WO2016038850A1 - ブラシレスモータおよびこれを搭載した洗濯機 - Google Patents

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WO2016038850A1
WO2016038850A1 PCT/JP2015/004450 JP2015004450W WO2016038850A1 WO 2016038850 A1 WO2016038850 A1 WO 2016038850A1 JP 2015004450 W JP2015004450 W JP 2015004450W WO 2016038850 A1 WO2016038850 A1 WO 2016038850A1
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WO
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current
motor
current limit
limit value
temperature
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PCT/JP2015/004450
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English (en)
French (fr)
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千石谷 善一
充弘 阪本
英治 檜脇
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パナソニックIpマネジメント株式会社
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/60Controlling or determining the temperature of the motor or of the drive
    • H02P29/68Controlling or determining the temperature of the motor or of the drive based on the temperature of a drive component or a semiconductor component
    • DTEXTILES; PAPER
    • D06TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06FLAUNDERING, DRYING, IRONING, PRESSING OR FOLDING TEXTILE ARTICLES
    • D06F37/00Details specific to washing machines covered by groups D06F21/00 - D06F25/00
    • D06F37/30Driving arrangements 
    • DTEXTILES; PAPER
    • D06TREATMENT OF TEXTILES OR THE LIKE; LAUNDERING; FLEXIBLE MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • D06FLAUNDERING, DRYING, IRONING, PRESSING OR FOLDING TEXTILE ARTICLES
    • D06F37/00Details specific to washing machines covered by groups D06F21/00 - D06F25/00
    • D06F37/30Driving arrangements 
    • D06F37/40Driving arrangements  for driving the receptacle and an agitator or impeller, e.g. alternatively
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    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/02Providing protection against overload without automatic interruption of supply
    • H02P29/032Preventing damage to the motor, e.g. setting individual current limits for different drive conditions
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/20Arrangements for starting

Definitions

  • the present invention relates to a brushless motor with a built-in operation control function of a washing tub, and a washing machine equipped with the same.
  • FIG. 9 is a block diagram of a conventional washing machine 600 equipped with a brushless motor 610 capable of speed control in accordance with an input rotational speed (hereinafter simply referred to as speed) command.
  • the brushless motor 610 detects an analog IC specification motor control circuit 620 that does not have an arithmetic processing function, an inverter circuit 20, a temperature sensor 21 that detects the temperature of a power element built in the inverter circuit 20, and a power supply current Iz.
  • the current detection element 22, the motor unit 50, and a position sensor 57 that detects the rotor position are included.
  • the motor control circuit 620 generates a PWM (pulse width modulation) duty signal based on a speed command signal Sz notified from a main body side microcontroller (hereinafter referred to as a microcomputer) 670 or a reference triangular wave signal (not shown). 621.
  • a microcomputer main body side microcontroller
  • the washing machine main body 601 includes a main body side microcomputer 670, a power supply unit 80, a brushless motor 610, a washing tub 90, various sensors 130, an operation unit 112, and a display unit 113.
  • the main body side microcomputer 670 includes a main body control function unit 71 and a motor speed command unit 72.
  • the main body control function unit 71 controls the washing tub 90 to perform an arbitrary operation using the signals of the various sensors 130 and the speed signal processed by the brushless motor 610.
  • the motor speed command unit 72 generates a speed command for optimally operating the brushless motor 610 so that the washing tub 90 performs an arbitrary operation, and outputs the speed command to the brushless motor 610 as a speed command signal Sz.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of the operation of the brushless motor 610 for one cycle of washing
  • FIG. 11 is an enlarged view at the time of activation. 10 and 11, with the horizontal axis as time t, from above, the signal waveform Sz (t) of the speed command signal Sz, the actual voltage waveform Vz (t), the current waveform Iz (t) of the power supply current Iz, The rotational speed RTz (t) and the temperature change Tz (t) of the power element temperature Tz are shown.
  • the main body side microcomputer 670 gives a pulse having rise / fall as shown in FIGS. 10 and 11 to the motor control circuit 620.
  • the speed command signal Sz is output as a signal waveform Sz (t) having a shape.
  • the voltage of the speed command signal Sz corresponds to the command speed.
  • various impedance components exist until the motor control circuit 620 is reached. For this reason, as the waveform of the actual speed command signal Sz, as shown in the voltage waveform Vz (t), it has a time constant at rising / falling (eg, around 200 msec), and the motor control is performed as an analog signal waveform. Input to the circuit 620.
