JPH0467758A

JPH0467758A - 電動機

Info

Publication number: JPH0467758A
Application number: JP2177452A
Authority: JP
Inventors: Makoto Ishii; 誠石井; Yuji Kawaguchi; 裕次川口; Nobuaki Arakawa; 展昭荒川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-07-06
Filing date: 1990-07-06
Publication date: 1992-03-03

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】し産業上の利用分野］本発明は、ルームエアコンのファン駐動用などとして用
いて好適な電動機に係り、特に、可変速制御を可能とし
たインバータを内蔵したブラシレスの電動機に関する。

［従来の技術］１００（Ｖ）の商用交流電圧を整流・平滑して得られる
電圧を直接電源電圧として利用し、電動機の回転数を制
御する高電圧のワンチップ化された３相インバータ（以
下、ワンチップ３相インバータという）が開発された（
たとえば、平成２年３月２２日付日本電波新聞）。この
ワンチップ３相インバータは、従来のインバータに比べ
、極端に小形なものであって、電動機への内蔵を可能と
した。

この３相ワンチツプインバータの素子構造は。

第３図（ａ）に示すように、ポリシリコンをペースとし
、誘電体分離の手段により、すなわち、５１０２相によ
って高耐圧に各相のエリアを仕切り、各エリアに１相分
の回路を形成したものである。

また、第３図（ｂ）はこのワンチップ３相インバータの
各素子のレイアウトを示す平面図である。

この図から明らかなように、主素子としての６個のスイ
ッチングトランジスタ２と、各スイッチングトランジス
タ２のコレクタ・エミッタ間に接続されたスイッチング
トランジスタ２をターンオフさせるダイオード１と、各
スイッチングトランジスタ２をオン、オフさせるための
スイッチング信号を形成するロジック回＠６と、このス
イッチング信号で各スイッチングトランジスタ２をオン
。

オフ駆動するドライブ回路と、スイッチングトランジス
タ２に流れる電流を検出し過電流によるＩＣの破壊を防
止するための過電流保護回路５と、内部電源４とがワン
チップでＩＣ化されている。

このワンチップ３相インバータのＩＣ素子の大きさは、
縦４　、３　ｍ　ｍ、横５　、８　ｍ　ｍである。

かかるワンチップ３相インバータにおいては、スイッチ
ングトランジスタ２として横型のＩＧＥＴ　（Ｉｎ５ｕ
ｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉ
ｓｔｏｒ）を開発、採用することにより、従来のパワー
ＭＯ５ＦＥＴによるものに比べて占有面積を大幅に縮小
し、ダイオードも横型ＩＧＢＴと同じプロセスで実現で
きる新たに開発された高速ダイオードが採用され、逆回
復電流を大幅に低減して逆回復電流によるスイッチング
トランジスタ２のスイッチング損失を大幅に低減できる
ようにしている。また、電源回路を内蔵することにより
、パワー素子であるスイッチングトランジスタ２の能動
のための外部電源が１個ですむようにし、過電流保護回
路５を内蔵することにより、負荷短絡などで発生する過
大電流によるＩＣの破壊が防止できるようにしている。

さらに、インバータ周波数を可聴周波数よりも高い２０
　ｋ　Ｈｚとし、モータの騒音を大幅に低減できるよう
にしている。

第４図はかかるワンチップ３相インバータを用いたブラ
シレスの電動機の一従来例を示すブロック図であって、
７Ａ、７Ｂ、７Ｃはホール素子センサ、８はセンサ増幅
器、９は回転数信号形成回路、１０は速度補正回路、１
１はＰＷＭ　（パルス幅変調）信号形成回路、１２は起
動電流制限回路、１３は発振回路、１４はステータ、１
５は上記のワンチップ３相インバータ、１６は外部電源
である。

