JP4622562B2

JP4622562B2 - ポンプ

Info

Publication number: JP4622562B2
Application number: JP2005032565A
Authority: JP
Inventors: 英稔植田; 朝賢服部; 真年弥栄
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2005-02-09
Filing date: 2005-02-09
Publication date: 2011-02-02
Anticipated expiration: 2025-02-09
Also published as: JP2006220022A

Description

本発明は、エアコンや給湯機などの家電機器に使用され、能力可変を特徴とするＤＣブラシレスモーター等を駆動源とするポンプに関する。

従来は、ポンプ用モーターとしてＡＣモーターが利用されていたが、省エネルギー化、小型化、ポンプ性能可変対応等を目的としてＤＣブラシレスモーターが広く採用されるようになってきた。以下ＤＣブラシレスモーターを用いたポンプについて説明する。

図７において１はモーター駆動用電源、２は駆動回路であって、具体的にはＦＥＴやトランジスタなどであり、３は駆動回路２のＯＮ、ＯＦＦを指示する制御回路、４はポンプの動力源としてのモーターであり、具体的にはＤＣブラシレスモーターである。６はポンプ部で、モーター４に連動した羽根車が内部に設置されている。７は吸込み管でポンプ部６に水を導入する管であり、８は吐出し管で、ポンプ部から水を排出する管である。５は制御回路３にモーターの駆動のきっかけを知らせるセンサーであり、たとえばポンプの吐出し管８に設けられた圧力センサーなどである。

このような従来のポンプの動作について説明する。

図７において、圧力センサー５の圧力が低下すると、ポンプの吐出し管８が開放されたとして制御回路３は駆動回路２をＯＮし、モーター４を駆動させる。モーター４が駆動することでポンプ部６が吸込み管７から水を吸込み、吐出し管８より水を吐出す。吐出し管８から水が吐出されることで吐出し管８内の圧力が上昇する。吐出し管８内の圧力が所定値で一定になるように、圧力センサー５の信号を管理することで、吐出し管８から排出される水の流量を所定の流量に制御できる。
特開２００１−３４２９８９号公報

しかしながら、上記従来のポンプでは駆動回路やモーター部での発熱が大きいため、大きな放熱板やファンなどの放熱機構を設ける必要があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、発熱を低減し、且つ十分なポンプ出力性能を持つポンプを提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するためにモーターの通電電流値を検出する電流検知手段と、モーターの通電をＯＮ・ＯＦＦさせるスイッチング機能を持った駆動回路を備え、所定の個所が冷時のときのモーター電流実効値をＩｃ、熱時のときのモーター電流実効値をＩｈとしたとき、Ｉｈ≦Ｉｃとなるように、前記駆動回路によりモーターの通電をＯＮ・ＯＦＦすることを特徴としたポンプとしたものである。

本発明は、モーターの電流制限を行うことで、モーターや駆動回路の発熱を低減し、且つモーター冷時や短時間でのポンプ性能を大きく引き出すことができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態は、モーターの通電電流値を検出する電流検知手段と、モーターの通電をＯＮまたはＯＦＦさせるスイッチング機能を持った駆動回路を備え、所定の個所が冷時のときのモーター電流実効値をＩｃとし熱時のときのモーター電流実効値をＩｈとしたときにＩｈ≦Ｉｃとなるように前記駆動回路を用いてモーターの通電をＯＮまたはＯＦＦするようにしたものである。

これにより、モーターや駆動回路の発熱を低減し、且つモーター冷時や短時間でのポンプ性能を大きく引き出すことができる。

また、前記モーターに通電される所定の電流値をＩｐとしたときに、電流値がＩｐに達したときに前記駆動回路によりモーターの通電をＯＦＦし、所定の電流値Ｉｐより小さくなったときにモーターの通電をＯＮするようにしてもよい。

また、前記所定の個所とはモーターであり、モーターが熱時のときのモーター電流値をＩｐｍｈとしたときに、Ｉｐ≦Ｉｐｍｈとなるように前記所定の電流値Ｉｐを設定してもよい。

