JP2513578Y2 - 電子整流子直流モ―タ - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は電子整流子直流モータに
関するものであって、特に駆動回路部の省電力化に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来技術について図３、図４を基に説明
する。図３は、従来の電子整流子直流モータの要部のブ
ロック図である。図３にはモータの回転子磁石やシャフ
トなど駆動回路に直接接続されない部分は示してない
が、同図中、Ａはモータの機構部の一部であり、モータ
の固定子巻線及びモータの周波数発電機（以下、ＦＧと
表す。）を示している。ここで説明に使用する電子整流
子直流モータは、機構部と駆動回路部とからなり、機構
部は固定子巻線１、２、３と、４極に着磁した前記回転
子磁石（図示せず）と、シャフトと、前記回転子磁石の
近傍に設置された周波数発電機５等からなり、前記固定
子巻線の一端は接続点１０で共通に接続されている。

【０００３】一方駆動回路部は、回転子磁石の回転角検
出用の３個のホール素子を含む位置検出手段４と、その
出力電圧Ｖ11、Ｖ12、Ｖ13が印加される論理回路７０
と、複数のバッファからなり前記論理回路７０の出力電
圧Ｖ41、Ｖ42、Ｖ43、Ｖ44、Ｖ45、Ｖ46が印加されるバ
ッファ集積回路（以下、バッファＩＣと表す。）６０
と、前記３相の固定子巻線が接続され６個のトランジス
タからなる出力増幅回路Ｂと、前記ＦＧ５の出力信号周
波数を電圧に変換する周波数ー電圧変換器（以下、ＦＶ
変換器と表す。）６と、前記ＦＶ変換器６の出力が印加
される誤差増幅回路５７と、この誤差増幅回路５７の出
力が印加される電源回路８等を備えている。

【０００４】前記誤差増幅回路５７の出力端子５９の電
圧Ｖ５９が前記電源回路８の入力端子に印加されてい
る。前記出力増幅回路Ｂは、ＰＮＰトランジスタとＮＰ
Ｎトランジスタを組にした３組（６個）のトランジスタ
１１乃至１６で構成されていて、前記ＰＮＰトランジス
タ１１、１３、１５のエミッタは、第１の電圧源の陽極
に接続され、前記ＮＰＮトランジスタ１２、１４、１６
のエミッタは、前記第１の電圧源の陰極に接続されてお
り、例えば前記トランジスタ１１のコレクタと前記トラ
ンジスタ１２のコレクタは、接続点１Ｃで接続されて第
１の組トランジスタを構成している。前記接続点１Ｃに
は、前記固定子巻線１の他端が接続されている。

【０００５】前記トランジスタ１３、１４は、同様に接
続点２Ｃで接続されて第２の組トランジスタを構成して
おり、この接続点２Ｃには同様に前記固定子巻線２の他
端が接続され、前記トランジスタ１５、１６は同様に第
３の組トランジスタを構成し、その接続点３Ｃには前記
固定子巻線３の他端が接続されている。前記３個の固定
子巻線のそれぞれの一端は、前記した通り接続点１０で
共通に接続されている。

【０００６】前記トランジスタ１１、１２、１３、１
４、１５、１６のベース１１Ｂ、１２Ｂ、１３Ｂ、１４
Ｂ、１５Ｂ、１６Ｂには、前記バッファＩＣ６０の出力
が抵抗６１、６２、６３、６４、６５、６６を介してそ
れぞれ印加されている。前記ＰＮＰトランジスタ１１、
１３、１５のエミッタは共通に接続され、その共通接続
点１７Ｃには、前記電源回路８の出力端子１７より電圧
ＶＣＣが供給されている。また前記ＮＰＮトランジスタ
１２、１４、１６のエミッタは共通に接続され、その共
通接続点１８Ｃは、前記電源回路８の陰極端子１８に接
続されている。

