JPH09294389A

JPH09294389A - 動力発生装置とこれを使用する掃除機

Info

Publication number: JPH09294389A
Application number: JP8102370A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Asada; 和彦麻田; Hidekazu Yamashita; 秀和山下
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-04-24
Filing date: 1996-04-24
Publication date: 1997-11-11

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の構成のブラシレスモータは、３相の巻
線を使用しており、またインバータ回路についても６個
のトランジスタを使用しているものであり、構成が複雑
であるという課題を有している。【解決手段】インバータ回路６４が第１の物体６０の
単相の巻線６７に供給する電流を、制御回路６５が位置
検知手段６６の信号を受けて第１の物体６０と第２の物
体６１との間に発生する電磁力が第２の物体６１の移動
方向に対して逆極性となる瞬間が発生しないように制御
して、簡単な構成で、機械出力のリプルが小さく、また
出力パワーが大で、効率の高い動力発生装置としてい
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、家庭用や産業用に
使用されるモータやリニアモータ等の動力発生装置と、
この動力発生装置を使用する掃除機に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来使用されている動力発生装置に図１
３に示しているようなブラシレスモータがある。このブ
ラシレスモータは、第１の物体１を構成する固定子と、
第１の物体１の内側に回転自在に設けた第２の物体２を
構成する回転子と、磁極の位置を検知する位置検知手段
３３と、位置検知手段３３の信号によって第２の物体２
の回転を制御する制御回路３０と、制御回路３０の信号
によって第２の物体２を回転させるインバータ回路５０
とを備えている。

【０００３】第２の物体２は、磁性体５と、磁性体５の
表面に設けた永久磁石３および永久磁石４と、出力軸６
を有している。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しており、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している。第１の物
体１は、珪素鋼板等を積層して構成した鉄心７と、鉄心
７によって構成したスロットの中に設けた巻線８ａ・９
ａ・１０ａ・８ｂ・９ｂ・１０ｂを有している。巻線８
ａ、巻線９ａ、巻線１０ａ、巻線８ｂ、巻線９ｂ、巻線
１０ｂはいずれも、巻線８ａ・８ｂと、巻線９ａ・９ｂ
と、巻線１０ａ・１０ｂとはそれぞれ直列に接続してお
り、３相巻線を構成するように６０゜ずつ離れた位置に
配置している。

【０００４】前記各巻線は、インバータ回路５０とイン
バータ回路５０を制御する制御回路３０によって駆動さ
れている。インバータ回路５０は、商用交流電源１１
と、商用交流電源１１を整流する全波の整流回路１２
と、この出力を波形成形するフィルタ回路４０と、フィ
ルタ回路４０の出力によって動作する出力回路１７を備
えている。整流回路１２は、ダイオード１３・１４・１
５・１６をブリッジ接続して構成している。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によって構成しており、整流回路１２の出力をリ
プルが少ない、ほぼ完全な直流に波形成形している。出
力回路１７は、６個のトランジスタ１８〜２３と、６個
のダイオード２４〜２９とを３相インバータに接続した
構成としている。制御回路３０は、駆動回路３１と論理
回路３２とを有しており、前記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。

【０００５】位置検知手段３３は、第１の物体１と第２
の物体２との間の空隙部に設けたホールＩＣ３４・３５
・３６によって構成しており、第２の物体２が回転運動
する際に、永久磁石３・永久磁石４の位置を検知してい
るものである。

【０００６】以上の構成で、制御回路３０が位置検知手
段３３の信号を受けて６個のトランジスタ１８〜２３を
順次駆動し、第２の物体２を回転させるものである。つ
まり、位置検知手段３３を構成するホールＩＣ３３・３
４・３５の３つの信号を論理演算することによって、３
相インバータを構成する６個のトランジスタ１８〜２３
を駆動するハイ・ロウの信号を作成しているものであ
る。駆動回路３１はこの信号が、ハイ信号の場合には当
該トランジスタにベース電流を供給してオンさせ、ロウ
信号の場合にはベースに逆バイアスを印加してオフ状態
とするものである。

