专利名称：交流输入型无刷直流电动机以及搭载它的电气设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及换气装置等风扇驱动用的AC (交流)输入型无刷DC (直流)电动机。
背景技术：
近年来，作为换气装置等风扇驱动用的电动机，为了提高效率，在增加AC输入型无刷DC电动机，取代以往的感应电动机。
图11表示AC输入型无刷DC电动机的一例(参照专利文献1 )。整流器101对AC电源进行整流获得高压的DC电压。DC-DC转换器110将对高压的DC电压变换后的4氐压的DC电压施加到电动才几线圏103、 104上。开关元件107、 108基于来自转子的位置检测电路的信号，控制各个电动机线圏103、104的电流。
在DC-DC转换器110的前后，配置浸透了电解液的电容量比较大的铝电解电容器109、 lll作为平滑电容器。铝电解电容器存在具有环境温度引起的特性变化的问题。
图12将风扇驱动时的无刷DC电动机和感应电动机进行比较。图13是表示图12时的风扇的风量-静压特性。如图12所示，风扇驱动感应电动机在其速度-转矩特性ST1的PI和P2之间的区间动作。记号LI和L2分别是静压为零时和最大静压时的风扇的负载曲线。
在将该感应电动机置换为无刷DC电动机的情况下，在无刷DC电动机的速度-转矩特性为ST2时，最大静压与感应电动机的情况相同，但是，动作点P3的静压为零时的风量非常大，其结果，存在噪声、振动变大的问题。相反地，在速度-转矩特性为ST3时，静压为零时的风量与感应电动机的情况相同，但是动作点P4的最大静压非常低，例如存在压力损耗因机外的风变化时、风量发生较大变动的问题。
为了解决这些问题，风扇驱动用的无刷DC电动机的速度-转矩特性，理想的特性是，与感应电动机的特性类似，转矩随着速度上升而变大。专利文献1:日本专利申请特开2003-284307号7>才艮
发明内容
本发明的AC输入型无刷DC电动机具有逆变器电路；电压变换电路， 将对AC电源进行整流得到的高压DC电压变换成低压DC电压；驱动逻辑电 路，用于将低压DC电压经由逆变器电路通电到所述驱动线圈；电流控制电 路，将提供给逆变器电路的平均电流控制为大致恒定；电流指示电路，指示 平均电流值；相关关系指示电路，指示低压DC电压和平均电流之间的相关 关系；以及基准电流指示电路，决定电流指示电路指示的基准电流值，电流 指示电路将提供给逆变器电路的平均电流的值相对于基准电流值增减，以成 为所述相关关系。
本发明的AC输入型无刷DC电动机，通过上述结构驱动风扇，以得到 转矩随着速度上升而变大的速度-转矩特性，即使压力损耗发生变化风量也不 较大变化。
图1是本发明的实施方式1的AC输入型无刷DC电动机的方框图。 图2是该无刷DC电动^L的剖面图。
图3是表示该无刷DC电动机的低压直流电压变换电路的输出电压-电流 特性的图。
图4是表示该无刷DC电动机的速度-转矩特性的图。
图5是表示搭载了该无刷DC电动机的换气装置的图。
图6是表示搭载了该无刷DC电动机的换气装置的风量-静压特性的图。
图7是表示搭载了该无刷DC电动机的换气装置的其它风量-静压特性的图。
图8是表示该无刷DC电动机的其它方框图。
图9是本发明的实施方式2的AC输入型无刷DC电动机的方框图。 图IO是表示该无刷DC电动机的占空比指示电压-电流特性的图。 图11是以往的AC输入型无刷DC电动机的电路图。 图12是将风扇驱动时的无刷DC电动机和感应电动机进行比较的图。 图13是表示图12的情况下的风扇的风量-静压特性的图。标号说明
1 AC输入型无刷DC电动机
2驱动线圈
3磁铁转子
3a极各向异性磁铁
4位置检测电路
4a ;兹;险测器
5驱动逻辑电3各
6逆变器电路
7电流波形控制电^各
8电压变纟奂电^各
9整流电^各
10定子
12波形合成电^各
13相关关系指示电路
