JPWO2016038850A1 - ブラシレスモータおよびこれを搭載した洗濯機 - Google Patents

Abstract

本ブラシレスモータは、巻線を巻回したステータおよび永久磁石を保持したロータを含むモータ部と、モータ制御用のマイコンと、パワー素子を内蔵して巻線への印加電圧量を制御するインバータ回路と、パワー素子の温度を検出する温度検出素子と、電源電流あるいは巻線の電流を検出する電流検出素子を備えた洗濯機用のブラシレスモータである。連続運転動作することを前提にして、パワー素子の接合部温度が所定値を超えないように設定される電流制限値を第１の電流制限値としたとき、本ブラシレスモータは、第１の電流制限値よりも高い第２の電流制限値を設定し、ブラシレスモータの起動後の所定時間のみ、第２の電流制限値で運転するようにした。

Description

本発明は、洗濯槽の運転制御機能を内蔵したブラシレスモータ、およびこれを搭載した洗濯機に関するものである。

まず、一般的な全自動洗濯機、あるいはドラム式洗濯機（以下、単に洗濯機という）に搭載される従来のブラシレスモータの例を図９にて説明する。図９は、入力される回転速度（以下、単に速度という）指令に従い速度制御が可能なブラシレスモータ６１０を搭載した従来の洗濯機６００のブロック図である。

ブラシレスモータ６１０は、演算処理機能を持たないアナログＩＣ仕様のモータ制御回路６２０と、インバータ回路２０と、インバータ回路２０に内蔵するパワー素子の温度を検出する温度センサ２１と、電源電流Ｉｚを検出する電流検出素子２２と、モータ部５０と、ロータ位置を検出する位置センサ５７から構成されている。モータ制御回路６２０は、本体側マイクロコントローラ（以下、マイコンと呼ぶ）６７０から通知される速度指令信号Ｓｚや図示しない基準三角波の信号などにより、ＰＷＭ（パルス幅変調）デューティ信号を生成する速度制御部６２１を有している。

洗濯機本体６０１は、本体側マイコン６７０と、電源部８０と、ブラシレスモータ６１０と、洗濯槽９０と、各種センサ１３０と、操作部１１２と、表示部１１３とから構成されている。本体側マイコン６７０は、本体制御機能部７１と、モータ速度指令部７２とから構成される。本体制御機能部７１は、各種センサ１３０の信号と、ブラシレスモータ６１０で信号処理された速度信号とを用いて、洗濯槽９０を任意の動作となるように制御する。モータ速度指令部７２は、洗濯槽９０が任意の動作を実行するように、ブラシレスモータ６１０を最適に運転するための速度指令を生成し、速度指令信号Ｓｚとしてブラシレスモータ６１０に出力する。

ここで、モータ動作のロジックを説明する。図１０は、ブラシレスモータ６１０の洗濯１サイクル分における動作例を示す図で、図１１は、その起動時の拡大図である。図１０および図１１において、横軸を時間ｔとして、上から、速度指令信号Ｓｚの信号波形Ｓｚ（ｔ）、その実際の電圧波形Ｖｚ（ｔ）、電源電流Ｉｚの電流波形Ｉｚ（ｔ）、回転数ＲＴｚ（ｔ）、およびパワー素子温度Ｔｚの温度変化Ｔｚ（ｔ）を示している。

操作部１１２で選択された運転モードに従い、洗濯槽の運転／停止動作を繰り返すため、本体側マイコン６７０からモータ制御回路６２０に対し、図１０および図１１に示すような立上り／立下りを有するパルス状の信号波形Ｓｚ（ｔ）として速度指令信号Ｓｚが出力される。ここで、速度指令信号Ｓｚの電圧が指令速度に対応している。このとき、モータ制御回路６２０に至るまでの間には、各種インピーダンス成分が存在する。このため、実際の速度指令信号Ｓｚの波形としては、電圧波形Ｖｚ（ｔ）に示すように、立上り／立下り時の時定数（例として２００ｍｓｅｃ前後）を有して、アナログ信号波形としてモータ制御回路６２０に入力される。

モータ制御回路６２０は、このような速度指令信号Ｓｚに基づき、およそ１０〜２０ｋＨｚのＰＷＭデューティ信号に変換し、インバータ回路２０を駆動する。これにより、インバータ回路２０は、ＰＷＭデューティ信号に応じた電圧をモータ部５０の巻線に印加して、ブラシレスモータ６１０が運転される。

その結果、電源ラインに流れる電流のピーク値の軌跡を記録したとき、電源電流Ｉｚの電流波形Ｉｚ（ｔ）に示すような波形となる。起動からおよそ数ｍｓｅｃ〜数１００ｍｓｅｃの間は、モータの回転数ＲＴｚ（ｔ）が比較的小さいので、巻線に発生する逆起電力が小さい。このため、印加電圧のほぼ全ての電圧が巻線に印加されることとなり、図１１に示すように、電流ピークが電流制限値Ｉｐ１に達した状態（過負荷状態）となる。

ここで、電流制限の動作について説明する。電源電流Ｉｚが電流検出素子２２で電圧信号として検出され、電流制限値に相当する基準電圧と比較される。そして、電圧信号がこの基準電圧値以上の場合、電流制限の動作をおこなう。例えば、電流制限として、インバータ回路２０のパワー素子のＰＷＭデューティ信号に従うスイッチングを一旦ＯＦＦし、次のデューティ指令のタイミングでスイッチングを再開するという動作を繰り返すことで、過電流を制限するように動作する。

このとき、モータの回転数は回転数ＲＴｚ（ｔ）に示すように、所定の回転数に向けて立上がっていく。起動後、この所定の回転数に漸近していくと同時に、電源電流Ｉｚのピークも電流制限値Ｉｑに漸近していく。なお、上述の電流制限値Ｉｐ１は、過負荷状態（起動時）での電流制限値Ｉｐ１であり、ここでの電流制限値Ｉｑは、定常負荷状態での電流制限値Ｉｑである。

ここで、電流制限値Ｉｐ１は、次のように設定される。まず、一般的に連続運転動作することを前提にして、パワー素子の接合部温度が許容される最大値である最大許容接合部温度Ｔｊｍａｘを超えないようなパッケージ温度を保護動作温度とする。このとき、その保護動作温度において許容される電流値の最大の値が、電流制限値Ｉｐ１として設定される。また、電流制限値Ｉｑは、所定の回転数で回転するのに必要なトルクを発生することができる電流値の最大の値である。なお、以下、このような電流制限値Ｉｐ１を第１の電流制限値Ｉｐ１として適宜説明する。

インバータ回路２０に内蔵されたパワー素子の温度（パッケージ温度）であるパワー素子温度Ｔｚは、その温度変化Ｔｚ（ｔ）で表されるように、運転（洗濯動作）指令中は上昇し、停止指令中は低下する。通常、洗濯時の１サイクルの動作中にパワー素子の温度は上昇／下降を繰り返しながら、全体的には右肩上がりに上昇し続ける。

図１２は、実機負荷動作時のパワー素子温度Ｔｚの上昇カーブの一例を示す図である。実機の温度上昇の確認は、一般的に洗濯／すすぎ／脱水を１サイクルとして、これを３サイクル繰り返しておこなう。通常、洗濯機を構成する部品の中でモータのパワー素子の温度上昇が最も大きくなる。このため、３サイクル後のパワー素子の温度が保護動作温度を超えることがないように、本体制御設計がなされている。

ただし、洗濯機の実使用上においては想定外の過負荷運転やモータロックに至るような異常な使用方法がなされる可能性があり、この場合はパワー素子の温度が異常に上昇する。このため、従来、接合部温度が最大許容接合部温度Ｔｊｍａｘを超えてパワー素子が破壊しないように工夫した技術が提案されている。その一例として、モータ側で保護動作温度を予め設けておき、パワー素子の温度がこの温度に達した場合、これを超えないように保護動作をすることでパワー素子が破壊することを防いでいる（例えば、特許文献１〜３参照）。

図１３は、このような保護動作のさらに具体的な動作例を示す図である。図１３に示す動作例では、パワー素子温度Ｔｚが保護動作温度Ｔｐを超えた場合は、速度指令信号Ｓｚの電圧をＯＦＦレベルにして、インバータ回路２０の駆動を停止させている。このような動作により、モータへの電圧印加がなくなるため、電流が流れなくなりモータは回転せず、洗濯槽は停止する。そして、保護解除温度を下回れば再度運転を開始する。

図１４は、このような保護動作のさらに他の具体的な動作例を示す図である。図１４に示す動作例では、電流制限値を下げる方法を示し、調整後の電流制限値Ｉｐ１’は、Ｉｐ１＞Ｉｐ１’＞Ｉｑとなるような値に設定される。この時、パワー素子温度Ｔｚと電流制限値はアナログ回路で一義的に決まり、パワー素子温度Ｔｚに従い電流制限値が受け身的に上下する。また、電流制限値Ｉｐ１’は、Ｉｐ１’＜Ｉｐ１のため、起動時の電流が減少し、モータが発生するトルクが減少することで所定の回転数に至るまでの時間が長くなるという状況になる。

