JP6311112B2 - ブラシレスdcモータ - Google Patents

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Description

本発明は、ブラシレスDCモータの位置情報検出装置に関するものである。
従来、この種のブラシレスDCモータは、長寿命、高信頼性および制御性の良さ等からレンジフード、天井埋め込み換気扇や浴室暖房換気扇等の換気装置、空気清浄機等の送風装置に搭載されることが多い。モータの駆動方式、形態としては、dutyを変化させることでPWM駆動するモータ駆動回路をモータの本体に内蔵した駆動回路内蔵型のブラシレスDCモータが主流である。しかし、ブラシレスDCモータの磁石で形成された回転子の位置情報の検出は、ホール素子等の位置検出手段により回転子の磁気を検出することで、回転子の位置情報を得る構成が一般的である。そのブラシレスDCモータの回転子の位置情報の検出する一般的な構成について、図5および図6を参照しながら説明する。
図5は、ブラシレスDCモータ(以下、モータという)の回転子の位置情報を位置検出手段101により検出する。そして、この位置検出手段101を過大な電圧や電流より保護するために位置検出手段101の入力の両端と電源102およびアース103との間に電流制限抵抗104A、104Bを直列に挿入している。三相モータの場合、図6に示すように、位置検出手段101は並列に接続された三相分の3つの位置検出手段101A、101Bおよび101Cにより構成されている。
特開平3−285593号公報
このような従来の三相のブラシレスDCモータにおいて、一般的には、負荷電流が少ないときと比べ、負荷電流が多くなると、一時的に電気的な遅れ位相となる電機子反作用が発生し、その影響により、モータ効率が悪化してしまう。
本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、負荷電流が多くなると自動的に三相分の位置検出手段に流れる入力電流を多くすることで位置検出手段の出力電圧の振幅値を大きくし、ブラシレスDCモータの通電切り替えタイミングを意図的に進めることができるため、一時的に電気的な遅れ位相となる電機子反作用の影響を軽減することができるブラシレスDCモータを提供することを目的としている。
そして、この目的を達成するために、本発明は、ブラシレスDCモータの三相コイルに駆動電圧を与えて駆動電流を供給する複数のスイッチング素子と複数の整流素子とで構成されるインバータ回路と、ブラシレスDCモータの磁石で形成された回転子の位置と速度を検出するそれぞれ電気角で120°の間隔で配置された三相分の3つの位置検出手段と、前記3つの位置検出手段の出力信号に基づいて前記インバータ回路を駆動する出力信号を生成する駆動信号生成手段と、前記インバータ回路に流れる三相分の負荷電流を電圧に変換して検出する負荷電流検出抵抗と、前記負荷電流検出抵抗の両端電圧の値によって出力を切り換える位置検出電流調整手段を前記3つの位置検出手段の入力の一端と電源またはアースのどちらか一方に直列に設けたものであり、これにより所期の目的を達成するものである。
本発明によれば、ブラシレスDCモータの三相コイルに駆動電圧を与えて駆動電流を供給する複数のスイッチング素子と複数の整流素子とで構成されるインバータ回路と、ブラシレスDCモータの磁石で形成された回転子の位置と速度を検出するそれぞれ電気角で120°の間隔で配置された三相分の3つの位置検出手段と、前記3つの位置検出手段の出力信号に基づいて前記インバータ回路を駆動する出力信号を生成する駆動信号生成手段と、前記インバータ回路に流れる三相分の負荷電流を電圧に変換して検出する負荷電流検出抵抗と、前記負荷電流検出抵抗の両端電圧の値によって出力を切り換える位置検出電流調整手段を前記3つの位置検出手段の入力の一端と電源またはアースのどちらか一方に直列に設けたため、負荷電流が多くなると自動的に3つの位置検出手段に流れる入力電流を多くすることで前記3つの位置検出手段の出力電圧の振幅値を大きくし、ブラシレスDCモータの通電切り替えタイミングを意図的に進めることができるため、一時的に電気的な遅れ位相となる電機子反作用の影響を軽減することができるという効果を奏する。
