换气送风机的制作方法

1.本公开涉及利用永磁式同步马达的换气送风机。


背景技术：

2.对于换气扇以及送风机之类的换气送风机而言，近年来市场对节能化以及低噪声化等的要求变大。为了实现节能化以及低噪声化，使通过换气送风机进行换气的居室等空间的换气风量为所需最小限度地进行运转是有效的。由于居室的容积各种各样，所以所需最小限度的换气风量也根据居室的容积而设定为各种各样。因此，换气送风机产生精细地控制转速的需要。
3.由于与换气送风机连接的管道长度的不同以及管道路径的不同带来送风上的损耗不同，因此即使以相同的输出使用相同的换气送风机，换气风量也根据其设置环境而不同。因此，期望能够根据设置环境来确保适当的换气风量的换气送风机。其中，管道路径的不同例如是指弯曲数量的不同、弯曲角度的不同。
4.另外，为了预防近年来出现的感染性病毒的感染，而需要通过换气迅速地进行空气的净化，由此产生以根据室内空气的污染度、入室人数算出的换气风量来适当地进行换气的必要性等等，以最佳的换气风量进行换气的要求也增加。控制换气风量的换气送风机例如公开于专利文献1以及专利文献2中。在这样的换气送风机中，控制换气送风机所具备的永磁式同步马达来进行换气风量的调整。
5.专利文献1：日本专利第5743909号公报
6.专利文献2：日本专利第6374662号公报
7.专利文献1中公开了对控制马达的马达转矩的马达电流值im和角速度ω进行线性近似的公式，若能够按照该公式进行控制，则能够使换气送风机的换气风量大致恒定。在专利文献2中公开了被定义为与马达的马达转矩成比例的电流的矢量控制下的转矩电流值iq与角速度ω的比例式，若能够按照该公式进行控制，则能够使换气送风机的换气风量大致恒定。
8.然而，其公式是根据马达以及叶片的理想特性计算出的，在实际的产品中包含阻碍理想特性的误差因素。对于误差因素的示例如下。例如，在马达的定子铁心与转子间产生的齿槽转矩是误差因素。另外，在铁心材料的内部产生的损耗即铁损所引起的马达电流的增加是误差因素。另外，由于从送风机的构造所产生的缝隙泄漏的漏风等原因，而需要预想以上的运转转矩是误差因素。
9.由于例示出的误差因素的影响，实际上转矩电流值iq和角速度ω不会成为理论计算出的线性特性，即使基于上述理论进行理想的控制，与作为目标的换气风量之间也会产生误差。
10.此外，虽然结合设置有换气送风机的实际状况而细致地存储角速度ω以及转矩电流值iq，则能够获得符合实际的换气风量，但由于要存储的角速度ω以及转矩电流值iq增加而使存储装置的容量增大，导致成本的增大。


技术实现要素：

11.本公开是鉴于上述情况而做出的，目的在于获得一种能够抑制成本并且进行高精度且细致的风量控制的换气送风机。
12.为了解决上述的课题并实现目的，本公开所涉及的换气送风机具备：逆变器主电路，通过由多个开关元件进行的开关而将直流电力转换为三相交流电力；马达主体，具有定子以及转子并被逆变器主电路驱动；马达控制电路，控制逆变器主电路；以及存储装置。在存储装置存储有：在第1负荷特性上获得第1风量的第1运转点处的转子的角速度和转矩电流值、和在第1负荷特性上获得与第1风量不同的第2风量的第2运转点处的角速度和转矩电流值。马达控制电路根据第1运转点处的角速度和转矩电流值以及第2运转点处的角速度和转矩电流值，计算在第1负荷特性上获得第3风量的第3运转点处的角速度和转矩电流值，以第3运转点处的角速度和转矩电流值，使逆变器主电路驱动马达主体。
13.本公开所涉及的换气送风机起到能够抑制成本并且进行高精度且细致的风量控制的效果。
附图说明
14.图1是表示实施方式1所涉及的永磁式同步马达的结构的框图。
15.图2是表示实施方式1所涉及的使用永磁式同步马达的换气送风机的概略结构的图。
