JP2000083390A

JP2000083390A - 同期モータ

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Publication number: JP2000083390A
Application number: JP10271829A
Authority: JP
Inventors: Fumito Komatsu; 文人小松
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-07-06
Filing date: 1998-09-25
Publication date: 2000-03-21
Anticipated expiration: 2018-09-25
Also published as: JP3050851B2

Abstract

(57)【要約】【課題】起動運転から同期運転への移行を確実に行
え、信頼性が高く、しかも小型化を実現した同期モータ
を提供する。【解決手段】マイクロコンピュータ２４は、起動運転
において整流ブリッジ回路３８を経てＡコイルに交互に
流れる整流電流を、永久磁石ロータ５が１回転する間に
反転する範囲内で通電範囲をスイッチング制御して非反
転側に対して反転側の入力を抑えて起動運転し、光セン
サ１２により検出された永久磁石ロータ５の回転数が電
源周波数検出部２５により検出される電源周波数に対し
て同期回転数付近に到達したときに、第１〜第４トラン
ジスタ１６〜１９をＯＦＦにし、トライアックＳＷ１，
ＳＷ２をＯＮさせて同期運転回路３９に切り換えて同期
運転に移行するよう制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は同期モータに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、例えばＯＡ機器には、冷却用のＤ
Ｃ或いはＡＣファンモータが装備されており、特に高回
転数を要する機器には２極或いは４極のＡＣファンモー
タが好適に用いられる。

【０００３】発明者は既に、電機子コイルに接続する整
流回路にダイオード、ブラシ、コミュテータを装備し、
交流電源より供給された交流電流を整流しながら永久磁
石ロータを付勢するように回転させて直流モータとして
起動運転し、永久磁石ロータの回転を同期回転付近まで
立ち上げ、その時点でコミュテータを機械的に整流回路
から脱除して交流電源による同期運転に切り換える同期
モータを提案した（特願平７−２３２２６８号、特願平
８−１０６９２９号他）。この同期モータは、２極の場
合、回転数が３０００ｒｐｍ（５０Ｈｚ）又は３６００
ｒｐｍ（６０Ｈｚ）程度の高回転数を有し、小型でしか
も効率が良く汎用性も高いので、例えばＡＣファンモー
タ等には好適に用いられる。

【０００４】例えばアウターロータ方式の２極同期モー
タの構成について図１３及び図１４を参照して説明す
る。先ず、ロータ側の構成について説明すると、コミュ
テータ５１は、出力軸５２の軸方向に移動可能に設けら
れており、後述するように起動運転から同期運転への切
換えを機械的に行う。このコミュテータ５１の周囲に
は、１８０°ずつ２極に着磁されたリング状の永久磁石
ロータ（図示せず）が、同軸に設けられており、電機子
コイル５６に通電して形成される磁極との反発により起
動回転する。またコミュテータ５１の外周には中心角が
１８０°より小さい導電性摺動リング５３が設けられて
いる。このコミュテータ５１は、永久磁石ロータ（図示
せず）が起動運転から同期回転数付近に到達すると、図
示しないウェイトの遠心力によりコイルバネ（図示せ
ず）の付勢力に抗して軸方向に移動して単相交流電源５
４と整流回路５５との接続から電機子コイル５６との接
続へスイッチ５７を切り換えるようになっている。

【０００５】次にステータ側の構成について説明する
と、電機子コイル５６は、Ａコイル及びＢコイルを有す
る２つのコイルセグメントから成っている。このＡコイ
ル及びＢコイルは、モータの回転方向に合わせて所定の
巻き方向に所定の巻数で図示しないボビンに巻き付けら
れている。給電ブラシ５８ａ，５８ｂは、コミュテータ
の外周に設けられた導電性摺動リング５３に摺接して交
互に給電を行うため、１８０°位相が異なる位置に対向
配置されている。また、Ａ側受電ブラシ５９ａ，５９ｂ
はＡコイルに整流電流を供給するものであり、Ｂ側受電
ブラシ６０ａ，６０ｂはＢコイルに整流電流を供給する
ものである。このＡ側受電ブラシ５９ａ，５９ｂ及びＢ
側受電ブラシ６０ａ，６０ｂは、少なくとも一方が導電
性摺動リング５３に摺接して交互に受電が行われるた
め、ほぼ１８０°位相が異なる位置に対向配置されてい
る。Ａ側受電ブラシ５９ａ，５９ｂ及びＢ側受電ブラシ
６０ａ，６０ｂにはダイオード６１ａ，６１ｂ及びダイ
オード６２ａ，６２ｂにより単相交流電源５４からの交
流電流を半波整流してＡ，Ｂコイルにそれぞれ供給す
る。給電ブラシ５８ａ，５８ｂ、Ａ側受電ブラシ５９
ａ，５９ｂ及びＢ側受電ブラシ６０ａ，６０ｂは、ハウ
ジング６３に設けられた導電性を有する板バネ６４ａ，
６４ｂ、板バネ６５ａ，６５ｂ及び板バネ６６ａ，６６
ｂによって径方向中心に付勢されており、導電性摺動リ
ング５３に摺接可能になっている。

【０００６】電機子コイル５６に接続する整流回路５５
に交流電源５４より供給された交流電流を整流しながら
永久磁石ロータ（図示せず）を付勢するように回転させ
て直流モータとして起動運転し、該永久磁石ロータの回
転を同期回転付近まで立ち上げ、その時点でコミュテー
タ５１を機械的に整流回路５５から脱除してスイッチ５
７を切り換えて交流電源５４と電機子コイル５６を短絡
して永久磁石ロータ（図示せず）を同期運転に移行する
ようになっている。尚、図１３おいてＣ₁，Ｃ ₂，Ｃ₃
はサージ電流を吸収するためのコンデンサである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した特願平７−２
３２２６８号、特願平８−１０６９２９号などに開示さ
れた同期モータは、直流モータで同期回転数付近まで起
動運転し、同期回転数付近に到達するとコミューテータ
５１を機械的に軸方向にスライドさせることで整流回路
５５との接続を切り離すようスイッチ５７の切換えを行
うように設計されていたため、モータの消費電力効率は
従来の誘導モータに比べて格段に向上できるメリットが
ある反面、部品点数が多く機構的に複雑化するうえに、
モータを小型化する上で限界があった。また、起動運転
から１回の同期引き込み動作で同期運転に移行すればよ
いが、コミューテータのスライドによる切換えがスムー
ズに行われなかったり、負荷によっては脱調して起動運
転から再度立ち上げ直す必要があり切換え動作の確実性
に問題点があった。また、複数のブラシと導電性摺動リ
ングとの接離動作を繰り返すため、ブラシの摩耗や摺接
が不十分となり易く、５０Ｗ以上の高出力のモータにお
いては起動運転において電流方向を切り換えるとスパー
クが発生し易く、同期モータの安全性、信頼性に問題点
があった。

【０００８】本発明は上記従来技術の課題を解決すべく
なされたものであり、その目的とするところは、時代の
要請に応える省エネタイプの同期モータを実現するため
に、起動運転から同期運転への移行を確実に行え、信頼
性も高く、しかも小型化を実現した同期モータを提供す
ることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を達成
するため次の構成を有する。すなわち、ハウジング内に
出力軸を中心に回転可能に設けられた永久磁石ロータ
と、永久磁石ロータの回転数及び磁極位置を検出する第
１の検出手段と、交流電源の周波数を検出する第２の検
出手段と、ステータコアの周囲に電機子コイルが巻回さ
れたステータと、交流電源より供給された交流電流を整
流ブリッジ回路により整流し、永久磁石ロータの回転角
度に応じてスイッチング手段を切り換えて電機子コイル
へ流れる整流電流の向きを変えて永久磁石ロータを直流
ブラシレスモータとして起動運転する起動運転回路と、
交流電源と電機子コイルとを短絡して、永久磁石ロータ
を交流同期モータとして同期運転する同期運転回路と、
交流電源と電機子コイルとの間に設けられ、起動運転回
路又は同期運転回路へ接続を切り換える運転切換えスイ
ッチと、起動運転回路の電機子コイルに交互に流れる整
流電流が反転する範囲内でスイッチング制御して非反転
側に対して反転側の入力を抑えて起動運転し、第１の検
出手段により検出された永久磁石ロータの回転数が第２
の検出手段により検出される電源周波数に対して同期回
転数付近に到達したときに、運転切換えスイッチを同期
運転回路に切り換えて同期運転に移行するよう制御する
制御手段とを備えたことを特徴とする。上記構成によれ
ば、制御手段は、交流電源より整流ブリッジ回路を経て
電機子コイルに交互に流れる整流電流の通電方向及び通
電範囲をスイッチング制御して起動運転し、第１の検出
手段により検出された永久磁石ロータの回転数が第２の
検出手段により検出される電源周波数に対して同期回転
数付近に到達したときに、運転切換えスイッチを同期運
転回路へ切り換えて同期運転に移行するよう制御するの
で、起動運転から同期運転への移行が確実かつスムーズ
に行える。また、起動運転回路にブラシやコミュテータ
が不要であるため、起動運転において電流方向を切り換
える際にスパークの発生を防止して信頼性，安全性が高
く、任意の電源周波数に対して同期運転可能な同期モー
タを提供できる。また、従来のようにコミューテータや
ブラシやスイッチなどの機械部品を省略でき、スイッチ
ング手段の構成も簡略化できるので、モータの小型化も
促進でき、製造コストも低減できる。

