JP2534518B2 - 誘導コイルを位置検知素子として駆動される３相電動機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 磁心（コア〕のある３相の半導体電動機（ブラシレン
ス電動機）として、小出力より大出力までの各種の動力
源として整流子電動機の代りに利用されるものである。

〔従来の技術〕

本件出願人による特公昭59−3110号等がある。他に周
知の整流子，刷子を有し、若しくはホール素子を利用す
る３相直流電動機がある。

〔本発明が解決しようとしている問題点〕

第１の問題点 整流子刷子を備えた３相直流電動機は長い歴史を持
ち、従つて技術的に研究しつくされている。従つて、そ
の構成の簡素さ、組立の容易さ、価格についてはほぼ問
題なく、現在においても広い用途を持つている。

しかし、整流子，刷子の磨耗により耐用時間がみじか
いことと、これによる故障率の多いこと及び機械ノイ
ズ，電気ノイズが大きいこと等の欠点は解決されていな
い。

第２の問題点 ホール素子（磁電変換素子の１つ）を位置検知素子と
してマグネツト回転子の角位相を検出し、トランジスタ
回路（３相ブリツジ回路）を付勢して、電機子電流の制
御をして３相の直流電動機を得る手段がある。

この手段によると、前述した整流子型の直流電動機の
欠点はすべて除去される。

しかし、組立作業が錯雑となり、又高価となる欠点が
発生する。特に小型偏平なものとなる程この問題は大き
くなる。

ホール素子を３個使用するので、その導出線が12本と
なる。ホール素子のある空間は狭い空隙部なので、この
処理を考えても理解される筈である。

又ホール素子は、位置検知信号の出力が小さく、耐熱
性が無い。従つて、出力の大きい電動機若しくは苛酷な
使用条件のときには使用することができない。特にホー
ル素子を電動機本体の内部に収納して使用する場合に問
題がある。

第３の問題点 ホール素子を除去し、逆起電力を位置検知信号として
利用する手段も開発されている。

この場合には、起動することができないので、起動時
には、ステツピングモータとして起動せざるを得ない。

しかし、寒冷地では、電動機及び負荷の潤滑油の粘度
が大きくなり、脱調して起動失敗をすることが多く実用
性はない。

起動トルクが必要なサーボモータとしても使用不可能
である。

又２相の電動機とすると、リプルトルクが増大し、１
相の電動機とすると更にリプルトルクが増大し、又起動
に問題が多くなる。

上述したように、構成が簡素化し、偏平廉価なるもの
にすると特性上に問題点が発生し、実用性が失なわれて
いる現状である。

第４の問題点 出力が10ワツト以下位の小型の半導体電動機（ブラシ
レス電動機）では、その制御回路は電動機の筐体内に収
納することが望まれている。この目的を達成する為に電
子回路を集積回路（以降はICと呼称する）とすることが
よい。この為の商品もいくつか出ているが、いずれも回
路の一部のIC化が行なわれているのみなので、上述した
目的は達成できない。達成できない問題点は次に述べる
ことである。

即ち、ホール素子は３個ともに特定の位置に分離して
配説する必要があるので、全体のIC化が困難となるから
である。

第５の問題点 ルームエアコンのコンプレツサ電動機は、誘導機が使
用されているが、効率の向上の為にブラシレス電動機と
することが望ましい。

３相直流機とすると、ホール素子より12本の導線を密
閉された容器（内部に電動機とコンプレサが収納されて
いる。）より引出すことが困難となり実用化が阻まれて
いる。

センサレスのものも実施されているが、起動をステツ
ピングモータとして行なう為に、起動失敗が多いので実
用化に問題がある。

〔問題点を解決する為の手段〕

本発明装置は、位置検知素子として誘導コイル（径が
４ミリメートル位、巻数が20〜30ターン）１個若しくは
２個を用い、マグネツト回転子と同期回転する導体回転
子に対向せしめ、導体回転子の円周部の例えば段部に誘
導コイルが対向したときのインダクタンスの変化（渦流
損失による）を利用して位置検知信号を得ている。

従つて、耐熱性があり、位置検知出力を、電動機の出
力に対応して大きくすることができる。

従つて、第3,第５の問題点が解決される。

ブラシレス電動機となつているので、第１の問題点が
解決される。位置検知素子となる誘導コイルは１個若し
くは２個なので、その導線（引出し線）は２本〜３本と
なるので、ホール素子の12本に比較して構成が簡素化さ
れる。