  • the motor control circuit 620 converts the PWM duty signal to approximately 10 to 20 kHz based on the speed command signal Sz and drives the inverter circuit 20. Thereby, the inverter circuit 20 applies the voltage according to the PWM duty signal to the winding of the motor unit 50, and the brushless motor 610 is operated.
  • the power supply current Iz is detected as a voltage signal by the current detection element 22 and compared with a reference voltage corresponding to the current limit value.
  • the current limiting operation is performed. For example, as the current limit, the switching according to the PWM duty signal of the power element of the inverter circuit 20 is temporarily turned OFF, and the operation of restarting the switching at the timing of the next duty command is repeated to operate to limit the overcurrent. .
  • the rotational speed of the motor rises toward a predetermined rotational speed as indicated by the rotational speed RTz (t).
  • the peak of the power source current Iz gradually approaches the current limit value Iq at the same time as the predetermined rotational speed.
  • the current limit value Ip1 described above is the current limit value Ip1 in the overload state (during startup), and the current limit value Iq here is the current limit value Iq in the steady load state.
  • the current limit value Ip1 is set as follows. First, on the premise that a continuous operation is generally performed, a package temperature at which the junction temperature of the power element does not exceed the maximum allowable junction temperature Tjmax, which is the maximum allowable value, is set as the protection operation temperature. At this time, the maximum value of the current value allowed at the protection operation temperature is set as the current limit value Ip1.
  • the current limit value Iq is the maximum value of the current value that can generate the torque necessary to rotate at a predetermined rotational speed.
  • a current limit value Ip1 will be appropriately described as a first current limit value Ip1.
  • the power element temperature Tz which is the temperature (package temperature) of the power element built in the inverter circuit 20, rises during the operation (washing operation) command, as indicated by the temperature change Tz (t), and the stop command The inside falls. Normally, the temperature of the power element continues to rise to the right as a whole while repeatedly rising and falling during one cycle of operation during washing.
  • FIG. 12 is a diagram showing an example of a rising curve of the power element temperature Tz during actual load operation.
  • the temperature rise of the actual machine is generally confirmed by repeating the washing / rinsing / dehydration as one cycle and repeating this three cycles.
  • the temperature rise of the power element of the motor is the largest among the parts constituting the washing machine. For this reason, the main body control design is made so that the temperature of the power element after three cycles does not exceed the protection operating temperature.
  • FIG. 13 is a diagram showing a more specific operation example of such a protection operation.
  • the voltage of the speed command signal Sz is set to OFF level, and the drive of the inverter circuit 20 is stopped.
  • no voltage is applied to the motor, so that no current flows, the motor does not rotate, and the washing tub stops. And if it falls below protection cancellation temperature, a driving
  • FIG. 14 is a diagram showing still another specific operation example of such a protection operation.
  • the operation example shown in FIG. 14 shows a method of reducing the current limit value, and the adjusted current limit value Ip1 'is set to a value such that Ip1> Ip1'> Iq.
  • the power element temperature Tz and the current limit value are uniquely determined by an analog circuit, and the current limit value passively increases and decreases according to the power element temperature Tz.
  • the current limit value Ip1 ′ is Ip1 ′ ⁇ Ip1
  • the current at the time of start-up decreases, and the torque generated by the motor decreases, so that the time until reaching the predetermined rotation speed becomes longer. .
  • FIG. 15 is a diagram showing still another specific operation example of such a protection operation.
  • the operation example shown in FIG. 15 shows a case where the current limit value Ip1 ′ is set as Ip1 ′ ⁇ Iq. In this case, since the current limit value Ip1 'is below the current limit value Iq that can generate the torque necessary to rotate at the predetermined rotation speed, the predetermined rotation speed is not reached.
  • the brushless motor of the conventional washing machine has a protection function that the motor stops due to the temperature rise of the power element, or the current limit value decreases and the generated torque decreases. For this reason, when the power element is overheated, the washing tub may stop or may not reach a predetermined rotational speed.
  • the temperature rise of the power element can absolutely reach the protective operating temperature even under the worst conditions. It is necessary to make a setting with a margin so that there is no margin. In addition, it is necessary for the control design side of the washing machine body to perform a motor control design so that the power element does not overheat.
  • the conventional brushless motor with built-in analog IC shown in FIG. 9 cannot determine the relationship between the power element temperature and the current limit value. That is, only the current limit value is changed in comparison with the temperature information of the power element and the reference voltage.
