JP2010268647A

JP2010268647A - ブラシレスｄｃモータ駆動装置とそれを搭載した換気送風装置

Info

Publication number: JP2010268647A
Application number: JP2009119524A
Authority: JP
Inventors: Akiyuki Tawara; 章行田原
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-05-18
Filing date: 2009-05-18
Publication date: 2010-11-25

Abstract

【課題】ブラシレスＤＣモータとそれを搭載した換気送風装置において、電流検知のばらつきを抑えることができ、より精度良く簡単な構成で風量を略一定に制御することを目的とする。
【解決手段】機能トリミングされた電流検知手段６は、インバータ回路５を介して固定子１に流れる電流の実効値に応じたパルス信号に変換する。風量制御手段７は、風量演算手段８と電力指示手段９を備えており、駆動手段４の回転信号と電流検知手段６のパルス信号から目標風量との差異を算出する風量演算手段８と固定子１に供給する電力を増減するように駆動手段４に指示信号を与える電力指示手段９で構成されているため、精度良く簡単な構成で風量を略一定に制御することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レンジフードや天井埋め込み型の換気扇などの換気送風装置に搭載されるブラシレスＤＣモータ駆動装置とそれを搭載した換気送風装置に関するものである。

従来、この種の風量一定運転が可能な送風装置は、モータとは別に設けられたインバータ回路に流れるブラシレスＤＣモータの電流を、制御回路等により検出し、電流とモータの回転数の関係を利用して、一定風量での運転を実現しているものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

以下、その風量一定運転が可能な送風装置の動作について、図５を参照しながら説明する。

図５に示すように、交流電源１０１から供給される交流電圧を交直変換回路１０２にて直流に変換した後、平滑コンデンサ１０３にて平滑化し、インバータ回路１０５に印加する。

インバータ回路１０５は６ケのスイッチング素子を順番に導通させ、ブラシレスＤＣモータ１０４を駆動している。ブラシレスＤＣモータ１０４には、ホール素子等の回転子位置検出用のセンサ１０６が装着されており、センサ１０６の出力により、回転数検出部１０８がブラシレスＤＣモータ１０４の回転数を検出するとともに、インバータ回路１０５のスイッチング素子の通電切替のタイミングを決定している。１０７はインバータ回路１０５に流れる電流を検出するシャント抵抗であり、電流検出部１０９にて、シャント抵抗１０７の両端の電圧から電流を検出している。インバータ回路１０５がＰＷＭ制御されている場合は、シャント抵抗１０７に流れる電流が１キャリア内で変動するので、フィルタ等で平均化するとともに、平均化した電流に補正を加えて、風量演算に必要なブラシレスＤＣモータ１０４の相電流に換算している。風量演算部１１０は、電流検出部１０９で検出された電流と回転数検出部１０８によって検出された回転数から、ブラシレスＤＣモータ１０４を搭載した送風機の風量を演算するとともに、送風機本体の制御回路等より指示された目標運転風量と演算された風量を比較し、目標風量での運転を実現する回転数を算出し、その回転数になるように、速度制御部１１１に運転電圧の指示を出力している。速度制御部１１１は、指示によりインバータ回路１０５のスイッチング素子のデューティーを変更し、ブラシレスＤＣモータ１０４の回転数を目標回転数に制御し、送風機の風量が目標の風量で一定運転できるようにしている。

特許第３７３８６８５号公報

このような従来の構成では、インバータ回路の下アームトランジスタの負電位側端子に接続されたシャント抵抗に流れる電流をフィルタで平均化して検出しているため、正確なモータの相電流が検出できず、補正を加えるなど、制御、構成が複雑になるといった課題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、電流検知のばらつきを抑えることにより精度良く簡単な構成で風量を略一定に制御することができるブラシレスＤＣモータ駆動装置と換気送風装置を提供することを主な目的としている。

また、制御回路の一部をモータと一体化して装置を簡素化することにより安価な風量を略一定に制御することのできるブラシレスＤＣモータ駆動装置と換気送風装置を提供することを目的としている。