出力の小さい電動機の場合には、１個のコイルの外付
部品となるのでIC化が容易となる。

従つて、第2,第4,第５の問題点が解決される。

〔作用〕

上述した構成により、次に述べる作用がある。

第１に、位置検知素子１〜２個で、その導出線が２〜
３本なので、回路構成が簡素化され、量産が容易とな
る。

第２に、位置検知出力を大きくでき、耐熱性があるの
で、大出力の３相の電動機に適用できる。

第３に、10ワツト以下の出力の場合にはIC化が容易と
なる。

第４に、電機子コイルの通電制御回路は慣用されてい
る３相のブリツジ回路となるので、出力トルクが大き
く、効率も良好となる。

第５に、〔従来の技術〕の欄で述べた特開昭59−3110
号の技術では、後述するように大きい衝撃音が発生し、
軸承は数時間で破損する。

しかし、本発明装置の場合には、上記した不都合が完
全に除去される作用がある。

〔実施例〕

第１図以降の実施例につき、本発明装置の詳細を説明
する。図面中の同一記号のものは同一部材なので、重複
した説明は省略する。

第１図（ａ）において、軟鋼製の外筐円筒５の両側に
は側板（円形）5a,5bが左右より嵌着されている。側板5
a,5bの中央突出部には、軸承2a,2bが嵌着され、回転軸
１が回動自在に支持されている。

回転軸１には打点部のプラスチツク充填材を介して、
円筒形の界磁マグネツト回転子３が固定されている。

外筐５の内側には、珪素鋼板を積層固化した固定電機
子４が嵌着されている。

上述したものは内転型のものを示したが外転型とする
こともできる。第１図（ｂ）は外転型のものである。

基板７に植立した円筒８には、軸承9a,9bが嵌着さ
れ、これに回転軸１が回動自在に支持されている。

回転軸１の上端には、軟鋼製のカツプ状の回転子10が
固定され、その外側内面には、円環状の界磁マグネツト
回転子13が固着されている。

円筒８の外側には、珪素鋼板を積層固化した固定電機
子12の中央空孔が嵌着されている。

第２図（ａ）は第１図（ａ）の界磁マグネツト回転子
３及び電機子４の展開図である。第１図（ｂ）も全く同
じ構成となつているので、その展開図は省略して図示し
ていない。

界磁マグネツト回転子３には、N,S磁極3a,3b,…が等
しい巾で４極着磁されている。

又その端部（第１図（ａ）で右端の記号15で示す部
分）には、位置検知用の導体回転子15が設けられてい
る。第２図（ａ）の固定電機子４の突極4a,4b,4cは図示
のように配設され、各突極には、電機子コイル14a,14b,
14cが捲着されている。

各突極の巾は電気角で90度となり、互いに60度（電気
角）離間している。点線矢印Ｂの位置に突極4cを移動す
ると、周知の３相の電動機となる。本実施例は、従つて
３相の電動機とて回転するものである。

第２図（ａ）において、記号15は、第１図（ａ）の導
体回転子である。以降は回転子と呼称する。第２図
（ａ）の展開図は電気角で720度のものである。以降の
角度表示はすべて電気角の表示とする。

回転子15の詳細は、第３図（ａ）に示されている。

即ち回転軸１には、打点部プラスチツク材を介して、
アルミニユーム製の回転子15が固定され、その円周部に
は、段差が設けられ、各段差の巾は120度である。

誘導コイル（以降は単にコイルと略称する。）11aの
コイル面は各段差部（各帯域と呼称する。）に空隙を介
して対向している。

各帯域の段差はほぼ等しく、0.2ミリメートル位とな
つている。コイルの径は３〜５ミリメートル、巻数は20
〜40ターン位である。コイル11aが、段差部15a,15b,…
に対向するに従つて段差部15a,15b,…による渦流損失が
変化する。

段差15a,15dが最も大きい損失がある。損失の大きい
程、対応して、コイル11aのインダクタンスは減少す
る。

回転子15は、鉄製でもよい。矢印は回転方向を示して
いる。コイル11aと11bの巾は180度となつている。コイ
ル11bのインダクタンスも各帯域部15a,15b,…に対向し
て、そのインダクタンスが変化するものである。

第４図（ａ）にコイル11a,11bによる位置検知信号を
得る回路が示されている。

第４図（ａ）において、記号19は、１メガサイクル〜
５メガサイクルの発振器である。コイル11a,抵抗20a,20
b,20cはブリツジ回路となり、又コイル11bも同じくブリ
ツジ回路を構成している。コイル11aが、第３図の帯域1
5aに対向したときに、コイル11aのインダクタンスは渦
流損失の為に最少となり、抵抗20aの電圧降下が増大す
るので、オペアンプ21aの＋端子の入力電圧は、−端子
の入力電圧より大きくなり、端子22aの出力電圧は、第
１の設定値となる。コイル11aが帯域（段差）15bに対向
すると、渦流損失は減少するので、オペアンプ21aの出
力電圧は小さくなり、第２の設定値となる。コイル11a
が帯域15cに対向すると、渦流損失は更に減少するの
で、オペアンプ21aの出力電圧は更に小さくなり、第３
の設定値となる。

