JP4396755B2 - 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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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、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、スイッチング素子をPWM制御する時のON/OFFデューティを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、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モータ外部に導出し、外部にて減圧した後、ブラシレスDCモータ内部に導入してインバータ回路に印加することから、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モータが得られる。
に導出し、外部にて減圧した後、ブラシレスDCモータ内部に導入してインバータ回路に印加することから、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。
きる。
設け、前記低圧直流電圧変換手段によって生成された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前記インバータ回路に印加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、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、スイッチング素子をPWM制御する時のON/OFFデューティを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、インバータ回路に印加する電圧を変更できるという作用を有する。
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4
5V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のブラシレス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のブラシレス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は交流電源直結型のブラシレス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。
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。
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のブラシレスDCモータ30を内蔵した換気装置であり、交流電源直結型のブラシレスDCモータ30には、商用交流電源を整流する整流手段9、小容量の平滑コンデンサ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、交流電源直結型のブラシレス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のブラシレス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参考例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。
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のブラシレス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。
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。
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 低圧直流電圧値変更手段
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
23 PWM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 (6)
- 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、
この低圧直流電圧変換手段で生成した低圧直流電圧を外部導出用低圧直流電圧とするとともに、デューティ指示電圧生成手段によって、さらに減圧して前記スイッチング素子をPWM制御する時のON/OFFデューティを指示する指示電圧とし、
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、デューティ指示電圧生成手段によって生成する電圧値を変更指示する速度調節指示検知手段を設け、
前記低圧直流電圧変換手段によって生成された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前記インバータ回路に印加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。 - 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外部導出用低圧直流電圧とするとともに、デューティ指示電圧生成手段によって、さらに減圧して前記スイッチング素子をPWM制御する時のON/OFFデューティを指示する指示電圧とし、
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、デューティ指示電圧生成手段によって生成する電圧値を変更指示する速度調節指示検知手段を設け、
前記低圧直流電圧変換手段によって生成された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前記インバータ回路に印加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に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。
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