JPH04210033A - 電気掃除機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

［０００１１

【産業上の利用分野］本発明は、ファンモータの制御装
置に関し、特にファンモータを駆動源に用いた電気掃除
機に好適なファンモータの制御装置及びその装置を用い
た電気掃除機に関するものである。 ［０００２］ 【従来の技術】従来、電気掃除機においては、駆動源に
交流整流子モータを用いるとともに、制御素子であるト
ライアックと圧力センサもしくは風量センサとを組み合
わせ、トライアックにより交流整流子モータに印加する
電圧を調整し、被掃除面に応じて、あるいは圧力センサ
や風量センサによる検出値に応じて電気掃除機としてパ
ワーを制御するものが知られている。 ［ｏ　ｏ　０３］

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、ファ
ンモータの負荷状態を示す諸因子すなわち風量を風量セ
ンサで直接検知するか、あるいは予め静圧と風量の関係
をテーブル化しておき静圧センサの出力から検知し、回
転速度を制御している。このため、前者はセンサ取付け
による価格の上昇と容積の問題があり、後者は広い範囲
で風量を高精度に求めようとするとテーブルデータが膨
大になる問題があった。 ［０００４］

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、風量セ
ンサレスにて負荷状態を示す諸因子すなわち風量を検知
し、それによって最適な運転ができるファンモータの制
御装置及びその装置を用いた電気掃除機を提供すること
にある。 ［０００５］上記目的は、ファンと可変速モータ及び可
変速モータの回転速度を調整する制御装置からなるファ
ンモータの制御装置において、前記ファンモータの負荷
電流と回転速度及び圧力から負荷状態を示す諸因子を演
算し、この演算結果を基に、該ファンモータの回転速度
を調整する制御装置を具備することにより達成される。 ［０００６］

【作用】ファンモータの負荷電流と回転速度及び圧力か
ら風量を算出し、その結果を基にファンモータの速度指
令を決定するので、風量センサレスにて負荷状態に応じ
た最適な吸込力が得られる。 ［０００７］

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１〜図８により
説明する。 ［０００８］図１は本発明の一実施例に係わるファンモ
ータの概略構成を示したものである。ファンモータは、
可変速モータ３８とファン３９からなり、制御装置４０
にて速度検出器４１からの信号４１Ｓと電流検出器４２
からの信号４２Ｓと圧力センサ４３の信号４３Ｓを圧力
検出器４４からの信号４４Ｓとして受けて回転速度と負
荷電流を検出する。可変速モータ３８の速度を制御する
制御装置は、回転速度と負荷電流及び圧力から負荷状態
を示す諸因子、例えば風量Ｑを演算し、この演算結果を
基にファンモータを運転する。 ［０００９］フアンモータの用途には、扇風機、冷却用
ブロアあるいは電気掃除機等が考えられるが、本−実施
例では負荷状態により運転状態が変わる電気掃除機を例
に取って説明する。 ［００１０１また、電気掃除機のファンモータに用いる
可変速モータとしては、入力を制御することにより速度
が変わる交流整流子モータ、位相制御モータ、インバー
タ駆動のインダクションモー夕、リラクタンスモータあ
るいはブラシレスモータ等が考えられるが、その中でも
機械的な摺動を伴うブラシをもたず、長寿命で制御応答
性のよいブラシレスモータをファンモータとして用いた
例について説明する。 ［００１１１さらに、本発明では、ファンモータの負荷
状態を示す諸因子に電気掃除機の負荷状態を示す風量を
例に取って説明する。図２に掃除機の概略構成を示し、
図３は制御回路の概略構成を示すブロック図、図４は制
御回路の全体構成を示す。 ［００１２１図において、３１は掃除機本体を示し、１
６はブラシレスモータ１７を可変速運転するためのイン
バータ制御装置である。２９は交流＠源であり、この電
源２９を整流回路２１で整流し、コンデンサ２２にて平
滑してインバータ回路２０に直流電圧Ｅｄが供給される
。インバータ回路２０は、トランジスタＴ　Ｒｌ−Ｔ　
Ｒｓと、それぞれのトランジスタに並列に接続された環
流ダイオードＤ１〜Ｄ６から構成された１２０度通電形
インバータである。トランジスタＴ　Ｒ＋　〜ＴＲ３は
正のアーム、トランジスタＴＲ４〜ＴＲ６は負のアーム
を構成し、負のアームのそれぞれの通流期間は電気角の
１２０度でパルス幅変調（ＰＷＭ）される。Ｒ＋は負の
アームを構成するトランジスタＴＲ４〜ＴＲｓのエミッ
タ側とコンデンサ２２のマイナス側間に接続された比較
的低い抵抗である。

