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技術 電動機、送風機および空気調和機

出願人 三菱電機株式会社
発明者 尾屋隼一郎及川智明山本峰雄石井博幸麻生洋樹浦辺優人畠山和徳下麥卓也
出願日 2015年10月30日 (6年0ヶ月経過) 出願番号 2017-547327
公開日 2018年2月8日 (3年9ヶ月経過) 公開番号 WO2017-072965
状態 特許登録済
技術分野 ブラシレスモータ 電動機,発電機と測定・保護装置等との結合
主要キーワード 速度指令電圧 固定子組 切替接点 ガラス充填剤 アーム駆動回路 縦型成形機 駆動回路部品 交流端
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (20)

課題・解決手段

電動機は、固定子、固定子に対して回転可能に設けられた回転子、ならびに、固定子に駆動電圧印加するパワーIC、回転子の回転位置を検出するホールIC21、ホールIC21からの磁極位置信号および磁極位置信号に基づいて算出される回転数情報により駆動電圧の位相を調整する制御ICを有する駆動回路基板4を備える。ホールIC21は、回転子の回転数が0のとき、0より大きい進角になる位置に取り付けられている。

概要

背景

電動機を回転駆動する際、電動機の回転速度が増加すると、電機子反作用の影響等により通電タイミング遅れが生じる。このため、例えば、速度指令電圧に応じた進角値を求め、この進角値を用いて電動機を駆動制御(以下「進角制御」と称する)する技術が開示されている(例えば、下記特許文献1)。

進角制御では、電動機の回転数に応じた最適位相進角の情報をテーブルとして保持し、マイコンもしくは専用の制御ICが、テーブルに格納された最適位相進角特性情報に基づいて電動機の制御を行うことが一般的な構成である。ここで、最適位相進角(「最適進角」とも称する)とは、電動機の運転効率が最大となる位相角進み角である。また、ここでいう「位相角」とは、固定子巻線誘起される電圧(以下「誘起電圧」と称する)とインバータICが固定子巻線に印加する電圧(以下「印加電圧」と称する)との間の位相差であり、印加電圧が誘起電圧よりも進んでいるときが正の値の進み角となる。

概要

電動機は、固定子、固定子に対して回転可能に設けられた回転子、ならびに、固定子に駆動電圧を印加するパワーIC、回転子の回転位置を検出するホールIC21、ホールIC21からの磁極位置信号および磁極位置信号に基づいて算出される回転数情報により駆動電圧の位相を調整する制御ICを有する駆動回路基板4を備える。ホールIC21は、回転子の回転数が0のとき、0より大きい進角になる位置に取り付けられている。

目的

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コストの増加を抑制しつつ、負荷回転制御を安定的に行うことができる電動機、送風機および空気調和機を得ることを目的とする

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

固定子と、前記固定子に対して回転可能に設けられた回転子と、前記固定子に駆動電圧印加する駆動素子、前記回転子の回転位置を検出する磁極位置センサ、前記磁極位置センサからの磁極位置信号と磁極位置信号に基づいて算出される回転数情報により前記駆動電圧の位相を調整する制御素子、を有する基板と、を備え、前記磁極位置センサは、前記回転子の回転数が0のとき、0より大きい進角になる位置に取り付けられている電動機。

請求項2

前記回転子の回転数に対する前記進角は、請求項1に記載の前記電動機の運転効率が最大となる進角の変化率よりも小さく、もしくは、請求項1に記載の前記電動機の騒音を最小とする進角の変化率よりも小さい請求項1に記載の電動機。

請求項3

前記制御素子は、前記回転子を回転制御するときの高回転域では、最適進角に追従する進角を出力する請求項1または2に記載の電動機。

請求項4

前記制御素子は、前記回転子を回転制御するときの中回転域では、最適進角に追従する進角を出力する請求項1または2に記載の電動機。

請求項5

前記制御ICの外部には、抵抗素子コンデンサ素子とが設けられ、前記抵抗素子の抵抗値および前記コンデンサ素子の容量値のうちの少なくとも一つを変更することにより前記進角制御進み角を大きくする度合いを調整する請求項3または4に記載の電動機。

請求項6

前記制御素子は、前記磁極位置センサからの信号に基づいて前記電動機の回転数の情報を含む回転数信号を生成する回転数信号生成部と、前記回転数信号に基づいて進角の情報を表す電圧信号を生成する進角電圧信号生成部と、前記進角電圧信号生成部が生成したアナログ信号である電圧信号を進角の情報を表すディジタル信号に変換するAD変換部と、を備えた請求項1から5の何れか1項に記載の電動機。

請求項7

前記パワーICは第1の放熱パターンを介して前記駆動回路基板に搭載され、前記駆動回路基板における前記パワーICの非搭載面側には第2の放熱パターンが設けられ、前記第1の放熱パターンと前記第2の放熱パターンとは金属が注入されたスルーホールを介して接続されている請求項1から6の何れか1項に記載の電動機。

