(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファンと、
複数相の巻線を有し前記ファンを駆動するブラシレスモータと、
このブラシレスモータを駆動するインバータ装置とを備えて構成され、
前記インバータ装置は、
前記ブラシレスモータが有するロータの回転位置を検出する位置検出手段と、
交流電源を入力としその電圧を全波整流して得た全波整流電圧を出力する整流手段と、
交流電源電圧のゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出手段と、
この検出されたゼロクロス点と電圧指令とに基づいて、前記交流電源電圧に同期し且つ前記電圧指令に応じた幅を有する期間有効となる通電幅信号を生成する通電幅信号生成手段と、
前記通電幅信号が有効となる期間において、前記検出されたロータの回転位置に基づいて前記複数相の巻線に通電するための通電信号を生成する通電信号生成手段と、
前記整流手段から出力される全波整流電圧を入力とし前記通電信号に基づいて前記複数相の巻線に通電するインバータ主回路とを備えて構成されていることを特徴とする電気掃除機。
【請求項２】
複数相の巻線を有するブラシレスモータを駆動するインバータ装置において、
交流電源を入力としその電圧を全波整流して得た全波整流電圧を出力する整流手段と、
前記交流電源電圧のゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出手段と、
この検出されたゼロクロス点と電圧指令とに基づいて、前記交流電源電圧に同期し且つ前記電圧指令に応じた幅を有する期間有効となる通電幅信号を生成する通電幅信号生成手段と、
前記ブラシレスモータが有するロータの回転位置を検出する位置検出手段と、
前記通電幅信号と前記検出されたロータの回転位置とに基づいて、前記通電幅信号が有効となる期間において前記複数相の巻線に通電するための通電信号を生成する通電信号生成手段と、
前記整流手段から出力される全波整流電圧を入力とし前記通電信号に基づいて前記複数相の巻線に通電するインバータ主回路とを備えて構成されていることを特徴とするインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、集塵用のファンをブラシレスモータで駆動するように構成した電気掃除機、およびブラシレスモータを駆動するためのインバータ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、家電機器などに用いられるモータには、可変速範囲が広くモータ効率が高いブラシレスモータの採用が進んでおり、このブラシレスモータを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】
例えば、電気掃除機においては、従来はファンが交流整流子電動機により駆動されていた。しかし、電気掃除機のファンは広範囲の可変速が要求されることから、交流整流子電動機が有する可変速能力では不足する場合があった。そこで、近年においては、例えば特開昭６３−９５８８４号公報、特開昭６３−２４９４８８号公報、特開平７−３３７０６７号公報などに開示されているように、ファンをインバータ装置で制御されるブラシレスモータで駆動するように構成したものが提案されている。
【０００４】
以下、図４を参照しながら、家電機器などに用いられる一般的なインバータ装置の構成について簡単に説明する。
インバータ装置の電気的構成を示す図４において、インバータ装置１は、直流電源回路２、インバータ主回路３、および制御回路４から構成されている。このうち直流電源回路２は、交流電源５（例えば単相１００Ｖの商用電源）の一方の電源線に接続された力率改善用のリアクトル６、このリアクトル６を介して交流電源５の両電源線に接続されたダイオードブリッジ７、およびダイオードブリッジ７の整流出力端子間に接続された平滑用のコンデンサ８から構成されている。また、インバータ主回路３は、ＩＧＢＴ９ａ〜９ｆと還流ダイオード１０ａ〜１０ｆとを三相ブリッジ接続した周知の電圧形インバータとして構成され、このインバータ主回路３の出力端子にはブラシレスモータ１１の巻線１１ｕ〜１１ｗの端子が接続されている。
【０００５】
