(57)【要約】【課題】ブラシレスモータを搭載したインバータ駆動式の電気掃除機において、軽負荷時のモータの過回転を防止することにより、送風ファンの過回転を防止した安全な電気掃除機を提供する。【解決手段】コンバータ部の昇圧回路により直流電圧を制御し、電気掃除機の消費電力を制御する。回転数上限Ｎａを設定し（ステップＳ１１）、実働回転数Ｎｂを検出する（ステップＳ１２）。回転数上限Ｎａと実働回転数Ｎｂを比較し（ステップＳ１３）、実働回転数Ｎｂの方が大きい場合には昇圧機能を禁止し（ステップＳ１４）、大きくない場合には昇圧機能を許可する（ステップＳ５）。昇圧機能を禁止することにより、直流電圧が低下され、モータの過回転を防止する。実働回転数Ｎｂは、ブラシレスモータの磁極位置検出回路の出力信号をマイコンで演算することにより検出可能である。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
送風ファン、及び当該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と、
前記ブラシレスモータの運転を制御する制御部と、
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、及び該直流電圧を交流電圧に変換して当該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を有する電源部と、
を備えた電気掃除機において、
前記コンバータ部は、前記直流電圧の昇圧機能を持つ昇圧回路を有しており、
前記制御部は、前記ブラシレスモータの実働回転数に応じて前記昇圧回路の昇圧機能を
許可あるいは禁止することを特徴とする電気掃除機。
【請求項２】
前記制御部は、前記ブラシレスモータの実働回転数が所定の値以上の場合に、前記昇圧機能を禁止することを特徴とする請求項１記載の電気掃除機。
【請求項３】
前記昇圧回路は、前記電源部の前記交流電源側に直列に接続されたリアクトルを介して前記交流電源を強制的に短絡通電させる昇圧回路であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気掃除機。
【請求項４】
前記制御部は、前記昇圧機能を許可の状態から禁止の状態に移行させる場合、前記短絡通電時間を速やかにゼロとすることを特徴とする請求項３に記載の電気掃除機。
【請求項５】
前記制御部は、前記昇圧機能を禁止の状態から許可の状態に移行させる場合、前記短絡通電時間を徐々に長くすることを特徴とする請求項３に記載の電気掃除機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気掃除機に関し、特にインバータ駆動によるブラシレスモータを用いた電気掃除機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の掃除機においては、コンパクトな形状で高い吸込み力を実現するために、高効率であって、回転数２００００ｒｐｍを超える高速で回転する整流子モータと、当該整流子モータによって駆動され高速回転によって大きな吸い込み風量及び真空圧を発生する吸い込みファンとを一体化した送風機が使用されている。整流子モータにおいては、回転子が巻線タイプの電機子であることから、電機子に固定して設けられたブラシが高速回転する整流子に接触することで、回転子の巻線に電流が供給される。
【０００３】
掃除機の整流子モータにおいては、ブラシとして、通常、カーボンブラシが採用されている。ブラシと整流子が接触していることから、運転時間が経過するに連れてブラシが消耗し、ブラシの屑であるカーボン微粒子が周囲に飛散する。掃除機外部にカーボン屑を放出させないためには、吸込用ファンモータの排気部にカーボン屑除去用のフィルタを設置する必要がある。
【０００４】
カーボン屑除去用のフィルタの設置はコストアップ要因になるため、このようなフィルタに依存しない対策として整流子モータの代わりにブラシレスモータを搭載することが考えられる。ブラシレスモータを用いれば、カーボン微粒子が飛散しないことは自明である。特許文献１にはブラシレスモータを使用した掃除機が開示されている。
【０００５】
特許文献２には、交流電流指令波形を使用せずに簡単な回路構成によって交流電源を整流して直流に変換し、力率の改善が可能な昇圧回路が開示されている。ここでは、昇圧回路はエアコンに適用されており、その結果、エアコンにおいて、圧縮機モータに供給する電力を増大することができ、空調能力を格段に向上している。このような昇圧回路を掃除機に適用した場合も、同様に、送風ファンを駆動するブラシレスモータに供給する電力を増大することができ、吸い込み能力を向上することが可能となる。
