WO2018021043A1

WO2018021043A1 - ブラシレスｄｃモータ

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Publication number: WO2018021043A1
Application number: PCT/JP2017/025513
Authority: WO
Inventors: 章行田原
Original assignee: パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Priority date: 2016-07-27
Filing date: 2017-07-13
Publication date: 2018-02-01
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Abstract

三相の巻線が施された固定子（５）と、固定子への電力供給により回転する磁石回転子（６）と、複数のスイッチング素子を有し固定子に接続されたインバータ回路（１１）と、磁石回転子と巻線との位置関係を検出する位置検出部（７）と、磁石回転子の回転速度に対応した電圧を速度指示信号として出力する速度指示部（１３）と、速度指示部からの速度指示信号に基づいて固定子に与える印加電圧のデューティを決定するデューティ決定部（１２）と、位置検出部が検出した位置関係とデューティ決定部が決定したデューティとに基づいてインバータ回路が有する複数のスイッチング素子にデューティ信号を分配出力する駆動制御部（１４）と、温度上昇に応じて抵抗を増大させることにより速度指示部からデューティ決定部に与えられる速度指示信号としての電圧を低下させる感温抵抗素子（１５）と、を備えたブラシレスＤＣモータ（２）。

Description

ブラシレスＤＣモータ

　本発明は、ブラシレスＤＣモータに関するものである。

　近年、ブラシレスＤＣモータは、効率が良く省電力で耐久性に優れていることから、例えば、換気扇やレンジフード、空気清浄機等の換気送風装置への搭載が増加している。このようなブラシレスＤＣモータは、ロックや過負荷等の異常状態が発生すると、巻線の温度が異常に上昇し、巻線に絶縁破壊や絶縁不良が発生し、最悪の場合、発火する可能性がある。そのため、ブラシレスＤＣモータは、異常が発生した場合、異常を検知し、巻線等の温度上昇を抑える機能を備えている。

　従来、この種のブラシレスＤＣモータの一例として図９、図１０に示されるものが知られている。

　以下、その構成について図９、図１０を参照しながら説明する。

　図９は、従来のブラシレスＤＣモータの機能を示すブロック図である。図９に示すように、ブラシレスＤＣモータ１０１の巻線Ｕ，Ｖ，Ｗは、巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの駆動信号Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗをそれぞれ供給する複数のスイッチング素子１０２に接続されている。複数のスイッチング素子１０２には、トランジスタＱ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６が設けられており、各トランジスタＱ１～Ｑ６には、ダイオードが並列に接続されている。トランジスタＱ１とトランジスタＱ４、トランジスタＱ２とトランジスタＱ５、トランジスタＱ３とトランジスタＱ６の各接続点から巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの駆動信号Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗがそれぞれ出力される。

　トランジスタＱ１～Ｑ３のコレクタは直流電源１０３の正極に接続され、トランジスタＱ４～Ｑ６のエミッタは直流電源１０３の負極に接続されている。

　位置検出手段１０４は、スイッチング素子オン・オフ信号発生手段１０５に接続されている。スイッチング素子オン・オフ信号発生手段１０５は、複数のスイッチング素子１０２の各トランジスタＱ１～Ｑ６をオン・オフする制御信号を出力するドライブ手段１０６に接続される。スイッチング素子オン・オフ信号発生手段１０５から出力される信号は、ドライブ手段１０６に入力される。

　また、スイッチング素子オン・オフ信号発生手段１０５には、速度指示手段１０７と過電流検出手段１０８とが接続されている。

　速度指示手段１０７は、ブラシレスＤＣモータ１０１の回転数を決定する回転数指令信号１０９と、三角波発生回路からの三角波とをコンパレータで比較する。そして、速度指示手段１０７は、所定の回転速度に応じたトランジスタＱ１～Ｑ６のオン期間のデューティをスイッチング素子オン・オフ信号発生手段１０５に出力してブラシレスＤＣモータ１０１を駆動する。電流検出抵抗１１０には、複数のスイッチング素子１０２を介してブラシレスＤＣモータ１０１の巻線Ｕ，Ｖ，Ｗに流れる電流と同じ大きさのモータ電流が流れる。

