JP2018161021A - Ｄｃモータおよび換気扇 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズフィルタを含む制御回路の全てを内蔵させた外枠筐体を搭載対象機器に固定しただけで、Ｙコンデンサのアース側を低インピーダンスに保持して確実にアース処理が行える制御回路内蔵型のＤＣモータを得ること。【解決手段】 回路基板１０には、制御回路（フィルタ回路１３、電源回路１４、インバータ回路１５）が搭載される。金属製のモータフレーム２と金属製のモータブラケット３とで構成される外枠筐体と回路基板１０の回路アースとの間を低インピーダンスで接続する構成として、フィルタ回路１３内のＹコンデンサのアース側が接続される回路基板の回路アースパターンと金属製モータブラケット３をネジ１２により接続し、外郭筐体の一部であるモータフレーム２は搭載対象機器を通してアース処理される。【選択図】 図１

Description

本発明は、ＤＣモータおよび前記ＤＣモータを搭載した換気扇に関するものである。

ＤＣモータを駆動制御する制御回路は、交流電源を直流電源に変換する電源回路と、変換された直流電源からＤＣモータのステータ巻線に印加する交流電圧を生成するインバータ回路とを含んで構成されるが、電源回路におけるスイッチング電源およびインバータ回路におけるスイッチング回路は、共にノイズを発生する。そのため、電源回路のＡＣ入力側に、電源ラインを経由するノイズを抑制するノイズフィルタが設けられている。

ノイズフィルタは、ノーマルモードノイズ対策用のＸコンデンサと、コモンモードノイズ対策用のＹコンデンサおよびコモンモードチョークコイルとで構成される。Ｘコンデンサは、２線の電源ライン間に接続される。Ｙコンデンサは、電源ラインの片方とアース（回路基板の回路アース）との間に接続される。

このようなノイズフィルタでは、Ｙコンデンサのアース側（つまり回路アース）と接地（大地）とを接続するアースリード線が長くなると、期待したノイズ抑制効果は得られない。そのため、従来から、Ｙコンデンサのアース側の処理方法について、種々の提案がなされている（例えば、特許文献１等）。

特開２０１１−２５０５４５号公報

しかし、上記従来の技術では、回路基板とアースピンを半田により接合しているため、ＤＣモータ動作時の振動や経年劣化により半田クラックが発生し、接合部のインピーダンスが増加してフィルタ特性が劣化する恐れがある。

また、アースピンをステータコアに圧入して接触させているため、ステータ巻線や鉄心からの熱が回路基板に伝達され、回路基板上の電子部品や半田付け部の寿命を低下させる恐れがある。さらに、ＤＣモータをインバータ駆動させる際にＤＣモータから発生するノイズが回路基板上に伝搬されて回路の誤動作を生じる恐れがある。

そのため、従来のＤＣモータ及び換気扇では、回路基板が熱やノイズを受けやすい構造
であり、長期に渡り安定的にノイズを低減することが困難な状況であった。また、熱や振動が原因となり半田付け部にクラックが生じやすいという課題もあった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、ノイズフィルタを含む制御回路の全てを内蔵させた外枠筐体を搭載対象機器に固定しただけで、Ｙコンデンサのアース側を低インピーダンスに保持して確実にアース処理が行え、回路基板が熱やノイズを受け難く、長期に渡り安定的にノイズを抑制することが可能な制御回路内蔵型のＤＣモータを得ることを目的とする。

また、本発明は、上記発明のＤＣモータを安定したフィルタ特性と半田付け部の信頼性を確保できるように搭載し、ＤＣモータの低雑音化と並行してアースリード線を廃止することで低コスト化が図れる換気扇を得ることを目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明は、ステータおよびロータを含むモータ部分と、このモータ部分を収納する有底円筒状の金属製モータフレームとモータフレームの開口端を塞ぐ金属製モータブラケットを備えた外郭筐体と、この外郭筐体の内部に、ノイズフィルタで構成されるフィルタ回路と、フィルタ回路を介して入力される交流電源を直流電源に変換する電源回路と、電源回路が出力する直流電圧をスイッチングしてステータのステータ巻線に印加するモータ駆動電圧を出力するインバータ回路とを備える制御回路を搭載した回路基板と、を備えたＤＣモータであって、ノイズフィルタのＹコンデンサのアース側が接続される回路基板の回路アースパターンと金属製モータブラケットを金属製の締結具により接続したことを特徴とする。