本発明の実施の形態1のブラシレスDCモータの断面図 同モータの構成を示すブロック図 同モータの位置情報検出装置の制御動作を示すブロック図 本発明の実施の形態2のブラシレスDCモータの位置情報検出装置の制御動作を示すブロック図 従来のブラシレスDCモータの位置情報検出装置を示す回路図 同位置情報検出装置を三相化した回路図
本発明の請求項1記載のブラシレスDCモータは、ブラシレスDCモータの三相コイルに駆動電圧を与えて駆動電流を供給する複数のスイッチング素子と複数の整流素子とで構成されるインバータ回路と、ブラシレスDCモータの磁石で形成された回転子の位置と速度を検出するそれぞれ電気角で120°の間隔で配置された三相分の3つの位置検出手段と、前記3つの位置検出手段の出力信号に基づいて前記インバータ回路を駆動する出力信号を生成する駆動信号生成手段と、前記インバータ回路に流れる三相分の負荷電流を電圧に変換して検出する負荷電流検出抵抗と、前記負荷電流検出抵抗の両端電圧の値によって出力を切り換える位置検出電流調整手段を前記3つの位置検出手段の入力の一端と電源またはアースのどちらか一方に直列に設けたものである。
これにより、負荷電流の増減により、位置検出手段に直列に設けた位置検出電流調整手段の出力が切り換えられ、位置検出手段に流れる電流が調整されることとなり、位置検出手段の出力電圧の振幅値を負荷電流の増減に合わせた値に意図的に調整することができるという効果を奏する。
本発明の請求項2記載のブラシレスDCモータは、位置検出電流調整手段は、並列に接続された第一および第二の電流制限抵抗と第二の電流制限抵抗に直列に設けた半導体スイッチとこれを制御するスイッチ制御手段から構成され、スイッチ制御手段は、半導体スイッチの状態を調整するスイッチ調整手段と、負荷電流検出抵抗の両端電圧とあらかじめ設定していた電圧参照値の比較によりスイッチ調整手段の動作を決定するスイッチ決定手段を備え、スイッチ決定手段は、負荷電流検出抵抗の両端電圧が電圧参照値よりも低い場合半導体スイッチを開放状態とし、負荷電流検出抵抗の両端電圧が電圧参照値よりも高い場合、半導体スイッチを短絡状態とするものである。
これにより、負荷電流が少ないため電機子反作用の影響がほとんど無い場合、つまり、スイッチ決定手段が負荷電流検出抵抗の両端電圧が電圧参照値よりも低いと判定した場合には、スイッチ調整手段により半導体スイッチは開放状態となり、位置検出手段に流れる入力電流は第一の電流制限抵抗によって制限されることとなる。また、負荷電流が多いため電機子反作用の影響により一時的に電気的な遅れ位相となりやすい場合、つまり、スイッチ決定手段が負荷電流検出抵抗の両端電圧が電圧参照値よりも高いと判定した場合には、スイッチ調整手段により半導体スイッチは短絡状態となり、位置検出手段に流れる入力電流は第一の電流制限抵抗と第二の電流制限抵抗の並列接続の合成抵抗によって制限されることとなり、スイッチ決定手段が負荷電流検出抵抗の両端電圧が電圧参照値よりも低いと判定した場合と比較して、制限される抵抗値が小さいため、位置検出手段に流れる入力電流は多くなり、結果として、位置検出手段の出力電圧の振幅値を大きくすることができる。このようにして、負荷電流の増減により、半導体スイッチの状態が調整されて位置検出手段に直列に設けた位置検出電流調整手段の抵抗値が調整され、位置検出手段に流れる電流が調整されることとなり、位置検出手段の出力電圧の振幅値を負荷電流の増減に合わせた値に意図的に調整することができるという効果を奏する。
本発明の請求項3記載のブラシレスDCモータは、位置検出電流調整手段は、第一の電流制限抵抗と直列または並列に接続された可変抵抗と負荷電流検出抵抗の両端電圧により可変抵抗の抵抗値を調整する抵抗調整手段から構成され、抵抗調整手段は、負荷電流検出抵抗の両端電圧が低い場合、位置検出手段に流れる電流が減少する方向に可変抵抗の抵抗値を変更し、負荷電流検出抵抗の両端電圧が高い場合、位置検出手段に流れる電流が増加する方向に可変抵抗の抵抗値を変更するものである。
