JP4798624B2 - 送風装置およびそれを搭載した電気機器 - Google Patents

Description

本発明は、主にレンジフード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、加湿機、除湿機、冷凍機器、空気調和機、給湯機、ファンフィルタユニットなどに搭載する送風装置およびその送風装置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送風装置においては、低価格化、高効率化、静音化を実現した上で、どんな環境下においても速やかな始動ができる送風装置が求められている。

従来、この種の送風装置は、特許文献１に開示された構成のものが知られている。

以下、その送風装置について図８〜図１０を参照しながら説明する。

図に示すように、商用交流電源を整流平滑して出力する整流回路１０１と、周辺回路に電源を供給する内部電源１１３と、ファンモータ１０４が回転することによって発生する逆起電力を、フィルタ回路１０９を通してロータ磁極位置検出信号として出力する位置検出回路１１２と、ロータ磁極位置検出信号より実回転数を認識し外部回路から入力される指令の回転数を制御する回転数設定回路１１１と、回転数設定回路１１１からデューティー指令回路１１０を通して出力されるチョッパ基準信号と三角波発生回路１０６より出力される三角波信号との比較を行いチョッパ信号出力するチョッパ回路１０５と、回転数設定回路１１１から出力するドライブ信号とチョッパ信号によりパワ−素子（スイッチング素子）１０３を駆動させるドライブ回路１０２と、パワ−素子１０３の保護回路として電流制限回路１０７と過電流保護回路１０８からなるファンモ−タ駆動制御回路において、回転数設定回路１１１はあらかじめ設定してあるファンモータ運転時の回転方向（正回転）のロータ磁極位置信号パターンとの照合を行い、正回転時のロータ磁極位置検出信号のパターンと一致した場合、通常の起動方法である位置決めおよび低周波同期運転を行わずブラシレス運転を行い、正回転時のロータ磁極位置検出信号パターンと、位置検出回路１１２より回転数設定回路１１１に入力されたロータ磁極位置検出信号とが一致せず、逆回転方向のロータ磁極位置検出信号パターンと一致した場合、回転数設定回路１１１は同時にロ−タ磁極位置検出信号によりロータの回転数を判定し、判定した回転数に応じて、あらかじめ回転数設定回路１１１内部に設定してある減速レートの同期運転パターン（ブレ−キパタ−ン）を使用し、傾斜したインバ−タ電流をモ−タに印加し、継続して電流を最も大きく、若しくは適宜大きな電流を印加することにより、減速レートの同期運転（ブレ−キ動作）を行うことにより、起動前に逆転していたファンモ−タの回転を停止させ、正回転方向の同期始動、この始動後、ブラシレス運転に切り換えてモ−タ起動処理を終了させ、継続して負荷に応じた回転数にするブラシレス運転を行う構成としている。

また、この種の送風装置に搭載するブラシレスＤＣモータの制御装置は、特許文献２および３に開示された構成のものが知られている。

以下、その制御装置について図１１〜図１３を参照しながら説明する。

図に示すように、ブラシレスＤＣモータ１２１は、回転子１２２と固定子１２３からなり、固定子１２３には、Ｕ、Ｖ、Ｗの３相の巻線１２６が装着され、回転子１２２には、永久磁石により４極の磁極が形成され、駆動回路１２４は、各々還流ダイオードＤａ⁺、Ｄｂ⁺、Ｄｃ⁺が接続されたＰ側のトランジスタ、Ｔａ⁺、Ｔｂ⁺、Ｔｃ⁺と、各々還流ダイオードＤａ^-、Ｄｂ^-、Ｄｃ^-が接続されたＮ側のトランジスタ、Ｔａ^-、Ｔｂ^-、Ｔｃ^-とから構成され、Ｐ側のトランジスタとＮ側のトランジスタとを一組組み合わせてチョッパ制御を行いかつチョッパのデューティを変えることにより、３相の直流電流を各相の巻線の内選択的に２つの巻線に順次励磁して磁界を形成して回転子を可変速に回転駆動させる。モード検出回路１２５は回転子１２２の回転により巻線１２６に逆起電力が発生すると、逆起電力により、開放相の端子電圧が変化し、Ｐ側の還流ダイオードのアノード電位がＥｄ+よりも高くなるか、Ｎ側の還流ダイオードのカソード電位がＥｄ-よりも低くなると、還流ダイオードが導通状態となることを利用して、基準電圧Ｅｄと各ダイオードの端子電圧を比較することにより、各ダイオードの導通状態を検出することにより回転子位置を検出しており、起動時には低周波同期起動を行う構成としている。
特開平７−３３７０８０号公報 特開平５−１３７３８６号公報 特開平７−１２３７７４号公報