また、前記モーターに内蔵されたローターマグネットの着磁が乱れ始めるモーター電流値をＩｐｍとしたときに、Ｉｐ≦Ｉｐｍとなるように前記所定の電流値Ｉｐを設定してもよい。

これにより、ローターマグネットの着磁の乱れを防ぐことができる。

また、所定の個所の発熱を検出する温度検知手段を有し、所定の個所が冷時のモーターの所定の電流値Ｉｐ＝Ｉｐｃとし所定の個所が熱時のモーターの所定の電流値Ｉｐ＝Ｉｐｈとしたときに、Ｉｐｈ≦Ｉｐｃとしてもよい。

また、所定の個所の発熱を検出する温度検知手段を有し、前記温度検知手段により検出された温度と前記電流検知手段により検出された電流値により前記駆動回路のスイッチングを判断する制御回路を備え、前記制御回路により前記駆動回路のスイッチングのデューティ比を増減してもよい。

また、モーターの通電電流値を検出する電流検知手段と、モーターの通電をＯＮ・ＯＦＦさせるスイッチング機能を持った駆動回路と、所定の個所の発熱を検出する温度検知手段と、モーター駆動用電源としてのスイッチング電源を有し、前記温度検知手段により検出された温度と前記電流検知手段により検出された電流値により前記スイッチング電源の出力電圧を制御する制御回路とを備え、所定の個所が冷時のときのモーター電流実効値をＩｃとし、熱時のときのモーター電流実効値をＩｈとしたときに、Ｉｈ≦Ｉｃとなるように前記制御回路により前記スイッチング電源の出力電圧を増減してもよい。

そして、所定の個所がモーターまたはモーターの駆動回路とすることで、モーターまたは駆動回路の発熱を低減するとともに、モーターまたは駆動回路が冷時のときや短時間においてポンプの性能を大きく向上させることができる。

以下、本発明の実施の形態について図１から図６を用いて説明する。なお、これらの図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。

（実施例１）
本発明の実施例１について説明する。図１は本発明の実施例１におけるポンプの制御回路を示すブロック図、図２は本発明の実施例１における所定のモーターの電流値Ｉｐと熱時のモーター電流波形、および冷時のモーター電流波形との関係に対する、駆動回路のスイッチングタイミング波形を表す特性図である。

図１において、４はポンプ駆動動力としてのモーターであり具体的にはＤＣブラシレスモーターである。１はモーター駆動用電源であり、通常は交流を整流ダイオードにて直流に変換したものである。２はモーター駆動用電源１の電圧をスイッチングによりＯＮ、ＯＦＦし、モーター４に通電する駆動回路であり、トランジスタやＦＥＴなどを用いる。９は電流検知手段であり、シャント抵抗やカレントトランスにより電流値を電圧に変換したものなどを利用する。３は電流検知手段９により検出されたモーター電流値をもとに、駆動回路２のスイッチングのタイミングを判断、命令する制御回路である。

このような回路構成を持つポンプの制御について、以下図１、図２を用いて説明する。

モーター４の巻き線、ステーターとローターマグネット間のエアギャップ、およびローターマグネットにおける磁路のインダクダンスをＬ、モーター駆動電源１の電圧をＶ、モーター巻き線の通電時間をｔとすると、モーター電流値はＩ＝Ｖ／Ｌ×ｔとなり、モーター４が冷時である場合、モーター４の電流値は冷時のモーター電流波形１１となるが、モーターが熱時である場合、ローターマグネットの磁力が低下し、磁路のインダクタンスが小さくなるため、モーター電流値は熱時のモーター電流波形１０となる。よって、駆動回路のスイッチングタイミング波形１５に示すように、同じ時間駆動回路をＯＮすると、熱時のほうが電流の傾きが大きいために、電流のピーク値も高くなる。つまりモーター４が発熱し、ローターマグネットの温度が高くなるにつれてモーター電流値Ｉもそのピーク値が高くなってしまう。

