JPH09117189A

JPH09117189A - 動力発生装置

Info

Publication number: JPH09117189A
Application number: JP7269671A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Asada; 和彦麻田; Hidekazu Yamashita; 秀和山下; Hideki Omori; 英樹大森
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1995-10-18
Filing date: 1995-10-18
Publication date: 1997-05-02

Abstract

(57)【要約】【課題】低速時や起動時のインバータへの流入電流を
制限しつつ、トルクを確保すること。【解決手段】巻線６０ａ等に、永久磁石６３、６４に
よる磁束を強める向きの電流が流れるように、位置検知
手段であるホールＩＣ６６等の出力に応じてスイッチン
グ素子６９等のオンオフのタイミングを制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、家庭用および産業
用に使用されるモータやリニアモータなど、機械的にパ
ワーを取り出して負荷に供給する装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術における、一般にＤＣブラシ
レスモータと呼ばれる動力発生装置の主要構成図を図１
１に示す。図１１の動力発生装置は、一般に固定子と呼
ばれる第１の物体１と、第１の物体１の内側に回転自在
に設けられ、一般に回転子と呼ばれる第２の物体２を有
している。第２の物体２は、第１の永久磁石３、第２の
永久磁石４、磁性体５、出力軸６により成り立ってい
て、第１の永久磁石３は磁性体５の表面にＮ極が外側に
なるように接着されており、第２の永久磁石４は磁性体
５の表面にＳ極が外側になるように接着されている。出
力軸６は、磁性体５の中心に取り付けられていて、回転
の動力を外部の機械的な負荷に取り出すために設けられ
ている。

【０００３】第１の物体１は、鉄心７、巻線８ａ〜１０
ｂはいずれも、第２の物体２が回転した場合、第１の永
久磁石３および第２の永久磁石４が発生する磁束を受け
る位置に巻かれ、巻線８ａと巻線８ｂ、巻線９ａと巻線
９ｂ、巻線１０ａと巻線１０ｂは各々直列に接続されて
いる。鉄心７は、磁気回路の磁気抵抗を減らす作用をす
るもので、第１の永久磁石３および第２の永久磁石４か
ら発生する磁束が巻線８ａ〜１０ｂに作用する際、その
磁束を大にする作用をしている。

【０００４】交流電源１１は、１００Ｖ６０Ｈｚで、一
般に商用電源とも呼ばれるものである。交流電源１１の
出力は、全波の整流回路１２に接続されている。整流回
路１２は、ダイオード１３〜１６によって構成され、交
流電源１１の全波整流波形を出力するものである。

【０００５】インバータ１７は、整流回路１２の出力に
接続されていて、一般に３相インバータと呼ばれる構成
となっている。インバータ１７は、トランジスタ１８〜
２３、ダイオード２４〜２９によって構成されている。

【０００６】また、フィルタ回路４０は、電解式の平滑
コンデンサ４１とチョークコイル４２によって構成さ
れ、整流回路１２の出力電圧をリプルが少ない、ほぼ完
全な直流にすることができるものとなっている。

【０００７】制御回路３０は、駆動回路３１と、論理回
路３２によって構成され、各トランジスタのベース端子
は、すべて駆動回路３１に接続されている。第２の物体
２上には、位置検知手段であるホールＩＣ３４が設けら
れ、第２の物体２が回転運動する際、第１の永久磁石３
および第２の永久磁石４の位置を検知して電気的に出力
している。

【０００８】論理回路３２は、ホールＩＣ３４からの信
号を受け、それに応じて各トランジスタのオンオフ信号
を作り出す仕組みとなっている。

【０００９】以上の構成により、従来の技術の動力発生
装置は、第２の物体２の回転に応じて、ホールＩＣ３４
から信号が出力され、その出力信号に応じた信号が論理
回路３２から出力され、その結果、駆動回路３１が作用
して、トランジスタ１８〜２３の中から選択されたトラ
ンジスタに必要な信号を供給するものである。この際、
選択されたトランジスタによって、電流が所定の巻線に
供給されるが、当該巻線は第１の永久磁石３または第２
の永久磁石４の磁束と作用し、反作用でトルクを生み、
出力軸６からそのトルクを取り出すことができる。従っ
て、外部の負荷はそのトルクで回転運動を起こし、第２
の物体２もそれと連動して回転運動を行うが、ある角度
だけ回転すると、ホールＩＣ３４の作用により、論理回
路３２への信号が変化し、論理回路３２の出力信号も変
化して、インバータ１７を構成する各トランジスタのオ
ンオフ状態を変化させ、各巻線への電流供給状態が変化
させ、継続的にトルクを発生させるようにする。

【００１０】このような動作を繰り返すことにより、従
来の技術の動力発生装置は、出力軸６から連続的に機械
的な回転パワーを外部の負荷に供給することができるも
のである。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の構成では、第２の物体２に設けられた第１の永久磁
石３および第２の永久磁石４による磁束の強さが一定で
あることから、第２の物体むの回転速度により各巻線に
発生する誘導起電力の大きさが決まってしまうものであ
った。このため、例えば回転速度を低くしたい場合に
は、交流電源１１の電圧を低下させる必要がある。

【００１２】また、起動時においては、第２の物体２の
回転速度が零または非常に小さいことから、各巻線８ａ
等に発生する誘導起電力も小さくなり、インバータ１７
の入力電圧とは大きな差が生ずるものであった。したが
って、そのような状態で運転を行うと、一般にインバー
タの入力電圧から誘導起電力を差し引いた値を回路の抵
抗値で除した値の電流が、各トランジスタおよび各巻線
に流れることから、その場合の電流値は非常に大きくな
り、各構成部品を傷めることがあった。

