JP6921752B2 - 電動機、送風機および空気調和機 - Google Patents

Description

本発明は、回路部品が実装された基板を備えた電動機ならびに当該電動機を備えた送風機および空気調和機に関する。

電動機を回転駆動する際、電動機の回転速度が増加すると、電機子反作用の影響等により通電タイミングに遅れが生じる。このため、例えば、速度指令電圧に応じた進角値を求め、この進角値を用いて電動機を駆動制御（以下「進角制御」と称する）する技術が開示されている（例えば、下記特許文献１）。

進角制御では、電動機の回転数に応じた最適位相進角の情報をテーブルとして保持し、マイコンもしくは専用の制御ＩＣが、テーブルに格納された最適位相進角特性情報に基づいて電動機の制御を行うことが一般的な構成である。ここで、最適位相進角（「最適進角」とも称する）とは、電動機の運転効率が最大となる位相角の進み角である。また、ここでいう「位相角」とは、固定子巻線に誘起される電圧（以下「誘起電圧」と称する）とインバータＩＣが固定子巻線に印加する電圧（以下「印加電圧」と称する）との間の位相差であり、印加電圧が誘起電圧よりも進んでいるときが正の値の進み角となる。

特開２０１１−１１４９９５号公報

進角制御に関する背景技術は上記の通りであるが、進角の変動によって回転数が変動するため、電動機の回転数を上げたり下げたりする制御によって回転数のハンチングが生じると、当該ハンチングによって進角が変動し、進角の変動によって回転数も変動するという悪循環が起こり、電動機が駆動する負荷の回転が安定しないおそれがある。また、電動機の進角制御をマイコンで実現すると、非常にコスト高となる。このため、電動機の進角制御を比較的安価な制御ＩＣで実現することが望まれる。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コストの増加を抑制しつつ、負荷の回転制御を安定的に行うことができる電動機、送風機および空気調和機を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係る電動機は、固定子、固定子に対して回転可能に設けられた回転子、ならびに、固定子に駆動電圧を印加する駆動素子、回転子の回転位置を検出する磁極位置センサおよび磁極位置センサからの磁極位置信号と磁極位置信号に基づいて算出される回転数情報により駆動電圧の位相を調整する制御素子を有する基板を備える。磁極位置センサは、回転子の回転数が０のとき、０より大きい進角になる位置に取り付けられている。

本発明によれば、コストの増加を抑制しつつ、負荷の回転制御を安定的に行うことができる、という効果を奏する。

本実施の形態に係る電動機の側面断面図 本実施の形態に係る電動機を搭載した空気調和機を示す外観図 本実施の形態の駆動回路基板に配置される回路部品を反負荷側から視認した場合の平面図 本実施の形態の駆動回路基板に配置される回路部品を負荷側から視認した場合の平面図 本実施の形態の駆動回路基板におけるパワーＩＣが搭載される部位の部分断面図 本実施の形態の駆動回路部品の電気的な接続関係を示すブロック図 本実施の形態のパワーＩＣの内部の構成を示す回路図 本実施の形態の進角算出部の構成を示すブロック図 本実施の形態の回転数信号生成部および進角電圧信号生成部を具現する回路構成の一例を示す回路図 ホールＩＣの搭載位置を従来と本実施の形態とで比較した図 進角電圧の値が比較的に大きいときの電動機の回転数と進角電圧との関係を示すグラフ 進角電圧の値が比較的に小さいときの電動機の回転数と進角電圧との関係を示すグラフ 電動機の回転数に応じた離散的な進角制御曲線の変化を示すグラフ 電動機の運転効率が最大となる第１の最適進角の特性と電動機の騒音が最小となる第２の最適進角の特性とを電動機の回転数との関係で表すグラフ 電動機の回転数に応じた最適進角特性および離散的な進角制御曲線を従来と本実施の形態とを比較したグラフ 本実施の形態に係る他の進角制御曲線を示すグラフ 電動機を駆動するシステムを電動機駆動装置と上位制御装置とに区分して示したシステム構成図 電動機駆動装置および上位制御装置による電動機の回転数制御に係る制御フローを示すフローチャート 本実施の形態に係る電動機の他の例を示す側面断面図 図１９に示す駆動回路基板に配置される回路部品を反負荷側から視認した場合の平面図 図１９に示す駆動回路基板に配置される回路部品を負荷側から視認した場合の平面図 本実施の形態に係る電動機の製造方法を示すフローチャート

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る電動機、送風機および空気調和機を詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本実施の形態に係る電動機の側面断面図である。図２は、本実施の形態に係る電動機を搭載した空気調和機を示す外観図である。

図２に示される空気調和機３００は、室内機３００ａと室内機３００ａに接続される室外機３００ｂとを備える。室内機３００ａには図示を省略した室内機用ファンが搭載され、室外機３００ｂには室外機用のファン３１０が搭載されている。これらのファンの駆動源には、図１に示す電動機１００が用いられる。なお、図２では、本実施の形態に係る電動機の応用例として空気調和機を例示したが、空気調和機に限定されるものではなく、例えば送風機の電動機として使用することも可能である。

次に、本実施の形態に係る電動機１００の構成について説明する。電動機１００は、図１に示すように、主たる構成部として、モールド固定子１、回転子組立部１８およびブラケット２５を有して構成される。電動機１００としては、インバータで駆動されるブラシレスＤＣモータが例示される。

