JP3209065U - モータ構成要素及びモータ駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの電力効率を改善することができるモータ駆動回路、該モータ駆動回路を用いたモータ構成要素、及び応用装置を提供する。【解決手段】モータ駆動回路は、外部交流電源２４の両端にモータと直列に接続された制御可能双方向交流スイッチ２６と、制御可能双方向交流スイッチを制御して事前設定された方式でオン又はオフにさせるように構成されたスイッチ制御回路３０と、制御可能双方向交流スイッチの投入を事前設定された時間だけ遅延させて、モータを通って流れる電流と逆起電力との間の位相差を小さくするように構成された遅延回路８０と、を含む。【選択図】図２

Description

本開示は、モータの技術分野に関し、具体的にはモータ駆動回路に関する。

同期モータは、体積が小さいこと及び動作効率が高いことなどの特性ゆえに、種々の分野への応用が増えている。モータの電磁気トルクは、磁気共エネルギー（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏ−ｅｎｅｒｇｙ）Ｗ_coに基づいて、

として計算することができる。公知のように、電機子巻線の自己インダクタンス係数及び相互インダクタンス係数は、回転子の角度θに依存し、それにより電磁気トルクは、次式

により得ることができ、ここでＺは位相数、Ｆ_mは等価起磁力（ＭＭＦ）、Ｐ_mは磁気回路の電力、ｉは固定子巻線の電流、Ｍ_imは、固定子巻線と磁石のラップ（ｌａｐ）の等価回路との間の相互インダクタンスである。固定子巻線の起電力（ＥＭＦ）ｅ_iは、磁束に関連し、次式

により計算することができ、ここでφ_imは、磁石により発生する磁束である。

は、上記２つの式に基づいて得ることができる。したがって、逆起電力に固定子巻線の電流を掛けたものが、モータによる機械的仕事を発生させる手段であることが分かる。

これに鑑み、モータの電力効率を改善することができるモータ駆動回路、該モータ駆動回路を用いたモータ構成要素、及び応用装置を提供することが所望される。

本開示の実施形態によりモータ駆動回路が提供される。モータ駆動回路は、
外部交流電源の両端にモータと直列に接続された制御可能双方向交流スイッチと、
前記制御可能双方向交流スイッチを制御して事前設定された方式でオン又はオフにさせるように構成されたスイッチ制御回路と、
前記制御可能双方向交流スイッチの投入を事前設定された時間だけ遅延させて、前記モータを通って流れる電流と逆起電力との間の位相差を小さくするように構成された遅延回路と、
を含む。

好ましい解決策として、遅延回路は、ＲＣ遅延回路を含み、ＲＣ遅延回路のキャパシタは、制御可能双方向交流スイッチの制御端子に接続される。

好ましい解決策として、モータ駆動回路は、モータの回転子の磁界を検出し、次いで磁界に対応する磁気誘導信号を出力するように構成された位置センサをさらに含み、スイッチ制御回路は、磁気誘導信号と交流電源から出力される電力信号の極性とに基づいて、制御可能双方向交流スイッチを制御してオン又はオフにさせるように構成される。

好ましい解決策として、スイッチ制御回路は、出力された電力信号の極性が正であり、かつ検出された磁気誘導信号が第１の極性にある場合、又は出力された電力信号の極性が負であり、かつ前記検出された磁気誘導信号が第２の極性にある場合、前記制御可能双方向交流スイッチをオンにするように、及び、電力信号が負であり、かつ検出された磁気誘導信号が第１の極性にある場合、又は電力信号が正であり、かつ検出された磁気誘導信号が第２の極性にある場合、制御可能双方向交流スイッチをオフにするように構成される。

好ましい解決策として、モータ駆動回路は、整流回路をさらに含み、整流回路は、高電圧出力端子及び低電圧出力端子を含み、制御可能双方向交流スイッチがオンの場合、スイッチ制御回路は、電流が整流回路の高電圧出力端子から制御可能双方向交流スイッチの制御端子へ流れる第１の状態と、電流が制御可能双方向交流スイッチの前記制御端子から整流回路の前記低電圧出力端子へ流れる第２の状態との間で切り換わる。

好ましい解決策として、第１の状態と第２の状態との間でのスイッチ制御回路の動作状態の切換えは、一方の状態が終了した直後に他方の状態に切り換わる場合、又は一方の状態に続く間隔時間が経過した後に他方の状態に切り換わる場合である。

好ましい解決策として、スイッチ制御回路は、第１のスイッチ及び第２のスイッチを含み、第１のスイッチは、第１の電流路内に接続され、第１の電流路は、制御可能双方向交流スイッチの制御端子と整流回路の高電圧出力端子との間に配置され、第２のスイッチは、第２の電流路内に接続され、第２の電流路は、制御可能双方向交流スイッチの制御端子と整流回路の低電圧出力端子との間に配置される。

好ましい解決策として、遅延回路は、ＲＣ遅延回路を含み、ＲＣ遅延回路は、制御可能双方向交流スイッチの制御端子に接続されたキャパシタと、制御可能双方向交流スイッチの制御端子と第１のスイッチの電流出力端子との間に接続された抵抗器とを含む。

