JP3711859B2 - Brushless DC motor - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、４相駆動を行うブラシレス直流電動機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ブラシレス直流電動機は、永久磁石により回転子磁極を構成した回転子と、回転子磁極に対向する磁極部を有する電機子鉄心にコイルを巻回してなる固定子と、コイルに流す電流のオンオフと極性の切り換えとを行うスイッチ回路と、固定子側の特定の位置で回転子磁極の極性を検出する回転子磁極センサと、回転子磁極センサの出力に応じてスイッチ回路を制御するコントローラとにより構成される。コントローラは、回転子を所定の方向に回転させるべく、回転子磁極センサの出力に応じて、所定の相の電機子コイルに所定のタイミングで所定の極性の電流を流すようにスイッチ回路を制御する。
【０００３】
ブラシレス直流電動機としては、コイルを３相星形結線して、３相駆動するようにしたものが一般に用いられている。３相駆動を行うブラシレス直流電動機では、ホールＩＣ等からなる回転子磁極センサを３つ設けて、これら３つのセンサの出力に論理演算（論理和や論理積の演算）を施すことにより励磁の切換タイミングを求めて、スイッチ回路を構成する各スイッチ素子に与える駆動信号を得るようにしている。
【０００４】
なお本明細書では、電気角で３６０／ｎ度（ｎは１以上の整数）の間隔で電機子コイルの励磁を切り換える駆動の仕方をｎ相駆動と呼ぶ。
【０００５】
上記のように、一般には、３相駆動を行うブラシレス直流電動機が用いられているが、３相駆動を行うためには、最低３つの回転子磁極センサを設けて、これらのセンサの出力から論理演算により励磁を切り換えるタイミングを求める必要があるため、センサの数が多くなってコストが高くなるだけでなく、励磁の切換タイミングを求めるための論理が複雑になるという問題があった。
【０００６】
ブラシレス直流電動機のコントローラは、論理回路を用いて構成する場合と、マイクロコンピュータを用いて構成する場合とがあるが、論理回路を用いてコントローラを構成する場合に、励磁の切換タイミングを求めるための論理が複雑であると、論理回路の構成が複雑になってコストが高くなるのを避けられない。またコントローラをマイクロコンピュータにより構成する場合には、励磁の切換えタイミングを定めるための論理が複雑であると、マイクロコンピュータに実行させるプログラムが複雑になるため好ましくない。したがって、ブラシレス直流電動機において、励磁の切換タイミングを求めるための論理はできるだけ簡単な方が望ましい。
【０００７】
そこで、ブラシレス直流電動機を回転させるに当たり、４相駆動を行うことが考えられる。４相駆動では、固定子側に、電気角で９０度の間隔を持たせて２つの回転子磁極センサを設けて、９０度間隔で励磁を切換える。このように、４相駆動を行うようにすれば、２つの回転子磁極センサの出力に論理演算を施すだけで励磁の切換タイミングを求めることができるため、励磁の切換タイミングを求めるための論理を簡単にすることができる。
【０００８】
ブラシレス直流電動機において、回転子磁極センサの配設位置を決定するに当たっては、最大の出力トルクが得られるように回転子磁極センサの配設位置を決定するのが普通であり、一般には、電機子鉄心の歯部間（磁極間）の周方向（鉄心の周方向）の中心位置に回転子磁極センサを配設することにより、出力トルクを最大にすることができる。したがって、ブラシレス直流電動機を４相駆動する場合も、２つの回転子磁極センサを電機子鉄心の歯部間に配設するのが普通である。
【０００９】
ところが、ブラシレス直流電動機を４相駆動する場合に、２つの回転子磁極センサを電機子鉄心の歯部間に配置すると、出力トルク特性（回転子の回転角度位置に対する出力トルクの特性）に深い谷間が生じ、出力トルク特性の谷間に相当する回転角度位置で回転子が停止している状態から電動機を始動させようとした際に、始動トルクがほとんど零に近い状態になることがある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来の考え方に従って４相駆動を行うブラシレス直流電動機では、出力トルク特性に深い谷間が生じ、回転子の停止位置によっては、始動トルクがほとんど得られない状態が生じる。従って負荷によっては、電動機の始動に失敗することがあり、実用上問題があった。
【００１１】
本発明の目的は、ブラシレス直流電動機を４相駆動する場合に、出力特性に深い谷間が生じるのを防いで、回転子の停止位置の如何に係わりなく十分な始動トルクを得ることができるようにすることにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、ブラシレス直流電動機を４相駆動する場合に、出力特性に深い谷間が生じるのを防いで、しかも最大出力トルクを大きくすることができるようにすることにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、回転子ヨークに永久磁石を取付けて磁石界磁を構成する磁石回転子と、多極の電機子鉄心にコイルを巻回してなる固定子と、回転子を駆動する際（電動機として動作させる際）に固定子のコイルの励磁の切換を行うスイッチ回路と、該スイッチ回路を制御するコントローラとを備えたブラシレス直流電動機を対象とする。
【００１４】
本発明では、出力トルク特性に深い谷が生じるのを防ぐために、コイルを重ね巻きして、電動機として動作する際に働く固定子の磁極（歯部）の数を増やす。また回転子磁極センサを電機子鉄心の歯部の中心に相応する位置に配置することにより、トルク特性に生じる谷の深さを浅くし、回転子の特定の回転角度位置でトルクが低くなるのを防止する。
【００１５】
更に詳細に説明すると、本願の第１の発明においては、磁石回転子として、等角度間隔で配置されたｍ極（ｍは偶数）の磁極を有するものを用いる。また固定子としては、磁石回転子の回転方向に等角度間隔で並ぶように設けられた２ｍ個（ｍは偶数）の歯部を有する電機子鉄心と、各コイルを電機子鉄心の隣り合う２つの歯部に跨らせ、かつ各コイルの巻き方向を同一として磁石回転子の回転方向に順次重ね巻きされた２ｍ個のコイルとを備えたものを用い、２ｍ個のコイルのそれぞれの巻始め側の端末部とそれぞれのコイルに隣接するコイルの巻終り側の端末部との接続点から２ｍ個のタップ端子を導出しておく。
【００１６】
この固定子においては、磁石回転子との位相関係が等しいコイルの巻始め側の端末部に接続されたタップ端子を同じ相のタップ端子とした場合に、２ｍ個のタップ端子を第１ないし第４の相のタップ端子に分けることができる。
【００１７】
本発明においてはまた、電機子鉄心の特定の歯部の周方向のほぼ中心に相応する位置に設定された第１の検出位置及び該第１の検出位置から磁石回転子の回転方向に電気角で９０度離れた第２の検出位置にそれぞれ配置されて、それぞれの検出位置を通過している磁石回転子の磁極がＮ極のときとＳ極のときとで出力の状態を異にするように設けられた第１及び第２の回転子磁極センサと、固定子のコイルの励磁相（励磁電流を流す相）の切換を行う機能を有するスイッチ回路と、回転子磁極センサの出力の状態が変化する毎に励磁相を切換えるようにスイッチ回路を制御するコントローラとを設ける。
【００１８】
上記スイッチ回路としては、互いに直列に接続された上段のスイッチ素子と下段のスイッチ素子とを有して両スイッチ素子どうしの接続点から中間端子が導出されたスイッチアームを第１ないし第４の相のタップ端子のそれぞれに対して少なくとも１つずつ備えていて、第１ないし第４の相のタップ端子にそれぞれ対応する第１ないし第４の相のスイッチアームを直流電源が接続される対の直流電源接続端子間に並列に接続したものを用い、第１ないし第４の相のスイッチアームのそれぞれの中間端子を対応する相のタップ端子に接続する。
【００１９】
スイッチ回路を制御するコントローラは、磁石回転子を一方向に回転駆動する際に、直流電源の正極端子からスイッチ回路の２つの隣り合う相のスイッチアームの上段のスイッチ素子を通して固定子の隣り合う２つの相のタップ端子に同時に励磁電流を流入させて、回転子の回転方向の前方側に位置する相のタップ端子に流入させた励磁電流は回転方向の前方側の１つのコイルを通して流した後他の１つの相のスイッチアームの下段のスイッチ素子を通して直流電源の負極端子に戻し、隣り合う２つの相のタップ端子のうち回転方向の後方側に位置する相のタップ端子に流入させた励磁電流は回転方向の後方側の１つの相のコイルを通して流した後更に他の相のスイッチアームの下段のスイッチ素子を通して直流電源の負極端子に戻す励磁電流の流し方を規定の励磁パターンとして定めておいて、第１及び第２の回転子磁極センサのそれぞれの出力の状態が変化する毎に、規定の励磁パターンに従って励磁電流を流すコイルを順次磁石回転子の回転方向にシフトさせていくようにスイッチ回路のスイッチ素子をオンオフ制御する機能を持つように構成する。
【００２０】
上記のように、電機子鉄心の特定の歯部の周方向のほぼ中心に相応する位置に設定された第１の検出位置及び該第１の検出位置から磁石回転子の回転方向に電気角で９０度離れた第２の検出位置にそれぞれ第１及び第２の回転子磁極センサを配置するとともに、固定子の隣り合う２つの相のタップ端子に同時に励磁電流を流入させるように励磁パターンを定めて、この励磁パターンに従って励磁電流を流すようにすると、ほとんど谷が生じない、ほぼフラットな出力トルク特性を得ることができるため、始動トルクが不足して電動機の始動に失敗するおそれをなくすことができる。
【００２１】
また回転子磁極センサは２つだけ設ければよいため、励磁パターンの切換のタイミングを定めるための論理を簡単にすることができ、コントローラを論理回路を構成する場合のその構成を簡単にすることができる。またコントローラをマイクロコンピュータにより構成する場合には、該マイクロコンピュータに実行させるプログラムを簡単にすることができる。
【００２２】
上記のように、２つの回転子磁極センサを電機子鉄心の歯部の中心に相応する位置に配置すると、従来の考え方にしたがって回転子磁極センサを歯部間の間隙の中心に相応する位置に配置した場合に比べて、出力トルクの最大値が多少低下する。
【００２３】
負荷によっては、電動機の始動トルクを大きくするだけでなく、出力トルクの平均値をできるだけ大きくすることが望まれることがある。
【００２４】
このような目的を達成するため、本願の第２の本発明においては、磁石回転子の回転方向に電気角で４５度の間隔をもって順次並ぶように設定された固定子側の第１ないし第４の検出位置にそれぞれ第１ないし第４の回転子磁極センサを配置して、回転子の回転速度が低いときには励磁電流を２つのタップ端子に同時に流入させる励磁パターンで励磁電流を流して出力トルクのむらを少なくし、回転速度がある程度高くなったときに、励磁電流を１つのタップ端子に流入させる励磁パターンで励磁電流を流して、出力トルクの最大値を高くする。
【００２５】
ここで、電機子鉄心の２ｍ個の歯部の中から選択した１つの歯部を第１の特定歯部とし、該第１の特定歯部よりも磁石回転子の回転方向の前方側に配置された隣接の２つの歯部をそれぞれ第２の特定歯部及び第３の特定歯部とした場合、上記第１の検出位置は、第１の特定歯部の周方向のほぼ中心に相応する位置とする。この場合第２の検出位置は、第１の特定歯部と第２の特定歯部との間の間隙の周方向のほぼ中心に相応する位置とすることができ、第３の検出位置は、第２の特定歯部の周方向のほぼ中心に相応する位置とすることができる。また第４の検出位置は、第２の特定歯部と第３の特定歯部との間の間隙のほぼ中心位置とすることができる。
【００２６】
この場合、コントローラは、直流電源の正極端子からスイッチ回路の２つの隣り合う相のスイッチアームの上段のスイッチ素子を通して固定子の隣り合う２つの相のタップ端子に同時に励磁電流を流入させて、回転子の回転方向の前方側に位置する相のタップ端子に流入させた励磁電流は回転方向の前方側の１つの相のコイルを通して流した後他の１つの相のスイッチアームの下段のスイッチ素子を通して直流電源の負極端子に戻し、隣り合う２つの相のタップ端子のうち回転方向の後方側に位置する相のタップ端子に流入させた励磁電流は回転方向の後方側の１つの相のコイルを通して流した後更に他の相のスイッチアームの下段のスイッチ素子を通して直流電源の負極端子に戻す励磁電流の流し方を第１の励磁パターンとして定めるとともに、直流電源の正極端子からスイッチ回路のいずれか１つの相のスイッチアームの上段のスイッチ素子を通して固定子のいずれか１つの相のタップ端子に流入させた励磁電流を回転子の回転方向の前方側で隣り合う２つの隣接コイルと回転方向の後方側で隣り合う２つの隣接コイルとに分流させた後他の１つの相のスイッチアームの下段のスイッチ素子を通して直流電源の負極端子に戻す励磁電流の流し方を第２の励磁パターンとして定めておいて、磁石回転子の回転速度が設定値以下のときに、第１の回転子磁極センサ及び第３の回転子磁極センサのそれぞれの出力の状態が変化する毎に第１の励磁パターンに従って励磁電流を流すコイルを磁石回転子の回転方向にシフトさせていき、磁石回転子の回転速度が設定値を超えたときには第２の回転子磁極センサ及び第４の回転子磁極センサのそれぞれの出力の状態が変化する毎に第２の励磁パターンに従って励磁電流を流すコイルを前記磁石回転子の回転方向にシフトさせていくようにスイッチ回路のスイッチ素子を制御する。
【００２７】
上記のように、電動機の回転速度に応じて励磁パターンを切り換えるようにすると、電動機の始動時にはトルクむらを少なくして、始動トルクが不足する回転角度位置が生じるのを防ぐことができ、電動機が始動した後は、出力トルクの最大値を大きくして電動機の平均出力トルクを大きくすることができる。
【００２８】
この場合、４つの回転子磁極センサを必要とするが、各励磁パターンによる励磁は４相駆動であり、２のつ回転子磁極センサの出力に基づいて励磁の切換タイミングを定めることができるため、３相駆動による場合に比べて励磁の切換タイミングを求めるための論理を簡単にすることができる。
【００２９】
上記の構成では、回転速度に応じて励磁パターンを切り換えるために、４つの回転子磁極センサを用いているが、電機子鉄心の歯部のほぼ中心に相応する位置で回転子の磁極がＮ極であるかＳ極であるかを検出する第１及び第２の回転子磁極センサを用いて第２の励磁パターンの励磁相の切換を行い、第１及び第２の回転子磁極センサの出力の状態が変化する毎に起動するタイマの出力を用いて、第１の励磁パターンによる励磁相の切換を行わせるようにすることもできる。
【００３０】
この場合、コントローラは、直流電源の正極端子からスイッチ回路の２つの隣り合う相のスイッチアームの上段のスイッチ素子を通して固定子の隣り合う２つの相のタップ端子に同時に励磁電流を流入させて、回転子の回転方向の前方側に位置する相のタップ端子に流入させた励磁電流を回転方向の前方側の１つの相のコイルを通して流した後他の１つの相のスイッチアームの下段のスイッチ素子を通して直流電源の負極端子に戻し、隣り合う２つの相のタップ端子のうち回転方向の後方側に位置する相のタップ端子に流入させた励磁電流を回転方向の後方側の１つの相のコイルを通して流した後更に他の相のスイッチアームの下段のスイッチ素子を通して直流電源の負極端子に戻す励磁電流の流し方を第１の励磁パターンとして定めるとともに、直流電源の正極端子からスイッチ回路のいずれか１つの相のスイッチアームの上段のスイッチ素子を通して固定子のいずれか１つの相のタップ端子に流入させた励磁電流を回転子の回転方向の前方側で隣り合う２つの隣接コイルと回転方向の後方側で隣り合う２つの隣接コイルとに分流させた後他の１つの相のスイッチアームの下段のスイッチ素子を通して直流電源の負極端子に戻す励磁電流の流し方を第２の励磁パターンとして定めておいて、磁石回転子の回転速度が設定値以下のときには、第１及び第２の回転子磁極センサのそれぞれの出力の状態が変化する毎に、第１の励磁パターンに従って励磁電流を流すコイルを磁石回転子の回転方向に順次シフトさせていくようにスイッチ回路の各スイッチ素子をオンオフ制御し、磁石回転子の回転速度が設定値を超えたときには、第１及び第２の回転子磁極センサの出力の状態の組み合わせが変化する毎に起動させたタイマが所定の時間を計測する毎に第２の励磁パターンに従って励磁電流を流すコイルを順次磁石回転子の回転方向にシフトさせていくようにスイッチ回路のスイッチ素子をオンオフ制御する。
【００３１】
この場合、磁石回転子の回転速度が設定値を超えたときに、磁石回転子の各磁極の回転方向の前端縁が電機子鉄心の歯部間を通過する際に、第１の励磁パターンで同時に励磁電流が流れるコイルの組み合わせが切り換わるように、タイマが計測する時間を設定する。
【００３２】
上記のように構成すると、回転子磁極センサを２つだけ設ければよいため、固定子側の構成を複雑にすることなく、回転速度に応じて励磁パターンを切換える制御を行わせることができる。
【００３３】
上記のように、本発明によれば、ブラシレス直流電動機を４相駆動する場合に、始動トルクが得られない回転角度位置が生じるのを防ぐことができるため、励磁の切換タイミングを定めるための論理が簡単な２相駆動の利点を活かして、しかも３相駆動を行うブラシレス直流電動機と同等の性能を有するブラシレス直流電動機を得ることができ、４相駆動を行うブラシレス直流電動機の実用性を高めることができる。
【００３４】
本発明ではまた、固定子が第１ないし第４の相のコイルを有している場合に、電気角で４５度の間隔を持って前記回転子の回転方向の前方側に順次並ぶように配置された第１ないし第４の回転子磁極センサを用いて、同時に２つのタップ端子に励磁電流を流入させる第１の励磁パターンと常に１つのタップ端子に励磁電流を流入させる第２の励磁パターンとを交互に生じさせながら電動機としての駆動を行わせることもできる。
【００３５】
この場合には、磁石回転子の回転方向の前方側に電気角で４５度の角度間隔で順次並ぶように設定された第１ないし第４の検出位置にそれぞれ配置されて、それぞれの検出位置を通過している磁石回転子の磁極がＮ極のときとＳ極のときとで出力の状態を異にするように設けられた第１ないし第４の回転子磁極センサと、互いに直列に接続された上段のスイッチ素子と下段のスイッチ素子とを有して両スイッチ素子どうしの接続点から中間端子が導出されたスイッチアームを第１ないし第４の相のタップ端子のそれぞれに対して少なくとも１つずつ備えていて、第１ないし第４の相のタップ端子にそれぞれ対応する第１ないし第４の相のスイッチアームを直流電源が接続される対の電源接続端子間に並列に接続するとともに該第１ないし第４の相のスイッチアームのそれぞれの中間端子を対応する相のタップ端子に接続した構成を有するスイッチ回路と、このスイッチ回路を制御するコントローラとを設ける。
【００３６】
このコントローラは、直流電源の正極端子からスイッチ回路の隣り合う２つの相のスイッチアームの上段のスイッチ素子を通して固定子の隣り合う２つの相のタップ端子に同時に励磁電流を流入させて、該隣り合う２つの相のタップ端子のうち回転子の回転方向の前方側に位置する相のタップ端子に流入させた励磁電流を回転方向の前方側に位置する１つの相のコイルを通して流した後スイッチ回路の他の１つの相のスイッチアームの下段のスイッチ素子を通して直流電源の負極端子に戻し、隣り合う２つの相のタップ端子のうち回転方向の後方側に位置する相のタップ端子に流入させた励磁電流は回転方向の後方側に位置する１つの相のコイルを通して流した後スイッチ回路の更に他の相のスイッチアームの下段のスイッチ素子を通して直流電源の負極端子に戻す励磁電流の流し方を第１の励磁パターンとして定めるとともに、直流電源の正極端子からスイッチ回路のいずれか１つの相のスイッチアームの上段のスイッチ素子を通して前記固定子のいずれか１つの相のタップ端子に流入させた励磁電流を前記回転子の回転方向の前方側で隣り合う２つの隣接コイルと回転方向の後方側で隣り合う２つの隣接コイルとに分流させた後他の１つの相のスイッチアームの下段のスイッチ素子を通して直流電源の負極端子に戻す励磁電流の流し方を第２の励磁パターンとして定めておいて、磁石回転子を一方向に回転駆動する際に、第１の回転子磁極センサの出力の状態が変化したとき及び第３の回転子磁極センサの出力の状態が変化したときに、第１の励磁パターンで励磁電流を流し、第２の回転子磁極センサの出力の状態が変化したとき及び第４の回転子磁極センサの出力の状態が変化したときには第２の励磁パターンで励磁電流を流すようにして、第１の励磁パターンで励磁電流を流す状態と第２の励磁パターンで励磁電流を流す状態とを交互に生じさせながら、第１ないし第４の回転子磁極センサのそれぞれの出力の状態が変化する毎に励磁電流を流すコイルを順次磁石回転子の回転方向にシフトさせていくようにスイッチ回路のスイッチ素子をオンオフ制御する。
【００３７】
この場合、第１の回転子磁極センサを配置する第１の検出位置は、電機子鉄心の特定の歯部と前記回転子の回転方向の前方側で該特定の歯部に隣接する他の歯部との間の間隙の中心と前記特定の歯部の周方向の中心との間に設定する。
【００３８】
上記のように、固定子の隣り合う２つの相のタップ端子に同時に励磁電流を流入させる第１の励磁パターンによる励磁と固定子のコイルから引き出した１つの相のタップ端子のみに励磁電流を流入させる第２の励磁パターンによる励磁とを交互に行わせるようにすると、全回転速度領域で出力トルクのむらを少なくするとともに、最大出力トルクの最大値を大きくして平均出力トルクの増大を図ることができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は、本発明に係わるブラシレス直流電動機の機械的な構成部分の構成例を示したもので、図１（Ａ）は同電動機の断面図及び正面図である。また図２は、図１の電動機のコイルの巻回構造と、該コイルに励磁電流を流すタイミングを切り換えるスイッチ回路の構成例と、該スイッチ回路を制御するコントローラとを示した構成図である。
【００４０】
図１（Ａ）及び（Ｂ）に示したブラシレス直流電動機は、フレームｆに設けられたボス部ｆｂに軸受ｂを介して支持された回転軸ｓと、回転軸ｓに取り付けられた回転子１と、フレームｆのボス部の外周に固定された固定子２とにより構成されている。
【００４１】
回転子１は、鉄等の強磁性材料によりほぼカップ状に形成された回転子ヨーク１００と、該回転子ヨーク１００の周壁部１０１の内周に等角度間隔で取り付けられて回転子ヨーク１００の径方向に着磁された円弧状の永久磁石Ｍ1 〜Ｍ6 とからなっている。
【００４２】
磁石Ｍ1 〜Ｍ6 は、フライホイールの周方向に交互に異なる極性の磁極（Ｓ極及びＮ極）が並ぶように着磁されていて、これらの磁石により、等角度間隔で並ぶ６極の磁極を有する磁石界磁が構成されている。回転子ヨーク１００の底壁部の中央部には回転軸取付け用のボス部１０２が設けられ、このボス部が回転軸ｓに取り付けられる。
【００４３】
固定子２は、環状の継鉄部Ｙから磁石回転子１の回転方向に等角度間隔で並ぶ１２個の歯部Ｐ1 〜Ｐ12を放射状に突出させた形状を有する電機子鉄心２００と、電機子鉄心２００の歯部Ｐ1 〜Ｐ12に巻方向を同じにして重ね巻きされた１２個のコイルＷ1 〜Ｗ12とからなっていて、鉄心２００がフレームｆのボス部ｆb の外周に嵌合されて支持されている。
【００４４】
電機子鉄心２００は、所定の形状に打ち抜いた鋼板を所定枚数積層したものからなっていて、その継鉄部Ｙには樹脂製のフレーム２０２が固定され、該フレームには１２個のピン２０３，２０３，…の基部が埋め込まれている。
【００４５】
コイルＷ1 〜Ｗ2 は、各コイルを電機子鉄心の隣り合う２つの歯部に跨らせた状態で、かつ各コイルの巻終り側の端末部を次のコイルの巻始めの端末部につなげた状態で順次重ね巻きされている。そして、コイルＷ1 〜Ｗ12相互間の渡り部が一連のピン２０３，２０３，…に巻き付けられて半田付けされ、コイルＷ1 〜Ｗ12のそれぞれの巻始め側の端末部が接続された一連のピン２０３，２０３，…がそれぞれタップ端子ｊ1 〜ｊ12となっている。
【００４６】
なお「重ね巻き」とは、電機子鉄心の各歯部において隣り合うコイルの一部が回転子の周方向にオーバラップするように一連のコイルを巻回することをいう。図示の例では、隣り合うコイルの一部が重なり合った状態で巻回されているが、歯部間のスロットを十分に深くすることができる場合には、隣り合うコイルを重ね合わせることなく、鉄心の径方向に位置をずらして配置するようにしてもよい。
【００４７】
図示の固定子では、磁石界磁との位相関係が等しいコイルを同一相のコイルとした場合に、１２個のコイルＷ1 〜Ｗ12が第１ないし第４の相のコイルに分かれるようになっている。図示の例では、図２に示すように、コイルＷ1 ，Ｗ5 及びＷ9 が第１の相のコイルを構成し、コイルＷ2 ，Ｗ6 及びＷ10が第２の相のコイルを構成している。またコイルＷ3 ，Ｗ7 及びＷ11が第３の相のコイルを構成し、コイルＷ4 ，Ｗ8 及びＷ12が第４の相のコイルを構成している。
【００４８】
また、同じ相のコイルの巻き始め側の端末部に接続されたタップ端子を同じ相のタップ端子とした場合に、１２個のタップ端子ｊ1 〜ｊ12を第１ないし第４の相のタップ端子に分けることができるようになっている。図示の例では、タップ端子ｊ1 ，ｊ5 及びｊ9 が第１の相のタップ端子を構成し、タップ端子ｊ2 ，ｊ6 及びｊ10が第２の相のタップ端子を構成している。またタップ端子ｊ3 ，ｊ7 及びｊ11が第３の相のタップ端子を構成し、タップ端子ｊ4 ，ｊ8 及びｊ12が第４の相のタップ端子を構成している。
【００４９】
また図示の例では、回転子のフライホイール１００に設けられたボス部１０２の外周にリング状の回転子磁極検出用磁石１０が取り付けられていて、この磁石１０は、磁石回転子の磁極Ｍ1 〜Ｍ6 にそれぞれ対応する磁極ｍ1 〜ｍ6 （図２参照）を形成するように着磁されている。