図１５は、このような保護動作のさらに他の具体的な動作例を示す図である。図１５に示す動作例では、電流制限値Ｉｐ１’をＩｐ１’＜Ｉｑと設定する場合を示す。この場合、電流制限値Ｉｐ１’が所定の回転数で回転するのに必要なトルクを発生することができる電流制限値Ｉｑを下回るため、所定の回転数に至らないという状況になる。

このように、従来の洗濯機のブラシレスモータにおいては、パワー素子の温度上昇によってモータが停止、あるいは電流制限値が低下して発生トルクが低下するといった保護機能を有している。このため、パワー素子の過熱時には洗濯槽が停止したり、あるいは、所定の回転数まで達しなかったりする可能性があった。

従って、洗濯機本体の制御としては、モータ出力が変化して洗濯時間や洗濯物の汚れ落ちに影響を及ぼすことがないように、モータ運転／停止動作の繰り返しにおいて過熱保護動作に至らないよう配慮する必要があった。

すなわち、運転時間を短くする、あるいは停止時間を長くするといった時間の調整や、所定の回転数の設定をする際に、最悪条件においてもパワー素子の温度上昇が絶対に保護動作温度に至ることがないように余裕を持たせた設定が必要となる。しかも、洗濯機本体の制御設計側が、パワー素子が過熱しないようなモータ制御設計までする必要があった。

以上、図９に示した従来のアナログＩＣ内蔵仕様のブラシレスモータでは、パワー素子温度と電流制限値の関係性について判断ができない。すなわち、パワー素子の温度情報と基準電圧と比較して電流制限値を変化させるのみである。

パワー素子温度の変化のスピードや基準電圧に対する余裕度を情報として読み取り、以降の温度の変化量や余裕度を推定するといったことができないため、一般的には、連続運転動作することを前提にしてパワー素子の接合部温度がＴｊｍａｘを超えないような保護動作温度を決め、その温度において許容できる最大の電流値を電流制限値Ｉｐ１として設定している。

そのため、電流制限値Ｉｐ１以上の電流制限値の設定をすることができなかった。従って、保護動作温度に達した後に電流制限値を下げるという動作をおこなうだけの受け身的な機能であった。

特開平１０−２０１２８０号公報 特開２００４−２０８４５０号公報 特開２０００−１６６２８９号公報

本発明のブラシレスモータは、巻線を巻回したステータおよび永久磁石を保持したロータを含むモータ部と、モータ制御用のマイコンと、パワー素子を内蔵して巻線への印加電圧量を制御するインバータ回路と、パワー素子の温度を検出する温度検出素子と、電源電流あるいは巻線の電流を検出する電流検出素子を備えた洗濯機用のブラシレスモータである。連続運転動作することを前提にして、パワー素子の接合部温度が所定値を超えないように設定される電流制限値を第１の電流制限値としたとき、本ブラシレスモータは、第１の電流制限値よりも高い第２の電流制限値を設定し、ブラシレスモータの起動後の所定時間のみ、第２の電流制限値で運転する構成である。

また、本発明の洗濯機は、このブラシレスモータを搭載した構成である。

これにより、起動時のトルクアップを目的として従来の第１の電流制限値を超える第２の電流制限値を任意に設定し、パワー素子の温度を抑制しながら最大トルクで起動させることが可能となる。

このため、本発明により、洗浄効果を高めながらもパワー素子の温度上昇を抑制してパワー素子の破壊を防ぐとともに、洗濯時間の短縮を図ることができる。

図１は、本発明の実施の形態に係るブラシレスモータを備えた洗濯機のブロック図である。 図２は、同洗濯機の構成例を示す図である。 図３は、本発明の実施の形態に係るブラシレスモータの構成例を示す図である。 図４は、同洗濯機の洗濯動作時のフローチャートである。 図５は、本発明の実施の形態に係るブラシレスモータの洗濯１サイクル分における動作例を示す図である。 図６は、図５の洗濯時の動作説明図において、起動時を拡大した図である。 図７は、同ブラシレスモータ電流波形Ｉｘ（ｔ）と比較例の電流波形Ｉｚ（ｔ）とを示す図である。 図８は、同ブラシレスモータのパワー素子の温度上昇図である。 図９は、従来の洗濯機のブロック図である。 図１０は、従来のブラシレスモータの洗濯１サイクル分における動作例を示す図である。 図１１は、図１０における起動時の拡大図である。 図１２は、従来の実機負荷動作時のパワー素子温度Ｔｚの上昇カーブの一例を示す図である。 図１３は、従来の洗濯機におけるパワー素子の温度保護動作の具体的な一例を示す図である。 図１４は、同パワー素子の温度保護動作の具体的な他の例を示す図である。 図１５は、同パワー素子の温度保護動作の具体的なさらに他の例を示す図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係るブラシレスモータ１０を備えた洗濯機１００のブロック図である。また、図２は、洗濯機１００の構成例を示す図である。また、図３は、ブラシレスモータ１０の構成例を示す図である。

まず、図２を参照しながら、洗濯機１００の構成について説明する。図２に示すように、洗濯機１００は、水平方向または傾斜方向に回転の軸心を有する回転ドラムである洗濯槽９０を内包して回転自在に支持し、洗濯機本体内に弾性的に支持された水槽９１を備える。水槽９１の背面には、洗濯槽９０にシャフト９２を介して動力を伝達するプーリー９３が配置され、プーリー９３に動力を伝達するブラシレスモータ（以下、適宜、単にモータと呼ぶ）１０が、水槽９１の下方に取付部３７を介して固定されている。そして、モータ１０の回転軸４７の先端に取り付けられたモータプーリー９５とプーリー９３とが、回転を伝達するようにベルト９４によって結ばれている。このような構成において、モータ１０の回転軸４７が回転することにより、洗濯槽９０が回転し、これによって洗濯槽９０内の洗濯物を洗濯する。また、使用者の操作により使用者からの指示を入力する操作部１１２や、使用者に洗濯状態などを提示するための表示部１１３が洗濯機本体１１１の上部に配置されている。さらに、例えば操作部１１２からの指示に応じた洗濯動作をおこなったり、その動作のためにモータ１０を制御したりするなどの目的で、洗濯機１００は、その内部において本体側マイコン７０を有している。また、本体側マイコン７０と、上述の操作部１１２や表示部１１３、各種のセンサ１３０、およびモータ１０とは、情報の伝達が可能なように、例えば所定の通信フォーマットに基づくシリアルデータ通信などの通信線を介して接続されている。

次に、図３を参照しながら、ブラシレスモータ１０の構成について説明する。モータ１０は、洗濯機１００の水槽９１に固定されるステータ３０と、ステータ３０に対向して回転自在に保持されたロータ４０とを備えている。

ステータ３０は、ステータコア３１と、巻線３３と、ステータフレーム３８と、取付部３７とを備えている。ステータコア３１は、例えば薄い鉄板を積層して構成される。巻線３３は、巻線絶縁材を介してステータコア３１に巻回される。取付部３７は、モータ１０を水槽９１に固定するために設けている。そして、ステータフレーム３８は、ステータコア３１および軸受３５を保持し、取付部３７を介して水槽９１に固定される。

また、ロータ４０は、軸受３５により回転自在に保持された回転軸４７を中心として、ロータコア４１と、磁石４２と、モータプーリー９５とを備えている。ロータコア４１は、回転軸４７の略中央部において回転軸４７に固定され、例えば薄い鉄板を積層して構成される。磁石４２は、永久磁石であり、ロータコア４１の外周に配設されている。そして、ロータ４０が発生する動力を洗濯槽９０に伝達するため、回転軸４７の一端側にモータプーリー９５が固定されている。

このように構成されたステータ３０とロータ４０とにより、モータ部５０が構成される。モータ部５０は、ステータ３０の巻線３３に駆動電圧を印加して巻線電流を流すように通電駆動することで、ロータ４０が回転する。

また、本実施の形態では、モータ部５０内に、巻線３３を通電駆動するための駆動回路を内蔵したブラシレスモータの一例を挙げている。すなわち、図３に示すように、モータ１０は、さらに、駆動回路となる回路部品を実装した回路基板５５を内蔵している。回路基板５５上には、例えば、巻線３３に駆動電圧を供給するインバータ回路２０用のパワー素子や位置センサ５７などに加えて、本実施の形態では、モータ制御用マイコン１３も実装されている。

以上のように、モータ１０は、演算処理機能を持つモータ制御用としてのモータ制御用マイコン１３と、インバータ回路２０と、モータ部５０と、位置センサ５７とを含む構成である。そして、本実施の形態では、図１に示すように、モータ１０が、インバータ回路２０に内蔵されてそのパワー素子の温度を検出する温度検出素子としての温度センサ２１と、電源部８０からの電源電流Ｉｘや巻線の電流を検出する電流検出素子２２とを、さらに備えている。

