JP3202526U - 永久磁石モータのための駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】電気エネルギーの利用効率を大幅に改善できる永久磁石モータのための駆動回路を提供する。【解決手段】第１のノードＡと第２のノードＢの間にＡＣ電源と直列に接続された電気モータの駆動回路であり、制御可能な双方向ＡＣスイッチと、双方向ＡＣスイッチと並列に第１のノードと第２のノードの間に接続されたＡＣ−ＤＣ変換回路と、モータのロータの位置を検出するように構成された位置センサと、ロータの位置及びＡＣ電源の極性に基づいて、双方向ＡＣスイッチを導電性又は非導電性になるように所定の方法で制御するよう構成されたスイッチ制御回路とを含む。【選択図】図４

Description

本考案は、永久磁石モータのための、特に、例えば小型送風機又は小型送水ポンプを駆動するために使用されるような低電力永久磁石モータのための駆動回路に関する。

同期モータの始動時には、ステータが交番磁界を生じて永久磁石ロータを振動させる。ロータの振動の振幅は、ロータが回転し始めるまで増加し、最終的にはロータが加速し、ステータの交番磁界と同期して回転する。従来の同期モータは、確実に始動するためにモータの始動点が低く設定されており、この結果、モータが比較的高い作用点で動作することができず、従って効率が低い。別の態様では、永久磁石ロータの停止位置又は静止位置が一定でないため、ロータが毎回確実に同じ方向に回転することができない。従って、送風機及び送水ポンプなどの用途では、ロータによって駆動されるインペラが真っ直ぐな半径方向の羽根を有している結果、送風機及び送水ポンプの動作効率が低くなってしまう。

図１に示す同期モータのための従来の駆動回路は、ロータが始動する毎にロータを同じ所定の方向に回転させる。この回路では、モータのステータ巻線１が、ＡＣ電源ＶＭの２つの端子Ｍ、Ｎ間にトライアックと直列に接続され、ＡＣ電源ＶＭは、変換回路ＤＣによって直流電圧に変換され、この直流が位置センサＨに供給される。この位置センサＨによってモータ内のロータの磁極位置が検出され、位置センサＨの出力信号Ｖｈがスイッチ制御回路ＰＣに接続されて、双方向サイリスタＴを制御する。図２に、この駆動回路の波形を示す。図２より、この駆動回路では、双方向サイリスタＴがオンになっているか、それともオフになっているかに関わらず、ＡＣ電源が変換回路ＤＣのための電力を供給し、従って変換回路ＤＣは、常に位置センサＨのための電力（図２の信号ＶＨを参照）を出力し、供給していることが分かる。低電力用途では、ＡＣ電源が約２００Ｖの商用電源である場合、変換回路ＤＣ内の２つの抵抗器Ｒ２及びＲ３によって消費される電気エネルギーの方が、モータによって消費される電気エネルギーよりも多い。

従って、永久磁石モータのための改善された駆動回路に対する要望がある。

従って、本考案は、その１つの態様において、ステータと、永久磁石ロータとを有する永久磁石モータのための駆動回路を提供し、ステータは、ステータコアと、ステータコアに巻かれて第１のノードと第２のノードとの間にＡＣ電源と直列に接続されるように適合されたステータ巻線とを含み、この駆動回路は、第１のノードと第２のノードとの間に接続された制御可能な双方向ＡＣスイッチと、第１のノードと第２のノードとの間に、制御可能な双方向ＡＣスイッチと並列に接続されたＡＣ−ＤＣ変換回路と、永久磁石ロータの磁極位置を検出するように構成された位置センサとを備え、制御可能な双方向ＡＣスイッチによって第１のノードと第２のノードが短絡した時にＡＣ−ＤＣ変換回路に電流が流れず、駆動回路は、ステータ巻線がロータを一定方向のみに回転させるように、永久磁石ロータの磁極位置及びＡＣ電源の極性に基づいて、制御可能な双方向ＡＣスイッチを所定の方法でスイッチオン状態とスイッチオフ状態との間で切り替えるように制御するよう構成されたスイッチ制御回路とをさらに備える。

制御可能な双方向ＡＣスイッチは、トライアックを含むことが好ましい。

第１のノードにはトライアックの第１の陽極が接続され、第２のノードにはトライアックの第２の陽極が接続され、スイッチ制御回路にはトライアックの制御電極が接続されることが好ましい。

ＡＣ−ＤＣ変換回路は、高電圧出力端子及び低電圧出力端子を有する全波整流回路を含むことが好ましい。

高電圧出力端子と低電圧出力端子との間には、ツェナーダイオードが接続されることが好ましい。

ＡＣ−ＤＣ変換回路は、第１のノードと第２のノードとの間に、それぞれ第１の抵抗器及び第２の抵抗器を介して並列に逆向きに接続された第１のダイオード及び第２のダイオードを有し、第１の抵抗器と第１のダイオードの陰極との接続点には、ＡＣ−ＤＣ変換回路の高電圧出力端子が形成され、第２の抵抗器と第２のダイオードの陽極との接続点には、ＡＣ−ＤＣ変換回路の低電圧出力端子が形成され、第１のダイオード及び第２のダイオードは、ツェナーダイオードであることが好ましい。

ＡＣ−ＤＣ変換回路は、第１のノードと第２のノードとの間に全波ブリッジ整流器と直列に接続された第１の抵抗器を含むことが好ましい。

全波ブリッジ整流器は、並列に接続された２つの整流器分岐を有し、この２つの整流器分岐の一方は、直列に逆向きに接続された第１のダイオード及び第３のダイオードを含み、２つの整流器分岐の他方は、直列に逆向きに接続された第２のダイオード及び第４のダイオードを含み、ＡＣ−ＤＣ変換回路の高電圧出力端子は、第１のダイオードの陰極と第３のダイオードの陰極との接続点に形成され、ＡＣ−ＤＣ変換回路の低電圧出力端子は、第２のダイオードの陽極と第４ダイオードの陽極との接続点に形成されることが好ましい。