  • the protection operation temperature is determined such that the junction temperature of the power element does not exceed Tjmax, and the maximum current value allowable at that temperature is set as the current limit value Ip1.
  • the brushless motor of the present invention includes a motor unit including a stator wound with a winding and a rotor holding a permanent magnet, a motor control microcomputer, and a power element, and controls the amount of voltage applied to the winding.
  • a brushless motor for a washing machine including an inverter circuit, a temperature detection element for detecting the temperature of a power element, and a current detection element for detecting a power supply current or a current of a winding. Assuming continuous operation, the brushless motor uses the first current limit value when the current limit value set so that the junction temperature of the power element does not exceed a predetermined value is the first current limit value. A second current limit value higher than the limit value is set, and the operation is performed with the second current limit value only for a predetermined time after the activation of the brushless motor.
  • the washing machine of the present invention has a configuration equipped with this brushless motor.
  • the present invention while increasing the cleaning effect, the temperature rise of the power element can be suppressed to prevent the power element from being destroyed, and the washing time can be shortened.
  • FIG. 1 is a block diagram of a washing machine provided with a brushless motor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of the washing machine.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of the brushless motor according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart at the time of the washing operation of the washing machine.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an operation example in one washing cycle of the brushless motor according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is an enlarged view of the start-up in the operation explanatory diagram at the time of washing in FIG. 5.
  • FIG. 7 is a diagram showing the brushless motor current waveform Ix (t) and the current waveform Iz (t) of the comparative example.
  • FIG. 1 is a block diagram of a washing machine provided with a brushless motor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of the washing machine.
  • FIG. 8 is a temperature rise diagram of the power element of the brushless motor.
  • FIG. 9 is a block diagram of a conventional washing machine.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating an operation example of one wash cycle of a conventional brushless motor.
  • FIG. 11 is an enlarged view at the time of activation in FIG.
  • FIG. 12 is a diagram illustrating an example of a rising curve of the power element temperature Tz during a conventional actual machine load operation.
  • FIG. 13 is a diagram showing a specific example of the temperature protection operation of the power element in the conventional washing machine.
  • FIG. 14 is a diagram showing another specific example of the temperature protection operation of the power element.
  • FIG. 15 is a diagram showing still another specific example of the temperature protection operation of the power element.
  • FIG. 1 is a block diagram of a washing machine 100 including a brushless motor 10 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of the washing machine 100.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of the brushless motor 10.
  • the washing machine 100 includes a washing tub 90, which is a rotating drum having an axis of rotation in a horizontal direction or an inclined direction, and is rotatably supported and elastically supported in the washing machine body.
  • a water tank 91 is provided.
  • a pulley 93 that transmits power to the washing tub 90 via a shaft 92 is disposed on the back surface of the water tank 91, and a brushless motor (hereinafter simply referred to as a motor) 10 that transmits power to the pulley 93 is provided in the water tank 91. It is being fixed via the attachment part 37 below.
  • a motor pulley 95 and a pulley 93 attached to the tip of the rotating shaft 47 of the motor 10 are connected by a belt 94 so as to transmit the rotation.
  • the washing tub 90 rotates, thereby washing the laundry in the washing tub 90.
  • an operation unit 112 for inputting an instruction from the user by a user's operation and a display unit 113 for presenting a washing state and the like to the user are arranged on the upper portion of the washing machine main body 111.
  • the washing machine 100 includes a main body side microcomputer 70 therein. ing.
  • the main body side microcomputer 70, the above-described operation unit 112, display unit 113, various sensors 130, and the motor 10 can transmit information such as serial data communication based on a predetermined communication format, for example. Connected via communication line.
  • the motor 10 includes a stator 30 that is fixed to the water tank 91 of the washing machine 100 and a rotor 40 that is rotatably held facing the stator 30.
  • the stator 30 includes a stator core 31, a winding 33, a stator frame 38, and an attachment portion 37.
  • the stator core 31 is configured by stacking thin iron plates, for example.
  • the winding 33 is wound around the stator core 31 via a winding insulating material.
  • the attachment portion 37 is provided to fix the motor 10 to the water tank 91.
  • the stator frame 38 holds the stator core 31 and the bearing 35 and is fixed to the water tank 91 via the attachment portion 37.
  • the rotor 40 includes a rotor core 41, a magnet 42, and a motor pulley 95 around a rotation shaft 47 that is rotatably held by a bearing 35.
