JP7450822B2 - 誘導電動装置および送風機 - Google Patents

Description

本願は、誘導電動装置および送風機に関するものである。

誘導電動機の回転速度（同期回転速度）Ｎｓ〔ｒ／ｍｉｎ〕は、ステータに供給される電源周波数ｆ〔Ｈｚ〕とステータの極数Ｐとによって、Ｎｓ＝１２０ｆ／Ｐとして求められる。日本国内においては、商用周波数が６０Ｈｚであることから、極数を最小の２としても、３６００ｒ／ｍｉｎが最大回転速度である。

一般に電動機の出力は、回転数とトルクの積で表すことができ、トルクは電動機の体格に影響を与える（つまり材料費に直結する）。このため、同一出力であっても回転数を高くすることで、トルクを小さくでき、電動機の体格を小さくすることができる。また電動機の軸に羽根を取り付けて空気を送る送風機において、回転数を上げることで大風量化を実現することができる。

しかし、同期回転速度Ｎｓを超える誘導電動機とするには、インバータなどの複雑で高価なパワーモジュール機器を使用する必要があった。
インバータなどの高価な機器を使用せずに速度を変更する構成として、例えば、特許文献１においては、単相誘導電動機のステータに巻くコイルを、主巻線と補助巻線に分け、主巻線にタップを設け、巻数を切り替えて速度を変更することが提案されている。

特許第５６３１５０８号公報

しかし、特許文献１に提案されている構成では、同期回転速度に比べて低い回転速度に変更することができるが、高速に切替えるものではなく、誘導電動機の高出力化に貢献するものではなかった。
このため、送風機の風力を増加させるという要求に対しては、インバータ等が必要となっていた。

本願は、インバータ等のパワーモジュール機器を使用せずに、誘導電動機の回転速度を、同期回転速度Ｎｓを超える回転速度とする誘導電動装置を提供することを目的としている。

本願に開示される誘導電動装置は、交流電源から入力された電力を全波整流する全波整流回路、前記全波整流回路に接続され、全波整流された電圧値を予め定められた直流成分によってオフセットするＤＣオフセット回路、および前記ＤＣオフセット回路に接続され前記ＤＣオフセット回路の出力電圧の周波数に基づいて運転される誘導電動機を備え、前記ＤＣオフセット回路が、抵抗、前記抵抗に直列接続されたスイッチ、および前記抵抗と前記スイッチとの直列の接続体を前記誘導電動機の主巻線および補助巻線に対して並列に接続するコンデンサを有し、前記スイッチによって全波整流された前記電圧値が最大となる電気角の時点に前記抵抗を導通させ、電圧値が最大となる前記時点から所定遅れの電気角の時点において前記抵抗を前記誘導電動機の前記主巻線および前記補助巻線から断線させるようにしたことを特徴とする。

本願の誘導電動装置によれば、インバータ等の機器を使用することなく、誘導電動機の回転速度を、同期回転速度を超える回転速度にすることができる。

本願の実施の形態１の誘導電動装置の回路図である。 本願の実施の形態１の電圧波形図である。 本願の実施の形態１の電圧波形図である。 本願の実施の形態１の電流波形図である。 本願の実施の形態１の誘導電動装置の断面図である。 本願の実施の形態１の誘導電動装置の外観図である。 本願の実施の形態２の誘導電動装置の回路図である。 本願の実施の形態２の電圧波形図である。 本願の実施の形態２の電流波形図である。 本願の実施の形態３の誘導電動装置の回路図である。 本願の実施の形態４の誘導電動装置の回路図である。 本願の実施の形態５の誘導電動装置の回路図である。 本願の実施の形態５の電圧波形図である。 本願の実施の形態５の電流波形図である。 本願の実施の形態６の誘導電動装置の回路図である。 本願の実施の形態６の誘導電動装置の入力電圧の損失の説明図である。 本願の実施の形態６の電圧波形図である。 本願の実施の形態６の電流波形図である。 本願の実施の形態３、５および６の制御装置の概略構成を示すブロック図である。 本願の実施の形態７の送風機の一部断面図である。