好ましい解決策として、スイッチ制御回路は、制御可能双方向交流スイッチの制御端子と位置センサの出力端子との間に直列に接続された第１の抵抗器、ＮＰＮトライオード、第２の抵抗器及び第１のダイオードをさらに含み、ダイオードのカソードは、位置センサの出力端子に接続され、第１の抵抗器の一方の端子は、整流回路の高電圧出力端子に接続され、第１の抵抗器の他方の端子は、位置センサの出力端子に接続され、ＮＰＮトライオードのベースは、位置センサの出力端子に接続され、ＮＰＮトライオードのエミッタは、ダイオードのアノードに接続され、ＮＰＮトライオードのコレクタは、整流回路の高電圧出力端子に接続され、第２の抵抗器は、第２の抵抗器に直列に接続されたキャパシタと共にＲＣ遅延回路として形成され、制御可能双方向交流スイッチの制御端子に接続される。

好ましい解決策として、スイッチ制御回路は、電流が制御可能双方向交流スイッチの制御端子へ流れる第１の電流路と、電流が制御可能双方向交流スイッチの制御端子から流れる第２の電流路と、第１の電流路及び第２の電流路の一方の中に接続されたスイッチとを含み、スイッチは、磁気誘導信号により制御され、第１の電流路及び第２の電流路が選択的にオンにさせる。

好ましい解決策として、第１の電流路及び第２の電流路の他方は、スイッチを含まない。

好ましい解決策として、位置センサ及びスイッチ制御回路は、集積回路の内部に組み込まれ、遅延回路は、ＲＣ遅延回路を含み、ＲＣ遅延回路のキャパシタは、集積回路の外部に配置される。

好ましい解決策として、位置センサ、スイッチ制御回路、及び遅延回路は、集積回路の内部に組み込まれる。

好ましい解決策として、制御可能双方向交流スイッチは、第１のノードと第２のノードとの間に接続され、モータの固定子巻線及び交流電源が第１のノードと第２のノードとの間に直列に接続され、又はモータの固定子巻線及び制御可能双方向交流スイッチが第１のノードと第２のノードとの間に直列に接続され、第１のノード及び第２のノードは、それぞれ交流電源の２つの端子に接続される。

好ましい解決策として、遅延回路は、偶数のＮＯＴゲートを含む。

本開示の実施形態によりモータ構成要素がさらに提供され、これは、モータと、上記のモータ駆動回路のいずれか１つとを含む。

好ましい解決策として、モータは、固定子及び回転子を含み、ここで固定子は、固定子鉄心と、固定子鉄心に巻回された単相巻線とを含む。

好ましい解決策として、モータは、永久磁石ブラシレスモータである。

本開示の実施形態により、上記モータ構成要素のいずれか１つを含む応用装置がさらに提供される。

好ましい解決策として、応用装置は、ポンプ、ファン、家庭用電化製品、及び車両を含む。

本開示の実施形態により、外部交流電源の電圧極性がモータの磁極の位置に対応している場合、制御可能双方向交流スイッチの投入がある一定の時間だけ遅延される。このような制御方式に基づいて、期待されるトルクができるだけ多くモータにより発生され、正トルクと負トルクとの相互抵抗により引き起こされる電力消費状況が減らされ、それにより電力利用効率を大いに高めることができる。

本考案の好ましい実施形態を以下、例示のみの目的で添付図面の図を参照して説明する。図中、１つより多くの図中に現れる同一の構造、要素又は部分は、それらが現れる全ての図において一般に同じ参照符号で示される。図中に示される構成要素及び特徴の寸法は、一般に提示の便宜上及び明確さに合わせて選択されたものであり、必ずしも縮尺通りに示されていない。図面を以下に列挙する。

本開示によるモータを模式的に示す。 本開示の第１の好ましい実施形態によるモータ駆動回路の機能ブロック図を示す。 本開示の好ましい実施形態によるモータ駆動回路の回路図を示す。 本開示の他の実施形態によるモータ駆動回路のスイッチ制御回路の回路図を示す。 本開示の他の実施形態によるモータ駆動回路のスイッチ制御回路の回路図を示す。 本開示の他の実施形態によるモータ駆動回路のスイッチ制御回路の回路図を示す。 本開示の別の実施形態によるモータ駆動回路の遅延回路の回路図を示す。 モータの負荷が純抵抗性負荷である場合の図２に示す駆動回路の波形図を示す。 モータの負荷が誘導性負荷である場合の駆動回路の波形図を示す。 本開示の実施形態によるモータの固定子巻線における逆起電力及び巻線電流の波形図を示す。

本開示の実施形態の技術的解決策を、本開示の実施形態の図面と関連して明確かつ完全に例証する。明らかに、説明される実施形態は、本開示の実施形態の全てではなく、ごく僅かにすぎない。本開示の実施形態に基づいて創造的作業を伴わずに当業者によって得られる他のいずれの実施形態も、本開示の範囲内に入る。

図１は、本開示のモータ１０を模式的に示す。モータ１０を、同期モータを例に取って説明する。モータ１０は、固定子と、固定子の磁極間に回転可能に配置された回転子１４とを含む。固定子は、固定子磁心１２と、固定子磁心に巻回された固定子巻線１６とを含む。回転子１４は、永久磁石回転子である。

好ましくは、不均一エアギャップ１８が、固定子の磁極と回転子１４の磁極との間に配置され、回転子１４が静止しているとき、回転子１４の極軸Ｒは固定子の極軸Ｓに対してオフセット角度αを有する。この構成は、回転子１４が、固定子巻線が通電されるたびに一定の始動方向（この例では時計回り方向）を有することを保証することができる。回転子の極軸Ｒは、２つの対称な磁極（この実施形態では２つの磁石）の中心を回転子の直径方向に沿って通る仮想接続線を指し、固定子の極軸Ｓは、２つの対称な極部分の中心を固定子の直径方向に沿って通る仮想接続線を指す。図１において、固定子及び回転子の両方が２つの磁極を有し、固定子の磁極と回転子１４の磁極との間の不均一エアギャップ１８は、回転子の始動方向に沿って徐々に小さくなる。別の実施形態において、等しい間隔を有する主エアギャップが形成されるように、固定子の極部分の極反り面（ｐｏｌｅ ｃａｍｂｅｒｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ）を回転子と同心に配置することができ、内方に凹んだ始動溝を極反り面上に配置して、始動溝と回転子の外面との間に等しくない間隔を有する不均一エアギャップが形成されるようにする。さらなる実施形態において、回転子及び固定子は、より多くの磁極、例えば４磁極又は６磁極を有することができることを理解することができる。

