JP2001128417A

JP2001128417A - 電動機

Info

Publication number: JP2001128417A
Application number: JP2000282212A
Authority: JP
Inventors: Makoto Ishii; 誠石井; Yuji Kawaguchi; 裕次川口; Nobuaki Arakawa; 展昭荒川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-09-18
Filing date: 2000-09-18
Publication date: 2001-05-11

Abstract

(57)【要約】【課題】内蔵されるＩＣ化された３相インバータの放
熱を可能とし、電動機の高出力化を実現する【解決手段】電動機の下ケース２９内に、ワンチップ
３相インバータ１５や周辺回路４６、ホール素子センサ
７などが収納されており、ホ一ル素子センサ７の検出口
がある先端部を除いて、この下ケース２９内に収納され
た各部品が図示しないモールド樹脂でもつてモールドさ
れて位置固定されている。ここで、ワンチップ３相イン
バータ１５は、下ケース２９への放熱が充分に行なわれ
るように、配置されており、この下ケース２９がワンチ
ップ３相インバータ１５の放熱手段として機能してい
る。上ケース１７の鍔部の下面ピン４０Ａ，４０Ｂが下
ケース２９の鍔部の開孔４１Ａ，４１Ｂが夫々挿入され
ることにより、上ケース１７と下ケース２９との組合せ
関係が一定に設定されて電動機が組み立てられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ルームエアコンの
フアン駆動用などとして用いて好適な電動機に係り、特
に、可変速制御を可能としたインバータを内蔵したブラ
シレスの電動機に関する。

【０００２】

【従来の技術】１００（Ｖ）の商用交流電圧を整流・平
滑して得られる電圧を直接電源電庄として利用し、電動
機の回転数を制御する高電圧のワンチップ化された３相
インバータ（以下、ワンチップ３相インバータという）
が開発された（たとえば、平成２年３月２２日付日本電
波新聞）。このワンチップ３相インバータは、従来のイ
ンバータに比べ、極端に小形なものであって、電動機へ
の内蔵を可能とした。

【０００３】この３相ワンチップインバータの素子構造
は、図３（ａ）に示すように、ポリシリコンをベースと
し、誘電体分離の手段により、すなわち、ＳｉＯ₂相に
よって高耐圧に各相のエリアを仕切り、各エリアに１相
分の回路を形成したものである。

【０００４】また、図３（ｂ）はこのワンチップ３相イ
ンバータの各素子のレイアウトを示す平面図である。

【０００５】この図から明らかなように、主素子としの
６個のスイッチングトランジスタ２と、各スイッチング
トランジスタ２のコレタタ・エミッタ間に接続されたス
イッチングトランジスタ２をターンオフさせるダイオー
ド１と、各スイッチングトランジスタ２をオン，オフさ
せるためのスイッチング信号を形成するロジック回路６
と、このスイッチング信号で各スイッチングトランジス
タ２をオン，オフ駆動するドライブ回路と、スイッチン
グトランジスタ２に流れる電流を検出し過電流によるＩ
Ｃの破壊を防止するための過電流保護回路５と、内部電
源４とがワンチップでＩＣ化されている。

【０００６】このワンチップ３相インバータのＩＣ素子
の大きさは、縦４．３ｍｍ、横５．８ｍｍである。

【０００７】かかるワンチップ３相インバータにおいて
は、スイッチングトランジスタ２として横型のＩＧＢＴ
（Insulated Gate Bipolar Transistor）を開発、採用
することにより、従来のパワ一ＭＯＳＦＥＴによるもの
に比べて占有面積を大幅に縮小し、ダイオードも横型Ｉ
ＧＢＴと同じプロセスで実現できる新たに開発された高
速ダイオ一ドが採用され、逆回復電流を大幅に低減して
逆回復電流によるスイッチングトランジスタ２のスイッ
チング損失を大幅に低減できるようにしている。また、
電源回路を内蔵することにより、パワー素子であるスイ
ッチングトランジスタ２の駆動のための外部電源が１個
ですむようにし、過電流保護回路５を内蔵することによ
り、負荷短絡などで発生する過大電流によるＩＣの破壊
が防止できるようにしている。さらに、インバータ周波
数を可聴周波数よりも高い２０ｋＨｚとし、モータの騒
音を大幅に低減できるようにしている。

