JP3163285B2

JP3163285B2 - 同期モータ

Info

Publication number: JP3163285B2
Application number: JP27182398A
Authority: JP
Inventors: 文人小松
Original assignee: 文人小松
Priority date: 1998-06-12
Filing date: 1998-09-25
Publication date: 2001-05-08
Anticipated expiration: 2018-09-25
Also published as: JP2000125580A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は同期モータに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、例えばＯＡ機器には、冷却用のＤ
Ｃ或いはＡＣファンモータが装備されており、特に高回
転数を要する機器には２極或いは４極のＡＣファンモー
タが好適に用いられる。

【０００３】発明者は既に、電機子コイルに接続する整
流回路にダイオード、ブラシ、コミュテータを装備し、
交流電源より供給された交流電流を整流しながら永久磁
石ロータを付勢するように回転させて直流モータとして
起動運転し、永久磁石ロータの回転を同期回転付近まで
立ち上げ、その時点でコミュテータを機械的に整流回路
から脱除して交流電源による同期運転に切り換える同期
モータを提案した（特願平７−２３２２６８号、特願平
８−１０６９２９号他）。この同期モータは、２極の場
合、回転数が３０００ｒｐｍ（５０Ｈｚ）又は３６００
ｒｐｍ（６０Ｈｚ）程度の高回転数を有し、小型でしか
も効率が良く汎用性も高いので、例えばＡＣファンモー
タ等には好適に用いられる。

【０００４】例えばアウターロータ方式の２極同期モー
タの構成について図１２及び図１３を参照して説明す
る。先ず、ロータ側の構成について説明すると、コミュ
テータ５１は、出力軸５２の軸方向に移動可能に設けら
れており、後述するように起動運転から同期運転への切
換えを機械的に行う。このコミュテータ５１の周囲に
は、１８０°ずつ２極に着磁されたリング状の永久磁石
ロータ（図示せず）が、同軸に設けられており、電機子
コイル５６に通電して形成される磁極との反発により起
動回転する。またコミュテータ５１の外周には中心角が
１８０°より小さい導電性摺動リング５３が設けられて
いる。このコミュテータ５１は、永久磁石ロータ（図示
せず）が起動運転から同期回転数付近に到達すると、図
示しないウェイトの遠心力によりコイルバネ（図示せ
ず）の付勢力に抗して軸方向に移動して単相交流電源５
４と整流回路５５との接続から電機子コイル５６との接
続へスイッチ５７を切り換えるようになっている。

【０００５】次にステータ側の構成について説明する
と、電機子コイル５６は、Ａコイル及びＢコイルを有す
る２つのコイルセグメントから成っている。このＡコイ
ル及びＢコイルは、モータの回転方向に合わせて所定の
巻き方向に所定の巻数で図示しないボビンに巻き付けら
れている。給電ブラシ５８ａ，５８ｂは、コミュテータ
の外周に設けられた導電性摺動リング５３に摺接して交
互に給電を行うため、１８０°位相が異なる位置に対向
配置されている。また、Ａ側受電ブラシ５９ａ，５９ｂ
はＡコイルに整流電流を供給するものであり、Ｂ側受電
ブラシ６０ａ，６０ｂはＢコイルに整流電流を供給する
ものである。このＡ側受電ブラシ５９ａ，５９ｂ及びＢ
側受電ブラシ６０ａ，６０ｂは、少なくとも一方が導電
性摺動リング５３に摺接して交互に受電が行われるた
め、ほぼ１８０°位相が異なる位置に対向配置されてい
る。Ａ側受電ブラシ５９ａ，５９ｂ及びＢ側受電ブラシ
６０ａ，６０ｂにはダイオード６１ａ，６１ｂ及びダイ
オード６２ａ，６２ｂにより単相交流電源５４からの交
流電流を半波整流してＡ，Ｂコイルにそれぞれ供給す
る。給電ブラシ５８ａ，５８ｂ、Ａ側受電ブラシ５９
ａ，５９ｂ及びＢ側受電ブラシ６０ａ，６０ｂは、ハウ
ジング６３に設けられた導電性を有する板バネ６４ａ，
６４ｂ、板バネ６５ａ，６５ｂ及び板バネ６６ａ，６６
ｂによって径方向中心に付勢されており、導電性摺動リ
ング５３に摺接可能になっている。

【０００６】電機子コイル５６に接続する整流回路５５
に交流電源５４より供給された交流電流を整流しながら
永久磁石ロータ（図示せず）を付勢するように回転させ
て直流モータとして起動運転し、該永久磁石ロータの回
転を同期回転付近まで立ち上げ、その時点でコミュテー
タ５１を機械的に整流回路５５から脱除してスイッチ５
７を切り換えて交流電源５４と電機子コイル５６を短絡
して永久磁石ロータ（図示せず）を同期運転に移行する
ようになっている。尚、図１２おいてＣ₁，Ｃ ₂，Ｃ₃
はサージ電流を吸収するためのコンデンサである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した特願平７−２
３２２６８号、特願平８−１０６９２９号などに開示さ
れた同期モータは、直流モータで同期回転数付近まで起
動運転し、同期回転数付近に到達するとコミューテータ
５１を機械的に軸方向にスライドさせることで整流回路
５５との接続を切り離すようスイッチ５７の切換えを行
うように設計されていたため、モータの消費電力効率は
従来の誘導モータに比べて格段に向上できるメリットが
ある反面、部品点数が多く機構的に複雑化するうえに、
モータを小型化する上で限界があった。また、起動運転
から１回の同期引き込み動作で同期運転に移行すればよ
いが、コミューテータのスライドによる切換えがスムー
ズに行われなかったり、負荷によっては脱調して起動運
転から再度立ち上げ直す必要があり切換え動作の確実性
に問題点があった。また、複数のブラシと導電性摺動リ
ングとの接離動作を繰り返すため、ブラシの摩耗や摺接
が不十分となり易く、５０Ｗ以上の高出力のモータにお
いては起動運転において電流方向を切り換えるとスパー
クが発生し易く、同期モータの安全性、信頼性に問題点
があった。