固定子上又は回転子１４の近くの固定子内部に位置センサ２０が配置される。位置センサ２０は、回転子の磁極の位置を検出するように構成され、位置センサ２０は、回転子の極軸Ｓに対して角度を成して偏位する。実施形態における好ましい偏位角度もまた、αである。

図２は、本開示の実施形態によるモータのモータ駆動回路１９のブロック図を示す。モータ駆動回路１９は、位置センサ２０、整流回路２８、制御可能双方向交流スイッチ２６、スイッチ制御回路３０、及び遅延回路８０を含む。モータの固定子巻線１６及び制御可能双方向交流スイッチ２６は、交流電源２４の２つの端子の間に直列に接続される。モータを制御して始動又は停止させるように構成された電力スイッチ２５が、固定子巻線１６と交流電源２４との間に配置される。整流回路２８は、交流電源を低電圧直流に変換し、低電圧力流を位置センサ２０に供給するように構成される。位置センサ２０には、整流回路２８により出力された低電圧直流が供給され、位置センサ２０は、モータの回転子１４の磁極の位置を検出し、磁気誘導信号を位置センサ２０の出力端子において出力するように構成される。スイッチ制御回路３０は、整流回路２８及び位置センサ２０に接続される。スイッチ制御回路３０の出力端子Ｐｏｕｔは、制御可能双方向交流スイッチ２６に遅延回路８０を介して接続される。スイッチ制御回路３０は、位置センサ２０により検出された回転子の磁極の位置情報、及び交流電源２４の極性情報に基づいて、制御可能双方向交流スイッチ２６を制御して事前設定された方式でオン又はオフにさせるように構成され、固定子巻線１６が回転子１４を引きずって上記の一定の始動方向に回転させるようにする。

外部交流電源２４は、商用電力の２２０Ｖ若しくは２３０Ｖ交流、又はインバータにより出力される交流とすることができる。好ましくは、制御可能双方向交流スイッチ２６は、双方向トライオード・サイリスタ（ＴＲＩＡＣ）とすることができる。好ましくは、位置センサ２０は、ホール（Ｈａｌｌ）センサ２２（図３に示す）とすることができる。

図２において、制御可能双方向交流スイッチ２６は、第１のノードＡと第２のノードＢとの間に接続され、固定子巻線１６及び交流電源２４は、第１のノードＡと第２のノードＢとの間に直列に接続される。別の実施形態において、固定子巻線１６及び制御可能双方向交流スイッチ２６が、第１のノードＡと第２のノードＢとの間に直列に接続され、交流電源２４の２つの端子が、それぞれ第１のノードＡ及び第２のノードＢに接続される。このようにして、モータの固定子巻線１６及び制御可能双方向交流スイッチ２６が、交流電源２４の２つの端子間に直列に接続される。整流回路２８の第１の入力端子Ｉ１及び第２の入力端子Ｉ２は、それぞれ第１のノードＡ及び第２のノードＢに接続される。好ましくは、第１の入力端子Ｉ１は、抵抗器Ｒ０を介して第１のノードＡに接続される。

図３を参照すると、これは、第１の実施形態による図２に示すモータ駆動回路１９の特定の回路図である。

整流回路２８は、４つのダイオードＤ２からＤ５を含む。ダイオードＤ２のカソードは、ダイオードＤ３のアノードに接続され、ダイオードＤ３のカソードは、ダイオードＤ４のアノードに接続され、ダイオードＤ４のアノードは、ダイオードＤ５のカソードに接続され、ダイオードＤ５のアノードは、ダイオードＤ２のアノードに接続される。整流回路２８の第１の入力端子Ｉ１としてのダイオードＤ２のカソードは、モータ１０の固定子巻線１６に抵抗器Ｒ０を介して接続される。第２の入力端子Ｉ２としてのダイオードＤ４のアノードは、交流電源２４に接続される。整流回路２８の第１の出力端子Ｏ１としてのダイオードＤ３のカソードは、ホールセンサ２２及びスイッチ制御回路３０に接続され、第１の出力端子Ｏ１は、高い直流動作電圧を出力する。整流回路２８の第２の出力端子Ｏ２としてのダイオードＤ５のアノードは、ホールセンサ２２に接続され、第２の出力端子Ｏ２は、第１の出力端子により出力される電圧より低い低電圧を出力する。ツェナーダイオードＺ１などの電圧調整器回路が、整流回路２８の第１の出力端子Ｏ１と第２の出力端子Ｏ２との間に接続される。ツェナーダイオードＺ１のアノードが整流回路２８の第２の出力端子Ｏ２に接続され、ツェナーダイオードＺ１のカソードが第１の出力端子Ｏ１に接続される。