【００５０】
図１（Ａ）に示すように、電機子鉄心２００の継鉄部Ｙに固定された環状の樹脂製フレーム２０４に、回転子磁極検出用磁石１０の磁極を検出する回転子磁極センサｈa 及びｈb が取り付けられている。図示の回転子磁極センサｈa 及びｈb は、ホールＩＣからなっていて、電機子鉄心２００の隣り合う２つの歯部のそれぞれの周方向の中心に相応する位置に設定された第１及び第２の検出位置で回転子の磁極を検出して、検出している回転子の磁極がＮ極であるかＳ極であるかによって異なるレベルの矩形波状の磁極検出信号ＨA 及びＨB を出力する。
【００５１】
この例では、図１（Ｂ）に符号ｈa 及びｈb を付して示したように、電機子鉄心２００の歯部Ｐ3 及びＰ4 のそれぞれの周方向の中心に相応する位置に回転子磁極センサｈa 及びｈb を配置して回転子１の磁極の極性を検出した場合に両センサから得られる信号と同等の信号が、継鉄部Ｙに固定された樹脂製フレーム２０４に取り付けられたセンサｈa 及びｈb から得られるように、両センサｈa 及びｈb が設けられている。
【００５２】
この例では、磁石回転子１が６極に構成され、電機子鉄心２００が１２極に構成されているため、上記のように回転子磁極センサｈa ，ｈb を配置した場合、両回転子磁極センサ相互間の間隔は、電気角で９０度となる。
【００５３】
なお図示の例では、回転子磁極検出用磁石１０を設けて、該磁石の磁極を回転子磁極センサｈa 及びｈb により検出することによって、回転子１の磁極の極性を間接的に検出するようにしているが、回転子磁極検出用磁石１０を設けることなく、図１（Ｂ）に符号ｈa 及びｈb で示した位置にそれぞれ回転子磁極センサを配置して、回転子１の磁極の極性を直接検出するようにしてもよいのはもちろんである。
【００５４】
図１に示した電動機において、回転子磁極センサｈa 及びｈb がそれぞれ出力する磁極検出信号ＨA 及びＨB の波形は例えば図５（Ａ）及び（Ｂ）に示す通りで、回転子磁極センサｈa 及びｈb は、磁石のＮ極を検出しているときに高レベル（以下Ｈレベルという。）を示し、Ｓ極を検出しているときに低レベルまたは零レベル（以下Ｌレベルという。）を示す検出信号ＨA 及びＨB を出力する。
【００５５】
回転子磁極センサｈa 及びｈb から導出されたリード線は絶縁被覆により被覆されてワイヤーハーネス１１として外部に導出されて図２に示すコントローラ４に接続される。
【００５６】
図１に示した電動機の巻線構造は、図２に示した巻線展開図の通りで、回転子の各磁極に対して常時隣り合う２つのコイルが対応するように一連のコイルが設けられている。
【００５７】
図２に示したように、コイルＷ1 〜Ｗ12に励磁電流を流すためにスイッチ回路３と、回転子磁極センサｈa ，ｈb の出力に応じてスイッチ回路３を制御するコントローラ４とが設けられている。
【００５８】
図示のスイッチ回路３は、固定子の第１ないし第４の相のタップ端子にそれぞれ対応する第１ないし第４の相のスイッチアームＳ1 ，Ｓ2 ，Ｓ3 及びＳ4 を対の直流電源接続端子３ａ，３ｂ間に並列に接続した構成を有している。図示の例では、互いに直列に接続された上段のスイッチ素子ｑa 及び下段のスイッチ素子ｑb と、スイッチ素子ｑa 及びｑb にそれぞれ逆並列接続された上段の整流用ダイオードｄa 及び下段の整流用ダイオードｄb とにより各スイッチアームが構成され、スイッチアームＳ1 〜Ｓ4 のそれぞれのスイッチ素子同士の接続点から中間端子ｕ1 ないしｕ4 が導出されている。第１及び第２の相のスイッチアームＳ1 及びＳ2 のそれぞれの中間端子ｕ1 及びｕ2 はそれぞれ固定子の第１及び第２の相のタップ端子（ｊ1 ，ｊ5 ，ｊ9 ）及び（ｊ2 ，ｊ6 ，ｊ10）に接続され、第３及び第４の相のスイッチアームＳ3 及びＳ4 のそれぞれの中間端子は、固定子の第３及び第４の相のタップ端子（ｊ3 ，ｊ7 ，ｊ11）及び（ｊ4 ，ｊ8 ，ｊ12）に接続されている。
【００５９】
図示の例では、各スイッチアームを構成するスイッチ素子ｑa ，ｑb がＭＯＳＦＥＴからなっていて、スイッチアームＳ1 ないしＳ4 のそれぞれの上段のスイッチ素子ｑa を構成するＦＥＴのドレインが電源接続端子３ａに共通接続されてている。またスイッチアームＳ1 ないしＳ4 のそれぞれの下段のスイッチ素子ｑb を構成するＦＥＴのドレインがそれぞれの相のスイッチアームの上段のスイッチ素子を構成するＦＥＴのソースに接続され、スイッチアームＳ1 ないしＳ4 のそれぞれの下段のスイッチ素子ｑb を構成するＦＥＴのソースが共通に接続されて、抵抗値が十分に小さいシャント抵抗Ｒs を通して電源接続端子３ｂに共通接続されている。シャント抵抗Ｒs は固定子のコイルに供給される全励磁電流を検出するために設けられていて、この抵抗Ｒs の両端に得られる電流検出信号は、図２には図示しない後記する過電流検出回路に入力されている。
【００６０】
なおｄa 及びｄb はＭＯＳＦＥＴのドレインソース間に存在する寄生ダイオードである。
【００６１】
対の電源接続端子３ａ及び３ｂにはそれぞれバッテリ５の正極端子及び負極端子が接続され、該バッテリ５からスイッチ回路３を通してコイルＷ1 〜Ｗ12に励磁電流が供給される。
【００６２】
コントローラ４は、マイクロコンピュータを備えていて、回転子磁極センサｈa 及びｈb がそれぞれ発生する検出信号ＨA 及びＨB に応じて、スイッチアームＳ1 〜Ｓ4 の上段のスイッチ素子ｑa の制御端子（図示の例ではＭＯＳＦＥＴのゲート）にそれぞれ駆動信号ＡないしＤを所定のタイミングで与え、スイッチアームＳ1 〜Ｓ4 の下段のスイッチ素子ｑb の制御端子にそれぞれ駆動信号Ａ´ないしＤ´を所定のタイミングで与える。
【００６３】
各スイッチ素子はその制御端子に駆動信号が与えられている間オン状態を保持し、該駆動信号が与えられていない間オフ状態を保持する。
【００６４】
図２においては、固定子２のコイルに流す励磁電流を制御する制御装置の部分を概略的に示しているが、制御装置のより詳細な構成の一例を示すと図３の通りである。
【００６５】
図３に示した例では、図２に示したスイッチ回路３の負極側の電源接続端子３ｂとスイッチアームＳ1 〜Ｓ4 の共通接続点との間に挿入されたシャント抵抗Ｒs の両端に得られる電流検出信号が過電流検出回路１５に入力されている。スイッチ回路３と過電流検出回路１５とによりドライバ１６が構成されている。
【００６６】
過電流検出回路１５は、例えば、図４に示すように、演算増幅器ＯＰ1 、固定抵抗器Ｒ1 ，Ｒ2 、可変抵抗器ＶＲ1 、及びコンデンサＣ1 からなる増幅回路１５Ａと、固定抵抗器Ｒ3 及び可変抵抗器ＶＲ2 の直列回路からなっていて後記する電源回路から与えられる定電圧を分圧して基準電圧Ｖf を出力する基準電圧発生回路１５Ｂと、増幅回路１５Ａの出電圧及び基準電圧Ｖf がそれぞれ反転入力端子及び非反転入力端子に入力された電圧比較器ＣＰ1 と帰還抵抗Ｒ4 とからなる比較回路１５Ｃとを備えていて、シャント抵抗Ｒs の両端に得られる電流検出信号が設定値を超えたときに、増幅回路１５Ａの出力電圧が基準電圧Ｖf を超えて比較器ＣＰ1 の出力端子の電位を高レベルの状態から低レベルの状態に変化させる。この比較器ＣＰ1 の出力端子の電位の低下が過電流検出信号としてコントローラ４に与えられる。
【００６７】
コントローラ４は、ＣＰＵ４Ａと、ＲＯＭ４Ｂと、ＲＡＭ４Ｃと、計測すべき時間がセットされたときにクロックパルスを計数する計時動作を開始して、セットされた時間を計測したときに出力信号を発生するタイマ４Ｄと、ＣＰＵ４Ａへの信号の入出力を行う入出力ポート４Ｅと、電源回路４Ｆと、電動機を回転させる際に閉じられる始動指令スイッチＳＷに入力端子が接続されて始動指令スイッチＳＷが閉じたことを検出したときにＣＰＵ４Ａに始動指令信号を与える始動指令検出回路４Ｇとを有している。
【００６８】
またＣＰＵ４Ａには、過電流検出回路１５の出力がポート４Ｅを通して入力されるとともに、回転子磁極センサｈa 及びｈb の出力が入力されている。
【００６９】
電源回路４Ｆは、バッテリ５の出力電圧を入力として、ＣＰＵ４Ａを動作させるために必要な電源電圧（５［Ｖ］）と、ドライバ１６を駆動するために必要な電源電圧（８［Ｖ］）とを出力する回路で、電源回路４ＦからＣＰＵ４Ａとドライバ１６とに電源電圧が与えられている。
【００７０】
ＣＰＵ４Ａは、ＲＯＭ４Ｂに記憶された所定のプログラムを実行することにより、後記する励磁パターンに従って固定子のコイルに励磁電流を供給するべく、回転子磁極センサｈa ，ｈb の出力からスイッチ回路３の各スイッチ素子に駆動信号を与えるタイミングを割り出して、割り出したタイミングでスイッチ回路３のスイッチ素子に駆動信号Ａ〜Ｄ及びＡ´〜Ｄ´を与えるスイッチ回路駆動手段や、固定子のコイルに供給される励磁電流が過大になって過電流検出回路１５が過電流検出信号を発生したときに、スイッチ回路３への駆動信号の出力を停止する過電流保護手段等を実現する。
【００７１】
本実施形態では、図５に示すような励磁パターンで固定子のコイルに励磁電流を流す。図５の励磁パターンに従う場合、コントローラ４は、磁石回転子１を一方向に回転駆動する際に、バッテリ５の正極端子からスイッチ回路３の２つの隣り合う相のスイッチアームの上段のスイッチ素子ｑa を通して固定子２の隣り合う２つの相のタップ端子に同時に励磁電流を流入させて、回転子の回転方向の前方側に位置する相のタップ端子に流入させた励磁電流を回転方向の前方側の１つの相のコイルを通して流した後、他の１つの相のスイッチアームの下段のスイッチ素子を通してバッテリ５の負極端子に戻し、隣り合う２つの相のタップ端子のうち回転方向の後方側に位置する相のタップ端子に流入させた励磁電流は回転方向の後方側の１つの相のコイルを通して流した後、更に他の相のスイッチアームの下段のスイッチ素子を通してバッテリの負極端子に戻す励磁電流の流し方を規定の励磁パターンとして定めておいて、第１及び第２の回転子磁極センサｈa 及びｈb のそれぞれの出力の状態が変化する毎に、規定の励磁パターンに従って励磁電流を流すコイルを順次磁石回転子の回転方向にシフトさせていくようにスイッチ回路のスイッチ素子をオンオフ制御する。
【００７２】
更に詳細に説明すると、図５に示した例では、回転子磁極センサｈa の出力信号ＨA がＬレベルからＨレベルに変化した時に、コントローラ４が第３の相のスイッチアームＳ3 の上段のスイッチ素子ｑa に与えていた駆動信号Ｃを消滅させると同時に、第１の相のスイッチアームＳ1 の上段のスイッチ素子ｑa に駆動信号Ａを与え、既に第４の相のスイッチアームＳ4 の上段のスイッチ素子ｑa に与えられている駆動信号Ｄはそのままとして、第１の相のスイッチアームＳ1 の上段のスイッチ素子ｑa と第４の相のスイッチアームＳ4 の上段のスイッチ素子ｑa とを導通させる。また第１のスイッチアームＳ1 の下段のスイッチ素子ｑb に与えていた駆動信号を消滅させると同時に第３の相のスイッチアームＳ3 の下段のスイッチ素子ｑb に駆動信号Ｃ´を与え、既に第２の相のスイッチアームＳ2 の下段のスイッチ素子ｑb に与えられている駆動信号Ｂ´をそのままとして、第２の相のスイッチアームＳ2 下段のスイッチ素子ｑb と第３の相のスイッチアームＳ3 の下段のスイッチ素子ｑb とを導通させる。
【００７３】
このときバッテリ５から第４の相のスイッチアームＳ4 及び第１の相のスイッチアームＳ1 の上段のスイッチ素子を通して第４の相のタップ端子（ｊ12，ｊ4 ，ｊ8 ）及び第１の相のタップ端子（ｊ1 ，ｊ5 ，ｊ9 ）に励磁電流が流入する。このとき励磁電流が同時に流入する隣り合う相のタップ端子（ｊ12，ｊ1 ），（ｊ4 ，ｊ5 ）及び（ｊ8 ，ｊ9 ）はそれぞれほぼ同電位であり、また同時に励磁電流が流出する隣り合う相のタップ端子（ｊ2 ，ｊ3 ），（ｊ6 ，ｊ7 ）及び（ｊ10，ｊ11）もそれぞれほぼ同電位であるため、コイルＷ12，Ｗ4 ，Ｗ8 ，Ｗ2 ，Ｗ6 及びＷ10には励磁電流がほとんど流れない。そのため、バッテリ５から第４の相のスイッチアームＳ4 の上段のスイッチ素子を通して第４の相のタップ端子ｊ12，ｊ4 及びｊ8 にそれぞれ流入した励磁電流は回転方向の後方側に位置する１つの相のコイルＷ11，Ｗ3 及びＷ7 を通して流れた後第２の相のスイッチアームＳ2 の下段のスイッチ素子ｑb を通してバッテリの負極端子に戻る。またバッテリから第１の相のスイッチアームＳ1 の上段のスイッチ素子を通して第１の相のタップ端子ｊ1 ，ｊ5 及びｊ9 にそれぞれ流入した励磁電流は、回転方向の前方側に位置する１つの相のコイル群Ｗ1 ，Ｗ5 及びＷ9 を通して流れた後、第３の相のスイッチアームＳ3 の下段のスイッチ素子ｑb を通してバッテリの負極端子に戻る。
【００７４】
次いで、コントローラ４は、回転子磁極センサｈb の出力信号ＨB がＬレベルからＨレベルに変化したときに、第４の相のスイッチアームＳ4 の上段のスイッチ素子ｑa に与えていた駆動信号Ｄを消滅させると同時に第２の相のスイッチアームＳ2 の上段のスイッチ素子ｑa に駆動信号Ｂを与え、既に第１の相のスイッチアームＳ1 の上段のスイッチ素子ｑa に与えている駆動信号Ａはそのままとして、第１の相のスイッチアームＳ1 の上段のスイッチ素子ｑa と第２の相のスイッチアームＳ2 の上段のスイッチ素子ｑa とを導通させた状態とする。コントローラはまた、第２のスイッチアームＳ2 の下段のスイッチ素子ｑb に与えていた駆動信号Ｂ´を消滅させると同時に第４の相のスイッチアームＳ4 の下段のスイッチ素子ｑb に駆動信号Ｄ´を与え、既に第３の相のスイッチアームＳ3 の下段のスイッチ素子ｑb に与えている駆動信号Ｃ´はそのままとして、第３の相のスイッチアームＳ3 の下段のスイッチ素子ｑb と第４の相のスイッチアームＳ4 の下段のスイッチ素子ｑb とを導通させた状態にする。
【００７５】
このときバッテリ５から第１の相のスイッチアームＳ1 及び第２の相のスイッチアームＳ2 の上段のスイッチ素子を通して第１の相のタップ端子（ｊ1 ，ｊ5 ，ｊ9 ）及び第２の相のタップ端子（ｊ2 ，ｊ6 ，ｊ10）に励磁電流が流入する。このとき同時に励磁電流が流入する隣合うタップ端子（ｊ1 ，ｊ2 ），（ｊ5 ，ｊ6 ）及び（ｊ9 ，ｊ10）はそれぞれほぼ同電位であり、また同時に励磁電流が流出する隣り合うタップ端子（ｊ3 ，ｊ4 ），（ｊ7 ，ｊ8 ）及び（ｊ11，ｊ12）もほぼ同電位であるため、コイルＷ1 ，Ｗ5 ，Ｗ9 ，Ｗ3 ，Ｗ7 及びＷ12）には励磁電流がほとんど流れない。そのため、第１の相のタップ端子ｊ1 ，ｊ5 及びｊ9 にそれぞれ流入した励磁電流は回転方向の後方側に位置する１つの相のコイルＷ12，Ｗ4 ，及びＷ8 を通して流れた後第３の相のスイッチアームＳ3 の下段のスイッチ素子ｑb を通してバッテリの負極端子に戻る。またバッテリ５から第２の相のスイッチアームＳ2 の上段のスイッチ素子を通して第２の相のタップ端子ｊ2 ，ｊ6 及びｊ10にそれぞれ流入した励磁電流は、回転方向の前方側に位置する１つの相のコイルＷ2 ，Ｗ6 及びＷ10を通して流れた後第４の相のスイッチアームＳ4 の下段のスイッチ素子ｑb を通してバッテリの負極端子に戻る。
次いで、コントローラ４は、回転子磁極センサｈa が出力する磁極検出信号ＨA がＨレベルからＬレベルに変化したときに、第１の相のスイッチアームＳ1 の上段のスイッチ素子ｑa に与えていた駆動信号Ａを消滅させると同時に第３の相のスイッチアームＳ3 の上段のスイッチ素子ｑa に駆動信号Ｃを与え、既に第２の相のスイッチアームＳ2 の上段のスイッチ素子ｑa に与えている駆動信号Ｂはそのままとして、第２の相のスイッチアームＳ2 の上段のスイッチ素子ｑa と第３の相のスイッチアームＳ3 の上段のスイッチ素子ｑa とを導通させた状態とする。コントローラはまた、第３のスイッチアームＳ3 の下段のスイッチ素子ｑb に与えていた駆動信号Ｃ´を消滅させると同時に第１の相のスイッチアームＳ1 の下段のスイッチ素子ｑb に駆動信号Ａ´を与え、既に第４の相のスイッチアームＳ4 の下段のスイッチ素子ｑb に与えている駆動信号Ｄ´はそのままとして、第１の相のスイッチアームＳ1 の下段のスイッチ素子ｑb と第４の相のスイッチアームＳ4 の下段のスイッチ素子ｑb とを導通させた状態にする。
【００７６】
このときバッテリ５から第２の相のスイッチアームＳ2 及び第３の相のスイッチアームＳ3 の上段のスイッチ素子を通して第２の相のタップ端子（ｊ2 ，ｊ6 ，ｊ10）及び第３の相のタップ端子（ｊ3 ，ｊ7 ，ｊ11）に励磁電流が流入する。このとき同時に励磁電流が流入するタップ端子（ｊ2 ，ｊ3 ），（ｊ6 ，ｊ7 ）及び（ｊ10，ｊ11）はそれぞれほぼ同電位であり、また同時に励磁電流が流出する隣り合う相のタップ端子（ｊ4 ，ｊ5 ），（ｊ8 ，ｊ9 ）及び（ｊ12，ｊ1 ）もほぼ同電位であるため、これらのタップ端子に両端が接続されたコイルＷ2 ，Ｗ6 ，Ｗ10，Ｗ4 ，Ｗ8 及びＷ12には励磁電流がほとんど流れない。そのため第２の相のタップ端子ｊ2 ，ｊ6 及びｊ10にそれぞれ流入した励磁電流は回転方向の後方側に位置する１つの相のコイルＷ1 ，Ｗ5 及びＷ9 を通して流れた後、第４の相のスイッチアームＳ4 の下段のスイッチ素子ｑb を通してバッテリの負極端子に戻る。
【００７７】
またバッテリ５から第３の相のスイッチアームＳ3 の上段のスイッチ素子を通して第３の相のタップ端子ｊ3 ，ｊ7 及びｊ11にそれぞれ流入した励磁電流は、回転方向の前方側に位置する１つの相のコイルＷ3 ，Ｗ7 及びＷ11を通して流れた後、第１の相のスイッチアームＳ1 の下段のスイッチ素子ｑb を通してバッテリの負極端子に戻る。
【００７８】
次いで、コントローラ４は、回転子磁極センサｈb の出力信号ＨB がＨレベルからＬレベルに変化した時に、第２の相のスイッチアームＳ2 の上段のスイッチ素子ｑa に与えていた駆動信号Ｂを消滅させると同時に第４の相のスイッチアームＳ4 の上段のスイッチ素子ｑa に駆動信号Ｄを与え、既に第３の相のスイッチアームＳ3 の上段のスイッチ素子ｑa に与えている駆動信号Ｃはそのままとして、第３の相のスイッチアームＳ3 の上段のスイッチ素子ｑa と第４の相のスイッチアームＳ4 の上段のスイッチ素子ｑa とを導通させた状態とする。また第４の相のスイッチアームＳ4 の下段のスイッチ素子ｑb に与えていた駆動信号Ｄ´を消滅させると同時に第２の相のスイッチアームＳ2 の下段のスイッチ素子ｑb に駆動信号Ｂ´を与え、既に第１の相のスイッチアームＳ1 の下段のスイッチ素子ｑb に与えている駆動信号Ａ´はそのままとして、第１の相のスイッチアームＳ1 の下段のスイッチ素子ｑb と第２の相のスイッチアームＳ2 の下段のスイッチ素子ｑb とを導通させる。
【００７９】
このときバッテリ５から第３の相のスイッチアームＳ3 及び第４の相のスイッチアームＳ4 の上段のスイッチ素子を通して第３の相のタップ端子（ｊ3 ，ｊ7 ，ｊ11）及び第４の相のタップ端子（ｊ4 ，ｊ8 ，ｊ12）に励磁電流が流入する。このとき同時に励磁電流が流入するタップ端子（ｊ3 ，ｊ4 ），（ｊ7 ，ｊ8 ）及び（ｊ11，ｊ12）はそれぞれほぼ同電位であり、励磁電流が同時に流出するタップ端子（ｊ5 ，ｊ6 ），（ｊ9 ，ｊ10）及び（ｊ1 ，ｊ2 ）もほぼ同電位であるため、これらのタップ端子に両端が接続されたコイルＷ3 ，Ｗ7 ，Ｗ11，Ｗ5 ，Ｗ9 及びＷ1 には励磁電流がほとんど流れない。そのため、第３の相のタップ端子ｊ3 ，ｊ7 及びｊ11にそれぞれ流入した励磁電流は回転方向の後方側に位置する１つの相のコイルＷ2 ，Ｗ6 及びＷ10を通して流れた後第１の相のスイッチアームＳ1 の下段のスイッチ素子ｑb を通してバッテリの負極端子に戻る。またバッテリ５から第４の相のスイッチアームＳ4 の上段のスイッチ素子を通して第４の相のタップ端子ｊ4 ，ｊ8 及びｊ12にそれぞれ流入した励磁電流は回転方向の前方側に位置する１つのコイルＷ4 ，Ｗ8 及びＷ12を通して流れた後第２の相のスイッチアームＳ2 の下段のスイッチ素子ｑb を通してバッテリの負極端子に戻る。
【００８０】
上記のように、図５の励磁パターンによれば、各相のコイルに励磁電流が電気角で１８０度ずつ流れ、９０度の区間隣り合う相のコイルに励磁電流が流れる期間がオーバラップするため、その出力トルク特性は図６（Ｄ）に実線で示したようになり、ほとんど谷部が生じない出力トルク特性を得ることができる。そのため、負荷が大きい場合に、電動機の始動に失敗するおそれをなくすことができ、４相駆動を行うブラシレス直流電動機の実用性を高めることができる。
【００８１】
上記のように、図５に示した励磁パターンで励磁電流を流した場合には、励磁電流が流れないコイルが生じるため、出力トルクの最大値が多少低くなるのを避けられない。
【００８２】
これに対し、図７に示すように、第１及び第２の回転子磁極センサｈa 及びｈb を、電機子鉄心の歯部間の中心に相応する位置に配置して、図８に示すパターンで励磁電流を流すと、出力トルクの最大値が大きい特性を得ることができる。
図７に示したように第１及び第２の回転子磁極センサｈa 及びｈb を配置して、図８に示す励磁パターンで電動機を駆動する際には、バッテリ５の正極端子からスイッチ回路３のいずれか１つの相のスイッチアームの上段のスイッチ素子を通して固定子のいずれか１つの相のタップ端子に流入させた励磁電流を回転子１の回転方向の前方側で隣り合う２つの隣接コイルと該回転方向の後方側で隣り合う２つの隣接コイルとに分流させた後、他の１つの相のスイッチアームの下段のスイッチ素子を通してバッテリの負極端子に戻す励磁電流の流し方を規定の励磁パターンとして定めておいて、第１及び第２の回転子磁極センサｈa 及びｈb のそれぞれの出力のレベルが変化（ＬレベルからＨレベルへの変化またはＨレベルからＬレベルへの変化）する毎に上記規定の励磁パターンに従って励磁電流を流すコイルを順次磁石回転子１の回転方向にシフトさせていくようにスイッチ回路３のスイッチ素子をオンオフ制御する。
【００８３】
図８（Ａ），（Ｂ）はそれぞれ回転子磁極センサｈa ，ｈb が出力する磁極検出信号ＨA 及びＨB を示し、（Ｃ）〜（Ｆ）はそれぞれスイッチ回路３の第１ないし第４の相のスイッチアームＳ1 ないしＳ4 の上段のスイッチ素子ｑa に与えられる駆動信号を示している。また図８（Ｇ）ないし（Ｊ）はそれぞれスイッチ回路３の第１ないし第４の相のスイッチアームＳ1 ないしＳ4 の下段のスイッチ素子ｑb に与えられる駆動信号を示している。
【００８４】
図８に示した例では、検出信号ＨA がＬレベルからＨレベルへ変化するタイミングと、ＨB がＬレベルからＨレベルへ変化するタイミングと、ＨA がＨレベルからＬレベルに変化するタイミングと、ＨB がＨレベルからＬレベルに変化するタイミングとが９０度（電気角）間隔で順次現れる。コントローラ４は、これらの各タイミングが検出される毎に励磁電流を流入させるタップ端子を切り換える。
【００８５】
即ち、コントローラ４は、検出信号ＨA がＬレベルからＨレベルに変化した時に、第４の相のスイッチアームＳ4 の上段のスイッチ素子ｑa の駆動信号Ｄを消滅させて第１の相のスイッチアームＳ1 の上段のスイッチ素子ｑa に駆動信号Ａを与えるとともに、第２の相のスイッチアームＳ2 の下段のスイッチ素子ｑb の駆動信号Ｂ´を消滅させて第３の相のスイッチアームＳ3 の下段のスイッチ素子ｑb に駆動信号Ｃ´を与える。
【００８６】
このときバッテリ５の正極端子から第１の相のスイッチアームＳ1 の上段のスイッチ素子ｑa を通して第１の相のタップ端子ｊ1 ，ｊ5 及びｊ9 に励磁電流が流入する。この励磁電流は、回転子の回転方向の前方側で隣接する２つの隣接コイル群（Ｗ1 ，Ｗ2 ），（Ｗ4 ，Ｗ6 ）及び（Ｗ9 ，Ｗ10）と、回転方向の後方側で隣接する２つの隣接コイル群（Ｗ12，Ｗ11），（Ｗ3 ，Ｗ2 ）及び（Ｗ8 ，Ｗ7 ）とに分流した後、第３の相のスイッチアームＳ3 の下段のスイッチ素子ｑb を通してバッテリ５の負極端子に戻る。
【００８７】
コントローラ４はまた、検出信号ＨB がＬレベルからＨレベルに変化した際に、第１の相のスイッチアームＳ1 の上段のスイッチ素子ｑa の駆動信号Ａを消滅させて第２の相のスイッチアームＳ2 の上段のスイッチ素子ｑa に駆動信号Ｂを与えるとともに、第３の相のスイッチアームＳ3 の下段のスイッチ素子ｑb の駆動信号Ｃ´を消滅させて第４の相のスイッチアームＳ4 の下段のスイッチ素子ｑb に駆動信号Ｄ´を与える。
【００８８】
このときバッテリ５の正極端子から第２の相のスイッチアームＳ2 の上段のスイッチ素子ｑa を通して第２の相のタップ端子ｊ2 ，ｊ6 及びｊ10に励磁電流が流入する。この励磁電流は、回転子の回転方向の前方側で隣接する２つの隣接コイル群（Ｗ2 ，Ｗ3 ），（Ｗ6 ，Ｗ7 ）及び（Ｗ10，Ｗ11）と、回転方向の後方側で隣接する２つの隣接コイル群（Ｗ1 ，Ｗ12），（Ｗ5 ，Ｗ4 ）及び（Ｗ9 ，Ｗ8 ）とに分流した後、第４の相のスイッチアームＳ4 の下段のスイッチ素子ｑb を通してバッテリ５の負極端子に戻る。
【００８９】
コントローラはまた、検出信号ＨA がＨレベルからＬレベルに変化した時に、第２の相のスイッチアームＳ2 の上段のスイッチ素子ｑa の駆動信号Ｂを消滅させて第３の相のスイッチアームＳ3 の上段のスイッチ素子ｑa に駆動信号Ｃを与えるとともに、第４の相のスイッチアームＳ4 の下段のスイッチ素子ｑb の駆動信号Ｄ´を消滅させて第１の相のスイッチアームＳ1 の下段のスイッチ素子ｑb に駆動信号Ａ´を与える。
【００９０】
このときバッテリ５の正極端子から第３の相のスイッチアームＳ3 の上段のスイッチ素子ｑa を通して第３の相のタップ端子ｊ3 ，ｊ7 及びｊ11に励磁電流が流入する。この励磁電流は、回転子の回転方向の前方側で隣接する２つの隣接コイル群（Ｗ3 ，Ｗ4 ），（Ｗ7 ，Ｗ8 ）及び（Ｗ11，Ｗ12）と、回転方向の後方側で隣接する２つの隣接コイル群（Ｗ2 ，Ｗ1 ），（Ｗ6 ，Ｗ5 ）及び（Ｗ10，Ｗ9 ）とに分流した後、第１の相のスイッチアームＳ1 の下段のスイッチ素子ｑb を通してバッテリ５の負極端子に戻る。