回転子組立部１８の中心部には、電動機１００の回転軸となるシャフト１０が貫通している。電動機１００のシャフト１０には、電動機１００の負荷が搭載される。図２に示す空気調和機であれば、室内機用のファンあるいは室外機用のファン３１０が負荷として搭載される。

モールド固定子１は、シャフト１０を中心とする円筒状に形成され、固定子組立部３とモールド樹脂が充填されたモールド樹脂部２とから構成されている。

固定子組立部３は、電動機１００の構成要素のうち、固定子５と駆動回路基板４とコネクタ６とが一体に成形された部位である。駆動回路基板４には、面実装部品であるホールＩＣ２１、パワーＩＣ２２および制御ＩＣ２３が搭載されている。以後、駆動回路基板４に搭載される回路部品を適宜「駆動回路部品」と称する。なお、本実施の形態の駆動回路基板４は、マイコンを搭載しておらず、固定子５と共にモールド樹脂部２により機械的に結合されて一体的に成形することが可能である。すなわち、駆動回路基板４は、モールド樹脂で固定子５と一体に封止されている。これにより、駆動回路基板４に搭載されるパワーＩＣの放熱性が向上し、パワーＩＣ２２の最大出力が向上する。また、パワーＩＣ２２の放熱性が向上することで、電動機１００の損失が低減される。ただし、駆動回路基板４等は強度的に弱い構造であるため低圧成形が望ましく、駆動回路基板４と固定子５を一体に成形するためのモールド樹脂部２に用いるモールド樹脂としては、不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂が好適である。なお、駆動回路部品の詳細については後述する。

モールド樹脂部２は、電動機１００の外郭を構成すると共に、モールド固定子１の基板側面にてハウジング１９を構成する。ハウジング１９は、負荷側軸受１６の外輪を取り囲んで支持する。

モールド樹脂部２には、ファン等の負荷が搭載される側（以下「負荷側」と称する）とは反対側（図１の右手側、以下「反負荷側」と称する）に設けられた開口部２９からモールド固定子１内部へ回転子組立部１８を収容可能に形成されたすり鉢状の凹部２６が設けられている。なお、開口部２９は、図１において、ブラケット２５が設けられている部分である。ブラケット２５は、例えば導電性の金属をプレス加工して製造される。

固定子５は、巻線７、固定子鉄心８およびインシュレータ９で構成され、固定子鉄心８は、厚さが０．１〜０．７ｍｍ程度の電磁鋼板が帯状に打ち抜かれ、かしめ、溶接および接着等で積層され製作される。この帯状の固定子鉄心８は、図示を省略した複数個のティースを備え、ティースにはインシュレータ９が施される。インシュレータ９は、例えば、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）等の熱可塑性樹脂を用いて固定子鉄心８と一体にまたは別体で成形される。インシュレータ９が施されたティースには、集中巻の巻線７が巻回される。複数個の集中巻の巻線７を接続すると、例えば、三相のシングルＹ結線の巻線が形成される。但し、分布巻でもよい。

回転子組立部１８は、電動機１００の構成要素のうち、回転子１５、負荷側軸受１６および反負荷側軸受１７が組み合わされた部位である。

回転子１５は、シャフト１０と、シャフト１０の外周部に設けられた円環状の回転子絶縁部１２と、回転子絶縁部１２の外周側に周設され固定子鉄心８と対向して配設された永久磁石である回転子磁石１３と、シャフト１０の軸線方向において、回転子磁石１３と駆動回路基板４との間に設けられる位置検出用磁石１１とを有して構成されている。

回転子１５は、シャフト１０を中心に回転自在であり、固定子鉄心８からの回転磁界によって回転力を得てシャフト１０にトルクを伝達し、シャフト１０に直接または間接的に接続された負荷を駆動する。

回転子絶縁部１２は、シャフト１０と回転子磁石１３とを絶縁すると共に、シャフト１０と固定子鉄心８とを絶縁するために設けられる。回転子磁石１３、シャフト１０および位置検出用磁石１１は、縦型成形機により射出された回転子絶縁部１２で一体的に形成される。回転子絶縁部１２には、熱可塑性樹脂が用いられる。熱可塑性樹脂としては、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）およびＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）が例示されるが、これらＰＢＴまたはＰＰＳにガラス充填剤を配合したものも好適である。回転子絶縁部１２は、誘電体層を構成する。

回転子磁石１３には、熱可塑性樹脂に磁性材を混合して成形された樹脂磁石、希土類磁石、またはフェライト焼結磁石が使用される。希土類磁石としては、ネオジムまたはサマリウム鉄が例示される。

シャフト１０の軸線方向において、シャフト１０の負荷側（図１の左側）には負荷側軸受１６が取り付けられ、反負荷側（図１の右側）には反負荷側軸受１７が取り付けられている。シャフト１０は、これら負荷側軸受１６および反負荷側軸受１７によって回転自在に支持される。

負荷側軸受１６は、例えば玉軸受けであり、シャフト１０と一体的に回転する内輪１６ａと、ハウジング１９の内周面に嵌め込まれる外輪１６ｂと、これらの内外輪間に配置された複数個の転動体１６ｃと、転動体１６ｃを潤滑に転動させるための潤滑油（図示省略）と、潤滑油を封入するためのシール板（図示省略）とを備えて構成されている。内輪１６ａ、外輪１６ｂ、転動体１６ｃおよびシール板は、一般に鉄などの導体性の金属で構成される。シール板は外輪に固定されており、外輪と共に回転する。なお、シール板は外輪とは電気的に接続されている一方で、内輪とは接触していない。