16电流控制电^各
17a， 17b电阻
19电流指示电^各
20基准电流指示电路
28换气装置(电气设备)
30 AC输入型无刷DC电动机
31占空比指示电路
32PWM控制电路
33电流波形控制电游^
34驱动逻辑电^各
35电压变换电路
Ql， Q2， Q3, Q4， Q5， Q6开关元件
具体实施例方式
以下，参照附图来详细说明本发明的实施方式。 (实施方式1 )
6如图1至图7所示，AC输入型无刷DC电动机1具有隔着绝缘材料将驱 动线圈2缠绕安装在具有多个槽(slot)的定子铁心10a上所得到的定子10。 定子10由热固性树脂27模压(mold)成形，形成外壳，由轴承架(bracket) 25保持轴承26。
将各向异性塑料磁铁制的极各向异性磁铁3a与传动轴(shaft) 24 —体 地注塑成形而形成;兹铁转子3 。
用于检测磁铁转子3的位置的位置检测电路4具有用于检测磁铁转子3 的磁通密度分布的、霍尔元件等磁检测器4a。磁检测器4a与》兹铁转子3设定 空隙而配置，使得检测的波形与磁铁转子3对驱动线圈2感应的感应电压波 形大致相似。
波形合成电路12从f兹;险测器4a的u相波形减去v相波形以除去提供给 驱动线圈2的u相的电流的高谐波分量，同样地/人》兹;险测器4a的v相波形减 去w相波形以除去提供给驱动线圈2的v相的电流的高谐波分量，从磁检测 器4a的w相波形减去u相波形以除去提供给驱动线圈的w相的电流的高谐 波分量。
从开关元件Q1至Q6桥式连接而形成逆变器电路6。驱动逻辑电路5控 制开关元件Ql至Q6的导通/截止，使得以与规定的方向相同顺序依次对驱 动线圈2进行全波通电。电流波形控制电路7进行反馈，同时调整输出偏置 电流，以使开关元件Q1至Q6成为接近饱和的非饱和状态，从而使得驱动线 圈圈2的各相电流波形成为与由波形合成电路12除去了高谐波分量的波形大 致相似形。
商用AC电源连接到连接端子15。整流电路9对AC电源进行全波整流。 电压变换电^各8由斩波(chopper)电^各构成，将由整流电if各9全波整流后的 具有波动(ripple)的高压电压变换成45V以下的低压DC电压。由电压变换 电路8变换得到的低压DC电压经由逆变器电路6施加到AC输入型无刷DC 电动机1上。在电压变换电路8和整流电路9之间，配置了聚合物电容器 (polymer condenser )作为用于补偿对AC100V50Hz进行全波整流时成为45V 以下的期间的电压的小容量的平滑电容器18。
电流检测电路21对逆变器电路6的电流进行检测。电流控制电路16控 制低压DC电压变更电路14，使从电压变换电路8输出的电压变化，以使逆 变器电路6的平均电流与电流指示电路19指示的电流相等。基准电流指示电路20指示电流指示电路19所指示的电流值的基准值，根据在电机的外部连 接的电阻17a和基准电流指示电路20的内部电阻的合成电阻值，决定基准值。
相关关系指示电路13根据电压变换电路8的输出电压，将提供给逆变器 电路6的电流相对于基准值进行加减，将其指示给电流指示电路19，使得电 压变换电路8的输出电压-电流特性成为图3所示的特性。根据在电动机外部 连接的电阻17b的电阻值决定对于基准值的加减比例。另外，考虑了逆变器 电路6的耐压和回归(kickback)电压的基础上，对逆变器电路6上施加的低 压DC电压设置上限，设置以电压恒定方式运转的区间而不控制电流。在图3 以及后述的图4、图6、图7中，记号C表示电压电流控制区间，记号D表 示电压恒定运转区间。
在图1中，由点划线包围的电路除了平滑电容器18、线圈、次级侧平滑 电容器(未图示)之外，作为形成于氧化铝、铝、或者铜质的基板之上的集 成电路22构成。图5是搭载AC输入型无刷DC电动机1,并内置了风扇23 的作为电气设备的换气装置28。