【００１３】ブラシレスモータ１７は、２極の永久磁石
からなる回転子Ｒと、電機子巻線Ｕ、　Ｖ、　Ｗからな
る。 これらの巻線Ｕ、　Ｖ、　Ｗに流れる負荷電流Ｉｎｃは
前記抵抗Ｒ１の電圧降下として検出できる。 ［００１４］ブラシレスモータ１７の速度制御回路は、
回転子Ｒの磁極位置をホール素子ＰＳ等で検出する磁極
位置検出回路１８、前述した負荷電流ｌ１ｌｃの検出値
を増幅する電流増幅器２３（抵抗Ｒ１の電圧降下は直流
電流であり、ブラシレスモータ１７の負荷電流とは異な
るので、抵抗Ｒ１の電圧降下値を増幅し、かつ放電回路
付ピークボールド回路によりブラシレスモータ１７の負
荷電流に模擬することを含む）、前記トランジスタＴＲ
ｓ〜ＴＲ６を駆動するペースドライバ１５、および磁極
位置検出回路１８から得られた磁極位置検出信号１８Ｓ
に基づいてペースドライバ１５を駆動するマイクロコン
ピュータ１９とから主要構成される。３３は掃除機の圧
力（静圧）を検出する静圧センサ３２の検出値を増幅す
る静圧増幅器で静圧信号３３Ｓはマイクロコンピュータ
１９で処理する。３０は実際の使用者が操作する運転ス
イッチである。 ［００１５］前記において、磁極位置検出回路１８はホ
ール素子ＰＳからの信号を受けて、回転子Ｒの磁極位置
検出信号１８Ｓを生成するものである。この磁極位置検
出信号１８５は電機子巻線Ｕ、　Ｖ、　Ｗの電流切替え
に用いることに加え、回転速度を検出する信号としても
用いるものである。 ［００１６１マイクロコンピユータ１９は、この磁極位
置検出信号１８３を一定のサンプリング内での数を数え
ることにより、回転速度を求めるものである。 ［００１７３マイクロコンピユータ１９は、セントラル
プロセッシングユニット（ＣＰＵ）１９〜１．リードオ
ンリメモリ　（ＲＯＭ）１９−２、およびランダムアク
セスメモリ　（ＲＡＭ）１９−３を含んでおり、これら
は図示しないがアドレスバスやデータバスおよびコント
ロールバス等によって相互に接続されている。そして、
ＲＯＭ１９−２には、ブラシレスモータ１７を駆動する
のに必要なプログラム、例えば、速度の演算処理、運転
指令の取込処理、速度制御処理（ＡＳＲ）、電流制御処
理（ＡＣＲ）、電流検出処理等を記憶させである。 ［００１８］一方、ＲＡＭ１９−３は、ＲＯＭ１９−２
に記憶させた種々のプログラムを実行するに際し、必要
な各種の外部データを読み書きするのに用いられる。