第２のダイオード及び第４のダイオードは、ツェナーダイオードであることが好ましい。

全波ブリッジ整流器は、並列に接続された２つの整流器分岐を有し、この２つの整流器分岐の一方は、直列に逆向きに接続された２つのシリコン制御整流器を含み、２つの整流器分岐の他方は、直列に逆向きに接続された第２のダイオード及び第４のダイオードを含み、ＡＣ−ＤＣ変換回路の高電圧出力端子は、２つのシリコン制御整流器の陰極同士の接続点に形成され、ＡＣ−ＤＣ変換回路の低電圧出力端子は、第２のダイオードの陽極と第４のダイオードの陽極との接続点に形成されることが好ましい。

２つのシリコン制御整流器の陰極には第１の信号端子が接続され、２つのシリコン制御整流器の制御端子には第２の信号端子が接続され、第１の信号端子は基準電圧に接続され、駆動回路が正常に動作している場合、２つのシリコン制御整流器は、第２の信号端子から入力される制御信号によって所定の方法でスイッチオン状態とスイッチオフ状態との間で確実に切り替えられ、或いは駆動回路が機能していない場合、第２の信号端子から入力される制御信号によって２つのシリコン制御整流器をオフにできることが好ましい。

ＡＣ−ＤＣ変換回路は、高電圧出力端子及び低電圧出力端子を有し、スイッチ制御回路は、高電圧出力端子に接続された第１の端子と、位置センサの出力端子に接続された第２の端子と、制御可能な双方向ＡＣスイッチの制御電極に接続された第３の端子とを有し、ＡＣ−ＤＣ変換回路の高電圧出力端子は、位置センサの正の電源端子に接続され、ＡＣ−ＤＣ変換回路の低電圧出力端子は、位置センサの負の電源端子に接続されることが好ましい。

スイッチ制御回路の第３の端子と制御可能な双方向ＡＣスイッチの制御電極との間にはプリセットステアリング回路が配置され、このプリセットステアリング回路は、第３の端子と制御可能な双方向ＡＣスイッチの制御電極との間に接続された第１のジャンパスイッチと、第３の端子と制御電極との間に第１のジャンパスイッチと並列に接続された、直列に接続された第２のジャンパスイッチ及びインバータとを含むことが好ましい。

スイッチ制御回路は、第３の抵抗器と、第４の抵抗器と、位置センサの出力端子と制御可能な双方向ＡＣスイッチの制御電極との間に直列に逆向きに接続された第５のダイオード及び第６のダイオードとをさらに有し、位置センサの出力端子には第５のダイオードの陰極が接続され、制御可能な双方向ＡＣスイッチの制御電極には第６のダイオードの陰極が接続され、ＡＣ−ＤＣ変換回路の高電圧出力端子には第３の抵抗器の一方の端子が接続され、第５のダイオードの陽極と第６のダイオードの陽極との接続点には第３の抵抗器の他方の端子が接続され、第５のダイオードの陰極及び第６のダイオードの陰極には第４の抵抗器の２つの端子がそれぞれ接続されることが好ましい。

スイッチ制御回路は、第３の抵抗器と、第５のダイオードと、位置センサの出力端子と制御可能な双方向ＡＣスイッチの制御電極との間に直列に接続された第４の抵抗器及び第６のダイオードとをさらに有し、制御可能な双方向ＡＣスイッチの制御電極には第６のダイオードの陽極が接続され、ＡＣ−ＤＣ変換回路の高電圧出力端子には第３の抵抗器の一方の端子が接続され、第５のダイオードの陽極と位置センサの出力端子との接続点には第３の抵抗器の他方の端子が接続され、制御可能な双方向ＡＣスイッチの制御電極には第５のダイオードの陰極が接続されることが好ましい。

スイッチ制御回路は、第３の抵抗器と、ＮＰＮトランジスタと、位置センサの出力端子と制御可能な双方向ＡＣスイッチの制御電極との間に直列に接続された第４の抵抗器及び第５のダイオードとをさらに有し、位置センサの出力端子には第５のダイオードの陰極が接続され、ＡＣ−ＤＣ変換回路の高電圧出力端子には第３の抵抗器の一方の端子が接続され、位置センサの出力端子には第３の抵抗器の他方の端子が接続され、位置センサの出力端子にはＮＰＮトランジスタのベースが接続され、第５のダイオードの陽極にはＮＰＮトランジスタのエミッタが接続され、ＡＣ−ＤＣ変換回路の高電圧出力端子にはＮＰＮトランジスタのコレクタが接続されることが好ましい。

ステータと永久磁石ロータとの間には不均一な間隙が形成され、永久磁石ロータの停止時には、永久磁石ロータの極軸が、ステータの中心軸に対して角度オフセットを有することが好ましい。

永久磁石ロータは、モータの定常動作中、ＡＣ電源の周波数をｆ、ロータの極対の数をｐとする６０ｆ／ｐの一定回転速度で動作することが好ましい。

第２の態様によれば、本考案は、第１のノードと第２のノードとの間にＡＣ電源と直列に接続されるように適合された、電気モータのための駆動回路であって、制御可能な双方向ＡＣスイッチと、第１のノードと第２のノードとの間に制御可能な双方向ＡＣスイッチと並列に接続されたＡＣ−ＤＣ変換回路と、モータのロータの位置を検出するように構成された位置センサと、ロータの位置及びＡＣ電源の極性に基づいて、制御可能な双方向ＡＣスイッチを導電性又は非導電性になるように予め設定した方法で制御するよう構成されたスイッチ制御回路とを備えた駆動回路を提供する。

第３の態様によれば、本考案は、ステータと、ステータに対して回転可能なロータとを有する同期モータのための駆動回路を提供し、ステータは、ステータコアと、ステータコアに巻かれて第１のノードと第２のノードとの間にＡＣ電源と直列に接続されるように適合されたステータ巻線とを含み、ロータは、少なくとも１つの永久磁石を含むとともに、モータの定常段階中に、ＡＣ電源の周波数をｆ、ロータの極対の数をｐとする６０ｆ／ｐの一定回転速度で動作し、この駆動回路は、制御可能な双方向ＡＣスイッチと、第１のノードと第２のノードとの間に制御可能な双方向ＡＣスイッチと並列に接続されたＡＣ−ＤＣ変換回路と、ロータの位置を検出するように構成された位置センサと、モータの始動段階中にステータ巻線がロータを所定の方向のみに回転させるように、ロータの位置及びＡＣ電源の極性に基づいて、制御可能な双方向ＡＣスイッチを導電性又は非導電性になるように予め設定した方法で制御するよう構成されたスイッチ制御回路とを備える。

