(57)【要約】【課題】電動送風機を小型化するとともに、電動機駆動用電力変換装置をも小型化・軽量化した電気掃除機や手乾燥装置を得ること。【解決手段】送風ファンを有し送風ファンを駆動するブラシレスモータを内蔵している電動送風機であって、ブラシレスモータ制御用の制御部と、交流電源から供給される交流電圧を整流して直流電圧に変換するコンバータ部と、直流電圧を交流電圧に変換して交流電圧をブラシレスモータに供給するインバータ部とを有する電源部と、ブラシレスモータの回転数を所定回転数以上となるようにして、送風ファンの径及びブラシレスモータの径がほぼ等しくなるよう形成するとともに、コンバータ部に昇圧回路を設け、昇圧回路にて直流電圧を昇圧するようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
送風ファンを有し前記送風ファンを駆動するブラシレスモータを内蔵している電動送風機であって、
前記ブラシレスモータ制御用の制御部と、
交流電源から供給される交流電圧を整流して直流電圧に変換するコンバータ部と、前記直流電圧を交流電圧に変換して前記交流電圧を前記ブラシレスモータに供給するインバータ部とを有する電源部と、
前記ブラシレスモータの回転数を所定回転数以上となるようにして、前記送風ファンの径及び前記ブラシレスモータの径がほぼ等しくなるよう形成するとともに、前記コンバータ部に昇圧回路を設け、前記昇圧回路にて前記直流電圧を昇圧する電動送風機。
【請求項２】
前記所定回転数は５００００ｒｐｍである請求項１記載の電動送風機。
【請求項３】
前記電源部はノイズフィルタを含み、
前記コンバータ部は、入力側の正電圧側に接続されたインダクタと、直流母線間に接続されたコンバータ部スイッチング素子とを含み、
前記ノイズフィルタと前記インダクタのサイズが最適化されるように前記ブラシレスモータの回転数と前記コンバータ部スイッチング素子のスイッチング周波数を設定した請求項１又は２記載の電動送風機。
【請求項４】
前記コンバータ部スイッチング素子のスイッチング周波数が１６ｋＨｚ以上７０ｋＨｚ以下である請求項３記載の電動送風機。
【請求項５】
前記コンバータ部は、
前記コンバータ部スイッチング素子に並列に直流母線間に接続された平滑コンデンサと、
前記コンバータ部スイッチング素子と前記平滑コンデンサとの間の正電圧側に接続されたファーストリカバリダイオードとを含む請求項３又は４記載の電動送風機。
【請求項６】
前記ファーストリカバリダイオードは、ワイドバンドギャップ半導体によって形成される請求項５記載の電動送風機。
【請求項７】
前記ワイドバンドギャップ半導体は、ＳｉＣ、ＧａＮ系材料又はダイヤモンドである請求項６記載の電動送風機。
【請求項８】
前記昇圧回路により電圧を所定値に昇圧したのち、前記インバータを起動する請求項１乃至７のいずれかに記載の電動送風機。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の電動送風機において、コンバータ回路素子をＭＯＳＦＥＴ又はワイドバンドギャップ半導体により構成し、デッドタイムを短縮した電動送風機。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかに記載の電動送風機を用いた電気掃除機。
【請求項１１】
請求項１乃至９のいずれかに記載の電動送風機を用いた手乾燥装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、商用交流電源を電源として用い、インバータにより駆動される電動送風機、及びこれ用いた電気掃除機や手乾燥装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、家電機器等に用いられるモータには、ブラシレスＤＣモータ（以降ＢＬＤＣＭと略記する）の採用が進んでいる。ＢＬＤＣＭは、可変速範囲が広く駆動効率が高く、インバータ装置で駆動することにより、使い勝手の向上や消費電力の低減といった性能の向上が図られている。
【０００３】
従来技術として、ＢＬＤＣＭをインバータ駆動する駆動制御系を持つ電動送風機において、モータの駆動電流を流すパワー配線部材を効率的に冷却することにより、回路基盤や回路部品の信頼性を高める技術が開示されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４０２１４３６号公報（第９頁、図７）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来技術では、電動機の回転数は最大でも４００００ｒｐｍに留まっているため、電動掃除機として適した吸塵力を得たり、手乾燥装置として適した風力を得たりするためには、送風機の直径を大きくする必要があり、電動機の直径に比べて倍程度の直径を要していた。