JPS5854884A - 直流モ−タ制御方式 - 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】 本発明は、ルームエアコン、洗濯機などに使用される比
較的大出力の直流ブラシレスモータの効率改善のだめの
制御方式に関する。

例えは、厚さ方向に着磁され、かつその磁極を円周方向
に多分割して着磁した平板リング状永久磁石を回転子と
し、その回転に伴なう磁界方向の切換わり位置を検出し
て電機子コイルに流れる電流を切換えることによりトル
クを発生するようにした、いわゆる直流ブラシレスモー
タは、速度制御が容易でしかも長寿命であるという特長
が注目され、従来の音響機器などにおける比較的小出力
のものに加え、近年はルームエアコン、洗濯機などの比
較的大出力を要求される機器にも使用されるようになっ
てきた。

このような向流ブラシレスモータの概略を第１図に示す
。

図において、１はマグネットロータ、２は電機子コイル
、３は切換スイッチ回路、４は切換制御回路、５は直流
電源である。

マグネットロータ１は第２図（イ）、仲）で示すように
、例えば平板リング状のマグネツ）１−１．！：、円板
状の化性材料からがるヨーク１−２．それにシャフト１
−３から構成されたもので、マダイ・ット１−１はその
厚さ方向に着磁碕れ、しかもその着磁状態はリングの円
周方向に沿って交互に等間隔で反対の極性となるように
多分割７に磁されたものである。

電機子コイル２は例えば３相などの多相巻きにされ、口
〜夕１の回転位置に応じて順次交互に電源５からの電流
が切換え供給されてロータ１にトルクを発生する。

切換制御回路４はロータ１の回転位置に応じて切換スイ
ッチ回路３に制御信号を供給する働きをするもので、そ
のため、図示してないロータ回転位置検出装置を備えて
いる。

なお、このロータ回転位置検出装置としては、通常、ホ
ール素子が用いられ、ロータ１による界磁磁界の方向反
転によりその回転位置を検出するようになっている。

従って、このようなモータによれば、ブラシや整流子な
どの摩耗部分がないため、上記したように比較的寿命が
永く、しかも電機子電圧を変化させるだけで容易に速度
制御を行なうことができるという直流モータの特長を兼
ね備えだモータを得ることができる。

＠３図は一般的な直流モータにおける′魁源電圧■と回
転速度へとの関係を示す特性図で、”Ｉは成る負荷トル
クＴ、における特性、ａ９はそれより大きな負荷トルク
Ｔｔ　　（即ち、ＴＩ＜１２）における特性を示したも
のであり、電源電圧Ｖ（これは電機子電圧と同じと考え
てよい）を変化させればトルクを一定に保って任意の回
転速度Ｎに制御できるととが判る。

ところで、近年は、あらゆる産業分野において省資源、
省エネルギー化が叫ばれ、そのため、モータの効率改善
にもきめ細かな配慮が要求されるようになってきた。

しかして、この見地に立ったとき、上記した従来の直流
ブラシレスモータにおいては、いまだ充分な効率が得ら
れていないという欠点があった。

即チ、上記したＩ自流ブラシレスモータニおいては、ロ
ータ１による界磁磁界分布と無関係にＴＩｆ機子コイル
２の電源イｐが決められているため、トルクの発生にあ
壕シ寄与しない電機子電流成分ががなシ存在することに
なり、そのだめ光分な効率が得られないのであり、これ
を第４図によって説明する。

第４図において、（ａ）はロータ１のマグネット１−１
を展開して示しだものであり、（ｂ）はそれによる磁界
の分布状態を示したもので、マグネット１−１のＮ極か
らＳ極、或いはＳ極からＮ極に変る部分での磁界の変化
がステップ状にはならず、第４図（ｂ）にイないし口で
示すようにほぼ直線状のなだらかな変化状態となってし
まう。

一方、この部分での電機コイル２のあるものに流れる電
流は切換スイッチ回路３によって切換えられるだけなの
で、第４図の（Ｃ）に示すようにマグネット１−１の磁
極が入れ替る部分でほとんどステップ状に変化している
。

しかして、このようなモータにおけるトルクの大きさは
マグネット１−１による界磁磁界の強さと電極子コイル
２の電流との積に比例するから、第４図（ｂ）のイから
口で示した部分では他の部分と同じ電極子コイル電流が
流れているにもかかわらずトルクの発生量は他の部分よ
りも少くなっている。

一方、損失の方は電機子コイル２に流れる電流が同じな
らほぼ一定に保たれるから、結局、マグネット１−１に
よる界！Ａ磁界が反転する部分ごとに発生するトルクに
対する損失の比が大きくなシ、充分な効率が得られない
のである。

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点を除き、充分
に効率が改善爆れて省エネルギー化に応えることのでき
る向流ブシシレスモータを提供スるにある。