【０００７】前記ＦＶ変換器６では、前記ＦＧ５からの
信号が入力され、前記モータの回転速度に応じた直流電
圧が出力される。前記誤差増幅回路５７では、所定の回
転速度と現在の回転速度との比較が行われその誤差に応
じた信号Ｖ５９が端子５９に出力される。前記電源回路
８では、前記信号Ｖ５９が印加され、前記電圧ＶＣＣが
端子１７に出力され、前記出力増幅回路Ｂに供給され
る。前記電源電圧ＶＣＣは、例えば前記モータの回転速
度が小さい時は大きくなり、回転速度が大きい時は小さ
くなるように制御されて、前記モータが定速制御される
ようになっている。

【０００８】前記位置検出手段４は、前記回転子磁石の
回転角を検出するためのもので、前記回転子磁石の近傍
に設けられた３個のホール素子と波形成形回路からなっ
ている。前記ホール素子は、電気角で略２／３π（rad
）ずつ離して配置され、従って前記位置検出手段４の
出力Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ１３は、２／３πずつ位相がず
れた矩形波となっている。前記論理回路７０と前記バッ
ファＩＣ６０と前記位置検出手段４には、第２の電圧Ｖ
Ｂが供給されている。前記論理回路７０は、前記モータ
の各固定子巻線に適当なタイミングで間欠的に通電する
ための制御信号Ｖ４１乃至Ｖ４６を、前記位置検出手段
４の出力を演算して生成するためのもので、１チップマ
イコンに内蔵されている。

【０００９】前記のように、論理回路７０には前記位置
検出手段４の出力が印加され、前記論理回路７０の出力
端子７１、７２、７３、７４、７５、７６の出力電圧Ｖ
４１、Ｖ４２、Ｖ４３、Ｖ４４、Ｖ４５、Ｖ４６は、前
記バッファＩＣ６０に印加される。このバッファＩＣ６
０の入出力信号の関係は、略同位相、同レベルである。
前記バッファＩＣ６０の出力信号は、それぞれ抵抗６
１、６２、６３、６４、６５、６６を介して前記トラン
ジスタ１１、１２、１３、１４、１５、１６のベースに
それぞれ印加されている。前記論理回路７０とバッファ
ＩＣ６０の出力信号は、Ｈ，又はＬの２レベルのみ取り
得る。ここに、Ｈレベルは略電源電圧ＶＢ，Ｌレベルは
略０である。

【００１０】図４は、本モータの各部信号波形を示すタ
イムチャートであって、横軸は、前記回転子磁石の回転
角を電気角で表したものである。図４に示した「ＨＧ出
力」は、前記位置検出手段４に含まれる３個のホール素
子の３つの出力を表し、「論理回路出力」は、前記論理
回路７０の出力電圧Ｖ41、Ｖ42、Ｖ43、Ｖ44、Ｖ45、Ｖ
46を表しており、それらの電圧レベルは略ＶＢか０であ
る。前記Ｖ41、Ｖ43、Ｖ45は略 2π/3ずつ位相のずれた
矩形波であり、同様にＶ42、Ｖ44、Ｖ46も略 2π/3ずつ
位相のずれた矩形波である。前記バッファＩＣ６０の出
力は、前記論理回路７０の出力と略同位相、同レベルで
ある。

【００１１】「固定子巻線電流」は、図３に於ける固定
子巻線１、２、３の電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ３を表してお
り、電流の極性は前記共通接続点１０に向かって流れる
電流を正としてある。前記各巻線には、断続的に正負両
方向の電流が流れ、３相の巻線の内のいずれか２相に通
電されている。この制御は、一定の振幅の固定子巻線電
流に於いて最大のトルクを得るために、またトルクむら
を最小に抑えるために行われるのであるが、詳細な説明
は省略する。

【００１２】図３に於いて、前記出力増幅回路Ｂの６個
のトランジスタは、スイッチの役目をしている。トラン
ジスタのベース電流が十分に大きい時は、トランジスタ
はＯＮとなりそのコレクタ抵抗は小さく、コレクタ、エ
ミッタ間の飽和電圧は小さくなる。しかしトランジスタ
のベース電流が不十分で、トランジスタのコレクタ、エ
ミッタ間を飽和出来ない場合は、このスイッチングトラ
ンジスタによる電圧ロスが大きくなり、トランジスタの
コレクタ損失が大となってトランジスタを破壊する事も
あるので、トランジスタのベース電流は、十分大きく設
定されている。