コイル11bについても上述した事情は全く同じで、帯
域15a,15b,15cに対向することに対応して、オペアンプ2
1bの出力電圧は、段階的に漸減する。

ダイオード及びコンデンサは、抵抗20a,20dの電圧降
下を平滑直流化するものである。

オペアンプ21aの出力端子22aは、第４図（ｂ）の端子
24に接続されている。

第４図（ｂ）において、端子23は基準電圧正端子であ
る。従つて抵抗28a,28b,28cの上端の電圧は段階的に高
くなつている。

コイル11aが帯域（段差）15cに対向したときに、オペ
アンプ25cの−端子の入力より、＋端子の入力が大きく
なるように設定されているので、アンド回路26bの下側
の入力はハイレベルとなる。

又このときに、オペアンプ25bの＋端子の入力は、−
端子の入力より小さくなるので、オペアンプ25bの出力
はローレベルとなつている。

従つて、アンド回路26bの２つの入力は、ともにハイ
レベルとなり、その出力もハイレベルとなる。端子27c
の出力もハイレベルとなる。

導体回転子（以降は単に回転子と呼称する。）15が回
転して、コイル11aが、帯域15bに対向すると、オペアン
プ25bの＋端子の入力は−端子の入力より大きくなるよ
うに設定されているので、オペアンプ25bの出力がハイ
レベルとなるので、アンド回路26bの出力はローレベル
に転化する。

このときに、オペアンプ25aの＋端子の入力は、−端
子の入力より低くなるように設定されているので、その
出力はローレベルとなる。

従つて、アンド回路26aの２つの入力は、ともにハイ
レベルとなり、端子27bの出力もハイレベルとなる。

回転子15が回転して、帯域15aが、コイル11aに対向す
ると、オペアンプ25aの＋端子の入力は、−端子の入力
より大きくなるように設定されているので、オペアンプ
25a即ち端子27aの出力がハイレベルとなる。

同時に、アンド回路26aの出力もローレベルに転化す
る。

以上の説明より理解されるように、第３図（ａ）の回
転子15が矢印方向に回転すると、第４図（ｂ）の端子27
a,27b,27cのハイレベルの出力は、120度回転する毎に、
120度の巾のハイレベルの位置検知信号が隣接して得ら
れる。

上述した位置検知信号が、第６図（ａ）のタイムチヤ
ートにおいて、曲線36a,36b,…及び曲線37a,37b,…及び
曲線38a,…として示されている。

コイル11bによる端子22b（第４図（ａ）図示）の出力
も第４図（ｂ）と全く同じ構成の回路により処理され、
端子27a,27b,27cに対応する端子による位置検知信号
は、第６図（ａ）の曲線39a,39b,…及び曲線40a,40b,…
及び曲線41a,41b,…となる。

曲線36aと曲線39aの位相差は180度である。

上述したことより判るように、第２図（ａ）のコイル
11aと11bの位相差は（120＋60）度となつている。

一般的な位相差の表現とすると、（60＋120n）度とな
る。ｎ＝0,1,2,…となり、例えばｎ＝０の場合には、コ
イル11bが帯域15aに対向したときに、コイル11bによる
位置検知信号は、曲線40a,40b,…となり、帯域15b,15c
に対向したときに、それぞれ曲線41a,41b,…及び曲線39
a,39b,…となる。

従つて、第５図（ａ）につき後述する端子32d,32e,32
fに対する入力を１段ずつ下方にずらすことにより同じ
目的が達成されるものである。

次に上述した位置検知信号による電機子コイル14a,14
b,14c（Ｙ型接続となつている。）の通電制御を第５図
（ａ）について説明する。第５図（ａ）において、トラ
ンジスタ33a,33b,…,33f及び電機子コイル14a,14b,14c
は、電源正極33により通電される３相Ｙ型のトランジス
タブリツジ回路となつている。この回路は周知のもので
ある。

端子32aに、第６図（ａ）の曲線36a,36b,…の位置検
知信号を入力し、端子32b,32cのそれぞれに、第６図
（ａ）の曲線37a,37b,…及び曲線38a,…の位置検知信号
を入力する。

又端子32d,32e,32fにそれぞれ第６図（ａ）の曲線39
a,39b,…及び曲線40a,40b,…及び曲線41a,41b,…の位置
検知信号を入力せしめると、周知の３相の半導体電動機
と全く同じ通電制御が行なわれるので、作用効果も又同
じである。即ち出力トルクが大きく、効率が良好となる
ものである。

このときの電機子コイル14a,14b,14cの右方の通電に
よる出力トルク曲線は、第６図（ａ）の曲線42a,42b,42
c（実線部）及び左方の通電による出力トルク曲線は、
曲線43a,43b,43c（実線部）となる。両者を加算したも
のが出力トルクとなる。

巾が180度の点線部を含むトルク曲線は、突極（4a,4
b,…）が磁極（3a,3b,…）の１つに対向し、次の１つの
磁極まで回転するときのトルク曲線である。

実線部のトルク曲線は、その中央部の逆起電力の最も
大きい部分120度が選択されているので、効率が最も大
きくなる。

上述した条件が満足されるように、第２図（ａ）のコ
イル11a,11bと突極4a,4b,…の相対位置を設定しなけれ
ばならない。

第５図（ａ）のトランジスタ33a,33b,…は他の半導体
スイツチング素子と置換することができる。例えば、パ
ワモスFETを利用すると、大出力の電動機が構成でき
る。この場合にも、コイル11a,11bが位置検知素子とな
つているので、耐熱性があり、第４図（ａ）の発振器19
の出力電流を大きくすることにより、電機子コイルより
発生する電気ノイズ，磁界により影響を受けることがな
く安定な運転ができる特徴がある。