モータ制御用マイコン（以下、適宜、モータ側マイコンと呼ぶ）１３は、モータ１０を制御するために設けており、本体側マイコン７０とデータ通信が可能である。モータ側マイコン１３は、モータ制御機能部１５と速度制御部１４とを備えている。モータ制御機能部１５は、位置センサ５７の信号と電流検出素子２２の信号と温度センサ２１の信号とを用いて、洗濯槽９０を任意の動作となるようにモータ部５０を制御する。速度制御部１４は、本体側マイコン７０の速度指令と位置センサ５７の信号に基づき検出あるいは推定した実速度とが等しくなるような駆動量を算出する。そして、この駆動量に応じた信号と図示しない基準三角波とにより、駆動量に応じたデューティ幅のパルスで構成されるＰＷＭデューティ信号Ｄｐを生成する。生成したＰＷＭデューティ信号Ｄｐは、巻線３３への印加電圧量を制御するインバータ回路２０に供給される。インバータ回路２０は、パルス信号によってスイッチングされるパワー素子を有しており、ＰＷＭデューティ信号Ｄｐのパルスのレベルに従って、インバータ回路２０に内蔵するスイッチングパワー素子のそれぞれがオンオフ制御される。インバータ回路２０がこのように動作することにより、駆動量に応じた駆動電圧が生成され、この駆動電圧がモータ部５０の巻線３３に供給される。このように、インバータ回路２０が駆動電圧を巻線３３に印加することで、巻線３３には巻線電流が流れて、巻線３３が通電駆動される。

また、本体側マイコン７０は、本体制御機能部７１とシーケンス指令部７３とを備えている。本体制御機能部７１は、各種センサ１３０の信号とモータ１０で信号処理された速度信号とを用いて、洗濯槽９０を任意の動作となるように制御する。シーケンス指令部７３は、洗濯槽９０を任意の運転モードとなるようにモータ１０の動作モードを指定する。

ここで、本体側マイコン７０の役割は、上位のコントローラとして洗濯機トータルの動作をコントロールする働きをすることである。すなわち、本体側マイコン７０は、洗濯物の量や汚れ具合、洗濯機を操作する人間の要望に合わせて、洗濯／すすぎ／脱水の基本動作をモータ１０が正確におこなうように管理している。

一方、モータ側マイコン１３の役割は、下位のコントローラとして本体側マイコン７０の指令に従いモータ１０の動作をコントロールする働きをすることである。すなわち、モータ側マイコン１３は、それぞれの基本動作について、洗浄力を最大限発揮し、石鹸成分が残らないように充分なすすぎを行い、洗濯物が乾きやすいようにしっかりと脱水するとともに、洗濯物が傷まないように、また、電気量や水の量を節約するようにモータ１０を制御している。

このとき、データ通信機能を用いることで、本体側マイコン７０からモータ側マイコン１３への情報として、プログラムそのものやパラメータ、動作シーケンスや動作モードといったデジタルデータが送付される。また、モータ側マイコン１３から本体側マイコン７０への情報としては、モータ１０の電流値や回転数、温度情報や負荷情報、洗濯槽の状況といったデータがやり取りされる。図１では、モータ側マイコン１３と本体側マイコン７０との間で、データＤｘが伝送される例を示している。

図４は、本実施の形態における洗濯機１００の洗濯動作時のフローチャートである。次に、モータ１０の動作のロジックを図４のフローチャートを参照しながら説明する。操作部１１２で選択された運転モードに従い、本体側マイコン７０からモータ側マイコン１３に、洗濯／すすぎ／脱水等の各モードの運転指令や各々のモードの所定の運転時間といったシーケンス指令が入力される（ステップＳ３１）。

洗濯物の汚れ落ち等の補正情報が、本体側マイコン７０からモータ側マイコン１３に入力される（ステップＳ３２）。シーケンス指令入力後、電流検出素子２２が検出した電源や巻線の電流Ｉｘの電流値を、予め用意しているテーブルと照らし合わせて、モータ側マイコン１３が洗濯物を負荷量として推定する（ステップＳ３３）。

洗濯物が各運転モードで最適な動きをするように、推定した負荷量と予め用意しているテーブルとから起動時に必要なトルクや回転数を導き出して、モータ側マイコン１３が、最大電流値や回転数を設定する（ステップＳ３４）。そして、モータ側マイコン１３が、インバータ回路２０にＰＷＭデューティ信号Ｄｐを出力することで、モータ部５０の巻線３３に駆動電圧を印加してモータ１０を運転する（ステップＳ３５）。モータ側マイコン１３がモータ１０の回転数を確認する（ステップ３６）。

また、インバータ回路２０に内蔵されたパワー素子の温度（パッケージ温度）は、温度センサ２１にて検出され（ステップＳ３７）、検出した温度に基づき、モータ側マイコン１３が接合部温度を推定する（ステップＳ３８）。その後、モータ側マイコン１３は、このまま運転を続けた場合に接合部温度が所定値の温度としての最大許容接合部温度Ｔｊｍａｘ（以下、適宜、単に、Ｔｊｍａｘと呼ぶ）に至るかどうかを判定する（ステップＳ３９）。このとき、接合部温度がＴｊｍａｘを超えるとモータ制御用マイコン１３が判断した場合、ステップＳ３４に戻って、Ｔｊｍａｘを超えないように電流値を調整する。なお、接合部の温度は、パワー素子のパッケージの温度にパッケージと接合部間の温度差を加えることで求めることができる。パッケージと接合部間の温度差は、パッケージと接合部間の熱抵抗と接合部での損失の積で求められる。

特に、本実施の形態では、マイコン仕様のブラシレスモータ１０としているため、このようなパワー素子温度と電流制限値の関係性について、得られた情報からモータ自身で判断ができる。このため、連続運転動作が可能かどうかに関係なく、パワー素子の接合部温度がＴｊｍａｘを超えないように適応的に電流制限値を設定できる。

すなわち、本実施の形態では、このような適応的な制御が可能であることを利用して、モータ起動時において、上述した第１の電流制御値Ｉｐ１以上に電流制限値を上げる（以下、ブーストアップという）処理をおこなう構成としており、これによってモータ起動時のトルクアップを図っている。このように、本実施の形態では、保護動作温度といった基準を閾値とすることなく、リアルタイムに観測するパワー素子の温度情報から接合部の温度上昇を推定して、Ｔｊｍａｘに至るかどうかを判断するといった主体的な機能を持たせている。詳細については以下で説明するが、本実施の形態では、このような構成とすることで、パワー素子の温度上昇を抑制するとともに、トルクアップを利用して洗濯時間の短縮を図っている。

最後に、ここまでに要した時間と各運転モードに必要な所定時間とを比較し、所定時間以下の場合は、ステップＳ３２に戻り、所定の時間が経過するまでモータ側マイコン１３が同様の手順を繰り返す（ステップ４０）。

図５は、本実施の形態に係るブラシレスモータ１０の洗濯１サイクル分における動作例を示す図であり、洗濯１サイクルにおけるモータ１０の時間経過に伴う動作を示している。また、図６は、図５のモータ１０の起動時を拡大した図である。図５および図６において、横軸を時間ｔとして、上から、シーケンス指令データＤｘ、その指令データＤｘが示す速度指令値Ｖｘ（ｔ）、電源電流Ｉｘの電流波形Ｉｘ（ｔ）、回転数ＲＴｘ（ｔ）、およびパワー素子温度Ｔｘの温度変化Ｔｘ（ｔ）を示している。また、図６において、本実施の形態の電流波形Ｉｘ（ｔ）、回転数ＲＴｘ（ｔ）および温度変化Ｔｘ（ｔ）を実線で示すとともに、比較のために、図１１で説明した従来例の電流波形Ｉｚ（ｔ）、回転数ＲＴｚ（ｔ）および温度変化Ｔｚ（ｔ）を一点鎖線で示している。

操作部１１２で選択された運転モードに従い、洗濯槽９０を運転するために、本体側マイコン７０のシーケンス指令部７３からモータ制御用マイコン１３に、デジタル信号としてシーケンス指令データＤｘが入力される。本体側マイコン７０からは通信によるシーケンス指令データＤｘが入力されるため、アナログ電圧による立上り／立下り信号波形はなく、時定数はほぼ関係ない。すなわち、図５に示すように、速度指令値Ｖｘ（ｔ）は、停止時の０から運転時の所定の速度を示す値Ｖｘ１へと瞬時に変化する。

なお、運転／停止動作を繰り返すための速度指令値Ｖｘ（ｔ）は、モータ１０に内蔵されたモータ側マイコン１３内部のデジタル値として存在する。速度指令値Ｖｘ（ｔ）などを用いたモータ側マイコン１３内部の演算処理にて算出される駆動値は、およそ周波数１０〜２０ｋＨｚのＰＷＭデューティ信号Ｄｐに変換され、インバータ回路２０をパルス駆動し、モータ部５０の巻線３３にこの駆動値に対応する電圧を印加してモータ１０が運転される。

