JP2571085B2 - １相の半導体電動機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、小出力の負荷の駆動源、例えば電子回路の
冷却用の電動フアンに利用されるもので、１相の半導体
電動機に関するものである。

〔従来の技術〕

従来の１相の半導体電動機は、大別して次の３つの技
術の１相の電動機となつている。

第１には、周知の１相の電動機が自起動できないの
で、コギングトルクにより起動せしめる形式のものであ
る。

第２には、米国特許第3,299,335号に開示された技術
で、マグネツト回転子の磁極のN,S極の中間に無磁界部
を設けることにより、起動を容易としたものである。

第３には、米国特許第4,211,963号に開示された技術
で、マグネツト回転子の主磁極に副磁極を付加して、実
質的に第２項の技術と同じ効果を有するものである。

他に本件出願人による特願昭60−252011号（特開昭62
−114489号）がある。

〔本発明が解決しようとしている問題点〕

上述した従来の１相の半導体電動機においては、８つ
の問題点がある。第１に、バイフアラ巻きされた電機子
コイルの通電が断たれたときに、蓄積された磁気エネル
ギの放出にツエナダイオードが使用されているが、瞬時
に放電される為に衝撃音を発生し、ノイズレベルを大き
くする。又コンデンサを利用して、磁気エネルギを吸収
する手段も採用されているが、IC化した場合に、コンデ
ンサが外付部品となり製造価格を上昇せしめる。

上記した両者ともに、蓄積磁気エネルギが全部ジュー
ル損失となり出力トルクに寄与しないので効率を劣化せ
しめる。回路をIC化した場合、特に５ボルトの電源電圧
の場合には、トランジスタブリツジ回路を使用すること
が困難となる。トランジスタの電圧降下は1.5ボルト位
で印加電圧に対して大きすぎるからである。従つて、バ
イフアラ巻とするので上述した問題点が大きくなるもの
である。第２に、電気角で180度回転するときの初期と
末期，特に末期においては、逆起電力が零であることに
加えて、磁心が磁気的に飽和することにより、過大な電
機子電流が流れ、トルクに寄与しないジュール損失が大
きくなり、効率の低下を招いている。

第３に、これを防止する為に、前述した米国特許第3,
299,335及び第4,211,963号の技術があるが、この技術に
おいては、マグネツト回転子の磁界の全部をトルクに有
利に利用できない為に効率の低下を招く欠点がある。

上述した理由の為に、第1,第２のいずれの場合でも、
効率が低下して、35％位が限界となつている不都合があ
る。

第４に、第２の問題点を解決する為に更にもう１個の
位置検知素子を付加する本件出願人による技術がある
が、制御回路をIC化した場合に、外付部品となるので、
IC化の目的を阻害する結果となる不都合がある。

第５に、小型電動機の場合には、電機子コイルの巻線
すべき空間が限られているので、電源電圧が高い場合に
は、細線を使用する結果となり、この為に、ジュール損
失を増加し、効率の劣化を招く不都合がある。特に、外
径が40ミリメートル以下のフアン電動機の場合に上述し
た点が問題となる。

第６に、ファン電動機の場合に、電源電圧が５ボル
ト,12ボルト,24ボルトと仕様の変更がある。

このときに、電機子コイルの線径，巻数の変更があ
り、量産性を低下し、価格の上昇を招く不都合がある。

第７に、フアン電動機の場合に、事故による過負荷の
とき、停止するが、このときに何等かの警報がないと被
冷却装置例えば電子回路を焼損する問題点がある。

又事故原因が除去されたときに、フアン電動機が自動
的に回転し始めることが好ましい。

第８に上述した技術は、いくつかすでに実施されてい
るが、この為に使用される部品点数が多く、経済性がな
い。

又制御回路をIC化した場合に、外付部品が多くなり、不
都合を生ずる問題点がある。

〔問題点を解決する為の手段〕

電機子コイルに並列にトランジスタを設け、この通電
時期を制御して、電機子コイルの蓄積磁気エネルギを放
電せしめて第１の問題点を解決している。

電機子コイルの通電の末期において過大なジュール損
失を発生することを防止する為に、少なくとも通電の末
期の所定の区間だけ通電を停止せしめ、起動を容易とす
る為に、起動時のみ上記した停止作用を抑止せしめる手
段を採用して本発明の目的を達成している。この為に、
磁電変換素子（ホール素子）の出力を比較回路を利用し
て、通電の初期では、180度（電気角）の通電をして、
コギングトルクによる起動を容易とし、定格運転時に
は、設定された角度（30〜40℃）だけ通電角を縮小する
ことにより、第2,第３の問題点を解決している。ホール
素子が１個で目的を達成しているので、第４の問題点も
解決される。回転速度検出装置を付加して、この出力を
利用して、上記した比較回路を作動し、又同時に過負荷
により停止したときの警報信号を得ている。

又定電流若しくは定電圧駆動回路が付設されるので、
電源電圧に関係なく作動する。従つて、第５の問題点が
解決される。この回路と、過負荷により停止する回路を
組合せることにより、事故により電動機が停止したとき
に、事故原因が除去されると自動的に復帰回転せしめる
ことができ、しかも停止中の電動機の焼損事故が防止で
きる。

