JP5453183B2

JP5453183B2 - モータ及びそれを備えたポンプ

Info

Publication number: JP5453183B2
Application number: JP2010145392A
Authority: JP
Inventors: 真年弥栄; 陽一宿里
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2010-06-25
Filing date: 2010-06-25
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2030-06-25
Also published as: JP2012010527A

Description

本発明は、モータ及びそのモータを備えたポンプに関するものである。

従来のモータはスイッチング素子やステータ等に外部電源から駆動電力が供給されており、制御部からの制御信号がスイッチング素子に入力されることで、駆動電力によりモータが回転駆動するものである。

また、制御信号の入力時にはスイッチング素子内に突入電流が発生するものであり、この突入電流の発生と駆動電力の供給開始が重なると、図４（ｂ）に示すように、突入電流が増大して、スイッチング素子に大きな負担がかかることがある。そこで、駆動電力の電圧を検出する電圧検出部を電力供給源とスイッチング素子の間に設け、電圧検出後に制御信号を入力させて、突入電流の増大を抑制し、スイッチング素子の負担を低減したものがある（例えば、特許文献１等参照）。

特開２００６−２５４５５５号公報

しかしながら、特許文献１等の従来のモータでは電圧検出部が駆動電力の電圧を検出するものであるため、電圧検出時の電圧検出部の消費電力が数百ｍＷ程度の大きなものになっているという問題がある。そして、ステータを駆動していない待機状態でも電圧検出部がスイッチング素子に印加される電力の電圧を検出しているため、待機状態の消費電力も大きいという問題もある。

そこで、この事情に鑑み、突入電流の増大によるスイッチング素子の負担を軽減すると共に、従来のものより消費電力を低減したモータ及びそのモータを備えるポンプを提供することを課題とした。

この課題を解決するために、本発明のモータは、ロータ及び前記ロータを駆動するステータと、外部から電力が供給され前記ステータへの通電を行うスイッチング素子と、外部から入力される指令信号により前記スイッチング素子の通電制御を行う制御信号を出力する制御部と、前記ロータの位置を検出する位置検出部と、を備え、前記制御部に外部から供給される電源電圧及び前記制御部から出力されるレギュレータ電圧が前記スイッチング素子に供給される電力の電圧より低いモータであって、前記電源電圧と前記レギュレータ電圧のうち一方を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部で電圧を検出した際に前記位置検出部への電力供給を許可する電力供給許可部と、を有し、前記制御部が前記位置検出部への給電開始後に前記制御信号を出力するものであることを特徴としている。

このようなモータとして、前記電力供給許可部による前記電力供給の許可動作を遅延させる信号遅延部を有するものであることが好ましい。

また、本発明のポンプは、前述のモータを羽根車の駆動源として備えるものであることを特徴としている。

このような構成としたことで、突入電流によるスイッチング素子の負担を軽減すると共に、従来のものより電圧検出部等の消費電力を低減することができる。

モータの実施形態の一例の信号伝達を説明する回路図である。同上の他例の信号伝達を説明する回路図である。同上の更に他例の信号伝達を説明する回路図である。（ａ）図３に示す例と（ｂ）従来例の突入電流の比較図である。図１乃至図３に例示のモータを駆動源とするポンプの断面図である。

以下、実施形態の一例を図面に基づいて説明する。

モータ１は、例えば、図１に示すように、電磁石からなるステータ３と、ステータ３により回転される磁石からなるロータ２と、スイッチング素子４と、位置検出部８と、制御部５と、電圧検出部６と、電力供給許可部７と、を有している。そして、モータ１は、スイッチング素子４でスイッチング動作を行いながらステータ３に通電させることで、ロータ２を回転させるものであり、スイッチング素子４は制御部５からの制御信号１１により制御されている。

また、モータ１には商用（交流）電源等の外部電源３０から大小二種類の電力が供給されており、小さい方の電力は少なくとも大きい方の電力より先にモータ１に供給されることがないものとなっている。

