JP2018108013A

JP2018108013A - モータ及びこれを利用する応用装置

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Publication number: JP2018108013A
Application number: JP2017219894A
Authority: JP
Inventors: スンチピン; Chiping Sun; シンフェイ; Fei Xin; イェンシンヒン; Shinghin Yeung; ヤンシウウェン; Xiuwen Yang; フアンシュウジュアン; Shujuan Huang; ジアンユンロン; Yunlong Jiang
Original assignee: Johnson Electric SA
Current assignee: Johnson Electric SA
Priority date: 2016-11-15
Filing date: 2017-11-15
Publication date: 2018-07-05
Also published as: DE102017126622A1; US20180138791A1; US10505434B2

Abstract

【課題】モータ及び応用装置を提供する。
【解決手段】モータは、ステータコア及びステータコアに巻き付けたステータ巻線を有するステータと、ロータと、ロータの磁界極性を検出して、対応する信号を出力するように構成された磁気センサと、磁気センサから出力された信号に基づきロータを駆動して、ステータに対して回転させるように構成されたモータ駆動回路とを含む。ロータの休止位置にて、磁気センサは、ロータの極性軸線に対して進角で配置されてモータに高い始動トルクをもたらす。
【選択図】図１

Description

[0001] この本開示は、モータに、より詳しくは始動トルクが高いモータ、及びモータを使用する応用装置に関する。

[0002] 同期モータの始動プロセスの間、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速度は、急速に加速してステータの交番磁界と同期する。

[0003] 実際には、モータが休止位置から始動するとき、ステータ巻線内の電流は、ステータ巻線の物理的性質のせいで突然に変化せず、そのためステータ巻線の電流はゆっくり増える。モータへの入力電力Ｐ_inputもゆっくり増え、Ｖ_Bemfを逆起電力とし、Ｉ_motorをステータ巻線内の電流とすると、入力電力Ｐ_inputは、入力電力Ｐ_input＝Ｖ_BemfｘＩ_motorで表現できる。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に打ち勝つほど十分に大きくなければ、モータは、給電されても静止状態のままであり、正常に始動することができない。

[0004] 従って、モータ及びモータを採用する応用装置に対する要望がある。

[0005] １つの態様によれば、モータが提供され、モータは、ステータ、ロータ、磁気センサ、及びモータ駆動回路を含む。ステータは、ステータコアと、ステータコアに巻き付けたステータ巻線とを含む。磁気センサは、ロータの磁界極性を検出して、対応する信号を出力するように構成される。モータ駆動回路は、磁気センサから出力された信号に基づきロータを駆動して、ステータに対して回転させるように構成される。ロータの休止位置にて、磁気センサは、ロータの極性軸線に対して進角で配置される。

[0006] ロータが反時計方向に回転する場合、磁気センサは、ロータの極性軸線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、ロータが時計方向に回転する場合、磁気センサは、ロータの極性軸線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ことが好ましい。

[0007] Ｎをロータの対の磁極の数とすると、進角の電気角は９０／Ｎ度未満であることが好ましい。

[0008] 進角の電気角は、１５度以上かつ４５度以下であることが好ましい。

[0009] 進角の電気角は、１５度、２０度、２５度、３０度、３５度又は４０度であることが好ましい。

[0010] モータ駆動回路は、制御可能な双方向交流スイッチ及び切換制御回路を備え、制御可能な双方向交流スイッチ及びステータ巻線は、交流電源の２つの端子間に直列に接続され、切換制御回路は、磁気センサから出力された信号及び交流電源の現在の電圧極性に基づき、制御可能な双方向交流スイッチを制御してオン又はオフさせ、それによりモータを制御して所定方向に回転させるように構成されることが好ましい。

[0011] 切換制御回路は、交流電源が正の半周期にあり、ロータの磁界は第１の極性であることを磁気センサが検出した場合、又は交流電源が負の半周期にあり、ロータの磁界は第１の極性とは反対の第２の極性であることを磁気センサが検出した場合、制御可能な双方向交流スイッチをオンさせ、及び交流電源が負の半周期にあり、ロータの磁界は第１の極性であることを磁気センサが検出した場合、又は交流電源が正の半周期にあり、ロータの磁界は第２の極性であることを磁気センサが検出した場合、制御可能な双方向交流スイッチをオフさせるように構成されることが好ましい。