  • the rotor core 41 is fixed to the rotary shaft 47 at a substantially central portion of the rotary shaft 47, and is configured by stacking, for example, thin iron plates.
  • the magnet 42 is a permanent magnet and is disposed on the outer periphery of the rotor core 41.
  • a motor pulley 95 is fixed to one end of the rotating shaft 47 in order to transmit the power generated by the rotor 40 to the washing tub 90.
  • the motor unit 50 is constituted by the stator 30 and the rotor 40 thus configured.
  • the motor unit 50 is energized and driven to apply a driving voltage to the windings 33 of the stator 30 to cause a winding current to flow, whereby the rotor 40 rotates.
  • the motor 10 further incorporates a circuit board 55 on which circuit components to be a drive circuit are mounted.
  • the motor control microcomputer 13 is also mounted in the present embodiment. .
  • the motor 10 includes the motor control microcomputer 13 for controlling the motor having an arithmetic processing function, the inverter circuit 20, the motor unit 50, and the position sensor 57.
  • the motor 10 is incorporated in the inverter circuit 20, the temperature sensor 21 as a temperature detection element that detects the temperature of the power element, and the power supply from the power supply unit 80.
  • a current detection element 22 that detects the current Ix and the current of the winding is further provided.
  • a motor control microcomputer (hereinafter referred to as a motor-side microcomputer as appropriate) 13 is provided to control the motor 10 and is capable of data communication with the main body-side microcomputer 70.
  • the motor side microcomputer 13 includes a motor control function unit 15 and a speed control unit 14.
  • the motor control function unit 15 controls the motor unit 50 using the signal from the position sensor 57, the signal from the current detection element 22, and the signal from the temperature sensor 21 so that the washing tub 90 can be operated arbitrarily.
  • the speed control unit 14 calculates a drive amount so that the actual speed detected or estimated based on the speed command of the main body side microcomputer 70 and the signal of the position sensor 57 is equal.
  • a PWM duty signal Dp composed of pulses having a duty width corresponding to the drive amount is generated by a signal corresponding to the drive amount and a reference triangular wave (not shown).
  • the generated PWM duty signal Dp is supplied to the inverter circuit 20 that controls the amount of voltage applied to the winding 33.
  • the inverter circuit 20 has a power element that is switched by a pulse signal, and each of the switching power elements built in the inverter circuit 20 is on / off controlled in accordance with the pulse level of the PWM duty signal Dp.
  • a drive voltage corresponding to the drive amount is generated, and this drive voltage is supplied to the winding 33 of the motor unit 50. In this way, when the inverter circuit 20 applies the drive voltage to the winding 33, a winding current flows through the winding 33, and the winding 33 is energized and driven.
  • the main body side microcomputer 70 includes a main body control function unit 71 and a sequence command unit 73.
  • the main body control function unit 71 controls the washing tub 90 to perform an arbitrary operation using the signals of the various sensors 130 and the speed signal processed by the motor 10.
  • the sequence command unit 73 designates the operation mode of the motor 10 so that the washing tub 90 is in an arbitrary operation mode.
  • the role of the main body side microcomputer 70 is to control the operation of the washing machine as a host controller. That is, the main body side microcomputer 70 manages the motor 10 so that the basic operation of washing / rinsing / dehydration is accurately performed in accordance with the amount of laundry, the degree of dirt, and the demands of humans who operate the washing machine.
  • the role of the motor side microcomputer 13 is to control the operation of the motor 10 in accordance with a command from the main body side microcomputer 70 as a lower controller.
  • the motor-side microcomputer 13 exerts the maximum cleaning power for each basic operation, performs a sufficient rinse so that no soap component remains, and dehydrates the laundry so that it is easy to dry.
  • the motor 10 is controlled so that the amount of electricity and water is saved.
  • FIG. 1 shows an example in which data Dx is transmitted between the motor side microcomputer 13 and the main body side microcomputer 70.
  • FIG. 4 is a flowchart at the time of the washing operation of the washing machine 100 in the present embodiment.
  • a sequence command such as an operation command for each mode such as washing / rinsing / dehydration or a predetermined operation time for each mode is input from the main body side microcomputer 70 to the motor side microcomputer 13. (Step S31).
  • Correction information such as dirt removal of the laundry, is input from the main body side microcomputer 70 to the motor side microcomputer 13 (step S32).
  • the motor-side microcomputer 13 estimates the laundry as a load amount by comparing the current value of the power source or winding current Ix detected by the current detection element 22 with a table prepared in advance (step) S33).
