特許 6154704 ファンモータの制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6154704

(24)【登録日】2017年6月9日

(45)【発行日】2017年6月28日

(54)【発明の名称】ファンモータの制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02P 6/08 20160101AFI20170619BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20170619BHJP

【ＦＩ】

   H02P6/08

   H02M7/48 F

【請求項の数】6

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2013-196058(P2013-196058)

(22)【出願日】2013年9月20日

(65)【公開番号】特開2015-61499(P2015-61499A)

(43)【公開日】2015年3月30日

【審査請求日】2016年1月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】000180025

【氏名又は名称】山洋電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091096

【弁理士】

【氏名又は名称】平木 祐輔

(74)【代理人】

【識別番号】100105463

【弁理士】

【氏名又は名称】関谷 三男

(74)【代理人】

【識別番号】100102576

【弁理士】

【氏名又は名称】渡辺 敏章

(74)【代理人】

【識別番号】100108394

【弁理士】

【氏名又は名称】今村 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100101063

【弁理士】

【氏名又は名称】松丸 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100114546

【弁理士】

【氏名又は名称】頭師 教文

(74)【代理人】

【識別番号】100153903

【弁理士】

【氏名又は名称】吉川 明

(74)【代理人】

【識別番号】100162330

【弁理士】

【氏名又は名称】広瀬 幹規

(72)【発明者】

【氏名】戸田 貴久

(72)【発明者】

【氏名】皆瀬 尊

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 二朗

【審査官】 ▲桑▼原 恭雄

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１１／１５５１６０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００６−２４９９６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０７４９３２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｐ ６／０８

Ｈ０２Ｍ ７／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ファンモータに印加される電圧を検出する電圧センサと、
前記ファンモータのコイルのそれぞれと電源とを選択的に接続するスイッチング部と、
前記電圧センサによって検出された電圧が閾値を超えると、前記スイッチング部に与える駆動パルスのデューティー比を低下させるスイッチング制御部と、
を有し、
前記スイッチング制御部は、
前記電圧が前記閾値以下の場合、第１のデューティー比に設定した基本波形の駆動パルスを出力し、
前記電圧が前記閾値を超えた場合、前記基本波形のハイ（Ｈｉ）の期間を第２のデューティー比でハイ（Ｈｉ）及びロー（Ｌｏｗ）に設定した駆動パルスを出力することを特徴とするファンモータの制御装置。

【請求項2】

前記スイッチング制御部は、
前記閾値と前記電圧に対するデューティー比とを記憶する記憶部を有し、
前記記憶部には異なる大きさの複数のデューティー比が記憶されていることを特徴とする請求項１に記載のファンモータの制御装置。

【請求項3】

前記スイッチング制御部は、
前記閾値と前記電圧に対するデューティー比とを記憶する記憶部を有し、
前記記憶部には、直線状または曲線状に変化するデューティー比が記憶されていることを特徴とする請求項１に記載のファンモータの制御装置。

【請求項4】

前記第１のデューティー比は、前記ファンモータに供給する電流に応じて変化させることを特徴とする請求項１に記載のファンモータの制御装置。

【請求項5】

前記第２のデューティー比は、前記ファンモータに印加する電圧が前記閾値を超える程度に応じて低下させることを特徴とする請求項１に記載のファンモータの制御装置。

【請求項6】

前記電圧センサは、前記電源と前記スイッチング部との間に設けることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のファンモータの制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ファンモータの入力電圧が変化しても駆動回路の損失を一定以下に抑制することができる、ファンモータの制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ファンモータには、広範囲の速度制御が可能なブラシレスモータを用いる。ブラシレスモータは、下記特許文献１に開示されているように、複数のホール素子を備える。ファンモータ制御装置は、ホール素子が出力する信号を用いて駆動回路を動作させ、ブラシレスモータを回転させる。