反負荷側軸受１７も負荷側軸受１６と同様に構成される。反負荷側軸受１７の構成要素も負荷側軸受１６の構成要素と同一もしくは同等であり、詳細な説明は省略する。

回転子組立部１８がモールド固定子１の開口部２９から凹部２６へ挿入された際、シャフト１０に取り付けられた負荷側軸受１６がハウジング１９に組み込まれる。そして、負荷側軸受１６側のシャフト１０の一端はハウジング１９を貫通し、このシャフト１０には上述したファン等が取り付けられる。一方、シャフト１０の他端には反負荷側軸受１７が取り付けられており、ブラケット２５がモールド樹脂部２の内周部へ圧入され開口部２９を塞ぐようにして嵌め込まれる際、このブラケット２５の内側に反負荷側軸受１７が組み込まれる。

駆動回路基板４には、シャフト１０および負荷側軸受１６を貫通する貫通孔８ａが形成されている。貫通孔８ａが形成された駆動回路基板４は、インシュレータ９に保持される。駆動回路基板４は、シャフト１０の軸線方向において負荷側軸受１６と巻線７との間に配設され、軸線方向に対して垂直に配置される。なお、ここでいう垂直とは、シャフト１０の軸線方向に対して９０度である必要はなく、９０度からずれていてもよい。

つぎに、駆動回路基板４に搭載される駆動回路部品の詳細について、図３から図７の図面を参照して説明する。図３は、図１に示す駆動回路基板４に配置される回路部品を反負荷側から視認した場合の平面図であり、図４は、同じ駆動回路基板４を負荷側から視認した場合の平面図である。図５は、駆動回路基板４におけるパワーＩＣ２２が搭載される部位の部分断面図である。図６は、駆動回路部品の電気的な接続関係を示すブロック図である。図７は、パワーＩＣ２２の内部の構成を示す回路図である。

図３に示すように、駆動回路基板４の反負荷側、すなわち固定子側には、ホールＩＣ２１、パワーＩＣ２２および制御ＩＣ２３が搭載されている。ホールＩＣ２１は、回転子１５の回転位置を検出するための磁極位置センサであり、ホール素子などが代表的である。パワーＩＣ２２は、固定子５の巻線７に駆動電圧を印加する駆動素子であり、図５に示すように第１の放熱パターンである放熱パターン３０を介して駆動回路基板４に搭載されている。制御ＩＣ２３は、ホールＩＣ２１の検出情報に基づいてパワーＩＣ２２をパルス幅変調（Pulse Width Modulation：ＰＷＭ）制御するためのＰＷＭ信号を生成する制御素子である。なお、パワーＩＣ２２と制御ＩＣ２３とは駆動ＩＣとして一体的に形成することも可能である。

一方、駆動回路基板４の負荷側には、図４に示すように、パワーＩＣ２２で発生した熱を放熱するための第２の放熱パターンである放熱パターン３２が設けられている。パワーＩＣ２２と放熱パターン３２とは、図５に示すように、パワーＩＣ２２で発生した熱を伝え易くするために熱伝導率の高い金属で形成された放熱パターン３０および熱伝導率の高い金属が注入されたスルーホール３４を介して接続されている。熱伝導率の高い金属としては、銅または銀などが例示される。なお、図３から図５に示すコネクタ６、ホールＩＣ２１、パワーＩＣ２２および制御ＩＣ２３の配置位置は一例であり、他の配置も許容されることは言うまでもない。ただし、ホールＩＣ２１は、回転子１５の回転数との関係で位置が規定されるものであり、詳細については後述する。

駆動回路基板４に搭載されたホールＩＣ２１、パワーＩＣ２２および制御ＩＣ２３は、図６のように接続されて電動機１００を駆動する。より詳細に説明すると、ホールＩＣ２１が検出した回転子１５の位置情報（以下「回転子位置情報」もしくは単に「位置情報」と称する）を含む信号である磁極位置信号は、制御ＩＣ２３に入力される。制御ＩＣ２３には、回転子１５の回転速度を指令するための回転数指令（回転速度指令）も付与される。制御ＩＣ２３は、ホールＩＣ２１からの磁極位置信号および外部からの回転数指令に基づいて、パワーＩＣ２２を制御するためのＰＷＭ信号を生成してパワーＩＣ２２に付与する。なお、制御ＩＣ２３には、進角算出部２００が設けられている。進角算出部２００は、電動機１００の回転数の情報を含む回転数信号を生成して外部に出力すると共に、電動機１００の運転効率を最大にする進角、すなわち最適進角、および、高回転域での運転効率を高めた進角もしくは高回転域での騒音を小さくする進角を算出する構成部である。進角算出部２００の詳細については後述する。

パワーＩＣ２２は、図７に示すように、インバータ回路１１４およびアーム駆動回路１１６を含んで構成される。インバータ回路１１４は、電動機１００における三相の巻線７（図１参照）を駆動する３対の上下アームのスイッチング素子１１４ａ〜１１４ｆがブリッジ接続されて構成される。スイッチング素子１１４ａ〜１１４ｆのうち、スイッチング素子１１４ａ，１１４ｄはＵ相の上下アームを構成し、スイッチング素子１１４ｂ，１１４ｅはＶ相の上下アームを構成し、スイッチング素子１１４ｃ，１１４ｆはＷ相の上下アームを構成する。