このため、実装される機器の空間利用効率を悪化させていた。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、電動送風機を小型化するとともに、電動機駆動用電力変換装置をも小型化・軽量化した電気掃除機や手乾燥装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明にかかる電動送風機は、送風ファンを有し送風ファンを駆動するブラシレスモータを内蔵している電動送風機であって、ブラシレスモータ制御用の制御部と、交流電源から供給される交流電圧を整流して直流電圧に変換するコンバータ部と、直流電圧を交流電圧に変換して交流電圧をブラシレスモータに供給するインバータ部とを有する電源部と、ブラシレスモータの回転数を所定回転数以上となるようにして、送風ファンの径及びブラシレスモータの径がほぼ等しくなるよう形成するとともに、コンバータ部に昇圧回路を設け、昇圧回路にて直流電圧を昇圧するものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、電動送風機を小型化するとともに、電動機駆動用電力変換装置をも小型化・軽量化した電気掃除機や手乾燥装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１に係る電動機駆動用電力変換装置の回路図である。
【図２】実施の形態１に係る掃除機断面の模式図である。
【図３】実施の形態１に係る出力電圧とインダクタ重量の関係を示す図である。
【図４】実施の形態６に係るインバータに印加される直流電圧の時間変化を示す図である。
【図５】実施の形態６に係る制御フローチャート図である。
【図６】実施の形態８に係る手乾燥装置の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電動機駆動用電力変換装置の回路図である。図１において、２は商用交流電源である。４は商用交流電源２に接続されたノイズフィルタであり、電力変換装置が発生し商用交流電源２に伝播するノイズを低減する。５はノイズフィルタ４に接続された整流回路である。６ａ、６ｂは電源電圧検出用分圧抵抗であり、整流回路５の出力側の直流母線間に直列に接続されている。７は高周波インダクタであり、整流回路５の正電圧側に接続されている。
【００１１】
８は昇圧コンバータ用ＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）、１０は電流検出抵抗であり、昇圧コンバータ用ＩＧＢＴ８と電流検出抵抗１０とは、高周波インダクタ７の出力側の直流母線間に、直列に接続されている。９はフライホイールダイオードであり、昇圧コンバータ用ＩＧＢＴ８と並列に接続されている。
【００１２】
１１はＩＧＢＴ用ゲートドライバであり、昇圧コンバータ用ＩＧＢＴ８のゲート端子に接続されている。１２はファーストリカバリダイオードであり、高周波インダクタ７の出力側にアノードが接続されている。１３は平滑コンデンサであり、ファーストリカバリダイオード１２のカソード側の直流母線間に接続されている。
【００１３】
高周波インダクタ７と、昇圧コンバータ用ＩＧＢＴ８と、フライホイールダイオード９と、電流検出抵抗１０と、ファーストリカバリダイオード１２と、平滑コンデンサ１３と、により昇圧コンバータ部が構成される。
【００１４】
１４ａ、１４ｂは昇圧コンバータ出力電圧検出用分圧抵抗であり、平滑コンデンサ１３と並列に接続されている。１５はインバータ部電流検出抵抗であり、昇圧コンバータ出力電圧検出用分圧抵抗の出力側の母線側に接続されている。
【００１５】
１６ａ〜１６ｆはインバータ用ＩＧＢＴであり、インバータ部電流検出抵抗１５の出力側の直流母線間に直列に接続されている。１７ａ〜１７ｆはフライホイールダイオードであり、それぞれインバータ用ＩＧＢＴに並列に接続されている。これらインバータ用ＩＧＢＴとフライホイールダイオードとにより、インバータ部が構成される。
【００１６】
１８は、インバータ部に接続された電動送風機のＢＬＤＣＭである。２０はインバータ部ＩＧＢＴゲートドライバであり、インバータ用ＩＧＢＴのゲート端子に接続されている。
【００１７】
２２は、使用者が操作し電気掃除機の運転・停止や吸い込み力の設定などを行う手元操作手段である。２３は、後述するマイクロコンピュータ２４の動作基準となるクロックを生成するクロック生成回路である。２５は、商用交流電源２からノイズフィルタ４を通り整流回路５で整流された脈流から、電源周波数に同期した信号を生成するＨｚ信号回路である
【００１８】
