JP5164974B2 - 電気モータ、特にファンモータのコントロールユニット - Google Patents

Description

本発明は、電気モータのコントロールユニットに関する。

そのようなコントロールユニットは、モータ速度のオープンループ又はクローズドループコントロールを実行するために使用される。多くの場合、特にファンアプリケーションにおいて、モータ速度は、電力の消費を低減するために、必要によって、より低くされる。ファンの場合において、電力需要だけでなく、フローノイズもまたモータ速度に高く依存する。

図１は、ファンモータのシャフト出力（１）及びモータ速度の機能としてのファンのフローノイズ（２）を示す。ファンホイールのトルク需要は、２つのモータ速度のパワーを増加させる。結果として、モータのシャフトの出力は、さらに３つのモータ速度のパワーを増加する。これは、例えば、モータの、半分のモータ速度出力は、関係するパワーの１２，５％に達するだけである。シャフトの出力は、モータ速度が関係するモータ速度２１．５％より小さい場合に、１％を下回る。フローノイズ（２）は、モータ速度が半分になったときに、１５−１７ｄｂ（Ａ）に落ちることが経験的にわかっている。

エネルギ需要に加えて、ノイズはまた、それ故、モータ速度制御ファンモータが使用され、モータ速度のオープンループコントロール及びそれ故エアラインが要求に従って実行された場合に、低下する。ファンのモータ速度は、使用されるモータのタイプの機能としての異なる方法において影響を受ける。直流モータの場合において、モータ速度のオープンループコントロールは、モータ電圧を用いて実行される。コントロールユニットは、クロックド電圧コンバータ（チョッパー）又は制御された整流器を用いてモータ電圧を予め決めることができる。ユニバーサルモータについては、交流電圧の振幅が位相角コントローラを用いて設定され得る。

ブラシレスモータ（ＢＬＤＣ又はＥＣモータとして参照される電気的に整流されたモータ）の場合において、コントロールユニットは、電気的な整流を行う。コントロールユニットは、付加的に、モータ電圧に影響を与え、結果として、対応する整流電子機器におけるトランジスタのクロッキングを通じてモータ速度に影響を与える。非同期モータの場合には、周波数及びモータ電圧の振幅が周波数コンバータによって予め決められ、又は、コスト効果の良いシステム、特にファンドライブの場合には、モータ電圧のみが、例えば、位相角コントローラ（スリップコントローラとして参照される）を用いて変えられる。

望まれるモータ速度は、通常、多重のオープンループコントロールを用いて決められる。モータ速度のセットポイント値は、しばしば、アナログ値（例えば０−１０Ｖ）で送信され、又は、パルス幅が変調された、デジタル値（ＰＷＭ）で送信される。図２は、ファンアプリケーションの典型である入力特性を示す。この例において、多重化されたコントローラが、停止している（ｎ_setp＝０）モータに関して０−１０％のコントロール信号（ｘ）を出力しなければならない。この方法の不利な点は、故障の場合、例えば、ラインの損傷、又はコントロールラインにおけるショートの場合において、ファンが停止することである。この場合において、十分な冷却を保証することができず、システムの故障に繋がり得る。結果として、重大な材料の損傷が、製造物の欠陥による多大な損実を引き起こし得る。

本発明は、それ故、そのような故障の場合に、モータが所定のモータ速度で作動し続けるような方法で、コントロールユニットの入力特性を構成する目的に基づく。ラインの損傷、又は、コントロールラインのショート、又は、多重化されたコントローラの故障のような故障の場合、コントロール信号ｘが０％又は１００％の値を記録するという可能性が高い。

本発明によれば、慣例上の入力特性は、それ故、最初に、約０％又は１００％といった特定の範囲における入力値の場合、コントローラが、現在のセットポイント値とは異なる所定のセットポイント値でモータを駆動するという方法で、図２に従って変えられる。

ある有利な実施形態において、コントローラは、付加的に、そのような故障の場合に、警告を出力する。この警告は、アナログ又はデジタル電気信号又は、例えばＣＡＮバスのような整流バスによって、可視的な又は音響的な信号で出力され得る。