これにより、負荷電流が少ないため電機子反作用の影響がほとんど無い場合、つまり、負荷電流検出抵抗の両端電圧が低い場合には、抵抗調整手段は、その負荷電流検出抵抗の両端電圧の大きさにより、流れる電流が減少する方向に可変抵抗の抵抗値を大きくする。また、負荷電流が多いため電機子反作用の影響により一時的に電気的な遅れ位相となりやすい場合、つまり、負荷電流検出抵抗の両端電圧が高い場合には、抵抗調整手段は、その負荷電流検出抵抗の両端電圧の大きさにより、流れる電流が増加する方向に可変抵抗の抵抗値を小さくする。このようにして、負荷電流の増減により、可変抵抗の抵抗値が調整されて位置検出手段に直列に設けた位置検出電流調整手段の抵抗値が調整され、位置検出手段に流れる電流が調整されることとなり、位置検出手段の出力電圧の振幅値を負荷電流の増減に合わせた値に意図的に調整することができるという効果を奏する。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明のブラシレスDCモータの断面図で、三相コイル1は、巻線2が巻装され、回転子3は、永久磁石4とシャフト5を一体化して形成されている。6はベアリング、7は金属製のブラケットである。プリント基板8には、インバータ回路9、位置検出手段10、位置検出電流調整手段11、駆動信号生成手段12および負荷電流検出抵抗13が実装されている。プリント基板8は、コネクタ14で外部回路と接続される。
図2は、本実施の形態のブラシレスDCモータの構成を示すブロック図である。本実施の形態のブラシレスDCモータは、インバータ回路9と、位置検出手段10と、駆動信号生成手段12と、負荷電流検出抵抗13と、位置検出電流調整手段11を備えている。インバータ回路9は、三相コイル1に駆動電圧を与えて駆動電流を供給する複数のスイッチング素子と複数の整流素子とで構成される。位置検出手段10は、電気角で120°の間隔で3個配置されて、ブラシレスDCモータの磁石で形成された回転子3の位置と速度を検出する。駆動信号生成手段12は、3つの位置検出手段10の出力信号に基づいてインバータ回路9を駆動する出力信号を生成する。負荷電流検出抵抗13は、インバータ回路9に流れる三相分の負荷電流を電圧に変換して検出する。位置検出電流調整手段11は、3つの位置検出手段10の入力の一端と位置検出手段10に電圧を供給する電源15に直列に設けられている。
また、図2に示すように位置検出手段10は、一例として、ホール素子等の磁極検知素子を用いて、三相コイル1と回転子3の磁極の切り換わりを検出し、回転速度に応じた速度情報と回転子3の位置情報を駆動信号生成手段12に出力するものである。
また、位置検出手段10は、互いに位相が180°反転した2つの正弦波状の電圧値を出力するものである。
また、図2に示すように位置検出手段10の位置検出電流調整手段11と接続していない入力の一端はアース16と直接接続されるものである。
また、三相コイル1には、スイッチング素子、例えば、IGBTやMOSFET等をブリッジ接続したインバータ回路9が接続されており200〔V〕程度の高圧直流電圧を印加するものである。
また、駆動信号生成手段12は、位置検出手段10の位置情報からインバータ回路9を駆動する出力信号を生成するものである。この出力信号は、インバータ回路9を介して三相コイル1に電流を流すPWM信号でPWMの幅は外部からの速度指示信号によって与えられるものである。
また、図3に示すように位置検出電流調整手段11は、並列に接続された第一の電流制限抵抗17および第二の電流制限抵抗18と、第二の電流制限抵抗18に直列に設けた半導体スイッチ19と、半導体スイッチ19を制御するスイッチ制御手段20とで構成している。
また、半導体スイッチ19は、一例として、NPNトランジスタやPNPトランジスタ等の半導体部品を用いて構成され、スイッチ制御手段20により位置検出手段10の入力両端に流れる電流値を変えることが可能である。