２４はマイクロコンピュータであり、電源電圧検出用分圧抵抗６ｂにかかる電圧をＶｉ端子で、昇圧コンバータ出力電圧検出用分圧抵抗１４ｂにかかる電圧をＶｏ端子で、電流検出抵抗１０を流れる電流をＩＳ端子で、インバータ部電流検出抵抗１５を流れる電流をＩＬ端子でそれぞれ検出するとともに、手元操作手段２２の信号、クロック生成回路２３の信号、Ｈｚ信号回路２５の信号を入力とし、これらの情報に基づいて、ＩＧＢＴ８用ゲートドライバ１１及びインバータ部ＩＧＢＴゲートドライバ２０を制御する。
【００１９】
図２は、実施の形態１に係る掃除機断面の模式図である。３０は集塵室であり、吸い込んだ塵埃を集積する。３１は吸塵力を発生する電動機であり、内部にＢＬＤＣＭ１８を収容している。３２は電動機３１に接続され吸塵用の風を発生させる送風機である。
【００２０】
３３は電動機３１に電力を供給する電力変換装置を構成する電力変換装置回路基板であり、図１で示した回路が形成されている。なお、７は高周波インダクタであり、図１に示す回路が構成されるよう電力変換装置回路基板３３と電気的に接続されている。３４は、電力変換装置回路基板３３と商用交流電源とを接続するコンセントである。
【００２１】
３５は掃除機を移動させるための後輪、３６は前輪、３７は集塵部３０に塵埃を導入する集塵ホース、３８は塵埃を集塵室から外に出さない集塵フィルタである。また３９は前記の部品を一体の構造に保つ本体ケースである。
【００２２】
次に動作について説明する。
使用者が手元操作手段２２を適宜に操作すると、マイクロコンピュータ２４は、ＢＬＤＣＭ１８の運転制御を開始する。マイクロコンピュータ２４は、手元操作手段２２からの運転指令信号を受けると、Ｈｚ信号回路２５からの信号によって商用交流電源２の周波数を確認した後、手元操作手段２２で設定された吸い込み力となるよう制御を開始する。
【００２３】
すなわち、まずマイクロコンピュータ２４は、Ｖｏ端子から電圧を読み込み、マイクロコンピュータ２４内のＲＯＭ（読み出し専用メモリ）内に格納してある設定値と比較する。この比較結果と、Ｖｉ端子に入力される電圧とＩＳ端子に入力される電流値とから、Ｖｏ端子の入力電圧をＲＯＭ内のデータと一致させるようにするとともに、電流検出抵抗１０で検出される電流波形とＶｉ端子に入力される電源電圧波形とを一致させるよう、ＩＧＢＴ８用ゲートドライバ１１へ信号を出力し、昇圧コンバータ用ＩＧＢＴ８をスイッチングする。
【００２４】
昇圧コンバータ用ＩＧＢＴ８がオンすると、高周波インダクタ７、昇圧コンバータ用ＩＧＢＴ８、電流検出抵抗１０に電流が流れ、高周波インダクタ７にエネルギが蓄えられる。この後、昇圧コンバータ用ＩＧＢＴ８がオフすると、高周波インダクタ７が蓄えたエネルギを放出して高電圧が発生し、ファーストリカバリダイオード１２を通して平滑コンデンサ１３に充電される。
【００２５】
ここで、マイクロコンピュータ２４は、電流検出抵抗１０を流れる電流を監視しており、整流後の電圧と電流の位相が一致するように、昇圧コンバータ用ＩＧＢＴ８を制御する。これにより、商用交流電源２側から見た力率がほぼ１となるようにし、高調波電流を抑制する。すなわち、昇圧コンバータをアクティブフィルタとして使用することで、電流波形を正弦波に近づけて、力率をほぼ１とする。
【００２６】
なお、運転時の昇圧コンバータ部での昇圧率は、任意であるが、例えば本実施の形態では、１５０〜３００Ｖ程度の出力となるように設定してある。一般的に高調波電流抑制のためには昇圧比で１．２以上取る事が必要とされており、コンバータ回路の軽量化と高効率化を考えたとき出力電圧は１７０Ｖ以上で、できる限り低い値が良い。さらに、このように回路を高効率化することにより、重量部品であるスイッチング素子の放熱フィンを軽量化することも可能となる。
【００２７】
なお、昇圧コンバータ用ＩＧＢＴ８のスイッチングは、室内で使用される機器であることを考慮すると、使用者の可聴感度のおちる１０ｋＨｚ以上とすることが望ましい。一方、コンセント３４から出されるノイズに対する規制が１５０ｋＨｚ以上のため、スイッチング周波数はそれ以下でできる限り高い値が良い。ただし１５０ｋＨｚ近傍の場合、スイッチング周波数の基本周期もしくは低次高調波がすでに規制の範囲にかかるため、スイッチング周波数は７０ｋＨｚ以下とすることが望ましい。
【００２８】
一般に、電力変換装置の全体の重量に対し高周波インダクタの比率は高い。このため機器の軽量化を考えた場合、高周波インダクタンスの軽量化を図る必要がある。
【００２９】
図３に入力電力１ｋＷ時の高周波インダクタ７の重量と、出力電圧・スイッチング周波数の関係を示す。また比較のため高周波スイッチングを伴わないコンバータ回路である倍電圧整流時の電源高調波対策用リアクタの重量もプロットする。図３から、高周波インダクタの軽量化を図るには出力電圧は低く、スイッチング周波数は高くとる方が有利であることが分かる。
【００３０】