本発明によれば、ＤＣモータの外郭筐体内に、ノイズフィルタを含む制御回路の全てを内蔵するとともに、Ｙコンデンサのアース側（回路アース）とアース（外郭筐体）との間は、低インピーダンスで接続される。そして、ＤＣモータを換気扇に組み込むだけで、Ｙコンデンサのアース側（回路アース）とアース（大地）との間を接続するアース処理を、換気扇筐体を通して確実に行える。したがって、優れたノイズ低減効果を有するＤＣモータを安定したフィルタ特性でもって運転できるので、雑音の少ないＤＣモータおよび換気扇が得られる。加えて、Ｙコンデンサのアース側（回路アース）とアース（大地）との間は半田を使用せずネジで接続するため、ＤＣモータ動作時の振動や経年劣化による半田クラックの恐れがない。また、回路アースはモータブラケットにネジで固定されるため、ステータ巻線や鉄心からの熱やノイズが回路基板に伝搬され難くなり、回路基板の誤動作や寿命低下を抑制することが可能である。さらにアースリード線は不要であるから、アースリード線のコスト削減が図れ、機種毎にアースリード線の長さや引き回しを変更する必要がなくなり、標準化が図れるＤＣモータおよび換気扇が得られるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１によるＤＣモータの配置構成を示す断面図である。 図２は、図１に示す回路基板に搭載される制御回路の一例を示すブロック図である。 図３は、本発明の実施の形態２によるＤＣモータの配置構成を示す断面図 図４は、本発明の実施の形態３による換気扇の概略外観構成図である。

以下に、本発明にかかるＤＣモータおよび換気扇の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるＤＣモータの配置構成を示す断面図である。図２は、図１に示す回路基板に搭載される制御回路の一例を示すブロック図である。
図１において、ＤＣモータ１の外郭筐体は、有底円筒状のモータフレーム２と、モータフレーム２の開口部を塞ぐカバーであるモータブラケット３と、回路基板１０を覆うカバー４とで構成されている。モータフレーム２およびモータブラケット３およびカバー４は、それぞれ金属製であり、外周縁に互いをネジ締結できるフランジ２ａ，３ａ，４ａが設けられている。

このＤＣモータ１の外郭筐体は、モータブラケット３により、モータフレーム２側のモータ部分収納部と、モータブラケット３の上部の制御回路収納部とに仕切られている。回路ケース５は、樹脂材を凹凸状にプレス成形したもので、その外周縁が、モータブラケット３の開口部に近い位置の内周面に固定されている。

モータ部分収納部には、ステータコア７およびロータ６が配置されている。
ステータコア７は、円筒状ヨークの内周に１２０度間隔で突設した３つの鉄心に３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のステータ巻線７ａがそれぞモータフレーム２の内周面に密着させて配置されている。

ロータ６は、永久磁石で構成され、シャフト８に固定されている。シャフト８は、モータフレーム２の円筒中心位置において軸受け９ａ，９ｂに回転自在に支持されている。軸受け９ａは、モータブラケット３に固定され、シャフト８の一端を回転自在に支持している。軸受け９ｂは、モータフレーム２の底部に固定され、モータフレーム２の底部から外へ飛び出しているシャフト８の他端側途中を回転自在に支持している。

制御回路収納部では、回路基板１０が回路ケース５に位置決め固定されている。回路基板１０には、制御回路の全てが搭載されている。但し、図１では、制御回路の要部構成が示されている。すなわち、図１では、モータブラケット３に設けられるＡＣ入力コネクタ１１と、フィルタ回路１３と、電源回路１４と、インバータ回路１５とが示されている。

回路基板１０に配置されるアースパターン部は基板に穴が空いており、その穴に金属製のネジ１２を挿入してモータブラケット３にネジ１２を締め付けることにより、アースパターンとモータブラケット３が接続されて、モータの外郭全体がアースパターンと導通する形となる。

次に、回路基板１０に搭載される制御回路について具体的に説明する。
図２において、制御回路に入力される交流電源３７（ＡＣ１００Ｖ〜ＡＣ２４０Ｖ）は、ヒューズ２０、フィルタ回路１３を介して電源回路１４に入力し、インバータ回路１５にて必要とされる直流電源に変換される。