また、スイッチ制御手段20は、スイッチ調整手段21と、電圧参照値22と、スイッチ決定手段23を備えている。
ここで、電圧参照値22とは、ある閾値電圧のことであり、負荷電流検出抵抗13の両端電圧の最大値よりも小さい任意の正の電圧値に設定できるものである。
また、図3に示すようにスイッチ調整手段21は、半導体スイッチ19の短絡状態および開放状態を切り換えるものである。
また、スイッチ決定手段23は、負荷電流検出抵抗13の両端電圧とあらかじめ設定していた電圧参照値22の比較により、スイッチ調整手段21の状態を決定するものである。
すなわち、スイッチ決定手段23は、負荷電流検出抵抗13の両端電圧が電圧参照値22よりも低いと判定した場合には、スイッチ調整手段21により半導体スイッチ19は開放状態となるため、位置検出手段10に流れる入力電流は第一の電流制限抵抗17によって制限されることとなる。
また、スイッチ決定手段23は、負荷電流検出抵抗13の両端電圧が電圧参照値22よりも高いと判定した場合には、スイッチ調整手段21により半導体スイッチ19は短絡状態となるため、位置検出手段10に流れる入力電流は第一の電流制限抵抗17と第二の電流制限抵抗18の並列接続の合成抵抗によって制限されることとなる。
すなわち、スイッチ決定手段23が負荷電流検出抵抗13の両端電圧が電圧参照値22よりも低いと判定した場合と比較して、制限される抵抗値が小さいため、位置検出手段10の出力電圧の振幅値を大きくするものである。
ここで、負荷電流検出抵抗13の両端電圧の最大値に対して、電圧参照値22を大きな値を選択すると、半導体スイッチ19はなかなか短絡状態とならず、負荷電流がかなり多く流れなければ位置検出手段10の出力電圧の振幅値は大きくならないため、電機子反作用の影響を軽減できる効果がかなり制限され、モータ効率が悪化してしまう。
一方、負荷電流検出抵抗13の両端電圧の最大値に対して、電圧参照値22を小さな値を選択すると、半導体スイッチ19はすぐに短絡状態となり、負荷電流がほとんど流れなくても位置検出手段10の出力電圧の振幅値は大きくなってしまい、軽負荷では理想に対して位相進みとなるため、モータ効率が悪化してしまう。
すなわち、電圧参照値22は、負荷電流に合わせて適切に設定するものである。
なお、位置検出手段10の入力の一端とアース16との接続方法は、図2および図3に示すように直接接続する必要は必ずしもなく、位置検出手段10を過大な電圧や電流より保護するために直列に設けた第一の電流制限抵抗17および第二の電流制限抵抗18とは別の電流制限抵抗を介して接続する構成であってもよい。
また、位置検出手段10の入力の一端と位置検出電流調整手段11との接続方法は、図2および図3に示すように電源15と必ずしも直列に接続する必要はない。すなわち、位置検出手段10の入力の一端とアース16に直列に位置検出電流調整手段11を接続し、電源15は位置検出手段10のもう一方の入力の一端と直接または位置検出手段10を過大な電圧や電流より保護するために直列に設けた第一の電流制限抵抗17および第二の電流制限抵抗18とは別の電流制限抵抗を介して接続する構成であってもよい。
上記構成において、ブラシレスDCモータの位置情報検出装置の制御動作を図3のブロック図を用いて説明する。
まず、インバータ回路9に三相分の負荷電流が流れると、負荷電流検出抵抗13により電圧に変換して検出される。
そして、スイッチ決定手段23は、負荷電流検出抵抗13の両端電圧とあらかじめ設定していた電圧参照値22との大小関係を比較する。
さて、負荷電流が少ないため電機子反作用の影響がほとんど無い場合、つまり、スイッチ決定手段23が負荷電流検出抵抗13の両端電圧が電圧参照値22よりも低いと判定した場合には、スイッチ調整手段21により半導体スイッチ19は開放状態となり、位置検出手段10に流れる入力電流は第一の電流制限抵抗17によって制限されることとなる。