ここで、モーター電流値Ｉのピーク値の上限を所定の電流値Ｉｐとし、モーター電流値Ｉの値が所定の電流値Ｉｐを超える場合には駆動回路２をＯＦＦするようにすると、モーター４が熱時では電流Ｉの傾きが大きいため、駆動回路２は早めにＯＦＦすることになり、結果モーター４の実効電流値も小さくなる。

つまり熱時のモーター電流実効値をＩｈ、冷時のモーター電流実効値をＩｃとすると、Ｉｈ≦Ｉｃとなり、モーター４の発熱を抑えることができる。

また、ポンプの初期性能を考えた場合、モーター４が冷時であればしばらくモーター電流を大きめに流してもモーター４の温度はすぐには上昇せず、且つポンプの初期性能も向上する。よってモーター４が熱時且つ無制御時のモーター電流ピーク値をＩｐｍｈ１３とした時、
Ｉｐ≦Ｉｐｍｈ
とすることで、モーター４が熱時となるまではモーター電流に制限がかからないためポンプ性能を最大限引き出し、且つモーター４が熱時にはモーター電流実効値を下げ、モーター４の発熱を抑えることができる。

また、ローターマグネットに外部から与えられた磁場が、ローターマグネットの減磁曲線上においてクニックポイントを超える大きな磁場であった場合、ローターマグネットの着磁が乱れ、モーター４の振動や、発熱につながる。モーター巻き線の巻き数をＮ、モーター電流値をＩとした場合、ローターマグネットに外部から与えられる磁場Ｈは、Ｈ∝ＮＩとなる。

ローターマグネットの着磁が乱れ始めるときのモーター電流ピーク値をＩｐｍ１２としたとき、
Ｉｐ≦Ｉｐｍ
とすることで、モーター４が熱時になると乱れやすくなっていたローターマグネットの着磁の乱れを防ぐことができる。

具体的には電流検知手段９をたとえばシャント抵抗とし、モーター４の電流値を電圧に変換し、制御回路３により、シャント抵抗の両端電圧が所定の値を超えると駆動回路２にＯＦＦ命令を出す。

（実施例２）
本発明の実施例２について説明する。図５は本発明の実施例２および実施例３におけるポンプの制御回路を示すブロック図であり、図３は本発明の実施例２における熱時の所定のモーターの電流値Ｉｐｈと熱時のモーター電流波形との関係、及び冷時の所定のモーターの電流値Ｉｐｃと冷時のモーター電流波形との関係に対する、駆動回路のスイッチングタイミング波形を表す特性図である。

図５において１８はモーターに取り付けられた温度検知手段であり、電流検知手段９により検出されたモーター電流値と温度検知手段１８により検出されたモーター温度をもとに、制御回路３が駆動回路２のスイッチングのタイミングを判断、命令する。

このような回路構成を持つポンプの制御について、以下図３、図５を用いて説明する。

モーター４の巻き線、ステーターとローターマグネット間のエアギャップ、およびローターマグネットにおける磁路のインダクダンスをＬ、モーター駆動電源１の電圧をＶ、モーター巻き線の通電時間をｔとすると、モーター電流Ｉ＝Ｖ／Ｌ×ｔとなり、モーター４が冷時である場合、モーター４の電流値は冷時のモーター電流波形１１となるが、モーターが熱時である場合、ローターマグネットの磁力が低下し、磁路のインダクタンスが小さくなるため、モーター電流値は熱時のモーター電流波形１０となる。よって、駆動回路のスイッチングタイミング波形１５に示すように、同じ時間駆動回路をＯＮすると、熱時のほうが電流の傾きが大きいために、電流のピーク値も高くなる。つまりモーター４が発熱し、ローターマグネットの温度が高くなるにつれてモーター電流値Ｉもそのピーク値が高くなってしまう。