　図１０は、過電流検出手段１０８のブロック図を示している。

　過電流検出手段１０８は、巻線Ｕ，Ｖ，Ｗに流れるモータ電流が電流検出抵抗１１０を流れることにより発生する電圧と、基準電圧１１１とを比較器１１２で比較する。比較器１１２は、電流検出抵抗１１０で発生する電圧が基準電圧１１１であるＶｒｅｆより大きい場合、スイッチング素子オン・オフ信号発生手段１０５にトランジスタＱ１～Ｑ６をオフする信号を出力する。スイッチング素子オン・オフ信号発生手段１０５は、比較器１１２から入力される信号を受けて、ドライブ手段１０６を介してトランジスタＱ１～Ｑ６をオフする。

　また、温度の増加により抵抗値が増大する感温抵抗素子１１３と、駆動回路の共通電源１１４と、通常温度時に感温抵抗素子より十分大きな抵抗値Ｒ１である分圧抵抗１１５とが電流検出抵抗１１０と比較器１１２の間に接続されている。そして共通電源１１４の電圧をＥ、ある温度に達した時の感温抵抗素子１１３の抵抗値をＲｔとすると、比較器１１２に入力される電圧Ｖ０は、電流制限抵抗１１０で発生する電圧に電圧Ｖ０＝Ｅ＊Ｒｔ／（Ｒｔ＋Ｒ１）が加算されることとなる。つまり、スイッチング素子オン・オフ発生手段１０５はトランジスタＱ１～Ｑ６をオフする信号を増加させることで、ブラシレスＤＣモータ１０１に流れる電流を減少させて巻線Ｕ，Ｖ，Ｗの温度上昇を抑制している。

特開平１０－２０１２８０号公報

　このような従来の構成においては、感温抵抗素子に加え、半導体などの部品を用いて温度を判定することにより、モータの温度上昇を抑制する構成となっている。そのため、回路部品が増えることによる信頼性の低下や、低コスト化、小型化ができないという課題を有していた。

　そこで本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、特別な温度判定手段がなくても、信頼性が高く、低コスト、小型化を実現できるブラシレスＤＣモータを提供することを目的とする。

　そして、この目的を達成するために、本発明に係るブラシレスＤＣモータは、三相の巻線が施された固定子と、固定子への電力供給により回転する磁石回転子と、複数のスイッチング素子を有し、固定子に接続されたインバータ回路と、磁石回転子と巻線との位置関係を検出する位置検出部と、磁石回転子の回転速度に対応する電圧を速度指示信号として出力する速度指示部と、速度指示部からの速度指示信号に基づいて固定子に与える印加電圧のデューティを決定するデューティ決定部と、位置検出部が検出した位置関係とデューティ決定部が決定したデューティとに基づいてインバータ回路が有する複数のスイッチング素子にデューティ信号を分配出力する駆動制御部と、温度上昇に応じて抵抗を増大させることにより速度指示部からデューティ決定部に与えられる速度指示信号としての電圧を低下させる感温抵抗素子を備える。

　本発明によれば、特別な温度判定手段がなくても、信頼性の高い、低コスト、小型化を実現できるブラシレスＤＣモータを実現するという効果を得ることができる。

図１Ａは、本発明に係るブラシレスＤＣモータを搭載した換気送風装置の側面図である。図１Ｂは、本実施の形態に係るブラシレスＤＣモータを搭載した換気送風装置の下面図である。図１Ｃは、本実施の形態に係るブラシレスＤＣモータを搭載した換気送風装置の正面図である。図２は、本発明に係るブラシレスＤＣモータの機能を示すブロック図である。図３は、本発明に係るブラシレスＤＣモータの断面図である。図４は、本発明に係るプリント基板に実装された感温抵抗素子の配置図である。図５は、本発明に係るデューティ決定部における速度指示信号とデューティの関係を示す図である。図６は、本発明に係る感温抵抗素子の特性を示す図である。図７は、本発明に係るブラシレスＤＣモータの駆動タイミングチャートである。図８は、本発明に係る巻線の温度と速度指示信号の関係を示す図である。図９は、従来のブラシレスＤＣモータの機能を示すブロック図である。図１０は、従来の過電流検出手段の概略回路図である。

　本発明に係るブラシレスＤＣモータは、三相の巻線が施された固定子と、固定子への電力供給により回転する磁石回転子と、複数のスイッチング素子を有し固定子に接続されたインバータ回路と、磁石回転子と巻線との位置関係を検出する位置検出部と、磁石回転子の回転速度に対応する電圧を速度指示信号として出力する速度指示部と、速度指示部からの速度指示信号に基づいて固定子に与える印加電圧のデューティを決定するデューティ決定部と、位置検出部が検出した位置関係とデューティ決定部が決定したデューティとに基づいてインバータ回路が有する複数のスイッチング素子にデューティ信号を分配出力する駆動制御部と、温度上昇に応じて抵抗を増大させることにより速度指示部からデューティ決定部に与えられる速度指示信号としての電圧を低下させる感温抵抗素子を備える。