【０Ｏ１９】　トランジスタＴＲｔ〜ＴＲ６は、前記マ
イクロコンピュータ１９で処理、生成された点弧信号１
９Ｓに応じ、ペースドライバ１５によりそれぞれ駆動さ
れる。 ［００２０１この種のブラシレスモータ１７は、電機子
巻線Ｕ、　Ｖ、　Ｗに流れる電流がモータの出力トルク
に対応するので、逆に印加型流を変えれば出力トルクを
可変できる。すなわち、印加型流を調整することにより
、モータの出力トルクを連続的で任意に変えられ、イン
バータの駆動周波数を変えることにより、モータの回転
速度を任意に可変できる。 ［００２１］本発明の電気掃除機は、このようなブラシ
レスモータ１７を用いるものである。　図５はブラシレ
スモータを用いた電気掃除機のＱ−Ｈ特性を示し、横軸
に風量Ｑをとり、縦軸に静圧Ｈとファン（電動送風機の
ファン）の負荷トルクＴを示したものである。 ［００２２１図５において、電気掃除機のＱ−Ｈ特性は
、モータの回転速度を一定にした場合、風量Ｑが小の時
に静圧Ｈが大、風量Ｑが大の時に静圧Ｈが小となる。 また、ファンの負荷トルクＴは風量Ｑに対して自乗カー
ブとなり、この負荷トルクＴは図示していないが吸口の
状態（風の流入面積の変化）でも変化する。 ［００２３］この様な電気掃除機のＱ−Ｈ特性において
、風量センサを用いることなく、ブラシレスモータ１７
の負荷状態から風量を算出するには、種々の工夫を必要
とする。 ［００２４］まず、ブラシレスモータの出力Ｐ　（Ｗ）
は次式で表される。 ［００２５］

【数１】 Ｐ＝１．０２７ＸＮＸＴ（Ｗ） ［００２６］ここで、Ｎは回転速度（ｒｐｍ）　、　Ｔ
はトルク（Ｋｇ−ｍ）である。前記、数１より、［００
２７］

【数２】 ［００２８］となる。前記、数２において、出力Ｐは、
［００２９］

【数３】 Ｐ　＝Ｅ、・Ｉ ［００３０１

【数４］ Ｅ、＝に、・Ｎ ［００３１１である。ここで、Ｅ。は誘起電圧（Ｖ）、
Ｋ。は誘起電圧係数、■は負荷電流（Ａ）を示す。前記
、数２と前記、数３及び前記、数４より、［００３２］ 【数５】 ［００３３］となる。すなわち、トルクＴはモータ電流
■に比例する。 ［００３４］−膜流体における相似則には、次式の関係
が知られている。 ［００３５］

【数６】 ［００３６］

【数７】 ［００３７］

【数８】 ［００３８］ここで、Ｌはファンの軸入力（Ｗ）、Ｑは
風量（ｍ３／ｍ１ｎ）、Ｈは静圧（ｍｍＡ　ｑ　）、Ｎ
は回転速度（ｒｐｍ）　、Ｄは羽根車の径（ｍｍ）を示
す。そして、ファンとモータとは直結していることから
、ファンの軸入力りと回転速度Ｎは、モータの出力Ｐと
回転速度に等しいと考えられ、前記、数６は前記、数７
と前記、数８より、次式に変形できる。 ［００３９］

