JP6793597B2 - 洗濯機 - Google Patents

Description

本発明は、回転中のＤＣブラシレスモータを停止させる時に、ＤＣブラシレスモータによって誘起された高圧の逆起電圧による直流電圧上昇の時間を短縮し、意図した時間通りにモータが停止することを可能とした洗濯機に関する。

従来の洗濯機は、モータの回転がギアやクラッチなどの機械的変速機構を介し減速されてから、洗濯槽に伝達されていたが、これに代わって、現在のドラム式洗濯機は、ＤＣブラシレスモータを備え、モータの回転が洗濯ドラムに直接伝達されるダイレクトドライブ方式のものが主流になっている。

洗濯機で洗濯を行う場合、洗い工程やすすぎ工程では、洗濯ドラム等を低速でよいが高トルクで回転させる必要があり、また、脱水工程では、洗濯ドラム等を低トルクでよいが高速で回転させる必要がある。ダイレクトドライブ方式の洗濯機は、機械的変速機構を有さないため、洗いやすすぎのとき、モータを強め界磁制御して低速−高トルク回転を実現し、脱水のとき、モータを弱め界磁制御して高速−低トルク回転を実現している。

マイクロコンピュータが制御可能な場合においては、回転中のモータを停止させる時は逆回転側に電流を流して運転する逆相運転を行う。逆相運転中は、モータで発生した逆起電圧の一部が直流電圧を生成している倍電圧回路に返るため、倍電圧回路の電解コンデンサが充電される。この時、電解コンデンサの端子間電圧が耐圧定格を超えないようにモータ減速時のインバータ出力を制限している。

また、前記弱め界磁制御において、洗濯機の電源プラグが電源コンセントから抜けて主電が断たれたり、界磁制御を司っているマイクロコンピュータが電磁雑音の影響を受けて正常に動作しなくなったりして不用意に弱め界磁制御が失われ、モータからの逆起電圧がそのままパワーモジュールに印加された場合に、パワーモジュールが破壊されないようにインバータ回路の端子間に放電スイッチ及び放電抵抗を備えた「洗濯機および洗濯乾燥機」が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−７９６８６号公報

これらは回路素子保護のためにインバータの出力を制限あるいは停止する保護機能であるが、回転中のモータが停止するまでに本来意図した停止時間以上の時間を要することとなる。このため早期に保護不要な状態となり正常の制御に復帰できることが望ましい。

本発明によれば、回転中のＤＣブラシレスモータを停止させる時に、モータの逆起電圧によりインバータ出力が制限される時間を短縮し、回転中のモータが意図した停止時間で停止する洗濯機を提供することができる。

本発明による第１実施形態のドラム式洗濯機の構造を示す縦断面図である。 ドラム式洗濯機による自動洗濯運転の典型例を示す工程図である。 ＤＣブラシレスモータのトルク−回転速度特性を示すグラフである。 ＤＣブラシレスモータを駆動するインバータ回路を示す回路ブロック図である。

次に、添付した図面を参照し、本発明による実施形態について、詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明による第１実施形態のドラム式洗濯機１００の構造を示す縦断面図である。

このドラム式洗濯機１００は、外枠１の内側に外槽２を備えている。外槽２は、下方から複数本のサスペンション３によって押し上げ支持され、上方から引きバネ４によって引っ張り支持されている。サスペンション３は、外槽２のほぼ全荷重を支持するものであり、運転時の荷重や振動に耐えるように強固に製造および取り付けされている。サスペンション３は、また、脱水運転時に生じる外槽２の各方向の振動を吸収し、脱水起動時の外槽２の異常振動を防止するための減衰機構（図示せず）を内蔵している。引きバネ４は、外槽２をその上方から支持し、外槽２の転倒を防止し、また、脱水時などの前後上下左右の振動を低減する。

給水ホース５は、上水道（図示せず）に接続され、上水道から圧送されている清水を注水ホース７へ導いている。注水ホース７の中途には、給水電磁弁６が挿入され、「洗い」や「すすぎ」に応じて開閉し、必要な清水を供給する。供給された清水は、注水ホース７と連通する洗剤投入ケース８へ流入し、さらに、フレキシブルホース１０を通じて外槽２へ流入する。外槽２へ流入した水は、「洗い」時は、洗濯水（洗い水）１５として、また、「すすぎ」時は、洗濯水（すすぎ水）１５として、外槽２によって貯留される。