ここで、温度検知手段１８により検知されたモーター４の温度が冷時であった場合、モーター電流値Ｉのピーク値の上限を冷時の所定の電流値Ｉｐｃ１７とし、モーター電流値Ｉの値が冷時の所定の電流値Ｉｐｃ１７を超える場合には駆動回路２をＯＦＦし、また温度検知手段１８により検知されたモーター４の温度が熱時であった場合、モーター電流値Ｉのピーク値の上限を熱時の所定の電流値Ｉｐｈ１６とし、モーター電流値Ｉの値が熱時の所定の電流値Ｉｐｈ１６を超える場合には駆動回路２をＯＦＦする。

この時、
Ｉｐｈ≦Ｉｐｃ
となるよう制御すると、モーター４が冷時のときに比べてモーター４が熱時のほうがモーター電流のピーク値が抑えられ、結果モーター電流実効値もモーター４の発熱時に小さく抑えられ、モーター４の発熱を抑えることができる。

また、ポンプの初期性能を考えた場合、モーター４が冷時であればしばらくモーター電流を大きめに流してもモーター４の温度はすぐには上昇せず、且つポンプの初期性能も向上する。よってモーター４が熱時且つ無制御時のモーター電流ピーク値をＩｐｍｈ１３とした時、
Ｉｐｈ≦Ｉｐｃ≦Ｉｐｍｈ
とすることで、モーター４が冷時にはモーター電流に制限がかからないためポンプ性能を最大限引き出し、且つモーター４が熱時にはモーター電流に制限がかかることでモーター電流実効値を下げ、モーター４の発熱を抑えることができる。

ローターマグネットの着磁が乱れ始めるときのモーター電流ピーク値をＩｐｍ１２としたとき、
Ｉｐｈ≦Ｉｐｃ≦Ｉｐｍ
とすることで、モーター４が熱時になると乱れやすくなっていたローターマグネットの着磁の乱れを防ぐことができる。

また温度検知手段１８をモーター４だけでなく駆動回路２につけることで、駆動回路２の温度上昇を抑えることもできる。

（実施例３）
本発明の実施例３について説明する。図４は本発明の実施例３における熱時のモーター電流波形と、熱時のスイッチングＤｕｔｙ波形との関係、及び冷時のモーター電流波形と冷時のスイッチにおけるポンプの制御回路を示す特性図である。

このような回路構成を持つポンプの制御について、以下、図４、図５を用いて説明する。

モーターの巻き線、ステーターとローターマグネット間のエアギャップ、およびローターマグネットにおける磁路のインダクダンスをＬ、モーター駆動電源１の電圧をＶ、モーター巻き線の通電時間をｔとすると、モーター電流Ｉ＝Ｖ／Ｌ×ｔとなり、モーター４が冷時である場合、モーターの電流値は冷時のモーター電流波形１１となるが、モーターが熱時である場合、ローターマグネットの磁力が低下し、磁路のインダクタンスが小さくなるため、モーター電流値は熱時のモーター電流波形１０となる。よって、熱時において冷時のスイッチングＤｕｔｙ波形２０と同じ時間駆動回路をＯＮすると、熱時のほうが電流の傾きが大きいために、電流のピーク値も高くなる。つまりモーター４が発熱し、ローターマグネットの温度が高くなるにつれてモーター電流値Ｉもそのピーク値が高くなってしまう。

ここで、温度検知手段１８により検知されたモーター４の温度が冷時であった場合の駆動回路２のスイッチングタイミングを冷時のスイッチングＤｕｔｙ波形２０とし、また温度検知手段１８により検知されたモーター４の温度が熱時であった場合の駆動回路２のスイッチングタイミングを熱時のスイッチングＤｕｔｙ波形１９とする。

この時、熱時のスイッチングＤｕｔｙ波形１９のＤｕｔｙ比≦冷時のスイッチングＤｕｔｙ波形２０のＤｕｔｙ比となるよう制御すると、モーター４が冷時のときに比べてモーター４が熱時のほうがモーター電流実効値が小さくなり、モーター４の発熱を抑えることができる。