【０００８】本発明は上記従来技術の課題を解決すべく
なされたものであり、その目的とするところは、時代の
要請に応える省エネタイプの同期モータを実現するため
に、起動運転から同期運転への移行を確実に行え、信頼
性も高く、しかも小型化を実現した同期モータを提供す
ることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を達成
するため次の構成を有する。すなわち、ハウジング内に
出力軸を中心に回転可能に設けられた永久磁石ロータ
と、永久磁石ロータの回転数及び磁極位置を検出する第
１の検出手段と、交流電源の周波数を検出する第２の検
出手段と、ステータコアの周囲にＡコイル及びＢコイル
が中間タップを介して直列に巻回された電機子コイルを
有するステータと、交流電源と電機子コイルの中間タッ
プとが接続されて該交流電源に対してＡコイル及びＢコ
イルが並列に接続され、Ａコイルに整流電流を流すため
の第１、第２ダイオードと該整流電流の向きを交互に切
換えて流すためにスイッチング制御可能な第１、第２ト
ランジスタとが各々並列に組合わされて接続され、Ｂコ
イルに整流電流を流すための第３、第４ダイオードと該
整流電流の向きを交互に切換えて流すためにスイッチン
グ制御可能な第３、第４トランジスタとが並列に組合わ
されて接続されており、交流電源の交流電流を第１〜第
４ダイオードにより整流し、整流電流を永久磁石ロータ
の回転角度に対応してＡコイル又はＢコイルに交互に流
すよう第１〜第４トランジスタをスイッチング制御して
永久磁石ロータを直流ブラシレスモータとして起動運転
する起動運転回路と、交流電源とＢコイルとが接続され
て該交流電源に対してＡコイル及びＢコイルが直列に接
続され、永久磁石ロータを交流同期モータとして同期運
転する同期運転回路と、交流電源と中間タップとが接続
された起動運転回路と、交流電源とＢコイルとが接続さ
れた同期運転回路とで接続を切り換える切換えスイッチ
と、電機子コイルに流れる整流電流の電流方向を交互に
切換え、かつ永久磁石ロータが１回転する間の電機子コ
イルへの通電角度範囲を、Ａコイルへの通電角度範囲の
方がＢコイルへの通電角度範囲より大きくなるよう起動
運転回路の第３、第４トランジスタをＯＮ／ＯＦＦして
整流電流がＡコイルへ収斂するように起動運転し、第１
の検出手段により検出された永久磁石ロータの回転数が
第２の検出手段により検出される電源周波数に対して同
期回転数付近に到達したときに、Ｂコイルに接続する第
３、第４トランジスタを全てＯＦＦしＡコイルに接続す
る第１、第２トランジスタを全てＯＮにして、前記切換
えスイッチを中間タップからＢコイルへ接続を切り換え
て同期運転回路による同期運転へ移行するよう制御する
制御手段とを備えたことを特徴とする。これによって、
起動運転回路にブラシやコミュテータが不要であるた
め、起動運転において電流方向を切り換える際にスパー
クの発生を防止して信頼性、安全性の高く、任意の電源
周波数に対して同期運転可能な同期モータを提供でき
る。また、起動運転において、Ｂコイルに接続する第
３、第４トランジスタを全てＯＦＦしＡコイルに接続す
る第１、第２トランジスタを全てＯＮ状態にして、切換
えスイッチを中間タップからＢコイルへ接続を切り換え
て同期運転に移行するので、起動運転回路のショートを
防止して同期運転に移行することができる。また、従来
のようにコミューテータやブラシなどの機械部品を省略
できるので、モータの小型化も促進でき、製造コストも
低減できる。

【００１０】また、起動運転回路において、第３、第４
ダイオードと第３、第４トランジスタとが各々並列に組
合わされてＢコイルへ接続された正側及び負側のうちの
１組を省略して、ＡコイルがＢコイルより整流電流が多
く流れるように起動運転することを特徴とする。また、
第１の検出手段は、Ａコイル及びＢコイルへ通電する電
流方向及び通電する範囲を各々規定するスリットが形成
された永久磁石ロータの回転数及び磁極位置を検出する
検出手段を備えており、該検出手段の出力信号に基づい
て制御手段は起動運転において起動運転回路の第１〜第
４トランジスタをスイッチング制御してＡコイルがＢコ
イルより整流電流が多く流れるように制御することを特
徴とする。このような制御動作によって、起動運転から
同期運転への切換え動作が確実かつスムーズに行われ
る。また、制御手段は、同期モータが脱調した場合に、
同期運転から一旦起動運転に移行した後、再度同期運転
に移行するよう切換えスイッチを繰り返し切換え制御す
ることにより、動作信頼性、安定性の高い同期モータを
提供することができる。また、ステータコアは主コアに
永久磁石ロータの回転方向と逆方向に延出する補助コア
が設けられており、主コアの透磁率は補助コアより大き
くなるように設計された場合には、起動時における永久
磁石ロータの回転死点を解消して回転方向性を安定化す
ることが可能である。また、ステータは、ステータコア
に装着され、永久磁石ロータの回転中心と直交する方向
に伸びる巻芯及び該巻芯の両端にフランジを有するボビ
ンに、Ａコイル及びＢコイルが連続して巻回されている
場合には、ステータコアを挿通する出力軸による無駄な
空間が生じないので、巻芯エリアを拡大して占積率を高
め、モータの出力効率を高めることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、発明の好適な実施の形態を
添付図面に基づいて詳細に説明する。本実施例では、同
期モータのうち２極同期モータを用いて説明するものと
する。図１は２極同期モータの起動運転時の回路構成
図、図２は２極同期モータの同期運転時の回路構成図、
図３（ａ）（ｂ）は２極同期モータのハウジング内に装
備された永久磁石ロータの外観図及び２極同期モータの
上視図、図４（ａ）〜（ｄ）は２極同期モータ正断面説
明図、上ハウジングの内視図、底面図及びステータコイ
ルの上視図、図５は起動運転回路の電機子コイルに印加
される電圧波形と永久磁石ロータの回転角度との関係を
示すグラフ図である。

