JP2010200439A - 洗濯機用モータ駆動装置およびこれを用いた洗濯機 - Google Patents

Abstract

【課題】ステータコイルの接続形態切り替えの信頼性向上を図ったモータ駆動装置を提供することを目的とする。
【解決手段】ステータコイルの接続形態を切り替えるリレー４の接点を切り替える時、インバータ回路１の電圧印加を停止し、かつインバータ回路１のＤＣ電源電圧よりモータの誘起電圧が低くなる回転速度で切り替えるようにしたものである。これにより、電流検出手段なしにリレー接点に電流を流さずに切り替え動作させることができるので、低コストで高信頼性を図ることが図れるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転軸方向が略鉛直または水平または傾斜方向になるようにして水槽内に回転自在に配置された回転ドラムに直結したＤＣブラシレスモータを駆動する洗濯機用モータ駆動装置およびこれを用いた洗濯機に関するものである。

従来、この種のモータは、洗濯する時には低速かつ大トルクが必要となり、脱水の時には高速・低トルクが必要になる。双方を満足するＤＣブラシレスモータの特性にすると大きなサイズになってしまうので、ＮｄＦｅＢ磁石を使用して弱め磁束制御により高速でもモータが回転できるようにしている。そのため高速時にモータが必要とする電流が増加し、消費電力が増大することでモータ効率が低下してしまう。

これを回避する他の方法として、ステータコイルの接続形態を切り替える洗濯機用モータの駆動システムはすでに提案されている（例えば、特許文献１参照）。

これは図４に示すように、ロータ２４とステータ２５を備えるモータ２６のステータ２５の巻線が３相のスター結線となっており、各相の巻線は例えばコイル２７とコイル２８のように２つのコイルが直列接続されている。２つの直列接続されたコイルの一方の端子はスター結線の中性点２９に接続されている。もう一方の端子３０はリレーの端子に接続されている。この２つのコイルを接続している点から引き出し線を出し、リレーの端子３１に接続されている。このリレーにはもう一つモータを駆動するインバータ回路３２から各相のモータ線３３が接続され、インバータ回路３２からのモータ線３３が各相のコイルの端子３０に接続するか、各相のコイルの中間から引き出した引き出し線の端子３１に接続するかのいずれか一方を選択し接続するようにリレーが配置されている。

モータの各相すべてを前記のようにインバータ回路３２からのモータ線３３をモータからの端子のどれへ接続するかを切り替えるリレーを有するリレー回路３４は、モータを駆動するシステムを制御する制御部３５からの指令で動作する。制御部３５はインバータ回路３２の制御の指令も行う。

このような構成において、低速時には各相のコイルが２つのコイルに電流が流れるようにリレー接続され、ステータコイルのターン数が多い。高速時には各相のコイルが１つのコイルに電流が流れるように２つのコイル間からの引き出し線へリレー接続されてステータコイルのターン数が少ない状態になる。そのリレー切り替えする時は、まず、インバータ回路３２からモータへの電圧印加を停止し、モータ線３３に電流が流れていないかを検出確認する、あるいは過渡現象による異常電圧などが発生していない程度の充分なディレー時間を設けた後に切り替えるというものである。
特開２００８−２２６６５号公報

しかしながら、前記従来の構成では、ロータが回転中に接続切替を行う時、電圧の印加を停止してもモータの誘起電圧がインバータ回路のＤＣ電源部の電圧以上になるような場合には回生エネルギーがモータからインバータ回路に流れ込む。接続切替は実用上、メカニカルリレーなどの有接点になるが、回生エネルギーがＤＣ電源部に流れ込むため、切替時の接点にスパークなどが発生し接点が劣化しやすいという課題を有していた。

また、接続切替によりモータの小型化によるコスト低減が狙えるが、電流検出装置や切替回路、配線などの費用によりコスト低減の割合が低く、更なる低コスト化が望まれているという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、接続形態を切り替える時に切替接点の信頼性向上を図り、より低コスト化を図った洗濯機用モータ駆動装置およびこれを用いた洗濯機を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の洗濯機用モータ駆動装置は、モータを回転したままの時の誘起電圧がインバータ回路のＤＣ電源電圧未満であり、第１接続形態と第２接続形態の両方のモータ特性がリレー切替時の負荷特性を満足させて過渡現象による異常電圧などが発生していない程度の充分なディレー時間を設けた後にリレーを切り替えることにより、電流検出装置による電流の確認がなくともリレーの接点の劣化を防止して切り替えることができ、低コスト化が図れるものである。