実施の形態１．
本願の誘導電動装置の構成について、図１に基づいて説明する。なお、以後の図面において、同一符号は、各々同一または相当部分を示す。
図１は、実施の形態１に係る誘導電動装置１００の構成の一例を示すものである。
この誘導電動装置１００は、交流電源１の電力を受けて、全波整流をする全波整流回路１０、ＤＣオフセット回路２０および誘導電動機３０を備えている。

交流電源１は、単相であって、例えば、実効値１００Ｖ、周波数６０Ｈｚの正弦波交流電源である。この交流電源１は、全波整流回路１０の入力端子（交流側）に接続されている。全波整流回路１０は、４個のダイオード１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄによるダイオードブリッジによって構成されており、全波整流回路１０の出力端子（直流側）には、ＤＣオフセット回路２０が接続されている。

ＤＣオフセット回路２０は、抵抗２１とコンデンサ２２によって構成されており、ＤＣオフセット回路２０の出力端子は、誘導電動機３０が接続されている。ＤＣオフセット回路２０の抵抗２１は、誘導電動機３０の巻線（主巻線３１と補助巻線３２）に対して並列になるように誘導電動機３０の端子Ｔ１に接続されている。また、ＤＣオフセット回路２０のコンデンサ２２は、誘導電動機３０の端子Ｔ２に対して直列に接続されている。ここで、誘導電動機３０は、単相誘導電動機である。

図１に示した交流電源１と全波整流回路１０との接続端子ｐ１‐ｐ２、全波整流回路１０とＤＣオフセット回路２０との接続端子ｐ３‐ｐ４、ＤＣオフセット回路２０と誘導電動機３０との接続端子ｐ５‐ｐ６のそれぞれの接続端子における電圧波形を図２に示す。
なお、図２と同様の波形図は、波形が繰り返されることから正規化して表している。
それぞれの電圧波形図の横軸は電気角（位相）であり、縦軸は電圧である。

接続端子ｐ１‐ｐ２間の電圧は、図２（ａ）に示すように、一般的な単相交流電圧である。この時の電圧の周波数ｆ１は、６０Ｈｚである。
接続端子ｐ３‐ｐ４間の電圧は、図２（ｂ）に示すように、全波整流回路１０によって電圧の負成分が正成分にされている。この時の周波数ｆ２は、周波数ｆ１の２倍となっている。

接続端子ｐ５‐ｐ６間の電圧は、図２（ｃ）に示すように、図２（ｂ）に比べて負の領域に存在している。すなわち、図２（ｂ）に比べて、直流成分をオフセットしている。この予め定められた直流成分のオフセットがＤＣオフセット回路２０の役割である。この時の周波数ｆ３は、周波数ｆ１の２倍であり、誘導電動機３０への入力電源を、交流電源１の２倍の周波数にすることができる。なお、図２（ｃ）のオフセットについては、電圧の正の領域と負の領域との面積がほぼ等しい面積となるように設定している。

すなわち、直流成分のオフセットは、電圧波形の平均値Ｖａｖを電圧値ゼロの位置になるようにオフセットしている。この平均値Ｖａｖは、電圧波形の最大値Ｖｍから、Ｖａｖ＝（２／π）Ｖｍによって求めることができる。
ここで、平均値にオフセットする場合のシミュレーションの結果を図３に示す。
図３（ａ）は、接続端子ｐ３‐ｐ４間の電圧であって、図３（ｂ）は、接続端子ｐ５‐ｐ６間の電圧であり、ＤＣオフセットを行なった後の波形である。

この電圧を印加した場合に、コンデンサ２２に流れる電流Ｉ（Ｃ）、誘導電動機３０の主巻線３１に流れる電流Ｉ（Ｍ）、補助巻線３２に流れる電流Ｉ（Ｓ）の波形を図４に示す。
この図４では、電圧の変化による電流の流れを表している。すなわち、全波整流回路１０に印加された電圧が、波形の谷部から波形の頂点に変化するときにＤＣオフセット回路２０のコンデンサ２２に電荷がチャージされる。このときにコンデンサ２２を経由して誘導電動機３０の主巻線３１と補助巻線３２にプラスの電流が流れる。

次に、全波整流回路１０の電圧が波形の頂点から波形の谷部にいくときコンデンサ２２にチャージされた電荷は放電する。このときマイナスの電流がコンデンサ２２に流れる。さらにこのときにＤＣオフセット回路２０の抵抗２１を経由して、マイナスの電流が誘導電動機３０の主巻線３１と補助巻線３２に流れる。