[0012] 磁気センサに直流電圧を供給するために少なくとも構成された整流回路をさらに備え、整流回路は、第１のノード及び第２のノードにそれぞれ接続された２つの入力端子を備え、ステータ巻線及び制御可能な双方向交流スイッチは、第１のノードと第２のノードとの間に直列に接続され、交流電源は、第１のノードと第２のノードとの間に接続されることが好ましい。

[0013] 磁気センサに直流電圧を供給するために少なくとも構成された整流回路をさらに備え、整流回路は、第１のノード及び第２のノードにそれぞれ接続された２つの入力端子を備え、交流電源及びステータ巻線は、第１のノードと第２のノードとの間に直列に接続され、制御可能な双方向交流スイッチは、第１のノードと第２のノードとの間に接続されることが好ましい。

[0014] モータはブラシレス直流モータであることが好ましい。

[0015] 別の態様によれば、応用装置が提供され、応用装置は上述したモータを備える。

[0016] 応用装置はファン、水ポンプ、又は電気自動車であることが好ましい。

[0017] 本開示の実施形態では、磁気センサは、ロータの極性軸線に対して進角で配置されるため、位置センサがロータの磁界を検出する時間が延び、電流は、ステータ巻線内に早く又はより長い時間の間流れ、従ってモータへの入力電力を高める。そのため、モータは、モータの始動摩擦及び負荷の慣性に打ち勝つ高い始動トルクを発生して、うまく始動する。それに応じてモータ効率が向上する。

[0018] 以下に、発明の好ましい実施形態が、添付図面の各図を参照して、ほんの一例として説明される。各図において、２つ以上の図に現われる同一の構造、要素又は部品には、それらが現われる全ての図で一般に同じ参照符号が付される。各図に示す構成部品及び機能の寸法は、一般に表現の便宜及び明確性のために選ばれ、必ずしも一定の縮尺で示さない。各図を以下に列挙する。

本開示の好ましい典型的な実施形態によるモータの概略図である。本開示の第１の実施形態による図１のモータのモータ駆動回路のブロック図である。本開示の第２の実施形態による図１のモータのモータ駆動回路のブロック図である。本開示の好ましい典型的な実施形態による図２のモータ駆動回路の回路図である。ある実施形態による図２の切換制御回路の代替回路図である。別の実施形態による図３の切換制御回路の代替回路図である。さらに別の実施形態による図４の切換制御回路の代替回路図である。従来の技術によるモータの入力電力の比較図である。本開示の実施によるモータの入力電力の比較図である。モータのロータが４つの磁極を有する、ある実施形態によるモータの磁気センサの位置を示す図である。モータのロータが８つの磁極を有する、別の実施形態によるモータの磁気センサの位置を示す図である。

[0027] 主題が、添付図面及び好ましい実施形態と併せて説明される。説明した実施形態は、本開示の実施形態のほんの一部に過ぎず、全てではない。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、参考を提供することのみを意図し、発明を限定することを意図しないことを理解されたい。図面に示した寸法は、単に説明の便利のためであり、限定することを意図しない。

[0028] ある構成部品が別の構成部品に「固定された」ことを考えるとき、ある構成部品は、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を有し得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、当業者によって通常理解されるのと同じ意味を有する。本開示の明細書で用いる用語は、特定の実施形態を説明することを目的とし、発明を限定することを意図しない。

[0029] 図１は、本開示の実施形態によるモータ１０を概略的に示す。モータ１０は同期モータを例に挙げる。モータ１０は、ステータと、ステータの磁極内に回転可能に配置された永久磁石式ロータ１４とを含む。ステータは、ステータコア１２と、ステータコア１２上に巻き付けたステータ巻線１６とを含む。ロータ１４は永久磁石式ロータである。

