(57)【要約】  固定子、固定子の内側に配置される回転子、回転子の回転位置を検出するホールＩＣ、固定子の巻線に駆動電圧を印加するパワーＩＣおよびパワーＩＣをＰＷＭ制御する制御ＩＣが実装され、モールド樹脂で固定子と一体に封止された駆動回路基板を備える。制御ＩＣは、電動機の回転数が第１の回転数以上となるときに、電動機の運転効率が最大となる最適進角の値である第１の進角値よりも大きな第２の進角値を出力する。
2017072964.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子と、
前記固定子の内側に配置される回転子と、
磁極位置センサ、駆動素子および制御素子が実装され、モールド樹脂で前記固定子と一体に封止された駆動回路基板と、を備え、
前記磁極位置センサは前記回転子の回転位置を検出し、前記駆動素子は前記固定子の巻線に駆動電圧を印加し、前記制御素子は前記駆動素子をＰＷＭ制御し、
前記制御素子は、電動機の回転数が第１の回転数以上となるときに、前記電動機の運転効率が最大となる進角の値である第１の進角値よりも大きな第２の進角値を出力する電動機。
【請求項２】
固定子と、
前記固定子の内側に配置される回転子と、
磁極位置センサ、駆動素子および制御素子が実装され、モールド樹脂で前記固定子と一体に封止された駆動回路基板と、を備え、
前記磁極位置センサは前記回転子の回転位置を検出し、前記駆動素子は前記固定子の巻線に駆動電圧を印加し、前記制御素子は前記駆動素子をＰＷＭ制御し、
前記制御素子は、電動機の回転数が第１の回転数以上となるときに、各回転数において前記電動機の騒音が最小となる進角の値である第１の進角値よりも大きな第２の進角値を出力する電動機。
【請求項３】
前記第２の進角値と前記第１の進角値との差分値は、離散的な１ステップの進角制御のときに生じる進角の変化幅よりも大きい請求項１または２に記載の電動機。
【請求項４】
前記制御素子の外部には、抵抗素子とコンデンサ素子とが設けられ、
前記抵抗素子の抵抗値と前記コンデンサ素子の容量値との積である時定数を調整することにより前記進角制御の進み角を調整する請求項３に記載の電動機。
【請求項５】
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４の何れか１項に記載の電動機。
【請求項６】
前記駆動素子は伝熱板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駆動素子の非搭載面側には放熱パターンが設けられ、前記伝熱板と前記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５の何れか１項に記載の電動機。
【請求項７】
請求項１から６の何れか１項に記載の電動機を搭載した送風機。
【請求項８】
請求項１から６の何れか１項に記載の電動機を搭載した空気調和機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回路部品が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】
空気調和機の室内機あるいは室外機に搭載される送風機を駆動する電動機として、下記特許文献１には、固定子鉄心と、ホールＩＣ、インバータＩＣ、およびインバータＩＣをＰＷＭ制御するための制御手段であるマイコンを搭載する駆動回路基板とを熱硬化性のモールド樹脂を使用して一体的に形成する構成が開示されている。【０００３】
また、上記特許文献１では、電動機の回転数に応じた最適位相進角特性情報をテーブルとして保持し、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で高効率、低騒音なモータ制御を実現している。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の進み角である。なお、ここでいう「位相角」とは、固定子巻線に誘起される電圧（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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−２３０３６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電動機を最適位相進角で制御した場合、電動機の運転効率は最大もしくは電動機の騒音が最小となる。しかしながら、電動機を空気調和機に用いた場合、電動機の効率を最大にしたり騒音を抑制したりする一方、急速な冷房あるいは急速な暖房を迅速に行いたいというユーザからの要請があり、この要請に応えることが製品として望まれる。急速な冷房あるいは急速な暖房を迅速に行うためには、高回転域での性能を高める必要がある。【０００６】
電動機の性能を高める場合、電動機の回転数を上昇させるが、回転数が上昇することで電動機に流れる電流が増加しパワーＩＣの温度が非常に高くなるので、パワーＩＣをモールドし熱を外部に放熱させる必要がある。しかし、マイコンは不揮発性メモリを有しており熱に弱いため、パワーＩＣとマイコンを搭載している駆動回路基板はモールドすることができず、パワーＩＣの性能が発熱によって劣化するおそれがある。【０００７】
もしくは、パワーＩＣを、マイコンを搭載している駆動回路基板とは別の基板に搭載させる方法も考えられるが、電動機が大型になりコストが増加する他、パワーＩＣを実装した駆動回路基板とマイコンを実装した基板とをつなぐ配線が長くなってしまい、配線にノイズが乗りやすく電動機に悪影響を与えるおそれがある。【０００８】
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、機器の大型化およびコストの増加を抑制しつつ、ノイズおよび熱的な影響を回避し、高回転域での性能を高めることができる電動機、送風機及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】
【０００９】
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、固定子と、固定子の内側に配置される回転子と、磁極位置センサ、駆動素子および制御素子が実装され、モールド樹脂で固定子と一体に封止された駆動回路基板と、を備える。磁極位置センサは回転子の回転位置を検出し、駆動素子は固定子の巻線に駆動電圧を印加し、制御素子は駆動素子をＰＷＭ制御する。また、制御素子は、電動機の回転数が第１の回転数以上となるときに、電動機の運転効率が最大となる進角の値である第１の進角値よりも大きな第２の進角値を出力する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、高回転域での性能を高める際に、機器の大型化およびコストの増加を抑制しつつ、ノイズおよび熱的な影響を回避することができる、という効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施の形態に係る電動機の側面断面図
