(57)【要約】【課題】電力損失を抑えて、電源に余分な負荷を与えることなく、電力効率を高く保ちながら小型機器にも搭載可能なユニバーサルモータ駆動回路を提供する。【解決手段】ユニバーサルモータ駆動回路１００は、界磁巻線１３２と整流ブラシ１３４と電機子巻線を有する回転子と整流子１３５とを有するユニバーサルモータ１３０の駆動回路１００であって、ユニバーサルモータ１３０と直列に接続される第１電流スイッチ手段１１０と、並列に接続される第２電流スイッチ手段１２０とを備え、商用交流電源１４０からユニバーサルモータ１３０に電力を供給する駆動回路１００において、第２電流スイッチ手段１２０は、商用交流電源１４０電圧の極性と第１電流スイッチ手段１１０の導通状態とに応じて導通制御されるように構成され、第２電流スイッチ手段１２０を流れる電流の方向を商用交流電源１４０の半周期ごとに反転させるように構成されている。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁巻線と、前記界磁巻線に接続される整流ブラシと、電機子巻線を有する回転子と、前記電機子巻線と接続される整流子とを有するユニバーサルモータの駆動回路であって、前記ユニバーサルモータと直列に接続される第一の切替手段と、前記ユニバーサルモータと並列に接続される第二の切替手段とを備え、商用交流電源から前記ユニバーサルモータに電力を供給する駆動回路において、
前記第二の切替手段は、商用交流電源電圧の極性と前記第一の切替手段の導通状態とに応じて導通制御されるように構成され、
前記第二の切替手段を流れる電流の方向を商用交流電源の半周期ごとに反転させるように構成されている、ユニバーサルモータ駆動回路。
【請求項２】
請求項１に記載のユニバーサルモータ駆動回路を用いて、電流波高率が１以上２．２未満の値になるように前記第一の切替手段を制御する、ユニバーサルモータ制御方法。
【請求項３】
請求項１に記載のユニバーサルモータ駆動回路を用いて、商用交流電源の半周期毎に、０＜θ１＜π／２＜θ２＜πとなる関係を満たす位相角θ１と位相角θ２について、商用交流電源の位相角が０以上θ１以下およびθ２以上π以下の位相角である場合には、前記第一の切替手段によって前記ユニバーサルモータが連続通電状態となるように制御する、請求項２に記載のユニバーサルモータ制御方法。
【請求項４】
吸気を発生させるための電動送風機としてユニバーサルモータと、請求項１に記載のユニバーサルモータ駆動回路を備える、電気掃除機。
【請求項５】
吸気を発生させるための電動送風機としてユニバーサルモータを備え、前記ユニバーサルモータは、請求項２または請求項３のユニバーサルモータ制御方法によって制御される、電気掃除機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ユニバーサルモータ駆動回路と、ユニバーサルモータ制御方法と、ユニバーサルモータを備える電気掃除機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、一般家庭に普及している、商用交流電源に接続して用いる電気掃除機においては、送風手段としてユニバーサルモータが用いられている。ユニバーサルモータは、交流／直流双方の電源で動作可能であり、その動作原理は自励直巻型直流ブラシモータと同じである。
【０００３】
電気掃除機においては、集塵手段として備えられるサイクロン集塵装置や紙パックの圧力損失が大きい。そのため、電気掃除機のモータとしては、十分な吸気の流量を得るために、高速回転が容易に得られるファンモータが適している。ユニバーサルモータには、高速回転を容易に得られるという特徴があるので、電気掃除機には一般にユニバーサルモータが用いられている。また、ユニバーサルモータは、商用交流周波数を入力することによってそのまま駆動することができるので、回路構成が簡易なトライアック（双方向サイリスタ）を用いて、商用交流電圧に位相制御を施し、モータの電力調整をすることが一般的である。
【０００４】
図１１は、従来の代表的な位相制御回路の構成を示す図である。
【０００５】
図１１に示すように、従来の代表的な位相制御回路９００においては、商用交流電源９１０からトライアック９０３を経てユニバーサルモータ９３０へ電力を供給する構成になっている。ユニバーサルモータ９３０に供給する電力に応じて、位相制御手段９０２によってトライアック９０３の導通を開始する位相角を設定する。
【０００６】
このような、電気掃除機において従来から採用されているユニバーサルモータの位相制御は、いわゆる高周波によるインバータ制御と比較すると、以下の点において優位である。インバータ制御は、例えばエアコン等の家電製品の同期モータ、誘導モータで必須となる。
【０００７】
インバータ制御回路と比較すると、位相制御回路は、電力制御デバイスとしてトライアックが１つのみで成立するため、回路コスト的に優位である。また、制御手法としては、トライアックに対して商用交流半周期毎に位相角のタイミングでパルスを出力するだけでよく、制御手法が容易で制御回路のコスト的にも優位である。電気掃除機においては、バッテリー駆動のコードレスタイプを除いて、現在でも位相制御が採用されている。
【０００８】
さらに、回路の損失面では、位相制御回路ではトライアックが１つであるのに対し、インバータ制御では半導体スイッチデバイスが複数個必要となるため、インバータ制御はデバイスでの導通損が多い。またデバイスのスイッチング回数についても、位相制御では商用交流周波数の２倍、すなわち、１秒間に１００回程度であるのに対し、いわゆるインバータ制御では、スイッチング周波数を１０ｋＨｚとすればスイッチング回数が１秒間に１００００回程度に及ぶため、インバータ制御はデバイスでの損失が格段に多い。このように、位相制御はインバータ制御と比べて回路損失が極めて少ないという優位性がある。