　これにより、異常が発生した場合、複数の感温抵抗素子が巻線の温度上昇を検出して抵抗値を増大させることにより速度指示信号としての電圧を低下させ、固定子巻線への印加電圧のデューティを抑制する。そのため、半導体部品などの特別な温度判定手段がなくとも固定子巻線の温度上昇を抑制することができる。したがって、信頼性が高く、低コスト、小型化を実現できるブラシレスＤＣモータを実現するという効果を奏する。

　また、感温抵抗素子は、三相の巻線のうち異なる二相に対応させてそれぞれ設けられ、速度指示部とデューティ決定部とを接続する結線上に感温抵抗素子どうしを直列に接続したブラシレスＤＣモータとしたものである。

　これにより、複数の感温抵抗素子が、三相のうち異なる二相に対応させてそれぞれ設けられている。そのため、異常が発生した場合には少なくとも一相に対応させた感温抵抗素子が巻線の温度上昇を検出して抵抗値を増大させ、固定子巻線への印加電圧のデューティを抑制する。これにより、固定子巻線の温度上昇を抑制することができるので、更に信頼性を高めることができる。

　また、感温抵抗素子は、異常時における巻線の温度上昇に対してデューティ決定部が決定したデューティを減少させるように機能し、少なくとも１つの感温抵抗素子の異常時における温度上昇に応じた抵抗の増大は、デューティ決定部が決定したデューティを、異常時における巻線の温度上昇の範囲を所定の許容範囲温度以下に低下させるブラシレスＤＣモータとしたものである。なお、ここで言う異意常時とは、例えばブラシレスＤＣモータのロック時または過負荷時である。

　これにより、ロック等の回転異常時の巻線の温度上昇に対して、感温抵抗素子１個の抵抗の増大による速度指示信号としての電圧の低下により決まるデューティを適切な値に設定し、巻線の温度上昇を所定の許容範囲温度以下に設定することができる。そのため、更に信頼性を高めたブラシレスＤＣモータを得ることができる。

　また、感温抵抗素子は、固定子に対向させて設けたプリント基板上の固定子の対向面に設けられたブラシレスＤＣモータとしたものである。

　これにより、各感温抵抗素子は各々異なる固定子巻線に対向しているため、より正確に巻線の温度を検出することができるので、更に信頼性を高めることができる。

　また、本発明に係るブラシレスＤＣモータは、巻線と感温抵抗素子とに接触する樹脂を備えている。

　これにより、固定子巻線と各感温抵抗素子が空気より熱伝導率の高い樹脂を介して接続しているため、より正確に固定子巻線の温度を検出することができるので、更に信頼性を高めることができる。

　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。なお、以下の実施の形態は本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。また、全図面を通して、同一の部位については同一の符号を付して二度目以降の説明を省略している。さらに、各図面において、本発明に直接には関係しない各部の詳細については説明を省略している。

　（実施の形態１）
　図１Ａは、本実施の形態に係るブラシレスＤＣモータを搭載した換気送風装置の側面図である。図１Ｂは、本実施の形態に係るブラシレスＤＣモータを搭載した換気送風装置の下面図である。図１Ｃは、本実施の形態に係るブラシレスＤＣモータを搭載した換気送風装置の正面図である。

　図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃに示すように、換気送風装置は、ケーシング１とブラシレスＤＣモータ２と送風ファン３と外部回路４とを備える。換気送風装置は、ケーシング１にブラシレスＤＣモータ２を取り付け、ブラシレスＤＣモータ２に送風ファン３を取り付け、ケーシング１の天面に外部回路４を取り付けた構造である。この換気送風装置を天井に取り付け、遠心型の送風ファン３を外部回路４による制御に基づいて回転させることで、室内空気を吸気し、室外へ排気することで室内の換気を行う。

　次に、図２を参照しながらブラシレスＤＣモータの構成を説明する。図２は、本実施の形態に係るブラシレスＤＣモータの機能を示すブロック図である。

　ブラシレスＤＣモータ２は、固定子５と、磁石回転子６と、位置検出部７と、インバータ回路１１と、速度指示部１３と、デューティ決定部１２と、駆動制御部１４と、感温抵抗素子１５とを備える。ブラシレスＤＣモータ２は、整流部９と平滑コンデンサ１０を介して交流電源８に接続されている。

