JP2018093708A - モータ及びモータ駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】モータ及びその駆動回路を提供する。
【解決手段】モータ駆動回路は、交流電源の２つの端子間でモータの巻線と接続された制御可能な双方向交流スイッチと、第１及び第２の位置センサとを含む。第１の位置センサ及び第２の位置センサは、ロータの磁極の位置を検出するようにそれぞれ構成される。第１の位置センサ及び第２の位置センサは、ロータの同じ磁極を検出したとき、逆位相の磁極位置信号を出力する。モータの休止位置にて、第１の位置センサ及び第２の位置センサは、ロータの反対の磁極の中心を横切る接続線に対して進角でそれぞれ配置されて、モータの始動トルクを大きくする。
【選択図】図１

Description

[0001] 本開示は、モータ制御の分野に、特にモータ及びモータ駆動回路に関する。

[0002] 同期モータの始動プロセスでは、ステータの電磁石は、交番磁界を発生させ、永久磁石式ロータを引きずって振動させる。ロータが十分な運動エネルギを得れば、ロータの振動振幅は増加し続け、最終的にロータの回転は、急速に加速してステータの交番磁界と同期する。実際には、モータの始動段階でモータが休止位置から始動するとき、交流電源は、ホールセンサの出力に基づき、ステータ巻線を流通する電流を変更する。ステータ巻線を流れる電流は、ステータ巻線の物理的性質により、突然に変化せずゆっくり増加するので、入力電力Ｐ_input（Ｐ_input＝Ｖ_BemfｘＩ_motor、式中Ｖ_Bemfは逆起電力であり、Ｉ_motorはステータ巻線の電流である）もゆっくり増加する。入力電力Ｐ_inputが、モータのシャフトとシャフトスリーブとの間の始動摩擦、及びポンプ又はファンのようなモータ負荷の慣性を克服するほど十分に大きくなければ、モータは、給電されても静止したままであり、正常に始動することができない。

[0003] 上記のことを考慮して、大きな始動トルクをもたらし、しかもモータの前進（時計方向）及び逆進（反時計方向）の回転を制御するモータ駆動回路、及びモータ駆動回路を含むモータを提供する必要がある。

[0004] 本開示の実施形態によるモータ駆動回路が提供され、モータ駆動回路は、モータのロータを駆動してモータのステータに対して回転させるものであり、
交流電源の２つの端子間でモータの巻線と接続された制御可能な双方向交流スイッチと、
ロータの磁極の位置を検出して、ロータの同じ磁極を検出したとき逆位相の磁極位置信号を出力するようにそれぞれ構成された、第１の位置センサ及び第２の位置センサとを含み、
モータの休止位置にて、第１の位置センサ及び第２の位置センサは、ロータの反対の磁極の中心を横切る接続線に対して進角でそれぞれ配置される。

[0005] 本開示の実施形態によるモータが提供され、ステータと、ロータと、上述したモータ駆動回路とを含む。

[0006] 本開示の実施形態では、位置センサは、ロータの円周方向に沿って進角で配置される。このように、モータの始動段階では、位置センサがロータの現在の磁極を感知するのに要する時間が延び、電流は、初期の段階でステータ巻線にシンクし及び／又は電流は、より長い時間の間ステータ巻線にシンクする。従って、モータの入力電力が増加してモータに大きな始動トルクを発生させ、回転軸の摩擦及び負荷の慣性を克服して滑らかに始動させ、モータの効率を大幅に上昇させる。

本開示の第１の実施形態によるモータの回路の概略図である。 図１のロータに対する第１のホールセンサ及び第２のホールセンサの位置の実施の概略図である。 図１のロータに対する第１のホールセンサ及び第２のホールセンサの位置の別の実施の概略図である。 ホールセンサの動作原理を示す線図である。 回転方向制御回路の実施の回路図である。 本開示の第２の実施形態によるモータの回路の概要図である。 本開示の第３の実施形態によるモータの回路の概要図である。 本開示の第４の実施形態によるモータの回路の概要図である。 本開示の第５の実施形態によるモータの回路の概要図である。 従来技術によるモータの入力電力と本開示の実施によるモータの入力電力との比較図である。 従来技術によるモータの入力電力と本開示の実施によるモータの入力電力との比較図である。

[0018] 以後、上記図面と併せて具体的な実施が本開示をさらに例示する。

[0019] 本開示の実施形態における技術的解決法が、本開示の実施形態において添付図面と併せて、以後明確かつ完全に説明される。説明した実施形態は、発明の実施形態の全てではなく、ほんの一部に過ぎないことは明らかである。本開示の実施形態に基づき、当業者によって創造的作業なしに得られる他の全ての実施形態は、本開示の保護範囲内に属する。図面は、単に参考及び説明のためであり、発明を限定しないことを理解されたい。図面で表した接続部は、単に説明の明確性のためであり、接続様式を限定しない。

[0020] ある構成部品が別の構成部品に「固定された」と記載するとき、それは、別の構成部品に直接固定することができ、又は中間の構成部品が存在できることにも注意されたい。本明細書で用いる全ての技術用語及び科学用語は、別段の定めがない限り、本発明が属する当業者によって通常理解されるのと同じ意味を有する。本開示で用いる用語は、単に具体的な実施形態を説明するためであり、発明を限定しない。