洗剤投入ケース８内は、複数の開閉可能な区画に区分されている。洗濯に際して、あらかじめ洗剤および柔軟仕上げ剤を指定の区画に投入しておく。「洗い」時は、洗剤を投入した区画が開放し、洗剤が溶解された洗濯水（洗い水）１５が生成される。最終の「すすぎ」時は、柔軟仕上げ剤を投入した区画が開放し、柔軟仕上げ剤が溶解された洗濯水（すすぎ水）１５となる。

外槽２の内空間には、有底円筒形の回転ドラム１１が、開口部（投入口１１ａ）をやや上向きにして配設されている。回転ドラム１１の開口部の外周には脱水時のアンバランスを相殺し振動を低減するバランサ１３が設けられている。外蓋１２は、回転ドラム１１の投入口１１ａと連通する外枠１の投入口１１ｃを開閉可能に配設されている。外蓋１２を閉じると、外槽２の開口部が閉鎖される。外蓋１２を開けて、洗濯物９の投入および取り出しをする。

回転ドラム１１には、脱水時、洗濯物９に含まれている水分を回転ドラム１１の高速回転による遠心力で外槽２へ脱水し、また、洗いおよびすすぎ時に、洗濯水１５を流入出するための脱水穴１４が多数設けられている。また、回転ドラム１１の内面には、洗濯時に回転ドラム１１の回転に伴って洗濯物９を掻き上げる複数個（本例では３個）のリフタ１６が設けられている。リフタ１６の幅は、洗濯物９の偏りを考慮して、背面側（ＤＣブラシレスモータ１９に近い側）が広くなっている。回転ドラム１１は、洗濯物９を取り出しやすくするため、水平面に対して傾斜角θで傾斜している。

外槽２の底面（投入口１１ａの反対面）には、ＤＣブラシレスモータ１９が強固に取り付けられている。ＤＣブラシレスモータ１９の回転軸１８は、外槽２の底面を連通し、回転ドラム１１の底面に取り付けられたフランジ１７によって、強固に連結されている。

回転軸１８と外槽２との間には、洗い時やすすぎ時に水漏れを防止するためのシール（図示せず）が設けられている。同様に、水漏れを防止するため、外槽２の投入口１１ｂと外枠１の投入口１１ｃとの間は、ベローズ２１によって封止されている。ベローズ２１は、可撓性であり、防水性を有する、例えば、合成ゴムや軟質プラスチックによって構成されている。

外槽２の最も低くなる部位近傍に、外槽２と連通する排水ホース２３が取り付けられ、外枠１外へ延設されている。排水ホース２３の中途には、洗濯の各段階に応じて開閉する排水電磁弁２２が挿入されている。洗濯やすすぎに使われ不要になった洗濯水１５や脱水時に洗濯物９から脱水された洗濯水１５は、排水電磁弁２２を開放すると、排水ホース２３を通じて、ドラム式洗濯機１００の外部へ排出される。

ＤＣブラシレスモータ１９を駆動するためのインバータ回路については、後で詳述する。

図２は、ドラム式洗濯機１００による自動洗濯運転の典型例を示す工程図である（適宜、図１参照）。

この自動洗濯運転は、洗濯物９に付着した汚れを落とす「洗い」や、洗剤分を洗い流す
「すすぎ」や、回転ドラム１１を高速回転させて洗濯物９に含まれている水分を遠心力で飛ばし去る「脱水」や、それらの水分を排水することなど、一連の工程を自動的に行う一般的な自動洗濯コースである。

あらかじめ、ドラム式洗濯機１００に電源を接続し、外蓋１２を開閉して洗濯物９を投入し、洗剤投入ケース８に洗剤および柔軟仕上げ剤を投入しておく。準備が整ったら、自動洗濯コーススイッチ（図示せず）を押下し、洗濯を開始する。

まず、給水工程Ｓ１０１では、給水電磁弁６が開閉され、外槽２内に洗濯水（洗い水）１５が流入し、所定水量が貯留される。

所定水量が貯留されると、洗い工程Ｓ１０２では、ＤＣブラシレスモータ１９が回転して回転ドラム１１が回転される。このときの回転ドラム１１の回転速度は４０〜５０[回転／分]で、休止をおいて右回転、左回転を数分ずつ行う。このことにより、洗濯物９が回転ドラム１１内のリフタ１６により掻き上げられ落下する叩き洗いが繰り返され、洗濯物９に付着していた汚れが、洗濯水（洗い水）１５へ溶出する。