[0030] この実施形態では、ロータ１４は、例として２つの磁極を有する。各磁極は、希土類元素から抽出したネオジム磁石原料から作り、又はゴムでさらに包装してより耐久性を持たせることができる。ロータ１４の極性軸線Ｒは、ロータ１４の直径に沿った２つの対称な磁極（この実施形態では２つの磁石）の２つの中央を通過する仮想接続線を指す。ステータの中央軸線は、ステータの直径に沿った２つの対称な磁極の２つの中心を通過する仮想接続線を指す。ステータ極の極弧面は、ロータと同心であり、一定の主空隙を形成することが好ましい。極弧面は内向きにくぼんだ始動溝（図示しない）を定め、その結果始動溝とロータ１４の外側面との間に不均一な空隙が定まる。そのため、ロータ１４の休止時、ロータ１４の極性軸線Ｒは、ステータの中央軸線に対して角度的にオフセットしており、従ってステータ巻線１６が通電されるごとに、ロータ１４は一定の始動位置をとる。他の実施形態では、ロータは４つ又は６つの磁極のような、２つよりも多い磁極も有し得ることを理解されたい。ステータは、２つ、４つ、６つ又はそれよりも多い磁極を有することができる。

[0031] ステータ上に／及び内でロータ１４に近い位置に磁気センサ２０が配置される。磁気センサ２０は、ロータ１４の磁界極性及び磁界極性の変化を検出するために構成される。ロータ１４の休止位置にて、磁気センサ２０は、ロータ１４の極性軸線Ｒに対してオフセットで配置されて進角αを形成する。ロータ１４が反時計方向に回転するのであれば、磁気センサ２０は、ロータ１４の極性軸線Ｒに対して反時計方向にオフセットして配置される。ロータ１４が時計方向に回転するのであれば、磁気センサ２０は、ロータ１４の極性軸線Ｒに対して時計方向にオフセットして配置される。ロータ１４の磁極の対の数をＮとすると、進角αの電気角は、９０／Ｎ度以下にすることができる。Ｎはロータ１４の磁極の数であることが好ましい。この実施形態では、進角αの電気角は、９０度よりも小さくかつ０度よりも大きい。進角αの電気角は、１５度以上かつ４５度以下であることが好ましい。進角αの電気角は、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。

[0032] 図２は、本開示の第１の実施形態によるモータ１０のモータ駆動回路のブロック図である。モータ駆動回路１９は、磁気センサ２０、整流回路２８、制御可能な双方向交流スイッチ２６、及び切換制御回路３０を含む。モータ１０のステータ巻線１６、モータ１０を始動又は停止するための電源スイッチ２５、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。制御可能な双方向交流スイッチ２６の２つの端子が、第１のノードＡ及び第２のノードＢにそれぞれ接続される。整流回路２８の第１の入力端Ｉ１及び第２の入力端Ｉ２が、第１のノードＡ及び第２のノードＢにそれぞれ接続される。第１の入力端Ｉ１は、抵抗器Ｒ０を介して第１のノードＡに接続されることが好ましい。

[0033] 整流回路２８は、交流電力を低電圧直流電力に変換するために構成される。磁気センサ２０は、低電圧直流電源によって給電され、ロータ１４の磁界極性を検出するために構成され、その出力端子にて対応する信号を出力する。ロータ１４の検出された磁界極性は、ロータ１４の磁極の位置を反映することができ、そのために磁気センサ２０は、位置センサと呼ぶこともできる。切換制御回路３０は、整流回路２８及び磁気センサ２０に接続される。切換制御回路３０の出力端子Ｐ_outは、制御可能な双方向交流スイッチ２６の制御端子に接続される。切換制御回路３０は、磁気センサ２０によって検出されたロータ１４の磁界極性及び交流電源２４の電圧極性に基づき、制御可能な双方向交流スイッチ２６を制御して、スイッチオン状態とスイッチオフ状態との間で所定の様式で切り換えるように構成される。その結果、ステータ巻線１６は、ロータ１４を引きずって所定の始動方向に回転させる。図１に示す実施形態では、ロータ１４は反時計方向に回転する。