なお、スイッチング周波数を高くすると高周波インダクタ７の軽量化を図ることができるが、ノイズフィルタ４のサイズ・重量が大きくなる。従って、ノイズフィルタ４と高周波インダクタ７の合計重量やサイズがミニマムとなるスイッチング周波数を選定することが望ましい。
【００３１】
次に、昇圧コンバータ部から出力された直流電圧は、インバータ部において交流へ変換され、ＢＬＤＣＭ１８に供給される。
【００３２】
すなわち、マイクロコンピュータ２４は、モータ電流としてインバータ部電流検出抵抗１５を流れる電流（シャント電流）をＩＬ端子で参照しつつ、ＲＯＭ内の制御プログラムに従って、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御信号をインバータ部ＩＧＢＴゲートドライバ２０に出力する。そして、インバータ部ＩＧＢＴゲートドライバ２０が、インバータ用ＩＧＢＴ１６ａ〜１６ｆを選択的にスイッチング制御することにより、ＢＬＤＣＭ１８に交流電圧が供給され、ＢＬＤＣＭ１８が回転する。
【００３３】
この際、インバータ部の制御によって、ＢＬＤＣＭ１８の可変速運転が可能であり、使用者の好みや、被掃除面の状況に応じて最適な吸い込み力となるよう、電動送風機の回転数を制御することで、使い勝手の良い電気掃除機とすることができる。
【００３４】
そして、ＢＬＤＣＭ１８の回転は、電動機３１に接続された送風機３２が吸塵用の風を発生させ、集塵ホース３７から吸い込まれた塵埃が集塵室３０に集められることになる。
【００３５】
実施の形態１によれば、ロータ位置検出素子を用いずに、シャント電流によりロータ位置を検知することにより、固定部品が不要となった分電動機の小型化・軽量化が図られる効果があるとともに、電動機を５万ｒｐｍ以上の高速に回転させることが可能になり、これに伴う電動機及び送風機の小型化が可能になるという効果がる。
【００３６】
また、その際にノイズフィルタを設けたことにより、スイッチング素子を高速にスイッチングさせる際に発生するノイズが商用交流電源に及ぼす影響を低減することが可能になる効果がある。
【００３７】
例えば、従来は一般的には４万ｒｐｍしか回せなかったところを、６万ｒｐｍで回転させた場合、従来に比べ回転数で１．５倍となる。一般的に送風機の風量は回転数の三乗に比例することから、同じ風量を送風するのに回転数を１．５倍に上げた場合、送風機の容積は１／３．４ですむ。また電動機も同一出力の場合、出力トルクと回転数は反比例するため、回転数を１．５倍とすると出力トルクも２／３に低減でき、出力トルクが小さくできる分モータを小径化する事が可能となる。
【００３８】
このように、電動機３１と送風機３２の小型化が可能になり、双方略同径とすると、図２に示す様に、空間の利用効率が高く小型化の電気掃除機が得られる。これら機器の小径化により、電動送風機の使用材料も低減し電動送風機の軽量化（例えば１ｋｗクラスで１．５ｋｇ→０．５ｋｇ）が可能となる効果がある。
【００３９】
また、実施の形態１によれば、昇圧コンバータ用ＩＧＢＴ８のスイッチング周波数を１６ｋＨｚ以上７０ｋＨｚ以下で、ノイズフィルタ４と高周波インダクタ７の合計重量やサイズがミニマムとなるスイッチング周波数にすることにより、回路全体としての軽量化が可能になる効果がある。
【００４０】
なお、電気掃除機などの非接地機器では、コモンモードのインピーダンスが高いため、コモンモードチョークコイル等のノイズフィルタ回路の重量・サイズに大きなウエートを占める部品が不要もしくは小容量ですむ。このため、高周波スイッチングの昇圧コンバータと組み合わせた場合軽量化・小型化効果が高い。
【００４１】
なお、電気掃除機など移動して使う機器では、コンセント３４のケーブルが長いため、ノーマルモードのインピーダンスも高く、ノーマルモードチョークコイル等のノイズフィルタ回路の重量・サイズに大きなウエートを占める部品についてもその他の機器に比べ小容量ですむ。このため、高周波スイッチングの昇圧コンバータと組み合わせた場合の軽量化・小型化効果が高い。
【００４２】
また、一般に同一回転数・トルク点で運転される場合、ＢＬＤＣＭ１８の入力電流は入力電圧が高いほど低減できるから、本実施の形態１によれば、インバータの入力は昇圧コンバータからの出力を用いるため、電動機の入力電流を昇圧しなかった場合に比べ低減可能な効果がある。
【００４３】
そのため、インバータの出力電流も低減でき、インバータ出力スイッチ素子のＩＧＢＴの定常損失も昇圧しなかった場合に比べ低減でき、重量部品であるインバータＩＧＢＴの放熱フィン（図示せず）も小型化・軽量化可能な効果がある。
【００４４】