【数９】 ［００４０１ここで、モータの出力Ｐは、前記、数３と
前記、数４より ［００４１１

【数１０］ ［００４２］であるから、前記、数９は前記、数１０よ
り ［００４３］ 【娶（１１］ ［００４４１と表せる。更に、前記、数１１は数８及び
前記、数９から風量Ｑは、 ［００４５］ 【数１２】 ［００４６１と表わすことができる。ここで、送風機効
率、モータ効率、掃除機本体からの空気漏れ及び温度に
よる空気の単位体積重量変化など多くの誤差要因が考え
られるが簡単化のために無視する。 ［００４７１図７は、電気掃除機の代表的な運転パター
ン（Ａパターン、Ｂパターン）を示す。図のＱ−Ｈ特性
において、Ａパターンは大風量側でＱ＾一定制御を行い
、風量ＱＡ以下ではＨ＾一定制御を行うものである。 Ｂパターンは風量Ｑ＾より小さい風量Ｑ！ＩでＱ、一定
制御を行い、風量Ｑｓ以下では回転速度Ｎｓ一定の速度
−定制御を行うものである。 ［００４８］Ａパターンは被掃除面がたたみを想定した
もので、大風量Ｑ＾以上では回転速度を減少させ、モー
タ入力を絞って風量ＱＡ一定としている。又、風量のＱ
＾以下では、たたみ面を傷つけることがないように静圧
ＨＡ一定制御としている。 ［００４９１Ｂパターンは被掃除面がじゅうたんを想定
したもので、風量Ｑｌｌ一定制御を行い、回転速度が最
大のＮＢ　に達し、かつ風量がＱｓ以下では回転速度Ｎ
ｓ−定制御とし、掃除機としての最大パワーを得るよう
にしている。 ［００５０１次に、具体的な制御手段を、図３と図６に
より説明する。 ［００５１１実際の操作者が運転スイッチ３０を操作す
ると、まず、マイクロコンピュータ１９は処理１として
、運転指令取込処理および起動処理を行って、規定の回
転速度Ｎｓ　までブラシレスモータ１７を駆動する。切
替スイッチＳ１は起動時には速度指令Ｎ１を選択し、起
動が完了すると処理７のＡＱＲおよびＡＨＲの出力ＮＣ
ｌＩＤを選択する。 ［００５２］起動時に速度指令Ｎ１が決定すると、マイ
クロコンピュータ１９は磁極位置検出回路１８からの磁
極位置検出信号１８Ｓを受けて処理６の点弧信号発生処
理を行い、トランジスタＴ　Ｒｔ　−Ｔ　Ｒｓの点弧素
子を決定する。そして、処理２の速度演算処理を行って
ブラシレスモータ１７の実速度Ｎを演算し、処理３の電
流検出処理にて電流増幅器２３からの信号２３Ｓを受け
てブラシレスモータ１７の負荷電流■を検出する。 ［００５３］処理４のＡＳＲは速度指令Ｎ＊と実速度Ｎ
との偏差εＮから電流指令Ｉ　ＣｌＩＤ　を求め、処理
５のＡＣＲは電流指令Ｉ　ｃｍｏ　と負荷電流Ｉとの偏
差ε■から電圧指令Ｖ、を算出する。 ［００５４］処理６の点弧信号発生処理は電圧指令Ｖ。 と磁極位置検出信号１８３を受けてトランジスタＴ　Ｒ
ｉ〜ＴＲａの点弧する素子を決定すると共に、印加電圧
を可変にするためのＰＷＭした点弧信号１９Ｓを出力す
る。 ［００５５］ブラシレスモータ１７が規定の回転速度Ｎ
１　に達すると、切替スイッチＳ＋　が処理７のＡＱＲ
，ＡＨＲの出力信号ＮＣＭＤ　に切り替る。 ［００５６］処理７のＡＱＲ（風量調節器）、ＡＨＲ（
静圧調節器）は、所定の風量Ｑ、静圧Ｈになるように、
例えば、図６のＡ、　Ｂパターンとなるように、実速度
Ｎと負荷電流■から速度指令Ｎｃ口を出力する。 ［００５７］ブラシレスモータ１７は、回転速度Ｎが外
部指令でなく、内部指令Ｎｃ口になるように、処理４゜
５のＡＳＲ，ＡＣＲを介して電圧指令Ｖ、が決定され、
制御される。 ［００５８］以上述べたように、本実施例では、電気掃
除機の駆動源にブラシレスモータを用い、風量センサを
用いることなく、モータの負荷電流Ｉと回転速度Ｎ及び
静圧Ｈから風量Ｑを演算にて算出し、運転パターンに従
って風量一定制御（ＡＱＲ）、静圧一定制御（ＡＨＲ）
運転することにより、電気掃除機としてのパワーを最適
に制御できる。 ［００５９１本実施例では風量Ｑの算出に、ブラシレス
モータの負荷電流と回転速度及び静圧から算出したが、
電流指令と回転速度との比の演算でも求められる。 ［００６０１図７の実験データは掃除機の動作を風量と
静圧で示したもので、電流指令と回転速度の積と静圧と
の比から風量Ｑを得ることが可能であり、風量指令に基
づいて安定した風量一定制御が可能である。 ［００６１１また、図８の実験データは掃除機の動作を
風量と静圧で示したもので、電流指令■と回転速度Ｎの
比から風量Ｑを得るもの（Ｉ／Ｎ）と、電流指令Ｉと回
転速度Ｎの積と静圧Ｈの比から風量Ｑを得るもの（Ｉ・
Ｎ／Ｈ）を比較すれば、Ｉ／Ｎによる方式は、静圧が高
くなると風量が小さくなる方向に動く。■・Ｎ／Ｈによ
る方式は、逆に静圧が高くなると風量が大きくなるよう
に動く。この両者の関係、すなわち前記、数１１と前記
、数１２から次式を導く。 ［００６２］