実施形態において、ホールセンサ２２は、電源端子ＶＣＣ、接地端子ＧＮＤ及び出力端子Ｈ１を含む。電源端子ＶＣＣは、整流回路２８の第１の出力端子Ｏ１に接続され、接地端子ＧＮＤは、整流回路２８の第２の出力端子Ｏ２に接続され、出力端子Ｈ１は、スイッチ制御回路３０に接続される。ホールセンサ２２が正常に給電される場合、すなわち、電源端子ＶＣＣが高電圧を受け取り、かつ接地端子ＧＮＤが低電圧を受け取る場合、ホールセンサ２２の出力端子Ｈ１は、検出された回転子の磁界がＮ極（Ｎｏｒｔｈ）の場合、論理高レベルに対応する磁気誘導信号を出力し、ホールセンサ２２の出力端子Ｈ１は、検出された回転子の磁界がＳ極（Ｓｏｕｔｈ）の場合、論理低レベルに対応する磁気誘導信号を出力する。

好ましい実施形態において、スイッチ制御回路３０は、第１のスイッチ及び第２のスイッチを含む。第１のスイッチは、第１の電流路内に接続され、第１の電流路は、制御可能双方向交流スイッチ２６の制御端子（スイッチ制御回路３０の出力端子Ｐｏｕｔに接続される）と、整流回路２８の第１の出力端子Ｏ１との間に配置される。第２のスイッチは、第２の電流路内に接続され、第２の電流路は、制御可能双方向交流スイッチ２６と、整流回路２８の第２の出力端子Ｏ２との間に配置される。

図４に示すような特定の実施構成のように、第１のスイッチ３１及び第２のスイッチ３２は、一対の相補型半導体スイッチである。第１のスイッチ３１は、低レベルでオンになり、第２のスイッチ３２は、高レベルでオンになる。第１のスイッチ３１及びスイッチ制御回路３０の出力端子Ｐｏｕｔは、第１の電流路内で接続される。第２のスイッチ３２及び出力端子Ｐｏｕｔは、第２の電流路内で接続される。第１のスイッチ３１及び第２のスイッチ３２の両方の制御端子は、位置センサ２０に接続される。第１のスイッチ３１の電流入力端子は、高電圧側（例えば直流電源）に接続され、電流出力端子は、第２のスイッチ３２の電流入力端子に接続され、第２のスイッチ３２の電流出力端子は、低電圧側（例えば接地）に接続される。位置センサ２０により出力される磁気誘導信号が低レベルにある場合、第１のスイッチ３１がオンになり、かつ第２のスイッチ３２がオフになり、負荷電流は、高電圧側から第１のスイッチ３１及びスイッチ制御回路３０の出力端子Ｐｏｕｔを介して外部へ流れる。位置センサ２０により出力される磁気誘導信号が高レベルにある場合、第２のスイッチ３２がオンになり、かつ第１のスイッチ３１がオフになり、負荷電流は、外部から出力端子Ｐｏｕｔへ流入し、第２のスイッチ３２を通って流れる。図４に示す例において、第１のスイッチ３１は、正チャネル金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（Ｐ型ＭＯＳＦＥＴ）であり、第２のスイッチ３２は、負チャネル金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ）である。別の実施形態における第１のスイッチ３１及び第２のスイッチ３２は、その他の型式の半導体スイッチ、例えば、接合電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）若しくは金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＥＳＦＥＴ）又はその他の電界効果トランジスタとすることができることを理解することができる。

遅延回路８０は、スイッチ制御回路３０の出力端子Ｐｏｕｔと、制御可能双方向交流スイッチ２６の制御端子Ｇとの間に配置される。好ましくは、遅延回路は、ＲＣ遅延回路である。

別の特定の実施例において、図３を参照して、スイッチ制御回路３０は、第１の端子、第２の端子及び第３の端子を含む。第１の端子は、整流回路２８の第１の出力端子Ｏ１に接続され、第２の端子は、ホールセンサ２２の出力端子Ｈ１に接続され、第３の端子は、制御可能双方向交流スイッチ２６の制御端子に接続される。スイッチ制御回路３０は、抵抗器Ｒ２、ＮＰＮトライオードＱ１（第１のスイッチ）、ホールセンサ２２の出力端子Ｈ１と制御可能双方向交流スイッチ２６との間に直列に接続されたダイオードＤ１（第２のスイッチ）、及び抵抗器Ｒ１を含む。第２の端子としてのダイオードＤ１のカソードは、ホールセンサ２２に接続される。抵抗器Ｒ２の一方の端子は、整流回路２８の第１の出力端子Ｏ１に接続され、抵抗器Ｒ２の他方の端子は、ホールセンサ２２の出力端子Ｈ１に接続される。ＮＰＮトライオードＱ１のベースは、ホールセンサ２２の出力端子Ｈ１に接続され、ＮＰＮトライオードＱ１のエミッタは、ダイオードＤ１のアノードに接続され、第１の端子としてのＮＰＮトライオードＱ１のコレクタは、整流回路２８の第１の出力端子Ｏ１に接続される。抵抗器Ｒ１の、ダイオードＤ１に接続されていない方の端子は、第３の端子として機能する。

好ましくは、制御可能双方向交流スイッチ２６は、双方向トライオードサイリスタ（ＴＲＩＡＣ）である。ＴＲＩＡＣの２つのアノードＴ１及びＴ２は、それぞれ交流電源２４及び固定子巻線１６に接続され、ＴＲＩＡＣの制御端子Ｇは、スイッチ制御回路３０の第３の端子に接続される。遅延回路は、ＲＣ遅延回路とすることができ、これはキャパシタＣ１及び抵抗器Ｒ１を含む。キャパシタＣ１は、ＴＲＩＡＣの制御端子Ｇと第１のアノードＴ１との間に接続される。この実施形態において、ＲＣ遅延回路は、スイッチ制御回路３０の抵抗器Ｒ１と、キャパシタＣ１とにより形成される。