小出力の電動機の場合には、コイル11a,11bを外付部
品とし、第４図（ａ），（ｂ），第５図（ａ）の回路を
IC（集積回路）とすることにより、電動機の外筐となる
本体内にICを収納できるので、構成が簡素化される効果
がある。第１図（ａ），（ｂ）の記号17aとして示した
ものは、かかるICを示すものである。

IC17aは、基板６若しくは７に装着されている。支持
体17に埋設されたコイル11aは、回転子15若しくは回転
子10の10a部（後述する）に対向し、支持体17は基板６
若しくは７に固着されている。

コイル11b及びその支持体は省略して図示していな
い。

コイル11a,11bは円形でなく、だ円形とし、その短径
の方向を回転子15の回転方向とすると、位置検知信号の
分解能が良好となる。

第１図（ｂ）のコイル11a,11bの対向すべき記号10a部
の展開図が第２図（ｂ）に示されている。

回転子10の下縁部10aには、図示のような３段の段着
のある切欠部10a,10b,…,10dが設けられ、コイル11a,11
bが対向している。コイル11a,11bが各切欠部に対向する
と、渦流損失が３段階に変化するので、第２図（ａ）の
回転子15の場合と全く同じ作用効果がある。従つて第１
図の電動機を前実施例と同じ制御回路により駆動できる
ものである。

本発明装置は、コアがあるので、出力トルクが大きく
なる効果がある。界磁マグネツト回転子の磁極数を２
倍,3倍とすることができる。このときに突極数も対応し
て増加する。

界磁マグネツトのN,S磁極１組に対して、突極数が３
個の周知の直流整流子電動機の構成としても本発明が実
施できる。他の作用効果は前実施例と同様である。

第２図（ａ）の展開図について、上述した第５図
（ａ）の回路による通電の１例を説明する。

界磁マグネツト回転子３が、矢印Ａ方向に30度回転す
ると、コイル11aは、段差部15aに対向するので、電機子
コイル14aが通電されて突極4aはＮ極に着磁される。

磁極3a,3dの反撥と吸引作用により、界磁マグネツト
回転子３は矢印Ａ方向に駆動される。

このときすでに、コイル11bは段差部15bに対向してい
るので、この出力を介して、電機子コイル14cが通電さ
れて、突極4cはＳ極に着磁されているので、磁極3c,3d
の吸引と反撥力により、界磁マグネツト３は矢印Ａ方向
に駆動される。かかる電機子コイルの通電の交替により
回転するものである。

突極4a,4cがN,S極に着磁されるので、突極4bを通る磁
束は打消し合つて、磁束消滅して着磁されない。従つて
反トルクが発生しない特徴がある。

〔従来の技術〕の項で引用した特開昭59−3110号に開
示された技術では、３個の突極が順次に１個ずつ励磁さ
れるので、次に述べる問題点がある。

即ち第２図（ａ）の展開図と同じ展開図となるので、
これを利用して説明する。

突極4aが励磁されて、界磁マグネツト回転子３は矢印
Ａ方向に駆動されるが、このときに、磁気吸引力も発生
するので、回転軸と軸承が衝合して、回転中に大きい機
械音を発生する。

突極4b,4cの励磁のときも同じ衝合音が発生する重欠
点がある。この衝合時に、軸承がオイルレスベアリング
の場合に、打撃により軸承孔が拡大し、これが又打撃エ
ネルギを大きくし、この現象が互いに助長され、実測に
よると出力１ワツト位の電動機で使用できるのは２〜５
時間である。これは致命的な欠点となる。更に又、突極
4aがＮ極に励磁されて出力トルクを発生しているとき
に、磁気誘導により、突極4b,4cはともにＳ極に励磁さ
れる。従つてその後の90度の回転時に、突極4bは反トル
ク，突極4cは正トルク，次の90度の回転時に正，反トル
クが反転する。正，反トルクは打消し合うとしても、ジ
ユール損失と振動を誘発する。

本発明装置によれば、前述したように上述した欠点が
除去される特徴がある。回転トルクの発生が、周知の３
相Ｙ型整流子電動機と同じとなるからである。

次に位置検知素子となるコイルを１個として３相の電
動機を駆動する場合につき説明する。

第２図（ａ）に、コイル11cの対向すべき段差を有す
る回転子16（回転子15に対応するもの）の展開図が示さ
れている。

段差部の帯域は、記号16a,16b,…,16fとして示されて
いる。この左側も同じ構成となつている。

各帯域の巾は等しく60度となつている。回転子16の構
成は、第３図（ａ）の回転子15と相似したものとなつて
いる。各帯域の巾が異なつているだけである。帯域16a,
16b,…にコイル11cが対向し、前実施例と同様に導体部
との空隙の差により、インダクタンスの差が発生するの
で、第４図（ａ）と同じ回路により、各帯域にコイル11
cが対向したときの位置検知信号が得られる。回転子16
が半回転する毎に、60度の巾で順次に高さが低くなる矩
形波の電気信号が隣接して得られる。