同図において、外部電源１６に１００（Ｖ）の商用交流
電圧を投入すると、この外部電源１６から各回路に直流
電源電圧が印加される。これにより、発振回路１３が起
動し、ＰＷＭ信号形成回路１１が所定周期でＰＷＭ信号
を発生する。ロジック回路６はこのＰＷＭ信号から３相
のスイッチング信号を形成し、このスイッチング信号に
応じてドライブ回路３が各スイッチングトランジスタ２
を順番にオン、オフ駆動する。これにより、ステータ１
４に設けられた各コイルに所定方向に電流が流れ、図示
しないロータが回転し始めて電動機が起動する。

この電動機の起動時、起動電流制限回路１２は、過電流
保護回路５の検出結果にもとづいて、各スイッチングト
ランジスタ２に流れる起動電流が過大とならないように
、ＰＷＭ信号形成回路１１を制御してＰＷＭ信号のデユ
ーティ比を調整する。

６個のスイッチングトランジスタ２を夫々Ｑ　１　ｔＱ
、、Ｑ、、Ｑ、、Ｑ、、ＱＧとし、夫々に接続されるダ
イオード１をＤ□、Ｄ２．Ｄ３．Ｄ４．Ｄ、、Ｄ。

とすると、スイッチングトランジスタＱ、〜Ｑ３のコレ
クタは外部電源１６の十端子に、スイッチングトランジ
スタＱ４〜Ｑ、のエミッタは外部電源１６の一端子に夫
々接続されている。また、スイッチングトランジスタＱ
１のエミッタとスイッチングトランジスタＱ４のコレク
タとがステータ１４に設けられた第１のコイルに接続さ
れ、以下、スイッチングトランジスタＱ２のエミッタと
スイッチングトランジスタＱ、のコレクタが第２のコイ
ルに、スイッチングトランジスタＱ□のエミッタとスイ
ッチングトランジスタＱ６のコレクタが第３のコイルに
夫々接続されている。

ドライブ回路３は、電気角で１２０°ずつ順番にスイッ
チングトランジスタＱ１．　Ｑ２．　Ｑ、をオンし、ま
た、同じく電気角で１２０°ずつＰＷＭ信号でチョッピ
ングして順番にスイッチングトランジスタＱ、、Ｑ５．
ＱＧをオンする。このスイッチングトランジスタＱ１〜
Ｑ、の駆動タイミングを第５図にＱ工〜Ｑ６として示す
。同図において、スイッチングトランジスタＱ４はスイ
ッチングトランジスタＱ２のオン期間の後半からスイッ
チングトランジスタＱ□のオン期間の前半までの期間Ｐ
ＷＭ信号と同じ周期、デユーティ比でオン、オフし、ス
イッチングトランジスタＱ、はスイッチングトランジス
タＱ３のオン期間の後半からスイッチングトランジスタ
Ｑ１のオン期間の前半までの期間同じくオン、オフし、
スイッチングトランジスタＱ、はスイッチングトランジ
スタロ工のオン期間の後半からスイッチングトランジス
タＱ２のオン期間の前半までの期間同じくオン、オフす
る。

上記のようにして電動機が起動すると、ホール素子セン
サ７Ａ、７Ｂ、７Ｃがロータの回転を検出し、第６図で
７Ａ、、７Ｂ、７Ｃとして示すように、ロータの回転を
電気角３６０°として、電気角で１２０°ずつ位相が異
なり、かつ電気角で１８０゜の輻のロータ位置信号を発
生する。これらロータ位置信号は所定ゲインに調整され
たセンサ増幅器８で増幅、波形整形などの処理がなされ
、ワンチップ３相インバータ１５のロジック回路６に供
給されるとともに、これらロータ位置信号の１つ、たと
えばホール素子センサ７Ａで発生したロータ位置信号が
回転数信号形成回路９に供給され、その周波数もしくは
周期により、ロータの回転数を表わす回転数信号が形成
される。この回転数信号は速度補正回路１０に供給され
、外部からの速度指令による回転数と比較されてこれら
の差に応じた速度補正信号が形成される。この速度補正
信号により、ＰＷＭ信号形成回路１１から出力されるＰ
ＷＭ信号のデユーティ比が制御される。