従つて、第6,第７の問題点も解決される。本発明装置
は、ホール素子が１個と制御回路のみなので、IC化が容
易で、外付部品も少なくなる。

従つて第８の問題点が解決される。

〔作用〕

電機子コイルに直列に接続される通電制御の為のトラ
ンジスタはNPN型が１個なので、たかだか0.5ボルトの電
圧損失しかない。従つて、電源電圧が低く、５ボルトの
場合でも効率に大きい影響を与えることがない。このと
きに、電機子コイルに蓄積された磁気エネルギを放電消
滅させる為にトランジスタを利用しているので、周知の
ツエナダイオードを利用する手段に比較して、機械ノイ
ズが著しく低下し、又放電電流が出力トルクを増大する
作用がある。

電機子コイルの通電の初期では、コアのある為にその
インダクタンスは20ミリヘンリ位（出力が１〜２ワツト
の電動機の場合）なので、電流の立上りは比較的おそ
く、逆起電力は小さいが、電流値が小さく、ジュール損
失も小さく効率に与える影響は少ない。

しかし通電の末期では、マグネツト回転子の磁束によ
り、コアがはぼ飽和し、コイルのみのインダクタンスと
なるので、５ミリヘンリ位にインダクタンスが減少す
る。従つて界磁磁界が小さく若しくは零の通電の末期で
は、著しく大きい電機子電流が流れ、しかもこれはトル
クに寄与しないので効率を劣化する主因となる。コアレ
スの電動機の場合は上述した場合より効率の劣化は少な
いが劣化する事実に変りはない。

かかる不都合を除去する為に、位置検知素子２個を用
いて、通電の末期の通電を切断して、効率を周知のこの
種の電動機より15〜20％上昇せしめている技術もある
が、かかる手段によると次の不都合がある。

第１に、ホール素子を含んで、制御回路とともに１個
のIC（集積回路）とすることが不可能となる。

第２に、価格が上昇する。

第３に、自起動が困難となる。

本発明装置は、上記した第1,第2,第３の問題点を除去
する作用がある。又かかる手段の為に、起動時には電気
角で180度の通電を行ない、その後は、回転速度検出信
号により、通電角を、その両側より順次にせまくするの
で、効率が上昇し、又定速制御作用を有するものであ
る。

定電流回路が使用されているので、電源電圧が変更さ
れても同一の回路が利用できる。

従つてIC化した場合に、同一のICが使用できる。

又上述した回路と回転速度検出回路を組合せることに
より、過負荷停止時の警報装置の作動及び過負荷が除去
されたときの自動復帰装置を得ることができる。

駆動回路を１個のICとすることができ、外付部品が少
なくなる構成となる。

又第３図（ａ）に示す実施例の場合には、電機子コイ
ルの通電角は180度より少し小さくなつているだけなの
で、上述した大きい効率の上昇は期待できない。

しかし、定電流回路となつているので、通電末期の大
きい電機子電流の流れることが抑止される。従つて効率
が上昇する。電気回路が簡素化される利点がある。

〔実施例〕

次に、本発明装置を図面に示す実施例により、その詳
細を説明する。尚図面中の同一記号のものは同一の部材
なので、その説明は省略する。

第１図は磁心のある電動機の全体の構成を示す正面図
である。

第１図において、記号４は、珪素鋼板を積層して作つ
た電機子磁心である。４ボールの構成となり、突極は記
号4a,4b,4c,4dとして示され、それ等の巾は90度より少
し小さくされ、90度離間している。

各突極には、電機子コイル5a,5b,5c,5dが装着されて
いる。磁心４の中央部は空孔となり、金属円筒２が冠着
され、この円筒２により、磁心４は本体（図示せず）に
固定されて、固定電機子を構成している。

円筒２の内部には、ボール軸承３の外輪が嵌着され、
内輪には、回転軸１が回動自在に支持されている。

回転軸１の一端には、カツプ状にプレス加工された軟
鋼カツプ13の底面中央部が固定されている。

カツプ13の内側には、円環状のマグネツト回転子６が
固定され、マグネツト回転子６には、90度の開角のN,S
磁極6a,6b,…が図示のように配設され、その磁極は、空
隙を介して突極4a,4b,…と対向して、回転軸１とともに
回転する。

突極4aの左側矢印Ｂは、空隙（最も大きい部分で0.8
ミリメートル位）を介して、磁極6aと対向し、右側Ｃ点
も空隙（等しい長さの空隙部が全空隙の1/2〜1/3となつ
て、その空隙長は0.5ミリメートルである。）を介して
磁極6aと対向している。

上述した空隙は、他の突極4b,4c,4dにも同様に設けら
れている。かかる手段により、コギングトルクが発生し
て自起動できるものである。矢印Ｙは回転方向である。

第２図は、第１図の電動機の720度（電気角）の展開
図である。以降は角度はすべて電気角により表示するも
のとする。

突極4a,4b,…及び電機子コイル5a,5b,…及び磁電変換
素子となるホール素子10は、それぞれの部材とマグネツ
ト回転子６との対向状態を示すものである。

突極4a,4b,…の為に、マグネツト回転子６にコギング
トルクが発生して、矢印Ｙ方向に所定角度だけ回転して
停止しているので、自起動することができる。この為
に、突極4a,4b,…の左側半分位が下方に屈曲した形とな
つている。第１図の突極も同じ形状となつている。自起
動手段は他の周知の手段でもよい。