[0034] 交流電源２４は、例えば２２０Ｖ又は２３０Ｖである商用交流電源、又はインバータから出力された交流電源にすることができる。磁気センサ２０はホールセンサであることが好ましい。

[0035] 他の実施形態では、図３を参照して、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る。交流電源２４の第１の端子は、電力スイッチ２５を介して第１のノードＡに接続され、交流電源２４の第２の端子は、第２のノードＢに接続される。このように、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、依然として交流電源２４の第１の端子と第２の端子との間に接続されている。

[0036] 図４を参照すると、それは、本開示の好ましい典型的な実施形態による、図２のモータ駆動回路１９の回路図である。整流回路２８は、４つのダイオードＤ２、Ｄ３、Ｄ４及びＤ５を含む。ダイオードＤ２の陰極は、ダイオードＤ３の陽極に接続される。ダイオードＤ３の陰極は、ダイオードＤ４の陰極に接続される。ダイオードＤ４の陽極は、ダイオードＤ５の陰極に接続される。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、整流回路２８の第１の入力Ｉ１であり、抵抗器Ｒ０を介してモータ１０のステータ巻線１６に接続される。ダイオードＤ４の陽極は、整流回路２８の第２の入力端子Ｉ２であり、交流電源２４に接続される。ダイオードＤ３の陰極は、整流回路２８の第１の出力端Ｏ１であり、ホールセンサ２２及び切換制御回路３０に接続される。ダイオードＤ５の陽極は、整流回路２８の第２の出力端Ｏ２であり、ホールセンサ２２に接続される。第１の出力端Ｏ１は、比較的高い直流動作電圧を出力する。第２の出力端Ｏ２は、比較的低い直流動作電圧を出力する。整流回路２８の第１の出力端Ｏ１と第２の出力端Ｏ２との間にツェナーダイオードＺ１のような電圧安定化回路が接続されることが好ましい。ツェナーダイオードＺ１の陽極は、第２の出力端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Ｏ１に接続される。

[0037] この実施形態では、ホールセンサ２２は、電力端子ＶＣＣ、接地端子ＧＮＤ及び出力端子Ｈ１を含む。電源端子ＶＣＣは、整流回路２８の第１の出力端Ｏ１に接続される。接地端子ＧＮＤは、整流回路２８の第２の出力端Ｏ２に接続される。出力端子Ｈ１は、切換制御回路３０に接続される。ホールセンサ２２が正常に給電された場合、すなわち、電力端子ＶＣＣは比較的高電圧を受け取り、接地端子ＧＮＤは比較的低電圧を受け取る場合、ホールセンサ２２の出力端子Ｈ１は、ロータ１４の磁界がＮ極であることを検出したとき論理ハイレベルを出力し、ロータ１４の磁界がＳ極であることを検出したとき論理ローレベルを出力する。

[0038] 切換制御回路３０は、制御可能な双方向交流スイッチ２６の制御端子Ｇへの電流が流れる第１の電流路と、制御端子Ｇからの電流が流れる第２の電流路とを含む。第１の電流路は、制御端子Ｇと整流回路２８の第１の出力端Ｏ１との間に接続される。第２の電流路は、制御端子Ｇと整流回路２８の第２の出力端Ｏ２との間に接続される。切換制御回路３０は、第１のスイッチ及び第２のスイッチをさらに含む。第１のスイッチは第１の電流路に接続される。第２のスイッチは第２の電流路に接続される。

