JPH0279792A - 高速３相直流電動機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 定速、定トルク、サーぜ用として産業機器の駆動源とし
て使用される。高速度なので、毎分数万回の回転が必要
なトリルマシンのドリルの駆動源にも利用できる。

〔従来の技術〕

高速電動機として、インノ々−夕を使用した誘導電動機
がある。半導体電動機（ブラシレスモータ）としては、
インダクタンスの小さいコアレス電動機が、高速電動機
として知られている。

〔本発明が解決しようとしている課題〕第７の課題。

一般に、交流電源を整流して直流電源としているので、
大型高価となる欠点がある。特にイン・χ−タを使用す
る場合には、上記した問題点が大きい欠点となっている
。

第一の課題。

回転数が毎分３ｏｏｏ　−ｔｏｏｏ回転位が限度で、大
きい出力の場合には、回転数が上記した回転数より減少
する。

回転を上昇する為に印加電圧を上昇すると、効率が劣化
して実用性が失なわれる不都合がある。

第３の課題。

定トルク、定速若しくはサーゼ制御する電気回路で、高
速度のときに安定して作動するものがない。特に効率良
く作動するものが開発されていない問題点がある。

〔課題を解決する為の手段〕

本発明装置の第３図（ａ）の回路を利用すると、直流電
源に電圧リプルが残存しても、チョッパ回路の周波数が
変化するだけなので差支えない。

従って、大型高価な平滑用のコンデンサの容量が小さく
、小型廉価となる。

以上が第１．の手段である。

３相Ｙ型接続の直流電動機を利用し、第１．第２、第３
の相の電機子コイルの正方向の通電モードを人相の電機
子コイルの通電、逆方向の通電モードをＢ相の電機子コ
イルの通電と呼称すると、Ａ、Ｂ相のλつの相の電機子
電流の制御により定トルクの制御ができる。

以上が第２の手段である。

Ａ相若しくはＢ相の位置検知信号は、電気角で１２０度
の巾で連続しているので、電源正極側に順方向のダイオ
ードを挿入するのみで、電機子コイルの蓄積磁気エネル
ギを、次の通電すべき電機子コイルの磁気エネルギの蓄
積に利用することができる。

従って、高速度で効率の良好な電動機を得ることができ
る 以上が第３の手段である。

〔作用〕

第３図（ａ）の実施例において、電機子電流は、チョッ
パ回路により設定値に保持されている。

従って、直流電源に大きいりプル電圧を含んでいても、
チヨッ、６周波数が変化するのみで、電機子電流値は設
定値に保持されるので、交流電源を整流したときに付加
する平滑用のコンデンサの容量が小さく、３相交流が電
源の場合には平滑用のコンデンサは著しく小さくなる。

又整流後に、サイン波電圧のピーク値のみでな（、比較
的広い巾の部分の電圧が利用されるので。

整流装置が小型廉価となり、電気ノイズも小さくなる。

従って、第１の課題を解決する作用がある。

位置検知信号が連続している人相とＢ相の電機子コイル
を分離して通電制御を行なっているので、電機子コイル
の通電が断たれたときの蓄積磁気エネルギは、次に通電
すべき電機子コイルの磁気エネルギに転化される。

従って、磁気エネルギの消滅と次の電機子電流の立上り
の速度は急速となり、反トルクと減トルクの発生が抑止
されるので、高速、高効率の電動機が得られる。

従って、第２．第３の課題が解決される作用がある。又
、３相の電動機を人相とＢ相の電機子コイルに分離して
電機子電流を制御しているので、制御回路が簡素化され
る作用がある。

〔実施例〕

第７図以下の実施例について、本発明の詳細な説明する
。

各図面の同一記号のものは同一部材なので、その重複し
た説明は省略する。

以降の角度表示はすべて電気角で表示する。

第１図は、３相、Ｙ型接続の３相の半導体電動機のマグ
ネット回転子ｌと電機子コイル４Ｃａ、４４ｂ、４Ｚｃ
の展開図である。位置検知素子となるホール素子ｊａ　
、Ｊｂ　、Ｊｃは、ｉ、ｚｏ度離間して図示の位置で、
電機子側に固定され、磁極／ａ、／ｂに対向している。

