JP4353173B2

JP4353173B2 - 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: JP4353173B2
Application number: JP2005333924A
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: 2005-11-18
Filing date: 2005-11-18
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2023-02-03
Also published as: JP2006115690A

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。

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。

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９〜図１２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。
特開２０００−４１３７０号公報特開２０００−４１３９５号公報特開２００２−１０６０９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、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の対策や、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。

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。

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、安定した高圧ＤＣ電圧を得るためには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。

また、電動機をより一層高出力領域で使用するためには、スイッチング素子などの発熱する部品を樹脂にて一体的にモールドすることにより、発熱部品の放熱効果を高くする必要があるが、平滑コンデンサに電解コンデンサを使用した場合は、電解コンデンサの構造上の特性から、モールド成形時には電解液の漏洩による漏れ電流の増加や、アルミ素子の破損の可能性を有し、高温での実使用時においては、電解液の化学反応において発生する水素ガスの拡散が阻害されることによるアルミケースの破裂の可能性を有する等の品質面での課題がある上、電解液の消耗による寿命が確実にあるという課題があり、製造時および実使用時の品質を確保するとともに、発熱部品を含め一体的に樹脂モールドを可能にすることによって、より一層高出力領域での使用を可能に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、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。

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、速度調節が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、任意に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。

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１２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。

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。

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、この磁束密度分布検知手段の信号を基に、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を備え、前記磁束密度分布検知手段は検知す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配置し、前記駆動ロジック制御手段に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、この電流波形制御手段の指示に基づいて前記低圧直流電圧変換手段によって生成した低圧直流電圧を前記駆動コイルに供給する複数のスイッチング素子を備えるとともに、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と、この低圧直流電圧値変更手段を介し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電圧値を設定する電圧設定手段とを配し、この電圧設定手段を露出して設け、出力トルクを変更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。

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、高品質化、長寿命化、回転むらの発生が抑制できるとともに、露出して設けた電圧設定手段により、生成する低圧直流電圧の値が任意に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。

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、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。

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。

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。

本発明によれば、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、電解コンデンサを使用しなくても、セラミックコンデンサやフィ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、トルクリップルや回転むらの発生を抑制できるともに、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や、周波数変化の影響を受けることがなく、露出して設けた電圧設定手段により、生成する低圧直流電圧の値が任意に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モータおよび電気機器を提供できる。

また、本発明によれば、各相の磁束密度分布検知手段のばらつきによる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モータおよび電気機器を提供できる。

また、本発明によれば、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を提供できる。

また、本発明によれば、誘起電圧波形が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、磁石回転子の磁束密度分布を検知する磁束密度分布検知手段と、この磁束密度分布検知手段の信号を基に、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を備え、前記磁束密度分布検知手段は検知す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配置し、前記駆動ロジック制御手段に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、この電流波形制御手段の指示に基づいて前記低圧直流電圧変換手段によって生成した低圧直流電圧を前記駆動コイルに供給する複数のスイッチング素子を備えるとともに、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と、この低圧直流電圧値変更手段を介し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電圧値を設定する電圧設定手段とを配し、この電圧設定手段を露出して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、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が小さくなるとともに、効率が大幅に向上でき、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という作用を有するとともに、露出して設けた電圧設定手段により、低圧直流電圧の値が任意に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。

請求項３に記載の発明は、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、スイッチング素子の発熱を抑制できるという作用を有する。

請求項４に記載の発明は、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がより一層小さくなるという作用を有する。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

（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。２２はプリント基板で、電子部品等を実装、はんだ付けしている。熱硬化性樹脂２１にて形成した外被の一部にはプリント基板２２に達するまでの凹部２４を設けている。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、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。１３は電圧設定手段であり、凹部２４に露出している。２３は低圧直流電圧変換手段８にて生成した電圧と電圧設定手段１３にて出力される電圧の比によって、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指示する生成電圧指示手段であり、１４は生成電圧指示手段２３の指示により、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変更する低圧直流電圧値変更手段である。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、低圧直流電圧変換手段８を構成する部品の一つとなるチョークコイルと２次側平滑コンデンサを除いて、アルミナ製基板の上に実装、配線接続、フェノール系樹脂にて保護コートして形成したワンチップＩＣ１６の構成になっている。