本発明のブラシレスＤＣモータとそれを搭載した換気送風装置は、上記目的を達成するために、巻線を巻装した固定子と、磁石を備えた回転子と、前記固定子に対する前記磁石の相対的位置を検出する位置検出手段と、ＤＣ電圧を前記固定子に通電するインバータ回路と、前記位置検出手段が検出した前記磁石の位置に応じて、前記インバータ回路を駆動させて前記回転子を回転させるとともに回転信号を出力する駆動手段と、前記インバータ回路を介して前記巻線に流れる電流の実効値に応じたパルス信号に変換する電流検知手段と、前記駆動手段の出力する回転信号と前記電流検知手段より出力されるパルス信号との関係に基づいて前記固定子に流れる電流を制御する風量演算手段とで構成したブラシレスＤＣモータ駆動装置としたものである。

この手段により、電流を正確に検知することができるため、精度の良い風量を略一定に制御することができるブラシレスＤＣモータとそれを搭載した換気送風装置を提供できる。

また、電流検知手段は、検知される任意の実効値電流に基づいて機能トリミングしたものである。

この手段により、電流検知のばらつきを抑えることにより高精度に電流を検知することができるため、精度の良い風量を略一定に制御することができるブラシレスＤＣモータ駆動装置と換気送風装置が得られる。

また、電流検知手段は、キャリア周波数が可聴域以上でｄｕｔｙ１００％未満の実効値電流に基づいて機能トリミングしたものである。

また、電流検知手段は、出力するパルス信号の発振回路を機能トリミングしたものである。

また、電流検知手段の出力するパルス信号は、実効値電流に応じて周波数を変化させたものである。

この手段により、電流検知のばらつきを抑えることにより高精度に電流を検知することができるとともに簡単で安価な構成で精度の良い風量を略一定に制御することができるブラシレスＤＣモータ駆動装置と換気送風装置が得られる。

また、電流検知手段の出力するパルス信号は、実効値電流に応じてデューティーを変化させたものである。

また、電流検知手段のパルス信号の周波数は、数百Ｈｚとしたものである。

また、電流検知手段は、絶縁回路を備えたものである。

この手段により、電流検知のばらつきを抑え、ノイズによる影響を抑制することにより高精度に電流を検知することができるとともに簡単で安価な構成で精度の良い風量を略一定に制御することができるブラシレスＤＣモータ駆動装置と換気送風装置が得られる。

また、ブラシレスＤＣモータは、少なくとも位置検出手段とインバータ回路と電流検知手段を固定子と一体に構成したものである。

この手段により、装置を簡素化でき、より安価で風量を略一定に制御することのできるブラシレスＤＣモータとそれを搭載した換気送風装置が得られる。

また、ブラシレスＤＣモータは、外郭をかねたモールド樹脂で固定子と一体化したものである。

この手段により、装置を簡素化できるとともに放熱性を向上するこができるため、より安価で風量を略一定に制御することのできるブラシレスＤＣモータとそれを搭載した換気送風装置が得られる。

また、ブラシレスＤＣモータは、電流検知手段の少なくとも一部が露出しているものである。

本発明によれば、電流検知のばらつきを抑え、精度良く風量を略一定に制御することができるブラシレスＤＣモータとそれを搭載した換気送風装置を提供できる。

また、装置を簡素化でき安価で風量を略一定に制御することのできるブラシレスＤＣモータとそれを搭載した換気送風装置を提供できる。

本発明の実施の形態１のブラシレスＤＣモータの概略構成図同ブラシレスＤＣモータの電流検知手段の概略構成図同ブラシレスＤＣモータを用いた換気送風機の構造外観図（（ａ）側面図、（ｂ）下面図、（ｃ）正面図）同実施の形態２のブラシレスＤＣモータの構造を示す図従来のブラシレスＤＣモータの概略構成図