その結果、電源部８０からの電源ラインに流れる電源電流Ｉｘのピーク値の軌跡を記録したとき、電源電流Ｉｘの電流波形Ｉｘ（ｔ）に示すような波形となる。特に、本実施の形態では、モータ起動時、およそ数ｍｓｅｃ〜数１００ｍｓｅｃの間、電流ピークである電流波形Ｉｘ（ｔ）が第２の電流制限値Ｉｐ２に達することを特徴としている。すなわち、本実施の形態では上述のように、第１の電流制限値Ｉｐ１よりも大きい第２の電流制限値Ｉｐ２を設け、ブーストアップを図っている。この時間中は、モータの回転数が比較的小さいため巻線に発生する逆起電力が小さく、印加電圧のほぼ全ての電圧が巻線に印加されることになり、電流ピークが電流制限値Ｉｐ２に達してしまうので、一般的に過負荷状態と称される。

モータの回転数は回転数ＲＴｘ（ｔ）のように、所定の回転数に向けて立上がっていく。起動後、この所定の回転数ＲＴｘ１に漸近していくと同時に、電源電流Ｉｘのピークも定常負荷状態での電流制限値Ｉｑに漸近していく。ここで、背景技術においても説明したように、過負荷状態（起動時）での第１の電流制限値Ｉｐ１は、一般的に、連続運転動作することを前提にしてパワー素子の接合部温度が所定値であるＴｊｍａｘを超えないような保護動作温度を決めた時、その温度において許容される電流値の最大の値である。また、定常負荷状態での電流制限値Ｉｑは、所定の回転数で回転するのに必要なトルクを発生することができる電流値の最大の値である。

これに対し、本実施の形態で設定している過負荷状態（起動時）での第２の電流制限値Ｉｐ２は、連続運転動作することを前提とせず、Ｔｊｍａｘを超えない範囲において任意に設定可能な値である。すなわち、第２の電流制限値Ｉｐ２は、ブーストアップを目的として図６に示すような第１の電流制限値Ｉｐ１以上の値にも設定できる。このため、図６に示すように、起動時の電流のピークは、第１の電流制限値Ｉｐ１よりも大きい第２の電流制限値Ｉｐ２へと変化する。そして、それによるトルクアップによって、所定の回転数に達する時間が短くなっており、第１の電流制限値Ｉｐ１の場合に比べて、起動時（過負荷状態）の時間がｔｚｐからｔｘｐへと短くなる。このように、本実施の形態では、従来の第１の電流制限値Ｉｐ１の設定例における回転数ＲＴｚ（ｔ）の立上りに比べて、図６の回転数ＲＴｘ（ｔ）で示すように、回転数をいち早く立上げることができる。

以上説明したように、本実施の形態は、第１の電流制限値Ｉｐ１よりも高い第２の電流制限値Ｉｐ２を設定し、モータ１０の起動後の所定時間のみ、第２の電流制限値Ｉｐ２で運転するように構成している。そして、本実施の形態によれば、いち早く回転数が立上り、その後、所定の回転数となる定常負荷点に至るので、速やかに定常負荷点のトルクを発生するに足る電流制限値Ｉｑを設定している。

このような動作状況である時、電源電流の電流波形に対して設ける電流制限値Ｉｐ１、Ｉｐ２、Ｉｑの関係はＩｐ２＞Ｉｐ１＞Ｉｑと表される。また、本実施の形態では、上述のように、モータ側マイコン１３が、リアルタイムにＴｊｍａｘに至るかどうかを判断するため、Ｉｐ２＞Ｉｐ１と設定しながらも温度保護動作を回避することが可能となっている。

ところで、単にＩｐ２＞Ｉｐ１と設定した場合、パワー素子における温度上昇の主要因である電流が単純に増えることになり、温度上昇が大きくなる。その一方で、起動時に回転数がいち早く立上がるため、洗濯サイクル時間を短縮できることになる。すなわち、本実施の形態では、起動時に回転数がいち早く立上がることで洗浄効果が高くなった分だけ、一洗濯サイクルの動作時間を短縮している。これにより、起動時間ｔｘｐでの電流増加分と、定常負荷状態の時間ｔｘｑの電流減少分があたかも相殺されるように働いて、結果的にパワー素子の温度上昇を抑制することができる。

図７は、上側に示す本実施の形態における電源電流Ｉｘの電流波形Ｉｘ（ｔ）と、下側に示す比較例としての図１１で説明した従来例の電源電流Ｉｚの電流波形Ｉｚ（ｔ）とを示す図である。図７に示すように、比較例の場合は、運転時間は、起動時の過負荷状態の時間ｔｚｐと定常負荷状態の時間ｔｚｑとなる。これに対し、本実施の形態では、起動時の回転数が高速で立上がるため、比較例に比べて、運転時間を起動時の過負荷状態の時間ｔｘｐと定常負荷状態の時間ｔｘｑとに短縮することができる。

すなわち、図７に示す比較例（従来）のように、電流制限値Ｉｐ１とした場合での、起動時の過負荷状態の時間ｔｚｐと定常負荷状態の時間ｔｚｑとの期間における電流値の積算量（面積）をＳ１とする。また、図７に示す本実施の形態の電流制限値Ｉｐ２とした場合での、起動時の過負荷状態の時間ｔｘｐと定常負荷状態の時間ｔｘｑとの期間における電流値の積算量（面積）をＳ２とする。そして、積算量（面積）Ｓ２を積算量（面積）Ｓ１と同等かそれ以下に抑えれば、パワー素子の温度上昇は変わらず、従来と同様に温度上昇を抑制することができる。このように、本実施の形態では、第２の電流制限値Ｉｐ２で起動し、その後、第１の電流制限値Ｉｐ１より低い定常負荷状態での電流制限値Ｉｑで運転した場合の電流積算量Ｓ２を、第１の電流制限値Ｉｐ１で起動してその後定常負荷状態での電流制限値Ｉｑで運転した場合の電流積算量Ｓ１と同等もしくはそれ以下としている。言い換えると、本実施の形態では、電流積算量Ｓ２が、第１の電流制限値Ｉｐ１で起動して運転した場合の電流積算量Ｓ１と同等もしくはそれ以下となるような第２の電流制限値Ｉｐ２でモータ１０を起動するように構成している。

図８は、本実施の形態のブラシレスモータ１０の実機負荷動作時のパワー素子の温度変化Ｔｘ（ｔ）を示す図である。図８において、本実施の形態の温度変化Ｔｘ（ｔ）を実線で示すとともに、比較のために、図７に示す比較例の場合の温度変化Ｔｚ（ｔ）を一点鎖線で示している。

図６に示すように洗濯動作時に起動時の電流制限値を第２の電流制限値Ｉｐ２にまで上げてブーストアップすることで、図８に示すように、従来の温度変化Ｔｚ（ｔ）に対して、本実施の形態の温度変化Ｔｘ（ｔ）での温度上昇は大きくなるが、洗濯動作時の時間が時間ｔｓｓだけ短縮される。このように、一洗濯動作時間が短縮した分、早く洗濯時間を終えることができると同時に、すすぎや脱水のようにブーストアップする必要がない動作時に電流制限値を従来と同じに留めることができる。このため、洗濯／すすぎ／脱水の１サイクル当りの温度上昇を抑えることができ、３サイクル後のパワー素子の温度上昇を従来の保護動作温度以下に抑えることができる。

洗濯物の汚れ落ちの向上、洗濯時間の短縮を図るときに有効な洗濯槽の動きの一つの例としては、起動時の回転数の立上りをいかに短時間で行い、起動後はいかにムラなく安定して回転数を一定に保つかということが重要である。本実施の形態では、パワー素子の破壊を防ぐとともに、必要な起動トルクと回転数立上がり応答性の改善を実現するための最適な電流制限値と通電時間とをモータ自身で実現することで、従来以上にブラシレスモータの使い勝手を向上させることができる。

以上のように本発明によれば、パワー素子の破壊を防ぐとともに、洗濯運転時に必要な起動トルクと回転数立上がり応答性の改善を実現するための最適な電流制限値と通電時間とをモータ自身で実現しているため、洗濯機用の高機能なブラシレスモータとして最適である。

１０，６１０ ブラシレスモータ
１３ モータ制御用マイコン
１４，６２１ 速度制御部
１５ モータ制御機能部
２０ インバータ回路
２１ 温度センサ
２２ 電流検出素子
３０ ステータ
３１ ステータコア
３３ 巻線
３５ 軸受
３７ 取付部
３８ ステータフレーム
４０ ロータ
４１ ロータコア
４２ 磁石
４７ 回転軸
５０ モータ部
５５ 回路基板
５７ 位置センサ
７０，６７０ 本体側マイコン
７１ 本体制御機能部
７２ モータ速度指令部
７３ シーケンス指令部
８０ 電源部
９０ 洗濯槽
９１ 水槽
９２ シャフト
９３ プーリー
９４ ベルト
９５ モータプーリー
１００，６００ 洗濯機
１１１，６０１ 洗濯機本体
１１２ 操作部
１１３ 表示部

本発明は、洗濯槽の運転制御機能を内蔵したブラシレスモータ、およびこれを搭載した洗濯機に関するものである。

まず、一般的な全自動洗濯機、あるいはドラム式洗濯機（以下、単に洗濯機という）に搭載される従来のブラシレスモータの例を図９にて説明する。図９は、入力される回転速度（以下、単に速度という）指令に従い速度制御が可能なブラシレスモータ６１０を搭載した従来の洗濯機６００のブロック図である。

