(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの巻線を備えた第１の物体と、前記第１の物体と相対的に可動に設けられた第２の物体と、第１の直流電源と、両端が前記第１の直流電源に接続され、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とを直列接続した直列回路、前記第１のスイッチング素子を開閉駆動する第１の駆動回路、前記第２のスイッチング素子を開閉駆動する第２の駆動回路、前記第２の駆動回路を動作させる第２の直流電源、および前記第２のスイッチング素子の導通時に前記第２の直流電源から充電電流が供給されて前記第１の駆動回路を動作させる直流電源となるブートストラップコンデンサを備えたインバータ回路を前記巻線ごとに備えたインバータと、前記各インバータ回路における前記第１のスイッチング素子の導通期間をＰＷＭ制御するＰＷＭ回路と、前記ＰＷＭ制御におけるデューティを制限するデューティ制限回路とを備え、前記デューティ制限回路は、デューティを制限する上限値を、インバータの動作周波数に対応して変え、前記ブートストラップコンデンサの端子電圧を前記第１の駆動回路が動作可能なように維持するようにした動力発生装置。
【請求項２】
第２の物体は永久磁石を備え、第１の駆動回路および第２の駆動回路は、前記永久磁石の位置を検知する位置検知手段からの信号に基づいて、それぞれ第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子を開閉駆動するようにした請求項１記載の動力発生装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の動力発生装置を備えた電気洗濯機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、家庭用や産業用に使用されるモータやリニアモータなどの動力発生装置と、前記動力発生装置を使用する電気洗濯機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
以下、従来の動力発生装置について図面を参照しながら説明する。図１１は従来の動力発生装置の構成を示す回路図である。図１１において、第１の物体１を構成する固定子と、第１の物体１の内側に回転自在に設けた第２の物体２を構成する回転子とを備えている。
【０００３】
第１の物体１は、珪素鋼板などを積層した鉄心に３相に巻かれた巻線３ａ、巻線３ｂ、および巻線３ｃからなる３相巻線３と、ホールＩＣ４ａ、ホールＩＣ４ｂ、およびホールＩＣ４ｃによって構成された位置検知手段４とを備えている。また、第２の物体２には２極の永久磁石５が設けられている。６は３相巻線３に流す電流の入出力を切り替えまたは遮断するインバータ回路であり、巻線３ａに対応するインバータ回路６ａ、巻線３ｂに対応するインバータ回路６ｂ、および巻線３ｃに対応するインバータ回路６ｃとを備えている。インバータ回路６ａは、第１のスイッチング素子７ａと第２のスイッチング素子８ａとの直列回路を備えるとともに、第１のスイッチング素子７ａと第２のスイッチング素子８ａとを開閉駆動するドライバ９ａを備えている。また、第１のスイッチング素子７ａと第２のスイッチング素子８ａの共通接続点は巻線３ａに接続されている。ドライバ９ａには第１のスイッチング素子７ａを開閉駆動する第１の駆動回路１０ａと第２のスイッチング素子８ａを開閉駆動する第２の駆動回路１１ａとを備えている。また、１２ａは第２の駆動回路１１ａに電源を供給する第２の直流電源、１３ａは第１の駆動回路１０ａに電源を供給する第３の直流電源である。
【０００４】
なお、図示していないが、インバータ回路６ｂ、およびインバータ回路６ｃの構成もインバータ回路６ａと同じであり、インバータ回路６ｂには第１のスイッチング素子７ｂと第２のスイッチング素子８ｂとの直列回路と、第１の駆動回路１０ｂと第２の駆動回路１１ｂとからなるドライバ９ｂとを備えるとともに第２の直流電源１２ｂと第３の直流電源１３ｂとが接続され、また、インバータ回路６ｃには第１のスイッチング素子７ｃと第２のスイッチング素子８ｃとの直列回路と、第１の駆動回路１０ｃと第２の駆動回路１１ｃとからなるドライバ９ｃとを備えるとともに第２の直流電源１２ｃと第３の直流電源１３ｃとが接続されている。
【０００５】
また、１４はインバータ６を介して３相巻線３に電流を供給するための第１の直流電源である。
【０００６】
１５は巻線３ａ〜３ｃに通電するタイミングを発生する３相分配回路であり、位置検知手段４からの信号を入力し、論理式によって信号ａ〜信号ｆを出力する。ここで、信号ａはインバータ回路６ａの第１のスイッチング素子７ａを開閉する信号、信号ｂは第２のスイッチング素子８ａを開閉する信号である。インバータ回路６ｂに対する信号ｃと信号ｄ、インバータ回路６ｃに対する信号ｅと信号ｆについても同様である。また、１６ａ、１６ｂ、１６ｃはそれぞれＡＮＤ回路である。ＡＮＤ回路１６ａは、信号ａと信号ｂとＰＷＭ回路１７からのＰＷＭ信号とを入力し、信号ａとＰＷＭ信号との論理積を第１の駆動回路１０ａに出力するとともに信号ｂをそのまま第２の駆動回路１１ａに出力する。ＡＮＤ回路１６ｂ、およびＡＮＤ回路１６ｃについても同様である。ＰＷＭ回路１７は、三角波の電圧信号を出力する発振回路１８とコンパレータ１９とを備えている。
【０００７】