電機子コイル5a,5b,…に、マグネツト回転子６が、電
気角で180度回転する毎に、往復して通電すると、出力
トルクを発生して１相の電動機として回転する。フアン
電動機の場合には、第１図の回転子13の外側に複数枚の
フアンが設けられているものである。

上述した一般の１相の電動機は次に述べる欠点があ
る。

効率が劣化し、入力が１〜２ワツト位のもので、その
効率は32％〜35％位となつている。３相のこの種のもの
は、60〜70％の効率となつているのに比較すると、効率
は著しく劣化している。

本発明装置は、かかる効率の劣化する原因を除去し
て、効率を10％〜20％上昇せしめて、40％〜55％位とし
たものである。次のその詳細を説明する。

電機子電流の１つの曲線は、第５図（ｂ）のタイムチ
ャートにおいて、曲線44として示される。この曲線につ
いて説明する。

電機子コイルの通電の初期は、インダクタンスの為に
立上りは滑らかとなり、次に逆起電力により、曲線44は
中間で凹部となる。

通電の末期では、磁心は飽和に近づくので、誘導常数
が急速に１に近づき、インダクタンスが急減する。実側
によると、曲線44の左端部ではインダクタンスが20ミリ
ヘンリ、右端では、５ミリヘンリ位となる。ただし、入
力が１ワツト〜２ワツト位の電動機の場合である。従つ
て、逆起電力も急減して電機子電流は急増する。更に又
インダクタンスに比例する磁気エネルギも急減するの
で、放出された磁気エネルギは電機子電流を増大せしめ
る結果となる。従つて、第５図（ｂ）の曲線44の右端の
曲線のように、電機子電流が急増し、180度回転したと
きに、電機子電流は切断されるが、このときのピーク値
は実側によると、起動電流とほぼ同じ値となる。

この近傍では、界磁磁界は小さいか零となつているの
で、出力トルクは殆どなく、無効なジュール損失が急増
する。

他の磁極と突極についても事情は全く同じである。

毎分3000回転の電動機とすると、１回転毎に４個の曲
線44が得られるので、毎分12000個の曲線44で示す通電
が行なわれる。この事実は極端な表現をすると、１分間
に1200回起動が行なわれる直流電動機となり、効率の劣
化を招く主原因となつていることが理解される筈であ
る。

又点線44aで示すように、電機子コイルの蓄積磁気エ
ネルギの放出による通電がある。この通電は反トルクと
なるので更に効率を劣化せしめる不都合がある。

上述した欠点を除去するには、第５図（ｂ）の点線46
a,46bで示す点で電機子電流の通電を開始し、又停止し
て、曲線45のように通電することが最適の手段となる。
即ち点線46bの点で電流を切断することがよい。切断さ
れる電流の巾は、一般に30度〜45度位が最適である。

以上の不都合を除去する為の制御回路を第３図（ｂ）
について、次に説明する。

第３図（ｂ）において、直流電源正極より供電される
端子30aにより定電圧回路14を介して通電されているホ
ール素子10（第２図に同一記号で示す）の出力は、オペ
アンプ11aにより増巾され、その出力波形は、第５図
（ｂ）のタイムチャートの曲線51a,51b,…で示される。

オペアンプ11bの出力即ちその電気信号は、第５図
（ｂ）の曲線52a,52b,…として示されている。

曲線51a,52aの形状は、サイン波に相似した形がよ
い。この為にホール素子10は、第１図のマグネツト回転
子６の端面に対向せしめ、端面の着磁の曲線をサイン波
に近いものとすることが有効である。

第３図（ｂ）のＥ点の電気信号は、矩形波整形回路17
aにより矩形波とされ、これが第５図（ｂ）で曲線53a,5
3b,…として示されている。

上記した出力信号は、単安定回路17に入力され、設定
された巾（曲線53aよりせまい巾のもの）の矩形波信号
となり、その巾だけトランジスタ18を導通する。矩形波
整形回路17aの入力信号は、Ｆ点の出力でもよく、この
場合には、第５図（ｂ）の曲線54a,54b,…となる。

トランジスタ18の導通により、トランジスタ19が導通
して、点線IC32のICピン28f,28gを介して接続されるコ
ンデンサ25を抵抗19aを介して充電する。

充電電圧は周知の回転度検出回路の出力と同じとなる
ので、回転速度に比例した電圧となる。

かかる充電電圧は、抵抗20a,20bで分割され、オペア
ンプ12a,12bの一端子の入力となり速度信号電圧とな
る。

速度信号電圧は、第５図（ｂ）において、点線M,Nと
して示されている。

従つて、オペアンプ12a,12bの出力は、曲線51a,52aが
点線M,Nの電圧を越えた分のみを矩形波に整形したもの
となり、これ等が第５図（ｂ）で、曲線42a,42b,…及び
曲線43a,43b,…として示されている。

上記した曲線の巾は、起動時に180度の巾となり、回
転速度の上昇とともにせまくなる。

電機子コイルJ,Kは、IC32のICピン28a,28b,28cに図示
のように接続されている。

電機子コイルJ,Kは、それぞれ第２図の電機子コイル5
a,5c及び電機子コイル5b,5dを示すもので、２個の電機
子コイルは直列若しくは並列に接続され、磁極4a,4cは
それぞれN,S極に励磁される。