また、負荷電流が多いため電機子反作用の影響により一時的に電気的な遅れ位相となりやすい場合、つまり、スイッチ決定手段23が負荷電流検出抵抗13の両端電圧が電圧参照値22よりも高いと判定した場合には、スイッチ調整手段21により半導体スイッチ19は短絡状態となる。そして、位置検出手段10に流れる入力電流は第一の電流制限抵抗17と第二の電流制限抵抗18の並列接続の合成抵抗によって制限されることとなる。従って、スイッチ決定手段23が負荷電流検出抵抗13の両端電圧が電圧参照値22よりも低いと判定した場合と比較して、制限される抵抗値が小さいため、位置検出手段10に流れる入力電流は多くなる。結果として、位置検出手段10の出力電圧の振幅値は大きくなる。
このようにして、負荷電流の増減により、半導体スイッチ19の状態が調整されて位置検出手段10に直列に設けた位置検出電流調整手段11の出力である第一の電流制限抵抗17および第二の電流制限抵抗18で決定される抵抗値が調整され、位置検出手段10に流れる電流が調整されることとなり、位置検出手段10の出力電圧の振幅値を負荷電流の増減に合わせた値に意図的に調整することができる。
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2について図4を参照しながら説明する。実施の形態1と同一部分は同一番号を附し詳細な説明を簡略化する。
本実施の形態では、実施の形態1の位置検出電流調整手段11の別の形態を説明する。
位置検出電流調整手段11は、並列に接続された第一の電流制限抵抗17および可変抵抗24と、可変抵抗24の抵抗値を調整する抵抗調整手段25とで構成している。
抵抗調整手段25は、負荷電流検出抵抗13の両端電圧により可変抵抗24の抵抗値を調整するものであり、負荷電流検出抵抗13の両端電圧が低い場合、位置検出手段10に流れる電流が減少する方向に可変抵抗24の抵抗値を大きくし、負荷電流検出抵抗13の両端電圧が高い場合、位置検出手段10に流れる電流が増加する方向に可変抵抗24の抵抗値を小さくする。つまり、実施の形態1では、スイッチ決定手段23により負荷電流検出抵抗13の両端電圧と電圧参照値22を比較した結果で、動作を切り換えるスイッチ調整手段21により半導体スイッチ19の開放状態と短絡状態を離散的に切り換えていたが、本実施の形態では、負荷電流検出抵抗13の両端電圧から抵抗調整手段25により可変抵抗24の抵抗値を連続的に調整するところに特徴がある。
上記構成において、ブラシレスDCモータの位置情報検出装置の制御動作を図4のブロック図を用いて説明する。
まず、インバータ回路9に三相分の負荷電流が流れると、負荷電流検出抵抗13により電圧に変換して検出される。
そして、抵抗調整手段25は、負荷電流検出抵抗13の両端電圧により、可変抵抗24の抵抗値を可変させる電圧を生成する。
さて、負荷電流が少ないため電機子反作用の影響がほとんど無い場合、つまり、負荷電流検出抵抗13の両端電圧が低い場合には、抵抗調整手段25は、その負荷電流検出抵抗13の両端電圧の大きさにより、流れる電流が減少する方向に可変抵抗24の抵抗値を大きくする。また、負荷電流が多いため電機子反作用の影響により一時的に電気的な遅れ位相となりやすい場合、つまり、負荷電流検出抵抗13の両端電圧が高い場合には、抵抗調整手段25は、その負荷電流検出抵抗13の両端電圧の大きさにより、流れる電流が増加する方向に可変抵抗24の抵抗値を小さくする。
このようにして、負荷電流の増減により、可変抵抗24の抵抗値が調整されて位置検出手段10に直列に設けた位置検出電流調整手段11の出力である第一の電流制限抵抗17および可変抵抗24で決定される抵抗値が調整され、位置検出手段10に流れる電流が調整されることとなり、位置検出手段10の出力電圧の振幅値を負荷電流の増減に合わせた値に意図的に調整することができる。
なお、本実施の形態においては、第一の電流制限抵抗17および可変抵抗24を並列に接続したが、直列に接続してもよい。このとき(第一の電流制限抵抗17および可変抵抗24を直列に接続した場合)、負荷電流検出抵抗13の両端電圧が低い場合には、可変抵抗24の抵抗値を大きくする。また、負荷電流検出抵抗13の両端電圧が高い場合には、可変抵抗24の抵抗値を小さくするという構成でもよい。