上下アームのスイッチング素子同士の接続点は交流端として引き出され固定子に接続される。一方、上アーム同士の接続点と下アーム同士の接続点は直流端として引き出され整流回路１１２に接続される。整流回路１１２は、商用電源１１０の交流電圧を直流電圧に変換してインバータ回路１１４に印加する。制御ＩＣ２３は、上下アームのスイッチング素子１１４ａ〜１１４ｆをＰＷＭ駆動するためのＰＷＭ信号を生成してアーム駆動回路１１６に出力する。アーム駆動回路１１６には、上アームのスイッチング素子１１４ａ〜１１４ｃを駆動する上アーム駆動回路１１６ａと、下アームのスイッチング素子１１４ｄ〜１１４ｆを駆動する下アーム駆動回路１１６ｂとが設けられている。上アーム駆動回路１１６ａおよび下アーム駆動回路１１６ｂは、ＰＷＭ信号に基づいて駆動対象のスイッチング素子を駆動する。スイッチング素子１１４ａ〜１１４ｆが駆動されることにより、整流回路１１２からの直流電圧が可変周波数の交流電圧に変換される。変換された交流電圧は、駆動回路基板４と巻線７とを電気的に接続する巻線端子２４（図１参照）を介して巻線７に印加され、電動機１００が駆動される。

図８は、進角算出部２００の構成を示すブロック図である。進角算出部２００は、図８に示すように、ホール信号に基づいて電動機１００の回転数の情報を含む回転数信号を生成する回転数信号生成部２０２と、回転数信号生成部２０２が生成した回転数信号に基づいて進角の情報を表す電圧信号を生成する進角電圧信号生成部２０４と、進角電圧信号生成部２０４が生成したアナログ信号である電圧信号を進角の情報を表すディジタル信号に変換するＡＤ変換部２０６とを備えて構成される。

ここで、ホールＩＣ２１から出力されるホール信号はディジタル信号であるが、回転数信号生成部２０２にてアナログ信号に変換される。すなわち、回転数信号生成部２０２は、ディジタル信号をアナログ信号に変換するＤＡ変換の機能も担っている。なお、上述したように、回転数信号生成部２０２が生成した回転数信号は、他の制御のため、進角算出部２００の外部に出力される。

進角電圧信号生成部２０４は、回転数信号に含まれる情報、すなわちモータの回転数に比例する大きさの電圧値を有する電圧信号を生成する回路である。進角電圧信号生成部２０４によって生成された電圧信号の振幅が進角の大きさを表している。このため、ＡＤ変換部２０６が電圧信号をＡＤ変換することによって進角を表すディジタル信号が出力される。後述するように、電動機１００に付与する印加電圧の進角はディジタル信号によって離散的に制御される。

図９は、回転数信号生成部２０２および進角電圧信号生成部２０４を具現する回路構成の一例を示す回路図である。図９において、第１の回路ブロック２０２ａは回転数信号生成部２０２を具現する回路例であり、第２の回路ブロック２０４ａおよび第３の回路ブロック２０４ｂは進角電圧信号生成部２０４を具現する回路例である。

第１の回路ブロック２０２ａは、コンパレータ２５０、切替スイッチ２５２、コンデンサ素子２５４，２５６および抵抗素子２５８を有して構成される。第１の回路ブロック２０２ａは、ホール信号を回転数信号に変換する機能を担任する。また、第２の回路ブロック２０４ａは、オペアンプ２６０を有して構成される。

切替スイッチ２５２は、１回路２接点のスイッチであり、基点ｂ、第１の切替接点ｕ１および第２の切替接点ｕ２を有する。ホール信号は、コンデンサ素子２５４および切替スイッチ２５２の第１の切替接点ｕ１を介してコンデンサ素子２５６に入力されると共に、コンデンサ素子２５４を介してコンパレータ２５０のプラス端子に入力される。この構成により、コンパレータ２５０のプラス端子には、コンデンサ素子２５４，２５６による分圧電圧が印加される。コンパレータ２５０のマイナス端子には基準電圧Ｖ_ｒｅｆが入力されており、コンパレータ２５０は、ホール信号の分圧電圧と基準電圧Ｖ_ｒｅｆとの大小関係が比較される。

ホール信号の分圧電圧が基準電圧Ｖ_ｒｅｆよりも大きい場合、コンパレータ２５０は、第１の切替接点ｕ１と基点ｂとが電気的に接続されるように切替スイッチ２５２を制御し、ホール信号の分圧電圧が基準電圧Ｖ_ｒｅｆ以下の場合、コンパレータ２５０は、第２の切替接点ｕ２と基点ｂとが電気的に接続されるように切替スイッチ２５２を制御する。

切替スイッチ２５２において、第１の切替接点ｕ１と基点ｂとが電気的に接続された場合、ホール信号による電圧パルスがコンデンサ素子２５６に印加され、電圧パルスが生じている期間の電圧（電荷）がコンデンサ素子２５６に蓄電（蓄積）される。一方、第２の切替接点ｕ２と基点ｂとが電気的に接続された場合、コンデンサ素子２５６と抵抗素子２５８とが電気的に接続され、コンデンサ素子２５６に蓄電された電圧は抵抗素子２５８を介して放電される。なお、放電の速さは、コンデンサ素子２５６の容量値と抵抗素子２５８の抵抗値との積である時定数τに依存する。時定数τが大きければ放電の速度は遅く、時定数τが小さければ放電の速度は速くなる。

