JP4989679B2 - 電動送風機、電気掃除機 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、電気掃除機に搭載するインバータ駆動の電動送風機に関するものである。

従来、電動送風機を減速もしくは停止させる先行技術は多く見られる。特許文献１には過電流値と過電流時間とで異常電流を判別し、電流を遮断することが記載されている。また特許文献２には従来の技術に床ノズルのモータの電流が設定値を設定時間以上越えたときに給電オフ、すなわち電流と時間の関係に応じて停止させること、また検出電流値が設定値を超えたときに停止することが記載されている。

特開2002-159195（図６ほか） 特開1992-244123（請求項１ほか）

従来の電動送風機を搭載した製品、例えば電気掃除機には掃除を開始と終了する際に使用する電源オンオフスイッチなどは設けられているが、電気掃除機が異物、例えば、衣類、ビニール、紙など、を誤って吸込んだ場合、掃除機を電源オフにしても電動送風機の慣性モーメントが大きくなかなか回転を停止しないため、異物を丸ごと吸込んでしまいホースなどからの除去に手間取る、集塵室から除去する際に折角集めたごみなども一緒に外へ出してしまうなどという問題があった。また高速回転モータを使用する電動送風機の通風回路が異物により遮蔽される、あるいは異物を噛み込むなどを起こした場合は急速に停止しないと電動機に流れる電流値が増加して、過電流遮断値を超えることで電動機の緊急停止に陥る可能性がある。また、永久磁石を使用した電動機（たとえば、ブラシレスＤＣモータなど）に大きな電流が流れると永久磁石の磁力を弱めて性能が劣化する問題があった。また、異物の噛み込みにより電動機の負荷増加に伴い、消費電力が大きくなり、実使用上の省エネ性能の低下を招く問題もあった。

本発明は、例えば電気掃除機においては異物の吸い込みなどによる急な負荷変動が生じた場合に電動送風機を減速、停止、逆回転命令などに基づき、または検出した負荷の単位時間変化に基づいて急速に減速、停止、逆回転などさせて取り扱いが簡単で信頼性の高い装置を得ることを目的とする。

本発明に関する電動送風機は、空気を吸込み吹き出す送風ファンを回転駆動する電動機と、電動機に印加する交流電圧をインバータのスイッチング素子を制御して電動機の速度を変化させるインバータ制御装置と、インバータ制御装置、または電動機の近傍に設けられ電動機の負荷を検出する負荷検出手段と、インバータ制御装置に設けられ電動機を減速ないし停止する指令を受けて電動機を減速ないし停止させる減速停止手段と、を備え、負荷検出手段はインバータの電源側もしくは電動機に流れる電流、またはインバータの電源側もしくは電動機が消費する電力、またはインバータに印加する直流電圧、または電動機の回転数もしくは位置、または電動機のトルクを検出し、インバータ制御装置は負荷検出手段の検出値の単位時間変化に基づいて減速停止手段により電動機を減速ないし停止させ、減速停止手段はインバータの上アームおよび下アームのスイッチング素子をオンオフさせる間欠短絡動作にて減速させるとともに、この間欠短絡動作時にオン時間を徐々に長くしていくものである。

本発明に関わる電動送風機は、異物噛み込みや、異物吸い込み時などにかかる異常な負荷を検出し軽減することで品質および信頼性を向上させるとともに、利用者にとって使い勝手が良く、無駄な消費電力を削減できる装置を得るものである。

本発明の実施の形態１における電気掃除機の構成図。 本発明の実施の形態１における電気掃除機本体の構成図。 本発明の実施の形態１における電動送風機の断面図。 本発明の実施の形態１における送風ファンの一例である軸流ファン説明図。 本発明の実施の形態１における送風ファンの一例である遠心ファン説明図。 本発明の実施の形態１における駆動回路の構成図。 本発明の実施の形態１におけるコンバータ回路の構成図。 本発明の実施の形態１におけるインバータ回路の構成図。 本発明の実施の形態１における減速停止動作シーケンス説明図。 本発明の実施の形態１における三相短絡動作の説明図。 本発明の実施の形態１における間欠短絡動作の説明図。 本発明の実施の形態１における突入電流抑制効果の説明図。 本発明の実施の形態１における逆回転動作シーケンス説明図。 本発明の実施の形態１における逆回転動作の説明図。 本発明の実施の形態１における軸流ファン特性の説明図。 本発明の実施の形態１における遠心ファン特性の説明図。