本発明によれば、巻線を巻装した固定子と、磁石を備えた回転子と、前記固定子に対する前記磁石の相対的位置を検出する位置検出手段と、ＤＣ電圧を前記固定子に通電するインバータ回路と、前記位置検出手段が検出した前記磁石の位置に応じて、前記インバータ回路を駆動させて前記回転子を回転させるとともに回転信号を出力する駆動手段と、前記インバータ回路を介して前記巻線に流れる電流の実効値に応じたパルス信号に変換する電流検知手段と、前記駆動手段の出力する回転信号と前記電流検知手段より出力されるパルス信号との関係に基づいて前記固定子に流れる電流を制御する風量演算手段とで構成したブラシレスＤＣモータ駆動装置としたものであり、風量演算手段は、駆動手段の出力する回転信号と電流検知手段のパルス信号から演算される風量と目標風量との差により固定子に流れる電流を制御して、回転子に取り付けられるファンの風量を略一定に制御することとなる。

また、電流検知手段は、検知される任意の実効値電流に基づいて機能トリミングすることを特徴とするブラシレスＤＣモータ駆動装置としたものであり、機能トリミングにより電流検知手段の検知した実効値電流をあらかじめ定められたパルス信号に対応させて出力できるよう調整することとなる。

また、電流検知手段は、キャリア周波数が可聴域以上でｄｕｔｙ１００％未満の実効値電流に基づいて機能トリミングすることを特徴とするブラシレスＤＣモータ駆動装置としたものであり、機能トリミングにより電流検知手段の検知したキャリア周波数が可聴域以上でｄｕｔｙ１００％未満の実効値電流をあらかじめ定められたパルス信号に対応させて出力できるように調整することとなる。

また、電流検知手段は、出力するパルス信号の発振回路を機能トリミングすることを特徴とするブラシレスＤＣモータ駆動装置としたものであり、機能トリミングにより電流検知手段の検知した実効値電流をあらかじめ定められたパルス信号に対応させて出力できるように発振回路を調整することとなる。

また、電流検知手段の出力するパルス信号は、実効値電流に応じて周波数が変化することを特徴とするブラシレスＤＣモータ駆動装置としたものであり、機能トリミングにより電流検知手段の検知した実効値電流をあらかじめ定められたパルス信号の周波数に対応させて出力できるよう調整することとなる。

また、電流検知手段の出力するパルス信号は、実効値電流に応じてデューティーが変化することを特徴とするブラシレスＤＣモータ駆動装置としたものであり、機能トリミングにより電流検知手段の検知した実効値電流をあらかじめ定められたパルス信号のデューティーに対応させて出力できるよう調整することとなる。

また、電流検知手段のパルス信号の周波数は、数百Ｈｚであることを特徴とするブラシレスＤＣモータ駆動装置としたものであり、機能トリミングにより電流検知手段の検知した実効値電流をあらかじめ定められた数百Ｈｚのパルス信号に対応させて出力できるよう調整することとなる。

また、電流検知手段は、絶縁回路を備えたことを特徴とするブラシレスＤＣモータ駆動装置としたものであり、機能トリミングにより電流検知手段の検知した実効値電流をあらかじめ定められた絶縁されたパルス信号に対応させて出力できるよう調整することとなる。

また、ブラシレスＤＣモータは、少なくとも位置検出手段とインバータ回路と電流検知手段を固定子と一体にして構成したことを特徴とするブラシレスＤＣモータとしたものであり、制御回路の一部である位置検出手段とインバータ回路と電流検知手段を固定子をモータと一体化して装置を簡素化することができる。

また、ブラシレスＤＣモータは、外郭をかねたモールド樹脂で固定子と一体化したことを特徴とするブラシレスＤＣモータとしたものであり、固定子や回路部品から発生した熱をモールド樹脂を介して効率よく放熱することとなる。

また、ブラシレスＤＣモータは、電流検知手段の少なくとも一部が露出していることを特徴とするブラシレスＤＣモータとしたものであり、モータ完成後に電流検知手段を調整することができる。

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。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１について、図１から３までの図面によって説明する。