【００１２】先ず、図３及び図４を参照して２極同期モ
ータの全体構成について説明する。図３（ａ）におい
て、１は回転子及び固定子を収容するハウジング本体で
あり、その上下は上ハウジング２及び下ハウジング３に
より覆われている。ハウジング１内には出力軸４を中心
に永久磁石ロータ５が回転可能に内蔵されている。出力
軸４は上ハウジング２及び下ハウジング３において、ベ
アリング軸受６，７により回転可能に支持されている。
このベアリング軸受６，７としては、電機子コイルに形
成される磁界の乱れを考慮して、非磁性の材料、例えば
ステンレスが好適に用いられる。また、図４（ｃ）に示
すように、下ハウジング３には、後述する電機子コイル
９に配線するための配線用穴３ａが形成されている。

【００１３】また、永久磁石ロータ５は、筒状のロータ
ヨーク５ａの内壁にＮ極及びＳ極にほぼ１８０°ずつで
着磁されたリンク状のマグネット５ｂが保持されてい
る。この永久磁石ロータ５は電機子コイルに通電して形
成される磁極との反発により出力軸４を中心に起動回転
するようになっている。このマグネット５ｂとしては、
例えば、フェライト，ゴムマグネット，プラスチックマ
グネット，サマリュウムコバルト，希土類のマグネッ
ト，ネオジ鉄ボロンなどを原材料として安価に製造する
ことができる。

【００１４】図４（ａ）において、永久磁石ロータ５に
囲まれた空間部には、ステータコア８の周囲にＡコイル
及びＢコイルが中間タップ３８を介して直列に巻回され
た電機子コイル９を有するステータ１０が内蔵されてい
る。このステータコア８は、図４（ｄ）に示すように、
主コア８ａと該主コア８ａの周囲には永久磁石ロータ５
の回転方向と逆方向に延出する補助コア８ｂが設けられ
ている。また、主コア８ａの透磁率は補助コア８ｂより
大きくなるように設計されており、主コア８ａはケイ素
鋼板よりなる積層コアが好適に用いられ、補助コア８ｂ
としてはＳＰＣ材（冷間圧延鋼板）が好適に用いられ
る。永久磁石ロータ５は各磁極が主コア８ａと補助コア
８ｂとの磁気抵抗が最小になる位置（即ち、主コア８ａ
と対向する位置より補助コア８ｂ側にずれた位置）で停
止するようになる。よって、起動時におけるトルクの死
点を解消することができ、永久磁石ロータ５の起動時の
回転方向性を安定化することができる。また、ステータ
コア８はボビン１１と一体に嵌め込まれ、該ボビン１１
の周囲には電機子コイル９がＡコイル及びＢコイル毎に
各々分けることなく連続して巻回されている。このよう
に、ホビン１１に対して巻芯エリアを広く確保して占積
率を高めて巻回されているので、２極３スロット型のモ
ータに比べて電機子コイル９の巻数を増やして、モータ
の出力効率の向上に寄与できる。

【００１５】図３（ａ）及び図４（ａ）において、上ハ
ウジング２内には、永久磁石ロータ５の回転数及び磁極
位置を検出する第１の検出手段として光センサ１２が装
備されている。この光センサ１２は、例えば投光用光源
と受光素子を備えた光検出素子１２ａと、マグネット５
ｂの磁極位置に応じて遮光部分１３ａと透光する透光部
分１３ｂが１８０°ずつ形成された回転円板１３とを装
備している。回転円板１３は、永久磁石ロータ５と一体
に取り付けられており、これらは出力軸４を中心に一体
となって回転する（図４（ｂ）参照）。光センサ１２は
回転円板１３により永久磁石ロータ５の回転数及び磁極
位置を検出するもので、光検出素子１２ａは回転数に応
じたパルスを発生させ、磁極位置に応じて後述する制御
手段により所定のタイミングで起動運転回路１４をスイ
ッチング制御したりする。光検出素子１２ａは、図３
（ａ）（ｂ）に示すように、上ハウジング２の内壁に螺
子止めにより固定されている。尚、光センサ１２は、光
透過型に限らず、反射型のセンサを用いても良い。ま
た、光センサ１２の他の回転数検出手段として、ホール
素子、磁気抵抗素子、コイルなどを用いた磁気センサ、
高周波誘導による方法、キャパシタンス変化による方法
など様々をものが適用可能である。

【００１６】次に、２極同期モータを起動運転する起動
運転回路、同期運転回路及びこれらの回路をスイッチン
グ制御する制御手段の構成について図１及び図２を参照
して説明する。図１において、起動運転回路１４は、単
相交流電源１５に電機子コイル９の中間タップ３８が接
続されて交流電源１５に対してＡコイル及びＢコイルが
並列に接続されている。Ａコイルには整流電流を流すた
めの第１、第２ダイオード１８，１９と該整流電流の向
きを交互に切換えて流すためにスイッチング制御可能な
第１、第２ＦＥＴ１６，１７とが各々並列に組合わされ
て接続され、Ｂコイルには整流電流を流すための第３、
第４ダイオード２２，２３と該整流電流の向きを交互に
切換えて流すためにスイッチング制御可能な第３、第４
ＦＥＴ２０，２１とが並列に組合わされて接続されてい
る。交流電源１５の交流電流を第１〜第４ダイオード１
８，１９，２２，２３により整流して流すと共に、整流
電流を永久磁石ロータ５の回転角度に対応してＡコイル
又はＢコイルに交互に流すよう第１〜第４ＦＥＴ１６，
１７，２０，２１をスイッチング制御して永久磁石ロー
タ５を直流ブラシレスモータとして起動運転する。図２
において、同期運転回路３９は、交流電源１５とＢコイ
ルとが接続されて該交流電源１５に対してＡコイル及び
Ｂコイルが直列に接続され、永久磁石ロータ５を交流同
期モータとして同期運転する。運転切換えスイッチＳＷ
１は、交流電源１５と中間タップ３８とが接続された起
動運転回路１４と、交流電源１５とＢコイルとが接続さ
れた同期運転回路３９とで接続を切り換える。