【０００７】これによって、第１の物体１に設けている
３相に配置した巻線８ａ・９ａ・１０ａ・８ｂ・９ｂ・
１０ｂに順次電流が流れるものである。この電流によっ
て鉄心７が磁化され、鉄心７から発生する磁束と、第２
の物体２を構成する永久磁石３または永久磁石４とが作
用してトルクを発生するものである。このトルクは出力
軸６を使用して、外部の負荷に供給することができるも
のである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前記従来の構成のブラ
シレスモータは、３相の巻線を使用しており、またイン
バータ回路についても６個のトランジスタを使用してい
るものであり、構成が複雑であるという課題を有してい
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような従来
の構成が有している課題を解決するもので、単相の巻線
を有する第１の物体と、第１の物体に対して相対的に可
動に設けた永久磁石を有する第２の物体とを備えて、巻
線に供給する電流を制御回路を使用して制御する構成の
動力発生装置としている。

【００１０】

【発明の実施の形態】請求項１に記載した発明は、イン
バータ回路が第１の物体の単相の巻線に供給する電流
を、制御回路が位置検知手段の信号を受けて第１の物体
と第２の物体との間に発生する電磁力が第２の物体の移
動方向に対して逆極性となる瞬間が発生しないように制
御して、簡単な構成で、機械出力のリプルが小さく、ま
た出力パワーが大で、効率の高い動力発生装置としてい
る。

【００１１】請求項２に記載した発明は、制御回路が巻
線電流検知回路の出力と位置検知手段の出力とを監視
し、この両者の位相差が常に０となるように巻線に流れ
る電流を進相制御するようにして、更に効率の高い動力
発生装置としている。

【００１２】請求項３に記載した発明は、制御回路が位
置検知手段が出力する信号の周波数に応じてスイッチン
グ素子をオンオフするタイミングを制御するようにし
て、簡単な構成で、電磁力が第２の物体の移動方向に対
して逆極性となる瞬間が発生しない動力発生装置として
いる。

【００１３】請求項４に記載した発明は、リプル分を有
した直流電源を使用して、制御回路がスイッチング素子
をオンオフするタイミングをリプルの周期内として、特
に回路構成の簡単で、電磁力が第２の物体の移動方向に
対して逆極性となる瞬間が発生しない動力発生装置とし
ている。

【００１４】請求項５に記載した発明は、前記動力発生
装置の出力でファンを駆動する掃除機として、小形・軽
量・低価格で、効率の高い掃除機としているものであ
る。

【００１５】

【実施例】

（実施例１）以下本発明の実施例について説明する。図
１は本実施例の動力発生装置の構成を示す説明図であ
る。第１の物体６０は、単相の巻線６７を鉄心６８に巻
回した構成としている。第２の物体６１は、第１の物体
６０に対して相対的に可動に設けており永久磁石６９・
７０と出力軸５９とを有している。６４は少なくとも１
個のスイッチング素子を有しているインバータ回路で、
前記巻線６７に電流を供給している。また６５は、ホー
ルＩＣによって構成した位置検知手段６６の信号を受け
てインバータ回路６４を制御する制御回路である。

【００１６】位置検知手段６６は、第２の物体６１の永
久磁石６９・７０の磁極の位置を検知しており、Ｎ極を
検知しているときはハイ信号を、Ｓ極を検知していると
きはロウ信号を発生する。

【００１７】インバータ回路６４は、トランジスタによ
って構成したスイッチング素子７１・７２・７３・７４
と、各スイッチング素子に逆並列に接続したシリコン形
のダイオード７５・７６・７７・７８と、直流電源６３
とを有している。制御回路６５は、位置検知手段６６か
らの信号を受けて、スイッチング素子７１・７２・７３
・７４を駆動する駆動信号ａ・ｂ・ｃ・ｄを出力してい
る。各スイッチング素子は、駆動信号ａ・ｂ・ｃ・ｄが
ハイであるときにオン状態となり、ロウであるときはオ
フ状態となるものである。

【００１８】こうして各スイッチング素子は、巻線６７
に電流を供給する。この結果、第２の物体６１は第１の
物体６０に対して時計方向に回転するものである。つま
り、時計方向のトルクが発生するものである。