ブラシレスモータ６１０は、演算処理機能を持たないアナログＩＣ仕様のモータ制御回路６２０と、インバータ回路２０と、インバータ回路２０に内蔵するパワー素子の温度を検出する温度センサ２１と、電源電流Ｉｚを検出する電流検出素子２２と、モータ部５０と、ロータ位置を検出する位置センサ５７から構成されている。モータ制御回路６２０は、本体側マイクロコントローラ（以下、マイコンと呼ぶ）６７０から通知される速度指令信号Ｓｚや図示しない基準三角波の信号などにより、ＰＷＭ（パルス幅変調）デューティ信号を生成する速度制御部６２１を有している。

洗濯機本体６０１は、本体側マイコン６７０と、電源部８０と、ブラシレスモータ６１０と、洗濯槽９０と、各種センサ１３０と、操作部１１２と、表示部１１３とから構成されている。本体側マイコン６７０は、本体制御機能部７１と、モータ速度指令部７２とから構成される。本体制御機能部７１は、各種センサ１３０の信号と、ブラシレスモータ６１０で信号処理された速度信号とを用いて、洗濯槽９０を任意の動作となるように制御する。モータ速度指令部７２は、洗濯槽９０が任意の動作を実行するように、ブラシレスモータ６１０を最適に運転するための速度指令を生成し、速度指令信号Ｓｚとしてブラシレスモータ６１０に出力する。

ここで、モータ動作のロジックを説明する。図１０は、ブラシレスモータ６１０の洗濯１サイクル分における動作例を示す図で、図１１は、その起動時の拡大図である。図１０および図１１において、横軸を時間ｔとして、上から、速度指令信号Ｓｚの信号波形Ｓｚ（ｔ）、その実際の電圧波形Ｖｚ（ｔ）、電源電流Ｉｚの電流波形Ｉｚ（ｔ）、回転数ＲＴｚ（ｔ）、およびパワー素子温度Ｔｚの温度変化Ｔｚ（ｔ）を示している。

操作部１１２で選択された運転モードに従い、洗濯槽の運転／停止動作を繰り返すため、本体側マイコン６７０からモータ制御回路６２０に対し、図１０および図１１に示すような立上り／立下りを有するパルス状の信号波形Ｓｚ（ｔ）として速度指令信号Ｓｚが出力される。ここで、速度指令信号Ｓｚの電圧が指令速度に対応している。このとき、モータ制御回路６２０に至るまでの間には、各種インピーダンス成分が存在する。このため、実際の速度指令信号Ｓｚの波形としては、電圧波形Ｖｚ（ｔ）に示すように、立上り／立下り時の時定数（例として２００ｍｓｅｃ前後）を有して、アナログ信号波形としてモータ制御回路６２０に入力される。

モータ制御回路６２０は、このような速度指令信号Ｓｚに基づき、およそ１０〜２０ｋＨｚのＰＷＭデューティ信号に変換し、インバータ回路２０を駆動する。これにより、インバータ回路２０は、ＰＷＭデューティ信号に応じた電圧をモータ部５０の巻線に印加して、ブラシレスモータ６１０が運転される。

その結果、電源ラインに流れる電流のピーク値の軌跡を記録したとき、電源電流Ｉｚの電流波形Ｉｚ（ｔ）に示すような波形となる。起動からおよそ数ｍｓｅｃ〜数１００ｍｓｅｃの間は、モータの回転数ＲＴｚ（ｔ）が比較的小さいので、巻線に発生する逆起電力が小さい。このため、印加電圧のほぼ全ての電圧が巻線に印加されることとなり、図１１に示すように、電流ピークが電流制限値Ｉｐ１に達した状態（過負荷状態）となる。

ここで、電流制限の動作について説明する。電源電流Ｉｚが電流検出素子２２で電圧信号として検出され、電流制限値に相当する基準電圧と比較される。そして、電圧信号がこの基準電圧値以上の場合、電流制限の動作をおこなう。例えば、電流制限として、インバータ回路２０のパワー素子のＰＷＭデューティ信号に従うスイッチングを一旦ＯＦＦし、次のデューティ指令のタイミングでスイッチングを再開するという動作を繰り返すことで、過電流を制限するように動作する。

このとき、モータの回転数は回転数ＲＴｚ（ｔ）に示すように、所定の回転数に向けて立上がっていく。起動後、この所定の回転数に漸近していくと同時に、電源電流Ｉｚのピークも電流制限値Ｉｑに漸近していく。なお、上述の電流制限値Ｉｐ１は、過負荷状態（起動時）での電流制限値Ｉｐ１であり、ここでの電流制限値Ｉｑは、定常負荷状態での電流制限値Ｉｑである。

ここで、電流制限値Ｉｐ１は、次のように設定される。まず、一般的に連続運転動作することを前提にして、パワー素子の接合部温度が許容される最大値である最大許容接合部温度Ｔｊｍａｘを超えないようなパッケージ温度を保護動作温度とする。このとき、その保護動作温度において許容される電流値の最大の値が、電流制限値Ｉｐ１として設定される。また、電流制限値Ｉｑは、所定の回転数で回転するのに必要なトルクを発生することができる電流値の最大の値である。なお、以下、このような電流制限値Ｉｐ１を第１の電流制限値Ｉｐ１として適宜説明する。

インバータ回路２０に内蔵されたパワー素子の温度（パッケージ温度）であるパワー素子温度Ｔｚは、その温度変化Ｔｚ（ｔ）で表されるように、運転（洗濯動作）指令中は上昇し、停止指令中は低下する。通常、洗濯時の１サイクルの動作中にパワー素子の温度は上昇／下降を繰り返しながら、全体的には右肩上がりに上昇し続ける。

図１２は、実機負荷動作時のパワー素子温度Ｔｚの上昇カーブの一例を示す図である。実機の温度上昇の確認は、一般的に洗濯／すすぎ／脱水を１サイクルとして、これを３サイクル繰り返しておこなう。通常、洗濯機を構成する部品の中でモータのパワー素子の温度上昇が最も大きくなる。このため、３サイクル後のパワー素子の温度が保護動作温度を超えることがないように、本体制御設計がなされている。

ただし、洗濯機の実使用上においては想定外の過負荷運転やモータロックに至るような異常な使用方法がなされる可能性があり、この場合はパワー素子の温度が異常に上昇する。このため、従来、接合部温度が最大許容接合部温度Ｔｊｍａｘを超えてパワー素子が破壊しないように工夫した技術が提案されている。その一例として、モータ側で保護動作温度を予め設けておき、パワー素子の温度がこの温度に達した場合、これを超えないように保護動作をすることでパワー素子が破壊することを防いでいる（例えば、特許文献１〜３参照）。

図１３は、このような保護動作のさらに具体的な動作例を示す図である。図１３に示す動作例では、パワー素子温度Ｔｚが保護動作温度Ｔｐを超えた場合は、速度指令信号Ｓｚの電圧をＯＦＦレベルにして、インバータ回路２０の駆動を停止させている。このような動作により、モータへの電圧印加がなくなるため、電流が流れなくなりモータは回転せず、洗濯槽は停止する。そして、保護解除温度を下回れば再度運転を開始する。

図１４は、このような保護動作のさらに他の具体的な動作例を示す図である。図１４に示す動作例では、電流制限値を下げる方法を示し、調整後の電流制限値Ｉｐ１’は、Ｉｐ１＞Ｉｐ１’＞Ｉｑとなるような値に設定される。この時、パワー素子温度Ｔｚと電流制限値はアナログ回路で一義的に決まり、パワー素子温度Ｔｚに従い電流制限値が受け身的に上下する。また、電流制限値Ｉｐ１’は、Ｉｐ１’＜Ｉｐ１のため、起動時の電流が減少し、モータが発生するトルクが減少することで所定の回転数に至るまでの時間が長くなるという状況になる。

図１５は、このような保護動作のさらに他の具体的な動作例を示す図である。図１５に示す動作例では、電流制限値Ｉｐ１’をＩｐ１’＜Ｉｑと設定する場合を示す。この場合、電流制限値Ｉｐ１’が所定の回転数で回転するのに必要なトルクを発生することができる電流制限値Ｉｑを下回るため、所定の回転数に至らないという状況になる。

このように、従来の洗濯機のブラシレスモータにおいては、パワー素子の温度上昇によってモータが停止、あるいは電流制限値が低下して発生トルクが低下するといった保護機能を有している。このため、パワー素子の過熱時には洗濯槽が停止したり、あるいは、所定の回転数まで達しなかったりする可能性があった。

従って、洗濯機本体の制御としては、モータ出力が変化して洗濯時間や洗濯物の汚れ落ちに影響を及ぼすことがないように、モータ運転／停止動作の繰り返しにおいて過熱保護動作に至らないよう配慮する必要があった。

