JPH02131390A - Ｄｃブラシレスモータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はＤＣブラシレスモー夕に関するものである． ［従来の技術コ 一般に低価格の製品に使用されるモータは３相ブラシ付
きモータが多かったが近年電子回路部品の低価格化やブ
ラシによる火花、雑音等の解消、長寿命化の要求によっ
てＤＣブラシレスモー夕にとって変わりつつある． このＤＣブラシレスモー夕のなかで２相弐のものは構成
する部品点数が最も少なく、低コスト化に適している。

しかしながら２相式のＤＣブラシレスモー夕では平滑さ
れたリップルの小さい安定化電源を使用しなければなら
ないという制限があった。つまりこの２相式ＤＣブラシ
レスモー夕を商用電源を整流して得られた脈流電源で駆
動した場合、モータ自体が持つトルクリップルと電源の
リップルとが同期し、電源電圧と速度の関係が直線的で
無いため任意の回転数でモータを制御することが難しか
った。

ところが本発明者らは３相以上のＤＣブラシレスモータ
にリップルの大きな脈流電源を用いても電源のリップル
とトルクリップルとの同期現象を回避することができ、
制御性が良く且つ雑音発生が小さいＤＣブラシレスモー
夕が実現できることが分かった。第１２図に示す回路が
本発明者らが提案した３相ＤＣブラシレスモー夕の回路
であり、第１３図．第１４図はそのモータの機構部を示
す．この３相のＤＣブラシレスモータの主電源部１は商
用電源２にダイオードＤ，−Ｄ４からなるブリッジ整流
器３を降圧抵抗Ｒ．を介して接続して構成しており、ブ
リッジ整流器３の正極出力は後述の固定子の巻線４υ，
４ｖ，４．の各一端に接続され、各巻線４ｕ，４ｖ，４
．の他端は電流切換回路７のスイッチング用トランジス
タＱＵ，Ｑｖ，Ｑ．のコレクタに接続されている。各ト
ランジスタＱｕ，Ｑｖ．Ｑｗのエミッタはブリッジ整流
器３の負極出力に接続される．また各トランジスタＱ．
ｊ．Ｑｖ，Ｑ．のベース・エミッタ間にはスイッチング
速度向上のための抵抗Ｒ　ｓ　，　Ｒ　．，　Ｒ　７が
夫々接続される．さらに各ベースは抵抗Ｒ２，Ｒ，，Ｒ
．を夫々介してコンパレータＩＣ５の各対応する出力に
接続される。

コンパレータＩＣ５は複数の演算増幅器５ａ・・・を内
蔵したもので図示する従来例ではその内の３個をＵ　，
Ｖ　，Ｗ相の電流切り換えのために使用して各演算増幅
器５ａ・・・の比較入力にはホール素子（ホールＩＣ）
Ｈ，，Ｈｖ，Ｈ．の検出出力を接続してある。

上記商用電源２と降圧抵抗Ｒ１との接続点と、ブリッジ
整流器３の負極出力との間にホール素子Ｈｕ，Ｈｖ．Ｈ
．と電流切換回路７とに制御用電源を与えるの制御電源
部６が抵抗Ｒ，と半波整流器たるダイオードＤ５との直
列回路を介して接続されており、この制御電源部６は入
力する半波の脈流電圧をツエナーダイオードＺＤ，によ
って一定の電圧にクリップして、更にコンデンサＣ１に
より平滑し、その平滑された直流電圧をコンパレータＩ
Ｃ５に印加し、また抵抗Ｒ，と、ホール素子ＨＵ，Ｈｖ
，Ｈ．と、抵抗Ｒ，。との直列回路にも印加するコンデ
ンサＣ２〜Ｃ，はトランジスタＱ．，Ｑｖ．Ｑ一のオフ
時の巻線４　ｕ　，　４　ｖ．　４　ｗに発生する逆起
電圧を低減するためのコンデンサであり、又主電源部１
のコンデンサＣ，はノイズ防止用コンデンサである． このように回路が構成された３相ＤＣブラシレスモー夕
の機構部の楕遣は第１３図に示すようにＮ極、Ｓ極を交
互に周方向に着磁した永久磁石８を内装するとともにシ
ャフト１３を中心に貫挿させた永久磁石回転子９と、複
数極を有した積層鉄心１０にＵ，Ｖ，Ｗ相に対応する組
の巻線４を巻装し、また固定子１１の中央部には軸受１
２を挿入固定し、また固定子１１の下部には上記ホール
素子Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈ，を配置している．そして上記軸受
１２に上記シャフト１３を円滑に回転するように挿通し
、永久磁石回転子９の内周面と固定子１１の外周面との
間及び永久磁石回転子９の内天井面と軸受１２の上面と
の間に０．５＋＊ｍ程度のギャップを持たせている。