【００９１】
コントローラ４はまた、検出信号ＨB がＨレベルからＬレベルに変化した時に、第３の相のスイッチアームＳ3 の上段のスイッチ素子ｑa の駆動信号Ｃを消滅させて第４の相のスイッチアームＳ4 の上段のスイッチ素子ｑa に駆動信号Ｄを与えるとともに、第１の相のスイッチアームＳ1 の下段のスイッチ素子ｑb の駆動信号Ａ´を消滅させて第２の相のスイッチアームＳ2 の下段のスイッチ素子ｑb に駆動信号Ｂ´を与える。
【００９２】
このときバッテリ５の正極端子から第４の相のスイッチアームＳ4 の上段のスイッチ素子ｑa を通して第４の相のタップ端子ｊ4 ，ｊ8 及びｊ12に励磁電流が流入する。この励磁電流は、回転子の回転方向の前方側で隣接する２つの隣接コイル群（Ｗ4 ，Ｗ5 ），（Ｗ8 ，Ｗ9 ）及び（Ｗ12，Ｗ1 ）と、回転方向の後方側で隣接する２つの隣接コイル群（Ｗ3 ，Ｗ2 ），（Ｗ7 ，Ｗ6 ）及び（Ｗ11，Ｗ10）とに分流した後、第２の相のスイッチアームＳ2 の下段のスイッチ素子ｑb を通してバッテリ５の負極端子に戻る。
【００９３】
上記のようにして、回転子磁極センサｈa ，ｈb の出力のレベルが変化する毎に、励磁電流が流れるコイル群が回転子の一方向［この例では図１（Ｂ）の矢印ＣＬ方向］に順次シフトしていくため、回転磁界が生じ、磁石回転子１が一方向に回転させられる。
【００９４】
なお図９（Ａ）及び（Ｂ）は図６（Ａ）及び（Ｂ）と同様に回転子磁極センサｈa 及びｈb の出力信号ＨA 及びＨB を示しており、図９（Ｃ）に実線で示したτ1 及び破線で示したτ2 はそれぞれ各コイルを一方向及び他方向にそれぞれ流れる励磁電流により生じさせられるのトルクを示している。この場合電動機の出力トルクと回転角θとの関係は、図９（Ｄ）の太線で示したようになる。
【００９５】
上記のように、４相のコイルを有する電動機を４相駆動する場合、回転子磁極センサを電機子鉄心の隣り合う歯部の間の間隙の中心位置に配置すると、トルクのピーク値を最大にすることができる。しかしながら、この場合、図９（Ｄ）に示すように、トルク特性に生じる谷間は比較的深くなるため、回転子の停止位置によっては、電動機の始動トルクが十分に得られないことがあり、電動機の始動に失敗するおそれがある。
【００９６】
上記のように、図５の励磁パターンによった場合には、回転子の停止位置による始動トルクのむらを少なくすることができ、図８の励磁パターンによった場合には、最大出力トルクを高くすることができる。従って特に大きい負荷を駆動する場合のように、出力トルクの平均値を高くすることが望ましい場合には、電動機の始動時からその回転速度が設定値に達するまでの間は、図５に示した励磁パターン（以下第１の励磁パターンとする。）で駆動して回転子の回転角度位置に対するトルクむらを少なくし、回転速度が設定値を越えたときに励磁パターンを図８に示した励磁パターン（以下第２の励磁パターンとする。）に切り換えて、電動機の出力トルクの平均値を大きくするようにするのが望ましい。
【００９７】
即ち、電動機の回転速度が零から設定値に達するまでの間は第１の励磁パターンで励磁電流を流し、回転速度が設定値を超えた後は第２の励磁パターンで励磁電流を流すようにするのが好ましい。この場合、第１の励磁パターンによる場合と、第２の励磁パターンによる場合とでは、回転子磁極センサの配設位置が異なるため、第１の励磁パターンによる励磁の切換えと、第２の励磁パターンによる励磁の切換えとを共に回転子磁極センサの出力を用いて行う場合には、第１の励磁パターン用の回転子磁極センサと、第２の励磁パターン用の回転子磁極センサとの双方を設ける必要がある。
【００９８】
図１０は図１に示した電動機に第１の励磁パターン用の回転子磁極センサと、第２の励磁パターン用の回転子磁極センサとの双方を設けた例を示したもので、この例では、電機子鉄心の歯部Ｐ2 と歯部Ｐ3 との間の間隙の周方向の中心に相応する位置及び歯部Ｐ3 の周方向の中心に相応する位置にそれぞれ回転子磁極センサｈa 及びｈb が配置され、歯部Ｐ3 とＰ4 との間の間隙の周方向の中心に相応する位置及び歯部Ｐ4 の周方向の中心に相応する位置にそれぞれ回転子磁極センサｈc 及びｈd が配置されている。図１０の電動機の電機子鉄心の歯部と回転子の磁極と回転子磁極センサｈa ないしｈd との間の関係を示した展開図を図１１に示した。
【００９９】
図１０及び図１１のように回転子磁極センサｈa ないしｈd を配置した場合には、ｈa とｈc とを第２の励磁パターン用のセンサとして用い、ｈb とｈd とを第１の励磁パターン用のセンサとして用いる。
【０１００】
電動機の回転速度［ｒｐｍ］が設定値に達するまでの間第１の励磁パターンで励磁相の切換えを行い、回転速度が設定値を超えた後は励磁相の切換えを第２の励磁パターンにより行う場合の動作を時間ｔに対して示すタイムチャートを図１２に示した。図１２（Ａ）ないし（Ｄ）はそれぞれ回転子磁極センサｈa ないしｈd の出力信号ＨA ないしＨD を時間ｔに対して示し、図１２（Ｅ）ないし（Ｈ）はそれぞれ第１の相ないし第４の相のスイッチアームＳ1 ないしＳ4 の上段のスイッチ素子ｑa に与えられる駆動信号ＡないしＤを示している。また図１２（Ｉ）ないし（Ｌ）はそれぞれ第１の相ないし第４の相のスイッチアームＳ1 ないしＳ4 の下段のスイッチ素子ｑb に与えられる駆動信号Ａ´ないしＤ´を示している。
【０１０１】
この例では、電動機の回転速度が設定値に達する時刻ｔ1 までの間は回転子磁極センサｈb 及びｈd の出力信号ＨB 及びＨD が変化する毎に第１の励磁パターンにより励磁相の切換えを行い、回転速度が設定値を超える時刻ｔ1 後の期間は回転子磁極センサｈa 及びｈc の出力信号ＨA 及びＨC が変化を示す毎に第２の励磁パターンにより励磁相の切換えを行う。
【０１０２】
このように構成すると、電動機を始動する際に、回転子がいずれの位置に停止していても大きな始動トルクを発生させることができるため、電動機の始動を確実に行わせることができる。また電動機が一旦動きだした後は、最大トルクを高くする励磁パターンで駆動するので、電動機の定常運転時の平均出力トルクを大きくすることができる。
【０１０３】
上記のように、電動機の回転速度が設定値に達した時に励磁パターンを切り換えるようにする場合、電動機の回転速度は、例えば、回転子磁極センサｈa 〜ｈd の出力信号の発生間隔（時間）から演算により求めることができる。
【０１０４】
図１２に示した例では、４つの回転子磁極センサｈa 〜ｈd を用いて第１の励磁パターンによる励磁相の切換えと、第２の励磁パターンによる励磁相の切換えとを行わせるようにしたが、第１の励磁パターン用の回転子磁極センサのみを設けて、該センサから得られる検出信号の立上り及び立下がりで起動したタイマ４Ｄの出力を用いて第２の励磁パターンの励磁相切換えタイミングを定めるようにすることもできる。
【０１０５】
図１３は、第２の励磁パターンの励磁相切換えタイミングをコントローラ４に設けられたタイマ４Ｄにより定める場合の動作を示すタイムチャートで、同図（Ａ）及び（Ｂ）は図７に示すように配置された第２の励磁パターン用の回転子磁極センサｈa 及びｈb の出力信号ＨA 及びＨB を示し、同図（Ｃ）は出力信号ＨA 及びＨB のそれぞれの立上り及び立下がりで起動されてセットされた時間の計測を行うタイマ４Ｄの計時動作を示す線図である。また図１３（Ｄ）ないし（Ｇ）はそれぞれ第１ないし第４の相のスイッチアームの上段のスイッチ素子に与える駆動信号ＡないしＤを示し、図１２（Ｈ）ないし（Ｋ）はそれぞれ第１ないし第４の相のスイッチアームの下段のスイッチ素子に与える駆動信号Ａ´ないしＤ´を示している。
【０１０６】
図１３に示した例では、コントローラ４が以下のようにしてスイッチ回路３を制御する。コントローラ４は、電動機の始動指令が与えられたことを検知したときに先ず回転子磁極センサｈa ，ｈb が出力する磁極検出信号ＨA ，ＨB のレベルが変化する毎に第１の励磁パターンに従って励磁相を切り換えて電動機を始動させる。
【０１０７】
本発明に係わる電動機において、磁極検出信号ＨA ，ＨB の一方のレベルが変化してから他方のレベルが変化するまでの間のクランク軸の回転角度は一定（電気角で９０度，機械角で１５度）であるので、信号ＨA ，ＨB の一方のレベルが変化してから他方のレベルが変化するまでの時間から電動機の回転速度を演算することができる。
【０１０８】
図１３に示した例では、磁極検出信号ＨB の立上りから磁極検出信号ＨA の立下がりまでの時間を計測することにより電動機の回転速度を演算しており、磁極検出信号ＨB の図示の立上りａから磁極検出信号ＨA の立下がりｂまでの時間から電動機の回転速度が設定値に達したことを検出している。
【０１０９】
コントローラ４は、電動機の回転速度が設定値に達したと判定されたときに、その直後に生じる磁極検出信号ＨA またはＨB の立下がりから次に生じる磁極検出信号ＨB またはＨA の立上りまでの時間Ｔo を計測して、タイマ４Ｄに計測すべき時間としてｔ1 ＝Ｔo ／２をセットする。
【０１１０】
図１３に示した例では、磁極検出信号ＨA の立下がりｂで回転速度が設定値に達したと判定された後、磁極検出信号ＨB の立下がりｃから磁極検出信号ＨA の立上りｄまでの時間Ｔo を計測して、このＴo の１／２の時間ｔ1 をタイマ４Ｄにセットしている。タイマ４Ｄがセットされた時間ｔ1 を計測したときにＣＰＵ４Ａが実行するプログラムに割込みをかけて、駆動信号Ｄと駆動信号Ｂ´とを消滅させ、駆動信号Ａ及びＣ´のみを発生させた状態にして、第２の励磁パターンに切り換える。
【０１１１】
その後、磁極検出信号ＨB の立上りｅが検出された時に磁極検出信号ＨA の立上りｄから磁極検出信号ＨB の立上りｅまでの時間Ｔ1 の１／２の時間ｔ2 をタイマ４Ｄにセットして、この時間ｔ2 の計測を開始させる。次いでタイマ４Ｄがセットされた時間ｔ2 （＝Ｔ1 ／２）を計測したときに駆動信号Ａ及びＣ´を消滅させるとともに、駆動信号Ｂ及びＤ´を発生させる。以下同様にして、磁極検出信号ＨA またはＨB のレベルが変化する毎に、１つ前の磁極検出信号のレベル変化が検出された時刻から今回の磁極検出信号のレベル変化が検出された時刻までの時間Ｔ2 ，Ｔ3 ，…を計測して、これらの時間の１／２の時間ｔ3 ，ｔ4 ，…をタイマ４Ｄにセットして、該タイマがセットされた時間を計測する毎に励磁相を切り換える。
【０１１２】
図１３において、一方の磁極検出信号のレベルが変化してから他方の磁極検出信号のレベルが変化するまでの回転角度は僅か１５度であり、１つ前の磁極検出信号のレベル変化が検出された時の時刻から今回の磁極検出信号のレベル変化が検出された時刻までの間の平均回転速度と、今回の磁極検出信号のレベル変化が検出された時刻から次の磁極検出信号のレベル変化が検出される時刻までの間の平均回転速度との間の差（例えばＴ1 とＴ2 との間の差）は僅かであるため、上記のように、１つ前の磁極検出信号のレベル変化が検出された時刻から今回の磁極検出信号のレベル変化が検出された時刻までの時間Ｔ2 ，Ｔ3 ，…の１／２を計測することにより、第２の励磁パターンでの励磁相切換えタイミングを求めても、第２の励磁パターン用の回転子磁極センサを用いて励磁相の切換えタイミングを定める場合と比べてそれ程大きな誤差は生じない。
【０１１３】
上記の例では、磁極検出信号ＨA またはＨB のレベルが変化する毎に、１つ前の磁極検出信号のレベル変化が検出された時刻から今回の磁極検出信号のレベル変化が検出された時刻までの時間の１／２の時間をタイマに計測させることにより、励磁相の切り換えタイミングを求めているが、一方の磁極検出信号の信号幅、例えば図１３のｂ点からｄ点までの時間の１／４の時間をタイマに計測させることにより励磁相の切換えタイミングを求めるようにしていもよい。
【０１１４】
なお回転子磁極センサｈa ，ｈb を第２の励磁パターン用の位置とした適した位置に配置して、電動機の回転速度が設定値に達するまでの間、該回転子磁極センサの出力の立上り及び立下がりでタイマに計時動作を行わせることにより、第１の励磁パターンでの励磁相の切換えタイミングを求めるようにすることも考えられるが、電動機の始動直後の回転速度は不安定であるため、始動直後の低速時の励磁相の切換えタイミングをタイマの計時動作により定めるのは好ましくない。したがって、上記のように、回転子磁極センサｈa ，ｈb を第１の励磁パターン用の検出位置として適した位置に配置して、電動機の回転速度が設定値に達するまので間は、回転子磁極センサｈa ，ｈb の出力がレベル変化を示すタイミングを励磁相の切換えタイミングとするのが好ましい。
【０１１５】
上記の例では、電動機の始動後、回転速度が設定値に達するまでの間第１の励磁パターンにより励磁相を切り換え、回転速度が設定値を超えた後に第２の励磁パターンにより励磁相を切り換えるようにしたが、図６（Ｄ）の出力トルク特性と、図９（Ｄ）の出力トルク特性とを合成して、図１４（Ｂ）に太線で示したような出力トルク特性を得ることができれば、全回転速度領域に亘って、トルクの大きな落ち込みがない特性を得ることができる。
【０１１６】
なお図１４（Ｂ）においてτa は第１の励磁パターンにより励磁した場合に得られる図６（Ｄ）の特性であり、τb は第２の励磁パターンにより励磁した場合に得られる図９（Ｄ）の特性である。
【０１１７】
図１４（Ｂ）のような出力特性を得るためには、τa とτb との交点で励磁パターンの切換を行えばよい。即ち、図１４（Ｂ）のθ1 ´，θ3 ´，θ5 ´及びθ7 ´の位置で、励磁パターンを第２の励磁パターンから第１の励磁パターンに切換え、θ2 ´，θ4 ´，θ6 ´及びθ8 ´の位置で励磁パターンを第１の励磁パターンから第２の励磁パターンに切り換えるようにすればよい。しかしながら、このように励磁パターンを切り換えようとすると、励磁パターンの切換位置相互間の間隔が狭い個所（例えば図１４Ｂのθ1 ´とθ2 ´との間）が生じ、隣り合う回転子磁極センサ相互間の間隔が狭くなって、同センサを配設することが困難になる。回転子磁極センサの配設を容易にするためには、４つの回転子磁極センサを等角度間隔で配置して、しかも図１４（Ｂ）のθ1 ´〜θ8 ´の位置に近い位置で励磁パターンの切換を行うようにするのが好ましい。
【０１１８】
そのために、例えば、図１４（Ａ）に示したように、４つの回転子磁極センサｈa 〜ｈd を電気角で４５度間隔で配置するのがよい。この例では、特定の歯部（図示の例では歯部Ｐ2 ）の中心と、回転子の回転方向の前方側で特定の歯部Ｐ2 に隣接する他の歯部Ｐ3 との間の間隙の中心との間の中央に相応する第１の検出位置で回転子の磁極を検出するように第１の回転子磁極センサｈa を配置し、第１の回転子磁極センサｈa の配設位置から回転子の回転方向に順次電気角で４５度（１８０／４度）ずつ間隔を隔てた第２ないし第４の検出位置位置で回転子の磁極を検出するように、第２ないし第４の回転子磁極センサｈb ないしｈd を配置する。
【０１１９】
この場合、回転子磁極センサｈa 〜ｈd がそれぞれ出力する磁極検出信号をＨA 〜ＨB とすると、コントローラ４は図１５（Ａ）ないし（Ｌ）に示すようなパターンでスイッチ回路に駆動信号Ａ〜Ｄ及びＡ´〜Ｄ´を与える。
【０１２０】
即ち、コントローラ４は、直流電源の正極端子からスイッチ回路３の隣り合う２つの相のスイッチアームの上段のスイッチ素子を通して固定子の隣り合う２つの相のタップ端子に同時に励磁電流を流入させて、該隣り合う２つの相のタップ端子のうち回転子の回転方向の前方側に位置する相のタップ端子に流入させた励磁電流を回転方向の前方側に位置する１つの相のコイルを通して流した後スイッチ回路の他の１つの相のスイッチアームの下段のスイッチ素子を通して直流電源の負極端子に戻し、隣り合う２つの相のタップ端子のうち回転方向の後方側に位置する相のタップ端子に流入させた励磁電流を回転方向の後方側に位置する１つの相のコイルを通して流した後スイッチ回路の更に他の相のスイッチアームの下段のスイッチ素子を通して直流電源の負極端子に戻す励磁電流の流し方を第１の励磁パターンとして定めるとともに、直流電源の正極端子からスイッチ回路のいずれか１つの相のスイッチアームの上段のスイッチ素子を通して固定子のいずれか１つの相のタップ端子に流入させた励磁電流を回転子１の回転方向の前方側で隣り合う２つの隣接コイルと回転方向の後方側で隣り合う２つの隣接コイルとに分流させた後、他の１つの相のスイッチアームの下段のスイッチ素子を通して直流電源の負極端子に戻す励磁電流の流し方を第２の励磁パターンとして定めておいて、磁石回転子を一方向に回転駆動する際に、第１の回転子磁極センサの出力の状態が変化したとき及び第３の回転子磁極センサの出力の状態が変化したときには、第１の励磁パターンで励磁電流を流し、第２の回転子磁極センサの出力の状態が変化したとき及び第４の回転子磁極センサの出力の状態が変化したときには第２の励磁パターンで励磁電流を流すようにして、第１の励磁パターンで励磁電流を流す状態と第２の励磁パターンで励磁電流を流す状態とを交互に生じさせながら、第１ないし第４の回転子磁極センサのそれぞれの出力の状態が変化する毎に励磁電流を流すコイルを順次磁石回転子の回転方向にシフトさせていくようにスイッチ回路３のスイッチ素子をオンオフ制御する。
【０１２１】
この場合に得られるトルク特性は図１５（Ｍ）のようになり、第２の励磁パターンにより励磁相を切換えた場合にトルクが落ち込む部分で、第１の励磁パターンにより励磁相を切換えることによりトルクが増大させられるため、トルクの深い谷間が生じない特性が得られる。また常に第１の励磁パターンにより励磁相を切換える場合に比べて出力トルクの平均値を大きくすることができる。
【０１２２】
本発明において、第２の励磁パターンにより励磁を行っているときには、各瞬時において、例えば図１６に示すようにスイッチ回路のいずれか１つの相のスイッチアームの上段のスイッチ素子と他の１つの相のスイッチアームの下段のスイッチ素子とを通して励磁電流Ｉe が流れる。
【０１２３】
これに対し、第１の励磁パターンにより励磁を行っているときには、図１７に示すように、同時に２つのスイッチアームの上段のスイッチ素子と、他の２つのスイッチアームの下段のスイッチ素子とを通して励磁電流が流れる。そのため、第１の励磁パターンにより励磁を行っているときには、第２の励磁パターンにより励磁を行っている場合の２倍の励磁電流が流れる。
【０１２４】
したがって、図３に示したように、過電流検出回路１５を設けて、コントローラ４により過電流保護手段を構成する場合には、第１の励磁パターンにより励磁を行っているときの電流の制限値を第２の励磁パターンにより励磁を行っているときの電流の制限値の２倍に設定する必要がある。
【０１２５】
最初からいずれの励磁パターンで励磁するかが決まっている場合には、励磁パターンに合わせた過電流制限値を決めておけばよいが、励磁パターンを第２の励磁パターンから第１の励磁パターンに切り換えたり、第１の励磁パターンによる励磁と第２の励磁パターンによる励磁とを交互に行ったりする場合には、励磁パターンに応じて過電流制限値を変更する必要がある。
【０１２６】
図４に示すような過電流検出回路１５が用いられる場合には、コントローラ４により励磁パターンに応じて可変抵抗器ＶＲ1 の抵抗値を調整して増幅回路の利得を切換えることにより、過電流制限値を切換えることができる。即ち、第２の励磁パターンにより励磁を行うときには、増幅回路１５Ａの利得を第１の励磁パターンにより励磁を行う際の利得の１／２とすることにより、過電流制限値を第１の励磁パターンにより励磁を行うときの制限値の２倍にすることができる。
【０１２７】
またコントローラ４により励磁パターンに応じて可変抵抗器ＶＲ2 の抵抗値を調整して、基準電圧Ｖf の値を切り換えることによっても過電流制限値を切り換えることができる。即ち、第２の励磁パターンにより励磁を行うときに基準電圧Ｖf の値を第１の励磁パターンにより励磁を行うときの２倍の値とすることにより、第２の励磁パターンにより励磁を行うときの過電流制限値を、第１の励磁パターンにより励磁を行うときの制限値の２倍にすることができる。
【０１２８】
上記の例では、電動機の回転子を６極に構成し、固定子を１２極に構成したが、一般に回転子をｍ極（ｍは偶数）とし、固定子を２ｍ極とする場合に、４相駆動を行って電動機として運転することができる。
【０１２９】
例えば、図１８に示すように、回転子を８極とし、固定子を１６極とする場合にも本発明を適用することができる。この場合、電機子鉄心は１６個の歯部Ｐ1 ないしＰ16を有していて、固定子のコイルＷ1 ないしＷ16は、電機子鉄心の２つの歯部に跨って重ね巻きされ、コイルＷ1 ないしＷ16の巻始め側の端末部と回転子の回転方向の後方側でそれぞれのコイルに隣接するコイルの巻終り側の端末部との接続点からそれぞれタップ端子ｊ1 ないしｊ12が引き出されている。そして、タップ端子ｊ1 ないしｊ16のうち、ｊ1 ，ｊ5 ，ｊ9 及びｊ13が第１の相のタップ端子を構成し、ｊ2 ，ｊ6 ，ｊ10及びｊ14が第２の相のタップ端子を構成している。またｊ3 ，ｊ7 ，ｊ11及びｊ15が第３の相のタップ端子を構成し、ｊ4 ，ｊ8 ，ｊ12及びｊ16が第４の相のタップ端子を構成している。そして、１／２のタップ端子ｊ1 ないしｊ8 に対して第１の相のスイッチアームＳ1 ないし第４の相のスイッチアームＳ4 が設けられて、各相のスイッチアームの中間端子が各相の２つのタップ端子に共通に接続されている。またタップ端子ｊ9 ないしｊ16に対して第１の相のスイッチアームＳ5 ないし第４の相のスイッチアームＳ8 が設けられて、各相のスイッチアームの中間端子が２つの相のタップ端子に共通に接続されている。
【０１３０】
回転子磁極センサｈa 及びｈb はそれぞれ電機子鉄心の歯部Ｐ5 とＰ6 との間の間隙の中心に相応する位置、及び歯部Ｐ6 とＰ7 との間の間隙の中心に相応する位置でそれぞれ回転子の磁極を検出するように設けられている。
【０１３１】
図１８に示した電動機を４相駆動する場合、回転子磁極センサが出力する磁極検出信号をＨA 及びＨB 、スイッチアームＳ1 ないしＳ8 の上段のスイッチ素子ｑa に与える駆動信号をそれぞれＡないしＨとし、スイッチアームＳ1 ないしＳ8 の下段のスイッチ素子ｑb に与える駆動信号をそれぞれＡ´ないしＨ´とすると、第２の励磁パターンは図１９のようになる。
【０１３２】
また図１８に示した電動機においても、回転子磁極センサｈa 及びｈb を電機子鉄心の歯部の中心に相応する位置に配置して、第１の励磁パターンで駆動することにより、出力トルクのむらが少ない特性を得ることができる。
【０１３３】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、固定子側に第１ないし第４の相のコイルを設けるとともに、２つの回転子磁極センサを、電機子鉄心の異なる歯部のほぼ中心に相応する位置に、電気角で９０度の位相差を持たせて配置して、固定子のコイルから引き出した隣り合う２つの相のタップ端子に同時に励磁電流を流入させる励磁パターンで固定子を励磁するようにしたことにより、回転子の回転角度位置による出力トルクのむらを少なくして、回転子の初期の回転角度位置がいずれの位置にある場合でも十分な始動トルクを得ることができる。したがって、電動機の始動に失敗するおそれをなくすことができ、４相駆動を行うブラシレス直流電動機の実用性を高めることができる。
【０１３４】
また本発明において、回転子の回転速度が設定値以下の時に固定子の２つのタップ端子に同時に励磁電流を流入させる第１の励磁パターンで固定子を励磁し、回転速度が設定値を超えたときに、固定子の１つのタップ端子に励磁電流を流入させる第２の励磁パターンに切換えるようにした場合には、電動機の始動時に出力トルクのむらを少なくして始動を確実にするとともに、始動後は大きな最大出力トルクが得られるようにして出力トルクの平均値を増大させ、電動機の出力の向上を図ることができる。
【０１３５】
更に本発明において、固定子の隣り合う２つの相のタップ端子に同時に励磁電流を流入させる第１の励磁パターンによる励磁と固定子のコイルから引き出した１つの相のタップ端子のみに励磁電流を流入させる第２の励磁パターンによる励磁とを交互に行わせるようにした場合には、全回転速度領域で出力トルクのむらを少なくするとともに、最大出力トルクの最大値を大きくして平均出力トルクの増大を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明に係わる電動機の実施形態の一例を示す断面図、（Ｂ）は図１の電動機の正面図である。
【図２】図１の電動機の固定子側に設けるコイルの巻回構造と、コイルに励磁電流を流す回路の構成例とを示した構成図である。
【図３】本発明に係わる電動機を制御する制御装置の構成例を示した構成図である。
【図４】図３の制御装置で用いる過電流検出回路の構成例を示した回路図である。
【図５】図１の電動機の励磁パターンとして第１の励磁パターンを採用する場合の各部の信号波形を示した線図である。
【図６】図５に示す励磁パターンで固定子のコイルを励磁した場合に得られるトルク特性を磁極検出信号の波形とともに示した線図である。
【図７】本発明の他の実施形態における電動機の構成例を示した正面図てある。
【図８】図７の実施形態において、第２の励磁パターンにより固定子のコイルを励磁する場合の各部の信号波形を示した線図である。
【図９】図７の励磁パターンによりコイルを励磁した場合に得られる出力トルク特性の一例を磁極検出信号の波形とともに示した線図である。
【図１０】本発明の更に他の実施形態における電動機の構成を示した正面図である。
【図１１】図１０の電動機における回転子磁極センサの配置を示した説明図である。
【図１２】図１０の電動機各部の信号を示したタイミングチャートである。