また、この洗濯機用モータ駆動装置を用いた洗濯機は、より安価で信頼性が高いものにできるものである。

本発明の洗濯機用モータ駆動装置およびこれを用いた洗濯機は、より安価で信頼性が高いものにできるが図れるものである。

第１の発明は、衣類を収容し鉛直または水平または傾斜した回転中心軸を有する回転ドラムと、前記回転ドラムを回転自在に収容する水槽と、前記回転ドラムに直結されたブラシレスＤＣモータを回転駆動させるシステムにおいて、前記ステータコイルは前記ステータコイルと前記モータを駆動させるインバータ回路との接続形態を変更できるように構成されており、前記ステータコイルを前記モータを低速領域で回転させる時には低速回転に対応した第１接続形態とし、前期モータを高速領域で回転させる時は高速回転に対応した第２接続形態とする接続形態制御手段を備え、前記接続制御手段により切り替える時は、負荷が前記第１接続形態の時のモータ特性と前記第２接続形態の時のモータ特性の両方を満足させることにより、負荷に対するモータの能力を充分にもたせることができ、切替時の機械的な振動や音などが発生しにくくなる。また、接続の切り替える時、前記モータの誘起電圧が前記インバータ回路のＤＣ電源電圧未満であることにより、切り替えリレーの動作時に電流が流れないため、接点の劣化が発生しにくくなり信頼性の向上が図れるものである。

第２の発明は、特に、第１の発明において、前記接続形態手段により、前記第１接続形態がスター結線であり、前記第２接続形態がデルタ結線とすることにより、どちらの接続形態においてもコイル全体を有効に使用でき、配線も容易である。

第３の発明は、特に、第１の発明において、前記接続形態は、１相のコイルが２つのコイルの直列接続から成り、前記２つのコイルの間から引き出し線を備え、前期２つのコイルの端の端子と、前記引き出し線の端子とを前記接続形態手段により切り替えることによって、前記第１接続形態と前記第２接続形態を形成することにより、第１接続形態と第２接続形態の各々のモータ特性の組合せを自由に設けることが可能となるため、使用条件に合わせて最適な形態にすることができる。

第４の発明は、特に、第１〜第３のいずれか１つの発明において、モータの磁石はフェ
ライト磁石とすることにより、低コスト化を図れるものである。

第５の発明は、特に、第１〜第４のいずれか１つの発明において、ステータコイルは導体がアルミニウムとすることにより、低コスト化を図れるものである。

第６の発明は、特に、第１〜第５のいずれか１つの発明において、接続形態制御手段は前記モータが停止した後、前記第１接続形態と前記第２接続形態とを切り替える制御を行うことにより、リレー接点の信頼性を向上を図れるものである。

第７の発明は、特に、第１〜第６のいずれか１つの発明において、接続形態制御手段が前記第１接続形態と前記第２接続形態とを切り替える時、前記モータ特性が負荷条件を満たすように、進み角制御あるいは弱め磁束制御を行うことにより、切り替え時の負荷に対応するのみでのモータの寸法増加をしなくても良いのでモータの小型化を図ることができて、それにより低コスト化を図れるものである。

第８の発明は、特に、第１〜第７のいずれか１つの発明における洗濯機用モータ駆動装置を有する洗濯機としたことにより、より安価で高信頼性を図れるものである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるモータ駆動装置の構成を示している。

図１に示すように、本実施の形態におけるモータ駆動装置は、モータ駆動を行うインバータ回路１は、制御部２からの指令によって制御される。インバータ回路１からモータのステータコイルへと接続するモータ線３がリレー４の端子に接続されている。リレー４の選択される他方の端子５と端子６は、１つは１相のステータコイルの端と接続されている。１相のステータコイルは２つのコイルが直列接続されたものから構成され、２つのコイルをつなげている間の箇所から引き出し線７を設けて端子６に接続されている。１相のステータコイルのもう１つの端は中性点８に接続されており、３相分のステータコイルが中性点で接続されるスター結線となっている。

以上のように構成されたモータ駆動装置において、低速回転で大トルクが必要な洗濯運転時は、図１の洗濯運転時の状態（ａ）の結線のようにステータコイルのターン数が多い状態となっている。一方、高速回転で低トルクの脱水運転時は、図１の脱水運転時（ｂ）の結線のようにステータコイルのターン数が少ない状態となっている。この２つの結線状態はリレー４によって切り替えられる。