磁極4b,4dもそれぞれN,S極に励磁される。

N,P,N型のトランジスタ15a,15bは、電機子コイルJ,K
と電源負極（ICピン30bに接続されている）との間に、
抵抗23aを介して接続されている。ICピン28d,30bには外
付抵抗23aが接続されている。

トランジスタ16a,16bは、それぞれ電機子コイルJ,Kに
並列に接続される。

オペアンプ12a,12bの出力は、アンド回路13a,13bの上
側の入力となつている。又下側の入力は、オペアンプ22
の出力である。

オペアンプ22の出力がローレベルのときには、単安定
回路29の出力もローレベルとなる。従つて、アンド回路
13a,13bの下側の入力は、反転回路を介してハイレベル
となるので、トランジスタ15a,15bの導通巾は180度とな
る。即ち起動時には電機子コイルJ,Kの通電角は180度と
なり、所定の回転速度となると、トランジスタ15a,15b
の導通巾は、第５図（ｂ）の曲線42a,42b,…及び曲線43
a,43b,…の巾となる。

従つて、第５図（ｂ）の曲線44,45で前述したように
効率が上昇する作用がある。

又起動時には、通電巾が180度となつているので、コ
ギングトルクによる起動が確実となる。

一般的な手段によると、オペアンプ11a,11bの出力に
より、それぞれトランジスタ15a,15bを導通するもので
ある。

このときの通電波形は、第５図（ｂ）の曲線44とな
る。本実施例では、曲線45に示すように前端と後端は切
断されている。従つて反トルクは発生することなく、前
端と後端、特に後端の通電によるトルクに無効な通電が
ないのでジュール損失が僅少となり、効率の上昇に寄与
するものである。

本実施例では、更に次に述べる通電制御が行なわれて
いる。次にその説明をする。

抵抗23aの電圧降下（電機子電流に比例している。）
は、増巾回路23を介して、オペアンプ22の＋端子の入力
となる。−端子22a入力は、電機子電流値を指定する為
の基準電圧が入力されている。

オペアンプ22の出力は、単安定回路29及び反転回路を
介してアンド回路13a,13bの下側の入力となる。上側の
入力は、オペアンプ12a,12bの出力である。

電機子電流値が、第１の設定値を越えると、オペアン
プ22の出力はハイレベルに、又第１の設定値より少し低
い第２の設定値より降下すると、オペアンプ22の出力は
ローレベルとなる。

従つて、オペアンプ22はヒステリシス特性を有するも
のが使用される。

上記した通電制御を第４図のタイムチャートにつき説
明する。

第３図（ｂ）において、トランジスタ15aが導通し
て、電機子コイルＪが下方に通電されているときに、ト
ランジスタ15aが不導通に転化すると、蓄積磁気エネル
ギは、トランジスタ16aを介して放電される。若し、180
度の通電とすると、この放電電流は、第５図（ｂ）の点
線44aとなり、反トルクとなり効率が劣化する。

本発明装置では、点線46bの点で通電が断たれるの
で、放電電流は正トルクとなる。従つて、蓄積磁気エネ
ルギーは正トルクとなるので、効率が上昇する効果があ
る。トランジスタ15b,16bについても事情は全く同じで
ある。

上述したトランジスタ16a,16bのベース入力は、Ｆ点,
E点の出力を矩形波整形回路26a,26bにより整形されたも
のとなつている。

従つて、トランジスタ16aの導通区間は、トランジス
タ15aの導通している区間を含んで、電機子コイルＪが
逆起電力により、上方に通電せしめられる区間となる。

逆起電力により、電機子コイルＪを下方に通電せしめ
る他の180度の区間は、トランジスタ16aのベース入力は
ハイレベルとなり不導通に保持されている。従つて、か
かる逆起電力による電機子コイルの通電が阻止されるの
で反トルクの発生が防止される。

トランジスタ15b,16bの導通制御による作用も全く同
じ事情にある。従つて、電機子コイルJ,Kの通電が断た
れたときの蓄積磁気エネルギによる放電電流のみがトラ
ンジスタ16a,16bを介して放電され、この通電によるト
ルクは前述したように正トルクとなる。

周知の手段によると、蓄積磁気エネルギは、トランジ
スタ15a,15bに並列に接続されたツエナダイオードを介
して放電されるので、すべて熱損失となり、又極めてみ
じかい時間に放電されるので、機械ノイズを発生する不
都合がある。特に、トランジスタ15a,15bが180度の巾の
導通角となつているので、第５図（ｂ）の曲線44の右端
のように、大きい電流による大きい蓄積磁気エネルギの
放電となるので、上述した欠点が助長される。

本発明装置によると、かかる欠点が除去される効果が
ある。

電源が投入されたときに、第３図（ｂ）の単安定回路
29の出力はローレベルとなつているので、反転回路を介
するアンド回路13a,13bの下側の入力はハイレベルとな
り、トランジスタ15aは導通し、電機子コイルＪは通電
され、その電流は、インダクタンスの為に、第４図のタ
イムチャートの曲線40aのように上昇する。