ホール素子の出力は、周知の手段により増巾され、矩形
波の電気信号となる。

上述した電気信号は、磁極／ａ、／ｂの巾を検出する周
知の手段により得られるので、第５図のタイムチャート
の曲線Δａ、２ｊｂ、・・・２曲線２７ａ。

コアｂ、・・・１曲線２９ａ、２９ｂ、・・・は、それ
ぞれホール素子３ａ、３ｂ、３ｃが磁極／１）（Ｓ極）
の磁界内にあるときの出力である。曲線易ａ　、　ｇｂ
　。

・・・９曲線コａ、２１ｂ、・・・１曲線、ｉｏａ　、
　３０ｂ　、・・・は、それぞれの上段の電気信号を反
転したものである。

各曲線の巾は１ｇＯ度で、互いにｉｒｏ度離間している
Ｏ 第２図の端子ｊａ　、　Ｊｂ　、　ｊｃ　、・・・には
、それぞれ上記した曲線ｊｊａ　、　＃ｂ　、・・・及
び曲線ツａ。

２１、　ｂ　、　−及び曲線２７ａ　、　２７　ｂ　、
−曲線２１ａ、２１ｂ。

・・・２曲線２９ａ、２デｂ、　ＨＴ＋１曲線Ｊ（：）
ａ　、　ＪＯｂ　、　・・・で示される電気信号が入力
されている。ブロック回路Ｂは、入力された電気信号よ
り、Ｙ型接続された半導体電動機を駆動する為の１２０
度の巾の６系列の位置検知信号を得る為の論理回路で、
周知の手段となっているものである。

従って、端子４ａ、＆ｂ、Ａｃの出力は、それぞれ第５
図の曲線、７／ａ　、Ｊ／ｂ　、−及び曲線３：Ｌａ、
３２ｂ、・・・及び曲線３３ａ、３３ｂ、・・・どなる
。

端子＆ｄ、＆ｅ、４ｆの出力は、それぞれ曲線ｊ＃ａ　
、３１Ａｂ、”・及び曲線３！；ａ、３５ｂ、・・・及
び曲線３ｂｈ、Ｅｂｂ、・・・の電気信号となる。

曲線３／　ａ　＋　３／　ｂ　＊・・・の位置検知信号
を第１の位置検知信号と呼称し、第５図の順次に次の段
の位置検知信号を第２．第３．・・・、第６の位置検知
信号と呼称する。

第１．第２．第３の位置検知信号は、第３図（ａ）の端
子１ｈ、ｒｂ、ｒａにそれぞれ入力され、第μ、第ｊ、
第６の位置検知信号は、それぞれ端子りａ、りす、りＣ
に入力される。

第３図（ａ）の回路は、第１図の電機子コイル４！ａ。

≠ｂ、弘Ｃの通電制御回路である。

電機子コイル４４ａ、）ランジスタ１０　ａ　＋　／（
１１ｂ　＋１０ａ、１０ｄは、ブリッジ歯路となり、電
機子コイル４４ｂ、）ランジスタ／／ａ　、　／／ｂ　
、　／／　ｃ　、　／／ｄもブリッジ回路となっている
。

ブロック回路りも、電機子コイル４４ｃの同じ構成のブ
リッジ回路である。端子♂ａ、♂ｂにハイレベルの入力
信号があると、トランジスタ１０ａ。

ｌＯｂ及びトランジスタ／／ａ、／／ｂが導通して、電
機子コイル４Ｚａ、１ＩＬｂは右方（正方向）に通電さ
れる。

端子りａ、りｂにハイレベルの入力信号があると、トラ
ンジスタ１０ｃ、１０ｄ及びトランジスタｌ／ｃ、／／
ｄが導通して、電機子コイル弘ａ、≠ｂは左方（逆方向
）に通電される。