【００１３】このような回転数低下及び各構成部品の破
壊を防ぐためには、例えば交流電源１１の出力にスライ
ダック等の電圧調整器を挿入し、低い電圧をインバータ
１７に入力するなどの方法をとることが必要であるが、
かかる場合には、装置形状と重量が大、かつ価格高をも
たらすものであった。

【００１４】また、従来の技術においては、インバータ
１７に入力される電圧波形を十分に平滑するため、平滑
コンデンサ４１の静電容量が非常に大きくする必要があ
り、更に、交流電源１１から供給される電流の高調波成
分が大きくなるという欠点を改善するために、チョーク
コイル４２のインダクタンスは十分大きなものが必要と
なることから、平滑コンデンサ４１とチョークコイル４
２で構成されたフィルタ回路４０は、非常に形状が大き
く、重量も大であり、コスト的にも非常に高価なものと
なっていた。そのために装置が大形、重量大となり、ま
たコストも高いものとなっていた。

【００１５】本発明は、上記の課題を解決するもので、
別段の平滑コンデンサを設けずに、インバータに流入す
る電流を制限し、第２の物体の回転数を低く維持すると
ともに、その際の発生トルクを大きくすることを目的と
する。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の本発明の一つの手段は、巻線を有する第１の物体と、
前記第１の物体に対して相対的に可動し、前記巻線に磁
束が作用するように位置した永久磁石を有する第２の物
体と、前記永久磁石の位置を検出する位置検知手段と、
直流電源と、前記直流電源の出力に接続され前記巻線に
接続された少なくとも１個のスイッチング素子を有する
インバータと、前記位置検知手段の出力に応じて前記ス
イッチング素子をオンオフ制御する制御回路とを備え、
前記制御回路は、前記直流電源の位相に応じて、前記巻
線に前記永久磁石による磁束を強める向きの電流が流れ
るように、前記スイッチング素子のオンオフのタイミン
グを制御してなるものである。

【００１７】また、他の手段は、本発明の第２の物体
を、特に突極構造としてなるものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】請求項１記載の発明は、第２の物
体の速度が低い時や起動時等などにおいても、制御回路
によるスイッチング素子のオンオフのタイミングを加減
することにより、永久磁石の磁束を強める作用がなされ
ることから、速度に対する巻線の誘導起電力の大きさを
大とし、よって誘導起電力と直流電源の出力電圧との差
を縮めることによって、インバータに流入する電流を制
限する作用をするものである。また、その際の発生トル
クについても、永久磁石の磁束が等価的に強められたの
と同様の効果があることから、大きくとることが可能と
なるものである。

【００１９】請求項２記載の発明は、電源を交流電源と
し、電圧検知手段により検知された電圧に応じて、スイ
ッチング素子のオンオフタイミングを制御することによ
り、第１の物体に設けられた巻線に流れる電流は、第２
の物体に設けられた永久磁石の磁束を強める成分が発生
し、それにより、前記巻線に発生する誘導起電力は、ス
イッチング素子のオンオフタイミングを一定にしている
場合よりも大となり、前記巻線に流れ込む電流を交流電
源の位相に応じて制御することができる。すなわち、別
段の平滑コンデンサを設けず、交流電源の谷間の位相で
インバータの入力電圧が低くなる構成でありながら、し
っかりと動力を取り出すことができるものとなる。

【００２０】請求項３記載の発明は、インバータに流入
する電流を検出し、インバータに流入する電流に応じ
て、スイッチング素子のオンオフのタイミングを制御す
ることから、第１の物体に設けられた巻線に流れる電流
を、第２の物体に設けられた永久磁石の磁束を強めるよ
うに制御することができ、別段の平滑コンデンサを設け
ずに、交流電源の谷間の位相における動力を確保すると
ともに、谷間の位相以外の回転数を低く維持し、その際
の発生トルクを大きくすることができる。

【００２１】請求項４記載の発明は、交流電源に直列に
接続された２つの抵抗と、その接続点と整流回路のマイ
ナス側端子間に接続された抵抗を用いることで、簡易的
な電圧検知手段を得ることができ、装置の小型化、軽量
化、低コスト化を図ることができる。

【００２２】請求項５記載の発明は、交流電源と同期し
たリプル波形を出力させることにより、簡単な構成で、
制御回路を構成することができ、装置の性能を最大限に
引き出すことができる。

【００２３】請求項６記載の発明は、周波数検知手段を
設けることで、交流電源の周波数によらずに、交流電源
の谷間の位相における動力を確保することができる。

【００２４】請求項７記載の発明は、脈流電源のリプル
分を検知する電圧検知手段を用いることで、脈流電源の
場合にも、回転数を低く維持するとともに、リプルの谷
間の位相において、十分に動力を取り出すことである。

【００２５】請求項８記載の発明は、第２の物体を突起
構造とすることで、リラクタンスによるトルク（あるい
は推力）をプラスして、回転数を低く維持するととも
に、その際の発生トルクを大きくすることができる。

【００２６】以下、その発明の実施の形態について添付
図面を参照しつつ説明する。（実施の形態１）本発明の第１の実施の形態の動力発生
装置の回路図を図１に示す。図１においては、第１の物
体５１と、第２の物体５２と、直流電源１５１と、イン
バータ５５と、制御回路１００と、位置検知手段である
ホールＩＣ６６〜６８からなり、第２の物体５２は、第
１の物体５１に対して相対的に回転運動が可能なように
設けられ、第１の物体５１は、エナメル線によって構成
した巻線６０ａ〜６２ｂを有していて、巻線６０ａと巻
線６０ｂ、巻線６１ａと巻線６１ｂ、巻線６２ａと巻線
６２ｂは各々直列に接続されている。また、第２の物体
５２は、永久磁石６３、永久磁石６４、磁性体６５で構
成されている。

