JPH11318095A

JPH11318095A - 電動機

Info

Publication number: JPH11318095A
Application number: JP11101390A
Authority: JP
Inventors: Herbert Wallner; ヴァルナーヘルベルト
Original assignee: Dr Fritz Faulhaber GmbH and Co KG
Current assignee: Dr Fritz Faulhaber GmbH and Co KG
Priority date: 1998-04-09
Filing date: 1999-04-08
Publication date: 1999-11-16
Anticipated expiration: 2019-04-08
Also published as: DE19815964A1; DE19815964B4; GB2338126A; GB2338126B; GB9908217D0; CH694568A5; JP4295857B2; US6184639B1

Abstract

(57)【要約】【課題】サイズが小型で、非常に正確な回転数の調整を
可能にする電動機を提供する【解決手段】電動機に正弦波状の電流または電圧を供給
する（正弦波整流器２８）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、無鉄心の巻線部を
備え、電子制御装置を組み込んだ電動機に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】たとえば工作機械において可動台を駆動
させ、可動台をたとえば高速移動で加工位置へ走行さ
せ、次に送り速度に切換えることにより工作物の加工を
行なうための電動機は知られている。回転数の調整用に
設けられた電子制御装置は電動機とは別個のものである
ので、このような駆動系を組み込むためにはかなりの組
み込み空間を必要とするが、このような空間は調達でき
ないことが多い。

【０００３】また、小型のサイズで、電子制御装置をす
でに組み込んだ電動機も知られている。このような電動
機はモーメントがかなり変動するのが特徴であるので、
回転数の正確な調整は達成できない。

【０００４】

【発明が解決すべき課題】本発明の課題は、サイズが小
型で、非常に正確な回転数の調整を可能にするようにこ
の種の電動機を構成することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、電動機に正弦波（シヌソイド）状の電流ま
たは電圧を供給する（正弦波整流器）ことを特徴とする
ものである。

【０００６】本発明による電動機には、正弦波状の電流
または電圧が供給される。正弦波整流によりモーメント
の変動は最小限に抑えられるので、非常に正確な回転数
の調整が簡単に可能である。さらに本発明による電動機
は、作動音が静寂であることと、最小回転数時の同期性
に優れていることとを特徴としている。

【０００７】整流、電動機軸の回転数、及び電動機軸の
位置を検出する実際値検出器としては、構成が簡潔で安
価な部品である線形ホールセンサを使用するのが有利で
ある。本発明の他の構成は従属項、以下の説明及び図面
から明らかである。

【０００８】

【発明の実施形態】本発明による電動機は、無鉄心の巻
線部を備え、位置・回転数調整器を組み込んだブラシレ
ス電動機である。この電動機は正弦波整流を特徴とし、
瞬間変動を最小値に低減させ、優れた静寂性を保証す
る。またこの電動機はデジタルの４クワドラントレギュ
レータによりコントロールされ、したがってハイダイナ
ミックドライブを可能にし、優れた特性を備えている。
プログラミング可能な電流調整器は、付加的な瞬間リミ
ッティングを実現させる。本発明による電動機は非常に
コンパクトなサイズであることを特徴とし、広い回転数
範囲および優れた同期性を必要とするものであればどの
ようなものにでも使用することができる。このような使
用例の一例は工作機械である。たとえば、可動台が当初
は高速度で高速移動し、その後低速で特定の位置へ走行
するような工作機械である。

【０００９】本発明による電動機は、有利には筒状のケ
ーシング１を有している。ケーシング１には、熱絶縁部
２、有利には接着スリーブを介在させてフランジ３が固
定されている。フランジ３には、熱伝導シート７を介在
させて、冷却フィン６を備えた冷却体５がねじ４により
固定されている。フランジ３内には電流網接続線８が案
内されている。

【００１０】フランジ３は、少なくとも一つのプラチナ
１０を備えた電子回路装置６を収容している。プラチナ
１０上にはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果ト
ランジスタ）１１が設けられている。ケーシング１から
は、フランジ３とは逆の側において電動機軸１２が突出
している。電動機軸１２はロータ１３を担持している。
ロータ１３はステータ１４により取り囲まれている。ロ
ータの回転角に関する確実な情報を得るようにするた
め、１２０゜位相をずらして３個のアナログのホールセ
ンサ１５ないし１７（図４および図５）が設けられてい
る。これらのホールセンサは高解像度で作動する。ホー
ル信号の最大値（または極大値）と最小値（または極小
値）を検出する適当なアルゴリズムにより、ホールセン
サオフセット値の継続的な校正と、振幅の正規化、すな
わち振幅エラーの補正とが可能である。アナログのホー
ルセンサ１５ないし１７は整流、回転数および位置を検
出するための実際値検出器として用いられる。