【００１３】図３に示したモータでは、起動時或いは回
転時でも何等かの原因で回転速度が所定値より小さい場
合に、前記電源電圧ＶＣＣが高くなるように駆動回路部
が設定されている。例えば、起動時に於いては前記電源
電圧ＶＣＣは最大となり、モータの逆起電力が発生して
いないので、前記電圧ＶＣＣは殆どモータの固定子巻線
に加えられることとなる。モータの回転速度ｎと固定子
巻線の一相当たりの抵抗Ｒと固定子巻線電流Ｉと前記電
圧ＶＣＣの関係は次のようになる。但しトランジスタの
飽和コレクタ抵抗は十分小さいものとし、ｋは比例定数
とする。 ＶＣＣ＝２ＲＩ＋ｋｎ

【００１４】即ち起動時には略 ＶＣＣ／２Ｒ の大き
さの固定子巻線電流が流れる。起動時の一例として、Ｖ
ＣＣ＝５．０Ｖ（ボルト）、Ｒ＝２．５Ω（オーム）と
すれば、起動電流は、１．０Ａ（アンペア）である。こ
の時前記スイッチングトランジスタのコレクタ、エミッ
タ間飽和電圧を十分小さくするには、通常のパワートラ
ンジスタでベース電流は５０ｍＡ程度の大きさにする必
要がある。

【００１５】一方モータが定常回転をしている場合の一
例として、ｋｎ＝２．０Ｖとし、前記電流Ｉを０．１Ａ
とすれば、Ｒ＝２．５Ωであるから、前記ＶＣＣは ０．１＊２．５＊２＋２．０＝２．５（Ｖ） となり、トランジスタの電流増幅率（以下，Ｈｆｅと表
す。）を１００とすれば、トランジスタのベース電流
は、１ｍＡの数倍で良く、例えば３ｍＡ程度で良い。
ベース電流を大きくすればコレクタ抵抗が小さくなる
が、この場合コレクタ電流が小さいので、ある程度コレ
クタ抵抗が大きくてもその悪影響は小さい。即ちコレク
タ、エミッタ間の電圧は比較的小さいし、コレクタ損失
も比較的小さくトランジスタを破壊する虞はない。

【００１６】図３に示した抵抗６１乃至６６の抵抗値
は、前記のようにモータの起動時に十分なベース電流を
流せるように設定されている。前述した起動時の例で
は、前記電源電圧ＶＢを５ボルトとすれば、前記トラン
ジスタのエミッタ、ベース間の電圧を０．７Ｖとすれ
ば、ベース抵抗は、 （５ー０．７）／０．０５＝８６（Ω） となり、略８６（Ω）となる。前記の値のベース抵抗を
採用した場合、起動時に於いては、いずれかのＰＮＰト
ランジスタにベース電流が略５０ｍＡ流れ、いずれかの
ＮＰＮトランジスタにベース電流が略５０ｍＡ流れ、合
わせて１００ｍＡのベース電流が流れる。

【００１７】また定常回転時に於いては、前記電源電圧
ＶＣＣを２．５（Ｖ）とし、ＰＮＰトランジスタのエミ
ッタ、ベース間電圧を略０．６Ｖとすれば、いずれかの
ＰＮＰトランジスタに流れるベース電流は、略 （２．５−０．６）／８６＝２２（ｍＡ） であり、ＮＰＮトランジスタのエミッタ、ベース間電圧
を０．６Ｖとすれば、いずれかのＮＰＮトランジスタに
流れるベース電流は、略 （５−０．６）／８６＝５１ｍＡ であり、合わせて７３ｍＡのベース電流が流される。

【００１８】前記したように、モータの定常回転時に於
いては、ベース電流は、ＰＮＰトランジスタ用に３ｍＡ
程度、ＮＰＮトランジスタ用に３ｍＡ程度、合わせて略
６ｍＡを供給すれば十分である。しかるに、実際には略
７３ｍＡが流れてしまい、電源を無駄に消費することに
なって、電源としてバッテリを使用する場合に於いて
は、バッテリの連続使用時間を短縮させてしまう等の問
題を有していた。