【００２７】巻線６０ａ〜６２ｂは、永久磁石６３およ
び永久磁石６４の磁束が作用する位置に設けられ、ホー
ルＩＣ６６〜６８は、永久磁石６３および永久磁石６４
の位置を検出するものである。インバータ５５は、スイ
ッチング素子６９〜７４、ダイオード７５〜８０によっ
て構成され、各スイッチング素子は、バイポーラ式のト
ランジスタで構成している。上下に接続された各スイッ
チング素子の接続点からは、それぞれの巻線に接続がな
されている。スイッチング素子６９〜７４は、すべて制
御回路１００によってオンオフ制御され、インバータ５
５の入力端子は、直流電源１５１の出力に接続され、直
流電源１５１から１００Ｖの直流電圧が供給されてい
る。

【００２８】制御回路１５２は、論理回路１５３と駆動
回路１５４によって構成されている。論理回路１５４
は、位置検知手段であるホールＩＣ６６等の出力に接続
されており、その出力に応じて第２の物体５２の回転角
度を検知し、駆動回路１５４に出力している。駆動回路
１５４は、バイポーラ式のトランジスタで構成したスイ
ッチング素子６９〜７４を順序よくオンオフさせること
により、インバータ５５に接続された、巻線６０ａ〜６
２ｂに電流を供給し、永久磁石６３、永久磁石６４に反
時計向きの周方向の力を発生されることにより、第２の
物体５２にトルクを発生させるものである。

【００２９】ここで、駆動回路１５４は、第２の物体５
２の回転角度の信号を、論理回路１５３から受け取ると
ともに、スイッチング素子６９〜７４をオンオフする際
に、論理回路１５３から受け取った実際の位置に対し
て、遅め遅めに各スイッチング素子のオンオフ動作タイ
ミングを加減するという動作を行うものである。出力軸
１３０は、第２の物体５２の回転を取り出すために設け
られたもので、磁性体６５の中心に取り付けられてい
る。

【００３０】図２は、図１の実施の形態において、遅れ
位相角θの場合の動作ベクトル図である。図２において
は、永久磁石６３および永久磁石６４によって生ずる磁
束φ０に対して、巻線に供給される電流Ｉの位相が、９
０度に対して位相角θだけ遅れていることから、Ｉに位
相角θの正弦を乗じた電流による起磁力が、磁束φ０と
同じ向きの磁束φＩｄを発生させ、この磁束φＩｄは、
もとの磁束φ０を強める作用をする。（磁束φ０＋磁束
φＩｄとなったのと等価となる。）よって、巻線に発生
する誘導起電力の値は、磁束φ０がそのまま作用する場
合と比して大となり、これによって各巻線に発生する誘
導起電力の大きさは大となり、直流電源１５１からの電
流の流れ込みを抑制すると同時に、磁束が強められたこ
とによるトルク確保がなされる。

【００３１】（実施の形態２）本発明の第２の実施の形
態の動力発生装置の回路図を図３に示す。図３において
も、図１に示した構成と同一のものが多いが、以下の点
で図１のものと異なっている。

【００３２】インバータ５５の入力端子は、整流回路５
４の出力に接続され、整流回路５４は、交流電源５３の
出力に接続され、交流電源５３は１００Ｖ６０Ｈｚの正
弦波の交流電圧を出力するものである。整流回路５４
は、整流用のダイオード１２０〜１２３によって構成さ
れ、全波整流を行うものである。制御回路１００は、電
圧検知手段８１を備えており、電圧検知手段８１は、交
流電源５３の出力電圧の瞬時値を検知する。スイッチン
グタイミング制御手段８２は、特に電圧検知手段８１の
出力値が大の際に、スイッチング素子６９〜７４のオン
オフのタイミングを位置検知手段であるホールＩＣ６６
等の出力に対して遅くするという作用を行うものとなっ
ている。

【００３３】以上の構成において、動作の説明を行う。
図４は、図３の動力発生装置の動作波形図である。図４
においては、（ア）は交流電源５３の出力電圧波形、
（イ）はインバータ５５の入力電圧波形、（ウ）はスイ
ッチングタイミング制御手段８２の遅れ位相角θの波形
である。

【００３４】本実施の形態においては、（ア）のＡ点、
すなわち交流電源５３の出力電圧がピークとなる時刻付
近で、（ウ）に示す様にスイッチングタイミング制御手
段８２の遅れ位相角θを最大６５度まで増加させてい
る。本実施の形態は、位相角θを特に交流電源５３の出
力電圧の瞬時値が高い時に大きくすることによって、交
流電源５３の出力電圧の瞬時値が高い時に、図２のベク
トル図で説明した動作となり、速度に対する巻線の誘導
起電力を大として、電流の流れ込みを抑制すると同時
に、磁束の強化作用によって、十分なトルクを得ること
が可能となるものである。

【００３５】この様に、本実施の形態では、交流電源５
３の出力電圧の瞬時値に応じて、スイッチングタイミン
グ制御手段が、遅れ位相角θを速やかに変化させ、性能
向上を促している。また、従来の技術において、用いら
れていた大容量の電解コンデンサなどによる平滑コンデ
ンサは、特に高温条件においては寿命が短くなるという
性質のものであったが、本実施の形態においては、平滑
コンデンサを使用しない構成としていることから、高温
で装置を使用する場合にあっても十二分な寿命を得られ
るといった効果もある。

【００３６】（実施の形態３）本発明の第３の実施の形
態の動力発生装置の回路図を図５に示す。図５において
は、図３と以下の点が異なっているが、その他の点につ
いては、図３と同じ構成となっている。制御回路１０１
は、スイッチングタイミング制御手段８２と、電流検知
手段８４によって構成されていて、電流検知手段８４
は、マンガニン線を用いた抵抗８３によって構成されて
いる。スイッチングタイミング制御手段８２は、電流検
知手段８４からの信号が大となった時に、スイッチング
素子６９〜７４のオンオフのタイミングを位置検知手段
であるホールＩＣの出力に対して遅くする（遅れ位相角
θを大にする）という作用を行うものとなっている。