【０００６】
また、昇圧回路により電源力率を大きく向上することが可能であるため、従来の昇圧回路なしのブラシレスモータ掃除機に比べ、リアクトルのインダクタンスを小さくできることから、リアクトルの軽量小型化が図れる。その結果、従来のブラシレスモータ掃除機に比べ、掃除機の軽量化を図ることができるという特徴がある。
【特許文献１】特公平４−６３６８５号公報
【特許文献２】特開平９−２６６６７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
電気掃除機の消費電力が予め設定された所定値である条件下では、ブラシレスモータの実働回転数は、例えば、掃除機本体のフィルタの目詰まりや吸口が床面に接している時の被掃除面の変化等の電気掃除機の負荷変化に応じて変化する。即ち、負荷が軽いと実働回転数が増加し、負荷が重くなると実働回転数が減少する。例えば、吸口にカーテンなどが吸込まれ、吸口がほぼ閉じられた状態となった場合、負荷は急に減少し、実働回転数は急上昇する。そのため、送風ファンの回転数も急上昇し、送風ファンの許容機械的強度以上の回転数で回転する可能性があり、安全性の面で問題が発生する。
【０００８】
特に特許文献２に開示されているような昇圧回路を有する場合には、昇圧回路を有しない場合とは異なり、直流電圧を昇圧することによって負荷が大きい場合でも高速回転が可能である。かかる昇圧回路を電気掃除機に適用する場合、高速回転時には大きな吸い込み能力が得られるが、その分、負荷が小さい場合に過回転となってしまう危険性が高い。しかしながら、特許文献２に開示されている昇圧回路技術では、掃除機に適用される場合に遭遇するような負荷の急激な減少が考慮されておらず、過回転の防止対策については何ら開示されていない。
【０００９】
そこで、ブラシレスモータとインバータ技術とを組み合わせた電気掃除機において、ブラシレスモータに供給する電力を増大させて吸い込み能力を向上するために直流電圧の昇圧機能を持つ昇圧回路を有するときに、昇圧回路の常時作動を回避可能として、負荷の急激な減少時におけるブラシレスモータの過回転を防止する点で解決すべき課題がある。
【００１０】
本発明の目的は、インバータ制御され、且つ整流子モータの持つカーボン屑飛散を解消した清潔なブラシレスモータを搭載し、昇圧機能を持つコンバータ回路を有した電気掃除機において、軽負荷時のモータの過回転を防止することにより、送風ファンの過回転を防止した安全な電気掃除機を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明による電気掃除機は、送風ファン、及び当該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と、前記ブラシレスモータの運転を制御する制御部と、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、及び該直流電圧を交流電圧に変換して当該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を有する電源部と、を備えた電気掃除機であって、前記コンバータ部は、前記直流電圧の昇圧機能を持つ昇圧回路を有しており、前記制御部は、前記ブラシレスモータの実働回転数に応じて前記昇圧回路の昇圧機能を許可あるいは禁止することを特徴とする。
【００１２】
この電気掃除機によれば、コンバータ部は直流電圧の昇圧機能を持つ昇圧回路を有しているので、制御部が昇圧回路の昇圧機能を許可している状態ではブラシレスモータに供給する電力を増大させて吸い込み能力を向上することができるが、負荷の急激な減少時には、ブラシレスモータの実働回転数に応じて昇圧回路の昇圧機能を禁止することができるので、ブラシレスモータによる送風ファンの過回転を防止することができる。
【００１３】
前記電気掃除機において、前記制御部は、前記ブラシレスモータの実働回転数が所定の値以上の場合に、前記昇圧機能を禁止することができる。負荷の急激な減少時にはブラシレスモータの実働回転数が急上昇するが、ブラシレスモータの実働回転数が所定の値以上に上昇することが検知されたときに、制御部は当該昇圧機能を禁止するという簡単な構成で、ブラシレスモータの実働回転数を低下させて送風ファンが過回転になるのを防止することができる。
【００１４】