　固定子５は、複数のティース部で外周を覆われた中空円筒形をしている。各ティース部には樹脂成形のインシュレータを介して三相の巻線Ｕ、Ｖ、Ｗが巻回して施されている。固定子５は、三相の巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに通電されることにより磁界を発生する。

　磁石回転子６は、固定子５の内周と磁石回転子６の外周とを対向させて設けられている。磁石回転子６は、固定子５が発生する磁界の影響を受けることで回転駆動する。すなわち、固定子５に巻かれた巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに電力を供給することで磁石回転子６が回転する。

　位置検出部７は、例えばホール素子やホールＩＣで構成されている。位置検出部７は、磁石回転子６のＮ極／Ｓ極の切替りを検出することで磁石回転子６と固定子５の位置関係を検出する。言い換えると、位置検出部７は、磁石回転子６と固定子５に巻回された巻線Ｕ、Ｖ、Ｗとの位置関係を検出する。ここで位置関係とは、固定子５の基準位置に対して例えば磁石回転子６の基準位置が何度の角度を有しているか等で示される。

　交流電源８は、例えば１００Ｖの交流電源である。

　整流部９は、全波整流のダイオードブリッジで構成されており、交流電源８を全波整流して電源周波数のリプルを含んだ直流電圧に変換する。

　平滑コンデンサ１０は、整流部９で直流化された電圧を平滑して交流電源１００Ｖを略１４０Ｖの直流電源に平滑する。整流平滑された略１４０Ｖの直流電源は、インバータ回路１１に入力される。

　インバータ回路１１は、三相ブリッジの構造を有しており、三相ブリッジを構成する各スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３はそれぞれ巻線Ｕ、Ｖ、Ｗの上アームスイッチング素子を構成する。また同様に各スイッチング素子Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６はそれぞれ巻線Ｕ、Ｖ、Ｗの下アームスイッチング素子を構成する。図２に示すように、スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ４、スイッチング素子Ｑ２とスイッチング素子Ｑ５、スイッチング素子Ｑ３とスイッチング素子Ｑ６の各接続点と、巻線Ｕ、Ｖ、Ｗとが接続されている。

　速度指示部１３は、磁石回転子６の回転速度を指示する。速度指示部１３は、例えば外部スイッチなどで決定された回転速度に基づいて、磁石回転子６の回転速度を決定し、決定した回転速度に対応した電圧を速度指示信号としてデューティ決定部１２に出力する。

　デューティ決定部１２は、三角波発生回路（図示せず）と比較器（図示せず）を備えている。デューティ決定部１２は、速度指示部１３より入力される速度指示信号としての電圧と三角波とを比較器で比較してデューティを決定する。決定されたデューティは、駆動制御部１４に出力される。

　駆動制御部１４は、位置検出部７から入力される位置信号よりインバータ回路１１の各スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６のＯＮ／ＯＦＦの出力パターンを生成する。また同時に、駆動制御部１４には、デューティ決定部１２からデューティが入力される。駆動制御部１４は、位置検出部７から入力される出力パターンとデューティ決定部１２から入力されるデューティとを合成してインバータ回路１１にデューティ信号を分配出力する。

　インバータ回路１１は、駆動制御部１４から入力されたデューティ信号に基づいて、波高値が略１４０Ｖである直流電源のＰＷＭ波形電圧を固定子５の巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに印加して、磁石回転子６を回転させる。

　感温抵抗素子１５は、速度指示部１３とデューティ決定部１２とを接続する結線上に設けられる。本実施の形態では、２個の感温抵抗素子１５が設けられている。感温抵抗素子１５は、三相の巻線Ｕ、Ｖ、Ｗのうち異なる二相に対応させて設けられており、具体的には例えば固定子５の巻線Ｕと巻線Ｖとに対応させて設けられている。また２個の感温抵抗素子１５は、直列に接続されている。感温抵抗素子１５は、温度上昇に応じて抵抗が増大する素子である。本実施の形態では、感温抵抗素子１５は、巻線Ｕ、Ｖの近傍に巻線Ｕ、Ｖに対応させて設けられることによって、巻線Ｕ、Ｖの温度上昇に反応（検知）して、自己の抵抗を増大させる。つまり、巻線Ｕ，Ｖの温度が上昇すると、感温抵抗素子１５の温度も上昇し、感温抵抗素子１５の抵抗値が増大する。感温抵抗素子１５の抵抗値が増大することで、速度指示信号としてデューティ決定部１２に与えられる電圧値が低下するが、詳細は後述する。なお、ここでいう、感温抵抗素子１５を巻線Ｕに対応させて設ける、とは、感温抵抗素子１５を、主に巻線Ｕの温度上昇を受けて感温抵抗素子１５の温度が上昇する位置に設置することをいう。また、本実施の形態では、２個の感温抵抗素子１５を用いているが、３個以上の感温抵抗素子１５を用いてもよい。例えば、３個の感温抵抗素子１５を用いることで、巻線Ｕ、Ｖ、Ｗ全ての温度を検知することができる。また、例えば、巻線Ｕの異なる箇所に複数の感温抵抗素子１５を設置することで、局所的な温度上昇も検知することができる。