【００１７】図１において、Ａコイルにはスイッチング
手段として第１，第２ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）
１６，１７が直列に対向して接続されている。また第
１，第２ＦＥＴ１６，１７には、整流手段として第１，
第２ダイオード１８，１９が各々並列に接続されてい
る。またＢコイルにはスイッチング素子として第３，第
４ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）２０，２１が直列に
対向して接続されている。また第３，第４ＦＥＴ２０，
２１には、整流素子として第３，第４ダイオード２２，
２３が各々並列に接続されている。尚、図１において、
Ａコイル及びＢコイルには、破線で示すようにコンデン
サＣ１，Ｃ２が各々並列に接続されていても良い。この
コンデンサＣ１，Ｃ２は、電機子コイル９に消費される
電力の力率を向上させて出力損失を補うと共に高圧のサ
ージ電流を吸収する。

【００１８】２４は制御手段としてのマイクロコンピュ
ータであり、起動運転において起動運転回路１４はスイ
ッチング制御により起動運転回路１４に流れる電流量や
電流方向を制御したり、起動運転から同期運転へ移行す
る際の運転切換えスイッチＳＷ１の切換え制御などを行
う。即ち、電機子コイル９に流れる整流電流の電流方向
を交互に切換え、かつ永久磁石ロータ５が１回転する間
の電機子コイル９への通電角度範囲を、Ａコイルへの通
電角度範囲の方がＢコイルへの通電角度範囲より大きく
なるよう起動運転回路１４の第３、第４ＦＥＴ２０，２
１をＯＮ／ＯＦＦして整流電流がＡコイルへ収斂するよ
うに起動運転し、光センサ１２により検出された永久磁
石ロータ５の回転数が電源周波数に対して同期回転数付
近に到達したときに、Ｂコイルに接続する第３、第４Ｆ
ＥＴ２０，２１を全てＯＦＦしＡコイルに接続する第
１、第２ＦＥＴ１６，１７を全てＯＮにして、運転切換
えスイッチＳＷ１を中間タップ３８からＢコイルへ接続
を切り換えて同期運転回路３９による同期運転へ移行す
るよう制御する。

【００１９】具体的には、マイクロコンピュータ２４に
は、第２の検出手段としての電源周波数検出部２５によ
り交流電源１５の周波数が検出されて入力端子ＩＮ１に
入力される。また、光センサ１２により、永久磁石ロー
タ５の回転数及び磁極位置を検出されて入力端子ＩＮ２
に入力される。また、出力端子ＯＵＴ１より運転切換え
スイッチＳＷ１への切換え信号が出力され、出力端子Ｏ
ＵＴ２〜ＯＵＴ５によりスイッチＳＷ２〜スイッチＳＷ
５を各々ＯＮ／ＯＦＦさせるための出力信号が出力さ
れ、第１ＦＥＴ１６，第２ＦＥＴ１７，第３ＦＥＴ２
０，第４ＦＥＴ２１の各ゲートにＦＥＴドライブ用電源
４０よりゲートパルスが選択的に印加される。マイクロ
コンピュータ２４は、光センサ１２により検出された永
久磁石ロータ５の磁極位置にタイミングを合わせて、ス
イッチＳＷ２及びスイッチＳＷ４をＯＮ／ＯＦＦさせ
（ＯＮのとき起動運転回路１４には及びに示す整流
電流が流れる）、スイッチＳＷ３及びスイッチＳＷ５を
ＯＦＦ／ＯＮ（ＯＮのとき起動運転回路１４には及び
に示す整流電流が流れる）するようにして第１ＦＥＴ
１６，第２ＦＥＴ１７，第３ＦＥＴ２０，第４ＦＥＴ２
１の動作を制御する。尚、スイッチＳＷ１〜スイッチＳ
Ｗ５は、リレー又は半導体スイッチ（例えばトライアッ
ク，ホトカプラ，トランジスタ，ＩＧＢＴ等）を用いて
も良い。

【００２０】起動運転回路１４に整流電流及びが流
れる場合について図１を参照して具体的に説明する。ス
イッチＳＷ２及びスイッチＳＷ４のみＯＮすると、第
１，第３ＦＥＴ１６，２０が電流方向，のとき各々
ＯＮ状態になる。このとき、Ａコイルには第１ＦＥＴ１
６、第２ダイオード１９を経て整流電流が流れ、Ｂコ
イルには第３ＦＥＴ２０、第４ダイオード２３を経て整
流電流が各々交流波形に従って交互に流れる。また、
起動運転回路１４に整流電流及びが流れる場合に
は、スイッチＳＷ３及びスイッチＳＷ５のみＯＮすると
第２，第４ＦＥＴ１７，２１がＯＮ状態になる。このと
き、Ａコイルには第２ＦＥＴ１７、第１ダイオード１８
を経て整流電流が流れ、Ｂコイルには第４ＦＥＴ２
１、第３ダイオード２２を経て整流電流が各々交流波
形に従って交互に流れる。