上記構成における動作について説明する。位置検知手段４は、第１の物体１に対する第２の物体２の相対的な回転角を検知し、３相分配回路１５は、前記回転角に対応して、３個の第１のスイッチング素子７ａ〜７ｃと３個の第２のスイッチング素子８ａ〜８ｃのうちオンとする対象を決定し、対応する信号ａ〜ｆをＨＩＧＨとしてＡＮＤ回路１６ａ〜１６ｃに出力する。ＡＮＤ回路１６ａは、信号ａがＨＩＧＨであれば前記ＰＷＭ信号との論理積を第１の駆動回路１０ａに出力し、信号ｂがＨＩＧＨであればそのまま第２の駆動回路１１ａに出力する。ＡＮＤ回路１６ｂ、ＡＮＤ回路１６ｃについても同様である。前記ＰＷＭ信号との論理積を入力した第１の駆動回路１０ａおよびＨＩＧＨの信号ｂを入力した第２の駆動回路１１ａは、それぞれＨＩＧＨに対して約１５Ｖの出力を第１のスイッチング素子７ａと第２のスイッチング素子８ａに印加してオンとする。第１の駆動回路１０ｂ〜１０ｃ、および第２の駆動回路１１ｂ〜１１ｃについても同様である。
【０００８】
このとき、第３の直流電源１３ａと第２の直流電源１２ａは、それぞれ第１の駆動回路１０ａと第２の駆動回路１１ａに電力を供給して動作させている。第３の直流電源１３ｂ〜１３ｃ、第２の直流電源１２ｂ〜１２ｃについても同様である。
【０００９】
以上の動作により、巻線３ａ〜３ｃには位置検知手段４で検知した第２の物体２の回転角に対応する電流が第１の直流電源１４から供給され、その結果、第２の物体２にトルクが発生して回転し、動力を取り出すことができる。
【００１０】
ここで、ＰＷＭ回路１７は、第１の直流電源１４の電圧を等価的に１００％以下の任意の値に調整するように作用し、可変抵抗２０を操作してバイアス電源２１の出力電圧を調整することにより、図におけるｇ点の電圧が変化し、発振回路１８から出力される三角波の電圧とｇ点の電圧との交点により、コンパレータ１９からＨＩＧＨとＬＯＷとが切り替わるＰＷＭ信号が出力される。ｇ点の電圧を高くするとコンパレータ１９から出力されるＰＷＭ信号のＨＩＧＨの期間の割合が増加し、逆に低くすると減少する。ＡＮＤ回路１６ａはＰＷＭ回路１７のＰＷＭ信号と信号ａとの論理積を出力するので、第１のスイッチング素子７ａを信号ａがオンとする期間をＰＷＭ制御により１００％以下の範囲で加減して巻線３ａに流れる電流値を制御する。ＡＮＤ回路１６ｂおよびＡＮＤ回路１６ｃについても同様である。
【００１１】
図１２は、図１１に示した動力発生装置における第１の駆動回路１０ａおよび第２の駆動回路１１ａとその周辺の構成を詳細に示す回路図である。なお、他の第１の駆動回路１０ｂ〜１０ｃ、および第２の駆動回路１１ｂ〜１１ｃについても同様である。
【００１２】
図１２において、第１の直流電源１４は、１００Ｖ６０Ｈｚの商用電源２２、整流ブリッジ２３、チョークコイル２４、および平滑コンデンサ２５によって構成されている。また、第１の駆動回路１０ａは、発光ダイオードとフォトトランジスタによって構成されたフォトカップラ２６、ＮＰＮトランジスタ２７およびＮＰＮトランジスタ２８、ＰＮＰトランジスタ２９、抵抗３０、および抵抗３１により構成され、抵抗３２を介してＡＮＤ回路１６ａの出力に接続されている。また、第２の駆動回路１１ａは、ＮＰＮトランジスタ３３、ＰＮＰトランジスタ３４、抵抗３５、および抵抗３６によって構成され、そのままＡＮＤ回路１６ａの出力に接続されている。
【００１３】
スイッチング電源３７は、第２の直流電源１２ａ〜１２ｃと、第３の直流電源１３ａ〜１３ｃとを実現している電源であり、ＮＰＮトランジスタ３８、駆動回路３９、トランス４０、スナバ４１、ダイオード４２、ダイオード４３、ダイオード４４、ダイオード４５、ダイオード４６、電解コンデンサ４７、電解コンデンサ４８、電解コンデンサ４９、および電解コンデンサ５０によって構成され、スナバ４１は抵抗５１とコンデンサ５２とで構成されている。電解コンデンサ４７からの出力は第３の直流電源１３ａとして作用し、電解コンデンサ５０からの出力は第２の直流電源１２ａとして作用する。また、ｊ、ｋ、ｌ、ｍの各端子については接続を図示していないが、ｊとｋはインバータ回路６ｂの第３の直流電源１３ｂとして使用され、ｌとｍはインバータ回路６ｃの第３の直流電源１３ｃとして使用される。なお、電解コンデンサ５０からの出力は第２の直流電源１２ｂ〜１２ｃとしても共用される。
【００１４】
以上のように、第２の駆動回路１１ａ〜１１ｃのための直流電源、すなわち第２の直流電源１２ａ〜１２ｃについては共通とすることができるが、第１の駆動回路１０ａ〜１０ｃのための第３の直流電源１３ａ〜１３ｃについては、一般によく使用される第１のスイッチング素子７ａ〜７ｃがＮチャンネルのＩＧＢＴ（ＭＯＳＦＥＴ）、またはＮＰＮパワートランジスタなどであることにより、共通な直流電源で済ませることができず、結果として３つの第３の直流電源１３ａ〜１３ｃが必要となり、一般的によく使用される３相６石のインバータの構成では、最低４つの直流出力が必要となる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の動力発生装置では、第１の直流電源１４のプラス側に接続されている第１のスイッチング素子７ａ〜７ｃを開閉駆動する第１の駆動回路１０ａ〜１０ｃのための第３の直流電源１３ａ〜１３ｃは、それぞれ第２の駆動回路１１ａ〜１１ｃや他の回路部分と電気的に絶縁した構成であり、また、一般的にこの種のインバータには３相６石の構成を用いており、スイッチング電源３７などによって独立した最低４つの直流を出力できる電源を用いることになるので、電源が大型かつ重量が大きく、コストも高いものとなっていた。
【００１６】