ブラシレスモータ１１には、ロータの回転位置を検出しそれを位置信号として出力する位置検出素子１２ｕ〜１２ｗが設けられている。波形合成回路１３は、通電信号生成回路１４が位置信号に基づいて生成した通電信号Ｄup〜Ｄwnと、ＰＷＭ回路１５が電圧指令に基づいて生成したＰＷＭ信号とを合成してＰＷＭ制御された通電信号Ｆup〜Ｆwnを得、その通電信号Ｆup〜Ｆwnを駆動回路１６を介してＩＧＢＴ９ａ〜９ｆのゲートに印加するようになっている。
【０００６】
以上の構成により、ブラシレスモータ１１の巻線１１ｕ〜１１ｗには電圧指令に応じた三相交流電圧が印加され、家電機器における種々の負荷（例えばファン）が接続されたブラシレスモータ１１が回転駆動されるようになっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記構成においては、直流電源回路２において交流電源５の交流電圧から直流電圧を得るために、力率改善用のリアクトル６および平滑用のコンデンサ８が必要となる。しかしながら、リアクトル６の体積と重量、およびコンデンサ８の体積は大きく、これが機器全体としての体積と重量が増加する原因となっていた。特に、電気掃除機などのように移動させながら使用する機器にあっては、体積、重量の増加は使用者の使い勝手を悪化させるという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、小型且つ軽量の電気掃除機を提供すること、およびブラシレスモータを用いた一般の電気機器に適用可能な小型且つ軽量のインバータ装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載した電気掃除機は、ファンと、複数相の巻線を有し前記ファンを駆動するブラシレスモータと、このブラシレスモータを駆動するインバータ装置とを備えて構成され、
前記インバータ装置は、前記ブラシレスモータが有するロータの回転位置を検出する位置検出手段と、交流電源を入力としその電圧を全波整流して得た全波整流電圧を出力する整流手段と、交流電源電圧のゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出手段と、この検出されたゼロクロス点と電圧指令とに基づいて、前記交流電源電圧に同期し且つ前記電圧指令に応じた幅を有する期間有効となる通電幅信号を生成する通電幅信号生成手段と、前記通電幅信号が有効となる期間において、前記検出されたロータの回転位置に基づいて前記複数相の巻線に通電するための通電信号を生成する通電信号生成手段と、前記整流手段から出力される全波整流電圧を入力とし前記通電信号に基づいて前記複数相の巻線に通電するインバータ主回路とを備えて構成されていることを特徴とする。
【００１０】
この構成によれば、インバータ主回路は、整流手段が交流電源電圧を全波整流して得た全波整流電圧を入力電圧としてブラシレスモータの巻線への通電を行うので、従来交流電源と整流手段との間に挿入されていた力率改善などを目的とするリアクトルおよび平滑用のコンデンサが不要となる。これにより、電気掃除機を小型軽量化することができ、使用者の使い勝手が向上する。
【００１１】
この場合、インバータ装置は、交流電源電圧のゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出手段と、この検出されたゼロクロス点と電圧指令とに基づいて前記交流電源電圧に同期し且つ前記電圧指令に応じた幅を有する期間有効となる通電幅信号を生成する通電幅信号生成手段とを備え、通電信号生成手段は、前記通電幅信号が有効となる期間において通電信号を生成するように構成されている。
【００１２】
この構成によれば、通電信号生成手段は、検出されたゼロクロス点により交流電源電圧との同期をとり、電圧指令に応じた期間だけ通電信号を生成してブラシレスモータの巻線への通電を行うので、電圧指令に応じた電圧が巻線に印加され、ブラシレスモータを可変速可能に駆動することができる。
【００１３】
また、上記目的を達成するため、請求項２に記載したインバータ装置は、複数相の巻線を有するブラシレスモータを駆動するインバータ装置において、