【図２】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
【図３】本実施の形態の駆動回路基板に配置される回路部品を模式的に示す平面図
【図４】本実施の形態の駆動回路基板に配置される回路部品を模式的に示す平面図
【図５】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
【図６】本実施の形態の駆動回路部品の電気的な接続関係を示すブロック図
【図７】本実施の形態のパワーＩＣの内部の構成を示す回路図
【図８】本実施の形態の進角算出部の構成を示すブロック図
【図９】本実施の形態の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
【図１０】進角に応じた電動機のトルクと回転数との関係を示すグラフ
【図１１】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
【図１２】電動機の回転数に応じた最適進角特性および電動機の回転数と進角の関係を表す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
【図１３】図１２に示す最適進角特性および進角制御曲線の部分拡大図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
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図である。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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とモールド樹脂が充填されたモールド樹脂部２とから構成されている。
【００１８】
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。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と一体に封止されている。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。
【００１９】
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。
【００２０】
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の右手側、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鉢状の凹部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。
【００２１】
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程度の電磁鋼板が帯状に打ち抜かれ、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のティースを備え、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、三相のシングルＹ結線の巻線が形成される。但し、分布巻でもよい。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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を潤滑に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。
【００２９】
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。
【００３０】
回転子組立部１８がモールド固定子１の開口部から凹部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。
【００３１】
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。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。
【００３２】
つぎに、駆動回路基板４に搭載される回路部品（以下、必要に応じて「駆動回路部品」と称する）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。
【００３３】
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、制御ＩＣ２３は、不揮発性メモリを内蔵していないＡＳＳＰ（Application  Specific  Standard  Product）などのアナログＩＣであり、マイコンよりもプロセスルールが広くマイコンよりも熱に強い。また、制御ＩＣ２３は、パワーＩＣ２２と一体的に形成して駆動ＩＣとして構成することも可能である。
【００３４】
一方、駆動回路基板４の負荷側、すなわちパワーＩＣ２２の搭載面とは反対側の面、すなわちパワーＩＣ２２の非搭載面側には、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放熱パターン３２が設けられている。パワーＩＣ２２は、図５に示すように、伝熱板３０を介して駆動回路基板４に搭載してもよい。図５の構造によれば、パワーＩＣ２２は、熱伝導率の高い金属で形成された伝熱板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を介して放熱パターン３２に接続される構造となる。この構造により、パワーＩＣ２２で発生した熱は、パワーＩＣ２２の搭載面側、すなわち駆動回路基板４の反負荷側に放熱されるだけでなく、駆動回路基板４の負荷側にも放熱されるので、放熱を効果的に行うことができ、放熱能力を高めることができる。なお、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が、銅または銀以外の金属を用いてもよいことは言うまでもない。また、熱伝導率の高い特性を有するものであれば、金属以外のものを用いてもよい。