[0021] 図１を参照すると、それは、本開示の第１の実施形態によるモータ１０の駆動回路の概念図である。モータ１０は、二方向に、即ち前進（時計回り）又は逆進（反時計回り）方向に回転することができる。モータは、ステータと、ステータに対して回転可能なロータ１１とを含む。ステータは、ステータコアと、その上に巻き付けたステータ巻線とを含む。ステータコアは、純鉄、鋳鉄、鋳鋼、電炉鋼、ケイ素鋼及びフェライトのような軟磁性材料で作ることができる。ロータ１１は永久磁石式モータであり、ステータ巻線１６が交流電源２４に接続されると、ロータ１１は、モータの定常状態動作中に一定の回転速度６０ｆ／ｐ毎分回転数で動作し、ここでｆは交流電源の周波数であり、ｐはロータの極対の数である。実施形態では、ステータコアは、２つの互いに反対の磁極（図示しない）を含む。各磁極は磁極弧を有する。ロータの外面は磁極弧の向かい側にあり、ロータの外面と磁極弧との間に実質的に一定の空隙が形成される。本開示では、実質的に一定の空隙は、ステータとロータとの間の大部分の空間に一定の空隙が形成され、ステータとロータとの間の空間の一部のみに不均一な間隙が形成されることを意味する。ステータの磁極の磁極弧に凹状の始動溝が配置され、磁極弧のうち始動溝を除く他の部分は、ロータ１１と同心であることが好ましい。上述した構成を用いて不均一な磁界を形成することができ、それによりロータ１１は、モータ１０がモータ駆動回路１９の制御のもとで給電されるごとに、始動トルクを有することが可能になる。実施形態では、ステータ及びロータ１１は、各々２つの磁極を含む。多くの実施形態では、ステータの磁極の数は、ロータの磁極の数と等しい必要はなく、ステータ及びロータは、４磁極又は６磁極のようなより多くの磁極を含み得ることを理解されたい。

[0022] モータ１０のステータ巻線１６及びモータ駆動回路１９は、交流電源２４の２つの端子間に直列に接続される。モータ駆動回路１９は、モータの正転及び逆転を制御することができる。交流電源２４は、２２０Ｖ、２３０Ｖの商用交流電源、又はインバータから出力された交流電源とすることができる。

[0023] モータ駆動回路１９は、第１の検出回路、第２の検出回路、整流器、制御可能な双方向交流スイッチ２６、切換制御回路３０及び回転方向制御回路５０を含む。制御可能な双方向交流スイッチ２６は、第１のノードＡと第２のノードＢとの間に接続され、ステータ巻線１６及び交流電源２４は、第１のノードＡと第２のノードＢとの間に直列に接続される。整流器の第１の入力端子Ｉ１が、抵抗器Ｒ０を通って第１のノードＡに接続され、整流器の第２の入力端子Ｉ２が、第２のノードＢに接続される。整流器は、交流電源を直流に変換して、直流を第１の検出回路及び第２の検出回路に供給するように形成される。

[0024] 他の実施では、ステータ巻線１６及び制御可能な双方向交流スイッチ２６は、第１のノードＡと第２のノードＢとの間に直列に接続され、外部交流電源２４は、第１のノードＡと第２のノードＢとの間に接続される。

[0025] 第１の検出回路及び第２の検出回路は、ロータの磁極の磁界強度を検出することによってモータのロータ１１の磁極の位置をそれぞれ検出し、それらの出力端子から５Ｖ及び０Ｖのような対応する磁極位置信号を出力する。第１の検出回路及び第２の検出回路は、線形ホールセンサ又はスイッチ型ホールセンサのようなホールセンサであることが好ましく、それらは、実施では、第１のホールセンサ２２及び第２のホールセンサ２３としてそれぞれ表示される。他の実施では、第１の検出回路及び第２の検出回路は、光電子エンコーダとし得ることを理解されたい。第１のホールセンサ２２及び第２のホールセンサ２３は、各々、電源端子ＶＣＣ、アース端子ＧＮＤ、及び出力端子Ｈ１を含む。この実施形態では、第１のホールセンサ２２及び第２のホールセンサ２３は、同じ極性のロータの磁極を感知したとき、逆位相の磁極位置信号を出力する。

[0026] 第１のホールセンサ２２及び第２のホールセンサ２３は、構造が同じであり、各々は、ハウジングを含む集積回路である。ハウジングは前壁及び後壁を含み、ハウジング内に半導体シート即ちホール板（例えばホール板２２０）、及び信号増幅器２２２が収容される（図４参照）。具体的には、第１のホールセンサ２２及び第２のホールセンサ２３がモータ１０に配置されると、第１のホールセンサ２２の前壁はロータ１１に面し、第２のホールセンサ２３の後壁はロータ１１に面する。モータの休止位置にて、第１のホールセンサ２２は、進角を形成するためにロータ１１の磁極軸線Ｒに対して反時計方向のオフセットで配置され、第２のホールセンサ２３は、進角を形成するためにロータ１１の磁極軸線Ｒに対して時計方向のオフセットで配置される。実施では、２つの進角は、互いに等しく両方ともαとして表される。ロータ１１の半径方向にある２つの反対の磁極（即ち、本実施形態では２つの磁石）の中心を半径方向に横切る仮想接続線が、ロータの磁極軸線Ｒとして表わされる。図２に示す実施形態では、第１のホールセンサ２２及び第２のホールセンサ２３は、ロータ１１のＮ極のような同じ磁極に近接して配置される。図３に示す他の実施形態では、第１のホールセンサ２２及び第２のホールセンサ２３は、ロータ１１の異なる磁極に近接して配置され、例えば、第１のホールセンサ２２は、ロータのＮ極に近接して配置され、第２のホールセンサ２３は、ロータ１１のＳ極に近接して配置される。当業者であれば、ロータ１１は多数対の磁極を含むことができ、Ｎをロータの磁極対の数とするとき、進角の電気角は９０度／Ｎよりも小さいことを理解されたい。実施では、進角αの範囲は、０度よりも大きくかつ９０度未満である。進角αは、０度以上でかつ４５度以下であることが好ましい。進角は、１５度、２０度、２５度、３０度、３５度又は４０度であることがより好ましい。第１のホールセンサ２２及び第２のホールセンサ２３をモータにロータの所定の休止位置で配置するとき、第１のホールセンサ２２及び第２のホールセンサ２３は、ロータの磁界のゼロ交差領域、即ちロータの磁界が最弱である領域から離れて配置されて、ロータを滑らかに始動させる。

[0027] 回転方向制御回路５０は、第１のホールセンサ２２及び第２のホールセンサ２３に接続され、モータの回転方向設定信号に基づき、第１のホールセンサ２２からの磁極位置信号又は第２のホールセンサ２３からの磁極位置信号を、切換制御回路３０へ選択的に出力するように構成される。切換制御回路３０は、受け取った磁極位置信号及び交流電源の極性情報に基づき制御可能な双方向交流スイッチ２６を制御して、オン状態とオフ状態との間で所定の様式で切り換えて、モータの正転又は逆転を制御する。