以下、添付図面の図を参照しながら、本考案の好ましい実施形態をほんの一例として説明する。図では、複数の図に出現する同一の構造、要素又は部品には、一般にこれらが出現する全ての図において同じ参照番号を付している。一般に、図に示す構成要素及び特徴部の寸法は、表現の便宜上明瞭にするために選択したものであり、必ずしも縮尺通りではない。以下、各図を列挙する。

先行技術による同期モータの駆動回路を示す図である。 図１に示す駆動回路の波形を示す図である。 本考案による同期モータの概略図である。 本考案による同期モータの駆動回路のブロック図である。 本考案の実施形態による同期モータの駆動回路を示す図である。 図５に示す駆動回路の波形を示す図である。 本考案のさらなる実施形態による同期モータの駆動回路を示す図である。 本考案のさらなる実施形態による同期モータの駆動回路を示す図である。 本考案のさらなる実施形態による同期モータの駆動回路を示す図である。 本考案のさらなる実施形態による同期モータの駆動回路を示す図である。

図３に、本考案の実施形態による同期モータを概略的に示す。同期モータ１０は、ステータ１２と、ステータ１２の磁極間に回転自在に配置された永久磁石ロータ１４とを含み、ステータ１２は、ステータコア１５と、ステータコア１５に巻かれたステータ巻線１６とを含む。ロータ１４は、異極性を有する少なくとも一対の永久磁極を形成する少なくとも１つの永久磁石を含み、ステータ巻線１６がＡＣ電源に接続されている場合、ロータ１４は、定常段階中に、ＡＣ電源の周波数をｆ、ロータの極対の数をｐとする６０ｆ／ｐの一定回転速度で動作する。

ステータ１２の磁極とロータ１４の永久磁極との間には、不均一な間隙１８が形成されることにより、ロータが停止している場合には、ロータ１４の極軸Ｒが、ステータ１２の中心軸Ｓに対して角度オフセットαを有するようになる。ロータ１４は、ステータ巻線１６に電圧が印加される毎に、一定の始動方向（この実施形態では、図３に矢印で示すように時計回り方向）を有するように構成される。図３に示すように、ステータ及びロータは、それぞれ２つの磁極を有する。他の実施形態では、ステータ及びロータが、４つ又は６つの磁極などのより多くの磁極を有することもできると理解されたい。

ステータ１２上又はステータ内部のロータ付近の位置には、ロータの角度位置を検出するための位置センサ２０が配置され、位置センサ２０は、ステータの中心軸Ｓに対して角度オフセットを有する。この実施形態では、この角度オフセットもαであることが好ましい。位置センサ２０は、ホール効果センサであることが好ましい。

図４は、本考案の実施形態による同期モータの駆動回路のブロック図である。駆動回路２２では、２つのノードＡ、Ｂ間に、ステータ巻線１６及びＡＣ電源２４が直列に接続される。ＡＣ電源２４は、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚなどの一定周波数を有する商用ＡＣ電源とすることができ、供給電圧は、例えば１１０Ｖ、２２０Ｖ又は２３０Ｖとすることができる。２つのノードＡ、Ｂ間には、ステータ巻線１６及びＡＣ電源２４と並列に、制御可能な双方向ＡＣスイッチ２６が接続される。この制御可能な双方向ＡＣスイッチ２６は、２つのノードＡ及びＢにそれぞれ接続された２つの陽極を有するトライアックであることが好ましい。或いは、制御可能な双方向ＡＣスイッチ２６を、並列に逆向きに接続された２つのシリコン制御整流器とし、これに対応して制御回路を、この２つの制御整流器を予め設定した方法で制御するように構成することもできると理解することができる。２つのノードＡ、Ｂ間には、ＡＣ−ＤＣ変換回路２８も接続される。２つのノードＡ、Ｂ間のＡＣ電圧は、ＡＣ−ＤＣ変換回路２８によって低電圧ＤＣに変換される。位置センサ２０には、このＡＣ−ＤＣ変換回路２８によって出力された低電圧ＤＣ出力を供給して、同期モータ１０の永久磁石ロータ１４の磁極位置を検出して対応する信号を出力するようにすることができる。ＡＣ−ＤＣ変換回路２８、位置センサ２０及び制御可能な双方向ＡＣスイッチ２６には、モータの始動段階中に、ステータ巻線１６が上述した一定の始動方向のみにロータ１４を回転させるように、位置センサによって検出された永久磁石ロータの磁極位置と、ＡＣ−ＤＣ変換回路２８から取得できるＡＣ電源２４の極性情報とに基づいて、制御可能な双方向ＡＣスイッチ２６を所定の方法でスイッチオン状態とスイッチオフ状態の間で切り替えるように制御するよう構成されたスイッチ制御回路３０が接続される。本考案のこの実施形態によれば、制御可能な双方向ＡＣスイッチ２６がオンになった場合には、２つのノードＡ、Ｂが短絡して電流がＡＣ−ＤＣ変換回路２８を流れないので、ＡＣ−ＤＣ変換回路２８が電気エネルギーを消費せず、従って電気エネルギーの利用効率を大幅に改善することができる。

