JP3889061B2 - 電子コミュテーテッドモータ - Google Patents

Description

本発明は、複数の相巻線を支持するステータとロータとを有する電子的にコミューテートされるモータに関する。ここでは個々の相巻線の制御は電力出力段を介して時間的にずらされた周期で行われ、この周期は制御時間と休止時間とを区分される。
上記の形式の公知の電子コミュテーテッドモータでは、モータの出力への作用は、パルス幅変調を用いて電力出力段にパルス制御することにより、または電力出力段のスイッチオン時間を変えることにより行われる。ここでは通例、電流が制御時間全体でパルス化されるか、または電流のスイッチオン時間が変化される。この結果モータ電流が大きい場合にはスイッチ損失が高くなり、しかもこのスイッチ損失はほぼ電流の２乗で増大する。この高スイッチ損失は、モータの効率を低下させ、また電力出力段に対して高い熱的な負荷をもたらす。さらにこの熱的な負荷により電力出力段に使用される電子回路素子が損傷されることも多い。
本発明の課題は、冒頭に記載した形式の電子コミュテーテッドモータに対して、電力出力段の制御を改善して、モータ電流が大きい場合でもスイッチ損失が高くなることを回避し、ひいては電力出力段の負荷が高くなることを回避できるようにすることである。
上記課題は本発明により一方では、制御時間を開始時間区間と終了時間区間とに区分して、モータ電流が小さい場合には、電力出力段は開始時間区間でパルス幅変調だけによりパルス制御され、モータ電流が大きい場合には付加的に、終了時間区間で電力出力段を、多かれ少なかれある長さのスイッチオン時間で完全に導通させることによって解決される。また他方では、制御時間を開始時間区間と終了時間区間とに区分し、モータ電流が小さい場合には、電力出力段は終了時間区間でパルス幅変調によりパルス制御され、モータ電流が大きい場合には電力出力段を全終了時間区間で完全に導通させ、さらに付加的に開始時間区間で多かれ少なかれある長さのスイッチオン時間で完全に導通させることによって解決される。
この実施形態では、パルス幅変調は制御時間の開始時間区間または終了時間区間だけで行われ、しかもモータ電流が増大する場合にはパルス幅を増やすことによって行われる。モータ電流が大きい場合には、開始時間区間または終了時間区間に付加的なスイッチオン時間が続き、しかもこのスイッチオン時間はモータ電流の増大と共に長くなり、最終的には終了時間区間または開始時間区間全体にわたることも可能である。この場合、開始時間区間または終了時間区間中および付加的なスイッチオン時間中、電力出力段はスイッチ損失を回避するために完全に導通される。
電流の小さなモードおよび電流の大きなモードの２つの動作モードの切り分けは、最も簡単な場合には、モータ電流の小さな領域と大きな領域とを、所定の電流値をあらかじめ設定して区別することにより行うことができる。ここで小さな電流が増大する場合にはパルス幅を増やし、大きな電流が増大する場合にはスイッチオン時間を長くする。
１つの実施形態にしたがって、電力出力段に対する周期の制御時間が、それらの開始時間区間では部分的にオーバーラップし、かつオーバーラップしていない部分区間においてのみパルス制御されるように構成される場合には、個々の相巻線電流はオーバーラップせず、また電流が大きい時にスイッチオン時間が開始時間区間に直接続きかつ多かれ少なかれある長さで終了時間区間に伸びているようにすれば電流全体に間隙が生じない。
有利には制御時間と休止時間とは、周期内で同じ長さになるように選択され、また制御時間は周期（Ｐ）のほぼ２／３にわたる。
パルス幅変調のためのクロック周波数は、人間の可聴領域以上例えば２０ｋＨｚに選択される。
制御時間の延長は、スイッチオン時間を開始時間区間に直接続け、かつこのスイッチオン時間を多かれ少なかれある長さで終了時間区間に伸ばすか、またはスイッチオン時間を多かれ少なかれある長さでその周期に所属の開始時間区間に伸ばすことによって行われる。
上記のように制御される電力出力段を備える制御回路は、電子コミュテーテッドモータだけに使用されるのではなく、別の負荷を調整および制御し、相応にスイッチ損失を低減しかつ効率を増大させることも可能である。
本発明を、図面に示した実施例により詳しく説明する。
図１は、使用する参照符号を有する制御の時間線図である。
図２は、パルス幅変調による制御の時間線図である。