本発明は上記の課題を解決するもので、各インバータ回路における第１の駆動回路および第２の駆動回路を動作させる直流電源の構成を簡単にし、軽量かつ安価で安定に動作する動力発生装置とこれを用いた電気洗濯機を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明の動力発生装置は、各インバータ回路における第１のスイッチング素子の導通期間をＰＷＭ制御するＰＷＭ回路と、前記ＰＷＭ制御におけるデューティを制限するデューティ制限回路とを備え、前記デューティ制限回路は、デューティを制限する上限値をインバータの動作周波数に対応して変え、前記ブートストラップコンデンサの端子電圧を前記第１の駆動回路が動作可能なように維持するようにしたものである。
【００１８】
本発明により、第１の駆動回路を動作させる直流電源をブートストラップコンデンサのみで構成しながら安定に動作させることができ、軽量かつ低コストの動力発生装置を実現することができる。また、高速時には十分なトルクや出力が得られるとともに、低速時においても、ブートストラップコンデンサに必要な端子電圧が得られる範囲で十分なトルクや出力が得られる動力発生装置を実現することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、少なくとも１つの巻線を備えた第１の物体と、前記第１の物体と相対的に可動に設けられた第２の物体と、第１の直流電源と、両端が前記第１の直流電源に接続され、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とを直列接続した直列回路、前記第１のスイッチング素子を開閉駆動する第１の駆動回路、前記第２のスイッチング素子を開閉駆動する第２の駆動回路、前記第２の駆動回路を動作させる第２の直流電源、および前記第２のスイッチング素子の導通時に前記第２の直流電源から充電電流が供給されて前記第１の駆動回路を動作させる直流電源となるブートストラップコンデンサを備えたインバータ回路を前記巻線ごとに備えたインバータと、前記各インバータ回路における前記第１のスイッチング素子の導通期間をＰＷＭ制御するＰＷＭ回路と、前記ＰＷＭ制御におけるデューティを制限するデューティ制限回路とを備え、前記デューティ制限回路は、デューティを制限する上限値をインバータの動作周波数に対応して変え、前記ブートストラップコンデンサの端子電圧を前記第１の駆動回路が動作可能なように維持するようにしたものである。
【００２０】
ブートストラップコンデンサは第１のスイッチング素子を開閉駆動する第１の駆動回路の直流電源として作用するコンデンサであり、電気容量の大きい、たとえば電解コンデンサなどで実現できる。また、第２のスイッチング素子を開閉駆動する第２の駆動回路を動作させる第２の直流電源は、たとえば商用電源を整流平滑する簡単な構成で実現できる。また、前記ブートストラップコンデンサをダイオードと抵抗とを介して前記第２の直流電源に接続することにより、第２のスイッチング素子が導通している期間に充電電流が供給される。なお、前記ダイオードは逆流防止のために設けられ、前記抵抗は過大な充電電流を抑制するために設けられる。また、デューティ制限回路はＰＷＭ制御におけるデューティを制限する手段であり、通常手段ではインバータの動作周波数に対応してデューティを増加させる電圧を、ツエナーダイオード  などにより制限する。なお、インバータの動作周波数はホールＩＣなどによる位置検知手段の信号を利用して検出するが、回転運動においては回転速度に対応する。
【００２１】
これにより、第１の駆動回路を動作させる直流電源をブートストラップコンデンサのみで構成しながら安定に動作させることができ、軽量かつ低コストの動力発生装置を実現することができる。また、高速時には十分なトルクや出力が得られるとともに、低速時においても、ブートストラップコンデンサに必要な端子電圧が得られる範囲で十分なトルクや出力が得られる動力発生装置を実現することができる。
【００２２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、第２の物体は永久磁石を備え、第１の駆動回路および第２の駆動回路は、前記永久磁石の位置を検知する位置検知手段からの信号に基づいて、それぞれ第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子を開閉駆動するようにしたものである。永久磁石は第２の物体に固定して設けられ、前記永久磁石が与える界磁と、第１の物体における巻線の電流とにより機械力を発生させるものであり、効率の高い動力発生装置を実現することができる。
【００２３】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の動力発生装置を備えた電気洗濯機であり、軽量、低コストで、高効率、かつ信頼性の高い電気洗濯機を実現することができる。
【００２４】
【実施例】
（実施例１）
以下、本発明の動力発生装置の実施例１について図面を参照しながら説明する。図１は本実施例の構成を示す回路図、図２は本実施例における第１の駆動回路および第２の駆動回路とその周辺の構成を示す回路図である。なお、図１１および図１２に示した従来例と同じ構成要素には同一番号を付与して詳細な説明を省略する。
【００２５】
本実施例が従来例と異なる主な点は、従来例における第３の直流電源１３ａ〜１３ｃに代えて、第１の駆動回路１０ａ〜１０ｃにそれぞれ電源を供給するためのブートストラップコンデンサ５３ａ〜５３ｃを設けることにより電源の構成を簡略化するとともに、デューティ制限回路５４を備え、デューティを制限することによりブートストラップコンデンサ５３ａ〜５３ｃの端子電圧を第１の駆動回路１０ａ〜１０ｃの駆動に十分な値に維持するようにしたことにある。