[0039] この実施形態では、制御可能な双方向交流スイッチ２６は、トリオード交流半導体スイッチ（トライアック）である。トライアックの２つの陽極Ｔ１、Ｔ２は、第１のノードＡ及び第２のノードＢにそれぞれ接続される。切換制御回路３０は、第１の端子と、第２の端子と、切換制御回路３０の出力端子Ｐｏｕｔである第３の端子とを含む。第１の端子は、整流回路２８の第１の出力端Ｏ１に接続され、第２の端子は、ホールセンサ２２の出力端子Ｈ１に接続され、第３の端子は、トライアックの制御端子Ｇに接続される。切換制御回路３０は、抵抗器Ｒ２と、第１のスイッチとしてのＮＰＮトランジスタＱ１と、第２のスイッチとしてのダイオードＤ１と、抵抗器Ｒ１とを含む。ダイオードＤ１及び抵抗器Ｒ１は、ホールセンサ２２の出力端子Ｈ１とトライアックの制御端子Ｇとの間に直列に接続される。ダイオードＤ１の陰極は、切換制御回路３０の第２の端子であり、ホールセンサ２２の出力端子Ｈ１に接続される。抵抗器Ｒ２の一方の端子は、整流回路２８の第１の出力端Ｏ１に接続され、抵抗器Ｒ２の他方の端子は、ホールセンサ２２の出力端子Ｈ１に接続される。ＮＰＮトランジスタＱ１のベースは、ホールセンサ２２の出力端子Ｈ１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の端子としての整流回路２８の第１の出力端Ｏ１に接続される。トライアックの制御端子Ｇに接続された抵抗器Ｒ１の端部は、切換制御回路３０の第３の端子である。

[0040] 制御可能な双方向交流スイッチ２６はまた、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、及び光カプラのうちの１つ以上によって形成でき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できる。

[0041] 図５を参照して、実施形態では、第１のスイッチ３１及び第２のスイッチ３２は、一対の相補的な半導体スイッチである。第１のスイッチ３１はローレベルによってオンすることができ、第２のスイッチ３２はハイレベルによってオフすることができる。第１のスイッチ３１及び切換制御回路３０の出力端子Ｐ_outは、第１の電流路で接続される。第２のスイッチ３２及び切換制御回路３０の出力端子Ｐ_outは、第２の電流路で接続される。２つのスイッチ３１、３２の制御端子は、両方とも磁気センサ２０に接続される。第１のスイッチ３１の電流入力端子は、比較的高電圧に接続されて、整流回路２８の第１の出力端Ｏ１に接続されることが好ましい。第１のスイッチ３１の電流出力端子は、第２のスイッチ３２の電流出力端子に接続される。第２のスイッチ３２の電流出力端子は、比較的低電圧に接続され、整流回路２８の第２の出力端Ｏ２に接続されることが好ましい。磁気センサ２０が論理ローレベルを出力する場合、第１のスイッチ３１がオンし、第２のスイッチ３２がオフし、電流は、第１のスイッチ３１を介して比較的高電圧から切換制御回路３０の出力端子Ｐｏｕｔに流れる。磁気センサ２０が論理高レベルを出力する場合、第２のスイッチ３２がオンし、第１のスイッチ３１がオフし、電流は、第２のスイッチ３２を介して切換制御回路３０の出力端子Ｐｏｕｔから比較的低電圧に流れる。第１のスイッチ３１は、正チャネルのＭＯＳＦＥＴにできる。第２のスイッチ３２は、負チャネルのＭＯＳＦＥＴにできる。他の実施形態では、２つのスイッチ３１、３２は、接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）のような他のタイプの半導体スイッチにもできることを理解されたい。

[0042] 代替実施形態では、切換制御回路３０は、ただ１つのスイッチと、上述した第１の電流路及び第２の電流路とを備えることもできる。スイッチは、第１の電流路及び第２の電流路の一方に配置される。スイッチは、第１の電流路及び第２の電流路が選択的にオンするように、磁気センサ２０によって制御される。

[0043] 図６を参照して、この実施形態では、切換制御回路３３は、一方向伝導スイッチ３３及び抵抗器Ｒ４を含む。一方向伝導スイッチ３３はダイオードであることが好ましい。磁気センサ２０の出力端子は、ダイオードの陽極及び陰極を介して、切換制御回路３０の出力端子Ｐｏｕｔに接続される。抵抗器Ｒ４は、一方向伝導スイッチ３３と並列に接続される。一方向伝導スイッチ３３及び出力端子Ｐｏｕｔは、第１の電流路で接続される。抵抗器Ｒ４及び出力端子Ｐｏｕｔは、第２の電流路で接続される。磁気センサ２０が論理ハイレベルを出力する場合、一方向伝導スイッチ３３がオンし、磁気センサ２０から出力端子Ｐｏｕｔに電流が流れる。磁気センサ２０が論理ローレベルを出力する場合、一方向伝導スイッチ３３がオフし、電流は、抵抗器Ｒ４を介して出力端子Ｐｏｕｔから磁気センサ２２に流れる。代替実施形態では、抵抗器Ｒ４は、一方向伝導スイッチ３３と逆並列に接続された別の一方向伝導スイッチにすることもできる。このように、出力端子Ｐｏｕｔから流れ出る電流と、出力端子Ｐｏｕｔに流れ込む電流とは、比較的平衡を保つ。