【０００８】図４はかかるワンチップ３相インバータを
用いたブラシレスの電動機の一従来例を示すブロック図
であって、７Ａ，７Ｂ，７Ｃはホール素子センサ、８は
センサ増幅器、９は回転数信号形成回路、１０は速度補
正回路、１１はＰＷＭ（パルス幅変調）信号形成回路、
１２は起動電流制限回路、１３は発振回路、１４はステ
ータ、１５は上記のワンチップ３相インバータ、１６は
外部電源である。

【０００９】同図において、外部電源１６に１００
（Ｖ）の商用交流電圧を投入すると、この外部電源１６
から各回路に直流電源電圧が印加される。これにより、
発振回路１３が起動し、ＰＷＭ信号形成回路１１が所定
周期でＰＷＭ信号を発生する。ロジック回路６はこのＰ
ＷＭ信号から３相のスイッチング信号を形成し、このス
イッチング信号に応じてドライブ回路３が各スイッチン
グトランジスタ２を順番にオン，オフ駆動する。これに
より、ステータ１４に設けられた各コイルに所定方向に
電流が流れ、図示しないロータが回転し始めて電動機が
起動する。

【００１０】この電動機の起動時、起動電流制限回路１
２は、過電流保護回路５の検出結果にもとづいて、各ス
イッチングトランジスタ２に流れる起動電流が過大とな
らないように、ＰＷＭ信号形成回路１ｌを制御してＰＷ
Ｍ信号のデューティ比を調整する。

【００１１】６個のスイッチングトランジスタ２を夫々
Ｑ₁，Ｑ₂，Ｑ₃，Ｑ₄，Ｑ₅，Ｑ₆とし、夫々に接続される
ダイオード１をＤ_l，Ｄ₂，Ｄ₃，Ｄ₄，Ｄ₅，Ｄ₆とする
と、スイッチングトランジスタＱ_l〜Ｑ₃のコレクタは外
部電源１６の＋端子に、スイッチングトランジスタＱ₄
〜Ｑ₆のエミッタは外部電源１６の一端子に夫々接続さ
れている。また、スイッチングトランジスタＱ_lのエミ
ッタとスイッチングトランジスタＱ₄のコレクタとがス
テータ１４に設けられた第１のコイルに接続され、以
下、スイツチングトランジスタＱ₂のエミッタとスイッ
チングトランジスタＱ₅のコレクタが第２のコイルに、
スイッチングトランジスタＱ₃のエミッタとスイッチン
グトランジスタＱ₆のコレクタが第３のコイルに夫々接
続されている。

【００１２】ドライブ回路３は、電気角で１２０゜ずつ
順番にスイッチングトランジスタＱ_l，Ｑ₂，Ｑ₃をオン
し、また、同じく電気角で１２０゜ずつＰＷＭ信号でチ
ョッピングして順番にスイッチンオトランジスタＱ₄，
Ｑ₅，Ｑ₆をオンする。このスイッチングトランジスタＱ
_l〜Ｑ₆の駆動タイミングを図５にＱ_l〜Ｑ₆として示す。

【００１３】同図において、スイッチングトランジスタ
Ｑ₄はスイッチングトランジスタＱ₂のオン期間の後半か
らスイッチングトランジスタＱ₃のオン期間の前半まで
の期間ＰＷＭ信号と同じ周期、デューティ比でオン，オ
フし、スイッチングトランジスタＱ₅はスイッチングト
ランジスタＱ₃のオン期間の後半からスイッチングトラ
ンジスタＱ_lのオン期間の前半までの期間同じくオン，
オフし、スイッチングトランジスタＱ₆はスイッチング
トランジスタＱ_lのオン期間の後半からスイッチングト
ランジスタＱ₂のオン期間の前半までの期間同じくオ
ン，オフする。