【００２６】
図１において、第２の直流電源１２ａは、第２の駆動回路１１ａに対して電源を供給し、第１の駆動回路１０ａについてはブートストラップコンデンサ５３ａを設け、抵抗５５とダイオード５６とを直列に介して第２の直流電源１２ａに接続している。なお、図１においては簡便に示すために３相のうちの１相のインバータ回路６ａの構成のみを示しているが、他の２相についても全く同様に構成され、それぞれに第２の直流電源１２ａが共通に接続されているとする。なお、第２の直流電源１２ａを共用せず、インバータ回路ごとに個別に設けてもよいが、本実施例においては、１つの第２の直流電源１２ａで済ませている。ブートストラップコンデンサ５３ａは第２のスイッチング素子８ａが導通状態にある期間に第２の直流電源１２ａから抵抗５５とダイオード５６とを介して充電され、第１の駆動回路１０ａの直流電源として機能する。
【００２７】
ＰＷＭ回路１７の出力は、ＡＮＤ回路１６ａ、ＡＮＤ回路１６ｂ、およびＡＮＤ回路１６ｃに入力され、それぞれ第１の駆動回路１０ａ〜１０ｃに対してＰＷＭ信号を発振回路１８の発振周波数に等しい約１５ＫＨｚで出力するが、デューティ制限回路５４は、抵抗５７とツエナーダイオード５８  とにより構成され、ＰＷＭ回路１７に入力される電圧値を所定値以下に制限することにより、信号ａ、信号ｃ、および信号ｅにより第１のスイッチング素子７ａ、第１のスイッチング素子７ｂ、および第１のスイッチング素子７ｃをオンとする期間の比率、すなわちデューティを約３０％以下に制限している。
【００２８】
速度検知回路５９は、位置検知手段４からの信号に基づいて第２の物体２の回転速度を検知し、検知した回転速度に対応したアナログ電圧を出力する。また、誤差増幅器６０、基準電圧源６１から入力される直流電圧値と速度検知回路５９の出力電圧との差を増幅し、デューティ制限回路５４を介してＰＷＭ回路１７に出力している。これにより、本実施例の動力発生装置は、誤差増幅器６０の入力電圧差がなくなるようにフィードバック動作が行われ、回転速度がほぼ一定に制御される。
【００２９】
図２は、本実施例における第１の駆動回路１０ａおよび第２の駆動回路１１ａとその周辺の構成を示す回路図である。なお、従来例と同じ構成要素には同一番号を付与して詳細な説明を省略する。
【００３０】
図２において、第１の直流電源１４と第２の駆動回路１１ａの構成は従来例と同じである。また、第１の駆動回路１０ａの構成もほぼ従来例と同じであるが、ＡＮＤ回路１６ａからの信号は、従来例におけるフォトカップラ２６に代えて、ＮＰＮトランジスタ６２、抵抗６３、および抵抗６４による耐圧回路を介して入力している。また、第２の直流電源１２ａは、トランス６５、整流ブリッジ６６、定電圧ＩＣ６７、電解コンデンサ６８、および電解コンデンサ６９によって簡単に構成され、前述のように、電解コンデンサ６９からの出力は第２の駆動回路１１ｂおよび第２の駆動回路１１ｃにも共用される。なお、本実施例においては、第１のスイッチング素子７ａと第２のスイッチング素子８ａは、逆導通用に設けられたダイオードとＩＧＢＴとによって構成されている。インバータ回路６ｂおよびインバータ回路６ｃについても同様である。
【００３１】
上記構成における動作について説明する。第２の駆動回路１１ａ〜１１ｃは第２の直流電源１２ａから共通の電源を供給されて動作する。また、ブートストラップコンデンサ５３ａは第２のスイッチング素子８ａがオンである期間にダイオード５６と抵抗５５とを介して第２の直流電源１２ａから充電され、第１の駆動回路１０ａの直流電源として動作する。この場合、ブートストラップコンデンサ５３ａの端子電圧は第１のスイッチング素子７ａを動作させることにより放電して低下し、とくに第１のスイッチング素子７ａとして駆動電流が大きいパワートランジスタを用いた場合などでは電圧低下が大きくなる。したがって、電圧低下を抑制するためには第１のスイッチング素子７ａがオンとなる期間の比率、すなわちデューティを制限すればよい。本実施例ではデューティ制限回路５４により第１のスイッチング素子７ａがオンとなる期間の比率を制限してブートストラップコンデンサ５３ａの電圧低下を抑制し、起動時や回転速度が低い場合であってもブートストラップコンデンサ５３ａの端子電圧を、第１の駆動回路１０ａが正常に動作する電圧以上に確保している。ブートストラップコンデンサ５３ｂ〜５３ｃについても同様である。
【００３２】
以上により、一般によく使用される第１のスイッチング素子７ａ〜７ｃがＮチャンネルのＩＧＢＴ（ＭＯＳＦＥＴ）や、第１の駆動回路１０ａ〜１０ｃの消費電流が大きくなるＮＰＮパワートランジスタなどを用いる構成であっても、第１の駆動回路１０ａ〜１０ｃの電源をすべて第２の直流電源１２ａとブートストラップコンデンサ５３ａ〜５３ｃとで構成することができ、装置の構成の簡略化、および低コスト化を実現することができる。
【００３３】
以上のように本実施例によれば、第１の駆動回路１０ａ〜１０ｃにそれぞれブートストラップコンデンサ５３ａ〜５３ｃを直流電源として備え、それぞれ第２の直流電源１２ａから充電電流を供給し、かつ第１のスイッチング素子７ａ〜７ｃの導通期間に係わるデューティを所定値以下に制限することによりブートストラップコンデンサ５３ａ〜５３ｃの端子電圧を確保するようにしたことにより、第１の駆動回路１０ａ〜１０ｃを駆動するための電源を簡素化でき、かつ確実に動作させることができる。
【００３４】