図３は、有利な実施形態におけるコントロールユニットの入力特性を示す。この例において、多重化されたコントローラは、モータを止めるために、０−１０％の代わりに、５−１０％のコントロール信号（ｘ）を出力しなければならない。アナログコントロール信号（０−１０Ｖ）の場合において、これは、０．５Ｖから１Ｖのコントロール電圧の場合にモータが静止している（ｎ_setp＝０）ことを意味する。０．５Ｖよりも小さなコントロール電圧は、故障（例えば、多重化されたコントローラの故障、ラインの損傷、又はコントロールラインにおけるショート）を示す。

セットポイント値がＰＷＭ制御デジタル信号で予め決められているときは、モータは、５から１０％ＰＷＭのコントロール信号が与えられる静止した状態になる。５％よりも小さなＰＷＭファクターは、故障である。これは、例えば、コントロール信号が連続的に低いレベル（０％ＰＷＭに対応する）であった場合である。この場合において、モータ速度の所定のセットポイント値が使用される。図３において、この値は、故障ｎ_setp＝１００％についてのものである。例えば、ファンを伴うようなアプリケーションについては、それ故、信頼できる操作がセットポイント値の移動における故障の場合でさえも保証される。ファンアプリケーション、パワー及びノイズが、そのような故障が起きたときに低減しないのであるが、十分な冷却が保証される。

モータ速度の最大（１００％）のセットポイント値と異なるセットポイント値がまた、故障の場合に使用され得る。ある場合には、低下されたモータ速度は、通常の状況において、冷却するのに十分であり、最大のモータ速度（１００％）は、特定の例外的な状況、例えば、並列に駆動するファンの１つの故障についてのみ提供される。図４は、ｎ_setp＝７５％のセットポイント値が検出された故障に対して使用された場合の、コントロールユニットの発明の入力特性を示す。この値は、それ故、コントロール信号が、０−５％及び９５％−１００％の範囲内でｘ値を仮定した場合に使用される。

図４にしたがって、入力特性曲線を実行するために、アナログコントロール信号が、最初に、アナログ／デジタルコンバータを使用して、デジタル値に変換され得る。その信号は、その後、さらに、デジタル形式で処理される。本発明における、ある望ましい改良において、これは、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、又はマイクロコントローラによって実行され得る。入力特性曲線を実行するためのプログラムシーケンスが、図５に例示される。

本発明のさらなる改良において、入力特性曲線が、電気アナログ回路を使用して実行される。図６は、これに関する例示的な回路を示す。この回路は、４つのアナログコンパレータ（Ｋ１からＫ４）、２つの演算増幅器、２つのデジタルＮＡＮＤゲート、及び１つのアナログマルチプレクサ（ＭＵＸ）から構成される。コンパレータは、図４に従って入力特性における欠陥でコントロール信号ｘと電圧値、すなわち、０．５Ｖ、１Ｖ、９Ｖ、９．５Ｖとを比較する。これらの電圧は、直列抵抗を伴う１０Ｖの供給電圧から生成される。コンパレータの出力信号は、さらに、ＮＡＮＤゲートで処理され、以下の表に示されるようにアナログマルチプレクサをコントロールする。

「Ｆ」は、ここでは故障に関して予め決められたセットポイント値である。この値は、例えば、図４のように、７５％の場合、７．５Ｖがここに結合されなければならない。

この回路は、図７に例示されるように、警告出力（Ｗ）で補足され得る。正常な状況において、この出力は、ロジック「１」を与え、故障の場合には、ロジック「０」を与える。この警告は、コントロール信号ｘが値を０．５Ｖよりも小さいか、または９．５Ｖよりも大きいと仮定した場合の出力である。

本発明によるコントロールユニットは、別々のユニットを構成でき、又は、モータとコントロールユニットが１つのメカニカルユニットを構成するように、モータハウジング内、又はモータのターミナルボックス内に組み込み可能である。本発明による解決はまた、コントロールユニット及びモータがコンパクトファンの部品に組み込まれ得るコンパクトファン内に有利に用いられる。本発明による解決は、しかしながら、ファン、ブロワ及びポンプ内だけでなく、故障の場合に、モータを停止させるよりも所定のモータ速度で作動させた方がより有益であるような、いかなる装置内にも用いることができる。同様に、本発明は、図示され、記述された例示的な実施形態に限定されず、本発明の範囲内で効果的な全ての実施形態を含むものである。