  • the motor-side microcomputer 13 determines the maximum current value and the rotational speed necessary for starting up from the estimated load amount and a table prepared in advance so that the laundry moves optimally in each operation mode. A rotation speed is set (step S34). Then, the motor-side microcomputer 13 outputs the PWM duty signal Dp to the inverter circuit 20 to apply the drive voltage to the winding 33 of the motor unit 50 to operate the motor 10 (step S35). The motor side microcomputer 13 confirms the rotation speed of the motor 10 (step 36).
  • the temperature (package temperature) of the power element built in the inverter circuit 20 is detected by the temperature sensor 21 (step S37), and the motor side microcomputer 13 estimates the junction temperature based on the detected temperature (step S37). S38). Thereafter, the motor-side microcomputer 13 determines whether or not the junction temperature reaches the maximum allowable junction temperature Tjmax (hereinafter simply referred to as Tjmax as appropriate) as a predetermined value when the operation is continued as it is ( Step S39). At this time, if the motor control microcomputer 13 determines that the junction temperature exceeds Tjmax, the process returns to step S34, and the current value is adjusted so as not to exceed Tjmax.
  • the junction temperature can be obtained by adding a temperature difference between the package and the junction to the temperature of the package of the power element. The temperature difference between the package and the junction is determined by the product of the thermal resistance between the package and the junction and the loss at the junction.
  • the brushless motor 10 of the microcomputer specification since the brushless motor 10 of the microcomputer specification is used, the relationship between the power element temperature and the current limit value can be determined by the motor itself from the obtained information. Therefore, the current limit value can be set adaptively so that the junction temperature of the power element does not exceed Tjmax regardless of whether continuous operation is possible.
  • the current limit value is increased to the above-described first current control value Ip1 or more at the time of motor startup (hereinafter referred to as boost-up).
  • boost-up the current limit value is increased to the above-described first current control value Ip1 or more at the time of motor startup (hereinafter referred to as boost-up).
  • boost-up the current limit value is increased to the above-described first current control value Ip1 or more at the time of motor startup.
  • boost-up the current limit value is increased to the above-described first current control value Ip1 or more at the time of motor startup
  • step 40 the time required so far is compared with the predetermined time required for each operation mode, and if it is less than the predetermined time, the process returns to step S32 and the motor side microcomputer 13 performs the same procedure until the predetermined time elapses. Is repeated (step 40).
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of operation of the brushless motor 10 according to the present embodiment for one cycle of washing, and shows the operation of the motor 10 over time in one cycle of washing.
  • FIG. 6 is an enlarged view when the motor 10 of FIG. 5 is started. 5 and 6, with the horizontal axis as time t, from the top, the sequence command data Dx, the speed command value Vx (t) indicated by the command data Dx, the current waveform Ix (t) of the power supply current Ix, and the rotation speed RTx (T) and the temperature change Tx (t) of the power element temperature Tx are shown.
  • the sequence command data Dx the speed command value Vx (t) indicated by the command data Dx
  • the current waveform Ix (t) of the power supply current Ix and the rotation speed RTx (T) and the temperature change Tx (t) of the power element temperature Tx are shown.
  • T rotation speed RTx
  • the current waveform Ix (t), the rotational speed RTx (t), and the temperature change Tx (t) of the present embodiment are indicated by solid lines, and for comparison, the current example of the conventional example described in FIG.
  • the current waveform Iz (t), the rotational speed RTz (t), and the temperature change Tz (t) are indicated by a one-dot chain line.
  • sequence command data Dx is input as a digital signal from the sequence command unit 73 of the main body side microcomputer 70 to the motor control microcomputer 13. Since sequence command data Dx by communication is input from the main body side microcomputer 70, there is no rising / falling signal waveform due to an analog voltage, and the time constant is almost irrelevant. That is, as shown in FIG. 5, the speed command value Vx (t) instantaneously changes from 0 at the time of stop to a value Vx1 indicating a predetermined speed at the time of operation.
  • the speed command value Vx (t) for repeating the operation / stop operation exists as a digital value inside the motor side microcomputer 13 built in the motor 10.
  • the drive value calculated by the calculation process inside the motor-side microcomputer 13 using the speed command value Vx (t) or the like is converted into a PWM duty signal Dp having a frequency of about 10 to 20 kHz, and the inverter circuit 20 is pulse-driven.
  • the motor 10 is operated by applying a voltage corresponding to this drive value to the winding 33 of the motor unit 50.