【0003】

通常、ブラシレスモータの使用電圧には、定格電圧と、定格電圧を中心とする上限電圧及び下限電圧と、を定める。ブラシレスモータの上限電圧は、ブラシレスモータに内蔵された駆動回路の許容損失を超えない電圧に定めてある。また、ブラシレスモータが定格電圧で動作している時の風量−静圧特性も定めてある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００６−１８０６０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、従来のファンモータの制御装置では、入力電圧が変化するとブラシレスモータの入力電流も変化する。このため、駆動回路の許容損失を超えないようにすると、定格電圧は上限電圧よりもかなり低めに設定せざるを得ない。したがって、定格電圧における風量−静圧特性をさらに向上させることは困難であった。

【0006】

本発明は、上記のような従来の技術の欠点を解消するために成されたものであり、ファンモータの入力電圧が一定以上になると、ファンモータに供給する駆動パルスのデューティー比を低下させることによって、駆動回路の損失を一定以下に抑制することができるファンモータの制御装置の提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記目的を達成するための本発明に係るファンモータの制御装置は、電圧センサ、スイッチング部及びスイッチング制御部を有する。

【0008】

電圧センサは、ファンモータに印加される電圧を検出する。スイッチング部は、前記ファンモータのコイルのそれぞれと電源とを選択的に接続する。スイッチング制御部は、前記電圧センサによって検出された電圧が閾値を超えると、前記スイッチング部に与える駆動パルスのデューティー比を低下させる。

【発明の効果】

【0009】

上記のように構成された本発明によれば、ファンモータに印加される電圧が閾値を超えると、スイッチング部に与える駆動パルスのデューティー比を低下させるので、ファンモータの駆動回路の損失を一定以下に抑制することができる。

【0010】

また、駆動回路の損失を一定以下に抑制できるため、定格電圧を上げることができ、定格電圧における風量−静圧特性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本実施形態に係るファンモータの制御装置の構成図である。

【図2】図１に示したスイッチング制御部の構成を示すブロック図である。

【図3】本実施形態に係るファンモータの制御装置の動作フローチャートである。

【図4】図２に示したスイッチングパルス出力部が出力する駆動パルスの説明に供する図である。

【図5】図２に示したスイッチングパルス出力部が出力する他の駆動パルスの説明に供する図である。

【図6】現状品の定格電圧と使用電圧上限の特性を示すグラフである。

【図7】本発明品の定格電圧と使用電圧上限の特性を示すグラフである。

【図8】現状品と本発明品との特性の比較を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下に、本発明に係るファンモータの制御装置の実施形態について説明する。

【0013】

〔ファンモータの制御装置の構成〕
図１は、本実施形態に係るファンモータの制御装置の構成図である。

【0014】

ファンモータの制御装置１００は、平滑コンデンサＣを備えた整流回路１１０とファンモータＭに接続されたインバータ回路１３０とを有する。インバータ回路１３０は基板上に形成されており、基板はファンモータＭのケースに取り付けられるか、ケースに内蔵される。本実施形態では、整流回路１１０をファンモータの制御装置１００に含ませているが、外部から直流電源が供給される場合には、整流回路１００は除外することができる。

【0015】

整流回路１１０は、図に示す通り、ブリッジ接続した６個のダイオードＤ１−Ｄ６を有し、６個のダイオードＤ１−Ｄ６は交流電源（三相）１２０から流れる電流を全波整流する。６個のダイオードＤ１−Ｄ６によって全波整流された電流は、平滑コンデンサＣによって平滑化され、全波整流後の直流電流のリップルが低減される。整流回路１１０はファンモータＭの電源となる。

【0016】

整流回路１１０には、スイッチング部となるインバータ回路１３０が並列に接続してある。整流回路１１０とインバータ回路１３０との間には電圧センサ１４８が接続してある。電圧センサ１４８は、ファンモータＭに印加される電圧を検出する。インバータ回路１３０は、ファンモータＭのステータコイル（後述する）のそれぞれと整流回路１１０とを選択的に接続する。インバータ回路１３０は、整流回路１１０が整流した直流電流をスイッチングする３つのアーム回路１４０Ａ、１４０Ｂ、１４０Ｃを有する。