才艮据本发明的AC输入型无刷DC电动机1，相关关系指示电路13根据 电压变换电路8输出的电压值的大小，将提供给逆变器电路6的电流相对于 基准值被加减而进行指示，所以，如果转速变高，则供给电流也变大，相反， 如果转速变低，则供给电流也变小，因此，如图4所示，获得电动机的速度-转矩特性随着转速上升、轴扭矩变大的特性。在图4中，记号L1和L2分别 是静压为零时和最大静压时的风扇的负载曲线。根据该特性，在换气装置28 中，如图6所示，即使外风压或风道(duct)长度等压力损耗发生变化，也 能获得风量不发生大变化的风量-静压特性。进行加减的变化量适当设定而使 得速度-转矩特性成为最佳的倾斜即可。
另外，如图4所示，通过选择Ra或Rb作为与基准电流指示电路20相 连接的电阻17a,能够上下调整电动机的速度-转矩特性。因此，如图6所示， 通过Ra或Rb的选择，能够容易地调整换气装置28的风量。
另夕卜，通过选择相关关系指示电路13上连接的电阻17b的电阻值，能够 任意地调整电动机的速度-转矩特性的倾斜。因此，如图6所示，通过选择电 阻17b,即使外风压或风道长度等压力损耗发生变化，也能获得不发生大变 化的风量-静压特性。另外，如图7所示，随着压力损耗变大，也能够得到风 量微增的风量-静压特性。整流电路9对AC电压进行全波整流，因此，能够使用电容量比较小的 平滑电容器18。因此，可以将聚合物电容器(polymer condenser)和薄膜电 容器(film condenser)等固体电容器作为平滑电容器18使用，以代替特性因 温度而有变化的电解电容器。另外，即使平滑电容器18的容量少，电流控制 电路16也能将提供给逆变器电路6的电流控制成大致恒定，因此，转矩波动 和》走转不匀^皮抑制。
另夕卜，使磁检测器4a与磁铁转子3之间设定空隙配置，以使检测的波形 与由驱动线圈2感应的感应电压波形大致相似，并且，通过电流波形控制电 路7使与磁通密度分布波形大致相似形的电流流过驱动线圈2，能够将转矩 波动抑制得很低。另外，通过使磁铁转子3为极各向异性》兹铁3a，感应电压 波形和电流波形都为正弦波，因此转矩波动更低。
另外，波形合成电路12将石兹检测器4a的u相、v相、w相的波形进行 合成，除去磁通密度分布波形中所包含的高频分量，所以能够抑制旋转不匀 的发生。
另外，由热固性树脂27—体成模，因此能够简化应对平滑电容器18的 吸湿劣化，因此，能够抑制构成电压变换电路8的开关元件、二极管、线圈 等发热零件的温度上升。
另外，提供给驱动线圈2的电流波形，根据需要，也可以为120度、140 度、150度通电。
另外，在对开关元件Q1至Q6进行PWM控制的情况下，开关元件的损 耗能够降低，因此，能够进一步扩大可使用的负载转矩的范围。
另夕卜，也可以是在电动机内部设定与相关关系指示电路13和基准电流指 示电路20相连接的电阻17a、 17b的结构。
另外，如图8所示，通过以外部开关29切换基准电流指示电路20的电 阻17a,能够切换换气装置28的风量。同样地，通过切换相关关系指示电路 13的电阻17b，也可切换换气装置28的风量。
另外，在本实施方式1的说明中，作为搭载AC输入型无刷DC电动机 的电气设备，以换气装置为例进行了说明。但是，本发明的AC输入型无刷 DC电动机不限于换气装置，也可以搭载于鼓风机、除湿器、加湿器、空调机、 热水器、风扇过滤组件等电气设备。 (实施方式2)图9表示实施方式2的AC输入型无刷DC电动机30。无刷DC电动机 30除了对电动机电流进行PWM控制以外，进行与实施方式1的AC输入型 无刷DC电动机1相同的动作。在图9中，对与AC输入型无刷DC电动机1 相同的结构附加相同标号，省略详细的说明。