また、この放熱フィンは、電動送風機の排気風路に配置すればさらに小型化・軽量化が可能である。特に掃除機の場合電動送風機の吸い込み側には集塵室３０がありそこで塵埃がフィルタリングされ、清浄な排気風が得られるため、塵埃をきらう電力変換装置の冷却には適している。同様に整流回路５、昇圧コンバータ用ＩＧＢＴ８の放熱フィン、ファーストリカバリダイオード１２の放熱フィン、高周波インダクタ７も電動送風機の排気風路に配置すればさらに小型化・軽量化が可能である。
【００４５】
また、昇圧コンバータ高速モータに適用することで、５万ｒｐｍ以上の高速時に対しても必要充分な電圧を発生させることが可能となり、この電圧を後段のインバータへ供給することで充分な送風機出力を得る効果がある。
【００４６】
実施の形態２．
上記実施の形態では、ファーストリカバリダイオード１２を用いているが、炭化珪素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）等のワイドバンドギャップ半導体を用いたダイオードを用いることも可能である。
【００４７】
なお、ワイドバンドギャップ半導体とは、一般に、シリコンよりバンドギャップが大きい半導体の事を指し、例えば、ＳｉＣ、ダイヤモンド、ＧａＮ等が、ワイドバンドギャップ半導体として知られている。
【００４８】
ファーストリカバリダイオード１２に替えて、ワイドバンドギャップ半導体からなるダイオードを用いることにより、昇圧コンバータ用ＩＧＢＴ８がスイッチングしたときのリカバリー電流が低減でき、昇圧コンバータ用ＩＧＢＴ８及びファーストリカバリダイオード１２のスイッチング損失が低減でき、放熱フィンの小型化・軽量化が可能となる。またリカバリー電流低減によりスイッチングノイズも低減でき、先に述べた重量ウエートが大きなノイズフィルタ４も小型化・軽量化が可能となる効果がある。
【００４９】
実施の形態３．
これまで、昇圧回路に一般的な一石式ＤＣチョッパ回路を用い説明してきたが、ゼロ電流スイッチを行うインターリーブ型の昇圧コンバータを用いることも可能である。
【００５０】
これにより、スイッチング時の損失やノイズを低減でき、昇圧回路やノイズフィルタの小型化・軽量化が可能となる効果がある。
【００５１】
なお、二石以上のものや、交流側をスイッチングするコンバータ回路を用いても同様の効果が得られることはいうまでもない。
【００５２】
実施の形態４．
これまで電力変換回路の制御にマイコンを用いて説明してきたが、高速ロジックＩＣやアナログＩＣを用いることも可能である。
【００５３】
これにより、昇圧回路のスイッチングの高速化や、モータの高速回転化に有利でより小型化・軽量化が可能となる効果がある。
【００５４】
実施の形態５．
上記実施の形態ではモータとしてＢＬＤＣＭを用いたが、ＢＬＤＣＭに替えて誘導電動機を用いることも可能である。
【００５５】
誘導電動機もブラシを持たないため、同様の効果があることは言うまでもなく、さらに誘導電動機の場合ロータ内に磁石が必要ないため、高速回転時のロータの機械強度についてはＢＬＤＣＭに比べ有利となる。
【００５６】
実施の形態６．
本実施の形態では、ロータ停止位置により起動初期のモータトルクがばらついた場合であっても、モータが有効に起動する電圧条件の調整を行う。
【００５７】
図４は、インバータに印加される直流電圧の時間変化を示す図である。コンバータを起動させない場合、インバータに印加される直流電圧は、図４の点線のような時間変化を示す。交流電源電圧は１００Ｖ±１０％の範囲で変動しているので、これを全波整流すると１５４Ｖ（ＭＡＸ値）、１４０Ｖ（ＴＹＰ値）、１２６Ｖ（ＭＩＮ値）の母線電圧が出力される。そして、時刻ｔ１においてインバータが起動されると、インバータに印加される直流電圧は低下してしまうので、インバータの出力電圧も安定しなくなる。
【００５８】
このためロータの停止位置のばらつきだけでなく、商用の交流電源のばらつきも起動時のモータ始動トルクのばらつきに加わる。これによりモータ起動の信頼性が大きく低下する。直接使用者が起動を指示する掃除機や手乾燥装置では、起動を失敗した場合すぐにリトライしても使用者に違和感を与えてしまう事になる。またスイッチを押して即モータが起動しない場合も、ユーザに違和感を覚えさせてしまう。なお、時刻ｔ２以降はモータは定常回転を行う。
【００５９】
これを防ぐために、本実施の形態では、図４の実線に示したように、モータが起動する前の時刻ｔ０においてコンバータを起動して、モータ起動時刻ｔ１に所定の目標電圧（例えば１８０Ｖ）に到達するよう制御する。この目標電圧に整定後インバータを起動すれば起動時の直流電圧は商用の交流電源電圧に依存することなく一意に決まるため、起動の確率は飛躍的に向上する。なお回路構成は、図１と同様である。
【００６０】
動作について説明する。図５は、本実施の形態に係る制御フローチャート図である。
【００６１】