同じ事情により、端子♂Ｃ０りＣに、ハイレベルの入力
信号があると、電機子コイル≠Ｃは正若しくは逆方向に
通電される。

以上の説明より判るように、電機子コイル≠ａ。

Ｉｌ、ｂ、４（ｃの正方向の通電は、それぞれ、位置検
知信号曲線Ｊ／ａ　＋　３１　ｂ＋　・・・及び曲線、
３２ａ、３コｂ。

・・・及び曲線３３ａ、３３ｂ、・・・の巾だけ順次に
行なわれる。

電機子コイルグａ、≠ｂ、４（ｃの逆方向の通電は、そ
れぞれ位置検知信号曲線３ψａ、３４！ｂ、・・・及び
曲線３５ａ、３！；ｂ、・・・及び曲線３Ａａ、　ＪＡ
ｂ　、　・・−の巾だけ順次に行なわれる。

曲線、７／ａ　、３２ａ、３３ａによる電機子コイルｇ
ａ。

４Ｌｂ、４Ｚｃの正方向の通電を第弘図（ｂ）について
説明する。

端子ｆａに曲線３／ａに示す電気信号が入力されると、
第３図（ａ）の端子２ａの正電圧が印加され、トランジ
スタ１０ａ、１０ｂが導通するので、電機子コイル弘ａ
が右方（正方向）に通電される。

通電初期には、電機子コイル弘ａのインダクタンスの為
に、第弘図（ｂ）の点線／？ａに示すように電機子電流
は上昇する。

抵抗／Ｊａの電圧降下は、電機子電流に比例するので電
機子電流の検出手段となる。

抵抗／Ｊａの電圧降下が、オペアンプｌりａの十端子即
ち基準正電圧端子１５の電圧を越えると、オペアンプｌ
ψａの出力はローレベルに転化して、トランジスタ７ａ
が導通する。

従って、トランジスタｌＯａが不導通となり、電機子コ
イルμａに蓄積された磁気エネルギは、トランジスタ１
０ｂ、抵抗／Ｊａ、ダイオード／：ｌｄを介して放電さ
れ、電機子電流は、減少する。

抵抗／Ｊａの電圧降下も漸減するので、オペアン・プｌ
弘ａのヒステリシス特性により所定値まで一端子の入力
が降下すると、オペアンプ／４！ａの出力は再びハイレ
ベルに復帰して、トランジスタ７ａが不導通に、又トラ
ンジスタ／（７ａは導通する。

従って、電機子コイル≠ａの電機子電流は増大し、設定
値まで増大すると、トランジスタ７ａが導通し、トラン
ジスタ／□ａは不導通となり、電機子電流は漸減する。

上述したサイクルを繰返すチヨッ・２回路となり、電機
子電流は、脈流となる。その上限は、基準正電圧端子１
５の電圧により制御される。

位置検知信号Ｊ／ａの末端において、トランジスタ１０
ａ、１０ｂが不導通となるので、電機子コイル１Ｉ−ａ
の蓄積磁気エネルギは、ダイオ−’ｒ”／２　ｃ　、　
／２ｄを介して、コンデンサ／４ａを充電する。

又同時に、位置検知信号３２ａによる端子ｌ？’ｂの入
力により、トランジスタ／／ａ、／／ｂが導通している
ので、上述した磁気エネルギは、電機子コイル弘ｂの通
電の立上り電流（第弘図（ｂ）の点線／Ｐｃ）を急速と
する。又電機子コイル／ダａの磁気エネルギは点線／ｑ
１）のように放電される。

コンデンサ／Ａａは、点線ｉｑｂによる磁気エネルギの
放電と点＠／９ｃによる磁気エネルギの蓄積の時間的な
差の分だけ充放電が行なわれるものである。従ってコン
デンサ／Ａａの容量は小さいものでよい。除去してもよ
い場合もある。

電機子コイル＋ｂの電流のチョッＡ制御は、電機子コイ
ルｌａと全く同様に、オペアンプ／４Ｌａ　。

抵抗／Ｊａ、）ランジスタフｃにより、点線３０区間で
行なわれ、電機子電流の値は、基準電圧端子／３の電圧
により規制される。

位置検知信号３コａの末期及び、端子Ｊ’ｃより入力さ
れる位置検知信号ｊＪａによる電機子コイル弘Ｃの正方
向の通電の立上りも上述した場合と全く同様に行なわれ
、電機子電流の降下部と立上り部が点線で示されている
。