なお、本実施例においては、第２の物体２は永久磁石５を備えるものとしているが、その構成について別段の制限はなく、たとえば短絡巻線を備えた構成や、励磁巻線に第１の直流電源を接続した構成、または磁気的な凹凸を有する強磁性体による構成、または磁気的なヒステリシスが大きい磁気材料による構成であってもよい。また、巻線およびインバータ回路の構成についても、３相に限定するものではなく、単相の４石方式や２、４、５、６、７・・・などの相数であってもよいことは言うまでもない。
【００３５】
（実施例２）
以下、本発明の動力発生装置の実施例２について図面を参照しながら説明する。図３は本実施例の構成を示す回路図である。なお、実施例１と同じ構成要素には同一番号を付与して詳細な説明を省略する。本実施例が実施例１と異なる点は、デューティ制限回路５４がインバータ６の動作周波数が所定値以下に対してのみデューティを制限するようにしたことにある。これは高速域ではトルクや出力をデューティの制限のために低下させないことを目的とする。
【００３６】
図３において、デューティ制限回路５４は、電圧セレクタ７０、基準電圧源７１、基準電圧源７２、および周波数判定回路７３で構成される。本実施例において、基準電圧源７１は７Ｖの電圧を出力し、基準電圧源７２は１４Ｖの電圧を出力する電圧源を用いており、周波数判定回路７３は、位置検知手段４におけるホールＩＣ４ａ〜４ｃの１つから入力される信号の周波数を検出し、２４Ｈｚよりも低い場合には、電圧セレクタ７０のα端子側に接続し、また、２４Ｈｚ以上である場合には、電圧セレクタ７０のβ端子側に接続するようにしている。なお、発振回路１８は、約１５ＫＨｚの三角波の電圧を出力しているが、本実施例においてはピーク値が９．５Ｖであるため、ＰＷＭ回路１７の入力電圧が９．５Ｖを超える条件においては、ＰＷＭ回路１７の出力は、デューティが１００％、すなわち恒等的にＨＩＧＨとなる。
【００３７】
上記構成における動作について説明する。図４は、図３に示したデューティ制限回路５４の動作を示す特性図である。図４において、横軸にホールＩＣ４ｂからの信号の周波数ｆ、縦軸にはＰＷＭ回路１７の出力信号のデューティ、すなわちＨＩＧＨの期間の比率を示す。図４に示したように、ｆ＜２４Ｈｚの条件ではデューティ制限回路５４から７Ｖの電圧が出力されることによりデューティが８０％となり、ｆ≧２４Ｈｚの条件ではデューティ制限回路５４から１４Ｖの電圧が出力され、デューティは１００％、すなわち恒等的にＨＩＧＨとなる。
【００３８】
以上の動作により、低速回転時においては、デューティが強制的に８０％に制限されることにより、ブートストラップコンデンサ５３ａ〜５３ｃに対して充電電流が十分に供給され、第１のスイッチング素子７ａ〜７ｃを確実にオンとさせることができる。本実施例においては、巻線３ａ〜３ｃに対して第２の物体２を２極とする構成としていることにより、１４４０ｒｐｍよりも低い回転数においてデューティが８０％に制限されたＰＷＭによりブートストラップコンデンサ５３ａ〜５３ｃが充電される。また、１４４０ｒｐｍ以上の条件ではデューティを制限せず、したがって充分なトルクや加速を確保しながら、モータの基本周波数、すなわちホールＩＣ４ｂの信号周波数で、ブートストラップコンデンサ５３ａ〜５３ｃが充電される。これにより、いずれの回転速度条件においても十分な直流電圧が第１の駆動回路１０ａ〜１０ｃに供給されることになる。また、高速域ではデューティを制限しないので、十分なトルクや出力を得ることができる。
【００３９】
以上のように本実施例によれば、インバータ６の動作周波数が所定値以下の低速域でのみデューティを制限するようにしたことにより、ブートストラップコンデンサ５３ａ〜５３ｃの端子電圧を確保しながら、かつ高速域ではデューティを制限せずに十分なトルクや出力を得ることができる。
【００４０】
（実施例３）
以下、本発明の動力発生装置の実施例３について図面を参照しながら説明する。図５は本実施例の構成を示す回路図である。なお、実施例１ないし実施例１と同じ構成要素には同一番号を付与して詳細な説明を省略する。本実施例が実施例２と異なる点は、低速域におけるデューティの制限をインバータの動作周波数に対応して変えることにある。これは低速域においてもデューティを制限しながら、十分なトルクや出力を得ることを目的としている。
【００４１】
図６は図５のデューティ制限回路５４の動作を示す特性図である。図６において、横軸にホールＩＣ４ｂからの信号の周波数、縦軸にはＰＷＭ回路１７からの出力信号のデューティ、すなわちＨＩＧＨの期間の比率を示す。
【００４２】
本実施例においては、ｆ＝０の条件においては、デューティ＝６７％となり、ｆ＝４０Ｈｚの条件においてはデューティ＝１００％となる特性とし、ｆ＞４０Ｈｚの条件にあってはデューティ＝１００％となるようにしている。
【００４３】
以上の構成により、本実施例においては、いかなる周波数ｆの条件、すなわち回転速度の条件においても、ブートストラップコンデンサ５３ａ〜５３ｃの端子電圧を所定値以上に確保し、第１の駆動回路１０ａ〜１０ｃの動作を十分に確保しながらデューティを過大に制限することを防止することにより、動力発生装置としての出力、トルクを十分に発揮することができ、信頼性を確保しながらも、高性能の動力発生装置を実現することができる。
【００４４】
なお、本実施例においては、周波数ｆに対するデューティの関係を０＜ｆ＜４０Ｈｚなる条件において直線としているが、とくに直線に限定されるものではなく、曲線を用いてもよく、その場合には、前記曲線を最適にすることにより、ブートストラップコンデンサ５３ａ〜５３ｃの端子電圧を、いかなる回転速度時においても確保しながらデューティの制限を最小限に抑えることが可能となり、動力発生装置としての能力を十分に発揮させることができる。