16.图3是图2所示的换气送风机的特性图。
17.图4是表示在图2所示的换气送风机中换气风量被控制为恒定时的角速度与转矩电流值的关系的图。
18.图5是表示换气风量ql的参数、换气风量qh的参数、以及换气风量qm的参数的关系的图。
19.图6是对使用同一负荷特性上的已知的运转点进行的转矩电流值的计算进行说明的图。
20.图7是表示实施方式1中的实测值的例子的图。
21.图8是表示根据图7所示的实测值得到的角速度和转矩电流值的图。
22.图9是表示使用负荷特性以多点近似目标换气风量变为恒定的运转点而得的例子的图。
23.图10是表示实施方式1中的微型计算机的结构的框图。
具体实施方式
24.以下，基于附图对实施方式所涉及的换气送风机详细地进行说明。
25.实施方式1
26.图1是表示实施方式1所涉及的永磁式同步马达的结构的框图。永磁式同步马达100具备：与交流电源1连接的整流平滑电路2；被pwm驱动的逆变器主电路3；永磁式的马达主体20；以及作为马达控制电路的马达转矩控制部53。马达主体20具备定子21和未图示的永磁式的转子。
27.整流平滑电路2由整流电路2d以及平滑电容器2c构成，向逆变器主电路3供给对从
交流电源1供给的交流电力进行转换而成的直流电力。逆变器主电路3由作为上臂的开关元件的晶体管31～33以及作为下臂的开关元件的晶体管34～36构成。从整流平滑电路2供给来的直流电力，通过晶体管31～36在逆变器主电路3中进行开关而被转换为可变电压且可变频率的三相交流电力。通过将逆变器主电路3所输出的三相交流电力供给到马达主体20，来驱动马达主体20。即，将三相交流电流供给到定子21来控制转子的旋转。此外，在图1中，作为晶体管31～36使用双极晶体管来示出，但只要是开关元件，就不限定元件，也可以使用mosfet(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor:：金属-氧化物半导体场效应晶体管)。
28.马达转矩控制部53具有：电压检测部6，检测输入于逆变器主电路3的直流母线电压vdc；电流检测部5，检测马达电流值iu以及马达电流值iv并将其转换为励磁电流值id以及转矩电流值iq；电压运算部8，运算d轴电压指令值vd＊以及q轴电压指令值vq＊并输出；磁极位置检测部9，求出转子的磁极位置的推断值θ～；速度运算部10，根据磁极位置检测部9所求出的推断值θ～来计算角速度ωr；三相电压运算部11，运算三相电压的指令值vu＊、vv＊、vw＊并输出；pwm调制电路12，生成基于指令值vu＊、vv＊、vw＊的pwm(pulse width modulation：脉冲宽度调制)调制信号并输出；驱动电路13，基于pwm调制信号来驱动晶体管31～36；以及转矩电流指令生成部16。
29.电流检测部5检测在与定子21的两相对应的绕组中流动的马达电流值iu、iv。具体而言，检测由在与逆变器主电路3的下臂的晶体管34、35各自的发射极侧连接的电流检测用电阻亦即分流电阻341、351中流动的电流产生的电压值，并将其转换为电流值，由此检测马达电流值iu以及马达电流值iv。电流检测部5将检测出的马达电流值iu以及马达电流值iv转换为励磁电流值id以及转矩电流值iq。
30.电压运算部8通过运算求出电流检测部5所输出的转矩电流值iq接近转矩电流指令值iq＊那样的d轴电压指令值vd＊以及q轴电压指令值vq＊。具体而言，电压运算部8根据直流母线电压vdc、励磁电流值id以及转矩电流值iq、角速度ωr、以及转矩电流指令值iq＊与转矩电流值iq的差值，运算d轴电压指令值vd＊以及q轴电压指令值vq＊，并作为外加电压信息输出。