所定時間洗い工程Ｓ１０２を行うと、洗濯物９に付着した汚れが除去されるので、排水工程Ｓ１０３へ移行し、汚れた洗濯水（洗い水）１５をドラム式洗濯機１００の外部へ排出する。

所定時間経過し、汚れた洗濯水（洗い水）１５が外部へ排出されると、１回目の脱水工程Ｓ１０４へ移行し、洗濯物９に含まれている洗濯水（洗い水）１５を脱水する。脱水工程Ｓ１０４では、回転ドラム１１を高速回転して洗濯物９に遠心力をかけ、回転ドラム１１に設けられた多数の脱水穴１４から洗濯水（洗い水）１５を飛ばし去る。このときの回転ドラム１１の回転速度は、例えば、８００〜１５００[回転／分]である。

所定時間、脱水工程Ｓ１０４を行うと、給水工程Ｓ１０５へ移行し、給水工程Ｓ１０１のときと同様に、所定量の清水を外槽２内に貯留する。なお、「すすぎ」および「洗い」に必要な清水は、いずれも、例えば、２５〜３０リットルである。

そして、１回目のすすぎ工程Ｓ１０６へ移行し、回転ドラム１１を低速回転（４５[回転／分]前後）させて、洗濯物９に含まれている洗剤分をすすぐ。

所定時間、すすぎ工程Ｓ１０６を行ったら、排水工程Ｓ１０７へ移行し、洗濯水（すすぎ水）１５を排水する。

そして、１回目と同様に、２回目の脱水工程Ｓ１０８、給水工程Ｓ１０９、および、すすぎ工程Ｓ１１０を行う。

本実施形態では、２回のすすぎを行う例について説明したが、洗濯物９などに応じて、１回または３回以上行うようにしてもよい。

２回目のすすぎ工程Ｓ１１０の終了後、排水工程Ｓ１１１が行われ、最終脱水工程Ｓ１１２へ移行し、洗濯物９に含まれる水分を充分に脱水する。最終脱水工程Ｓ１１２の時間は、一般的に５分以上で、回転ドラム１１を高速回転させ洗濯物９の水分を遠心力で除去する。こうして、洗濯物９の脱水率を６０〜６５％とする。

図３は、ＤＣブラシレスモータ１９のトルク−回転速度特性を示すグラフである。

グラフＡは、弱め界磁制御を行っているときのトルク−回転速度特性を示す。この特性は運転トルクが小さく、回転速度が高いので脱水運転のとき使用する。グラフＢは界磁制御を行っていないとき（非界磁制御のとき）のトルク−回転速度特性を示す。この特性は運転トルクが高く、回転速度が小さいので洗濯運転のとき使用する。このとき、強め界磁制御を用いてもよい。

ドラム式洗濯機１００では、脱水時の回転ドラム１１の（すなわち、ＤＣブラシレスモータ１９の）回転速度は１５００[回転／分]、トルクは２.５[Ｎ・ｍ]であり、同じく、洗濯時の回転速度は４５[回転／分]、トルクは４０[Ｎ・ｍ]である。ＤＣブラシレスモータ１９は、界磁制御を行わない場合、無負荷状態であっても、約５００[回転／分]が回転速度の上限である。回転速度を上昇させるには電源電圧を高くすることが考えられるが、家電製品で利用する一般の商用電源そのものの電源電圧を可変させることは現実的ではない。

そこで、回転速度を上昇させるため、弱め界磁制御を行っている。弱め界磁制御を行うと、トルクは小さくなるが、回転速度を上げることができ、供給電源電圧も上げないでよい。しかし、洗濯運転時の回転速度が低くなる外径の大きい回転ドラム１１を使用した洗濯機では所要トルクが大きくなるため誘起電圧定数の数値が大きくなり、乾燥時間を短くするために脱水回転速度を上げて脱水率を上げたドラム式洗濯機では最大回転速度を大きくする必要があるので脱水回転時に供給電源が遮断されたときの誘起電圧は更に大きくなり、回転速度による誘起電圧が大幅に供給電圧を超え、ＤＣブラシレスモータ１９を制御しているスイッチング素子の逆耐電圧を超える領域で使用している。このため、弱め界磁制御が解除されるとき、すなわち、供給電源が遮断されたときには前記特許文献１のような検知回路と抑制回路が必要となる。