【００１０】また、制御手段は、起動運転において、永
久磁石ロータが１回転する間に電機子コイルに流れる整
流電流が反転する範囲内で通電範囲を時分割によりスイ
ッチング制御するようにしても良い。また、電機子コイ
ルへの通電方向を規定するためのスリットが周方向に形
成されたセンサー板と、該スリットを検出可能な光セン
サーとを有する第３の検出手段を備え、制御手段は起動
運転において該光センサーの出力信号により電機子コイ
ルへの通電方向を切り換え制御するようにしても良く、
更にはセンサー板に電機子コイルへの通電範囲を規定す
るスリットが周方向に形成されていて、制御手段は起動
運転において光センサーの出力信号により整流電流が反
転する範囲内で所定回転角度だけ電機子コイルへ通電す
るようにスイッチング制御するようにしても良い。ま
た、第１の検出手段は、電機子コイルへの通電方向及び
通電範囲を各々規定するための周縁部にスリット及び遮
光部が磁極間を奇数分割されて交互に形成されたセンサ
ー板及び該スリット及び遮光部を検出可能な光センサー
を備えており、制御手段は起動運転において該光センサ
ーの出力信号により永久磁石ロータの回転角度及び磁極
位置を検出しながら電機子コイルへの通電方向を切り換
えると共に整流電流が反転する範囲内で所定回転角度だ
け電機子コイルへ通電するようにスイッチング制御する
ようにしても良い。また、制御手段は、同期モータが脱
調した場合に、同期運転から一旦起動運転に移行した
後、再度同期運転に移行するよう運転切換えスイッチの
繰り返し制御を行うことにより、動作信頼性、安定性の
高い同期モータを提供することができる。また、制御手
段は、起動運転より同期運転に移行する際に、起動運転
回路に整流電流を流すためのスイッチング手段をＯＦＦ
してから、運転切換えスイッチを切換えて同期運転に移
行するよう制御すると、起動運転回路のショートを防止
して同期運転に移行することができる。また、電機子コ
イルは消費電力効率を無視すれば単一のコイルを用いて
も良いが、Ａコイル及びＢコイルに分割されて直列に巻
回されていても良い。この場合、起動運転回路はＡコイ
ルのみを用いて直流ブラシレスモータとして起動運転
し、同期運転回路はＡコイル及びＢコイルを用いて交流
同期モータとして同期運転することにより、消費電力効
率も向上し、同期運転に必要な負荷に見合ったトルクも
得られる。また、ステータコアは主コアに永久磁石ロー
タの回転方向と逆方向に延出する補助コアが設けられて
おり、主コアの透磁率は補助コアより大きくなるように
設計された場合には、起動時における永久磁石ロータの
回転死点を解消して回転方向性を安定化することが可能
である。また、ステータは、ステータコアに装着され、
永久磁石ロータの回転中心と直交する方向に伸びる巻芯
及び該巻芯の両端にフランジを有するボビンに、Ａコイ
ル及びＢコイルが連続して巻回されている場合には、ス
テータコアを挿通する出力軸による無駄な空間が生じな
いので、巻芯エリアを拡大して占積率を高め、モータの
出力効率を高めることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、発明の好適な実施の形態を
添付図面に基づいて詳細に説明する。本実施例では、同
期モータのうち２極同期モータを用いて説明するものと
する。図１は２極同期モータの起動運転回路及び同期運
転回路の説明図、図２（ａ）（ｂ）は２極同期モータの
ハウジング内に装備された永久磁石ロータの外観図及び
２極同期モータの上視図、図３（ａ）〜（ｄ）は２極同
期モータ正断面説明図、上ハウジングの内視図、底面図
及びステータコイルの上視図、図４（ａ）は電源交流波
形、図４（ｂ）は整流波形、図４（ｃ）は時分割制御に
よる電機子コイルに印加される電圧波形と永久磁石ロー
タの回転角度との関係を示すグラフ図、図４（ｄ）は回
転角度制御による電機子コイルに印加される電圧波形と
永久磁石ロータの回転角度との関係を示すグラフ図、図
５は回転角度制御における光センサとセンサ板の構成を
示す説明図である。

【００１２】先ず、図２及び図３を参照して２極同期モ
ータの全体構成について説明する。図２（ａ）におい
て、１は回転子及び固定子を収容するハウジング本体で
あり、その上下は上ハウジング２及び下ハウジング３に
より覆われている。ハウジング１内には出力軸４を中心
に永久磁石ロータ５が回転可能に内蔵されている。出力
軸４は上ハウジング２及び下ハウジング３において、ベ
アリング軸受６，７により回転可能に支持されている。
このベアリング軸受６，７としては、電機子コイルに形
成される磁界の乱れを考慮して、非磁性の材料、例えば
ステンレスが好適に用いられる。また、図３（ｃ）に示
すように、下ハウジング３には、後述する電機子コイル
９に配線するための配線用穴３ａが形成されている。

【００１３】また、永久磁石ロータ５は、筒状のロータ
ヨーク５ａの内壁にＮ極及びＳ極にほぼ１８０°ずつで
着磁されたリンク状のマグネット５ｂが保持されてい
る。この永久磁石ロータ５は電機子コイルに通電して形
成される磁極との反発により出力軸４を中心に起動回転
するようになっている。このマグネット５ｂとしては、
例えば、フェライト，ゴムマグネット，プラスチックマ
グネット，サマリュウムコバルト，希土類のマグネッ
ト，ネオジ鉄ボロンなどを原材料として安価に製造する
ことができる。

【００１４】図３（ａ）において、永久磁石ロータ５に
囲まれた空間部には、ステータコア８の周囲にＡコイル
及びＢコイルが直列に巻回された電機子コイル９を有す
るステータ１０が内蔵されている。このステータコア８
は、図３（ｄ）に示すように、主コア８ａと該主コア８
ａの周囲には永久磁石ロータ５の回転方向と逆方向に延
出する補助コア８ｂが設けられている。また、主コア８
ａの透磁率は補助コア８ｂより大きくなるように設計さ
れており、主コア８ａはケイ素鋼板よりなる積層コアが
好適に用いられ、補助コア８ｂとしてはＳＰＣ材（冷間
圧延鋼板）が好適に用いられる。永久磁石ロータ５は各
磁極が主コア８ａと補助コア８ｂとの磁気抵抗が最小に
なる位置（即ち、主コア８ａと対向する位置より補助コ
ア８ｂ側にずれた位置）で停止するようになる。よっ
て、起動時におけるトルクの死点を解消することがで
き、永久磁石ロータ５の起動時の回転方向性を安定化す
ることができる。また、ステータコア８はボビン１１と
一体に嵌め込まれ、該ボビン１１の周囲には電機子コイ
ル９がＡコイル及びＢコイル毎に各々分けることなく連
続して巻回されている。このように、ホビン１１に対し
て巻芯エリアを広く確保して占積率を高めて巻回されて
いるので、２極３スロット型のモータに比べて電機子コ
イル９の巻数を増やして、モータの出力効率の向上に寄
与できる。

【００１５】図２（ａ）及び図３（ａ）において、上ハ
ウジング２内には、永久磁石ロータ５の回転数及び磁極
位置を検出する第１の検出手段として光センサ１２が装
備されている。この光センサ１２は、例えば投光用光源
と受光素子を備えた光検出素子１２ａと、マグネット５
ｂの磁極位置に応じて遮光部１３ａと透光部１３ｂとが
１８０°ずつ形成された回転円板１３とを装備してい
る。回転円板１３は、永久磁石ロータ５と一体に取り付
けられており、これらは出力軸４を中心に一体となって
回転する（図３（ｂ）参照）。光センサ１２は回転円板
１３により永久磁石ロータ５の回転数及び磁極位置を検
出するもので、光検出素子１２ａは回転数に応じたパル
スを発生させ、磁極位置に応じて後述する制御手段によ
り所定のタイミングで起動運転回路１４をスイッチング
制御したりする。光検出素子１２ａは、図２（ａ）
（ｂ）に示すように、上ハウジング２の内壁に螺子止め
により固定されている。尚、光センサ１２は、光透過型
に限らず、反射型のセンサを用いても良い。また、光セ
ンサ１２の他の回転数検出手段として、ホール素子、磁
気抵抗素子、コイルなどを用いた磁気センサ、高周波誘
導による方法、キャパシタンス変化による方法など様々
をものが適用可能である。