この目的を達成するだめ、本発明は、界磁磁界分布を検
出し、その分布状態に合わせて電機子コイルに流れる電
流の大きさを変化させ、トルクと損失の比がほぼ一定に
保たれるようにしだ点を特徴とする。

以下、本発明による電流モータ制御方式の実施例を図面
について１明する。

第５図は本発明の一実施例で、マグネットロータ１、電
機子コイル２、切換スイッチ回路３、切換副側１回路４
、血流電源５は第１図の従来例と同じでｈＤ、３−ｉは
スインテングトランシスタ、３−２は保龜用タイオード
、６は磁界検出用のホール素子、７はパルス幅変調回路
、８はスイッチ回路である。

なお、切換制御回路４は第１図の従来例における回路と
基本的には同じであるが、この実施例においてはパルス
幅変調回路７からのパルス信号Ｐによシ制御され、スイ
ッチ回路３に対する制御信号がパルス状になっている点
が異なり、従って、この実施例では電機子コイル２に流
れる電流が第６図に示すようなパルス電流１ｐとなって
おり、これによる平均値ｉが電機子コイル電流となって
いる。そこで、このパルス電流ＩＰのパルス幅を変化き
せることにより、即ち、そのデユーティ比を変えること
により電機子コイル２の電流ｉを任意に制御し得るよう
になっている。

トランジスタ：う−１は切換制御回Ｅ、　４からの制御
信号によりオン・オフし、電機子コイル２に流れる電流
のオン・オフとその方向とを制御する。

ダイオード３−２はトランジスタ３−１のオン・オフに
より発生するサージからトランジスタ３−１を保論する
働きをする。

ホール索子６はロータ１による界磁４’ｆｌ界中に設け
られ、ロータ１の回転に伴なう磁界の強さと方向を表わ
す信号を発生する。

パルス幅変調回路７はホール索子６からの検出信号によ
υ動作し、ロータ１による界磁磁界の強さに応じてパル
ス幅が変化してゆく一定周波数のパルス信号Ｐを発生す
ると共に、ホール索子６からの信号の方向変化の割合が
低下したとき、即ちロータ１の回転速度が所定値から低
下したときにスイッチ回路８をｌシ１示と反対の位置に
切換える信号Ｓを発生する。

な訃、このときのパルス信号Ｐの周波数は、通常の使用
状態におけるロータ１の最大回転速度において、ホール
索子６から得られる検出信号の方向変化の割合、即ち周
波数よりも充分に高い周波数、例えば数Ｋ　Ｈｚから数
１０ＫＩ４ｚの周波数に選ばれている。

スイッチ回路８は通常は図示の位置に切換わっており、
電源５の出力′配圧を■１に切換えているが、信号Ｓが
供給されたときには図示と反対の位置に切換わシ、電源
電圧を■２に切換える。そしてこれら電圧■、と■２と
はＶ　ｒ　＜　Ｖ　２の関係が保たれている。

第７図はパルス幅変調回路７の具体例を示す一実施例で
、７−１は増幅器、７−２は単安定マルチバイブレータ
（ＯＭＶという）、７−３はクロック発生器、７−４は
波形整形回路、７−５は呪波数−電圧変換回路（Ｆ／Ｖ
）、７−６は比較器、７−７は基準電圧源、７−８は増
幅器である。

り ＯＭ　Ｖ’　７−２はへロック発生器７−３からの数Ｋ
Ｈｚ〜数１０ＫＨｚの周波数のクロックパルスによって
トリガされ、その出力パルスの幅がホール素子６から増
幅器７−１を介して供給される信号のレベルに応じて変
化し、ロータ１による界磁磁界分布に応じてパルス幅変
調されたパルス信号Ｐを発生する。

また、増幅器７−１の出力は波形整形回路７−４からＦ
／ｖ７−５に供給され、ロータ１の回転速度を表わす′
１圧となって比較器７−６の一方の入力に供給される。

Ｊ：ｌＺ較器７−６の他方の入力には基準血圧が供給さ
れているから、結局、この比較器７−６の出力にはロー
タ１の回転速度が所定値以上になったときだけ信号が現
われることになる。そこで、この比較器７−６の出力を
増幅器７−８で反転増幅してやれば信号Ｓが得られるこ
とになる。

次に第５図の実施例の動作について説明する。

第１図の従来例で説明したように、切換制御回路４はホ
ール素子６からの信号に応じて切換スイッチ回路３のト
ランジスタ３−１をオン・オフし、電機子コイル２に流
れる電流のオン・オフと方向とを制御してマグネットロ
ータ１にトルクを発生させ、これによシロータ１を回転
させている。