実施の形態１.
図１は本発明の実施の形態１に関わる電気掃除機を示す。床ノズル１０、操作ステック１５a、操作部１５b、ホース２０、電気掃除機本体２５の内部は全て連通した形状となっている。図２は電機掃除機本体２５内部を示しており、集塵室３０、集塵フィルタ４０、電動送風機５０、駆動回路室６０、排気フィルタ７０により構成される。

床ノズル１０は、回転式のノズルブラシ（記載せず）があり、塵埃を吸い込み易くする機構を有し、吸い込んだ塵埃は筒状の操作ステック１５a、操作部１５bを通り、電気掃除機本体２５内の集塵室３０に紙フィルタ方式やサイクロン方式により塵埃と空気とに分離して溜められる。集塵室３０の排気側には集塵フィルタ４０があり、細かな塵埃などが電動送風機内に進入しないような構成となっている。

電動送風機５０は図３に示すように永久磁石を使用したロータ１００とステータ１１０を組み合わせたブラシレスＤＣモータ９０と送風ファン１２０により構成される。この送風ファン１２０はブラシレスＤＣモータ９０のロータ１００の軸に取り付けられた構造となっている。送風ファン１２０の形状としては、図４に示す軸方向に風の流れを発生させる羽根１２５aの形状を持つ軸流ファン１２０a、図５に示す遠心方向に風の流れを発生させる羽根１２５bの形状を持つ遠心ファン１２０bなどが一般的に用いられる。

軸流ファン１２０aを用いた電動送風機において、同一回転数条件では定格負荷が大きくなるにつれてモータの入力電力が大きくなる特性を有する。このため、通風回路が遮蔽されインバータ制御により同一回転で運転を続け負荷が大きくなる場合、緊急に停止しないと電動機に流れる電流値が増加して、過電流遮断値を超えることで電動機の緊急停止に陥る可能性がある。また、永久磁石を使用した電動機（たとえば、ブラシレスＤＣモータなど）に大きな電流が流れると永久磁石の磁力を弱めて性能が劣化する問題があった。また、異物の噛み込みにより電動機の負荷増加に伴い、消費電力が大きくなり、実使用上の省エネ性能の低下を招く問題を引き起こすので負荷を急速に軽減する必要がある。また遠心ファン１２０bを用いた電動送風機において、同一回転数条件では定格負荷が小さくなるにつれてモータの入力電力が小さくなる特性を有する。このため、通風回路が遮蔽されインバータ制御により同一回転で運転を続け、負荷が小さくなる通風回路を有する場合、本来の送風性能を得るために必要な入力電力が得られなくなってしまうので至急元に回復する必要がある。

ブラシレスＤＣモータ９０に駆動信号を出力する図６に示すような駆動回路が駆動回路室６０に設置されている。この駆動回路は電源ケーブル８０から電源供給を受ける。電源ケーブル８０が室内のコンセントに差し込まれ、図１に示すように掃除機の操作部１５ｂに設けられた電源を入り切りするスイッチ１５ｃがオンとなると駆動回路に通電が行われモータ９０が回転して送風ファン１２０が吸気する。集塵フィルタ４０で分離した空気は駆動回路室６０内を通過し、駆動回路室の排気側に設置される排気フィルタ７０を通して、電気掃除機本体２５から外に抜けていく構成となっている。

図６に示す駆動回路は交流電源１３０とリアクトル１４０を介して接続されたコンバータ１５０で構成される直流電源装置１６０に接続される。交流電源１３０は一般的には単相交流１００Ｖであるが、その他の単相交流でも問題なく動作可能である。コンバータ１５０は、例えば図７に示すような整流ダイオード１５０a複数個から成る単相ブリッジ回路で構成されており、交流電圧を任意の直流電圧に変換して、コンバータ１５０の出力側に接続された電解コンデンサ１７０を充電する。電解コンデンサ１７０の出力側にはスイッチング素子２２０a複数個、還流ダイオード２２０b複数個から成るブリッジ回路を構成するインバータ２２０が接続されている。