【００３７】以上の構成において、動作の説明を行う。
交流電源５３の電圧の瞬時値が低い時には、各巻線に発
生する誘導起電力の大きさと、交流電源５３の電圧の瞬
時値の差が少ないことから、インバータ５５による電流
の注入は少ないので、インバータ５５の入力電流が小さ
く、よってスイッチングタイミング制御手段８２は位相
角θ＝０で動作している。交流電源５３の位相がピーク
付近に移ってくると、電圧の瞬時値が上昇してくるが、
速度が同一であれば、誘導起電力が同一であるため、イ
ンバータ５５による電流の注入が増し、発生するトルク
は大きくなる。しかし、このときインバータ５５の入力
電流が非常に大きくなり、各スイッチング素子の定格に
近づく。

【００３８】ここで、電流検知手段８４の出力が上昇
し、これがスイッチングタイミング制御手段８２に作用
すると、スイッチングタイミング制御手段８２は、位相
角θを増加させる。すると、図２と同様の現象で、各巻
線に発生する誘導起電力の値が増加することから、交流
電源５３の瞬時値が高く、かつ回転速度が低くとも、イ
ンバータ５５からの電流の注入が制限され、所定の電流
値に落ちつき、各スイッチング素子に過電流が流れるの
を防ぐことができ、同時に永久磁石の磁束が等価的にＩ
ｄによって強くなったのと同等の効果があることから、
トルクは十分確保することができる。

【００３９】（実施の形態４）本発明の第４の実施の形
態の動力発生装置の回路図を図６に示す。図６において
は、図３と以下の点が異なっているが、その他の点につ
いては、図３と同じ構成となっている。制御回路１０２
は、スイッチング電圧検知手段８２と電圧検知手段８５
によって構成させており、この内スイッチング電圧検知
手段８２については図３と同じものが使用されている
が、電圧検知手段８５は、１００ｋΩの抵抗値を持った
第１の抵抗８６と、同じく１００ｋΩの抵抗値を持った
第１の抵抗８７、および５ｋΩの抵抗値を持った第２の
抵抗８８によって構成されている。

【００４０】以上の構成において、動作の説明を行う。
なお、電圧検知手段８５の部分以外の動作は、図３の場
合と全く同じで異なるものはない。したがって、ここで
は電圧検知手段８５の部分の動作についてのみ説明を行
う。

【００４１】まず交流電源５３の極性がＹよりＸの方が
高電位になっている状態においては、Ｘから第１の抵抗
８６を通り、第２の抵抗８８を通り、ダイオード１２３
を経て交流電源５３のＹ側に戻る経路が活性化し、同時
に第１の抵抗８７が、前述の第２の抵抗８８とダイオー
ド１２３の直列回路と並列に接続された状態になる。こ
こで、スイッチングタイミング制御手段８２に出力する
電圧は、ピークで数ボルト程度としているため、交流電
源５３のピーク電圧に対してはかなり低い値となる。よ
って、本実施の形態では、第１の抵抗値を第２の抵抗値
よりもかなり大きな値とし、電圧検知手段８５の分圧比
は１よりもかなり低いものとしている。

【００４２】つぎに、ＸよりＹの方が高電位となってい
る状態においては、Ｙから第１の抵抗８７を通り、第２
の抵抗８８を通り、ダイオード１２２を経て交流電源５
３のＸ側に戻る経路が活性化し、同時に第１の抵抗８６
が、前述の第２の抵抗８８とダイオード１２２の直列回
路と並列に接続された状態になる。

【００４３】したがって、抵抗を３本使用するだけの簡
単な構成でありながら、いずれの位相においても（Ｘと
Ｙの電位の高低関係によらず）、常に一定の分圧比をえ
ることができるものとなっている。しかも、本実施の形
態では、回転速度が上昇して、巻線の誘導起電力が高く
なった場合でも、その誘導起電力は交流電源５３の電圧
の瞬時値が低下した時には、ダイオード１２０もしくは
ダイオード１２１によって阻止され、電圧検知手段８５
の出力に影響を与えることがない。もし、電圧検知手段
が巻線の誘導起電力の影響を受けるものであれば、交流
電源の電圧の瞬時値が低下しても、それを検知すること
ができず、依然として位相角θが大きくなった状態を保
持してしまうため、結局交流電源からインバータを通じ
てのパワー注入がなされなくなる可能性が発生する。そ
の点、本実施の形態は、交流電源５３の電圧を誤差無く
検知することができることから、適切にスイッチングタ
イミング制御手段８２に指令を出すことができる。

【００４４】なお、本実施の形態では、交流電源５３が
単相のものを使用していることから、第１の抵抗は、２
本用いているが、特に交流電源は単相に限るものではな
く、例えば３相でもよい。その場合には、整流回路もダ
イオード６本を用いたものを使用し、３本の第１の抵抗
をそれぞれの相に接続すればよい。

【００４５】（実施の形態５）本発明の第５の実施の形
態の動力発生装置の回路図を図７に示す。図７において
は、図３と以下の点が異なっているが、その他の点につ
いては、図３と同じ構成となっている。制御回路１０３
は、スイッチング電圧検知手段８２と波形発生回路８９
によって構成させており、この内スイッチング電圧検知
手段８２については図３と同じものが使用されている
が、波形発生回路８９はマイクロコンピュータを使用
し、交流電源５３の電圧の瞬時値が零となる点を検出
し、その時点から、８．３ミリ秒間の間に、マイクロコ
ンピュータ内に半導体マスクで製造されるＲＯＭ（リー
ドオンリーメモリー）に蓄えられたテーブルを順々に読
み出し、そのディジタル値をＤＡ変換して、スイッチン
グタイミング制御手段８２に出力する構成となってい
る。