【００１９】

【考案が解決しようとする課題】前記したように、従来
の電子整流子直流モータに於いては、その駆動回路部
で、電圧源と固定子巻線の間に設けられたスイッチング
用トランジスタのベース電流が、トランジスタのコレク
タ電流の大きさに無関係に供給されていたため、定常回
転時には必要以上に大きなベース電流が流れ、このベー
ス電流による電源損失が大きく、バッテリ駆動の場合、
バッテリの使用可能な時間が短縮されてしまうと言う問
題があった。本考案の主目的は、モータの定常回転時に
於ける駆動回路部の消費電力を低減することである。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本考案は、前記問題点を
解決するために、モータの回転速度によって制御される
電圧電源を有し、多相の固定子巻線と回転子磁石と回転
速度検出手段と回転角検出手段とを有し、前記多相の固
定子巻線のそれぞれの一端を共通に接続し、他端をトラ
ンジスタのコレクタ〜エミッタ路を介して前記電圧電源
の陽極と陰極にそれぞれ接続した電子整流子直流モータ
であって、前記固定子巻線の通電のタイミングを制御す
る通電制御信号を生成する論理回路の複数の出力を、複
数のバッファからなる動作非動作の制御が可能な第１の
バッファＩＣと第２のバッファＩＣとにそれぞれ入力
し、前記第１のバッファＩＣの出力端子を前記トランジ
スタの各ベースに抵抗を介して接続し、前記第２のバッ
ファＩＣの出力端子を前記トランジスタの各ベースに抵
抗を介して接続して、前記モータの回転速度が所定値よ
り大か、小かに応じて、前記２個のバッファＩＣの内の
一方のみ、或いは両方を、動作状態か非動作状態かに反
転させるように構成した。

【００２１】

【実施例】本考案の実施例を添付図面に基づいて説明す
る。図１は、本案の電子整流子直流モータの要部のブロ
ック図である。図１にはモータの回転子磁石やシャフト
など駆動回路部に直接接続されない部分は示してない
が、同図中、Ａはモータの機構部の一部であり、モータ
の固定子巻線及びモータの周波数発電機（以下、ＦＧと
表す。）を示している。ここで説明に使用する電子整流
子直流モータは、従来の電子整流子直流モータの説明で
使用したものと同一のものであって、機構部と駆動回路
部とからなり、機構部は固定子巻線１、２、３と、４極
に着磁した前記回転子磁石（図示せず）と、シャフト
と、前記回転子磁石の近傍に設置された周波数発電機５
等からなり、前記固定子巻線の一端は接続点１０で共通
に接続されている。

【００２２】一方駆動回路部は、回転子磁石の回転角検
出用の３個のホール素子を含む位置検出手段４と、その
出力電圧Ｖ11、Ｖ12、Ｖ13が印加される論理回路４０
と、複数のバッファからなり前記論理回路４０の出力電
圧Ｖ41、Ｖ42、Ｖ43、Ｖ44、Ｖ45、Ｖ46が印加されるバ
ッファ集積回路（以下、バッファＩＣと表す。）２０、
３０と前記３相の固定子巻線が接続され６個のトランジ
スタからなるた出力増幅回路Ｂと、前記ＦＧ５の出力信
号周波数を電圧に変換する周波数ー電圧変換器（以下、
ＦＶ変換器と表す。）６と、前記ＦＶ変換器６の出力が
印加される誤差増幅回路７と、この誤差増幅回路７の出
力が印加される電源回路８等を備えている。

【００２３】前記出力増幅回路Ｂについて、またこの出
力回路Ｂと前記固定子巻線との接続については、従来技
術の説明で述べた通りであるから説明を省略する。前記
ＰＮＰトランジスタ１１、１３、１５のベース１１Ｂ、
１３Ｂ、１５Ｂには、前記バッファＩＣ２０の出力が抵
抗２１、２３、２５を介してそれぞれ印加されると共
に、前記バッファＩＣ３０の出力が抵抗３１、３３、３
５を介してそれぞれ印加されている。前記ＮＰＮトラン
ジスタ１２、１４、１６のベース１２Ｂ、１４Ｂ、１６
Ｂには、前記バッファＩＣ２０の出力が抵抗２２、２
４、２６を介してそれぞれ印加されると共に、前記バッ
ファＩＣ３０の出力が抵抗３２、３４、３６を介してそ
れぞれ印加されている。