[0028] 整流器は４つのダイオードＤ２からＤ５を含む。ダイオードＤ２の陰極はダイオードＤ３の陽極に接続され、ダイオードＤ３の陰極はダイオードＤ４の陰極に接続され、ダイオードＤ４の陽極はダイオードＤ５の陰極に接続され、ダイオードＤ５の陽極はダイオードＤ２の陽極に接続される。ダイオードＤ２の陰極は、整流器の第１の入力端子Ｉ１として役立ち、抵抗器Ｒ０を通って第１のノードＡに接続される。抵抗器Ｒ０は、電圧低下器として作用することができる。ダイオードＤ４の陽極は、整流器の第２の入力端子Ｉ２として役立ち、第２のノードＢに接続される。ダイオードＤ３の陰極は、整流器の第１の出力端子Ｏ１として役立ち、第１のホールセンサ２２及び第２のホールセンサ２３の電源端子ＶＣＣに接続される。第１の出力端子Ｄ１は、高い直流動作電圧を出力する。ダイオードＤ５の陽極は、整流器の第２の出力端子Ｏ２として役立ち、第１のホールセンサ２２及び第２のホールセンサ２３のアース端子ＧＮＤに接続される。第２出力端子Ｏ２は、第１の出力端子Ｏ１の電圧よりも低い低電圧を出力する。整流器の第１の出力端子Ｏ１と第２の出力端子Ｏ２との間にツェナーダイオードＺ１が接続される。ツェナーダイオードＺ１の陽極は、第２の出力端子Ｏ２に接続され、ツェナーダイオードＺ１の陰極は、第１の出力端子Ｏ１に接続される。

[0029] この実施形態では、第１のホールセンサ２２及び第２のホールセンサ２３の出力端子Ｈ１は、回転方向制御回路５０に接続される。第１のホールセンサ２２が正常に給電されるとき、すなわち、電源端子ＶＣＣが高い電圧を受け取り、アース端子ＧＮＤが低い電圧を受け取るとき、第１のホールセンサ２２の出力端子Ｈ１は、検出磁界がＮ極であれば論理ハイレベルで磁極位置信号を出力し、第１のホールセンサ２２の出力端子Ｈ１は、検出磁界がＳ極であれば論理ローレベルで磁極位置信号を出力する。第２のホールセンサ２３が正常に給電されるとき、すなわち、電源端子ＶＣＣが高い電圧を受け取り、アース端子ＧＮＤが低い電圧を受け取るとき、第２のホールセンサ２３の出力端子Ｈ１は、ロータの検出磁界がＮ極であれば論理ローレベルで磁極位置信号を出力し、第２のホールセンサ２３の出力端子Ｈ１は、検出磁界がＳ極であれば論理ハイレベルで磁極位置信号を出力する。

[0030] 第１のホールセンサ２２及び第２のホールセンサ２３は、同じ極性の磁極を検出したとき、逆位相の磁極位置信号を出力するが、その原理を以後説明する。図４を参照して、ホール板２２０は前壁Ｘ及び後壁Ｙを含む。ホール板２２０がホールセンサのハウジングにパッケージ化されるとき、前壁Ｘは、ホールセンサのハウジングの前壁に対応し、後壁Ｙは、ホールセンサのハウジングの後壁に対応する。ホール板２２０は、２つの励磁電流端子Ｍ及びＮ（図１の電源端子ＶＣＣ及びアース端子ＧＮＤにそれぞれ対応する）と、２つのホール起電力出力端子Ｃ及びＤとをさらに含む。信号増幅器２２２の２つの入力端子は、それぞれ２つのホール起電力出力端子Ｃ及びＤに接続される。実施例として、第１及び第２ホールセンサ２２及び２３が両方ともロータのＮ極を感知する場合を説明する。第１のホールセンサ２２の前壁がロータ１１に面するとき、ロータ１１の磁界がＮ極であることが感知されると、第１のホールセンサ２２のホール板２２０は、磁気誘導強度Ｂの磁界にある。図４に示すように、磁界の方向は、上向きでかつホール板２２０と垂直であり、磁界の方向は、ホール板２２０の前壁Ｘから後壁Ｙに向いている。電流がホール板２２０を通って励磁電流端子Ｍから励磁電流端子Ｎに流れるとき、電子がローレンツ力のもとでそれて、ホール起電力出力端子Ｃに蓄積した電子があり、ホール起電力出力端子Ｄには電子が不足している。従って、ホール起電力出力端子Ｃは負に充電される一方、ホール起電力出力端子Ｄは正に充電され、電流及び磁界と垂直な方向に、即ちホール起電力出力端子Ｃとホール起電力出力端子Ｄとの間に、ホール起電力が発生する。信号増幅器２２２は、ホール起電力を増幅し、デジタル信号の形の磁極位置信号を発生する。この場合、第１のホールセンサの出力端子Ｈ１から出力された磁極位置信号は、論理ハイレベル「１」である。

[0031] 第２のホールセンサ２３の後壁がロータ１１に面するとき、ロータの磁極がＮ極であることが感知されると、第２のホールセンサ２３のホール板２２０は、磁気誘導強度Ｂの磁界にある。磁界の方向は、下向きでかつホール板２２０と垂直である。第２のホールセンサ２３が第１のホールセンサ２２に対して反転しているので、磁界の方向は、第２のホールセンサ２３から見たとき、ホール板２２０の後壁Ｙから前壁Ｘに向いており、磁界がホール板２２０を横切る方向は、図４の方向と反対である。電流が、ホール板２２０を通って励磁電流端子Ｍから励磁電流端子Ｎに流れるとき、ホール起電力出力端子Ｄには電子が蓄積しており、従ってホール起電力出力端子Ｃには電子が不足している。従って、ホール起電力出力端子Ｄは負に充電される一方、ホール起電力出力端子Ｃは正に充電され、電流及び磁界と垂直な方向に、即ちホール起電力出力端子Ｃとホール起電力出力端子Ｄとの間にホール起電力が発生する。信号増幅器２２２は、ホール起電力を増幅し、デジタル信号の形の磁極位置信号を発生する。この場合、第２のホールセンサの出力端子Ｈ１から出力された磁極位置信号は、論理ローレベル「０」である。