図８ではスイッチング素子２２０aをＭＯＳＦＥＴ６個、還流ダイオード６個で三相ブリッジ回路を構成するインバータ例を示す。スイッチング素子２２０aはＭＯＳＦＥＴを用いたが、一般的に使用される素子（例えば、ＩＧＢＴなど）によるインバータ構成でも問題なく動作可能である。
このインバータ２２０のスイッチング素子２２０aは直流電圧変換機１８０より電源を供給されるインバータ制御装置１９０により制御されている。インバータ制御装置１９０によりインバータ２２０のスイッチング素子２２０aをオンオフ制御することでインバータ２２０の出力側に接続されているブラシレスＤＣモータ９０を任意の電圧および周波数で駆動する。また、インバータ制御装置１９０は減速停止手段２００、逆回転手段２１０を備えており、ブラシレスＤＣモータを減速ないし停止、または逆回転するように駆動する。

この減速停止手段２００、逆回転手段２１０は、図１(２)に示すように掃除機の操作部１５ｂに設けられた操作スイッチ１５ｃに併設された減速停止スイッチ１５ｃ_２と兼用の逆回転スイッチ１５ｃ_３より操作する。操作スイッチ１５ｃは、インバータ制御装置１９０と信号ケーブルにより接続された構造となっており、各スイッチの信号に応じてインバータ制御装置１９０を制御可能にしている。同信号ケーブルは図１のホース２０外壁に内蔵された構造となっている。上記により電気掃除機を利用中に通風回路が遮蔽された場合、利用者が操作スイッチ１５ｃによって即座に減速停止および逆回転させることが可能になる。

本実施の形態では負荷の検出手段として電流検出手段２３０を用いた例とする。この電流検出手段２３０は、例えば電流センサなどにより電流を検出する。位置検出手段２４０は、例えば位置センサやホール素子などによりブラシレスＤＣモータ９０の磁極位置を検出する。この位置情報に基づいてインバータ制御装置１９０によりモータ制御を行っている。インバータ制御装置１９０は一般的にソフトウエアで構成されるが、論理回路等の電子回路によるハードウエアで構成することも可能である。

次に電流検出手段２３０の検出値に基づいて電動送風機５０を減速ないし停止させる方法について説明する。例えば、図９に示すシーケンス図のように、スタートＳ１から単位時間変化の絶対値を閾値と比較するステップＳ２へ移行すると電流検出手段２３０により検出した単位時間変化値と予め設定した閾値とを比較し、単位時間変化の絶対値＞閾値となった場合に減速ないし停止動作ステップＳ３へと移行し、電動送風機５０を減速停止手段２００により減速停止させる。

電動送風機５０の減速ないし停止する方法について図８を用いて説明する。図８のスイッチング素子２２０a６個、還流ダイオード６個で三相ブリッジ回路を構成するインバータ２２０において上側のスイッチング素子２２０a３個（以下、上アームと記す）、または下側のスイッチング素子２２０a３個（以下、下アームと記す）を全てオンする（図１０(１)、(２)参照）、つまりブラシレスＤＣモータ９０の三相間を短絡させることによる回生制動によって電動送風機５０を減速ないし停止させることができる。

しかし、ブラシレスＤＣモータの三相間を短絡させた瞬間に突入電流が発生することで永久磁石の磁力を弱めてしまい、製品の性能低下を招く恐れがある。そこで、図１１に示すように、まずインバータの上アームもしくは下アームの全てをオンとオフを繰返しながら間欠的に短絡動作（以降、間欠短絡動作と記す）をさせ、かつ徐々にオンする時間を長くしていき、最終的に短絡動作させる、つまりオンとオフのデューティ比を０から間欠短絡動作時間tの間で１まで可変する。すなわち、間欠短絡動作は短絡電流が急増することを抑えるものであり、最初のうちはオン動作を短くし、すぐに長く取って完全短絡へつなげる。オフ動作は短絡電流が抑えられる時間あればよいので長くしても良いが、停止時間を早くするため、短絡電流に見合い最初は短く、オン時間に応じて長くしていくと良い。

この上アームもしくは下アームのオンとオフを繰り返す動作は、オンしたときに電流経路をモータ内部のみとし、またオフしたときに電解コンデンサに充電する経路とすることで三相短絡時の突入電流の成長を抑制する効果がある。図１２上図はスイッチオフからいきなりスイッチオンして短絡させた場合の相電流の変化を示している。この場合、モータの位相角に応じて過大な突入電流が発生する。図１２下図のようにスイッチオフの後、短時間の間欠短絡動作を行い、その後完全に短絡させると間欠短絡動作の間は突入電流が抑えられ過大な電流がモータやインバータ回路に流れることを防止できる。ただし、突入電流値が大きくなりすぎてモータ９０の永久磁石の着磁量減少などの問題を発生しないように、あるいは発生時間が長くなりすぎて停止時間が電源オフと同じように長くなり折角の電力を回生して早く停止させる効果が得られなくならないように間欠短絡動作時間tを調整する必要がある。また、間欠的短絡動作では上アームもしくは下アームをオフすると電解コンデンサに電荷が充電されるため直流電圧値は上昇することを考慮し、可能であればオンのままとしてオフにしないようにしなければならない。