交流電源を入力としその電圧を全波整流して得た全波整流電圧を出力する整流手段と、前記交流電源電圧のゼロクロス点を検出するゼロクロス点検出手段と、この検出されたゼロクロス点と電圧指令とに基づいて、前記交流電源電圧に同期し且つ前記電圧指令に応じた幅を有する期間有効となる通電幅信号を生成する通電幅信号生成手段と、前記ブラシレスモータが有するロータの回転位置を検出する位置検出手段と、前記通電幅信号と前記検出されたロータの回転位置とに基づいて、前記通電幅信号が有効となる期間において前記複数相の巻線に通電するための通電信号を生成する通電信号生成手段と、前記整流手段から出力される全波整流電圧を入力とし前記通電信号に基づいて前記複数相の巻線に通電するインバータ主回路とを備えて構成されていることを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、上記した作用と同様の作用により、ブラシレスモータの巻線に印加する電圧を電圧指令に応じた値に制御でき、しかもリアクトルおよび平滑用のコンデンサが不要となるのでインバータ装置を小型軽量化することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電気掃除機の一実施形態について、図１ないし図３を参照しながら説明する。
図２は、電気掃除機の概略的な横断面図を示している。この図２において、電気掃除機の本体２１内には、ブラシレスモータ２２とそのブラシレスモータ２２を駆動するためのインバータ装置２３が設けられており、ブラシレスモータ２２の回転軸２２ａには集塵用のファン２４が取り付けられている。また、本体２１内には、吸込口２５に通じる孔部２１ａとファン２４との間に位置して集塵室２６が設けられている。さらに、電気掃除機の操作部（図示せず）には、例えば運転スイッチ、停止スイッチ、および吸引力を複数段階（例えば４段階）に設定可能な能力可変スイッチが設けられている。なお、本体２１の移動が容易となるように、本体２１には１対の車輪２７、２７が設けられている。
【００１６】
ファン２４の回転によって吸込口２５から空気とともに吸い込まれた塵は、本体２１内に設けられた図示しないフィルタの集塵作用によって集塵室２６内に集められる。そして、清浄化された空気は、ブラシレスモータ２２の内部を通過してブラシレスモータ２２の冷却に寄与した後、本体２１の後部から外部へ排出されるようになっている。
【００１７】
続いて、本体２１に収納された上記インバータ装置２３の電気的構成について図１に基づいて説明する。インバータ装置２３は、整流手段としての整流回路２８、インバータ主回路２９、および制御回路３０から構成されている。整流回路２８は例えばダイオードブリッジ２８ａから構成されており、その交流入力端子には交流電源３１（例えば単相１００Ｖの商用電源）が接続され、その整流出力端子には正側電源線３２ｐおよび負側電源線３２ｎを介してインバータ主回路２９が接続されている。ここで、本インバータ装置２３の一つの特徴として、交流電源３１と整流回路２８との間には力率改善用のリアクトルは挿入されておらず、また正側電源線３２ｐと負側電源線３２ｎとの間には平滑用のコンデンサは接続されていない。
【００１８】
インバータ主回路２９は、スイッチング素子例えばＩＧＢＴ３３ａ〜３３ｆと、これらＩＧＢＴ３３ａ〜３３ｆに対しそれぞれ通電方向が逆方向となる向きに並列接続される還流ダイオード３４ａ〜３４ｆとを三相ブリッジ接続して構成されている。このインバータ主回路２９の出力端子３５ｕ、３５ｖ、３５ｗは、それぞれブラシレスモータ２２の巻線２２ｕ、２２ｖ、２２ｗの各端子に接続されている。
【００１９】
そのブラシレスモータ２２は、巻線２２ｕ、２２ｖ、２２ｗが巻回されたステータ２２ｓ（図２参照）と永久磁石が配設されたロータ２２ｒ（図２参照）とを備えて構成されており、ロータ２２ｒの回転位置を検出するために例えばホール素子からなる３つの位置検出素子３６ｕ、３６ｖ、３６ｗ（本発明における位置検出手段に相当）が設けられている。この位置検出素子３６ｕ、３６ｖ、３６ｗからは、ロータ２２ｒの回転位置に対応してハイレベルまたはロウレベルを有する位置信号Ｓu 、Ｓv 、Ｓw （図３参照）が出力されるようになっている。
【００２０】
さて、上記インバータ主回路２９を制御する制御回路３０は、マイクロコンピュータを主体として以下のように構成されている。すなわち、通電信号生成手段としての通電信号生成回路３７は、位置信号Ｓu 、Ｓv 、Ｓw を入力し、それらを論理演算して１２０°通電方式に従った通電信号Ｄup、Ｄun、Ｄvp、Ｄvn、Ｄwp、Ｄwn（図３参照）を生成する。また、ゼロクロス点検出手段としてのゼロクロス点検出回路３８は、交流電源３１の交流電圧についてゼロクロス点を検出し、その検出時点においてハイレベルとなるパルス状のゼロクロス信号を出力するようになっている。