【0017】

アーム回路１４０Ａは、一対のトランジスタＴＲ１とＴＲ４とを直列に接続し、一対のトランジスタＴＲ１とＴＲ４同士の接続ライン１４２ＡにファンモータＭのステータコイルＬｕを接続する。アーム回路１４０Ｂは、一対のトランジスタＴＲ２とＴＲ５とを直列に接続し、一対のトランジスタＴＲ２とＴＲ５同士の接続ライン１４２ＢにファンモータＭのステータコイルＬｗを接続する。アーム回路１４０Ｃは、一対のトランジスタＴＲ３とＴＲ６とを直列に接続し、一対のトランジスタＴＲ３とＴＲ６同士の接続ライン１４２ＣにファンモータＭのステータコイルＬｖを接続する。ステータコイルＬｕ、Ｌｖ、Ｌｗは、図示するようにスター接続してある。

【0018】

３つのアーム回路１４０Ａ、１４０Ｂ、１４０Ｃは整流回路１１０の平滑コンデンサＣに並列に接続される。６つのトランジスタＴＲ１、ＴＲ４、ＴＲ２、ＴＲ５、ＴＲ３、ＴＲ６のコレクタ−エミッタ間には、ダイオードＤが逆接続される。６つのトランジスタＴＲ１、ＴＲ４、ＴＲ２、ＴＲ５、ＴＲ３、ＴＲ６のゲートには、これらのトランジスタをスイッチングさせる駆動回路１４５が個別に接続される。駆動回路１４５には後述するスイッチング制御部１５０が接続される。駆動回路１４５はスイッチング制御部１５０が出力する駆動パルスを受けて、トランジスタをＯＮさせる。

【0019】

本実施形態で例示するファンモータＭはブラシレスモータである。ファンモータＭのステータＭＳは、スター接続された３つのステータコイルＬｕ、Ｌｖ、Ｌｗを有する。ファンモータＭのロータＭＲは、Ｎ極とＳ極を２分割して着磁された円筒形の磁石を有し、ステータコイルＬｕ、Ｌｖ、Ｌｗによって形成される磁界を用いて回転する。

【0020】

ロータＭＲの周囲には、ロータＭＲの回転方向に沿って３つのセンサ部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３が配置される。３つのセンサ部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３は、１２０°の位相差を持って配置される。センサ部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３は、たとえば図１に示すように、ロータＭＲのＮ極と対峙しているときにはＨｉの信号を出力し、そのＳ極と対峙しているときにはＬｏの信号を出力する。Ｎ極とＳ極の境目ではＨｉの信号とＬｏの信号が切り替わる。センサ部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３は、ロータＭＲの回転速度に応じたパルス幅の信号を出力する。

【0021】

なお、センサ部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３は本実施形態ではホール素子を用いている。しかし、ロータＭＲの回転位置を検出できるセンサであれば、ホール素子以外のセンサの使用も可能である。ステータコイルＬｕ、Ｌｖ、Ｌｗをセンサ部の代わりとしても良い。

【0022】

ファンモータの制御装置１００は、センサ部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３が接続されたスイッチング制御部１５０を備える。スイッチング制御部１５０は、電圧センサ１４８が検出する電圧が閾値を超えたときには、ファンモータＭに供給する駆動パルスのデューティー比を低下させる。駆動パルスの出力タイミング、すなわち、ステータコイルＬｕ、Ｌｖ、Ｌｗと整流回路１１０とを接続するタイミングは、センサ部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３が検出する回転位置を用いて決める。