  • the present embodiment is characterized in that the current waveform Ix (t), which is a current peak, reaches the second current limit value Ip2 for about several milliseconds to several hundred milliseconds when the motor is started. That is, in the present embodiment, as described above, the second current limit value Ip2 larger than the first current limit value Ip1 is provided to boost boost.
  • the number of rotations of the motor rises toward a predetermined number of rotations, such as the number of rotations RTx (t).
  • the power supply current Ix peak gradually approaches the current limit value Iq in the steady load state at the same time as the predetermined rotation speed RTx1.
  • the first current limit value Ip1 in the overload state (at the time of start-up) generally has a junction temperature of the power element on the premise that continuous operation is performed.
  • the protection operation temperature that does not exceed the predetermined value Tjmax is determined, this is the maximum current value allowed at that temperature.
  • the current limit value Iq in the steady load state is the maximum value of the current value that can generate the torque necessary to rotate at a predetermined rotational speed.
  • the second current limit value Ip2 in the overload state (starting up) set in the present embodiment is arbitrarily set within a range not exceeding Tjmax without assuming the continuous operation operation. Possible value. That is, the second current limit value Ip2 can be set to a value equal to or higher than the first current limit value Ip1 as shown in FIG. 6 for the purpose of boosting up. For this reason, as shown in FIG. 6, the peak of the current at the time of startup changes to a second current limit value Ip2 that is larger than the first current limit value Ip1.
  • the second current limit value Ip2 higher than the first current limit value Ip1 is set, and the second current limit value Ip2 is set only for a predetermined time after the motor 10 is started. It is configured to drive at. According to the present embodiment, since the rotational speed rises quickly and then reaches the steady load point at which the predetermined rotational speed is reached, the current limit value Iq sufficient to quickly generate the torque at the steady load point is set. ing.
  • the relationship between the current limit values Ip1, Ip2, and Iq provided for the current waveform of the power supply current is expressed as Ip2> Ip1> Iq.
  • the motor-side microcomputer 13 determines whether or not Tjmax is reached in real time, the temperature protection operation can be avoided while setting Ip2> Ip1. ing.
  • the washing cycle time can be shortened. That is, in the present embodiment, the operation time of one washing cycle is shortened by the amount that the cleaning effect is enhanced by the rapid increase in the rotation speed at the time of activation. As a result, the increase in current at the startup time txp and the decrease in current at the time txq in the steady load state work as if cancelled, and as a result, the temperature rise of the power element can be suppressed.
  • FIG. 7 shows the current waveform Ix (t) of the power supply current Ix in the present embodiment shown on the upper side and the current waveform Iz (t) of the power supply current Iz of the conventional example described in FIG. 11 as a comparative example shown on the lower side.
  • FIG. 7 in the case of the comparative example, the operation time is the time tzp in the overload state at start-up and the time tzq in the steady load state.
  • the operation time is shortened to an overload time txp and a steady load time txq at the start, compared to the comparative example. can do.
  • (area) be S1.
  • the integrated amount (area) of the current value in the period between the overload state time txp at startup and the steady load state time txq is Let S2. If the integrated amount (area) S2 is suppressed to be equal to or less than the integrated amount (area) S1, the temperature rise of the power element does not change, and the temperature increase can be suppressed as in the conventional case.
  • the current integration amount S2 when starting with the second current limit value Ip2 and then operating with the current limit value Iq in a steady load state lower than the first current limit value Ip1.
  • the second current limit value Ip2 is such that the current integrated amount S2 is equal to or less than the current integrated amount S1 when the operation is started with the first current limit value Ip1. Is configured to start the motor 10.
  • FIG. 8 is a diagram showing a temperature change Tx (t) of the power element during the actual load operation of the brushless motor 10 of the present embodiment.
  • the temperature change Tx (t) of the present embodiment is indicated by a solid line
  • the temperature change Tz (t) in the comparative example shown in FIG. 7 is indicated by a one-dot chain line.
  • the motor itself realizes the optimum current limit value and energizing time for preventing the power element from being destroyed and improving the required start-up torque and the speed rise response. As described above, the usability of the brushless motor can be improved.
  • the motor itself determines the optimum current limit value and energization time for preventing the destruction of the power element and realizing the improvement of the starting torque and the speed rise response required during the washing operation. Therefore, it is optimal as a high-performance brushless motor for washing machines.

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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

ブラシレスモータおよびこれを搭載した洗濯機
 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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