また、駆動回路２のスイッチングＤｕｔｙ比を温度検知手段１８により検出されるモーター４の温度と連動させて変化させる、つまりモーター４の温度が低いときには駆動回路２のスイッチングＤｕｔｙ比を大きくし、モーター４の温度が徐々に高くなってくると駆動回路２のスイッチングＤｕｔｙ比を徐々に小さくしていくように制御していくことでモーター４の温度上昇を抑えることができる。その逆にモーター４の温度が徐々に下がってくると駆動回路２のスイッチングＤｕｔｙ比を徐々に大きくしていくように制御することでポンプの性能を確保することができる。

具体的には電流検知手段９をたとえばシャント抵抗とし、モーター４の電流値を電圧に変換したものをコンデンサ等で平滑し、そのコンデンサ両端電圧をもってモーター４の実効電流値とする。温度検知手段１８によりモーター４の温度をモニターしながらモーター４の実効電流値が増減するように、駆動回路２のスイッチングのＤｕｔｙ比を増減させる。

（実施例４）
本発明の実施例４について説明する。図６は本発明の実施例４におけるポンプの制御回路を示すブロック図である。

図６において２１はモーター駆動用電源としてのスイッチング電源であり、１８はモーターに取り付けられた温度検知手段であり、電流検知手段９により検出されたモーター電流値と温度検知手段１８により検出されたモーター温度をもとに、制御回路３が駆動回路２のスイッチングのタイミングを判断、命令し、且つスイッチング電源の出力電圧を増減させる。

このような回路構成を持つポンプの制御について、以下、図６を用いて説明する。

モーターの巻き線、ステーターとローターマグネット間のエアギャップ、およびローターマグネットにおける磁路のインダクダンスをＬ、スイッチング電源１の電圧をＶ、モーター巻き線の通電時間をｔとすると、モーター電流Ｉ＝Ｖ／Ｌ×ｔとなる。よってスイッチング電源２１の出力電圧値を増減させることでモーター電流値をコントロールすることができる。

この時、熱時のスイッチング電源２１の出力電圧値≦冷時のスイッチング電源２１の出力電圧値となるよう制御すると、モーター４が冷時のときに比べてモーター４が熱時のほうがモーター電流実効値が小さくなり、モーター４の発熱を抑えることができる。

また、スイッチング電源２１の出力電圧値を温度検知手段１８により検出されるモーター４の温度と連動させて変化させる、つまりモーター４の温度が低いときにはスイッチング電源２１の出力電圧値を大きくし、モーター４の温度が徐々に高くなってくるとスイッチング電源２１の出力電圧値を徐々に小さくしていくように制御していくことでモーター４の温度上昇を抑えることができる。その逆にモーター４の温度が徐々に下がってくるとスイッチング電源２１の出力電圧値を徐々に大きくしていくように制御することでポンプの性能を確保することができる。

具体的には電流検知手段９をたとえばシャント抵抗とし、モーター４の電流値を電圧に変換したものをコンデンサ等で平滑し、そのコンデンサ両端電圧をもってモーター４の実効電流値とする。温度検知手段１８によりモーター４の温度をモニターしながらモーター４の実効電流値が増減するように、スイッチング電源２１の出力電圧値を増減させる。

本発明は、ＤＣブラシレスモーターを使用したポンプに適用することができる。

本発明の実施例１におけるポンプの制御回路を示すブロック図本発明の実施例１における所定のモーターの電流値Ｉｐと熱時のモーター電流波形、および冷時のモーター電流波形との関係に対する、駆動回路のスイッチングタイミング波形を表す特性図本発明の実施例２における熱時の所定のモーターの電流値Ｉｐｈと熱時のモーター電流波形との関係、及び冷時の所定のモーターの電流値Ｉｐｃと冷時のモーター電流波形との関係に対する、駆動回路のスイッチングタイミング波形を表す特性図本発明の実施例３における熱時のモーター電流波形と、熱時のスイッチングＤｕｔｙ波形との関係、及び冷時のモーター電流波形と冷時のスイッチにおけるポンプの制御回路を示す特性図本発明の実施例２および実施例３におけるポンプの制御回路を示すブロック図本発明の実施例４におけるポンプの制御回路を示すブロック図従来のポンプの制御回路を示すブロック図