図４は、ＤＣブラシレスモータ１９を駆動する第１のインバータ回路４０１を示す回路ブロック図である。

このインバータ回路４０１は、ＡＣ１００Ｖの商用電源に接続されている。整流回路４０は、商用電源を倍電圧整流する直流電源回路である。電解コンデンサ４１，４２は、整流回路４０の出力を平滑する。

直流電圧検知回路４３が、整流回路４０の出力間に接続されている。

ＤＣブラシレスモータ１９を駆動するインバータ回路４０１は、６個のパワーモジュール４６ａ，４６ｂ，４６ｃ，４６ｄ，４６ｅ，４６ｆ（パワーモジュール４６と総称する）を含んでいる。パワーモジュール４６ａ，４６ｃ，４６ｅは、上アーム４６０であり、パワーモジュール４６ｂ，４６ｄ，４６ｆは下アーム４６１である。また、各々のパワーモジュール４６には並列にダイオードＤａ，Ｄｂ，Ｄｃ，Ｄｄ，Ｄｅ，Ｄｆが接続されている。

パワーモジュール４６は、典型的には、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ；Insulated Gate Bipolar Transistor）で構成され、マイクロコンピュータ５１によってゲート電圧が制御され、ＤＣブラシレスモータ１６へ印加される直流電圧をスイッチングする。ＧＴＯ（ゲートターンオフサイリスタ；Gate Turn-Off thyristor）やパワーＭＯＳＦＥＴなど、他のスイッチング素子を用いることもできる。

パワーモジュール４６と、ＤＣブラシレスモータ１９の巻線端子４７とは、リレー接点４８を介して接続されている。リレー接点４８を動作させるリレー巻線４９には、誘起電圧検知回路５０が接続されている。誘起電圧検知回路５０は、巻線端子４７の誘起電圧が所定値を超えて上昇し対地間の電圧が上昇すると、リレー巻線４９をオンしてリレー接点４８をオフし巻線端子４７を開放する。また、直流電圧検知回路４３の電圧はマイクロコンピュータ（マイコン）５１にも取り込まれ制御される。また、電源のヘルツ検知回路５２がマイクロコンピュータ５１に接続されている。

以下、インバータ回路４０１の動作について説明する。

電解コンデンサ４１，４２の両端の直流電圧Ｖは、商用電源の電圧を１００[Ｖ]とすると、最大でＶ＝√２×２×１００[Ｖ]となるが、実際にはＤＣブラシレスモータ１９に電流が流れるので、これより低い値となる。ただし脱水等で回転中のドラム１１を停止させる場合には、逆回転側に電流を流して運転する逆相運転を行うが、逆相運転中はモータで発生した逆起電圧とパワーモジュール４６の出力の差分により生じる電流がインバータ回路４０１のダイオード（Ｄａ，Ｄｂ，Ｄｃ，Ｄｄ，Ｄｆの何れか）を介して倍電圧回路に返るため、倍電圧回路の電解コンデンサ４１，４２が商用電源１００[Ｖ]であってもＶ＝√２×２×１００[Ｖ]以上に充電される。電解コンデンサ４１，４２への充電は、パワーモジュールの出力よりもモータで発生した逆起電圧が小さくなるまで続くが、この時の電解コンデンサの端子間電圧が耐圧定格を超えないようにパワーモジュール４６は出力制限を行っている。

一方で、逆相運転により生じる逆トルクとモータの銅損や回転ドラム１１の機械損等により回転エネルギーが減少することでモータの逆起電圧も減少する。これに加えて放電リレー５３ａ，５３ｂ，５３ｃを切替え、放電抵抗５４ａ，５４ｂ，５４ｃをモータの各相に直列接続することで、放電抵抗の電力消費により、回転エネルギーの減少速度を速める。これにより、モータの逆起電圧が通常よりも早く低下するので、パワーモジュール４６の出力制限は早期解除可能となる。なお、放電リレー５３ａ，５３ｂ，５３ｃの切替タイミングとして、直流電圧検知回路４３から検出される直流電圧値が規定値以上となった場合としても良いし、回転ドラム１１が減速を始める直前としても良い。また、マイクロコンピュータ５１でモータの抵抗やインダクタンス等を制御定数として設定している場合、前記放電スイッチを切り替えるタイミングで放電抵抗５４ａ，５４ｂ，５４ｃの抵抗値をモータの抵抗値に加算した値を制御定数として再設定しても良い。