【図１３】図１０の電動機の励磁の切換えをタイマを用いて行う場合の動作を示すタイミングチャートである。
【図１４】（Ａ）は本発明の他の実施形態における回転子磁極センサの配置を示した説明図、（Ｂ）は同実施形態で得られる出力特性を示した線図である。
【図１５】図１４（Ａ）のように回転子磁極センサを配置して図１の電動機を駆動する場合の励磁パターンを示した線図である。
【図１６】図１に示した電動機を第２の励磁パターンで励磁した場合に流れる励磁電流の流れ方を説明するための回路図である。
【図１７】図１に示した電動機を第１の励磁パターンで励磁した場合に流れる励磁電流の流れ方を説明するための回路図である。
【図１８】本発明の更に他の実施形態における電動機の巻線構造と固定子のコイルに励磁電流を供給するスイッチ回路の構成例とを示した構成図である。
【図１９】図１８の電動機の励磁パターンの一例を示した線図である。
【符号の説明】
１…回転子、１００…回転子ヨーク、Ｍ1 〜Ｍ6 …永久磁石、２…固定子、２００…電機子鉄心、Ｐ1 〜Ｐ12…歯部、Ｗ1 〜Ｗ12…コイル、ｊ1 〜ｊ12…タップ端子、３…スイッチ回路、ｑa …上段のスイッチ素子、ｑb …下段のスイッチ素子、Ｓ1 〜Ｓ4 …第１ないし第４の相のスイッチアーム、４…コントローラ、５…バッテリ。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a brushless DC motor that performs four-phase driving.
[0002]
[Prior art]
The brushless DC motor is composed of a rotor having a rotor magnetic pole constituted by a permanent magnet, a stator formed by winding a coil around an armature core having a magnetic pole portion opposed to the rotor magnetic pole, and on / off and polarity of current flowing through the coil Switching circuit, a rotor magnetic pole sensor that detects the polarity of the rotor magnetic pole at a specific position on the stator side, and a controller that controls the switch circuit according to the output of the rotor magnetic pole sensor. The In order to rotate the rotor in a predetermined direction, the controller controls the switch circuit so that a current having a predetermined polarity flows through an armature coil of a predetermined phase at a predetermined timing according to the output of the rotor magnetic pole sensor. .
[0003]
As a brushless DC motor, a coil in which a coil is three-phase star-connected and driven in three phases is generally used. In brushless DC motors that perform three-phase driving, three rotor magnetic pole sensors, such as Hall ICs, are provided, and excitation switching is performed by performing logical operations (logical sums and logical products) on the outputs of these three sensors. Timing is obtained, and a drive signal to be given to each switch element constituting the switch circuit is obtained.
[0004]
In the present specification, a driving method for switching the excitation of the armature coil at an electrical angle of 360 / n degrees (n is an integer of 1 or more) is called n-phase driving.
[0005]
As described above, a brushless DC motor that performs three-phase driving is generally used. However, in order to perform three-phase driving, a minimum of three rotor magnetic pole sensors are provided, and logic from the outputs of these sensors is provided. Since it is necessary to obtain the timing for switching excitation by calculation, there is a problem that not only the number of sensors is increased and the cost is increased, but also the logic for obtaining the excitation switching timing is complicated.
[0006]
The controller of a brushless DC motor may be configured using a logic circuit or a microcomputer. When a controller is configured using a logic circuit, the excitation switching timing is obtained when the controller is configured using a logic circuit. When the logic is complicated, it is inevitable that the configuration of the logic circuit becomes complicated and the cost becomes high. When the controller is constituted by a microcomputer, if the logic for determining the excitation switching timing is complicated, it is not preferable because the program executed by the microcomputer becomes complicated. Therefore, in a brushless DC motor, it is desirable that the logic for obtaining the switching timing of excitation is as simple as possible.
[0007]
Therefore, it is conceivable to perform four-phase driving when rotating the brushless DC motor. In the four-phase drive, two rotor magnetic pole sensors are provided on the stator side with an electrical angle of 90 degrees, and excitation is switched at intervals of 90 degrees. In this way, if four-phase driving is performed, the excitation switching timing can be obtained simply by performing a logical operation on the outputs of the two rotor magnetic pole sensors. Can be simple.
[0008]
In a brushless DC motor, when determining the position of the rotor magnetic pole sensor, it is normal to determine the position of the rotor magnetic pole sensor so that the maximum output torque can be obtained. By arranging the rotor magnetic pole sensor at the center position in the circumferential direction (between the magnetic cores) between the teeth of the iron core (between the magnetic poles), the output torque can be maximized. Therefore, even when a brushless DC motor is driven in four phases, it is common to arrange two rotor magnetic pole sensors between the teeth of the armature core.
[0009]
However, when the brushless DC motor is driven in four phases, if the two rotor magnetic pole sensors are arranged between the teeth of the armature core, the output torque characteristic (the characteristic of the output torque with respect to the rotation angle position of the rotor) has a deep valley. When the motor is started from a state where the rotor is stopped at a rotational angle position corresponding to the valley of the output torque characteristic, the starting torque may be almost close to zero.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in a brushless DC motor that performs four-phase driving in accordance with the conventional concept, a deep valley occurs in the output torque characteristics, and depending on the stop position of the rotor, a state in which almost no starting torque is obtained occurs. Therefore, depending on the load, the starting of the electric motor may fail, causing a problem in practical use.
[0011]
An object of the present invention is to prevent a deep valley from occurring in output characteristics when a brushless DC motor is driven in four phases so that a sufficient starting torque can be obtained regardless of the stop position of the rotor. There is to do.
[0012]
Another object of the present invention is to prevent a deep valley from occurring in the output characteristics when the brushless DC motor is driven in four phases, and to increase the maximum output torque.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a magnet rotor that forms a magnet field by attaching a permanent magnet to a rotor yoke, a stator that is formed by winding a coil around a multipole armature core, and a motor that drives the rotor (as an electric motor). The present invention is intended for a brushless DC motor including a switch circuit that switches excitation of the stator coil and a controller that controls the switch circuit.
[0014]
In the present invention, in order to prevent deep valleys from occurring in the output torque characteristics, the number of magnetic poles (tooth portions) of the stator that work when operating as an electric motor is increased by wrapping coils. In addition, by arranging the rotor magnetic pole sensor at a position corresponding to the center of the tooth portion of the armature core, the depth of the trough generated in the torque characteristics is reduced, and the torque is reduced at a specific rotational angle position of the rotor. To prevent.
[0015]
More specifically, in the first invention of the present application, a magnet rotor having m poles (m is an even number) arranged at equiangular intervals is used. Further, as the stator, an armature core having 2m (m is an even number) tooth portions provided so as to be arranged at equal angular intervals in the rotation direction of the magnet rotor, and two coils adjacent to the armature core. Using 2 m coils straddling one tooth part and having the winding direction of each coil being the same and sequentially wound in the rotation direction of the magnet rotor, each winding start of 2 m coils 2m tap terminals are derived from the connection point between the terminal portion on the side and the terminal portion on the winding end side of the coil adjacent to each coil.
[0016]
In this stator, when the tap terminal connected to the winding start side terminal portion of the coil having the same phase relationship with the magnet rotor is the same phase tap terminal, 2m tap terminals are connected to the first to the first terminals. It can be divided into 4 phase tap terminals.
[0017]
In the present invention, a first detection position set at a position substantially corresponding to the center in the circumferential direction of the specific tooth portion of the armature core and an electrical angle from the first detection position to the rotation direction of the magnet rotor. Are arranged at the second detection positions 90 degrees apart from each other so that the output state is different between when the magnetic pole of the magnet rotor passing through each detection position is N-pole and S-pole. The first and second rotor magnetic pole sensors provided in the circuit, a switch circuit having a function of switching the excitation phase (phase through which the excitation current flows) of the stator coil, and the output state of the rotor magnetic pole sensor are And a controller for controlling the switch circuit so as to switch the excitation phase each time it changes.
[0018]
The switch circuit includes an upper switch element and a lower switch element connected in series to each other, and a switch arm in which an intermediate terminal is led out from a connection point between the switch elements includes first to fourth phases. A pair of direct current power supplies connected to the first to fourth phase switch arms respectively corresponding to the first to fourth phase tap terminals. The power supply connection terminals connected in parallel are used, and the intermediate terminals of the first to fourth phase switch arms are connected to the corresponding phase tap terminals.
[0019]
When the controller for controlling the switch circuit drives the magnet rotor to rotate in one direction, the adjacent two of the stators pass through the upper switch elements of the switch arms of the two adjacent phases of the switch circuit from the positive terminal of the DC power supply. The excitation current flows into the tap terminals of two phases at the same time, and the excitation current that flows into the tap terminals of the phase located on the front side in the rotation direction of the rotor flows through one coil on the front side in the rotation direction and then the other. The excitation current that is returned to the negative terminal of the DC power supply through the lower switch element of the one-phase switch arm and flows into the tap terminal of the phase located on the rear side in the rotation direction among the two adjacent phase tap terminals is Excitation current that flows through the coil of one phase on the rear side in the rotational direction and then returns to the negative terminal of the DC power supply through the lower switch element of the switch arm of the other phase. Is determined as a specified excitation pattern, and each time the output state of each of the first and second rotor magnetic pole sensors changes, the coils that pass the excitation current are sequentially rotated according to the specified excitation pattern. The switch element of the switch circuit is configured to have a function of on / off control so as to shift in the rotation direction of the child.