【００３５】
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からの回転子位置情報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、最適位相進角および高回転域での性能を高めた位相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。
【００３６】
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対の上下アームのスイッチング素子１１４ａ〜１１４ｆがブリッジ接続されて構成される。上下アームのスイッチング素子同士の接続点は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の交流電圧を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、電動機が駆動される。
【００３７】
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。
【００３８】
ここで、ホールＩＣ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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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、回路全体で積分回路を構成しており、電動機の回転数が高いとき、すなわち電動機の回転速度が速いときの電圧が従来よりも大きくなるような電圧信号を生成する。なお、第３の回路ブロック２０４ｂの更なる詳細な内容は後述する。
【００４９】
ここで進角について詳細に説明する。正弦波波形の電圧を固定子巻線に印加すると、電動機の回転数や負荷の大きさにより巻線電流の位相が変化しトルクの減少や効率の低下が発生する。このため、巻線電流の位相の変化に合わせて巻線への印加電圧の位相を調節する必要があり、モータの誘起電圧と巻線電流の位相差を合わせ、トルクを最大限引き出すには位相の制御が重要である。電動機を高効率駆動もしくは最小騒音駆動とするには、印加電圧の位相を進めて巻線電流の位相を進ませ、誘起電圧と巻線電流の位相差を合わせる必要がある。このときの印加電圧の位相進み角度が進角となる。
【００５０】
図１０は、進角に応じた電動機のトルクと回転数との関係を示すグラフである。図１０において、電動機がトルクＴ１を出力したときの回転数は、進角Ａの場合、回転数ＲＡであり、進角Ｂの場合、回転数ＲＡよりも高い回転数ＲＢであることが示されている。ここで、進角Ａと進角Ｂとの間には、進角Ａ＜進角Ｂの関係がある。すなわち、トルク一定条件の下では、印加電圧と誘起電圧の位相角差が大きくなれば回転数が高くなることを意味している。
【００５１】
図１１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。
【００５２】
図１２は、電動機の回転数に応じた最適進角特性および電動機の回転数と進角の関係を表す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り、図１２（ａ）では従来技術に係る進角制御曲線を併記し、図１２（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、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１２および図１３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。
【００５３】
図１２（ａ）および図１２（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１２（ａ）および図１２（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。本実施の形態の制御演算では、制御ＩＣ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は階段状になっている。なお、図１２（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。
【００５４】
図１２（ａ）と図１２（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１２００ｒｐｍから１５００ｒｐｍ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、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。
【００５５】
（ｉ）中回転域および高回転域において、従来曲線Ｌ１では最適進角曲線Ｋ１に重なるように変化しているが、本実施の形態の曲線（以下「本願曲線」と称する）Ｌ２では、最適進角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推移している。
（ii）本願曲線Ｌ２において、中回転域よりも高回転域の方が、制御で用いる進角と最適進角曲線Ｋ１上の進角との差が大きくなっている。
【００５６】
図１３は、図１２に示す最適進角特性および進角制御曲線の部分拡大図であり、図１３（ａ）は図１２（ａ）に示す破線部Ｍ１の拡大図であり、図１３（ｂ）は図１２（ｂ）に示す破線部Ｍ２の拡大図である。
【００５７】
図１３（ａ）および図１３（ｂ）において、Δθは離散的な１ステップの進角制御のときに生じる進角の変化幅、すなわち図８に示したＡＤ変換部２０６のＬＳＢ（Least  Significant  Bit）１ビットの進角制御における進角の変化幅である。また、Δθ１は、同一回転数における従来曲線Ｌ１上の進角と最適進角Ｋ１上の進角との間の位相差であり、Δθ２は、同一回転数における本願曲線Ｌ２上の進角と最適進角Ｋ１上の進角との間の位相差である。図１３（ａ）および図１３（ｂ）にも示すように、これらΔθ，Δθ１，Δθ２との間には、“Δθ１＜Δθ＜Δθ２”の関係がある。
【００５８】
進角制御曲線上の値と最適進角との間の位相差を大きくすること、すなわち進角制御の進み角を大きくすることは、回転数を高くすることと等価である。このため、図１０のグラフにも示すように、トルクを同一としたときの回転数を従来よりも高くすることができるので、電動機の性能を高め急速な冷暖房制御を迅速に行うことができる。なお、進角制御の進み角を大きくする度合いは、第１の回路ブロック２０２ａ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を調整することにより変更可能であり、熱に弱いマイコンを搭載していないので、マイコンの発熱を懸念することなく進角制御の進み角を大きくする度合いを調整することができる。