すなわち、運転時間を短くする、あるいは停止時間を長くするといった時間の調整や、所定の回転数の設定をする際に、最悪条件においてもパワー素子の温度上昇が絶対に保護動作温度に至ることがないように余裕を持たせた設定が必要となる。しかも、洗濯機本体の制御設計側が、パワー素子が過熱しないようなモータ制御設計までする必要があった。

以上、図９に示した従来のアナログＩＣ内蔵仕様のブラシレスモータでは、パワー素子温度と電流制限値の関係性について判断ができない。すなわち、パワー素子の温度情報と基準電圧と比較して電流制限値を変化させるのみである。

パワー素子温度の変化のスピードや基準電圧に対する余裕度を情報として読み取り、以降の温度の変化量や余裕度を推定するといったことができないため、一般的には、連続運転動作することを前提にしてパワー素子の接合部温度がＴｊｍａｘを超えないような保護動作温度を決め、その温度において許容できる最大の電流値を電流制限値Ｉｐ１として設定している。

そのため、電流制限値Ｉｐ１以上の電流制限値の設定をすることができなかった。従って、保護動作温度に達した後に電流制限値を下げるという動作をおこなうだけの受け身的な機能であった。

特開平１０−２０１２８０号公報 特開２００４−２０８４５０号公報 特開２０００−１６６２８９号公報

本発明のブラシレスモータは、巻線を巻回したステータおよび永久磁石を保持したロータを含むモータ部と、モータ制御用のマイコンと、パワー素子を内蔵して巻線への印加電圧量を制御するインバータ回路と、パワー素子の温度を検出する温度検出素子と、電源電流あるいは巻線の電流を検出する電流検出素子を備えた洗濯機用のブラシレスモータである。連続運転動作することを前提にして、パワー素子の接合部温度が所定値を超えないように設定される電流制限値を第１の電流制限値としたとき、本ブラシレスモータは、第１の電流制限値よりも高い第２の電流制限値を設定し、ブラシレスモータの起動後の所定時間のみ、第２の電流制限値で運転する構成である。

また、本発明の洗濯機は、このブラシレスモータを搭載した構成である。

これにより、起動時のトルクアップを目的として従来の第１の電流制限値を超える第２の電流制限値を任意に設定し、パワー素子の温度を抑制しながら最大トルクで起動させることが可能となる。

このため、本発明により、洗浄効果を高めながらもパワー素子の温度上昇を抑制してパワー素子の破壊を防ぐとともに、洗濯時間の短縮を図ることができる。

図１は、本発明の実施の形態に係るブラシレスモータを備えた洗濯機のブロック図である。 図２は、同洗濯機の構成例を示す図である。 図３は、本発明の実施の形態に係るブラシレスモータの構成例を示す図である。 図４は、同洗濯機の洗濯動作時のフローチャートである。 図５は、本発明の実施の形態に係るブラシレスモータの洗濯１サイクル分における動作例を示す図である。 図６は、図５の洗濯時の動作説明図において、起動時を拡大した図である。 図７は、同ブラシレスモータ電流波形Ｉｘ（ｔ）と比較例の電流波形Ｉｚ（ｔ）とを示す図である。 図８は、同ブラシレスモータのパワー素子の温度上昇図である。 図９は、従来の洗濯機のブロック図である。 図１０は、従来のブラシレスモータの洗濯１サイクル分における動作例を示す図である。 図１１は、図１０における起動時の拡大図である。 図１２は、従来の実機負荷動作時のパワー素子温度Ｔｚの上昇カーブの一例を示す図である。 図１３は、従来の洗濯機におけるパワー素子の温度保護動作の具体的な一例を示す図である。 図１４は、同パワー素子の温度保護動作の具体的な他の例を示す図である。 図１５は、同パワー素子の温度保護動作の具体的なさらに他の例を示す図である。

本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係るブラシレスモータ１０を備えた洗濯機１００のブロック図である。また、図２は、洗濯機１００の構成例を示す図である。また、図３は、ブラシレスモータ１０の構成例を示す図である。

まず、図２を参照しながら、洗濯機１００の構成について説明する。図２に示すように、洗濯機１００は、水平方向または傾斜方向に回転の軸心を有する回転ドラムである洗濯槽９０を内包して回転自在に支持し、洗濯機本体内に弾性的に支持された水槽９１を備える。水槽９１の背面には、洗濯槽９０にシャフト９２を介して動力を伝達するプーリー９３が配置され、プーリー９３に動力を伝達するブラシレスモータ（以下、適宜、単にモータと呼ぶ）１０が、水槽９１の下方に取付部３７を介して固定されている。そして、モータ１０の回転軸４７の先端に取り付けられたモータプーリー９５とプーリー９３とが、回転を伝達するようにベルト９４によって結ばれている。このような構成において、モータ１０の回転軸４７が回転することにより、洗濯槽９０が回転し、これによって洗濯槽９０内の洗濯物を洗濯する。また、使用者の操作により使用者からの指示を入力する操作部１１２や、使用者に洗濯状態などを提示するための表示部１１３が洗濯機本体１１１の上部に配置されている。さらに、例えば操作部１１２からの指示に応じた洗濯動作をおこなったり、その動作のためにモータ１０を制御したりするなどの目的で、洗濯機１００は、その内部において本体側マイコン７０を有している。また、本体側マイコン７０と、上述の操作部１１２や表示部１１３、各種のセンサ１３０、およびモータ１０とは、情報の伝達が可能なように、例えば所定の通信フォーマットに基づくシリアルデータ通信などの通信線を介して接続されている。

次に、図３を参照しながら、ブラシレスモータ１０の構成について説明する。モータ１０は、洗濯機１００の水槽９１に固定されるステータ３０と、ステータ３０に対向して回転自在に保持されたロータ４０とを備えている。

ステータ３０は、ステータコア３１と、巻線３３と、ステータフレーム３８と、取付部３７とを備えている。ステータコア３１は、例えば薄い鉄板を積層して構成される。巻線３３は、巻線絶縁材を介してステータコア３１に巻回される。取付部３７は、モータ１０を水槽９１に固定するために設けている。そして、ステータフレーム３８は、ステータコア３１および軸受３５を保持し、取付部３７を介して水槽９１に固定される。

また、ロータ４０は、軸受３５により回転自在に保持された回転軸４７を中心として、ロータコア４１と、磁石４２と、モータプーリー９５とを備えている。ロータコア４１は、回転軸４７の略中央部において回転軸４７に固定され、例えば薄い鉄板を積層して構成される。磁石４２は、永久磁石であり、ロータコア４１の外周に配設されている。そして、ロータ４０が発生する動力を洗濯槽９０に伝達するため、回転軸４７の一端側にモータプーリー９５が固定されている。

このように構成されたステータ３０とロータ４０とにより、モータ部５０が構成される。モータ部５０は、ステータ３０の巻線３３に駆動電圧を印加して巻線電流を流すように通電駆動することで、ロータ４０が回転する。

また、本実施の形態では、モータ部５０内に、巻線３３を通電駆動するための駆動回路を内蔵したブラシレスモータの一例を挙げている。すなわち、図３に示すように、モータ１０は、さらに、駆動回路となる回路部品を実装した回路基板５５を内蔵している。回路基板５５上には、例えば、巻線３３に駆動電圧を供給するインバータ回路２０用のパワー素子や位置センサ５７などに加えて、本実施の形態では、モータ制御用マイコン１３も実装されている。

以上のように、モータ１０は、演算処理機能を持つモータ制御用としてのモータ制御用マイコン１３と、インバータ回路２０と、モータ部５０と、位置センサ５７とを含む構成である。そして、本実施の形態では、図１に示すように、モータ１０が、インバータ回路２０に内蔵されてそのパワー素子の温度を検出する温度検出素子としての温度センサ２１と、電源部８０からの電源電流Ｉｘや巻線の電流を検出する電流検出素子２２とを、さらに備えている。

モータ制御用マイコン（以下、適宜、モータ側マイコンと呼ぶ）１３は、モータ１０を制御するために設けており、本体側マイコン７０とデータ通信が可能である。モータ側マイコン１３は、モータ制御機能部１５と速度制御部１４とを備えている。モータ制御機能部１５は、位置センサ５７の信号と電流検出素子２２の信号と温度センサ２１の信号とを用いて、洗濯槽９０を任意の動作となるようにモータ部５０を制御する。速度制御部１４は、本体側マイコン７０の速度指令と位置センサ５７の信号に基づき検出あるいは推定した実速度とが等しくなるような駆動量を算出する。そして、この駆動量に応じた信号と図示しない基準三角波とにより、駆動量に応じたデューティ幅のパルスで構成されるＰＷＭデューティ信号Ｄｐを生成する。生成したＰＷＭデューティ信号Ｄｐは、巻線３３への印加電圧量を制御するインバータ回路２０に供給される。インバータ回路２０は、パルス信号によってスイッチングされるパワー素子を有しており、ＰＷＭデューティ信号Ｄｐのパルスのレベルに従って、インバータ回路２０に内蔵するスイッチングパワー素子のそれぞれがオンオフ制御される。インバータ回路２０がこのように動作することにより、駆動量に応じた駆動電圧が生成され、この駆動電圧がモータ部５０の巻線３３に供給される。このように、インバータ回路２０が駆動電圧を巻線３３に印加することで、巻線３３には巻線電流が流れて、巻線３３が通電駆動される。