[0020]
As described above, the first detection position set at a position corresponding approximately to the center in the circumferential direction of the specific tooth portion of the armature core and the electrical angle in the rotation direction of the magnet rotor from the first detection position. The first and second rotor magnetic pole sensors are arranged at the second detection positions 90 degrees apart from each other, and the excitation pattern is determined so that the excitation current flows simultaneously into the tap terminals of two adjacent phases of the stator. Thus, if an excitation current is made to flow according to this excitation pattern, a substantially flat output torque characteristic can be obtained with almost no valleys, so that the possibility of a failure in starting the motor due to insufficient starting torque can be eliminated. it can.
[0021]
Also, since only two rotor magnetic pole sensors need be provided, the logic for determining the switching timing of the excitation pattern can be simplified, and the configuration when the controller is configured as a logic circuit can be simplified. Can do. When the controller is constituted by a microcomputer, a program to be executed by the microcomputer can be simplified.
[0022]
As described above, when the two rotor magnetic pole sensors are arranged at a position corresponding to the center of the tooth portion of the armature core, the rotor magnetic pole sensor is placed at a position corresponding to the center of the gap between the tooth portions according to the conventional concept. The maximum value of the output torque is slightly reduced compared to the case where it is arranged.
[0023]
Depending on the load, it may be desired not only to increase the starting torque of the electric motor but also to increase the average value of the output torque as much as possible.
[0024]
In order to achieve such an object, in the second invention of the present application, the first to fourth of the stator side set so as to be sequentially arranged with an electrical angle of 45 degrees in the rotation direction of the magnet rotor. The first to fourth rotor magnetic pole sensors are arranged at the respective detection positions, and when the rotational speed of the rotor is low, the excitation current flows in the excitation pattern in which the excitation current flows into the two tap terminals at the same time. When the rotational speed is increased to some extent, the excitation current is passed in an excitation pattern that causes the excitation current to flow into one tap terminal to increase the maximum value of the output torque.
[0025]
Here, one tooth portion selected from the 2m tooth portions of the armature core is set as the first specific tooth portion, and is arranged on the front side in the rotation direction of the magnet rotor from the first specific tooth portion. When the adjacent two tooth portions are the second specific tooth portion and the third specific tooth portion, respectively, the first detection position corresponds to substantially the center in the circumferential direction of the first specific tooth portion. Position. In this case, the second detection position can be a position corresponding to the substantially center of the circumferential direction of the gap between the first specific tooth portion and the second specific tooth portion, and the third detection position is The position can correspond to the substantially center of the second specific tooth portion in the circumferential direction. Further, the fourth detection position can be substantially the center position of the gap between the second specific tooth portion and the third specific tooth portion.
[0026]
In this case, the controller causes the exciting current to flow simultaneously from the positive terminal of the DC power source to the two adjacent phase tap terminals of the stator through the upper switch elements of the two adjacent phase switch arms of the switch circuit. The exciting current flowing into the tap terminal of the phase located on the front side in the rotation direction of the child flows through the coil of one phase on the front side in the rotation direction and then passes through the lower switch element of the switch arm of the other phase. Returning to the negative terminal of the DC power source, the excitation current that has flowed into the tap terminal of the phase located on the rear side in the rotational direction of the two adjacent phase tap terminals flows through the coil of one phase on the rear side in the rotational direction. After that, the flow of the excitation current to be returned to the negative terminal of the DC power supply through the lower switch element of the other phase switch arm is defined as the first excitation pattern. In addition, the excitation current flowing from the positive electrode terminal of the DC power source to the tap terminal of any one phase of the stator through the upper switch element of any one phase switch arm of the switch circuit is forward in the rotation direction of the rotor. Exciting current to be returned to the negative terminal of the DC power supply through the lower switch element of the switch arm of the other one phase after being divided into two adjacent coils adjacent on the side and two adjacent coils adjacent on the rear side in the rotation direction When the rotation speed of the magnet rotor is equal to or lower than the set value, the output states of the first rotor magnetic pole sensor and the third rotor magnetic pole sensor are determined. The coil for passing an exciting current is shifted in the direction of rotation of the magnet rotor according to the first excitation pattern every time the value of is changed, and when the rotation speed of the magnet rotor exceeds the set value, Each time the output state of each of the rotor magnetic pole sensor and the fourth rotor magnetic pole sensor changes, the coil through which the excitation current flows according to the second excitation pattern is shifted in the rotation direction of the magnet rotor. The switch element of the switch circuit is controlled.
[0027]
As described above, when the excitation pattern is switched according to the rotation speed of the motor, the torque unevenness can be reduced at the start of the motor, and a rotation angle position where the start torque is insufficient can be prevented. After starting, the maximum value of the output torque can be increased to increase the average output torque of the motor.
[0028]
In this case, four rotor magnetic pole sensors are required, but the excitation by each excitation pattern is four-phase driving, and the excitation switching timing can be determined based on the output of the two rotor magnetic pole sensors. Compared with the case of three-phase driving, the logic for obtaining the switching timing of excitation can be simplified.
[0029]
In the above configuration, four rotor magnetic pole sensors are used to switch the excitation pattern in accordance with the rotational speed. However, the rotor magnetic pole has N poles at a position substantially corresponding to the center of the tooth portion of the armature core. The excitation phase of the second excitation pattern is switched using the first and second rotor magnetic pole sensors that detect whether the first and second rotor magnetic pole sensors are detected, and the outputs of the first and second rotor magnetic pole sensors are output. It is also possible to cause the excitation phase to be switched by the first excitation pattern using the output of the timer that is started each time the state changes.
[0030]
In this case, the controller causes the exciting current to flow simultaneously from the positive terminal of the DC power source to the two adjacent phase tap terminals of the stator through the upper switch elements of the two adjacent phase switch arms of the switch circuit. The exciting current flowing into the tap terminal of the phase located on the front side in the rotation direction of the child is passed through the coil of one phase on the front side in the rotation direction and then passed through the lower switch element of the switch arm of the other phase. Return to the negative terminal of the DC power supply, and the excitation current that has flowed into the tap terminal of the phase located on the rear side in the rotation direction out of the two adjacent phase tap terminals flows through the coil of one phase on the rear side in the rotation direction. After that, the flow of the excitation current to be returned to the negative terminal of the DC power supply through the lower switch element of the other phase switch arm is defined as the first excitation pattern. In addition, the excitation current flowing from the positive electrode terminal of the DC power source to the tap terminal of any one phase of the stator through the upper switch element of any one phase switch arm of the switch circuit is forward in the rotation direction of the rotor. Exciting current to be returned to the negative terminal of the DC power supply through the lower switch element of the switch arm of the other one phase after being divided into two adjacent coils adjacent on the side and two adjacent coils adjacent on the rear side in the rotation direction When the rotational speed of the magnet rotor is equal to or lower than the set value, the output state of each of the first and second rotor magnetic pole sensors changes each time. According to the first excitation pattern, each switch element of the switch circuit is controlled to be turned on and off so that the coil for passing the excitation current is sequentially shifted in the rotation direction of the magnet rotor. When the rotational speed of the rotor exceeds the set value, the second excitation is performed every time the timer started every time the combination of the output states of the first and second rotor magnetic pole sensors changes measures a predetermined time. The switch elements of the switch circuit are on / off controlled so that the coil through which the excitation current flows according to the pattern is sequentially shifted in the rotation direction of the magnet rotor.
[0031]
In this case, when the rotational speed of the magnet rotor exceeds the set value, when the front end edge of each magnetic pole of the magnet rotor passes between the teeth of the armature core, the first excitation pattern At the same time, the time to be measured by the timer is set so that the combination of the coils through which the excitation current flows is switched.
[0032]
With the above configuration, since only two rotor magnetic pole sensors need be provided, it is possible to perform control for switching the excitation pattern according to the rotation speed without complicating the configuration on the stator side.
[0033]
As described above, according to the present invention, when a brushless DC motor is driven in four phases, it is possible to prevent the occurrence of a rotational angle position at which starting torque cannot be obtained. Taking advantage of the simple two-phase drive, it is possible to obtain a brushless DC motor having the same performance as that of a brushless DC motor that performs three-phase driving, and to improve the practicality of a brushless DC motor that performs four-phase driving. Can do.
[0034]
In the present invention, when the stator has coils of the first to fourth phases, the stator is arranged so as to be sequentially arranged in front of the rotor in the rotation direction with an electrical angle of 45 degrees. A first excitation pattern that causes an excitation current to flow into two tap terminals at the same time, and a second excitation pattern that always causes an excitation current to flow into one tap terminal, using the first to fourth rotor magnetic pole sensors. It is also possible to drive as an electric motor while alternately generating.
[0035]
In this case, the first to fourth detection positions set so as to be sequentially arranged at an electrical angle of 45 degrees on the front side in the rotation direction of the magnet rotor are arranged, and the respective detection positions are set. First to fourth rotor magnetic pole sensors provided so as to have different output states depending on whether the magnetic pole of the passing magnet rotor is an N pole or an S pole are connected in series with each other. In addition, at least one switch arm having an upper switch element and a lower switch element and having an intermediate terminal derived from a connection point between the switch elements is provided for each of the tap terminals of the first to fourth phases. The first to fourth phase switch arms respectively corresponding to the first to fourth phase tap terminals are connected in parallel between a pair of power connection terminals to which a DC power source is connected, and the first 1st to 4th A switch circuit having a structure of connecting the respective intermediate terminals of the switch arm of the phase tap terminal of the corresponding phase, and a controller for controlling the switch circuits provided.
[0036]
This controller simultaneously causes excitation current to flow from the positive terminal of the DC power source to the adjacent two phase tap terminals of the stator through the upper switch elements of the two adjacent phase switch arms of the switch circuit. An excitation current that has flowed into a phase tap terminal located on the front side in the rotation direction of the rotor of the two phase tap terminals is passed through a coil of one phase located on the front side in the rotation direction. Exciting current returned to the negative terminal of the DC power supply through the lower switch element of the switch arm of the other phase and flowing into the tap terminal of the phase located on the rear side in the rotation direction of the two adjacent phase tap terminals. Flows through one phase coil located at the rear side of the rotation direction, and then passes directly through the lower switch element of the switch arm of the other phase of the switch circuit. The excitation current to be returned to the negative terminal of the power source is determined as a first excitation pattern, and one of the stators is passed from the positive terminal of the DC power source to the upper switch element of any one of the switch arms of the switch circuit. After exciting current flowing into the tap terminal of one phase is divided into two adjacent coils adjacent on the front side in the rotation direction of the rotor and two adjacent coils adjacent on the rear side in the rotation direction, When the excitation current to be returned to the negative terminal of the DC power supply through the lower switch element of one phase switch arm is defined as the second excitation pattern, when the magnet rotor is rotationally driven in one direction, When the output state of the first rotor magnetic pole sensor changes and when the output state of the third rotor magnetic pole sensor changes, an excitation current is passed in the first excitation pattern, When the output state of the second rotor magnetic pole sensor changes and when the output state of the fourth rotor magnetic pole sensor changes, an excitation current is caused to flow in the second excitation pattern. An excitation current is passed each time the output state of each of the first to fourth rotor magnetic pole sensors changes, while alternately causing an excitation current flow state and an excitation current flow state in the second excitation pattern. The switch elements of the switch circuit are on / off controlled so that the coils are sequentially shifted in the rotation direction of the magnet rotor.
[0037]
In this case, the first detection position where the first rotor magnetic pole sensor is arranged is a specific tooth portion of the armature core and other teeth adjacent to the specific tooth portion on the front side in the rotation direction of the rotor. It is set between the center of the gap between the parts and the center in the circumferential direction of the specific tooth part.
[0038]
As described above, excitation by the first excitation pattern that causes the excitation current to simultaneously flow into the tap terminals of two adjacent phases of the stator, and the excitation current flows only to the tap terminal of one phase drawn from the stator coil When the excitation by the second excitation pattern to be performed is alternately performed, the unevenness of the output torque can be reduced in the entire rotation speed region, and the maximum value of the maximum output torque can be increased to increase the average output torque. it can.
[0039]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
1 and 2 show an example of the mechanical components of a brushless DC motor according to the present invention. FIG. 1A is a sectional view and a front view of the motor. FIG. 2 is a configuration diagram showing a coil winding structure of the motor shown in FIG. 1, a configuration example of a switch circuit that switches the timing for supplying an exciting current to the coil, and a controller that controls the switch circuit.
[0040]
The brushless DC motor shown in FIGS. 1A and 1B includes a rotating shaft s supported by a boss portion fb provided on a frame f via a bearing b, and a rotor 1 attached to the rotating shaft s. And a stator 2 fixed to the outer periphery of the boss portion of the frame f.
[0041]
The rotor 1 is attached to a rotor yoke 100 formed in a substantially cup shape from a ferromagnetic material such as iron and an inner periphery of the peripheral wall portion 101 of the rotor yoke 100 at equal angular intervals. It consists of arc-shaped permanent magnets M1 to M6 magnetized in the radial direction.
[0042]
The magnets M1 to M6 are magnetized so that magnetic poles with different polarities (S pole and N pole) are alternately arranged in the circumferential direction of the flywheel, and these magnets form six magnetic poles arranged at equiangular intervals. The magnet field which has is comprised. A boss portion 102 for attaching a rotating shaft is provided at the center of the bottom wall portion of the rotor yoke 100, and this boss portion is attached to the rotating shaft s.
[0043]
The stator 2 includes an armature core 200 having a shape in which twelve tooth portions P1 to P12 arranged at equal angular intervals in the rotation direction of the magnet rotor 1 from the annular yoke portion Y project radially, and an armature. It consists of twelve coils W1 to W12 wound in the same winding direction on the tooth portions P1 to P12 of the iron core 200, and the iron core 200 is fitted to and supported by the outer periphery of the boss portion fb of the frame f. ing.
[0044]
The armature core 200 is formed by laminating a predetermined number of steel plates punched into a predetermined shape, and a resin frame 202 is fixed to the yoke portion Y, and 12 pins 203, The base of 203, ... is embedded.
[0045]
The coils W1 to W2 are connected in such a manner that each coil is straddled between two adjacent tooth portions of the armature core, and the terminal portion on the winding end side of each coil is connected to the terminal portion at the beginning of the next coil. It is rolled up one after another in a state. And the connecting part between the coils W1 to W12 is wound around a series of pins 203, 203,... And soldered, and a series of pins 203, to which the terminals on the winding start side of the coils W1 to W12 are connected. 203,... Are tap terminals j1 to j12, respectively.
[0046]
Note that “overlapping” refers to winding a series of coils so that a part of adjacent coils overlaps in the circumferential direction of the rotor in each tooth portion of the armature core. In the illustrated example, the coil is wound in a state where a part of the adjacent coils overlap each other. However, when the slot between the tooth portions can be sufficiently deep, the iron core is not overlapped without overlapping the adjacent coils. The position may be shifted in the radial direction.
[0047]
In the illustrated stator, when coils having the same phase relationship with the magnet field are used as coils of the same phase, the twelve coils W1 to W12 are divided into first to fourth phase coils. . In the illustrated example, as shown in FIG. 2, coils W1, W5, and W9 constitute a first phase coil, and coils W2, W6, and W10 constitute a second phase coil. The coils W3, W7 and W11 constitute a third phase coil, and the coils W4, W8 and W12 constitute a fourth phase coil.
[0048]
Further, when the tap terminal connected to the terminal portion on the winding start side of the same phase coil is the same phase tap terminal, the twelve tap terminals j1 to j12 are used as the first to fourth phase tap terminals. It can be divided. In the illustrated example, the tap terminals j1, j5, and j9 constitute a first phase tap terminal, and the tap terminals j2, j6, and j10 constitute a second phase tap terminal. Tap terminals j3, j7 and j11 constitute a third phase tap terminal, and tap terminals j4, j8 and j12 constitute a fourth phase tap terminal.
[0049]
Further, in the illustrated example, a ring-shaped rotor magnetic pole detection magnet 10 is attached to the outer periphery of a boss portion 102 provided on the rotor flywheel 100, and this magnet 10 is composed of magnetic poles M1 to M1 of the magnet rotor. The magnetic poles m1 to m6 (see FIG. 2) respectively corresponding to M6 are magnetized.
[0050]
As shown in FIG. 1A, rotor magnetic pole sensors ha and hb for detecting the magnetic poles of the rotor magnetic pole detecting magnet 10 on an annular resin frame 204 fixed to the yoke portion Y of the armature core 200. Is attached. The illustrated rotor magnetic pole sensors ha and hb are composed of Hall ICs, and are set at positions corresponding to the respective circumferential centers of two adjacent tooth portions of the armature core 200. The rotor magnetic pole is detected at the detection position, and rectangular wave-shaped magnetic pole detection signals HA and HB of different levels are output depending on whether the detected magnetic pole of the rotor is an N pole or an S pole.
[0051]
In this example, as indicated by reference characters ha and hb in FIG. 1B, the rotor magnetic pole sensor ha is located at a position corresponding to the circumferential center of each of the tooth portions P3 and P4 of the armature core 200. , Hb and the signals ha and hb attached to the resin frame 204 fixed to the yoke Y are equivalent to the signals obtained from both sensors when the polarity of the magnetic pole of the rotor 1 is detected. Both sensors ha and hb are provided as follows.
[0052]
In this example, the magnet rotor 1 is configured with 6 poles and the armature core 200 is configured with 12 poles. Therefore, when the rotor magnetic pole sensors ha and hb are arranged as described above, both rotor magnetic pole sensors are arranged. The interval between them is 90 degrees in electrical angle.
[0053]
In the illustrated example, the rotor magnetic pole detection magnet 10 is provided, and the magnetic pole of the magnet is detected by the rotor magnetic pole sensors ha and hb, so that the polarity of the magnetic pole of the rotor 1 is indirectly detected. However, without providing the rotor magnetic pole detection magnet 10, the rotor magnetic pole sensors are arranged at the positions indicated by the symbols ha and hb in FIG. Of course, it may be detected.
[0054]
In the motor shown in FIG. 1, the waveforms of the magnetic pole detection signals HA and HB output from the rotor magnetic pole sensors ha and hb are as shown in FIGS. 5A and 5B, for example, and the rotor magnetic pole sensors ha and hb are shown in FIGS. Is a detection signal indicating a high level (hereinafter referred to as H level) when detecting the N pole of the magnet, and indicating a low level or zero level (hereinafter referred to as L level) when detecting the S pole. Output HA and HB.
[0055]
The lead wires derived from the rotor magnetic pole sensors ha and hb are covered with an insulating coating, led out to the outside as a wire harness 11, and connected to the controller 4 shown in FIG.
[0056]
The winding structure of the motor shown in FIG. 1 is the same as the winding development diagram shown in FIG. 2, and a series of coils are provided so that two adjacent coils always correspond to each magnetic pole of the rotor. ing.
[0057]
As shown in FIG. 2, a switch circuit 3 and a controller 4 for controlling the switch circuit 3 in accordance with the outputs of the rotor magnetic pole sensors ha and hb are provided in order to cause exciting currents to flow through the coils W1 to W12. .
[0058]
The illustrated switch circuit 3 includes first to fourth phase switch arms S1, S2, S3 and S4 corresponding to the first to fourth phase tap terminals of the stator, respectively, as a pair of DC power supply connection terminals 3a, It has the structure connected in parallel between 3b. In the illustrated example, an upper switch element qa and a lower switch element qb connected in series with each other, and an upper rectifier diode da and a lower rectifier diode db connected in reverse parallel to the switch elements qa and qb, respectively. Thus, each switch arm is constituted, and intermediate terminals u1 to u4 are derived from the connection points of the switch elements of the switch arms S1 to S4. The intermediate terminals u1 and u2 of the first and second phase switch arms S1 and S2 are respectively the first and second phase tap terminals (j1, j5, j9) and (j2, j6, j10) of the stator. The intermediate terminals of the third and fourth phase switch arms S3 and S4 are connected to the third and fourth phase tap terminals (j3, j7, j11) and (j4, j8) of the stator, respectively. , J12).
[0059]
In the illustrated example, the switch elements qa and qb constituting each switch arm are formed of MOSFETs, and the drains of the FETs constituting the upper switch elements qa of the switch arms S1 to S4 are commonly connected to the power supply connection terminal 3a. Has been. The drains of the FETs constituting the lower switch elements qb of the switch arms S1 to S4 are connected to the sources of the FETs constituting the upper switch elements of the switch arms of the respective phases, and the respective switch arms S1 to S4 are connected. The sources of the FETs constituting the lower switch element qb are connected in common, and are connected in common to the power supply connection terminal 3b through a shunt resistor Rs having a sufficiently small resistance value. The shunt resistor Rs is provided for detecting the total exciting current supplied to the stator coil, and the current detection signals obtained at both ends of the resistor Rs are overcurrent detection circuits described later (not shown in FIG. 2). Has been entered.
[0060]
Da and db are parasitic diodes existing between the drain and source of the MOSFET.
[0061]
A positive terminal and a negative terminal of the battery 5 are connected to the pair of power connection terminals 3a and 3b, respectively, and excitation current is supplied from the battery 5 to the coils W1 to W12 through the switch circuit 3.
[0062]
The controller 4 is provided with a microcomputer, and in accordance with detection signals HA and HB generated by the rotor magnetic pole sensors ha and hb, respectively, a control terminal (in the illustrated example) of the switch element qa in the upper stage of the switch arms S1 to S4. Driving signals A to D are given to the gates of the MOSFETs at a predetermined timing, respectively, and driving signals A 'to D' are given to the control terminals of the lower switch elements qb of the switch arms S1 to S4, respectively.
[0063]
Each switch element maintains an on state while a drive signal is applied to its control terminal, and maintains an off state while the drive signal is not applied.
[0064]
FIG. 2 schematically shows a portion of the control device that controls the excitation current that flows through the coil of the stator 2. FIG. 3 shows an example of a more detailed configuration of the control device.
[0065]
In the example shown in FIG. 3, the current obtained at both ends of the shunt resistor Rs inserted between the power supply connection terminal 3b on the negative side of the switch circuit 3 shown in FIG. 2 and the common connection point of the switch arms S1 to S4. A detection signal is input to the overcurrent detection circuit 15. The switch circuit 3 and the overcurrent detection circuit 15 constitute a driver 16.
[0066]
For example, as shown in FIG. 4, the overcurrent detection circuit 15 includes an amplifier circuit 15A comprising an operational amplifier OP1, fixed resistors R1, R2, a variable resistor VR1, and a capacitor C1, a fixed resistor R3, and a variable resistor. A reference voltage generating circuit 15B which is composed of a series circuit of VR2 and outputs a reference voltage Vf by dividing a constant voltage given from a power supply circuit which will be described later, and an output voltage and a reference voltage Vf of the amplifier circuit 15A are respectively connected to an inverting input terminal and Comparing circuit 15C composed of voltage comparator CP1 and feedback resistor R4 input to the non-inverting input terminal, and when the current detection signal obtained at both ends of shunt resistor Rs exceeds a set value, an amplifier circuit When the output voltage of 15A exceeds the reference voltage Vf, the potential of the output terminal of the comparator CP1 is changed from the high level state to the low level state. The decrease in the potential of the output terminal of the comparator CP1 is given to the controller 4 as an overcurrent detection signal.
[0067]
The controller 4 starts a time counting operation for counting clock pulses when the time to be measured is set, and the timer for generating an output signal when the set time is measured. 4D, the input / output port 4E for inputting / outputting signals to / from the CPU 4A, the power supply circuit 4F, and the start command switch SW which is closed when the motor is rotated are connected to the input terminal, and the start command switch SW is closed. And a start command detection circuit 4G for giving a start command signal to the CPU 4A when detecting the above.
[0068]
The CPU 4A receives the output of the overcurrent detection circuit 15 through the port 4E and the outputs of the rotor magnetic pole sensors ha and hb.