【００４６】ＲＯＭに蓄えられているデータは、本実施
の形態では合計４．１７ミリ秒分であり、これを交流電
源５３の出力の瞬時値が零となった時点を起点として、
順序よく読み出していく。データの傾向としては、初め
の方が大さく、後の方が大きな値となっている。読み出
しをスタートしてから４．１７ミリ秒経た時点では、交
流電源５３の電圧の瞬時値は、最高となっており、その
後マイクロコンピュータは、データの読み出し方向を逆
とし、４．１７秒から後戻りして読み出していき、次の
零電圧点が検知される頃にほぼデータの初めに戻る。ス
イッチングタイミング制御手段８２は、このような値を
入力しながら、図３の場合と同様の位相角θの制御を行
っていく。

【００４７】本実施の形態では、波形発生回路８９内に
ＲＯＭでデータを書き込んでいることから、製造時に自
由自在に位相角θの変化波形を書き込むことができ、し
たがって動力発生装置として、性能が最も良くなるよう
に、データを設定することが簡単に実現できるというも
のである。かつ、本実施の形態では、交流電源の半波分
のさらに半分のデータだけをＲＯＭに書き込む構成とし
ていることから、ＲＯＭの容量が少なくても十分な波形
が実現でき、装置の一層の小型化、軽量化、低コスト化
が可能となっている。

【００４８】（実施の形態６）本発明の第６の実施の形
態の動力発生装置の回路図を図８に示す。図８において
は、図７と以下の点が異なっているが、その他の点につ
いては、図７と同じ構成となっている。制御回路１０４
は、スイッチング電圧検知手段８２、波形発生回路９
５、周波数検知手段９６によって構成させており、この
内スイッチング電圧検知手段８２については図７と同じ
ものが使用されている。

【００４９】周波数検知手段は、交流電源５３の電圧の
瞬時値が零になってから、次に再び零になるまでの時間
間隔から、交流電源５３の周波数が５０ヘルツである
か、６０ヘルツかを判定し、５０ヘルツであればＨＩＧ
Ｈ信号を出力し、６０ヘルツであればＬＯＷ信号を出力
を出力するものである。波形発生回路９５はマイクロコ
ンピュータを使用し、交流電源５３の電圧の瞬時値が零
となる点を検出し、その時点から、ＲＯＭに蓄えられた
テーブルを順々に読み出し、そのディジタル値をＤＡ変
換して、スイッチングタイミング制御手段８２に出力す
る構成となっている。

【００５０】本実施の形態においては、波形発生回路９
５が内部のＲＯＭに蓄えられているデータを読み出す速
度は、周波数検知手段９６からの信号がＨＩＧＨかＬＯ
Ｗかで異ならせている。すなわち、周波数検知手段９６
からの信号がＨＩＧＨの場合には、ゆっくりと、また周
波数検知手段９６からの信号がＬＯＷの場合には、図７
の場合と同じ速さで読み出すようにしている。

【００５１】本実施の形態では、ＨＩＧＨ時には交流電
源５３の出力の瞬時値が零となった時点を起点として、
５ミリ秒分として順序よく読み出し、５ミリ秒後には逆
に読み出す。またＬＯＷ時には図７の時と同様に、４．
１７ミリ秒分として順序よく読み出し、４．１７ミリ秒
後には逆に読み出す。いずれの場合にも、次に交流電源
５３の電圧の瞬時値が零になるころに、ほぼデータを出
し終わることになる。スイッチングタイミング制御手段
８２は、このような値を入力しながら、図３の場合と同
様の位相角θの制御を行っていく。

【００５２】本実施の形態では、波形発生回路８９内に
ＲＯＭでデータを書き込んでいることから、製造時に自
由自在に位相角θの変化波形を書き込むことができ、し
たがって動力発生装置として、性能が最も良くなるよう
に、データを設定することが簡単に実現でき、かつ日本
の様に５０ヘルツと６０ヘルツの混在している場合に
も、どちらの周波数でも使用できる装置が実現できるも
のである。

【００５３】（実施の形態７）本発明の第７の実施の形
態の動力発生装置の回路図を図９に示す。図９において
は、図３と以下の点が異なっているが、その他の点につ
いては、図３と同じ構成となっている。脈流電源１４０
は、リプル電圧源１４１と直流電源１４２によって構成
され、脈流電源１４０の出力は、インバータ５５に接続
されている。リプル電圧源１４１は、５０Ｈｚでピーク
が５０Ｖの正弦波交流電圧を発生するものであり、直流
電源１４２は７０Ｖの一定電圧を発生するものである。
したがって、脈流電源１４０の出力の瞬時値は、最低で
２０Ｖ、最高で１２０Ｖに達するものとなっている。

【００５４】制御回路１０５は、論理回路１０６と駆動
回路１０７によって構成されている。論理回路１０６
は、位置検知手段であるホールＩＣ６６等の出力に接続
されており、その出力に応じて第２の物体５２の回転角
度を検知し、駆動回路１０７に出力している。駆動回路
１０７は、バイポーラ式のトランジスタで構成したスイ
ッチング素子６９〜７４を順序よくオンオフさせること
により、インバータ５５に接続された、巻線６０ａ〜６
２ｂに電流を供給し、永久磁石６３、永久磁石６４に反
時計向きの周方向の力を発生されることにより、第２の
物体５２にトルクを発生させるものである。