このようにして、プラスとマイナスの電流が誘導電動機３０の主巻線３１と補助巻線３２に流れることで、直流分をオフセットした交流の電流を作り出している。なお、シミュレーションであるため波形の一部が乱れているが、これはパラメーターの設定によって変更できる部分である。

なお、この実施の形態１では、誘導電動機３０に内蔵されているコンデンサ３３の容量Ｃｆ１に対して、ＤＣオフセット回路２０のコンデンサ２２の容量Ｃｆ２を大きく選定することで、より安定した駆動を得ることができる。例えばＣｆ２／Ｃｆ１＝２～２０とすることができる。なお、コンデンサ３３は、誘導電動機３０の進相コンデンサである。

つまり、ＤＣオフセット回路２０のコンデンサ２２の容量を大きくすることで、直流成分をカットし易くなる。このため、図２（ｃ）に示す電圧が誘導電動機３０の両端に印加されることによって、最高速度が同期回転速度Ｎｓの２倍の速度近くで回転することができる。つまり、誘導電動機３０の極数Ｐが２極の場合、本願の構成とすることで、入力電源が６０Ｈｚであっても誘導電動機３０の回転数は同期回転速度Ｎｓ＝３６００ｒ／ｍｉｎを超えて、７２００ｒ／ｍｉｎまで上げることが可能となる。

このようにすることで、インバータ等の高価な機器を使用することなく、同期回転速度を超える回転数にすることができる。これにより、同一体格の誘導電動機であっても出力を大きくすることができ、電動機の高出力化もしくは小型化を安価に実現することができる。

なお、図２（ａ）～（ｃ）においては理想的な波形を示したが、これに高調波成分が多少のるように歪んでいる波形であっても問題なく誘導電動機は駆動する。また電源周波数ｆを６０Ｈｚとして説明したがこれに限定されることはない。例えば、５０Ｈｚあるいは８０Ｈｚ等であってもよい。また電圧の実効値を１００Ｖとしたがこれに限定されることはない。

例えば２００Ｖあるいは１２０Ｖであっても良い。また、全波整流回路とＤＣオフセット回路をコンデンサ３３のように、誘導電動機に内蔵することにより、結線を簡略化できるとともに、小型化を実現できる。このため、誘導電動機を換気扇などの送風機に用いた場合に、換気扇を薄壁に設置することが可能となるとともに、モータ効率の劣化および振動騒音の増大を抑制しつつ、誘導電動機の高出力化を図ることが可能となる。

図５は、単相誘導電動機の１つであるコンデンサ誘導電動機の概略構成を示す断面図、図６は、図５のコンデンサ誘導電動機の概略構成を示す外観図である。
図５および図６において、コンデンサ誘導電動機の固定子１０３（ステータ）には巻線１０４が巻回されるとともに、回転子１０１が挿入され、回転子１０１には回転軸１０２が設けられている。そして、回転子１０１および固定子１０３の周囲は、回転軸１０２が突出するようにして、コンデンサ誘導電動機の外郭を構成するブラケット１０５およびフレーム１０６にて覆われ、回転子１０１は、軸受１０７ａ、１０７ｂを介してブラケット１０５およびフレーム１０６にて回転自在に支持されている。

そして、ブラケット１０５の軸方向端には端子台１０８が配置され、端子台１０８には巻線１０４に接続される接続端子１０９ａ、１０９ｂが設けられるとともに、コンデンサ１１１が配置されている。なお、端子台１０８には、温度ヒューズを配置したり、電源リードを引き出したりすることができ、温度ヒューズあるいは電源リード以外の電気部品を収納することができる。また、端子台１０８の径は、ブラケット１０５の径とほぼ等しくすることができ、樹脂などの絶縁体で構成することができる。また、接続端子１０９ａ、１０９ｂは、巻線１０４に接続されるリード線を絡めたピンであってもよいし、巻線１０４に接続されている平板端子であってもよい。