31.磁极位置检测部9能够将电流检测部5所求出的励磁电流值id以及转矩电流值iq作为无传感器控制所需的马达电流信息，而不使用转子磁极位置检测传感器。即，磁极位置检测部9能够使用励磁电流值id以及转矩电流值iq、电压运算部8所求出的外加电压信息亦即d轴电压指令值vd＊以及q轴电压指令值vq＊、以及马达常数，来求出转子的磁极位置的推断值θ～。磁极位置检测部9所求出的推断值θ～被输出到电流检测部5，而用作磁极位置θ以求出励磁电流值id以及转矩电流值iq。
32.三相电压运算部11根据电压运算部8所求出的外加电压信息亦即d轴电压指令值vd＊以及q轴电压指令值vq＊、和磁极位置检测部9所求出的推断值θ～，运算三相电压的指令值vu＊、vv＊、vw＊并输出。三相电压运算部11以及pwm调制电路12构成对逆变器主电路3进行控制的逆变器控制部，通过控制逆变器主电路3而对马达主体20施加基于指令值vu＊、vv＊、vw＊的三相电压。
33.转矩电流指令生成部16计算转矩电流指令值iq＊，并且向电压运算部8输出。接下来，对具备永磁式同步马达100的换气送风机的结构进行说明，之后对由转矩电流指令生成
部16计算转矩电流指令值iq＊的计算方法进行说明。
34.图2是表示实施方式1所涉及的使用永磁式同步马达的换气送风机的概略结构的图。换气送风机200具备永磁式同步马达100、叶轮60以及外壳61。叶轮60与永磁式同步马达100的输出轴100a连接。叶轮60收容于外壳61的内部。从交流电源1向永磁式同步马达100供给电力。通过永磁式同步马达100使输出轴100a旋转而使叶轮60旋转，产生空气流来进行换气。在换气送风机200连接有省略了图示的管道。
35.图3是图2所示的换气送风机的特性图。图4是表示在图2所示的换气送风机中换气风量被控制为恒定时的角速度与转矩电流值的关系的图。如图3所示，为了即使因与换气送风机200连接的管道的配管长度等的影响发生负荷的变化而负荷特性从(1)到(3)不同也使得换气风量变得恒定，只要以通过ql(q0，p1)、ql(q0，p2)、ql(q0，p3)的方式控制永磁式同步马达100的角速度ω和转矩电流值iq即可。此时的永磁式同步马达100的角速度ω和转矩电流值iq成为图4所示的特性。此外，在以下的说明中，将角速度ω和转矩电流值iq还统称为参数。
36.虽然换气风量变为恒定(ω，iq)的特性为直线，但由于在永磁式同步马达100的定子铁心与转子之间产生的齿槽转矩、在铁心材料的内部产生的损耗即铁损所引起的马达电流的增加、从在换气送风机200的构造上产生的缝隙泄漏的漏风之类的误差因素，而不能成为完全的线性。因此，为了提高换气风量的控制精度，而在两个以上的不同的负荷特性上实测角速度ω和转矩电流值iq，并以收敛在连接从实测值得到的图4上的运转点而成的线上的方式控制角速度ω和转矩电流值iq。
37.在图4中示出了在三个不同的负荷特性实测参数的例子，若以收敛在连接所得到的运转点而成的线上的方式控制角速度ω和转矩电流值iq，则能够以图3所示的恒定的换气风量ql进行换气。通过实测而得到的运转点越多，风量控制的精度越提高。若需要扩大对静压的控制范围，则通过使用在四个以上的负荷特性实测出的实测值来计算成为收敛对象的线，而能够提高风量控制的精度并且扩大控制范围。
38.虽然通过增加运转点的数量而能够在大范围内抑制风量误差，但由于要存储的信息增加而使存储装置的容量也增大，因此导致成本的增加。因此，无法直到能够进行无级的风量控制为止增加运转点的数量，在此之前几乎是进行有级的风量控制。而若能够通过计算求出目标换气风量下的参数，则不增加存储容量就能够进行无级的风量控制。