【００５５】ここで、駆動回路１０７は、第２の物体５
２の回転角度の信号を、論理回路１０６から受け取ると
ともに、インバータ５５の入力電圧ＶＩＮ（脈流電源１
４０の出力電圧に等しい）の瞬時値を検知し、脈流電源
１４０の出力電圧の瞬時値が高い場合には、スイッチン
グ素子６９〜７４をオンオフする際に、論理回路１０６
から受け取った実際の位置に対して、遅め遅めに各スイ
ッチング素子のオンオフ動作タイミングを加減するとい
う動作を行い、かつその遅れ位相角θは、脈流電源１４
０の出力電圧の瞬時値が高いとき程大きくなるように制
御している。

【００５６】それによって、図２で説明したと同様の現
象が発生し、結果として永久磁石６３および永久磁石６
４によってできる磁束を強める作用が起こる。それによ
って、各巻線に発生する誘導起電力の値は高くなり、よ
ってＶＩＮが高い時でも、インバータ５５からの電流の
流入が制限されるので、過電流の発生が防止され、同時
に永久磁石が等価的に強められる効果によって、トルク
も確保することが可能となる。したがって、出力に大き
なリプルを有する脈流電源１４０を使用しながらも、十
分な性能を発揮することが可能となる。

【００５７】なお、本実施の形態においては、脈流電源
１４０は、リプル電圧源１４１と直流電源１４２で構成
しているが、必ずしもこのようにして構成しなければな
らないと言うものではない。要するに、出力電圧が脈動
（リプル）を含むものであれば何でもよく、例えば商用
電源を整流し、その出力に平滑フィルタをいれないも
の、あるいは平滑フィルタ回路は設けていても、十分な
平滑を行わず、リプル分が多く含んだ状態で使用するも
のなどであってもよい。

【００５８】（実施の形態８）本発明の第８の実施の形
態の動力発生装置の第２の物体の断面図を図１０に示
す。本実施の形態は、回路上の構成は、図９とまったく
の同一であり、異なる部分がない。ただし、第２の物体
について、その機械的な構成が異なっているにすぎない
ものである。

【００５９】図１０においては、円柱を直線で切り落と
した形状の磁性体１７０の両側の曲面部分に、永久磁石
１７１と永久磁石１７２を張り合わせた構成としてい
る。永久磁石１７１と永久磁石１７２は、いずれもＣ側
（図面の左側）がＳ極、Ｄ側（図面の右側）がＮ極とな
るように設けている。この構成によれば、Ｃ−Ｄ軸方向
の磁束は、磁性体１７０の部分を長く通って流れること
になることから、磁気抵抗が小であり、よってこの方向
のインダクタンスＬｄは大きくなる。逆にＡ−Ｂ軸方向
の磁束は、空隙部分を長く通ることから、磁気抵抗が大
であり、よってこの方向のインダクタンスＬｑは小さく
なる。このように、Ｌｄ＞Ｌｑとなるような構成は、一
般には突極と呼ばれる。

【００６０】本実施の形態で、このような突極の特性を
もった構成を第２の物体として設けることにより、次の
ような効果がある。脈流電源１４０の出力電圧の瞬時値
が大となった時に、制御回路１０５の作用により、遅れ
位相角がθとなると、巻線に流れる電流の位相も遅れ、
そのために、巻線電流による磁束が、第２の物体５２に
対して、ななめ方向に作用する。ここで、Ｌｄ＝Ｌｑの
非突極構造であるならば、ななめ方向からの磁束にたい
しても、なんらのリラクタンストルクは発生しないが、
本実施の形態においては、Ｌｄ＞Ｌｑの突極構造となっ
ていることから、リラクタンストルクが発生し、かつそ
の向きは、巻線電流と永久磁石による磁束により、フレ
ミングの左手の法則によって発生しているトルクの向き
と同一となる。したがって、特に遅れ位相角θを正にと
っている状態においては、フレミングの左手の法則によ
って発生しているトルクに、リラクタンストルクが手伝
う形となり、トータルとしてのトルクが大きくなり、よ
って動力発生性能が高くなるという効果がある。

【００６１】また、図１０に示した第２の物体を、図１
に示した回路に応用することにより、低速回転時や起動
時においては、遅れ位相角θを実施することにより、誘
導起電力が大となり、直流電源１５１の出力電圧値との
差が小さくなることから、装置に流入する電流の大きさ
が抑えられると同時に、突極であるが故に、図１０の説
明で述べた、リラクタンストルクがプラスされる効果が
発生するので、図１の場合よりも一層トルクを大きくと
ることができるものとなる。

【００６２】なお、図１０は突極を実現する第２の物体
の構造の一例を示したものであり、必ずしもこのような
構造である必要はない。要するにｄ軸の磁気抵抗がｑ軸
の磁気抵抗に比して小さく、インダクタンス的には逆に
ｄ軸での値がｑ軸よりも大であるような構造であれば、
どのような構造であってもかまわない。

【００６３】なお、各実施の形態では、交流電源を単相
１００Ｖとしているが、３相であっても良い。３相から
ブリッジ整流回路を通した場合には、単相の交流電源を
全波整流する場合に比べると、リプルが小さくなるが、
それでもボトムの電圧がピークの５０％となることか
ら、従来の技術によるとボトム部分での性能確保を行う
ために、単相の場合ほどではないにしても、やはりかな
り大容量の平滑コンデンサが必要となる。本発明を使用
することによって、この平滑コンデンサが不要になるこ
とから、同様の効果が期待できる。

【００６４】また、各実施の形態では、基本的に第２の
物体を２極としているが、特に２極にしなければならな
いというものではない。４極、６極、８極などでもかま
わない。

【００６５】また、各実施の形態では、位置検知手段と
してホールＩＣを用いているが、かならずしもこのよう
なものを用いなければならないというものではなく、光
学的に回転角を検知するものや、超音波を使用するも
の、あるいは第１の物体には別段の素子を設けず、各巻
線に誘起する電圧を用いて、第２の物体の回転角度を検
知するものであってもよい。