さて第１２図回路に於いてまず商用電源２が投入される
と、制御電源部６の出力が立ち上がり、ホール素子｝｛
．Ｊ，｝ｌｖ，１｛１１の機能が働き始める。この時ホ
ール素子Ｈ，Ｊ，Ｈｖ，Ｈ．はその位置に対向した各永
久磁石回転子９の磁極の磁束密度に応じた信号を出力す
る。第１４図に示すように機械角６０度で互いに配置さ
れたホール素子Ｈ　ｕ　，　Ｈ　ｖ　，　Ｈ　ｗには位
相が２π／３ずつずれた検出出力が現れる。

この出力を各コンパレータＩＣ５の演算増幅器５ｍ，　
５　ｂ，　５　ｅで波形整形して第１５図（ａ）　．　
（ｂ）　，　（ｃ）示す方形波を出力し、夫々の”Ｈ”
期間のみトランジスタＱ．．Ｑｖ．Ｑ．をオンする．こ
のオン時に対応する巻線４Ｕ，４ｖ，４．に電流が流れ
、各巻線４Ｕ，４　ｖ，４ｗには回転トルクが発生し、
全体としてこれら回転トルクを合成した合成トルクによ
ってモータが回転する。この合成トルクのリップルは２
相ＤＣブラシレスモー夕のトルクリップルに比べて小さ
くなっている為、電源の脈動を受けにくくなっている． 商用電源２を遮断すると制御電源部６はオフするが、モ
ータ自体は慣性力で徐々に回転数を落としながら停止す
る． ［発明が解決しようとする課題］ ところで第１２図に示す従来例回路では上述の特徴を有
し、制御電源部６は制御用電源を安定化するためにツェ
ナーダイオードＺＤ．９平滑用コンデンサＣ＋により一
定電圧Ｖ２に平滑安定化しているが、例えばＩＯＯＶの
商用電源２を使用している場合には第１６図において破
線で示すようにｆヲ×１００なる半波の脈流電圧が制御
電源部６の電源入力端に印加されるため、該制御電源部
６の出力電圧は実線で示すようにリツプル分が多く安定
性に優れているとは言えなかった．つまり負の半波では
出力電圧ｖ２が低下するので、電流切換回路７のトラン
ジスタＱ．，Ｑｖ．ＱＩ＋へのベース電流の供給が一時
的に低下することになる．従ってトランジスタＱＵ．Ｑ
ｖ．Ｑ．をスイッチングさせるのに必要なベース電流１
ｂ≧Ｉｃ／Ｈｙ＊を確保できなかった．尚図示する回路
におけるベース電流ｒｂは次のように表せる． Ｉ　ｂ＝　（Ｖ．，−Ｖ．．）／Ｒｂ 但し■。，は演算増幅器５ａ，５ｂ，５ｃの出力電圧、
■，．はスイッチング時のトランジスタＱｕ，ＱＶ　．
　Ｑ　ｗのベース・エミッタ間電圧、Ｒｂはベース抵抗
で、抵抗Ｒｚ，ＲＩ　Ｒ４に相当する．又従来例では回
転数を切り換えることができず、そのため回転数の切り
換えができ、しかも少ない回転数で回す場合でも強い起
動トルクが得られるものが要求されている． 本発明は上述の点に鑑みて為されたもので、その目的と
するところは、簡単な構成の制御電源部から安定した出
力電圧が得られて、安定した動作が得られるＤＣブラシ
レスモー夕を提供するにある． 併せて回転数の切り換えができしかも少ない回転数で回
す場合でも強い起動トルクが得られるＤＣブラシレスモ
ー夕を提供することを目的とする。