[0044] 図７を参照して、この実施形態では、切換制御回路３０は、磁気センサ２０の出力端子と出力端子Ｐｏｕｔとの間に逆直列に接続されたダイオード３４及びダイオード３５と、磁気センサ２０の出力端子と出力端子Ｐｏｕｔとの間に接続された抵抗器Ｒ５と、電源とダイオード３４及び３５の共通のノードとの間に接続された抵抗器Ｒ６とを含む。ダイオード３４の陰極は、磁気センサ２０の出力端子に接続される。電源は、整流回路２８の第１の出力端Ｏ１から得ることが好ましい。ダイオード３４は、磁気センサ２０によって制御される。磁気センサ２０が論理ハイレベルを出力する場合、ダイオード３４はオフし、電流は、抵抗器Ｒ６及びダイオード３５を介して電源から出力端子Ｐｏｕｔに流れる。磁気センサ２０が論理ローレベルを出力する場合、電流は、抵抗器Ｒ５を介して出力端子Ｐｏｕｔから磁気センサ２０に流れる。

[0045] 上記実施形態では、切換制御回路３０は、交流電源が正の半周期にあり、ロータ１４の磁界は第１の極性であることを磁気センサ２０が検出した場合、又は交流電源が負の半周期にあり、ロータ１４の磁界は第１の極性とは反対の第２の極性であることを磁気センサ２０が検出した場合、制御可能な双方向交流スイッチ２６をオンさせ、及び交流電源が負の半周期にあり、ロータ１４の磁界は第１の極性であることを磁気センサ２０が検出した場合、又は交流電源が正の半周期にあり、ロータ１４の磁界は第２の極性であることを磁気センサ２０が検出した場合、制御可能な双方向交流スイッチ２６をオフさせるように構成される。いくつかの実施形態では、第１の極性はＮ極であり、第２の極性はＳ極である。他のいくつかの実施形態では、第１の極性はＳ極とし、第２の極性はＮ極にすることができる。

[0046] 制御可能な双方向交流スイッチ２６がオン状態である場合、切換制御回路３０は、電流方向を制御して、整流回路２８の第１の出力端Ｏ１から制御可能な双方向交流スイッチ２６の制御端子に流れる第１の状態と、制御可能な双方向交流スイッチ２６の制御端子から整流回路２８の第２の出力端子Ｏ２に流れる第２の状態との間で切り換える。いくつかの実施形態では、第１の状態は、直ちに第２の状態に切り換えることができる。いくつかの好ましい実施形態では、第１の状態と第２の状態との間に時間間隔を定める。時間間隔中に、制御可能な双方向交流スイッチ２６の制御端子を電流が流れない。

[0047] 具体的には、交流電源２４が正の半周期にあり、ロータ１４の磁界は第１の極性であることを磁気センサ２０が検出した場合、電流は、整流回路２８の第１の出力端Ｏ１から制御可能な双方向交流スイッチ２６の制御端子に流れる。交流電源２４が負の半周期にあり、ロータ１４の磁界は第２の極性であることを磁気センサ２０が検出した場合、電流は、制御可能な双方向交流スイッチ２６の制御端子から整流回路２８の第１の出力端Ｏ２に流れる。

[0048] 図８Ａ及び図８Ｂを参照して、曲線Ｓ１は逆起電力を表し、曲線Ｓ２はステータ巻線中の電流を表し、曲線Ｓ３は磁気センサによって出力された信号を表し、図中の影はモータの入力電力Ｐ_inputを表す。