理解することができるように、制御可能双方向交流スイッチ２６は、電流がそこを通って両方向に流れることができる電子スイッチを含むことができ、これは、金属酸化物半導体電界効果トランジスタ、シリコン制御交流−直流変換回路、双方向トライオードサイリスタ、絶縁ゲート・バイポーラトランジスタ、バイポーラ接合トランジスタ、半導体サイラトロン、光結合素子のうちの１つ又はそれ以上により形成される。例えば、２つの金属酸化物半導体電界効果トランジスタが制御可能双方向交流スイッチを形成することができ、２つのシリコン制御交流−直流変換回路が制御可能双方向交流スイッチを形成することができ、２つの絶縁ゲート・バイポーラトランジスタが制御可能双方向交流スイッチを形成することができ、２つのバイポーラ接合トランジスタが制御可能双方向交流スイッチを形成することができる。

別の実施形態において、スイッチ制御回路３０は、電流が制御可能双方向交流スイッチ２６の制御端子へ流れる第１の電流路と、電流が制御可能双方向交流スイッチ２６の制御端子から流れる第２の電流路と、第１の電流路及び第２の電流路の一方に接続されたスイッチと、を含む。スイッチは、磁気誘導信号により制御され、第１の電流路及び第２の電流路を選択的にオンにさせる。随意に、第１の電流路及び第２の電流路の他方は、スイッチを含まない。

特定の実施構成として、図５に示すように、スイッチ制御回路３０は、単方向スイッチ３３を含む。単方向スイッチ３３及び出力端子Ｐｏｕｔは、第１の電流路内で接続される。単方向スイッチ３３の電流入力端子は、位置センサ２０の出力端子に接続することができる。位置センサ２０の出力端子はまた、第１の電流路の方向の反対方向を有する第２の電流路内で抵抗器Ｒ４を通じて出力端子Ｐｏｕｔにも接続することができる。単方向スイッチ３３は、磁気誘導信号が高レベルにある場合にオンにされ、負荷電流は、単方向スイッチ３３及び出力端子Ｐｏｕｔを通って外部へ流れる。単方向スイッチ３３は、磁気誘導信号が低レベルにある場合にオフにされ、負荷電流は、外部から出力端子Ｐｏｕｔへ流入し、抵抗器Ｒ４及び位置センサ２０を通って流れる。代替的に、第２の電流路内の抵抗器Ｒ４を、単方向スイッチ３３に対して逆並列に接続された別の単方向スイッチで置き換えることができる。このようにして、出力端子Ｐｏｕｔから流出する負荷電流と出力端子Ｐｏｕｔに流入する負荷電流とが、さらに釣り合わされる。

別の特定の実施構成において、図６に示すように、スイッチ制御回路３０は、位置センサ２０の出力端子と出力端子Ｐｏｕｔとの間に逆直列に接続されたダイオード３４及びダイオード３５と、直列接続されたダイオード３４及びダイオード３５に対して並列に接続された抵抗器Ｒ５と、ダイオード３４及びダイオード３５の共通端子と電源との間に接続された抵抗器Ｒ６と、を含む。ダイオード３４のカソードは、位置センサ２０の出力端子に接続される。電源は、整流回路２８の第１の出力端子Ｏ１に接続することができる。ダイオード３４は、磁気誘導信号により制御される。磁気誘導信号が高レベルにある場合、ダイオード３４はオフにされ、負荷電流は出力端子Ｐｏｕｔから外部へ、抵抗器Ｒ６及びダイオード３５を通って流れる。磁気誘導信号が低レベルにある場合、負荷電流は、外部から出力端子Ｐｏｕｔへ流入し、抵抗器Ｒ５及び位置センサ２０を通って流れる。

遅延回路８０は、スイッチ制御回路３０の出力端子Ｐｏｕｔと、制御可能双方向交流スイッチ２６の制御端子Ｇとの間に配置される。好ましくは、遅延回路は、ＲＣ遅延回路である。他の実施形態において、図７を参照して、遅延回路８０は、他の方式で形成することができる。例えば、遅延回路は、偶数のＮＯＴゲート８１を含む。

スイッチ制御回路３０は、交流電源が正の半周期にあり、かつ位置センサ２０が、回転子の磁界極性が第１の極性であることを検出した場合、又は交流電源が負の半周期にあり、かつ位置センサが、回転子の磁界極性が第１の極性の逆の第２の極性であることを検出した場合、制御可能双方向交流スイッチ２６がオンになるように制御し、交流電源が負の半周期にあり、かつ位置センサ２０が、回転子の磁界極性が第１の極性にあることを検出した場合、又は交流電源が正の半周期にあり、かつ位置センサが、回転子の磁界極性が第２の極性であることを検出した場合、制御可能双方向交流スイッチ２６がオフになるように制御するように、構成される。この実施形態において、第１の極性はＮ極であり、第２の極性はＳ極である。他の実施形態において、第１の極性はＳ極であり、第２の極性はＮ極である。