【００１４】上記のようにして電動機が起動すると、ホ
ール素子センサ７Ａ，７Ｂ，７Ｃがロータの回転を検出
し、図６で７Ａ，７Ｂ，７Ｃとして示すように、ロータ
の回転を電気角３６０゜として、電気角で１２０゜ずつ
位相が異なり、かつ電気角で１８０゜の幅のロータ位置
信号を発生する。これらロータ位置信号は所定ゲインに
調整されたセンサ増幅器８で増幅、波形整形などの処理
がなされ、ワンチップ３相インバータ１５のロジック回
路６に供給されるとともに、これらロータ位置信号の１
つ、たとえばホール素子センサ７Ａで発生したロータ位
置信号が回転数信号形成回路９に供給され、その周波数
もしくは周期により、ロータの回転数を表わす回転数信
号が形成される。この回転数信号は速度補正回路１０に
供給され、外部からの速度指令による回転数と比較され
てこれらの差に応じた速度補正信号が形成される。この
速度補正信号により、ＰＷＭ信号形成回路１１から出力
されるＰＷＭ信号のデューティ比が制御される。

【００１５】ロジック回路６は、センサ増幅器８から供
給される３相のロータ位置信号から、電気角１２０゜で
同じく１２０゜ずつ位相がずれたスイッチングトランジ
スタＱ_l〜Ｑ₃を順次オン，オフするための転流信号（ス
イッチング信号）と、この転流電流に対して図５で説明
したタイミング関係のＰＷＭ信号形成回路１１からのＰ
ＷＭ信号と同一周期、同一デューティのスイッチング信
号とを形成し、ドライブ回路３に送る。

【００１６】これにより、速度補正回路１０からの速度
補正信号で補正されたＰＷＭ信号のデューティ比に応じ
てステータに設けられた各コイルの通電時間が制御さ
れ、ロータの回転数が外部からの速度指令による回転数
に一致するように制御される。ロ一タの回転数が変化す
ると、ホール素子センサ７Ａ，７Ｂ，７Ｃの周期もこれ
に応じて変化するから、スイッチングトランジスタ
Ｑ_l，Ｑ₂，Ｑ₃は夫々ロータが１／３回転期間ずつオン
する。

【００１７】このようにして、ロータの回転数はＰＷＭ
信号のデューティ比によって決まり、このデューティ比
を変化させることにより、電動機の回転数を変化させる
ことができる。

【００１８】図６は図４に示した回路構成をとり、ワン
チップ３相インバータを内部に実装した従来の電動機の
一例を示す分解斜視図であって、１７は上ケース、１８
はステータコア、１９はコイル、２０は開孔、２１Ａ，
２１Ｂ，２１Ｃは支持具、２２はシャフト、２３Ａ，２
３Ｂは軸受、２４はロータ、２５はプリント配線基板、
２６は周辺回路、２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃはネジ、２８
はリード線、２９は下ケース、３０Ａ，３０Ｂ，３０
Ｃ，３０Ｄは開孔、３１は引出し口、３２は開孔、３３
はネジ、３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃはネジ孔である。

【００１９】同図において、上ケース１７の内部に、内
面に設けられたスロットによって巻回されたコイル１９
を有する円筒状のステータコア１８が嵌め込まれる。こ
の上ケース１７の上面中心には開孔２０が設けられ、ま
た、その外周面の下端からは鍔部が形成されており、こ
の鍔部に等間隔に４つのネジ孔３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ
（残りの１つは図示せず）が設けられている。さらに、
ステータコア１８の下面外周部には、下方に突出する棒
状の支持具２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃが等間隔に固定され
ている。