【００１６】次に、２極同期モータを起動運転する起動
運転回路、同期運転回路及びこれらの回路をスイッチン
グ制御する制御手段の構成について図１を参照して説明
する。図１において、起動運転回路１４は、単相交流電
源１５の交流電流を整流ブリッジ回路２０により整流
し、永久磁石ロータ５の回転角度に応じてスイッチング
手段を切り換えて整流電流の向きを変えるように電機子
コイル９のうちＡコイルのみへ通電して永久磁石ロータ
５を直流ブラシレスモータとして起動運転する。同期運
転回路２１は、交流電源１５と電機子コイル９とを短絡
して、永久磁石ロータ５を交流同期モータとして同期運
転する。交流電源１５とＡコイル、Ｂコイルとの間には
運転切換えスイッチとしてトライアックＳＷ１、ＳＷ２
が各々設けられている。このトライアックＳＷ１、ＳＷ
２は、交流電流の極性にかかわらずゲートパルスを印加
することによりＯＮ／ＯＦＦして、起動運転回路１４又
は同期運転回路２１へ接続が切換えられる。

【００１７】図１において、Ａコイルと整流ブリッジ回
路２０との間にはスイッチング手段として第１，第２ト
ランジスタ１６，１７が各々直列に接続されている。ま
たＡコイルと整流ブリッジ回路２０との間にはスイッチ
ング手段として第３，第４トランジスタ１８，１９が各
々直列に接続されている。

【００１８】２２は制御手段としてのマイクロコンピュ
ータであり、起動運転においてスイッチング制御により
起動運転回路１４に流れる電流量や電流方向を制御した
り、起動運転から同期運転へ移行する際の運転切換えス
イッチの切換え制御などを行う。２３はマイクロコンピ
ュータ駆動用の低電圧電源である。即ち、起動運転回路
１４の各スイッチング手段を制御し、Ａコイルに流れる
整流電流の電流方向を交互に切換えて非反転側に対して
反転側の入力を抑えて起動運転し、光センサ１２により
検出された永久磁石ロータ５の回転数が同期回転数付近
に到達したときに、第１〜第４トランジスタ１６〜１９
をＯＦＦにし、トライアックＳＷ１、ＳＷ２をＯＮさせ
て同期運転回路２１に切り換えて同期運転に移行するよ
う制御する。

【００１９】具体的には、マイクロコンピュータ２２に
は、第２の検出手段としての電源周波数検出部２４によ
り交流電源１５の周波数が検出されて入力端子ＩＮ１に
入力される。また、光センサ１２により、永久磁石ロー
タ５の回転数及び磁極位置を検出されて入力端子ＩＮ２
に入力される。また、出力端子ＯＵＴ１よりトライアッ
クＳＷ１、ＳＷ２への切換え信号が出力され、出力端子
ＯＵＴ２及び出力端子ＯＵＴ３より第１，第２トランジ
スタ１６，１７及び第３，第４トランジスタ１８，１９
を各々ＯＮ／ＯＦＦさせるための出力信号が出力され
る。マイクロコンピュータ２２は、光センサ１２により
検出された永久磁石ロータ５の磁極位置にタイミングを
合わせて、０°〜１８０°の回転角度範囲では、出力端
子ＯＵＴ２よりベース電流を出力して第１，第２トラン
ジスタ１６，１７のみＯＮさせ（このとき起動運転回路
１４には実線矢印に示す整流電流が流れる）、１８０
°〜３６０°の回転角度範囲では出力端子ＯＵＴ３より
ベース電流を出力して第３，第４トランジスタ１８，１
９のみＯＮさせて（このとき起動運転回路１４には破線
矢印に示す整流電流が流れる）、Ａコイルに流れる整
流電流の向きを１８０°ずつ切り換える。

【００２０】また、光センサ１２により検出される永久
磁石ロータ５の回転数が電源周波数検出部２４により検
出される交流電源１５の周波数に近づくと、第１〜第４
トランジスタ１６〜１９を全てＯＦＦさせて、トライア
ックＳＷ１、ＳＷ２をＯＮにする切換え信号が出力され
て、同期運転回路２１に二点鎖線矢印に示す交流電流
が流れる。

【００２１】ここで、起動運転回路１４に整流電流，
が流れる場合について図１を参照して具体的に説明す
る。永久磁石ロータ５の回転角度が０°〜１８０°の範
囲では、出力端子ＯＵＴ２よりベース電流を出力して、
第１，第２トランジスタ１６，１７が同時にＯＮ状態に
なる。このとき、Ａコイルには整流ブリッジ回路２０を
経て整流電流が流れる。また、永久磁石ロータ５の回
転角度が１８０°〜３６０°の範囲では、出力端子ＯＵ
Ｔ３よりベース電流を出力して、第３，第４トランジス
タ１８，１９が同時にＯＮ状態になる。このとき、Ａコ
イルには整流ブリッジ回路２０を経て整流電流が流れ
る。

【００２２】また、マイクロコンピュータ２２は、永久
磁石ロータ５が１回転する間に、Ａコイルに流れる整流
電流が反転波形となる範囲（図４（ｂ）及び（ｃ）の正
弦波形のうち破線部）において通電角度範囲を時分割に
よりスイッチング制御する。図１に示す起動運転回路１
４においてＡコイルに流れる整流電流がに流れ出す向
きを＋側とし、に流れ出す向きを−側としてＡコイル
に印加される電圧波形を図４（ｃ）に示す。尚、図４に
おいて斜線部は通電角度範囲を示すものとする。

【００２３】マイクロコンピュータ２２は、起動運転に
おいて永久磁石ロータ５の回転角度が１８０°〜３６０
°の範囲で予め設定された時間分割に従って起動運転回
路１４の第３，第４トランジスタ１８，１９をスイッチ
ング制御する。永久磁石ロータ５の回転角度は、光セン
サー１２により回転円板１３の遮光部１３ａ及び透光部
１３ｂを検出することにより得られる。例えば、図４
（ｃ）に示すように、Ａコイルに反転波形となる整流電
流が流れる通電範囲において、マイクロコンピュータ
２２は、出力端子ＯＵＴ３より任意の時間分割でベース
電流を出力して、第３，第４トランジスタ１８，１９を
ＯＮ／ＯＦＦさせてスイッチング制御を行う。このよう
に、Ａコイルに交互に流れる整流電流が反転する範囲内
で非反転側に対して反転側の入力を抑え、永久磁石ロー
タ５の回転数が電源周波数の本来の電流方向（反転しな
い電流方向）に収斂するように起動運転する。そして、
永久磁石ロータ５の回転数が増加するにしたがって、該
永久磁石ロータ５の回転角度にタイミングを合わせて第
３，第４トランジスタ１８，１９のＯＮ／ＯＦＦさせる
ことにより同期回転数付近まで立ち上げる。

【００２４】そして、永久磁石ロータ５が同期回転数付
近に到達したことを光センサ１２により検出すると、図
１においてマイクロコンピュータ２２は第１〜第４トラ
ンジスタ１６〜１９を全てＯＦＦしてから、トライアッ
クＳＷ１，ＳＷ２をＯＮして起動運転回路１４から同期
運転回路２１へ切換える。このとき、電機子コイル９に
は、Ａコイル及びＢコイルが直列で図１の二点矢印に
示す交流電流が流れ、該電機子コイル９の磁極の変化に
同期して永久磁石ロータ５は回転し、交流同期モータと
して回転駆動される。電機子コイル９には、Ａコイル及
びＢコイルが直列に連結されているため、同期運転に必
要なトルクを発生させるだけの負荷に見合った交流電流
が流れる。尚、第１〜第４トランジスタの回路的なショ
ートを防止するため、第１〜第４トランジスタ１６〜１
９をＯＦＦにしてからトライアックＳＷ１，ＳＷ２をＯ
Ｎするようにしている。尚、反転電流側の入力を抑制し
ないと整流ブリッジ回路２０により本来の電流方向と反
転電流方向とで各々５０％の確率で同期運転に移行する
動作をするため、反転電流方向で同期運転に移行した場
合には脱調して再起動を繰り返すことになる。このよう
な、不具合を防止するため、反転電流側を抑制してい
る。

【００２５】また、同期モータが負荷の変動などにより
脱調した場合には、マイクロコンピュータ２２は一旦永
久磁石ロータ５の回転数が同期回転移行時より所定値ま
で落ち込んだ後起動運転に移行し、再度同期運転に移行
するよう繰り返し制御を行うようになっている。例え
ば、電源周波数が６０Ｈｚで駆動する２極同期モータの
場合、起動運転から同期運転へ移行する際の永久磁石ロ
ータ５の回転数のしきい値を３５５０ｒｐｍに設定し、
同期運転に入れずに脱調したときに起動運転へ移行する
際の永久磁石ロータ５の回転数のしきい値を３２００ｒ
ｐｍに設定して繰り返し制御することにより、安定した
モータの駆動動作が実現できる。起動運転から同期運転
へ、同期運転から起動運転へ移行する際のしきい値は、
各モータの出力特性、用途、サイズなどにより最適な値
を設定すれば良い。

【００２６】また、本実施例に示す２極同期モータは、
起動運転から同期運転への移行動作をマイクロコンピュ
ータ２２に制御されて行われるため、電源周波数が５０
Ｈｚ、６０Ｈｚ、１００Ｈｚ等に変化しても細かい機械
設計を変更することなく同一の２極同期モータを用いる
ことができるので、極めて汎用性の高い同期モータを提
供することができる。

