WO2014017049A1 - ブラシレスｄｃモータを搭載した送風装置 - Google Patents

Abstract

ブラシレスＤＣモータ（１１）を搭載した送風装置（１０）は、インバータ回路（４）と、駆動ロジック制御部（５）と、デューティ指示部（６）と、モータ電圧検出部（１３）と、モータ電流検出部（１２）と、相関関係検出部（１４）とを備える。相関関係検出部（１４）の値によってデューティ指示部（６）のデューティ指示値を決定する。

Description

ブラシレスＤＣモータを搭載した送風装置

　本発明は、ブラシレスＤＣモータを搭載した送風装置に関する。

　ブラシレスＤＣモータを搭載した送風装置は、天井埋め込み型等の排気用の換気装置、天井埋め込み型等の吸気用の換気装置、送風機、加湿機、除湿機、冷凍機器、空気調和機、および給湯機などに使用される。また近年、換気装置等の電気機器に搭載する送風装置は、ダクト配管形態による圧力損失、外風圧、およびフィルタ等の目詰まりによる圧力損失の変化の影響を受けないことが要望されている。そして居室の状況に応じ、最適風量の一定風量により換気ができる制御性の良い送風装置が求められている。

　従来、この種の送風装置は特許文献１に開示された構成が知られている。以下、従来の送風装置の構成を示すブロック図である図６を参照しながら説明する。

　図６に示すように遠心型送風機１１０ａは、ブラシレスＤＣモータ１１１を搭載し、インバータ回路１０４は上段と下段とから構成される。また遠心型送風機１１０ａは、上段側スイッチング素子１０７ｕ、１０７ｖ、１０７ｗと、下段側スイッチング素子１０８ｕ、１０８ｖ、１０８ｗとによりブリッジ接続されたインバータ回路１０４によって駆動される。印加電圧検知手段１１５は、インバータ回路１０４に印加される直流電源１０９の電圧値を検知する。

　駆動ロジック制御手段１０５は、直流電源１０９を上段側スイッチング素子１０７ｕ、１０７ｖ、１０７ｗまたは下段側スイッチング素子１０８ｕ、１０８ｖ、１０８ｗによりＰＷＭ制御する。また駆動ロジック制御手段１０５は、ブラシレスＤＣモータ１１１の駆動コイル１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗに所定の方向と順序とにより順次全波通電する。

　デューティ指示手段１０６は、上段側スイッチング素子１０７ｕ、１０７ｖ、１０７ｗまたは下段側スイッチング素子１０８ｕ、１０８ｖ、１０８ｗをＰＷＭ制御する時のＯＮ／ＯＦＦデューティを指示する。等価電圧検知手段１１４は、印加電圧検知手段１１５の検知した電圧値にデューティ指示手段１０６にて指示するＯＮ／ＯＦＦデューティを乗じて駆動コイル１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗに印加される等価電圧を検知する。

　等価電圧検知手段１１４にて検知する等価電圧の所定電圧時に、デューティ指示手段１０６の出力が変更される。このことによりＰＷＭ制御のＯＮ／ＯＦＦデューティが可変となり、インバータ回路１０４に供給される平均電流が所定電流値に制御される。

　これにより、ブラシレスＤＣモータ１１１は電源電圧の変動の影響を受けることなく、回転数が上昇するにしたがって軸トルクが一段と大きくなる回転数－トルク特性となる。従って圧力損失など静圧が変化しても、風量が大きく変化しない風量－静圧特性の送風装置および電気機器となる。

　このような従来のブラシレスＤＣモータ制御装置においては、等価電圧検知手段１１４にて検知する等価電圧から、インバータ回路１０４に供給される平均電流値が決定される。そして、その平均電流値になるようにＰＷＭ制御する時のＯＮ／ＯＦＦデューティが可変となっている。そのため、ブラシレスＤＣモータ１１１の発生トルクに比例したモータ電流が制御されず、トルクにもずれが発生するという課題があった。