【００２０】ロータ２４は外周面が約２ｍｍの厚さのフ
ェライト系磁性体で被覆されており、その中心を貫通す
るシャフト２２が一体化されている。このシャフト２２
のロータ２４より上の部分に軸受２３Ａが固定され、ま
た、このシャフト２２の下端部にも軸受２３Ｂが固定さ
れている。ロータ２４と軸受２３Ｂとの間には、シャフ
ト２２が貫通したプリント配線基板２５が配置される。

【００２１】下ケース２９は、その底面中央に開孔３２
が、側面に貫通した引出し口３１が夫々設けられ、ま
た、上端部には外方に突出した鍔部が設けられ、この鍔
部に等間隔に開孔３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄが設
けられている。

【００２２】プリント配線基板２５の上面には、図４に
示した回路構成に対する回路導体パターンが形成され、
ホール素子センサ７Ａ，７Ｂ，７Ｃ、ワンチップ３相イ
ンバータ１５や、センサ増幅器８、回転数信号形成回路
９などの周辺回路２６が搭載されており、この回路導体
パターンの端子がプリント配線基板２５の下面に導かれ
てこれにリード線２８が接続されている。

【００２３】ロータ２４はシャフト２２とともにステー
タコア１８の内部に挿入され、軸受２３Ａが上ケース１
７の内部上面に固定される。このロータ２４の取りつけ
により、シャフト２２の上部が上ケ一ス１７の開孔２０
を通つて外部に突き出る。プリント配線基板２５は、ネ
ジ２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃにより、ステータコア１８の
下面から突出した支持具２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃに固定
される。下ケ一ス２９は、プリント配線基板２５やステ
ータコア１８などを密蔽するように、上ケース１７に取
りつけられる。この取りつけは、上ケース１７の鍔部の
ネジ孔３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，３４Ｄ（図示せず）に
下ケース２９の鍔部の開孔３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３
０Ｄを一致させ、これら開孔３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，
３０Ｄを通してネジ３３をネジ孔３４Ａ，３４Ｂ，３４
Ｃ，３４Ｄに締めつけることによってなされる。この場
合、シャフト２２の下端の軸受２３Ｂは下ケース２９の
開孔３２内に固定され、また、リード線２８は下ケース
２９の内部から引出し口３１を介して外部に導出され
る。

【００２４】なお、図７はかかる電動機をフアンモータ
として用いたルームエアコンの一部展開図を示すもので
ある。このルームエアコンは室内に配置される屋内ユニ
ット３５と、屋外に配置される屋外ユニット３６と、こ
れら間のパイプ３７とからなり、屋内ユニット３５にタ
ンゼンシャルフローフアン３８Ａが、屋外ユニット３６
にプロペラフアン３８Ｂが夫々設けられている。これら
フアン３８Ａ，３８Ｂの駆動用電動機３９Ａ，３９Ｂと
して、上記の電動機を用いることができる。通常、電動
機の３相インバータは電動機本体と同程度の大きさであ
るが、上記の電動機では、ワンチップ化された３相イン
バータが内蔵されるものであるから、その分屋内ユニッ
ト３６の制御部が小型化できるので、屋外ユニット３６
も小型化できる。このことは、屋内ユニット３５につい
ても同様である。

【００２５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ワンチップ
３相インバータ内のスイッチングトランジスタなどの高
電力素子は発熱体であるため、ワンチップ３相インバー
タが高音になって特性の劣化、信頼性の低下などの影響
がある。このために、ワンチップ３相インバータに放熱
フアンを設ける必要がある。

【００２６】しかしながら、図６で説明したように、プ
リント配線基板２５上には、ワンチップ３相インバータ
１５やホール素子センサ７Ａ，７Ｂ，７Ｃばかりでな
く、その周辺回路２６も多数搭載されることになり、ワ
ンチップ３相インバータ１５に放熱フアンを取りつける
スペースがなかった。このために、電動機の出力として
も、２０（Ｗ）程度が限界であった。