【００２７】また、起動運転においてＡコイルに交互に
流れる整流電流が反転する範囲で、スイッチング制御す
る他の構成について説明する。永久磁石ロータ５の回転
数及び磁極位置を検出する光センサ１２及び回転円板１
３（第１の検出手段）の他に、図５に示すように、Ａコ
イルへ通電する通電方向及び通電範囲を各々規定するス
リット２５ａ，２５ｂが形成されたセンサ板２５及び光
センサー２６ａ，２６ｂ（第３の検出手段）を備えてい
ても良い。スリット２５ａはＡコイルの通電方向を決定
するものとし、光センサー２６ａにより検出結果に応じ
た出力信号を出力する。スリット２５ｂはＡコイルの通
電範囲を決定するものとし、光センサー２６ｂにより検
出結果に応じた出力信号を出力する。

【００２８】この光センサー２６ａ，２６ｂの検出信号
に基づいて、マイクロコンピュータ２２は、起動運転に
おいてＡコイルに流れる整流電流が１８０°毎に反転す
る範囲において、第３，第４トランジスタ１８，１９を
ＯＮ／ＯＦＦし、このときＡコイルには、例えば図４
（ｄ）に示す整流電流が流れる。図４（ｄ）に示すよう
に、永久磁石ロータ５の回転方向に対して１８０°のう
ち前後３０°だけＡコイルに反転電流は流れないように
規制されている。この場合、Ａコイルに対する通電方向
及び通電範囲をセンサ板２５により規定しているので、
マイクロコンピュータ２２により煩雑なスイッチング動
作をする必要がなくなるため、制御動作を簡略化でき
る。尚、センサ板２５にＡコイルに対する通電方向を規
定するスリット２５ａのみが形成され、該スリット２５
ａを検出する光センサー２６ａのみを備えて、通電範囲
は整流電流が１８０°反転する範囲においてマイクロコ
ンピュータ２２が時分割によりスイッチング制御するよ
うにしても良い。

【００２９】上記２極同期モータを用いれば、マイクロ
コンピュータ２２は、交流電源１５より整流ブリッジ回
路２０を経て電機子コイル９に流れる整流電流の通電方
向及び通電範囲をスイッチング制御して非反転側に対し
て反転側の入力を抑えて起動運転し、光センサ１２によ
り検出された永久磁石ロータ５の回転数が電源周波数検
出部２５により検出される電源周波数に対して同期回転
数付近に到達したときに、トライアックＳＷ１，ＳＷ２
をＯＮして同期運転回路２１へ切り換えて同期運転に移
行するよう制御するので、起動運転から同期運転への移
行が確実かつスムーズに行える。また、起動運転回路１
４にブラシやコミュテータが不要であるため、起動運転
において電流方向を切り換える際にスパークの発生を防
止して信頼性、安全性の高く、任意の電源周波数に対し
て同期運転可能な同期モータを提供できる。また、従来
のようにコミューテータやブラシなどの機械部品を省略
でき、スイッチング手段の構成も簡略化できるので、モ
ータの小型化も促進でき、製造コストも低減できる。ま
た、マイクロコンピュータ２２は、同期モータが脱調し
た場合に、同期運転から一旦起動運転に移行した後、再
度同期運転に移行するよう繰り返し制御を行うことによ
り、動作信頼性、安定性の高い同期モータを提供するこ
とができる。また、ステータコア８は、主コア８ａに永
久磁石ロータ５の回転方向と逆方向に延出する補助コア
８ｂが設けられており、該主コア８ａの透磁率は該補助
コア８ｂより大きくなるように設計された場合には、起
動運転における永久磁石ロータ５の回転死点を解消して
回転方向性を安定化することが可能である。また、ステ
ータコア８は２極３スロット型のモータにおいてスロッ
トに電機子コイル９を収納する場合に比べて巻芯エリア
を広く確保して占積率を高められるので、電機子コイル
９の巻数を増やして、モータの出力効率を高めることが
できる。

【００３０】また、２極同期モータに限定されるが、図
６（ａ）に示すように、永久磁石ロータ５は、出力軸４
の一端がロータヨーク５ａに連繋しており、ロータヨー
ク５ａにロータヨーク受け部材３８が連繋している。ま
た、ステータ１０は、ステータコア８がステータ固定部
材３９に固定されており、該ステータ固定部材３９は下
ハウジング３に嵌め込まれている。永久磁石ロータ５
は、上ハウジング２に設けられたベアリング軸受６及び
ロータヨーク受け部材３８と下ハウジング３との間に設
けたベアリング軸受７を介して回動可能になっている。
図６（ｂ）に示すように、ステータコア８に装着され、
永久磁石ロータ５の回転中心と直交する方向に伸びる巻
芯１１ａ及び該巻芯１１ａの両端にフランジ１１ｂを有
するボビン１１に、Ａコイル及びＢコイルが連続して巻
回されている。よって、ステータコア８に出力軸４が挿
通するための無駄な空間が生じないので、巻芯エリアを
拡大して占積率を更に高め、モータの出力効率を高める
ことができる。

【００３１】本発明に係る同期モータは、２極同期モー
タに限らず図７及び図８に示すように４極同期モータに
ついても適用可能である。尚、前述した２極同期モータ
と同一部材には同一番号を付して説明を援用するものと
する。図７において、永久磁石ロータ２７はロータヨー
ク２７ａの内壁にＮ極，Ｓ極が交互に９０°ずつ合計４
極に着磁されたリング状のマグネット２７ｂが保持され
ている。

【００３２】また、図８において、４極同期モータのス
テータコア２８は十字状の主コア（積層コア）２８ａの
各端部に永久磁石ロータ２７の回転方向と逆方向に延出
する補助コア２８ｂが設けられており、起動時における
トルクの死点を解消している。また、ステータコア２８
はボビン２９と一体に嵌め込まれ、該ボビン２９の周囲
には主コア２８ａの一方の長手方向に電機子コイル９が
ＡコイルとＢコイルを４極構造になるように出力軸４を
中心に両側のボビン２９に互いに反対向きに巻き付けら
れている。

【００３３】また、図９に示すように、回転円板３０に
は、マグネット２７ｂの磁極位置に応じて遮光部３０ａ
と透光する透光部３０ｂとが９０°ずつ交互に形成され
ている。回転円板３０は、永久磁石ロータ２７と一体に
取り付けられており、これらは出力軸４を中心に一体と
なって回転する。光センサ１２は回転円板３０により永
久磁石ロータ５の回転数及び磁極位置を検出する。４極
同期モータは、永久磁石ロータ５が９０°回転する毎に
電機子コイル９に形成される磁極が変化するため、起動
運転する際に電機子コイル９に流れる電流の向きを永久
磁石ロータ２７が９０°回転する毎にスイッチング制御
により切り換える必要がある。

【００３４】また、上述した２極同期モータ及び４極同
期モータは、アウターロータ方式について説明したが、
これに限定されるものではなく、インナーロータ方式で
あっても良い。例えば８極同期モータについて図１０
（ａ）（ｂ）を参照して説明する。図１０（ａ）は永久
磁石ロータの軸断面説明図、図１０（ｂ）は永久磁石ロ
ータを取り外したステータの一部断面説明図である。

【００３５】図１０（ｂ）において、３１，３２は固定
子及び回転子を収容するステータヨークでありハウジン
グを兼用して２分割可能に形成されている。ステータヨ
ーク３１，３２内には出力軸３３を中心に永久磁石ロー
タ３４が回転可能に内蔵されている。出力軸３３はステ
ータヨーク３１，３２において、図示しないベアリング
軸受により回転可能に支持されている。

【００３６】また、図１０（ａ）において、永久磁石ロ
ータ３４は、出力軸３３に嵌め込まれたマグネット固定
部材３５ａの周囲にＮ極及びＳ極にほぼ４５°ずつ着磁
されたリング状のマグネット３５ｂが保持されている。
この永久磁石ロータ３４は電機子コイルに通電して形成
される磁極との反発により出力軸３３を中心に起動回転
するようになっている。永久磁石ロータ３４の外側に
は、ステータヨーク３１，３２内にボビン３６が嵌め込
まれており、該ボビン３６にはＡコイル及びＢコイルの
２つのコイルセグメントに分割された電機子コイル３７
が巻き付けられている。

【００３７】また、図１０（ｂ）に示すように、ステー
タヨーク３１，３２の周縁部には、周方向に８か所に主
コア３１ａ，３２ａが軸方向に交互に折り曲げ形成され
ている。この主コア３１ａ，３２ａには永久磁石ロータ
３４の回転方向と逆方向に延出する補助コア３１ｂ，３
２ｂが各々形成されており、起動時におけるトルクの死
点を解消している。また、ステータヨーク３１，３２内
には永久磁石ロータ３４の回転数及び磁極位置を検出す
る第１の検出手段として光センサ（図示せず）が装備さ
れている。光センサは出力軸３３に一体に取り付けられ
た回転円板（図示せず）により永久磁石ロータ３４の回
転数を検出し、図示しないマイクロコンピュータは電機
子コイル３７のうちＡコイルに流れる整流電流の向きや
電流量をスイッチング制御により制御する。