図１は、本発明のブラシレスＤＣモータ駆動装置の概略構成図、図２は、本発明の電流検知手段の概略構成図の一例、図３は、本発明のブラシレスＤＣモータを搭載した換気送風装置の構造外観図で、図３（ａ）は、換気送風装置の構造外観図の側面図、図３（ｂ）は、換気送風装置の構造外観図の下面図、図３（ｃ）は、換気送風装置の構造外観図の正面図である。

図１に示すように、１は巻線を巻装した固定子、２は磁石を備えた回転子で、前記固定子１に対する前記回転子２の相対的位置を、磁気センサ、例えばホール素子やホールＩＣなどの位置検出手段３が検出する。駆動手段４は、前記位置検出手段３の信号に応じて所定の順序でインバータ回路５のスイッチング素子、例えばトランジスタやＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等をＰＷＭ駆動して前記固定子１の巻線に電力を供給して前記回転子２を回転させる。また、駆動手段４は、前記回転子２の回転数に相当する回転信号を出力する。電流検知手段６は、前記インバータ回路５を介して前記固定子１に流れる電流の実効値に応じたパルス信号に変換する。風量制御手段７は、例えばマイクロコンピュータで、風量演算手段８と電力指示手段９を備えており、前記駆動手段４の回転信号と前記電流検知手段６のパルス信号から目標風量との差異を算出する風量演算手段８と固定子１に供給する電力を増減するように駆動手段４に指示信号を与える電力指示手段９である。

次に電流検知手段６の構成について説明する。

図２に示すように、電流検知手段６は、シャント抵抗Ｒｓの両端に発生する電圧をフィルタリングするフィルタ回路１０と一定周期のパルスを発生する発振回路１１とフィルタ回路１０の出力信号を増幅する増幅回路１２とこの増幅回路１２の出力に応じたパルス信号に変換するパルス変換器１３で、パルス変換手段は、例えば、ＰＬＤ（ＰｒｏｇｒａｍａｂｌｅＬｏｇｉｃＤｅｖｉｃｅ）やマイクロコンピュータである。増幅回路１２には、例えばレーザーによる機能トリミングに使用できる抵抗器であるトリミング抵抗１４が接続されている。

図３に示すように、本発明のブラシレスＤＣモータ駆動装置を搭載した換気送風装置は、ケーシング１５にブラシレスＤＣモータ１６を取り付け、ブラシレスＤＣモータ１６の回転子２に送風ファン１７を取り付けた構造であり、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１７を回転させて室内空気を吸気または排気して室内の換気を行う。

前記送風装置の運転風量Ｑは、一般流体の相似則により導かれるモータ出力Ｐと運転風量Ｑと回転数Ｎの関係式Ｐ∝Ｑ・Ｎ²、モータ出力Ｐとモータの誘起電圧Ｅ₀とモータ電流Ｉの関係式Ｐ＝Ｅ₀・Ｉ、モータの誘起電圧Ｅ₀と誘起電圧定数Ｋ_Eと回転数Ｎの関係式Ｅ₀＝Ｋ_E・Ｎより、モータ電流Ｉと回転数Ｎの関係式Ｑ＝Ｋ・（Ｉ／Ｎ）で表すことがでる。したがって、風量演算手段８により電流と回転数から風量を算出することができるため、風量を略一定になる様に電力指示手段９より駆動手段４を制御することが可能になる。尚、Ｋは比例定数であり、ファン効率やモータ効率により決定される。

運転風量Ｑは演算で算出する以外にも、あらかじめ運転風量Ｑとモータ電流Ｉと回転数Ｎの関係を、実際に前記換気送風装置を略一定の風量で運転させて、前記風量制御手段７に記憶しておき、実現することも可能である。