39.接下来，对根据换气风量ql的参数和换气风量qh的参数，求出作为目标风量的换气风量qm的参数的计算方法进行说明。其中，换气风量ql、qm、qh的关系为ql＜qm＜qh。例如，换气风量ql是对换气送风机200设定的弱档(weak notch)时的换气风量。另外，换气风量qh是对换气送风机200设定的强档(strong notch)时的换气风量。
40.图5是表示换气风量ql的参数、换气风量qh的参数、以及换气风量qm的参数的关系的图。使用ql(ω
ln
，iq
ln
)以及qh(ω
hn
，iq
hn
)，通过计算求出换气风量qm下的参数亦即qm(ω
mn
，iq
mn
)。图6是对使用同一负荷特性上的已知的运转点进行的转矩电流值的计算进行说明的图。在相同的负荷特性上，由于换气风量q
∝
角速度ω，因此在相同的负荷特性上，能够如以下的(1)式那样计算。
41.(qmn－qln)/(qhn－qmn)＝(ω
mn
－ω
ln
)/(ω
hn
－ω
mn
)
…
(1)
42.然后，能够使用以下的(2)式以及(3)式来计算角速度。
43.ω
mn
＝((qm－ql)
·
ω
hn
+(qh－qm)
·
ω
ln
)/((qh－qm)+(qm
44.－ql))
…
(2)
45.ω
mn
＝((qm－ql)
·
ω
hn
+(qh－qm)
·
ω
ln
)/(qh－ql)
…
(3)
46.由于通过计算求出角速度ω，所以接着计算该角速度ω下的转矩电流值iq的值。在换气送风机200中，角速度ω的平方与转矩成比例。由于转矩电流值iq与转矩成比例，所以角速度ω的平方与转矩电流值iq成比例。
47.但是，这里实际上也不是理想的二次曲线，存在诱发误差的因素，因此角速度ω与转矩电流值iq的关系用下面的(4)式近似。
48.iq＝αn·
ω2+βn…
(4)
49.这里，αn和βn是同一负荷特性下的常数。
50.根据处于该负荷特性上的两个运转点(ω
ln
，iq
ln
)、(ω
hn
，iq
hn
)，使用下面的(5)式至(8)式，求出α、β。
51.iq
ln
＝αn·
ω
ln2
+βn…
(5)
52.iq
hn
＝αn·
ω
hn2
+βn…
(6)
53.αn＝(iq
hn
－iq
ln
)/(ω
hn2
－ω
ln2
)
…
(7)
54.βn＝(ω
hn2
·
iq
ln
－ω
ln2
·
iq
hn
)/((ω
hn2
－ω
ln2
))
…
(8)
55.由上述(4)式和先前求出的ω
mn
、αn以及βn可知，如以下的(9)式所示求出iq
mn
。
56.iq
mn
＝αn·
ω
mn 2
+βn…
(9)
57.即，若在同一负荷特性上存在任意换气风量下的角速度和转矩电流值为已知的多个运转点，则通过计算能够求出同一负荷特性上的任意运转点的(ω
mn
，iq
mn
)。另外，从其他负荷特性上也能够同样地计算。图7是表示实施方式1中的实测值的例子的图。图8是表示根据图7所示的实测值得到的角速度和转矩电流值的图。例如，根据图7所示的最低限度的换气风量qh以及换气风量ql的实测值，能够得到图8所示的成为任意的换气风量qm的角速度和转矩电流值。
58.即，即使不将多个参数依次存储于存储装置中，也能根据存储于微型计算机内的四个运转点处的参数，控制成任意的换气风量。因此，不增加存储容量就能够以无级实现风量恒定的控制。
59.转矩电流指令生成部16进行上述的计算，求出用于以目标换气风量使换气送风机200运转的转矩电流指令值iq＊。在转矩电流指令生成部16预先存储有至少2点以上或4点以上的运转点处的参数。对转矩电流指令生成部16指示目标换气风量的指令q＊。例如，当指令值为qm时，根据已存储的参数，通过转矩电流指令生成部16求出换气风量成为qm的运转点处的参数。另外，连接求出的运转点而近似作为风量特性的ω－iq特性。然后，以使得实际运转角速度和转矩电流值落在近似的ω－iq特性上的方式进行控制。这里，实际运转角速度是指换气送风机200运转中的那一时刻的角速度。