また、前記昇圧回路は、前記電源部の前記交流電源側に直列に接続されたリアクトルを介して前記交流電源を強制的に短絡通電させる昇圧回路とすることができる。この電気掃除機において、交流電源を強制的に短絡通電させた場合には、簡単な構成で昇圧回路が実現できる。また、高周波でスイッチングを行うには、一般にアクティブフィルタ方式と呼ばれる方法が用いられるのに対して、本発明は電源半周期の間に、１回スイッチングする手法であり、スイッチング損失が少なくなるため、回路損失の低減が図れる。
【００１５】
前記昇圧回路がリアクトルを介して交流電源を強制的に短絡通電させる回路である前記電気掃除機において、前記制御部は、前記昇圧機能を許可の状態から禁止の状態に移行させる場合、前記短絡通電時間を速やかにゼロとすることができる。昇圧機能が許可の状態から禁止の状態に移行する場合は、短絡通電時間をすみやかにゼロとすることにより、吸口にカーテンなどが吸込まれ、吸口がほぼ閉じられた状態となるような負荷の急激な減少に対してもすばやく反応できる。
【００１６】
前記昇圧回路がリアクトルを介して交流電源を強制的に短絡通電させる回路である前記電気掃除機において、前記制御部は、前記昇圧機能を禁止の状態から許可の状態に移行させる場合、前記短絡通電時間を徐々に長くすることができる。吸込口が開いた状態となりブラシレスモータの実働回転数が次第に大きくなることで、負荷が掛かるようになることが検出されると、昇圧機能が禁止の状態から許可の状態に移行される。この場合には、前記短絡通電時間を徐々に長くすることにより、モータを緩やかに加速することができ、騒音・振動の発生を軽減できる。
【発明の効果】
【００１７】
この発明による電気掃除機によれば、ブラシレスモータを用いることにより、従来の整流子モータを使用した電気掃除機で課題であった、ブラシの寿命が短いという問題やカーボン屑が発生するといった問題を解消することができる。また、ブラシレスモータを用いることにより、従来の整流子モータを使用した電気掃除機に比べモータ効率を向上することができる。
【００１８】
この発明による電気掃除機によれば、更に昇圧回路を設けたことにより、ブラシレスモータに供給する電力を増大することができ、吸い込み能力を向上することができる。また、昇圧回路により電源力率を大きく向上することが可能であるため、従来の昇圧回路無しのブラシレスモータ掃除機に比べ、リアクトルのインダクタンスを小さくできることから、リアクトルの軽量小型化を図ることができる。そのため、従来のブラシレスモータ掃除機に比べ、吸い込み能力の向上と掃除機の軽量化を図ることができる。更に、軽負荷時のモータの過回転を防止することにより、送風ファンの過回転を防止した安全な電気掃除機を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１には、掃除機用ブラシレスモータ駆動装置が示されている。昇圧回路は、交流電源１に直列に接続されたリアクトル７と、このリアクトル７の後段に接続され且つダイオードのブリッジ回路から構成される第１整流器９と、この第１整流器９に並列接続され且つ交流電源１を短絡開放する第１スイッチング素子１０及びその第１ドライブ回路１１とから構成されている。
【００２０】
コンバータ部２は、この昇圧回路とリアクトル７の後段に接続され且つダイオードブリッジ回路から構成される第２整流器１２と、この第２整流器１２の直流側に並列接続されたコンデンサの直列体からなる倍電圧コンデンサ１５ａ，１５ｂとから構成されている。
【００２１】
モータ駆動回路は、コンバータ部２に発生する直流電圧を電源とし、ブラシレスモータ３に回転磁界を与えて駆動するために該直流電圧から変換した交流電圧をブラシレスモータに供給するインバータ部４と、インバータ部４の第２ドライブ回路１４とから構成されている。電源部は、上記のコンバータ部２とインバータ部４を有している。
【００２２】
ここで、インバータ部４は、３相バイポーラ接続された第２スイッチング素子１３ｕ〜１３ｚ、フライホイール・ダイオードなどにより構成されている。第２スイッチング素子について詳しくは、１３ｕはＵ相上側に接続されたＩＧＢＴ、１３ｖはＶ相上側に接続されたＩＧＢＴ、１３ｗはＷ相上側に接続されたＩＧＢＴ、１３ｘはＵ相下側に接続されたＩＧＢＴ、１３ｙはＶ相下側に接続されたＩＧＢＴ、１３ｚはＷ相下側に接続されたＩＧＢＴである。
【００２３】