ここで、コンデンサ１１１には、進相コンデンサが設けられている。そして、図５に示すように、コンデンサ１１１は端子台１０８に収納されている。なお、コンデンサ１１１は、コンデンサを覆うケース（図示なし）に収容された状態で樹脂にて封止することができる。そして、端子台１０８には、コンデンサ１１１が覆われるようにしてカバー１１０が被せられている。

なお、コンデンサ１１１を端子台１０８に配置する場合、端子台１０８の中央部に配置することが好ましく、端子台１０８の配置領域は隔壁で仕切ることが好ましい。これにより、コンデンサ１１１をコンデンサ誘導電動機に内蔵した場合においても、周囲からの外乱を受けにくくして、コンデンサを保護することが可能となるとともに、コンデンサ誘導電動機の外径が増大することを防止することができ、コンデンサ誘導電動機の大型化を抑制することができる。また、固定子１０３の内側には回転子１０１が配置されている。

実施の形態２．
図７は、実施の形態２の誘導電動装置２００の構成図である。実施の形態１とはＤＣオフセット回路２０の構成が異なっている。実施の形態１では、ＤＣオフセット回路２０を抵抗２１とコンデンサ２２によって構成したが、実施の形態２ではＤＣオフセット回路２０を変圧器２３で構成している。

変圧器２３は、ＤＣ成分を通さない性質があるため、直流成分を抑制する効果が期待できる。これにより誘導電動機３０の回転数を同期回転速度を超える速度で運転することができ、誘導電動機の高出力化を実現できる。
図８に、シミュレーションで得られた電圧波形を示す。図８（ａ）は、接続端子ｐ３‐ｐ４間の電圧波形を示しており、横軸は位相（電気角）であり、縦軸は電圧である。なお、電圧の大きさは正規化している。接続端子ｐ３‐ｐ４間の電圧波形は、全波整流後の波形であり、実施の形態１と同じである。

図８（ｂ）は、接続端子ｐ５‐ｐ６間の電圧波形を示している。図８（ａ）と同様に、横軸は位相であり、縦軸は電圧である。なお、電圧の大きさは正規化している。接続端子ｐ５‐ｐ６間の電圧波形は、変圧器２３を通した後の波形である。変圧器２３は、ＤＣ成分を通さないため、ＤＣ成分がオフセットした形で出力される。

図９は、誘導電動機３０の主巻線３１に流れる電流Ｉ（Ｍ）と補助巻線３２に流れる電流Ｉ（Ｓ）を示している。縦軸は電流、横軸は位相である。なお、電流の大きさは正規化している。このように、誘導電動機３０の各巻線に流れる電流は交流となる。これにより、回転磁界が発生し、誘導電動機の回転子が回転する。
なお、シミュレーションの結果であるため波形の一部が乱れているが、これはパラメーターの設定によって変更できる。

また本実施の形態２では、変圧器２３の一次側コイル（入力電源側）の巻数ｎ１に対して、二次側コイル（電動機側）の巻数ｎ２をｎ２＝ｎ１×２としている。これにより、誘導電動機３０に印加される電圧をより高く設定することができる。これにより誘導電動機３０の仕様が広がり、高出力化を図ることができる。 なお、変圧器２３の巻線の比は、ｎ２＝ｎ１×２に限定されることはないが、ｎ１≦ｎ２とすることが望ましい。また、商用電源に比べ電圧が低い仕様で製造された誘導電動機を駆動する場合には、ｎ１＞ｎ２とすることによって誘導電動機に印加する電圧を低くすることができ、絶縁品質を確保することが容易にできるという利点がある。

また、全波整流回路１０とＤＣオフセット回路２０とを、誘導電動機３０のコンデンサ３３のように、誘導電動機３０に内蔵することにより、結線を簡略化することが可能となり、小型化を図ることができる。
このため、本願の実施の形態２に示した誘導電動装置を換気扇に用いた場合には、換気扇を薄壁に設置することが可能となるとともに、モータ効率の劣化および振動騒音の増大を抑制しつつ、誘導電動機の高出力化を図ることが可能となる。