[0049] モータが始動するとき、電力スイッチ２５がオンしてモータは給電される。磁気センサ２０は、ロータの磁界がＮ極であり、交流電源２４は正の半周期にあることを検出する。結果として、切換制御回路３０は、信号を出力して制御可能な双方向交流スイッチ２６をオンするので、ステータ巻線１６中の電流は徐々に増加する。磁気センサ２０は、ロータ１４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、位置センサ２０がＮ極を検出する時間は、磁気センサがロータの極性軸線Ｒに配置された（図８Ａ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。図８Ａと図８Ｂとの比較から分かるように、図８Ｂの影の領域、すなわち入力電力Ｐ_input（入力電力Ｐ_input＝Ｖ_BemfｘＩ_motorであり、式中Ｖ_Bemfは逆起電力、Ｉ_motorはステータの巻線電流である）は、図８Ａ中の影の領域と比べて大幅に増加している。入力電力Ｐ_inputは、それによってモータが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、モータの始動摩擦、及びポンプ又はファンのようなモータ負荷の慣性に打ち勝つほどの大きな始動トルクがもたらされ、その結果モータは、うまく始動して加速することができる。

[0050] ロータ１４は複数の磁極を有し得ることを理解されたい。例えば、図９に示すように、ロータ１４は、４つの磁極及び２つの磁性軸線Ｒ９１、Ｒ９２を有することができる。図１０に示すように、ロータ１４は、８つの磁極と、４つの磁性軸線Ｒ１０１、Ｒ１０２、Ｒ１０３、及びＲ１０４とを有することもできる。これらの実施形態では、ロータ１４の休止位置にて、磁気センサ２０は、何れか１つのロータ１４の磁性軸線に対してオフセットで配置して進角αを形成することができ、それによって磁気センサ２０がロータ１４の電流磁界を検出する時間が延び、従って高い始動トルクをもたらすことができる。

[0051] ロータ１４は、フェライト、ネオジム鉄ホウ素、及びアルニコのような他の材料でも作り得ることを理解されたい。逆起電力Ｖ_Bemfの波形は、異ならせて例えば正弦波形にすることもできる。

[0052] 上記実施形態では、整流回路２８はフルブリッジ整流回路である。他の実施形態では、ハーフブリッジ整流回路、全波整流回路、半波整流回路又は同様なものを採用できる。実施形態では、整流された電圧は、ツェナーダイオードＺ１を介して安定される。他の実施形態では、電圧は、３つの端子電圧安定器のような他の電子部品によって安定することができる。

[0053] モータ駆動回路１９は、集積回路内に全体的に又は部分的に統合でき、それは、例えば単一の特定用途向け集積回路チップによって達成でき、それによって回路のコストを下げ、しかも回路の信頼度を上げることを理解されたい。集積回路は、ハウジングと、ハウジングから延びる複数のピンと、ハウジング内にカプセル化された半導体基板とを含む。モータ駆動回路１９のうち集積回路内にカプセル化された部分は、半導体基板上に配置される。モータ駆動回路１９は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、ゲートアレイ論理（ＧＡＬ）、プログラム可能なアレイ論理（ＰＡＬ）、プログラム可能論理デバイスなど（ＰＬＤ）のような、プログラム可能な集積回路にすることができる。

[0054] いくつかの実施形態では、整流回路２８、磁気センサ２０及び切換制御回路３０は、集積回路に統合される。他のいくつかの実施形態では、磁気センサ２０及び切換制御回路３０は、集積回路内で統合され、整流回路２８及び制御可能な双方向交流スイッチ２６は、集積回路の外部に配置される。科学及び技術の発展につれて、切換制御回路３０及びモータ駆動回路１９内のより機能的な回路が、ＦＰＧＡのようなプログラム可能な集積回路によって実施できることも理解されたい。

[0055] 本開示の実施形態に説明されたモータは、ファン、水ポンプ、及び電気自動車（電気自動車は、低電圧又は高電圧の交流電源を含み、そうでなければ、永久磁石式交流モータを駆動するためにインバータが必要となる）を駆動するの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（ＢＬ直流）モータのような永久磁石式ロータを備えた交流モータである。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、商用交流電源にすることができる。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できる。