請求項8

請求項1から7の何れか1項に記載の電動機を搭載した送風機

請求項9

請求項1から7の何れか1項に記載の電動機を搭載した空気調和機

技術分野

0001

本発明は、回路部品実装された基板を備えた電動機ならびに当該電動機を備えた送風機および空気調和機に関する。

背景技術

0002

電動機を回転駆動する際、電動機の回転速度が増加すると、電機子反作用の影響等により通電タイミング遅れが生じる。このため、例えば、速度指令電圧に応じた進角値を求め、この進角値を用いて電動機を駆動制御(以下「進角制御」と称する)する技術が開示されている(例えば、下記特許文献1)。

0003

進角制御では、電動機の回転数に応じた最適位相進角の情報をテーブルとして保持し、マイコンもしくは専用の制御ICが、テーブルに格納された最適位相進角特性情報に基づいて電動機の制御を行うことが一般的な構成である。ここで、最適位相進角(「最適進角」とも称する)とは、電動機の運転効率が最大となる位相角進み角である。また、ここでいう「位相角」とは、固定子巻線誘起される電圧(以下「誘起電圧」と称する)とインバータICが固定子巻線に印加する電圧(以下「印加電圧」と称する)との間の位相差であり、印加電圧が誘起電圧よりも進んでいるときが正の値の進み角となる。

先行技術

0004

特開2011−114995号公報

発明が解決しようとする課題

0005

進角制御に関する背景技術は上記の通りであるが、進角の変動によって回転数が変動するため、電動機の回転数を上げたり下げたりする制御によって回転数のハンチングが生じると、当該ハンチングによって進角が変動し、進角の変動によって回転数も変動するという悪循環が起こり、電動機が駆動する負荷の回転が安定しないおそれがある。また、電動機の進角制御をマイコンで実現すると、非常にコスト高となる。このため、電動機の進角制御を比較的安価な制御ICで実現することが望まれる。

0006

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コストの増加を抑制しつつ、負荷の回転制御を安定的に行うことができる電動機、送風機および空気調和機を得ることを目的とする。

課題を解決するための手段

0007

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係る電動機は、固定子、固定子に対して回転可能に設けられた回転子、ならびに、固定子に駆動電圧を印加する駆動素子、回転子の回転位置を検出する磁極位置センサおよび磁極位置センサからの磁極位置信号と磁極位置信号に基づいて算出される回転数情報により駆動電圧の位相を調整する制御素子を有する基板を備える。磁極位置センサは、回転子の回転数が0のとき、0より大きい進角になる位置に取り付けられている。

発明の効果

0008

本発明によれば、コストの増加を抑制しつつ、負荷の回転制御を安定的に行うことができる、という効果を奏する。

図面の簡単な説明

0009

本実施の形態に係る電動機の側面断面図
本実施の形態に係る電動機を搭載した空気調和機を示す外観図
本実施の形態の駆動回路基板に配置される回路部品を反負荷側から視認した場合の平面図
本実施の形態の駆動回路基板に配置される回路部品を負荷側から視認した場合の平面図
本実施の形態の駆動回路基板におけるパワーICが搭載される部位の部分断面図
本実施の形態の駆動回路部品電気的な接続関係を示すブロック図
本実施の形態のパワーICの内部の構成を示す回路
本実施の形態の進角算出部の構成を示すブロック図
本実施の形態の回転数信号生成部および進角電圧信号生成部を具現する回路構成の一例を示す回路図
ホールICの搭載位置を従来と本実施の形態とで比較した図
進角電圧の値が比較的に大きいときの電動機の回転数と進角電圧との関係を示すグラフ
進角電圧の値が比較的に小さいときの電動機の回転数と進角電圧との関係を示すグラフ
電動機の回転数に応じた離散的な進角制御曲線の変化を示すグラフ
電動機の運転効率が最大となる第1の最適進角の特性と電動機の騒音が最小となる第2の最適進角の特性とを電動機の回転数との関係で表すグラフ
電動機の回転数に応じた最適進角特性および離散的な進角制御曲線を従来と本実施の形態とを比較したグラフ
本実施の形態に係る他の進角制御曲線を示すグラフ
電動機を駆動するシステム電動機駆動装置上位制御装置とに区分して示したシステム構成
電動機駆動装置および上位制御装置による電動機の回転数制御に係る制御フローを示すフローチャート
本実施の形態に係る電動機の他の例を示す側面断面図
図19に示す駆動回路基板に配置される回路部品を反負荷側から視認した場合の平面図
図19に示す駆動回路基板に配置される回路部品を負荷側から視認した場合の平面図
本実施の形態に係る電動機の製造方法を示すフローチャート

実施例

0010

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る電動機、送風機および空気調和機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

0011

実施の形態.
図1は、本実施の形態に係る電動機の側面断面図である。図2は、本実施の形態に係る電動機を搭載した空気調和機を示す外観図である。

0012

図2に示される空気調和機300は、室内機300aと室内機300aに接続される室外機300bとを備える。室内機300aには図示を省略した室内機用ファンが搭載され、室外機300bには室外機用のファン310が搭載されている。これらのファンの駆動源には、図1に示す電動機100が用いられる。なお、図2では、本実施の形態に係る電動機の応用例として空気調和機を例示したが、空気調和機に限定されるものではなく、例えば送風機の電動機として使用することも可能である。

0013

次に、本実施の形態に係る電動機100の構成について説明する。電動機100は、図1に示すように、主たる構成部として、モールド固定子1、回転子組立部18およびブラケット25を有して構成される。電動機100としては、インバータで駆動されるブラシレスDCモータが例示される。