　図３は、本実施の形態に係るブラシレスＤＣモータ２の断面図である。図３に示すように、固定子５に巻線１６が施されている。磁石回転子６は、永久磁石１７とボールベアリング１８を備えて構成されている。また、デューティ決定部１２と駆動制御部１４で構成されたモノリシックＩＣ１９、外部回路４とのインターフェースであるコネクタ２０、インバータ回路１１、位置検出部７、感温抵抗素子１５は、プリント基板２１に実装され電気的に接続されている。固定子５とプリント基板２１は、樹脂２２で一体成型され、ブラシレスＤＣモータ２の外郭の一部を形成している。更に、磁石回転子６は、外郭と一体化した固定子５とブラケット２３とで保持されている。更に、感温抵抗素子１５は、固定子の巻線１６の近傍に設置され、感温抵抗素子１５と巻線１６の間は樹脂２２で充填されている。これにより、感温抵抗素子１５と巻線１６の間の熱伝導率は、何も充填されていない場合に比べて向上されている。

　図４は、本実施の形態に係る固定子５とプリント基板２１に実装された感温抵抗素子１５の配置図である。図４に示すように、プリント基板２１は、固定子５を構成するインシュレータ２４に固定されている。また、各巻線１６、すなわち巻線Ｕ、Ｖ、Ｗは、端子Ｔｕ、Ｔｖ、Ｔｗでプリント基板２１に電気的に接続されている。

　本実施の形態では、感温抵抗素子１５ａは巻線Ｕと、感温抵抗素子１５ｂは巻線Ｖと対応させて、プリント基板２１の裏面側、すなわち巻線Ｕ、Ｖに対向する面に設けられている。

　図５は、本実施の形態に係るデューティ決定部１２における速度指示信号とデューティの関係図である。図５（ａ）は、三角波発生回路で発生する三角波と速度指示部１３から入力される速度指示信号を示している。また、図５（ｂ）は、図５（ａ）を比較器で比較して決定されたデューティを示している。

　デューティ決定部１２を構成する三角波発生回路は、抵抗とコンデンサからなる充放電回路を備えており、あらかじめ定められたキャリア周波数で発振する様に設定されている。キャリア周波数は、例えば、一般的に可聴域以上である１６ｋＨｚ以上に設定される場合が多い。図５（ａ）に示すように、三角波発生回路で発生された三角波と速度指示部１３からデューティ決定部１２に入力された速度指示信号は、比較器に入力される。比較器は、三角波と速度指示信号とを比較して反転することで、図５（ｂ）に示すデューティ（デューティ出力パルス）を生成する。図５に示すように、比較器は、三角波の値が速度指示信号の値よりも大きい場合はデューティＬを生成し、三角波の値が速度指示信号の値よりも小さい場合はデューティＨを生成する。生成されたデューティは、駆動制御部１４に出力される。

　駆動制御部１４は、デューティ決定部１２から入力さるデューティと、位置検出部７から入力される出力パターンとを合成してインバータ回路にデューティ信号を分配出力する。駆動制御部１４は、インバータ回路１１を介して巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに、デューティに応じた波高値が略１４０ＶであるＰＷＭ波形電圧を印加する。これにより巻線Ｕ、Ｖ、Ｗは回転磁界を得て、磁石回転子６を回転させる。

　ここで、速度指示信号としての電圧≦三角波ｍｉｎの場合、ＯＮデューティがゼロとなる。逆に速度指示信号としての電圧≧三角波ｍａｘの場合、ＯＮデューティが最大となる。すなわち、ＯＮデューティがゼロの場合、固定子５の巻線には電圧が印加されないこととなり、磁石回転子６は停止する。すなわちブラシレスＤＣモータ２は、停止することとなる。なお、デューティ出力は、例えば図５に示すような２値の『Ｈ』と『Ｌ』の電圧であり、デューティＨは、ＰＷＭ波形電圧のオン時間、デューティＬは、オフ時間となる。また、三角波ｍａｘ、三角波ｍｉｎは、速度指示信号の最大値と最小値の閾値である。