【００１９】以下本実施例の動作について説明する。図
２は、本実施例の動力発生装置の動作を示す波形図であ
る。（ア）は位置検知手段６６の出力信号電圧ｐ、
（イ）はスイッチング素子７１に対する駆動信号ａの波
形、（ウ）はスイッチング素子７２に対する駆動信号ｂ
の波形、（エ）はスイッチング素子７３に対する駆動信
号ｃの波形、（オ）はスイッチング素子７４に対する駆
動信号ｄの波形、（カ）は巻線６７に流れる電流ｉ_Mの
波形を示している。

【００２０】図２から分かるように本実施例の制御回路
６５は、スイッチング素子への駆動信号ａ・ｂ・ｃ・ｄ
のハイ・ロウのタイミングが、位置検知手段６６の出力
信号ｐのハイ・ロウのタイミングに対して、時間的にＴ
βだけ進んだものとなるように制御しているものであ
る。つまり、位置検知手段６６の出力ｐが、ロウからハ
イに立ち上がる時刻ｔ₂のＴβ前の時刻ｔ₁において、信
号ａとｂがロウからハイに立ち上がっており、同時にｂ
とｃがハイからロウに立ち下がっている。また逆に位置
検知手段６６の出力ｐがハイからロウに立ち下がる時刻
ｔ₄のＴβ前の時刻ｔ₃において、ａとｂがハイからロウ
に立ち下がっており、同時にｂとｃがロウからハイに立
ち上がっている。

【００２１】このようにＴβの時間を設定した結果巻線
６７に流れる電流ｉ_Mは、ｔ２・ｔ４・ｔ６・ｔ８の各
時刻に丁度電流が０となるものである。つまり信号ａ・
ｂ・ｃ・ｄによってスイッチング素子７１・７２・７３
・７４がオンオフされるが、巻線６７が有するインダク
タンス分のために、電流波形が遅れて前記電流０のタイ
ミングとなるものである。したがって結果的には（ア）
に示した位置検知手段６６の信号のハイ・ロウのタイミ
ングと、巻線電流ｉ_Mの零点とが同一時刻となるもので
ある。

【００２２】これによって、位置検知手段６６の出力信
号ｐがハイの期間には、常にｉ_M＞０となることからこ
の期間の鉄心６８内の磁束Φは正方向となり、逆に、位
置検知手段６６の出力信号ｐがロウの期間には、常にｉ
_M＜０となることからこの期間の鉄心６８内の磁束Φは
負方向となる。

【００２３】すなわち、永久磁石６９・７０の位置と鉄
心６８内の磁束Φの方向とは同期が取れた状態で変化し
ているものである。この結果いずれの瞬間においても発
生するトルクの方向は正となるものであり、つまり時計
方向であり、逆方向のトルクが発生する瞬間は存在しな
い。

【００２４】本実施例においてはＴβの値を最適な値に
調整することにより前記の状態を実現しているが、この
とき制御回路６５は、位置検知手段６６の出力信号ｐに
対して、２π×Ｔβ／Ｔ₀（ｒａｄ）の進み位相でイン
バータ回路６４を制御している。（ここにＴ₀は、位置
検知手段６６の出力信号ｐの１周期）となる。

【００２５】発明者らによる実験によれば、上記のよう
に逆方向のトルクが発生することがなくなる条件になる
ようにＴβを設定した場合には、効率がほぼ最大となる
ことがわかっており、よってこのような制御を行わせる
ことにより、装置を効率よく働かせることが実現可能に
なる。

【００２６】参考のために、Ｔβの値が最適でない場合
の動作を図３に基づいて説明する。図３はＴβの値が不
足している場合を示している。（ア）は位置検知手段６
６の出力信号ｐ、（イ）は巻線電流ｉ_Mを示した波形図
である。この場合には、Ｔβの値が不足しているためス
イッチング素子のオンオフの切り替えタイミングｔ₁・
ｔ₄がやや遅くなって、位置検知手段６６の出力信号ｐ
が切り替わるタイミングｔ₂・ｔ₅においてはまだｉ_Mは
が０に達していない。ｉ_M＝０となるのは、ｔ₃・ｔ₆の
タイミングであるので、ｔ₂〜ｔ₃の期間およびｔ₅〜ｔ₆
の期間には、逆方向のトルクが発生することになる。す
なわちｔ₂〜ｔ₃の期間においては、丁度図１に示してい
るように位置検知手段６６は第２の物体を構成する永久
磁石６９のＮ極を検知している。この状態でｉ_Mが負で
あるため、鉄心６８に流れる磁束の方向も負となる。こ
のため発生するトルクは、図１の矢印と逆方向（反時計
方向）となるものである。この逆方向のトルクはブレー
キとして作用するものであり、装置として発生するトル
クのリプル分が大きくなり、発生するトルクも減少す
る。従って、巻線電流の増大、スイッチング素子の電流
値の増大、装置の効率低下につながる。図３に示してい
るハッチング期間は、すべて前記逆方向のトルクが発生
している。