　つまり、インバータ回路１０４に印加される直流電源１０９の電圧が大きくＯＮ／ＯＦＦデューティが小さい状態の等価電圧と、直流電源１０９の電圧が小さくＯＮ／ＯＦＦデューティが大きい状態の印加電圧とが等しい場合でも、インバータ回路１０４に供給される平均電流値はそれぞれの状態において異なる。従って、ブラシレスＤＣモータ１１１の発生トルクもそれぞれの状態において異なってしまうという課題があった。

特開２００９－２０９８７３号公報

　本発明のブラシレスＤＣモータを搭載した送風装置は、上段側スイッチング素子と下段側スイッチング素子とがそれぞれ複数備えられるとともにブリッジ接続されたインバータ回路を備えている。また送風装置は、上段側スイッチング素子または下段側スイッチング素子をＰＷＭ制御するとともにブラシレスＤＣモータの駆動コイルに所定の方向と順序とにより順次通電しインバータ回路に印加される直流電圧を制御するための駆動ロジック制御部を備えている。また送風装置は、ＰＷＭ制御のＯＮ／ＯＦＦデューティを指示するデューティ指示部と、駆動コイルに印加される電圧を検出するモータ電圧検出部と、駆動コイルに流れる電流を検出するモータ電流検出部とを備えている。さらに送風装置は、モータ電圧検出部の出力値とモータ電流検出部の出力値との大小を比較する相関関係検出部を備えている。そして相関関係検出部の値によってデューティ指示部のデューティ指示値を決定する。

　ブラシレスＤＣモータは、モータトルクに比例したモータ電流からデューティ指示値を決定するため、直流電源の電圧変動の影響を受けることがなく、電流が直接検出される。またブラシレスＤＣモータの回転数が上昇するにしたがって、軸トルクが一段と大きくなる回転数－トルク特性となるため、圧力損失など静圧が変化しても風量が大きく変化しない風量－静圧特性になる。従って、発生トルクに比例したモータ電流が制御されず、トルクにもずれが発生することもない。また発生トルクも、それぞれの状態において異なることもない。

図１は、本発明の実施の形態の送風装置を内蔵した換気装置の構成を示すブロック図である。 図２Ａは、同送風装置を搭載した換気装置の正面図である。 図２Ｂは、同送風装置を搭載した換気装置の側面図である。 図２Ｃは、同送風装置を搭載した換気装置を下方から見た図（右半分は内部の図）である。 図３Ａは、同送風装置のブラシレスＤＣモータに印加する正規化モータ電圧－ブラシレスＤＣモータに流れる正規化モータ電流特性を示すグラフである。 図３Ｂは、同送風装置のブラシレスＤＣモータに印加するモータ電圧－ブラシレスＤＣモータに流れるモータ電流特性を示すグラフである。 図４は、同送風装置のブラシレスＤＣモータの回転数－トルク特性を示すグラフである。 図５は、同送風装置を搭載した換気装置の風量－静圧特性を示すグラフである。 図６は、従来の送風装置の構成を示すブロック図である。

　以下、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。

　（実施の形態）
　図１は本発明の実施の形態の送風装置を内蔵した換気装置の構成を示すブロック図、図２Ａは同送風装置を搭載した換気装置の正面図、図２Ｂは同送風装置を搭載した換気装置の側面図、図２Ｃは同送風装置を搭載した換気装置を下方から見た図（右半分は内部の図）である。

　図１、図２Ａ～図２Ｃに示すように送風装置１０は、ブラシレスＤＣモータ１１を搭載した遠心型送風機１０ａを内蔵している。換気装置１は、送風装置１０を内蔵している。送風装置１０はインバータ回路４、駆動ロジック制御部５、デューティ指示部６、直流電源９、モータ電流検出部１２、モータ電圧検出部１３、および相関関係検出部１４を備えている。