在图9中，AC输入型无刷DC电动机30的驱动逻辑电路34搭载对下 级侧开关元件Q2、 Q4、 Q6进行PWM控制的PWM控制电路32、电流波形 控制电路33。电流波形控制电路33进行反馈控制，同时调整开关元件Q2、 Q4、 Q6的导通/截止占空比，以使得驱动线圏2的各相电流波形成为与通过 波形合成电路12除去了高谐波分量的波形大致相似形。电压变换电路35由 斩波电路构成，输出恒压的低压DC电压。占空比指示电路31输出指示PWM 控制电路32的导通/截止占空比的占空比指示电压。
相关关系指示电路13，根据占空比指示电压，将提供给逆变器电路6的 电流相对于基准值被加减，指示给电流指示电路19，使得占空比指示电压和 电压变换电^各35的电流成为图IO所示的关系。
由此，与实施方式l同样，能够获得电动机的速度-转矩特性随着速度上 升，转矩变大的特性。另外，在提供给逆变器电路6的电流的上限中，设定 成PWM的接通占空比为100%。并且，设置导通占空比100%的恒定旋转的 区间。
产业上的可利用性
本发明的AC输入型无刷DC电动机，在搭载在被要求即使有静压的变 化也没有大的风量变化的换气装置上是有用的。
10
权利要求
1、一种交流输入型无刷直流电动机，包括定子，具有驱动线圈；磁铁转子，具有永久磁铁；位置检测电路，检测所述磁铁转子的位置；整流电路，对交流电源进行全波整流；逆变器电路，其由多个开关元件进行桥式连接而成；电压变换电路，将通过所述整流电路得到的高压直流电压变换成低压直流电压；驱动逻辑电路，用于基于来自所述位置检测电路的信号，经由所述逆变器电路，使所述低压直流电压对所述驱动线圈以规定的顺序依次进行全波通电；电流控制电路，将提供给所述逆变器电路的平均电流控制为恒定；电流指示电路，用于指示所述平均电流的值；相关关系指示电路，根据连接的电阻值，指示所述低压直流电压的值和所述平均电流的值之间的相关关系；以及基准电流指示电路，根据连接的电阻值，决定由所述电流指示电路指示的基准电流值，所述电流指示电路将提供给所述逆变器电路的所述平均电流的值相对于所述基准电流值增减，以成为所述相关关系。
2、 如权利要求1所述的交流输入型无刷直流电动机， 还具有占空比指示电路，该占空比指示电路指示对所述开关元件进行PWM控制的导通/截止占空比。
3、 如权利要求1所述的交流输入型无刷直流电动机，还包括 -斜企测器，检测所述磁铁转子的^兹通密度分布；以及 电流波形控制电路，使与所述磁通密度分布波形相似形的电流流过所述驱动线圈。
4、 如权利要求3所述的交流输入型无刷直流电动机，还具有占空比指示 电路，该占空比指示电路指示对所述开关元件进行PWM控制的导通/截止占 空比。
5、 如;f又利要求3所述的交流输入型无刷直流电动^L，还具有波形合成电路，该波形合成电路将所述磁检测器检测到的波形中 的二相的波形合成，流流过所述驱动线圈。
6、 如4又利要求1所述的交流输入型无刷直流电动机，所述磁铁转子的永久磁铁是极各向异性磁铁。
7、 如权利要求1所述的交流输入型无刷直流电动机，所述相关关系指示电路所连接的电阻，在所述交流输入型无刷直流电动 机外部连接。
8、 如权利要求1所述的交流输入型无刷直流电动机，所述基准电流指示电路所连接的电阻在所述交流输入型无刷直流电动机 的外部连接。
9、 一种电气设备，搭载了权利要求1所述的交流输入型无刷直流电动机。
10、 如权利要求9所述的电气设备，所述电气设备是换气装置、鼓风机、除湿器、加湿器、空调机、热水器、 风扇过滤组件中的任意一个。
全文摘要
电流控制电路控制逆变器电路的平均电流。电流指示电路将提供给逆变器电路的平均电流的值相对于基准电流值增减，以成为相关关系指示电路指示的相关关系。这样，能够将无刷DC电动机的速度-转矩特性设定成转矩随着速度上升而变大的形状。转矩随着速度上升而变大的速度-转矩特性适合于风扇驱动。
文档编号H02P6/08GK101479923SQ200780023610
公开日2009年7月8日 申请日期2007年6月26日 优先权日2006年6月29日
发明者高田昌亨 申请人:松下电器产业株式会社