上記した電気信号が第４図（ｃ）の端子24に入力され
る。

規準正電圧端子23の電圧は、抵抗28a,28b,…,28fによ
り設定値に分割され、それぞれの電圧は、オペアンプ29
a,29b,…,29fの−端子に入力されている。

第４図（ｃ）の回路と第４図（ｂ）の回路を比較する
と、前者の抵抗28a,28b,…は同一記号の後者の抵抗に対
応し、前者のオペアンプ29a,29b,…は、後者のオペアン
プ25a,25b,…に対応し、前者のアンド回路30a,30b,…
は、後者のアンド回路26a,26b,…に対応している。

従つて作用も相似し、第４図（ｃ）の端子31a,31b,
…,31fのハイレベルの電気信号は、第６図（ｂ）のタイ
ムチヤートにおいて、それぞれ曲線44a,44b,…及び曲線
45a,45b,…及び曲線46a,46b,…及び曲線47a,47b,…及び
曲線48a,…及び曲線49a,49b,…となる。

曲線44a,45a,46a,47a,48a,49aは60度の巾で互いに隣
接している。

上述した６個の位置検知信号による電機子コイルの通
電制御を第５図（ｂ）につき説明する。

第５図（ｂ）のトランジスタ33a,33b,…のブリツジ回
路による電機子コイル14a,14b,14cの通電制御手段は、
第５図（ａ）と全く同じである。

異なつているのは、各トランジスタのベース制御手段
である。次にその説明をする。

第５図（ｂ）において、トランジスタ33aのベース入
力は、オア回路34aを介するもので、端子35a,35bの入力
である。

端子35a,35b,…,36fの入力は、それぞれ第４図（ｃ）
の端子31a,31b,…,31fの出力となつている。

従つて、第６図（ｂ）の曲線44a,45aの電気信号が入
力される。両者の巾はそれぞれ60度なので、第６図
（ａ）の曲線36aの電気信号と等しい120度の巾となる。

従つて、トランジスタ33のベース制御手段は、第５図
（ａ）の場合と全く同じである。

第５図（ｂ）のトランジスタ33bのベース入力は、オ
ア回路34bを介する端子35c,35dの入力である。この入力
は第６図（ｂ）の曲線46aと47aで、第６図（ａ）の曲線
37aと全く同じである。従つて、第５図（ａ）の場合と
全く同じベース制御となる。第５図（ｂ）のトランジス
タ33cのベース入力は、オア回路34cを介する端子35e,35
fの入力である。この入力は第６図（ｂ）の曲線48a,49a
で、第６図（ａ）の曲線38aと全く同じとなる。従つ
て、第５図（ａ）のトランジスタ33cの制御手段と全く
同じである。

第５図（ｂ）のトランジスタ33dのベース入力は、オ
ア回路34dを介する端子35d,35eの入力である。この入力
は、第６図（ｂ）の曲線47a,48aで、第６図（ａ）の曲
線39aと全く同じである。従つて、第５図（ａ）のトラ
ンジスタ33dの制御手段と全く同じである。

同様な理由で、オア回路34e,34dを介する端子35a,35
f,35b,35cの入力は、それぞれ第６図（ｂ）の曲線44b,4
9aと曲線45b,46bとなり、第６図（ａ）の曲線40aと曲線
41aとなる。

従つて、第５図（ｂ）のトランジスタ33e,33fの制御
は、第５図（ａ）と全く同じとなる。

以上の説明より判るように、３相Ｙ型の電動機が構成
され、効果は同じである。

通電制御のモードを記号で表示すると次のようにな
る。

電機子コイル14a,14c,14bの右方の通電モードをそれ
ぞれX,Y,Z,左方の通電モードをそれぞれ，，と表
示すると、第５図（ｂ）の端子35a,35b,…,35fの入力に
よる通電モードは、（X,）→（X,）→（Y,Z）→
（Y,）→（Z,）→（Z,）→とサイクリツクに交替
されるものである。

本実施例においても、コイル11cを外付部品として他
の制御回路をIC化できる。これは小出力の電動機の場合
である。

大出力の電動機の場合には、トランジスタは例えばパ
ワモスFETとして置換して実施することができる。他の
半導体スイツチング素子でもよい。

第６図（ｂ）において、点線50a,50b,…,50hの２つの
点線間にある出力トルク曲線が、それぞれ曲線44a,45a,
…の位置検知信号により通電される電機子コイルの出力
トルク曲線となつている。

