指令発生手段９に含まれるマイクロコンピュータ９ａは、外部機器１１と予め定めた通信規約に基づくシリアル通信により、双方向に通信可能な機能を有している。外部機器１１にも、図示しないＣＰＵが内蔵されており、マイクロコンピュータ９ａはこのＣＰＵとシリアル通信を用いて双方向通信を行う。この通信では、制御条件の通信だけでなく、ファンモータ自身の条件や回転速度等を外部機器１１に伝達する。
【００１８】
マイクロコンピュータ９ａは、このようなシリアル通信により外部機器１１から送信された制御条件と、速度検出器１３で検出された回転速度及び／または電流検出器１５で検出された励磁電流を示す信号とに基づいて速度制御指令を演算する。駆動回路７は、このように演算された速度制御指令に従ってＰＷＭ制御により励磁電流を励磁巻線４に流す。このようにして本実施の形態のブラシレスＤＣファンモータ１は、外部機器１１の制御条件に従ってマイクロコンピュータ９ａによって速度制御される。
【００１９】
マイクロコンピュータ９ａが搭載されていることから、本実施の形態によれば、各種の制御を行うことができる。例えば、風量−静圧特性（風量Ｆ−静圧またはトルクＴ特性）を改善する速度制御指令を演算して出力するように、マイクロコンピュータ９ａをプログラムすることができる。外部機器１１に対して使用される条件によってファンモータの負荷特性（静圧に対する風量特性）は異なってくる。例えば、図２はファンの静圧と風量の関係の一例を示している。図２の横軸は風量Ｆを、左側の縦軸は静圧（トルク）Ｔを、そして右側の縦軸は回転数Ｎを示す。図２に実線で示すように、回転数Ｎを一定値Ｎ１に保ち、風量Ｆを増大していく場合（ファンの吸引側を閉塞板で塞いでいる状態から徐々に閉塞板を離していく場合）には、静圧Ｔは風量Ｆの関数として減少する。吸込口側が塞がれた状態、即ち風量Ｆ＝０の状態では、静圧Ｔは回転数Ｎ１で決まる最大値Ｔmaxになる。これに対して、吸込口側の抵抗を小さくすると（閉塞板をファンから離していくと）、風量Ｆが大きくなり、風が流れやすくなって、静圧Ｔが低下する。静圧がＴ＝０になった時点で、最大の風量値Ｆmaxが得られる。このような負荷特性の関係は、図２に示すように、単調な減少関数ではなく、最大の風量値Ｆmaxよりも小さい風量値Ｆconcで、小さな落ち込みポイントを形成する。このような落ち込みポイントの付近においては、１つのトルク値に対して、３つの値の風量が対応することになる。そのためファンの動作状態がこれらの３つの値の風量の状態間を遷移すると、風の流れが乱れる。そこで、このような特性を、静圧と風量の関係が単調な減少関数の関係になるようにプログラムによって予め補正しておけば、このような問題を解消できる。即ちこのような落ち込みポイントでは回転数を点線に示すように高くすると（Ｎ２のようにすると）、静圧は点線に示すように風量の単調な減少関数になる。このときの回転数Ｎ２は点線のように山形の指令値になっている。このようにすると、１つの静圧Ｔに対して１つの値の風量Ｆが対応することになり、前述の不安定な現象が発生することを防止できる。そこでマイクロコンピュータ９ａに、上記のような補正ができるように予めプログラムしておけばよい。
【００２０】
以上の速度制御指令による補正は、例えばブラシレスＤＣファンモータの特性、例えば図３に示す励磁巻線への印加電圧と回転速度対トルクの関係（Ｎ−Ｔ関係）や、図４に示す励磁巻線への印加電圧と励磁電流対トルクの関係（Ｉ−Ｔ関係）を利用して行うことができる。図３に示すように、ブラシレスＤＣファンモータでは、励磁巻線への印加電圧を変えることにより（Ｖ２→Ｖ１）、回転速度とトルクの関係を変位させることができる。また図４に示すように、ブラシレスＤＣファンモータでは、励磁巻線への印加電圧を変えることにより（Ｖ２→Ｖ１）、励磁電流とトルクとの関係を変位させることができる。このように励磁電流、励磁巻線への印加電圧、回転速度の値を変えることによりトルクを調整できるので、これらを適宜に利用して図２に示した風量Ｆ対トルクＴの特性を補正することができる。具体的には、トルクＴの落ち込みを補正するための、回転速度、励磁巻線への印加電圧または励磁電流の電流値の変更データまたは変更パターンを、マイクロコンピュータ９ａのメモリに記憶させておき、ＰＷＭ制御によりデューティーを調整して電流、電圧、速度を増減させて、各種のファンに特有の負荷特性（静圧に対する風量特性）の改善ポイントの補正を行う（図２点線部参照）。
【００２１】
速度制御指令発生手段９に内蔵されたマイクロコンピュータ９ａのメモリは、以上のような風量対トルク関係（ＦＴ関係の）のデータを保持していて、外部機器１１の動作状態に応じて、風量Ｆが決まると、それが実時間で、通信回線を介してマイクロコンピュータ９ａに伝送され、マイクロコンピュータ９ａは伝送された風量Ｆの値に応じて、先に説明したようなブラシレスＤＣファンモータ１の回転速度Ｎ，電圧Ｖ，電流Ｉ等の値を決定する。
【００２２】
ファンモータが通信機能を有していれば、ファンの製造メーカの確認、製造年月日の確認、ファンの型番の確認、ユーザー部品番号の確認などを外部機器１１側で行える。外部機器１１は、このように特定されたブラシレスＤＣファンモータ１の特性を知り、マイクロコンピュータ９ａに制御条件を与え、複雑で、柔軟な制御を実行することが可能になる。
【００２３】