[0032] 第１のホールセンサ２２及び第２のホールセンサ２３がロータのＳ極を感知すると、第１のホールセンサ２２の出力端子Ｈ１は論理ローレベルを出力し、第２のホールセンサ２３の出力端子Ｈ１は論理ハイレベルを出力し、その原理は上記原理に似ているので、詳しく説明しない。

[0033] 要約すると、第１のホールセンサ２２は、前壁をロータに面してモータに設置され、第２のホールセンサ２３は、後壁をロータに面してモータに設置され、第２のホールセンサ２３のホール板がロータに面する方向は、ホールセンサ２２のホール板がロータ１１に面する方向に対して１８０度回転している。第１のホールセンサ２２及び第２のホールセンサ２３は、同極性の磁極を感知すると、逆位相の磁極位置信号を出力する。

[0034] 再び図１を参照して、回転方向制御回路５０は切換ユニットを含み、切換ユニットは、第１から第３の端子５１から５３を含む。第１の端子５１は切換制御回路３０に接続され、第２の端子５２は、第１のホールセンサ２２によって出力される磁極位置信号を受け取り、第３の端子５３は、第２のホールセンサ２３によって出力される磁極位置信号を受け取る。回転方向制御回路５０は、回転方向設定信号ＣＴＲＬに基づき、第１の端子５１を第２の端子５２又は第３の端子５３へ選択的に接続する。

[0035] 切換制御回路３０は第１から第３の端子を含み、第１の端子は、整流器の第１の出力端子Ｏ１に接続され、第２の端子は、回転方向制御回路５０の第１の端子５１に接続され、第３の端子は、制御可能な双方向交流スイッチ２６の制御電極Ｇに接続される。切換制御回路３０は、抵抗器Ｒ２と、ＮＰＮトランジスタＱ１と、回転方向制御回路５０の第１の端子５１と制御可能な双方向交流スイッチ２６との間に直列に接続された、ダイオードＤ１及び抵抗器Ｒ１とを含む。ダイオードＤ１の陰極は、切換制御回路３０の第２の端子として役立ち、回転方向制御回路５０の第１の端子５１に接続される。抵抗器Ｒ２の端子は、整流器２８の第１の出力端子Ｏ１に接続され、抵抗器Ｒ２の他の端子は、ダイオードＤ１の陰極に接続される。ＮＰＮトランジスタＱ１のベースは、ダイオードＤ１の陰極に接続され、ＮＰＮトランジスタＱ１のエミッタは、ダイオードＤ１の陽極に接続され、ＮＰＮトランジスタＱ１のコレクタは、切換制御回路３０の第１の端子として役立ち、整流器の第１の出力端子Ｏ１に接続される。ダイオードＤ１に接続されない抵抗器Ｒ１の端部は、切換制御回路３０の第３の端子として役立つ。

[0036] 制御可能な双方向交流スイッチ２６は、交流用のトリオード（トライアック）であることが好ましく、その第１の陽極Ｔ１は第２のノードＢに接続され、その第２の陽極Ｔ２は第１のノードＡに接続され、その制御電極Ｇは、切換制御回路３０の第３の端子に接続される。制御可能な双方向交流スイッチ２６は電子スイッチを含むことができ、それは、電流が二方向に流れることを可能にし、しかも金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ、シリコン制御整流器、双方向トリオードサイリスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、バイポーラ接合トランジスタ、サイリスタ、及び光カプラの１つ以上によって形成されることを理解されたい。実施例は以下を含み、すなわち、２つの金属酸化膜半導体電界効果トランジスタが制御可能な双方向交流スイッチを形成することができ、２つのシリコン制御整流器が制御可能な双方向交流スイッチを形成することができ、２つの絶縁ゲートバイポーラトランジスタが制御可能な双方向交流スイッチを形成することができ、２つのバイポーラ接合トランジスタが制御可能な双方向交流スイッチを形成することができる。

[0037] 切換制御回路３０は、交流電源が正の半周期にあり、切換制御回路３０の第２の端子が第１のレベルを受け取る場合、又は交流電源が負の半周期にあり、切換制御回路３０の第２の端子が第２のレベルを受け取る場合に、制御可能な双方向交流スイッチ２６をオンし、交流電源が負の半周期にあり、切換制御回路３０の第２の端子が第１のレベルを受け取る場合、又は交流電源が正の半周期にあり、切換制御回路３０第２の端子が第２のレベルを受け取る場合に、制御可能な双方向交流スイッチ２６をオフするように構成される。第１のレベルは論理ハイレベルであり、第２のレベルは論理ローレベルであることが好ましい。

[0038] モータの正転又は逆転を制御するモータ駆動回路１９の動作原理が、以後説明される。

[0039]電磁気理論によれば、単相永久磁石モータでは、モータのロータの回転方向は、ステータ巻線１６の伝導様式を変更することによって変更できる。ホールセンサによって感知されたロータの極性がＮ極であり、ステータ巻線１６を流れる交流電源が正の半周期にあれば、モータは逆転する、例えば時計方向（ＣＣＷ）に回転する。ホールセンサによって感知されたロータの極性が依然としてＮ極であり、ステータ巻線１６を流れる外部交流電源が負の半周期にあれば、モータのロータは正転する、例えば時計方向（ＣＷ）に回転することを理解されたい。本開示の実施形態は、モータの正転及び逆転の制御は、第１のホールセンサ２２及び第２のホールセンサ２３によって感知されたロータの極性に基づき、ステータ巻線１６を流通する電流の方向を調整することによって達成されるとの原理に応じて設計される。この実施形態では、第１のホールセンサ２２及び第２のホールセンサ２３は、ロータの同じ磁極を感知すると逆位相の磁極位置信号を出力し、切換制御回路３０は、磁極位置信号に基づき、ステータ巻線１６を流通する交流電源の極性を制御して、モータの回転方向を制御する。