【００３８】また、永久磁石ロータ５の回転数及び磁極
位置を検出する第１の検出手段の他例について、図１１
及び図１２を参照して説明する。センサー板４０は、円
板形状をしており、Ａコイルへの通電方向及び通電範囲
を各々規定するため、周縁部に遮光部４０ａとスリット
４０ｂとが磁極間を奇数分割して交互に形成されてい
る。センサー板４０は光センサー１２の検出位置におい
てＮ極位置又はＳ極位置に対応して停止する。

【００３９】センサー板４０のスリット４０ｂは、２極
の場合永久磁石ロータ５が１８０°対向して着磁されて
いるので、１８０°を奇数分割（図１１では１３分割）
することより、光センサー１２の検出位置において必ず
スリット４０ｂと遮光部４０ａとが対向配置するように
形成されている。よって、永久磁石ロータ５がＮ極側で
停止しているのか、Ｓ極側で停止しているのかを確実に
判定できるようになっている（図１１参照）。また、４
極の場合、永久磁石ロータ５が９０°毎にＮ極、Ｓ極に
着磁されているので、９０°を奇数分割（図１２では１
３分割）することより、光センサー１２の検出位置にお
いて必ずスリット４０ｂと遮光部４０ａとが交互に配置
するように形成されている。よって、永久磁石ロータ５
がＮ極側で停止しているのか、Ｓ極側で停止しているの
かを確実に判定できるようになっている（図１２参
照）。

【００４０】光センサー１２は、例えば図１１におい
て、Ｎ極の位置で停止している場合（センサーＯＮ）に
は、永久磁石ロータ５の回転方向が順方向となるよう
に、マイクロコンピュータ２２はＡコイルに図１の矢印
に示す方向に整流電流を流して、起動回転させる。ま
た、Ｓ極の位置で停止している場合（センサーＯＦＦ）
には、永久磁石ロータ５の回転方向が順方向となるよう
に、マイクロコンピュータ２２はＡコイルに図１の矢印
に示す方向に整流電流を流して、起動回転させる。ま
た、Ａコイルへの通電方向の切換えは、センサー板４０
のスリット４０ｂを光センサー１２によりカウントして
行われ、永久磁石ロータ５の回転角度が０°〜１８０°
では第１，第２トランジスタ１６，１７のみを同時にＯ
Ｎさせ、１８０°〜３６０°では第３，第４トランジス
タ１８，１９のみを同時にＯＮさせて切換え制御する。
また、Ａコイルへの通電範囲は、整流電流が反転する範
囲において、Ｎ極側又はＳ極側に対応するセンサー板４
０の一部のスリット４０ｂの数だけ光センサー１２によ
りカウントして、所定回転角度だけＡコイルへ通電する
よう第３，第４トランジスタ１８，１９をＯＮ／ＯＦＦ
させて通電抑制制御する。このように、単一のセンサ板
４０と光センサー１２の組み合わせで、永久磁石ロータ
５の回転数、回転角度、磁極位置、Ａコイルへの通電方
向及び通電範囲などの種々の情報を検出して制御動作が
行えるので、部品点数が少なく、モータの構成を簡略化
して小型化できる。

【００４１】上記センサー板４０は、２極、４極同期モ
ータの場合について説明したが、スリットと遮光部とが
磁極間で奇数分割されて形成されていれば、これらに限
定されるものではない。一般に、センサー板の分割角度
＝（３６０°／極数）／奇数により設計されていれば、
６極以上のモータに対しても適用可能である。尚、電機
子コイル９に流れる整流電流を規制する反転波形側の通
電範囲は、マイクロコンピュータ２２により任意に設定
することが可能である。また、本方式は、光センサーに
限定されるものではなく、例えば多極着磁された円筒マ
グネットを用い、ホール素子にて検出する方式でも良
い。

【００４２】本発明に係る同期モータは、モータを駆動
制御するマイクロコンピュータ２２を一体に装備してい
る場合であっても、或いは同期モータが用いられる電機
機器の装置本体に内蔵した制御回路の一部（交流電源、
起動運転回路、同期運転回路などを含む）を用いてモー
タを駆動制御するタイプのいずれであっても良い。ま
た、一般にインダクター方式とよばれる同期モータや平
盤状のマグネットとコイルを円板上で対向させた平面対
向方式の同期モータなどにも本発明を広く適用できる。
また、本発明に係る同期モータには、従来一般的に使わ
れている誘導型モータのように、過負荷時の安全を保証
するために、動作中に常に通電する回路部分に温度ヒュ
ーズやバイメタル式の高温検出スイッチを組み込むこと
もできる。また、電機子コイル９は、Ａコイル及びＢコ
イルに分割したものに限らず、消費電力効率を無視すれ
ば単一のコイルを用いても良い等、発明の精神を逸脱し
ない範囲で多くの改変をなし得る。

【００４３】

【発明の効果】本発明の同期モータを用いると、制御手
段は、交流電源より整流ブリッジ回路を経て電機子コイ
ルに交互に流れる整流電流の通電方向及び通電範囲をス
イッチング制御して起動運転し、第１の検出手段により
検出された永久磁石ロータの回転数が第２の検出手段に
より検出される電源周波数に対して同期回転数付近に到
達したときに、運転切換えスイッチを同期運転回路へ切
り換えて同期運転に移行するよう制御するので、起動運
転から同期運転への移行が確実かつスムーズに行える。
また、起動運転回路にブラシやコミュテータが不要であ
るため、起動運転において電流方向を切り換える際にス
パークの発生を防止して信頼性、安全性の高い同期モー
タを提供できる。また、従来のようにコミューテータや
ブラシ、スイッチなどの機械部品を省略できるので、モ
ータの小型化も促進でき、製造コストも低減できる。ま
た、制御手段は、同期モータが脱調した場合に、同期運
転から一旦起動運転に移行した後、再度同期運転に移行
するよう運転切換えスイッチの繰り返し制御を行うこと
により、動作信頼性、安定性の高い同期モータを提供す
ることができる。また、制御手段は、起動運転より同期
運転に移行する際に、起動運転回路に整流電流を流すた
めのスイッチング手段をＯＦＦしてから、運転切換えス
イッチを切換えて同期運転に移行するよう制御すると、
起動運転回路のショートを防止して同期運転に移行する
ことができる。また、ステータコアは主コアに永久磁石
ロータの回転方向と逆方向に延出する補助コアが設けら
れており、主コアの透磁率は補助コアより大きくなるよ
うに設計された場合には、起動時における永久磁石ロー
タの回転死点を解消して回転方向性を安定化することが
可能である。また、ステータは、ステータコアに装着さ
れ、永久磁石ロータの回転中心と直交する方向に伸びる
巻芯及び該巻芯の両端にフランジを有するボビンに、Ａ
コイル及びＢコイルが連続して巻回されている場合に
は、ステータコアを挿通する出力軸による無駄な空間が
生じないので、巻芯エリアを拡大して占積率を高め、モ
ータの出力効率を高めることができる。また、同期モー
タは、起動運転から同期運転への移行動作をマイクロコ
ンピュータに制御されて行われるため、電源周波数が５
０Ｈｚ、６０Ｈｚ、１００Ｈｚ等に変化しても細かい機
械設計を変更することなく同一の同期モータを用いるこ
とができるので、極めて汎用性の高い同期モータを提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】２極同期モータの起動運転回路及び同期運転回
路の説明図である。

【図２】２極同期モータのハウジング内に装備された永
久磁石ロータの外観図及び２極同期モータの上視図であ
る。

【図３】２極同期モータ正断面説明図、上ハウジングの
内視図、底面図及びステータコイルの上視図である。

【図４】電源交流波形、整流波形、時分割制御による電
機子コイルに印加される電圧波形と永久磁石ロータの回
転角度との関係を示すグラフ図及び回転角度制御による
電機子コイルに印加される電圧波形と永久磁石ロータの
回転角度との関係を示すグラフ図である。