【００２７】本発明の目的は、かかる問題点を解消し、
内蔵されるＩＣ化された３相インバータの放熱を可能と
し、高出力化を実現した電動機を提供することにある。

【００２８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、ロータの回転を検出するセンサと、該セ
ンサの出力信号が供給される周辺回路と、該周辺回路の
出力信号にも応じて該ロータを回転駆動するワンチップ
３相インバータとをロータ、ステータなどを収納するケ
ースの底面に配置し、該ケースを該ワンチップ３相イン
バータの放熱手段とする。

【００２９】このように、ケースがワンチップ３相イン
バータの放熱手段となるため、該ワンチップ３相インバ
ータの放熱効果が充分に得られることになり、電動機の
高出力化が実現する。

【００３０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
によって説明する。図１は本発明による電動機の一実施
形態を示す分解斜視図であって、図６に対応する部分に
は同一符号をつけている。

【００３１】この実施形態も、その回路構成は図４に示
した従来の電動機と同様であり、図４の一点鎖線で示し
た３相インバータ１５が、先に説明したように、ワンチ
ップＩＣ化されている。以下のこの実施形態の説明で
は、センサ増幅器８、回転数信号形成回路９、速度補正
回路１０、ＰＷＭ信号形成回路１１、起動電流制限回路
１２および発振回路１３をまとめて周辺回路ということ
にする。

【００３２】図１において、ワンチップ３相インバータ
１５や周辺回路、ホール素子センサ７Ａ〜７Ｃは下ケー
ス２９内に収納されている。このために、図６に示した
従来の電動機に用いられるプリント配線基板２５は不要
になる。

【００３３】なお、上ケース１７の鍔部の下面には２つ
のピン４０Ａ，４０Ｂが設けられ、これらに対向して下
ケース２９の鍔部に開孔４１Ａ，４１Ｂが設けられてい
る。電動機の組立てに際しては、ピン４０Ａが開孔４１
Ａに、ピン４０Ｂが開孔４１Ｂに夫々挿入され、これに
より、上ケース１７と下ケース２９との組合せ関係が一
定に設定される。

【００３４】次に、下ケース２９での各回路の取付けの
各具体例を、下ケース２９を分断線Ｘ−Ｘ’に沿う断面
図である図２により説明する。

【００３５】図２（ａ）に示す具体例においては、ワン
チップ３相インバータ１５が、その背面のヒートシンク
部が下ケース２９の内部の底面に密着するようにして、
ネジ４２によってこの底面に固定されている。また、下
ケース２９の内部底面から支持具４３が突出しており、
これにネジ４４によってプリント配線基板４５が取りつ
けられている。このプリント配線基板４５上に３個のホ
ール素子センサ７と周辺回路４６とが搭載されており、
また、このプリント配線基板４５上の回路導体パターン
の所定端子にワンチップ３相インバータ１５のピンが接
続され、他の所定端子にリード線２８が接続されてい
る。そして、ホ一ル素子センサ７の検出口がある先端部
を除いて下ケース２９内に収納された各部品がモールド
樹脂４７でもつてモールドされている。

【００３６】以上のように、この具体例では、下ケース
２９がワンチップ３相インバータ１５の放熱手段となる
ものであるから、放熱が充分に行われ、電動機の出力容
量を大幅に増大化できる。この具体例では、従来の電動
機が２０（Ｗ）の容量であったのに対し、４０（Ｗ）の
容量とすることができた。

【００３７】また、ワンチップ３相インバータなど回路
部品をこれまで空いていた下ケース２９内に配置したこ
とから、スペースが有効に利用され、図６に示したよう
なプリント配線基板２５を設ける必要がなくなってこの
ためのスペースを削減でき、電動機のより小型化が実現
できる。この具体例によると、図６に示した従来の電動
機に比べ、約１０％の小型化が可能となった。

【００３８】さらに、下ケース２９内に収納した各部品
をモールドしているため、ホール素子センサ７の位置が
固定してロータ２４の回転などによる振動に対しても安
定化し、ロータの回転検出が安定して行われて信頼性が
向上する。