実施の形態３．
図１０は、実施の形態３の誘導電動装置３００の構成図である。この実施の形態３は、実施の形態１に比べて、切り替え用のスイッチ４０を設けていることが異なっている。このスイッチ４０は、全部で４カ所ある。これらのスイッチ４０はＡ側とＢ側とに結線を切り替え可能になっており、全てのスイッチ４０が同じ側（Ａ側もしくはＢ側）に接続されるように連動している。このスイッチ４０は、Ｂ側であれば、交流電源１を誘導電動機３０に直接つなぐことができる。Ａ側であれば、全波整流回路１０とＤＣオフセット回路を介して交流電源１を誘導電動機３０につなぐことができる。

つまり、Ａ側であれば同期回転速度Ｎｓを超える速度で運転可能な状態であり、Ｂ側であれば同期回転速度Ｎｓ以下で運転することができる。つまり、スイッチ４０の切り替え制御のみで回転速度の切り替えを行うことができることになる。
このようにスイッチ４０を設けることによって、例えば送風機の風量の切り替えを１台の誘導電動機の接続状態の切り替えによって行うことができる。なお、このスイッチ４０の切り替え制御は、例えば、制御装置１３０によって集中的に行うことができる。
すなわち、この実施の形態においては、交流電源を全波整流回路に接続する第１の系統と、交流電源を誘導電動機に接続する第２の系統とをスイッチによって選択的に接続できるように構成しているものである。

実施の形態４．
図１１は、誘導電動機３０に三相誘導電動機を使用した誘導電動装置４００の回路図である。つまり、固定子に巻かれる主巻線３１は、Ｕ相のコイルＭｕ、Ｖ相のコイルＭｖ、Ｗ相のコイルＭｗによって構成されている。単相の誘導電動機と同様に、全波整流回路１０とＤＣオフセット回路２０とを相毎に有している。つまり、コイルＭｕは、三相電源のＵ相ＰｕとＶ相Ｐｖとの間で接続される。コイルＭｖは、三相電源のＶ相ＰｖとＷ相Ｐｗとの間で接続される。コイルＭｗは、三相電源のＷ相ＰｗとＵ相Ｐｕとの間で接続される。

このように接続することで、単相誘導電動機の実施の形態１と同様に、電源周波数に比べて２倍の周波数の電圧が直流成分をオフセットした状態で各コイルに印加される。これにより、同期回転速度を超える回転数で誘導電動機３０を駆動することができる。
三相誘導電動機であっても同期速度を超える速度で運転することができるため、単相誘導電動機に比べ、高効率にでき、より高出力化もしくは小型化を図ることが可能となる。

実施の形態５．
図１２は、実施の形態５に係る誘導電動装置５００の回路構成を示している。この実施の形態５の誘導電動装置は、実施の形態１と同様に、全波整流回路１０があり、誘導電動機３０の巻線として主巻線３１および補助巻線３２が設けられている。しかし、実施の形態１と異なって、主巻線３１の一端および補助巻線３２の一端は端子Ｔ１に接続され、主巻線３１の他端とコンデンサ３３の一端は端子Ｔ２に接続され、補助巻線３２の他端は、コンデンサ３３の他端に接続されている。

端子Ｔ１と主巻線３１との間にはスイッチ５０が配置されている。このスイッチ５０は、予め定めたタイミングでオン／オフする（図中のＡ側になると主巻線３１に対して導通し、Ｂ側になると主巻線３１に対して断線する）ことで誘導電動機の巻線に流れる電流を交流にすることができ（すなわち、ＤＣオフセットすることができ）、高速駆動することが可能となる。このスイッチの切り替えの制御は、制御装置１５０によって行う。すなわち、この実施の形態においては、ＤＣオフセット回路の構成を、誘導電動機の主巻線とスイッチとが直列接続された第１の回路と、この第１の回路に対して並列に設けられ、誘導電動機の進相コンデンサと補助巻線とが直列接続された第２の回路によって構成したことに相当する。

この実施の形態５によるシミュレーション結果を図１３および図１４に示す。図１３は、図１２の接続端子ｐ３‐ｐ４間の電圧波形Ｖ（ｐ３‐ｐ４）と、スイッチ５０へのスイッチング電圧Ｖｓを示している。図において、縦軸は電圧、横軸は位相である。電圧の大きさは、それぞれのピーク電圧で正規化している。接続端子ｐ３‐ｐ４間の電圧は、全波整流回路１０を通った後の波形である。