演算制御手段としてのマイコン６は、交流電源１の交流電圧を検出する交流電圧検出回路１６と交流電源１の交流電流を検出する交流電流検出回路１７の出力信号から所定の演算処理を行って、交流電源からの入力電力（これを実働入力Ｐｂとする）を算出する。また、交流電源のゼロクロス点検出回路８の出力信号、ブラシレスモータ３の磁極位置検出回路５の出力信号、及び図示しない上位制御装置からのブラシレスモータ運転制御指令を入力して、所定の制御演算を行って、昇圧回路の第１スイッチング素子１０を短絡開放する第１ドライブ回路１１への動作信号出力、及びブラシレスモータ３を駆動する第２のドライブ回路１４への動作信号出力を行う。
【００２４】
次に、コンバータ部２の詳細な動作を説明する。第１スイッチング素子１０が開放のままのコンバータ部２は通常の倍電圧整流回路であるため、交流電源１の電圧が１００Ｖの場合、得られる直流電圧は、理論的には、１００×１．４１×２＝２８２（Ｖ）である。しかし、リアクトル７の電圧降下等があるため、ブラシレスモータ３の駆動時は、直流電圧は２２０Ｖ程度となる。そこで、昇圧回路を用いて直流電圧を昇圧する。
【００２５】
図２、図３、図４を用いて昇圧回路の動作を説明する。ゼロクロス検出回路８で入力電圧のゼロクロス点を検出し、５００μｓ程度の予め設定した遅延時間Ｔ１の後、第１スイッチング素子１０を短絡する。
【００２６】
更に、短絡時間Ｔ２の後、第１スイッチング素子１０を開放する。その後、次のゼロクロス点を検出し、この前記の動作を繰り返す。図３の短絡時間と直流電圧との関係を表す実験結果のように、この短絡時間Ｔ２を長くすると直流電圧の昇圧の程度は大きくなる。直流電圧を制御することにより、モータ電圧の制御が可能となる。モータ電圧が大きくなるとモータ入力も大きくなり、ひいては、実働入力Ｐａも大きくなる。逆に、モータ電圧が小さくなるとモータ入力も小さくなり、ひいては、実働入力Ｐａも小さくなる。つまり、短絡時間Ｔ２の増減により、実働入力Ｐｂの制御が可能である。
【００２７】
この短絡時間Ｔ２の制御は、マイコン６におけるソフトウェアで実行される。図４の短絡時間制御のフローチャートに示すように、指令入力Ｐａを設定し（ステップＳ１）、次に実働入力Ｐｂを検出する（ステップＳ２）。次に、ＰａとＰｂを比較し（ステップＳ３）、Ｐｂの方が大きい場合は、短絡時間Ｔ２を減少し（ステップＳ４）、Ｐｂの方が大きくない場合は、短絡時間Ｔ２を増加する（ステップＳ５）。
【００２８】
次にインバータ部４の詳細な動作を説明する。掃除機用ブラシレスモータを運転するための電力は、モータ駆動装置に接続された交流電源１から供給される。その交流入力はコンバータ部２により直流化され、インバータ部４へ入力される。マイコン６は、ブラシレスモータ３を駆動するための駆動信号を、ロータ位置検出部５からの位置信号を用いて演算生成し、第２ドライブ回路１４へ出力する。
【００２９】
そこで駆動信号はＩＧＢＴ駆動電圧に変換され、１３ｕ，１３ｖ，１３ｗ，１３ｘ，１３ｙ，１３ｚのＩＧＢＴスイッチングを行う。このようにしてインバータ部４からの交流電圧によってブラシレスモータ３には回転磁界が与えられ、ブラシレスモータ３は負荷が作用しているなかで回転駆動されることで電力が供給されて、掃除機が運転される。
【００３０】
ここで、インバータ部４は、１２０度通電形インバータであり、ロータ位置信号とインバータ駆動信号の関係は図５のようになる。マイコン６は、ロータ位置信号に基づき、インバータ駆動信号を作成する。インバータ駆動信号は、例えばロータ位置信号Ｈｕの立ち上がりエッジが検出されれば、Ｕ相上側のスイッチング素子（図１では１３ｕ）をＯＮさせる。次にＨｖの立ち上がりエッジが検出されると、Ｕ相上側のスイッチング素子１３ｕをＯＦＦさせ、Ｖ相上側のスイッチング素子１３ｖをＯＮさせる。また、Ｈｗの立ち下がり信号が検出されると、Ｖ相下側のスイッチング素子１３ｙからＷ相下側のスイッチング素子１３ｚを転流させる。このようにロータ位置信号のエッジを検出する毎に順次インバータ回路のスイッチング素子が転流され、ブラシレスモータ３は、位相が順次ずれた交流電圧が印加されて回転磁界が与えられることで、駆動される。
【００３１】
このように、電気掃除機の実働入力Ｐｂが、指令入力Ｐａとなるように制御されている条件下において、ブラシレスモータの実働回転数は、例えば、掃除機本体のフィルタの目詰まり程度や吸口が床面に接している時の被掃除面の広さに代表されるような電気掃除機の負荷の変化に応じて変化する。図６は、指令入力Ｐａ＝１０００Ｗの場合の、従来例の吸い込み風量（負荷）と消費電力及び回転数の関係の一例である。負荷が軽いと実働回転数が増加し、負荷が重くなると実働回転数が減少する。
【００３２】