［課題を解決する手段コ 請求項１記載の発明は商用電源をブリッジ整流器で整流
し降圧抵抗により降圧して得られた電圧を固定子の巻線
に励磁電流を供給する主電源電圧とするとともに、ブリ
ッジ整流器と降圧抵抗との間から上記巻線の励磁を制御
する制御手段の電源を取り出すことを特徴とするもので
あり、請求項２記載の発明は商用電源を整流器で整流し
降圧抵抗により降圧して得られた電圧を固定子の巻線に
励＠電流を供給する主電源電圧とするとともに、上記巻
線に並列に回転数切り換え用の複数の抵抗を切り換え手
段を介して接続し、該切り換え手段によって巻線に並列
接続される抵抗の抵抗値を切り換えて回転数を多段階に
設定自在としたものである。

［作用コ 而して請求項１記載の発明では商用電源の整流出力をそ
のまま制御手段の電源として使用することができ、また
同時に降圧された電圧で巻線の励磁電流を得るための電
源として使用することができる． また請求項２記載の発明では切り換え手段の切り換えを
行うことにより、巻線に並列に接続される抵抗値を切り
換えて巻線に流す励磁電流の値を切り換えることができ
、そのため回転数を多段に設定できるのである． ［実施例コ 以下本発明を実施例により説明する． 犬１ｊ１， 第１図は３相式ＤＣブラシレスモー夕に用いた実施例１
の回路を示す．この第１図回路に示すように本実施例は
商用電源２にブリッジ整流器３を接続し、このブリッジ
整流器３の正の出力端に降圧抵抗Ｒ，と、順方向のダイ
オードＤ，を介して固定子ｌ１の巻線４ｕ，４ｖ．４−
の共通接続点を接続し、ブリッジ整流器３の正の出力端
と降圧抵抗Ｒとの接続点を抵抗Ｒ　ｓ　’を介して制御
電源部６に接続し且つその他の回路部１３に接続した点
で従来例回路と相違するものであり、その他の構成は第
９図回路と同様である． 而して電源オン時の制御電源電圧Ｖ２は第２図に示すよ
うに安定化される．また巻線４　，，４　ｖ，４１の共
通接続点の電圧Ｖ，は第３図（ａ）に示すように電源オ
フ（ｔｌ＞すると、このオフ時で直ちに零Ｖととはなら
ず、図示するように徐々に低下して行く。この電圧Ｖ．
はダイオードＤ，が無ければ、ブリッジ整流器３の出力
■．に影響を与え、電源オフにも拘らず、中途半端な電
圧で誤動作の原因となる。

また制御電源部６が電圧■８を電源としているため、電
圧ｖ３が中途半端な電圧になると、制御電源電圧Ｖ２は
不安定電圧となり、モータ停止時にブレーキとなったり
して騒音や振動の原因にもなる。

しかしながら本実施例ではダイオードＤ，により電源オ
フ時に巻線電圧Ｖ１の影響を受けることが無く、電源オ
フ時には電圧Ｖ３は第３図（ｂ）に示すように零Ｖとな
り、上述の誤動作や騒音、振動発生を防止できるのであ
る。

火旌刊２ 第４図は本実施例の基本構成回路を示しており、この実
施例の基本構成回路は、図示するように制御電源部６の
電源をブリッジ整流器３の出力端と降圧抵抗Ｒ１との接
続点から取り、巻線及び電流切換回路からなる巻線回路
１４には切り換えスイッチ素子Ｓ，，Ｓ２を介して抵抗
Ｒ　２　，　Ｒ　ｓを並列接続してある． この回路では回転数を「強」「中」「弱」の３段階に切
り換えることができるようになっている。