また、本体側マイコン７０は、本体制御機能部７１とシーケンス指令部７３とを備えている。本体制御機能部７１は、各種センサ１３０の信号とモータ１０で信号処理された速度信号とを用いて、洗濯槽９０を任意の動作となるように制御する。シーケンス指令部７３は、洗濯槽９０を任意の運転モードとなるようにモータ１０の動作モードを指定する。

ここで、本体側マイコン７０の役割は、上位のコントローラとして洗濯機トータルの動作をコントロールする働きをすることである。すなわち、本体側マイコン７０は、洗濯物の量や汚れ具合、洗濯機を操作する人間の要望に合わせて、洗濯／すすぎ／脱水の基本動作をモータ１０が正確におこなうように管理している。

一方、モータ側マイコン１３の役割は、下位のコントローラとして本体側マイコン７０の指令に従いモータ１０の動作をコントロールする働きをすることである。すなわち、モータ側マイコン１３は、それぞれの基本動作について、洗浄力を最大限発揮し、石鹸成分が残らないように充分なすすぎを行い、洗濯物が乾きやすいようにしっかりと脱水するとともに、洗濯物が傷まないように、また、電気量や水の量を節約するようにモータ１０を制御している。

このとき、データ通信機能を用いることで、本体側マイコン７０からモータ側マイコン１３への情報として、プログラムそのものやパラメータ、動作シーケンスや動作モードといったデジタルデータが送付される。また、モータ側マイコン１３から本体側マイコン７０への情報としては、モータ１０の電流値や回転数、温度情報や負荷情報、洗濯槽の状況といったデータがやり取りされる。図１では、モータ側マイコン１３と本体側マイコン７０との間で、データＤｘが伝送される例を示している。

図４は、本実施の形態における洗濯機１００の洗濯動作時のフローチャートである。次に、モータ１０の動作のロジックを図４のフローチャートを参照しながら説明する。操作部１１２で選択された運転モードに従い、本体側マイコン７０からモータ側マイコン１３に、洗濯／すすぎ／脱水等の各モードの運転指令や各々のモードの所定の運転時間といったシーケンス指令が入力される（ステップＳ３１）。

洗濯物の汚れ落ち等の補正情報が、本体側マイコン７０からモータ側マイコン１３に入力される（ステップＳ３２）。シーケンス指令入力後、電流検出素子２２が検出した電源や巻線の電流Ｉｘの電流値を、予め用意しているテーブルと照らし合わせて、モータ側マイコン１３が洗濯物を負荷量として推定する（ステップＳ３３）。

洗濯物が各運転モードで最適な動きをするように、推定した負荷量と予め用意しているテーブルとから起動時に必要なトルクや回転数を導き出して、モータ側マイコン１３が、最大電流値や回転数を設定する（ステップＳ３４）。そして、モータ側マイコン１３が、インバータ回路２０にＰＷＭデューティ信号Ｄｐを出力することで、モータ部５０の巻線３３に駆動電圧を印加してモータ１０を運転する（ステップＳ３５）。モータ側マイコン１３がモータ１０の回転数を確認する（ステップ３６）。

また、インバータ回路２０に内蔵されたパワー素子の温度（パッケージ温度）は、温度センサ２１にて検出され（ステップＳ３７）、検出した温度に基づき、モータ側マイコン１３が接合部温度を推定する（ステップＳ３８）。その後、モータ側マイコン１３は、このまま運転を続けた場合に接合部温度が所定値の温度としての最大許容接合部温度Ｔｊｍａｘ（以下、適宜、単に、Ｔｊｍａｘと呼ぶ）に至るかどうかを判定する（ステップＳ３９）。このとき、接合部温度がＴｊｍａｘを超えるとモータ制御用マイコン１３が判断した場合、ステップＳ３４に戻って、Ｔｊｍａｘを超えないように電流値を調整する。なお、接合部の温度は、パワー素子のパッケージの温度にパッケージと接合部間の温度差を加えることで求めることができる。パッケージと接合部間の温度差は、パッケージと接合部間の熱抵抗と接合部での損失の積で求められる。

特に、本実施の形態では、マイコン仕様のブラシレスモータ１０としているため、このようなパワー素子温度と電流制限値の関係性について、得られた情報からモータ自身で判断ができる。このため、連続運転動作が可能かどうかに関係なく、パワー素子の接合部温度がＴｊｍａｘを超えないように適応的に電流制限値を設定できる。

すなわち、本実施の形態では、このような適応的な制御が可能であることを利用して、モータ起動時において、上述した第１の電流制御値Ｉｐ１以上に電流制限値を上げる（以下、ブーストアップという）処理をおこなう構成としており、これによってモータ起動時のトルクアップを図っている。このように、本実施の形態では、保護動作温度といった基準を閾値とすることなく、リアルタイムに観測するパワー素子の温度情報から接合部の温度上昇を推定して、Ｔｊｍａｘに至るかどうかを判断するといった主体的な機能を持たせている。詳細については以下で説明するが、本実施の形態では、このような構成とすることで、パワー素子の温度上昇を抑制するとともに、トルクアップを利用して洗濯時間の短縮を図っている。

最後に、ここまでに要した時間と各運転モードに必要な所定時間とを比較し、所定時間以下の場合は、ステップＳ３２に戻り、所定の時間が経過するまでモータ側マイコン１３が同様の手順を繰り返す（ステップ４０）。

図５は、本実施の形態に係るブラシレスモータ１０の洗濯１サイクル分における動作例を示す図であり、洗濯１サイクルにおけるモータ１０の時間経過に伴う動作を示している。また、図６は、図５のモータ１０の起動時を拡大した図である。図５および図６において、横軸を時間ｔとして、上から、シーケンス指令データＤｘ、その指令データＤｘが示す速度指令値Ｖｘ（ｔ）、電源電流Ｉｘの電流波形Ｉｘ（ｔ）、回転数ＲＴｘ（ｔ）、およびパワー素子温度Ｔｘの温度変化Ｔｘ（ｔ）を示している。また、図６において、本実施の形態の電流波形Ｉｘ（ｔ）、回転数ＲＴｘ（ｔ）および温度変化Ｔｘ（ｔ）を実線で示すとともに、比較のために、図１１で説明した従来例の電流波形Ｉｚ（ｔ）、回転数ＲＴｚ（ｔ）および温度変化Ｔｚ（ｔ）を一点鎖線で示している。

操作部１１２で選択された運転モードに従い、洗濯槽９０を運転するために、本体側マイコン７０のシーケンス指令部７３からモータ制御用マイコン１３に、デジタル信号としてシーケンス指令データＤｘが入力される。本体側マイコン７０からは通信によるシーケンス指令データＤｘが入力されるため、アナログ電圧による立上り／立下り信号波形はなく、時定数はほぼ関係ない。すなわち、図５に示すように、速度指令値Ｖｘ（ｔ）は、停止時の０から運転時の所定の速度を示す値Ｖｘ１へと瞬時に変化する。

なお、運転／停止動作を繰り返すための速度指令値Ｖｘ（ｔ）は、モータ１０に内蔵されたモータ側マイコン１３内部のデジタル値として存在する。速度指令値Ｖｘ（ｔ）などを用いたモータ側マイコン１３内部の演算処理にて算出される駆動値は、およそ周波数１０〜２０ｋＨｚのＰＷＭデューティ信号Ｄｐに変換され、インバータ回路２０をパルス駆動し、モータ部５０の巻線３３にこの駆動値に対応する電圧を印加してモータ１０が運転される。

その結果、電源部８０からの電源ラインに流れる電源電流Ｉｘのピーク値の軌跡を記録したとき、電源電流Ｉｘの電流波形Ｉｘ（ｔ）に示すような波形となる。特に、本実施の形態では、モータ起動時、およそ数ｍｓｅｃ〜数１００ｍｓｅｃの間、電流ピークである電流波形Ｉｘ（ｔ）が第２の電流制限値Ｉｐ２に達することを特徴としている。すなわち、本実施の形態では上述のように、第１の電流制限値Ｉｐ１よりも大きい第２の電流制限値Ｉｐ２を設け、ブーストアップを図っている。この時間中は、モータの回転数が比較的小さいため巻線に発生する逆起電力が小さく、印加電圧のほぼ全ての電圧が巻線に印加されることになり、電流ピークが電流制限値Ｉｐ２に達してしまうので、一般的に過負荷状態と称される。

モータの回転数は回転数ＲＴｘ（ｔ）のように、所定の回転数に向けて立上がっていく。起動後、この所定の回転数ＲＴｘ１に漸近していくと同時に、電源電流Ｉｘのピークも定常負荷状態での電流制限値Ｉｑに漸近していく。ここで、背景技術においても説明したように、過負荷状態（起動時）での第１の電流制限値Ｉｐ１は、一般的に、連続運転動作することを前提にしてパワー素子の接合部温度が所定値であるＴｊｍａｘを超えないような保護動作温度を決めた時、その温度において許容される電流値の最大の値である。また、定常負荷状態での電流制限値Ｉｑは、所定の回転数で回転するのに必要なトルクを発生することができる電流値の最大の値である。