ロジック回路６は、センサ増幅器８から供給される３相
のロータ位置信号から、電気角１２０゜で同じく１２０
°ずつ位相がずれたスイッチングトランジスタロ工〜Ｑ
、を順次オン、オフするための転流信号（スイッチング
信号）と、この転流電流に対して第５図で説明したタイ
ミング関係のＰＷＭ信号形成回路１１からのＰＷＭ信号
と同一周期、同一デユーティのスイッチング信号とを形
成し、ドライブ回路３に送る。

これにより、速度補正回路１０からの速度補正信号で補
正されたＰＷＭ信号のデユーティ比に応じてステータに
設けられた各コイルの通電時間が制御され、ロータの回
転数が外部からの速度指令しこよる回転数に一致するよ
うに制御される。ロータの回転数が変化するとホール素
子センサ７Ａ。

７Ｂ、７Ｃの周期もこれに応じて変化するから、スイッ
チングトランジスタＱ、、Ｑ、、Ｑ、は夫々ロータの１
八回転期間ずつオンする。

このようにして、ロータの回転数はＰＷＭ信号のデユー
ティ比によって決まり、このデユーティ比を変化させる
ことにより、電動機の回転数を変化させることができる
。

第６図は第４図に示した回路構成をとり、ワンチップ３
相インバータを内部に実装した従来の電動機の一例を示
す分解斜視図であって、１７は上ケース、１８はステー
タコア、１９はコイル、２０は開孔、２１Ａ、２１Ｂ、
２１Ｇは支持具、２２はシャフト、２３Ａ、２３Ｂは軸
受、２４はロータ、２５はプリント配線基板、２６は周
辺回路、２７Ａ、２７Ｂ、２７Ｃはネジ、２８はリード
線、２９は下ケース、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ，３０Ｄ
は開孔、３１は引出し口、３２は開孔、３３はネジ、３
４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃはネジ孔である。

同図において、上ケース１７の内部に、内面に設けられ
たスロットによって巻回されたコイル１９を有する円筒
状のステータコア１８が嵌め込まれる。この上ケース１
７の上面中心には開孔２０が設けられ、また、その外周
面の下端からは鍔部が形成されており、この鍔部に等間
隔に４つのネジ孔３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｇ　（残りの１
つは図示せず）が設けられている。さらに、ステータコ
ア１８の下面外周部には、下方に突出する棒状の支持具
２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃが等間隔に固定されている。

ロータ２４は外周面が約２ｍｍの厚さのフェライト系磁
性体で被覆されており、その中心を貫通するシャフト２
２が一体化されている。このシャフト２２のロータ２４
より上の部分に軸受２３Ａが固定され、また、このシャ
フト２２の下端部にも軸受２３Ｂが固定されている。ロ
ータ２４と軸受２３Ｂとの間には、シャフト２２が貫通
したプリント配線基板２５が配置される。

下ケース２９は、その底面中央に開孔３２が、側面に貫
通した引出し口３１が夫々設けられ、また、上端部には
外方に突出した鍔部が設けられ、この鍔部に等間隔に開
孔３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ。

３０Ｄが設けられている。

プリント配線基板２５の上面には、第４図に示した回路
構成に対する回路導体パターンが形成され、ホール素子
センサ７Ａ、７Ｂ、７Ｃ、ワンチップ３相インバータ１
５や、センサ増幅器８１回転数信号形成回路９などの周
辺回路２６が搭載されており、この回路導体パターンの
端子がプリント配線基板２５の下面に導かれてこれにリ
ード線２８が接続されている。

ロータ２４はシャフト２２とともにステータコア１８の
内部に挿入され、軸受２３Ａガ上ケース１７の内部上面
に固定される。このロータ２４の取りつけにより、シャ
フト２２の上部が上ケース１７の開孔２０を通って外部
に突き出る６プリント配線基板２５は、ネジ２７Ａ、２
７Ｂ、２７Ｃにより、ステータコア１８の下面から突出
した支持具２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃに固定される。下ケ
ース２９は、プリント配線基板２５やステータコア１８
などを密蔽するように、上ケース１７に取りつけられる
。この取りつけは、上ケース１７の鍔部のネジ孔３４Ａ
、３４Ｂ、３４Ｇ、３４Ｄ（図示せず）に下ケース２９
の鍔部の開孔３０Ａ。