又オペアンプ／４４ａ、抵抗／Ｊａ及びトランジスタ７
ａ、７ｃに対応するもので、ブロック回路り内に含まれ
ているトランジスタを介して、電機子コイルｌＡｃの電
機子電流のチヨッ・ξ制御が行なわれている。

一第μ図（ｂ）の矢印Ｆの区間が３０度を越えると、点
線／９１）の末期が反トルクとなり、点線／９ｃの末期
が減トルクとなるので１回転速度の上昇が抑止され、効
率も劣化する。

本発明装置では、矢印Ｆの巾は、電源電圧（端Ｊａの電
圧）とコンデンサ／Ａａの容量により変更される。端子
−ａの電圧を上昇し、コンデンサ１６ａの容量を小さく
すると、矢印Ｆの巾が小さくなリ、高速度の回転とする
ことができ、反トルク。

減トルクが消滅されて効率の劣化が防止される特徴があ
る。

端子りａ、りす、りＣより入力される第≠、第ｊ、第６
の位置検知信号、？Ａａ　、ｔ？ＩＡａ　、Ｊｊａ　（
第弘図（ｂ）図示）により、第１．第２．第３の位置検
知信号の場合と全く同様に、トランジスタ１０　ｃ　、
　１０ｄ、７１）及びトランジスタ／／ｃ　、／／ｄ　
、　７　ｄ及びブロック回路りにより、それぞれ電機子
コイル≠ａ、ｔＡｂ、ｔＡｃの左方（逆方向）の通電制
御が行なわれる。

オペアンプ／４４１）、基準正電圧端子／３．コンデン
サ／Ａｂ、ダイオード７７ｔ）及び各トランジスタに並
列に逆接続されたダイオードの作用も全く第１゜第２．
第３の位置検知信号による場合と同様で問。

従って、作用効果も又同様である。第１．第２゜第３の
位置検知信号を人相の位置検知信号、第弘。

第ｊ、第乙の位置検知信号をＢ相の位置検知信号と呼称
する。

第７図（ｂ）の点線２／　、　ｕの区間は、チョッパ制
御の行なわれている区間を示している。

人相の電機子コイル、Ｂ相の電機子コイルと分離して電
機子電流を制御したので、通電制御回路が２系統となり
、電気回路が簡素化される効果がある。

人相とＢ相の位置検知信号がそれぞれ１２０度の巾で端
界が重畳することなく、連続しているので、第３図（ａ
）ダイオード／７ｈ、／７ｂ、コンデンサ／Ａａ。

／Ａｂのみにより、電機子電流の降下部と立上り部の巾
を３０度以内とすることができ、高速度、高効率の電動
機が得られる特徴がある。

電機子電流（出力トルク）は基準正電圧により制御され
、印加電圧に依存しないので、直流電源電圧のりゾル電
圧があっても、チョッ・ぞ周波数に影響を与えるのみで
ある。

従って、交流電源を整流して使用する場合に平滑用のコ
ンデンサの容量が小さ（できる。３相交流の場合には、
更に小さい容量のものでよい。

従って、電源部が小型価となる効果がある。

又交流電源のサイン波電圧のピーク値近傍のみを使用す
る必要がなく、サイン波の％位の巾の部分の通電が利用
できるので、電気ノイズが減少し、力率を上昇できる効
果がある。

第３図（ａ）で、チョッパ制御の為に、ブリッジ回路の
上側のトランジスタのオンオフの制御を行なったが、下
側のトランジスタ（記号１０ｂ、１０ｄ・・・）のオン
オフの制御を行なっても同じ′目的が達成できる。

この場合には、オペアンプ１４’　ａ　ｌ　／弘すの出
力で作動する単安定回路を設け、単安定回路の出力によ
り、下側のトランジスタを不導通に保持することにより
チヨッ・ぞ制御を行なうことができる。

第３図（ｂ）の実施例は、第３図（ａ）のチョッパ回路
（オペアンプ／弘ａ、／４’ｔ）、端子／！；、トラン
ジスタ７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄを除去したものである。