制御可能双方向交流スイッチ２６がオンの場合、スイッチ制御回路３０は、電流が整流回路２８の第１の出力端子Ｏ１から制御可能双方向交流スイッチ２６の制御端子へ流れる第１の状態と、電流が制御可能双方向交流スイッチ２６の制御端子から整流回路２８の第２の出力端子Ｏ２へ流れる第２の状態との間で切り換わる。本開示の実施形態において、第１の状態と第２の状態との間でのスイッチ制御回路３０の動作状態の切換えは、一方の状態が終了した直後に他方の状態に切り換わる場合に限定されず、一方の状態に続く間隔時間が経過した後に他方の状態に切り換わる場合もさらに含むことに留意されたい。好ましい用途において、第１の状態と第２の状態との間の切換えのための間隔時間の間、駆動電流は、制御可能双方向交流スイッチ２６の制御端子を通って流れない。

詳細には、交流電源２４が正の半周期にあり、かつ位置センサ２０が、回転子の磁界極性が第１の極性であると検出した場合、スイッチ制御回路３０は、駆動電流が整流回路２８の第１の出力端子Ｏ１から制御可能双方向交流スイッチ２６の制御端子へ流れるようにさせる。交流電源２４が負の半周期にあり、かつ位置センサ２０が、回転子の磁界極性が第２の極性であると検出した場合、スイッチ制御回路３０は、駆動電流が制御可能双方向交流スイッチ２６の制御端子から整流回路２８の第２の出力端子Ｏ２へ流れるようにさせる。

認められるように、回転子の磁界極性が第１の極性であり、かつ交流電源が正の半周期にある場合、又は回転子の磁界極性が第２の極性であり、かつ交流電源が負の半周期にある場合に、駆動電流が制御可能双方向交流スイッチ２６の制御端子を通って流れる状況は、電流が上記２つの場合のいずれかの全期間にわたって制御可能双方向交流スイッチ２６の制御端子を通って流れる状況、及び電流が上記２つの場合のいずれかの一部期間にわたって制御可能双方向交流スイッチ２６の制御端子を通って流れる状況の両方を含む。

モータ駆動電流１９の動作原理を図８に関連して説明する。

図８の「Ｖａｃ」は、外部交流電源２４の電圧波形を表し、「Ｈｂ」は、位置センサ２０により検出される回転子の磁極の位置を表し、「Ｔｒｉａｃ」は、制御可能双方向交流スイッチ２６のオン状態及びオフ状態を表し、ここで「オン」は、制御可能双方向交流スイッチ２６がオンにされていることを表し、「オフ」は、制御可能双方向交流スイッチ２６がオフにされている（斜線で示された波形の部分に対応する）ことを表す。

例えば、時刻ｔ０において、位置センサ２０は、回転子の磁極の位置がＮ極にあり、かつ外部交流電源の電圧極性が正の半周期にあることを検出し、スイッチ制御回路３０は、制御可能双方向交流スイッチ２６をオンにするための駆動パルスを送る。遅延回路８０により生じる遅延（キャパシタＣ１の２つの端子間の電圧は、電荷が蓄積するにつれて上昇し、ジャンプすることができない）のため、駆動パルスは、図８に示すＤｅｌａｙとしてある一定の時間だけ遅延し、すなわち制御可能双方向交流スイッチ２６は、時刻ｔ１でオンにされる。特定の動作において、駆動パルスはパルス幅を有し、制御可能双方向交流スイッチ２６は、スイッチ制御回路３０が駆動パルスを送り、遅延時間Ｄｅｌａｙ及び駆動パルスのパルス幅の持続時間が既に経過した後、オンにされる。好ましくは、駆動パルスのパルス幅の持続時間が事前設定された持続時間に達しなければ、その程度は電流を電動するには十分ではなく、制御可能双方向交流スイッチ２６はオンにされない。制御可能双方向交流スイッチ２６がオンにされた後、モータの固定子巻線１６内の電流が徐々に上昇し、固定子巻線１６は、逆起電力を誘導し、期待されるトルクを発生させて、回転子１４を駆動して事前設定された方向、例えば時計回り方向に回転させる。時刻ｔ２において、位置センサ２０は、回転子の磁極の位置がＮ極にあり、かつ外部交流電源の電圧極性が負の半周期にあることを検出し、スイッチ制御回路３０は、制御可能双方向交流スイッチ２６へ駆動パルスを送らず、制御可能双方向交流スイッチ２６は、制御可能双方向交流スイッチ２６を通って流れる電流がゼロ交差電流に近いときに自動的にオフにされる。実際には、モータが純抵抗性負荷のように非常に小さいインダクタンス値を有する場合、外部交流電源２４により出力される電流は、外部交流電源２４の電圧がゼロと交差したとき０アンペアに近く、外部交流電源２４により出力される電流は、制御可能双方向交流スイッチの保持電流閾値よりも小さくなり、制御可能双方向交流スイッチ２６はオフになる。他の実施形態において、モータが高誘導性負荷を有する場合には、電流が０アンペア近くになるのは、外部交流電源２４の電圧がゼロと交差したときより後の時間である。図９を参照すると、制御可能双方向交流スイッチ２６は、時刻ｔ２より後の時間でオフになる。このとき、固定子巻線１６を通って流れる電流は小さく（なぜなら、固定子巻線１６内に貯えられるリアクタンス性エネルギーは小さいので）、これは回転子１４に対する駆動力を発生させず、したがって回転子１４は慣性効果で時計回り方向に回転し続ける。時刻ｔ３において、位置センサ２０は、再び、回転子の磁極の位置がＮ極にあり、かつ外部交流電源の電圧極性が正の半周期にあることを検出し、時刻ｔ３におけるモータ駆動回路１９の処理手順は、時刻ｔ０におけるモータ駆動回路１９の処理手順と同様であるので、本明細書では説明しない。