一方、図２は回転速度とトルクの関係を示すグラフである。洗濯運転時のモータ特性すなわち第１接続形態時のモータ特性１１は洗濯運転時の負荷点１２と、リレー切り替え時の負荷点を満足し、脱水運転時のモータ特性すなわち第２接続形態時のモータ特性１３は脱水運転時の負荷点１４と、リレー切り替え時の負荷点を満足するようになっている。モータに印加するＤＣ電源の条件が同一の時、モータのステータコイルのターン数を変えることにより、前記のような低速・大トルクのモータ特性と、高速・低トルクのモータ特性とに変えることが可能である。また、リレー切り替えするときのモータの誘起電圧は、インバータ回路１のＤＣ電源電圧よりも低い値とする。モータの誘起電圧は、ほぼ回転速度に比例するので、インバータ回路１とモータの定数とで切り替える時の回転速度の上限が決定される。この切り替えをモータが回転している時に行う場合、まず、所定の切り替える上限の回転速度以下において、インバータ回路１の電圧印加を停止させ、過渡現象の異
常電圧が起きない程度のディレー時間を設ける。次にリレーの切り替え動作を行い、接続状態が完全に安定する状態になるまでのディレー時間を設けた後に、再度モータを駆動するために印加する。

リレー４が切り替わる時、インバータ回路１のモータへの印加電圧が停止されており、インバータ回路１のＤＣ電源電圧よりもモータの誘起電圧が小さいので回生エネルギーがインバータ回路１へ流れ込まず、過渡現象での異常電圧による電流が流れていないので、接点を切り替えてもスパークなど接点を著しく劣化させる現象が発生しないため、高信頼性を図ることができる。また、弱め磁束制御による効率低下を防げるので、特に、高速回転での高効率化が図ることができる。さらに、効率が向上した分、モータサイズを小さくできることにより使用する材料の量を低減できて低コスト化を図ることができる。

本実施形態において、第１接続形態のターン数と第２接続形態のターン数はそれぞれ自由に設定することができるため、モータの使用条件に応じた最適なステータコイルの定数を設定することが可能である。

なお、モータ単体の特性のみで洗濯運転時の負荷点１２と脱水運転時の負荷点１４を満足し、リレー切り替え時の負荷点１５を満たさない時に、進み角制御あるいは弱め磁束制御によってリレー切り替え時の負荷点１５を駆動可能にしても良い。

また、本発明は弱め磁束制御を積極的に使わなくとも良いため、逆磁界による減磁が生じやすく、ＮｄＦｅＢ磁石より安価なフェライト磁石を使って低コスト化を図ることができる。

さらに、ステータコイルの導体を銅より安価なアルミニウムを使うことにより一層の低コスト化を図ることができる。

なお、高速の脱水運転をする前に洗濯・すすぎの水を排水することで、起動時の負荷が軽くなり、起動時の負荷点が第２接続形態でのモータ特性１３で満たされるならば、モータが停止状態でリレー切り替えをしても良いことは言うまでもない。

（実施の形態２）
次に、図３に基づき、本発明の実施の形態２について説明する。

本実施の形態におけるモータ駆動装置は、モータ駆動を行うインバータ回路１６は、制御部１７からの指令によって制御される。インバータ回路１６からモータのステータコイルへと接続するモータ線１８がステータコイル１９の端２０に接続されている。ステータコイル１９のもう一方の端２１がリレー２２に接続され、リレー２２を介して中性点２３に接続されており、ステータコイルの端２１が中性点２３あるいは他のモータ線１８のいづれかに接続するように設けられている。ステータコイルの端２１が他のモータ線１８になるようにすべてのリレーが動作すると、脱水運転時の状態（ｂ）に示すようにデルタ結線となる。

以上のように構成されたモータ駆動装置において、低速回転で大トルクが必要な洗濯運転時は、図３の洗濯運転時の状態（ａ）の結線となっている。一方、高速回転で低トルクの脱水運転時は、図３の脱水運転時（ｂ）の結線となっている。この２つの結線状態はリレー２２によって切り替えられる。このように低速・大トルクのモータ特性と、高速・低トルクのモータ特性とに変えることが可能である。

また、リレー切り替えするときのモータの誘起電圧は、インバータ回路１６のＤＣ電源
電圧よりも低い値とする。モータの誘起電圧は、ほぼ回転速度に比例するので、インバータ回路１６とモータの定数とで切り替える時の回転速度の上限が決定される。この切り替えをモータが回転している時に行う場合、まず、所定の切り替える上限の回転速度以下において、インバータ回路１６の電圧印加を停止させ、過渡現象の異常電圧が起きない程度のディレー時間を設ける。次にリレーの切り替え動作を行い、接続状態が完全に安定する状態になるまでのディレー時間を設けた後に、再度モータを駆動するためにインバータ回路１６から電圧を印加する。