　図６は、本実施の形態に係る感温抵抗素子１５の特性を示す図である。本実施の形態では、感温抵抗素子１５としてのＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　Ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒ、正特性サーミスタ）を用いている。図６において、縦軸は２５℃を基準とした感温抵抗素子１５の抵抗値変化比、横軸は感温抵抗素子１５の温度を示している。ＰＴＣは、抵抗値が室温（２５℃）からある温度まではほぼ一定であるが、ある温度を超えると急激に抵抗値が上昇する性質をもっている。例えば特性Ｃであれば、２５℃時の抵抗値が１ｋΩとすると、温度８０℃を越えるあたりから抵抗値が急激に増大し、約１３０℃では、抵抗値が約４００倍、すなわち約４００ｋΩとなる。

　図７は、本実施の形態に係るブラシレスＤＣモータ２の駆動タイミングチャートである。図７では、一例として、三相全波１２０度通電のタイミングチャートを示している。ここで、位置検出部７としての各ホール素子の巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに対応する出力を出力Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗとする。出力Ｈｕは、巻線Ｕに対応するホール素子の－（マイナス）出力を基準にした＋（プラス）出力を表しており、振幅の中点に対して＋側を『Ｈ』、－側を『Ｌ』としている。また、図中の状態１から状態６のホール素子の出力Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗは、電気角１２０度毎の位相差となる様に配置している。ここで、例えば、状態１では、ホール素子出力（Ｈｕ、Ｈｖ、Ｈｗ）＝（Ｈ、Ｌ、Ｈ）となっている。この場合、駆動制御部１４が、固定子５の巻線Ｕ、Ｖ、Ｗに巻線Ｖから巻線Ｕに電流を流す様にインバータ回路１１にデューティ信号を分配出力する。具体的には、駆動制御部１４は、各スイッチング素子を（Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６）＝（ＯＦＦ、ＯＮ、ＯＦＦ、ＰＷＭ、ＯＦＦ、ＯＦＦ）となる様にインバータ回路１１にデューティ信号を分配出力する。ここで、『ＰＷＭ』は、デューティ決定部１２で生成されるデューティのＰＭＷ波形電圧で、巻線Ｕ、Ｖ、Ｗへの平均電圧を増減させてブラシレスＤＣモータ２の回転数を変化させることを意味している。つまり、図７で『ＰＷＭ』と記載されているスイッチング素子のデューティを制御することで、巻線Ｕ、Ｖ、Ｗへの平均電圧を増減させてブラシレスＤＣモータ２の回転数を変化させる。

　図８は、本実施の形態に係る巻線Ｕ、Ｖ、Ｗの温度と速度指示信号の関係図である。ここで、ブラシレスＤＣモータ２に回転異常やロックなどの異常が発生した場合の動作を説明する。

　巻線Ｕ、Ｖ、Ｗの温度の上限値は、巻線Ｕ、Ｖ、Ｗの皮膜の絶縁破壊温度や規格等で定められており、本実施の形態では、例えば、１５０℃とする。

　速度指示部１３から出力される速度指示信号としての電圧は、デューティ決定部１２で決定されるデューティがＭａｘとなる電圧の場合が最も巻線Ｕ、Ｖ、Ｗの温度が高温となる可能性が高い条件である。本実施の形態では、例えば、デューティｍａｘ＝５．８Ｖとし、速度指示部１３の出力をＶｏ＝６Ｖとする。また、デューティがＭｉｎとなる電圧を、デューティｍｉｎ＝２．０Ｖとする。

　デューティ決定部１２は、図５を使った説明で述べた通り、比較器に速度指示信号として電圧が入力される。ここで、比較器の入力インピーダンスは高いため、比較器の速度指示信号の入力部に流れる電流Ｉｉｎは非常に小さく、２５μＡ程度である。

　また、図７の説明で述べた通り、三相全波駆動においては、三相の巻線Ｕ、Ｖ、Ｗの内、必ず二相に通電する。例えば、ブラシレスＤＣモータ２の駆動時のある瞬間では、巻線ＵからＷに電流が流れる。

　本実施の形態では、巻線ＵからＷに電流を流している状態でロックした場合について説明する。巻線Ｕ、Ｗの温度は、図８のプロット値３０に示した様に上昇していく。ここで、通電されていない巻線Ｖについても、巻線Ｕ、Ｗの温度上昇のあおりを受けて、プロット３１に示した様に徐々に温度は上昇する。