詳しくは、外部電源３０からコンバータ３１等を介してステータ３及びスイッチング素子４に供給される駆動電力と、外部電源３０に連動して動作するあるいは外部電源３０から分岐された制御電源３２から供給される制御電力１３と、からなる。そして、駆動電力はステータ３等のモータ１の駆動力に直接影響する消費電力の大きい部材に印加供給されるものであり、制御電力１３は電力供給許可部７や制御部５等を構成する消費電力の小さい電子部品に印加供給されるものである。そのため、電子部品を動作させる程度でよい制御電力１３は、スイッチング素子４を介してステータ３に供給されてロータ２を回転させる駆動電力に比べて、電圧や電流が小さいものになっている。

更に、制御電力１３は、駆動電力の供給開始と連動して略同時に供給が開始される場合と、駆動電力がスイッチング素子４に印加されているがステータ３に通電されていない待機状態で供給が開始される場合がある。すなわち、制御電力１３は駆動電力の供給開始より先に供給されることがないものである。なお、以下の説明において、駆動電力の供給開始に連動して制御電力１３の供給が略同時に開始される場合を電源同時投入と記載する。

また、制御信号１１を出力する制御部５は、例えば、モータ制御ＩＣや電子部品からなる制御回路等であり、制御電力１３が供給されると共に、外部からの速度指令信号１０と、位置検出部８からの出力信号１５と、が夫々入力されるものである。そして、制御部５は入力された両信号のレベル等に基づき制御信号１１を出力するものであり、制御信号１１はスイッチング動作の周期や動作開始等のスイッチング素子４の動作を制御するための信号である。

速度指令信号１０はモータ１の回転速度や回転開始や停止等の制御部５に入力される外部からの操作信号等であり、外部の指令信号出力手段（特に図示しない）から出力されている。そして、指令信号出力手段は、例えば、情報処理機器等の外部の制御手段や、モータ１の駆動設定等を外部操作する外部の操作手段等である。

位置検出部８は、例えば、ホール素子等であり、制御電源３２あるいは外部電源３０等の電力供給源から給電されており、給電中は常に出力信号１５を制御部５に出力するものである。そして、位置検出部８はモータ１回転時にロータ２の位置に基づき出力信号１５のレベル等を変化させるものであり、その変化から制御部５に回転駆動中か否かやモータ１の回転速度等を認識させるものである。更に、位置検出部８と電力供給源の間には電力供給許可部７が配置されており、電力供給許可部７の許可が下りるまで、位置検出部８には電力が供給されないものになっている。

電力供給許可部７は、例えば、トランジスタやＡＮＤ回路等の電子部品で構成されており、許可信号１２が入力されるまで位置検出部８への給電を許可しないものであり、許可信号１２は電圧検出部６から出力されている。

電圧検出部６は、例えば、制御電源３２と制御部５の間に設けたコンパレータ等であり、制御部５に供給される制御電力１３の電圧である制御電圧を検出するものであり、電圧検出時に電力供給許可部７に対して許可信号１２を出力するものである。そして、電圧検出時とは制御電力１３がモータ１に供給された給電状態であり、制御部５に給電されている間は許可信号１２を出力し続けるものであり、制御部５への給電が停止された非給電状態では許可信号１２を出力しないものである。

すなわち、制御部５への給電後に位置検出部８への給電が開始されるものであり、制御部５は常に制御電力１３が供給された状態で位置検出部８からの出力信号１５が入力されるものになっている。そのため、制御部５は位置検出部８への給電後に制御信号１１を出力するものとなり、制御部５への給電開始から少なくとも電圧検出部６及び電力供給許可部７の動作時間分遅れてスイッチング素子４に制御信号１１が入力されるものである。

また、電圧検出部６で検出する電圧が駆動電力より先にモータ１に供給されることのない制御電力１３の電圧であるため、電圧検出部６は制御電圧の検出によりスイッチング素子４への駆動電力の印加を検知するものになっている。そして、電圧検出部６が制御電圧を検出するため、駆動電力の電圧を検出する従来のものより電圧検出時等の動作中の電圧検出部６の消費電力が低減されている。更に、モータ１に制御電力１３が供給されずに駆動電力のみがスイッチング素子４に印加された待機状態では、電圧検出部６に電力が印加されないため、待機状態における電圧検出部６の消費電力を略零にすることができる。

このように、電圧検出部６に制御電圧を検出させると共に、制御部５への給電後に位置検出部８への給電を開始させることで、制御部５への給電開始より遅れて制御部５から制御信号１１を出力させることができる。そのため、モータ１の始動操作として電源同時投入と速度指令信号１０入力が略同時に行われた際には、スイッチング素子４への駆動電力の印加より後に、制御部５からスイッチング素子４へ制御信号１１を入力されるものになっている。

