WO2004030200A1 - ブラシレスｄｃファンモータ - Google Patents

Abstract

　外部機器との通信が可能で、しかも回路構成が簡単になるブラシレスＤＣファンモータを提供する。ロータの回転速度を制御する速度制御指令を発生する速度制御指令発生手段９は、マイクロコンピュータ９ａを含んでいる。マイクロコンピュータ９ａは、予め定めた通信規約に基づくシリアル通信により、外部機器１１と双方向に通信可能となっている。マイクロコンピュータ９ａは、外部機器１１から送信された制御条件とブラシレスＤＣファンモータ１に内蔵した速度検出器１３，電流検出器１５により検出された回転速度及び／または励磁電流を示す信号とに基づいて、速度制御指令を演算する。駆動回路７は、この最適の速度制御指令に従ってＰＷＭ制御により励磁電流を制御する。

Description

技術分野

本発明は、 通信機能を有するブラシレス D Cファンモータに関するものである

景技術

ブラシレス D Cファンモータは、 複明数枚のブレードが装着されたロータと、 口 一夕を回転させるために励磁される励磁細巻線を有するステ一夕と、 ステ一夕側に 配置され、 速度制御指令に応じて励磁巻線に励磁電流を流す駆動回路と、 入力信 号に応じて演算を実行して速度制御指令を発生する速度制御指令発生手段とを具 備する。 そしてホール素子等の位置検出器で口一夕の位置を検出して励磁電流を 切り換えている。 速度制御指令発生手段に入力される入力信号がすべて内部から 得られる場合も多いが、 入力信号の一部が外部回路や外部機器から入力される場 合もある。

しかしながら従来のブラシレス D Cファンモ一夕は、 外部機器からの指令をァ ナログ回路により処理している。 そのため従来のブラシレス D Cファンモータで は、 外部機器からのデジタル指令をアナログ電圧の信号に変換して処理するため の付加回路が必要となり、 ブラシレス D Cファンモータの内部の回路構成が複雑 になるという問題点があつた。

本発明の目的は、 外部機器との通信が可能で、 しかも回路構成が簡単になるブ ラシレス D Cファンモー夕を提供することにある。

本発明の他の目的は、 風量ー静圧特性の改善を簡単に行えるブラシレス D Cフ アンモータを提供することにある。

本発明の他の目的は、 使用する駆動回路の構成を変えることなく、 低速回転時 における騒音の低減化を図ることができるブラシレス D Cファンモータを提供す ることにある。 発明の開示

本発明は、 複数枚のブレードが装着された口一夕と、 口一夕を回転させるため に励磁される励磁巻線を有するステ一夕と、 ステ一夕側に配置され、 速度制御指 令に応じて励磁巻線に励磁電流を流す駆動回路と、 ステ一夕側に配置され、 入力 信号に応じて演算を実行して速度制御指令を発生する速度制御指令発生手段とを 具備するブラシレス D Cファンモー夕を改良の対象とする。

本発明では、 速度制御指令発生手段を、 外部機器と通信可能な機能を有するマ イク口コンピュータを含んで構成する。 このようにすると、 マイクロコンピュ一 夕の通信機能を用いて、 外部機器からの指令 （入力信号） を受けて行う制御が簡 単な構成で可能になる。 またマイクロコンピュータを用いれば速度指令の演算が 簡単になるだけでなく、 各種の制御をプログラムを変更することにより簡単に実 現することができるようになる。

より具体的なファンモータでは、 ロータの回転速度を検出する速度検出器と、 励磁巻線に流れる励磁電流を検出する電流検出器とを更に備えている。 そして駆 動回路は PWM制御により励磁電流を励磁巻線に流すように構成されている。 こ の場合、 マイクロコンピュータは、 外部機器から送信された制御条件と検出され た回転速度及び Zまたは励磁電流を示す信号とに基づいて、 速度制御指令を演算 する機能を実現するようにプログラムすることができる。 このようにすると、 プ ログラムの設定または変更により、 任意の速度制御が可能になる。

マイクロコンピュータは、 予め定めた通信規約に基づくシリアル通信により、 外部機器と双方向に通信可能な機能を有している。 マイクロコンピュー夕と外部 機器との通信規約を予め決めておくと、 外部機器の種類が変わっても共通の通信 プログラムを使用できる効果がある。 またシリアル通信を用いると、 有線通信に おいて配線の本数を減らすことができる効果がある。

またマイクロコンピュータを搭載したことにより、 風量ー静圧特性を改善する 速度制御指令を演算することも容易になり、 任意の風量ー静圧特性を得ることが できるようになる。

