JPH0828992B2 - 無刷子電動機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は無刷子電動機に関するものである。

従来の技術 近年、回転子位置検出器（例えばホール素子）の出力
に応じて固定子巻線の通電相を半導体（例えばトランジ
スタ）で順次切換えるように構成した無刷子電動機が音
響装置，映像装置に応用されている。しかしながら、回
転子位置検出器は決して安価なものではなく、また電動
機内部に取付けなければならない構造上の制約が起るこ
とがしばしばある。そこで、このような回転子位置検出
器を全く使用しない無刷子電動機も従来より盛んに提案
されてきた。

特開昭55−160993号公報（以後、文献１と略記する）
には、例えばホール素子の如き位置検出器を全く使用し
ない無刷子電動機の技術が開示されている。

以下、その従来例を図面を用いて説明する。

第３図は上述した従来例の概念をブロック図的に表現
したものである。

第３図において、１は永久磁石回転子2a,2b,2cは固定
子巻線である。９は位置信号演算回路であり、3a,3b,3c
はそれぞれ固定子巻線2a,2b,2cに発生する逆起電力の非
通電域（特にここでは＋V_CCより上の部分）をとりだす
ための整流回路であり、4a,4b,4cはそれぞれ整流回路3
a,3b,3cで得られる逆起電力の半波整流波形を電流に変
換する吐出型の電圧電流変換回路、5a,5b,5cはそれぞれ
整流回路3a,3b,3cで得られる逆起電力の半波整流波形を
電流に変換する吸引型の電圧電流変換回路、11a,11b,11
cはそれぞれ電圧電流変換回路4bと5c、4cと5a、4aと5b
によって充放電される時間積分コンデンサである。12は
適当な直流電圧を与えるバイアス電源である。16は上記
コンデンサに電圧の形で表われる信置信号によって固定
子巻線の駆動電流を順次切換えるための差動比較回路
で、ここではエミッタを共通にした３差動トランジスタ
17a,17b,17cで構成されている。18は固定子巻線駆動電
流指令回路、６は固定子巻線駆動回路で、電流増幅用ト
ランジスタ7a,7b,7cと固定子巻線駆動用トランジスタ8
a,8b,8cとで構成されている。電流増幅用トランジスタ7
a,7b,7cのベースには、差動比較回路16を構成する３差
動トランジスタ17a,17b,17cのコレクタ出力が接続さ
れ、固定子巻線駆動用トランジスタ8a,8b,8cのコレクタ
には、固定子巻線2a,2b,2cがそれぞれ接続されている。
差動比較回路16は３差動トランジスタ17a,17b,17cの各
ベースに与えられる電圧値を比較し一番大きい入力信号
を選び、トランジスタ17aのベース入力が大きい時はト
ランジスタ8aを通じ固定子巻線を2aを付勢し、トランジ
スタ17bのベース入力が大きい時はトランジスタ8bを通
じ固定子巻線2bを付勢し、トランジスタ17cのベース入
力が大きい時はトランジスタ8cを通じ固定子巻線2cを付
勢する。

第４図は第３図に示す一従来例の動作を説明するため
の信号波形図である。

第４図（ａ）の14a,14b,14cはそれぞれ固定子巻線2a,
2b,2cの電圧波形の時間的推移を示すものであり、それ
ぞれ＋V_CCより上の部分は永久磁石回転子が回転するこ
とによって発生する逆起電力波形であって、＋V_CCより
下の部分は逆起電力波形に加えて巻線駆動電流と巻線抵
抗による電圧降下（14aの波形についてのみ特に斜線を
施した）がみられる。