【００２１】また、マイクロコンピュータ２４は、永久
磁石ロータ５が１回転する間の電機子コイル９への通電
角度範囲をＡコイルがＢコイルより大きくなるようにし
て整流電流がＡコイルへ収斂するように起動運転する。
図５は交流電源１５により電機子コイル９に印加される
電圧波形と永久磁石ロータ５の回転角度との関係を示す
グラフ図である。図１に示す起動運転回路１４において
交流電源１５より流れる整流電流を及びに流れ出す
向きを＋側とし、及びに流れ出す向きを−側として
電圧波形を示す。図５において斜線部は通電角度範囲を
示すものとする。

【００２２】マイクロコンピュータ２４は、起動運転に
おいて予め設定された通電角度範囲に従って起動運転回
路１４のスイッチＳＷ２〜スイッチＳＷ５をスイッチン
グ制御する。例えば、図５に示すように、スイッチＳＷ
４及びスイッチＳＷ５のみ任意の時間分割でＯＮ／ＯＦ
Ｆを繰り返すスイッチング制御を行うことで、Ｂコイル
に流れる整流電流，を抑えてＡコイルに流れる整流
電流，を多くして、全体として整流電流がＡコイル
に収斂するように制御する。そして、永久磁石ロータ５
の回転数が増加するにしたがって、該永久磁石ロータ５
の回転にタイミングを合わせてスイッチＳＷ２〜スイッ
チＳＷ５を切換えることにより同期回転数付近まで立ち
上げる。

【００２３】そして、永久磁石ロータ５が同期回転数付
近に到達したことを光センサ１２により検出すると、図
２においてマイクロコンピュータ２４は起動運転回路１
４から同期運転回路３９へ運転切換えスイッチＳＷ１を
切換える。具体的にはスイッチＳＷ４及びスイッチＳＷ
５をＯＦＦにし、次に運転切換えスイッチＳＷ１を切り
換え、同時にスイッチＳＷ２及びスイッチＳＷ３を共に
ＯＮ状態にして第１ＦＥＴ１６及び第２ＦＥＴ１７をＯ
Ｎ状態にして同期運転に移行する。このとき、電機子コ
イル９には、Ａコイル及びＢコイルが直列で図２の及
びに示す交流電流が流れ、該電機子コイル９の磁極の
変化に同期して永久磁石ロータ５は回転し、交流同期モ
ータとして回転駆動される。電機子コイル９には、Ａコ
イル及びＢコイルが直列に連結されているため、同期運
転に必要なトルクを発生させるだけの負荷に見合った交
流電流が流れる。尚、スイッチＳＷ１〜スイッチＳＷ５
の回路的なショートを防止するため、スイッチＳＷ４及
びスイッチＳＷ５をＯＦＦにしてから運転切換えスイッ
チＳＷ１を切換えるようにしている。

【００２４】また、同期モータが負荷の変動などにより
脱調した場合には、マイクロコンピュータ２４は一旦永
久磁石ロータ５の回転数が同期回転移行時より所定値ま
で落ち込んだ後起動運転に移行し、再度同期運転に移行
するよう繰り返し制御を行うようになっている。例え
ば、電源周波数が６０Ｈｚで駆動する２極同期モータの
場合、起動運転から同期運転へ移行する際の永久磁石ロ
ータ５の回転数のしきい値を３５５０ｒｐｍに設定し、
同期運転に入れずに脱調したときに起動運転へ移行する
際の永久磁石ロータ５の回転数のしきい値を３２００ｒ
ｐｍに設定して繰り返し制御することにより、安定した
モータの駆動動作が実現できる。起動運転から同期運転
へ、同期運転から起動運転へ移行する際のしきい値は、
各モータの出力特性、用途、サイズなどにより最適な値
を設定すれば良い。

【００２５】また、本実施例に示す２極同期モータは、
起動運転から同期運転への移行動作をマイクロコンピュ
ータ２４に制御されて行われるため、電源周波数が５０
Ｈｚ、６０Ｈｚ、１００Ｈｚ等に変化しても細かい機械
設計を変更することなく同一の２極同期モータを用いる
ことができるので、極めて汎用性の高い同期モータを提
供することができる。

【００２６】また、起動運転において整流電流がＢコイ
ルよりＡコイルに多く流れるようにして、該整流電流が
Ａコイルへ収斂させるための他の手段について説明す
る。例えば、起動運転回路１４において、Ｂコイルへ接
続するスイッチング手段を省略するようにしても良い。
具体的には、図１において、スイッチＳＷ４及び第３Ｆ
ＥＴ２０又はスイッチＳＷ５及び第４ＦＥＴ２１を省略
するようにしても良い。このようにすることで、起動運
転においてスイッチング制御する起動運転回路１４を簡
素化して制御を容易にし、部品点数も省略できるので安
価に製造でき、モータの小型化にも寄与できる。

【００２７】また、他の手段について説明すると、図６
に示すように、光センサ１２は、Ａコイル及びＢコイル
へ通電する電流方向及び通電する範囲を各々規定するス
リット２６ａ，２６ｂが形成されたセンサ板２６及び光
検出素子（図示せず）を備えていても良い。例えば、円
弧長の長いスリット２６ａはＡコイル及びＢコイルへ通
電する電流方向を規定しており、円弧長の短いスリット
２６ｂはＢコイルへ通電する範囲を各々規定している
（尚、図６の１２ｃはスリット２６ａ側のセンサ位置を
示し、１２ｄはスリット２６ｂ側のセンサ位置を示して
いる）。このセンサ板２６に形成された各スリット２６
ａ，２６ｂを検出する光検出素子の検出信号に基づい
て、マイクロコンピュータ２４は、起動運転において起
動運転回路１４のスイッチＳＷ２〜ＳＷ５のＯＮ／ＯＦ
Ｆをスイッチング制御することにより、ＡコイルがＢコ
イルより整流電流が多く流れるようにしても良い。この
場合、Ａコイル及びＢコイルに対する通電角度範囲をセ
ンサ板２６により規定しているので、マイクロコンピュ
ータ２４により逐一煩雑なスイッチの切換え制御する必
要がなくなるため、制御動作を簡略化できる。