図１は、ファンモータのシャフトの出力及びモータ速度の機能としてのファンのフローノイズを示す。 図２は、ファンアプリケーションの典型である入力特性を示す。 図３は、有利な実施形態におけるコントロールユニットの入力特性を示す。 図４は、故障が検出されたときに、ｎ_setp＝７５％のセットポイント値が使用される場合の、発明の入力特性を示す。 図５は、入力特性曲線を実行するためのプログラムシーケンスを示す。 図６は、例示的な回路を示す。 図７は、警告出力を伴うさらなる例示的な回路を示す。

Claims (15)

1. 少なくとも１つの電気モータのためのコントロールユニットであって、典型的な故障となる特定の範囲におけるコントロール値の場合に、セットポイント値が、例えば、ラインの破損、電圧故障、又はショートである所定の故障であるとき、現在のコントロール値と異なる所定のセットポイント値でモータを駆動するように、電気モータのモータ速度のオープンループ又はクローズドループコントロールを実行し、
   コントロール値が、コントロール電圧におけるゼロではない第１の閾値未満の範囲にある場合及び／又は変調におけるゼロではない第１の閾値未満の範囲にある場合に、所定のセットポイント値で前記電気モータを制御し、かつ、
   コントロール値が、コントロール電圧における前記第１の閾値と当該第１の閾値よりも高い第２の閾値との間の範囲にある場合及び／又は変調における前記第１の閾値と当該第１の閾値よりも高い第２の閾値との間の範囲にある場合に、前記電気モータを停止させることを特徴とするコントロールユニット。
2. 典型的な故障となる特定の範囲におけるコントロール値の場合に、セットポイント値が、例えば、ラインの損傷、電圧故障、ショートのような所定の故障であるときに、警告を出力することを特徴とする請求項１に記載のコントロールユニット。
3. コントロール値が、アナログ電圧信号の所定の使用であり、ゼロ電圧又は供給電圧に等しい信号電圧のような典型的な故障の場合に起こり得る電圧の場合に、モータが所定のセットポイント値で作動することを特徴とする請求項１又は２に記載のコントロールユニット。
4. コントロール値が、パルス幅変調信号のような変調されたデジタル信号の所定の使用であり、さらに、０％又は１００％変調のような典型的な故障の場合に起こり得る変調の場合に、モータが所定のセットポイント値で作動することを特徴とする請求項１又は２に記載のコントロールユニット。
5. 所定のセットポイント値が、最大セットポイント値（１００％）に一致することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のコントロールユニット。
6. モータが電気的に整流され、電気的な整流の機能を実行することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のコントロールユニット。
7. 電気モータがファン又はポンプを駆動することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の少なくとも１つの電気モータのためのコントロールユニット。
8. モータとともに１つのメカニカルユニットを構成することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の電気モータのためのコントロールユニット。
9. モータハウジング内に組み込まれることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のコントロールユニット。
10. モータのターミナルボックス内に組み込まれることを特徴とする請求項８に記載のコントロールユニット。
11. モータとともにコンパクトファンの部品となることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載のコントロールユニット。
12. セットポイント値が電気アナログ回路で作動することを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のコントロールユニット。
13. アナログ／デジタルコンバータを使用して、コントロール値がデジタル値に変換され、コントロール値は、さらにデジタル形式で処理されることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のコントロールユニット。
14. デジタルコントロール値が、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、又はマイクロコントローラのようなプログラマブルコンポーネントで処理されることを特徴とする請求項１３に記載のコントロールユニット。
15. コントロール値が、コントロール電圧における０より大きく０．５Ｖ未満の範囲及び／又は変調における０より大きく５％未満の範囲にある場合に、所定のセットポイント値で前記電気モータを制御し、かつ、
    コントロール値が、コントロール電圧における０．５Ｖから１Ｖの間の範囲及び／又は変調における５％から１０％の範囲にある場合に、前記電気モータを停止させる請求項１から１４のいずれか１項に記載のコントロールユニット。

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