また、電流検出手段２３０の検出値の単位時間変化の絶対値が閾値を超えるような場合、自動的にインバータ制御装置１９０の減速停止手段２００により電動送風機５０を減速ないし停止させる。この電流単位時間変化の絶対値を観測することで、自動的かつ迅速に減速ないし停止が可能になる。例えば、通風回路が遮蔽されて電流検出値の単位時間変化の絶対値に基づき自動的に制御する場合は、およそ数msecから数μsecで制御可能となる。つまり、人による操作スイッチ１５ｃでの停止動作までに1secかかるとすると、自動制御の方が10^3倍〜10^6倍速いことを意味する。このため、通風回路が遮蔽された場合の電動機にかかる負荷が大幅に軽減されて品質および信頼性を向上させる。
次に電動送風機５０を減速ないし停止させた後、逆回転させる方法について説明する。例えば、図１３に示すシーケンス図のように、スタートＳ１から単位時間変化の絶対値を閾値と比較するステップＳ２へ移行すると電流検出手段２３０により検出した単位時間変化の絶対値と予め設定した閾値とを比較し、単位時間変化の絶対値＞閾値となった場合に減速ないし停止動作ステップＳ３へと移行し、電動送風機５０を減速停止手段２００により、前述した方法にて減速ないし停止させる。閾値の設定は、通常起こる負荷の変化とは異なる大きな電流変化、例えば１秒間にモータの定格電流がゼロになるような変化を検出すれば、減速停止手段２００により減速停止させる。位置検出手段の検出値を検出するステップＳ４にて電動送風機５０が減速停止したかどうかを判定する。位置検出手段２４０の検出値がゼロとなった場合に位置検出ステップＳ４から逆回転動作ステップＳ５へと移行して電動送風機５０を逆回転手段２１０により逆回転させる。電動送風機５０の逆回転する方法について図１４を用いて説明する。図１４(１)に示すブラシレスＤＣモータ等価回路より、図１４(２)に示すようにＵ相、Ｖ相、Ｗ相の相順で交流電圧を印加する場合を順回転とする。このとき逆回転させるには、例えば図１４(３)に示すようにＵ相、Ｗ相、Ｖ相の相順で交流電圧を印加すればよい。インバータ制御装置１９０にてインバータの各相スイッチング素子２２０ａを制御することにより正回転、逆回転を運転できる。

電流検出手段２３０の検出した単位時間変化の絶対値に基づいて制御する理由としては２つある。１つには単位時間変化を観測することで急な変化に対して速やかに対応することができるからである。ここで言う単位時間は、対象とする製品により異なる。

例えば電気掃除機の場合、異物の吸い込みによりノズルが塞ぎ状態になると操作者は一旦電気掃除機を停止ボタンにより停止させてから塞ぎを解消するか、電気掃除機を動作させたまま塞ぎを解消するかのどちらかの手段をとる。このとき、塞ぎを解消するのに要する時間よりも早く自動的に反応して欲しいため、単位時間は１秒以下が望ましい。

２つには単位時間変化の値は正値や負値の場合があるため、その値の絶対値をとる必要がある。具体的には、電動送風機のファンの形状の違いによって単位時間変化の値が正値や負値となる。図１５は軸流ファンを搭載した電動送風機の回転数とモータに流れる電流の特性を示す。同一回転数において電動送風機の負荷が増加するにつれて電流も増加することから負荷の急増に対して単位時間変化の値は正値となる。また、図１６は遠心ファンを搭載した電動送風機の回転数とモータに流れる電流の特性を示す。同一回転数において電動送風機の負荷が増加するにつれて入力電力が減少することから負荷の急増に対して単位時間変化の値は負値となる。前述したように単位時間変化の絶対値をとることでファン形状により異なる特性にも対応することが可能となる。