また、スイッチング電圧Ｖｓは、図１２におけるスイッチ５０を動作させるタイミングを示しており、スイッチ５０の内部において、Ａ側にするときに電圧の１を、Ｂ側にするときに電圧の０としている。図１３において、２つの電圧を示した理由は、スイッチをＡ側もしくはＢ側にするタイミングを示すためである。

図１４に、主巻線３１に流れる電流Ｉ（Ｍ）および補助巻線３２に流れる電流Ｉ（Ｓ）を示す。縦軸は電流、横軸は位相である。電流の大きさはそれぞれのピーク電流で正規化している。電流については、端子Ｔ２から端子Ｔ１の向きを正として示し、端子Ｔ１から端子Ｔ２の向きを負として示している。位相については、図１３と同じである。

位相が９５付近（接続端子ｐ３‐ｐ４間の電圧の最大値付近）でスイッチング電源がオンすると、スイッチ５０がＡ側に接続され、主巻線３１に電流が流れる。次に位相が１８５付近（接続端子ｐ３‐ｐ４間の電圧の最小値）でスイッチング電源がオフすると、スイッチ５０がＢ側に切り替えられ、主巻線３１に流れる電流が無くなる。また補助巻線３２には常に電流が流れている。つまり、このようにスイッチ５０を切り替えることによって、補助巻線３２に関しては交流の電流の歪を少なく流すことができ、主巻線３１には正の電流が流れるが、その大きさが時々刻々と変化していることになる。

つまり、他の実施の形態において示したものに比べ、ＤＣオフセット回路２０の抵抗２１とコンデンサ２２がないことによって、部品点数を少なくすることができるという利点がある。更に、ＤＣオフセット回路２０の抵抗２１において消費される電力はモータの回転磁界に寄与しないが、本実施の形態における主巻線３１への電力は回転磁界に寄与する。このため、他の実施の形態に比べて、損失を低減することが可能となる。

これにより、単相コンデンサ誘導電動機に回転磁界を発生させることができる。さらに誘導電動機に入力される周波数が電源周波数の倍となるため、それに比例した同期回転速度で回転させることができ、通常の周波数の倍の速度で運転することができる。
なお、この実施の形態５におけるスイッチ５０は、機械式のスイッチでもよいし、抵抗などのアナログ回路を使ったスイッチでもよいし、半導体スイッチであってもよい。

実施の形態６．
図１５は、実施の形態６に係る誘導電動装置６００の回路構成を示している。この実施の形態６の誘導電動装置６００は、実施の形態１と同様に、全波整流回路１０があり、誘導電動機３０の巻線として主巻線３１および補助巻線３２が設けられている。しかし、実施の形態１と異なって、ＤＣオフセット回路２０が、抵抗２１、コンデンサ２２およびスイッチ５０によって構成され、抵抗２１とスイッチ５０とが直列に接続された接続体が、誘導電動機３０の主巻線３１に対して並列に接続されており、コンデンサ２２によって、抵抗２１とスイッチ５０との接続体が、誘導電動機３０の主巻線３１と、補助巻線３２およびコンデンサ３３に接続されている。

このスイッチ５０は、予め定めたタイミングでオンまたはオフする（図中のＡ側になると抵抗２１に対して導通し、Ｂ側になると抵抗２１に対して断線する）ことで電流のオンまたはオフが可能となる。このスイッチの切り替えの制御は、制御装置１６０によって行う。

この実施の形態６の誘導電動装置６００の入力電圧を実験により求めたものを図１６に示す。図１６には、この実施の形態６の場合の入力電圧の損失を示し、比較例として、従来の誘導電動装置の場合の入力電圧の損失を（比較例Ａ）、実施の形態１の場合の入力電圧の損失を（比較例Ｂ）に示している。入力電圧の損失は、誘導電動機３０における損失と、ＤＣオフセット回路２０における損失に分かれる。図１６では、誘導電動機３０における損失をグラフの下部に表し、ＤＣオフセット回路２０における損失をグラフの上部に表している。