すなわち、モータ１始動時において、スイッチング素子４には駆動電力の印加開始から遅れて制御信号１１の突入電流１６が発生するものである。そのため、給電開始と制御信号１１入力の重畳による突入電流１６の増大が抑制されており、スイッチング素子４の負担が軽減されている。更に、制御部５は常に制御電力１３が供給された状態で位置検出部８からの出力信号１５が入力されるため、制御部５でも出力信号１５の突入電流１６の増大が抑制されており、制御部５の負担も軽減されている。

また、制御電源３２と制御部５の間には遮断部（特に図示しない）が配設されており、回転駆動後の停止状態で所定時間経過しても駆動再開されない際に、遮断部によって制御電源３２からの給電を遮断させるものになっている。すなわち、遮断部は、停止状態で速度指令信号１０が所定時間入力されなかった際に、制御部５への制御電力１３の供給を遮断する給電遮断動作を行うものである。そして、給電遮断動作は速度指令信号１０がモータ１に入力されるまで継続されるものであり、速度指令信号１０が入力されると、制御部５への給電の再開を許可するものである。このように、遮断部を設けることで、モータ１が停止状態で放置された際等に制御部５による消費電力を削減でき好ましい。

なお、制御電力１３の供給開始と速度指令信号１０の入力が略同時に行われる状態とは、モータ１への電力供給の開始と同時に速度指令信号１０が入力される場合の他に、電力供給開始前から速度指令信号１０が入力されている場合も含むものである。もちろん、電源同時投入と速度指令信号１０の入力が略同時に行われる状態では、上記二つの場合において、夫々制御電力１３の供給開始時に駆動電力の供給も開始されるものである。

また、他例として、図２に示すように、制御電力１３の印加によって制御部５から出力されるレギュレータ電圧１４を電圧検出部６が検出し、レギュレータ電圧１４検出時に電力供給許可部７に許可信号１２を出力されるものもある。なお、前述の例と同様の構成等の重複する説明は省略する。

このものでは、電圧検出部６が制御部５のレギュレータ電圧１４を検出することで許可信号１２を出力するものであり、制御部５への給電後に電力供給許可部７が位置検出部８への給電の許可動作を行うものになっている。

そのため、モータ１始動時等に電力同時投入と速度指令信号１０入力が略同時に行われると、制御部５への給電後に位置検出部８への給電が行われるものであり、制御部５への給電開始より遅れて位置検出部８への給電が開始されるものである。そして、位置検出部８への給電の遅れに伴い制御部５の制御信号１１の出力動作も制御部５の給電開始より遅れるため、従来のものより制御信号１１のスイッチング素子４への入力が遅くなり、スイッチング素子４への負担を軽減している。

更に、駆動電力の電圧より小さい制御部５のレギュレータ電圧１４を電圧検出部６が検出するため、電圧検出部６の消費電力が駆動電力の電圧を検出していたものより低減されている。そして、制御部５への給電後に位置検出部８への給電が開始されるため、電圧検出部６の消費電力の低減に加えて、位置検出部８の消費電力も低減され、モータ１の消費電力が従来のものより低減されている。

また、他例として、図３に示すように、電圧検出部６と電力供給許可部７の間に、許可信号１２の伝達を遅延する信号遅延部９を設けると共に、速度指令信号１０を制御部５と電力供給許可部７の両方に入力したものがある。なお、前述の例と同様の構成の説明は省略する。

電力供給許可部７は許可信号１２と速度指令信号１０の二つの信号が両方とも入力されることで、位置検出部８への電力供給を許可するものになっている。そのため、位置検出部８への給電は、制御部５への給電開始及び速度指令信号１０の入力の後に開始されるものであり、制御部５には常に速度指令信号１０の入力後に出力信号１５が入力されるものになっている。

そして、電圧検出部６は制御部５のレギュレータ電圧１４を検出するものであり、制御部５への給電後に許可信号１２を出力するものになっており、電圧検出部６と電力供給許可部７の間には信号遅延部９が配置されている。そのため、電圧検出部６から出力された許可信号１２は信号遅延部９を介して電力供給許可部７に入力されるものになっている。