【図５】回転角度制御における光センサとセンサ板の構
成を示す説明図である。

【図６】他例に係る２極同期モータ正断面説明図及びス
テータコイルの上視図である。

【図７】４極同期モータの一部破断説明図である。

【図８】４極同期モータの軸断面説明図である。

【図９】４極同期モータの光センサに装備される回転円
板の説明図である。

【図１０】８極同期モータの永久磁石ロータの軸断面説
明図及び永久磁石ロータを取り外したステータの一部断
面説明図である。

【図１１】他例にかかる２極同期モータ用の光センサと
センサ板の構成を示す説明図である。

【図１２】他例にかかる４極同期モータ用の光センサと
センサ板の構成を示す説明図である。

【図１３】従来の２極同期モータの構成に示す回路図で
ある。

【図１４】従来の２極同期モータの起動運転回路に備え
たブラシの配置構造を示す説明図である。

【符号の説明】

１ハンジング本体２上ハウジング３下ハウジング３ａ配線用穴４，３３出力軸５，２７，３４永久磁石ロータ５ａ，２７ａロータヨーク５ｂ，２７ｂ，３５ｂマグネット６，７ベアリング軸受８，２８ステータコア８ａ，２８ａ，３１ａ，３２ａ主コア８ｂ，２８ｂ，３１ｂ，３２ｂ補助コア９，３７電機子コイル１０ステータ１１，２９，３６ボビン１２，２６ａ，２６ｂ光センサ１２ａ光検出素子１３，３０回転円板１３ａ，３０ａ，４０ａ遮光部１３ｂ，３０ｂ透光部１４起動運転回路１５交流電源１６第１トランジスタ１７第２トランジスタ１８第３トランジスタ１９第４トランジスタ２０整流ブリッジ回路２１同期運転回路２２マイクロコンピュータ２３低電圧電源２４電源周波数検出部２５，４０センサ板２５ａ，２５ｂ，４０ｂスリット３１，３２ステータヨーク３５ａマグネット固定部材３８ロータヨーク受け部材３９ステータ固定部材

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１１年５月１０日（１９９９．５．１
０）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００９

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を達成
するため次の構成を有する。すなわち、ハウジング内に
出力軸を中心に回転可能に設けられた永久磁石ロータ
と、永久磁石ロータの回転数及び磁極位置を検出する第
１の検出手段と、交流電源の周波数を検出する第２の検
出手段と、ステータコアの周囲に電機子コイルが巻回さ
れたステータと、交流電源より供給された交流電流を整
流ブリッジ回路により整流し、永久磁石ロータの回転角
度に応じてスイッチング手段を切り換えて電機子コイル
へ流れる整流電流の向きを変えて永久磁石ロータを直流
ブラシレスモータとして起動運転する起動運転回路と、
交流電源と電機子コイルとを短絡して、永久磁石ロータ
を交流同期モータとして同期運転する同期運転回路と、
交流電源と電機子コイルとの間に設けられ、起動運転回
路又は同期運転回路へ接続を切り換える運転切換えスイ
ッチと、起動運転回路により起動運転し、第１の検出手
段により検出された永久磁石ロータの回転数が第２の検
出手段により検出される電源周波数に対して同期回転数
付近に到達したときに、運転切換えスイッチを起動運転
回路から同期運転回路へ切り換えて同期運転に移行する
よう制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。上
記構成によれば、制御手段は、起動運転回路により交流
電源より整流ブリッジ回路を経て電機子コイルに流れる
整流電流の向きを変えて永久磁石ロータを直流ブラシレ
スモータとして起動運転し、第１の検出手段により検出
された永久磁石ロータの回転数が第２の検出手段により
検出される電源周波数に対して同期回転数付近に到達し
たときに、運転切換えスイッチを起動運転回路から同期
運転回路へ切り換えて同期運転に移行するよう制御する
ので、起動運転から同期運転への移行が確実かつスムー
ズに行える。また、起動運転回路にブラシやコミュテー
タが不要であるため、起動運転において電流方向を切り
換える際にスパークの発生を防止して信頼性，安全性が
高く、任意の電源周波数に対して同期運転可能な同期モ
ータを提供できる。また、従来のようにコミュテータや
ブラシやスイッチなどの機械部品を省略でき、スイッチ
ング手段の構成も簡略化できるので、モータの小型化も
促進でき、製造コストも低減できる。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１０】また、制御手段は、起動運転回路の前記電
機子コイルに交互に流れる整流電流が反転する範囲内で
非反転側に対して反転側の入力を抑えて起動運転するよ
うに制御するのが望ましく、例えば永久磁石ロータが１
回転する間に電機子コイルに流れる整流電流が反転する
範囲内で通電範囲を時分割によりスイッチング制御する
ようにしても良い。また、電機子コイルへの通電方向を
規定するためのスリットが周方向に形成されたセンサー
板と、該スリットを検出可能な光センサーとを有する第
３の検出手段を備え、制御手段は起動運転において該光
センサーの出力信号により電機子コイルへの通電方向を
切り換え制御するようにしても良く、更にはセンサー板
に電機子コイルへの通電範囲を規定するスリットが周方
向に形成されていて、制御手段は起動運転において光セ
ンサーの出力信号により整流電流が反転する範囲内で所
定回転角度だけ電機子コイルへ通電するようにスイッチ
ング制御するようにしても良い。また、第１の検出手段
は、電機子コイルへの通電方向及び通電範囲を各々規定
するための周縁部にスリット及び遮光部が磁極間を奇数
分割されて交互に形成されたセンサー板及び該スリット
及び遮光部を検出可能な光センサーを備えており、制御
手段は起動運転において該光センサーの出力信号により
永久磁石ロータの回転角度及び磁極位置を検出しながら
電機子コイルへの通電方向を切り換えると共に整流電流
が反転する範囲内で所定回転角度だけ電機子コイルへ通
電するようにスイッチング制御するようにしても良い。
また、制御手段は、同期モータが脱調した場合に、同期
運転から一旦起動運転に移行した後、再度同期運転に移
行するよう運転切換えスイッチの繰り返し制御を行うこ
とにより、動作信頼性、安定性の高い同期モータを提供
することができる。また、制御手段は、起動運転より同
期運転に移行する際に、起動運転回路に整流電流を流す
ためのスイッチング手段をＯＦＦしてから、運転切換え
スイッチを同期運転回路へ切換えて同期運転に移行する
よう制御すると、起動運転回路のショートを防止して同
期運転に移行することができる。また、電機子コイルは
消費電力効率を無視すれば単一のコイルを用いても良い
が、Ａコイル及びＢコイルに分割されて直列に巻回され
ていても良い。この場合、起動運転回路はＡコイルのみ
を用いて直流ブラシレスモータとして起動運転し、同期
運転回路はＡコイル及びＢコイルを用いて交流同期モー
タとして同期運転することにより、消費電力効率も向上
し、同期運転に必要な負荷に見合ったトルクも得られ
る。また、ステータコアは主コアに永久磁石ロータの回
転方向と逆方向に延出する補助コアが設けられており、
主コアの透磁率は補助コアより大きくなるように設計さ
れた場合には、起動時における永久磁石ロータの回転死
点を解消して回転方向性を安定化することが可能であ
る。また、ステータは、ステータコアに装着され、永久
磁石ロータの回転中心と直交する方向に伸びる巻芯及び
該巻芯の両端にフランジを有するボビンに、Ａコイル及
びＢコイルが連続して巻回されている場合には、ステー
タコアを挿通する出力軸による無駄な空間が生じないの
で、巻芯エリアを拡大して占積率を高め、モータの出力
効率を高めることができる。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４３】

【発明の効果】本発明の同期モータを用いると、制御手
段は、交流電源より整流ブリッジ回路を経て電機子コイ
ルに交互に流れる整流電流の通電方向及び通電範囲をス
イッチング制御して起動運転回路により起動運転し、第
１の検出手段により検出された永久磁石ロータの回転数
が第２の検出手段により検出される電源周波数に対して
同期回転数付近に到達したときに、運転切換えスイッチ
を起動運転回路から同期運転回路へ切り換えて同期運転
に移行するよう制御するので、起動運転から同期運転へ
の移行が確実かつスムーズに行える。また、起動運転回
路にブラシやコミュテータが不要であるため、起動運転
において電流方向を切り換える際にスパークの発生を防
止して信頼性、安全性の高い同期モータを提供できる。
また、従来のようにコミュテータやブラシ、スイッチな
どの機械部品を省略できるので、モータの小型化も促進
でき、製造コストも低減できる。また、制御手段は、同
期モータが脱調した場合に、同期運転から一旦起動運転
に移行した後、再度同期運転に移行するよう運転切換え
スイッチの繰り返し制御を行うことにより、動作信頼
性、安定性の高い同期モータを提供することができる。
また、制御手段は、起動運転より同期運転に移行する際
に、起動運転回路に整流電流を流すためのスイッチング
手段をＯＦＦしてから、運転切換えスイッチを同期運転
回路へ切換えて同期運転に移行するよう制御すると、起
動運転回路のショートを防止して同期運転に移行するこ
とができる。また、ステータコアは主コアに永久磁石ロ
ータの回転方向と逆方向に延出する補助コアが設けられ
ており、主コアの透磁率は補助コアより大きくなるよう
に設計された場合には、起動時における永久磁石ロータ
の回転死点を解消して回転方向性を安定化することが可
能である。また、ステータは、ステータコアに装着さ
れ、永久磁石ロータの回転中心と直交する方向に伸びる
巻芯及び該巻芯の両端にフランジを有するボビンに、Ａ
コイル及びＢコイルが連続して巻回されている場合に
は、ステータコアを挿通する出力軸による無駄な空間が
生じないので、巻芯エリアを拡大して占積率を高め、モ
ータの出力効率を高めることができる。また、同期モー
タは、電源周波数が５０Ｈｚ、６０Ｈｚ、１００Ｈｚ等
に変化しても細かい機械設計を変更することなく同一の
同期モータを用いることができるので、極めて汎用性の
高い同期モータを提供することができる。 ─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１１年９月２７日（１９９９．９．２
７）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００９