本発明にかかるブラシレスDCモータの位置情報検出装置は、負荷電流が多くなると自動的に三相分の位置検出手段の出力電圧の振幅値を大きくすることで、ブラシレスDCモータの通電切り換えタイミングを意図的に進めることができるので、レンジフード、天井埋め込み換気扇や浴室暖房換気扇等の換気装置、空気清浄機等の送風装置に搭載されるブラシレスDCモータの位置情報検出装置に有用である。
1 三相コイル
2 巻線
3 回転子
4 永久磁石
8 プリント基板
9 インバータ回路
10 位置検出手段
11 位置検出電流調整手段
12 駆動信号生成手段
13 負荷電流検出抵抗
14 コネクタ
17 第一の電流制限抵抗
18 第二の電流制限抵抗
19 半導体スイッチ
20 スイッチ制御手段
21 スイッチ調整手段
22 電圧参照値
23 スイッチ決定手段
24 可変抵抗
25 抵抗調整手段

Claims (2)

  1. ブラシレスDCモータの三相コイルに駆動電圧を与えて駆動電流を供給する複数のスイッチング素子と複数の整流素子とで構成されるインバータ回路と、
    ブラシレスDCモータの磁石で形成された回転子の位置と速度を検出するそれぞれ電気角で120°の間隔で配置された三相分の3つの位置検出手段と、
    前記3つの位置検出手段の出力信号に基づいて前記インバータ回路を駆動する出力信号を生成する駆動信号生成手段と、
    前記インバータ回路に流れる三相分の負荷電流を電圧に変換して検出する負荷電流検出抵抗と、を備え、
    前記負荷電流検出抵抗の両端電圧の値によって出力を切り換える位置検出電流調整手段を前記3つの位置検出手段の入力の一端と電源またはアースのどちらか一方に直列に設け
    前記位置検出電流調整手段は、
    並列に接続された第一および第二の電流制限抵抗と、
    前記第二の電流制限抵抗に直列に設けた半導体スイッチと、
    前記半導体スイッチを制御するスイッチ制御手段から構成され、
    前記スイッチ制御手段は、
    前記半導体スイッチの状態を調整するスイッチ調整手段と、
    前記負荷電流検出抵抗の両端電圧とあらかじめ設定していた電圧参照値の比較により前記スイッチ調整手段の動作を決定するスイッチ決定手段と、を備え、
    前記スイッチ決定手段は、
    前記負荷電流検出抵抗の両端電圧が前記電圧参照値よりも低い場合、前記半導体スイッチを開放状態とし、
    前記負荷電流検出抵抗の両端電圧が前記電圧参照値よりも高い場合、前記半導体スイッチを短絡状態とすることを特徴とするブラシレスDCモータ。
  2. ブラシレスDCモータの三相コイルに駆動電圧を与えて駆動電流を供給する複数のスイッチング素子と複数の整流素子とで構成されるインバータ回路と、
    ブラシレスDCモータの磁石で形成された回転子の位置と速度を検出するそれぞれ電気角で120°の間隔で配置された三相分の3つの位置検出手段と、
    前記3つの位置検出手段の出力信号に基づいて前記インバータ回路を駆動する出力信号を生成する駆動信号生成手段と、
    前記インバータ回路に流れる三相分の負荷電流を電圧に変換して検出する負荷電流検出抵抗と、を備え、
    前記負荷電流検出抵抗の両端電圧の値によって出力を切り換える位置検出電流調整手段を前記3つの位置検出手段の入力の一端と電源またはアースのどちらか一方に直列に設け、
    前記位置検出電流調整手段は、
    第一の電流制限抵抗と直列または並列に接続された可変抵抗と負荷電流検出抵抗の両端電圧により前記可変抵抗の抵抗値を調整する抵抗調整手段から構成され、
    前記抵抗調整手段は、
    前記負荷電流検出抵抗の両端電圧が低い場合、位置検出手段に流れる電流が減少する方向に前記可変抵抗の抵抗値を変更し、
    前記負荷電流検出抵抗の両端電圧が高い場合、前記位置検出手段に流れる電流が増加する方向に前記可変抵抗の抵抗値を変更することを特徴とするブラシレスDCモータ。
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