【００２８】上記２極同期モータを用いれば、マイクロ
コンピュータ２４は、起動運転回路１４において永久磁
石ロータ５が１回転する間の電機子コイル９への通電角
度範囲をＡコイルがＢコイルより大きくなるようスイッ
チング手段を制御して整流電流が該Ａコイルへ収斂する
ように起動運転し、永久磁石ロータ５の回転数が同期回
転数付近に到達すると、運転切換えスイッチＳＷ１を同
期運転回路３９へ切り換えて同期運転するよう制御する
ので、起動運転から同期運転への移行が確実かつスムー
ズに行える。また、起動運転回路１４にブラシやコミュ
テータが不要であるため、電流方向を切り換える際にス
パークの発生を防止して信頼性、安全性の高い同期モー
タを提供できる。また、従来のようにコミューテータや
ブラシなどの機械部品を省略できるので、モータの小型
化も促進でき、製造コストも低減できる。また、マイク
ロコンピュータ２４は、同期モータが脱調した場合に、
同期運転から一旦起動運転に移行した後、再度同期運転
に移行するよう繰り返し制御を行うことにより、動作信
頼性、安定性の高い同期モータを提供することができ
る。また、ステータコア８は、主コア８ａに永久磁石ロ
ータ５の回転方向と逆方向に延出する補助コア８ｂが設
けられており、該主コア８ａの透磁率は該補助コア８ｂ
より大きくなるように設計された場合には、起動運転に
おける永久磁石ロータ５の回転死点を解消して回転方向
性を安定化することが可能である。また、ステータコア
８は２極３スロット型のモータにおいてスロットに電機
子コイル９を収納する場合に比べて巻芯エリアを広く確
保して占積率を高められるので、電機子コイル９の巻数
を増やして、モータの出力効率を高めることができる。

【００２９】また、２極同期モータに限定されるが、図
７（ａ）に示すように、永久磁石ロータ５は、出力軸４
の一端がロータヨーク５ａに連繋しており、ロータヨー
ク５ａにロータヨーク受け部材４１が連繋している。ま
た、ステータ１０は、ステータコア８がステータ固定部
材４２に固定されており、該ステータ固定部材４２は下
ハウジング３に嵌め込まれている。永久磁石ロータ５
は、上ハウジング２に設けられたベアリング軸受６及び
ロータヨーク受け部材４１と下ハウジング３との間に設
けたベアリング軸受７を介して回動可能になっている。
図７（ｂ）に示すように、ステータコア８に装着され、
永久磁石ロータ５の回転中心と直交する方向に伸びる巻
芯１１ａ及び該巻芯１１ａの両端にフランジ１１ｂを有
するボビン１１に、Ａコイル及びＢコイルが連続して巻
回されている。よって、ステータコア８に出力軸４が挿
通するための無駄な空間が生じないので、巻芯エリアを
拡大して占積率を更に高め、モータの出力効率を高める
ことができる。

【００３０】本発明に係る同期モータは、２極同期モー
タに限らず図８及び図９に示すように４極同期モータに
ついても適用可能である。尚、前述した２極同期モータ
と同一部材には同一番号を付して説明を援用するものと
する。図８において、永久磁石ロータ２７はロータヨー
ク２７ａの内壁にＮ極，Ｓ極が交互に９０°ずつ合計４
極に着磁されたリング状のマグネット２７ｂが保持され
ている。

【００３１】また、図９において、４極同期モータのス
テータコア２８は十字状の主コア（積層コア）２８ａの
各端部に永久磁石ロータ２７の回転方向と逆方向に延出
する補助コア２８ｂが設けられており、起動時における
トルクの死点を解消している。また、ステータコア２８
はボビン２９と一体に嵌め込まれ、該ボビン２９の周囲
には主コア２８ａの一方の長手方向に電機子コイル９が
ＡコイルとＢコイルを４極構造になるように出力軸４を
中心に両側のボビン２９に互いに反対向きに巻き付けら
れている。

【００３２】また、図１０に示すように、回転円板３０
には、マグネット２７ｂの磁極位置に応じて遮光部分３
０ａと透光する透光部分３０ｂとが９０°ずつ交互に形
成されている。回転円板３０は、永久磁石ロータ２７と
一体に取り付けられており、これらは出力軸４を中心に
一体となって回転する。光センサ１２は回転円板３０に
より永久磁石ロータ５の回転数及び磁極位置を検出す
る。４極同期モータは、永久磁石ロータ５が９０°回転
する毎に電機子コイル９に形成される磁極が変化するた
め、起動運転する際に起動運転回路１４に流れる電流の
向きを永久磁石ロータ２７が９０°回転する毎にスイッ
チング制御により切り換える必要がある。

【００３３】また、上述した２極同期モータ及び４極同
期モータは、アウターロータ方式について説明したが、
これに限定されるものではなく、インナーロータ方式で
あっても良い。例えば８極同期モータについて図１１
（ａ）（ｂ）を参照して説明する。図１１（ａ）は永久
磁石ロータの軸断面説明図、図１１（ｂ）は永久磁石ロ
ータを取り外したステータの一部断面説明図である。

【００３４】図１１（ｂ）において、３１，３２は固定
子及び回転子を収容するステータヨークでありハウジン
グを兼用して２分割可能に形成されている。ステータヨ
ーク３１，３２内には出力軸３３を中心に永久磁石ロー
タ３４が回転可能に内蔵されている。出力軸３３はステ
ータヨーク３１，３２において、図示しないベアリング
軸受により回転可能に支持されている。