0014

回転子組立部18の中心部には、電動機100の回転軸となるシャフト10が貫通している。電動機100のシャフト10には、電動機100の負荷が搭載される。図2に示す空気調和機であれば、室内機用のファンあるいは室外機用のファン310が負荷として搭載される。

0015

モールド固定子1は、シャフト10を中心とする円筒状に形成され、固定子組立部3とモールド樹脂充填されたモールド樹脂部2とから構成されている。

0016

固定子組立部3は、電動機100の構成要素のうち、固定子5と駆動回路基板4とコネクタ6とが一体に成形された部位である。駆動回路基板4には、面実装部品であるホールIC21、パワーIC22および制御IC23が搭載されている。以後、駆動回路基板4に搭載される回路部品を適宜「駆動回路部品」と称する。なお、本実施の形態の駆動回路基板4は、マイコンを搭載しておらず、固定子5と共にモールド樹脂部2により機械的に結合されて一体的に成形することが可能である。すなわち、駆動回路基板4は、モールド樹脂で固定子5と一体に封止されている。これにより、駆動回路基板4に搭載されるパワーICの放熱性が向上し、パワーIC22の最大出力が向上する。また、パワーIC22の放熱性が向上することで、電動機100の損失が低減される。ただし、駆動回路基板4等は強度的に弱い構造であるため低圧成形が望ましく、駆動回路基板4と固定子5を一体に成形するためのモールド樹脂部2に用いるモールド樹脂としては、不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂が好適である。なお、駆動回路部品の詳細については後述する。

0017

モールド樹脂部2は、電動機100の外郭を構成すると共に、モールド固定子1の基板側面にてハウジング19を構成する。ハウジング19は、負荷側軸受16の外輪を取り囲んで支持する。

0018

モールド樹脂部2には、ファン等の負荷が搭載される側(以下「負荷側」と称する)とは反対側(図1右手側、以下「反負荷側」と称する)に設けられた開口部29からモールド固定子1内部へ回転子組立部18を収容可能に形成されたすり状の凹部26が設けられている。なお、開口部29は、図1において、ブラケット25が設けられている部分である。ブラケット25は、例えば導電性の金属をプレス加工して製造される。

0019

固定子5は、巻線7、固定子鉄心8およびインシュレータ9で構成され、固定子鉄心8は、厚さが0.1〜0.7mm程度の電磁鋼板帯状打ち抜かれ、かしめ、溶接および接着等で積層され製作される。この帯状の固定子鉄心8は、図示を省略した複数個ティースを備え、ティースにはインシュレータ9が施される。インシュレータ9は、例えば、PBTポリブチレンテレフタレート)等の熱可塑性樹脂を用いて固定子鉄心8と一体にまたは別体で成形される。インシュレータ9が施されたティースには、集中巻の巻線7が巻回される。複数個の集中巻の巻線7を接続すると、例えば、三相シングルY結線の巻線が形成される。但し、分布巻でもよい。

0020

回転子組立部18は、電動機100の構成要素のうち、回転子15、負荷側軸受16および反負荷側軸受17が組み合わされた部位である。

0021

回転子15は、シャフト10と、シャフト10の外周部に設けられた円環状の回転子絶縁部12と、回転子絶縁部12の外周側に周設され固定子鉄心8と対向して配設された永久磁石である回転子磁石13と、シャフト10の軸線方向において、回転子磁石13と駆動回路基板4との間に設けられる位置検出用磁石11とを有して構成されている。

0022

回転子15は、シャフト10を中心に回転自在であり、固定子鉄心8からの回転磁界によって回転力を得てシャフト10にトルクを伝達し、シャフト10に直接または間接的に接続された負荷を駆動する。

0023

回転子絶縁部12は、シャフト10と回転子磁石13とを絶縁すると共に、シャフト10と固定子鉄心8とを絶縁するために設けられる。回転子磁石13、シャフト10および位置検出用磁石11は、縦型成形機により射出された回転子絶縁部12で一体的に形成される。回転子絶縁部12には、熱可塑性樹脂が用いられる。熱可塑性樹脂としては、PBT(ポリブチレンテレフタレート)およびPPS(ポリフェニレンサルファイド)が例示されるが、これらPBTまたはPPSにガラス充填剤を配合したものも好適である。回転子絶縁部12は、誘電体層を構成する。

0024

回転子磁石13には、熱可塑性樹脂に磁性材を混合して成形された樹脂磁石希土類磁石、またはフェライト焼結磁石が使用される。希土類磁石としては、ネオジムまたはサマリウム鉄が例示される。

0025

シャフト10の軸線方向において、シャフト10の負荷側(図1の左側)には負荷側軸受16が取り付けられ、反負荷側(図1の右側)には反負荷側軸受17が取り付けられている。シャフト10は、これら負荷側軸受16および反負荷側軸受17によって回転自在に支持される。