【0023】

スイッチング制御部１５０はそれぞれの駆動回路１４５に向けて駆動パルスを出力する。スイッチング制御部１５０が出力する駆動パルスのデューティー比は、電圧センサ１４８が検出する電圧が閾値を超えると小さくなる。たとえば、定格電圧１２Ｖを超える上限電圧が１４Ｖであったとすると、閾値は１４Ｖに設定され、１４Ｖを超えるとデューティー比を小さくし、インバータ回路１３０の損失が一定値を超えないようにする。

【0024】

図２は、図１に示したスイッチング制御部１５０の構成を示すブロック図である。スイッチング制御部１５０は、記憶部１５４とスイッチングパルス出力部１５８とを有する。

【0025】

記憶部１５４は、デューティー比を低下させるタイミングを取るための閾値と、電圧センサ１４８が検出する電圧に対するデューティー比とを記憶する。記憶部１５４は、異なる大きさの複数のデューティー比を記憶する。たとえば、その電圧が１３Ｖのときには８０％、１４Ｖのときには６０％というように、電圧毎に異なる値のデューティー比を記憶する。

【0026】

また、記憶部１５４は、上記のように、電圧毎に段階的に異なるデューティー比を記憶させておくことの他、閾値を超えたら、電圧の大きさに応じて無段階の連続するデューティー比が得られるように、直線状または曲線状に変化する線形データを記憶させておくこともできる。

【0027】

スイッチングパルス出力部１５８は、３つのセンサ部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３と電圧センサ１４８を接続する。３つのセンサ部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３のそれぞれは、ロータＭＲ（図１参照）の回転位置によって、電気角で１２０°位相のずれたＨｉ、Ｌｏの信号を出力する。したがって、スイッチングパルス出力部１５８は、３つのセンサ部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３がそれぞれ出力するＨｉ、Ｌｏの信号を用いて、ロータＭＲの回転位置が認識できる。電圧センサ１４８は、ファンモータＭの３つのステータコイルＬｕ、Ｌｖ、Ｌｗに印加される電圧を検出する。

【0028】

スイッチングパルス出力部１５８は、電圧センサ１４８が検出する電圧値と記憶部１５４に記憶されている閾値とを常に比較する。また、スイッチングパルス出力部１５８は、センサ部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３が出力する信号を入力し、ロータＭＲの位置を認識して、各駆動回路１４５（図１参照）にスイッチングパルスを出力する。

【0029】

スイッチングパルス出力部１５８は、電圧センサ１４８が検出する電圧値が閾値を超えていないときには、センサ部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３が出力する信号が入力されてから、各駆動回路１４５に所定のデューティー比の駆動パルスを出力する。一方、スイッチングパルス出力部１５８は、電圧センサ１４８が検出する電圧値が閾値を超えたときには、各駆動回路１４５にデューティー比を低下させた駆動パルスを出力する。

【0030】

〔ファンモータの制御装置の動作〕
次に、図１に示したファンモータの制御装置１００の動作について説明する。図３は、ファンモータの制御装置１００の動作フローチャートである。

【0031】

まず、スイッチング制御部１５０（図１参照）は、センサ部Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３が出力する信号を入力し、ロータＭＲの回転位置を認識して、どのステータコイルＬｕ、Ｌｖ、Ｌｗに通電させるかを決定する相信号を出力する。相信号を入力した駆動回路１４５はスイッチング制御部１５０が次に出力する駆動パルスにしたがってトランジスタＴＲ１−ＴＲ６をスイッチングさせることになる。たとえば、相信号が、ステータコイルＬｕとＬｗに通電させるものであったときには、トランジスタＴＲ１とＴＲ５が駆動パルスに従ったスイッチングを行う（ステップＳ１００）。

【0032】

次に、電圧センサ１４８はファンモータＭの入力電圧を検出する。そして、スイッチングパルス出力部１５８（図２参照）は検出した入力電圧を入力する（ステップＳ１１０）。

【0033】

スイッチングパルス出力部１５８は、記憶部１５４に記憶されている閾値と電圧センサ１４８が検出する電圧に対するデューティー比とを参照し、最適なデューティー比を算出する（ステップＳ１２０）。