【００１１】電動機はＥＣ超小型電動機であり、有利に
は釣鐘型電機子巻線部を備えている。電動機内には、正
弦波整流型のデジタルの位置・回転数調整器が組み込ま
れている。この位置調整器により三角形の運動および台
形状の運動を生じさせることができる。

【００１２】図４を用いて位置調整について詳細に説明
する。電動機の位置調整モードを実施するために設けら
れるプログラムは、マイクロコントローラ１８にファイ
ルされている。マイクロコントローラ１８は、フランジ
３に設けた電子切換え装置９の一部である。インターフ
ェース１９（有利にはＲＳ２３２型インターフェース）
を介して、電動機により駆動される機器（たとえば工作
機械の可動台）の目標位置が設定される。このインター
フェース１９を介して、種々の応用例に対する駆動部を
編成することが可能である。設定は、供給電圧を遮断し
た後も値を記憶しつづけるＥＥＰＲＯＭにファイルする
のが有利である。ユニットの全体的な操作もこのインタ
ーフェース１９を介して行なうことができる。適宜の命
令を簡単なＡＳＣＩＩターミナルプログラムを介して設
定することが可能である。たとえばユニットのパラメー
タ設定およびモード設定をＰＣから行うことができる。
また、実際に使用中に通信を中央制御部から行なうこと
も可能である。

【００１３】インターフェース１９は、目標位置に対す
る目標値２０を比較器２１に供給する。比較器２１は、
実際値信号２２をロータ位置演算ユニット２３から得
る。目標値２０が実際値２２と異なっている場合には、
比較器２１は対応する信号を位置調整器２４に送る。位
置調整器２４は目標回転数ｎ_目標値を発生させ、この目
標回転数は比較器２５に送られる。比較器２５には、ロ
ータ位置演算ユニット２３の下流側に配置されている回
転数演算ユニット２６から実際回転数ｎ_実際値も送られ
る。比較器２５は目標値と実際値を比較して調整信号を
発生させる。この調整信号は回転数調整器２７に送られ
る。回転数調整器２７により三相正弦波整流子２８が調
整され、その三相ＡないしＣはＭＯＳＦＥＴ１１を備え
た電力最終段２９を介して電動機に送られる。

【００１４】ホールセンサ１５ないし１７はロータ１３
の回転角を検出し、対応する信号をロータ位置演算ユニ
ット２３に送る。演算されたロータ角φは３相正弦波整
流器２８にも回転数演算ユニット２６にも供給される。
このようにして高解像度で、よって高精度でロータ１３
の回転角が検出され、場合によっては再調整される。３
個のホールセンサ１５ないし１７は１回の回転で６相に
分割されている。ロータ角φの演算は、０゜と６０゜の
間にある２つのホール信号から弧・正弦波表を介して行
なわれる。ホール信号から導出される重み関数により平
均化が行なわれ、その結果一つの相から次の相への滑ら
かな移行が達成される。弧・正弦波表は、ホール信号を
記録することにより高精度の参照パルス発生器と数学的
データ生成(mathematische Generierung)とを介して決
定される。このようにして、ホール信号の系統的非正弦
波性を修正することができる。

【００１５】３相正弦波整流器２８には、該３相正弦波
整流器をたとえば電圧ピークから保護する保護装置３０
が付設されている。過電圧調整器３１は、電子部品を破
損させる過電圧の発生を阻止する用を成す。電動機が交
流電源で作動している場合、電源がエネルギーをバック
フィードできなければ、調整器の直流電圧分岐部に過電
圧が発生する（これは通常である）。過電圧調整器３１
は、電圧が所定の閾値に達してロータ１３と回転場との
角度φが不具合な値に設定されたときにこのような電圧
の過剰上昇を阻止する。これにより、電動機が交流電源
で作動している場合の過剰なエネルギーは電動機内で熱
エネルギーとして消費される。その際過電圧調整器３１
は、予め設定される一定の目標電圧に調整する。