本実施の形態では負荷の検出手段としてモータに流れる電流としたが、その他の検出手段でも可能である。例えばブラシレスＤＣモータ９０に取り付けた位置センサの位置情報でも代替できる。また、電流センサやインバータ回路の下アームにそれぞれ取り付けられた３つの抵抗もしくは1つの抵抗の両端電圧から換算して得られるブラシレスＤＣモータ９０のＵ、Ｖ、Ｗの各相に流れる電流でも代替できる。また、線間電圧V、線電流I、位相差φを得ることで三相電力Ｐ=√３ＶＩcosφの式より得られる電力でも代替できる。また、負荷トルクや出力トルクなどの検出値でも代替できる。例えば、前述した三相電力Ｐ、位置センサ情報から得られる回転速度ωにより負荷トルクτ=Ｐ/ωの式より得られる。また、インバータの入力側にある電解コンデンサの両端から得られる直流電圧でも代替できる。

以上、実施の形態で説明した電動送風機の活用例として電気掃除機、空気調和機、ジェットタオル（手乾燥機）が挙げられる。

１０ 床ノズル、１５a 操作ステック、１５b 操作部、１５c 操作スイッチ、１５ｃ_１ 電源スイッチ、１５ｃ_２ 減速停止スイッチ、１５ｃ_３ 逆回転スイッチ、２０ ホース、２５ 電気掃除機本体、３０ 集塵室、４０ 集塵フィルタ、５０ 電動送風機、６０ 駆動回路室、７０ 排気フィルタ、８０ 電源ケーブル、９０ ブラシレスＤＣモータ、１００ ロータ、１１０ ステータ、１２０ 送風ファン、１２０a 軸流ファン、１２０b 遠心ファン、１２５a 軸流ファンの羽根、１２５b 遠心ファンの羽根、１３０ 交流電源、１４０ リアクトル、１５０ コンバータ、１５０a 整流ダイオード、１６０ 直流電源装置、１７０ 電解コンデンサ、１８０ 直流電圧変換機、１９０ インバータ制御装置、２００ 減速停止手段、２１０ 逆回転手段、２２０ インバータ、２２０a スイッチング素子、２２０b 還流ダイオード、２３０ 負荷検出手段、２４０ 位置検出手段。

Claims (6)

1. 空気を吸込み吹き出す送風ファンを回転駆動する電動機と、
   前記電動機に印加する交流電圧をインバータのスイッチング素子を制御して前記電動機の速度を変化させるインバータ制御装置と、
   前記インバータ制御装置、または前記電動機の近傍に設けられ前記電動機の負荷を検出する負荷検出手段と、
   前記インバータ制御装置に設けられ前記電動機を減速ないし停止する指令を受けて前記電動機を減速ないし停止させる減速停止手段と、
   を備え、
   前記負荷検出手段は前記インバータの電源側もしくは前記電動機に流れる電流、または前記インバータの電源側もしくは前記電動機が消費する電力、または前記インバータに印加する直流電圧、または前記電動機の回転数もしくは位置、または前記電動機のトルクを検出し、
   前記インバータ制御装置は前記負荷検出手段の検出値の単位時間変化に基づいて前記減速停止手段により前記電動機を減速ないし停止させ、
   前記減速停止手段は前記インバータの上アームおよび下アームのスイッチング素子をオンオフさせる間欠短絡動作にて減速させるとともに、この間欠短絡動作時にオン時間を徐々に長くしていくことを特徴とする電動送風機。
2. 前記インバータ制御装置に設けられ逆回転する指令を受けて前記電動機を逆方向に回転させる逆回転手段と、
   を備え、前記インバータ制御装置は、前記減速停止手段により電動機の回転数を減速させ停止した後、前記逆回転手段により前記電動機を逆回転させることを特徴とする請求項１に記載の電動送風機。
3. 前記逆回転手段は前記インバータ制御装置により３相の交流電圧のうち２相の相順を入れ替えて前記電動機に印加することにより逆回転させることを特徴とする請求項２に記載の電動送風機。
4. 前記減速停止手段は前記インバータの上アームもしくは下アームのスイッチング素子の全てをオンするようにスイッチング制御することで前記電動機を急速に減速ないし停止させることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の電動送風機。
5. 前記送風ファンに軸流ファンもしくは遠心ファンを使用することを特徴とする請求項１ないし請求項４に記載の電動送風機。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の電動送風機を搭載し、前記送風ファンの吸入側にて集塵することを特徴とする電気掃除機。

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