図５は、本開示の第１の実施形態による同期モータの駆動回路４０の回路図である。同期モータのステータ巻線１６は、２つのノードＡ、Ｂ間にＡＣ電源２４と直列に接続される。ノードＡには、トライアック２６の第１の陽極Ｔ１が接続され、ノードＢには、トライアック２６の第２の陽極Ｔ２が接続される。ＡＣ−ＤＣ変換回路２８は、２つのノードＡ、Ｂ間にトライアックと並列に接続される。２つのノードＡ、Ｂ間のＡＣ電圧は、ＡＣ−ＤＣ変換回路２８によって低電圧ＤＣ（この低電圧は３Ｖ〜１８Ｖであることが好ましい）に変換される。ＡＣ−ＤＣ変換回路２８は、２つのノードＡ、Ｂ間にそれぞれ第１の抵抗器Ｒ１及び第２の抵抗器Ｒ２を介して並列に逆向きに接続された第１のツェナーダイオードＺ１及び第２のツェナーダイオードＺ２を含む。第１の抵抗器Ｒ１と第１のツェナーダイオードＺ１の陰極との接続点には、ＡＣ−ＤＣ変換回路２８の高電圧出力端子Ｃが形成され、第２の抵抗器Ｒ２と第２のツェナーダイオードＺ２の陽極との接続点には、ＡＣ−ＤＣ変換回路２８の低電圧出力端子Ｄが形成される。電圧出力端子Ｃは、位置センサ２０の正の電源端子に接続され、電圧出力端子Ｄは、位置センサ２０の負の電源端子に接続される。スイッチ制御回路３０の３つの端子は、ＡＣ−ＤＣ変換回路２８の高電圧出力端子Ｃ、位置センサ２０の出力端子Ｈ１、及びトライアック２６の制御電極Ｇにそれぞれ接続される。スイッチ制御回路３０は、第３の抵抗器Ｒ３、第５のダイオードＤ５、並びに位置センサ２０の出力端子Ｈ１と制御可能な双方向ＡＣスイッチ２６の制御電極Ｇとの間に直列に接続された第４の抵抗器Ｒ４及び第６のダイオードＤ６を含む。制御可能な双方向ＡＣスイッチ２６の制御電極Ｇには、第６のダイオードＤ６の陽極が接続される。ＡＣ−ＤＣ変換回路２８の高電圧出力端子Ｃには、第３の抵抗器Ｒ３の一方の端子が接続され、第５のダイオードＤ５の陽極には、第３の抵抗器Ｒ３の他方の端子が接続される。制御可能な双方向ＡＣスイッチ２６の制御電極Ｇには、第５のダイオードＤ５の陰極が接続される。

図６に関連して、駆動回路４０の動作原理について説明する。図６では、ＶａｃがＡＣ電源２４の電圧の波形を示し、Ｉａｃがステータ巻線１６を流れる電流の波形を示す。電流波形Ｉａｃは、ステータ巻線１６の誘導特性に起因して電圧波形Ｖａｃよりも遅れる。Ｖ１は、第１のツェナーダイオードＺ１の２つの端子間の電圧の波形を示し、Ｖ２は、第２のツェナーダイオードＺ２の２つの端子間の電圧の波形を示し、Ｖｄｃは、ＡＣ−ＤＣ変換回路２８の２つの端子Ｃ、Ｄ間の電圧の波形を示し、Ｈａは、位置センサ２０の出力端子Ｈ１によって出力された信号の波形を示し、Ｈｂは、位置センサ２０によって検出されたロータの磁場の波形を示す。この実施形態では、位置センサ２０に正常に電力が供給された場合、検出されたロータの磁場が北である場合には出力端子Ｈ１が論理高レベルを出力し、検出されたロータの磁場が南である場合には出力端子Ｈ１が論理低レベルを出力する。

位置センサ２０によって検出されたロータの磁場Ｈｂが北である場合、ＡＣ電源の第１の正の半周期では、供給電圧が時刻ｔ０から時刻ｔ１まで徐々に増加し、位置センサ２０の出力端子Ｈ１が高レベルを出力し、電流が、抵抗器Ｒ１、抵抗器Ｒ３、ダイオードＤ５、並びにトライアック２６の制御電極Ｇ及び第２の陽極Ｔ２を順に流れる。トライアック２６は、制御電極Ｇ及び第２の陽極Ｔ２を流れる駆動電流がゲートトリガ電流Ｉｇよりも大きい場合にオンになる。トライアック２６がオンになると、２つのノードＡ、Ｂが短絡し、モータ内のステータ巻線１６を流れる電流は、ステータ巻線１６に大きな順方向電流が流れてロータ１４を図３に示す時計回りに回転するように駆動するまで徐々に増加する。２つのノードＡ、Ｂが短絡するので、時刻ｔ１から時刻ｔ２までは電流がＡＣ−ＤＣ変換回路２８を流れない。従って、抵抗器Ｒ１及びＲ２は電気エネルギーを消費せず、電力が供給されないことによって位置センサ２０の出力は停止する。制御電極Ｇ及び第２の陽極Ｔ２に駆動電流が流れない場合、トライアック２６の２つの陽極Ｔ１及びＴ２を流れる電流は十分に大きい（保持電流Ｉｈｏｌｄよりも高い）ので、トライアック２６はオンの状態を保つ。時刻ｔ３後のＡＣ電源の負の半周期では、２つの陽極Ｔ１及びＴ２を流れる電流が保持電流Ｉｈｏｌｄよりも低く、トライアック２６がオフになり、ＡＣ−ＤＣ変換回路２８を電流が流れ始め、位置センサ２０の出力端子Ｈ１が再び高レベルを出力する。Ｃ地点における電位はＥ地点における電位よりも低いので、制御電極Ｇ及びトライアック２６の第２の陽極Ｔ２には駆動電流が流れず、トライアック２６はオフの状態を保つ。ＡＣ−ＤＣ変換回路２８内の抵抗器Ｒ１及びＲ２の抵抗は、モータ内のステータ巻線１６の抵抗よりもはるかに大きいので、この時点でステータ巻線１６を流れている電流は、時刻ｔ１から時刻ｔ２までにステータ巻線１６を流れていた電流よりもはるかに小さく、ロータ１４のための駆動力をごくわずかしか生じない。従って、ロータ１４は、慣性によって時計回りに回転し続ける。ＡＣ電源の第２の正の半周期では、第１の正の半周期と同様に、電流が、抵抗器Ｒ１、抵抗器Ｒ３、ダイオードＤ５、並びにトライアック２６の制御電極Ｇ及び第２の陽極Ｔ２を順に流れる。トライアック２６は再びオンになり、ステータ巻線１６を流れる電流は、ロータ１４を時計回りに回転するように駆動し続ける。同様に、２つのノードＡ、Ｂが短絡するので、抵抗器Ｒ１及びＲ２は電気エネルギーを消費しない。電源の次の負の半周期では、トライアック２６の２つの陽極Ｔ１及びＴ２を流れる電流が保持電流Ｉｈｏｌｄよりも低く、トライアック２６は再びオフになり、ロータは、慣性効果によって時計回りに回転し続ける。