【００２４】前記ＦＶ変換器６では、前記ＦＧ５からの
信号が入力され、前記モータの回転速度に応じた直流電
圧が出力される。前記誤差増幅回路７では、所定の回転
速度と現在の回転速度との比較が行われその誤差に応じ
た信号Ｖ９が第１の出力端子９に出力されると共に、前
記論理回路４０を制御するための制御信号Ｖ１９が第２
の出力端子１９に出力される。前記電源回路８では、前
記信号Ｖ９が入力され、前記電圧Ｖ９により制御された
電圧ＶＣＣが出力端子１７に出力され、前記出力増幅回
路Ｂに供給される。前記電源電圧ＶＣＣは、例えば前記
モータの回転速度が小さい時は大きくなり、回転速度が
大きい時は小さくなるように制御されていて、前記モー
タが定速制御されている。

【００２５】前記誤差増幅回路７の第２の出力端子１９
の電圧Ｖ１９は、例えば、モータの回転速度が所定値の
９０％以下では５ボルト、９０％を越えると０ボルトに
なるようになっていて、この電圧Ｖ１９は、前記論理回
路４０の制御端子４７に印加されている。前記論理回路
４０の出力端子４８は、前記バッファＩＣ２０の制御端
子２７に接続されると共に、インバータ３８を介して前
記バッファＩＣ３０の制御端子３７に接続されている。

【００２６】前記バッファＩＣ２０は、その制御端子２
７の電圧Ｖ２７がＨレベルでは、通常の動作状態とな
り、前記電圧Ｖ２７がＬレベルでは、非動作状態とな
り、出力インピーダンスが極めて高くなり、前記抵抗２
１乃至２６には、電流が流れない。 前記バッファＩＣ
３０についても前記バッファＩＣ２０と同様であるが、
前記インバータの影響により、制御端子３７の電圧Ｖ３
７は、前記電圧Ｖ２７のレベルとは逆になっている。し
たがって、前記２個のバッファＩＣは、いずれか一方の
みが動作状態になっている。

【００２７】前記論理回路４０の制御端子４７の電圧Ｖ
４７と前記電圧Ｖ４８とは、同相、同レベルになるよう
に回路が構成されている。ここに、前記バッファＩＣ２
０に接続された抵抗２１乃至２６は、モータの起動時に
前記出力増幅回路Ｂのトランジスタに必要十分なベース
電流が流せるような値に設定される。また、前記バッフ
ァＩＣ３０に接続されている抵抗３１乃至３６は、モー
タの定常回転時に前記出力増幅回路Ｂのトランジスタに
必要十分なベース電流が流せるような値に設定される。

【００２８】例えば、前記バッファＩＣ２０の電源電圧
ＶＢ＝５．０Ｖ、固定子巻線１相分の抵抗値Ｒ＝２．５
Ω（オーム）とし、モータの起動時に前記電圧ＶＣＣ＝
５．０Ｖ（ボルト）とすれば、前記固定子巻線の起動電
流は、１．０Ａ（アンペア）である。この時トランジス
タのコレクタ、エミッタ飽和電圧を十分小さくするに
は、ベース電流は５０ｍＡ程度の大きさにする必要があ
る。このことから、前記トランジスタのエミッタ、ベー
ス間電圧を０．７ボルトとすれば，前記抵抗２１乃至２
６の抵抗値は、略 （５ー０．７）／０．０５ ＝８６ （Ω） となる。

【００２９】一方定常回転時の一例として、前記逆起電
力ｋｎ＝２．０Ｖとし、前記固定子巻線の電流Ｉを０．
１Ａ、前記トランジスタのエミッタ、ベース間電圧を
０．６Ｖとすれば、Ｒ＝２．５Ωであるから、前記ＶＣ
Ｃは、 ０．１＊２．５＊２＋２．０＝２．５Ｖ となり、前記トランジスタの電流増幅率を１００とすれ
ば、トランジスタのベース電流は、１ｍＡの数倍が適当
値である。例えばこのベース電流を３ｍＡに設定する
と、前記抵抗３１、３３、３５は、略 （２．５−０．６）／０．００３＝６３３ （Ω） となる。また前記抵抗３２、３４、３６は、略 （５−０．６）／０．００３＝１４６７ （Ω） となる。