【００４５】
以上のように本実施例によれば、低速域におけるデューティの制限をインバータ６の動作周波数に対応してできるだけ抑え、ブートストラップコンデンサ５３ａ〜５３ｃの端子電圧を確保しながら低速域においても十分なトルクや出力を得ることができる。
【００４６】
（実施例４）
以下、本発明の動力発生装置の実施例４について図面を参照しながら説明する。本実施例が実施例３と異なる点は、デューティ制限回路５４においてブート電圧検知回路７４を備え、ブートストラップコンデンサ５３ａの端子電圧が所定値以下にならないようにフィードバック制御することにある。なお、他の構成は図５と同じとする。
【００４７】
図７は本実施例におけるブート電圧検知回路７４の構成を示す回路図である。図７において、ブート電圧検知回路７４は、ブートストラップコンデンサ５３ａの両端間に、ツエナーダイオード７５とフォトカップラ７６の発光ダイオード側との直列回路を接続し、フォトカップラ７６の出力に抵抗７７を介して直流電源７８の電圧を印加するとともに、抵抗７９を介して演算増幅器８０に接続し、基準電圧源８１の電圧と比較増幅する構成としている。なお、直流電源７８の電圧は、本実施例では１５Ｖとしているが、図２に示した第２の直流電源１２ａの出力から供給することもできる。
【００４８】
また、演算増幅器８０の出力はＰＷＭ回路１７に入力しており、ブートストラップコンデンサ５３ａの端子電圧が、ツエナーダイオード７５のツエナー電圧とフォトカップラ７６を構成する発光ダイオードの順方向電圧降下（約１．７Ｖ）との加算電圧を超えた場合には出力電圧が低下し、基準電圧源８１の電圧よりも低くなれば、演算増幅器８０の出力電圧は上昇し、ＰＷＭ回路１７のＰＷＭ信号のデューティが大となり、結果としてブートストラップコンデンサ５３ａの端子電圧がほぼ一定値となるようにフィードバック動作が行われる。
【００４９】
なお、回転速度が大きい場合には、ブートストラップコンデンサ５３ａの充電が基本周波数で頻繁に行われるので演算増幅器８０の出力電圧はほぼ１５Ｖまで上昇し、デューティは１００％となる。ここで、本実施例においては、３相のうちの１つの相のブートストラップコンデンサ５３ａのみブート電圧検知回路７４を設けているが、他の２つの相については同条件の充放電となることにより検知しなくても十分な効果が得ることができる。ただし、必要な場合には他の相にも設けることによりブートストラップコンデンサ５３ａ〜５３ｃの静電容量のばらつきに対して動作補償できることは言うまでもない。
【００５０】
以上のように本実施例によれば、ブートストラップコンデンサ５３ａ〜５３ｃの端子電圧が所定値以下にならないようにデューティを制限することにより、第１の駆動回路１０ａ〜１０ｃを確実に動作させることができる。
【００５１】
（実施例５）
以下、本発明の動力発生装置の実施例５について図面を参照しながら説明する。本実施例が実施例４と異なる点は、デューティ制限回路５４においてブート電圧演算回路（図示せず）を備え、ブートストラップコンデンサ５３ａ〜５３ｃの端子電圧を、第１の駆動回路１０ａ〜１０ｃが動作するのに十分かつ最低限の所定値に維持するようにデューティを制限することにある。他の構成は図５と同じとする。
【００５２】
上記構成における動作について説明する。図８は本実施例における各デューティ条件における回転速度とブートストラップコンデンサ５３ａの端子電圧Ｖｓ（ただし、リップルのボトム値）を示す特性図である。図に示したように、動力発生装置の回転速度に対する前記端子電圧Ｖｓの値は、とくに低速領域においてデューティの影響が大きい。
【００５３】
前記ブート電圧演算回路は図８の特性に基づいて、現時点の回転速度に対してブートストラップコンデンサ５３ａの端子電圧Ｖｓを所定値に維持するのに必要なデューティを演算し、ＰＷＭ回路１７に出力してフィードバックする。これにより、ブートストラップコンデンサ５３ａの端子電圧Ｖｓを所定値に維持するように制御することができる。
【００５４】
本実施例では、仮にデューティ＝９０％、５００ｒｐｍとなる条件においては、端子電圧Ｖｓの推定値は８Ｖとなり、デューティ＝１００％、８００ｒｐｍとなる条件においても端子電圧Ｖｓの推定値は８Ｖとなる。また、本実施例では第１の駆動回路１０ａ〜１０ｃが確実に動作する電圧が８Ｖであるので、上記のフィードバック動作を行わせることにより、端子電圧Ｖｓを８Ｖに維持して動作させている。
【００５５】
なお、上記ブート電圧演算回路は、図８に示した特性を数式で持ち合わせてもよいし、また、メモリにデータテーブルとして保有してもよい。
【００５６】
以上のように本実施例によれば、ブートストラップコンデンサ５３ａ〜５３ｃの端子電圧を必要最低限の所定値に維持するようにデューティを制限するようにしたことにより、デューティを最適に制限して、最大限にトルクや出力を得ることができる。
【００５７】
（実施例６）
以下、本発明の動力発生装置の実施例６について図面を参照しながら説明する。図９は本実施例の構成を示す回路図である。なお、実施例１ないし実施例５と同じ構成要素には同一番号を付与して詳細な説明を省略する。
【００５８】
本実施例の構成は、７５ｋΩの充電抵抗８２を第２のスイッチング素子８ａの両端に接続して備え、他の構成は実施例１ないし実施例５のいずれかの構成と同じとする。
【００５９】