フィルタ回路１３は、ノイズフィルタを構成する、ＸコンデンサＣｘと、コモンモードチョークコイルＬと、ＹコンデンサＣｙ１，Ｃｙ２とを備えている。ＸコンデンサＣｘは、交流電源の２線間に接続されている。コモンモードチョークコイルＬは、交流電源の２線にそれぞれ介挿されている。ＹコンデンサＣｙ１，Ｃｙ２は、それぞれ、一端が交流電源の２線の片方に接続され、アース側である他端が回路基板１０の回路アースに接続されている。なお、ＸコンデンサＣｘは、図２では、コモンモードチョークコイルＬの一端側（電源入力側）に配置した場合を示すが、さらに、コモンモードチョークコイルＬの他端側（電源回路側）にも配置する場合がある。また、ＹコンデンサＣｙ１、Ｃｙ２についてもコモンモードチョークコイルＬの電源回路側に配置した例を示したが、コモンモードチョークコイルＬの電源入力側に配置する場合もある。

電源回路１４は、整流回路１４ａと、平滑用コンデンサ１４ｂと、スイッチング電源１４ｃとを備えている。インバータ回路１５は、駆動回路１５ａと、スイッチング回路１５ｂとを備えている。

電源回路１４では、フィルタ回路１３を通して入力される交流電源がダイオードブリッジによる整流回路１４ａにて全波整流されて直流電源に変換され、平滑用コンデンサ１４ｂに蓄電される。平滑用コンデンサ１４ｂには、スイッチング回路１５ｂで必要とされる直流電源（例えばＤＣ１４０ＶやＤＣ２８０Ｖ）が生成される。スイッチング電源１４ｃは、平滑用コンデンサ１４ｂに生成された直流電源から、駆動回路１５ａで必要とされる制御電源（例えばＤＣ１５Ｖ）を生成する。

スイッチング回路１５ｂは、正極母線Ｐと負極母線Ｎとの間に形成されるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相ブリッジ構成である。正極母線Ｐは平滑用コンデンサ１４ｂの正極端に接続され、負極母線Ｎは平滑用コンデンサ１４ｂの負極端に接続されている。正極母線Ｐ側の３個のトランジスタは上アームトランジスタであり、負極母線Ｎ側の３個のトランジスタは下アームトランジスタである。各スイッチング素子には、それぞれ逆並列に還流ダイオードが接続されている。上下の各アームトランジスタの接続端は、出力端を構成し、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のステータ巻線７ａに接続されている。

駆動回路１５ａは、スイッチング回路１５ｂ内の６個のスイッチング素子をオン・オフ駆動するＰＷＭ信号を生成する。本システムでは、ホールＩＣ等の磁極位置センサを削除したセンサレス駆動によりＤＣモータを駆動する構成であり、スイッチング素子のオン・オフ時にステータ巻線７ａから発生する逆起電圧よりロータ６の位置を推定し、所望のステータ巻線７ａに通電できるように、ＰＷＭ信号を生成する。これによって、ロータ６が回転し、シャフト８が回転する。

さて、図１において、電源回路１４内のスイッチング電源やインバータ回路１５内のスイッチング回路の動作時に発生する高周波電流は、フィルタ回路１３内のＹコンデンサ→基板上アースパターン→ネジ１２→モータフレーム３の経路で流れる。外郭筐体の一部であるモータフレーム２は、組み込む搭載対象機器の筐体に接続されると、当該搭載対象機器を介して大地に接続され、アース処理される。

このように、実施の形態１によれば、ＤＣモータ１の外郭筐体内に、ノイズフィルタを含む制御回路の全てを内蔵するとともに、外郭筐体（モータブラケット３）と回路アースとをより確実に接続固定することができ、ＤＣモータ１を搭載対象機器に組み込むだけで、Ｙコンデンサのアース側（回路アース）とアース（大地）との間を接続するアース処理が搭載対象機器を通して確実に行える。