つまりｒ強」の場合には両スイッチ素子Ｓｌｌ　Ｓ２を
開放状態とすれば良くし、この場合巻線回路１４には降
圧抵抗Ｒ，を介して励磁電流を流す．またｒ中コの場合
には一方のスイッチ素子Ｓ１をオンさせて、巻線回路１
４に抵抗Ｒ２を並列接続し、この抵抗Ｒ２で電流を分流
してた状態で励磁電流を減少させ、中程度の回転数とす
る。またｒ弱Ｊの場合には両スイッチ素子Ｓ．Ｓ２を共
にオンさせて抵抗Ｒ　２　，　Ｒ　３を巻線回路１４に
並列に接続して分流する電流を大きくし、励磁電流を更
に減少させて少ない回転数とする。

尚回転数を切り換える方法としては第５図に示すように
巻線回路１４に直列に接続する降圧抵抗の値をＲ１。、
Ｒｌｌ，　ＲＩ２とスイッチ素子Ｓ１。、Ｓ．Ｓ，２と
の直列回路を切り換える方法も考えられるが、この方法
では特に回転数を少なくした場合に起動トルクが十分に
得られず起動しない場合があるので、採用できない。

次に第４図回路の動作を第５図回路の動作と比較しなが
ら説明する。

まず「中」程度の回転数で回す場合には第４図の回路で
は第７図（ａ）に示すような等価回路となり、第５図の
回路は第７図（ｂ）に示す等価回路となる，ここで抵抗
ｒ．は巻線抵抗を示し、■．はモータ回転による逆起電
圧を示す。また■１は巻線印加電圧を示し、この電圧■
．は第４図、第５図共同じ回転数であるので同じ電圧と
している．また励磁電流１２＋　とｉ゜とも等しい．従
って ｉ　′　〒１２″　＋ｉ， Ｖ．，，−Ｖ． Ｒ， ”　＝Ｒｚ ■，。−■． ．’．　ｉ　’　　−　　　　，　　，ｌ 次に起動時においては第４図回路では第６図〈ａ）に示
す等価回路となり、第５図回路では第６図（ｂ）に示す
等価回路となる。この時は回転していないので、モータ
の逆起電力は零である。従ってモータに流れる起動電流
は第６図（ａ）においては １２であり、第６図（ｂ）ではｉとなる。従ってＲ ’　”　”　”　”　　ｒ　ａ　＋　Ｒ　２となる。こ
こで例えば電圧■、を１００Ｖ．ｔ圧Ｖ．をＩＯＶ、Ｒ
，を５４０Ω、ｒ．を１００Ω、ｉ２’＝ｉ’を０．０
５Ａとした場合電流ｉ２，ｉを上記の式より求めると、 ｉ．＝０．０７８７　（Ａ） ｉ　　＝Ｏ、０５３　　（Ａ） となる．従って第４図の回路を使うと起動電流は１２＞
ｉとなり、第５図回路の方式では起動できない弱い回転
数の運転も第４図の回路ではできることが分かる． 第８図は第４図回路の具体例を示しており、この具体回
路では２つのトランジスタからなるスイッチ素子Ｓ，，
Ｓ２を用い、このスイッチ素子Ｓ，，Ｓ２のオンオフを
設定する切り換え接続手段としてコントローラ１４を設
けており、ｒ強」、「中」「弱」の切り換えは「強」の
場合にはスイッチ素子Ｓｌ，Ｓ２を共にオフ、Ｅ中」の
場合にはスイッチ素子Ｓ，をオン、スイッチ素子Ｓ２を
オフ、「弱」の場合にはスイッチ素子Ｓ，，Ｓ２を共に
オンとする制御信号をコントローラ１４より与えるよう
になっている。尚「中」の場合にスイッチ素子Ｓ１をオ
ン、スイッチ素子Ｓ２をオフとし、「弱」の場合にスイ
ッチ素子Ｓ１をオフ、スイッチ素子Ｓ２をオンとするよ
うにしても良いが、先に説明した切り換え方法の場合に
は「弱」時にもしどちらかの抵抗や、スイッチ素子が破
壊断路された場合でも回転数の変化が少なく、つまり「
弱Ｊ　−　ｒ中」になるが、後者の場合にはｒ弱」→「
強」となるため先の切り換え方法を採用するのが好まし
い。