また低速回転時における騒音を低減して、 しかも消費電力を削減するためには 、 速度制御指令発生手段を、 ロー夕が高速で回転しているときよりも、 口一夕が 低速で回転しているときの駆動回路の P WM制御周波数を高くするように構成す る。 モ一夕の低速回転時には、 モー夕の振動音が低いので、 ファンモータの騒音 を低く抑えるために、 P WM制御の周波数をスイッチング音が可聴周波数領域外 となるように、 1 6 KH z以上に設定する。 このようにすると、 騒音が低減化さ れるだけでなく、 入力電流値も小さくなつてスイッチング素子の消費電力を低減 できる。 また高速回転時では、 ファンモータの風切り音が大きくなる。 そこで P WM制御の周波数を可聴周波数領域まで下げても、 スィツチング音は耳障りな音 とはならないので、 高速回転時における P WM制御の周波数を 1 KH z程度の可 聴周波数とする。 周波数を低くすれば、 入力電流は大きくなるもののスィッチン グ素子のスイッチング損失は小さく抑えられるので、 結果として消費電力を低減 することができる。 従って低速回転でも、 また高速回転でも、 消費電力を低減し て、 しかも低速回転時における騒音を低減化することができる。 具体的には、 速 度制御指令発生手段は、 P WM制御周波数をモータの低速回転時には 1 6 KH z に、 モー夕の高速回転時には 1 KH zの低い周波数に切り換えるように構成すれ ばよい。 図面の簡単な説明

図 1は、 本発明の実施の形態のブラシレス D Cファンモータの一例の構成を示 すためのブロック図である。

図 2は、 ブラシレス D Cファンモ一夕の負荷特性 （静圧対風量の関係） を示す 図である。

図 3は、 ブラシレス D Cファンモ一夕特性の傾向を示す図である。

図 4は、 ブラシレス D Cファンモータ特性の傾向を示す図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。 図 1は、 本発明のブラシレス D Cファンモ一夕の実施の形態の一例の構成を示すプロック 図である。 図 1において、 ブラシレス D Cファンモータ 1は、 磁石回転子 3 aの 外周部に複数枚の図示しないブレードが装着されたロータ 3と、 ロータ 3を回転 させるために励磁される複数の励磁巻線 4がコア 6に巻装された構造を有するス テ一夕 5とを備えている。 磁石回転子の位置を検出するために、 ステ一夕 5側に はホール素子 Hが設けられている。

駆動回路 7は、 励磁巻線 4に励磁電流を流す複数のスイッチング素子と、 複数 のスイッチング素子を P WM制御するための P WM信号発生回路とを含んで構成 されている。 駆動回路 7が実装された回路基板は、 ステ一夕 5のコア 6に対して 固定されている。 またこの回路基板には、 速度制御指令発生手段 9、 速度検出器 1 3及び電流検出器 1 5がそれぞれ実装されている。

速度制御指令発生手段 9は、 入力信号 （ロータの回転速度、 励磁電流の電流値 、 制御条件） に応じて演算を実行して速度制御指令を駆動回路 7に含まれる P W M制御信号発生回路に出力する。 本実施の形態では、 速度制御指令発生手段 9が 、 外部機器 1 1と通信可能な機能を有するマイクロコンピュータ 9 aを含んで構 成されている。

速度検出器 1 3はロータ 3の回転速度を検出する。 速度検出器 1 3は、 ホール 素子 Hからなる位置検出器の出力に基づいて口一夕 3の位置を検出するとともに 回転速度を検出する。 電流検出器 1 5は、 励磁巻線 4に流れる励磁電流を検出す る。

速度制御指令発生手段 9に含まれるマイクロコンピュータ 9 aは、 外部機器 1 1と予め定めた通信規約に基づくシリアル通信により、 双方向に通信可能な機能 を有している。 外部機器 1 1にも、 図示しない C P Uが内蔵されており、 マイク 口コンピュータ 9 aはこの C P Uとシリアル通信を用いて双方向通信を行う。 こ の通信では、 制御条件の通信だけでなく、 ファンモータ自身の条件や回転速度等 を外部機器 1 1に伝達する。

マイクロコンピュータ 9 aは、 このようなシリアル通信により外部機器 1 1か ら送信された制御条件と、 速度検出器 1 3で検出された回転速度及び Zまたは電 流検出器 1 5で検出された励磁電流を示す信号とに基づいて速度制御指令を演算 する。 駆動回路 7は、 このように演算された速度制御指令に従って P WM制御に より励磁電流を励磁巻線 4に流す。 このようにして本実施の形態のブラシレス D Cファンモータ 1は、 外部機器 1 1の制御条件に従ってマイクロコンピュータ 9 aによって速度制御される。