[0069]
The power supply circuit 4F receives the output voltage of the battery 5 as an input, the power supply voltage (5 [V]) necessary for operating the CPU 4A, and the power supply voltage (8 [V]) necessary for driving the driver 16 Is supplied to the CPU 4A and the driver 16 from the power supply circuit 4F.
[0070]
The CPU 4A executes a predetermined program stored in the ROM 4B, so that an excitation current is supplied to the stator coils in accordance with an excitation pattern to be described later, from the outputs of the rotor magnetic pole sensors ha and hb to each switch of the switch circuit 3. The timing for supplying the drive signal to the element is determined, and the switch circuit drive means for supplying the drive signals A to D and A ′ to D ′ to the switch element of the switch circuit 3 at the determined timing, or the excitation supplied to the stator coil When the current becomes excessive and the overcurrent detection circuit 15 generates an overcurrent detection signal, overcurrent protection means for stopping the output of the drive signal to the switch circuit 3 is realized.
[0071]
In the present embodiment, an excitation current is passed through the stator coil in an excitation pattern as shown in FIG. When the excitation pattern of FIG. 5 is followed, the controller 4 drives the magnet rotor 1 in one direction to rotate in one direction from the positive terminal of the battery 5 to the upper switch element qa of the switch arm of the two adjacent phases of the switch circuit 3. The excitation current is caused to flow simultaneously into the tap terminals of the two adjacent phases of the stator 2 through the excitation current flowing into the tap terminals of the phase located on the front side in the rotation direction of the rotor. After flowing through the coil of one phase, it returns to the negative terminal of the battery 5 through the lower switch element of the switch arm of the other phase, and is located on the rear side in the rotational direction of the tap terminals of the two adjacent phases. The excitation current flowing into the phase tap terminal flows through the coil of one phase on the rear side in the rotation direction, and then passes through the lower switch element of the switch arm of the other phase. The flow of the excitation current to be returned to the negative terminal of the battery is determined as a specified excitation pattern, and the specified excitation every time the output states of the first and second rotor magnetic pole sensors ha and hb change. The switch elements of the switch circuit are on / off controlled so that the coil through which the excitation current flows according to the pattern is sequentially shifted in the rotation direction of the magnet rotor.
[0072]
More specifically, in the example shown in FIG. 5, when the output signal HA of the rotor magnetic pole sensor ha changes from L level to H level, the controller 4 switches the upper switching element of the third phase switch arm S3. At the same time as the drive signal C applied to qa disappears, the drive signal A is applied to the upper switch element qa of the first phase switch arm S1, and the upper switch element qa of the fourth phase switch arm S4. And the upper switch element qa of the first phase switch arm S1 is electrically connected to the upper switch element qa of the fourth phase switch arm S4. Further, the drive signal applied to the lower switch element qb of the first switch arm S1 is extinguished, and at the same time, the drive signal C 'is applied to the lower switch element qb of the third phase switch arm S3. The drive signal B 'applied to the lower switch element qb of the phase switch arm S2 is left as it is, and the lower switch element qb of the second phase switch arm S2 and the lower switch of the third phase switch arm S3 The element qb is conducted.
[0073]
At this time, the fourth phase tap terminals (j12, j4, j8) and the first phase tap terminals are passed from the battery 5 through the upper switch elements of the fourth phase switch arm S4 and the first phase switch arm S1. Excitation current flows into (j1, j5, j9). At this time, the tap terminals (j12, j1), (j4, j5) and (j8, j9) of the adjacent phases into which the excitation current flows simultaneously are substantially the same potential, and the adjacent phases from which the excitation current flows out simultaneously. Since the tap terminals (j2, j3), (j6, j7) and (j10, j11) are also substantially at the same potential, almost no exciting current flows through the coils W12, W4, W8, W2, W6 and W10. Therefore, the excitation current flowing from the battery 5 to the fourth phase tap terminals j12, j4 and j8 through the upper switching element of the fourth phase switch arm S4 is one phase located on the rear side in the rotational direction. After flowing through the coils W11, W3 and W7, it returns to the negative terminal of the battery through the lower switch element qb of the second phase switch arm S2. Also, the excitation current flowing from the battery into the first phase tap terminals j1, j5 and j9 through the upper switch element of the first phase switch arm S1 is a one-phase coil located on the front side in the rotational direction. After flowing through the groups W1, W5 and W9, the flow returns to the negative terminal of the battery through the lower switch element qb of the third phase switch arm S3.
[0074]
Next, when the output signal HB of the rotor magnetic pole sensor hb changes from the L level to the H level, the controller 4 extinguishes the drive signal D applied to the upper switching element qa of the fourth phase switch arm S4. At the same time, the drive signal B is given to the upper switch element qa of the second phase switch arm S2, and the drive signal A already given to the upper switch element qa of the first phase switch arm S1 is left as it is. The upper switch element qa of the first phase switch arm S1 and the upper switch element qa of the second phase switch arm S2 are made conductive. The controller also extinguishes the drive signal B 'applied to the lower switch element qb of the second switch arm S2, and simultaneously applies the drive signal D' to the lower switch element qb of the fourth phase switch arm S4. The drive signal C 'already supplied to the lower switch element qb of the third phase switch arm S3 is left as it is, and the lower switch element qb and the fourth phase switch arm of the third phase switch arm S3 are left as they are. The switch element qb in the lower stage of S4 is brought into conduction.
[0075]
At this time, the first phase tap terminals (j1, j5, j9) and the second phase tap terminals are passed from the battery 5 through the upper switch elements of the first phase switch arm S1 and the second phase switch arm S2. Excitation current flows into (j2, j6, j10). At this time, the adjacent tap terminals (j1, j2), (j5, j6) and (j9, j10) into which the exciting current flows simultaneously have substantially the same potential, and the adjacent tap terminals (j3 with which the exciting current flows out simultaneously. , J4), (j7, j8) and (j11, j12) are also substantially at the same potential, so that no exciting current flows through the coils W1, W5, W9, W3, W7 and W12). Therefore, the excitation current flowing into the tap terminals j1, j5 and j9 of the first phase flows through the coils W12, W4 and W8 of one phase located on the rear side in the rotation direction and then the switch of the third phase. The battery returns to the negative terminal of the battery through the lower switch element qb of the arm S3. Further, the excitation currents flowing from the battery 5 into the second phase tap terminals j2, j6 and j10 through the upper switching element of the second phase switch arm S2 are respectively transmitted to one phase located on the front side in the rotational direction. After flowing through the coils W2, W6 and W10, it returns to the negative terminal of the battery through the lower switch element qb of the fourth phase switch arm S4.
Next, when the magnetic pole detection signal HA output from the rotor magnetic pole sensor ha changes from the H level to the L level, the controller 4 supplies the drive signal supplied to the upper switching element qa of the first phase switch arm S1. At the same time as A disappears, the drive signal C is given to the upper switch element qa of the third phase switch arm S3, and the drive signal B already given to the upper switch element qa of the second phase switch arm S2 is As it is, the upper switch element qa of the second phase switch arm S2 and the upper switch element qa of the third phase switch arm S3 are made conductive. The controller also extinguishes the drive signal C 'applied to the lower switch element qb of the third switch arm S3, and simultaneously applies the drive signal A' to the lower switch element qb of the first phase switch arm S1. The drive signal D 'already applied to the lower switch element qb of the fourth phase switch arm S4 is left as it is, and the lower switch element qb of the first phase switch arm S1 and the fourth phase switch arm S1 are left as they are. The switch element qb in the lower stage of S4 is brought into conduction.
[0076]
At this time, the second phase tap terminals (j2, j6, j10) and the third phase tap terminals from the battery 5 through the upper switch elements of the second phase switch arm S2 and the third phase switch arm S3. Excitation current flows into (j3, j7, j11). At this time, the tap terminals (j2, j3), (j6, j7) and (j10, j11) into which the excitation current flows simultaneously have substantially the same potential, and at the same time the tap terminals (j4 in adjacent phases from which the excitation current flows out. , J5), (j8, j9) and (j12, j1) are also at substantially the same potential, so that the exciting currents are present in the coils W2, W6, W10, W4, W8 and W12 having both ends connected to these tap terminals. Almost no flow. Therefore, the excitation currents flowing into the second phase tap terminals j2, j6 and j10 flow through one phase coils W1, W5 and W9 located on the rear side in the rotational direction, and then the fourth phase switch arm. Return to the negative terminal of the battery through the lower switch element qb of S4.
[0077]
Further, the excitation currents flowing from the battery 5 to the third phase tap terminals j3, j7 and j11 through the upper switching elements of the third phase switch arm S3 are respectively one phase located in the front side in the rotational direction. After flowing through the coils W3, W7 and W11, the flow returns to the negative terminal of the battery through the lower switch element qb of the first-phase switch arm S1.
[0078]
Next, when the output signal HB of the rotor magnetic pole sensor hb changes from the H level to the L level, the controller 4 extinguishes the drive signal B applied to the upper switching element qa of the second phase switch arm S2. At the same time, the drive signal D is given to the upper switch element qa of the fourth phase switch arm S4, and the drive signal C already given to the upper switch element qa of the third phase switch arm S3 is left as it is. The upper switch element qa of the third phase switch arm S3 and the upper switch element qa of the fourth phase switch arm S4 are brought into conduction. Further, the drive signal D 'applied to the lower switch element qb of the fourth phase switch arm S4 is extinguished, and at the same time, the drive signal B' is applied to the lower switch element qb of the second phase switch arm S2, The drive signal A 'already applied to the lower switch element qb of the first phase switch arm S1 is left as it is, and the lower switch element qb of the first phase switch arm S1 and the second phase switch arm S2 are left unchanged. The lower switch element qb is conducted.
[0079]
At this time, the third phase tap terminals (j3, j7, j11) and the fourth phase tap terminals from the battery 5 through the upper switch elements of the third phase switch arm S3 and the fourth phase switch arm S4. Excitation current flows into (j4, j8, j12). At this time, the tap terminals (j3, j4), (j7, j8) and (j11, j12) into which the exciting current flows simultaneously have substantially the same potential, and the tap terminals (j5, j6), ( Since j9, j10) and (j1, j2) are also substantially at the same potential, no exciting current flows through the coils W3, W7, W11, W5, W9 and W1 having both ends connected to these tap terminals. Therefore, the excitation currents flowing into the third phase tap terminals j3, j7 and j11 flow through the one-phase coils W2, W6 and W10 located on the rear side in the rotational direction and then the first-phase switch arm. It returns to the negative terminal of the battery through the lower switch element qb of S1. The exciting currents flowing from the battery 5 to the fourth phase tap terminals j4, j8 and j12 through the upper switching element of the fourth phase switch arm S4 are respectively supplied to one coil W4, After flowing through W8 and W12, the flow returns to the negative terminal of the battery through the lower switch element qb of the second phase switch arm S2.
[0080]
As described above, according to the excitation pattern of FIG. 5, the excitation current flows through the coil of each phase by 180 degrees in electrical angle, and the period in which the excitation current flows through the coil of the adjacent phase of 90 degrees overlaps. The output torque characteristic is as shown by a solid line in FIG. 6D, and an output torque characteristic with almost no valleys can be obtained. Therefore, when the load is large, it is possible to eliminate the possibility of failure in starting the electric motor, and it is possible to improve the practicality of the brushless DC electric motor that performs four-phase driving.
[0081]
As described above, when an excitation current is flowed in the excitation pattern shown in FIG. 5, a coil in which the excitation current does not flow is generated, so that the maximum value of the output torque is unavoidably reduced.
[0082]
On the other hand, as shown in FIG. 7, the first and second rotor magnetic pole sensors ha and hb are arranged at positions corresponding to the centers between the teeth of the armature core, and the pattern shown in FIG. When an exciting current is passed, characteristics with a large maximum output torque can be obtained.
As shown in FIG. 7, when the first and second rotor magnetic pole sensors ha and hb are arranged and the motor is driven with the excitation pattern shown in FIG. Two adjacent coils adjacent to each other on the front side in the rotational direction of the rotor 1 are magnetized currents flowing into the tap terminals of any one phase of the stator through the upper switch element of any one phase switch arm. After dividing the current to two adjacent coils on the rear side in the rotation direction, the flow of the excitation current that returns to the negative terminal of the battery through the lower switch element of the switch arm of the other phase is defined as a specified excitation pattern. The level of the output of each of the first and second rotor magnetic pole sensors ha and hb changes (change from L level to H level or change from H level to L level). Off controls the provision of the switch element of the switch circuit 3 as will be shifted in the rotational direction of the excitation sequence magnet rotor coils passing an excitation current according to the pattern 1 for each that.
[0083]
8A and 8B show magnetic pole detection signals HA and HB output from the rotor magnetic pole sensors ha and hb, respectively. FIGS. 8C and 8F show the first to fourth phases of the switch circuit 3, respectively. The drive signals given to the upper switch elements qa of the switch arms S1 to S4 are shown. FIGS. 8G to 8J show drive signals applied to the lower switch elements qb of the first to fourth phase switch arms S1 to S4 of the switch circuit 3, respectively.
[0084]
In the example shown in FIG. 8, the timing at which the detection signal HA changes from L level to H level, the timing at which HB changes from L level to H level, the timing at which HA changes from H level to L level, and HB The timing at which the level changes from the H level to the L level sequentially appears at 90 degree (electrical angle) intervals. The controller 4 switches the tap terminal through which the excitation current flows every time these timings are detected.
[0085]
That is, when the detection signal HA changes from the L level to the H level, the controller 4 extinguishes the drive signal D of the upper switch element qa of the fourth phase switch arm S4 and switches the first phase switch arm S1. The drive signal A is given to the upper stage switch element qa, and the lower stage switch element S3 of the third phase switch arm S3 is extinguished by extinguishing the drive signal B 'of the lower stage switch element qb of the second phase switch arm S2. A drive signal C 'is given to qb.
[0086]
At this time, the exciting current flows from the positive terminal of the battery 5 to the first phase tap terminals j1, j5 and j9 through the upper switching element qa of the first phase switch arm S1. This exciting current is divided into two adjacent coil groups (W1, W2), (W4, W6) and (W9, W10) adjacent on the front side in the rotational direction of the rotor and two adjacent coil groups on the rear side in the rotational direction. After diverting to the adjacent coil groups (W12, W11), (W3, W2) and (W8, W7), they return to the negative terminal of the battery 5 through the lower switch element qb of the third phase switch arm S3.
[0087]
When the detection signal HB changes from the L level to the H level, the controller 4 extinguishes the drive signal A of the upper switch element qa of the first phase switch arm S1 and the second phase switch arm S2. The drive signal B is given to the upper switch element qa and the drive signal C 'of the lower switch element qb of the third phase switch arm S3 is extinguished to lower the switch element of the fourth phase switch arm S4. A drive signal D 'is given to qb.
[0088]
At this time, exciting current flows from the positive terminal of the battery 5 to the second phase tap terminals j2, j6 and j10 through the upper switching element qa of the second phase switch arm S2. This exciting current is generated by two adjacent coil groups (W2, W3), (W6, W7) and (W10, W11) adjacent on the front side in the rotation direction of the rotor and two adjacent coil groups on the rear side in the rotation direction. After the current is shunted to the adjacent coil groups (W1, W12), (W5, W4) and (W9, W8), it returns to the negative terminal of the battery 5 through the lower switch element qb of the fourth-phase switch arm S4.
[0089]
The controller also extinguishes the drive signal B of the upper switch element qa of the second phase switch arm S2 when the detection signal HA changes from the H level to the L level, thereby causing the upper phase of the third phase switch arm S3 to disappear. The drive signal C is applied to the switch element qa of the fourth phase, and the drive signal D 'of the switch element qb of the lower stage of the fourth phase switch arm S4 is extinguished, so that A drive signal A ′ is given.
[0090]
At this time, the exciting current flows from the positive terminal of the battery 5 to the third phase tap terminals j3, j7 and j11 through the upper switching element qa of the third phase switch arm S3. This exciting current is generated by two adjacent coil groups (W3, W4), (W7, W8) and (W11, W12) adjacent on the front side in the rotation direction of the rotor and two adjacent coil groups on the rear side in the rotation direction. After diverting to the adjacent coil groups (W2, W1), (W6, W5) and (W10, W9), they return to the negative terminal of the battery 5 through the lower switch element qb of the first-phase switch arm S1.
[0091]
When the detection signal HB changes from the H level to the L level, the controller 4 extinguishes the drive signal C of the upper switch element qa of the third phase switch arm S3 and causes the fourth phase switch arm S4 to The drive signal D is given to the upper switch element qa, and the drive signal A 'of the lower switch element qb of the first phase switch arm S1 is extinguished to lower the lower switch element qb of the second phase switch arm S2. Is supplied with a drive signal B ′.
[0092]
At this time, the excitation current flows from the positive terminal of the battery 5 to the fourth phase tap terminals j4, j8 and j12 through the upper switching element qa of the fourth phase switch arm S4. This exciting current is divided into two adjacent coil groups (W4, W5), (W8, W9) and (W12, W1) adjacent on the front side in the rotational direction of the rotor and two adjacent coil groups on the rear side in the rotational direction. After diverting to the adjacent coil groups (W3, W2), (W7, W6) and (W11, W10), it returns to the negative terminal of the battery 5 through the lower switch element qb of the second-phase switch arm S2.
[0093]
As described above, each time the output level of the rotor magnetic pole sensors ha and hb changes, the coil group through which the excitation current flows is in one direction of the rotor [in this example, the direction of the arrow CL in FIG. 1B]. Since the shift is sequentially performed, a rotating magnetic field is generated, and the magnet rotor 1 is rotated in one direction.
[0094]
9A and 9B show the output signals HA and HB of the rotor magnetic pole sensors ha and hb as in FIGS. 6A and 6B, and are shown by solid lines in FIG. 9C. .Tau.1 and .tau.2 indicated by a broken line indicate torques generated by exciting currents flowing through the coils in one direction and the other direction, respectively. In this case, the relationship between the output torque of the motor and the rotation angle θ is as shown by the bold line in FIG.
[0095]
As described above, when driving an electric motor having a four-phase coil in four phases, the peak value of torque is maximized by arranging the rotor magnetic pole sensor at the center position of the gap between adjacent teeth of the armature core. can do. However, in this case, as shown in FIG. 9D, the valley generated in the torque characteristics becomes relatively deep, and therefore the starting torque of the motor may not be sufficiently obtained depending on the stop position of the rotor. May fail to start.
[0096]
As described above, when the excitation pattern of FIG. 5 is used, unevenness of the starting torque due to the stop position of the rotor can be reduced, and when the excitation pattern of FIG. 8 is used, the maximum output torque is increased. can do. Therefore, when it is desirable to increase the average value of the output torque, such as when driving a particularly large load, the period from when the motor starts until the rotational speed reaches the set value is shown in FIG. Driving with an excitation pattern (hereinafter referred to as a first excitation pattern) reduces torque unevenness with respect to the rotational angle position of the rotor, and when the rotational speed exceeds the set value, the excitation pattern shown in FIG. It is desirable to switch to (hereinafter referred to as the second excitation pattern) to increase the average value of the output torque of the motor.
[0097]
That is, the excitation current is supplied with the first excitation pattern until the rotation speed of the electric motor reaches the set value from zero, and the excitation current is supplied with the second excitation pattern after the rotation speed exceeds the set value. It is preferable to do this. In this case, since the position of the rotor magnetic pole sensor is different between the case of the first excitation pattern and the case of the second excitation pattern, the switching of excitation by the first excitation pattern and the second excitation pattern In the case where the switching of the excitation is performed using the output of the rotor magnetic pole sensor, both the rotor magnetic pole sensor for the first excitation pattern and the rotor magnetic pole sensor for the second excitation pattern are provided. There is a need.
[0098]
FIG. 10 shows an example in which both the rotor magnetic pole sensor for the first excitation pattern and the rotor magnetic pole sensor for the second excitation pattern are provided in the electric motor shown in FIG. The rotor magnetic pole sensors ha and hb are arranged at a position corresponding to the circumferential center of the gap between the tooth portions P2 and P3 of the armature core and a position corresponding to the circumferential center of the tooth portion P3, respectively. The rotor magnetic pole sensors hc and hd are disposed at a position corresponding to the circumferential center of the gap between the tooth portions P3 and P4 and a position corresponding to the circumferential center of the tooth portion P4, respectively. FIG. 11 is a development view showing the relationship among the teeth of the armature core of the motor of FIG. 10, the magnetic poles of the rotor, and the rotor magnetic pole sensors ha 1 to hd.
[0099]
When the rotor magnetic pole sensors ha to hd are arranged as shown in FIGS. 10 and 11, ha and hc are used as sensors for the second excitation pattern, and hb and hd are used for the first excitation pattern. Used as a sensor.
[0100]
The excitation phase is switched with the first excitation pattern until the motor rotation speed [rpm] reaches the set value. After the rotation speed exceeds the set value, the excitation phase is switched with the second excitation pattern. A time chart showing the operation in this case with respect to time t is shown in FIG. 12A to 12D show the output signals HA to HD of the rotor magnetic pole sensors ha to hd, respectively, with respect to time t. FIGS. 12E to 12H show the first phase to the fourth phase, respectively. The drive signals A to D given to the upper switch elements qa of the switch arms S1 to S4 of the same phase are shown. FIGS. 12I to 12L show drive signals A 'to D' applied to the lower switch elements qb of the first to fourth phase switch arms S1 to S4, respectively.
[0101]
In this example, the excitation phase is switched by the first excitation pattern every time the output signals HB and HD of the rotor magnetic pole sensors hb and hd change until the time t1 when the rotation speed of the motor reaches the set value. During a period after time t1 when the rotational speed exceeds the set value, the excitation phase is switched by the second excitation pattern every time the output signals HA and HC of the rotor magnetic pole sensors ha and hc change.
[0102]
If comprised in this way, when starting an electric motor, even if a rotor has stopped to which position, a big starting torque can be generated, Therefore An electric motor can be started reliably. In addition, once the motor starts to move, the motor is driven with an excitation pattern that increases the maximum torque, so that the average output torque during steady operation of the motor can be increased.
[0103]
As described above, when the excitation pattern is switched when the rotational speed of the electric motor reaches the set value, the rotational speed of the electric motor is determined, for example, from the generation interval (time) of the output signals of the rotor magnetic pole sensors ha to hd. It can be obtained by calculation.
[0104]
In the example shown in FIG. 12, the four rotor magnetic pole sensors ha to hd are used to switch the excitation phase by the first excitation pattern and the excitation phase by the second excitation pattern. Only the rotor magnetic pole sensor for the first excitation pattern is provided, and the excitation phase switching timing of the second excitation pattern is set using the output of the timer 4D activated at the rise and fall of the detection signal obtained from the sensor. It can also be determined.
[0105]
FIG. 13 is a time chart showing the operation when the excitation phase switching timing of the second excitation pattern is determined by the timer 4D provided in the controller 4. FIGS. 13A and 7B are as shown in FIG. The output signals HA and HB of the rotor magnetic pole sensors ha and hb for the second excitation pattern arranged are shown. FIG. 5C is activated and set at the rise and fall of the output signals HA and HB. It is a diagram which shows the time measuring operation | movement of the timer 4D which measures the last time. FIGS. 13D to 13G respectively show drive signals A to D applied to the upper switch elements of the first to fourth phase switch arms, and FIGS. 12H to 12K respectively show the first signals. Drive signals A ′ to D ′ to be given to the lower switch elements of the fourth-phase switch arms are shown.
[0106]
In the example shown in FIG. 13, the controller 4 controls the switch circuit 3 as follows. When the controller 4 detects that the motor start command is given, the controller 4 first determines the excitation phase according to the first excitation pattern each time the level of the magnetic pole detection signals HA and HB output from the rotor magnetic pole sensors ha and hb changes. To start the motor.