【０００９】
図１２は、従来の位相制御を行った場合の商用交流電源電圧（Ａ）、モータ電圧（Ｂ）、モータ電流（Ｃ）の波形シミュレーションと、従来の位相制御を行ったときに観測される観測波形（Ｄ）を示す図である。
【００１０】
図１２に示すように、位相制御の一例として、位相角π／２でトライアックを導通開始するように制御を行うと、図１２の（Ｂ）と（Ｃ）に示すように、トライアックは位相角π／２からπの期間でのみ導通しているために、図１２の（Ｃ）と（Ｄ）に示すように、実効値に対してモータ電流のピーク値が大きく、脈動が大きい電流波形になることが特徴的である。従来から一般に用いられているこのような位相制御のように、モータ電流の脈動が大きい場合、モータにおいて整流火花が発生しやすい事が知られている。
【００１１】
ところで、電気掃除機の重要な性能評価指標のひとつとして、吸引力（吸い込み仕事率）がある。電気掃除機の開発においては、吸引力を高めるために、電気掃除機内の空気流路、集塵手段等の圧力損失低減等さまざまな工夫改善がなされると共に、限られた電力を極力多くユニバーサルモータに投入し、空気の流量を多くする必要がある。上述したように、位相制御は回路損失が少ない制御であることから、専ら電気掃除機に採用されている。
【００１２】
ユニバーサルモータはその原理上、モータ電流経路に二つの整流ブラシと複数の整流子片を備えており、整流ブラシと整流子片間を接触・開放することで回転子に備わる電機子巻線への電流を整流して供給している。この整流ブラシと整流子片の接触・開放に伴う摩擦、あるいは整流火花発生により、カーボン等の整流ブラシ材料に起因するサブミクロンクラスの微粒子（以下カーボン粒子）がモータ下流に排出されていることが知られている。
【００１３】
近年、健康意識の高まりから、電気掃除機の排気中に含まれる微粒子の低減が望まれており、集塵手段の性能向上により電気掃除機の排気中に含まれる微粒子の排出抑制技術が各方面で検討されている。しかし、ユニバーサルモータは集塵手段の下流側に配置されるため、集塵手段の性能が極限まで向上しても、ユニバーサルモータから排出されるカーボン粒子を集塵手段によって捕集することができない。したがって、集塵性能のよい集塵手段を備える電気掃除機であっても、依然として電気掃除機から外部にカーボン粒子が排出されており、このようなユニバーサルモータのカーボン粒子排出量を抑制する技術が必要となっている。
【００１４】
従来の位相制御によって発生する整流火花は、ユニバーサルモータのカーボン粒子の排出増加の一因となっていると考えられる。すなわち、位相制御のように電流の脈動が大きい手法でユニバーサルモータを制御することは、ユニバーサルモータからのカーボン粒子排出増加の一因であると考えることができる。
【００１５】
例えば、特開平１１−７５３９３号公報（特許文献１）には、上述のような位相制御の制御パターンを工夫して整流ブラシの寿命低下を抑制する手法が記載されている。また、特開２００１−３３９９７４号公報（特許文献２）には、界磁巻線が不要な永久磁石界磁型直流ブラシモータの回路構成及び制御において整流火花を抑制する手法が記載されている。整流ブラシの寿命低下は整流ブラシの磨耗が主要因とされていることから、これらの手法を用いることによってカーボン粒子の排出を低減することができると考えられる。
【００１６】
また、電気掃除機の外部へのカーボン粒子の排出を抑制する別の手段として、モータの下流側にＨＥＰＡフィルタ等を配置して、モータから排出されたカーボン粒子が電気掃除機の外部に排出されることを抑制する手法がとられている場合がある。
【特許文献１】特開平１１−７５３９３号公報
【特許文献２】特開２００１−３３９９７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、特開平１１−７５３９３号公報（特許文献１）では、位相制御の位相角による導通と全区間導通を商用交流電源周期で切りかえているために、商用交流電源から供給する電力を商用交流周波数（日本では５０／６０Ｈｚ）以下の周波数で変動させていることになる。その結果、家屋内の電源母線電圧に低周波変動が発生し、例えば照明器具にフリッカを発生させるという問題が生じる。
【００１８】
また、特開２００１−３３９９７４号公報（特許文献２）に記載されているような永久磁石型直流ブラシモータでは、電流スイッチのオン期間には、モータの回転中に常時生じている逆起電力と略同等の電圧をモータに入力する必要がある。そのため、整流電圧を平滑する手段が必要である。特開２００１−３３９９７４号公報（特許文献２）に記載の回路は、整流電圧を平滑するための平滑コンデンサを備える。実際の１ｋＷ級容量の電気掃除機が平滑手段を有する場合、入力力率の低下を抑えるためには、鉄心を備えた、重量の大きい平滑リアクトルが必要となる。発明者の検討では、本体重量約４ｋｇの電気掃除機がこのような重い平滑リアクトルを備えると、電気掃除機全体の重量が約１ｋｇ程度増加してしまう。このような重量の増加は、電気掃除機のように、使用者が持ち運んで使用する場合がある機器としては不都合である。また、永久磁石型直流ブラシモータを用いる場合には、コンデンサで平滑された母線電圧の脈動が大きいと、モータの逆起電力が母線電圧を上回り、電力回生現象が生じる。モータの逆起電力が母線電圧を上回ると、入力側に戻る電力分だけ過剰に電力を供給する必要があり、効率的ではない。そこで、電力回生現象が生じないように制御するための電圧検出手段や電流検出手段を備える必要がある。