したがって、優れたノイズ低減効果を有する制御回路内蔵型のＤＣモータ１が得られる。また、アースパターンは半田を使用せずネジ締めにより接続されるため、振動や経年劣化による半田クラックの恐れがなく、長期的に安定したノイズ抑制効果が得られる。また、回路アースはモータフレームにネジで固定されるため、ステータ巻線７ａや鉄心からの熱やノイズが回路基板に伝搬され難くなり、回路基板の誤動作や寿命低下を抑制することが可能である。
さらに、Ｙコンデンサのアース側（回路アース）とアース（大地）との間を接続するアースリード線は、不要であるから、アースリード線のコスト削減が図れる。
図１では、回路基板１０をモータブラケット３とカバー４の間に配置したものを表したが、これに限らず例えば、回路基板１０をモータフレーム２とモータブラケット３の間に配置したＤＣモータも同様に適用できる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２によるＤＣモータ１の配置構成を示す断面図である。なお図３では、図１（実施の形態１）に示した構成要素と同一ないしは同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態２に関わる部分を中心に説明する。モータブラケット３には金属製のナット１６が圧入されており、回路基板１０に配置されたアースパターン部にネジ１２を締め付けることでアースパターンとモータ外殻が低インピーダンスで接続される。

このように、実施の形態２によれば、ＤＣモータ１の外郭筐体内に、ノイズフィルタを含む制御回路の全てを内蔵するとともに、外郭筐体（モータブラケット３）と回路アースとをより確実に接続固定することができ、ＤＣモータ１を搭載対象機器に組み込むだけで、Ｙコンデンサのアース側（回路アース）とアース（大地）との間を接続するアース処理が搭載対象機器を通して確実に行える。

したがって、実施の形態１と同様に、優れたノイズ低減効果を有する制御回路内蔵型のＤＣモータ１が得られる。アースパターンは半田を使用せずネジ締めにより接続されるため、振動や経年劣化による半田クラックの恐れがなく、長期的に安定したノイズ抑制効果が得られる。また、回路アースはモータフレーム２にネジ１２で固定されるため、ステータ巻線７ａや鉄心からの熱やノイズが回路基板に伝搬され難くなり、回路基板の誤動作や寿命低下を抑制することが可能である。さらに、Ｙコンデンサのアース側（回路アース）とアース（大地）との間を接続するアースリード線は、不要であるから、アースリード線のコスト削減が図れる。

実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態１による換気扇の概略外観構成図である。図４において、この実施の形態１による換気扇３０は、実施の形態１にて説明したＤＣモータ１を搭載している。なお、実施の形態２にて説明したＤＣモータ１も、それぞれ、図４に示す態様で換気扇３０に搭載される。

ＤＣモータ１は、シャフト８にファン３１が取り付けられた状態で、外枠筐体が換気扇ボディ３２にネジ３３で固定されることで、換気扇３０に搭載されている。換気扇ボディ３２には、電源接続端子台３４とアース端子台３５とが設けられている。

ＤＣモータ１のＡＣ入力コネクタ１１は、電源接続端子台３４に接続する。電源接続端子台３４は、一方の外部接続端子がスイッチ３６を介してＡＣ１００Ｖの交流電源３７の一方の電源ラインに接続され、他方の外部接続端子がＡＣ１００Ｖの交流電源３７の他方の電源ラインと直接接続されている。すなわち、スイッチ３６のオン・オフにより、ＤＣモータ１への通電・遮断が行われる。スイッチ３６をオンしてＤＣモータ１に通電すると、ＤＣモータ１のシャフト８に接続されたファン３１が回転し、室内の換気が行われる。

また、アース端子台３５は、アース線３８により大地に接続するアース処理が施されている。換気扇ボディ３２は、金属製である場合と金属製でない場合とがある。金属製でない場合は、ネジ３３の締結箇所とアース端子台３５の配置箇所との間は金属プレートで接続されている。すなわち、ＤＣモータ１を換気扇ボディ３２にネジ止め固定すると、ＤＣモータ１の外郭筐体は、換気扇ボディ３２を通して自動的にアース処理される構成である。

したがって、スイッチ３６をオンしてＤＣモータ１に通電し、室内の換気を行っている過程で、電源回路１４内のスイッチング電源やインバータ回路１５内のスイッチング回路の動作時に発生する高周波電流は、ＤＣモータ１の外郭筐体→換気扇ボディ３２のアース端子台３５→アース線３８→アース（大地）の経路で流れる。

このように、実施の形態３によれば、換気扇ボディ（換気扇の筐体）３２をアース処理した構成としたので、実施の形態１〜２のいずれかに示したＤＣモータ１を換気扇３０に搭載するだけで、自動的に回路基板１０の回路アースをアース（大地）に接続するアース処理が行われる。これによって、ＤＣモータ１は、安定したフィルタ特性を確保できるように搭載されるので、ＤＣモータ１を雑音の少ない状態で運転することができる。