（第２実施形態）
本発明による第２実施形態のドラム式洗濯乾燥機は、第１実施形態のドラム式洗濯機１００に、温風乾燥機構を付加したものである。

このドラム式洗濯乾燥機では、図２に示す洗濯脱水運転において、最終脱水工程Ｓ１１２と、終了工程Ｓ１１３との間に、乾燥工程を挿入して運転を行う。

温風乾燥機構は、例えば、乾燥工程（後記）のとき開口し外槽２へ外気を取り込む吸気ダクトと、ヒータや熱交換器などからなり取り込んだ外気を加熱する熱源と、加熱された温風を回転ドラム１１内に循環させる温風ファンと、回転ドラム１１内を循環した排気から水分を除去する除湿器と、排気ダクトとを含んで構成できる。

この構成によれば、最終脱水工程Ｓ１１２が終了した後、自動的に乾燥工程へ移行する。乾燥工程では洗濯物９の水分が充分に除去された後、ヒータ等により温風を洗濯物９に吹きつけながら回転ドラム１１を４５〜５５[回転／分]で反転もしくは一方向に回転させて洗濯物９の水分を除去して乾燥させる。乾燥時間を短くするには最終脱水工程Ｓ１１２における回転速度を上げて脱水率を上げる必要があるため、最高で１５００[回転／分]とする。これにより、回転ドラム１１の径にもよるが、脱水率を約７０％にでき、迅速に乾燥が行える。

（第３実施形態）
回転ドラム１１（図１参照）の回転軸心線Ａｘがほぼ水平方向となる、いわゆるドラム式洗濯機１００について説明したが、回転軸心線Ａｘがほぼ鉛直方向となる、いわゆる縦型の洗濯機についても、同様に実施できる。

１ 外枠
２ 外槽
３ サスペンション
４ 引きバネ
５ 給水ホース
６ 給水電磁弁
７ 注水ホース
８ 洗剤投入ケース
９ 洗濯物
１０ フレキシブルホース
１１ 回転ドラム
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ 投入口
１２ 外蓋
１３ バランサ
１５ 洗濯水
１６ リフタ
１８ 回転軸
１９ ＤＣブラシレスモータ
４０ 整流回路
４３ 直流電圧検知回路
４６，４６ａ〜４６ｆ パワーモジュール
４７ 巻線端子
４８ リレー接点
４９ リレー巻線
５０ 誘起電圧検知回路
５１ マイクロコンピュータ
５３ａ〜ｃ 放電スイッチ
５４ａ〜ｃ 放電抵抗
１００ ドラム式洗濯機
４０１ 第１のインバータ回路
４６０ 上アーム
４６１ 下アーム

Claims (2)

1. 脱水運転および洗濯運転を行うＤＣブラシレスモータと、前記ＤＣブラシレスモータを運転制御するインバータ回路を備えた洗濯機であって、
   前記ＤＣブラシレスモータと前記インバータ回路の間に直列接続可能な放電抵抗及び放電抵抗接続と短絡を切り替えるための放電スイッチと、
   前記インバータ回路の直流電圧を検知し前記直流電圧が所定値を超えたとき前記放電スイッチを切替え、前記放電抵抗を動作させる直流電圧検知回路と、
   を備えたことを特徴とする洗濯機。
2. 脱水運転および洗濯運転を行うＤＣブラシレスモータと、前記ＤＣブラシレスモータを運転制御するインバータ回路を備えた洗濯機であって、
   前記ＤＣブラシレスモータと前記インバータ回路の間に直列接続可能な放電抵抗及び放電抵抗接続と短絡を切り替えるための放電スイッチと、
   前記脱水運転および洗濯運転中に前記ＤＣブラシレスモータの減速を開始する前に前記放電スイッチを切替え、前記放電抵抗を動作させる直流電圧検知回路と、
   を備えたことを特徴とする洗濯機。
   

Images