【００１９】
さらに、商用交流電源を整流するためには、特開２００１−３３９９７４号公報（特許文献２）に記載の回路のように、一般的には４個のダイオードからなるダイオードブリッジを備える必要がある。そのため、モータ電流経路当たり概ねダイオード２個分の回路損失が生じ、効率の低下を招く結果となる。また、特開２００１−３３９９７４号公報（特許文献２）に記載されているような、高周波チョッパ制御の概念をそのまま適用した回路では、上述したインバータ制御のように回路損失が増加し、モータへの投入電力が減少する。このような回路を電気掃除機に用いると、結果的に電気掃除機の吸引力が低下することになるので、電気掃除機の制御としては好ましくない。
【００２０】
また、モータの下流側にＨＥＰＡフィルタ等を配置し、カーボン粒子の排出を抑制する手法では、ＨＥＰＡフィルタによって圧力損失が増加するため、所望の流量を得るためにモータの回転数を増加させなければならない。モータの回転数を増加させると、ユニバーサルモータの整流ブラシと整流子片の接触・開放回数が増加してモータからのカーボン粒子排出量が増加する。したがって、モータから排出されるカーボン粒子をＨＥＰＡフィルタで捕集しているものの、モータから排出されるカーボン粒子の量自体は増加しており、根本的解決にはなっていない。
【００２１】
そこで、この発明の目的は、電力損失を抑えて、電源に余分な負荷を与えることなく、電力効率を高く保ちながら小型機器にも搭載可能なユニバーサルモータ駆動回路と、そのユニバーサルモータ駆動回路を用いて、ユニバーサルモータの整流ブラシに起因するカーボン粒子の排出を低減させることができるユニバーサルモータ制御方法と排気中に含まれる微粒子を低減させることが可能な電気掃除機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
この発明に従ったユニバーサルモータ駆動回路は、界磁巻線と、界磁巻線に接続される整流ブラシと、電機子巻線を有する回転子と、電機子巻線と接続される整流子とを有するユニバーサルモータの駆動回路であって、ユニバーサルモータと直列に接続される第一の切替手段と、ユニバーサルモータと並列に接続される第二の切替手段とを備え、商用交流電源からユニバーサルモータに電力を供給する駆動回路において、第二の切替手段は、商用交流電源電圧の極性と第一の切替手段の導通状態とに応じて導通制御されるように構成され、第二の切替手段を流れる電流の方向を商用交流電源の半周期ごとに反転させるように構成されている。
【００２３】
このようにすることにより、商用交流を整流回路で整流することなく、ユニバーサルモータに供給される電流をデューティ制御することができる。従って、商用交流を整流回路で整流した後にチョッパ制御する場合と比較して、整流回路が備えるダイオードブリッジによる電力損失を低減することができる。特に、本発明の回路では、チョッパのデューティ比が大きい場合、すなわち、ダイオードブリッジの導通率が高い整流回路と比べて効果的に電力損失を低減することができる。
【００２４】
このようにすることにより、電力損失を抑えて、電源に余分な負荷を与えることなく、電力効率を高く保ちながら小型機器にも搭載可能なユニバーサルモータ駆動回路を提供することができる。
【００２５】
この発明に従ったユニバーサルモータ制御方法は、上記のユニバーサルモータ駆動回路を用いて、電流波高率が１以上２．２未満の値になるように第一の切替手段を制御することが好ましい。
【００２６】
電流波高率は、（電流波高値）／（実効電流値）で表され、モータ電流波形の脈動度合いが示されるものである。電流波高率が１に近いほどモータ電流の脈動が小さく、脈動の全く無い直流電流の電流波高率は１となる。
【００２７】
このように、ユニバーサルモータの電流波高率を１に近づけるように極力小さくすることによって、すなわち、電流の脈動を極力抑えることによって、ユニバーサルモータのカーボン粒子排出量を抑制することができる。
【００２８】
また、ユニバーサルモータを用いることによって、永久磁石型直流ブラシモータを用いる回路が備えるような重い平滑リアクトルが不要となる。また、電力回生現象が生じないように制御するための電圧検出手段や電流検出手段が不要となる。
【００２９】
このようにすることにより、ユニバーサルモータ使用機器において、電力損失を抑えて、電源に余分な負荷を与えることなく、電力効率を高く保ちながら小型機器にも搭載可能な回路を用いて、ユニバーサルモータの整流ブラシに起因するカーボン粒子の排出を低減させることが可能なユニバーサルモータ制御方法を提供することができる。
【００３０】
この発明に従ったユニバーサルモータ制御方法は、商用交流電源の半周期毎に、０＜θ１＜π／２＜θ２＜πとなる関係を満たす位相角θ１と位相角θ２について、商用交流電源の位相角が０以上θ１以下およびθ２以上π以下の位相角である場合には、第一の切替手段によってユニバーサルモータが連続通電状態となるように制御することが好ましい。
【００３１】
ユニバーサルモータの電流波形は商用交流電源の全波整流波形（波高率√２）と相似形にすることが現実的である。この場合、位相制御に比べてカーボン粒子の排出を大きく低減することができ、位相制御時のカーボン粒子排出量と比較して５０％の低減が見込まれる。
【００３２】