【0034】

スイッチングパルス出力部１５８は、算出したデューティー比を設定し、設定したデューティー比の駆動パルスを駆動回路１４５に出力する（ステップＳ１３０）。駆動回路１４５は、出力される駆動パルスに基づいてトランジスタＴＲ１−ＴＲ６をスイッチングし、ファンモータＭを駆動する（ステップＳ１４０）。

【0035】

図４は、スイッチングパルス出力部１５８が出力する駆動パルスの説明に供する図である。この図は、記憶部１５４に段階的に変化するデューティー比が記憶されている場合の駆動パルスを例示する。

【0036】

図に示すように、記憶部１５４に閾値として１２Ｖが設定されているとすると、ファンモータＭの印加電圧が１２Ｖ以下では、図に示すような、たとえばデューティー比が５０％の駆動パルスがスイッチングパルス出力部１５８から駆動回路１４５に出力される。

【0037】

駆動回路１４５は、デューティー比５０％の駆動パルスでトランジスタＴＲ１−ＴＲ６をスイッチングし、ファンモータＭを駆動する。このときの駆動パルスの波形は基本波形であり、第１のデューティー比は５０％である。なお、第１のデューティー比はファンモータＭに流れる電流の大きさによって変化させる。つまり、ファンモータＭの負荷の大きさによって変わる。たとえば、負荷が小さいときには第１のデューティー比は５０％とするが、負荷が大きくなると第１のデューティー比は８０％、１００％とされる。

【0038】

また、記憶部１５４に１２Ｖ以上の場合に８０％のデューティー比とすることが記憶されているとすると、駆動回路１４５は、デューティー比５０％の駆動パルスのＨＩ波形の部分を１００％から８０％のデューティー比に低下させてトランジスタＴＲ１−ＴＲ６をスイッチングし、ファンモータＭを駆動する。

【0039】

このときの駆動パルスの波形はデューティー比５０％の基本波形と、デューティー比８０％の第２のデューティー比の波形を組み合わせた波形である。基本波形のＨＩ波形を形成する部分のみ第２のデューティー比で小刻みにＨＩ、ＬＯＷを形成する。

【0040】

このように第２のデューティー比を用いてファンモータＭに供給する電流を低下させると、インバータ回路１３０で消費される電力を抑制することができる。

【0041】

図５は、スイッチングパルス出力部１５８が出力する他の駆動パルスの説明に供する図である。この図は、記憶部１５４に連続的に変化するデューティー比が記憶されている場合の駆動パルスを例示する。

【0042】

図に示すように、記憶部１５４に閾値として１２Ｖが設定されているとすると、ファンモータＭの印加電圧が１２Ｖ以下では、図に示すような、たとえばデューティー比が５０％の駆動パルスがスイッチングパルス出力部１５８から駆動回路１４５に出力される。

【0043】

駆動回路１４５は、デューティー比５０％の駆動パルスでトランジスタＴＲ１〜６をスイッチングし、ファンモータＭを駆動する。このときの駆動パルスの波形は基本波形であり、第１のデューティー比は５０％である。上記と同様、第１のデューティー比はファンモータＭに流れる電流の大きさによって変化させる。つまり、ファンモータＭの負荷の大きさによって変わる。たとえば、負荷が小さいときには第１のデューティー比は５０％とするが、負荷が大きくなると第１のデューティー比は８０％、１００％とされる。

【0044】

また、記憶部１５４に１２Ｖ以上の場合に１００％のデューティー比から電圧の上昇に連動して連続的に低下させることが記憶されているとすると、駆動回路１４５は、デューティー比５０％の駆動パルスのＨＩ波形の部分を、電圧の上昇と共にデューティー比を低下させてトランジスタＴＲ１−ＴＲ６をスイッチングし、ファンモータＭを駆動する。