上記構成において、ブラシレスＤＣモータ１６に流れる電流は、インバータ回路５を介して固定子１に流れ、シャント抵抗Ｒｓに流れるので、シャント抵抗Ｒｓの両端には、電圧ＶＲｓが発生する。電圧ＶＲｓはフィルタ回路によりフィルタリングされ、増幅回路１２によりあるゲインで増幅されて略一定の直流電圧となる。ここで、フィルタ回路１０や増幅回路１２のオペアンプ（図示せず）のオフセット電圧や半導体（図示せず）の飽和電圧や抵抗、コンデンサのばらつきにより予め定められた実効値電流に応じた周波数、例えば、実効値電流０．５Ａが流れた場合の所望の周波数３００Ｈｚに対して３１０Ｈｚで検出されてしまうように正確なパルスが得られない。また、ここで、パルス変換器１３は、発振回路１１の発振周波数を分周して増幅回路１２の信号に応じて周波数を変化させる。

一方、モータ駆動装置や電流検知手段６の半完成品の状態で、予め定められた任意のキャリア周波数、例えば、駆動手段４の出力するＰＷＭ駆動と同周波数で２０ｋＨｚ、ｄｕｔｙ５０％で実効値０．５Ａの電流を流して電流検知手段６の出力パルス信号をモニタリングしながらトリミング抵抗１４をレーザーによりトリミングし、抵抗値を変化させ出力信号を所望の値に調整する機能トリミングを行うことにより、所望の３００Ｈｚに対して例えば３００Ｈｚ±１％以内の出力を得ることが可能となる。ここで、周波数を数百Ｈｚとすることにより、風量制御手段７を汎用品の安価なマイクロコンピュータとすることができる。

以上のように構成したブラシレスＤＣモータおよびそれを搭載した換気送風装置は、電流検知手段６のばらつきを抑えることができ、より高精度に電流を検知することができるとともに簡単で安価な構成で精度の良く風量を略一定に制御することができる。

また、パルス変換器１３の出力信号を一定のキャリア周波数とし、ｄｕｔｙを可変しても良くその作用効果に差異を生じない。

また、発振回路１１の発振周波数を決める抵抗等の定数を機能トリミングすることにより更に高精度に電流を検知することができることになる。

また、パルス変換器１３の後段に絶縁回路（図示せず）、例えば、フォトカプラ等の電気的絶縁部品を設ければ風量制御手段７と電気的に絶縁することができ、モータ駆動により発生するノイズの伝播による悪影響を抑制することができる。

なお、実施の形態１では、電流検知手段６をレーザーによる機能トリミングを実施して電流の実効値に応じたパルス信号となる様に調整したが、ボリューム抵抗による調整でもよく、その作用効果に差異を生じない。また、換気送風装置の状態で調整することにより装置全体のばらつきを含めた調整することも可能であることは言うまでもない。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２について、図４を用いて説明する。

図４は、本発明のブラシレスＤＣモータの構造を示す図である。

図４において、モールド樹脂１８は、例えば、不飽和ポリエステルを主成分とする熱硬化性の樹脂で熱伝導率が良い。そして、固定子１と回路基板上の位置検出手段３、インバータ回路５、電流検知手段６は、ブラシレスＤＣモータ１６の外郭を形成するモールド樹脂１８で一体化している。また、電流検知手段６の一部である、トリミング抵抗１４やモニタ用の端子（図示せず）としてのランドやピンが露出している。

上記構成において、すくなくとも位置検出手段３とインバータ回路５と電流検知手段６を外郭を兼ねた放熱の良いモールド樹脂１８で固定子１と一体化しているため、発熱部品であるインバータ回路５を小型で安価なものを選択することができる。さらに、電流検知手段６や他の電子部品を一体化することにより、リード線などの配線や回路ケースなどを省略することができる。また、電流検知手段６の一部であるトリミング抵抗１４がモールド樹脂１８から露出しているため、モータ完成後に電流検知手段６の出力パルス信号をモニタしながらトリミング抵抗１４をレーザーによりトリミングし、抵抗値を変化させ出力パルス信号を所望の値に調整する機能トリミングを行うことが可能となる。

以上のように構成したブラシレスＤＣモータおよびそれを搭載した換気送風装置は、制御回路の一部を放熱性の良い樹脂モールドでモータと一体化することにより、装置を小型化、簡素化でき、安価な風量を略一定に制御することができるブラシレスＤＣモータが得られる。