このようにして、コンデンサ素子２５６には、ホール信号の電圧パルスが出現する頻度、すなわちホール信号の周期に応じた電圧が蓄電される。電動機の回転数が速くなれば、電圧パルスの繰り返し周期は短くなるので、蓄電される電圧は大きくなり、電動機の回転数が遅くなれば、電圧パルスの繰り返し周期は長くなるので、蓄電される電圧は小さくなる。

コンデンサ素子２５６に蓄電されたホール信号の分圧電圧は、第２の回路ブロック２０４ａのオペアンプ２６０におけるプラス端子に印加される。オペアンプ２６０の出力端子はオペアンプ２６０のマイナス端子に戻されており、第２の回路ブロック２０４ａはバッファ回路を構成する。バッファ回路を構成する第２の回路ブロック２０４ａによって、第１の回路ブロック２０２ａの動作と、第３の回路ブロック２０４ｂの動作とは、互いに干渉なく、すなわち相互の動作の影響を受けないように動作することが可能となる。

第２の回路ブロック２０４ａのオペアンプ２６０の出力は、第３の回路ブロック２０４ｂに入力される。第３の回路ブロック２０４ｂは、オペアンプ２６２、抵抗素子２６４，２６６、および、抵抗素子２６８ａとコンデンサ素子２６８ｂとが並列接続されたフィードバック回路２６８を有して構成される。第３の回路ブロック２０４ｂは、後述する進角制御を行うための電圧信号を生成する。

第２の回路ブロック２０４ａのオペアンプ２６０の出力であるコンデンサ素子２５６に蓄電された電圧は、抵抗素子２６４を介してオペアンプ２６２のマイナス端子に印加され、オペアンプ２６２のプラス端子には、抵抗素子２６６を介してＧＮＤ電位（零電位）が印加される。フィードバック回路２６８が接続された第３の回路ブロック２０４ｂは、回路全体で積分回路を構成しており、電動機の回転数の変化量に対する進角の変化量の比、すなわち電動機の回転数の変化するときの進角の変化率が従来よりも小さくなるような電圧信号を生成する。また、この制御は、図６および図８のブロック図ならびに図９の回路図から理解できるように、制御ＩＣ２３の構成のみを変更することで実現可能である。また、図８のブロック図から理解できるように、ＡＤ変換部２０６に手を加えることなく実現可能である。

なお、図９の構成では、抵抗素子２６８ａとコンデンサ素子２６８ｂとを並列接続したフィードバック回路２６８を制御ＩＣ２３の内部の構成要素としているが、制御ＩＣ２３に外部から接続する回路要素としてもよい。制御ＩＣ２３の外部の回路要素とすれば、抵抗素子２６８ａの抵抗値およびコンデンサ素子２６８ｂの容量値を変更することができるので、電動機で駆動される負荷の仕様、電動機が搭載される機器の用途または設置環境に応じた進角制御が可能になるという効果が得られる。

図１０は、ホールＩＣの搭載位置を従来と本実施の形態とで比較した図である。図１０（ａ）には従来の搭載位置、図１０（ｂ）には本願搭載位置を示している。図１０（ａ）と図１０（ｂ）との比較から明らかなように、従来と本願発明とではホールＩＣの搭載位置が異なっている。図１０（ａ）および図１０（ｂ）には貫通孔８ａの中心を通る仮想線Ｑ１を一点鎖線で示しているが、モータ回転方向に沿って先頭側に位置するホールＩＣ２１Ａ（本願）と、ホールＩＣ２１Ａ’（従来）とで比較すると、ホールＩＣ２１Ａ’の位置は回転子１５の回転数が０のとき位相角が０度となる位置に設けられ、本願発明のホールＩＣ２１Ａの仮想線Ｑ１に対する成す角θ１は、従来のホールＩＣ２１Ａ’の仮想線Ｑ１に対する成す角θ１’よりも小さい、すなわちθ１＜θ１’の関係になっている。このようなθ１＜θ１’の関係で配置されることにより、ホールＩＣ２１Ａの位置は回転子１５の回転数が０のとき位相角が０度よりも進み角となる位置に設けられ、本願発明のホールＩＣ２１Ａによって検出される位相角は、従来のホールＩＣ２１Ａ’によって検出される位相角よりも進み角となる。

図１１および図１２は、電動機の回転数と進角電圧との関係を示すグラフである。図１１は進角電圧の値が比較的に大きいとき、図１２は進角電圧の値が比較的に小さいときを示している。縦軸の進角電圧は、図８に示す進角電圧信号生成部２０４が生成する進角電圧信号の大きさである。

図１１および図１２のそれぞれにおいて、実線で示す曲線ｔｙｐは典型値を表し、破線で示す曲線のうち上側の曲線ｍａｘは典型値に＋１０％を加算した値を表し、下側の曲線ｍｉｎは典型値に−１０％を加算した値、すなわち典型値に１０％を減算した値を表している。

進角電圧は、図１１および図１２に示すように、典型値を中心にばらつくが、ばらつきの範囲は進角電圧が小さいときの方が、ばらつきの絶対値が小さいことが分かる。また、曲線ｍａｘと曲線ｍｉｎの間は、曲線ｔｙｐの進角電圧のばらつきを示している。