これと同時に、ホール素子６からの信号のレベルは第４
図（１））に示すロータ１による界磁磁界の変化に応じ
て変化している。従って、パルスＩＩＱ［Ｍ回路７から
発生するパルス信号Ｐのパルス幅も界磁磁界の強さに応
じて変化し、これが切換制御回路４に供給されるので、
電機子コイル２にＩＪｆｅれるＭＬ流の波形は第８図（
ａ）　、　（Ｌｌ）に示すようにパルス状になり、その
パルス幅がロータ１の界磁磁界分布に応じて変化したも
のとなる。

この結果、’を様子コイル２に流れる電流ｉはロータ１
による界磁磁界の強さに相似したものとなυ、界磁磁界
が弱く々っている部分ではそれに応じて電機子コイル２
の電流孟も少くなシ、トルクと損失との比が大きくなる
のが防止されるので効率を太いに改善することができる
。

なお、第５図には詳しく示さなかったが、パルス幅変調
回路７はモータの回転速度制御にも使用されており、ホ
ール素子６からの信号の周波数に比例してパルス信号Ｐ
のパルス幅が狭くなるようにしである。従って、ロータ
１の回転速度が上昇すると電機子コイル２に流れる電流
の波形は第８図（ａ）に示すようになって平均電流ｔが
少くな、す、回転速度が低下すると同図（ｂ）のように
なって平均電流ｉが多なるので、はぼ一定の回転速度に
制御することができる。そこで、電源５から一低２槍の
電圧Ｖ＋　　、Ｖ２　　（但しＶ、＜Ｖ２）を取りだし
、これらをスイッチ回路８により切換えるようにしてお
き、起動時などでロータ１の回転速贋が所足値以下のと
きには信号Ｓによシミ源電圧を■、に切換えるようにし
ておけば、回転速度の立ち上りを改善することができる
。

また、トランジスタ３−１のスイッチング損失という見
地に立ては、第８図の（ｂｉに示すような波形のときが
一番効率的になるので、定格負荷状態のときに第８図（
ｂ）に示すようなＷ流、がＶｔ電機子コイルに流れるよ
うに電源被圧■、やパルス信号Ｐのデユーティ比を設定
するのが望オしい。

ところで、以上の実施例はロータ１による界磁磁界分布
をホール素子６によって検出するようになっている。

しかしながら、このような電流ブラシレスモータに使用
はれているホール素子は磁界極性の反転位置を検出する
のが主な機能となっているから、磁界の強さを検出する
のには不向きで、このためには特別なホール素子を用意
する必要があり、そのため、コストアップとなシ易い。

また、モータの構造上の制約などから正しい磁界分布の
検出が可能な位置に磁界センサを設けることが不可能な
場合もあり、このような場合には上記した実施例を適用
することができない。

そこで、このような場合にも適用可能な本発明の実施例
を第９図に示す。なお、この実施例は第５図の実施例に
おけるホール素子６とパルス幅変調回路７に相当する部
分だけを主として示したもので、その他の部分は第５図
の実施例と同じである。

第９図において、１０は波形整形回路、１１゜１５はカ
ウンタ、１２はクロックパルス発生器、１３．１６はメ
モリコントローラ、１４．１７はメモリ、１８はディジ
タル−アナログ変換器（Ａ−Ａ）である。ガお、切換制
御回路４は第５図の実施例と同じであり、ホール素子６
は通常の直流ブラシレスモーフにおける磁界極性反転位
置検出用のものである。

次に、この実施例の動作についで説明する。

ホール素子６から磁昇極性反転ごとに出力されるパルス
は波形整形回路１０を介してカウンタ１１に入力され、
その間隔がクロックパルス発生器１２からのクロックパ
ルスのカウント数Ｎに変換される。従って、このカウン
ト数Ｎはロータ１の回転速度に応じて変化するものとな
る。

一方、メモリ１７には第１０図に示すようなロータ１に
よる界磁磁界分布■］のサンプリング値Ｈｓを記憶して
おく。

そこで、このサンプリング値Ｈｓを界ｉ極性反転周期で
１１次、メモリ１７から読み出してやれは気移・子コイ
ル電流ｌをｉｆｆ　ｆｆ分布に合わせて制御することが
できる。

いま、この磁界極性反転周期はカウント数Ｎとなってい
る。そこで、このカウント数Ｎの間に第１０図に示した
ｎ周期ごとにメモリ１７をアクセスしてやらなければな
い。７５：お、このときの数値ｎ　／　Ｎはメモリ１７
に記憶したサンプリング数に対応してあらかじめ定まっ
たものとなっている。

さて、カウント数ＮＦｉロータ１の回転速度によって変
化するから、この変化するカウント数Ｎから周期ｎを得
なけれはならない。そこで、メモリ１４を設け、これを
メモリコントローラ１３で制る。