また、ユニバーサルモータの励磁巻線部鉄心の磁気飽和の影響で、モータ入力電力が大きくなるほど、モータ電流には波形歪みが生じ、電流波高率が大きくなる。電流波高率が大きくなることによって、巻線抵抗による損失が増加し、磁気エネルギーへの変換効率が悪くなる。すなわち、電流波高率を低減させることで、モータ入出力の効率を向上させることができる。
【００３３】
そこで、商用交流電源の半周期毎に、０＜θ１＜π／２＜θ２＜πとなる関係を満たす位相角θ１と位相角θ２について、商用交流電源の位相角が０以上θ１以下およびθ２以上π以下の位相角である場合には、第一の切替手段によってユニバーサルモータが連続通電状態となるように制御することにより、商用交流電源周波数の半周期内のスイッチング回数を削減しつつ、電流波高率を約√２とすることが可能となる。すなわち、回路損失を抑制するとともに、カーボン粒子の排出を抑制することもできる。
【００３４】
この発明に従った電気掃除機は、吸気を発生させるための電動送風機としてユニバーサルモータと、上記のユニバーサルモータ駆動回路とを備えることが好ましい。
【００３５】
このようにすることにより、電力損失を抑えて、電源に余分な負荷を与えることなく、電力効率を高く保つことが可能な電気掃除機を提供することができる。
【００３６】
この発明に従った電気掃除機は、吸気を発生させるための電動送風機としてユニバーサルモータを備え、ユニバーサルモータは、上記のいずれかのユニバーサルモータ制御方法によって制御されることが好ましい。
【００３７】
このようにすることにより、排気中に含まれるカーボン粒子を低減した電気掃除機を提供することが可能となる。
【発明の効果】
【００３８】
以上のように、この発明によれば、電力損失を抑えて、電源に余分な負荷を与えることなく、電力効率を高く保ちながら小型機器にも搭載可能なユニバーサルモータ駆動回路と、そのユニバーサルモータ駆動回路を用いて、ユニバーサルモータの整流ブラシに起因するカーボン粒子の排出を低減させることができるユニバーサルモータ制御方法と排気中に含まれる微粒子を低減させることが可能な電気掃除機を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３９】
本発明者は、簡単な構成で、ユニバーサルモータ使用機器において、電力損失を抑えて、電源に余分な負荷を与えることなく、電力効率を高く保ちながら小型機器にも搭載可能なユニバーサルモータ駆動回路と、そのユニバーサルモータ駆動回路を用いて、ユニバーサルモータの整流ブラシに起因するカーボン粒子の排出を低減させることが可能なユニバーサルモータ制御方法と排気中に含まれる微粒子を低減させることが可能な電気掃除機を得るために、以下のとおり検討した。
【００４０】
図１は、電流波高値とカーボン粒子排出数との相関を示す図である。
【００４１】
図１に示すように、電流波高値をモータ電流の脈動度合を示す指標として考えると、電流波高値が最も大きい、すなわち、モータ電流の脈動度合いが最も大きい、従来の位相制御を行なった電流の場合には、カーボン粒子の排出量も最も多い。次に、電流波高値が中程度、すなわち、モータ電流の脈動度合いが中程度となる正弦波電流の場合には、カーボン粒子の排出量も中程度である。一方、電流波高値が最も小さい、すなわち、モータ電流の脈動度合いが最も小さい直流電流の場合には、カーボン粒子の排出量も最も少ない。このように、電流波高値とカーボン粒子排出数の間には明らかな相関が見られる。
【００４２】
本発明の発明者は、これを定量的に裏付けるために、従来の位相制御を行った場合にモータから排出されるカーボン粒子を基準として、ユニバーサルモータに入力される電流が正弦波電流の場合と直流電流の場合について、低減されるカーボン粒子排出量を比較した。カーボン粒子排出量は、ユニバーサルモータを備える電気掃除機に、位相制御、正弦波電圧、直流電圧を印加することによって１ｋＷの電力を供給して、電気掃除機の排気中に含まれる０．１ｕｍ以上の粒子径のカーボン粒子の数をパーティクルカウンタで計測した。位相制御の場合には、入力電圧が１００Ｖ、周波数が６０Ｈｚ、制御角が９０°であった。正弦波電圧の場合には、入力電圧が８０Ｖ、周波数が６０Ｈｚであった。直流電圧の場合には、入力電圧が８０Ｖであった。モータの回転数は略同等であった。
【００４３】
図２は、電流波高率と、モータから排出されるカーボン粒子の低減率との関係を示す図である。
【００４４】
図２に示すように、従来の位相制御（制御角９０°）を行った場合には、電流波高率が２．２、正弦波電圧の場合には１．７、直流電圧の場合には１となる。また、従来の位相制御を行った場合にモータから排出されるカーボン粒子を基準として、正弦波電流の場合と直流電流の場合に低減されるカーボン粒子排出量を比較すると、正弦波の場合には位相制御した場合に対して約５０％、直流の場合には位相制御した場合に対して約７５％、モータから排出されるカーボン粒子の量が低減している。すなわち、モータから排出されるカーボン粒子の量は、正弦波の場合には位相制御した場合の約５０％、直流の場合には位相制御した場合の約２５％となる。なお、正弦波電圧をユニバーサルモータに印加する場合、電流波高率は、理想的には√２（≒１．４１）であるが、ユニバーサルモータの励磁巻線部鉄心の磁気飽和の影響等で電流波形歪が生じた結果、若干大きい値（１．７）になっている。
【００４５】