本実施例が実施例１ないし実施例５と異なる点は、充電抵抗８２を備え、第２のスイッチング素子８ａ〜８ｃが開閉動作する以前においてもブートストラップコンデンサ５３ａ〜５３ｃが充電されるようにしたことにある。これはインバータ６の起動時の動作を保証することに関連する。
【００６０】
図９において、動作を停止しているとき、すなわち信号ａ〜ｆがすべてＬＯＷとなっている場合などには、第２のスイッチング素子８ａ〜８ｃはすべて（本実施例では３相であるので３個存在する）は、オフの状態となっている。このとき、第２の直流電源１２ａからブートストラップコンデンサ５３ａを充電するためには、第１のスイッチング素子７ａのエミッタ端子から、ブートストラップコンデンサ５３ａの充電電流を引き抜く必要があるが、本実施例においては、充電抵抗８２を備えていることにより、前記充電電流の経路が確保され、ブートストラップコンデンサ５３ａが充電されるので、装置を起動するときに第１の駆動回路１０ａが確実に動作し、第１のスイッチング素子７ａのターンオンが確実に実行される。
【００６１】
なお、本実施例では３相の構成としているために、他の２相についてもブートストラップコンデンサ５３ｂ〜５３ｃを備えているが、これについては、巻線３ａ、巻線３ｂ、巻線３ｃを通じて供給されることにより、僅か１個の充電抵抗８２により３相すべてのブートストラップコンデンサ５３ａ〜５３ｃを充電することができる。なお、２個以上の充電抵抗を接続してもよく、その場合には充電電流が大きくなり、充電時間が短くても充電が十分に行われるとともに、複数のブートストラップコンデンサの充電電流の均等化を図れるなどの効果が期待できる。
【００６２】
また、本実施例では、第１の直流電源１４の電圧を１４０Ｖ、ブートストラップコンデンサ５３ａ〜５３ｃの静電容量を４７μｆとし、充電抵抗８２の抵抗値を７５ｋΩとしていることにより、充電電流は約０．２ｍＡとなり、３相分のブートストラップコンデンサ５３ａ〜５３ｃ（計３個）を約８Ｖまで充電する時間は約７秒となるので、仮に本実施例の動力発生装置を電気洗濯機に使用する場合、電源投入から起動までの待ち時間として十分短い時間で済む。
【００６３】
また、停止中に動力発生装置が負荷側から駆動される場合、第２の物体２に備えた永久磁石５により巻線３ａ〜３ｃには速度に比例した誘起電力が発生するが、本実施例では充電抵抗８２の抵抗値が７５ｋΩと言う大きい値であるので、前記誘起電力による電流は１．８ｍＡ以下と小さく、したがって、巻線３ａ〜３ｃの焼損などを起こすこともない。なお、第２の物体２の構成は永久磁石５を使用するものに限定するものではなく、その他の構成であってもよく、その場合にも充電抵抗８２を設けると言う簡単な構成によりブートストラップコンデンサ５３ａ〜５３ｃを充電することができ、低コストの動力発生装置を実現することができる。
【００６４】
以上のように本実施例によれば、第２のスイッチング素子８ａ〜８ｃが開閉動作を開始する以前にもブートストラップコンデンサ５３ａ〜５３ｃが充電されるようにしたことにより、確実に動力発生装置を起動することができる。
【００６５】
（実施例７）
以下、本発明の動力発生装置を用いた電気洗濯機の一実施例について図面を参照しながら説明する。
【００６６】
図９は本実施例の構成を示す断面図である。図９において、洗濯機外枠８３は、４本の吊り棒８４により水受け槽８５を吊り下げており、洗濯兼脱水槽８６を水受け槽８５内に回転自在に配設し、洗濯兼脱水槽８６の底部に攪拌翼８７を回転自在に配設している。実施例１ないし実施例６に説明した第１の物体１および第２の物体２とインバータ６とを備えた動力発生装置８８は、Ｖベルト８９と減速機構９０とを介して攪拌翼８７および洗濯兼脱水槽８６を駆動する。なお、９１は排水弁、９２は給水弁である。制御装置９３は、たとえば入力手段から入力された情報により、洗い、濯ぎ、脱水の各行程を制御し、動力発生装置８８を制御する。
【００６７】
上記構成における動作について説明する。洗濯兼脱水槽８６に衣類を入れた状態で、制御装置９３からの指令により動力発生装置８８を駆動させると、動力発生装置８８はＶベルト８９と減速機構９０とを介して攪拌翼８７を回転させることにより洗濯を実行する。また、脱水時には洗濯兼脱水槽８６が回転する。洗濯と脱水との切り替えは、制御装置９３からの指令により排水弁９１と連動し、さらに減速機構９０の内部に備えた遊星ギアの減速の入り切りとも連動して行われる。
【００６８】
【発明の効果】
以上のように本発明の請求項１に記載の発明は、少なくとも１つの巻線を備えた第１の物体と、前記第１の物体と相対的に可動に設けられた第２の物体と、第１の直流電源と、両端が前記第１の直流電源に接続され、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とを直列接続した直列回路、前記第１のスイッチング素子を開閉駆動する第１の駆動回路、前記第２のスイッチング素子を開閉駆動する第２の駆動回路、前記第２の駆動回路を動作させる第２の直流電源、および前記第２のスイッチング素子の導通時に前記第２の直流電源から充電電流が供給されて前記第１の駆動回路を動作させる直流電源となるブートストラップコンデンサを備えたインバータ回路を前記巻線ごとに備えたインバータと、前記各インバータ回路における前記第１のスイッチング素子の導通期間をＰＷＭ制御するＰＷＭ回路と、前記ＰＷＭ制御におけるデューティを制限するデューティ制限回路とを備え、前記デューティ制限回路は、デューティを制限する上限値をインバータの動作周波数に対応して変え、前記ブートストラップコンデンサの端子電圧を前記第１の駆動回路が動作可能なように維持するようにしたから、第１の駆動回路を動作させる直流電源をブートストラップコンデンサのみで構成しながら安定に動作させることができ、軽量かつ低コストの動力発生装置を実現することができる。また、高速時には十分なトルクや出力が得られるとともに、低速時においても、ブートストラップコンデンサに必要な端子電圧が得られる範囲で十分なトルクや出力が得られる動力発生装置を実現することができる。