第４図（ｂ）は時間積分コンデンサ11aの電圧波形で
あって固定子巻線2aを駆動するための位置信号となる。
第４図（ｂ）に示す位置信号は、位置信号演算回路９に
よって以下のように得られる。第３図において固定子巻
線2bの逆起電力波形14bを整流回路3bにより半波整流し
＋V_CCより上の部分の波形をとりだし、これを電圧電流
変換回路4bによって電流に変換し時間積分コンデンサ11
aを充電する。さらに固定子巻線2cの逆起電力波形14cを
整流回路3cにより半波整流し＋V_CCより上の波形をとり
だし、これを電圧電流変換回路5cにより電流に変換し時
間積分コンデンサ11aを放電する。すると前記の如く第
４図（ｂ）に示す電圧波形が得られ固定子巻線2aを駆動
するための位置信号となる。同様に第４図（ｃ）は時間
積分コンデンサ11bの電圧波形であって固定子巻線2bを
駆動するための位置信号となり、第４図（ｄ）は時間積
分コンデンサ11cの電圧波形であって固定子巻線2cを駆
動するための位置信号となる。第４図（ｅ）は同図
（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示す位置信号に応じて固定子
巻線2a,2b,2cに流れる電流波形を示したものであり、図
中15a,15b,15cはそれぞれ固定子巻線2a,2b,2cに流れる
電流波形を示す。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、前記文献１に示された無刷子電動機の
構成によれば、得られる回転子位置信号は山形状の波形
でありこれをエミッタを共通とする差動トランジスタ群
のベースに与え差動切換えを行なえば、固定子巻線駆動
電流は極めて安定に切換えられるが、固定子巻線に流れ
る駆動電流は通電幅がほぼ120゜（電気角）の矩形波状
となる。そのため、切換えに伴うスパイク状電圧を低減
するための比較的大きなコンデンサを含むフィルタが固
定子巻線の通電端子に必要となる。また、固定子巻線に
流れる電流が急峻にオン・オフされるため、振動，騒音
を発生しやすいという欠点を有し、電動機を高速回転で
使用するほどその傾向が著しい。

本発明は上記問題点に鑑み、ホール素子の如き位置検
出機を全く使用しない無刷子電動機であって、文献１に
示された無刷子電動機に必要とされるように大きなコン
デンサを含むフィルタ回路が不要で、高速回転時にも低
振動，低騒音である無刷子電動機を提供するものであ
る。

問題点を解決するための手段 上記問題点を解決するために本発明の無刷子電動機
は、複数の固定子巻線と、永久磁石回転子の複数相の回
転位置信号を出力する回転位置信号演算回路と、電動機
のトルク指令信号を発生する指令信号発生回路と、前記
トルク指令信号を前記回転位置信号演算回路の出力に応
じて分配する分配回路と、前記分配回路の出力に応じて
前記複数の固定子巻線に前記トルク指令信号に応じた駆
動電流を供給する固定子巻線駆動回路を具備し、前記分
配回路は、複数相の前記回転位置信号を電流にを変換す
る電圧電流変換回路と、前記電圧電流変換回路の出力が
アノード端子にそれぞれ接続されカソード端子が共通接
続された複数個のダイオードと、前記ダイオードのアノ
ード端子がベースにそれぞれ接続されたエミッタが共通
接続された複数個のトランジスタを含んで構成され、前
記駆動電流の相切り換えの行われる期間においては複数
の固定子巻線のうち２相の固定子巻線にそれぞれ供給さ
れる電流の総和が前記駆動電流に等しく、かつ電流の大
きさがそれぞれ対応する前記回転位置信号の大きさの比
となるように成し、相切り換えが完了した期間において
は１つの相の固定子巻線にのみ前記駆動電流が供給され
るように構成されたことを特徴とするものである。

作用 本発明は上記した構成により、前記複数の固定子巻線
に通電される各電流が前記回転位置信号の出力比にそれ
ぞれ分配される。

その結果、前記複数の固定子巻線に通電される各電流
の相切替えが極めて滑らかに行なわれるため、従来例に
見られるような、相切換えに伴なうスパイク状電圧を低
減するための比較的大きなコンデンサを含むフィルタ回
路を固定子巻線の通電端子に接続する必要がない。

また、固定子巻線に流れる電流が、従来例の如く急峻
にオン・オフされることがなく相切換えが滑らかに行な
われるため、振動および騒音の非常に少ない電動機の駆
動が可能となる。

実施例 第１図は本発明の無刷子電動機の一実施例を示すブロ
ック図である。以下図面を参照しながら説明する。

第１図において、９は回転位置信号演算回路で、永久
磁石回転子１の回転位置信号を演算し３相の位置信号を
出力する。なお、第３図と同一機能のものについては同
一の番号を付し重複した説明は省略する。

20a,20b,20cは積分禁止指令回路である。積分禁止指
令回路20aは整流回路3aの出力に応じて吐出型の電圧電
流変換回路4aの動作を禁止するものである。第１図の実
施例では、吐出型の電圧電流変換回路4aの出力に直列接
続されたスイッチ26aを積分禁止指令回路20aの出力でオ
ン・オフされるように構成されている。