３０Ｂ、３０Ｃ，３０Ｄを一致させ、これら開孔３０Ａ
、３０Ｂ、３０Ｃ，３０Ｄを通シテネジ３３をネジ孔３
４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ，３４Ｄに締メツけることによっ
てなされる。この場合、シャフト２２の下端の軸受２３
Ｂは下ケース２９の開孔３２内に固定され、また、リー
ド、１２８は下ケース２９の内部から引出し口３１を介
して外部に導出される。

なお、第７図はかかる電動機をファンモータとして用い
たルームエアコンの一部展開図を示すものである。この
ルームエアコンは室内に配置される屋内ユニット３５と
、屋外に配置される屋外ユニット３６と、これら間のパ
イプ３７とがらなり、屋内ユニット３５にタンゼンシャ
ルフローファン３８Ａがｌ１Ｍユニット３６にプロペラ
ファン３８Ｂが夫々設けられている。これらファン３８
Ａ。

３８Ｂの駆動用電動機３９Ａ、３９Ｂとして、上記の電
動機を用いることができる６通常、電動機の３相インバ
ータは電動機本体と同程度の大きさであるが、上記の電
動機では、ワンチップ化された３相インバータが内蔵さ
れるものであるから、その分屋内ユニット３６の制御部
が小型化できるので、屋外ユニット３６も小型化できる
。このことは、屋内ユニット３５についても同様である
。

［発明が解決しようとする課題］ところで、ワンチップ３相インバータ内のスイッチング
トランジスタなどの高電力素子は発熱体であるため、ワ
ンチップ３相インバータが高温になって特性の劣化、信
頼性の低下などの悪影響がある。このために、ワンチッ
プ３相インバータに放熱ファンを設ける必要がある。

しかしながら、第６図で説明したように、プリント配線
基板２５上には、ワンチップ３相インバータ１５やホー
ル素子センサ７Ａ、７Ｂ、７Ｃばかりでなく、その周辺
回路２６も多数搭載されることになり、ワンチップ３相
インバータ１５に放熱ファンを取りつけるスペースがな
かった。このために、電動機の出力としても、２０　（
Ｗ）程度が限界であった。

本発明の目的は、かかる問題点を解消し、内蔵されるＩ
Ｃ化された３相インバータの放熱を可能とし、高出力化
を実現した電動機を提供することにある。

［課題を解決するための手段］上記目的を達成するために１本発明は、ロータの回転を
検出するセンサと、該センサの出力信号が供給される周
辺回路と、該周辺回路の出力信号に応じて該ロータを回
転駆動するワンチップ３相インバータとをロータ、ステ
ータなどを収納するケースの底面に配置し、該ケースを
該ワンチップ３相インバータの放熱手段とする。

［作用］ケースがワンチップ３相インバータの放熱手段となるた
め、該ワンチップ３相インバータの放熱効果が充分に得
られることになり、電動機の高出力化が実現する。

［実施例コ以下、本発明の実施例を図面によって説明する。

第１図は本発明による電動機の一実施例を示す分解斜視
図であって、第６図に対応する部分には同一符号をつけ
ている。

この実施例も、その回路構成は第４図に示した従来の電
動機と同様であり、第４図の一点鎖線で示した３相イン
バータ１５が先に説明したように、ワンチップＩＣ化さ
れている。以下のこの実施例の説明では、センサ増幅器
８、回転数信号形成回路９、速度補正回路１０．ＰＷＭ
信号形成回路１１、起動電流制限回路１２および発振回
路１３をまとめて周辺回路ということにする。

第１図において、ワンチップ３相インバータ１５や周辺
回路、ホール素子センサ７Ａ〜７Ｃは下ケース２９内に
収納されている。このために、第６図に示した従来の電
動機に用いられるプリント配線基板２５は不要になる。