[0040] 表１は、回転方向設定信号ＣＴＲＬに基づき、モータの時計方向又は反時計方向の回転を制御する関数表である。
表１

[0041] モータの正転を以後の説明のための例に取る。回転方向設定信号ＣＴＲＬが論理ハイレベル「１」にあり、回転方向制御回路５０の第１の端子５１は第３の端子５３に接続され、切換制御回路３０は、第２のホールセンサ２３によって出力される磁極位置信号を受け取ると仮定する。モータが始動するとき、ロータの磁極の位置がＮ極であることを第２のホールセンサ２３が感知すれば、第２のホールセンサ２３は、論理ローレベル「０」の磁極位置信号を出力し、切換制御回路３０のダイオードＤ１の陰極は、ローレベルを受け取り、ＮＰＮトランジスタＱ１はオフする。モータが始動したとき交流電源が負の半周期にあれば、負の半周期にある交流電源は、制御可能な双方向交流スイッチ２６の制御電極Ｇ、抵抗器Ｒ１及びダイオードＤ１を通って接地に流れ、制御可能な双方向交流スイッチ２６はオンし、ロータ１１は時計方向に回転し始める。モータが始動したとき交流電源が正の半周期にあれば、正の半周期にある交流電源はＮＰＮトランジスタＱ１を流通できず、制御可能な双方向交流スイッチ２６の制御電極Ｇを電流が流通せず、制御可能な双方向交流スイッチ２６はオンせず、ロータ１１は回転しない。

[0042] ロータの磁極の位置はＳ極にあることを第２のホールセンサ２３が感知すれば、論理ハイレベル「１」の磁極位置信号を切換制御回路３０に出力し、切換制御回路３０のダイオードＤ１の陰極はハイレベルを受け取り、ＮＰＮトランジスタＱ１はオンする。従って、ダイオードＤ１の陽極はハイレベルにある。モータが始動したとき交流電源が負の半周期にあれば、負の半周期にある交流電源は、制御可能な双方向交流スイッチ２６の制御電極Ｇ及び抵抗器Ｒ１を流通できないので、制御可能な双方向交流スイッチ２６はオンせず、ロータ１１は回転しない。モータが始動したとき交流電源が正の半周期にあれば、正の半周期にある交流電源は、ＮＰＮトランジスタＱ１及び抵抗器Ｒ１を通って制御可能な双方向交流スイッチ２６の制御電極Ｇに流れ、制御可能な双方向交流スイッチ２６はオンし、交流電源の正の半周期はステータ巻線を流通し、ロータ１１は時計方向に回転する。

[0043] モータが逆方向に回転する、すなわち反時計方向に回転するように制御されれば、回転方向設定信号ＣＴＲＬは、論理ローレベル「０」に変化し、回転方向制御回路５０の第１の端子５１は、第２の端子５２に接続され、切換制御回路３０は、第１のホールセンサ２２によって出力された磁極位置信号を受け取る。ロータの磁極の位置はＮ極にあることを第１のホールセンサ２２が感知すれば、第１のホールセンサ２２の出力端子Ｈ１は、論理ハイレベル「１」の磁極位置信号を出力し、ＮＰＮトランジスタＱ１はオンする。従って、ダイオードＤ１の陽極はハイレベルにある。モータが始動したとき交流電源が負の半周期にあれば、負の半周期にある交流電源は、制御可能な双方向交流スイッチ２６の制御電極Ｇ及び抵抗器Ｒ１を流通することができないので、制御可能な双方向交流スイッチ２６はオンせず、ロータ１１は回転しない。モータが始動したとき交流電源が正の半周期にあれば、正の半周期にある交流電源は、ＮＰＮトランジスタＱ１及び抵抗器Ｒ１を通って制御可能な双方向交流スイッチ２６の制御電極Ｇに流れ、制御可能な双方向交流スイッチ２６はオンし、ロータ１１は反時計方向に回転する。

[0044] ロータの磁極の位置はＳ極にあることを第１のホールセンサ２２が感知すれば、第１のホールセンサ２２の出力端子Ｈ１は論理ローレベル「０」の磁極位置信号を出力し、切換制御回路３０内のダイオードＤ１の陰極は、論理ローレベルを受け取り、ＮＰＮトランジスタＱ１はオフする。モータが始動したとき交流電源が負の半周期にあれば、負の半周期にある交流電源は、制御可能な双方向交流スイッチ２６の制御電極Ｇ、抵抗器Ｒ１及びダイオードＤ１を流通して接地され、制御可能な双方向交流スイッチ２６はオンし、交流電源の負の半周期は、ステータ巻線１６を流通し、ロータ１１は、始動して反時計方向に回転する。モータが始動したとき交流電源が正の半周期にあれば、正の半周期にある交流電源は、ＮＰＮトランジスタＱ１を流通することができず、制御可能な双方向交流スイッチ２６の制御電極Ｇを電流が流通せず、制御可能な双方向交流スイッチ２６はオンせず、ロータ１１は回転しない。

[0045] ロータが上述したように回転しない状況は、モータが給電されたとき起こる。モータがうまく始動した後は、制御可能な双方向交流スイッチ２６がオンしなくても、ロータ１１は慣性のもとで回転し続ける。さらに、ロータ１１の回転方向を変更するときは、最初に、モータのロータ１１の回転を停止させて、ロータ１１を所定の休止位置に止めることが必要である。モータのロータ１１を回転から止めるのは簡単である。例えば、交流電源２４とモータのステータ巻線１６との間にスイッチ（図示しない）を追加し、ロータ１１は、スイッチを所定時間オフすることによって回転を止める。モータのロータ１１の回転を止めるための他の実施がある。例えば、図５を参照して、回転方向制御回路５０の切換ユニットは、第４の端子５４をさらに含み、第４の端子５４は無効であり、回転方向制御回路５０の状態は、２つの信号回転方向設定信号ＣＴＲＬ１及びＣＴＲＬ２によって制御される。