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するため次の構成を有する。即ち、ハウジング内に出力
軸を中心に回転可能に設けられた永久磁石ロータと、永
久磁石ロータの回転数及び磁極位置を検出する第１の検
出手段と、交流電源の周波数を検出する第２の検出手段
と、ステータコアの周囲に電機子コイルが巻回されたス
テータと、交流電源より供給された交流電流を整流ブリ
ッジ回路により整流し、永久磁石ロータの回転角度に応
じてスイッチング手段を切換えて電機子コイルに流れる
整流電流の向きを変えて永久磁石ロータを直流ブラシレ
スモータとして起動運転する起動運転回路と、交流電源
と電機子コイルとを短絡して、永久磁石ロータを交流同
期モータとして同期運転する同期運転回路と、交流電源
と電機子コイルとの間に設けられ、起動運転回路又は同
期運転回路へ接続を切換える運転切換えスイッチと、起
動運転回路により電機子コイルに交互に流れる整流電流
の向きが反転する側の通電範囲を非反転側に対して狭め
るようにスイッチング制御して起動運転し、第１の検出
手段により検出された永久磁石ロータの回転数が、第２
の検出手段により検出される電源周波数に対して同期回
転数付近に到達したとき、運転切換えスイッチを起動運
転回路から同期運転回路へ切換えて同期運転に移行する
よう制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。上
記構成によれば、制御手段は、起動運転回路により交流
電源より整流ブリッジ回路を経て電機子コイルに交互に
流れる整流電流の向きが反転する側の通電範囲を非反転
側に対して狭めるようにスイッチング制御して永久磁石
ロータを直流ブラシレスモータとして起動運転し、第１
の検出手段により検出された永久磁石ロータの回転数
が、第２の検出手段により検出される電源周波数に対し
て同期回転数付近に到達したとき、運転切換えスイッチ
を起動運転回路から同期運転回路へ切換えて同期運転に
移行するよう制御するので起動運転から同期運転への移
行が確実かつスムーズに行える。また、起動運転回路に
ブラシやコミュテータが不要であるため、起動運転にお
いて電流方向を切換える際にスパークの発生を防止して
信頼性、安全性が高く、任意の電源周波数に対して同期
運転可能な汎用性の高い同期モータを提供できる。ま
た、従来のように、起動運転回路に備えたコミュテータ
やブラシやスイッチなどの機械部品を省略できるため、
スイッチング手段の構成を簡略化して、モータの小型化
を促進でき、製造コストも低減できる。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１０】また、制御手段は、起動運転において、永
久磁石ロータが１回転する間に電機子コイルに流れる整
流電流が反転する範囲内で通電範囲を時分割によりスイ
ッチング制御するようにしても良い。また、電機子コイ
ルへの通電方向を規定するためのスリットが周方向に形
成されたセンサー板と、該スリットを検出可能な光セン
サーとを有する第３の検出手段を備えており、制御手段
は起動運転において、光センサーの出力信号により、電
機子コイルへの通電方向を切換え制御しても良く、更に
はセンサー板に電機子コイルへの通電範囲を規定するス
リットが周方向に形成されており、制御手段は起動運転
において光センサーの出力信号により整流電流が反転す
る範囲内で所定回転角度だけ前記電機子コイルへ通電す
るようにスイッチング制御するようにしても良い。ま
た、第１の検出手段は、電機子コイルへの通電方向及び
通電範囲を各々規定するため、周縁部にスリット及び遮
光部が永久磁石ロータの磁極間を奇数分割するよう交互
に形成されたセンサー板と、スリット及び遮光部を検出
可能な光センサーを備えており、制御手段は起動運転に
おいて光センサーの出力信号により永久磁石ロータの回
転角度及び磁極位置を検出しながら電機子コイルへの通
電方向を切換えると共に整流電流が反転する範囲内で所
定回転角度だけ電機子コイルへ通電するようにスイッチ
ング制御するようにしても良い。また、制御手段は、同
期モータが脱調した場合に、同期運転から一旦起動運転
へ移行した後、再度同期運転へ移行するよう運転切換え
スイッチを繰り返し切換え制御することにより、運転切
換え動作の信頼性、安定性の高い同期モータを提供する
ことができる。また、制御手段は、起動運転より同期運
転へ移行する際に、起動運転回路に整流電流を流すため
のスイッチング手段をＯＦＦしてから、運転切換えスイ
ッチを同期運転回路へ切換えて同期運転に移行するよう
制御すると、起動運転回路のショートを防止して同期運
転に移行することができる。また、電機子コイルは消費
電力効率を無視すれば、単一のコイルを用いても良い
が、Ａコイル及びＢコイルに分割されて直列にステータ
コアに巻回されているのが好ましい。この場合、起動運
転回路はＡコイルのみを用いて直流ブラシレスモータと
して起動運転し、同期運転回路はＡコイル及びＢコイル
を用いて交流同期モータとして同期運転することによ
り、消費電力効率が向上し、同期運転に必要な負荷に見
合ったトルクを得られる。また、ステータコアは、主コ
アに永久磁石ロータの回転方向と逆方向に延出する補助
コアが設けられており、主コアの透磁率は補助コアより
大きくなるように設計されている場合には、起動時にお
ける永久磁石ロータの回転死点を解消して回転方向性を
安定化することが可能である。また、ステータは、ステ
ータコアに装着され、永久磁石ロータの回転中心と直交
する方向に伸びる巻芯及び該巻芯の両端にフランジを有
するボビンに、電機子コイルが連続して巻回されている
場合には、ステータコアを挿通する出力軸による無駄な
空間が生じないので、巻芯エリアを拡大して占積率を高
め、モータの出力効率を高めることができる。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１８

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１８】２２は制御手段としてのマイクロコンピュ
ータであり、起動運転においてスイッチング制御により
起動運転回路１４に流れる電流量や電流方向を制御した
り起動運転から同期運転へ移行する際の運転切換えスイ
ッチの切換え制御などを行う。２３はマイクロコンピュ
ータ駆動用の低電圧電源である。即ち、起動運転回路１
４のＡコイルに流れる整流電流の電流方向を交互に切換
えて反転する側の通電範囲を非反転側に対して狭めるよ
うにスイッチング制御して起動運転し、光センサ１２に
より検出された永久磁石ロータ５の回転数が同期回転数
付近に到達したときに、第１〜第４トランジスタ１６〜
１９をＯＦＦにし、トライアックＳＷ１、ＳＷ２をＯＮ
させて同期運転回路２１に切換えて同期運転に移行する
よう制御する。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２３】マイクロコンピュータ２２は、起動運転に
おいて永久磁石ロータ５の回転角度が１８０°〜３６０
°の範囲で予め設定された時間分割に従って起動運転回
路１４の第３、第４トランジスタ１８、１９をスイッチ
ング制御する。永久磁石ロータ５の回転角度は、光セン
サー１２により回転円板１３の遮光部１３ａ及び透光部
１３ｂを検出することにより得られる。例えば、図４
（ｃ）に示すように、Ａコイルに反転波形となる整流電
流が流れる通電範囲において、マイクロコンピュータ
２２は、出力端子ＯＵＴ３より任意の時間分割でベース
電流を出力して第３、第４トランジスタ１８、１９をＯ
Ｎ／ＯＦＦさせてスイッチング制御を行う。このよう
に、Ａコイルに交互に流れる整流電流が反転する側の通
電角度範囲を非反転側に対して狭めるようにスイッチン
グ制御して、永久磁石ロータ５の回転数が電源周波数の
本来の電流方向（非反転側の電流方向）に収斂するよう
に起動運転する。そして、永久磁石ロータ５の回転数が
増加するにしたがって、該永久磁石ロータ５の回転角度
にタイミングを合わせて第３、第４トランジスタ１８、
１９をＯＮ／ＯＦＦさせることにより同期回転数付近ま
で立ち上げる。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２９】上記２極同期モータを用いれば、マイクロ
コンピュータ２２は、交流電源１５より整流ブリッジ回
路２０を経て電機子コイル９に交互に流れる整流電流の
通電方向及び通電範囲をスイッチング制御して非反転側
に対して反転側の通電角度範囲を狭めて起動運転し、光
センサ１２により検出された永久磁石ロータ５の回転数
が、電源周波数検出部２５により検出される電源周波数
に対して同期回転数付近に到達したときに、トライアッ
クＳＷ１、ＳＷ２をＯＮして同期運転回路２１へ切換え
て同期運転に移行するよう制御するので、起動運転から
同期運転への移行が確実かつスムーズに行える。また、
起動運転回路１４にブラシやコミュテータが不要である
ため、起動運転において電流方向を切換える際にスパー
クの発生を防止して信頼性、安全性が高く、任意の電源
周波数に対して同期運転可能な汎用性の高い同期モータ
を提供できる。また、従来のように、起動運転回路に備
えたコミュテータやブラシやスイッチなどの機械部品を
省略できるため、スイッチング手段の構成を簡略化し
て、モータの小型化を促進でき、製造コストも低減でき
る。また、マイクロコンピュータ２２は、同期モータが
脱調した場合に、同期運転から一旦起動運転へ移行した
後、再度同期運転へ移行するようトライアックＳＷ１、
ＳＷ２を繰り返し切換え制御することにより、運転切換
え動作の信頼性、安定性の高い同期モータを提供するこ
とができる。また、起動運転回路１４はＡコイルのみを
用いて直流ブラシレスモータとして起動運転し、同期運
転回路２１はＡコイル及びＢコイルを用いて交流同期モ
ータとして同期運転することにより、消費電力効率が向
上し、同期運転に必要な負荷に見合ったトルクを得られ
る。また、ステータコア８は、主コア８ａに永久磁石ロ
ータ５の回転方向と逆方向に延出する補助コア８ｂが設
けられており、主コア８ａの透磁率は補助コア８ｂより
大きくなるように設計されている場合には、起動時にお
ける永久磁石ロータ５の回転死点を解消して回転方向性
を安定化することが可能である。また、ステータコア８
は、２極３スロット型のモータにおいて、スロットに電
機子コイル９を収納する場合に比べて巻芯エリアを広く
確保して占積率を高められるので、電機子コイル９の巻
数を増やして、モータの出力効率を高めることができ
る。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００４３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００４３】