　図４で示した通り、感温抵抗素子１５は、異なる巻線Ｕ、Ｖに対応しており、巻線Ｕに対しては感温抵抗素子１５ａ、巻線Ｖに対しては感温抵抗素子１５ｂが配置されている。そして感温抵抗素子１５ａと感温抵抗素子１５ｂは、前述のように直列に接続されている。

　ここで、感温抵抗素子１５ａは、図６で示した特性Ｃとし、例えば、２５℃の時の抵抗値が１ｋΩとする。図６の特性より、感温抵抗素子１５ａは、１３０℃の時に、２５℃の時の約４００倍の４００ｋΩとなる。速度指示部１３から出力される速度指示信号としての電圧は、感温抵抗素子１５ａと１５ｂを介してデューティ決定部１２に入力される。ここで巻線Ｕと感温抵抗素子１５ａの間には樹脂２２が充填されているため熱抵抗が存在する。そのため、感温抵抗素子１５ａの温度と巻線Ｕの温度には温度差が生じる。本実施の形態では、この温度差が２℃～３℃であるとする。この場合、例えば巻線Ｕ、Ｗの温度が１３０℃である場合、感温抵抗素子１５ａの温度は１２７℃～１２８℃となる。感温抵抗素子１５ａの温度が１２７℃～１２８℃の場合における抵抗値は、図６に示すとおり、２５℃の時の約２５０倍、すなわち、約２５０ｋΩとなる。以下の説明では簡略化の為、感温抵抗素子１５ａの抵抗値を２００ｋΩとして説明する。

　ここで、感温抵抗素子１５ａ、１５ｂのある温度における抵抗値を、それぞれＲｔ（ａ）、Ｒｔ（ｂ）とする。そしてデューティ決定部１２に入力される電圧を電圧Ｖｉｎとすると、電圧Ｖｉｎは以下の式で表すことができる。

　Ｖｉｎ＝Ｖｏ－Ｉｉｎ×（Ｒｔ（ａ）＋Ｒｔ（ｂ））・・・（式１）
　ここで、感温抵抗素子１５ａ、１５ｂは、異なる二相の巻線、例えば巻線Ｕ、Ｖに対応して配置されている。そのため、回転異常、例えば巻線Ｕから巻線Ｗに通電している場合にブラシレスＤＣモータ２がロックしている状態では、電圧Ｖｉｎは以下の式で表すことができる。

　Ｖｉｎ≦Ｖｏ－Ｉｉｎ×Ｒｔ（ａ）・・・（式２）
　ここで、特性Ｃを有する感温抵抗素子１５ａを選択することによって、デューティ決定部１２に入力される電圧は、巻線Ｕの温度上昇によって、プロット３２に示した様に急激に減少する。つまりデューティ決定部１２で決定されるデューティは、プロット３３に示した様に急激に減少してＰＷＭ波形のオフ時間が増加する。そして、巻線Ｕが１３０℃の時、式２は、以下の様に表される。

　Ｖｉｎ≦６Ｖ－２５μＡ×２００ｋΩ・・・（式３）
　すなわち、デューティ決定部１２の入力電圧は、Ｖｉｎ≦１Ｖとなる。また、電圧Ｖｉｎは、デューティＭｉｎの２Ｖを下回るため、デューティ決定部１２で決定されるデューティは、ゼロとなる。このため、巻線Ｕ、Ｗには電圧が印加されず巻線Ｕ、Ｗの温度上昇を抑制することとなる。つまり、感温抵抗素子１５の特性とデューティ決定部１２で決定されるデューティを適切に設定することで、異常が発生して巻線温度が上昇する場合があっても、巻線温度の上限値を超える前に温度上昇を抑制することができる。

　以上のように、感温抵抗素子１５は、巻線１６の温度上昇に対してデューティ決定部１２の決定値（デューティ）を減少させるように機能する。また、感温抵抗素子１５の１個、感温抵抗素子１５ａの上記機能によって回転異常時における巻線１６の温度上昇の範囲を所定の許容範囲温度以下に低下させることとなる。これにより、巻線１６の温度上昇を抑制することができる。

　なお、ここでは、デューティ決定部１２で決定されるデューティがゼロとなる例を示した。実際には、ブラシレスＤＣモータ２自身の熱抵抗や、周囲温度等によって、巻線１６の温度の上限値を超えない範囲で、デューティが出力された状態で温度上昇が抑制され、熱的に平衡となる場合が多い。