【００１６】電子切換え装置９は、たとえば２４Ｖの直
流電圧で作動する。電子切換え装置９により、位置調整
ばかりでなく回転数の調整も行われる。回転数の調整の
ために設けられるプログラムもマイクロコントローラ１
８にファイルされている。回転数を予め設定するため、
電子切換え装置９はアナログ入力３２を備えている（図
５）。回転数を予め設定するために印可されるアナログ
電圧はたとえば±１０Ｖの範囲であり、アナログの演算
回路を介して、有利には加算型演算増幅器３３を介して
０ないし５Ｖの電圧範囲に換算される。この電圧は、次
の増幅器３４により、本実施形態では１０倍に増幅され
る。両増幅器３３,３４の信号は、有利には１０ビット
で作動するＡＤ変換器３５に送られる。両増幅器３３,
３４を使用することにより、広い回転数範囲を高解像度
でカバーできる。ロータの低回転数範囲とはほぼ１００
回転／分以下の範囲であり、他方電動機の高回転数範囲
はほぼ１００００回転／分に達する。低回転数の場合、
高精度を達成するには、高解像度が必要である。この方
法の利点は、低回転数の場合に高解像度を得るため、比
較的解像度が小さな（１０ビット）のＡＤ変換器で十分
なことである。

【００１７】デジタル変換された信号は、目標回転数演
算ユニット３６に送られる。目標回転数演算ユニット３
６は両デジタル値を組み合わせて回転数目標値ｎ_目標値
を形成させる。両増幅器３３,３４の代りに、電動機が
低回転数のときに解像度を増大させる対数増幅器を使用
してもよい。この場合、対数化された信号はＡＤ変換器
に送られる。次に、デジタル化された信号は非対数化ア
ルゴリズム（指数関数）により回転数目標値ｎ_目標値に
変換される。回転数目標値ｎ_目標値は比較器２５に送ら
れ、回転数実際値ｎ_実際値と比較される。この回転数実
際値ｎ_実際値は、ロータ位置演算ユニット２３の下流側
に配置されている回転数演算ユニット２６から比較器２
５に送られる。目標値と実際値の比較に基づいて比較器
２５は対応する調整信号をＰＩ回転数調整器２７に送
り、ＰＩ回転数調整器２７は対応する信号を３相正弦波
整流器２８に送る。３相正弦波整流器２８から送られた
位相信号は電力最終段２９により発生する。ホールセン
サ１５ないし１７は電動機の位相ＡないしＣに対して対
応するホール信号を発生させ、これらのホール信号はロ
ータ位置演算ユニット２３に実際値信号として送られ
る。

【００１８】ＡＤ変換器３５から送られてくる個々の信
号は、演算ユニット３６において適当なアルゴリズムに
より組み合わされて、目標回転数ｎ_目標値が形成され
る。適当な重み関数により、低回転数の場合には２回転
／分の解像度を実現でき、高回転数の場合には２０回転
／分の解像度を実現できる。重み関数を使用するため、
演算増幅器、抵抗器等の構成要素に誤差があっても移行
部は滑らかである。この種の誤差は回転数オフセットミ
スを生じさせることがあるが、マイクロコントローラ９
で一度校正し、ＥＥＰＲＯＭに記憶することによって減
少する。同じようにしてスケーリング因子も構成され
る。

【００１９】位置調整及び回転数調整型の本発明による
電動機は、市場へ供給する際標準設定されている。たと
えば、回転数を調整するためのアナログ入力３２は、−
１０Ｖと＋１０Ｖの間のアナログ電圧により回転数の目
標値が予め設定できるように調整されている。このよう
な標準設定はインターフェース１９を介していつでも顧
客により変更でき、或いは工場から所望に応じて変更で
きる。したがって本発明による電動機は、種々の適用例
に対し非常に簡単に構成することができる。このような
設定はＥＥＰＲＯＭにファイルすることができる。電動
機のすべての操作もインターフェース１９を介して行う
ことができる。

【００２０】上述した電動機は、非常にコンパクトであ
ること、とりわけ構成が簡潔であることを特徴としてい
る。回転数・位置調整部はブラシレス電動機に組み込ま
れている。電動機軸１２の回転数及び位置を上述のよう
に調整することにより、非常に広い回転数範囲にわたっ
て、特に低回転数の範囲において高解像度で機能する。
本発明による電動機はサイズが小さいために、狭い空間
に収納することができる。図１ないし図３は本発明によ
る電動機を２：１の尺度で示したものであるが、冷却リ
ブ６を備えた冷却体５を含む電動機の軸線方向の長さは
ほぼ８ｃｍないし１０ｃｍにすぎない。冷却体５の領域
における電動機の径はほぼ４ｃｍないし５ｃｍであり、
他方電動機ケースの径はほぼ３ｃｍないし４ｃｍにすぎ
ない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による電動機の縦断面図である。