まず、従来の誘導電動機３０の入力電圧の損失を１００％として示す。これに対して、実施の形態１のＤＣオフセット回路２０を設けた場合、ＤＣオフセット回路２０での損失が１７９％になる。これは、入力電力が小さな誘導電動装置であるほど顕著になる。そのため、誘導電動装置の入力電力としては、２７９％必要となる。しかし、実施の形態６の場合には、ＤＣオフセット回路２０の抵抗２１と直列にスイッチ５０を設け、このスイッチ５０を予め定めたタイミングでオンまたはオフさせることによって、ＤＣオフセット回路２０での入力電力の損失を２６％に抑えることができている。
この実施の形態６のスイッチのオンまたはオフに関するシミュレーション結果を図１７および図１８に示す。

図１７は、図１２の接続端子ｐ３‐ｐ４間の電圧Ｖ１の波形と、スイッチ５０へのスイッチング電圧Ｖｓを示している。図において、縦軸は電圧、横軸は位相である。電圧の大きさは、それぞれのピーク電圧で正規化している。接続端子ｐ３―ｐ４間の電圧Ｖ１は、全波整流回路１０を通った後の波形である。

また、スイッチング電圧Ｖｓは、図１７におけるスイッチ５０を動作させるタイミングを示しており、スイッチ５０の内部において、Ａ側にするときに電圧を１として、Ｂ側にするときに電圧を０としている。図１７において、２つの電圧を示した理由は、スイッチをＡ側またはＢ側にするタイミングを示すためである。

図１８に、主巻線３１に流れる電流Ｉ（Ｍ）および補助巻線３２に流れる電流Ｉ（Ｓ）を示す。縦軸は電流、横軸は位相である。電流の大きさはそれぞれのピーク電流で正規化している。電流については、端子Ｔ２から端子Ｔ１の向きを正として示し、端子Ｔ１から端子Ｔ２の向きを負として示している。位相については、図１７と同じである。

位相が８０付近（接続端子ｐ３‐ｐ４間の電圧の最大値付近）でスイッチング電源がオンすると、スイッチ５０がＡ側に接続され、ＤＣオフセット回路２０の抵抗２１に電流が流れる。次に位相が２１０付近でスイッチング電源がオフすると、スイッチ５０がＢ側に切り替えられ、ＤＣオフセット回路２０の抵抗２１に電流が流れなくなる。なお、主巻線３１と補助巻線３２には常に電流が流れている。つまり、スイッチ５０をこのように切り替えることによって、ＤＣオフセット回路２０の抵抗２１に流れる電流を減らすことによって、誘導電動装置６００の消費電力を抑制できる。

また、ＤＣオフセット回路２０に流れる電流が無い場合でも、主巻線３１および補助巻線３２に電流が常に流れるため、同期速度を超える動作が可能となる。
図１８を示した理由は、図１４と比較をするためであり、図１４では主巻線３１に流れる電流Ｉ（Ｍ）が直流となっているため、効率の良いモータの運転をするには更なる工夫が必要である。しかし、図１８に示すように、主巻線３１に流れる電流Ｉ（Ｍ）は、交流電流となっている。このため効率の良いモータ駆動が可能である。

つまり、実施の形態１および５において示した誘導電動装置１００および５００に比べ、ＤＣオフセット回路２０の抵抗２１において発生する損失を低減することが可能となる。
これによって、単相コンデンサ誘導電動機に回転磁界を発生させることができる。さらに誘導電動機に入力される周波数が電源周波数の倍となるため、それに比例した同期回転速度で回転させることができ、通常の周波数の倍の速度で運転することができる。
なお、この実施の形態６におけるスイッチ５０は、機械式のスイッチでもよいし、抵抗などのアナログ回路を使ったスイッチでもよいし、半導体スイッチであってもよい。

なお、実施の形態３、５および６において説明した制御装置１３０、１５０および１６０は、ハードウエアの一例を図１９に示すように、プロセッサ６０１と記憶装置６０２から構成される。記憶装置は図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。プロセッサ６０１は、記憶装置６０２から入力されたプログラムを実行する。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ６０１にプログラムが入力される。また、プロセッサ６０１は、演算結果等のデータを記憶装置６０２の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。

実施の形態７．
図２０は、誘導電動機が搭載された送風機７００（換気扇）の構成を示す概略的な断面図である。図２０において、送風機７００の前方（図中矢印Ａの方向）には、羽根車７０１が設けられ、送風機７００の後方（図中矢印Ｂの方向）には、羽根車７０１を駆動する誘導電動機７０２が設けられている。ここで、誘導電動機７０２には、図５に示した端子台１０８が設けられ、進相用のコンデンサが端子台１０８に配置されている。また、端子台１０８には全波整流回路およびＤＣオフセット回路が配置されている。