[0046] モータの回転方向を変更するプロセスを例示するために実施形態を以下に説明する。ユーザーが回転方向設定信号ＣＴＲＬ１＝０及びＣＴＲＬ２＝０を外部制御装置を介して回転方向制御回路５０に出力することができ、回転方向制御回路５０は第１の端子５１を第２の端子５２に接続し、第１のホールセンサ２２が選択されて切換制御回路３０につながり、モータは反時計方向に回転する。モータの回転中に、モータが制御されて回転方向を変更するのであれば、回転方向制御信号ＣＴＲＬ１＝１及びＣＴＲＬ２＝１を外部制御装置を介して出力することができ、回転方向制御回路５０の第１の端子５１は、第４の端子５４に接続される。第４の端子５４が無効であるので、制御可能な双方向交流スイッチ２６の制御電極Ｇを電流が流通せず、モータは、慣性のもとでしばらくの間回転した後に停止する。しばらくすると、外部制御装置は、回転方向制御信号ＣＴＲＬ１＝１及びＣＴＲＬ２＝０を回転方向制御回路５０に出力し、回転方向制御回路５０の第１の端子５１が第３の端子５３につながり、第２のホールセンサ２３が選択されて切換制御回路３０につながり、モータは時計方向に回転する。

[0047] 表２は、モータの回転方向設定信号、ロータの磁極の位置、及び交流電源の極性に基づき、モータの時計方向又は反時計方向の回転を制御する状況を示す。
表２

[0048] 切換制御回路３０、整流器、及び検出回路は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）のような集積回路に統合され又はパッケージ化されて、回路のコストを下げ、回路の信頼度を上げることを理解されたい。

[0049] 図６は、本開示の第２の実施形態によるモータの回路図である。第２の実施形態と図１に示した第１の実施形態との間の相違は、モータを制御して時計方向に又は反時計方向に回転させるために、２つのモータ駆動集積回路（ＩＣ）を採用したことであり、各集積回路では、切換制御回路３０、整流器及び検出回路は統合される。２つのモータ駆動集積回路は、それぞれ、第１のモータ駆動集積回路１００及び第２のモータ駆動集積回路２００として表示される。第１のモータ駆動集積回路１００及び集積回路２００は、各々ハウジングを含み、ハウジングは前壁及び後壁を含み、第１のモータ駆動集積回路１００の前壁はロータ１１に面し、第２のモータ駆動集積回路２００の後壁はロータ１１に面する。モータの休止位置にて、第１のモータ駆動集積回路１００は、モータ１１の磁性軸線Ｒに対して反時計方向のオフセットで配置されて進角を形成し、第２のモータ駆動集積回路２００は、モータ１１の磁性軸線Ｒに対して時計方向のオフセットで配置されて進角を形成する。実施では、２つの進角は互いに等しく、両方ともαで表される。第１のモータ駆動集積回路１００及び第２のモータ駆動集積回路２００では、ホールセンサの出力端子Ｈ１は、切換制御回路３０の第２の端子に直接接続され、それは図１に示した実施とは異なる。第１のモータ駆動集積回路１００並びに第２のモータ駆動集積回路２００内の切換制御回路、整流器、及び検出回路の構造及び動作の原理は、第１の実施形態中の構造及び動作の原理と同じであり、本明細書では詳しく説明しない。回転方向制御回路５０は、モータ駆動集積回路に統合されず、モータの回転方向設定信号に基づき、第１のモータ駆動集積回路１００又は第２のモータ駆動集積回路２００から出力された制御信号を制御可能な双方向交流スイッチ２６に選択的に出力して、制御可能な双方向交流スイッチ２６のオン又はオフを制御して、モータを所定方向又は所定方向と反対方向に回転させるように構成される。実施では、所定方向は反時計方向であり、所定方向と反対方向は時計方向である。

[0050] 図６に示した実施では、回転方向制御回路５０の第１の端子５１は、制御可能な双方向交流スイッチ２６の制御電極Ｇに接続され、回転方向制御回路５０の第２の端子５２は、第１のモータ駆動集積回路１００の切換制御回路３０の第２の端子に接続され、回転方向制御回路５０の第３の端子５３は、第２のモータ駆動集積回路２００の切換制御回路３０の第２の端子に接続される。第１のモータ駆動集積回路１００及び第２のモータ駆動集積回路２００の整流器の第１の入力端子Ｉ１は、抵抗器Ｒ０を介して第１のノードＡに接続され、第１のモータ駆動集積回路１００及び第２のモータ駆動集積回路２００の整流器の第２の入力端子Ｉ２は、第２のノードＢに接続される。制御可能な双方向交流スイッチ２６の第１の陽極Ｔ１は第２のノードＢに接続され、第２の陽極Ｔ２は第１のノードＡに接続され、交流電源２４及びステータ巻線１６は、第１のノードＡと第２のノードＢとの間に直列に接続される。回転方向制御回路５０によって受け取った回転方向制御信号ＣＴＲＬが論理ローレベルである場合、第１の端子５１は第２の端子５２に接続され、モータは反時計方向に回転する。回転方向制御回路５０によって受け取った回転方向制御信号ＣＴＲＬが論理ハイレベルである場合、回転方向制御回路５０の第１の端子５１は第３の端子５３に接続され、モータは時計方向に回転する。

[0051] 図７は、本開示の第３の実施形態によるモータの回路図である。実施形態は、図６に示した実施形態から、ステータ巻線１６及び制御可能な双方向交流スイッチ２６が第１のノードＡと第２のノードＢとの間に直列に接続され、交流電源２４が第１のノードＡと第２のノードＢとの間に接続される点で異なる。