【００３５】また、図１１（ａ）において、永久磁石ロ
ータ３４は、出力軸３３に嵌め込まれたマグネット固定
部材３５ａの周囲にＮ極及びＳ極にほぼ４５°ずつ着磁
されたリング状のマグネット３５ｂが保持されている。
この永久磁石ロータ３４は電機子コイルに通電して形成
される磁極との反発により出力軸３３を中心に起動回転
するようになっている。永久磁石ロータ３４の外側に
は、ステータヨーク３１，３２内にボビン３６が嵌め込
まれており、該ボビン３６にはＡコイル及びＢコイルの
２つのコイルセグメントに分割された電機子コイル３７
が巻き付けられている。

【００３６】また、図１１（ｂ）に示すように、ステー
タヨーク３１，３２の周縁部には、周方向に８か所に主
コア３１ａ，３２ａが軸方向に交互に折り曲げ形成され
ている。この主コア３１ａ，３２ａには永久磁石ロータ
３４の回転方向と逆方向に延出する補助コア３１ｂ，３
２ｂが各々形成されており、起動時におけるトルクの死
点を解消している。また、ステータヨーク３１，３２内
には永久磁石ロータ３４の回転数及び磁極位置を検出す
る第１の検出手段として光センサ（図示せず）が装備さ
れている。光センサは出力軸３３に一体に取り付けられ
た回転円板（図示せず）により永久磁石ロータ３４の回
転数を検出し、図示しないマイクロコンピュータは起動
運転回路に流れる整流電流の向きや電流量をスイッチン
グ制御により制御する。

【００３７】本発明に係る同期モータは、モータを駆動
制御するマイクロコンピュータ２４を一体に装備してい
る場合であっても、或いは同期モータが用いられる電機
機器の装置本体に内蔵した制御回路の一部（交流電源、
ＦＥＴドライブ用電源、起動運転回路、同期運転回路な
どを含む）を用いてモータを駆動制御するタイプのいず
れであっても良い。また、一般にインダクター方式とよ
ばれる同期モータや平盤状のマグネットとコイルを円板
上で対向させた平面対向方式の同期モータなどにも本発
明を広く適用できる。また、本発明に係る同期モータに
は、従来一般的に使われている誘導型モータのように、
過負荷時の安全を保証するために、動作中に常に通電す
る回路部分に温度ヒューズやバイメタル式の高温検出ス
イッチを組み込むこともできる等、発明の精神を逸脱し
ない範囲で多くの改変をなし得る。

【００３８】

【発明の効果】本発明の同期モータを用いると、制御手
段は、起動運転回路において永久磁石ロータが１回転す
る間の電機子コイルへの通電角度範囲をＡコイルがＢコ
イルより大きくなるようスイッチング制御して整流電流
が該Ａコイルへ収斂するように起動運転し、永久磁石ロ
ータの回転数が同期回転数付近に到達すると、運転切換
えスイッチを同期運転回路に切り換えて同期運転に移行
するよう制御するので、起動運転から同期運転への移行
が確実かつスムーズに行える。また、起動運転回路にブ
ラシやコミュテータが不要であるため、起動運転におい
て電流方向を切り換える際にスパークの発生を防止して
信頼性、安全性の高い同期モータを提供できる。また、
従来のようにコミューテータやブラシなどの機械部品を
省略できるので、モータの小型化も促進でき、製造コス
トも低減できる。また、制御手段は、同期モータが脱調
した場合に、同期運転から一旦起動運転に移行した後、
再度同期運転に移行するよう運転切換えスイッチを繰り
返し制御を行うことにより、動作信頼性、安定性の高い
同期モータを提供することができる。また、ステータコ
アは、主コアに前記永久磁石ロータの回転方向と逆方向
に延出する補助コアが設けられており、主コアの透磁率
は補助コアより大きくなるように設計された場合には、
起動時における永久磁石ロータの回転死点を解消して回
転方向性を安定化することが可能である。また、例えば
２極３スロット型のモータおいて、ステータコアに電機
子コイルを収納する場合に比べて巻芯エリアを広く確保
して占積率を高めたので、電機子コイルの巻数を増やし
て、モータの出力効率を高めることができる。また、制
御手段は、起動運転より同期運転に移行する際に、起動
運転回路のうちＢコイル側に整流電流を流すためのスイ
ッチをＯＦＦしてから、運転切換えスイッチを切換える
と共にＡコイル側に整流電流を流すためのスイッチをＯ
Ｎして同期運転に移行するよう制御するようにすると、
起動運転回路のショートを防止して同期運転に移行する
ことができる。また、制御手段としてマイクロコンピュ
ータにより起動運転から同期運転への移行動作を制御す
る場合には、電源周波数が５０Ｈｚ、６０Ｈｚ、１００
Ｈｚ等に様々に変化しても細かい機械設計を変更するこ
となく同一のモータを用いることができるので、極めて
汎用性の高い同期モータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】２極同期モータの起動運転時の回路構成図であ
る。