実線部の出力トルク曲線42a,42b,42c,43a,43b,43c,…
は、第６図（ａ）の出力トルク曲線と同じとなつてい
る。

第６図（ｂ）の曲線44a,45a,…で示される位置検知信
号を得る他の手段を次に説明する。

第３図（ｂ）に示す導体回転子18を第３図（ａ）の回
転子15と同軸で同期回転するように配設する。

回転子18の展開図は、第２図（ａ）に示されている。
回転子18の段差部18a,18b,…の巾は180度である。

コイル11dが各段差部の帯域に対向している。コイル1
1dの出力は、第４図（ａ）と同じ回路で処理され、半回
転する毎に２段の電圧の位置検知信号が得られる。

上記した位置検知信号は、第４図（ｄ）の端子51a,51
bに入力されている。前述したコイル11aによる位置検知
信号は、端子52a,52b,52cに入力されている。異なつて
いるのは回転子の段差で、展開図が第２図（ａ）の最下
段に示されている。各段差は３段となつて、１回転で４
回繰返されている。

アンド回路53aの端子54aの出力は、第２図（ａ）の帯
域57aにコイル11aが対向したときの位置検知信号で巾は
60度である。

アンド回路53b,53cの出力即ち端子54b,54cの出力は、
第２図（ａ）の帯域57b,57cにコイル11aが対向したとき
のものである。

同様に、アンド53d,53e,53fの端子54d,54e,54fの出力
が得られる。

端子54a,54b,…,54fの出力は、第６図（ｂ）の曲線44
a,45a,46a,…,49aと同じ電気信号となるので、同じ目的
が達成される。

上述した手段は、小型の電動機で、導体回転子の径も
小さく、半周面に６段の段差が作り離い場合に有効であ
る。

第５図（ｃ）は、電機子コイルの異なる通電制御手段
である。即ち電機子コイル14aとトランジスタ55a,55b,5
5c,55dはブリツジ回路となつている。

端子56aより、第６図（ａ）の曲線36a,36b,…の電気
信号が入力される。端子56bより、曲線39a,39b,…の電
気信号が入力される。

従つて、電機子コイル14aは、往復して通電され、第
６図（ａ）のトルク曲線42a,43aの出力トルクが得られ
る。

電機子コイル14cも同じ構成のブリツジ回路により通
電され、その制御の為の位置検知信号は、曲線37a,37b,
…及び曲線40a,40b,…となる。出力トルク曲線は曲線42
b,43bとなる。

電機子コイル14bも同じ手段で通電され、位置検知信
号は曲線38a,…及び曲線41a,41b,…となる。トルク曲線
は曲線42c,43cとなる。従つて、前実施例と同じ作用効
果がある。

しかし、第５図（ｄ）のように変更すると、高速，大
出力の電動機が構成され、更に新規な作用効果が得られ
る。

高速（毎分10000回転以上）とすると、第６図（ａ）
の曲線36aによる電機子電流の立上りは曲線36cのように
おくれてトルクが減少し、蓄積磁気エネルギはダイオー
ドを介して放出され、その電流は曲線36dのようにな
り、後半部は反トルクとなる。他の曲線についても同じ
現象が起きる。従つて高速度とすることが不可能とな
る。特に出力トルクを大きくする為に突極断面を大きく
し、電機子コイルの巻数を多くすると、インダクタンス
が大きくなり、上記した不都合は更に増大する。

マグネツト回転子は一般にフエライトマグネツトが利
用されるが、大トルクとするには、励磁型のマグネツト
回転子とすることがよい。

即ち回転トランスを利用して励磁する電磁石を利用し
たマグネツト回転子である。しかし、蓄積磁気エネルギ
は更に大きくなるので、高トルクとなるが低速となる不
都合がある。

本明細書では、上記した励磁型のものもマグネツト回
転子と呼称する。上述した不都合を解決する第１の手段
は、第２図（ａ）のコイル11a,11b,…を左方に10度〜30
度移動して使用することである。

かかる手段により、第６図（ａ）の曲線36aは左方に
移動するので、曲線36cによる減トルク量も減少し、曲
線36dによる反トルクを消滅せしめることができる。

しかし、トルクの最も大きい部分で電機子電流が最も
大きい値となるので有効な技術となる。

第２の手段を第５図（ｄ）について説明する。

第５図（ｄ）のトランジスタ55a,55b,…及び電機子コ
イル14aは、第５図（ｃ）の同一記号のものと同じ作用
効果がある。

端子62a,62bより、第６図（ａ）の曲線36a,36b,…及
び曲線39a,39b,…の位置検知信号が入力されている。

アンド回路63a,63bの下側、の入力がハイレベルのと
きには、端子62aの入力により、トランジスタ55a,55bが
導通して、電機子コイル14aは右方に通電され、端子62b
の入力により、電機子コイル14aは左方に通電される。
記号60は絶対値回路で、オペアンプ２個を含む回路であ
る。

絶対値回路60は両波整流回路なので、抵抗59の電圧降
下即ち電機子電流に比例した正の電圧が出力され、この
出力は、オペアンプ61の一端子の入力となつている。＋
端子の入力は、規準正電圧端子61aの出力となる。