【００３０】上記のように、本案の電子整流子直流モー
タによれば、モータの起動時に於いては、駆動回路部の
出力増幅器Ｂの１個のトランジスタのベース電流は例え
ば略５０ｍＡ、定常回転時に於いては例えば略３ｍＡと
なっていて、不要な電流がトランジスタのベースに流れ
ない。前記バッファＩＣ２０、または３０のいずれか一
方を動作状態にし、他方を非動作状態にするための制御
信号Ｖ19は、前記誤差増幅回路７で生成される。例え
ば、モータの回転速度が所定速度の９０％以下の時はＶ
19はＨレベル、９０％を越えたらＬレベルになるように
設定する。モータの定常回転時の速度が余り変動しない
モータに於いては、前記切り替えポイントを９５％程度
にとっても差支えない。

【００３１】図２は、モータの起動後の時間とベース電
流の関係を示す図である。横軸は時間を表し、縦軸は出
力増幅回路のトランジスタの総ベース電流を表してい
る。このモータは、起動後ＴＳ時間後に定常回転速度の
９０乃至９５％に達し、それ以降は、ベース電流が急減
していることを示している。モータの定常回転時にトラ
ンジスタの全ベースに流れる電流は、前記の例によれ
ば、従来の駆動回路部では略７３ｍＡ、本案の駆動回路
部では３ｍＡであって、電源電流は略７０ｍＡ減少し
た。

【００３２】尚、図１に示した実施例では、２個のバッ
ファＩＣのいずれか一方のみが動作状態で、他方のバッ
ファＩＣは、非動作状態になるように回路が構成されて
いたが、例えば、起動時のようにモータの回転速度が小
なる時は２個のバッファＩＣを動作状態にし、定常回転
時に於いてはいずれか一方のバッファＩＣのみが動作状
態になるようにしても、前記抵抗２１乃至２６、３１乃
至３６を適当な値に設定すれば同様な効果が得られるこ
とは明らかである。

【００３３】

【考案の効果】本考案になる電子整流子モータによれ
ば、定常回転時の駆動回路部の消費電力を従来より大巾
に低減出来た。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の電子整流子直流モータの要部のブロッ
ク図である。

【図２】モータの起動後の時間とベース電流の関係を示
す図である。

【図３】従来の電子整流子直流モータの要部のブロック
図である。

【図４】回転子磁石の回転角と各部信号波形の関係を示
す図である。

【符号の説明】

１、２、３ 固定子巻線 ４ 位置検出手段 ５ ＦＧ ６ 周波数ー電圧変換器 ７ 誤差増幅回路 ８ 電源回路 １１、１２、１３、１４、１５、１６スイッチングトラ
ンジスタ １７ 電圧電源の陽極端子 １８ 電圧電源の陰極端子 ２０、３０ バッファＩＣ ４０ 論理回路 Ａ モータ機構部の一部 Ｂ 出力増幅回路

Claims (1)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】モータの回転速度によって制御される電圧
   電源を有し、多相の固定子巻線と回転子磁石と回転速度
   検出手段と回転角検出手段とを有し、前記多相の固定子
   巻線のそれぞれの一端を共通に接続し、他端をトランジ
   スタのコレクタ〜エミッタ路を介して前記電圧電源の陽
   極と陰極にそれぞれ接続した電子整流子直流モータであ
   って、前記固定子巻線の通電のタイミングを制御する通
   電制御信号を生成する論理回路の複数の出力を、複数の
   バッファからなる動作非動作の制御が可能な第１のバッ
   ファＩＣと第２のバッファＩＣとにそれぞれ入力し、前
   記第１のバッファＩＣの出力端子を前記トランジスタの
   各ベースに抵抗を介して接続し、前記第２のバッファＩ
   Ｃの出力端子を前記トランジスタの各ベースに抵抗を介
   して接続して、前記モータの回転速度が所定値より大
   か、小かに応じて、前記２個のバッファＩＣの内の一方
   のみ、或いは両方を、動作状態か非動作状態かに反転さ
   せたことを特徴とする電子整流子直流モータ。