【図２】２極同期モータの同期運転時の回路構成図であ
る。

【図３】２極同期モータのハウジング内に装備された永
久磁石ロータの外観図及び２極同期モータの上視図であ
る。

【図４】２極同期モータ正断面説明図、上ハウジングの
内視図、底面図及びステータコイルの上視図である。

【図５】起動運転回路の電機子コイルに印加される電圧
波形と永久磁石ロータの回転角度との関係を示すグラフ
図である。

【図６】光センサに備えたセンサ板の説明図である。

【図７】他例に係る２極同期モータ正断面説明図及びス
テータコイルの上視図である。

【図８】４極同期モータの一部破断説明図である。

【図９】４極同期モータの軸断面説明図である。

【図１０】４極同期モータの光センサに装備される回転
円板の説明図である。

【図１１】８極同期モータの永久磁石ロータの軸断面説
明図及び永久磁石ロータを取り外したステータの一部断
面説明図である。

【図１２】従来の２極同期モータの構成に示す回路図で
ある。

【図１３】従来の２極同期モータの起動運転回路に備え
たブラシの配置構造を示す説明図である。

【符号の説明】

１ハンジング本体２上ハウジング３下ハウジング３ａ配線用穴４，３３出力軸５，２７，３４永久磁石ロータ５ａ，２７ａロータヨーク５ｂ，２７ｂ，３５ｂマグネット６，７ベアリング軸受８，２８ステータコア８ａ，２８ａ，３１ａ，３２ａ主コア８ｂ，２８ｂ，３１ｂ，３２ｂ補助コア９，３７電機子コイル１０ステータ１１，２９，３６ボビン１２光センサ１２ａ光検出素子１３，３０回転円板１３ａ，３０ａ遮光部分１３ｂ，３０ｂ透光部分１４起動運転回路１５交流電源１６第１ＦＥＴ１７第２ＦＥＴ１８第１ダイオード１９第２ダイオード２０第３ＦＥＴ２１第４ＦＥＴ２２第３ダイオード２３第４ダイオード２４マイクロコンピュータ２５電源周波数検出部２６センサ板２６ａ，２６ｂスリット３１，３２ステータヨーク３５ａマグネット固定部材３８中間タップ３９同期運転回路４０ＦＥＴドライブ用電源４１ロータヨーク受け部材４２ステータ固定部材

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ハウジング内に出力軸を中心に回転可能
に設けられた永久磁石ロータと、前記永久磁石ロータの回転数及び磁極位置を検出する第
１の検出手段と、交流電源の周波数を検出する第２の検出手段と、ステータコアの周囲にＡコイル及びＢコイルが中間タッ
プを介して直列に巻回された電機子コイルを有するステ
ータと、前記交流電源と前記電機子コイルの中間タップとが接続
されて該交流電源に対して前記Ａコイル及びＢコイルが
並列に接続され、前記Ａコイルに整流電流を流すための
第１、第２ダイオードと該整流電流の向きを交互に切換
えて流すためにスイッチング制御可能な第１、第２トラ
ンジスタとが各々並列に組合わされて接続され、前記Ｂ
コイルに整流電流を流すための第３、第４ダイオードと
該整流電流の向きを交互に切換えて流すためにスイッチ
ング制御可能な第３、第４トランジスタとが並列に組合
わされて接続されており、前記交流電源の交流電流を前
記第１〜第４ダイオードにより整流し、整流電流を前記
永久磁石ロータの回転角度に対応して前記Ａコイル又は
Ｂコイルに交互に流すよう前記第１〜第４トランジスタ
をスイッチング制御して前記永久磁石ロータを直流ブラ
シレスモータとして起動運転する起動運転回路と、前記交流電源とＢコイルとが接続されて該交流電源に対
して前記Ａコイル及びＢコイルが直列に接続され、前記
永久磁石ロータを交流同期モータとして同期運転する同
期運転回路と、前記交流電源と中間タップとが接続された起動運転回路
と、前記交流電源とＢコイルとが接続された同期運転回
路とで接続を切り換える切換えスイッチと、前記電機子コイルに流れる整流電流の電流方向を交互に
切換え、かつ前記永久磁石ロータが１回転する間の前記
電機子コイルへの通電角度範囲を、前記Ａコイルへの通
電角度範囲の方がＢコイルへの通電角度範囲より大きく
なるよう前記起動運転回路の第３、第４トランジスタを
ＯＮ／ＯＦＦして前記整流電流が前記Ａコイルへ収斂す
るように起動運転し、前記第１の検出手段により検出さ
れた前記永久磁石ロータの回転数が前記第２の検出手段
により検出される電源周波数に対して同期回転数付近に
到達したときに、前記Ｂコイルに接続する第３、第４ト
ランジスタを全てＯＦＦし前記Ａコイルに接続する第
１、第２トランジスタを全てＯＮにして、前記切換えス
イッチを中間タップからＢコイルへ接続を切り換えて前
記同期運転回路による同期運転へ移行するよう制御する
制御手段とを備えたことを特徴とする同期モータ。
【請求項２】前記起動運転回路において、前記第３、
第４ダイオードと第３、第４トランジスタとが各々並列
に組合わされて前記Ｂコイルへ接続された正側及び負側
のうちの１組を省略して、前記ＡコイルがＢコイルより
整流電流が多く流れるように起動運転することを特徴と
する請求項１記載の同期モータ。
【請求項３】前記第１の検出手段は、前記Ａコイル及
びＢコイルへ通電する電流方向及び通電する範囲を各々
規定するスリットが形成された前記永久磁石ロータの回
転数及び磁極位置を検出する検出手段を備えており、該
検出手段の出力信号に基づいて前記制御手段は起動運転
において前記起動運転回路の第１〜第４トランジスタを
スイッチング制御して前記ＡコイルがＢコイルより整流
電流が多く流れるように制御することを特徴とする請求
項１記載の同期モータ。
【請求項４】前記制御手段は、同期モータが脱調した
場合に、同期運転から一旦起動運転に移行した後、再度
同期運転に移行するよう前記切換えスイッチを繰り返し
切換え制御することを特徴とする請求項１、２又は請求
項３記載の同期モータ。
【請求項５】前記ステータコアは、主コアに前記永久
磁石ロータの回転方向と逆方向に延出する補助コアが設
けられており、前記主コアの透磁率は前記補助コアより
大きくなるように設計されていることを特徴とする請求
項１、２、３又は請求項４記載の同期モータ。
【請求項６】前記ステータは、前記ステータコアに装
着され、前記永久磁石ロータの回転中心と直交する方向
に伸びる巻芯及び該巻芯の両端にフランジを有するボビ
ンに、前記Ａコイル及びＢコイルが連続して巻回されて
いることを特徴とする請求項１、２、３、４又は請求項
５記載の同期モータ。