【００５９】
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、回路全体で積分回路を構成しており、電動機の回転数が高いとき、すなわち電動機の回転速度が速いときの電圧が従来よりも大き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。
【００６０】
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。
【００６１】
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、電動機の回転数が、性能の改善を図りたい回転域での回転数以上、すなわち第１の回転数以上となるときに、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最適進角の値である第１の進角値よりも大きな第２の進角値を生成して電動機を駆動するので、所望する回転域での性能改善が可能となる。駆動回路基板に制御ＩＣを搭載しているので、駆動回路基板を固定子と共にモールドすることができ、熱的な影響を回避することが可能となる。
【００６２】
また、本実施の形態に係る電動機によれば、駆動回路基板にマイコンを搭載せず、マイコンの代わりに熱に強い制御ＩＣを搭載し、パワーＩＣとともにモールドすることで、パワーＩＣからの発熱がモールド樹脂を介して外部に放熱され、パワーＩＣの温度上昇を低減することができるので、電動機の性能を高めることによる発熱の影響を懸念することなく、所望する領域まで電動機の性能を高めることが可能となる。
【００６３】
また、本実施の形態に係る電動機によれば、制御ＩＣとパワーＩＣとを駆動回路基板の同一面に搭載したので、電動機の大型化を回避するとともにコストを抑えることができ、またパワーＩＣと制御ＩＣとをつなぐ配線が短いので、配線にノイズが乗りにくくなり電動機に与えるノイズの影響を回避することができる。よって、本実施の形態による電動機によれば、機器の大型化およびコストの増加を抑制しつつ、熱的な影響を回避し電動機の性能を所望する性能まで高めることが可能となる。
【００６４】
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。
【符号の説明】
【００６５】
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、８ａ  貫通孔、８  固定子鉄心、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  ホールＩＣ（磁極位置センサ）、２２  パワーＩＣ（駆動素子）、２３  制御ＩＣ（制御素子）、２４  巻線端子、２５  ブラケット、２６  凹部、２９  開口部、３０  伝熱板、３２  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、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、２０６  ＡＤ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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2017072964.tif 000014
【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年10月2日(2017.10.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子と、
前記固定子の内側に配置される回転子と、
磁極位置センサ、駆動素子および制御素子が実装され、モールド樹脂で前記固定子と一体に封止された駆動回路基板と、を備え、
前記磁極位置センサは前記回転子の回転位置を検出し、前記駆動素子は前記固定子の巻線に駆動電圧を印加し、前記制御素子は前記駆動素子をＰＷＭ制御し、
前記制御素子は、電動機の回転数が第１の回転数以上となるときに、前記電動機の運転効率が最大となる進角の値である第１の進角値よりも大きな第２の進角値を出力し、
前記第２の進角値は、前記磁極位置センサによって検出された回転数の増加に応じて大きくなる電動機。
【請求項２】
固定子と、
前記固定子の内側に配置される回転子と、
磁極位置センサ、駆動素子および制御素子が実装され、モールド樹脂で前記固定子と一体に封止された駆動回路基板と、を備え、
前記磁極位置センサは前記回転子の回転位置を検出し、前記駆動素子は前記固定子の巻線に駆動電圧を印加し、前記制御素子は前記駆動素子をＰＷＭ制御し、
前記制御素子は、電動機の回転数が第１の回転数以上となるときに、各回転数において前記電動機の騒音が最小となる進角の値である第１の進角値よりも大きな第２の進角値を出力する電動機。
【請求項３】
前記第２の進角値と前記第１の進角値との差分値は、離散的な１ステップの進角制御のときに生じる進角の変化幅よりも大きい請求項１または２に記載の電動機。
【請求項４】
前記制御素子の外部には、抵抗素子とコンデンサ素子とが設けられ、
前記抵抗素子の抵抗値と前記コンデンサ素子の容量値との積である時定数を調整することにより前記進角制御の進み角を調整する請求項３に記載の電動機。
【請求項５】
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４の何れか１項に記載の電動機。
【請求項６】
前記駆動素子は伝熱板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駆動素子の非搭載面側には放熱パターンが設けられ、前記伝熱板と前記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５の何れか１項に記載の電動機。
【請求項７】
請求項１から６の何れか１項に記載の電動機を搭載した送風機。
【請求項８】
請求項１から６の何れか１項に記載の電動機を搭載した空気調和機。
【国際調査報告】
2017072964.tif 000016
2017072964.tif 000017
2017072964.tif 000018
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