0026

負荷側軸受16は、例えば玉軸受けであり、シャフト10と一体的に回転する内輪16aと、ハウジング19の内周面に嵌め込まれる外輪16bと、これらの内外輪間に配置された複数個の転動体16cと、転動体16cを潤滑転動させるための潤滑油(図示省略)と、潤滑油を封入するためのシール板(図示省略)とを備えて構成されている。内輪16a、外輪16b、転動体16cおよびシール板は、一般に鉄などの導体性の金属で構成される。シール板は外輪に固定されており、外輪と共に回転する。なお、シール板は外輪とは電気的に接続されている一方で、内輪とは接触していない。

0027

反負荷側軸受17も負荷側軸受16と同様に構成される。反負荷側軸受17の構成要素も負荷側軸受16の構成要素と同一もしくは同等であり、詳細な説明は省略する。

0028

回転子組立部18がモールド固定子1の開口部29から凹部26へ挿入された際、シャフト10に取り付けられた負荷側軸受16がハウジング19に組み込まれる。そして、負荷側軸受16側のシャフト10の一端はハウジング19を貫通し、このシャフト10には上述したファン等が取り付けられる。一方、シャフト10の他端には反負荷側軸受17が取り付けられており、ブラケット25がモールド樹脂部2の内周部へ圧入され開口部29を塞ぐようにして嵌め込まれる際、このブラケット25の内側に反負荷側軸受17が組み込まれる。

0029

駆動回路基板4には、シャフト10および負荷側軸受16を貫通する貫通孔8aが形成されている。貫通孔8aが形成された駆動回路基板4は、インシュレータ9に保持される。駆動回路基板4は、シャフト10の軸線方向において負荷側軸受16と巻線7との間に配設され、軸線方向に対して垂直に配置される。なお、ここでいう垂直とは、シャフト10の軸線方向に対して90度である必要はなく、90度からずれていてもよい。

0030

つぎに、駆動回路基板4に搭載される駆動回路部品の詳細について、図3から図7の図面を参照して説明する。図3は、図1に示す駆動回路基板4に配置される回路部品を反負荷側から視認した場合の平面図であり、図4は、同じ駆動回路基板4を負荷側から視認した場合の平面図である。図5は、駆動回路基板4におけるパワーIC22が搭載される部位の部分断面図である。図6は、駆動回路部品の電気的な接続関係を示すブロック図である。図7は、パワーIC22の内部の構成を示す回路図である。

0031

図3に示すように、駆動回路基板4の反負荷側、すなわち固定子側には、ホールIC21、パワーIC22および制御IC23が搭載されている。ホールIC21は、回転子15の回転位置を検出するための磁極位置センサであり、ホール素子などが代表的である。パワーIC22は、固定子5の巻線7に駆動電圧を印加する駆動素子であり、図5に示すように第1の放熱パターンである放熱パターン30を介して駆動回路基板4に搭載されている。制御IC23は、ホールIC21の検出情報に基づいてパワーIC22をパルス幅変調(Pulse Width Modulation:PWM)制御するためのPWM信号を生成する制御素子である。なお、パワーIC22と制御IC23とは駆動ICとして一体的に形成することも可能である。

0032

一方、駆動回路基板4の負荷側には、図4に示すように、パワーIC22で発生した熱を放熱するための第2の放熱パターンである放熱パターン32が設けられている。パワーIC22と放熱パターン32とは、図5に示すように、パワーIC22で発生した熱を伝え易くするために熱伝導率の高い金属で形成された放熱パターン30および熱伝導率の高い金属が注入されたスルーホール34を介して接続されている。熱伝導率の高い金属としては、銅または銀などが例示される。なお、図3から図5に示すコネクタ6、ホールIC21、パワーIC22および制御IC23の配置位置は一例であり、他の配置も許容されることは言うまでもない。ただし、ホールIC21は、回転子15の回転数との関係で位置が規定されるものであり、詳細については後述する。

0033

駆動回路基板4に搭載されたホールIC21、パワーIC22および制御IC23は、図6のように接続されて電動機100を駆動する。より詳細に説明すると、ホールIC21が検出した回転子15の位置情報(以下「回転子位置情報」もしくは単に「位置情報」と称する)を含む信号である磁極位置信号は、制御IC23に入力される。制御IC23には、回転子15の回転速度を指令するための回転数指令回転速度指令)も付与される。制御IC23は、ホールIC21からの磁極位置信号および外部からの回転数指令に基づいて、パワーIC22を制御するためのPWM信号を生成してパワーIC22に付与する。なお、制御IC23には、進角算出部200が設けられている。進角算出部200は、電動機100の回転数の情報を含む回転数信号を生成して外部に出力すると共に、電動機100の運転効率を最大にする進角、すなわち最適進角、および、高回転域での運転効率を高めた進角もしくは高回転域での騒音を小さくする進角を算出する構成部である。進角算出部200の詳細については後述する。

0034

パワーIC22は、図7に示すように、インバータ回路114およびアーム駆動回路116を含んで構成される。インバータ回路114は、電動機100における三相の巻線7(図1参照)を駆動する3対の上下アームスイッチング素子114a〜114fがブリッジ接続されて構成される。スイッチング素子114a〜114fのうち、スイッチング素子114a,114dはU相の上下アームを構成し、スイッチング素子114b,114eはV相の上下アームを構成し、スイッチング素子114c,114fはW相の上下アームを構成する。