　送風装置１０によって吸い込まれた煙草の煙、または調理等により発生し汚れた室内空気は、換気装置１の吐出口、ダクト３を介し建物の壁を貫通して屋外に排出される。そしてブラシレスＤＣモータ１１は、駆動コイル２ｕ、２ｖ、２ｗを内蔵している。駆動コイル２ｕ、２ｖ、２ｗは所定の方向と順序とにより通電が行われると、ブラシレスＤＣモータ１１は回転する。これらの通電は、駆動ロジック制御部５において生成した信号を基に、インバータ回路４をＯＮ／ＯＦＦさせることにより行われる。インバータ回路４は複数の上段側スイッチング素子７ｕ、７ｖ、７ｗと、複数の下段側スイッチング素子８ｕ、８ｖ、８ｗとを備えている。

　デューティ指示部６の指示電圧値に基づいて、駆動ロジック制御部５はＰＷＭ制御のＯＮ／ＯＦＦ間隔を生成し、ブラシレスＤＣモータ１１へ供給する電圧を制御する。すなわちデューティ指示部６は、ＰＷＭ制御のＯＮ／ＯＦＦデューティを指示する。

　また、駆動ロジック制御部５は通電の方向と順序とを決定して、ブラシレスＤＣモータ１１の回転を制御する。駆動ロジック制御部５において生成された信号を基に、上段側スイッチング素子７ｕ、７ｖ、７ｗと下段側スイッチング素子８ｕ、８ｖ、８ｗとをブリッジ接続したインバータ回路４は駆動される。駆動ロジック制御部５は、上段側スイッチング素子７ｕ、７ｖ、７ｗまたは下段側スイッチング素子８ｕ、８ｖ、８ｗをＰＷＭ制御する。また駆動ロジック制御部５は、駆動コイル２ｕ、２ｖ、２ｗに所定の方向と順序とにより順次通電し、インバータ回路４に印加される直流電圧を制御する。

　図１に示すモータ電流検出部１２は、駆動コイル２ｕ、２ｖ、２ｗに流れる電流の絶対値の和を検出する。そしてモータ電流検出部１２は、検出した電流値を積分して平均値を演算し、所定の係数をかけてモータ電圧と比較できるように正規化（正規化モータ電流値）する。

　またモータ電圧検出部１３は、駆動コイル２ｕ、２ｖ、２ｗに印加される電圧、具体的には瞬時電圧の平均値を検出する。そしてモータ電圧検出部１３は、検出した瞬時電圧の平均値を積分して平均値を演算し、所定の係数をかけてモータ電流と比較できるように正規化（正規化モータ電圧値）する。

　相関関係検出部１４は、モータ電流検出部１２の出力値である正規化モータ電流値と、モータ電圧検出部１３の出力値である正規化モータ電圧値との大小関係を比較する。相関関係検出部１４からは、正規化モータ電流値が小さい時にＨｉ信号が出力され、正規化モータ電流値が大きい時にＬｏ信号が出力される。デューティ指示部６は、相関関係検出部１４の出力値を積分してデューティ指示値であるデューティ指示電圧値を決定し、出力している。そしてデューティ指示電圧値は、再び駆動ロジック制御部５に入力される。

　次に換気装置１のモータ電流、モータ電圧を制御する動作を図３Ａ、図３Ｂを用いて説明する。図３Ａは本発明の実施の形態の送風装置のブラシレスＤＣモータに印加する正規化モータ電圧－ブラシレスＤＣモータに流れる正規化モータ電流特性を示すグラフ、図３Ｂは同送風装置のブラシレスＤＣモータに印加するモータ電圧－ブラシレスＤＣモータに流れるモータ電流特性を示すグラフである。

　例えば、正規化モータ電流値が正規化モータ電圧値より大きい場合、つまり図３Ａの右上がりの直線より上にある場合、図１に示す相関関係検出部１４はＬｏ信号を出力する。すると、Ｌｏ出力を積分したデューティ指示部６のデューティ指示電圧値は少し小さくなる。そして、デューティ指示電圧値が小さくなることにより、モータ電圧も少し小さくなる。さらに、このモータ電圧の変化によりモータ出力が下がり、モータ電流は大幅に小さくなる。この動作は、正規化モータ電流値と正規化モータ電圧値とが等しくなるまで継続し、最終的には図３Ａの右上がりの直線上に収束する。