[0107]
In the electric motor according to the present invention, the rotation angle of the crankshaft from when one level of the magnetic pole detection signals HA and HB changes until the other level changes is constant (90 electrical degrees and 15 mechanical angles). Therefore, the rotation speed of the motor can be calculated from the time from when one level of the signals HA and HB changes until the other level changes.
[0108]
In the example shown in FIG. 13, the rotational speed of the motor is calculated by measuring the time from the rise of the magnetic pole detection signal HB to the fall of the magnetic pole detection signal HA, and from the rise a shown in the figure of the magnetic pole detection signal HB. It is detected that the rotational speed of the motor has reached the set value from the time until the fall b of the magnetic pole detection signal HA.
[0109]
When it is determined that the rotational speed of the motor has reached the set value, the controller 4 determines the time To from the fall of the magnetic pole detection signal HA or HB that occurs immediately after that to the rise of the magnetic pole detection signal HB or HA that occurs next. And t1 = To / 2 is set as the time to be measured in the timer 4D.
[0110]
In the example shown in FIG. 13, the time from the fall c of the magnetic pole detection signal HB to the rise d of the magnetic pole detection signal HA after it is determined that the rotational speed has reached the set value at the fall b of the magnetic pole detection signal HA. To is measured and a time t1 ½ of this To is set in the timer 4D. When the time t1 when the timer 4D is set is measured, the program executed by the CPU 4A is interrupted, the drive signal D and the drive signal B 'are extinguished, and only the drive signals A and C' are generated. To switch to the second excitation pattern.
[0111]
Thereafter, when the rising edge e of the magnetic pole detection signal HB is detected, a time t2 which is ½ of the time T1 from the rising edge d of the magnetic pole detection signal HA to the rising edge e of the magnetic pole detection signal HB is set in the timer 4D. Start measuring t2. Next, when the time t2 (= T1 / 2) when the timer 4D is set is measured, the drive signals A and C 'are extinguished and the drive signals B and D' are generated. Similarly, every time the level of the magnetic pole detection signal HA or HB changes, from the time when the level change of the previous magnetic pole detection signal is detected to the time when the level change of the current magnetic pole detection signal is detected. Times T2, T3,... Are measured, times t3, t4,... ½ of these times are set in timer 4D, and the excitation phase is switched every time the timer is set.
[0112]
In FIG. 13, the rotation angle from the change of the level of one magnetic pole detection signal to the change of the level of the other magnetic pole detection signal is only 15 degrees, and the level change of the previous magnetic pole detection signal is detected. The average rotational speed from the time when the current magnetic pole detection signal level change was detected to the time when the current magnetic pole detection signal level change was detected, and the next magnetic pole detection signal level change from the time when the current magnetic pole detection signal level change was detected. Since the difference between the average rotational speed until the detected time is small (for example, the difference between T1 and T2), the level change of the previous magnetic pole detection signal is detected as described above. Even if the excitation phase switching timing in the second excitation pattern is obtained by measuring 1/2 of the time T2, T3,... From the time when the level change of the current magnetic pole detection signal is detected to the time when the current magnetic pole detection signal is detected. Second excitation pattern Large error does not occur so much in comparison with the case of determining the switching timing of the exciting phase using a rotor magnetic pole sensor.
[0113]
In the above example, every time the level of the magnetic pole detection signal HA or HB changes, from the time when the level change of the previous magnetic pole detection signal is detected to the time when the level change of the current magnetic pole detection signal is detected. The excitation phase switching timing is obtained by causing the timer to measure half of the time. The signal width of one magnetic pole detection signal, for example, 1 / th of the time from point b to point d in FIG. The excitation phase switching timing may be obtained by causing the timer to measure time 4.
[0114]
The rotor magnetic pole sensors ha and hb are arranged at suitable positions as the positions for the second excitation pattern, and the rise of the output of the rotor magnetic pole sensor and the time until the rotational speed of the motor reaches the set value. It may be possible to obtain the excitation phase switching timing in the first excitation pattern by causing the timer to perform a timing operation at the falling edge, but the rotational speed immediately after the start of the motor is unstable. It is not preferable to determine the excitation phase switching timing at low speed immediately after the start by the timer operation. Therefore, as described above, the rotor magnetic pole sensors ha and hb are arranged at positions suitable as detection positions for the first excitation pattern, and until the rotational speed of the motor reaches the set value, the rotor magnetic poles The timing at which the outputs of the sensors ha and hb indicate a level change is preferably used as the excitation phase switching timing.
[0115]
In the above example, after the motor starts, the excitation phase is switched by the first excitation pattern until the rotation speed reaches the set value, and after the rotation speed exceeds the set value, the excitation phase is switched by the second excitation pattern. However, the output torque characteristic shown in FIG. 14B can be obtained by synthesizing the output torque characteristic shown in FIG. 6D and the output torque characteristic shown in FIG. 9D. If possible, it is possible to obtain a characteristic that does not cause a large drop in torque over the entire rotation speed region.
[0116]
In FIG. 14B, τa is the characteristic of FIG. 6D obtained when excited by the first excitation pattern, and τb is obtained when excited by the second excitation pattern. It is a characteristic.
[0117]
In order to obtain the output characteristics as shown in FIG. 14B, the excitation pattern may be switched at the intersection of τa and τb. That is, the excitation pattern is switched from the second excitation pattern to the first excitation pattern at the positions of θ1 ′, θ3 ′, θ5 ′ and θ7 ′ in FIG. 14B, and θ2 ′, θ4 ′, θ6 ′ and θ8. The excitation pattern may be switched from the first excitation pattern to the second excitation pattern at the position '. However, when switching the excitation pattern in this way, a portion where the interval between the switching positions of the excitation pattern is narrow (for example, between θ1 ′ and θ2 ′ in FIG. 14B) is generated, and between adjacent rotor magnetic pole sensors. The distance between the two becomes narrow and it becomes difficult to dispose the sensor. In order to facilitate the arrangement of the rotor magnetic pole sensors, four rotor magnetic pole sensors are arranged at equiangular intervals, and the excitation pattern is at a position close to the positions of θ1 ′ to θ8 ′ in FIG. It is preferable to perform switching.
[0118]
For this purpose, for example, as shown in FIG. 14A, the four rotor magnetic pole sensors ha to hd are preferably arranged at an electrical angle of 45 degrees. In this example, the center of the gap between the center of a specific tooth portion (tooth portion P2 in the illustrated example) and the other tooth portion P3 adjacent to the specific tooth portion P2 on the front side in the rotational direction of the rotor. The first rotor magnetic pole sensor ha is arranged so as to detect the magnetic pole of the rotor at a first detection position corresponding to the center between the first rotor magnetic pole sensor ha and the rotor from the arrangement position of the first rotor magnetic pole sensor ha. The second to fourth rotor magnetic poles are detected so that the rotor magnetic poles are detected at the second to fourth detection position positions which are sequentially spaced by 45 degrees (180/4 degrees) in electrical angle in the rotation direction. Sensors hb to hd are arranged.
[0119]
In this case, assuming that the magnetic pole detection signals output from the rotor magnetic pole sensors ha to hd are HA to HB, the controller 4 sends the drive signals A to D to the switch circuit in a pattern as shown in FIGS. And A ′ to D ′.
[0120]
That is, the controller 4 causes the exciting current to flow simultaneously from the positive terminal of the DC power source to the adjacent two phase tap terminals of the stator through the upper switch elements of the two adjacent switch arms of the switch circuit 3. After passing the excitation current flowing into the tap terminal of the phase located on the front side in the rotation direction of the rotor through the coil of one phase located on the front side in the rotation direction among the tap terminals of the two adjacent phases. It returns to the negative terminal of the DC power supply through the lower switch element of the switch arm of the other phase of the switch circuit, and flows into the tap terminal of the phase located on the rear side in the rotation direction of the two adjacent phase tap terminals. After passing the exciting current through the coil of one phase located on the rear side in the rotation direction, the switch element on the lower stage of the switch arm of the other phase of the switch circuit is passed through. The excitation current flowing back to the negative terminal of the DC power supply is determined as a first excitation pattern, and any one of the stators is passed from the positive terminal of the DC power supply to the switch element of the switch arm of any one phase of the switch circuit. After the excitation current flowing into the tap terminal of one phase is divided into two adjacent coils adjacent on the front side in the rotation direction of the rotor 1 and two adjacent coils adjacent on the rear side in the rotation direction, When the excitation current to be returned to the negative terminal of the DC power supply through the lower switch element of the other one phase switch arm is defined as the second excitation pattern, the magnet rotor is rotated in one direction. When the output state of the first rotor magnetic pole sensor changes and when the output state of the third rotor magnetic pole sensor changes, an excitation current is supplied in the first excitation pattern. When the output state of the second rotor magnetic pole sensor is changed and when the output state of the fourth rotor magnetic pole sensor is changed, an excitation current is caused to flow in the second excitation pattern so that the first excitation Each time the output state of each of the first to fourth rotor magnetic pole sensors changes, the state in which the excitation current flows in the pattern and the state in which the excitation current flows in the second excitation pattern alternately occur. The switch elements of the switch circuit 3 are controlled to be turned on and off so that the coils that pass through are sequentially shifted in the rotation direction of the magnet rotor.
[0121]
The torque characteristics obtained in this case are as shown in FIG. 15 (M), where the torque drops when the excitation phase is switched by the second excitation pattern, and the torque is switched by switching the excitation phase by the first excitation pattern. Therefore, a characteristic in which a deep valley of torque does not occur is obtained. In addition, the average value of the output torque can be increased as compared with the case where the excitation phase is always switched by the first excitation pattern.
[0122]
In the present invention, when excitation is performed using the second excitation pattern, at each moment, for example, as shown in FIG. 16, the upper switch element of one of the switch arms of the switch circuit and the other one phase Excitation current Ie flows through the lower switch element of the switch arm.
[0123]
On the other hand, when excitation is performed using the first excitation pattern, as shown in FIG. 17, excitation is simultaneously performed through the upper switch elements of the two switch arms and the lower switch elements of the other two switch arms. Current flows. For this reason, when excitation is performed using the first excitation pattern, an excitation current twice as large as that when excitation is performed using the second excitation pattern flows.
[0124]
Therefore, as shown in FIG. 3, when the overcurrent detection circuit 15 is provided and the controller 4 constitutes the overcurrent protection means, the current limit value when the excitation is performed by the first excitation pattern. Must be set to twice the current limit value when excitation is performed by the second excitation pattern.
[0125]
If the excitation pattern to be excited is determined from the beginning, it is sufficient to determine the overcurrent limit value according to the excitation pattern, but the excitation pattern is changed from the second excitation pattern to the first excitation pattern. In the case of switching or alternately performing excitation by the first excitation pattern and excitation by the second excitation pattern, it is necessary to change the overcurrent limit value according to the excitation pattern.
[0126]
When the overcurrent detection circuit 15 as shown in FIG. 4 is used, the controller 4 adjusts the resistance value of the variable resistor VR1 in accordance with the excitation pattern and switches the gain of the amplifier circuit, thereby changing the overcurrent limit value. Can be switched. That is, when excitation is performed using the second excitation pattern, the overcurrent limit value is set to the first excitation pattern by setting the gain of the amplifier circuit 15A to ½ of the gain when performing excitation using the first excitation pattern. Thus, it is possible to double the limit value for excitation.
[0127]
The overcurrent limit value can also be switched by adjusting the resistance value of the variable resistor VR2 according to the excitation pattern by the controller 4 and switching the value of the reference voltage Vf. That is, when the excitation is performed with the second excitation pattern, the value of the reference voltage Vf when the excitation is performed with the second excitation pattern is set to twice the value when the excitation is performed with the first excitation pattern. The overcurrent limit value can be doubled as the limit value when excitation is performed by the first excitation pattern.
[0128]
In the above example, the rotor of the motor is configured with 6 poles and the stator is configured with 12 poles. However, in general, when the rotor is m poles (m is an even number) and the stator is 2 m poles, It can be operated as an electric motor by performing phase driving.
[0129]
For example, as shown in FIG. 18, the present invention can also be applied to a case where the rotor has 8 poles and the stator has 16 poles. In this case, the armature core has 16 teeth P1 to P16, and the coils W1 to W16 of the stator are overlapped over the two teeth of the armature core, and the coils W1 to W16 Tap terminals j1 to j12 are drawn out from the connection points between the terminal portion on the winding start side and the terminal portion on the winding end side of the coil adjacent to each coil on the rear side in the rotation direction of the rotor. Of the tap terminals j1 to j16, j1, j5, j9 and j13 constitute a first phase tap terminal, and j2, j6, j10 and j14 constitute a second phase tap terminal. J3, j7, j11 and j15 constitute a third phase tap terminal, and j4, j8, j12 and j16 constitute a fourth phase tap terminal. The first-phase switch arm S1 to the fourth-phase switch arm S4 are provided for the ½ tap terminals j1 to j8, and the intermediate terminals of the switch arms for each phase are two in each phase. Commonly connected to the tap terminal. Further, the first phase switch arm S5 to the fourth phase switch arm S8 are provided for the tap terminals j9 to j16, and the intermediate terminals of the switch arms of the respective phases are commonly connected to the tap terminals of the two phases. Has been.
[0130]
The rotor magnetic pole sensors ha and hb rotate at positions corresponding to the center of the gap between the teeth P5 and P6 of the armature core and positions corresponding to the center of the gap between the teeth P6 and P7, respectively. It is provided to detect the magnetic pole of the child.
[0131]
When the motor shown in FIG. 18 is driven in four phases, the magnetic pole detection signals output from the rotor magnetic pole sensor are HA and HB, and the drive signals given to the upper switch elements qa of the switch arms S1 to S8 are A to H, respectively. If the drive signals applied to the lower switch elements qb of the switch arms S1 to S8 are A 'to H', respectively, the second excitation pattern is as shown in FIG.
[0132]
Also in the electric motor shown in FIG. 18, the rotor magnetic pole sensors ha and hb are arranged at a position corresponding to the center of the tooth portion of the armature core, and driven by the first excitation pattern, thereby causing uneven output torque. Less characteristics can be obtained.
[0133]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the coils of the first to fourth phases are provided on the stator side, and the two rotor magnetic pole sensors are positioned corresponding to substantially the centers of the different tooth portions of the armature core. In addition, the stator is excited with an excitation pattern that is arranged with a phase difference of 90 degrees in terms of electrical angle and causes excitation current to flow into the tap terminals of two adjacent phases drawn from the stator coil at the same time. As a result, unevenness in output torque due to the rotational angle position of the rotor can be reduced, and a sufficient starting torque can be obtained regardless of the initial rotational angle position of the rotor. Therefore, the possibility of failure in starting the electric motor can be eliminated, and the practicality of the brushless DC electric motor that performs four-phase driving can be enhanced.
[0134]
Further, in the present invention, when the rotation speed of the rotor is lower than the set value, the stator is excited with the first excitation pattern in which the excitation current flows simultaneously into the two tap terminals of the stator, and the rotation speed exceeds the set value. Sometimes, when switching to the second excitation pattern in which the excitation current flows into one tap terminal of the stator, the unevenness of the output torque is reduced at the start of the motor to ensure the start, and after the start Increases the average value of the output torque so that a large maximum output torque can be obtained, thereby improving the output of the electric motor.
[0135]
Furthermore, in the present invention, excitation by the first excitation pattern that causes the excitation current to simultaneously flow into the tap terminals of two adjacent phases of the stator, and the excitation current flows only to the tap terminal of one phase drawn from the stator coil. When the excitation with the second excitation pattern to be performed is performed alternately, the unevenness of the output torque is reduced in the entire rotation speed region, and the maximum value of the maximum output torque is increased to increase the average output torque. Can be planned.
[Brief description of the drawings]
1A is a cross-sectional view showing an example of an embodiment of an electric motor according to the present invention, and FIG. 1B is a front view of the electric motor of FIG.
2 is a configuration diagram showing a coil winding structure provided on the stator side of the electric motor of FIG. 1 and a configuration example of a circuit for supplying an exciting current to the coil. FIG.
FIG. 3 is a configuration diagram showing a configuration example of a control device for controlling an electric motor according to the present invention.
4 is a circuit diagram showing a configuration example of an overcurrent detection circuit used in the control device of FIG. 3;
FIG. 5 is a diagram showing signal waveforms at various parts when the first excitation pattern is adopted as the excitation pattern of the electric motor of FIG. 1;
6 is a diagram showing torque characteristics obtained when the stator coil is excited with the excitation pattern shown in FIG. 5 together with the waveform of the magnetic pole detection signal. FIG.
FIG. 7 is a front view showing a configuration example of an electric motor according to another embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing signal waveforms at various parts when the stator coil is excited by a second excitation pattern in the embodiment of FIG. 7;
9 is a diagram showing an example of output torque characteristics obtained when a coil is excited by the excitation pattern of FIG. 7 together with the waveform of a magnetic pole detection signal.
FIG. 10 is a front view showing a configuration of an electric motor according to still another embodiment of the present invention.
11 is an explanatory diagram showing the arrangement of rotor magnetic pole sensors in the electric motor of FIG.
12 is a timing chart showing signals at various parts of the electric motor shown in FIG. 10;
13 is a timing chart showing an operation when switching of excitation of the electric motor of FIG. 10 is performed using a timer.
FIG. 14A is an explanatory view showing the arrangement of a rotor magnetic pole sensor in another embodiment of the present invention, and FIG. 14B is a diagram showing output characteristics obtained in the embodiment.
15 is a diagram showing an excitation pattern when a rotor magnetic pole sensor is arranged as shown in FIG. 14 (A) to drive the electric motor shown in FIG.
16 is a circuit diagram for explaining how an excitation current flows when the electric motor shown in FIG. 1 is excited with a second excitation pattern; FIG.
17 is a circuit diagram for explaining how an excitation current flows when the electric motor shown in FIG. 1 is excited with a first excitation pattern; FIG.
FIG. 18 is a configuration diagram illustrating a winding structure of an electric motor and a configuration example of a switch circuit that supplies an excitation current to a stator coil according to still another embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a diagram showing an example of an excitation pattern of the electric motor of FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Rotor, 100 ... Rotor yoke, M1-M6 ... Permanent magnet, 2 ... Stator, 200 ... Armature core, P1-P12 ... Tooth part, W1-W12 ... Coil, j1-j12 ... Tap terminal, 3 ... switch circuit, qa ... upper switch element, qb ... lower switch element, S1 to S4 ... first to fourth phase switch arms, 4 ... controller, 5 ... battery.