60.使用转矩电流指令生成部16所求出的ω－iq特性，控制永磁式同步马达100，能够得到目标风量。
61.使用图5对目标风量下的参数的计算进行说明。在转矩电流指令生成部16中预先存储有参数的运转点为虽然处于同一负荷特性上但换气风量在ql和qm不同的2点的运转点(第1运转点111和第2运转点112)处的参数的情况下，通过计算能够得到其负荷特性上的换
气风量成为qm的运转点(第3运转点113)处的参数。即，若存储有2点的运转点处的参数，则能够高精度地实现在其负荷特性上任意的换气风量下的运转。
62.在转矩电流指令生成部16中预先存储有参数的运转点为虽然处于一个负荷特性上但换气风量在ql和qm不同的2点的运转点(第1运转点111和第2运转点112)、和虽然处于另外的负荷特性上但换气风量在ql和qm不同的2点的运转点(第4运转点114和第5运转点115)的情况下，能够进行以下控制。
63.即，通过转矩电流指令生成部16，根据第1运转点111处的参数和第2运转点112处的参数，计算其负荷特性上的换气风量成为qm的第3运转点113处的参数。另外，通过转矩电流指令生成部16，根据第4运转点114处的参数和第5运转点115处的参数，计算其负荷特性上的换气风量成为qm的第6运转点116处的参数。然后，通过转矩电流指令生成部16，根据第3运转点113处的参数和第6运转点116处的参数，近似换气风量在qm成为恒定的ω－iq特性。在任意的负荷特性上，使参数收敛于近似的ω－iq特性，由此能够以使换气风量成为qm的方式进行控制。通过参数的收敛来得到转矩电流指令值iq＊。因此，若存储有4点的运转点处的参数，则能够高精度地实现任意的负荷特性且任意的换气风量下的运转。
64.此外，预先存储的参数是针对每个换气送风机200在各运转点实测出的参数。
65.图9是表示使用负荷特性以多点近似目标换气风量变为恒定的运转点而得的例子的图。如图9所示，预先存储有负荷特性n1、n2、
…
、m－1、m上的成为换气风量ql和换气风量qh的运转点处的参数。根据该多个运转点处的参数，计算负荷特性n1、n2、
…
、m－1、m上的成为目标风量的运转点的参数。根据计算出的参数来近似换气风量以目标风量变为恒定的ω－iq特性。通过增加近似中所使用的参数，来提高近似的精度。通过增加预先存储的参数，虽然存储装置的存储容量以及运算数增加，但能够提高换气风量的精度。
66.如以上说明那样，根据实施方式1所涉及的换气送风机200，通过利用控制软件等而将必要的运转点处的参数(角速度ω、转矩电流值iq)预先存储2点以上，从而能够进行消除了理论特性与实际之间的乖离的高精度的风量控制。另外，根据存储的运转点，通过计算导出成为其他换气风量的运转点，从而能够容易地实现以任意的换气风量恒定地控制，而不是进行有级的风量选择。
67.另外，通过在永磁式同步马达100内内置风量控制、马达驱动控制所涉及的控制电路，从而能够节约设置于永磁式同步马达100之外的控制电路的物理大小。由此，能够削减换气送风机200中的控制电路所占的比例，削减产品的容积。
68.图10是表示实施方式1中的微型计算机的结构的框图。微型计算机40具备：执行运算以及控制的cpu(central processing unit)41；供cpu41在工作区域使用的ram(random access memory)42；存储程序以及数据的rom(read only memory)43；作为与外部交换信号的硬件的i/o(input/output)44；以及包含生成时钟的振荡器的外围设备45。在实施方式1中的马达转矩控制部53的各功能中，除了电流检测部5的检测马达电流的功能以及电压检测部6的功能以外的功能，可由微型计算机40实现。由微型计算机40执行的控制通过由cpu41执行存储于rom43的软件亦即程序来实现。rom43也可以为可重写的闪存之类的非易失性的存储器。另外，rom43还作为在转矩电流指令生成部16中预先存储运转点处的信息的存储装置发挥功能。