図３は、電子コミュテーテッドモータの４つの相巻線を制御する４つの電力出力段に対する制御線図である。
図４は、電子コミュテーテッドモータの４つの相巻線を制御する４つの電力出力段に対する別の制御線図である。
図５は、所属の制御回路を示す図である。
図６は、公知の制御回路および本発明の制御回路の電力回路図である。
図１に示したように、電力出力段は周期的に制御される。ここで周期Ｐは制御時間Ｔａと休止時間Ｔｐとを含んでいる。図示の実施例では制御時間Ｔａと休止時間Ｔｐの長さは等しい。制御時間Ｔａそれ自体も開始時間区間Ｔ１と終了時間区間Ｔ２に区分される。開始時間区間Ｔａはそれぞれ時点ｔ１で始まり、時点ｔ２まで伸びている。開始時間区間Ｔａに終了時間区間Ｔ２が直接続いており、この終了時間区間Ｔ２は時点ｔ２から時点ｔ３まで達しており、この時点ｔ３は終了時間区間Ｔ２の終わりを示している。
モータ負荷が所定の電流値までの小さなモータ電流しか必要としない場合には、図２に示したように電力出力段は開始時間区間Ｔ１でパルス幅変調（ＰＷＭ）によりパルス制御される。ここでは動作範囲内でパルス幅は電流の増加に伴って増大する。終了時間区間Ｔ２では電流が流れないままである。必要な電流が所定の電流値を上回ると、開始時間区間Ｔ１内で完全な導通がなされ、時点ｔ２の直後にスイッチオン時間Ｔｅが続く。このスイッチオン時間では電力出力段ＴＴ１〜ＴＴ４も同様に完全に導通される。この様子が図３に示されている。スイッチオン時間Ｔｅは所要電流の増加に伴って長くなり、最終的には終了時間区間Ｔ２全体にわたる。図３から判るように、例えば４つの電力出力段ＴＴ１〜ＴＴ４の周期Ｐは時間的にずらされており、これにより開始時間区間Ｔ１はそれぞれ例えば１０％だけオーバーラップしている。この場合に開始時間区間Ｔ１の約９０％だけがパルス幅変調によってパルス制御されるとすると、個々の電力出力段の電流はオーバーラップせず、しかも電流全体に間隙が生じない。電力出力段の数が異なる場合にも同じようにする。
電力出力段ＴＴ１〜ＴＴ４の制御は図４に示したようにモータ電流が小さい場合にも、制御時間の終了時間区間Ｔ２でパルス幅変調（ＰＭＷ）によって行うことができる。ここでは小さなモータ電流が増加すると、パルス幅が増加する。所定のモータ電流に達すると、電力出力段ＴＴ１〜ＴＴ４は、終了時間区間Ｔ２で完全に導通され、さらにモータ電流が増加すると、付加的なスイッチオン時間Ｔｅが開始時間区間Ｔ１内に付け加えられる。このスイッチオン時間Ｔｅでは電力出力段ＴＴ１〜ＴＴ４は同様に完全に導通される。ここで開始時間区間Ｔ１と終了時間区間Ｔ２の時間が等しく、周期Ｐの４分の１である場合には、付加的なスイッチオン時間Ｔｅは最大で周期Ｐの４分の１をとることができる。
付加的なスイッチオン時間Ｔｅはこの場合に図３のように開始時間区間Ｔ１の終わりに続いているのではなく、終了時間区間Ｔ２の開始時点に直接続いている。
図５は４つの電力出力段ＴＴ１〜ＴＴ４に対する制御回路を示している。これらの電力出力段はＭＯＳ−ＦＥＴトランジスタを有しており、その出力回路にはそれぞれ、電子コミュテーテッドモータの相巻線Ｌ１〜Ｌ４が配置されている。相巻線Ｌ１〜Ｌ４は交互に逆方向に巻回されており、これにより電流方向を同じにすることができる。この制御回路はバッテリ（ＧＮＤ−ＵＢＡＴ）により給電され、このバッテリの電圧はコンデンサＣ１により平滑化される。ＭＯＳ−ＦＥＴトランジスタの４つの制御電極には図３に示した制御電流が相応に時間的にずらされて供給される。
図６の線図には電力出力段での損失電力が制御に依存して示されている。ここで値１は、全負荷時に電力出力段が完全に導通されていること意味しており、損失電力の値１００は全負荷時に負荷を受けない動作を制御することに相応する基準量である。これは実線により示されている。制御時間Ｔａ全体にわたりパルス幅変調によりパルス制御される場合には、電流が大きい時に損失電力が増大する２点鎖線の損失特性曲線が得られる。本発明の動作方式では最終的に破線の特性曲線が得られる。Ｎｖが付されかつハッチングされている損失電力の領域は本発明による制御では、制御時間全体でパルス制御される動作方式と異なって生じない。これにより電力出力段での負荷がまさに電流の大きな領域において低減され、モータの効率が増大する。この特性曲線は、パルス制御されない動作の場合の損失電力を上回らず、電流が大きい時にも有利であり、全負荷時にはじめて損失値１００に達する。本発明の制御回路は、別の負荷の制御にも同じ利点で使用することができる。