使用者がコンセントを電源に接続して電源を投入した（Ｓ１）後、マイクロコンピュータ２４がイニシャル処理を行う（Ｓ２）。イニシャル処理では、マイクロコンピュータ２４は、Ｈｚ信号回路２５からの信号によって、商用交流電源２の周波数を確認する。その後、マイクロコンピュータ２４は、コンバータを起動する（Ｓ３）。Ｓ４は、コンバータの出力電圧が整定するまで待つステップであり、例えば１０ｍｓｅｃ程度の間、コンバータの出力電圧が整定するのを待つ。
【００６２】
Ｓ５では、使用者が手元操作手段２２を適宜操作して運転スイッチを投入したか否かを
判別するステップであり、運転スイッチが投入されれば、マイクロコンピュータ２４は、インバータを起動することによりＢＬＤＣＭ１８を起動する（Ｓ６）。さらに、マイクロコンピュータ２４は、出力電圧の昇圧電圧が整定したのち、手元操作手段２２からの運転指令信号を受けると（Ｓ７）、手元操作手段２２で設定された吸い込み力となるように、インバータを制御することによりＢＬＤＣＭ１８を定常回転させる（Ｓ８）。
【００６３】
なお、コンバータの昇圧動作以降については、実施の形態１と同様である。
【００６４】
なお、起動時間を優先させる場合は、使用者がコンセントを入れたのち、事前にコンバータを起動させておき、使用者が手元のスイッチを入れたら即モータを起動するようにしてもよい。また、モータ停止時の回生により前記コンバータの昇圧電圧が目標値より上昇していた場合には、目標値に整定したのちモータの起動を行う。直流電源から低圧の制御電源を降圧させて作成すれば、前記回生による昇圧電圧が所定の電圧に到達する整定時間は短くなりなお良い。
【００６５】
なお、コンバータの直流電圧に対しインバータの出力電圧を一意になるようインバータの出力電圧をＰＷＭにより補正する手段も考えられるが、２極以上のモータで５万ｒｐｍ以上の回転数において、ＢＬＤＣＭ１８を磁極位置センサを用いないベクトル制御にて駆動するためには、電気的回転周波数１．２ｋＨｚに対し、１０倍以上の１２ｋＨｚ以上のキャリア周波数とする必要がある。１２ｋＨｚ以上のキャリア周波数の場合、１ｋＷクラスのインバータ主回路で許容されるインバータデットタイム４μｓｅｃであるのに対して、４．８％以上デットタイムによる電圧誤差が発生してしまう。この誤差の補正は単純なＰＷＭ補正では除去不能である。
【００６６】
このように５万ｒｐｍ以上の高速でＢＬＤＣＭを駆動する場合、直流母線電圧のばらつきの影響でインバータ出力電圧らつきが生じるため、コンバータの出力電圧制御により直流電圧を制御する構成が、起動性改善に対し非常に原理的に効果が高い。この効果は、上述した通り、モータ極数・回転数を上昇させるほど顕著になる。
【００６７】
先ほどの述べたデットタイムによる電圧誤差に対し、電流位相を検知してデットタイム補正をする方法も考えられるが、この場合電流位相の検知回路が必要となったり、補正のために制御用ＣＰＵの処理負荷が大きくなったりして、高速駆動との両立は難しい。また、シャント電流検出方式により電流位相を検知しようとした場合、特に起動時の電圧を低くする必要のある高速回転型送風機においては、シャント電流のリンギング時間に対し起動時のＰＷＭ幅が狭く、先に述べた１２ｋＨｚ以上の高キャリア周波数の場合電流検出が極めて難しく、正確に電流位相を検知し補正をかけることは難しい。
【００６８】
また、図４の点線に示されるように、コンバータを起動しなかった場合、モータ起動（ｔ１）から定常（ｔ２）に至る加速時においては、直流電圧が低下しさらにインバータの出力電圧はばらつく事になる。図４の実線に示されるように、コンバータ起動後モータを起動した場合、モータの加速中のインバータ出力電圧も毎回一意に決まるため、加速時の電圧変動に起因する条件ばらつきによる脱調もなくなる。前記脱調現象の場合脱調を検知して再起動を行う場合時間がかかり、ユーザへの不快感が大きい。特に起動速度を要求されかつユーザに起動失敗による不快感を与えてはいけない掃除機や手乾燥装置に適用した場合その効果が高い。
【００６９】
実施の形態６によれば、コンバータ出力電圧が整定後に、インバータを起動するため、安定した状態でモータを起動させることができるという効果がある。
【００７０】
また、本実施の形態では定常時もコンバータ回路の動作により直流電圧も高くできる。ブラシレスＤＣモータは回転数に比例して誘起電圧を発生するため、高速で回転させる場合それに打ち勝つ高電圧をインバータにより与える必要がある。しかしながら、インバータの出力電圧は入力の直流電圧で規定されるため、図４の実線の方がモータの高速化に有利である。先に述べたようにモータを高速化することで送風機とモータの径が同経化でき軽量化と容積効率が飛躍的に高まる掃除機用の電動送風機で効果が高い。
【００７１】