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、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（例えば、ＡＣ１００Ｖ５０Ｈｚの場合は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ィルムコンデンサを使用できるため、温度特性の変化がない、電解液の漏洩、枯渇等がないなどの高品質化、長寿命化および大幅な小型化ができるとともに、発熱部品を含め一体的に樹脂モールドすることが可能になるので、より一層高出力領域での使用が可能とな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、露出して設けた電圧設定手段１３により、低圧直流電圧の値が任意に変更できることから、複数段の速度調節が可能となるとともに、モータが機器に搭載された後であっても、その機器の性能の調整を必要に応じて、その都度容易にできるので、モータ搭載機器の標準化に貢献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、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回転が安定するので、送風量の安定化が実現できる。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

また、本実施例１ではスイッチング素子６に供給する低圧直流電圧を低圧直流電圧変換手段８にて生成した電圧と電圧設定手段１３にて出力される電圧の比によって、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指示する生成電圧指示手段２３と、この生成電圧指示手段２３の指示により、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変更する低圧直流電圧値変更手段１４を設けて可変する構成としたが、出力の低いブラシレスＤＣモータにおいては、図４に示すように低圧直流電圧変換手段８より出力される低圧直流電圧を抵抗分圧回路等にて降圧し、その降圧した直流電圧をスイッチング素子に供給する構成としても良くその作用効果に差異を生じない。

（実施例２）
図５〜図７に示すように、３１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２９をファン駆動用として搭載している。２６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、２７は供給電流値制御手段である。この供給電流値制御手段２７は電流検出手段２６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。２５は電流設定手段で、低圧直流電圧変換手段８にて生成した低圧直流電圧を抵抗分圧回路などにて減圧して供給電流値指示電圧に変換し、凹部２４に露出して配置されている。２８は供給電流値変更手段で、低圧直流電圧変換手段８にて生成した低圧直流電圧と電流設定手段２５にて生成した低圧直流電圧との比に応じて、供給電流値制御手段２７が略一定に制御する平均電流値を決定する。そして、図５において一点鎖線にて囲まれた電子部品の内、低圧直流電圧変換手段８を構成する部品の一つとなるチョークコイルと２次側平滑コンデンサを除いて、アルミナ製基板の上に実装、配線接続、フェノール系樹脂にて保護コートして形成したワンチップＩＣ３０の構成になっており、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。

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２９によれば、供給電流値制御手段２７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３１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。

また、電流設定手段２５を露出させて設け、この電流設定手段２５の生成する電圧に応じて供給電流値変更手段２８が供給電流値制御手段２７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、無段階で任意のトルクで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２９およびそのブラシレスＤＣモータ２９を搭載した換気装置３１などの電気機器が得られる。さらには、モータが機器に搭載された後であっても、その機器の性能の調整を容易に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。

なお、本実施例２ではスイッチング素子６に供給する電流を略一定に制御する構成としたが、図８に示すように、供給電流値制御手段２７を供給電力制御手段３３に置き換え、供給電流値変更手段２８を供給電力変更手段３４に置き換え、電流設定手段２５を電力設定手段３２に置き換えた交流電源直結型のブラシレスＤＣモータ３５の構成とすることにより、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。さらには、モータが機器に搭載された後であっても、その機器の性能の調整を必要に応じて容易にできるので、モータ搭載機器の標準化に貢献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。

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モータを示す断面図同ブラシレスＤＣモータを示すブロック図同ブラシレスＤＣモータの整流後の電圧波形を示す図同ブラシレス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同ブラシレスＤＣモータを示す断面図同ブラシレス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モータを示す斜視図同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電圧設定手段
１４低圧直流電圧値変更手段
１５交流電源接続手段
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プリント基板
２３生成電圧指示手段
２４凹部
２５電流設定手段
２６電流検出手段
２７供給電流値制御手段
２８供給電流値変更手段
２９ブラシレスＤＣモータ
３０ワンチップＩＣ
３１換気装置
３２電力設定手段
３３供給電力制御手段
３４供給電力変更手段
３５ブラシレスＤＣモータ

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、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、この磁束密度分布検知手段の信号を基に、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を備え、前記磁束密度分布検知手段は検知す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配置し、前記駆動ロジック制御手段に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、この電流波形制御手段の指示に基づいて前記低圧直流電圧変換手段によって生成した低圧直流電圧を前記駆動コイルに供給する複数のスイッチング素子を備えるとともに、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と、この低圧直流電圧値変更手段を介し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電圧値を設定する電圧設定手段とを配し、この電圧設定手段を露出して設け、出力トルクを変更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。
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記載の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。