【数１３１ ［００６３］前記、数１３の平均値をとる方式により、
より精度良く風量を演算することが可能である。尚、本
−実施例では、前記、数１１と前記、数１２の平均値を
取るようにしたが比を取るようにしても良い。 ［００６４］さらに、風量Ｑおよび静圧Ｈの演算値を、
本−実施例では、モータ制御に使用したが、電気掃除機
の負荷状態を示すように使用しても良い。 ［００６５］さらに、本−実施例では、ファンモータに
ブラシレスモータを用いた例につき説明したが、交流整
流子モータでも良いことは言うまでもない。 ［００６６］ 【発明の効果】本発明によれば、ファンモータの負荷状
態を示す諸因子、すなわち風量Ｑをブラシレスモータの
負荷電流■と回転速度Ｎと静圧Ｈとの関係より演算によ
り精度良く算出し、この演算結果を基にファンモータの
回転速度を調整するようにしたので、最適なパワーで運
転できるファンモータの制御装置及び電気掃除機が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すファンモータの概略構
成図である。

【図２】本発明の一実施例を示す電気掃除機の概略構成
図である。

【図３】本発明の一実施例を示す電気掃除機用ブラシレ
スモータの制御回路の概略構成を示すブロック図である
。

【図４】本発明の一実施例を示す電気掃除機用ブラシレ
スモータの制御回路の全体構成図である。

【図５】本発明は電気掃除機のＱ−Ｈ特性図である。

【図６】本発明は電気掃除機の代表的な運転パターンを
示す図である。

【図７】本発明は風量と電流指令×回転速度／静圧との
関係を示す実験データである。

【図８】本発明は風量と（電流指令／回転速度十電流指
令×回転速度／静圧）／２との関係を示す実験データで
ある。

【符号の説明】

１５・・・ペースドライバ、１６・・・インバータ、１
７・・・ブラシレスモータ、１８・・・磁極位置検出回
路、１９・・・マイクロコンピュータ、２３・・・電流
増幅器、３０・・・運転スイッチ、３８・・・可変速モ
ータ、３９・・・ファン、４０・・・制御装置。

【図１】

【図４】

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ファンと可変速モータ及び可変速モータの
   回転速度を調整する制御装置からなるファンモータの制
   御装置において、前記ファンモータの負荷電流と回転速
   度及び圧力を検出する圧力センサーの出力結果とから負
   荷状態を示す諸因子を演算し、この演算結果を基に、該
   ファンモータの回転速度を調整する制御装置を具備した
   ことを特徴とするファンモータの制御装置。
2. 【請求項２】塵埃を捕集するフィルターと、塵埃吸引力
   を発生させる可変速のファンモータとを備えた電気掃除
   機において、前記ファンモータの電流指令（負荷電流）
   と速度指令（回転速度）及び前記掃除機の静圧を検出す
   る静圧センサの出力結果とから前記掃除機の負荷状態を
   示す諸因子の１つである風量を演算し、該風量の演算結
   果により前記ファンモータの速度指令を決定する制御装
   置を備えてなることを特徴とする電気掃除機。
3. 【請求項３】前記ファンモータの速度制御装置は、速度
   調節器（ＡＳＲ）と電流調節器（ＡＣＲ）とを有し、該
   ファンモータの負荷電流Ｉ（電流指令）と回転速度Ｎ（
   速度指令）との積と前記ファンモータの静圧Ｈとの比、
   （Ｉ・Ｎ／Ｈ）の演算結果により前記風量Ｑを演算し、
   該風量演算値が一定となるように速度指令を決定する構
   成にしたことを特徴とする請求項２に記載の電気掃除機
   。
4. 【請求項４】前記ファンモータの回転速度を一定にする
   速度一定制御を併用して運転する構成としたことを特徴
   とする請求項３記載の電気掃除機。
5. 【請求項５】前記掃除機の静圧を一定にする静圧一定制
   御を併用して運転する構成にしたことを特徴とする請求
   項３記載の電気掃除機。