0035

上下アームのスイッチング素子同士の接続点交流端として引き出され固定子に接続される。一方、上アーム同士の接続点と下アーム同士の接続点は直流端として引き出され整流回路112に接続される。整流回路112は、商用電源110の交流電圧直流電圧に変換してインバータ回路114に印加する。制御IC23は、上下アームのスイッチング素子114a〜114fをPWM駆動するためのPWM信号を生成してアーム駆動回路116に出力する。アーム駆動回路116には、上アームのスイッチング素子114a〜114cを駆動する上アーム駆動回路116aと、下アームのスイッチング素子114d〜114fを駆動する下アーム駆動回路116bとが設けられている。上アーム駆動回路116aおよび下アーム駆動回路116bは、PWM信号に基づいて駆動対象のスイッチング素子を駆動する。スイッチング素子114a〜114fが駆動されることにより、整流回路112からの直流電圧が可変周波数の交流電圧に変換される。変換された交流電圧は、駆動回路基板4と巻線7とを電気的に接続する巻線端子24(図1参照)を介して巻線7に印加され、電動機100が駆動される。

0036

図8は、進角算出部200の構成を示すブロック図である。進角算出部200は、図8に示すように、ホール信号に基づいて電動機100の回転数の情報を含む回転数信号を生成する回転数信号生成部202と、回転数信号生成部202が生成した回転数信号に基づいて進角の情報を表す電圧信号を生成する進角電圧信号生成部204と、進角電圧信号生成部204が生成したアナログ信号である電圧信号を進角の情報を表すディジタル信号に変換するAD変換部206とを備えて構成される。

0037

ここで、ホールIC21から出力されるホール信号はディジタル信号であるが、回転数信号生成部202にてアナログ信号に変換される。すなわち、回転数信号生成部202は、ディジタル信号をアナログ信号に変換するDA変換の機能も担っている。なお、上述したように、回転数信号生成部202が生成した回転数信号は、他の制御のため、進角算出部200の外部に出力される。

0038

進角電圧信号生成部204は、回転数信号に含まれる情報、すなわちモータの回転数に比例する大きさの電圧値を有する電圧信号を生成する回路である。進角電圧信号生成部204によって生成された電圧信号の振幅が進角の大きさを表している。このため、AD変換部206が電圧信号をAD変換することによって進角を表すディジタル信号が出力される。後述するように、電動機100に付与する印加電圧の進角はディジタル信号によって離散的に制御される。

0039

図9は、回転数信号生成部202および進角電圧信号生成部204を具現する回路構成の一例を示す回路図である。図9において、第1の回路ブロック202aは回転数信号生成部202を具現する回路例であり、第2の回路ブロック204aおよび第3の回路ブロック204bは進角電圧信号生成部204を具現する回路例である。

0040

第1の回路ブロック202aは、コンパレータ250、切替スイッチ252、コンデンサ素子254,256および抵抗素子258を有して構成される。第1の回路ブロック202aは、ホール信号を回転数信号に変換する機能を担任する。また、第2の回路ブロック204aは、オペアンプ260を有して構成される。

0041

切替スイッチ252は、1回路2接点のスイッチであり、基点b、第1の切替接点u1および第2の切替接点u2を有する。ホール信号は、コンデンサ素子254および切替スイッチ252の第1の切替接点u1を介してコンデンサ素子256に入力されると共に、コンデンサ素子254を介してコンパレータ250のプラス端子に入力される。この構成により、コンパレータ250のプラス端子には、コンデンサ素子254,256による分圧電圧が印加される。コンパレータ250のマイナス端子には基準電圧Vrefが入力されており、コンパレータ250は、ホール信号の分圧電圧と基準電圧Vrefとの大小関係が比較される。

0042

ホール信号の分圧電圧が基準電圧Vrefよりも大きい場合、コンパレータ250は、第1の切替接点u1と基点bとが電気的に接続されるように切替スイッチ252を制御し、ホール信号の分圧電圧が基準電圧Vref以下の場合、コンパレータ250は、第2の切替接点u2と基点bとが電気的に接続されるように切替スイッチ252を制御する。

0043

切替スイッチ252において、第1の切替接点u1と基点bとが電気的に接続された場合、ホール信号による電圧パルスがコンデンサ素子256に印加され、電圧パルスが生じている期間の電圧(電荷)がコンデンサ素子256に蓄電蓄積)される。一方、第2の切替接点u2と基点bとが電気的に接続された場合、コンデンサ素子256と抵抗素子258とが電気的に接続され、コンデンサ素子256に蓄電された電圧は抵抗素子258を介して放電される。なお、放電の速さは、コンデンサ素子256の容量値と抵抗素子258の抵抗値との積である時定数τに依存する。時定数τが大きければ放電の速度は遅く、時定数τが小さければ放電の速度は速くなる。

0044

このようにして、コンデンサ素子256には、ホール信号の電圧パルスが出現する頻度、すなわちホール信号の周期に応じた電圧が蓄電される。電動機の回転数が速くなれば、電圧パルスの繰り返し周期は短くなるので、蓄電される電圧は大きくなり、電動機の回転数が遅くなれば、電圧パルスの繰り返し周期は長くなるので、蓄電される電圧は小さくなる。