端子62aに、曲線36aの位置検知信号が入力された場合
について次に説明する。

曲線36aは、第６図（ｃ）のタイムチヤートにおいて
点線で示されている。トランジスタ55a,55bの導通によ
り、電機子電流は曲線65aのように増加する。端子33の
電圧を高くすると、曲線65aは急速に立上るので、減ト
ルクの発生が防止できる効果がある。

このときに、絶対値回路60の出力は、端子61aの電圧
より小さいので、アンド回路63a,63bの下端の入力はと
もにハイレベルとなつている。

第６図（ｃ）の点線66aに達するまで、電機子電流が
増加すると、絶対値回路60の出力は、端子61aの電圧を
越えるように設定されているので、オペアンプ61の出力
はローレベルとなり、トランジスタ55bは不導通に転化
する。

従つて、電機子コイル14aに蓄積された磁気エネルギ
は、ダイオード58c,トランジスタ55aを介して放出さ
れ、その電流は漸減し、第６図（ｃ）で曲線65bとして
示される。

電機子電流値が点線66bまで減少すると、絶対値回路6
0の出力が端子61aの電圧より小さくなるので、オペアン
プ61の出力はハイレベルとなり、アンド回路63bの出力
もハイレベルとなり、トランジスタ55bが導通して、電
機子電流は曲線65cのように増大する。

上記した通電の増減のサイクルを繰返して、位置検知
信号36aの末端において、端子62aの入力がローレベルと
なると、トランジスタ55a,55bは不導通となり、電機子
コイル14aの蓄積磁気エネルギは、曲線65に示すような
放出電流となり降下する。

このときに、放出電流は、ダイオード58c,電源，抵抗
59,ダイオード58dを介して流れ、電源を充電するので、
電源電圧を高くすることにより急降下せしめることがで
きる。

曲線65aの立上り部も電源電圧を高くすることにより
急速とできるので、曲線36aの巾に近い通電曲線が得ら
れて反トルクの発生も防止できる。

従つて、高トルク，高速の電動機を得ることができ
る。

端子61aの電圧により、負荷に対応した電機子電流値
を設定することができる。

又第６図（ｃ）の点線66a,66bの間隔は、オペアンプ6
1のヒステリシス特性により決定されるものである。

端子62bに、第６図（ａ）の曲線39a,39b,…で示す電
気信号が入力された場合には、電機子コイル14aは左方
に通電され、第６図（ｃ）の場合と同じ電機子電流の制
御が行なわれる。

他の電機子コイル14b,14cについても、上述した場合
と全く同じ制御が、第５図（ｄ）と同じ構成の電気回路
により行なわれて、同じ電機子電流の制御が行なわれ、
その作用効果も又同様である。

第６図（ｃ）の矢印64は、180度の巾で、電機子コイ
ルの通電により出力トルクの得られる範囲を示してい
る。従つて曲線36aは10度位左方に移動して得られるよ
うに、第２図（ａ）のコイル11a,11bを左方に10度移動
することにより、効率とトルクが増加できる。

第５図（ｄ）の回路によると、端子61aの電圧により
出力トルクが電源電圧と無関係に独立に指定され、端子
33の電源電圧を高くすることにより、回転速度を大きく
上昇できる特徴を有する３相の電動機を得ることができ
る。

〔効果〕

第１に、コイルを位置検知素子として利用しているの
で、耐熱性があり、出力を大きくすることができるの
で、小出力から大出力の３相の電動機を構成することが
できる。

第２に、コイルは１個若しくは２個となるので、その
導出線は２本若しくは３本となり、ホール素子の12本に
比較して構成を簡素化できる。

第３に、小出力の電動機の場合には、コイルを外付部
品として、制御回路のIC化ができるので、電動機の内部
に収納できる。又廉価，小型に構成できるので、３相の
整流子電動機と価格で対抗することができ、性能面では
大きく優位に立つことができる。