符号の説明

１モーター駆動用電源
２駆動回路
３制御回路
４モーター
５圧力センサー
６ポンプ部
７吸込み管
８吐出し管
９電流検知手段
１０熱時のモーター電流波形
１１冷時のモーター電流波形
１２ローターマグネットの着磁が乱れ始めるモーター電流ピーク値Ｉｐｍ
１３熱時且つ無制御時の電流値Ｉｐｍｈ
１４所定のモーター電流値Ｉｐ
１５駆動回路のスイッチングタイミング波形
１６熱時の所定の電流値Ｉｐｈ
１７冷時の所定の電流値Ｉｐｃ
１８温度検知手段
１９熱時のスイッチングＤｕｔｙ波形
２０冷時のスイッチングＤｕｔｙ波形
２１スイッチング電源

Claims

モーターの通電電流値を検出する電流検知手段と、モーターの通電をＯＮまたはＯＦＦさせるスイッチング機能を持った駆動回路を備え、所定の個所が冷時のときのモーター電流実効値をＩｃとし熱時のときのモーター電流実効値をＩｈとしたときにＩｈ≦Ｉｃとなるように前記駆動回路を用いてモーターの通電をＯＮまたはＯＦＦすることを特徴としたポンプ。
前記モーターに通電される所定の電流値をＩｐとしたときに、電流値がＩｐに達したときに前記駆動回路によりモーターの通電をＯＦＦし、所定の電流値Ｉｐより小さくなったときにモーターの通電をＯＮすることを特徴とした請求項１記載のポンプ。
前記所定の個所とはモーターであり、モーターが熱時のときのモーター電流値をＩｐｍｈとしたときに、Ｉｐ≦Ｉｐｍｈとなるように前記所定の電流値Ｉｐを設定したことを特徴とする請求項１または２記載のポンプ。
前記モータに内蔵されたローターマグネットの着磁が乱れ始めるモーター電流値をＩｐｍとしたときに、Ｉｐ≦Ｉｐｍとなるように前記所定の電流値Ｉｐを設定したことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のポンプ。
所定の個所の発熱を検出する温度検知手段を有し、所定の個所が冷時のモーターの所定の電流値Ｉｐ＝Ｉｐｃとし所定の個所が熱時のモーターの所定の電流値Ｉｐ＝Ｉｐｈとしたときに、Ｉｐｈ≦Ｉｐｃとしたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のポンプ。
所定の個所の発熱を検出する温度検知手段を有し、前記温度検知手段により検出された温度と前記電流検知手段により検出された電流値により前記駆動回路のスイッチングを判断する制御回路を備え、前記制御回路により前記駆動回路のスイッチングのデューティ比を増減することを特徴とした請求項１記載のポンプ。
モーターの通電電流値を検出する電流検知手段と、モーターの通電をＯＮ・ＯＦＦさせるスイッチング機能を持った駆動回路と、所定の個所の発熱を検出する温度検知手段と、モーター駆動用電源としてのスイッチング電源を有し、前記温度検知手段により検出された温度と前記電流検知手段により検出された電流値により前記スイッチング電源の出力電圧を制御する制御回路とを備え、所定の個所が冷時のときのモーター電流実効値をＩｃとし、熱時のときのモーター電流実効値をＩｈとしたときに、Ｉｈ≦Ｉｃとなるように前記制御回路により前記スイッチング電源の出力電圧を増減することを特徴としたポンプ。
所定の個所がモーターであることを特徴とした請求項５から７のいずれか１項に記載のポンプ。
所定の個所がモーターの駆動回路であることを特徴とした請求項５から７のいずれか１項に記載のポンプ。