マイクロコンピュータ 9 aが搭載されていることから、 本実施の形態によれば 、 各種の制御を行うことができる。 例えば、 風量ー静圧特性 （風量 F—静圧また はトルク T特性） を改善する速度制御指令を演算して出力するように、 マイクロ コンピュータ 9 aをプログラムすることができる。 外部機器 1 1に対して使用さ れる条件によってファンモータの負荷特性 （静圧に対する風量特性） は異なって くる。 例えば、 図 2はファンの静圧と風量の関係の一例を示している。 図 2の横 軸は風量 Fを、 左側の縦軸は静圧 （トルク） Tを、 そして右側の縦軸は回転数 N を示す。 図 2に実線で示すように、 回転数 Nを一定値 N 1に保ち、 風量 Fを増大 していく場合 （ファンの吸引側を閉塞板で塞いでいる状態から徐々に閉塞板を離 していく場合） には、 静圧 Tは風量 Fの関数として減少する。 吸込口側が塞がれ た状態、 即ち風量 F = 0の状態では、 静圧 Tは回転数 N 1で決まる最大値 Tmax になる。 これに対して、 吸込口側の抵抗を小さくすると （閉塞板をファンから離 していくと） 、 風量 Fが大きくなり、 風が流れやすくなつて、 静圧 Tが低下する 。 静圧が T = 0になった時点で、 最大の風量値 F maxが得られる。 このような負' 荷特性の関係は、 図 2に示すように、 単調な減少関数ではなく、 最大の風量値 F maxよりも小さい風量値 F coneで、 小さな落ち込みポイントを形成する。 このよ うな落ち込みポイントの付近においては、 1つのトルク値に対して、 3つの値の 風量が対応することになる。 そのためファンの動作状態がこれらの 3つの値の風 量の状態間を遷移すると、 風の流れが乱れる。 そこで、 このような特性を、 静圧 と風量の関係が単調な減少関数の関係になるようにプログラムによって予め補正 しておけば、 このような問題を解消できる。 即ちこのような落ち込みポイントで は回転数を点線に示すように高くすると （N 2のようにすると） 、 静圧は点線に 示すように風量の単調な減少関数になる。 このときの回転数 N 2は点線のように 山形の指令値になっている。 このようにすると、 1つの静圧 Tに対して 1つの値 の風量 Fが対応することになり、 前述の不安定な現象が発生することを防止でき る。 そこでマイクロコンピュータ 9 aに、 上記のような補正ができるように予め プログラムしておけばよい。

以上の速度制御指令による補正は、 例えばブラシレス D Cファンモー夕の特性 、 例えば図 3に示す励磁巻線への印加電圧と回転速度対トルクの関係 （N— T関 係） や、 図 4に示す励磁巻線への印加電圧と励磁電流対トルクの関係 （I 一 T関 係） を利用して行うことができる。 図 3に示すように、 ブラシレス D Cファンモ —タでは、 励磁巻線への印加電圧を変えることにより （V 2—V 1 ) 、 回転速度 とトルクの関係を変位させることができる。 また図 4に示すように、 ブラシレス D Cファンモー夕では、 励磁巻線への印加電圧を変えることにより （V 2→V 1 ) 、 励磁電流とトルクとの関係を変位させることができる。 このように励磁電流 、 励磁巻線への印加電圧、 回転速度の値を変えることによりトルクを調整できる ので、 これらを適宜に利用して図 2に示した風量 F対トルク Tの特性を補正する ことができる。 具体的には、 トルク Tの落ち込みを補正するための、 回転速度、 励磁巻線への印加電圧または励磁電流の電流値の変更デ一夕または変更パターン を、 マイクロコンピュータ 9 aのメモリに記憶させておき、 P WM制御によりデ ユーティ一を調整して電流、 電圧、 速度を増減させて、 各種のファンに特有の負 荷特性 （静圧に対する風量特性） の改善ポイントの補正を行う （図 2点線部参照

) o

速度制御指令発生手段 9に内蔵されたマイクロコンピュー夕 9 aのメモリは、 以上のような風量対トルク関係 （F T関係の） のデータを保持していて、 外部機 器 1 1の動作状態に応じて、 風量 Fが決まると、 それが実時間で、 通信回線を介 してマイクロコンピュータ 9 aに伝送され、 マイクロコンピュータ 9 aは伝送さ れた風量 Fの値に応じて、 先に説明したようなブラシレス D.Cファンモータ 1の 回転速度 N， 電圧 V， 電流 I等の値を決定する。

ファンモータが通信機能を有していれば、 ファンの製造メーカの確認、 製造年 月日の確認、 ファンの型番の確認、 ユーザー部品番号の確認などを外部機器 1 1 側で行える。 外部機器 1 1は、 このように特定されたブラシレス D Cファンモー 夕 1の特性を知り、 マイクロコンピュータ 9 aに制御条件を与え、 複雑で、 柔軟 な制御を実行することが可能になる。

