JPH0467759A - ファン駆動用電動機 - 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］ 本発明は、ルームエアコンのファン駆動用などとして用
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４図（
ａ）に示すように、ポリシリコンをベースとし、誘電体
分離の手段により、すなわち、ＳｉＣ２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４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路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ＱＩＣ素子の大きさは、
縦４．３ｍｍ、横５．８ｍｍ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ＩＧＢＴ　（Ｉ　ｎ５
ｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓ
ｉｓｔｏｒ）を開発、採用することにより、従来のパワ
ーＭＯ５ＦＥＴによるものに比へ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の駆
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２
０ｋＨｚとし、モータの騒音を大福に低減できるように
している。

第５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、１５
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、外部型ｆｉｌｅにｔｏｏ（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
１４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工。

Ｑ２．Ｑ、、Ｑ、、Ｑ５．Ｑ、とし、夫々に接続される
ダイオード１をＤｌ、Ｄ２．Ｄ、、Ｄ４．Ｄ、、Ｄ。

とすると、スイッチングトランジスタＱ１〜Ｑ３のコレ
クタは外部電源１６の十端子に、スイッチング１−ラン
ジスタＱ４〜ＱＧのエミッタは外部電源１５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
Ｑ１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Ｑ５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Ｑ、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Ｑ、、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、、Ｑ、、Ｑ、
をオンする。このスイッチングトランジスタロ工〜Ｑ６
の開動タイミングを第６図にＱ工〜Ｑ、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Ｑ３のオン期間の前半までの期間ＰＷＭ
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Ｑ
３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Ｑ□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゜の幅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ＰＷ
Ｍ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
３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６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に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ロ工ｌ　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７図は第５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、２゜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，３０
Ｄは開孔、３１は引出し口、３２は開孔、３３はネジ、
３４Ａ、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、３４Ｃ（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２
１Ａ、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、コノ鍔部に等間隔に開
孔３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｇ。

３０Ｄが設けられている。

プリント配線基板２５の上面には、第５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８、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が上ケース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２ｏを通って外部
に突き出る。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、３４Ｃ，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を通してネジ３３をネジ孔３
４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ，３４Ｄに締めつけることによっ
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
ド線２８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８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とからなり、屋内ユニット３５にタンゼンシャ
ルフローファン３８Ａが、屋外ユニット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。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７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、本発明は、３相インバータ
とその周辺回路とを一体にモノリシックＩＣ化し、この
モノリシック１．Ｃとロータの回転を検出するセンサ、
該センサの検出出力とを増幅する増幅器とをモータケー
ス内に収納する。

［作用コ ３相インバータとその周辺回路とが一体にモノリシック
ＩＣ化されるので、ケース内での回路系の部品点数やそ
の占有スペースが低減し、モノリシックＩＣの放熱手段
の取付けが可能となる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面によって説明する。

第１図および第２図は本発明による電動機の一実施例を
示し、第１図はその分解斜視図、第２図はその回路構成
を示すブロック図である。但し、第１図および第２図に
おいて、１５′は３相インバータ、２１Ｄ、２１Ｅは支
持具、４０はモノリシックＩＣ１４１は放熱板であり、
第７図、第５図に対応する部分には同一符号をつけて重
複する説明を省略する。

まず、第２図について説明する。

先に説明した従来技術では、−点鎖線で囲んだ３相イン
バータ１５′のみをワンチップでＩＣ化してワンチップ
３相インバータとしたが、この実施例では、破線で囲ん
で示すように、この３相インバータ１５′と、これの周
辺回路である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、起動電流形成回路１２およ
び発振回路１３とを、第４図（ａ）で説明したようにし
て、同一ベースに高耐圧モノリシックＩＣ化する。

このモノリシックＩＣ４０のＩＣ素子の大きさは、従来
のワンチップ３相インバータ１５のＩＣ素子に比べ、約
１０％拡大するにすぎず、このために、モノリシックＩ
Ｃ４０のＩＣ素子を格納するパッケージとしては、従来
のワンチップ３相インバータ１５と同一形状、大きさの
ものを使用することができる。

なお、センサ増幅器８はゲイン調整可能として抵抗８ａ
などのゲイン調整手段が設けられ、電動機組立時にこの
ゲインが調整できるようにするために、モノリシックＩ
Ｃ４０とは別体とする。

次に、第１図について説明する。

上記のモノリシックＩＣ４０を用いると、先の従来技術
に比べ、プリント配線基板２５上での実装部品点数は約
１へ。、実装面積は約１八となる。

そこで、この実施例では、プリント配線基板２５を半円
板状とし、残りの半円部をモノリシック■Ｃ４０の放熱
手段とするものである。

すなわち、プリント配線基板２５は半円状をなしてステ
ータコア１８の支持具２１Ａ、２１Ｄに固定され、また
、このプリント配線基板２５に対向して、アルミニウム
からなる半円状の放熱板４１が同しくステータコア１８
の支持具２１Ｂ、２１Ｅに固定される。プリント配線基
板２５には、ホール素子センサ７Ａ、７Ｂ、７Ｃとこれ
らの出力が供給されるセンサ増幅器８とが搭載され、放
熱板４１上には、第２図で示したモノリシックＩＣ４０
が、その背面のヒートシンクが放熱板４１と密着するよ
うに、搭載されている。モノリシックＩＣ４０の各ピン
はプリント配線基板２５上の回路導体パターンの所定の
端子に接続されている。