0045

コンデンサ素子256に蓄電されたホール信号の分圧電圧は、第2の回路ブロック204aのオペアンプ260におけるプラス端子に印加される。オペアンプ260の出力端子はオペアンプ260のマイナス端子に戻されており、第2の回路ブロック204aはバッファ回路を構成する。バッファ回路を構成する第2の回路ブロック204aによって、第1の回路ブロック202aの動作と、第3の回路ブロック204bの動作とは、互いに干渉なく、すなわち相互の動作の影響を受けないように動作することが可能となる。

0046

第2の回路ブロック204aのオペアンプ260の出力は、第3の回路ブロック204bに入力される。第3の回路ブロック204bは、オペアンプ262、抵抗素子264,266、および、抵抗素子268aとコンデンサ素子268bとが並列接続されたフィードバック回路268を有して構成される。第3の回路ブロック204bは、後述する進角制御を行うための電圧信号を生成する。

0047

第2の回路ブロック204aのオペアンプ260の出力であるコンデンサ素子256に蓄電された電圧は、抵抗素子264を介してオペアンプ262のマイナス端子に印加され、オペアンプ262のプラス端子には、抵抗素子266を介してGND電位零電位)が印加される。フィードバック回路268が接続された第3の回路ブロック204bは、回路全体積分回路を構成しており、電動機の回転数の変化量に対する進角の変化量の比、すなわち電動機の回転数の変化するときの進角の変化率が従来よりも小さくなるような電圧信号を生成する。また、この制御は、図6および図8のブロック図ならびに図9の回路図から理解できるように、制御IC23の構成のみを変更することで実現可能である。また、図8のブロック図から理解できるように、AD変換部206に手を加えることなく実現可能である。

0048

なお、図9の構成では、抵抗素子268aとコンデンサ素子268bとを並列接続したフィードバック回路268を制御IC23の内部の構成要素としているが、制御IC23に外部から接続する回路要素としてもよい。制御IC23の外部の回路要素とすれば、抵抗素子268aの抵抗値およびコンデンサ素子268bの容量値を変更することができるので、電動機で駆動される負荷の仕様、電動機が搭載される機器の用途または設置環境に応じた進角制御が可能になるという効果が得られる。

0049

図10は、ホールICの搭載位置を従来と本実施の形態とで比較した図である。図10(a)には従来の搭載位置、図10(b)には本願搭載位置を示している。図10(a)と図10(b)との比較から明らかなように、従来と本願発明とではホールICの搭載位置が異なっている。図10(a)および図10(b)には貫通孔8aの中心を通る仮想線Q1を一点鎖線で示しているが、モータ回転方向に沿って先頭側に位置するホールIC21A(本願)と、ホールIC21A’(従来)とで比較すると、ホールIC21A’の位置は回転子15の回転数が0のとき位相角が0度となる位置に設けられ、本願発明のホールIC21Aの仮想線Q1に対する成す角θ1は、従来のホールIC21A’の仮想線Q1に対する成す角θ1’よりも小さい、すなわちθ1<θ1’の関係になっている。このようなθ1<θ1’の関係で配置されることにより、ホールIC21Aの位置は回転子15の回転数が0のとき位相角が0度よりも進み角となる位置に設けられ、本願発明のホールIC21Aによって検出される位相角は、従来のホールIC21A’によって検出される位相角よりも進み角となる。

0050

図11および図12は、電動機の回転数と進角電圧との関係を示すグラフである。図11は進角電圧の値が比較的に大きいとき、図12は進角電圧の値が比較的に小さいときを示している。縦軸の進角電圧は、図8に示す進角電圧信号生成部204が生成する進角電圧信号の大きさである。

0051

図11および図12のそれぞれにおいて、実線で示す曲線typは典型値を表し、破線で示す曲線のうち上側の曲線maxは典型値に+10%を加算した値を表し、下側の曲線minは典型値に−10%を加算した値、すなわち典型値に10%を減算した値を表している。

0052

進角電圧は、図11および図12に示すように、典型値を中心にばらつくが、ばらつきの範囲は進角電圧が小さいときの方が、ばらつきの絶対値が小さいことが分かる。また、曲線maxと曲線minの間は、曲線typの進角電圧のばらつきを示している。

0053

図13は、電動機の回転数に応じた離散的な進角制御曲線の変化を示すグラフである。本実施の形態の制御演算では、制御IC23による離散的な制御を行うことを前提としているため、進角制御のための制御値図13に示すように階段状の曲線になっている。進角の進み幅(階段状の曲線における段の高さ)は、回路の規模によって決まり、その幅が一定であるため離散的に変化するが、回転数は、回転数信号生成部202における抵抗素子258の抵抗値とコンデンサ素子256の容量値との積である時定数τを調整することにより連続的に変更可能である。図13において、実線で示す進角制御曲線に対し、時定数を大きく設定すれば、破線で示すように進角制御曲線の傾きは小さくなり、時定数を小さく設定すれば、一点鎖線で示すように進角制御曲線の傾きは大きくなる。

0054

図14は、電動機の運転効率が最大となる最適進角を第1の最適進角として、電動機の騒音が最小となる最適進角を第2の最適進角として示し、第1の最適進角特性および第2の最適進角特性を、電動機の回転数と進角の関係を表すグラフに示したものである。図11に示すように第1の最適進角および第2の最適進角は、電動機の回転数の増加に応じて進角が大きくなる特性を有している。