第９図は強中弱３段切り換え方式において、並列で切り
換える第４図実施例と、直列で切り換える第５図実施例
との中間である切り換え方式を採用した実施例を示して
おり、この実施例では巻線回路１４に並列に抵抗Ｒコと
スイッチ素子８２とを直列に接続し、且つ抵抗Ｒ１に直
列に抵抗Ｒ２′を接続し、この抵抗Ｒ２゜に並列にスイ
ッチ素子Ｓ′を並列接続したもので、ｒ強」運転の時は
スイッチ素子８１′のみをオンさせ、抵抗Ｒ１を通して
巻線回路１４に電流を流す。

また「中」運転の場合にはスイッチ素子ＳＳ２ともオフ
し、抵抗ＲＩ＋抵抗Ｒ　ｚ　’の抵抗を通して巻線回路
１４に電流を流す． 更にｒ弱」運転の場合にはスイッチ素子Ｓ２のみをオン
し、抵抗Ｒ１＋抵抗Ｒ　２　’を通った電流を抵抗Ｒコ
と巻線回路１４とに分流して流す。

ここで抵抗Ｒｌ．Ｒ２″，Ｒｌの抵抗は発熱するが、第
９図実施例の特徴はモータのｒ弱」運転時の起動電流を
大きくし、且つその時の抵抗ＲＲ２’　，Ｒｚの発熱を
小さくする場合に最適である．次にこの理由を具体的に
説明する。

まず「強」、「中」、「弱」の切り換え用の抵抗の内、
「強」、ｒ中」用の抵抗ＲＩ＋抵抗Ｒ２をＲＸ、「弱」
用の抵抗Ｒ，をＲＹとして示すと、起動時及び弱」運転
時において、第１０１１ｇ（ａ）に示す等価回路が成立
する。

ここでモータに直列に入る降圧抵抗Ｒ×と並列に入る分
流抵抗Ｒｙを有する回路でモータの起動電流工．を大き
くするにはモータコイルに印加される電圧■１を大きく
すれば良い。され起動時にはモータコイルによる起電力
は０■なので、コイル抵抗ｒ１により、起動電流Ｉ．は
Ｉ．＝Ｖア／　ｒ　ａである． 電圧ＶＹは ｒ，・　Ｒｙ で示される。

電圧Ｖｔｎ，ｒｅは同じなので、抵抗Ｒｘと抵抗Ｒ，の
値の選び方により自動的に電圧ＶＹが決まる。

次にモータの運転時は第１０図（ｂ）のように等価回路
が描かれる。モータコイルには逆起電圧が発生するため
Ｖ．の電源が入る形となる。

回転数を一定にするためには電圧■７゜を一定にしなけ
ればならない。従って抵抗ＲＸの値が決まると、ＶＹ′
を一定値にするような抵抗Ｒｙが決まる。

抵抗Ｒｘと抵抗Ｒｙとでの消費電力Ｐ　Ｘ，　Ｐ　ｙは
Ｐｖ＝（　Ｉｙ’　）　２・ＲＹ ｐ．ｘ＝　（Ｉ！’　）”−Ｒｘ となる． ここでＩ．Ｘ’　＝Ｉ，’　＋ＩＹ’であり、■．１は
一定なので、ｌｘ’を小さくすればＩア′．も小さくで
きる。つまり抵抗ＲＸを大きく選ぶことで、消費電力Ｐ
Ｙ，Ｐ×を小さくすることができる．よって「強」、「
中」、「弱」時の切り換えを有するもので、「弱」時の
起動電流を大きくし、且つ「強」、ｒ中」、「弱」時の
運転時の各抵抗Ｒ，，Ｒ２’　，Ｒ，の消費電力を押え
る場合には本実施例に示す回路が最適な場合がある。