なお、上ケース１７の鍔部の下面には２つのピン４０Ａ
、４０Ｂが設けられ、これらに対向して下ケース２９の
鍔部に開孔４１Ａ、４１Ｂが設けられている。電動機の
組立てに際しては、ピン４０Ａが開孔４１Ａに、ピン４
０Ｂが開孔４１Ｂに夫々挿入され、これにより、上ケー
ス１７と下ケース２９との組合せ関係が一定に設定され
る。

次に、下ケース２９での各回路の取付けの各具体例を、
下ケース２９を分断ｍｘ−ｘ’に沿う断面図である第２
図により説明する。

第２図（ａ）に示す具体例においては、ワンチップ３相
インバータ１５が、その背面のヒートシンク部が下ケー
ス２９の内部の底面に密着するようにして、ネジ４２に
よってこの底面に固定されている。また、下ケース２９
の内部底面から支持具４３が突出しており、これにネジ
４４によってプリント配線基板４５が取りつけられてい
る。このプリント配線基板４５上に３個のホール素子セ
ンサ７と周辺回路４６とが搭載されており、また、この
プリント配線基板４５上の回路導体パターンの所定端子
にワンチップ３相インバータ１５のピンが接続され、他
の所定端子にリード線２８が接続されている。そして、
ホール素子センサ７の検出口がある先端部を除いて下ケ
ース２９内に収納された各部品がモールド樹脂４７でも
ってモールドされている。

以上のように、この具体例では、下ケース２９がワンチ
ップ３相インバータ１５の放熱手段となるものであるか
ら、放熱が充分に行われ、電動機の出力容量を大幅に増
大化できる。この具体例では、従来の電動機が２０（Ｗ
）の容量であったのに対し、４０（Ｗ）の容量とするこ
とができた。

また、ワンチップ３相インバータなど回路部品をこれま
で空いていた下ケース２９内に配置したことから、スペ
ースが有効に利用され、第６図に示したようなプリント
配線基板２５を設ける必要がなくなってこのためのスペ
ースを削減でき、電動機のより小型化が実現できる。こ
の具体例によると、第６図に示した従来の電動機に比べ
、約ＩＯ％の小型化が可能となった。

さらに、下ケース２９内に収納した各部品をモールドし
ているため、ホール素子センサ７の位置が固定してロー
タ２４の回転などによる振動に対しても安定化し、ロー
タの回転検出が安定して行われて信頼性が向上する。

第２図（ｂ）に示す具体例においては、熱伝導性が良好
な絶縁性樹脂４９を介して銅の回路配線パターンが設け
られた金属基板４８が、下ケース２９の内部底面に密着
するように、ネジ５ｏによってこの底面に固定されてお
り、この絶縁性樹脂４９上に形成されている配線パター
ン５１の面積が広くなされた部分にワンチップ３相イン
バータ１５の背面のヒートシンク部がハンダ５２によっ
て固定されている。また、ホール素子センサ７や周辺回
路４６も配線パターン５１上の所定の位置にハンダ付け
によって電気的に接続されている。

そして、第２図（ａ）に示した具体例と同様に、モール
ド樹脂４７でモールドされている。ワンチップ３相イン
バータ１５が発生した熱は、ハンダ５２、配線パターン
５１．＃ｌＡｌ性縁脂４９．金属基板４８を介して下ケ
ース２９に伝達される。

第２図（ｃ）に示す具体例においては、絶縁性樹脂４９
を下ケース２９の内部底面上に設けたものであって、第
２図（ｂ）における金属基板４８を省いたものである。

第２図（ｄ）に示した実施例においては、ワンチップ３
相インバータ１５を、第２図（ａ）に示した具体例のよ
うに、下ケース２９の内部底面に取りつけ、さらに、こ
の底面にフレキシブルサーキット基板５３を設け、これ
にホール素子センサ７や周辺回路４６を取りつけたもの
である。

以上の第２図（ｂ）〜（ｄ）に示した具体例においても
、第２図（ａ）に示した具体例と同様の効果が得られる
。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば、（ｉ）ケースで
もってワンチップ３相インバータの放熱が行われるから
、放熱効果が充分に得られ、電動機の出力容量を大幅に
高めることができる。