時刻ｔ４において、位置センサ２０によって検出されるロータの磁場Ｈｂは北から南に変化し、ＡＣ電源は依然として正の半周期にあり、トライアック２６はオンであり、２つのノードＡ、Ｂは短絡しており、ＡＣ−ＤＣ変換回路２８には電流が流れていない。ＡＣ電源が負の半周期に入った後、トライアック２６の２つの陽極Ｔ１及びＴ２を流れる電流は徐々に減少し、時刻ｔ５においてトライアック２６はオフになる。この時、電流は、トライアック２６の第２の陽極Ｔ２及び制御電極Ｇ、ダイオードＤ６、抵抗器Ｒ４、位置センサ２０、抵抗器Ｒ２及びステータ巻線１６を順に流れる。駆動電流が徐々に増加するにつれ、時刻ｔ６においてトライアック２６が再びオンになり、２つのノードＡ、Ｂは再び短絡し、抵抗器Ｒ１及びＲ２は電気エネルギーを消費せず、電力が供給されないことによって位置センサ２０の出力は停止する。ステータ巻線１６には大きな逆電流が流れており、ロータの磁場が南であるため、ロータ１４は時計回りに駆動され続ける。時刻ｔ５から時刻ｔ６までは、第１のツェナーダイオードＺ１及び第２のツェナーダイオードＺ２がオンになり、従ってＡＣ−ＤＣ変換回路２８の２つの出力端子Ｃ、Ｄ間に電圧出力が存在する。時刻ｔ７において、ＡＣ電源が再び正の半周期に入り、トライアック２６を流れる電流がゼロをまたぐとトライアック２６がオフになり、その後、制御回路の電圧が徐々に増加する。電圧が徐々に増加するにつれ、ＡＣ−ＤＣ変換回路２８に電流が流れ始め、位置センサ２０の出力端子Ｈ１が低レベルを出力し、トライアック２６の制御電極Ｇ及び第２の陽極Ｔ２には電流が流れず、従ってトライアック２６はオフになる。ステータ巻線１６を流れる電流はごくわずかなので、ロータ１４のための駆動力はほとんど生じない。時刻ｔ８において、電源は正の半周期であり、位置センサは低レベルを出力し、電流がゼロをまたいだ後にはトライアック２６がオフに保たれ、ロータは、慣性によって時計回りに回転し続ける。本考案の実施形態によれば、ロータは、ステータ巻線に電圧が印加された後に１サイクルのみ回転し、その後にステータと同期するように加速することができる。

本考案の実施形態では、一旦オンになると駆動電流が流れていなくてもオンの状態に保たれるというトライアックの特徴を利用することにより、トライアックがオンになった後にＡＣ−ＤＣ変換回路内の抵抗器が電気エネルギーを消費し続けることが避けられ、従って電気エネルギーの利用効率を著しく改善することができる。

図７は、本開示の実施形態による同期モータの駆動回路４２の回路図である。同期モータのステータ巻線１６は、２つのノードＡ、Ｂ間にＡＣ電源２４と直列に接続される。ノードＡには、トライアック２６の第１の陽極Ｔ１が接続され、ノードＢには、トライアック２６の第２の陽極Ｔ２が接続される。ＡＣ−ＤＣ変換回路２８は、２つのノードＡ、Ｂ間にトライアック２６と並列に接続される。２つのノードＡ、Ｂ間のＡＣは、ＡＣ−ＤＣ変換回路２８によって低電圧ＤＣに、好ましくは３Ｖ〜１８Ｖの低電圧に変換される。ＡＣ−ＤＣ変換回路２８は、２つのノードＡ、Ｂ間に直列に接続された第１の抵抗器Ｒ１及び全波ブリッジ整流器を含む。全波ブリッジ整流器は、並列に接続された２つの整流器分岐を含み、２つの整流器分岐の一方は、直列に逆向きに接続された第１のダイオードＤ１及び第３のダイオードＤ３を含み、２つの整流器分岐の他方は、直列に逆向きに接続された第２のツェナーダイオードＺ２及び第４のツェナーダイオードＺ４を含み、第１のダイオードＤ１の陰極と第３のダイオードＤ３の陰極との接続点には、ＡＣ−ＤＣ変換回路２８の高電圧出力端子Ｃが形成され、第２のツェナーダイオードＺ２の陽極と第４のツェナーダイオードＺ４の陽極との接続点には、ＡＣ−ＤＣ変換回路２８の低電圧出力端子Ｄが形成される。出力端子Ｃは、位置センサ２０の正の電源端子に接続され、出力端子Ｄは、位置センサ２０の負の電源端子に接続される。スイッチ制御回路３０は、第３の抵抗器Ｒ３、第４の抵抗器Ｒ４、並びに位置センサ２０の出力端子Ｈ１と制御可能な双方向ＡＣスイッチ２６の制御電極Ｇとの間に直列に逆向きに接続された第５のダイオードＤ５及び第６のダイオードＤ６を含む。位置センサの出力端子Ｈ１には、第５のダイオードＤ５の陰極が接続され、制御可能な双方向ＡＣスイッチの制御電極Ｇには、第６のダイオードＤ６の陰極が接続される。ＡＣ−ＤＣ変換回路の高電圧出力端子には、第３の抵抗器Ｒ３の一方の端子が接続され、第５のダイオードＤ５の陽極と第６のダイオードＤ６の陽極との接続点には、第３の抵抗器Ｒ３の他方の端子が接続される。第５のダイオードＤ５の陰極及び第６のダイオードＤ６の陰極には、第４の抵抗器Ｒ４の２つの端子がそれぞれ接続される。

図８は、本考案のさらなる実施形態による同期モータの駆動回路４４の回路図である。駆動回路４４は、先の実施形態の駆動回路４２に類似しており、駆動回路４４と駆動回路４２は、駆動回路４２のツェナーダイオードＺ２及びＺ４が、駆動回路４４の整流器では汎用ダイオードＤ２及びＤ４に置き換わっている点で異なる。また、駆動回路４４内のＡＣ−ＤＣ変換回路２８の２つの出力端子Ｃ、Ｄ間には、ツェナーダイオードＺ７が接続される。