【００２１】
通電幅信号生成手段としての通電幅信号生成回路３９は、上記ゼロクロス点が検出される毎に、そのゼロクロス点から電圧指令Ｓv に応じた幅だけ有効レベルとしてのハイレベルとなる通電幅信号Ｓonを生成する。そして、上記通電信号生成回路３７とともに通電信号生成手段を構成する波形合成回路４０は、生成された通電信号Ｄup〜Ｄwnと通電幅信号Ｓonとを波形合成して通電信号Ｇup〜Ｇwnを生成し、その通電信号Ｇup〜Ｇwnを駆動回路４１を介してＩＧＢＴ３３ａ〜３３ｆの各ゲートに印加するように構成されている。なお、通電信号Ｄup〜Ｄwnと通電信号Ｇup〜Ｇwnは、ハイレベルがＩＧＢＴ３３ａ〜３３ｆのオンに対応し、ロウレベルがオフに対応するようになっている。
【００２２】
次に、本実施形態の作用について図３も参照しながら説明する。
電気掃除機の操作部の停止スイッチがオンになると、操作部から通電幅信号生成回路３９に対し出力電圧０％の電圧指令Ｓv が与えられ、操作部の運転スイッチがオンになると、操作部から通電幅信号生成回路３９に対し能力可変スイッチの状態に応じて出力電圧０％から１００％の間の所定の電圧指令Ｓv が与えられる。この場合、吸引能力が高いほど電圧指令値が大きくなり、能力可変可能な４段階のうち「最大能力」に設定された場合には例えば１００％の電圧指令Ｓv 、つまりインバータ主回路２９が出力し得る最大電圧が指令されるようになっている。また、電圧指令Ｓv が０％の場合には、通電幅信号Ｓonの信号幅が０となることから、波形合成回路４０は通電信号Ｇup〜Ｇwnの出力を禁止し、巻線２２ｕ、２２ｖ、２２ｗへの通電は停止する。
【００２３】
図３には、交流電源３１の半周期毎に電圧指令値が増加する場合の各部の波形が示されている。この図３において、例えば５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの周波数を有する交流電源３１の交流電圧は、整流回路２８で全波整流されて全波整流電圧となる。通電幅信号生成回路３９は、ゼロクロス信号が入力される交流電源３１の半周期毎に、そのゼロクロス点を始点として電圧指令Ｓv に対応した時間幅だけハイレベルとなる通電幅信号Ｓonを生成する。この通電幅信号Ｓonのハイレベル（有効レベル）の幅（通電幅）は、次式により演算される。
通電幅［秒］＝電圧指令値×（１／電源周波数）／２            …(1)
ただし、電圧指令値：０（０％）〜１（１００％）
【００２４】
図３においては、期間１が「最低能力」の場合を示し、期間４が「最大能力」の場合を示し、期間２および３がこれらの中間能力の場合を示している。「最大能力」である期間４では、（１）式に基づいて通電幅はゼロクロス点間の時間間隔（つまり交流電源電圧の半周期）に等しくなる。
【００２５】
一方、通電信号生成回路３７は、ロータ２２ｒの回転位置に対応し互いに１２０°だけ位相がずれた位置信号Ｓu 、Ｓv 、Ｓw に基づいて、１２０°通電方式に従った通電信号Ｄup、Ｄun、Ｄvp、Ｄvn、Ｄwp、Ｄwnを生成する。そして、波形合成回路４０は、通電幅信号Ｓonと通電信号Ｄup〜Ｄwnとを論理的に乗算することにより、通電幅信号Ｓonがハイレベルにある期間にあっては通電信号Ｄup〜Ｄwnに等しく、通電幅信号Ｓonがロウレベルにある期間にあってはロウレベルとなる通電信号Ｇup〜Ｇwnを生成する。これら通電信号Ｇup〜Ｇwnは、それぞれ駆動回路４１を通してＩＧＢＴ３３ａ〜３３ｆのゲートに印加され、ブラシレスモータ２２の各相の巻線端子には三相交流電圧が印加される。これに伴って、巻線２２ｕ、２２ｖ、２２ｗには、全波整流電圧の大きさに応じた振幅（図３において二点鎖線で示す）を有する電流ｉu 、ｉv 、ｉw が流れる。
【００２６】
つまり、（１）式に従って電圧指令Ｓv に応じた通電幅が決定され、その通電幅の期間内（通電幅信号Ｓonがハイレベルの期間）においては１２０°通電方式による通電が行われ、その通電幅の期間外（通電幅信号Ｓonがロウレベルの期間）においては通電が禁止される。これにより、電圧指令Ｓv に応じて巻線２２ｕ〜２２ｗに印加される平均的な電圧が決定されるので、ブラシレスモータ２２を可変速駆動することが可能となる。
【００２７】