同様に積分禁止指令回路20b,20cは、それぞれ整流回
路3b,3cの出力に応じて吐出型の電圧電流変換回路4b,4c
の動作を禁止するもので、吐出型の電圧電流変換回路4
b,4cの出力に直列接続されたスイッチ26b,26cを積分禁
止指令回路20b,20cの出力でオン・オフさせるように構
成されている。27a,27b,27cはクランプ用ダイオード
で、時間積分コンデンサ11a,11b,11cに並列接続されて
いて、時間積分コンデンサが過放電されるのを防止する
ためのものである。

22は分配回路で電動機の固定子巻線駆動電流指令回路
18の出力を位置信号演算回路９で得られる３相の位置信
号の出力比に分配する。第１図の実施例では、分配回路
22は時間積分コンデンサ11a,11b,11cに電圧値で得られ
た位置信号を電流に変換するための電圧電流変換回路21
a,21b,21cと、電圧電流変換回路21a,21b,21cの各出力に
直列接続されたダイオード24a,24b,24cと、エミッタが
共通接続され、各ベースがダイオード24a,24b,24cのア
ノードに接続されたトランジスタ23a,23b,23cと適当な
直流電圧を与えるバイアス電源25より構成されている。
分配回路22の各出力に応じた固定子巻線2a,2b,2cに駆動
電流がそれぞれ供給される。

第２図は本発明の無刷子電動機の動作を説明するため
の信号波形図である。

第２図（ａ）の28a,28b,28cはそれぞれ固定子巻線2a,
2b,2cの電圧波形の時間的推移を示すものであり、それ
ぞれ＋V_CCより上の部分は永久磁石回転子１が回転する
ことによって固定子巻線2a,2b,2cに誘起される逆起電力
であって、＋V_CCより下の部分は逆起電力に加えて巻線
駆動電流と巻線抵抗による電圧降下（28aの波形につい
てのみ特に斜線を施した）が見られる。

第２図（ａ），（ｃ），（ｄ）はそれぞれ充電禁止指
令回路20a,20b,20cの出力を示したもので、固定子巻線2
a,2b,2cの電圧波形28a,28b,28cがそれぞれ＋V_CCより上
である部分でＨレベルを出力する。

充電禁止指令回路20a,20b,20cの出力がＨレベルのと
き、吐出型の電圧電流変換回路4a,4b,4cの各出力に直列
接続されたスイッチ26a,26b,26cは開放状態となる。

第２図は（ｅ），（ｆ），（ｇ）はそれぞれ時間積分
コンデンサ11a,11b,11cに得られた電圧波形を示したも
ので、これが回転位置信号演算回路22の演算出力で、３
相の回転位置信号となる。第２図（ｅ）に示す回転位置
信号は、回転位置信号演算回路22により、以下のように
して得られる。第１図において固定子巻線2b逆起電力波
形28bを整流回路3bにより半波整流し＋V_CCより上の部分
の波形をとりだし、これを電圧電流変換回路4bによって
電流に変換しスイッチ26bを介して時間積分コンデンサ1
1aを充電する。ところが、スイッチ26bは充電禁止指令
回路20bの出力により固定子巻線2aの逆起電力波形28aが
＋V_CCより上の部分では開放状態となって時間積分コン
デンサ11aへの充電が禁止され、固定子巻線2aの逆起電
力波形28aが＋V_CCより下の部分で導通状態となって時間
積分コンデンサ11aの充電を開始する。したがって時間
積分コンデンサ11aの両端の電圧は固定子巻線2aの逆起
電力波形28aが＋V_CCより下側になった時点から増加し始
める。さらに固定子巻線2cの逆起電力波形28cを整流回
路3cにより半波整流し＋V_CCより上の波形をとりだし、
これを電圧電流変換回路5cにより電流に変換し時間積分
コンデンサ11aを放電する。したがって、逆起電力波形2
bと2cの大きさが等しくなる時点までは時間積分コンデ
ンサ11aへの充電電流は放電電流に比べて大きいため、
時間積分コンデンサ11の両端の電圧は増加し、逆起電力
波形2bと2cの大きさが等しくなった時点以降は時間積分
コンデンサ11aへの放電電流が充電電流に比べて大きく
なるため時間積分コンデンサ11aの両端の電圧は減少し
続け、最後は時間積分コンデンサ11aに並列に接続され
たクランプ用ダイオードがオンされダイオードのオン電
圧−V_Dに固定される。その結果第２図（ｅ）に示す電圧
波形が得られた固定子巻線2aを駆動するための位置信号
となる。同様に第２図（ｆ）は時間積分コンデンサ11b
の電圧波形であって固定子巻線2bを駆動するための回転
位置信号となり、第２図（ｇ）は時間積分コンデンサ11
cの電圧波形であって固定子巻線2cを駆動するための回
転位置信号となる。