69.以上的实施方式所示的结构表示一个例子，可以与其它公知的技术组合，也可以
将实施方式彼此组合，也可以在不脱离主旨的范围内，省略、变更结构的一部分。
70.附图标记说明
71.1...交流电源；2...整流平滑电路；2c...平滑电容器；2d...整流电路；3...逆变器主电路；5...电流检测部；6...电压检测部；8...电压运算部；9...磁极位置检测部；10...速度运算部；11...三相电压运算部；12...pwm调制电路；13...驱动电路；16...转矩电流指令生成部；20...马达主体；21...定子；31～36...晶体管；40...微型计算机；41...cpu；42...ram；43...rom；44...i/o；45...外围设备；53...马达转矩控制部；60...叶轮；61...外壳；100...永磁式同步马达；100a...输出轴；200...换气送风机；341、351...分流电阻。

技术特征：
1.一种换气送风机，其特征在于，所述换气送风机具备：逆变器主电路，通过由多个开关元件进行的开关而将直流电力转换为三相交流电力；马达主体，具有定子以及转子并被所述逆变器主电路驱动；马达控制电路，控制所述逆变器主电路；以及存储装置，在所述存储装置存储有：在第1负荷特性上获得第1风量的第1运转点处的所述转子的角速度和转矩电流值、和在所述第1负荷特性上获得与所述第1风量不同的第2风量的第2运转点处的所述角速度和所述转矩电流值，所述马达控制电路根据所述第1运转点处的所述角速度和所述转矩电流值以及所述第2运转点处的所述角速度和所述转矩电流值，计算在所述第1负荷特性上获得第3风量的第3运转点处的所述角速度和所述转矩电流值，以所述第3运转点处的所述角速度和所述转矩电流值，使所述逆变器主电路驱动所述马达主体。2.根据权利要求1所述的换气送风机，其特征在于，在所述存储装置存储有：在与所述第1负荷特性上不同的第2负荷特性上获得所述第1风量的第4运转点处的所述角速度和所述转矩电流值、和在所述第2负荷特性上获得所述第2风量的第5运转点处的所述角速度和所述转矩电流值，所述马达控制电路根据所述第4运转点处的所述角速度和所述转矩电流值以及所述第5运转点处的所述角速度和所述转矩电流值，计算在所述第2负荷特性上获得第3风量的第6运转点处的所述角速度和所述转矩电流值，并且根据所述第3运转点处的所述角速度和所述转矩电流值以及所述第6运转点处的所述角速度和所述转矩电流值，获得表示所述角速度与所述转矩电流值的关系的风量特性。

技术总结
本发明的换气送风机具备：逆变器主电路；马达主体，具有定子以及转子并被逆变器主电路驱动；马达控制电路，控制逆变器主电路；以及存储装置。在存储装置存储有：在第1负荷特性上获得第1风量的第1运转点处的转子的角速度和转矩电流值、和在第1负荷特性上获得与第1风量不同的第2风量的第2运转点处的角速度和转矩电流值。马达控制电路根据第1运转点处的角速度和转矩电流值以及第2运转点处的角速度和转矩电流值，计算在第1负荷特性上获得第3风量的第3运转点处的角速度和转矩电流值，以第3运转点处的角速度和转矩电流值，使逆变器主电路驱动马达主体。马达主体。马达主体。


技术研发人员：堀田和彦 中村拓也 黑泽亮太
受保护的技术使用者：三菱电机株式会社
技术研发日：2020.12.23
技术公布日：2023/8/24