　その結果、正規化モータ電流値と正規化モータ電圧値とが等しい状態に保たれ、モータ電流とモータ電圧とは一定の比率を保ち、図３Ｂにて示す相関関係が実現される。なお図３Ａ、図３Ｂのグラフ中の破線部は、本発明の実施の形態の制御を使用しない場合を示している。

　また、このモータ電流とモータ電圧とが一定の比率が保たれる状態は、図６に示すインバータ回路１０４に印加される直流電源１０９の電圧の大小の影響を受けない。

　すなわち、インバータ回路１０４に印加される直流電源１０９の電圧値を「電源電圧」とし、インバータ回路１０４に供給する平均電流値を「電源電流」とすると、
　　　モータ電圧＝電源電圧×ＯＮ／ＯＦＦデューティ
　　　モータ電流＝電源電流／ＯＮ／ＯＦＦデューティ
の関係がある。電源電圧が小さくＯＮ／ＯＦＦデューティが大きい状態において所定のモータ電圧が実現されている場合、ＯＮ／ＯＦＦデューティは１に近いので電源電流とモータ電流とはほぼ等しく、従来技術の電源電流を検出する方式でもモータ電流は制御されていた。しかし、電源電圧が大きくＯＮ／ＯＦＦデューティが小さい状態において所定のモータ電圧が実現されている場合、ＯＮ／ＯＦＦデューティは０に近いのでモータ電流より電源電流が極端に小さく、従来技術の電源電流を検出する方式ではモータ電流は制御されなかった。

　本発明の実施の形態ではモータに流れる電流が直接検出されるため、電源電圧の大小の影響を受けず、モータ電流は正確に制御される。

　更に図１に示すモータ電圧検出部１３は、駆動コイル２ｕ、２ｖ、２ｗに印加される電圧を直接検出することにより、モータ電圧を正確に検出する。

　従来技術の図６では、印加電圧検知手段１１５の検知した電圧値にデューティ指示手段１０６にて指示するＯＮ／ＯＦＦデューティが乗じられ、駆動コイル１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗに印加される等価電圧が検知されていた。しかし従来の方式では、駆動コイル１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗに印加される等価電圧が、インバータ回路１０４の上段側スイッチング素子１０７ｕ、１０７ｖ、１０７ｗ、下段側スイッチング素子１０８ｕ、１０８ｖ、１０８ｗの電圧降下の影響を受ける問題がある。また駆動コイル１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗに印加される等価電圧が、デューティ指示手段１０６にて指示するＯＮ／ＯＦＦデューティと、実際にインバータ回路１０４が駆動コイル１０２ｕ、１０２ｖ、１０２ｗに印加するＯＮ／ＯＦＦデューティとのずれの影響を受ける問題もある。

　本発明の実施の形態では、駆動コイル２ｕ、２ｖ、２ｗに印加される電圧が直接検出されるため、モータ電圧は正確に検出される。

　このような本発明の実施の形態のブラシレスＤＣモータによれば、モータ電流検出部１２の出力値とモータ電圧検出部１３との出力値が一定の比率を保つように、インバータ回路４からブラシレスＤＣモータ１１へ供給される電圧が制御される。

　この制御により、図３に示すようにブラシレスＤＣモータ１１の電圧と電流とは、一定の比率が保たれる。この状態では、ブラシレスＤＣモータ１１の回転数が高くなればモータ電流も大きくなり、逆にブラシレスＤＣモータ１１の回転数が低くなればモータ電流も小さくなる。

　図４は、本発明の実施の形態の送風装置のブラシレスＤＣモータの回転数－トルク特性を示すグラフである。モータ電流と、トルクとは比例する。また上述のブラシレスＤＣモータ１１の電圧と、電流とが一定の比率を保つ。そのため、ブラシレスＤＣモータ１１の回転数－トルク特性は、図４の右上がりの直線に示すように回転数が上昇するにしたがって軸トルクが大きくなる。この特性は、ダクト長さが１０ｍ、２０ｍ、３０ｍと変わりダクト抵抗が変化しても、変わらない。