直流電源ｊａ、Ｊｂのリシル電圧は、電機子電流を変化
させるので、一定とする必要がある。従って・々ツテリ
電源の場合に使用すると有効な技術となる。

第≠図（ａ）とともに第３図（ｂ）の回路の説明をする
。

端子１ａ、ｒｂ、♂Ｃの入力は、それぞれ位置検知信号
３／　ａ　、　ＪＪａ　、　３３ａ即ち第１．第２．第
３の位置検知信号となり連続し、人相の電機子コイルの
通電制御を行なっている。端子９ａ、りす。

りＣの入力は、それぞれ第≠、第ｊ、第６の位置検知信
号なので、電機子コイル≠ａ、≠ｂ、弘ＣはＢ相の通電
モードとなる。

前実施例と異なり、チョッ・ぐ制御が付加されていない
ので、電機子電流は、端子２％、２ｂの印加電圧に対応
したものとなる。

端子ｒ　ａ　、　Ｊ’　ｂ　＊♂Ｃの入力信号は、第１
図（ａ）の曲線Ｊ／ａ　、３２ａ、ＪＪａとなり、端子
りａ、りす。

りＣの入力信号は１曲線３６　ａ　、　３４！ａ　、　
３３ａとなる。

曲線ｊ／ａによる電機子コイル弘ａの正方向の通電の立
上りの曲線は点線ｌ♂ａとなり、末期の降下部の曲線は
、点線ｌｌｂとなる。曲１ｉＪ３２ａによる電機子コイ
ル弘すの正方向の通電の立上りの曲線は点線／ｌａとな
る。

矢印Ｅは、点線ｌざｂと／ざＣの巾を示し、この巾が３
０度以内となることが高速化に必要な条件となることは
前実施例と同様である。

この条件が満足される理由は、前実施例と全く同じで、
ダイオ−ｒ／７ａ　、／７ｂコンデンサ／Ａａ。

ｌＡｂがある為である。

他の位置検知信号曲線の境界部における電機子電流の降
下部と立上り部においても上記した事情は同じである。

点線部は電機子電流曲線を示している。その１部の平坦
部が記号／ざとして示されている。

以上の説明より理解されるように、第３図（ａ）の実施
例は、前実施例より回路が簡素化されているが、高速、
高効率化の特性が保持される効果がある・ 第５図の曲ＩｎはＡ相の電機子コイルの通電による出力
トルクを示し、曲線弘Ｓは、Ｂ相の電機子コイルの通電
による出力トルクを示している。

通電巾が１２０度なので、曲線ケルの中央部のみの通電
となり効率が上昇する。曲線Ｉｌｌ、　、　ｌＡｂ　ａ
は、１１０度の通電巾の通電時の電機子電流曲線である
。

曲線４ｔ６ａは磁気エネルギの放出による通電で、反ト
ルクとなる。右側の通電が大きくなっているので、反ト
ルクとともに効率を劣化する原因となる。

本実施例によると、上述したように効率の劣化が防止さ
れて効率が上昇する。

〔効果〕

第１の効果。

交流を整流して得られる直流電源により運転する場合に
、平滑コンデンサが小さい容量のものでよく、電気ノイ
ズの発生が少なく、力率が良好となる。又電源が小型廉
価となる。

第２の効果。

Ａ相とＢ相の電機子コイルに分離して、電機子電流の制
御を行なうので、制御回路が簡素化され、又Ａ相、Ｂ相
に対する位置検知信号が、重畳することなく、シかも連
続しているので、ダイオード２個を付加するのみで高速
、高効率の３相Ｙ型接続の電動機を得ることができる。