【００２７】図４は、Ｔβが過大となった場合を示して
いる。つまり、スイッチング素子の切り替えタイミング
ｔ₁・ｔ₄は、位置検知手段６６の出力信号ｐに対して進
みすぎているものである。従って巻線電流ｉ_Mの零時刻
ｔ₂・ｔ₅が、位置検知手段６６の出力信号ｐのエッジ時
刻ｔ₃・ｔ₆よりも早くなることから、期間ｔ₂〜ｔ₃・ｔ
₅〜ｔ₆においては逆方向のトルクが発生しているもので
ある。

【００２８】また、このようにＴβが過大となった状態
で運転が行われた場合においては、スイッチング素子の
切り替え直後の期間に巻線に流れる電流によって、第２
の物体の永久磁石によって生じている磁束とは、全く逆
方向の磁界の発生、すなわち永久磁石の直軸に対して、
マイナス符号となる電流が大となる状態が発生する。

【００２９】このため特にＴβの大きさが極端に大きい
場合には、前記巻線電流によって永久磁石に大きな逆磁
界が作用して、永久磁石の減磁、すなわち不可逆的な永
久磁石の特性劣化（磁力の磁束密度の低下）が発生する
という現象も起こりうる。

【００３０】したがって、Ｔβを適切な値に制御するこ
とによって、永久磁石の減磁が発生することもなく、信
頼性の高い動力発生装置を提供することが可能となるも
のである。

【００３１】なお永久磁石の減磁を防ぐ方法としては希
土類磁石等を使用する方法もあるが、この場合には非常
に高価なものとなる。従って本実施例の構成は、低価格
でありながら信頼性を確保した動力発生装置を実現して
いるものである。

【００３２】なお本実施例では、第１の物体６０を構成
する鉄心６８と第２の物体６１との間のギャップ７９の
寸法を、一定ではなく傾斜を設けた構成としている。こ
のためいわゆるリラクタンストルクが発生し、インバー
タ６４を停止した場合に第２の物体６１は図１に示して
いるようにやや傾いた状態で停止するものである。つま
り、鉄心６８と第２の物体６１との間のギャップ７９が
最小となる位置、すなわち最も磁気抵抗が小となる位置
で停止するものである。こうして、第２の物体６１がや
や傾いた状態で停止するために、起動トルクが０となる
状態を避けることができ、単相の巻線６７を有した構造
でありながら起動が容易に出来るものとなっている。特
に、起動時に負荷に必要なトルク（あるいは力）が小さ
い負荷、例えば送風ファンなどを負荷としている装置に
おいては、比較的容易に、上記のような起動の確保が実
現できるものであり、よって上記のような傾斜を設けた
構成により、起動特性を確保した場合にも、起動後の通
常動作上における性能低下、あるいは騒音の発生につい
ての問題が発生しないことは、発明者らの実験の結果、
確認されているものである。

【００３３】（実施例２）続いて本発明の第２の実施例
について説明する。前記実施例１では、スイッチング素
子への駆動信号ａ・ｂ・ｃ・ｄを位置検知手段６６の出
力信号ｐの位相よりもＴβだけ進ませたことによって、
逆方向トルクの発生を防止しているものである。これに
対して本実施例では、巻線に流れる電流の位相と永久磁
石の磁極の位置との同期を採るように進相角βを帰還制
御によって設定し、スイッチング素子を駆動するもので
ある。