Claims (4)

等角度間隔で配置されたｍ極（ｍは偶数）の磁極を有する磁石回転子と、
前記磁石回転子の回転方向に等角度間隔で並ぶように設けられた２ｍ個の歯部を有する電機子鉄心と、各コイルを前記電機子鉄心の隣り合う２つの歯部に跨らせ、かつ各コイルの巻き方向を同一として前記磁石回転子の回転方向に順次重ね巻きされた２ｍ個のコイルとを備えていて、該２ｍ個のコイルのそれぞれの巻始め側の端末部とそれぞれのコイルに隣接するコイルの巻終り側の端末部との接続点から２ｍ個のタップ端子が導出され、前記磁石回転子との位相関係が等しいコイルの巻始め側の端末部に接続されたタップ端子を同じ相のタップ端子とした場合に前記２ｍ個のタップ端子を第１ないし第４の相のタップ端子に分けることができるように構成された固定子と、
前記電機子鉄心の特定の歯部の周方向のほぼ中心に相応する位置に設定された第１の検出位置及び該第１の検出位置から前記磁石回転子の回転方向に電気角で９０度離れた第２の検出位置にそれぞれ配置されて、それぞれの検出位置を通過している前記磁石回転子の磁極がＮ極のときとＳ極のときとで出力の状態を異にするように設けられた第１及び第２の回転子磁極センサと、
互いに直列に接続された上段のスイッチ素子と下段のスイッチ素子とを有して両スイッチ素子どうしの接続点から中間端子が導出されたスイッチアームを前記第１ないし第４の相のタップ端子のそれぞれに対して少なくとも１つずつ備えていて、前記第１ないし第４の相のタップ端子にそれぞれ対応する第１ないし第４の相のスイッチアームを直流電源が接続される対の直流電源接続端子間に並列に接続するとともに該第１ないし第４の相のスイッチアームのそれぞれの中間端子を対応する相のタップ端子に接続した構成を有するスイッチ回路と、
前記磁石回転子を一方向に回転駆動する際に、前記直流電源の正極端子から前記スイッチ回路の２つの隣り合う相のスイッチアームの上段のスイッチ素子を通して前記固定子の隣り合う２つの相のタップ端子に同時に励磁電流を流入させて、前記回転子の回転方向の前方側に位置する相のタップ端子に流入させた励磁電流は前記回転方向の前方側の１つ相のコイルを通して流した後他の１つの相のスイッチアームの下段のスイッチ素子を通して前記直流電源の負極端子に戻し、前記隣り合う２つの相のタップ端子のうち前記回転方向の後方側に位置する相のタップ端子に流入させた励磁電流は前記回転方向の後方側の１つ相のコイルを通して流した後更に他の相のスイッチアームの下段のスイッチ素子を通して前記直流電源の負極端子に戻す励磁電流の流し方を規定の励磁パターンとして定めておいて、前記第１及び第２の回転子磁極センサのそれぞれの出力の状態が変化する毎に、前記規定の励磁パターンに従って励磁電流を流すコイルを順次前記磁石回転子の回転方向にシフトさせていくように前記スイッチ回路のスイッチ素子をオンオフ制御するコントローラと、
を具備したことを特徴とするブラシレス直流電動機。A magnet rotor having m poles (m is an even number) arranged at equiangular intervals;
An armature core having 2m tooth portions provided so as to be arranged at equiangular intervals in the rotation direction of the magnet rotor, and each coil straddling two adjacent tooth portions of the armature core; and Each coil has the same winding direction, and 2 m coils wound in order in the rotation direction of the magnet rotor, and each winding start side terminal portion of each of the 2 m coils and each coil 2m tap terminals are derived from the connection point with the terminal part on the winding end side of the adjacent coil, and the tap terminals connected to the terminal part on the winding start side of the coil having the same phase relationship with the magnet rotor are the same. A stator configured to divide the 2m tap terminals into first to fourth phase tap terminals when the phase tap terminals are used;
A first detection position set at a position substantially corresponding to the center in the circumferential direction of a specific tooth portion of the armature core, and an electrical angle of 90 degrees away from the first detection position in the rotation direction of the magnet rotor. The magnetic rotors arranged at the second detection positions and passing through the respective detection positions are provided so that the output states are different between the N pole and the S pole. First and second rotor pole sensors,
A switch arm having an upper switch element and a lower switch element connected in series to each other and having an intermediate terminal derived from a connection point between the switch elements is connected to each of the tap terminals of the first to fourth phases. Between the pair of DC power supply connection terminals to which the DC power supply is connected to the first to fourth phase switch arms respectively corresponding to the first to fourth phase tap terminals. And a switch circuit having a configuration in which each intermediate terminal of the first to fourth phase switch arms is connected to a corresponding phase tap terminal;
When the magnet rotor is driven to rotate in one direction, the two adjacent phase taps of the stator are passed from the positive terminal of the DC power source through the upper switch elements of the two adjacent phase switch arms of the switch circuit. Exciting current is allowed to flow into the terminals at the same time, and the exciting current flowing into the tap terminal of the phase located on the front side in the rotational direction of the rotor flows through one phase coil on the front side in the rotational direction. And returned to the negative terminal of the DC power supply through the lower switch element of the one phase switch arm, and flowed into the tap terminal of the phase located on the rear side in the rotation direction of the two adjacent phase tap terminals. The exciting current flows through the one-phase coil on the rear side in the rotational direction, and then returns to the negative terminal of the DC power source through the lower switch element of the switch arm of the other phase. A coil in which the flow of magnetic current is determined as a specified excitation pattern, and the excitation current flows according to the specified excitation pattern each time the output state of each of the first and second rotor magnetic pole sensors changes. A controller that controls on / off of the switch elements of the switch circuit so as to sequentially shift the rotation direction of the magnet rotor in the rotation direction of the magnet rotor,
A brushless DC motor comprising: 等角度間隔で配置されたｍ極（ｍは偶数）の磁極を有する磁石回転子と、
前記磁石回転子の回転方向に等角度間隔で並ぶように設けられた２ｍ個の歯部を有する電機子鉄心と、各コイルを前記電機子鉄心の隣り合う２つの歯部に跨らせ、かつ各コイルの巻き方向を同一として前記磁石回転子の回転方向に順次重ね巻きされた２ｍ個のコイルとを備えていて、該２ｍ個のコイルのそれぞれの巻始め側の端末部とそれぞれのコイルに隣接するコイルの巻終り側の端末部との接続点から２ｍ個のタップ端子が導出され、前記磁石界磁との位相関係が等しいコイルの巻始め側の端末部に接続されたタップ端子を同じ相のタップ端子とした場合に前記２ｍ個のタップ端子を第１ないし第４の相のタップ端子に分けることができるように構成された固定子と、
電気角で４５度の位相差を持って前記磁石回転子の回転方向に順次並ぶように設定された前記固定子側の第１ないし第４の検出位置にそれぞれ配置されて、それぞれの検出位置を通過している前記磁石回転子の磁極がＮ極のときとＳ極のときとで出力の状態を異にするように設けられた第１ないし第４の回転子磁極センサと、
互いに直列に接続された上段のスイッチ素子と下段のスイッチ素子とを有して両スイッチ素子どうしの接続点から中間端子が導出されたスイッチアームを前記第１ないし第４の相のタップ端子のそれぞれに対して少なくとも１つずつ備えていて、前記第１ないし第４の相のタップ端子にそれぞれ対応する第１ないし第４の相のスイッチアームを直流電源が接続される対の直流電源接続端子間に並列に接続するとともに該第１ないし第４の相のスイッチアームのそれぞれの中間端子を対応する相のタップ端子に接続した構成を有するスイッチ回路と、
前記直流電源の正極端子から前記スイッチ回路の２つの隣り合う相のスイッチアームの上段のスイッチ素子を通して前記固定子の隣り合う２つの相のタップ端子に同時に励磁電流を流入させて、前記回転子の回転方向の前方側に位置する相のタップ端子に流入させた励磁電流を前記回転方向の前方側の１つの相のコイルを通して流した後他の１つの相のスイッチアームの下段のスイッチ素子を通して前記直流電源の負極端子に戻し、前記隣り合う２つの相のタップ端子のうち前記回転方向の後方側に位置する相のタップ端子に流入させた励磁電流は前記回転方向の後方側の１つの相のコイルを通して流した後更に他の相のスイッチアームの下段のスイッチ素子を通して前記直流電源の負極端子に戻す励磁電流の流し方を第１の励磁パターンとして定めるとともに、前記直流電源の正極端子から前記スイッチ回路のいずれか１つの相のスイッチアームの上段のスイッチ素子を通して前記固定子のいずれか１つの相のタップ端子に流入させた励磁電流を前記回転子の回転方向の前方側で隣り合う２つの隣接コイルと回転方向の後方側で隣り合う２つの隣接コイルとに分流させた後他の１つの相のスイッチアームの下段のスイッチ素子を通して前記直流電源の負極端子に戻す励磁電流の流し方を第２の励磁パターンとして定めておいて、前記磁石回転子の回転速度が設定値以下のときに、前記第１の回転子磁極センサ及び第３の回転子磁極センサのそれぞれの出力の状態が変化する毎に前記第１の励磁パターンに従って励磁電流を流すコイルを前記磁石回転子の回転方向にシフトさせていき、前記磁石回転子の回転速度が設定値を超えたときには前記第２の回転子磁極センサ及び第４の回転子磁極センサのそれぞれの出力の状態が変化する毎に前記第２の励磁パターンに従って励磁電流を流すコイルを前記磁石回転子の回転方向にシフトさせていくように前記スイッチ回路のスイッチ素子を制御するコントローラとを具備し、
前記第１の検出位置は前記電機子鉄心の特定の歯部の周方向のほぼ中心に相応する位置に設定されているブラシレス直流電動機。A magnet rotor having m poles (m is an even number) arranged at equiangular intervals;
An armature core having 2m tooth portions provided so as to be arranged at equiangular intervals in the rotation direction of the magnet rotor, and each coil straddling two adjacent tooth portions of the armature core; and Each coil has the same winding direction, and 2 m coils wound in order in the rotation direction of the magnet rotor, and each winding start side terminal portion of each of the 2 m coils and each coil 2m tap terminals are derived from the connection point with the terminal portion on the winding end side of the adjacent coil, and the tap terminals connected to the terminal portion on the winding start side of the coil having the same phase relationship with the magnet field are the same. A stator configured to divide the 2m tap terminals into first to fourth phase tap terminals when the phase tap terminals are used;
The first to fourth detection positions on the stator side, which are set so as to be sequentially arranged in the rotation direction of the magnet rotor with a phase difference of 45 degrees in electrical angle, are arranged respectively. First to fourth rotor magnetic pole sensors provided so as to make different output states depending on whether the magnetic pole of the passing magnet rotor is an N pole or an S pole;
A switch arm having an upper switch element and a lower switch element connected in series to each other and having an intermediate terminal derived from a connection point between the switch elements is connected to each of the tap terminals of the first to fourth phases. Between the pair of DC power supply connection terminals to which the DC power supply is connected to the first to fourth phase switch arms respectively corresponding to the first to fourth phase tap terminals. And a switch circuit having a configuration in which each intermediate terminal of the first to fourth phase switch arms is connected to a corresponding phase tap terminal;
An excitation current is allowed to flow simultaneously from the positive terminal of the DC power source to the two adjacent phase tap terminals of the stator through the upper switch elements of the two adjacent phase switch arms of the switch circuit. The excitation current that has flowed into the tap terminal of the phase located on the front side in the rotation direction flows through the coil of one phase on the front side in the rotation direction, and then passes through the switch element on the lower stage of the switch arm of the other phase. Returning to the negative terminal of the DC power source, the excitation current that flows into the tap terminal of the phase located on the rear side in the rotational direction among the tap terminals of the two adjacent phases is one phase on the rear side in the rotational direction. further way flow of exciting current to return to the negative terminal of the DC power supply through the lower switching element of the switching arm of another phase after flowing through the coil first and excitation pattern The excitation current that has flowed from the positive terminal of the DC power source into the tap terminal of any one phase of the stator through the upper switch element of the switch arm of any one phase of the switch circuit is rotated. The DC power source is divided into two adjacent coils adjacent to each other on the front side in the rotation direction of the child and two adjacent coils adjacent on the rear side in the rotation direction, and then passed through the lower switch element of the switch arm of the other phase. And determining the flow of the exciting current to be returned to the negative terminal of the first rotor magnetic pole sensor and the third rotation when the rotational speed of the magnet rotor is equal to or lower than a set value. Each time the output state of each of the magnetic pole sensors changes, the coil for passing the excitation current is shifted in the rotation direction of the magnet rotor according to the first excitation pattern. When the rotational speed of the magnet rotor exceeds a set value, excitation is performed according to the second excitation pattern each time the output state of each of the second rotor magnetic pole sensor and the fourth rotor magnetic pole sensor changes. A controller for controlling a switch element of the switch circuit so as to shift a coil for passing a current in a rotation direction of the magnet rotor;
The brushless DC motor in which the first detection position is set to a position corresponding to a substantially center in a circumferential direction of a specific tooth portion of the armature core. 等角度間隔で配置されたｍ極（ｍは偶数）の磁極を有する磁石回転子と、
前記磁石回転子の回転方向に等角度間隔で並ぶように設けられた２ｍ個の歯部を有する電機子鉄心と、各コイルを前記電機子鉄心の隣り合う２つの歯部に跨らせ、かつ各コイルの巻き方向を同一として前記磁石回転子の回転方向に順次重ね巻きされた２ｍ個のコイルとを備えていて、該２ｍ個のコイルのそれぞれの巻始め側の端末部とそれぞれのコイルに隣接するコイルの巻終り側の端末部との接続点から２ｍ個のタップ端子が導出され、前記磁石界磁との位相関係が等しいコイルの巻始め側の端末部に接続されたタップ端子を同じ相のタップ端子とした場合に前記２ｍ個のタップ端子を第１ないし第４の相のタップ端子に分けることができるように構成された固定子と、
前記電機子鉄心の特定の歯部の周方向のほぼ中心に相応する位置に設定された第１の検出位置及び該第１の検出位置から前記磁石回転子の回転方向に電気角で９０度離れた第２の検出位置にそれぞれ配置されて、それぞれの検出位置を通過している前記磁石回転子の磁極がＮ極のときとＳ極のときとで出力の状態を異にするように設けられた第１及び第２の回転子磁極センサと、
互いに直列に接続された上段のスイッチ素子と下段のスイッチ素子とを有して両スイッチ素子どうしの接続点から中間端子が導出されたスイッチアームを前記第１ないし第４の相のタップ端子のそれぞれに対して少なくとも１つずつ備えていて、前記第１ないし第４の相のタップ端子にそれぞれ対応する第１ないし第４の相のスイッチアームを直流電源が接続される対の直流電源接続端子間に並列に接続するとともに該第１ないし第４の相のスイッチアームのそれぞれの中間端子を対応する相のタップ端子に接続した構成を有するスイッチ回路と、
前記直流電源の正極端子から前記スイッチ回路の２つの隣り合う相のスイッチアームの上段のスイッチ素子を通して前記固定子の隣り合う２つの相のタップ端子に同時に励磁電流を流入させて、前記回転子の回転方向の前方側に位置する相のタップ端子に流入させた励磁電流は前記回転方向の前方側の１つの相のコイルを通して流した後他の１つの相のスイッチアームの下段のスイッチ素子を通して前記直流電源の負極端子に戻し、前記隣り合う２つの相のタップ端子のうち前記回転方向の後方側に位置する相のタップ端子に流入させた励磁電流は前記回転方向の後方側の１つの相のコイルを通して流した後更に他の相のスイッチアームの下段のスイッチ素子を通して前記直流電源の負極端子に戻す励磁電流の流し方を第１の励磁パターンとして定めるとともに、前記直流電源の正極端子から前記スイッチ回路のいずれか１つの相のスイッチアームの上段のスイッチ素子を通して前記固定子のいずれか１つの相のタップ端子に流入させた励磁電流を前記回転子の回転方向の前方側で隣り合う２つの隣接コイルと回転方向の後方側で隣り合う２つの隣接コイルとに分流させた後他の１つの相のスイッチアームの下段のスイッチ素子を通して前記直流電源の負極端子に戻す励磁電流の流し方を第２の励磁パターンとして定めておいて、前記磁石回転子の回転速度が設定値以下のときには、前記第１及び第２の回転子磁極センサのそれぞれの出力の状態が変化する毎に、前記第１の励磁パターンに従って励磁電流を流すコイルを前記磁石回転子の回転方向に順次シフトさせていくように前記スイッチ回路の各スイッチ素子をオンオフ制御し、前記磁石回転子の回転速度が設定値を超えたときには、前記第１及び第２の回転子磁極センサの出力の状態の組み合わせが変化する毎に起動させたタイマが所定の時間を計測する毎に前記第２の励磁パターンに従って励磁電流を流すコイルを順次磁石回転子の回転方向にシフトさせていくように前記スイッチ回路のスイッチ素子をオンオフ制御するコントローラとを具備し、
前記磁石回転子の回転速度が設定値を超えたときには、前記磁石回転子の各磁極の回転方向の前端縁が前記電機子鉄心の歯部間を通過する際に、前記第２の励磁パターンで同時に励磁電流が流れるコイルの組み合わせが切り換わるように、前記タイマが計測する時間が設定されることを特徴とするブラシレス直流電動機。A magnet rotor having m poles (m is an even number) arranged at equiangular intervals;
An armature core having 2m tooth portions provided so as to be arranged at equiangular intervals in the rotation direction of the magnet rotor, and each coil straddling two adjacent tooth portions of the armature core; and Each coil has the same winding direction, and 2 m coils wound in order in the rotation direction of the magnet rotor, and each winding start side terminal portion of each of the 2 m coils and each coil 2m tap terminals are derived from the connection point with the terminal portion on the winding end side of the adjacent coil, and the tap terminals connected to the terminal portion on the winding start side of the coil having the same phase relationship with the magnet field are the same. A stator configured to divide the 2m tap terminals into first to fourth phase tap terminals when the phase tap terminals are used;
A first detection position set at a position substantially corresponding to the center in the circumferential direction of a specific tooth portion of the armature core, and an electrical angle of 90 degrees away from the first detection position in the rotation direction of the magnet rotor. The magnetic rotors arranged at the second detection positions and passing through the respective detection positions are provided so that the output states are different between the N pole and the S pole. First and second rotor pole sensors,
A switch arm having an upper switch element and a lower switch element connected in series to each other and having an intermediate terminal derived from a connection point between the switch elements is connected to each of the tap terminals of the first to fourth phases. Between the pair of DC power supply connection terminals to which the DC power supply is connected to the first to fourth phase switch arms respectively corresponding to the first to fourth phase tap terminals. And a switch circuit having a configuration in which each intermediate terminal of the first to fourth phase switch arms is connected to a corresponding phase tap terminal;
An excitation current is allowed to flow simultaneously from the positive terminal of the DC power source to the two adjacent phase tap terminals of the stator through the upper switch elements of the two adjacent phase switch arms of the switch circuit. The exciting current flowing into the tap terminal of the phase located on the front side in the rotation direction flows through the coil of one phase on the front side in the rotation direction and then passes through the switch element on the lower stage of the switch arm of the other phase. Returning to the negative terminal of the DC power source, the excitation current that flows into the tap terminal of the phase located on the rear side in the rotational direction among the tap terminals of the two adjacent phases is one phase on the rear side in the rotational direction. The flow of the excitation current returned to the negative terminal of the DC power source through the lower switch element of the other phase switch arm after flowing through the coil is referred to as the first excitation pattern. The excitation current that has flowed from the positive terminal of the DC power source into the tap terminal of any one phase of the stator through the upper switch element of the switch arm of any one phase of the switch circuit is rotated. The DC power source is divided into two adjacent coils adjacent to each other on the front side in the rotation direction of the child and two adjacent coils adjacent on the rear side in the rotation direction, and then passed through the lower switch element of the switch arm of the other phase. When the excitation speed of the excitation current returned to the negative electrode terminal is determined as a second excitation pattern, and the rotational speed of the magnet rotor is equal to or lower than a set value, each of the first and second rotor magnetic pole sensors Each time the output state changes, the coil through which the excitation current flows according to the first excitation pattern is sequentially shifted in the rotation direction of the magnet rotor. Each switch element of the switch circuit is controlled to be turned on / off, and is activated each time the combination of the output states of the first and second rotor magnetic pole sensors changes when the rotational speed of the magnet rotor exceeds a set value. A controller for controlling on / off of the switch elements of the switch circuit so as to sequentially shift the coil through which the excitation current flows according to the second excitation pattern in the rotation direction of the magnet rotor each time the timer measures a predetermined time; Comprising
When the rotational speed of the magnet rotor exceeds a set value, when the front end edge in the rotation direction of each magnetic pole of the magnet rotor passes between the teeth of the armature core, the second excitation pattern The brushless DC motor is characterized in that the time measured by the timer is set so that the combination of coils through which exciting current flows simultaneously is switched. 等角度間隔で配置されたｍ極（ｍは偶数）の磁極を有する磁石回転子と、
前記磁石回転子の回転方向に等角度間隔で並ぶように設けられた２ｍ個の歯部を有する電機子鉄心と、各コイルを前記電機子鉄心の隣り合う２つの歯部に跨らせ、かつ各コイルの巻き方向を同一として前記磁石回転子の回転方向に順次重ね巻きされた２ｍ個のコイルとを備えていて、該２ｍ個のコイルのそれぞれの巻始め側の端末部とそれぞれのコイルに隣接するコイルの巻終り側の端末部との接続点から２ｍ個のタップ端子が導出され、前記磁石界磁との位相関係が等しいコイルの巻始め側の端末部に接続されたタップ端子を同じ相のタップ端子とした場合に前記２ｍ個のタップ端子を第１ないし第４の相のタップ端子に分けることができるように構成された固定子と、
前記磁石回転子の回転方向の前方側に電気角で４５度の間隔を持って順次並ぶように設定された第１ないし第４の検出位置にそれぞれ配置されて、それぞれの検出位置を通過している磁石回転子の磁極がＮ極のときとＳ極のときとで出力の状態を異にするように設けられた第１ないし第４の回転子磁極センサと、
互いに直列に接続された上段のスイッチ素子と下段のスイッチ素子とを有して両スイッチ素子どうしの接続点から中間端子が導出されたスイッチアームを前記第１ないし第４の相のタップ端子のそれぞれに対して少なくとも１つずつ備えていて、前記第１ないし第４の相のタップ端子にそれぞれ対応する第１ないし第４の相のスイッチアームを直流電源が接続される対の電源接続端子間に並列に接続するとともに該第１ないし第４の相のスイッチアームのそれぞれの中間端子を対応する相のタップ端子に接続した構成を有するスイッチ回路と、
前記直流電源の正極端子からスイッチ回路の隣り合う２つの相のスイッチアームの上段のスイッチ素子を通して前記固定子の隣り合う２つの相のタップ端子に同時に励磁電流を流入させて、該隣り合う２つの相のタップ端子のうち前記回転子の回転方向の前方側に位置する相のタップ端子に流入させた励磁電流を前記回転方向の前方側に位置する１つの相のコイルを通して流した後前記スイッチ回路の他の１つの相のスイッチアームの下段のスイッチ素子を通して前記直流電源の負極端子に戻し、前記隣り合う２つの相のタップ端子のうち前記回転方向の後方側に位置する相のタップ端子に流入させた励磁電流は前記回転方向の後方側に位置する１つの相のコイルを通して流した後前記スイッチ回路の更に他の相のスイッチアームの下段のスイッチ素子を通して前記直流電源の負極端子に戻す励磁電流の流し方を第１の励磁パターンとして定めるとともに、前記直流電源の正極端子からスイッチ回路のいずれか１つの相のスイッチアームの上段のスイッチ素子を通して前記固定子のいずれか１つの相のタップ端子に流入させた励磁電流を前記回転子の回転方向の前方側で隣り合う２つの隣接コイルと回転方向の後方側で隣り合う２つの隣接コイルとに分流させた後他の１つの相のスイッチアームの下段のスイッチ素子を通して前記直流電源の負極端子に戻す励磁電流の流し方を第２の励磁パターンとして定めておいて、前記磁石回転子を一方向に回転駆動する際に、前記第１の回転子磁極センサの出力の状態が変化したとき及び第３の回転子磁極センサの出力の状態が変化したときには、前記第１の励磁パターンで励磁電流を流し、前記第２の回転子磁極センサの出力の状態が変化したとき及び第４の回転子磁極センサの出力の状態が変化したときには前記第２の励磁パターンで励磁電流を流すようにして、第１の励磁パターンで励磁電流を流す状態と第２の励磁パターンで励磁電流を流す状態とを交互に生じさせながら、前記第１ないし第４の回転子磁極センサのそれぞれの出力の状態が変化する毎に励磁電流を流すコイルを順次磁石回転子の回転方向にシフトさせていくように前記スイッチ回路のスイッチ素子をオンオフ制御するコントローラとを具備し、
前記第１の検出位置は、前記電機子鉄心の特定の歯部と前記回転子の回転方向の前方側で前記特定の歯部に隣接する他の歯部との間の間隙の中心と前記特定の歯部の周方向の中心との間に設定されているブラシレス直流電動機。A magnet rotor having m poles (m is an even number) arranged at equiangular intervals;
An armature core having 2m tooth portions provided so as to be arranged at equiangular intervals in the rotation direction of the magnet rotor, and each coil straddling two adjacent tooth portions of the armature core; and Each coil has the same winding direction, and 2 m coils wound in order in the rotation direction of the magnet rotor, and each winding start side terminal portion of each of the 2 m coils and each coil 2m tap terminals are derived from the connection point with the terminal portion on the winding end side of the adjacent coil, and the tap terminals connected to the terminal portion on the winding start side of the coil having the same phase relationship with the magnet field are the same. A stator configured to divide the 2m tap terminals into first to fourth phase tap terminals when the phase tap terminals are used;
The magnet rotors are arranged at first to fourth detection positions that are sequentially arranged with an electrical angle of 45 degrees on the front side in the rotation direction of the magnet rotor, and pass through the detection positions. First to fourth rotor magnetic pole sensors provided so that the output state differs depending on whether the magnetic pole of the magnet rotor is an N pole or an S pole;
A switch arm having an upper switch element and a lower switch element connected in series to each other and having an intermediate terminal derived from a connection point between the switch elements is connected to each of the tap terminals of the first to fourth phases. At least one switch arm corresponding to each of the first to fourth phase tap terminals, between the pair of power connection terminals to which a DC power source is connected. A switch circuit connected in parallel and having a configuration in which each intermediate terminal of the first to fourth phase switch arms is connected to a corresponding phase tap terminal;
An exciting current is simultaneously caused to flow from the positive terminal of the DC power source to the tap terminals of the two adjacent phases of the stator through the upper switch elements of the two adjacent switch arms of the switch circuit. The switch circuit after flowing an excitation current flowing into a phase tap terminal located on the front side in the rotation direction of the rotor among the phase tap terminals through a coil of one phase located on the front side in the rotation direction Return to the negative terminal of the DC power supply through the lower switch element of the other one phase switch arm, and flow into the tap terminal of the phase located on the rear side in the rotation direction of the two adjacent phase tap terminals. The excited excitation current flows through the coil of one phase located on the rear side in the rotation direction, and then the lower stage of the switch arm of the other phase of the switch circuit. A first excitation pattern for determining the flow of the excitation current returned to the negative terminal of the DC power source through the switch element, and the upper switch element of the switch arm of any one phase of the switch circuit from the positive terminal of the DC power source Through two adjacent coils adjacent on the front side in the rotational direction of the rotor and two adjacent coils adjacent on the rear side in the rotational direction. A second excitation pattern is defined as a flow of an excitation current that is returned to the negative terminal of the DC power supply through the lower switch element of the other one phase switch arm after being divided into When the output state of the first rotor magnetic pole sensor changes and when the output state of the third rotor magnetic pole sensor changes during rotational driving in the direction Applies an exciting current in the first excitation pattern, and when the output state of the second rotor magnetic pole sensor changes and when the output state of the fourth rotor magnetic pole sensor changes, the second The first to fourth rotations are performed while alternately causing an excitation current to flow in the first excitation pattern and an excitation current to flow in the second excitation pattern by causing the excitation current to flow in the excitation pattern. A controller that performs on / off control of the switch elements of the switch circuit so as to sequentially shift the coil through which the excitation current flows in the rotation direction of the magnet rotor each time the output state of each of the child magnetic pole sensors changes,
The first detection position is the center of the gap between the specific tooth portion of the armature core and another tooth portion adjacent to the specific tooth portion on the front side in the rotation direction of the rotor and the specific position. Brushless direct current motor set between the tooth portion and the center in the circumferential direction.
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