第３の効果。

チョッノぞ回路を併用することにより、出力トルクと回
転速度を独立に制御できる。印加電圧を高くすることに
より回転速度が上昇し、基準電圧源の電圧により、出力
トルクを制御できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明装置のマグネット回転子と電機子コイ
ルの展開図、第２図は、位置検知信号を得る為の電気回
路図、第３図は、電機子コイルの通電制御回路図、第ｖ
図及び第５図は、位置検知信号、電機子電流、出力トル
クのタイムチャートをそれぞれ示す。 ｌ・・・マグネット回転子、　　／ａ、／ｂ・・・磁極
、Ｊａ、Ｊｂ、ＪＣ−ホール素子、４Ｃａ、ｇｂ。 １１ａ・・・電機子コイル、　Ｂ・・・ブロック回路、
コａ、２ｂ・・・直流電源正負極、　／７ａ、／７ｂ・
・・ダイオード、　／（７ａ　、１０ｂ　、１０ａ　、
ｌＯｄ、／／ａ　、ｌＡｂ　、／／ｃ　、／／ｄ　、　
７ａ　、　７ｂ　、　７ｃ　、　７ｄ＝）ランジスタ、
　／弘ａ、／４’ｂ・・・オペアンプ、　１５・・・基
準正電源端子、　　Ｄ・・・電機子コイルｅｃの通電制
御回路、　　＃ａ　＋２３ｂ、−・・、２Ｊａ、２６ｂ
、−、、コアａ　　、２７ｂ　　、−，２１ｔｓ　　、
２１ｂ　　、・−，２デｔｚ、２デｂ　、＋＋＋　　。 ３０ａ、３０１：、”’、３／ａ　、ｌＡｂ　、　・・
・、３２ａ、３２ｂ。 −、ＪＪａ　、ＪＪｂ　、・・・、３１Ａａ、３１Ａｂ
　　、−、Ｊ！；ａ　、Ｊｊｂ、・・・、３Ａａ、３６
ｂ、・・・９位置検知信号曲線、弘６．侘ａ・・・電機
子電流曲線、　杯、釘・・・トルク曲線。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）３相Ｙ型接続の直流電動機において、 マグネット回転子の位置を検知して、電気角で１２０度
   の巾で、時間的に重畳することなく、しかも順次に連続
   した位置検知信号が配設されたＡ相の位置検知信号なら
   びにＡ相の位置検知信号と電気角で６０度の位相差のあ
   る同じ構成のＢ相の位置検知信号が得られように、互い
   に電気角で１２０度離間して設けられた位置検知素子３
   個を含む位置検知装置と、 第１相、第２相、第３相の電機子コイルの正方向の通電
   モードをＡ相の電機子コイルの通電、逆方向の通電モー
   ドをＢ相の電機子コイルの通電と呼称したときに、第１
   相、第２相、第３相の電機子コイルのそれぞれを正逆方
   向に通電を行なう第１、第２、第３のトランジスタブリ
   ッジ回路と、第１、第２、第３のトランジスタブリッジ
   回路に供電する直流電源正負極と、Ａ相の位置検知信号
   により、第１、第２、第３のトランジスタブリッジ回路
   のトランジスタを順次にサイクリックに付勢してＡ相の
   電機子コイルの通電を行ない、 Ｂ相の位置検知信号により、第１、第２、第３のトラン
   ジスタブリッジ回路のトランジスタを順次にサイクリッ
   クに付勢してＢ相の電機子コイルの通電を行なって、１
   方向の出力トルクを発生せしめる通電制御回路と、前記
   した直流電源正極側とＡ相、Ｂ相の電機子コイル側との
   間にそれぞれ順方向に挿入された第１、第２のダイオー
   ドと、位置検知信号により電機子コイルの通電される区
   間が、最大トルクの発生する区間と合致するように前記
   した位置検知素子を固定電機子側に固定して設ける手段
   と、 Ａ相、Ｂ相の位置検知信号のそれぞれの末端において、
   対応する電機子コイルの通電が断たれたときに、該電機
   子コイルに蓄積された磁気エネルギを、前記したトラン
   ジスタに並置したダイオードを介して、次の位置検知信
   号により通電される電機子コイルに流入せしめて急速に
   消滅せしめ、磁気エネルギの放出による通電及び位置検
   知信号の始端部で、電機子電流が所定値まで立上るまで
   の通電のそれぞれによる反トルクと減トルクを除去する
   電気回路とより構成されたことを特徴とする高速３相直
   流電動機。
2. （２）第（１）項記載の特許請求の範囲において、Ａ相
   とＢ相の電機子コイルの電機子電流を検出して、電機子
   電流が設定値を越えてから、所定値まで減少する区間だ
   け、それぞれに対応する第１、第２、の検出信号を発生
   する電気回路と、該検出信号により、Ａ相、Ｂ相の電機
   子コイルの通電を停止して、電機子電流を設定値とする
   チョッパ回路とより構成されたことを特徴とする高速３
   相直流電動機。