【００３４】図５は本実施例の構成を示している。８８
は第１の物体６０の電気的中性点、すなわち巻線６７に
よる起磁力が丁度０となる位置に設けた位置検知手段
で、ホール素子によって構成した磁気センサ８０と、磁
気センサ８０の出力の符号によってハイとロウの信号を
出力する符号判定器８１によって構成している。つまり
符号判定器８１は、磁気センサ８０にＮ極が対向した場
合にはハイの信号を、磁気センサ８０にＳ極が対向した
場合にはロウの信号を出力するものである。この信号は
制御回路８７に接続されている。

【００３５】制御回路８７は、巻線電流検知回路８３
と、位相誤差検知回路８５と、進相制御回路８６と、駆
動回路８４とを備えている。巻線電流検知回路８３は、
第１の物体６０を構成する鉄心６８に設けた単相の巻線
６７に流れる電流ｉ_Mを検知しており、抵抗８２と符号
判定器８２ａで構成している。抵抗８２として本実施例
では２０ｍΩを使用しており、符号判定器８２ａは抵抗
８２の両端の電圧εが正の場合（すなわちｉ_M＞０）に
はハイの信号を出力し、εが負の場合（すなわちｉ_M＜
０）にはロウの信号を出力している。位相誤差検知回路
８５は、巻線電流検知回路８３の信号と位置検知手段８
８の信号の位相の差を増幅したアナログ信号を出力す
る。進相制御回路８６は、位相誤差検知回路８５のアナ
ログ信号に応じて、位置検知手段８８の信号に対する進
相角βを決定している。駆動回路８４はこの進相制御回
路８６が決定した進相角βを使用して、スイッチング素
子７１・７２・７３・７４をオンオフ制御するものであ
る。

【００３６】図６は本実施例で使用している位相誤差検
知回路８５の構成を示している。８９はＤフリップフロ
ップで、例えばＭＯＳ式のデジタルＩＣであるμＰＤ４
０１３Ｂ等を使用している。Ｄフリップフロップ８９の
ＣＰ端子には、位置検知手段８８の信号ｐを接続し、Ｄ
入力端子には巻線電流検知回路８３の信号ｒを接続して
いる。またＤフリップフロップ８９の出力端子Ｑには、
ｐやｒのパルス周波数成分の除去を行って平均値成分を
通すためのローパスフィルタ９０、およびオペアンプ９
３を用いた一種の増幅回路を接続している。ローパスフ
ィルタ９０は、抵抗９１とコンデンサ９２によって構成
されている。オペアンプ９３のマイナス入力端子には、
抵抗９４をローパスフィルタ９０の出力端子との間に接
続を行い、マイナス入力端子と出力端子との間には、コ
ンデンサ９５と抵抗９６とを直列に接続したフィードバ
ック回路をそれぞれ接続している。また、プラス入力端
子には、抵抗９７と抵抗９８による分圧回路が接続され
ていて、１２Ｖの電源電圧を丁度１／２に分割した電圧
（６Ｖ）をブラス入力端子に入力する構成となってい
る。また前記Ｄフリップフロップ８９は、１２Ｖの直流
電源によって動作する。また出力端子Ｓは、位相誤差検
知回路８５の出力信号の端子である。

【００３７】以下本実施例の動作について説明する。駆
動回路８４の信号ａ・ｂ・ｃ・ｄによってスイッチング
素子７１・７２・７３・７４がオンオフされて、巻線６
７に巻線電流ｉ_Mが流れる。この巻線電流ｉ_Mの位相が位
置検知手段８８の検知信号ｐよりも遅れている場合に
は、つまり巻線電流ｉ_Mが０となる瞬間が位置検知手段
８８の検知信号ｐが０となる瞬間よりも遅れている場合
には、ＤフリップフロップのＣＰ端子８９が位置検知手
段８８からの信号によって、ロウからハイに立ち上がっ
た瞬間にはＤ入力端子８９はロウの入力となっている。
このため出力端子Ｑの出力する信号はロウであり、ロー
パスフィルタ９０の出力は、時間の経過と共に、抵抗９
１とコンデンサ９２によって決定される時定数に従って
ゼロに近づくアナログの電圧信号となっている。