また、インバータ出力電圧が高い分、同一のモータ出力に対しモータ電流を低減できる。モータ電流の低減により、インバータＩＧＢＴとダイオード等のスイッチ素子の定常損失が低減でき、インバータ回路の重量部品である放熱フィンの重量が低減でき送風機とその駆動回路トータルの重量を低減できる。特に、使用者が自力で引っ張って移動させる掃除機では、軽いことで快適に掃除ができるという効果がある。
【００７２】
また、加速時もインバータの出力電圧を大きくできるため、モータから多くのトルクを発生でき、起動時間も短縮できる。特に乾燥時間の短縮が要求される業務用の手乾燥装置に対し効果が高い。
【００７３】
また、集塵フィルタ目詰まりや集塵室の圧力損失増大等でモータの負荷が軽くなった場合、モータ電流が低減し回路電流に余裕ができ、その分直流電圧を高め、目詰まり前より回転数を増速させることにより吸引力を維持する事ができ、フィルタ目詰まりを気にせず快適に掃除をすることができる。また、夜間等の低速運転時は昇圧しなくてもモータを回しきることができるので、起動後にコンバータの昇圧のためのスイッチングを停止し、効率を優先した運転も可能である。
【００７４】
なお、上記実施の形態では、商用電源を電力源とした例について述べてきたが、電力源にリチュームイオン電池や燃料電池等の低圧直流電源を用いたり、それらの直流電源と商用電源を併用したりして送風機を高速化し、軽量・小型化しつつ起動信頼性のあるモータ・圧縮機・回路トータルのシステム得ることかできる。また昇圧回路を用いた場合はさらなる高速化により大きな効果を得ることができる。
【００７５】
実施の形態７．
実施の形態６では、デットタイム誤差の影響が小さくなるよう、コンバータにより直流電圧を一定にすることで、起動時の信頼性を向上する方法について述べたが、デットタイム自体を小さくできるように、主回路素子をシリコンＩＧＢＴ（スイッチング時間μｓｅｃオーダー）から、高速のＭＯＳＦＥＴ（スイッチング時間１００ｎｓｅｃオーダー）やワイドギャップ半導体（スイッチング時間１０〜１００ｎｓｅｃオーダー）を用いることで、デットタイムの影響を小さくすることもできる。例えば、シリコンＩＧＢＴのデッドタイムは４μｓｅｃであるのに対し、高速ＭＯＳＦＥＴやワイドバンドギャップ半導体のデッドタイムは０．８μｓｅｃ以下であり、デッドタイム誤差を１％以下とする事ができる。これによっても、信頼性向上が可能となる効果がある。
【００７６】
ただし、実施の形態１で述べたシリコンＩＧＢＴと違い、シリコンＭＯＳＦＥＴでは、素子の電圧降下が電流に依存するため、この補正が必要となる。しかしながら、実施の形態１で述べた起動時等の狭幅ＰＷＭ条件では、電流の検出精度が確保できず、電圧誤差を補正しきれず、結局、直流電圧に依存した誤差が残る事になり、昇圧コンバータを用いて直流電圧を制御し、安定した後起動する方が起動の信頼性が高くなる。このため、素子の電圧降下が小さいワイドギャップ半導体を持いる方が、電圧降下自体が小さくなるため一層効果が高い。
【００７７】
実施の形態８．
これまでは、掃除機に適用した場合について述べてきたが、設置場所が狭いトイレや洗面所の壁や洗面台の上に固定され、手を乾燥する手乾燥装置においても、システムのサイズを小型化できるためＢＬＤＣＭを高速化してモータ・圧縮機・回路トータルサイズを小型化できる。
【００７８】
図６は、実施の形態８に係る手乾燥装置の縦断面図である。図６に示すように、背面６３０側が部屋の壁に取付けられる略直方体状の手乾燥装置６０１は、上方及び左右側方に開口する（左右側方は閉じていてもよい）略Ｕ字溝状の手挿入室６０２を有している。
【００７９】
手挿入室６０２の内壁面６０３は、第１の内壁面としての前面６０４と、略垂直な後下面６０７と、第２の内壁面としての、手挿入室６０２の奥側に向けて傾斜させた後上面６０６と、中央部を低くした底面６０８と、を有している。底面６０８の低くした中央部には、手から飛散した水を排水する排水口６０９が設けられており、排水口６０９には排水管６１０が接続され、排水管６１０の下端は排水タンク６１１に接続されている。
【００８０】
手挿入室６０２の前面６０４の上部と、前面６０４と底面６０８との角部には、それぞれ、手の挿入の有無を検出する第１、第２の手検出手段としての赤外線発光部６１２、６１４が設置されている。赤外線発光部６１２、６１４は、後上面６０６の中央部に設置された赤外線受光部６１３と協働して手の挿入の有無を検出する。
【００８１】
手乾燥装置６０１は、後述の第１、第２のノズル６１５、６１６に高圧空気を供給する給気ダクト６１８を備えている。給気ダクト６１８には、高圧空気供給装置６１９が接続されている。高圧空気供給装置６１９の吸気口６２０には、吸気中の埃等を除去する着脱可能なフィルタ６２１が備えられている。
【００８２】