リレー２２が切り替える時、インバータ回路１６からモータへの印加電圧が停止されており、インバータ回路１６のＤＣ電源電圧よりもモータの誘起電圧が小さいので回生エネルギーがインバータ回路１６へ流れ込まず、過渡現象での異常電圧による電流が流れていないので、接点を切り替えてもスパークなど接点を著しく劣化させる現象が発生しないため、高信頼性を図ることができる。また、弱め磁束制御による効率低下を防げるので、特に、高速回転での高効率化が図ることができる。さらに、効率が向上した分、モータサイズを小さくできることにより使用する材料の量を低減できて低コスト化を図ることができる。

本実施の形態において高速回転の時でも、コイルをすべて使用するため銅損が低下させることが可能となり、高効率を図ることが可能となる。また、新たな引き出し線などの追加の配線が不要なため、結線の構成が容易である。

以上のように、本発明にかかる洗濯機用モータ駆動システムは、広範囲の負荷点において高効率かつ小型、高信頼性を図れるものであるので、洗濯機としてはもちろんのこと、他の家庭用電化機器、産業機器などの用途にも幅広く適用できる。さらには、モータ駆動システムは同様の観点において、圧縮機、液体用ポンプにも適用可能である。

（ａ）本発明の実施の形態１におけるモータ駆動装置のステータコイルの洗濯運転時の結線図（ｂ）同脱水運転時の結線図 回転速度とトルクとの関係を示すグラフ （ａ）本発明の実施の形態２におけるモータ駆動装置のステータコイルの洗濯運転時の結線図（ｂ）同脱水運転時の結線図 従来のモータ駆動装置の構成図

１ インバータ回路
２ 制御部
３ モータ線
４ リレー
５ 端子
６ 端子
７ 引き出し線
８ 中性点
２０ 端子
２１ 端子
２２ リレー
２３ 中性点
２４ ロータ
２５ ステータ
２６ モータ
２７ コイル
２８ コイル
２９ 中性点
３０ 端子
３１ 端子
３２ モータ線
３３ インバータ回路
３４ リレー回路
３５ 制御部

Claims (8)

1. 衣類を収容し鉛直または水平または傾斜した回転中心軸を有する回転ドラムと、前記回転ドラムを回転自在に収容する水槽と、前記回転ドラムに直結されたブラシレスＤＣモータを回転駆動させるシステムにおいて、前記ステータコイルは前記ステータコイルと前記モータを駆動させるインバータ回路との接続形態を変更できるように構成されており、前記ステータコイルを前記モータを低速領域で回転させる時には低速回転に対応した第１接続形態とし、前期モータを高速領域で回転させる時は高速回転に対応した第２接続形態とする接続形態制御手段を備え、前記接続制御手段により切り替える時は、負荷が前記第１接続形態の時のモータ特性と前記第２接続形態の時のモータ特性の両方を満足し、前記モータの誘起電圧が前記インバータ回路のＤＣ電源電圧未満であることを特徴とする洗濯機用モータ駆動装置。
2. 前記接続形態手段により、前記第１接続形態がスター結線であり、前記第２接続形態がデルタ結線であることを特徴とした請求項１の洗濯機用モータ駆動装置。
3. 前記接続形態は、１相のコイルが２つのコイルの直列接続から成り、前記２つのコイルの間から引き出し線を備え、前期２つのコイルの端の端子と、前記引き出し線の端子とを前記接続形態手段により切り替えることによって、前記第１接続形態と前記第２接続形態を形成することを特徴とした請求項１の洗濯機用モータ駆動装置。
4. 前記モータの磁石はフェライト磁石であることを特徴とした請求項１〜３のいずれか１項に記載の洗濯機用モータ駆動装置。
5. 前記ステータコイルは導体がアルミニウムであることを特徴とした請求項１〜４のいずれか１項に記載の洗濯機用モータ駆動装置。
6. 前記接続形態制御手段は前記モータが停止した後、前記第１接続形態と前記第２接続形態とを切り替える制御を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の洗濯機用モータ駆動装置。
7. 前記接続形態制御手段が前記第１接続形態と前記第２接続形態とを切り替える時、前記モータ特性が負荷条件を満たすように、進み角制御あるいは弱め磁束制御を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の洗濯機用モータ駆動装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の洗濯機用モータ駆動装置を有する洗濯機。

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