0055

図15は、電動機の回転数に応じた最適進角特性および離散的な進角制御曲線を従来と本実施の形態とを比較したグラフである。図15(a)では従来技術に係る進角制御曲線を併記し、図15(b)では本実施の形態に係る進角制御曲線を併記している。なお、図15(b)に示す進角制御曲線上の値は、進角算出部200(図6および図8参照)によって算出される。

0056

図15(a)および図15(b)において、細線で示す曲線K1は最適進角を表している。また、図15(a)および図15(b)において、それぞれ太線で示す曲線L1,L2は、電動機の制御を行うときに回転数に応じて設定される進角値である。なお、第1の最適進角と進角制御曲線との関係と、第2の最適進角特性と進角制御曲線との関係は同様であるため、図15および図16では、第1の最適進角と第2の最適進角を区別せずに、最適進角と称して説明する。

0057

図15(a)と図15(b)とを比較すると、以下のことが明らかである。なお、以下の説明において、電動機の回転数が1000rpmまでを低回転域と称し、電動機の回転数が1000rpmから1300rpmまでの範囲を中回転域と称し、電動機の回転数が1500rpm以上を高回転域と称する。なお、これらの区分は便宜上であり、低回転域、中回転域および高回転域の範囲が、これらの数値に限定されるものではない。

0058

(i)中回転域および高回転域において、最適進角を算出する従来曲線L1では最適進角曲線K1に重なるように変化させているが、本実施の形態の曲線(以下「本願曲線」または単に「曲線」と称する)L2では、高回転域である破線部M1でのみ最適進角曲線K1に重なるように変化させる一方で、低回転域および中回転域では、最適進角曲線K1上の進角よりも大きな値、すなわち最適進角曲線K1上の進角よりも進みを増やした進角で変化させている。なお、進角制御の進み角を大きくする度合いは、抵抗素子258の抵抗値およびコンデンサ素子256の容量値のうちの少なくとも一つを変更することで調整可能である。
(ii)本願曲線L2の傾きは、従来曲線L1の傾きよりも小さくなっている。
(iii)従来曲線L1の切片は0[°]であるのに対し、本願曲線L2の切片はオフセットされた値(図15(b)の例では4.6〜4.7[°]程度)に設定されている。なお、オフセット値が生ずるのは、図10に示すように、ホールIC21で検出される位相角が従来よりも進み角となるように、位置をずらして配置しているからである。
(iv)進角制御曲線上の進角値が同一値を維持するときの回転数範囲ΔRは、従来曲線L1よりも本願曲線L2の方が広くなっている(例えばΔR2>ΔR1)。この理由は、従来曲線L1の傾きよりも本願曲線L2の傾きの方が小さくなるように設定されているからである。

0059

図15(b)に示す進角制御曲線によって電動機の回転制御を行えば、進角制御曲線上の進角値が同一値を維持するときの回転数範囲が従来よりも広くなるので、電動機が駆動する負荷の回転制御を安定的に行うことが可能となる。また、図15(b)に示す進角制御曲線によれば、高回転域では最適進角曲線K1に追従するように制御されるので、高回転域での運転効率を高めることができるという効果が得られる。

0060

なお、本願曲線L2における縦軸の切片、すなわちオフセット値をあまり大きくし過ぎると、低回転域での運転効率が低下する。このため、オフセット値が15[°]を超えないようにホールIC21を配置することが好ましく、オフセット値が10[°]以下であればさらに好ましい。

0061

図16は、本実施の形態に係る図15(b)とは異なる進角制御曲線を示すグラフである。図16において、最適進角曲線K1は図15(b)と同一の曲線である。また、曲線L3は、図15(b)に示す曲線L2よりも傾きを小さくしている。

0062

上述の通り、曲線L3は曲線L2よりも傾きが小さく設定されているので、図16において、中回転域における破線部M2では、最適進角曲線K1に追従するように制御されるので、中回転域での運転効率を高めることができるという効果が得られる。また、高回転域における破線部M3では、最適進角曲線K1よりも進角値が小さくなるように制御されるので、高回転域での騒音が従来よりも小さくなるという効果が得られる。なお、曲線L3では、曲線の傾きが図15(a)に示す従来曲線L1よりも小さく設定されているので、負荷の回転制御を従来よりも安定的に行うことが可能となることは言うまでもない。

0063

図17は、電動機100を駆動するシステムを電動機駆動装置140と、上位制御装置150とに区分して示したシステム構成図である。図17において、電動機駆動装置140は、図6に示す駆動回路基板4に相当し、上位制御装置150は、室外機を駆動する駆動回路基板もしくは室内機を駆動する駆動回路基板に相当する。また、図18は、電動機駆動装置140および上位制御装置150による電動機100の回転数制御に係る制御フローを示すフローチャートである。

0064

次に、図17および図18を参照して電動機駆動装置140に対する回転数制御について説明する。なお、以下の説明では、電動機100の回転数を「モータ回転数」と称する。また、目標回転数として許容できる回転数範囲を±αとする。このとき、目標回転数の上限値は“目標回転数+α”となり、目標回転数の下限値は“目標回転数−α”となる。なお、典型的なαの値としては、20rpm程度が例示される。