【発明の効果】本発明の同期モータを用いると、制御手
段は、交流電源より整流ブリッジ回路を経て電機子コイ
ルに交互に流れる整流電流の通電方向及び通電範囲をス
イッチング制御して反転側の通電範囲を非反転側に対し
て狭めて起動運転し、第１の検出手段により検出された
永久磁石ロータの回転数が、第２の検出手段により検出
される電源周波数に対して同期回転数付近に到達したと
き、運転切換えスイッチを起動運転回路から同期運転回
路へ切換えて同期運転に移行するよう制御するので起動
運転から同期運転への移行が確実かつスムーズに行え
る。また、起動運転回路にブラシやコミュテータが不要
であるため、起動運転において電流方向を切換える際に
スパークの発生を防止して信頼性、安全性が高く、任意
の電源周波数に対して同期運転可能な汎用性の高い同期
モータを提供できる。また、従来のように、起動運転回
路に備えたコミュテータやブラシやスイッチなどの機械
部品を省略できるため、スイッチング手段の構成を簡略
化して、モータの小型化を促進でき、製造コストも低減
できる。また、制御手段は、同期モータが脱調した場合
に、同期運転から一旦起動運転へ移行した後、再度同期
運転へ移行するよう運転切換えスイッチを繰り返し切換
え制御することにより、運転切換え動作の信頼性、安定
性の高い同期モータを提供することができる。また、制
御手段は、起動運転より同期運転へ移行する際に、起動
運転回路に整流電流を流すためのスイッチング手段をＯ
ＦＦしてから、運転切換えスイッチを同期運転回路へ切
換えて同期運転に移行するよう制御すると、起動運転回
路のショートを防止して同期運転に移行することができ
る。また、起動運転回路はＡコイルのみを用いて直流ブ
ラシレスモータとして起動運転し、同期運転回路はＡコ
イル及びＢコイルを用いて交流同期モータとして同期運
転することにより、消費電力効率が向上し、同期運転に
必要な負荷に見合ったトルクを得られる。また、ステー
タコアは、主コアに永久磁石ロータの回転方向と逆方向
に延出する補助コアが設けられており、主コアの透磁率
は補助コアより大きくなるように設計されている場合に
は、起動時における永久磁石ロータの回転死点を解消し
て回転方向性を安定化することが可能である。また、ス
テータは、ステータコアに装着され、永久磁石ロータの
回転中心と直交する方向に伸びる巻芯及び該巻芯の両端
にフランジを有するボビンに、電機子コイルが連続して
巻回されている場合には、ステータコアを挿通する出力
軸による無駄な空間が生じないので、巻芯エリアを拡大
して占積率を高め、モータの出力効率を高めることがで
きる。また、同期モータは、電源周波数が５０Ｈｚ、６
０Ｈｚ、１００Ｈｚ等に変化しても細かい機械設計を変
更することなく同一の同期モータを用いることができる
ので、極めて汎用性の高い同期モータを提供することが
できる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ハウジング内に出力軸を中心に回転可能
に設けられた永久磁石ロータと、前記永久磁石ロータの回転数及び磁極位置を検出する第
１の検出手段と、交流電源の周波数を検出する第２の検出手段と、ステータコアの周囲に電機子コイルが巻回されたステー
タと、前記交流電源より供給された交流電流を整流ブリッジ回
路により整流し、前記永久磁石ロータの回転角度に応じ
てスイッチング手段を切り換えて前記電機子コイルへ流
れる整流電流の向きを変えて前記永久磁石ロータを直流
ブラシレスモータとして起動運転する起動運転回路と、前記交流電源と前記電機子コイルとを短絡して、前記永
久磁石ロータを交流同期モータとして同期運転する同期
運転回路と、前記交流電源と前記電機子コイルとの間に設けられ、前
記起動運転回路又は前記同期運転回路へ接続を切り換え
る運転切換えスイッチと、前記起動運転回路の前記電機子コイルに交互に流れる整
流電流が反転する範囲内でスイッチング制御して非反転
側に対して反転側の入力を抑えて起動運転し、前記第１
の検出手段により検出された前記永久磁石ロータの回転
数が前記第２の検出手段により検出される電源周波数に
対して同期回転数付近に到達したときに、前記運転切換
えスイッチを前記同期運転回路に切り換えて同期運転に
移行するよう制御する制御手段とを備えたことを特徴と
する同期モータ。
【請求項２】制御手段は、起動運転において、前記永
久磁石ロータが１回転する間に前記電機子コイルに流れ
る整流電流が反転する範囲内で通電範囲を時分割により
スイッチング制御することを特徴とする請求項１記載の
同期モータ。
【請求項３】前記電機子コイルへの通電方向を規定す
るためのスリットが周方向に形成されたセンサー板と、
該スリットを検出可能な光センサーとを有する第３の検
出手段を備えており、前記制御手段は起動運転において
該光センサーの出力信号により前記電機子コイルへの通
電方向を切り換え制御することを特徴とする請求項１又
は請求項２記載の同期モータ。
【請求項４】前記第３の検出手段は、センサー板に前
記電機子コイルへの通電範囲を規定するスリットが周方
向に形成されており、前記制御手段は起動運転において
該光センサーの出力信号により整流電流が反転する範囲
内で所定回転角度だけ前記電機子コイルへ通電するよう
にスイッチング制御することを特徴とする請求項３記載
の同期モータ。
【請求項５】前記第１の検出手段は、前記電機子コイ
ルへの通電方向及び通電範囲を各々規定するための周縁
部にスリット及び遮光部が磁極間を奇数分割されて交互
に形成されたセンサー板及び該スリット及び遮光部を検
出可能な光センサーを備えており、前記制御手段は起動
運転において該光センサーの出力信号により前記永久磁
石ロータの回転角度及び磁極位置を検出しながら前記電
機子コイルへの通電方向を切り換えると共に整流電流が
反転する範囲内で所定回転角度だけ前記電機子コイルへ
通電するようにスイッチング制御することを特徴とする
請求項１記載の同期モータ。
【請求項６】前記制御手段は、同期モータが脱調した
場合に、同期運転から一旦起動運転に移行した後、再度
同期運転に移行するよう前記運転切換えスイッチを繰り
返し制御することを特徴とする請求項１、２、３、４又
は請求項５記載の同期モータ。
【請求項７】前記制御手段は、起動運転より同期運転
に移行する際に、前記起動運転回路に整流電流を流すた
めのスイッチング手段をＯＦＦしてから、運転切換えス
イッチを切換えて同期運転に移行するよう制御すること
を特徴とする請求項１、２、３、４、５又は請求項６記
載の同期モータ。
【請求項８】前記電機子コイルはＡコイル及びＢコイ
ルに分割されて直列に巻回されており、起動運転回路は
Ａコイルのみを用いて直流ブラシレスモータとして起動
運転し、同期運転回路はＡコイル及びＢコイルを用いて
交流同期モータとして同期運転することを特徴とする請
求項１、２、３、４、５、６又は請求項７記載の同期モ
ータ。
【請求項９】前記ステータコアは、主コアに前記永久
磁石ロータの回転方向と逆方向に延出する補助コアが設
けられており、前記主コアの透磁率は前記補助コアより
大きくなるように設計されていることを特徴とする請求
項１、２、３、４、５、６、７又は請求項８記載の同期
モータ。
【請求項１０】前記ステータは、前記ステータコアに
装着され、前記永久磁石ロータの回転中心と直交する方
向に伸びる巻芯及び該巻芯の両端にフランジを有するボ
ビンに、前記電機子コイルが連続して巻回されているこ
とを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８
又は請求項９記載の同期モータ。