このような従来の送風装置およびブラシレスＤＣモータの制御装置によれば、オープンループ駆動となる低周波同期起動を行うため、外風等によりファンが逆回転している場合の起動においては、位相ずれが原因で脱調して始動できない場合があるという課題があり、逆回転している場合でも確実に始動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、逆回転時においても確実に始動することができる送風装置を提供することを目的としている。

また、回転子の磁石にフェライト磁石を用いた場合、逆回転時において、確実に始動させるために、大電流を供給しすぎて、低温時に磁石が減磁する可能性を有するとういう課題があり、磁石を減磁させることなく確実に始動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、磁石を減磁させることなく確実に始動することができる送風装置を提供することを目的としている。

本発明の送風装置は上記目的を達成するために、ブラシレスＤＣモータの磁石回転子の回転により電機子巻線の各相に誘起する逆起電力を用いて前記磁石回転子の磁極位置を検出する位置検出手段と、この位置検出手段が検出した磁極位置に応じて前記電機子巻線に通流させる電流を導通遮断する上段と下段からなり、ブリッジ接続された複数のスイッチング素子と、前記ブラシレスＤＣモータの始動時に、前記ファンの空転の有無を検知するとともに、空転時には三相短絡と二相短絡を行うことによって前記電機子巻線の各相に誘起する逆起電力の大小関係を判別して前記磁石回転子の磁極位置を推定する空転始動時磁極位置推定手段とを備え、この空転始動時磁極位置推定手段は前記上段側または下段側スイッチング素子をすべてＯＮすることにより三相短絡して逆起電力の極性が同一となる２相を判別した後、その判別された２相における逆起電力の極性側の前記スイッチング素子をＯＮすることにより二相短絡して前記電機子巻線の各相に誘起する逆起電力の大小関係を推定することを特徴とする送風装置の構成としたものである。

この手段により短時間三相短絡と短絡相を判別しての短時間二相短絡をすることによって、磁石回転子の磁極位置を確実に推定できるので、外風等によりファンが逆回転している場合でも、磁石を減磁させることなく、確実に始動できることができる送風装置および電気機器が得られる。

また、本発明の送風装置は上記目的を達成するために、空転始動時磁極位置推定手段は三相短絡と二相短絡を周期的に繰り返すことを特徴とした送風装置の構成としたものである。

この手段により逆起電力の大小関係の変化を観測することで、空転の回転方向と磁極位置をより確実に推定できることから、ファンが空転している場合でも、磁石を減磁させることなく、より一層確実に始動できることができる送風装置および電気機器が得られる。

また、位置検出手段の内部状態である６ステップ信号を入力する駆動切換え手段を設け、この駆動切換え手段は６ステップ信号の示す磁石回転子の磁極位置と空転始動時磁極位置推定手段の推定結果が一致した時にセンサレス駆動に切換えることを特徴とする送風装置の構成としたものである。

この手段により最適な転流タイミングにて駆動切換えを行うので、スムーズな空転時始動を実現できる送風装置および電気機器が得られる。

本発明によれば、外風等によりファンが逆回転している場合において、磁石を減磁させることなく、確実な始動を実現できるという効果のある送風装置および電気機器を提供できる。

また、本発明によれば、ファンが空転している場合でも、磁石を減磁させることなく、より一層確実に始動できることが実現できるという効果のある送風装置および電気機器を提供できる。

また、本発明によれば、スムーズな空転時始動を実現できるという効果のある送風装置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、ブラシレスＤＣモータの始動時に、前記ファンの空転の有無を検知するとともに、空転時には三相短絡と二相短絡を行うことによって前記電機子巻線の各相に誘起する逆起電力の大小関係を判別して前記磁石回転子の磁極位置を推定する空転始動時磁極位置推定手段とを備え、この空転始動時磁極位置推定手段は前記上段側または下段側スイッチング素子をすべてＯＮすることにより三相短絡して逆起電力の極性が同一となる２相を判別した後、その判別された２相における逆起電力の極性側の前記スイッチング素子をＯＮすることにより二相短絡して前記電機子巻線の各相に誘起する逆起電力の大小関係を推定することを特徴とする送風装置の構成としたものであり、ファン空転時において、磁石回転子の磁極位置を確実に推定できるという作用を有する。