（ｉｉ）ケース内のスペースを有効に利用してワンチッ
プ３相インバータや周辺回路、センサを収納するため、
従来用いていたプリント配線基板が不要となってそのた
めのスペースを削減でき、電動機の小型化を図ることが
できる。

（ｉｉｉ）ワンチップ３相インバータや周辺回路、セン
サがモールド樹脂でモールドされるため、ロータの回転
などによる振動に対してセンサの位置すれがなく、ロー
タの回転を安定して検出できるし、各回路の耐湿性が向
上して信頼性の向上、長寿命化が図れる。

などの優れた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による電動機の一実施例を示す分解斜視
図、第２図は第１図における下ケース内での各部品の収
納側を示す断面図、第３図（ａ）はワンチップ３相イン
バータのＩＣ素子の部分断面図、同図（ｂ）は同じくこ
のＩＣ素子でのレイアウトを示す平面図、第４図はこの
ワンチップ３相インバータを用いた従来の電動機の回路
系を示すブロック図、第５図はこの電動機の動作説明図
、第６図はこの電動機の分解斜視図、第７図はルームエ
アコンの構成図である。７．７Ａ、７Ｂ、７Ｃ−−−−＝ホール素子センサ、８
・・・・・・センサ増幅器、９・・四・回転数信号形成
回路、１０・・・・・・速度補正回路、１１・・・・・
・ＰＷＭ信号形成回路、１２・・・・・・起動電流制限
回路、１３・・・・・・発振器、１４・・・・・・ステ
ータ、１７・・・・・・上ケース、１８・・・・・・ス
テータコア、１９・・・・・・コイル、２２・・・・・
・シャフト、２４・・・・・・ロータ、２８・・・・・
・リード線、２９・・・・・・下ケース、４３・・・・
・・支持具、４５・・・・・・プリント配線基板、４６
・・・・・・周辺回路、４７・・・・・・モールド樹脂
、４８・・・・・・金属基板、４９・・・・・絶縁性樹
脂、５１・−・・・配線ハターン、５２・・・・・ハン
ダ、５３・・・・・・フレキシブルサーキット基板。第２図（ａ）（ｃｌ（ｄン姑３図（ａ）檗６図第５図電気角度［Ｉｄｅｇｒｅｅ］

Claims

【特許請求の範囲】１、ケース内にロータ、ステータなどが密蔽され、該ロ
ータの回転を検出するセンサと、該センサの出力信号が
供給される周辺回路と、該周辺回路の出力信号に応じて
回転駆動するワンチップインバータとを備えた電動機に
おいて、該ワンチップインバータ、該センサおよび該周辺回路を
該ケース内の底面に配置し、該ケースを該ワンチップイ
ンバータの放熱手段としたことを特徴とする電動機。２、請求項１において、前記ワンチップインバータの背面のヒートシンク部が前
記ケースの内部底面に密着したことを特徴とする電動機
。３、請求項２において、前記ケースの内部底面にプリント配線基板が取りつけら
れ、前記センサおよび前記周辺回路が該プリント配線基
板に載置されていることを特徴とする電動機。４、請求項２において、前記ケースの内部底面の平坦部にフレキシブサーキツト
基板が密着固定され、前記センサと前記周辺回路とが該
フレキシブルサーキット基板に載置されていることを特
徴とする電動機。５、請求項１において、前記ケースの内部底面に密着して絶縁性樹脂を介して配
線パターンが形成された金属基板が固定され、該配線パ
ターンの所定位置に前記ワンチップインバータの背面の
ヒートシンク部がハンダで面付けされていることを特徴
とする電動機。６、請求項１において、前記ケースの内部底面に絶縁性樹脂を介して配線パター
ンが形成され、該配線パターンの所定位置に前記ワンチ
ップインバータの背面のヒートシンク部がハンダで面付
けされていることを特徴とする電動機。７、請求項５または６において、前記配線パターンに前記センサおよび前記周辺回路がハ
ンダ付けされていることを特徴とする電動機。８、請求項１、２、３、４、５、６または７において、前記ワンチップインバータ、前記センサ、前記周辺回路
およびこれらの取付け部材をモールドしたことを特徴と
する電動機。