ここで、吸口にカーテンなどが吸い込まれ、吸口がほぼ閉じられた状態となった場合、負荷は激減し、実働回転数は急上昇する。そのため、送風ファンの回転数も急上昇し、送風ファンの許容機械的強度以上の回転数で回転する可能性があり、安全性の面で問題が発生する。そこで、回転数の過回転を防止するため、ブラシレスモータの実働回転数が所定の値以上の場合には、昇圧機能を禁止することにより、直流電圧を小さくする。これにより、モータ電圧が小さくなり、ひいては、モータ回転数も小さくなる。
【００３３】
この昇圧機能における許可／禁止の制御は、マイコン６のソフトウェアで実行される。図７には、昇圧機能の許可／禁止の制御のフローチャートが示されている。このフローチャートによれば、回転数上限Ｎａを設定し（ステップＳ１１）、次に実働回転数Ｎｂを検出する（ステップＳ１２）。次に、回転数上限Ｎａと実働回転数Ｎｂを比較し（ステップＳ１３）、実働回転数Ｎｂの方が大きい場合には昇圧機能を禁止し（ステップＳ１４）、大きくない場合には昇圧機能を許可する（ステップＳ５）。ここで、実働回転数Ｎｂは、ブラシレスモータ３の磁極位置検出回路５の出力信号をマイコン６で演算することにより検出できる。また、昇圧機能の禁止は、短絡時間Ｔ２をゼロとすることで実現できるが、昇圧機能が許可の状態から禁止の状態に移行する場合は、短絡通電時間を徐々に短くするのではなく、速やかにゼロとすることにより、吸口にカーテンなどが吸込まれ、吸口がほぼ閉じられた状態となるような負荷の急激な減少に対しても素早く反応できる。なお、回転数上限Ｎａは、ブラシレスモータ及び送風ファンの許容機械的強度を考慮して設定すると良い。
【００３４】
図８は、指令入力Ｐａ＝１０００Ｗ、回転数上限Ｎａ＝４００００ｒ／ｍｉｎの場合の本発明の吸い込み風量（負荷）と消費電力及び回転数の関係の一例である。本発明による電気掃除機により、吸い込み風量（負荷）が小さくなった場合でも、実働回転数を回転数上限以下に抑えることができる。
また、負荷の状態が変化し、昇圧機能が禁止の状態から許可の状態に移行する場合は、前記短絡通電時間を徐々に長くすることにより、モータを緩やかに加速することができ、騒音・振動の発生を軽減できる。
更に、起動時などの非常に低い回転数において、直流電圧の制御では安定駆動できない恐れがある場合には、ブラシレスモータ３を駆動するための駆動信号をＰＷＭ制御することで、モータ電圧を調整することにより、スムーズに安定駆動させることができる。なお、ＰＷＭ制御を使用するのは起動時などの低い回転数のみであるため、制御装置には高機能な装置は不要で、スイッチング損失が大きく発生することもない。
【００３５】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で上記実施形態に多くの修正及び変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明に係る電気掃除機において、掃除機用ブラシレスモータ駆動装置の概略構成を示す図。
【図２】本発明に係る電気掃除機の昇圧回路の動作を説明するための図。
【図３】本発明に係る電気掃除機の昇圧回路の特性を示す図。
【図４】本発明における短絡時間制御のフローチャート。
【図５】本発明におけるロータ位置信号とインバータ駆動信号の関係を示す図。
【図６】従来例の吸い込み風量（負荷）と消費電力及び回転数の関係の一例。
【図７】本発明における昇圧機能の許可／禁止の制御のフローチャート。
【図８】従来例の吸い込み風量（負荷）と消費電力及び回転数の関係の一例。
【符号の説明】
【００３７】
１  交流電源                        ２  コンバータ部
３  ブラシレスモータ                ４  インバータ部
５  磁極位置検出回路                ６  マイコン
７  リアクトル                      ８  ゼロクロス点検出回路
９  第１整流器                    １０  第１スイッチング素子
１１  第１ドライブ回路              １２  第２整流器
１３ｕ〜１３ｚ  第２スイッチング素子
１４  第２ドライブ回路              １５ａ，１５ｂ  倍電圧コンデンサ
１６  交流電圧検出回路              １７  交流電流検出回路
【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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