0065

図17に示すように、上位制御装置150には電動機駆動装置140から回転数情報が入力される。上位制御装置150は、回転数情報により、モータ回転数を算出する(ステップS101)。上位制御装置150は、目標回転数が“目標回転数+α”以上であるか否かを判定する(ステップS102)。目標回転数が“目標回転数+α”以上である場合には(ステップS102,Yes)、電動機駆動装置140に対して回転数指令を下げる制御を行う(ステップS103)。なお、ステップS103の制御の後は、ステップS101に戻る。

0066

一方、目標回転数が“目標回転数+α”未満である場合には(ステップS102,No)、さらに目標回転数が“目標回転数−α”以下であるか否かを判定し(ステップS104)、“目標回転数−α”以下であれば(ステップS104,Yes)、電動機駆動装置140に対して回転数指令を上げる制御を行い(ステップS105)、“目標回転数−α”を超えていれば(ステップS104,No)、ステップS105の制御はスキップする。なお、ステップS105の制御の後、およびステップS104で”No”の判定後は、ステップS101の処理に戻り、上記の処理を繰り返す。

0067

以上説明したように、本実施の形態に係る電動機によれば、回転数に対する進角の変化率が、電動機の運転効率が最大もしくは電動機の騒音が最小となる進角の変化率よりも小さくなるような進角を生成して電動機を駆動するので、コストの増加を抑制しつつ、負荷の回転制御を安定的に行うことが可能となる。

0068

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

0069

例えば、図19は、本実施の形態に係る電動機の他の例を示す側面断面図であり、図20は、図19に示す駆動回路基板4に配置される回路部品を反負荷側から視認した場合の平面図であり、図21は、図19に示す駆動回路基板4に配置される回路部品を負荷側から視認した場合の平面図である。図1では面実装部品であるパワーIC22を負荷側に搭載していたが、図19および図21に示すように、リードタイプ部品であるパワーIC27を反負荷側に搭載している。このような構成の電動機も、本発明の要旨に含まれることは言うまでもない。

0070

図22は、本実施の形態に係る電動機の製造方法を示すフローチャートである。図22のフローチャートを参照し、本実施の形態に係る電動機の製造方法について説明する。なお、図22では、符号の表記を省略している。

0071

ステップS10〜ステップS14までは、モールド固定子1の製作フローである。ステップS10では、電磁鋼板を積層し、固定子鉄心8を製作する。ステップS11では、固定子鉄心8とインシュレータ9を一体成型する。ステップS12では、固定子鉄心8の各スロットに巻線を巻きつけ、固定子5を製作する。ステップS13では、駆動回路基板4を固定子5に取り付け、固定子組み立て部3を製作する。ステップS14では、樹脂に一体成型し、モールド固定子1を製作する。

0072

モールド固定子1の製作に並行して、回転子組立部18を製作する。ステップS20〜ステップS22までは、回転子組立部18の製作フローである。ステップS20では、回転子磁石を製作する。ステップS21では回転子磁石13、位置検出用磁石11およびシャフト10を樹脂にて一体成型し、回転子15を製作する。ステップS22では、負荷側軸受16、負荷側軸受17をシャフト10に圧入し、回転子組立部18を製作する。

0073

ステップS30では、モールド固定子1の凹部26に回転子組立部18を挿入し、ブラケット25で凹部26の開口部29を塞ぎ、電動機100を製作する。

0074

本実施の形態に係る電動機の製造方法を用いることにより、例えば図1に示す電動機100および図19に示す電動機100を製造することができる。

0075

1モールド固定子、2モールド樹脂部、3固定子組立部、4駆動回路基板、5固定子、6コネクタ、7巻線、8固定子鉄心、8a貫通孔、9インシュレータ、10シャフト、11位置検出用磁石、12回転子絶縁部、13回転子磁石、15 回転子、16負荷側軸受、16a内輪、16b外輪、16c転動体、17 反負荷側軸受、18回転子組立部、19ハウジング、21,21A,21A’ホールIC(磁極位置センサ)、22パワーIC(駆動素子:面実装部品)、23 制御IC(制御素子)、24巻線端子、25ブラケット、26 凹部、27 パワーIC(駆動素子:リードタイプ部品)、29 開口部、30放熱パターン(第1の放熱パターン)、32 放熱パターン(第2の放熱パターン)、34スルーホール、100電動機、110商用電源、112整流回路、114インバータ回路、114a〜114fスイッチング素子、116アーム駆動回路、116a 上アーム駆動回路、116b 下アーム駆動回路、140電動機駆動装置、150上位制御装置、200進角算出部、202回転数信号生成部、202a 第1の回路ブロック、204 進角電圧信号生成部、204a 第2の回路ブロック、204b 第3の回路ブロック、206AD変換部、250コンパレータ、252切替スイッチ(b基点、u1 第1の切替接点、u2 第2の切替接点)、254,256,268bコンデンサ素子、258,264,266,268a抵抗素子、260,262オペアンプ、268フィードバック回路、300空気調和機、300a室内機、300b室外機、310ファン。

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