請求項２に記載の発明は、空転始動時磁極位置推定手段は三相短絡と二相短絡を周期的に繰り返すことを特徴とした送風装置の構成としたものであり、空転の回転方向と磁極位置をより確実に推定できるという作用を有する。

請求項３に記載の発明は、位置検出手段の内部状態である６ステップ信号を入力する駆動切換え手段を設け、この駆動切換え手段は６ステップ信号の示す磁石回転子の磁極位置と空転始動時磁極位置推定手段の推定結果が一致した時にセンサレス駆動に切換えることを特徴とする送風装置の構成としたものであり、最適な転流タイミングにて駆動切換えを行うことができるいう作用を有する。

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６に示すように、１はブラシレスＤＣモータ１１を搭載した遠心型送風機１０を内蔵した送風装置で、９は送風装置１を内蔵した換気装置である。送風装置１によって吸い込まれた、煙草の煙や調理等で発生し、汚れた室内空気は換気装置９の吐出口、ダクト１４を介して建物の壁を貫通して屋外に排出される。ブラシレスＤＣモータ１１は固定子鉄心に電機子巻線２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された磁石回転子３よりなるセンサレス型であり、磁石回転子３は極配向させている。１２はブラシレスＤＣモータ１１を駆動する駆動回路で、１３は遠心型送風機１０の運転を制御する制御システムであり、ブラシレスＤＣモータ１１と駆動回路１２より構成される。６はインバータ回路で、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、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にはそれぞれＵ相正極側還流ダイオードＤ１、Ｖ相正極側還流ダイオードＤ３、Ｗ相正極側還流ダイオードＤ５、Ｕ相負極側還流ダイオードＤ２、Ｖ相負極側還流ダイオードＤ４、Ｗ相負極側還流ダイオードＤ６が接続されている。４は磁石回転子３の磁極位置を検出する位置検出手段で、電機子巻線２の各相に誘起する逆起電力を利用し、その構成は図３に示すように、開放相の還流ダイオードの導通状態を検出することにより実現し、６ステップ信号を更新している。５は駆動ロジック制御手段で、位置検出手段４の内部状態である６ステップ信号に基づいて電機子巻線２に所定の方向と順序で順次全波通電となるよう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のＯＮ／ＯＦＦを制御する。７はブラシレスＤＣモータ１１の始動時に遠心型送風機１０に内蔵するファン１０ａの空転の有無を検知するとともに、下段側スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６をＯＮする三相短絡と、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のうち２つのスイッチング素子をＯＮする二相短絡を短時間だけ行い、電機子巻線２の各相に誘起する逆起電力の大小関係を判別して磁石回転子３の磁極位置を推定する空転始動時磁極位置推定手段で、短時間の三相短絡と二相短絡を周期的に繰り返す。空転始動時磁極位置推定手段７は下段側スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６をＯＮして三相短絡を行い、逆起電力の極性が同一となる２相を判別した後、その判別された２相における逆起電力の極性側のスイッチング素子をＯＮして二相短絡を行い、電機子巻線２の各相に誘起する逆起電力の大中小を判別するとともに、周期的に行うことで磁石回転子３の磁極位置を推定し、空転始動時に導通すべき相を決定している。８は駆動切換え手段で、位置検出手段４の内部状態である６ステップ信号の示す磁極位置と、空転始動時磁極位置推定手段７にて推定した磁極位置が一致した時にセンサレス駆動に切換える構成である。