これに対し、本実施の形態で設定している過負荷状態（起動時）での第２の電流制限値Ｉｐ２は、連続運転動作することを前提とせず、Ｔｊｍａｘを超えない範囲において任意に設定可能な値である。すなわち、第２の電流制限値Ｉｐ２は、ブーストアップを目的として図６に示すような第１の電流制限値Ｉｐ１以上の値にも設定できる。このため、図６に示すように、起動時の電流のピークは、第１の電流制限値Ｉｐ１よりも大きい第２の電流制限値Ｉｐ２へと変化する。そして、それによるトルクアップによって、所定の回転数に達する時間が短くなっており、第１の電流制限値Ｉｐ１の場合に比べて、起動時（過負荷状態）の時間がｔｚｐからｔｘｐへと短くなる。このように、本実施の形態では、従来の第１の電流制限値Ｉｐ１の設定例における回転数ＲＴｚ（ｔ）の立上りに比べて、図６の回転数ＲＴｘ（ｔ）で示すように、回転数をいち早く立上げることができる。

以上説明したように、本実施の形態は、第１の電流制限値Ｉｐ１よりも高い第２の電流制限値Ｉｐ２を設定し、モータ１０の起動後の所定時間のみ、第２の電流制限値Ｉｐ２で運転するように構成している。そして、本実施の形態によれば、いち早く回転数が立上り、その後、所定の回転数となる定常負荷点に至るので、速やかに定常負荷点のトルクを発生するに足る電流制限値Ｉｑを設定している。

このような動作状況である時、電源電流の電流波形に対して設ける電流制限値Ｉｐ１、Ｉｐ２、Ｉｑの関係はＩｐ２＞Ｉｐ１＞Ｉｑと表される。また、本実施の形態では、上述のように、モータ側マイコン１３が、リアルタイムにＴｊｍａｘに至るかどうかを判断するため、Ｉｐ２＞Ｉｐ１と設定しながらも温度保護動作を回避することが可能となっている。

ところで、単にＩｐ２＞Ｉｐ１と設定した場合、パワー素子における温度上昇の主要因である電流が単純に増えることになり、温度上昇が大きくなる。その一方で、起動時に回転数がいち早く立上がるため、洗濯サイクル時間を短縮できることになる。すなわち、本実施の形態では、起動時に回転数がいち早く立上がることで洗浄効果が高くなった分だけ、一洗濯サイクルの動作時間を短縮している。これにより、起動時間ｔｘｐでの電流増加分と、定常負荷状態の時間ｔｘｑの電流減少分があたかも相殺されるように働いて、結果的にパワー素子の温度上昇を抑制することができる。

図７は、上側に示す本実施の形態における電源電流Ｉｘの電流波形Ｉｘ（ｔ）と、下側に示す比較例としての図１１で説明した従来例の電源電流Ｉｚの電流波形Ｉｚ（ｔ）とを示す図である。図７に示すように、比較例の場合は、運転時間は、起動時の過負荷状態の時間ｔｚｐと定常負荷状態の時間ｔｚｑとなる。これに対し、本実施の形態では、起動時の回転数が高速で立上がるため、比較例に比べて、運転時間を起動時の過負荷状態の時間ｔｘｐと定常負荷状態の時間ｔｘｑとに短縮することができる。

すなわち、図７に示す比較例（従来）のように、電流制限値Ｉｐ１とした場合での、起動時の過負荷状態の時間ｔｚｐと定常負荷状態の時間ｔｚｑとの期間における電流値の積算量（面積）をＳ１とする。また、図７に示す本実施の形態の電流制限値Ｉｐ２とした場合での、起動時の過負荷状態の時間ｔｘｐと定常負荷状態の時間ｔｘｑとの期間における電流値の積算量（面積）をＳ２とする。そして、積算量（面積）Ｓ２を積算量（面積）Ｓ１と同等かそれ以下に抑えれば、パワー素子の温度上昇は変わらず、従来と同様に温度上昇を抑制することができる。このように、本実施の形態では、第２の電流制限値Ｉｐ２で起動し、その後、第１の電流制限値Ｉｐ１より低い定常負荷状態での電流制限値Ｉｑで運転した場合の電流積算量Ｓ２を、第１の電流制限値Ｉｐ１で起動してその後定常負荷状態での電流制限値Ｉｑで運転した場合の電流積算量Ｓ１と同等もしくはそれ以下としている。言い換えると、本実施の形態では、電流積算量Ｓ２が、第１の電流制限値Ｉｐ１で起動して運転した場合の電流積算量Ｓ１と同等もしくはそれ以下となるような第２の電流制限値Ｉｐ２でモータ１０を起動するように構成している。

図８は、本実施の形態のブラシレスモータ１０の実機負荷動作時のパワー素子の温度変化Ｔｘ（ｔ）を示す図である。図８において、本実施の形態の温度変化Ｔｘ（ｔ）を実線で示すとともに、比較のために、図７に示す比較例の場合の温度変化Ｔｚ（ｔ）を一点鎖線で示している。

図６に示すように洗濯動作時に起動時の電流制限値を第２の電流制限値Ｉｐ２にまで上げてブーストアップすることで、図８に示すように、従来の温度変化Ｔｚ（ｔ）に対して、本実施の形態の温度変化Ｔｘ（ｔ）での温度上昇は大きくなるが、洗濯動作時の時間が時間ｔｓｓだけ短縮される。このように、一洗濯動作時間が短縮した分、早く洗濯時間を終えることができると同時に、すすぎや脱水のようにブーストアップする必要がない動作時に電流制限値を従来と同じに留めることができる。このため、洗濯／すすぎ／脱水の１サイクル当りの温度上昇を抑えることができ、３サイクル後のパワー素子の温度上昇を従来の保護動作温度以下に抑えることができる。

洗濯物の汚れ落ちの向上、洗濯時間の短縮を図るときに有効な洗濯槽の動きの一つの例としては、起動時の回転数の立上りをいかに短時間で行い、起動後はいかにムラなく安定して回転数を一定に保つかということが重要である。本実施の形態では、パワー素子の破壊を防ぐとともに、必要な起動トルクと回転数立上がり応答性の改善を実現するための最適な電流制限値と通電時間とをモータ自身で実現することで、従来以上にブラシレスモータの使い勝手を向上させることができる。

以上のように本発明によれば、パワー素子の破壊を防ぐとともに、洗濯運転時に必要な起動トルクと回転数立上がり応答性の改善を実現するための最適な電流制限値と通電時間とをモータ自身で実現しているため、洗濯機用の高機能なブラシレスモータとして最適である。

１０，６１０ ブラシレスモータ
１３ モータ制御用マイコン
１４，６２１ 速度制御部
１５ モータ制御機能部
２０ インバータ回路
２１ 温度センサ
２２ 電流検出素子
３０ ステータ
３１ ステータコア
３３ 巻線
３５ 軸受
３７ 取付部
３８ ステータフレーム
４０ ロータ
４１ ロータコア
４２ 磁石
４７ 回転軸
５０ モータ部
５５ 回路基板
５７ 位置センサ
７０，６７０ 本体側マイコン
７１ 本体制御機能部
７２ モータ速度指令部
７３ シーケンス指令部
８０ 電源部
９０ 洗濯槽
９１ 水槽
９２ シャフト
９３ プーリー
９４ ベルト
９５ モータプーリー
１００，６００ 洗濯機
１１１，６０１ 洗濯機本体
１１２ 操作部
１１３ 表示部

Claims (4)

1. 巻線を巻回したステータおよび永久磁石を保持したロータを含むモータ部と、モータ制御用のマイコンと、パワー素子を内蔵して前記巻線への印加電圧量を制御するインバータ回路と、前記パワー素子の温度を検出する温度検出素子と、電源電流あるいは前記巻線の電流を検出する電流検出素子とを備えた洗濯機用のブラシレスモータであって、
   連続運転動作することを前提にして、前記パワー素子の接合部温度が所定値を超えないように設定される電流制限値を第１の電流制限値としたとき、
   前記第１の電流制限値よりも高い第２の電流制限値を設定し、前記ブラシレスモータの起動後の所定時間のみ、前記第２の電流制限値で運転することを特徴とするブラシレスモータ。
2. 前記ブラシレスモータの起動時の時間と定常負荷状態の時間とを合わせた電流積算量において、前記第２の電流制限値で起動し、その後、前記第１の電流制限値より低い前記定常負荷状態での電流制限値で運転した場合の電流積算量を、前記第１の電流制限値で起動して運転した場合の電流積算量と同等もしくはそれ以下としたことを特徴とする請求項１に記載のブラシレスモータ。
3. 前記モータ制御用のマイコンは、洗濯機本体に備えた本体側のマイコンと相互に通信が可能であることを特徴とする請求項１または２に記載のブラシレスモータ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のブラシレスモータを搭載した洗濯機。

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