【００３９】図２（ｂ）に示す具体例においては、熱伝
導性が良好な絶縁性樹脂４９を介して鋼の回路配線パタ
ーンが設けられた金属基板４８が、下ケ−ス２９の内部
底面に密着するように、ネジ５０によってこの底面に固
定されており、この絶縁性樹脂４９上に形成されている
配線パターン５１の面積が広くなされた部分にワンチッ
プ３相インバータ１５の背面のヒートシンク部がハンダ
５２によって固定されている。また、ホール素子センサ
７や周辺回路４６も配線パターン５１上の所定の位置に
ハンダ付けによって電気的に接続されている。そして、
図２（ａ）に示した具体例と同様に、モールド樹脂４７
でモールドされている。ワンチップ３相インバータ１５
が発生した熱は、ハンダ５２，配線パターン５１，絶縁
性樹脂４９，金属基板４８を介して下ケース２９に伝達
される。

【００４０】図２（ｃ）に示す具体例においては、絶縁
性樹脂４９を下ケース２９の内部底面上に設けたもので
あって、図２（ｂ）における金属基板４８を省いたもの
である。

【００４１】図２（ｄ）に示した実施形態においては、
ワンチップ３相インバータ１５を、図２（ａ）に示した
具体例のように、下ケース２９の内部底面に取りつけ、
さらに、この底面にフレキシブルサーキット基板５３を
設け、これにホール素子センサ７や周辺回路４６を取り
つけたものである。

【００４２】以上の図２（ｂ）〜（ｄ）に示した具体例
においても、図２（ａ）に示した具体例と同様の効果が
得られる。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、（イ）ケースでもってワンチップ３相インバータの放熱
が行われるから、放熱効果が充分に得られ、電動機の出
力容量を大幅に高めることができる。

【００４４】（ロ）ケース内のスペースを有効に利用し
てワンチップ３相インバータや周辺回路、センサを収納
するため、従来用いていたプリント配線基板が不要とな
ってそのためのスペースを削減でき、電動機の小型化を
図ることができる。

【００４５】（ニ）ワンチップ３相インバータや周辺回
路、センサがモールド樹脂でモールドされるため、ロー
タの回転などによる振動に対してセンサの位置ずれがな
く、ロータの回転を安定して検出できるし、各回路の耐
湿性が向上して信頼性の向上、長寿命化が図れる。

【００４６】などの優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による電動機の一実施形態を示す分解斜
視図である。

【図２】図１における下ケース内での各部品の収納側を
示す断面図である。

【図３】ワンチップ３相インバータの内部構成を示す図
である。

【図４】図３に示したワンチップ３相インバータを用い
た従来の電動機の回路系を示すブロック図である。

【図５】図４に示した従来の電動機の動作説明図であ
る。

【図６】図４に示した従来の電動機の分解斜視図であ
る。

【図７】ルームエアコンの構成図である。

【符号の説明】

７，７Ａ，７Ｂ，７Ｃホール素子センサ８センサ増幅器９回転数信号形成回路１０速度補正回路１１ＰＷＭ信号形成回路１２起動電流制限回路１３発振器１４ステータ１７上ケース１８ステータコア１９コイル２２シャフト２４ロータ２８リ一ド線２９下ケース４３支持具４５プリント配線基板４６周辺回路４７モールド樹脂４８金属基板４９絶縁性樹脂５１配線パターン５２ハンダ５３フレキシブルサーキット基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ケース内にロータ，ステータなどが密蔽
され、該ロータの回転を検出するセンサと、該センサの
出力信号が供給される周辺回路と、該周辺回路の出力信
号に応じて回転駆動するワンチップインバータとを備え
た電動機において、該ワンチップインバータ、該センサおよび該周辺回路を
該ケース内の底面に配置し、該ケースを該ワンチップイ
ンバータの放熱手段としたことを特徴とする電動機。