時刻ｔ４において、位置センサ２０は、回転子の磁極の位置がＳ極にあり、かつ外部交流電源の電圧極性が負の半周期にあることを検出し、スイッチ制御回路３０は、制御可能双方向交流スイッチ２６を制御してオンにさせる。以下の処理手順は、上記のような同じ条件において生じる状況での処理手順と同様であるので、本明細書では説明しない。

遅延回路８０の遅延時間は、外部交流電源の電圧値、外部交流電源の周波数、固定子巻線のインダクタンス値及び固定子巻線の内部抵抗のうちの少なくとも１つにより決定することができる。外部交流電源の電圧値が高いほど、遅延時間は長くなる。外部交流電源の周波数が低いほど、遅延時間は長くなる。固定子巻線のインダクタンス値が小さいほど、遅延時間は長くなる。固定子巻線の内部抵抗が小さいほど、遅延時間は長くなる。詳細には、上記説明により、遅延回路の遅延時間は、キャパシタＣ１のキャパシタンス値及び遅延回路８０の抵抗器Ｒ１の抵抗値を設定することにより設定することができる。

上記実施形態において、回転子の磁極の位置がＮ極であり、かつ外部交流電源の電圧極性が正の半周期にある場合、又は回転子の磁極の位置がＳ極であり、かつ外部交流電源の電圧極性が負の半周期にある場合、スイッチ制御回路３０は、制御可能双方向交流スイッチ２６をオンにする。回転子１４の磁極の位置がＮ極であり、かつ外部交流電源の電圧極性が負の半周期にある場合、又は回転子１４の磁極の位置がＳ極であり、かつ外部交流電源の電圧極性が正の半周期にある場合、スイッチ制御回路３０は、制御可能双方向交流スイッチ２６をオンにしない。遅延回路８０の遅延効果により、制御可能双方向交流スイッチ２６がオンにされるとき、スイッチ制御回路３０により送られる制御可能双方向交流スイッチ２６をオンにするための信号は、遅延回路８０により遅延時間だけ遅延され、図１０に示すように遅延時間後に制御可能双方向交流スイッチ２６の制御回路に送られ、このことが、逆起電力の位相が固定子巻線の電流の位相と異なる状况を大幅に低減し、負トルク（−Ｔ）が大幅に低減されることが図１１から分かる。

実施形態における整流回路２８は、全ブリッジ整流回路を採用する。他の実施形態において、整流回路２８は、半ブリッジ整流回路、全波整流回路、又は半波整流回路を採用することもできる。実施形態において、整流された後の電圧は、ツェナーダイオードＺ１により安定化される。他の実施形態において、３端子電圧調整器などの電子素子を用いて弾圧を安定化することもできる。

モータ駆動回路１９を一部又は全部、集積回路の内部に組み込むことができることが、当業者には理解することができる。例えば、モータ駆動回路１９を特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）として具体化して、回路の費用を削減し、かつ回路の信頼性を高めることができる。集積回路は、ハウジングと、ハウジングから外に延びた幾つかのピンと、ハウジング内にパッケージ化された半導体基板とを含むことができ、集積回路内にパッケージ化された駆動回路の部分は、半導体基板上に配置される。

集積回路は、実際の状況に基づいて設計することができる。例えば、位置センサ２０、スイッチ制御回路３０及び遅延回路８０を集積回路の内部に組み込むことができる。例えば、位置センサ２０及びスイッチ制御回路３０のみを集積回路の内部に組み込むことができ、整流回路２８、遅延回路８０及び制御可能双方向交流スイッチ２６を集積回路の外部に配置することができる。

例えば、低電力部分を集積回路内部に組み込むことができ、抵抗器Ｒ０及び制御可能双方向交流スイッチ２６を高電力部分として集積回路の外部に配置することができる。例えば、遅延回路内のキャパシタＣ１及び制御可能双方向交流スイッチ２６を集積回路の外部に配置することができ、その他が集積回路の内部に組み込まれる。

本開示の実施形態において説明されたモータは、ファン、ポンプ、家庭用電化製品又は車両（車両内には低電圧又は高電圧交流電源が必要とされ、車両が低電圧又は高電圧交流電源を含んでいない場合には、永久磁石交流モータを駆動させるためにインバータが必要とされる）などの駆動装置に用いることができることが、当業者には理解されるであろう。本開示の実施形態において説明されたモータは、永久磁石交流モータ、例えば永久磁石同期モータ、永久磁石ＢＬＤＣモータである。好ましくは、本開示の実施形態において説明されたモータは、単相永久磁石交流モータ、例えば、単相永久磁石同期モータ、単相永久磁石ＢＬＤＣモータなどである。モータが永久磁石同期モータである場合、外部交流電源は、商用電源である。モータが永久磁石ＢＬＤＣモータである場合、外部交流電源は、インバータにより出力される交流電源である。

本開示の実施形態によれば、外部交流電源の電圧極性は、モータの磁極の位置に対応し、スイッチ制御回路により送られる制御可能双方向交流スイッチをオンにするための信号は、遅延時間だけ遅延され、遅延時間後に制御可能双方向交流スイッチに送られる。このような制御方式に基づいて、モータは、逆起電力の位相が固定子巻線の電流の位相とできるだけ多く同じになり、できるだけ多く期待されるトルクがモータにより発生され、正トルクと負トルクとの相互抵抗により引き起こされる電力消費状況が減らされるように制御され、それにより電力利用効率を大幅に高めることができ、これが資源保護及び環境保全を増進する。