こうしてＮからｎを求め、これをカウンタ１５に入力し
、期間ｎでクロックパルスのカウントを行ない、その出
力に期間ｎごとに信号を発生させる。

そこで、メモリコントローラ１６は波形整形回路１０か
らの磁界極性反転ごとのパルスが入力されてから期間ｎ
ごとにメモリ１７にアクセスし第１０図に示したサンプ
リング値Ｈｓを順次読み出してゆく。

こうして読み出したサンプリング値ＨｓけＤ−Ａ１８に
よりアナログ値に変換され、磁界の強さを表わすパルス
信号Ｐとなって切換制御回路４に供給され、電機子コイ
ル電流を磁界分布に応じて制御する。

従って、この実施例によれば、あらかじめロータ１によ
る標準的な界磁磁界分布を測定し、それをメモリ１７に
記憶しておけば、ホール素子６による界磁磁界分布の検
出を行なわなくても電機子コイル２の電流を界磁磁界分
布に応じて変化させることができ、磁界の強さの検出が
可能な高価な充分に改善するととができる汎用性の高い
制御方式を得ることができる。

ところで、以上の実施例では、電機子コイル２に流れる
電流をロータ１の界磁磁界分布に合わせて変化させるた
めに、電機子コイルの電流をパルス状にし、そのパルス
幅を変化はせることによυ電流値を制御するようにした
、いわゆるチョッパ制御方式を採用しているが、本発明
の実施例はこれに限らず連続的に電流を制御するように
してもよい。

また、第４図（ｂ）の波形図から明らかなように、マグ
ネットロータ１による界磁磁界分布は特に磁界の極性が
反転している部分においてだけ著しくなっている。従っ
て、界磁磁界分布に合わせて電機子コイル２に流れる′
電流の大きさを制御する際にも、界磁磁界の全領域にわ
たって行なうのではなくて磁界極性が反転する部分だけ
で行なうようにしてもほぼ同じような効果を期待するこ
とができる。

なお、本発明の実施例においては、いずれもかなり複雑
な回路構成を必要とするが、ＬＳＩで構成すれば充分に
ローコスト化が可能で、本発明の汎用性が損なわれる虞
れはほとんどない。

以上説明したように、本発明によれば、直流ブラシレス
モータにおける軍１機子コイル電流のトルク発生にあま
り寄与しない成分を減らすことができるから、従来技術
の欠点を除き、直流ブラシレスモータの効率を充分に改
善して省エネルギー化が可能な直流モータの制御方式を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は直流ブラシレスモータの一例を示すブロック図
、第２図（イ）、（ロ）はマグネットロータの正面図と
仰ｊ面図、第３図は直流モータの回転速度特性を示す特
性図、第４図（ａ）〜（Ｃ）はマグネットロータによる
ｎｍｍ分布と１１Ｌ磯子コイル電流との関係を示す説明
図、第５図は本発明による匝流モーク制御方式の一実施
例を示う°ブロック図、第６図はチョッパ制御方式によ
る電機子コイル電流の波形図、第７図はパルス幅変調回
路の一実施例を示すブロック図、第８図（ａ）　、　（
ｂｌは電機子コイル電流を示す波形図、第９図はパルス
幅変調回路の他の一実施例を示すフロック図、ｉｌｏ図
はメモリの記憶内容を示す説明図である。 １・・・マクネットロータ、２・・・Ｗ、様子コイル、
３・・・切換スイッチ回路、４・・・切換制御回路、５
・・・直流電源、６・・・ホール素子、７・・・パルス
幅変調回路。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 ６

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）界磁磁界の極性反転位置を検出して電機子コイル
   電流を切換える方式の直流ブラシレスモータにおいて、
   界磁の磁界分布に応じて各電機子コイルの電流値を制御
   することによし効率を改善するように構成したことを特
   徴とする直流モータ制御方式。 （２）　　％許請求の範囲第１項において、上記電機子
   コイルの電流値の制御動作を上記界磁磁界の極性反転位
   置近傍の領域においてだけ行なうように構成したことを
   特徴とする直流モータ制御方式。 （３）％許時求の範囲第１項又は第２項において、上記
   ！８子コイルの電流を高速でオン・オフするスイッチン
   グ手段を設け、該スイッチング手段によるオン・オフチ
   ューティ比を変化させることにより上記′ｉＩｔ機子コ
   帽子コイル値を制御するように構成したこと全特徴とす
   る直流モータ制御方式。 （４１％許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに
   おいて、上記界磁による界磁分布の検出を上記界磁磁界
   の極性反転位置を検出するだめの手段により行なうよう
   に構成したことを特徴とする直流モータ制御方式。 （５）特許請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに
   おいて、あらかじめ検出した上記界磁による磁界分布を
   記憶するだめのメモリ手段を設け、該メモリ手段から読
   出したデータに応じて上記電機子コイルの電流値制御を
   行なうように構成したことを特徴とする直流モータ制御
   方式。