そこで、本発明の発明者は、種々の検討をした結果、ユニバーサルモータと直列に接続される第一の切替手段と、ユニバーサルモータと並列に接続される第二の切替手段とを備え、第二の切替手段は、商用交流電源電圧の極性と第一の切替手段の導通状態とに応じて導通制御されるように構成され、第二の切替手段を流れる電流の方向を商用交流電源の半周期ごとに反転させるように構成されているユニバーサルモータ駆動回路において、電流波高率が１以上２．２未満の値になるように第一の切替手段を制御することによって、ユニバーサルモータ使用機器において、電源に余分な負荷を与えることなく、電力効率を高く保ちながら小型機器にも搭載可能な回路を用いて、ユニバーサルモータの整流ブラシに起因するカーボン粒子の排出を低減させることが可能であることを見出した。
【００４６】
このような発明者の知見に基づいて、この発明のユニバーサルモータ駆動回路は、界磁巻線と、前記界磁巻線に接続される整流ブラシと、電機子巻線を有する回転子と、前記電機子巻線と接続される整流子とを有するユニバーサルモータの駆動回路であって、前記ユニバーサルモータと直列に接続される第一の切替手段と、前記ユニバーサルモータと並列に接続される第二の切替手段とを備え、商用交流電源から前記ユニバーサルモータに電力を供給する駆動回路において、前記第二の切替手段は、商用交流電源電圧の極性と前記第一の切替手段の導通状態とに応じて導通制御されるように構成され、前記第二の切替手段を流れる電流の方向を商用交流電源の半周期ごとに反転させるように構成されている。また、このような発明者の知見に基づいて、この発明のユニバーサルモータ制御方法は、上記のユニバーサルモータ駆動回路を用いて、電流波高率が１以上２．２未満の値になるように前記第一の切替手段を制御することが好ましい。また、この発明の電気掃除機は、吸気を発生させるための電動送風機としてユニバーサルモータを備え、上記のユニバーサルモータ駆動回路を備えることが好ましい。また、電気掃除機のユニバーサルモータは、上記のユニバーサルモータ制御方法によって制御されることが好ましい。
【００４７】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００４８】
（第１実施形態）
図３は、この発明の第１実施形態として、電気掃除機の全体の構成を模式的に示す図である。図中の二点鎖線の矢印は、吸気の流れを示す。
【００４９】
図３に示すように、電気掃除機１においては、電気掃除機１の外部の気体とともに塵埃を吸引するための吸込口体１０は、延長管１１、取手を有する接続管１２、折り曲げ自在のサクションホース１３と順次連結され、連結部１４を経由して本体部２０に接続されている。本体部２０の側面には、回転自在に設けられ、本体部２０を床面３０上において移動自在に支持する車輪２４が備えられている。
【００５０】
図４は、電気掃除機の本体部の構成を模式的に示す図である。
【００５１】
図４に示すように、本体部２０には、ユニバーサルモータ１３０、サイクロン集塵部２１、コードリール（図示せず）、ユニバーサルモータ１３０の通電を制御する制御回路等が収容されている。ユニバーサルモータ１３０には、ファン１３１と、電機子巻線１３３を有する回転子と、電機子巻線１３３に接続される整流子１３５と、界磁巻線１３２と、整流ブラシ１３４とが内包されている。
【００５２】
図３と図４に示すように、本体部２０のユニバーサルモータ１３０が駆動すると、ファン１３１により吸気が発生し、吸込口体１０から塵埃を含む空気が吸引され、塵埃を含む空気が、延長管１１、接続管１２、サクションホース１３、連結部１４を通って本体部２０へと搬送される。本体部２０に吸引された塵埃を含む気体は、サイクロン集塵部２１、接続部２２、ユニバーサルモータ１３０を通って、排気口２３から本体部２０の外部に排出される。このようにして吸込口体１０から電気掃除機１の本体部２０に吸引された塵埃は、サイクロン集塵部２１に集積される。また、塵埃がサイクロン集塵部２１に捕集されることによって、塵埃が取り除かれて清浄になった空気は、ユニバーサルモータ１３０を冷却するためにユニバーサルモータ１３０の内部を通過し、本体部２０の外に排気される構造となっている。
【００５３】
図５は、この発明の第１実施形態のユニバーサルモータ駆動回路として、図３に示す電気掃除機が備えるユニバーサルモータ駆動回路の構成を示す図である。
【００５４】
図４と図５に示すように、電気掃除機１が備えるユニバーサルモータ１３０の駆動回路１００の概要としては、商用交流電圧を整流せずに降圧チョッパ制御可能な構成であり、インダクタンス成分はユニバーサルモータ１３０の界磁巻線１３２及び電機子巻線１３３のインダクタンスを用いている。
【００５５】
ユニバーサルモータ１３０と直列に接続される第１電流スイッチ手段１１０としてはＩＧＢＴ１１１とＩＧＢＴ１１２を電流導通方向逆向きで直列接続し、さらにＩＧＢＴ１１１に対し逆並列にダイオード１１４を、ＩＧＢＴ１１２に対して逆並列にダイオード１１３を接続した構成となっている。ＩＧＢＴ制御手段１１５は、ＣＰＵ等から構成され、所望するモータ電力に応じてＩＧＢＴ１１１及びＩＧＢＴ１１２を駆動するタイミングを生成し、ＩＧＢＴ１１１及びＩＧＢＴ１１２のゲートに電圧を印加する。
【００５６】
またモータに並列に接続される第２電流スイッチ手段１２０としては、ＩＧＢＴ１２１とＩＧＢＴ１２２を電流導通方向逆向きで直列接続し、さらにＩＧＢＴ１２１に対し逆並列にダイオード１２４を、ＩＧＢＴ１２２に対して逆並列にダイオード１２３を接続した構成となっている。ＩＧＢＴ制御手段１２５は、商用交流の半周期間毎にＩＧＢＴ１２１とＩＧＢＴ１２２のゲートに対して相反する様に電圧を印加する。
【００５７】