第４に、第５図（ｄ）の回路とすることにより、高
速，高トルクの両者を兼ねたもの若しくはそれ等のいず
れかの特性を有する電動機を構成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明装置の構成の説明図、第２図は、マグ
ネツト回転子と固定電機子の展開図、第３図は、位置検
知用の導体回転子の説明図、第４図は、コイル11a,11b,
11c,11dより、位置検知信号を得る電気回路図、第５図
は、電機子コイルの通電制御回路図、第６図は、位置検
知信号，出力トルク，電機子電流のタイムチヤートをそ
れぞれ示す。 １……回転軸、2a,2b,9a,9b……軸承、3,13……マグネ
ツト回転子、4,12……電機子、5,5a,5b……外筐、10…
…回転子、6,7……基板、11a,11b,11c,11d……誘導コイ
ル、17a……IC、15,16,18……位置検知用の導体回転
子、4a,4b,……突極、14a,14b,14c……電機子コイル、3
a,3b,……磁極、15a,15b,…,18a,18b,…,16a,16b,…,10
a,10b,……段差部の帯域、19……発振器、21a,21b,25a,
25b,25c,29a,29b,…,29f,61……オペアンプ、26a,26b,3
0a,30b,…,30e,53a,53b,…,53f,63a,63b,……アンド回
路、33a,33b,…,33f,55a,55b,…,55d……トランジス
タ、33……電源正端子、34a,34b,…,34f……オア回路、
61a……規準正電圧端子、60……絶対値回路、36a,36b,
…,37a,37b,…,38a,…,39a,39b,…,40a,40b,…,41a,41
b,…,44a,44b,…,45a,45b,…,46a,46b,…,47a,47b,…,4
8a,…,49a,49b……位置検知信号曲線、42a,42b,42c,43
a,43b,43c……トルク曲線、65a,65b,…,65……電機子電
流曲線。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】３相の半導体電動機において、３相の電機
   子コイルが磁心に装着された固定電機子と、該固定電機
   子に設けた軸承により回動自在に支持された回転軸と、
   該回転軸に中央部が固定されて同期回転するとともに、
   磁束が電機子コイル及び磁心を貫挿して駆動トルクを発
   生する界磁磁極を備えた界磁マグネツト回転子と、該回
   転子と同軸で同期回転する位置検知用の導体回転子と、
   該導体回転子の円周方向にそつて配設され、位置検知素
   子となる誘導コイル面に対向する部分が、電気角で120
   度の巾で、渦流損失が順次に異なる第1,第2,第３の帯域
   部と、該帯域部に対向するように本体に固定された第１
   の誘導コイル及びこれより電気角で（60＋120n）度（ｎ
   は零を含む正整数）の位相差の位置に配設された第２の
   誘導コイルと、第１の誘導コイルが、第1,第2,第３の帯
   域部に対向したときのインダクタンスの変化を検出し
   て、電気角で120度の巾で、互いに隣接する矩形波の第
   1,第2,第３の位置検知信号を得る電気回路と、第２の誘
   導コイルが、第1,第2,第３の帯域部に対向したときのイ
   ンダクタンスの変化を検出して、電気角で120度の巾
   で、互いに隣接する矩形波の第3,第4,第５の位置検知信
   号を得る電気回路と、３相の電機子コイルの第1,第2,第
   ３の相の電機子コイルの通電制御を行なつて駆動トルク
   を発生せしめる半導体スイツチング素子複数個を含むブ
   リツジ回路と、該ブリツジ回路に含まれる半導体スイツ
   チング素子を第1,第４の位置検知信号により付勢して第
   １の相の電機子コイルを最も逆起電力の大きい電気角で
   120度の巾だけ往復して通電し、第2,第５ならびに第3,
   第６の位置検知信号により、それぞれ第2,第３の相の電
   機子コイルの往復通電を全く同様に行なう制御回路とよ
   り構成されたことを特徴とする誘導コイルを位置検知素
   子として駆動される３相電動機。
2. 【請求項２】３相の半導体電動機において、３相の電機
   子コイルが磁心に装着された固定電機子と、該固定電機
   子に設けた軸承により回動自在に支持された回転軸と、
   該回転軸に中央部が固定されて同期回転するとともに、
   磁束が電機子コイル及び磁心を貫挿して駆動トルクを発
   生する界磁磁極を備えた界磁マグネツト回転子と、該回
   転子と同軸で同期回転する位置検知用の導体回転子と、
   該導体回転子の円周方向にそつて配設され、位置検知素
   子となる誘導コイル面に対向する部分が、電気角で60度
   の巾で、渦流損失が順次に異なる複数個の帯域部と、該
   帯域部に対向するように本体に固定された１個若しくは
   ２個の誘導コイルと、該誘導コイルが複数個の帯域部に
   対向したときのインダクタンスの変化を検出して、電気
   角で60度の巾で、互いに隣接する第1,第2,…，第６の矩
   形波の位置検知信号を得る電気回路と、３相の電機子コ
   イルの第1,第2,第３の相の電機子コイルの通電制御を行
   なつて駆動トルクを発生せしめる半導体スイツチング素
   子複数個を含むブリツジ回路と、第１の相の電機子コイ
   ルの正逆方向の通電のモードをそれぞれX,とし、第2,
   第３の相の電機子コイルの正逆方向の通電のモードをそ
   れぞれY,及びZ,と表示したときに、ブリツジ回路に
   含まれる半導体スイツチング素子を前記した位置検知信
   号により付勢し、第1,第2,第3,第4,第5,第６の位置検知
   信号にそれぞれ対応して、各電機子コイルの通電モード
   を、（X,）→（X,）→（Y,）→（Y,）→（Z,
   ）→（Z,）→とサイクリツクに転化し、逆起電力の
   最も大きい電気角で120度の巾の区間だけ各電機子コイ
   ルを通電する通電制御回路とより構成されたことを特徴
   とする誘導コイルを位置検知素子として駆動される３相
   電動機。