手挿入室６０２の前面６０４（第１の内壁面）の上部には、後上面６０６（第２の内壁面）に向けて第１の空気流ａを噴出する第１のノズル６１５が設置され、後上面６０６（第２の内壁面）の上部には、前面６０４（第１の内壁面）に向けて第２の空気流ｃを噴出する第２のノズル６１６が設置されている。第１、第２のノズル６１５、６１６は、上下方向に位置をずらして、すなわち、第１のノズル６１５の位置を第２のノズル６１６の位置よりも下方（手挿入室６０２の奥側）にずらして設置している。
【００８３】
高圧空気供給装置６１９内には、ＢＬＤＣＭ６４０によって回転させられる送風ファン６４１が設けられている。この送風ファン６４１が回転することにより、給気ダクト６１８に高圧空気が供給される。
【００８４】
ここで、実施の形態１に係る電動送風機を用いれば、送風ファン６４１とＢＬＤＣＭ６４０は、共通の回転軸を持ち、両者の径の長さがほぼ等しくなるよう形成されているので、手乾燥装置としての高さを低くでき、洗面台上への直接設置を可能とすることもできる。また、ＢＬＤＣＭ６４０を高速化してモータ・圧縮機・回路トータルの重量を軽量化できるので、手乾燥装置６０１全体の軽量化を図ることもできる。
【００８５】
また、塵埃除去フィルタ６２１通過後の塵埃が除去された空気をコンバータ・インバータの放熱フィンとモータに通過させる構成とすれば、コンバータ・インバータ・モータの高圧主素子の冷却が効率的にでき、フィンサイズ・重量を軽量化できる。また、フィンから空気に移動した熱により、乾燥用にノズルから噴出す空気の温度が高まり、乾燥性能が高まるとともに、冬場の使用者の快適性が向上する。
【００８６】
特に、本発明で昇圧コンバータのスイッチングにより発生する発熱が、従来のパッシブ式や簡易スイッチングコンバータに比べ多くなるので、廃熱による乾燥性と快適性が高まる。また塵埃が除去された空気で放熱フィンを冷却するので、放熱フィンへの塵埃の付着がなく、フィンの方熱性能の経年劣化が発生しない効果がある。
【００８７】
実施の形態８によれば、実施の形態１に係る電動送風機を用いることにより、手乾燥装置としての高さを低くでき、洗面台上への直接設置を可能とする効果がある。また、モータ・圧縮機・回路トータルの重量を軽量化できるので、手乾燥装置６０１全体の軽量化を図ることもできるという効果がある。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
本発明は、電気掃除機や手乾燥装置のみならず、洗濯機に内蔵される衣類乾燥用ヒートポンプシステムや、ヒートポンプ式の浴室乾燥機等の、電動機と電力変換装置トータルの小型化・軽量化が特に求められる機器についても適用することが出来る。
【００８９】
また、天井裏や洗濯機の中に設置され、衣類を乾燥するためのヒートポンプシステムについても適用可能である。このようなシステムでは、設置場所の床の強度や天井裏の強度に対し、システムの重量を軽量化できるため、ＢＬＤＣＭを高速化してモータ・圧縮機・回路トータルの重量を軽量化することができる効果がある。
【００９０】
また、空調機の圧縮機電動機とその電力変換装置にも適用可能であり、同様に機器の小型化・軽量化の効果が得られる。
【符号の説明】
【００９１】
２  商用交流電源
４  ノイズフィルタ
５  整流回路
６ａ、６ｂ  電源電圧検出用分圧抵抗
７  高周波インダクタ
８  昇圧コンバータ用ＩＧＢＴ
９  フライホイールダイオード
１０  電流検出抵抗
１１  ＩＧＢＴ８用ゲートドライバ
１２  ファーストリカバリダイオード
１３  平滑コンデンサ
１４ａ、１４ｂ  昇圧コンバータ出力電圧検出用分圧抵抗
１５  インバータ部電流検出抵抗
１６ａ〜１６ｆ  インバータ用ＩＧＢＴ
１７ａ〜１７ｆ  フライホイールダイオード
１８  ＢＬＤＣＭ
２０  インバータ部ＩＧＢＴゲートドライバ
２２  手元操作手段
２３  クロック生成回路
２４  マイクロコンピュータ
２５  Ｈｚ信号回路
３０  集塵室
３１  電動機
３２  送風機
３３  電力変換装置回路基板
３４  コンセント
３５  後輪
３６  前輪
３７  塵埃吸引用ホース
３８  集塵フィルタ
３９  本体ケース
６０１  手乾燥装置
６０２  手挿入室
６０３  内壁面
６０４  前面
６０６  後上面
６０７  後下面
６０８  底面
６０９  排水口
６１０  排水管
６１１  排水タンク
６１２、６１４  赤外線発光部
６１３  赤外線受光部
６１５、６１６  ノズル
６１８  給気ダクト
６１９  高圧空気供給装置
６２０  吸気口
６２１  フィルタ
６３０  背面
６４０  ＢＬＤＣＭ
６４１  送風ファン
【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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