　また、感温抵抗素子１５を異なる巻線１６にそれぞれ配置したことにより、何れの状態で回転異常、すなわち例えばロック時や過負荷時においても巻線１６の温度上昇の上限値を超えることなく抑制することができる。また、本実施の形態では、巻線Ｕ、Ｖ、Ｗのうち、巻線Ｕ、Ｖに感温抵抗素子１５を設置した。この構成によれば、図７に示すいずれの状態で異常が発生して巻線１６の温度が上昇しても、異常を検知し、巻線１６の温度上昇を抑制することができる。

　なお、感温抵抗素子１５と固定子５の巻線１６との間に樹脂２２を充填する構成としたが、樹脂の無い空気層や、一部だけ熱伝導率の良い材料、例えば放熱シリコーンを塗布しても良い。また、駆動の方式を三相全波１２０度通電としたが、広角（１５０度）通電や、正弦波通電でも良く、その作用効果に差異を生じない。更に、インバータ回路１１に印加する電圧を交流電源８から全波整流した略１４０Ｖの直流電圧としたが、直流２４Ｖや４２Ｖの低圧電圧でも良い。

　本発明に係るブラシレスＤＣモータは、特別な温度判定手段がなくとも固定子巻線の温度上昇を抑制することができるので、信頼性が高く、低コスト、小型化が実現できる。そのため、換気送風装置、例えば、換気扇、レンジフードや空気清浄機等の換気送風装置に使用されるブラシレスＤＣモータとして有用である。

　１　　　　　ケーシング
　２，１０１　ブラシレスＤＣモータ
　３　　　　　送風ファン
　４　　　　　外部回路
　５　　　　　固定子
　６　　　　　磁石回転子
　７　　　　　位置検出部
　８　　　　　交流電源
　９　　　　　整流部
　１０　　　　平滑コンデンサ
　１１　　　　インバータ回路
　１２　　　　デューティ決定部
　１３　　　　速度指示部
　１４　　　　駆動制御部
　１５，１５ａ，１５ｂ，１１３　　　　感温抵抗素子
　１６，Ｕ，Ｖ，Ｗ　　　　巻線
　１７　　　　永久磁石
　１８　　　　ボールベアリング
　１９　　　　モノリシックＩＣ
　２０　　　　コネクタ
　２１　　　　プリント基板
　２２　　　　樹脂
　２３　　　　ブラケット
　２４　　　　インシュレータ

Claims

三相の巻線が施された固定子と、
前記固定子への電力供給により回転する磁石回転子と、
複数のスイッチング素子を有し前記固定子に接続されたインバータ回路と、
前記磁石回転子と前記巻線との位置関係を検出する位置検出部と、
前記磁石回転子の回転速度に対応した電圧を速度指示信号として出力する速度指示部と、
前記速度指示部からの前記速度指示信号に基づいて前記固定子に与える印加電圧のデューティを決定するデューティ決定部と、
前記位置検出部が検出した前記位置関係と前記デューティ決定部が決定した前記デューティとに基づいて前記インバータ回路が有する複数の前記スイッチング素子にデューティ信号を分配出力する駆動制御部と、
温度上昇に応じて抵抗を増大させることにより前記速度指示部から前記デューティ決定部に与えられる前記速度指示信号としての前記電圧を低下させる感温抵抗素子と、
を備えたブラシレスＤＣモータ。
前記感温抵抗素子は、
　前記三相の巻線のうち異なる二相に対応させてそれぞれ設けられ、
　前記速度指示部と前記デューティ決定部とを接続する結線上に前記感温抵抗素子どうしを直列に接続した請求項１に記載のブラシレスＤＣモータ。
前記感温抵抗素子は、
　異常時における前記巻線の温度上昇に対して前記デューティ決定部が決定した前記デューティを減少させるように機能し、
少なくとも１つの前記感温抵抗素子の前記異常時における温度上昇に応じた抵抗の増大により、
　前記デューティ決定部が決定した前記デューティを、前記異常時における前記巻線の前記温度上昇の範囲を所定の許容範囲温度以下に低下させる請求項１に記載のブラシレスＤＣモータ。
前記感温抵抗素子は、
　前記固定子に対向させて設けたプリント基板上の前記固定子の対向面に設けられた請求項１に記載のブラシレスＤＣモータ。
前記異常時は、
　前記ブラシレスＤＣモータのロック時または過負荷時である請求項３に記載のブラシレスＤＣモータ。
　前記巻線と前記感温抵抗素子とに接触する樹脂を備える請求項１に記載のブラシレスＤＣモータ。