またブラシレスＤＣファンモータ１では、速度制御指令発生手段９のマイクロコンピュータ９ａを用いて、ロータ３が高速で回転しているときよりも、ロータ３が低速で回転しているときの駆動回路７のＰＷＭ制御周波数を高くするような制御を行わせる。ＰＷＭ制御周波数の具体的な数値としては、モータの低速回転時には、ファンモータの騒音を低く抑えるために、ＰＷＭ制御の周波数をスイッチング音が可聴周波数領域内にないように、１６ＫＨｚ以上に設定する。この時、入力電流値も小さいのでスイッチング素子の消費電力も小さく抑えられる。高速回転に設定した場合には、ファンモータは風切り音が大きくなり、ＰＷＭ制御の周波数が可聴周波数領域にあっても耳障りな音とはならないので１ＫＨｚ程度の可聴周波数へ切り換える。周波数を低くすると入力電流は大きくなるがスイッチング素子のスイッチング損失は小さく抑えられる。
【００２４】
このようなことを実現するためには、速度検出器１３の出力を予め定めた基準速度と比較し、実際の速度が基準速度以上であれば高速回転と判断し、実際の速度が基準速度未満であれ低速回転と判断する。そして判断結果に応じて、ＰＷＭ制御の周波数を切り換える速度制御指令を出力するように、マイクロコンピュータのプログラムを作成している。
【００２５】
本実施の形態によれば、速度指令発生手段に内蔵されたマイクロコンピュータが、ファンの負荷特性が最適な状態になるように速度制御指令を発生する。外部機器のＣＰＵは予め定めた通信規約プロトコルにより、ブラシレスＤＣファンモータに制御条件を実時間で与え、ブラシレスＤＣファンモータが最適の負荷条件で運転されるように柔軟な制御をすることができる。
【００２６】
また本実施の形態によれば、外部機器に使用するファンなどの部品の確認、外部機器の制御条件を交信できるので、外部機器はブラシレスＤＣファンモータがこれらの部品を使用した場合の最適の制御条件を選択することができる。
【００２７】
また本実施の形態によれば、ＰＷＭ制御の周波数を高速回転に設定した場合、低周波のＰＷＭ制御周波数を選ぶことができる。その結果低電力で小型の駆動回路を実現できる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、速度制御指令発生手段を、外部機器と通信可能な機能を有するマイクロコンピュータを含んで構成しているので、マイクロコンピュータの通信機能を用いて、外部機器からの指令（入力信号）を受けて行う制御が簡単な構成で可能になる利点がある。またマイクロコンピュータを用いれば速度指令の演算が簡単になるだけでなく、各種の制御をプログラムを変更することにより簡単に実現することができるようになる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のブラシレスＤＣファンモータの一例の構成を示すためのブロック図である。
【図２】ブラシレスＤＣファンモータの負荷特性（静圧対風量の関係）を示す図である。
【図３】ブラシレスＤＣファンモータ特性の傾向を示す図である。
【図４】ブラシレスＤＣファンモータ特性の傾向を示す図である。
【符号の説明】
１ブラシレスＤＣファンモータ
３ロータ
４励磁巻線
５ステータ
７駆動回路
９速度制御指令発生手段
９ａマイクロコンピュータ
１１外部機器
１３速度検出器
１５電流検出器

Claims

複数枚のブレードが装着されたロータと、
前記ロータを回転させるために励磁される励磁巻線を有するステータと、
前記ステータ側に配置され、速度制御指令に応じて前記励磁巻線に励磁電流を流す駆動回路と、
前記ステータ側に配置され、入力信号に応じて演算を実行して前記速度制御指令を発生する速度制御指令発生手段とを具備し、
風量−静圧特性が、最大の風量値よりも小さい風量値で落ち込みポイントを有するブラシレスＤＣファンモータであって、
前記速度制御指令発生手段が、外部機器と通信可能な機能を有するマイクロコンピュータを含んで構成されており、
前記マイクロコンピュータは、前記落ち込みポイントで前記ロータの回転数を高くして、静圧と風量の関係が単調な減少関数の関係になるように前記風量−静圧特性を改善する前記速度制御指令を演算して出力するようにプログラムされていることを特徴とするブラシレスＤＣファンモータ。
前記ロータの回転速度を検出する速度検出器と、
前記励磁巻線に流れる励磁電流を検出する電流検出器とを更に備え、
前記駆動回路はＰＷＭ制御により前記励磁電流を前記励磁巻線に流すように構成され、
前記マイクロコンピュータが、前記外部機器から送信された制御条件と検出された前記回転速度及び／または前記励磁電流を示す信号とに基づいて、前記速度制御指令を演算する機能を実現することを特徴とする請求項１に記載のブラシレスＤＣファンモータ。
前記マイクロコンピュータは、予め定めた通信規約に基づくシリアル通信により、前記外部機器と双方向に通信可能な機能を有している請求項１または２に記載のブラシレスＤＣファンモータ。
前記速度制御指令発生手段は、前記ロータが高速で回転しているときよりも、前記ロータが低速で回転しているときの前記駆動回路のＰＷＭ制御周波数を高くするように構成されている請求項１に記載のブラシレスＤＣファンモータ。
前記速度制御指令発生手段は、前記ＰＷＭ制御周波数をモータの低速回転時には１６ＫＨｚに、モータの高速回転時には１ＫＨｚの低い周波数に切り換えるように構成されていることを特徴する請求項４に記載のブラシレスＤＣファンモータ。