【００６６】また、スイッチング素子の種類について
も、各実施の形態においては、バイポーラ式のトランジ
スタを使用しているが、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどを
使用してもよい。

【００６７】また、各実施の形態は、回転運動を負荷に
伝えることによって動力を発生するものを示している
が、必ずしも回転に限るものではなく、例えばリニアモ
ータの様に直線運動を行うもの、２次元的に動力を発生
するものなどであっても良い。

【００６８】加えて、各実施の形態は、すべて第１の物
体を固定し、第２の物体が回転することによって動力を
取り出しているが、必ずしもこうする必要はなく、逆に
第２の物体を固定し、第１の物体の方から動力を取り出
すようにしてもよい。

【００６９】さらに、インバータ、制御回路、交流電
源、整流回路等の構成要素については、実施の形態では
すべて第１の物体と同様に固定されているように示され
ている。しかし、特に固定する必要はなく、たとえばこ
れらの構成要素の一部またはすべてを第２の物体上に設
け、電線をひきまわして最終的に、第１の物体に設けた
巻線に接続してもよい。その際に必要であればブラシと
スリップリング等で電流が供給できるように構成するこ
ともできる。

【００７０】また、各実施の形態のインバータの構成と
しても、３方式のものとしているが、３相、２相、単相
など、どのような構成でもよく、また、全波式、半波式
のインバータ構成はすべて使用することができる。

【００７１】また、インバータの入力として、全く平滑
コンデンサを接続しない構成を示しているが、ある程度
の静電容量値の平滑コンデンサを併用してもかまわな
い。その場合には、部品点数は増加するが、インバータ
の入力電圧のリプルが小となるので、設計は楽になる。
しかし、その場合においても、本発明を使用することに
より、平滑コンデンサの静電容量は、従来の技術に比し
て、小とした上で同等の性能を確保することができるた
め、トータル的に装置の小形・軽量化、および低コスト
化を行うことができる。

【００７２】

【発明の効果】このように請求項１記載の発明によれ
ば、巻線に永久磁石による磁束を強める向きの電流が流
れるように、スイッチング素子のオンオフのタイミング
を制御することにより、低速時や起動時などにおいて
も、巻線に発生する誘導起電力の大きさを大きくし、イ
ンバータに流れ込む電流の値を制限すると同時に、永久
磁石が等価的に強められた効果によって、発生するトル
クも確保することができる。

【００７３】また、請求項２記載の発明によれば、電源
を交流電源とし、電圧検知手段により検知された電圧に
応じて、スイッチング素子のオンオフタイミングを制御
することにより、インバータの入力電圧が高い位相にお
いても、巻線に発生する誘導起電力の大きさを大きくす
ることにより、インバータに流れ込む電流の値を制限す
ると同時に、永久磁石が等価的に強められた効果によっ
て、発生するトルクも確保するものである。

【００７４】また、請求項３記載の発明によれば、イン
バータに流入する電流を検出し、インバータに流入する
電流に応じて、スイッチング素子のオンオフのタイミン
グを制御することから、やはりインバータの入力電圧が
高い位相においても、巻線に発生する誘導起電力が大き
さなり、インバータに流れ込む電流の値を制限すると同
時に、永久磁石が等価的に強められた効果によって、発
生するトルクも確保するものである。

【００７５】また、請求項４記載の発明によれば、交流
電源に直列に接続された２つの抵抗と、その接続点と整
流回路のマイナス側端子間に接続された抵抗を用いるこ
とで、やはりインバータの入力電圧が高い位相において
も、巻線に発生する誘導起電力が大きくより、インバー
タに流れ込む電流の値を制限すると同時に、永久磁石が
等価的に強められた効果によって、発生するトルクも確
保するものである。さらに電圧検知手段が簡単な構成で
実現できることから、さらに装置の小形化および軽量
化、また低コスト化が可能となる。

【００７６】また、請求項５記載の発明によれば、交流
電源と同期したリプル波形を出力させることにより、簡
単な構成で、装置の性能を最大限に引き出すことも可能
となる。

【００７７】また、請求項６記載の発明によれば、周波
数検知手段を設けることで、複数の電源周波数が混在す
る地域に対応した装置が、簡単な構成で実現することと
なる。

【００７８】また、請求項７記載の発明によれば、脈流
電源のリプル分を検知する電圧検知手段を用いること
で、脈流電源の電圧が大きい時に、インバータのスイッ
チング素子のオンオフタイミングを加減し、巻線に対し
て、永久磁石からの磁束を強めるような電流を供給し、
等価的に永久磁石の磁束が強くなった状態とすることに
より、回転速度（または、移動速度）に対して、巻線に
発生する誘導起電力の値が大となり、その結果、脈流電
源から供給される電流の値を制限することができ、よっ
て脈流電源のリプルのピーク位相においても、十分に動
力を取り出すことが可能となる。

【００７９】さらに、請求項８記載の発明によれば、第
２の物体を突極特性の構造とすることで、電源から供給
される電流の値を制限しながら、リラクタンスによるト
ルク（あるいは推力）がプラスされ、結果的に電源のリ
プルのピーク位相においても、十分な動力を取り出すこ
とが可能となり、かつ、発生するトルクも十分確保する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の動力発生装置の回
路図