図１３は、電動機の回転数に応じた離散的な進角制御曲線の変化を示すグラフである。本実施の形態の制御演算では、制御ＩＣ２３による離散的な制御を行うことを前提としているため、進角制御のための制御値は図１３に示すように階段状の曲線になっている。進角の進み幅（階段状の曲線における段の高さ）は、回路の規模によって決まり、その幅が一定であるため離散的に変化するが、回転数は、回転数信号生成部２０２における抵抗素子２５８の抵抗値とコンデンサ素子２５６の容量値との積である時定数τを調整することにより連続的に変更可能である。図１３において、実線で示す進角制御曲線に対し、時定数を大きく設定すれば、破線で示すように進角制御曲線の傾きは小さくなり、時定数を小さく設定すれば、一点鎖線で示すように進角制御曲線の傾きは大きくなる。

図１４は、電動機の運転効率が最大となる最適進角を第１の最適進角として、電動機の騒音が最小となる最適進角を第２の最適進角として示し、第１の最適進角特性および第２の最適進角特性を、電動機の回転数と進角の関係を表すグラフに示したものである。図１４に示すように第１の最適進角および第２の最適進角は、電動機の回転数の増加に応じて進角が大きくなる特性を有している。

図１５は、電動機の回転数に応じた最適進角特性および離散的な進角制御曲線を従来と本実施の形態とを比較したグラフである。図１５（ａ）では従来技術に係る進角制御曲線を併記し、図１５（ｂ）では本実施の形態に係る進角制御曲線を併記している。なお、図１５（ｂ）に示す進角制御曲線上の値は、進角算出部２００（図６および図８参照）によって算出される。

図１５（ａ）および図１５（ｂ）において、細線で示す曲線Ｋ１は最適進角を表している。また、図１５（ａ）および図１５（ｂ）において、それぞれ太線で示す曲線Ｌ１，Ｌ２は、電動機の制御を行うときに回転数に応じて設定される進角値である。なお、第１の最適進角特性と進角制御曲線との関係と、第２の最適進角特性と進角制御曲線との関係は同様であるため、図１５および図１６では、第１の最適進角と第２の最適進角を区別せずに、最適進角と称して説明する。

図１５（ａ）と図１５（ｂ）とを比較すると、以下のことが明らかである。なお、以下の説明において、電動機の回転数が１０００ｒｐｍまでを低回転域と称し、電動機の回転数が１０００ｒｐｍから１３００ｒｐｍまでの範囲を中回転域と称し、電動機の回転数が１５００ｒｐｍ以上を高回転域と称する。なお、これらの区分は便宜上であり、低回転域、中回転域および高回転域の範囲が、これらの数値に限定されるものではない。

（ｉ）中回転域および高回転域において、最適進角を算出する従来曲線Ｌ１では最適進角曲線Ｋ１に重なるように変化させているが、本実施の形態の曲線（以下「本願曲線」または単に「曲線」と称する）Ｌ２では、高回転域である破線部Ｍ１でのみ最適進角曲線Ｋ１に重なるように変化させる一方で、低回転域および中回転域では、最適進角曲線Ｋ１上の進角よりも大きな値、すなわち最適進角曲線Ｋ１上の進角よりも進みを増やした進角で変化させている。なお、進角制御の進み角を大きくする度合いは、抵抗素子２５８の抵抗値およびコンデンサ素子２５６の容量値のうちの少なくとも一つを変更することで調整可能である。
（ii）本願曲線Ｌ２の傾きは、従来曲線Ｌ１の傾きよりも小さくなっている。
（iii)従来曲線Ｌ１の切片は０［°］であるのに対し、本願曲線Ｌ２の切片はオフセットされた値（図１５（ｂ）の例では４．６〜４．７［°］程度）に設定されている。なお、オフセット値が生ずるのは、図１０に示すように、ホールＩＣ２１で検出される位相角が従来よりも進み角となるように、位置をずらして配置しているからである。
（iv）進角制御曲線上の進角値が同一値を維持するときの回転数範囲ΔＲは、従来曲線Ｌ１よりも本願曲線Ｌ２の方が広くなっている（例えばΔＲ２＞ΔＲ１）。この理由は、従来曲線Ｌ１の傾きよりも本願曲線Ｌ２の傾きの方が小さくなるように設定されているからである。

図１５（ｂ）に示す進角制御曲線によって電動機の回転制御を行えば、進角制御曲線上の進角値が同一値を維持するときの回転数範囲が従来よりも広くなるので、電動機が駆動する負荷の回転制御を安定的に行うことが可能となる。また、図１５（ｂ）に示す進角制御曲線によれば、高回転域では最適進角曲線Ｋ１に追従するように制御されるので、高回転域での運転効率を高めることができるという効果が得られる。

なお、本願曲線Ｌ２における縦軸の切片、すなわちオフセット値をあまり大きくし過ぎると、低回転域での運転効率が低下する。このため、オフセット値が１５［°］を超えないようにホールＩＣ２１を配置することが好ましく、オフセット値が１０［°］以下であればさらに好ましい。

図１６は、本実施の形態に係る図１５（ｂ）とは異なる進角制御曲線を示すグラフである。図１６において、最適進角曲線Ｋ１は図１５（ｂ）と同一の曲線である。また、曲線Ｌ３は、図１５（ｂ）に示す曲線Ｌ２よりも傾きを小さくしている。