従つて、オペアンプ22の＋端子の入力電圧も上昇し、
−端子の規準電圧を越えると、オペアンプ22の出力はハ
イレベルとなり、その後の設定時間だけ、単安定回路29
の出力がハイレベルとなる。

反転回路を介するアンド回路13aの入力はローレベル
となるので、アンド回路13aの出力がローレベルとな
り、トランジスタ15aは不導通に転化する。

トランジスタ16aを介する通電電流は、第４図の曲線4
1aに示すように降下する。

設定時間経過すると、単安定回路29の出力がローレベ
ルとなるので、アンド回路13aの下側の入力がハイレベ
ルとなり、トランジスタ15aは再び導通されて、曲線40b
のように電流が上昇する。

上述した場合に、オペアンプ22が、ハイレベルに転化
すると電機子電流が断たれて、減少するので、オペアン
プ22のヒステリシス特性により、若干減少したときに、
出力がローレベルに転化して、その後に単安定回路29の
入力もローレベルとなるものである。

上述した動作を繰返すので、電機子電流の曲線は、第
４図の曲線40a,41a,40b,41b,…となり、所定の通電区間
（第５図（ｂ）の曲線42aの巾）をすぎると、アンド回
路13aの出力がローレベルとなり、通電が停止される。
その後のトランジスタ16aを介する通電があるが、正ト
ルクとなる。

又この電流は、ツエナダイオードの場合と異なり、比
較的ゆるい降下曲線となつているので、機械ノイズの発
生が抑止される効果がある。

第４図の通電曲線の高さは出力トルクを指定するもの
となるが、負荷が変つたときには、外付抵抗23aを変更
すればよい。又電源電圧が５ボルトでなく、12ボルト、
24ボルトと変更されても差支えない。従つて、IC化した
ときに、すべて同一のICが利用できるので有効な技術手
段を供与できるものである。

電機子コイルＫの通電の場合のトランジスタ15b,16b,
オペアンプ22の動作も全く同じで、同じ作用効果を有す
るものである。

第４図の矢印39の巾が、第５図（ｂ）の曲線42a若し
くは曲線43aの巾となるものである。又点線間の矢印39a
の巾が、単安定回路29のハイレベルの出力巾となるもの
である。

回転速度が上昇すると、第５図（ｂ）の点線M,Nが上
方に移動する。従つて、曲線42a,42b,…，曲線43a,43b,
…の巾がせまくなり、出力トルクが減少するので、定速
制御が行なわれる効果がある。

次の効果もある。径が30ミリメートル以下の小型電動
機となると、電機子コイルの巻線のスペースが小さく限
定される。

印加電圧は、一般に、５ボルト〜24ボルト位の範囲の
ものが使用される。フアン電動機として、電子機器の回
路の冷却用とした場合には、この電源電圧によりフアン
電動機が使用されるものである。

このときに、24ボルトが印加電圧となると、電機子コ
イルは、細線を数多く撤回して作られる。従つて銅損を
増加し効率を劣化せしめる欠点がある。

このときに、動電機を５ボルトの定格値とすると、上
記した欠点が除去される。

この電動機を12ボルト,24ボルトで使用する場合にも
定電流回路となつているので同じICが使用できる。負荷
が変る場合には、抵抗23aを変更して、出力を設定値と
するように電機子電流を規制できる。

従つて、効率の劣化を防止することができる。又同一
の電動機により、IC32を利用して、負荷の異なる場合に
外付抵抗23aの変更のみで対応できる特徴がある。第４
図のタイムチャートで判るように、電機子電流が断続を
繰返すので、電機ノイズを発生する。電子回路の冷却フ
アンとして使用すると、電機ノイズにより、電子回路の
動作を不安定とする不都合がある。

上述した場合には、第３図（ｂ）の抵抗23aの値を小
さくして、定格運転時（１般に電機子電流が20〜40ミリ
アンペアとなる。）には、第３図（ｂ）のトランジスタ
15a,15bのオンオフの制御を停止した状態とし、起動時
若しくは事故により電動機が停止したときのみ、トラン
ジスタ15a,15bのオンオフの制御を行なつて、電動機の
焼損を防止し、又トランジスタの容量が大きくなること
を避けて、IC化を容易とすることができる。

上述した場合には、印加電圧が異なる場合に、IC化し
た第３図（ｂ）の回路を共通に使用することはできな
い。印加電圧が異なる場合には、電機子コイルの巻線の
仕様を変更して対応する必要がある。

第３図（ｂ）の抵抗20a,20bの接合点の出力電圧をオ
ペアンプ（図示せず）＋端子の入力とし、規準正電圧を
−端子の入力とし、該オペアンプの出力をオペアンプ12
a,12bの−端子の共通の入力とする。

上述した回路の変更によると、抵抗20bの電圧降下
が、規準電圧より小さいときには、オペアンプ12a,12b
の出力は負電圧（ローレベル）となる。又逆の場合に
は、入力電圧差に対応した正電圧となる。

従つて、規準正電圧の大きさに対応した定速制御が行
なわれ、又負荷に対応して、第５図（ｂ）の点線M,Nの
高さが変更される。

前述した定速制御より精度の高いものが得られる。

ホール素子17の感度を１定に保持すること、及び対向
する磁界の分布曲線を１定に保持することは、量産時に
困難な技術となるもので、特にIC化した場合には問題と
なる。