【図２】同、動力発生装置のベクトル図

【図３】本発明の第２の実施の形態の動力発生装置の回
路図

【図４】同、動力発生装置の動作波形図

【図５】本発明の第３の実施の形態の動力発生装置の回
路図

【図６】本発明の第４の実施の形態の動力発生装置の回
路図

【図７】本発明の第５の実施の形態の動力発生装置の回
路図

【図８】本発明の第６の実施の形態の動力発生装置の回
路図

【図９】本発明の第７の実施の形態の動力発生装置の回
路図

【図１０】本発明の第８の実施の形態の動力発生装置の
第２の物体の断面図

【図１１】従来の動力発生装置の回路図

【符号の説明】

５１第１の物体５２第２の物体５５インバータ６０ａ巻線６３永久磁石６９スイッチング素子１５１直流電源１５２制御回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】巻線を有する第１の物体と、前記第１の
物体に対して相対的に可動し、前記巻線に磁束が作用す
るように位置した永久磁石を有する第２の物体と、前記
永久磁石の位置を検出する位置検知手段と、直流電源
と、前記直流電源の出力に接続され前記巻線に接続され
た少なくとも１個のスイッチング素子を有するインバー
タと、前記位置検知手段の出力に応じて前記スイッチン
グ素子をオンオフ制御する制御回路とを備え、前記制御
回路は、前記直流電源の位相に応じて、前記巻線に前記
永久磁石による磁束を強める向きの電流が流れるよう
に、前記スイッチング素子のオンオフのタイミングを制
御してなる動力発生装置。
【請求項２】巻線を有する第１の物体と、前記第１の
物体に対して相対的に可動し、前記巻線に磁束が作用す
るように位置した永久磁石を有する第２の物体と、前記
永久磁石の位置を検出する位置検知手段と、略正弦波電
圧を出力する交流電源と、前記交流電源を全波整流する
整流回路と、前記整流回路の出力に接続され前記巻線に
接続された少なくとも１個のスイッチング素子を有する
インバータと、前記交流電源の出力電圧の瞬時値を検知
する電圧検知手段とスイッチングタイミング制御手段を
有し前記位置検知手段の出力に応じて前記スイッチング
素子をオンオフ制御する制御回路とを備え、前記スイッ
チングタイミング制御手段は、前記交流電源の位相に応
じて、前記巻線に前記永久磁石による磁束を強める向き
の電流が流れるように、前記電圧検知手段の出力に応じ
て前記スイッチング素子のオンオフのタイミングを制御
してなる動力発生装置。
【請求項３】巻線を有する第１の物体と、前記第１の
物体に対して相対的に可動し、前記巻線に磁束が作用す
るように位置した永久磁石を有する第２の物体と、前記
永久磁石の位置を検出する位置検知手段と、略正弦波電
圧を出力する交流電源と、前記交流電源を全波整流する
整流回路と、前記整流回路の出力に接続され前記巻線に
接続された少なくとも１個のスイッチング素子を有する
インバータと、前記インバータの入力電流の瞬時値を検
知する電流検知手段とスイッチングタイミング制御手段
を有し前記位置検知手段の出力に応じて前記スイッチン
グ素子をオンオフ制御する制御回路とを備え、前記スイ
ッチングタイミング制御手段は、前記交流電源の位相に
応じて、前記巻線に前記永久磁石による磁束を強める向
きの電流が流れるように、前記電流検知手段の出力に応
じて前記スイッチング素子のオンオフのタイミングを制
御してなる動力発生装置。
【請求項４】交流電源に直列に接続された第１及び第
２の抵抗と、前記両抵抗の接続点と整流回路のマイナス
端子間に接続された第３の抵抗とを備え、電圧検知手段
は、前記第３の抵抗の両端を出力端子としてなる請求項
２記載の動力発生装置。
【請求項５】巻線を有する第１の物体と、前記第１の
物体に対して相対的に可動し、前記巻線に磁束が作用す
るように位置した永久磁石を有する第２の物体と、前記
永久磁石の位置を検出する位置検知手段と、略正弦波電
圧を出力する交流電源と、前記交流電源を全波整流する
整流回路と、前記整流回路の出力に接続され前記巻線に
接続された少なくとも１個のスイッチング素子を有する
インバータと、前記交流電源と同期したリプル波形を出
力する波形発生回路とスイッチングタイミング制御手段
を有し前記位置検知手段の出力に応じて前記スイッチン
グ素子をオンオフ制御する制御回路とを備え、前記スイ
ッチングタイミング制御手段は、前記交流電源の位相に
応じて、前記巻線に前記永久磁石による磁束を強める向
きの電流が流れるように、前記波形発生回路の出力瞬時
値に応じて前記スイッチング素子のオンオフのタイミン
グを制御してなる動力発生装置。
【請求項６】交流電源の周波数を検知する周波数検知
手段を備え、波形発生回路は、前記周波数検知手段の出
力に応じたリプル波形を出力してなる請求項５記載の動
力発生装置。
【請求項７】巻線を有する第１の物体と、前記第１の
物体に対して相対的に可動し、前記巻線に磁束が作用す
るように位置した永久磁石を有する第２の物体と、前記
永久磁石の位置を検出する位置検知手段と、直流電源と
リプル電圧源を有する脈流電源と、前記脈流電源を整流
する整流回路と、前記整流回路の出力に接続され前記巻
線に接続された少なくとも１個のスイッチング素子を有
するインバータと、前記脈流電源のリプル電圧源の瞬時
値のみを検知してなる電圧検知手段とスイッチングタイ
ミング制御手段を有し前記位置検知手段の出力に応じて
前記スイッチング素子をオンオフ制御する制御回路とを
備え、前記スイッチングタイミング制御手段は、前記脈
流電源の位相に応じて、前記巻線に前記永久磁石による
磁束を強める向きの電流が流れるように、前記電圧検知
手段の出力に応じて前記スイッチング素子のオンオフの
タイミングを制御してなる動力発生装置。
【請求項８】第２の物体は、突極構造としてなる請求
項１〜７のいずれか１項に記載の動力発生装置。