図９は、本考案のさらなる実施形態による同期モータの駆動回路４６の回路図である。同期モータのステータ巻線１６は、２つのノードＡ、Ｂ間にＡＣ電源２４と直列に接続される。ノードＡには、トライアック２６の第１の陽極Ｔ１が接続され、ノードＢには、トライアック２６の第２の陽極Ｔ２が接続される。ＡＣ−ＤＣ変換回路２８は、２つのノードＡ、Ｂ間にトライアック２６と並列に接続される。２つのノードＡ、Ｂ間のＡＣ電圧は、ＡＣ−ＤＣ変換回路２８によって低電圧ＤＣに、好ましくは３Ｖ〜１８Ｖの低電圧に変換される。ＡＣ−ＤＣ変換回路２８は、２つのノードＡ、Ｂ間に直列に接続された第１の抵抗器Ｒ１及び全波ブリッジ整流器を含む。全波ブリッジ整流器は、並列に接続された２つの整流器分岐を含み、２つの整流器分岐の一方は、直列に逆向きに接続された２つのシリコン制御整流器Ｓ１及びＳ３を含み、２つの整流器分岐の他方は、直列に逆向きに接続された第２のダイオードＤ２及び第４のダイオードＤ４を含む。シリコン制御整流器Ｓ１の陰極とシリコン制御整流器Ｓ３の陰極との接続点には、ＡＣ−ＤＣ変換回路２８の高電圧出力端子Ｃが形成され、第２のダイオードＤ２の陽極と第４のダイオードＤ４の陽極との接続点には、ＡＣ−ＤＣ変換回路２８の低電圧出力端子Ｄが形成される。出力端子Ｃは、位置センサ２０の正の電源端子に接続され、出力端子Ｄは、位置センサ２０の負の電源端子に接続される。スイッチ制御回路３０は、第３の抵抗器Ｒ３、ＮＰＮトランジスタＴ６、並びに位置センサ２０の出力端子Ｈ１と制御可能な双方向ＡＣスイッチ２６の制御電極Ｇとの間に直列に接続された第４の抵抗器Ｒ４及び第５のダイオードＤ５を含む。位置センサの出力端子Ｈ１には、第５のダイオードＤ５の陰極が接続される。ＡＣ−ＤＣ変換回路の高電圧出力端子には、第３の抵抗器Ｒ３の一方の端子が接続され、位置センサの出力端子Ｈ１には、第３の抵抗器Ｒ３の他方の端子が接続される。位置センサの出力端子Ｈ１には、ＮＰＮトランジスタＴ６のベースが接続され、第５のダイオードＤ５の陽極には、ＮＰＮトランジスタＴ６のエミッタが接続され、ＡＣ−ＤＣ変換回路の高電圧出力端子には、ＮＰＮトランジスタＴ６のコレクタが接続される。

この実施形態では、端子ＳＣ１を介して２つのシリコン制御整流器Ｓ１及びＳ３の陰極に基準電圧を入力することができ、端子ＳＣ２を介して２つのシリコン制御整流器Ｓ１及びＳ３の制御端子に制御信号を入力することができる。整流器Ｓ１及びＳ３は、端子ＳＣ２から入力された制御信号が高レベルの場合にはオンになり、或いは端子ＳＣ２から入力された制御信号が低レベルの場合にはオフになる。駆動回路が正常に動作している場合、整流器Ｓ１及びＳ３は、構成に基づいて、端子ＳＣ２から高レベルを入力することにより、予め設定した方法でスイッチオン状態とスイッチオフ状態の間で切り替えることができる。駆動回路が機能していない場合、整流器Ｓ１及びＳ３は、端子ＳＣ２から入力される制御信号を高レベルから低レベルに変更することによってオフになる。この場合、トライアック２６、ＡＣ−ＤＣ変換回路２８及び位置センサ２０がオフになって回路全体を確実にゼロ電力状態になる。

図１０は、本考案の別の実施形態による同期モータの駆動回路４８の回路図である。駆動回路４８は、先の実施形態の駆動回路４６に類似しており、駆動回路４８と駆動回路４６は、駆動回路４６内のシリコン制御整流器Ｓ１及びＳ３が、駆動回路４８の整流器では汎用ダイオードＤ１及びＤ３に置き換わっており、ＡＣ−ＤＣ変換回路２８の２つの端子Ｃ、Ｄ間にツェナーダイオードＺ７が接続されている点で異なる。また、この実施形態による駆動回路４８では、スイッチ制御回路３０とトライアック２６の間にプリセットステアリング回路５０が配置される。プリセットステアリング回路５０は、第１のジャンパスイッチＪ１、第２のジャンパスイッチＪ２、及び第２のジャンパスイッチＪ２と直列に接続されたインバータＮＧを含む。この実施形態では、駆動回路４６と同様に、スイッチ制御回路３０が、抵抗器Ｒ３、抵抗器Ｒ４、ＮＰＮトランジスタＴ５及びダイオードＤ６を含む。ＮＰＮトランジスタＴ５のエミッタとダイオードＤ６の陽極との間の接続点には、第４の抵抗器Ｒ４の一方の端子が接続され、第１のジャンパスイッチＪ１の一方の端子には、第４の抵抗器Ｒ４の他方の端子が接続され、トライアック２６の制御電極Ｇには、第１のジャンパスイッチＪ１の他方の端子が接続され、第１のジャンパスイッチＪ１の２つの端子間には、直列に接続された第２のジャンパスイッチＪ２及びインバータＮＧが接続される。この実施形態では、第１のジャンパスイッチＪ１がオンになって第２のジャンパスイッチＪ２がオフになると、ロータ１４は、上記の実施形態と同様にやはり時計回りに始動し、第２のジャンパスイッチＪ２がオンになって第１のジャンパスイッチＪ１がオフになると、ロータ１４は反時計回りに始動する。この場合、２つのジャンパスイッチのオンにすべき一方と、オフにすべき他方とを選択することによってモータ内のロータの始動方向を選択することができる。従って、逆の回転方向を有する異なる用途に駆動モータを提供する必要がある場合、２つのジャンパスイッチＪ１及びＪ２のうちのオンにすべき一方とオフにすべき他方とを選択しさえすればよく、駆動回路に他の変更を行う必要がないので、この実施形態による駆動回路は良好な汎用性を有する。