本実施例の２つの定速制御の手段によると、ホール素
子17の感度及び磁界の分布曲線の形状と無関係に、トラ
ンジスタ15a,15bの導通角が負荷に対応した設定された
値となるように自動的に調整されるので、IC化した場合
に有効な技術手段を供与できるものである。

次に、第３図（ｂ）の回路をIC化した場合を説明す
る。

第３図（ｂ）の回路を周知の手段によりIC化すると、
小型偏平となり小型電動機の外筐内に収納することがで
きるので有効な技術手段を供与できる。点線32の内部が
IC化されるものである。ホール素子10は、ICのベースと
なるシリコンにより作ることがよい。ガリウムアルセナ
イドをベースとしてもよい。

IC32の一部に作られたホール素子10は、マグネツト回
転子６（第1,2図示）の磁極に対向している。例えば第
１図の点線32で示すように、ホール素子10が磁極6a,6b,
…の端面に対向するように、固定電機子側にIC32を固定
する。

ICの厚さは１ミリメートル位なので、問題なく上述し
た位置に固定することができる。尚ホール素子10が磁極
に対向するように取付ける為に、IC32のホール素子10の
位置を外部から判る目印が必要となる。例えば、ホール
素子10の位置に凹部を設けることがよい。この場合に
は、主磁極6a,6b,…と同位相、同じ巾の端面着磁面にIC
32を対向して設ける。

コアレスの偏平な電動機の場合には、主磁極に対向せ
しめることができる。

従来の技術によると、ホール素子10の配線が４本あ
る。従つて配線が錯雑で事故が多いが、本実施例によれ
ば、かかる欠点が除去され、しかも全体の小型化に効果
がある。

起動時において、第３図（ｂ）のコンデンサ25の電圧
は、第５図（ｂ）の点線47のように上昇し、点線49aの
点で上昇が停止する。この点の電圧が回転速度に比例す
る電圧となるものである。

点線48の電圧は、オペアンプ21の＋端子即ち端子21a
の規準電圧である。

このときに、オペアンプ21の出力端子（ICピン28a）
の出力はローレベルとなつている。

事故により、電動機が停止すると、トランジスタ18の
ベース入力が消滅するので、トランジスタ18,19は不導
通となり、コンデンサ25は、抵抗20a,20bにより放電す
る。

従つて、第５図（ｂ）の点線50で示すようにオペアン
プ21の−端子の入力は降下し、点線48より下側にくる
と、オペアンプ21の出力はハイレベルとなる。

従つて、この出力により警報装置（例えばブザー）を
作動せしめることができる。

電機回路冷却用のフアン電動機の場合には、電子回路
の電源を断つこともできる。

この状態でも、オペアンプ22,アンド回路13a,13bによ
る定電流回路は作動しているので、発動機の停止による
過大な電流による焼損が自動的に防止されるのは、本発
明装置の効果である。

以上の効果がある為に、事故の原因が除去されたとき
に、発動機の回転が自動的に復帰し、オペアンプ21の−
端子の入力電圧が上昇し、警報装置も停止し、電子回路
の電源の投入も自動的に復帰する効果がある。単安定回
路17は、その入力の立上りの点の微分出力により付勢さ
れて、矩形波の出力が得られるように構成されている。
次に、第３図（ａ）の実施例につき説明する。

第３図（ｂ）と異なつているのは、トランジスタ15a,
15bの導通制御手段である。オペアンプ11a,11bの出力
は、矩形波とされ、第５図（ａ）のタイムチャートで、
曲線35a,35b,…及び曲線36a,36b,…として示されてい
る。

上記した曲線の巾だけトランジスタ15a,15bが導通す
るので、反トルクの発生を小さくする為に、コギングト
ルクによる自起動ができる範囲内において、できるだけ
曲線の巾は、180度より小さくされる。曲線33a,33b,…
及び曲線34a,34b,…は、ホール素子10の出力曲線であ
る。これによる180度の巾の通電とすると、電機子電流
曲線は、曲線37となり、曲線37aの部分が反トルクとな
るからである。

第３図（ａ）の抵抗23a,増巾回路23,オペアンプ22,単
安定回路29の作用効果は、第５図（ｂ）の同一記号のも
のと全く同じである。

アンド回路13a,13bの出力がハイレベルとなり、トラ
ンジスタ15a,15bを導通するのは、第５図（ａ）の曲線3
5a,35b,…と曲線36a,36b,…の巾の区間で、単安定回路2
9の出力がローレベルのときである。

電機子コイルJ,Kを流れる電流は、前実施例と同様
に、第５図（ａ）の曲線38a,38b,…となり、矢印39aの
巾即ち電流の降下部の巾は、単安定回路29のハイレベル
の出力巾と等しくなる。