ここで、表１に示すように、第２電流スイッチ手段１２０は、商用交流電圧の極性に応じて第２電流スイッチ手段１２０のＩＧＢＴ１２１とＩＧＢＴ１２２が導通可能（ＯＮ）または導通不可能（ＯＦＦ）となるように構成されている。また、第２電流スイッチ手段１２０は、第１電流スイッチ手段１１０をＯＮ／ＯＦＦ動作させる場合、第１電流スイッチ手段１１０がＯＮ状態のときには第２電流スイッチ手段１２０に電流が流れないが、第１電流スイッチ手段１１０がＯＦＦした瞬間、界磁巻線等に蓄積された磁気エネルギーによるフライホイール動作に伴って第１電流スイッチ手段１１０のＯＮ・ＯＦＦ動作に相反して第２電流スイッチ手段１２０が導通する。
【００５８】
【表１】
2009017672.tif 000003
【００５９】
表１においては、商用交流電源電圧の極性と、第２電流スイッチ手段１２０のＩＧＢＴ１１１，１１２と、第２電流スイッチ手段のＩＧＢＴ１２１，１２２のＯＮ・ＯＦＦ状態の組み合わせと、この組み合わせのそれぞれの場合に導通するＩＧＢＴとダイオードを○印で示している。
【００６０】
なお、ローパスフィルタ１５０は、コンデンサとコイルで構成されており、スイッチングに伴う高周波成分のリプル電流が商用交流電源側に逆流するのを防ぐために設けられている。その質量及び体積は小さく、電気掃除機全体の質量及び体積増加に大きく影響を与えるものではない。
【００６１】
このように、ユニバーサルモータ駆動回路１００は、界磁巻線１３２と、界磁巻線１３２に接続される整流ブラシ１３４と、電機子巻線を有する回転子と、電機子巻線と接続される整流子１３５とを有するユニバーサルモータ１３０の駆動回路１００であって、ユニバーサルモータ１３０と直列に接続される第１電流スイッチ手段１１０と、ユニバーサルモータ１３０と並列に接続される第２電流スイッチ手段１２０とを備え、商用交流電源１４０からユニバーサルモータ１３０に電力を供給する駆動回路１００において、第２電流スイッチ手段１２０は、商用交流電源１４０電圧の極性と第１電流スイッチ手段１１０の導通状態とに応じて導通制御されるように構成され、第２電流スイッチ手段１２０を流れる電流の方向を商用交流電源１４０の半周期ごとに反転させるように構成されている。
【００６２】
このようにすることにより、商用交流を整流回路で整流することなく、ユニバーサルモータ１３０に供給される電流をデューティ制御することができる。従って、商用交流を整流回路で整流した後にチョッパ制御する場合と比較して、整流回路が備えるダイオードブリッジによる電力損失を低減することができる。特に、チョッパのデューティ比が大きい場合、すなわち、ダイオードブリッジの導通率が高い整流回路と比較して効果的に電力損失を低減することができる。
【００６３】
このようにすることにより、電力損失を抑えて、電源に余分な負荷を与えることなく、電力効率を高く保ちながら小型機器にも搭載可能なユニバーサルモータ駆動回路１００を提供することができる。
【００６４】
第１実施形態の駆動回路１００において、商用交流電源の半周期間において任意の固定したデューティ比でＩＧＢＴ１１１とＩＧＢＴ１１２を高周波数駆動した場合、モータ電流波形は、位相制御のような大きい脈動のない、略正弦波状の波形となる。
【００６５】
図６は、この発明の第１実施形態として、商用交流電源の半周期間において任意の固定したデューティ比でＩＧＢＴを駆動した場合の波形の例を示す図である。図７は、図６に示す波形からスイッチングに伴う高周波成分を除去した商用交流電源電圧、モータ電圧及びモータ電流の各部波形である。
【００６６】
図６と図７に示すように、例えば、ユニバーサルモータ１３０を、商用交流電源電圧による入力１ｋＷ時に、スイッチング周波数１０ｋＨｚ、デューティ比０．８程度で駆動する場合、モータ電流の脈動は、図１２の（Ｄ）に示す従来の位相制御時のモータ電流の脈動よりも小さい。図１２の（Ｄ）に示すように、位相制御時の電流波高率が２．２であるのに対し、図６と図７に示すように、スイッチング周波数１０ｋＨｚ、デューティ比０．８程度で駆動する第１実施形態のユニバーサルモータ駆動回路１００においては、ユニバーサルモータ１３０の電流波高率は１．７である。図２に示すように、これにより、カーボン粒子排出数は低減する。このようにすることにより、ユニバーサルモータ１３０において発生し、電気掃除機１の外部に排出されるカーボン粒子の数が低減する。このことは、カーボン電極の磨耗が減少することも意味しており、ユニバーサルモータ１３０の寿命が延長されることにもつながる。
【００６７】
また、家屋内の電源母線電圧に低周波変動が発生し、例えば照明器具にフリッカを発生させるという問題が解消できると同時に、大きく重量のあるリアクトルなどを搭載することなく掃除機等の機器が大型化することを防ぐことができ、ひいては、使用者の使い勝手を低下させるという事態を防げる。
【００６８】
このように、第１実施形態のユニバーサルモータ制御方法は、ユニバーサルモータ駆動回路１００を用いて、電流波高率が１以上２．２未満の値になるように第１電流スイッチ手段１１０を制御する。
【００６９】
電流波高率は、（電流波高値）／（実効電流値）で表され、モータ電流波形の脈動度合いが示されるものである。電流波高率が１に近いほどモータ電流の脈動が小さく、脈動の全く無い直流電流の電流波高率は１となる。
【００７０】
このように、ユニバーサルモータ１３０の電流波高率を１に近づけるように極力小さくすることによって、すなわち、電流の脈動を極力抑えることによって、ユニバーサルモータ１３０のカーボン粒子排出量を抑制することができる。
【００７１】