上述の通り、曲線Ｌ３は曲線Ｌ２よりも傾きが小さく設定されているので、図１６において、中回転域における破線部Ｍ２では、最適進角曲線Ｋ１に追従するように制御されるので、中回転域での運転効率を高めることができるという効果が得られる。なお、曲線Ｌ３では、曲線の傾きが図１５（ａ）に示す従来曲線Ｌ１よりも小さく設定されているので、負荷の回転制御を従来よりも安定的に行うことが可能となることは言うまでもない。

図１７は、電動機１００を駆動するシステムを電動機駆動装置１４０と、上位制御装置１５０とに区分して示したシステム構成図である。図１７において、電動機駆動装置１４０は、図６に示す駆動回路基板４に相当し、上位制御装置１５０は、室外機を駆動する駆動回路基板もしくは室内機を駆動する駆動回路基板に相当する。また、図１８は、電動機駆動装置１４０および上位制御装置１５０による電動機１００の回転数制御に係る制御フローを示すフローチャートである。

次に、図１７および図１８を参照して電動機駆動装置１４０に対する回転数制御について説明する。なお、以下の説明では、電動機１００の回転数を「モータ回転数」と称する。また、目標回転数として許容できる回転数範囲を±αとする。このとき、目標回転数の上限値は“目標回転数＋α”となり、目標回転数の下限値は“目標回転数−α”となる。なお、典型的なαの値としては、２０ｒｐｍ程度が例示される。

図１７に示すように、上位制御装置１５０には電動機駆動装置１４０から回転数情報が入力される。上位制御装置１５０は、回転数情報により、モータ回転数を算出する（ステップＳ１０１）。上位制御装置１５０は、モータ回転数が“目標回転数＋α”以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０２）。モータ回転数が“目標回転数＋α”以上である場合には（ステップＳ１０２，Ｙｅｓ）、電動機駆動装置１４０に対して回転数指令を下げる制御を行う（ステップＳ１０３）。なお、ステップＳ１０３の制御の後は、ステップＳ１０１に戻る。

一方、モータ回転数が“目標回転数＋α”未満である場合には（ステップＳ１０２，Ｎｏ）、さらにモータ回転数が“目標回転数−α”以下であるか否かを判定し（ステップＳ１０４）、“目標回転数−α”以下であれば（ステップＳ１０４，Ｙｅｓ）、電動機駆動装置１４０に対して回転数指令を上げる制御を行い（ステップＳ１０５）、“目標回転数−α”を超えていれば（ステップＳ１０４，Ｎｏ）、ステップＳ１０５の制御はスキップする。なお、ステップＳ１０５の制御の後、およびステップＳ１０４で”Ｎｏ”の判定後は、ステップＳ１０１の処理に戻り、上記の処理を繰り返す。

以上説明したように、本実施の形態に係る電動機によれば、回転数に対する進角の変化率が、電動機の運転効率が最大もしくは電動機の騒音が最小となる進角の変化率よりも小さくなるような進角を生成して電動機を駆動するので、コストの増加を抑制しつつ、負荷の回転制御を安定的に行うことが可能となる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

例えば、図１９は、本実施の形態に係る電動機の他の例を示す側面断面図であり、図２０は、図１９に示す駆動回路基板４に配置される回路部品を反負荷側から視認した場合の平面図であり、図２１は、図１９に示す駆動回路基板４に配置される回路部品を負荷側から視認した場合の平面図である。図１では面実装部品であるパワーＩＣ２２を反負荷側に搭載していたが、図１９および図２１に示すように、リードタイプ部品であるパワーＩＣ２７を負荷側に搭載している。このような構成の電動機も、本発明の要旨に含まれることは言うまでもない。

図２２は、本実施の形態に係る電動機の製造方法を示すフローチャートである。図２２のフローチャートを参照し、本実施の形態に係る電動機の製造方法について説明する。なお、図２２では、符号の表記を省略している。

ステップＳ１０〜ステップＳ１４までは、モールド固定子１の製作フローである。ステップＳ１０では、電磁鋼板を積層し、固定子鉄心８を製作する。ステップＳ１１では、固定子鉄心８とインシュレータ９を一体成型する。ステップＳ１２では、固定子鉄心８の各スロットに巻線を巻きつけ、固定子５を製作する。ステップＳ１３では、駆動回路基板４を固定子５に取り付け、固定子組み立て部３を製作する。ステップＳ１４では、樹脂に一体成型し、モールド固定子１を製作する。

モールド固定子１の製作に並行して、回転子組立部１８を製作する。ステップＳ２０〜ステップＳ２２までは、回転子組立部１８の製作フローである。ステップＳ２０では、回転子磁石を製作する。ステップＳ２１では回転子磁石１３、位置検出用磁石１１およびシャフト１０を樹脂にて一体成型し、回転子１５を製作する。ステップＳ２２では、負荷側軸受１６、反負荷側軸受１７をシャフト１０に圧入し、回転子組立部１８を製作する。