本出願の明細書及び実用新案登録請求の範囲では、記述する項目又は特徴の存在を明示する一方でさらなる項目又は特徴の存在を排除しないように、「備える、含む、有する（ｃｏｍｐｒｉｓｅ、ｉｎｃｌｕｄｅ、ｃｏｎｔａｉｎ及びｈａｖｅ）」という動詞、並びにその派生形の各々を包括的な意味で使用している。

明確化のために別個の実施形態の文脈で説明した本考案のいくつかの特徴は、単一の実施形態において組み合わせて提供することもできると理解されたい。これとは逆に、簡潔さを期すために単一の実施形態の文脈で説明した本考案の様々な特徴を別個に、又はいずれかの好適な下位の組み合わせで提供することもできる。

上述した実施形態はほんの一例にすぎず、当業者には、添付の実用新案登録請求の範囲によって規定される本考案の範囲から逸脱することなく、他の様々な修正が明らかである。

例えば、本考案の実施形態による駆動回路は、同期モータだけでなく、ブラシレスＤＣモータなどの他のタイプの永久磁石モータにも適用される。

１６ ステータ巻線
２０ 位置センサ
２２ 駆動回路
２４ ＡＣ電源
２６ 制御可能な双方向ＡＣスイッチ
２８ ＡＣ−ＤＣ変換回路
３０ スイッチ制御回路

Claims (20)