点線35は、位置検知信号を示し、電流の平均の大きさ
は、第３図（ａ）の抵抗23a若しくは、規準電圧端子22a
の電圧を変更することにより変更できる。

トランジスタ16a,16bの作用効果も第５図（ｂ）の同
一記号のトランジスタと全く同じである。

従つて、外付抵抗23aの大きさ及び規準電圧端子22aの
電圧により、出力トルクを変更することができる。

第３図（ａ）の単安定回路55は、オペアンプ11aの出
力（第５図（ａ）の曲線35a,35b,…の始端部の電圧）に
より付勢され、出力端子55aの出力は、第５図（ａ）の
タイムチャートの曲線56a,56b,…となり、設定された巾
となつている。アンド回路41aの上側の入力は、曲線35
a,35b,…となり、下側の入力は曲線56a,56b,…を反転し
た曲線57a,57b,…となる。

アンド回路41aの出力は、曲線35aと曲線57aの重なつ
た部分のみとなるので、その出力により、フリツプフロ
ツプ回路41のＳ端子が付勢されて、Ｑ端子の出力はハイ
レベルとなり、この信号がICピン24eより出力されてい
る。

回転速度が設定された速度を越えると、曲線35aの巾
が曲線56aの巾より小さくなるので、アンド回路41aの出
力はローレベルに転化される。

アンド回路41bの入力は、曲線35a,35b,…を反転した
曲線58a,58b,…及び曲線56a,56b,…となるので、アンド
回路41aの出力が上述したようにローレベルに転化した
ときには、曲線56aと曲線58aの重なつた部分が発生し、
アンド回路41bの出力がハイレベルとなり、フリツプフ
ロツプ回路41のＲ端子を付勢する。従つて、フリツプフ
ロツプ回路41の端子即ちICピン24eの出力はローレベル
となる。

回転速度が設定速度を越えている場合には、アンド回
路41bの出力はローレベルに保持されている。

以上の説明より判るように、ICピン24eの出力は、設
定された回転速度より低い場合にはハイレベルの出力と
なり、高い場合にはローレベルの出力となる。従つて第
３図（ｂ）のオペアンプ21の出力の性質と同じ出力信号
となるので、電動機の事故により停止した場合の警報，
又このときの被冷却電子回路の電源のオンオフの処理及
び事故復帰後において電動機が焼損することなく、自動
的に回転し始める作用効果がある。警報信号により、電
源のオンオフを制御する場合には、電源投入後に、設定
された回転速度に上昇するまで、電源のオフ作用を不作
用に保持する手段が必要となるものである。この手段は
周知の時定数回路を利用して、オペアンプ21の出力信号
をローレベルに保持すればよい。第３図（ｂ）の回路の
場合にも同じ手段が採用されるものである。

第３図（ａ）の点線32はICを示し、ICピンは記号30a,
24a,24b,24d,30b,24eとして示されている。

第３図（ｂ）のコンデンサ25が除去されているので、
外付部品が１個減少する利点がある。

第３図（ａ）のアンド回路41a,41b,フリツプフロツプ
回路41によるＱ端子の出力は回転速度検出信号となつて
いるので、第３図（ｂ）の回路に適用することができ
る。

上述した場合には、Ｑ端子の出力は反転回路で反転さ
れ、設定回転速度以下のときにはローレベルとなり、こ
れを越えるとハイレベルとなるように変更され、このハ
イレベルの信号が、第３図（ｂ）の抵抗20a,20bの印加
電圧となるようにすることにより目的が達成される。

当然であるが、このときには、記号17,17a,18,19,25,
21で示す部材は除去されるものである。

〔効果〕

上述したように第１の効果は、電機子コイルの通電制
御をNPN型のトランジスタにより行なつているので、電
圧損失が小さくなり、最も多く使用される５ボルト電源
の場合にも効率の低下が防止できる。

第２の効果は、トランジスタ16a,16bにより、蓄積磁
気エネルギの放電を行なつているので機械ノイズを減少
し、又出力トルクを増加せしめる。

第３の効果は、通電巾を180度より小さくし、定電流
制御をすることにより効率を上昇せしめている。

第４の効果は、通電流回路とすることにより、使用す
る電源電圧が変つても同じ制御回路が利用できる。

IC化した場合に特に有効な手段となる。

第５の効果は、制御回路をIC化したときに、磁電変換
素子（ホール素子）を収納して構成でき、更に外付部品
を少なくでき、１個のICで電動機が駆動できる。

第６の効果は、フアン電動機とした使用した場合等
に、事故により電動機が停止したとき、電機子電流を所
定値に保持して焼損を防止し、又同時に警報信号が出力
されるので、所要の処置をすることができる。