【００６９】
請求項２に記載の発明は、第２の物体は永久磁石を備え、第１の駆動回路および第２の駆動回路は、前記永久磁石の位置を検知する位置検知手段からの信号に基づいて、それぞれ第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子を開閉駆動するようにしたから、効率の高い動力発生装置を実現することができる。
【００７０】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２記載の動力発生装置を備えたから、軽量、低コストで、高効率、かつ信頼性の高い電気洗濯機を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の動力発生装置の実施例１の構成を示す回路図
【図２】  同実施例における第１の駆動回路および第２の駆動回路とその周辺の構成を示す回路図
【図３】  本発明の動力発生装置の実施例２の構成を示す回路図
【図４】  同実施例の動作を示す特性図
【図５】  本発明の動力発生装置の実施例３の構成を示す回路図
【図６】  同実施例の動作を示す特性図
【図７】  本発明の動力発生装置の実施例４におけるブート電圧検知回路の構成を示す回路図
【図８】  本発明の動力発生装置の実施例５におけるブート電圧演算回路が演算に用いるデューティとブートストラップコンデンサの端子電圧と回転速度との関係を示す特性図
【図９】  本発明の動力発生装置の実施例６の構成を示す回路図
【図１０】  本発明の電気洗濯機の一実施例の構成を示す断面図
【図１１】  従来の動力発生装置の構成を示す回路図
【図１２】  同従来例における第１の駆動回路および第２の駆動回路とその周辺の構成を示す回路図
【符号の説明】
１  第１の物体
２  第２の物体
３  ３相巻線
３ａ、３ｂ、３ｃ  巻線
４  位置検知手段
４ａ、４ｂ、４ｃ  ホールＩＣ
５  永久磁石
６  インバータ
６ａ、６ｂ、６ｃ  インバータ回路
７ａ、７ｂ、７ｃ  第１のスイッチング素子
８ａ、８ｂ、８ｃ  第２のスイッチング素子
９ａ、９ｂ、９ｃ  ドライバ
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ  第１の駆動回路
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ  第２の駆動回路
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ  第２の直流電源
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ  第３の直流電源
１４  第１の直流電源
１５  ３相分配回路
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ  ＡＮＤ回路
１７  ＰＷＭ回路
１８  発振回路
１９  コンパレータ
２０  可変抵抗
２１  バイアス電源
２２  商用電源
２３  整流ブリッジ
２４  チョークコイル
２５  平滑コンデンサ
２６  フォトカップラ
２７、２８、３３、３８  ＮＰＮトランジスタ
２９、３４  ＰＮＰトランジスタ
３０、３１、３２、３５、３６、５１  抵抗
３７  スイッチング電源
３９  駆動回路
４０  トランス
４１  スナバ
４２、４３、４４、４５、４６  ダイオード
４７、４８、４９、５０  電解コンデンサ
５２  コンデンサ
５３ａ、５３ｂ、５３ｃ  ブートストラップコンデンサ
５４  デューティ制限回路
５５、５７  抵抗
５６  ダイオード
５８  ツエナーダイオード
５９  速度検知回路
６０  誤差増幅器
６１  基準電圧源
６２  ＮＰＮトランジスタ
６３、６４  抵抗
６５  トランス
６６  整流ブリッジ
６７  定電圧ＩＣ
６８、６９  電解コンデンサ
７０  電圧セレクタ
７１、７２  基準電圧源
７３  周波数判定回路
７４  ブート電圧検知回路
７５  ツエナーダイオード
７６  フォトカップラ
７７、７９  抵抗
７８  直流電源
８０  演算増幅器
８１  基準電圧源
８２  充電抵抗
８３  洗濯機外枠
８４  吊り棒
８５  水受け槽
８６  洗濯兼脱水槽
８７  攪拌翼
８８  動力発生装置
８９  Ｖベルト
９０  減速機構
９１  排水弁
９２  給水弁
９３  制御装置
【図１】
0003661395.tif 000002
【図２】
0003661395.tif 000003
【図３】
0003661395.tif 000004
【図４】
0003661395.tif 000005
【図５】
0003661395.tif 000006
【図６】
0003661395.tif 000007
【図７】
0003661395.tif 000008
【図８】
0003661395.tif 000009
【図９】
0003661395.tif 000010
【図１０】
0003661395.tif 000011
【図１１】
0003661395.tif 000012
【図１２】
0003661395.tif 000013