これ以外については、第７図に示した従来技術と同様で
ある。

以上のように、この実施例においては、３相インバータ
をその周辺回路も含めてモノリシックＩＣ化し、従来の
ワンチップ３相インバータと同一形状、同一大きさのパ
ッケージに収納するものであるから、プリント配線基板
２５に搭載される部品数やその占有スペースを低減させ
ることができ、その低減したスペース分、モノリシック
ＩＣ４０の搭載部材をアルミニウム板で構成して放熱部
材とすることができる。したがって、モノリシックＩＣ
４０の放熱効果が充分に得られることになる。

この結果、電動機の出力容量も、従来の２０（Ｗ）程度
に対し、５０（Ｗ）程度にまで高めることができるよう
になる。

また、プリント配線基板２５の搭載部品点数が削減する
から、半田付は点数も減少し、基板実装の回路系の信頼
性も向上する。この場合、半田付は点数は従来技術での
約１７、。０どなる。

第３図は本発明による電動機の他の実施例を示すもので
あって、同図（ａ）は全体の分解斜視図、同図（ｂ）は
同図（ａ）のＰ部分の拡大斜視図である。但し、同図に
おいて、２９Ａは突出部であり、第７図、第２図に対応
する部分には同一符号をつけて重複する説明を省略する
。

第３図（ａ）において、円板状のプリント配線基板２５
上には、第２図で示したホール素子センサ７Ａ、７Ｂ、
７Ｃとこれらの出力が供給されるセンサ増幅器８とが搭
載されている。また、第２図に示したモノリシックＩＣ
４０は下ケース２９の内側壁に取りつけられており、そ
の各ピンはプリント配線基板２５上に形成されている回
路導体パターンの所定の端子に接続されている。

モノリシックＩＣ４０の下ケース２９への取りつけにつ
いて詳細に説明すると、第３図（ａ）のＰ部分を拡大し
て示す同図（ｂ）において、下ケース２９の内側壁の一
部に表面が平坦な突出部２９Ａが設けられており、モノ
リシックＩＣ４０が、この背面部のヒートシンクが突出
部２９Ａの表面に密着するように、この表面にネジで固
定されている。

これ以外の構成は第７図に示した従来例と同様である。

以上のように、この実施例では、下ケース２９がモノリ
シックＩＣ４０の支持体であるとともに放熱部材ともな
り、モノリシックＩＣ４０の放熱効果が充分得られ、電
動機の出力容量も先の実施例と同様に高められる。また
、半田付けについても、先の実施例と同様である。

なお、上記各実施例において、センサ増幅器８としては
、ゲイン固定のものであってもよいが、ゲイン可変の場
合、そのゲイン調整手段もプリント配線基板２５に搭載
する。

［発明の効果コ 以上説明したように、本発明によれば、３相インバータ
をその周辺回路も含めてモノリシックＩＣ化するから、
内蔵のプリント配線基板に搭載される部品の点数や占有
面積を大幅に削減でき、その分モノリシックＩＣの放熱
手段を設けることができて、電動機の出力容量を大幅に
増大化できる。

また、部品点数が大幅に削減されることから、プリント
配線基板上での半田付は点数も大幅に減少し、基板実装
における回路系統の信頼性が大幅に向上する。

また、本発明によれば、モノリシックＩＣの放熱手段と
して電動機の下ケースを用いているため、放熱手段を新
たに設けることなくモノリシックＩＣの放熱が可能とな
り、さらに構成部品点数や半田付は点数を削減すること
ができる。

【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図はこの実施例の回路系を示すブロック図、第
３図は本発明による電動機の他の実施例を示す分解斜視
図、・第４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５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６図はこの電動機の動作説明図、第７図はこ
の電動機の分解斜視図、第８図はルームエアコンの構成
図である。 ７Ａ、７Ｂ、７Ｃ・・・・・ホール素子センサ、８・・
・・・・センサ増幅器、９・・・・・・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、１５′・・・・・・３相インバータ、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、２５・・・・・プリント配線基板
、２８・・・・・・リード線、２９・・・・下ケース、
２９Ａ・・・・・・突出部、４０・・・・・モノリシッ
クＩＣ１４１・・・・・放熱板。 第４図 （ａ） （ｂ） 第 ６図 電気角度 ［ｄｅｑｒｅｅ］ 第７図

Claims (1)

1. 【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、該センサの検出出力を
   増幅する増幅器と、該増幅器の出力信号を処理する周辺
   回路と、該周辺回路の出力信号に応じて該ロータを回転
   駆動するインバータとを備えた電動機において、 該インバータと該周辺回路とを一体にモノリシツクＩＣ
   化し、該センサおよび該増幅器とともに該ケース内に収
   納したことを特徴とする電動機。 ２、請求項１において、 前記ケース内にプリント配線基板と放熱板とを収納し、 該プリント配線基板に前記センサと前記増幅器とを載置
   し、 該放熱板に前記インバータと前記周辺回路とが一体化さ
   れてなるモノリシックＩＣを、該モノリシックＩＣの背
   面のヒートシンクが該放熱板に密着するように、載置し
   たことを特徴とする電動機。 ３、請求項１において、 前記ケース内にプリント配線基板を収納するとともに、
   前記ケースの内壁面に表面が平坦な突出部を設け、 該プリント配線基板に前記センサと前記増幅器とを載置
   し、 該突出部の表面に前記インバータと前記周辺回路とが一
   体化されてなるモノリシックＩＣを、該モノリシックＩ
   Ｃの背面のヒートシンクが該突出部の表面に密着するよ
   うに、取りつけたことを特徴とする電動機。 ４、請求項２または３において、 前記増幅器はゲイン可変であつて、前記増幅器のゲイン
   調整手段を前記プリント配線基板に載置したことを特徴
   とする電動機。