また、ユニバーサルモータ１３０を用いることによって、永久磁石型直流ブラシモータを用いる回路が備えるような重い平滑リアクトルが不要となる。また、電力回生現象が生じないように制御するための電圧検出手段や電流検出手段が不要となる。
【００７２】
このようにすることにより、ユニバーサルモータ使用機器において、電力損失を抑えて、電源に余分な負荷を与えることなく、電力効率を高く保ちながら小型機器にも搭載可能な回路を用いて、ユニバーサルモータ１３０の整流ブラシ１３４に起因するカーボン粒子の排出を低減させることが可能なユニバーサルモータ制御方法を提供することができる。
【００７３】
電気掃除機１は、吸気を発生させるための電動送風機としてユニバーサルモータ１３０と、ユニバーサルモータ駆動回路１００とを備える。
【００７４】
このようにすることにより、電力損失を抑えて、電源に余分な負荷を与えることなく、電力効率を高く保つことが可能な電気掃除機１を提供することができる。
【００７５】
また、電気掃除機１は、吸気を発生させるための電動送風機としてユニバーサルモータ１３０を備え、ユニバーサルモータ１３０は、第１実施形態のユニバーサルモータ制御方法によって制御される。
【００７６】
このようにすることにより、排気中に含まれるカーボン粒子を低減した電気掃除機１を提供することが可能となる。
【００７７】
第１実施形態では、電流スイッチ手段としてＩＧＢＴ１１１、１１２、１２１、１２２を適用して説明しているが、本目的を達成することができるものであればこの限りではない。スイッチ手段の他の例としては、ＭＯＳ−ＦＥＴ、バイポーラトランジスタ等が挙げられる。
【００７８】
図８は、この発明の第１実施形態の別のユニバーサルモータ駆動回路として、図３に示す電気掃除機が備えるユニバーサルモータ駆動回路の構成を示す図である。
【００７９】
図８に示すように、電気掃除機１が備えるユニバーサルモータ１３０の駆動回路２００の概要としては、図５に示す駆動回路１００と同様に商用交流電圧を整流せずに降圧チョッパ制御可能な構成であり、インダクタンス成分はユニバーサルモータ１３０の界磁巻線１３２及び電機子巻線１３３のインダクタンスを用いている（図４）。ユニバーサルモータ１３０と直列に接続される第１電流スイッチ手段２１０としては半導体スイッチ２１１と半導体スイッチ２１２を電流導通方向逆向きで直列接続する。半導体スイッチ２１１は半導体スイッチ制御手段２１３によって制御され、半導体スイッチ２１２は半導体スイッチ制御手段２１４によって制御される。半導体スイッチ制御手段２１３と半導体スイッチ制御手段２１４は、ＣＰＵ等から構成され、所望するモータ電力に応じて半導体スイッチ２１１及び半導体スイッチ２１２を駆動するタイミングを生成し、半導体スイッチ２１１及び半導体スイッチ２１２のゲートに電圧を印加する。またモータに並列に接続される第２電流スイッチ手段２２０としては、半導体スイッチ２２１と半導体スイッチ２２２を電流導通方向逆向きで直列接続した構成となっている。半導体スイッチ制御手段２２３と半導体スイッチ制御手段２２４は、ＣＰＵ等から構成され、所望するモータ電力に応じてＩＧＢＴ１１１及びＩＧＢＴ１１２を駆動するタイミングを生成し、商用交流の半周期間毎に半導体スイッチ２２１及び半導体スイッチ２２２のゲートに相反する様に電圧を印加する。
【００８０】
このように、一方向電流のみ導通制御可能かつ逆方向非導通であって商用電源電圧に対し逆耐圧特性が確保できる半導体スイッチを用いる場合、第１電流スイッチ手段２１０は、半導体スイッチ２１１と半導体スイッチ２１２を逆並列に接続した構成によって実現することができる。同様に、第２電流スイッチ手段２２０は、半導体スイッチ２２１と半導体スイッチ２２２を逆並列に接続した構成によって実現することができる。このようにすることにより、モータ電流経路のダイオードを削減することができるので、回路損失をさらに抑制することができる。
【００８１】
（第２実施形態）
この発明の第２実施形態のユニバーサルモータ制御方法の駆動手段としての制御回路は、第１実施形態の駆動回路１００（図５）と同様である。
【００８２】
第１実施形態においては、商用交流電源の半周期間の全域で高周波スイッチングを行い、モータ電流波高率の低減を図っているが、スイッチングに伴う第一の切替手段として第１電流スイッチ手段１１０のスイッチングロスが発生しており、結果としてユニバーサルモータ駆動系の電力変換効率が低下してしまう。
【００８３】
そこで、第２実施形態においては、第１実施形態のユニバーサルモータ制御方法に位相制御の要素を加えて、スイッチングロスをできる限り抑えながら、モータ電流の波高率も抑えることを目的としている。
【００８４】
具体的には、ユニバーサルモータ１３０（図５）に対して所望する電力に応じて、商用交流電源周波数の半周期内で０＜θ１＜π／２＜θ２＜πとなる任意の位相角θ１とθ２を設定し、商用交流電源電圧の瞬時電圧値が小さい位相角０〜θ１及び位相角θ２〜πの期間は第１電流スイッチ手段１１０を連続通電状態とする。一方、モータ電流波高率に影響を与える位相角θ１〜θ２の期間は、第１電流スイッチ手段１１０によって高周波数駆動デューティ制御を行うことにより、モータ電流波高値を抑えることができる。
【００８５】
図９は、入力１ｋＷ時の商用交流電源の半周期間において、位相角θ１〜θ２の期間は任意の固定したデューティ比で第１電流スイッチ手段を駆動した場合の商用交流電源電圧とモータ電圧の波形を示す図である。図１０は、図９に示す波形からスイッチングに伴う高周波成分を除去した商用交流電源電圧、モータ電圧およびモータ電流の各部波形である。
【００８６】