なお、本実施の形態では、モールド樹脂を不飽和ポリエステルを主成分とする熱硬化性樹脂としたが、紫外線硬化性や熱可塑性でも良く、また熱伝導率が良い絶縁物であれば主成分によらない。

また、実施の形態１では電流検知手段６、トリミング抵抗１４を用いた一例に加えてボリューム抵抗による調整でもよいとしたが、電流検知手段６をモールド樹脂で封止するような場合はトリミング抵抗１４を用いた電流検知手段６の方が生産性が向上し、ばらつきを抑えてより精度良く簡単な構成で風量を略一定に制御することが容易に実現できる。

本発明のブラシレスＤＣモータは、電流検知のばらつきを抑え、精度良く風量を略一定に制御することができるブラシレスＤＣモータを搭載した換気扇や浴室乾燥機などの換気送風装置の他、冷蔵庫、除湿機、エアコンなどの家庭用電気機器用途にも適用できる。

１固定子
２回転子
３位置検出手段
４駆動手段
５インバータ回路
６電流検知手段
７風量制御手段
８風量演算手段
９電力指示手段
１０フィルタ回路
１１発振回路
１２増幅回路
１３パルス変換器
１４トリミング抵抗
１５ケーシング
１６ブラシレスＤＣモータ
１７送風ファン
１８モールド樹脂

Claims

巻線を巻装した固定子と、磁石を備えた回転子と、前記固定子に対する前記磁石の相対的位置を検出する位置検出手段と、ＤＣ電圧を前記固定子に通電するインバータ回路と、前記位置検出手段が検出した前記磁石の位置に応じて、前記インバータ回路を駆動させて前記回転子を回転させるとともに回転信号を出力する駆動手段と、前記インバータ回路を介して前記巻線に流れる電流の実効値に応じたパルス信号に変換する電流検知手段と、前記駆動手段の出力する回転信号と前記電流検知手段より出力されるパルス信号との関係に基づいて前記固定子に流れる電流を制御する風量演算手段とで構成したブラシレスＤＣモータ駆動装置。
電流検知手段は、任意の実効値電流に基づいて機能トリミングすることを特徴とする請求項１記載のブラシレスＤＣモータ駆動装置。
電流検知手段は、キャリア周波数が可聴域以上でｄｕｔｙ１００％未満の実効値電流に基づいて機能トリミングすることを特徴とする請求項１及至２の何れかに記載のブラシレスＤＣモータ駆動装置。
電流検知手段は、出力するパルス信号の発振回路を機能トリミングすることを特徴とする請求項１及至３の何れかに記載のブラシレスＤＣモータ駆動装置。
電流検知手段の出力するパルス信号は、実効値電流に応じて周波数が変化することを特徴とする請求項１及至４の何れかに記載のブラシレスＤＣモータ駆動装置。
電流検知手段の出力するパルス信号は、実効値電流に応じてデューティーが変化することを特徴とする請求項１及至５の何れかに記載のブラシレスＤＣモータ駆動装置。
電流検知手段のパルス信号の周波数は、数百Ｈｚであることを特徴とする請求項１及至６の何れかに記載のブラシレスＤＣモータ駆動装置。
電流検知手段は、絶縁回路を備えたことを特徴とする請求項１乃至７の何れかに記載のブラシレスＤＣモータ駆動装置。
ブラシレスＤＣモータは、少なくとも位置検出手段とインバータ回路と電流検知手段を固定子と一体に構成したことを特徴とする請求項１及至８の何れかに記載のブラシレスＤＣモータ駆動装置。
ブラシレスＤＣモータは、外郭をかねたモールド樹脂で固定子と一体化したことを特徴とする請求項９記載のブラシレスＤＣモータ駆動装置。
ブラシレスＤＣモータは、電流検知手段の少なくとも一部が露出していることを特徴とする請求項１０記載のブラシレスＤＣモータ駆動装置。
請求項１及至１１の何れかに記載のブラシレスＤＣモータ駆動装置を搭載した換気送風装置。