ステップＳ３０では、モールド固定子１の凹部２６に回転子組立部１８を挿入し、ブラケット２５で凹部２６の開口部２９を塞ぎ、電動機１００を製作する。

本実施の形態に係る電動機の製造方法を用いることにより、例えば図１に示す電動機１００および図１９に示す電動機１００を製造することができる。

１ モールド固定子、２ モールド樹脂部、３ 固定子組立部、４ 駆動回路基板、５ 固定子、６ コネクタ、７ 巻線、８ 固定子鉄心、８ａ 貫通孔、９ インシュレータ、１０ シャフト、１１ 位置検出用磁石、１２ 回転子絶縁部、１３ 回転子磁石、１５ 回転子、１６ 負荷側軸受、１６ａ 内輪、１６ｂ 外輪、１６ｃ 転動体、１７ 反負荷側軸受、１８ 回転子組立部、１９ ハウジング、２１，２１Ａ，２１Ａ’ ホールＩＣ（磁極位置センサ）、２２ パワーＩＣ（駆動素子：面実装部品）、２３ 制御ＩＣ（制御素子）、２４ 巻線端子、２５ ブラケット、２６ 凹部、２７ パワーＩＣ（駆動素子：リードタイプ部品）、２９ 開口部、３０ 放熱パターン（第１の放熱パターン）、３２ 放熱パターン（第２の放熱パターン）、３４ スルーホール、１００ 電動機、１１０ 商用電源、１１２ 整流回路、１１４ インバータ回路、１１４ａ〜１１４ｆ スイッチング素子、１１６ アーム駆動回路、１１６ａ 上アーム駆動回路、１１６ｂ 下アーム駆動回路、１４０ 電動機駆動装置、１５０ 上位制御装置、２００ 進角算出部、２０２ 回転数信号生成部、２０２ａ 第１の回路ブロック、２０４ 進角電圧信号生成部、２０４ａ 第２の回路ブロック、２０４ｂ 第３の回路ブロック、２０６ ＡＤ変換部、２５０ コンパレータ、２５２ 切替スイッチ（ｂ 基点、ｕ１ 第１の切替接点、ｕ２ 第２の切替接点）、２５４，２５６，２６８ｂ コンデンサ素子、２５８，２６４，２６６，２６８ａ 抵抗素子、２６０，２６２ オペアンプ、２６８ フィードバック回路、３００ 空気調和機、３００ａ 室内機、３００ｂ 室外機、３１０ ファン。

Claims (7)

1. 固定子と、
   前記固定子の内部に回転可能に設けられた回転子と、
   前記固定子に駆動電圧を印加する駆動素子、前記回転子の回転位置を検出する磁極位置センサ、前記磁極位置センサからの磁極位置信号と磁極位置信号に基づいて算出される回転数情報により前記駆動電圧の位相を調整する制御素子、を有する基板と、
   を備え、
   前記磁極位置センサは、前記回転子の回転数が０のとき、０より大きい進角が前記制御素子から出力されるように取り付けられ、
   前記制御素子は、前記回転子を回転制御するときの低回転域では、電動機の騒音が最小となる最適進角よりも大きな進角を出力し、
   進角制御による進角が同一値を維持するときの回転数範囲が前記回転数の増加に応じて小さくなり、
   前記制御素子は、前記回転子を回転制御するときの中回転域では、前記電動機の騒音が最小となる最適進角に追従する進角を出力する
   電動機。
2. 固定子と、前記固定子に対して回転可能に設けられた回転子と、を備えた電動機であって、
   前記電動機は、
   前記固定子に駆動電圧を印加する駆動素子、前記回転子の回転位置を検出する磁極位置センサ、および前記磁極位置センサからの磁極位置信号と磁極位置信号に基づいて算出される回転数情報により前記駆動電圧の位相を調整する制御素子を有する基板を備え、
   前記磁極位置センサは、前記回転子の回転数が０のとき、０より大きい進角が前記制御素子から出力されるように取り付けられ、
   前記制御素子は、前記回転子を回転制御するときの低回転域では、電動機の騒音が最小となる最適進角よりも大きな進角を出力し、
   前記回転子の回転数の変化量に対する前記進角の変化量の比である前記進角の変化率は、前記電動機の騒音を最小とする最適進角を表す曲線における前記回転数に対する進角の変化率よりも小さく、
   進角制御による進角が同一値を維持するときの回転数範囲が前記回転数の増加に応じて小さくなり、
   前記制御素子は、前記回転子を回転制御するときの中回転域では、前記電動機の騒音が最小となる最適進角に追従する進角を出力する
   電動機。
3. 前記制御素子の外部には、抵抗素子とコンデンサ素子とが設けられ、
   前記抵抗素子の抵抗値および前記コンデンサ素子の容量値のうちの少なくとも一つを変更することにより前記進角を大きくする度合いを調整する請求項１または２に記載の電動機。
4. 前記制御素子は、
   前記磁極位置センサからの信号に基づいて前記電動機の回転数の情報を含む回転数信号を生成する回転数信号生成部と、
   前記回転数信号に基づいて進角の情報を表す電圧信号を生成する進角電圧信号生成部と、
   前記進角電圧信号生成部が生成したアナログ信号である電圧信号を進角の情報を表すディジタル信号に変換するＡＤ変換部と、
   を備えた請求項１から３の何れか１項に記載の電動機。
5. 前記駆動素子は第１の放熱パターンを介して前記基板に搭載され、前記基板における前記駆動素子の非搭載面側には第２の放熱パターンが設けられ、前記第１の放熱パターンと前記第２の放熱パターンとは金属が注入されたスルーホールを介して接続されている請求項１から４の何れか１項に記載の電動機。
6. 請求項１から５の何れか１項に記載の電動機を搭載した送風機。
7. 請求項１から５の何れか１項に記載の電動機を搭載した空気調和機。

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