【図２】図１の矢印ＩＩの方向に見た図である。

【図３】図１の矢印ＩＩＩの方向に見た図である。

【図４】本発明による電動機の位置調整モードのブロッ
ク構成図である。

【図５】本発明による電動機の回転数調整モードのブロ
ック構成図である。

【符号の説明】

９電子制御装置１２電動機軸１３ロータ１５，１６，１７ホールセンサ１９インターフェース２１比較器２３ロータ位置演算ユニット２４位置調整器２５比較器２７回転数調整器２８正弦波整流器２９電力最終段３１過電圧調整器３２アナログ入力３３，３４増幅器３５ＡＤ変換器３６目標値（回転数）演算ユニット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】無鉄心の巻線部を備え、電子制御装置を組
み込んだ電動機において、電動機に正弦波状の電流または電圧を供給する（正弦波
整流器２８）ことを特徴とする電動機。
【請求項２】正弦波状の電流または電圧の大きさを回転
数調整部（２５，２７）により予め設定することを特徴
とする、請求項１に記載の電動機。
【請求項３】回転数調整部（２５,２７）が電動機に組
み込まれていることを特徴とする、請求項２に記載の電
動機。
【請求項４】電子制御装置（９）が、回転数の目標値を
予め設定するためのアナログ入力（３２）を有している
ことを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一つ
に記載の電動機。
【請求項５】アナログ入力（３２）の下流側に、アナロ
グの目標値信号、有利には電圧をより低い値に低減させ
る増幅器（３３）が接続されていることを特徴とする、
請求項４に記載の電動機。
【請求項６】増幅器（３３）の下流側に、低減させた目
標値信号をたとえば１０倍に増幅する他の増幅器（３
４）が接続されていることを特徴とする、請求項５に記
載の電動機。
【請求項７】前記他の増幅器（３４）の増幅目標値と増
幅器（３３）の低減目標値とがそれぞれＡＤ変換器（３
５）に供給されることを特徴とする、請求項６に記載の
電動機。
【請求項８】ＡＤ変換器（３５）の下流側に、該ＡＤ変
換器（３５）の両信号をいっしょにして目標回転数値
（ｎ_目標値）を形成させる目標値演算ユニット（３６）
が接続されていることを特徴とする、請求項７に記載の
電動機。
【請求項９】目標値が対数増幅器に供給され、下流側に
接続したＡＤ変換器でデジタル化され、演算アルゴリズ
ムにより非対数化されることを特徴とする、請求項４に
記載の電動機。
【請求項１０】正弦波整流器（２８）が３相正弦波整流
器であることを特徴とする、請求項１から９までのいず
れか一つに記載の電動機。
【請求項１１】電子制御装置（９）が、電動機軸（１
２）のための位置調整部（２１,２４,２５）を有してい
ることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか
一つに記載の電動機。
【請求項１２】目標位置がインターフェース（１９）を
介して、有利にはＲＳ２３２インターフェースを介して
予め設定可能であることを特徴とする、請求項１１に記
載の電動機。
【請求項１３】正弦波整流器（２８）が電力段（２
９）、有利にはＭＯＳＦＥＴ電力段を介して三つの位相
信号（ＡないしＣ）を送ることを特徴とする、請求項１
から１２までのいずれか一つに記載の電動機。
【請求項１４】電動機軸（１２）の回転数及び（また
は）位置を検出するため、三つの位相（ＡないしＣ）を
割り当てた三つのアナログのホールセンサ（１５ないし
１７）が設けられていることを特徴とする、請求項１か
ら１３までのいずれか一つに記載の電動機。
【請求項１５】ホールセンサ（１５ないし１７）が信号
をロータ位置演算ユニット（２３）に送ることを特徴と
する、請求項１４に記載の電動機。
【請求項１６】正弦波整流器（２８）に、電動機が交流
電源作動しているときにロータ（１３）と回転場との角
度（φ）を変化させる過電圧調整器（３１）が接続され
ていることを特徴とする、請求項１から１５までのいず
れか一つに記載の電動機。