[0052] 図８は、本開示の第４の実施形態によるモータ駆動回路の回路図である。実施形態は、図６に示した実施形態から、回転方向制御回路５０の位置を変更した点で異なる。実施形態では、回転方向制御回路５０の第１の端子５１は、抵抗器Ｒ０を介して第１のノードＡに接続され、第２の端子５２は、第１のモータ駆動集積回路１００の整流器の第１の入力端子Ｉ１に接続され、第３の端子５３は、第２のモータ駆動集積回路２００の整流器の第１の入力端子Ｉ１に接続される。回転方向制御回路５０は、回転方向設定信号ＣＴＲＬに基づき交流電源２４を選択的に制御して、電力を第１のモータ駆動集積回路１００又は第２のモータ駆動集積回路２００に供給して、第１のモータ駆動集積回路１００又は第２のモータ駆動集積回路２００から出力された制御信号を制御可能な双方向交流スイッチ２６に出力して、制御可能な双方向交流スイッチ２６のオン又はオフ状態を制御し、それによりモータを制御して正転又は逆転させる。

[0053] 図９は、本開示の第５の実施形態によるモータ駆動回路の回路図である。この実施形態と図８に示した実施形態との間の相違は、この実施形態では、ステータ巻線１６及び制御可能な双方向交流スイッチ２６が、第１のノードＡと第２のノードＢとの間に直列に接続され、外部交流電源２４が、第１のノードＡと第２のノードＢとの間に接続されることである。

[0054] 上記実施では、回転方向制御回路５０の切換ユニットは、機械スイッチ又は電子スイッチにすることができ、機械スイッチは、リレー、単極双投スイッチ、及び単極単投スイッチを含み、電子スイッチは、ソリッドステートリレー、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ、シリコン制御整流器、双方向トリオードサイリスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、バイポーラ接合トランジスタ、サイリスタ、及び光カプラを含む。

[0055] 当業者であれば、図６から図９に示した実施では、回転方向制御回路５０の切換ユニットは、図５に示した切換ユニットと取り換え得ることを理解されたい。モータ回転方向を変えるとき、モータは、まず回転方向制御回路５０を介して回転を止めるように制御される。モータを制御して回転を止めるために他の様式が採用できることを理解されたい。例えば、交流電源２４とステータ巻線１６との間に制御スイッチ（図示しない）が追加され、制御スイッチを所定時間の間オフすることによってモータのロータを制御して、回転を止め、所定の休止位置で停止させる。

[0056] 本開示の実施形態によるモータ駆動回路は、ロータ１１の磁極の位置を、２つの検出回路又は２つのモータ駆動集積回路によって検出する。２つの検出回路又は２つのモータ駆動集積回路は、ロータの同じ磁極を検出したとき、逆位相の磁極位置信号を出力する。回転方向制御回路５０は、モータの回転方向設定信号に基づき、対応する検出回路又は対応するモータ駆動集積回路によって出力された磁極位置信号又は制御信号を選択して、制御可能な双方向交流スイッチの状態を制御し、次いで、モータのステータ巻線を流通する電流の方向を制御して、モータの正転又は逆転を制御する。モータの回転方向は、回転方向制御回路５０の接続端子を切り換えるだけで変更できる。モータ駆動回路は、構造が単純でかつ普遍性が大きい。

[0057] 上記実施形態では、モータの休止位置にて、第１のホールセンサ２２又は第１のモータ駆動集積回路１００は、ロータ１１の極性軸線Ｒに対して反時計方向のオフセットで配置されて進角を形成し、第２のホールセンサ２３又は第２のモータ駆動集積回路２００は、ロータ１１の極性軸線Ｒに対して時計方向のオフセットで配置されて進角を形成する。進角の配置により、モータは、始動時に大きな始動トルクを持つことになる。

[0058] 以下に、モータの逆転を一例に挙げて、大きな始動トルクをもたらす原理を例示する。モータが始動するとき、回転方向制御回路５０は、第１のホールセンサ２２又は第１のモータ駆動集積回路１００をモータに接続し、モータが給電される。ロータの磁界がＮ極であることを第１のホールセンサ２２又は第１のモータ駆動集積回路１００が検出すれば、しかも交流電源２４が正の半周期にあれば、切換制御回路３０は、信号を送って制御可能な双方向交流スイッチ２６をオンするので、モータのステータ巻線１６の巻線電流は徐々に増加する。第１のホールセンサ２２又は第１のモータ駆動集積回路１００は、ロータ１１の極性軸線Ｒに対して反時計方向のオフセットで配置されて進角を形成するので、モータの始動時に、第１のホールセンサ２２又は第１のモータ駆動集積回路１００がロータの現在のＮ極を感知するために要する時間は、位置センサがロータの極性軸線Ｒに配置された（図１０Ａに示す）従来技術によるデザインのそれと比較して延びる。上記のことは、図１０Ａと図１０Ｂとの間の比較から分かる。図１０Ａ及び図１０Ｂにて、曲線Ｓ１は逆起電力を表し、曲線Ｓ２は巻線電流を表し、曲線Ｓ３は位置センサによって出力された磁極位置信号を表し、図中の影はモータの入力電力Ｐ_inputを表す。入力電力Ｐ_input＝Ｖ_BemfｘＩ_motorであり、式中Ｖ_Bemfは逆起電力であり、Ｉ_motorはステータの巻線電流である。図１０Ｂの影の領域は、図１０Ａの領域と比べて大幅に増加している。入力電力Ｐ_inputは、モータによって機械的仕事を発生する手段である。入力電力Ｐ_inputが増加したので、大きな始動トルクがもたらされて、モータのシャフトとシャフトスリーブとの間の摩擦、及びポンプ又はファンのようなモータ負荷の慣性に打ち勝ち、モータを滑らかに始動させて加速する。

[0059] 同様に、モータが正転するとき、ホールセンサ２３又は第２のモータ駆動集積回路２００は、ロータ１１の極性軸線Ｒに対して時計方向のオフセットで配置されて進角を形成し、モータが時計方向に始動するとき、モータに大きな始動トルクが同じくもたらされる。