信号遅延部９は、例えば、コンデンサ、抵抗、トランジスタ等の電子部品で構成されており、電圧検出部６から許可信号１２が入力されると、一定時間Ｓ遅延させてから電力供給許可部７に許可信号１２を伝達するものである。すなわち、信号遅延部９は電圧検出から一定時間Ｓ経過後に電力供給許可部７に位置検出部８への給電許可動作を行わせるものであり、電圧検出後一定時間Ｓ経過するまで出力信号１５が制御部５に入力されないものになっている。そのため、電源同時投入時に速度指令信号１０も略同時に入力された際には、電圧検出から一定時間Ｓ経過後に制御部５がスイッチング素子４に制御信号１１を出力するものである。

このように、信号遅延部９を設けたことで、電源同時投入と速度指令信号１０入力が略同時に行われた際には、図４に示すように、駆動電力印加から一定時間Ｓ経過したスイッチング素子４に制御信号１１が入力されるものになっている。そのため、駆動電力の印加開始が制御信号１１の突入電流１６に重畳されることを確実に防止でき、モータ１始動時のスイッチング素子４の負担を軽減したものになっている。そして、電圧検出部６がレギュレータ電圧１４を検出すると共に、電圧検出部６の電圧検出後に位置検出部８の給電が開始されるため、従来の駆動電力の電圧を検出するものより消費電力が低減されている。

また、図１や図２に示した例のような、電力供給許可部７に速度指令信号１０を入力せず電力供給許可部７が許可信号１２のみの入力で許可動作を行うものや、電圧検出部６が制御電圧を検出するもの等に信号遅延部９を設けてもよい。ましてや、信号遅延部９を電力供給許可部７や電圧検出部６と一体に構成したもの等であってもよい。

なお、制御電力１３が駆動電力より先にモータ１へ供給されないものであれば、例示の構成に限らず、直流電源を用いたものや、制御電源１３等の電力供給源をモータ１に内蔵したもの等であってもよい。もちろん、前述の各例では三相のブラシレスモータ１を例示しているが、該構成に限らず、単相や二相半波等のブラシレスモータ１であってもよい。ましてや、モータ１は、少なくともモータ１始動時において、電源同時投入がなされても位置検出部８への給電開始後に制御部５が制御信号１１を出力するものであればよい。このようなものとして、例えば、位置検出部８への給電を検出する給電検出部等を設けその検出信号の入力を受けて制御部５が制御信号１１を出力するものや、電力供給許可部７が許可動作時に出力信号を制御部５に出力するもの等であってもよい。

なお、本例において、駆動電力の電圧は、例えば、約ＤＣ１４１Ｖ（直流１４１Ｖ）や約ＤＣ２８２Ｖであり、制御電圧は、例えば、約ＤＣ１５Ｖであり、制御部５のレギュレータ電圧１４は、例えば、約ＤＣ５Ｖとなっている。もちろん、これら電圧値は単なる例示にすぎず、駆動電力の電圧が制御電力１３の電圧及び制御部５のレギュレータ電圧１４より大きい値であればよく、モータ１のサイズや用途等に応じて適宜設定されるものである。

また、流体を流動させるポンプ２０に、前述のスイッチング素子４の負担を軽減すると共に消費電力を低減した各モータ１のいずれかを備えて、ポンプ２０の羽根車２１を回転させる駆動源に用いることが好ましい。

詳しくは、図５に示すように、羽根車２１を備えるポンプ室２２と、羽根車２１の回転させるモータ１と、ポンプ２０を制御する回路基板２３と、回路基板２３やモータ１のステータ３等をポンプ室２２から区画する分離板２４と、を有している。

そして、ポンプ室２２は、外部から室内に流体を吸入する吸入口２５と、室内の流体を外部に吐出する吐出口２６と、を有する共に、室内に、羽根車２１と、ロータ２と、ロータ２及び羽根車２１の回転中心となる回転軸２８と、を有している。この羽根車２１はロータ２と一体で形成されており、ロータ２の回転駆動により回転軸２８の軸回りに回転して、流体を吸入口２５から室内に吸入すると共に室内の流体を吐出口２６から吐出するよう流動させるものである。