上記構成において、送風装置１に内蔵された遠心型送風機１０に対して逆風等によりファン１０ａが空転している時に電源の投入をすると、空転始動時磁極位置推定手段７は短時間だけ三相短絡と二相短絡を行った直後の還流ダイオードの導通状態から磁石回転子３の磁極位置を推定している。ここで、ファン１０ａは回転しているため、電機子巻線２にはファン１０ａの回転数に比例した振幅と周波数の逆起電力が図４に示すように発生している。そして、図４の時刻Ａ、すなわちＵ相逆起電力ｅｕ＞０＞Ｖ相逆起電力ｅｖ＞Ｗ相逆起電力ｅｗのポイントを想定した時、逆起電力の極性により、下段側スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６をオンした三相短絡中には図５（ａ）の点線に示される経路を電流が増加する。三相短絡を解除した後、電流の連続性を保つため、Ｕ相正極側還流ダイオードＤ１、Ｖ相負極側還流ダイオードＤ４、Ｗ相負極側還流ダイオードＤ６を通して図５（ｂ）の点線で示される経路を電流が流れ、電流は減少する。ここで、三相短絡時に巻線に発生する電流極性と導通する還流ダイオードは逆起電力の極性によって決まるため、各還流ダイオードの導通状態を検出することは逆起電力の極性を検出することに相当するので、Ｕ相の逆起電力の極性は正、Ｖ相とＷ相の極性は負であることが検出できる。次に、Ｖ相逆起電力ｅｖとＷ相逆起電力ｅｗの大小を判定するため、下段側スイッチング素子Ｑ４およびＱ６をオンして二相短絡すると、図６（ａ）の点線で示されるような経路の電流が流れる。二相短絡解除後には図６（ｂ）の点線に示すようにＶ相正極側還流ダイオードＤ３、Ｗ相負極側還流ダイオードＤ６を通して電流が流れるので、Ｗ相が逆起電力最小の相であることが判別できる。一方、図４の時刻Ｂにおいては、三相短絡によりＷ相の極性が負で、最小であること、Ｕ相およびＶ相の極性が正であることがわかるので、空転始動時磁極位置推定手段７は上段側スイッチング素子Ｑ１およびＱ２をオンして二相短絡する。この場合には、Ｗ相正極側還流ダイオードＤ５は逆バイアスとなるため、図７（ａ）のようにＷ相には電流が流れない。短絡解除後には図７（ｂ）のようになり、Ｕ相の逆起電力ｅｕがＶ相の逆起電力ｅｖよりも大きいことが分かり、Ｕ相の逆起電力ｅｕが最大、Ｗ相の逆起電力ｅｗが最小であることが判別できる。空転始動時磁極位置推定手段７はこのような動作を空転周期よりも十分に短い間隔で三相短絡と二相短絡を繰り返し行い、逆起電力の大小関係の変化を検知して、空転の回転方向を判定し、空転が正回転ならば、逆起電力の最大相から最小相へ、空転が逆回転ならば、逆起電力が最小相から最大相へ空転始動時に導通すべき二相を決定し、駆動ロジック制御手段５は電機子巻線２に所定の方向と順序で順次全波通電となるよう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のＯＮ／ＯＦＦを制御する。

このような本発明の送風装置１によれば、空転始動時磁極位置推定手段７が短時間の三相短絡を行い、逆起電力の極性が同極性となった二相の極性側のスイッチング素子をオンして二相短絡を行い、各相の逆起電力の大小関係と空転の回転方向を判別して、始動時に導通すべき相を決定して駆動することから、磁石回転子３の磁極位置に応じて、電機子巻線２に通電することから、磁石回転子３を減磁させるような強い反磁界が加わることが無いので、磁石回転子３が減磁することは無いとともになく、逆回転から正回転への切換わりをすばやく確実に実現できる送風装置１および換気装置９などの電気機器が得られる。

また、空転始動時磁極位置推定手段７は、空転周期よりも十分に短い間隔で三相短絡と二相短絡を繰り返し行うことから、空転の回転方向と磁極位置をより確実に推定できるため、より確実な空転時始動を実現できる送風装置および換気装置などの電気機器が得られる。

また、駆動切換え手段８は、位置検出手段４の内部状態である６ステップ信号の示す磁極位置と、空転始動時磁極位置推定手段７にて推定した磁極位置が一致した時にセンサレス駆動に切換えるので、スムーズな空転時始動を実現できる送風装置および換気装置などの電気機器が得られる。

なお、本実施の形態１では空転始動時磁極位置推定手段７は、下段側スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６をオンして三相短絡を行っているが、上段側スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５をオンして三相短絡を行っても良く、その作用効果に差異を生じない。