またブラシレス D Cファンモー夕 1では、 速度制御指令発生手段 9のマイクロ コンピュータ 9 aを用いて、 ロータ 3が高速で回転しているときよりも、 口一夕 3が低速で回転しているときの駆動回路 7の P WM制御周波数を高くするような 制御を行わせる。 P WM制御周波数の具体的な数値としては、 モータの低速回転 時には、 ファンモータの騒音を低く抑えるために、 P WM制御の周波数をスイツ チング音が可聴周波数領域内にないように、 1 6 KH z以上に設定する。 この時 、 入力電流値も小さいのでスイッチング素子の消費電力も小さく抑えられる。 高 速回転に設定した場合には、 ファンモー夕は風切り音が大きくなり、 P WM制御 の周波数が可聴周波数領域にあっても耳障りな音とはならないので 1 KH z程度 の可聴周波数へ切り換える。 周波数を低くすると入力電流は大きくなるがスイツ チング素子のスィツチング損失は小さく抑えられる。

このようなことを実現するためには、 速度検出器 1 3の出力を予め定めた基準 速度と比較し、 実際の速度が基準速度以上であれば高速回転と判断し、 実際の速 度が基準速度未満であれ低速回転と判断する。 そして判断結果に応じて、 P WM 制御の周波数を切り換える速度制御指令を出力するように、 マイクロコンピュー 夕のプログラムを作成している。

本実施の形態によれば、 速度指令発生手段に内蔵されたマイクロコンピュータ が、 ファンの負荷特性が最適な状態になるように速度制御指令を発生する。 外部 機器の C P Uは予め定めた通信規約プロトコルにより、 ブラシレス D Cファンモ 一夕に制御条件を実時間で与え、 ブラシレス D Cファンモータが最適の負荷条件 で運転されるように柔軟な制御をすることができる。

また本実施の形態によれば、 外部機器に使用するファンなどの部品の確認、 外 部機器の制御条件を交信できるので、 外部機器はブラシレス D Cファンモ 夕が これらの部品を使用した場合の最適の制御条件を選択することができる。

また本実施の形態によれば、 P WM制御の周波数を高速回転に設定した場合、 低周波の P WM制御周波数を選ぶことができる。 その結果低電力で小型.の駆動回 路を実現できる。 産業上の利用可能性

本発明によれば、 速度制御指令発生手段を、 外部機器と通信可能な機能を有す るマイクロコンピュ一夕を含んで構成しているので、 マイクロコンピュータの通 信機能を用いて、 外部機器からの指令 （入力信号） を受けて行う制御が簡単な構 成で可能になる利点がある。 またマイクロコンピュータを用いれば速度指令の演 算が簡単になるだけでなく、 各種の制御をプログラムを変更することにより簡単 に実現することができるようになる利点がある。

Claims

請 求 の 範 囲

1 - 複数枚のブレードが装着されたロータと、

前記ロー夕を回転させるために励磁される励磁巻線を有するステ一夕と、 前記ステ一夕側に配置され、 速度制御指令に応じて前記励磁巻線に励磁電流を 流す駆動回路と、

前記ステ一夕側に配置され、 入力信号に応じて演算を実行して前記速度制御指 令を発生する速度制御指令発生手段とを具備するブラシレス D Cファンモータで あって、

前記速度制御指令発生手段が、 外部機器と通信可能な機能を有するマイクロコ ンピュー夕を含んで構成されていることを特徴とするブラシレス D Cファンモ一 夕。

2 . 前記口一夕の回転速度を検出する速度検出器と、

前記励磁巻線に流れる励磁電流を検出する電流検出器とを更に備え、 前記駆動回路は P WM制御により前記励磁電流を前記励磁巻線に流すように構 成され、

前記マイクロコンピュータが、 前記外部機器から送信された制御条件と検出さ れた前記回転速度及び Zまたは前記励磁電流を示す信号とに基づいて、 前記速度 制御指令を演算する機能を実現することを特徴とする請求項 1に記載のブラシレ ス D Cファンモ一夕。

3 . 前記マイクロコンピュ一夕は、 予め定めた通信規約に基づくシリアル通 信により、 前記外部機器と双方向に通信可能な機能を有している請求項 1または 2に記載のブラシレス D Cファンモ一夕。

4 . 前記マイクロコンピュー夕は、 風量ー静圧特性を改善する前記速度制御 指令を演算して出力するようにプログラムされている請求項 1に記載のブラシレ ス D Cファンモ一夕。

5 . 前記速度制御指令発生手段は、 前記ロータが高速で回転しているときょ りも、 前記ロータが低速で回転しているときの前記駆動回路の P WM制御周波数 を高くするように構成されている請求項 1に記載のブラシレス D Cファンモータ

6. 前記速度制御指令発生手段は、 前記 PWM制御周波数をモータの低速回 転時には 16 KHzに、 モー夕の高速回転時には 1 KHzの低い周波数に切り換 えるように構成されていることを特徴する請求項 5に記載のブラシレス DCファ ンモータ。