また、分離板２４に区画された回路基板２３やステータ３等はモールド樹脂２７に覆われており、この分離板２４とモールド樹脂２７により回路基板２３やステータ３等に流体が接触することを防止している。そして、回路基板２３はモータ１の回転を制御することで羽根車２１による流体の吸排を制御するものであり、ステータ３に電気的に接続されると共に、外部電源３０等からポンプ２０の駆動用及び制御用の電力が給電されている。

この回路基板２３は、例えば、図１や図２に示すような制御部５と電圧検出部６と電力供給許可部７とスイッチング素子４と位置検出部８等を実装したものや、図３に示すような信号遅延部９を追加して実装したもの等である。

すなわち、電圧検出部６は制御電圧あるいはレギュレータ電圧１４の検出時に許可信号１２を出力するものであり、電力供給許可部７は許可信号１２あるいは許可信号１２と速度指令信号１０の入力後に位置検出部８への給電を許可するものである。そして、給電中の位置検出部８からの出力信号１５とモータ１の外部からの速度指令信号１０が制御部５に入力されることで、制御部５はスイッチング素子４に制御信号１１を出力するものである。そのため、電源同時投入と速度指令信号１０入力が略同時に行われた際には、位置検出部８への給電後に制御部５が制御信号１１を出力して、モータ１を始動させるものである。

更に、信号遅延部９を備えたものでは、信号遅延部９により電圧検出部６からの許可信号１２が一定時間Ｓ経過してから電力供給許可部７に伝達されるため、電圧検出から一定時間Ｓ経過後に位置検出部８への給電を開始されるものになる。

このように、電圧検出部６が制御電圧や制御部５のレギュレータ電圧１４を検出するため、駆動電力の電圧を検出するものより消費電力を低減することができる。そして、電圧検出部６による電圧検出後に位置検出部８への電力供給が許可されるため、位置検出部８の待機状態等での消費電力を低減することができる。更に、制御部５には制御電力１３の供給後に出力信号１５が入力されるため、スイッチング素子４への駆動電力の印加と制御信号１１の入力の重畳を抑制でき、突入電流１６によるスイッチング素子４の負担を軽減することができる。

なお、回路基板２３は、コンバータ３１や制御電圧を下げる降圧部等が配置されたものや、外部電源３０とは別体で二次電池等で構成した制御電源３２を備えたもの等であってもよく、ましてや制御部５用の指令信号出力手段を兼ねたものであってもよい。もちろん、モータ１と羽根車２１の間に分離板２４を有するものや、回転軸２８が羽根車２１及びロータ２と共に回るものや、回転軸２８の一端に吸入口２５を有し他端に吐出口２６を有するもの等であってもよい。

また、このようなポンプ２０として、例えば、ハイブリット車両やコンピュータ等の冷却液や、シャワーや蛇口あるいは井戸等の湯水や、浴室等の微細気泡発生装置の微細気泡混合水等を流動させるもの等がある。もちろん、これら例示に限定するものではなく、少なくともモータ１を羽根車２１の駆動源として備え、流体を流動可能なポンプであればよい。

１モータ
２ロータ
３ステータ
４スイッチング素子
５制御部
６電圧検出部
７電力供給許可部
８位置検出部
９信号遅延部
１０速度指令信号
１１制御信号
１２許可信号
２０ポンプ
２１羽根車

Claims

ロータ及び前記ロータを駆動するステータと、外部から電力が供給され前記ステータへの通電を行うスイッチング素子と、外部から入力される指令信号により前記スイッチング素子の通電制御を行う制御信号を出力する制御部と、前記ロータの位置を検出する位置検出部と、を備え、前記制御部に外部から供給される電源電圧及び前記制御部から出力されるレギュレータ電圧が前記スイッチング素子に供給される電力の電圧より低いモータであって、
前記電源電圧と前記レギュレータ電圧のうち一方を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部で電圧を検出した際に前記位置検出部への電力供給を許可する電力供給許可部と、を有し、
前記制御部が前記位置検出部への給電開始後に前記制御信号を出力するものであることを特徴とするモータ。
前記電力供給許可部による前記電力供給の許可動作を遅延させる信号遅延部を有するものであることを特徴とする請求項１に記載のモータ。
請求項１または請求項２に記載のモータを羽根車の駆動源として備えるものであることを特徴とするポンプ。