[0060] 上記実施形態では、ロータ１１は永久磁石ロータである。永久磁石ロータの各磁極は、希土類元素から抽出されたネオジム磁石原料で作ることができ、又はゴムで包装されたネオジム磁石（ゴム包装磁石と呼ぶこともある）のような、より耐久性の材料で作ることができる。モータの逆起電力は、台形波とすることができる。他の実施形態では、永久磁石ロータは、フェライト、ネオジム鉄ホウ素、アルニコなどのような他の材料で作ることもできる。逆起電力の波形は、正弦波又はその他同種のものとすることもできる。

[0061] 上記実施形態では、整流器はフルブリッジ整流回路である。他の実施では、ハーフブリッジ整流回路、全波整流回路、半波整流回路又はその他同種のものを採用することもできる。この実施形態では、整流された電圧は、ツェナーダイオードＺ１によって安定させることができる。他の実施形態では、電圧は、３端子電圧安定器のような電子部品によって安定させることができる。

[0062] 本開示の実施形態に説明したモータは、車両窓及びオフィス又は家庭のロールシャッターのような駆動装置に適することを理解されたい。本開示の実施形態によるモータは、同期モータ及びブラシレス直流電気モータ（ＢＬ直流モータ）のような永久磁石ロータを持つ交流モータである。本開示の実施形態によるモータは、単相同期モータ及び単相ＢＬ直流モータのような、永久磁石ロータを持つ単相交流モータであることが好ましい。モータが同期モータであるとき、交流電源は、商用交流電源とすることができる。モータがＢＬ直流モータであるとき、交流電源は、インバータによって供給することができる。

[0063] 本開示の所定の創造性のある実施形態が具体的に説明されたが、本開示はそれに限定するとして解釈すべきでない。本開示は、本開示の範囲及び精神から逸脱することなく、様々に変更し又は修正することができる。

１０ モータ
１６ ステータ巻線
１９ モータ駆動回路
２２ 第１のホールセンサ
２３ 第２のホールセンサ
２４ 交流電源
２６ 制御可能な双方向交流スイッチ
３０ 切換制御回路
５０ 回転方向制御回路
５１ 第１の端子
５２ 第２の端子
５３ 第３の端子
Ａ 第１のノード
Ｂ 第２のノード
Ｈ１ 出力端子
Ｉ１ 第１の入力端子
Ｉ２ 第２の入力端子
Ｏ１ 第１の出力端子
Ｏ２ 第２の出力端子
Ｔ１ 第１の陽極
Ｔ２ 第２の陽極
ＶＣＣ 電源端子
ＧＮＤ アース端子
ＣＴＲＬ 回転方向設定信号

Claims (11)

1. モータのロータを駆動してステータに対して回転させるためのモータ駆動回路であって、
   交流電源の２つの端子間で前記モータの巻線と接続された制御可能な双方向交流スイッチと、
   前記ロータの磁極の位置を検出して、前記ロータの同じ磁極を検出したとき逆位相の磁極位置信号を出力するようにそれぞれ構成された、第１の位置センサ及び第２の位置センサとを備え、
   前記モータの休止位置にて、前記第１の位置センサ及び前記第２の位置センサは、前記ロータの反対の磁極の中心を横切る接続線に対して進角でそれぞれ配置されることを特徴とするモータ駆動回路。
2. 回転方向制御回路をさらに備え、前記回転方向制御回路は、前記第１の位置センサ及び前記第２の位置センサに接続され、前記第１の位置センサからの前記磁極位置信号を又は前記第２の位置センサからの前記磁極位置信号を、前記モータの回転方向設定信号に応じて切換制御回路へ選択的に出力するように構成され、
   前記切換制御回路は、前記制御可能な双方向交流スイッチを制御してオン状態とオフ状態との間で切り換え、前記モータを制御して、受け取った前記磁極位置信号及び前記交流電源の極性に基づき、所定方向又は所定方向と反対の方向に回転させるように構成され、前記第１の位置センサは第１のホールセンサを備え、前記第２の位置センサは第２のホールセンサを備える、請求項１に記載のモータ駆動回路。
3. 前記回転方向制御回路は、前記モータが前記所定方向に回転するとき、前記第１の検出器からの前記磁極位置信号を前記切換制御回路に出力し、前記回転方向制御回路は、前記モータが前記所定方向と反対の方向に回転するとき、前記第２の検出器からの前記磁極位置信号を前記切換制御回路に出力する、請求項２に記載のモータ駆動回路。
4. 前記第１のホールセンサのホール板が前記ロータに面する方向は、前記第２のホールセンサのホール板が前記ロータに面する方向に対して１８０度回転している、請求項２に記載のモータ駆動回路。
5. 前記モータの前記休止位置にて、前記モータの回転方向が反時計方向のとき及びそのときのみ、前記第１のホールセンサは、前記ロータの反対の磁極の中心を横切る前記接続線に対して反時計方向のオフセットで配置されて前記進角を形成し、前記モータが時計方向に回転するとき及びそのときのみ、前記第２のホールセンサは、前記ロータの反対の磁極の中心を横切る前記接続線に対して時計方向のオフセットで配置されて前記進角を形成する、請求項４に記載のモータ駆動回路。
6. 前記進角の電気角は９０度／Ｎよりも小さく、Ｎは前記ロータの前記磁極の対の数である、請求項１に記載のモータ駆動回路。
7. 前記進角は、０度よりも大きくかつ９０度未満である、請求項６に記載のモータ駆動回路。
8. 前記進角は、１５度、２０度、２５度、３０度、３５度、又は４０度である、請求項７に記載のモータ駆動回路。
9. 制御スイッチをさらに備え、前記制御スイッチは、前記交流電源と前記モータの前記巻線との間に接続され、モータ回転中に前記モータの前記回転方向を変更するとき、前記制御スイッチは、前記ロータが所定の休止位置にて停止するまで、所定時間の間初めにオフする、請求項１に記載のモータ駆動回路。
10. ステータと、ロータ（１１）と、請求項１から９の何れか１つに記載のモータ駆動回路（１９）とを備えることを特徴とするモータ（１０）。
11. 前記モータ（１０）は、単相永久磁石交流モータ、単相永久磁石同期モータ、又は単相永久磁石ブラシレス直流電気モータである、請求項１０に記載のモータ。

Images