Claims (10)

1. 複数の相巻線を支持するステータとロータとを備える電子コミュテーテッドモータであって、
   個々の相巻線（Ｌ１〜Ｌ４）の制御は、電力出力段（ＴＴ１〜ＴＴ４）を介して時間的にずらされた周期（Ｐ）で行われ、
   該周期は制御時間（Ｔａ）と休止時間（Ｔｐ）とに区分される形式の電子コミュテーテッドモータにおいて、
   前記制御時間（Ｔａ）は、開始時間区間（ｔ１〜ｔ２のＴ１）と終了時間区間（ｔ２〜ｔ３のＴ２）とに区分されており、
   モータ電流の小さな領域とモータ電流の大きな領域とは、所定の電流値をあらかじめ設定することにより区別され、
   モータ電流が小さい場合には、電力出力段（ＴＴ１〜ＴＴ４）は、開始時間区間（ｔ１〜ｔ２のＴ１）でパルス幅変調（ＰＷＭ）だけによりパルス制御され、ここで終了時間区間（Ｔ２）では相巻線（Ｌ１〜Ｌ４）の電流は遮断され、
   モータ電流が大きい場合には、電力出力段（ＴＴ１〜ＴＴ４）は、全開始時間区間（Ｔ１）で完全に導通され、かつ付加的に終了時間区間（Ｔ２）で多かれ少なかれある長さのスイッチ持続時間（Ｔｅ）で完全に導通され、
   小さな電流が増大した場合にはパルス幅が増加され、
   大きな電流が増大した場合にはスイッチ持続時間（Ｔｅ）が延長されることを特徴とする
   電子コミュテーテッドモータ。
2. 複数の相巻線を支持するステータとロータとを備える電子コミュテーテッドモータであって、
   個々の相巻線（Ｌ１〜Ｌ４）の制御は、電力出力段（ＴＴ１〜ＴＴ４）を介して時間的にずらされた周期（Ｐ）で行われ、
   該周期は制御時間（Ｔａ）と休止時間（Ｔｐ）とに区分される形式の電子コミュテーテッドモータにおいて、
   前記制御時間（Ｔａ）は、開始時間区間（Ｔ１）とに終了時間区間（Ｔ２）に区分されており、
   モータ電流の小さな領域とモータ電流の大きな領域とは、所定の電流値を設定することにより区別され、
   モータ電流が小さい場合には、電力出力段（ＴＴ１,ＴＴ２，ＴＴ３，ＴＴ４）は終了時間区間（Ｔ２）においてパルス幅変調（ＰＷＭ）を用いてパルス制御され、ここで開始時間区間（Ｔ１）で相巻線を流れる電流は遮断され、
   モータ電流が大きい場合には、電力出力段（ＴＴ１、ＴＴ２，ＴＴ３，ＴＴ４）は、全終了時間区間（Ｔ２）で完全に導通され、かつ付加的に開始時間区間（Ｔ１）で多かれ少なかれある長さのスイッチ持続時間（Ｔｅ）で完全に導通され、
   小さな電流が増大した場合にはパルス幅が増加され、
   大きな電流が増大した場合にはスイッチ持続時間（Ｔｅ）が延長されることを特徴とする
   電子コミュテーテッドモータ。
3. 電力出力段（ＴＴ１〜ＴＴ４）に対する周期の制御時間（Ｔａ）は、開始時間区間（Ｔ１）でオーバーラップし、さらにオーバーラップしていない部分区間でのみパルス制御される
   請求項１に記載の電子コミュテーテッドモータ。
4. 周期（Ｐ）の終了時間区間（Ｔ２）は、時間的に相互に直接続いている請求項２に記載の電子コミュテーテッドモータ。
5. 制御時間（Ｔａ）と休止時間（Ｔｐ）とは長さが等しい
   請求項１から４までのいずれか１項に記載の電子コミュテーテッドモータ。
6. 制御時間（Ｔａ）は前記周期（Ｐ）のほぼ２／３にわたる
   請求項１から５までのいずれか１項に記載の電子コミュテーテッドモータ。
7. パルス幅変調（ＰＷＭ）のためのクロック周波数は、人間の可聴領域を上回って（例えば２０ｋＨｚ）選択される
   請求項１から６までのいずれか１項に記載の電子コミュテーテッドモータ。
8. スイッチ持続時間（Ｔｅ）は開始時間区間（ｔ１〜ｔ２のＴ１）に直接続いており、
   多かれ少なかれある長さで終了時間区間（ｔ２〜ｔ３のＴ２）に伸びている請求項１に記載の電子コミュテーテッドモータ。
9. スイッチ持続時間（Ｔｅ）は多かれ少なかれある長さで、当該周期に所属する開始時間区間（Ｔ１）に伸びている
   請求項２に記載の電子コミュテーテッドモータ。
10. 電力出力段（ＴＴ１〜ＴＴ４）としてＭＯＳ−ＦＥＴトランジスタが使用されている
    請求項１から９までのいずれか１項に記載の電子コミュテーテッドモータ。

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