第１２図は第９図実施例における抵抗Ｒ１とブリッジ整
流器３との間に温度ヒューズＦｕを挿入接続したもので
、この温度ヒューズＦｕはモータの巻線回路４や、制御
電源部６の異常による降圧抵抗Ｒｌ，Ｒ２’の温度上昇
を検出して回路を遮断する働きを持つ．尚温度ヒューズ
Ｆｕの挿入位置は巻線回路４及び制御電源部６の両方の
回路を遮断することができる図示する位置としている．
［発明の効果］ 請求項１記載の発明は商用電源をブリッジ整流器で整流
し降圧抵抗により降圧して得られた電圧を固定子の巻線
に励磁電流を供給する主電源電圧とするとともに、ブリ
ッジ整流器と降圧抵抗との間から上記巻線の励磁を制御
する制御手段の電源を取り出すので、商用電源の整流出
力をそのまま制御手段の安定した電源として使用するこ
とができ、また同時に降圧された電圧を巻線の励磁電流
を得るための電源として使用することができるもので、
電源部の回路構成が簡単であるという効果を奏する． また請求項２記載の発明は商用電源を整流器で整流し降
圧抵抗により降圧して得られた電圧を固定子の巻線に励
磁電流を供給する主電源電圧とするとともに、上記巻線
に並列に回転数切り換え用の複数の抵抗を切り換え手段
を介して接続し、該切り換え手段によって巻線に並列接
続される抵抗の抵抗値を切り換えて回転数を多段階に設
定自在としたので、切り換え手段の切り換えを行うこと
により、巻線に並列に接続される抵抗値を切り換えて巻
線に流す励磁電流を多段に設定することが？き、しかも
その結果回転数を選択できるのであり、巻線に並列に抵
抗を接続することにより回転数を切り換えるため、少な
い回転数でも大きな起動力を得ることができるという効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１の具体回路図、第２図は同上
の制御電源部の電圧Ｖ２の説明図、第３図（ａ＞は同上
の巻線電圧Ｖ，の説明図、第３図（ｂ）は同上のブリッ
ジ整流器の出力電圧■■の説明図、第４図は本発明の実
施例２の構成図、第５図は同上の比較例の構成図、第６
図（ａ），　　（ｂ）、第７図（ａ），（ｂ）は同上の
動作説明図、第８図は同上の具体回路図、第９図は本発
明の実施例３の構成図、第１０図（ａ），（ｂ）は同上
の動作説明図、第１１図は本発明の実施例３の構成図、
第１２図は従来例の具体回路図、第１３図は同上の機構
部の一部破断し且つ省略した分解斜視図、第１４図は同
上の永久磁石回転子と固定子とホール素子の構成関係説
明図、第１５図（ａ）〜（ｃ）は同上の動作説明用タイ
ムチャート、第１６図は動作説明用の波形図である． １・・・主電源部、２・・・商用電源部、３・・・ブリ
ッジ整流器、４Ｕ，４ｖ，４１・・巻線、５・・・コン
バレータＩＣ、６・・・制御電源部、７・・・電流切換
回路、Ｑｕ．Ｑｖ，Ｑｗ・・・トランジスタ、Ｒ，・・
・降圧抵抗、Ｒ２，Ｒ，・・・抵抗、ｓｌ，　ｓ２・・
・スイッチ素子である。 代理人　弁理士　石　田　長　七 第２図 第４ 図 第５図 第６図 （ｂ） 第９図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）商用電源をブリッジ整流器で整流し降圧抵抗によ
   り降圧して得られた電圧を固定子の巻線に励磁電流を供
   給する主電源電圧とするとともに、ブリッジ整流器と降
   圧抵抗との間から上記巻線の励磁を制御する制御手段の
   電源を取り出すことを特徴とするＤＣブラシレスモータ
   。
2. （２）商用電源を整流器で整流し降圧抵抗により降圧し
   て得られた電圧を固定子の巻線に励磁電流を供給する主
   電源電圧とするとともに、上記巻線に並列に回転数切り
   換え用の複数の抵抗を切り換え手段を介して接続し、該
   切り換え手段によって巻線に並列接続される抵抗の抵抗
   値を切り換えて回転数を多段階に設定自在としたことを
   特徴とするＤＣブラシレスモータ。