以上述べたように、本実施形態によれば、インバータ装置２３は交流電源３１の全波整流電圧をインバータ主回路２９の入力としてブラシレスモータ２２への通電を行うように構成されているので、従来構成（図４参照）のインバータ装置１で用いられていたリアクトル６およびコンデンサ８が不要となり、インバータ装置２３を小型軽量化することができる。その結果、電気掃除機が小型軽量化され使い勝手が向上するとともに、そのコストも下がる。
【００２８】
インバータ装置２３は、交流電源電圧に同期してその半周期毎に電圧指令Ｓv に応じた通電幅を決定し、ゼロクロス点を始点としてその通電幅の期間だけ巻線２２ｕ〜２２ｗに通電するように構成されている。すなわち、インバータ装置２３は、ＰＷＭを行うことなく巻線２２ｕ〜２２ｗへの印加電圧を可変することができる。これにより、ブラシレスモータ２２を広範囲に可変速駆動することが可能になる。そして、通電幅信号Ｓonと交流電源電圧とが同期しているので、電圧指令Ｓv に対するインバータ主回路２９の出力電圧の単調増加性が確保され、電圧の制御性が良い。
【００２９】
また、電圧制御にＰＷＭを必要としないことから、インバータ主回路２９のスイッチングによるスイッチングノイズの発生が少なく電波障害の発生を抑えることができる。加えて、スイッチング損失が低減するので、ＩＧＢＴ３３ａ〜３３ｆや還流ダイオード３４ａ〜３４ｆの放熱板を小型化できる。さらに、交流電源３１にＰＷＭに伴う高調波電流が流れることがないという利点もある。
【００３０】
なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施形態に限定されるものではなく、以下のような拡張または変更が可能である。
インバータ装置２３は、電気掃除機の他、例えば家電機器や移動しながら使用する電気機器について好適である。
インバータ装置２３は、速度指令を入力し、この速度指令値と位置信号Ｓu 、Ｓv 、Ｓw に基づいて得た速度検出値とから電圧指令Ｓv を生成するように構成しても良い。
【００３１】
正側電源線３２ｐと負側電源線３２ｎとの間に、ノイズフィルタやスナバとして機能するコンデンサ、あるいは交流電源３１から侵入する外来ノイズを除去する目的のためのコンデンサを設けることは、本発明の趣旨から外れるものではない。同様に、整流回路２８と交流電源３１との間に、ノーマルモードフィルタ用あるいはコモンモードフィルタ用のリアクトルやコンデンサを設けても良い。
【００３２】
通電幅信号Ｓonの有効レベル（ハイレベル）の始点はゼロクロス点に限らず、例えばゼロクロス点から電圧指令Ｓv に応じた時間が経過した時点を始点としても良い。また、通電幅は、ゼロクロス点間の中央点（全波整流電圧の最大点）を中心にその前後に広がるように設定しても良い。さらに、通電幅をゼロクロス点間（交流電源３１の半周期内）で複数に分割して設定しても良い。
【００３３】
電圧指令Ｓv に基づく通電幅の演算方法は（１）式に限定されるものではなく、例えば全波整流電圧を考慮して電圧指令値とインバータ主回路２９の出力電圧とが線形となるような演算方法を用いても良い。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明した通り本発明の電気掃除機に搭載されるインバータ装置は、交流電源電圧を全波整流して得た全波整流電圧をインバータ主回路の入力としてブラシレスモータを駆動するので、力率改善などを目的とするリアクトルおよび平滑用のコンデンサが不要となる。従って、インバータ装置ひいては電気掃除機を小型軽量化でき、電気掃除機の使い勝手が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すインバータ装置の電気的構成図
【図２】電気掃除機の概略的な横断面図
【図３】インバータ装置の作用を説明するための各部の波形を示す図
【図４】従来技術を示す図１相当図
【符号の説明】
２２はブラシレスモータ、２２ｒはロータ、２２ｕ、２２ｖ、２２ｗは巻線、２３はインバータ装置、２４はファン、２８は整流回路（整流手段）、２９はインバータ主回路、３６ｕ、３６ｖ、３６ｗは位置検出素子（位置検出手段）、３７は通電信号生成回路（通電信号生成手段）、３８はゼロクロス点検出回路（ゼロクロス点検出手段）、３９は通電幅信号生成回路（通電幅信号生成手段）、４０は波形合成回路（通電信号生成手段）である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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