第２図（ｈ）は第２図（ｅ），（ｆ），（ｇ）に示す
回転位置信号に応じて固定子巻線2a,2b,2cに流れる駆動
電流波形を示したものであり、図中29a,29b,29cはそれ
ぞれ固定子巻線2a,2b,2cに流れる駆動電流波形を示す。

第２図（ｈ）に示す駆動電流波形は分配回路22と固定
子巻線駆動回路６により、以下のようにして得られる。

第１図において、回転位置信号演算回路９により得ら
れた３相回転位置信号（時間積分コンデンサ11a,11b,11
cの電圧波形）をe_Pa,e_Pb,e_Pcとすれば、３相回転位置信
号e_Pa,e_Pb,e_Pcはそれぞれ電圧電流変換回路21a,21b,21c
により３相回転位置信号e_Pa,e_Pb,e_Pcの大きさに比例し
たi_Pa,i_Pb,i_Pcに変換され、それぞれダイオード24a,24
b,24cのアノード側に通電される。ダイオード24a,24b,2
4cのアノード端子にそれぞれベースが接続されたトラン
ジスタ23a,23b,23cの電流増幅率が十分に大でベース電
流が無視できるものと仮定すれば、電圧電流変換回路21
a,21b,21cから出力される電流i_Pa,i_Pb,i_Pcはそれぞれダ
イオード24a,24b,24cに流れ、ダイオード両端には電圧V
a,Vb,Vcが発生する。電圧Va,Vb,Vcと電流i_Pa,i_Pb,i_Pcの
間には以下の関係が成立する。

ただし、 I_S:逆方向しゃ断電流 k:ボルツマン定数 T:絶対温度 したがって、直流バイアス電流25の電圧をE_Oとすれば
トランジスタ23a,23b,23cのベースに印加される電圧
V_Ba,V_Bb,V_Bcはそれぞれ、 V_Ba＝V_a＋E_O ……（４） V_Bb＝V_b＋E_O ……（５） V_Bc＝V_c＋E_O ……（６） となる。

トランジスタ23a,23b,23cのコレクタ電流をそれぞれi
_a,i_b,i_c共通エミッタの電位をV_Eとすれば第２図におい
て、固定子巻線2cに供給されていた駆動電流が固定子巻
線2aが滑らかに切り換えられる期間Ａ（第２図（ｈ）参
照） では、次の関係が成立する。

ただし、 I_S′：逆方向しゃ断電流 したがって、（４），（６），（７），（８）式より
i_aとi_cの比を求めると となる。

また、（１），（３）式よりi_Paとi_Pcの比を求める
と、 となる。

したがって、（９），（10）式より の関係が成立する。

すなわち、駆動電流指令回路18の指令電流をI_Oとすれ
ば期間Ａでは、電流i_a,i_cは、指令電流I_Oを回転位置信
号_ePa,_ePcの比で分配した値となる。なお期間Ａではト
ランジスタ23bはオフ状態でi_b＝０である。

次に第２図（ｈ）に示す期間Ｂでは、電圧電流変換回
路2Kの出力電流i_Pcも零となり、電圧電流変換回路21aの
出力電流i_Paのみが存在するので、トランジスタ23a,23
b,23cのうちトランジスタ23aのみがオン状態となり、そ
のコレクタ電流i_aは駆動電流指令回路18の指令電流I_Oに
等しくなる。

以下同様にして、トランジスタ23a,23b,23cのそれぞ
れのコレクタ電ia,ib,icは駆動電流指令回路18の指令電
流I_Oを、回転位置信号演算回路９で得られた回転位置信
号e_Pa,e_Pb,e_Pcの出力比で分配される。

また、 i_a＋i_b＋i_c＝I_O ……（12） の関係が常に成立する。

以上述べたような方法で得られた分配回路22の３相出
力i_a,i_b,i_cはそれぞれ固定子巻線駆動回路６に入力さ
れ、電流増幅用トランジスタ7a,7b,7cと固定子巻線駆動
用トランジスタ8a,8b,8cとでそれぞれ線形増幅されて、
３相の固定子巻線2a,2b,2cに駆動電流が供給される。こ
の結果、第２図（ｈ）に示したような台形波状の固定子
巻線駆動電流29a,29b,29cがそれぞれの固定子巻線2a,2
b,2cに供給される。したがって、本発明の無刷子電動機
では、固定子巻線に通電される各電流の相切換えが極め
て滑らかに行われる駆動方式の電動機を構成することが
できる。