図９と図１０に示すように、位相角θ１〜θ２間のスイッチング周波数１０ｋＨｚ、デューティ比０．８程度で第１電流スイッチ手段１１０を駆動する。例えば、θ１は（１／４）π、θ２は（３／４）πである。ユニバーサルモータ１３０の位相制御時の電流波高値２．２に対し、第２実施形態のユニバーサルモータ制御方法による制御時には電流波高値が１．７となる。このように電流波高値が小さくなることによって、図１および図２に示すように、カーボン粒子排出数は低減する。
【００８７】
このように、第２実施形態のユニバーサルモータ制御方法は、商用交流電源の半周期毎に、０＜θ１＜π／２＜θ２＜πとなる関係を満たす位相角θ１と位相角θ２について、商用交流電源の位相角が０以上θ１以下およびθ２以上π以下の位相角である場合には、ＩＧＢＴによってユニバーサルモータ１３０が連続通電状態となるように制御する。
【００８８】
高周波チョッパ制御の概念をそのまま適用した回路では、インバータ制御のように回路損失が増加し、モータへの投入電力が減少する。このような回路を電気掃除機に用いると、結果的に電気掃除機の吸引力が低下することになるので、電気掃除機の制御としては好ましくない。
【００８９】
そこで、商用交流電源の半周期毎に、０＜θ１＜π／２＜θ２＜πとなる関係を満たす位相角θ１と位相角θ２について、商用交流電源の位相角が０以上θ１以下およびθ２以上π以下の位相角である場合には、第１電流スイッチ手段１１０によってユニバーサルモータ１３０が連続通電状態となるように制御することにより、商用交流電源周波数の半周期内のスイッチング回数を削減しつつ、電流波高率を約√２とすることが可能となる。すなわち、回路損失を抑制するとともに、カーボン粒子の排出を抑制することもできる。
【００９０】
第２実施形態のユニバーサルモータ制御方法と、第２実施形態のユニバーサルモータ制御方法によって制御されるユニバーサルモータ１３０を備える電気掃除機のその他の構成と効果は、第１実施形態と同様である。
【００９１】
なお、第１実施形態のユニバーサルモータ制御方法と比較して、第２実施形態のユニバーサルモータ制御方法を用いる場合には、ユニバーサルモータ駆動回路１００における電力損失は、発明者の試算によれば、約１５Ｗ低減する。
【００９２】
以上に開示された実施の形態と実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態と実施例ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正と変形を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】電流波高値とカーボン粒子排出数との相関を示す図である。
【図２】電流波高率と、モータから排出されるカーボン粒子の低減率との関係を示す図である。
【図３】この発明の第１実施形態として、電気掃除機の全体の構成を模式的に示す図である。
【図４】電気掃除機の本体部の構成を模式的に示す図である。
【図５】この発明の第１実施形態のユニバーサルモータ駆動回路として、図３に示す電気掃除機が備えるユニバーサルモータ駆動回路の構成を示す図である。
【図６】この発明の第１実施形態として、商用交流電源の半周期間において任意の固定したデューティ比でＩＧＢＴを駆動した場合の波形の例を示す図である。
【図７】図６に示す波形からスイッチングに伴う高周波成分を除去した商用交流電源電圧、モータ電圧及びモータ電流の各部波形である。
【図８】この発明の第１実施形態の別のユニバーサルモータ駆動回路として、図３に示す電気掃除機が備えるユニバーサルモータ駆動回路の構成を示す図である。
【図９】入力１ｋＷ時の商用交流電源の半周期間において、位相角θ１〜θ２の期間は任意の固定したデューティ比で第１電流スイッチ手段を駆動した場合の商用交流電源電圧とモータ電圧の波形を示す図である。
【図１０】図９に示す波形からスイッチングに伴う高周波成分を除去した商用交流電源電圧、モータ電圧およびモータ電流の各部波形である。
【図１１】従来の代表的な位相制御回路の構成を示す図である。
【図１２】従来の位相制御を行った場合の商用交流電源電圧（Ａ）、モータ電圧（Ｂ）、モータ電流（Ｃ）の波形シミュレーションと、従来の位相制御を行ったときに観測される観測波形（Ｄ）を示す図である。
【符号の説明】
【００９４】
１：電気掃除機、１００，２００：ユニバーサルモータ駆動回路、１１０，２１０：第１電流スイッチ手段、１２０，２２０：第２電流スイッチ手段、１３０：ユニバーサルモータ、１３２：界磁巻線、１３４：整流ブラシ、１３５：整流子、１４０，２４０：商用交流電源。
【図１】
2009017672.tif 000004
【図２】
2009017672.tif 000005
【図３】
2009017672.tif 000006
【図４】
2009017672.tif 000007
【図５】
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【図６】
2009017672.tif 000009
【図７】
2009017672.tif 000010
【図８】
2009017672.tif 000011
【図９】
2009017672.tif 000012
【図１０】
2009017672.tif 000013
【図１１】
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【図１２】
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