　なお、図４のグラフ中の破線部は、本発明の実施の形態の制御を使用しない場合を示している。

　図５は、本発明の実施の形態の送風装置を搭載した換気装置の風量－静圧特性を示すグラフである。また、図４に示す特性によって、図１に示す送風装置１０を搭載する換気装置１では、外風圧およびダクト長さ（１０ｍ、２０ｍ、３０ｍ）などの静圧（圧力損失）が変化しても、風量が大きく変化しない風量－静圧特性が得られる。すなわち図５に示すように静圧６５Ｐａ以下では、風量１３０ｍ^３／ｈ一定の直線になる。

　なお、図５のグラフ中の破線部は、本発明の実施の形態の制御を使用しない場合を示している。

　なお、本発明の実施の形態では、インバータ回路４は３相全波の構成としたが、単相全波の構成でも同様の効果が得られる。

　なお本発明の実施の形態は、２相変調通電および３相変調通電の通電方式には適用できない。

　また、本発明の実施の形態では、図１に示すモータ電圧検出部１３は駆動コイル２ｕ、２ｖ、２ｗに印加される電圧の平均値を検出する構成とした。しかし駆動コイル２ｕ、２ｖ、２ｗに印加される電圧のうち、最大値の駆動コイルと最小値の駆動コイルとの電圧差の積分値が検出される構成にすると、１２０度矩形波通電等の一部の駆動コイルに非通電区間が存在する場合でも、同様の効果が得られる。

　更に、本発明の実施の形態では、図１に示すモータ電流検出部１２は駆動コイル２ｕ、２ｖ、２ｗに流れる電流の絶対値の和の平均値を検出する構成とした。しかしモータ電流検出部１２は、インバータ回路４に流れる電流の平均値をデューティ指示部６の出力値により除算演算して等価モータ電流を検出する構成としてもよい。すなわちモータ電流検出部１２に代えて、インバータ回路４の電流を検出する回路電流検出部を備えてもよい。またモータ電流検出部１２は、インバータ回路４に流れる電流の最大値をピークホールドして等価モータ電流を検出する構成としてもよい。

　本発明のブラシレスＤＣモータを搭載した送風装置は、天井埋め込み型等の排気用および吸気用の換気装置等に使用される送風装置、および電気機器等として有用である。

１　　換気装置
２ｕ，２ｖ，２ｗ　　駆動コイル
３　　ダクト
４　　インバータ回路
５　　駆動ロジック制御部
６　　デューティ指示部
７ｕ，７ｖ，７ｗ　　上段側スイッチング素子
８ｕ，８ｖ，８ｗ　　下段側スイッチング素子
１０　　送風装置
１０ａ　　遠心型送風機
１１　　ブラシレスＤＣモータ
１２　　モータ電流検出部
１３　　モータ電圧検出部
１４　　相関関係検出部

Claims (2)

1. ブラシレスＤＣモータを搭載した送風装置であって、
   上段側スイッチング素子と下段側スイッチング素子とがそれぞれ複数備えられるとともにブリッジ接続されたインバータ回路と、
   前記上段側スイッチング素子または下段側スイッチング素子をＰＷＭ制御するとともに前記ブラシレスＤＣモータの駆動コイルに所定の方向と順序とにより順次通電し前記インバータ回路に印加される直流電圧を制御するための駆動ロジック制御部と、
   前記ＰＷＭ制御のＯＮ／ＯＦＦデューティを指示するデューティ指示部と、
   前記駆動コイルに印加される電圧を検出するモータ電圧検出部と、
   前記駆動コイルに流れる電流を検出するモータ電流検出部と、
   前記モータ電圧検出部の出力値と前記モータ電流検出部の出力値との大小を比較する相関関係検出部とを備え、
   前記相関関係検出部の値によって前記デューティ指示部のデューティ指示値を決定することを特徴とするブラシレスＤＣモータを搭載した送風装置。
2. 請求項１記載のブラシレスＤＣモータを搭載した送風装置において、前記モータ電流検出部に代えて前記インバータ回路の電流を検出する回路電流検出部を備えたことを特徴とするブラシレスＤＣモータを搭載した送風装置。

Images