以上のように、本発明にかかる送風装置は、外風圧等の影響により送風機のファンが空転していても、磁石回転子の永久磁石を減磁させることなく、スムーズな始動ができることから、空転があっても、速やかな始動が要求される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における送風装置を内蔵した換気装置の構成を示すブロック図 同送風装置に搭載するブラシレスＤＣモータの駆動システムにおける磁極位置検出回路図 同送風装置を内蔵した換気装置を示す図（（ａ）正面図、（ｂ）右側断面図、（ｃ）平面図） 同送風装置に搭載するブラシレスＤＣモータにおける空転時の逆起電力を示す図 同送風装置に搭載するブラシレスＤＣモータの駆動システムの三相短絡動作における電流経路を示す図（（ａ）三相短絡中の電流を示す図、（ｂ）三相短絡直後の電流を示す図） 同送風装置に搭載するブラシレスＤＣモータの駆動システムの二相短絡動作における電流経路を示す図（（ａ）二相短絡中の電流を示す図、（ｂ）二相短絡直後の電流を示す図） 同送風装置に搭載するブラシレスＤＣモータの駆動システムの異なる磁極位置での二相短絡動作における電流経路を示す図（（ａ）二相短絡中の電流を示す図、（ｂ）二相短絡直後の電流を示す図） 従来の送風装置に搭載するブラシレスＤＣモータの駆動システムにおける回路ブロック図 同送風装置に搭載するブラシレスＤＣモータの駆動システムにおける制御ブロック図 同送風装置に搭載するブラシレスＤＣモータの駆動システムにおける逆回転時の起動パターン図 従来の他のブラシレスＤＣモータおよびインバータ回路を示す概略構成図 同ブラシレスＤＣモータの励磁パターンを示す図 同ブラシレスＤＣモータの起動シーケンスを示す図

符号の説明

１ 送風装置
２ 電機子巻線
３ 磁石回転子
４ 位置検出手段
５ 駆動ロジック制御手段
６ インバータ回路
７ 空転始動時磁極位置推定手段
８ 駆動切換え手段
９ 換気装置
１０ 遠心型送風機
１０ａ ファン
１１ ブラシレスＤＣモータ
１２ 駆動回路
１３ 制御システム
１４ ダクト
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
Ｄ１ Ｕ相正極側還流ダイオード
Ｄ２ Ｕ相負極側還流ダイオード
Ｄ３ Ｖ相正極側還流ダイオード
Ｄ４ Ｖ相負極側還流ダイオード
Ｄ５ Ｗ相正極側還流ダイオード
Ｄ６ Ｗ相負極側還流ダイオード

Claims (5)

1. ファンと、このファンを駆動するブラシレスＤＣモータを備えた送風装置であって、前記ブラシレスＤＣモータの磁石回転子の回転により電機子巻線の各相に誘起する逆起電力を用いて前記磁石回転子の磁極位置を検出する位置検出手段と、この位置検出手段が検出した磁極位置に応じて前記電機子巻線に通流させる電流を導通遮断する上段と下段からなり、ブリッジ接続された複数のスイッチング素子からなるインバータ回路と、前記ブラシレスＤＣモータの始動時に、前記ファンの空転の有無を検知するとともに、空転時には三相短絡と二相短絡を行うことによって前記電機子巻線の各相に誘起する逆起電力の大小関係を判別して前記磁石回転子の磁極位置を推定する空転始動時磁極位置推定手段とを備え、この空転始動時磁極位置推定手段は前記上段側または下段側スイッチング素子をすべてＯＮすることにより三相短絡して逆起電力の極性が同一となる２相を判別した後、その判別された２相における逆起電力の極性側の前記スイッチング素子をＯＮすることにより二相短絡して前記電機子巻線の各相に誘起する逆起電力の大小関係を推定することを特徴とする送風装置。
2. 前記空転始動時磁極位置推定手段は三相短絡と二相短絡を周期的に繰り返すことを特徴とする請求項１記載の送風装置。
3. 前記位置検出手段の内部状態である６ステップ信号を入力する駆動切換え手段を設け、この駆動切換え手段は６ステップ信号の示す磁石回転子の磁極位置と空転始動時磁極位置推定手段の推定結果が一致した時にセンサレス駆動に切換えることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の送風装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の送風装置を搭載した電気機器。
5. 請求項４記載の電気機器は換気装置、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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