なお、本発明に係わる無刷子電動機では、永久磁石の
回転位置信号を得るのに固定子巻線のそれぞれに発生す
る逆起電力を演算して求めているが、回転位置信号を得
るためにホール素子などの回転子位置検出素子を設けた
無刷子電動機にも適用できることは言うまでもない。ま
た、固定子巻線に通電される電流が、本発明の実施例の
ように片方向だけに通電される半波駆動方式の電動機だ
けに限らず、固定子巻線に通電される電流が両方向に通
電される全波駆動方式の電動機にも適用することが可能
である。

発明の効果 以上述べてきたように、本発明は電動機のトルク指令
信号を、永久磁石回転子の複数相の回転位置信号の出力
比となるように分配し、かつ線形増幅して複数相の固定
子巻線に通電させ、駆動電流の相切り換えの行われる期
間においては複数の固定子巻線のうち２相の固定子巻線
にそれぞれ供給される電流の総和が前記駆動電流に等し
く、かつ電流の大きさがそれぞれ対応する前記回転位置
信号の大きさの比となるように成し、相切り換えが完了
した期間においては１つの相の固定子巻線にのみ前記駆
動電流を供給することによって、固定子巻線に通電され
る各電流の相切り換えが極めて滑らかに行なわれている
ため、駆動時における振動および騒音の極めて少ない無
刷子電動機を提供するものである。

さらに、本発明では永久磁石回転子の回転位置信号は
複数相の固定子巻線のそれぞれに発生する逆起電力を位
置信号演算回路で処理して得ているため、ホール素子の
如き回転子位置検出器を電動機の内部に設ける必要がな
く、電動機そのものを安価に、かつ小型に構成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例における無刷子電動機の回路構
成図、第２図は本発明の無刷子電動機の動作を説明する
ための信号波形図、第３図および第４図は従来の無刷子
電動機の回路構成図および信号波形図である。 １……永久磁石回転子、2a,2b,2c……固定子巻線、６…
…巻線駆動回路、９……位置信号演算回路、22……分配
回路、18……駆動電流指令回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−160993（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−15185（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−156181（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の固定子巻線と、永久磁石回転子の複
   数相の回転位置信号を出力する回転位置信号演算回路
   と、電動機のトルク指令信号を発生する指令信号発生回
   路と、前記トルク指令信号を前記回転位置信号演算回路
   の出力に応じて分配する分配回路と、前記分配回路の出
   力に応じて前記複数の固定子巻線に前記トルク指令信号
   に応じた駆動電流を供給する固定子巻線駆動回路を具備
   し、 前記分配回路は、複数相の前記回転位置信号を電流に変
   換する電圧電流変換回路と、前記電圧電流変換回路の出
   力がアノード端子にそれぞれ接続されカソード端子が共
   通接続された複数個のダイオードと、前記ダイオードの
   アノード端子がベースにそれぞれ接続されエミッタが共
   通接続された複数個のトランジスタを含んで構成され、
   前記駆動電流の相切り換えの行われる期間においては複
   数の固定子巻線のうち２相の固定子巻線にそれぞれ供給
   される電流の総和が前記駆動電流に等しく、かつ電流の
   大きさがそれぞれ対応する前記回転位置信号の大きさの
   比となるように成し、相切り換えが完了した期間におい
   ては１つの相の固定子巻線にのみ前記駆動電流が供給さ
   れるように構成されたことを特徴とする無刷子電動機。
2. 【請求項２】位置信号演算回路は、複数の固定子巻線の
   それぞれに発生する逆起電力の非通電領域の全部または
   一部を個別にとり出してこれを時間的に加算積分および
   減算積分する演算回路と、前記逆起電力の非通電領域の
   全部または一部を個別にとり出しこれに応動して加算積
   分を禁止するスイッチ手段を含めて構成した特許請求の
   範囲第（１）項記載の無刷子電動機。
3. 【請求項３】位置信号演算回路は、複数の固定子巻線の
   それぞれに発生する逆起電力の非通電領域の全部または
   一部を個別にとり出す整流回路と、前記整流回路の出力
   をそれぞれ電流に変換する吐出型の電圧電流変換回路
   と、前記整流回路の出力をそれぞれ電流に変換する吸引
   型の電圧電流変換回路と、前記吐出型の電圧電流変換回
   路と吸引型の電圧電流変換回路によって充放電される時
   間積分コンデンサを具備してなる特許請求の範囲第
   （１）項または第（２）項記載の無刷子電動機。