これにより進相用のコンデンサ、全波整流回路、およびＤＣオフセット回路を製品グリル部７０３に設置する必要がなくなることから、モータ結線を簡略化することが可能となる。また、回転数を増加させる前の風量を基準に考えると、同一の風量を得るための送風機としては、従来の装置と比較して羽根およびモータを小型機にできることになる。このため、より狭い空間でも効率の良い送風機を配置できるということになる。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１ 交流電源、１０ 全波整流回路、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ ダイオード、２０ ＤＣオフセット回路、２１ 抵抗、２２ コンデンサ、２３ 変圧器、３０ 誘導電動機、３１ 主巻線、３２ 補助巻線、３３ コンデンサ、４０、５０ スイッチ、１００、２００、３００、４００、５００、６００ 誘導電動装置、１０１ 回転子、１０２ 回転軸、１０３ 固定子、１０４ 巻線、１０５ ブラケット、１０６ フレーム、１０７ａ、１０７ｂ 軸受、１０８ 端子台、１０９ａ、１０９ｂ 接続端子、１１０ カバー、１１１ コンデンサ、１３０、１５０、１６０ 制御装置、６０１ プロセッサ、６０２ 記憶装置、 ７００ 送風機、７０１ 羽根車、７０２ 誘導電動機、７０３ 製品グリル部、ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４、ｐ５、ｐ６ 接続端子、Ｔ１、Ｔ２ 端子

Claims (7)

1. 交流電源から入力された電力を全波整流する全波整流回路、前記全波整流回路に接続され、全波整流された電圧値を予め定められた直流成分によってオフセットするＤＣオフセット回路、および前記ＤＣオフセット回路に接続され前記ＤＣオフセット回路の出力電圧の周波数に基づいて運転される誘導電動機を備え、
   前記ＤＣオフセット回路が、抵抗と、前記抵抗に直列接続されたスイッチと、コンデンサを有し、前記コンデンサによって、前記抵抗と前記スイッチとの直列の接続体が、前記誘導電動機の主巻線および補助巻線に対して並列に接続され、前記スイッチによって全波整流された前記電圧値が最大となる電気角の時点に前記抵抗を導通させ、電圧値が最大となる前記時点から所定遅れの電気角の時点において前記抵抗を前記誘導電動機の前記主巻線および前記補助巻線から断線させるようにしたことを特徴とする誘導電動装置。
2. 前記全波整流回路および前記ＤＣオフセット回路が端子台に設けられ、前記誘導電動機の内に収容されていることを特徴とする請求項１に記載の誘導電動装置。
3. 前記誘導電動機が、単相誘導電動機であることを特徴とする請求項１または２に記載の誘導電動装置。
4. 前記誘導電動機が、三相誘導電動機であることを特徴とする請求項１または２に記載の誘導電動装置。
5. 前記交流電源を前記全波整流回路に接続する第１の系統と、前記交流電源を前記誘導電動機に接続する第２の系統とを切り替えるスイッチを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の誘導電動装置。
6. 交流電源から入力された電力を全波整流する全波整流回路、前記全波整流回路に接続され、全波整流された電圧値を予め定められた直流成分によってオフセットするＤＣオフセット回路、および前記ＤＣオフセット回路に接続され前記ＤＣオフセット回路の出力電圧の周波数に基づいて運転される誘導電動機を備え、
   前記誘導電動機は、主巻線、進相コンデンサおよび補助巻線を有し、前記ＤＣオフセット回路は、前記誘導電動機の前記主巻線とスイッチとが直列接続された第１の回路、および前記第１の回路に対して並列に設けられ、前記誘導電動機の前記進相コンデンサと前記補助巻線とが直列接続された第２の回路によって構成され、
   前記スイッチによって、全波整流された前記電圧値が最大の時に前記主巻線に導通させ、前記全波整流された電圧値が最小の時に前記主巻線を前記第１の回路から断線させるようにしたことを特徴とする誘導電動装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の誘導電動装置が搭載されていることを特徴とする送風機。

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