事故が消滅されると、自動的に警報信号が消失され、
発動機の回転が復帰する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明装置の平面図、第２図は、マグネツト
回転子及び電機子の展開図、第３図は、本発明装置に使
用される電機子コイルの通電制御回路図、第４図は、電
機子電流曲線の制御を示すタイムチャート、第５図は、
位置検知信号と電機子電流曲線のタイムチャートをそれ
ぞれ示す。 １……回転軸、２……円筒、３……べアリング、4,4a,4
b,…,4d……磁心と突極、5a,5b,…5d,J,K……電機子コ
イル、6,6a,…6d……マグネツト回転子、10……ホール
素子、13……軟鋼カツプ、32,32a……IC、14……定電圧
回路、30a,30b……直流電源正負端子、11a,11b,12a,12
b,21,22……オペアンプ、13a,13b……アンド回路、17a,
26b,26a……矩形波整形回路、17,29,55……単安定回
路、25……コンデンサ、15a,15b,16a,16b,18,19……ト
ランジスタ、23……増巾回路、21a,22a……規準電圧端
子、30a,30b,24a,24b,28a,28b,…,28g……ICピン、33a,
33b,…,34a,34b……ホール出力曲線、35a,35b,…36a,36
b,…51a,51b,…52a,52b,…,53a,53b,…54a,54b,…42a,4
2b,…43a,43b,……位置検知信号曲線、56a,56b,…57a,5
7b,……単安定回路55の出力曲線、37,38a,38b,…40a,41
a,40b,…44,45……電機子電流曲線、48……端子21aの電
圧曲線、47……コンデンサ25の電圧曲線。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】等しいピッチで配設された偶数個の１相の
   電機子コイルを備えた固定電機子と、回転子の内側に設
   けた界磁磁極を備え、該磁極と電機子コイルが対向して
   回転するマグネツト回転子を有する１層の電動機におい
   て、電機子コイルと電機子の磁極が完全に対向したとき
   の出力が零となる位置において、固定電機子に、マグネ
   ツト回転子に対向して固定され、１相の位置検出信号を
   発生する１個の磁電変換素子と、該磁電交換素子の出力
   を増巾して、N,S極に対向したとき、それぞれ第1,第２
   の電気角で180度より少し小さい角度で、矩形波の位置
   検知信号を得る電気回路と、バイフアラ巻きされた第1,
   第２の電機子コイルよりなる前記した１相の電機子コイ
   ルと、第1,第２の電機子コイルに供電する直流電源正負
   極と、第1,第２の電機子コイルと直流電源負極との間に
   直列にそれぞれ挿入されたNPN型の第1,第２のトランジ
   スタと、第1,第２の電機子コイルのそれぞれに並列に接
   続された第3,第４のトランジスタと、第1,第２の位置検
   知信号により、それぞれ第1,第２のトランジスタを交互
   に導通して第1,第２の電機子コイルの通電制御を行なう
   第１の通電制御回路と、第１の位置検知信号の巾より設
   定された巾だけ大きい巾の区間だけ第３のトランジスタ
   を導通せしめ、第２の位置検知信号の巾より設定された
   巾だけ大きい巾の区間だけ第４のトランジスタを導通せ
   しめる電気回路と、電機子電流を検出して、該電流値に
   比例する電流検出信号を得る電流検出回路と、電機子電
   流が第１の設定値に達すると第1,第２のトランジスタを
   不導通に転化し、第3,第４のトランジスタを介する電流
   が第２の設定値まで降下すると第1,第２のトランジスタ
   を導通せしめる第２の通電制御回路と、回転速度の検出
   回路と、該検出回路の出力信号により、回転速度が設定
   値より降下した電動機の異常状態を報知する電気信号が
   得られる電気回路と、コギングトルクによる自起動手段
   とより構成されたことを特徴とする１相の半導体電動
   機。
2. 【請求項２】等しいピッチで配設された偶数個の１相の
   電機子コイルを備えた固定電機子と、回転子の内側に設
   けた界磁磁極を備え、該磁極と電機子コイルが対向して
   回転するマグネツト回転子を有する１相の電動機におい
   て、電機子コイルと電機子の磁極が完全に対向したとき
   の出力が零となる位置において、固定電機子に、マグネ
   ツト回転子に対向して固定され、１相の位置検出信号を
   発生する１個の磁電変換素子と、該磁電交換素子の出力
   を増巾して、N,S極に対向したとき、それぞれ第1,第２
   の位置検知信号を得る電気回路と、回転速度を検出する
   信号を出力する回転速度検出回路と、該回転速度検出回
   路の出力信号と第1,第２の位置検知信号のそれぞれを比
   較して、前者より後者の電圧が越えた部分のみを矩形波
   の第3,第４の位置検知信号として出力する比較回路と、
   バイフアラ巻きされた第1,第２の電機子コイルよりなる
   前記した１相の電機子コイルと、第1,第２の電機子コイ
   ルに供電する直流電源正負極と、第1,第２の電機子コイ
   ルと直流電源負極との間に直列にそれぞれ挿入されたNP
   N型の第1,第２のトランジスタと、第1,第２の電機子コ
   イルのそれぞれに並列に接続された第3,第４のトランジ
   スタと、第3,第４の位置検知信号により、それぞれ第1,
   第２のトランジスタを交互に導通して第1,第２の電機子
   コイルの通電制御を行なう第１の通電制御回路と、第１
   の位置検知信号の巾だけ第３のトランジスタを導通せし
   め、第２の位置検知信号の巾だけ第４のトランジスタを
   導通せしめる電気回路と、電機子電流を検出して該電流
   値に比例する電流検出信号を得る電流検出回路と、電流
   値が第１の設定値を達すると第1,第２のトランジスタを
   不導通に転化し、第3,第４のトランジスタを介する電流
   が第２の設定値まで降下すると第1,第２のトランジスタ
   を導通せしめる第２の通電制御回路と、前記した回転速
   度検出回路の出力信号により、回転速度が設定値より降
   下した電動機の異常状態を報告する電気信号が得られる
   電気回路と、コギングトルクによる自起動手段とより構
   成されたことを特徴とする１相の半導体電動機。