上記実施形態は、単に本開示の好ましい実施形態に過ぎず、開示を限定することを意図したものではない。本開示の思想及び原理から逸脱することなく為される全ての修正、均等な変形及び改良は、本開示の保護範囲内に入るものとする。例えば、本開示の駆動回路は、同期モータのみならず、ＤＣブラシレスモータなどの他の種類の永久磁石モータにも適用可能である。

本出願の説明及び実用新案登録請求の範囲において、「備える」、「含む」、「収容する」及び「有する」という動詞及びその活用の各々は、包括的な意味で用いられ、言及した事項の存在を指定するが、付加的な事項の存在を排除しない。

本考案を１つ又はそれ以上の好ましい実施形態を参照して説明したが、種々の修正が可能であることを当業者は認識されたい。したがって、本考案の範囲は、以下の実用新案登録請求の範囲を参照して決定される。

１０：モータ
１２：固定子磁心
１４：回転子
１６：モータの固定子巻線
１８：エアギャップ
１９：モータ駆動回路
２２：ホールセンサ
２４：交流電源
２５：電力スイッチ
２６：制御可能双方向交流スイッチ
２８：整流回路
３０：スイッチ制御回路
３１：第１のスイッチ
３２：第２のスイッチ
３３：単方向スイッチ
３４、３５：ダイオード
８０：遅延回路
８１：ＮＯＴゲート
Ｈｂ：回転子の磁極の位置
Ｐｏｕｔ：出力端子
Ｔｒｉａｃ：制御可能双方向交流スイッチのオン状態及びオフ状態
Ｖａｃ：外部交流電源の電圧波形

Claims (10)

1. 外部交流電源の両端にモータと直列に接続された制御可能双方向交流スイッチと、
   前記制御可能双方向交流スイッチを制御して事前設定された方式でオン又はオフにさせるように構成されたスイッチ制御回路と、
   前記制御可能双方向交流スイッチの投入を事前設定された時間だけ遅延させて、前記モータを通って流れる電流と逆起電力との間の位相差を小さくするように構成された遅延回路と、
   を備えることを特徴とする、モータ駆動回路。
2. 前記遅延回路がＲＣ遅延回路を備え、前記ＲＣ遅延回路のキャパシタが、前記制御可能双方向交流スイッチの制御端子に接続されることを特徴とする、請求項１に記載のモータ駆動回路。
3. 前記モータの回転子の磁界を検出し、次いで前記磁界に対応する磁気誘導信号を出力するように構成された位置センサをさらに備え、前記スイッチ制御回路は、前記磁気誘導信号と、前記交流電源から出力される電力信号の極性とに基づいて、前記制御可能双方向交流スイッチを制御してオン又はオフにさせるように構成されることを特徴とする、請求項１に記載のモータ駆動回路。
4. 前記スイッチ制御回路が、
   前記出力された電力信号の前記極性が正であり、かつ前記検出された磁気誘導信号が第１の極性にある場合、又は前記出力された電力信号の前記極性が負であり、かつ前記検出された磁気誘導信号が第２の極性にある場合、前記制御可能双方向交流スイッチをオンにするように、及び
   前記電力信号が負であり、かつ前記検出された磁気誘導信号が前記第１の極性にある場合、又は前記電力信号が正であり、かつ前記検出された磁気誘導信号が前記第２の極性にある場合、前記制御可能双方向交流スイッチをオフにするように
   構成されることを特徴とする、請求項３に記載のモータ駆動回路。
5. 整流回路をさらに備え、前記整流回路は、高電圧出力端子及び低電圧出力端子を備え、前記制御可能双方向交流スイッチがオンの場合、前記スイッチ制御回路は、電流が前記整流回路の前記高電圧出力端子から前記制御可能双方向交流スイッチの制御端子へ流れる第１の状態と、電流が前記制御可能双方向交流スイッチの前記制御端子から前記整流回路の前記低電圧出力端子へ流れる第２の状態との間で切り換わることを特徴とする、請求項３に記載のモータ駆動回路。
6. 前記スイッチ制御回路は、第１のスイッチ及び第２のスイッチを備え、
   前記第１のスイッチは、第１の電流路内に接続され、前記第１の電流路は、前記制御可能双方向交流スイッチの前記制御端子と前記整流回路の前記高電圧出力端子との間に配置され、
   前記第２のスイッチは、第２の電流路内に接続され、前記第２の電流路は、前記制御可能双方向交流スイッチの前記制御端子と前記整流回路の低電圧出力端子との間に配置される
   ことを特徴とする、請求項５に記載のモータ駆動回路。
7. 前記遅延回路がＲＣ遅延回路を備え、前記ＲＣ遅延回路が、前記制御可能双方向交流スイッチの前記制御端子に接続されたキャパシタと、前記制御可能双方向交流スイッチの前記制御端子と前記第１のスイッチの電流出力端子との間に接続された抵抗器とを備えることを特徴とする、請求項６に記載のモータ駆動回路。
8. 前記位置センサ及び前記スイッチ制御回路が集積回路の内部に組み込まれ、前記遅延回路がＲＣ遅延回路を備え、前記ＲＣ遅延回路のキャパシタが前記集積回路の外部に配置されることを特徴とする、請求項３に記載のモータ駆動回路。
9. 前記位置センサ、前記スイッチ制御回路及び前記遅延回路が集積回路の内部に組み込まれることを特徴とする、請求項３に記載のモータ駆動回路。
10. モータと、請求項１〜請求項９のいずれかに記載の前記モータ駆動回路とをそなえたモータ構成要素であって、前記モータは、固定子及び回転子を備え、前記固定子は、固定子鉄心と、前記固定子鉄心に巻回された単相巻線とを備えることを特徴とする、モータ構成要素。

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