[0056] 本開示の実施形態では、磁気センサ２０は、ロータ１４の極性軸線に対してオフセットで配置されて進角αを形成するため、位置センサ２０がロータの磁界を検出する時間が延び、電流は、ステータ巻線１６内に早く又はより長い時間の間流れ、従ってモータ１０への入力電力Ｐ_inputを高める。そのため、モータは、モータの始動摩擦及び負荷の慣性に打ち勝つ高い始動トルクを発生して、うまく始動する。それに応じてモータ効率が向上する。

[0057] 上記説明は、本開示の好ましい実施形態に過ぎず、本開示を限定することを意図しない。本開示の精神及び原理内でなされるあらゆる変更点、均等物、修正点及び同様なものは、本開示の保護範囲内に属するものとする。

１０モータ
１２ステータコア
１４ロータ
１６ステータ巻線
２０磁極センサ
Ｒ磁性軸線
α 進角

Claims

モータであって、
ステータコア及び前記ステータコアに巻き付けたステータ巻線を備えるステータと、
ロータと、
前記ロータの磁界極性を検出して、対応する信号を出力するように構成された磁気センサと、
前記磁気センサから出力された前記信号に基づき前記ロータを駆動して、前記ステータに対して回転させるように構成されたモータ駆動回路とを備え、
前記ロータの休止位置にて、前記磁気センサは、前記ロータの極性軸線に対して進角で配置されることを特徴とするモータ。
前記ロータが反時計方向に回転する場合、前記磁気センサは、前記ロータの前記極性軸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、前記ロータが時計方向に回転する場合、前記磁気センサは、前記ロータの前記極性軸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１に記載のモータ。
前記ロータの対の磁極の数をＮとすると、前記進角の電気角は９０／Ｎ度未満である、請求項１に記載のモータ。
前記モータ駆動回路は、制御可能な双方向交流スイッチ及び切換制御回路を備え、前記制御可能な双方向交流スイッチ及び前記ステータ巻線は、交流電源の２つの端子間に直列に接続され、前記切換制御回路は、前記磁気センサから出力された信号及び前記交流電源の現在の電圧極性に基づき、前記制御可能な双方向交流スイッチを制御してオン又はオフさせ、それにより前記モータを制御して所定方向に回転させるように構成される、請求項１に記載のモータ。
前記切換制御回路は、前記交流電源が正の半周期にあり、前記ロータの前記磁界は第１の極性であることを前記磁気センサが検出した場合、又は前記交流電源が負の半周期にあり、前記ロータの前記磁界は前記第１の極性とは反対の第２の極性であることを前記磁気センサが検出した場合、前記制御可能な双方向交流スイッチをオンさせ、及び前記交流電源が負の半周期にあり、前記ロータの前記磁界は第１の極性であることを前記磁気センサが検出した場合、又は前記交流電源が正の半周期にあり、前記ロータの前記磁界は前記第２の極性であることを前記磁気センサが検出した場合、前記制御可能な双方向交流スイッチをオフさせるように構成される、請求項４に記載のモータ。
前記磁気センサに直流電圧を供給するために少なくとも構成された整流回路をさらに備え、前記整流回路は、第１のノード及び第２のノードにそれぞれ接続された２つの入力端子を備え、前記ステータ巻線及び前記制御可能な双方向交流スイッチは、前記第１のノードと前記第２のノードとの間に直列に接続され、前記交流電源は、前記第１のノードと前記第２のノードとの間に接続される、請求項５に記載のモータ。
前記磁気センサに直流電圧を供給するために少なくとも構成された整流回路をさらに備え、前記整流回路は、第１のノード及び第２のノードにそれぞれ接続された２つの入力端子を備え、前記交流電源及び前記ステータ巻線は、前記第１のノードと前記第２のノードとの間に直列に接続され、前記制御可能な双方向交流スイッチは、前記第１のノードと前記第２のノードとの間に接続される、請求項５に記載のモータ。
前記モータはブラシレス直流モータである、請求項１に記載のモータ。
請求項１に記載のモータを備えることを特徴とする応用装置。