そして、搭載したＤＣモータ１の回路アースとアース（大地）間の接続にアースリード線を使用しないので、アースリード線のコスト削減が図れる。また、換気扇の機種毎にアースリード線の長さや引き回しを変更する必要がないので、標準化も容易に行うことができ、低コスト化が可能になる。アースパターンは半田を使用せずネジ締めにより接続されるため、振動や経年劣化による半田クラックの恐れがなく、長期的に安定したノイズ抑制効果が得られる。また、回路アースはモータフレーム２にネジ１２で固定されるため、ステータ巻線７ａや鉄心からの熱やノイズが回路基板に伝搬され難くなり、回路基板の誤動作や寿命低下を抑制することが可能である。

なお、実施の形態１〜３では、ＤＣモータ１は、シャフト８をモータフレーム側から出した片軸モータを示したが、この実施の形態で説明した内容は、シャフト８をモータフレーム２側とモータブラケット３側との両側から出した両軸モータにも同様に適用することができることは言うまでもない。
また、本実施例ではセンサレス駆動を前提に解説したが、モータブラケット３に切り欠きを設けたり、あるいはモータブラケット３を樹脂と金属の一体成型とすることで、ホールＩＣ等のセンサを用いたＤＣモータ駆動装置にも適用することができる。
本発明のＤＣモータはブラシレスでもブラシ付きでも良い。また、モータ駆動電圧はＤＣ１４０ＶやＤＣ２８０Ｖの高圧駆動だけではなく、５０Ｖ以下の低圧駆動の構成にも適用できることは言うまでもない。

以上のように、本発明にかかるＤＣモータは、ノイズフィルタを含む制御回路の全てを内蔵させた外郭筐体を搭載対象機器に固定しただけで、Ｙコンデンサのアース側を低インピーダンスに保持して確実にアース処理が行える制御回路内蔵型のＤＣモータとして有用である。

また、本発明にかかる換気扇は、上記発明のＤＣモータを安定したフィルタ特性を確保できるように搭載し、ＤＣモータの低雑音化と並行して長期信頼性が期待できる換気扇として有用である。

１ ＤＣモータ
２ モータフレーム
３ モータブラケット
４ カバー
５ 回路ケース
６ ロータ
７ ステータコア
７ａ ステータ巻線
８ シャフト
９ａ、９ｂ 軸受
１０ 回路基板
１１ ＡＣ入力コネクタ
１２ ネジ
１３ フィルタ回路
１４ 電源回路
１４ａ 整流回路
１４ｂ 平滑用コンデンサ
１４ｃ スイッチング電源
１５ インバータ回路
１５ａ 駆動回路
１５ｂ スイッチング回路
１６ ナット
２０ ヒューズ
３０ 換気扇
３１ ファン
３２ 換気扇ボディ
３３ ネジ
３４ 電源接続端子台
３５ アース端子台
３６ スイッチ
３７ 交流電源
３８ アース線
Ｃｘ Ｘコンデンサ
Ｃｙ１、Ｃｙ２ Ｙコンデンサ
Ｌ コモンモードチョークコイル

Claims (4)

1. ステータおよびロータを含むモータ部分と、前記モータ部分を収納する有底円筒状の金属製モータフレームと、前記モータフレームと接続され前記モータフレームの開口端を塞ぐ金属製モータブラケットを備えた外郭筐体と、
   前記外郭筐体の内部に、ノイズフィルタで構成されるフィルタ回路と、前記フィルタ回路を介して入力される交流電源を直流電源に変換する電源回路と、前記電源回路が出力する直流電圧をスイッチングして前記ステータのステータ巻線に印加するモータ駆動電圧を出力するインバータ回路とを備える制御回路と、
   を搭載したＤＣモータであって、
   前記ノイズフィルタのＹコンデンサのアース側が接続される前記回路基板の回路アースパターンと前記金属製モータブラケットを金属製の締結具により接続したことを特徴とするＤＣモータ。
2. 前記金属製の締結具をネジとしたことを特徴とする請求項１記載のＤＣモータ。
3. 前記金属製モータブラケットにナットを固定し、ネジをナットに締めつけて固定することを特徴とする請求項２に記載のＤＣモータ。
4. 請求項１〜３に記載のＤＣモータが搭載される換気扇であって、
   前記ＤＣモータの外郭筐体は、大地に接続するアース処理がなされた換気扇筐体に固定されていることを特徴とする換気扇。

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