1. ステータと、永久磁石ロータとを有する永久磁石モータのための駆動回路であって、前記ステータは、ステータコアと、該ステータコアに巻かれて第１のノードと第２のノードとの間にＡＣ電源と直列に接続されるように適合されたステータ巻線とを含み、前記駆動回路は、
   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た制御可能な双方向ＡＣスイッチと、
   前記第１のノードと前記第２のノードとの間に、前記制御可能な双方向ＡＣスイッチと並列に接続されたＡＣ−ＤＣ変換回路と、
   前記永久磁石ロータの磁極位置を検出するように構成された位置センサと、
   前記ステータ巻線が前記ロータを一定方向のみに回転させるように、前記永久磁石ロータの前記磁極位置及び前記ＡＣ電源の極性に基づいて、前記制御可能な双方向ＡＣスイッチを所定の方法でスイッチオン状態とスイッチオフ状態との間で切り替えるように制御するよう構成されたスイッチ制御回路と、
   を備え、前記制御可能な双方向ＡＣスイッチによって前記第１のノードと前記第２のノードが短絡した時に前記ＡＣ−ＤＣ変換回路に電流が流れない、
   ことを特徴とする駆動回路。
2. 前記制御可能な双方向ＡＣスイッチは、トライアックを含む、
   請求項１に記載の駆動回路。
3. 前記第１のノードに前記トライアックの第１の陽極が接続され、前記第２のノードに前記トライアックの第２の陽極が接続され、前記スイッチ制御回路に前記トライアックの制御電極が接続される、
   請求項２に記載の駆動回路。
4. 前記ＡＣ−ＤＣ変換回路は、高電圧出力端子及び低電圧出力端子を有する全波整流回路を含む、
   請求項３に記載の駆動回路。
5. 前記高電圧出力端子と前記低電圧出力端子との間にツェナーダイオードが接続される、
   請求項４に記載の駆動回路。
6. 前記ＡＣ−ＤＣ変換回路は、前記第１のノードと前記第２のノードとの間に、それぞれ第１の抵抗器及び第２の抵抗器を介して並列に逆向きに接続された第１のダイオード及び第２のダイオードを有し、前記第１の抵抗器と前記第１のダイオードの陰極との接続点に、前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の高電圧出力端子が形成され、前記第２の抵抗器と前記第２のダイオードの陽極との接続点に、前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の低電圧出力端子が形成され、前記第１のダイオード及び前記第２のダイオードは、ツェナーダイオードである、
   請求項３に記載の駆動回路。
7. 前記ＡＣ−ＤＣ変換回路は、前記第１のノードと前記第２のノードとの間に前記全波ブリッジ整流器と直列に接続された第１の抵抗器を含む、
   請求項４に記載の駆動回路。
8. 前記全波ブリッジ整流器は、並列に接続された２つの整流器分岐を有し、該２つの整流器分岐の一方は、直列に逆向きに接続された第１のダイオード及び第３のダイオードを含み、前記２つの整流器分岐の他方は、直列に逆向きに接続された第２のダイオード及び第４のダイオードを含み、前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の前記高電圧出力端子は、前記第１のダイオードの陰極と前記第３のダイオードの陰極との接続点に形成され、前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の前記低電圧出力端子は、前記第２のダイオードの陽極と前記第４ダイオードの陽極との接続点に形成される、
   請求項４に記載の駆動回路。
9. 前記第２のダイオード及び前記第４のダイオードは、ツェナーダイオードである、
   請求項８に記載の駆動回路。
10. 前記全波ブリッジ整流器は、並列に接続された２つの整流器分岐を有し、該２つの整流器分岐の一方は、直列に逆向きに接続された２つのシリコン制御整流器を含み、前記２つの整流器分岐の他方は、直列に逆向きに接続された第２のダイオード及び第４のダイオードを含み、前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の前記高電圧出力端子は、前記２つのシリコン制御整流器の陰極同士の接続点に形成され、前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の前記低電圧出力端子は、前記第２のダイオードの陽極と前記第４のダイオードの陽極との接続点に形成される、
    請求項４に記載の駆動回路。
11. 前記２つのシリコン制御整流器の陰極に接続された第１の信号端子と、前記２つのシリコン制御整流器の制御端子に接続された第２の信号端子とをさらに備え、前記第１の信号端子は基準電圧に接続され、前記駆動回路が正常に動作している場合、前記２つのシリコン制御整流器は、前記第２の信号端子から入力される制御信号によって所定の方法でスイッチオン状態とスイッチオフ状態との間で確実に切り替えられ、或いは前記駆動回路が機能していない場合、前記第２の信号端子から入力される制御信号によって前記２つのシリコン制御整流器をオフにすることができる、
    請求項１０に記載の駆動回路。
12. 前記ＡＣ−ＤＣ変換回路は、高電圧出力端子及び低電圧出力端子を有し、前記スイッチ制御回路は、前記高電圧出力端子に接続された第１の端子と、前記位置センサの出力端子に接続された第２の端子と、前記制御可能な双方向ＡＣスイッチの前記制御電極に接続された第３の端子とを有し、前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の前記高電圧出力端子は、前記位置センサの正の電源端子に接続され、前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の前記低電圧出力端子は、前記位置センサの負の電源端子に接続される、
    請求項１、２又は３に記載の駆動回路。
13. 前記スイッチ制御回路の前記第３の端子と前記制御可能な双方向ＡＣスイッチの前記制御電極との間にプリセットステアリング回路が配置され、該プリセットステアリング回路は、前記第３の端子と前記制御可能な双方向ＡＣスイッチの前記制御電極との間に接続された第１のジャンパスイッチと、前記第３の端子と前記制御電極との間に前記第１のジャンパスイッチと並列に接続された、直列に接続された第２のジャンパスイッチ及びインバータとを含む、
    請求項１２に記載の駆動回路。
14. 前記スイッチ制御回路は、第３の抵抗器と、第４の抵抗器と、前記位置センサの前記出力端子と前記制御可能な双方向ＡＣスイッチの前記制御電極との間に直列に逆向きに接続された第５のダイオード及び第６のダイオードとをさらに有し、前記位置センサの前記出力端子に前記第５のダイオードの陰極が接続され、前記制御可能な双方向ＡＣスイッチの前記制御電極に前記第６のダイオードの陰極が接続され、前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の前記高電圧出力端子に前記第３の抵抗器の一方の端子が接続され、前記第５のダイオードの陽極と前記第６のダイオードの陽極との接続点に前記第３の抵抗器の他方の端子が接続され、前記第５のダイオードの陰極及び前記第６のダイオードの陰極に前記第４の抵抗器の２つの端子がそれぞれ接続される、
    請求項１２に記載の駆動回路。
15. 前記スイッチ制御回路は、第３の抵抗器と、第５のダイオードと、前記位置センサの前記出力端子と前記制御可能な双方向ＡＣスイッチの前記制御電極との間に直列に接続された第４の抵抗器及び第６のダイオードとをさらに有し、前記制御可能な双方向ＡＣスイッチの前記制御電極に、前記第６のダイオードの陽極が接続され、前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の前記高電圧出力端子に、前記第３の抵抗器の一方の端子が接続され、前記第５のダイオードの陽極と前記位置センサの前記出力端子との接続点に、前記第３の抵抗器の他方の端子が接続され、前記制御可能な双方向ＡＣスイッチの前記制御電極に、前記第５のダイオードの陰極が接続される、
    請求項１２に記載の駆動回路。
16. 前記スイッチ制御回路は、第３の抵抗器と、ＮＰＮトランジスタと、前記位置センサの出力端子と前記制御可能な双方向ＡＣスイッチの前記制御電極との間に直列に接続された第４の抵抗器及び第５のダイオードとをさらに有し、前記位置センサの前記出力端子に、前記第５のダイオードの陰極が接続され、前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の前記高電圧出力端子に、前記第３の抵抗器の一方の端子が接続され、前記位置センサの前記出力端子に、前記第３の抵抗器の他方の端子が接続され、前記位置センサの前記出力端子に、前記ＮＰＮトランジスタのベースが接続され、前記第５のダイオードの陽極に、前記ＮＰＮトランジスタのエミッタが接続され、前記ＡＣ−ＤＣ変換回路の前記高電圧出力端子に、前記ＮＰＮトランジスタのコレクタが接続される、
    請求項１２に記載の駆動回路。
17. 前記ステータと前記永久磁石ロータとの間に不均一な間隙が形成され、前記永久磁石ロータの停止時に、前記永久磁石ロータの極軸が、前記ステータの中心軸に対して角度オフセットを有する、
    請求項１から１６のいずれか１項に記載の駆動回路。
18. 前記永久磁石ロータは、前記モータの定常動作中、前記ＡＣ電源の周波数をｆ、前記ロータの極対の数をｐとする６０ｆ／ｐの一定回転速度で動作する、
    請求項１から１７のいずれか１項に記載の駆動回路。
19. 第１のノードと第２のノードとの間にＡＣ電源と直列に接続されるように適合された、電気モータのための駆動回路であって、
    制御可能な双方向ＡＣスイッチと、
    前記第１のノードと前記第２のノードとの間に前記制御可能な双方向ＡＣスイッチと並列に接続されたＡＣ−ＤＣ変換回路と、
    前記モータの前記ロータの位置を検出するように構成された位置センサと、
    前記ロータの位置及び前記ＡＣ電源の極性に基づいて、前記制御可能な双方向ＡＣスイッチを導電性又は非導電性になるように予め設定した方法で制御するよう構成されたスイッチ制御回路と、
    を備えることを特徴とする駆動回路。
20. ステータと、該ステータに対して回転可能なロータとを有する同期モータのための駆動回路であって、前記ステータは、ステータコアと、該ステータコアに巻かれて第１のノードと第２のノードとの間にＡＣ電源と直列に接続されるように適合されたステータ巻線とを含み、前記ロータは、少なくとも１つの永久磁石を含むとともに、前記モータの定常段階中に、前記ＡＣ電源の周波数をｆ、前記ロータの極対の数をｐとする６０ｆ／ｐの一定回転速度で動作し、前記駆動回路は、
    制御可能な双方向ＡＣスイッチと、
    前記第１のノードと前記第２のノードとの間に前記制御可能な双方向ＡＣスイッチと並列に接続されたＡＣ−ＤＣ変換回路と、
    前記ロータの位置を検出するように構成された位置センサと、
    前記モータの始動段階中に前記ステータ巻線が前記ロータを所定の方向のみに回転させるように、前記ロータの位置及び前記ＡＣ電源の極性に基づいて、前記制御可能な双方向ＡＣスイッチを導電性又は非導電性になるように予め設定した方法で制御するよう構成されたスイッチ制御回路と、
    を備えることを特徴とする駆動回路。

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