【0045】

このときの駆動パルスの波形はデューティー比５０％の基本波形と、たとえば、デューティー比８０％の第２のデューティー比の波形を組み合わせた波形である。基本波形のＨＩ波形を形成する部分のみ第２のデューティー比で小刻みにＨＩ、ＬＯＷを形成する。

【0046】

このように第２のデューティー比を用いてファンモータＭに供給する電流を低下させると、インバータ回路１３０で消費される電力を抑制することができる。

【0047】

〔ファンモータの制御装置によって得られる効果〕
図６は、現状品の定格電圧と使用電圧上限の特性を示すグラフである。図に示すように、現状品を定格電圧で使用した場合、風量が増加するにつれて静圧が低下する。また、風量が増加するにつれてファンモータＭの使用電力も低下する。一方、現状品を使用電圧上限で使用した場合、定格電圧の場合と同様に、風量が増加するにつれて静圧が低下する。また、風量が増加するにつれてファンモータＭの使用電力も低下する。

【0048】

しかし、現状品を定格電圧で使用した場合よりも現状品を使用電圧上限で使用した場合の方が静圧及び使用電力が大きくなっている。

【0049】

定格電圧時の特性は、使用電圧上限で使用した場合のインバータ回路１３０の損失を考慮して決めなければならないため、余裕を見ると、現状品のように、使用電圧上限で使用した場合よりも特性を落して設定しなければならない。

【0050】

図７は、本発明品の定格電圧と使用電圧上限の特性を示すグラフである。図に示すように、本発明品を定格電圧で使用した場合、風量が増加するにつれて静圧が低下する。また、風量が増加するにつれてファンモータＭの使用電力も低下する。一方、本発明品を使用電圧上限で使用した場合、定格電圧の場合と同様に、風量が増加するにつれて静圧が低下する。また、風量が増加するにつれてファンモータＭの使用電力も低下する。

【0051】

しかし、本発明品を定格電圧で使用した場合と本発明品を使用電圧上限で使用した場合とではあまり特性の差が無い。

【0052】

図８は、現状品と本発明品との特性の比較を示すグラフである。本発明品と現状品の特性とを比較すると、本発明品を使用した場合には、定格電圧の特性を現状品に比較してかなり引き上げることができるのがわかる。

【0053】

以上のように、本発明によれば、電圧センサ１４８が検出した電圧が閾値を超えると、インバータ回路１３０に与える駆動パルスのデューティー比を低下させるようにしたので、ファンモータＭの駆動回路１４５の損失を一定以下に抑制することができる。また、駆動回路の損失を一定以下に抑制できるため、定格電圧を上げることができ、定格電圧における風量−静圧特性を向上させることができる。

【0054】

なお、上記実施形態では、三相のモータを例示して説明したが、本発明の思想は、単相モータ、２相モータ、５相モータ等の様々な相数のモータに対しても適用することができる。また、上記実施形態では、ロータの極数が２極の場合を例示したが、３極以上の極数のモータについても本発明の思想を適用することができる。さらに、スロット数も様々な数のモータに対して適用することができる。

【0055】

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、これらは本発明の説明のための例示であり、本発明の範囲をこれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、上記実施形態とは異なる種々の態様で実施することができる。

【符号の説明】

【0056】

１００ ファンモータの制御装置、
１１０ 整流回路、
１２０ 交流電源（三相）、
１３０ インバータ回路（スイッチング部）、
１４０Ａ、１４０Ｂ、１４０Ｃ アーム回路、
１４２Ａ、１４２Ｂ、１４２Ｃ 接続ライン、
１４５ 駆動回路、
１４８ 電流センサ、
１５０ スイッチング制御部、
１５４ 記憶部、
１５８ スイッチングパルス出力部、
Ｍ ファンモータ、
Ｃ 平滑コンデンサ、
ＴＲ１−ＴＲ６ トランジスタ、
Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３ センサ部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】