【００３８】オペアンプ９３のマイナス入力端子には、
前記ローパスフィルタ９０のアナログ電圧信号が入力さ
れ、プラス入力端子には抵抗９７・９８によって分割さ
れている一定電圧（６Ｖ）の入力信号が加わっている。
このためＳ端子から出力されるオペアンプ９３の出力信
号は、ローパスフィルタ９０のアナログ出力電圧とプラ
ス入力端子の電圧（６Ｖ）との誤差電圧が増幅されたも
のとなる。つまり、オペアンプ９３の出力端子とマイナ
ス入力端子との間には、抵抗９６とコンデンサ９５とを
直列に接続しているため、誤差電圧が存在した場合に
は、抵抗９６の両端には、前記誤差電圧の瞬時値に比例
した電圧が発生し、コンデンサ９５の両端子間には、こ
の誤差電圧の時間積分値に比例し、かつコンデンサ９５
の静電容量に反比例した値の電圧が発生するものであ
る。従って出力端子Ｓには、この誤差電圧の比例成分と
時間積分値に比例した成分との和に対応するだけのアナ
ログ電圧信号が出力されるものである。

【００３９】この信号は進相制御回路８６に入力され
る。進相制御回路８６は位相誤差検知回路８５からの信
号により動作するものであり、入力信号によって、位置
検知手段８８からの出力信号ｐに対する進相角βを決
め、これを出力端子ｕから駆動回路８４に出力するもの
である。図７は、進相制御回路８６の制御特性を示して
いる。本実施例では、前記位相誤差検知回路８５の出力
端子Ｓからの入力電圧が１０Ｖの場合には進相角βを４
０°に、６Ｖの場合には２５°となるように、またこの
間を直線で結んだ関係に設定している。

【００４０】なお発明者らの実験の結果では、送風ファ
ンの回転速度を55000r/mとしたときに、定常状態、すな
わちｐとｒの位相差が０となっている状態においては、
位相誤差検知回路８５の出力端子Ｓからの入力電圧は約
６Ｖで、進相角βは約２５°になった。従って55000r/m
の動作時においては、ローパスフィルタ９０の出力はほ
ぼ６Ｖ、またＤフリップフロップ８９の出力Ｑのデュー
ティはほぼ１／２となり、動作点が可変範囲のほぼ中央
に位置するものである。このため、安定性に優れた状態
で装置を動作させることが出来るものである。

【００４１】こうして進相制御回路８６は進み位相角β
を決定し、この信号を駆動回路８４に送るものである。
駆動回路８４はこの信号を受けて、スイッチング素子７
１・７２・７３・７４を駆動する信号ａ・ｂ・ｃ・ｄを
作る。こうしてスイッチング素子７１・７２・７３・７
４が駆動されて、巻線６７に巻線電流ｉ_Mが流れる。

【００４２】この巻線電流ｉ_Mの位相は、前記したよう
に巻線電流検知回路８３によって検知され、位相誤差検
知回路８７によって位置検知手段８８の信号との位相差
に対応するだけのアナログ電圧信号が出力されるもので
ある。

【００４３】また巻線電流ｉ_Mの位相が位置検知手段８
８の検知信号ｐよりも進んでいる場合には、前記と逆の
動作をすることによって、位相誤差検知回路８７によっ
て位置検知手段８８の信号との位相差に対応するだけの
アナログ電圧信号が出力されるものである。

【００４４】以上のように本実施例によれば、インバー
タ６４・巻線電流検知回路８３・駆動回路８４・位相誤
差検知回路８５・進相制御回路８６は帰還回路を構成し
ており、このループによって帰還動作を実行している。

【００４５】本実施例では、ローパスフィルタ９０の出
力をオペアンプ９３のマイナス入力端子側に接続するよ
うにしているため、オペアンプ９３およびその周辺回路
は符号反転した信号を出力するようにしている。従っ
て、ｉ_Mの位相が遅れた状態では位相誤差検知回路８５
の出力は高くなり、逆にｉ_Mの位相が進んだ状態では、
位相誤差検知回路８５の出力は低くなるものである。

【００４６】なおここで進相角βが大きくなると、第２
の物体６１の回転速度も増加し、従って位置検知手段８
８の検知信号の周波数も高くなる。しかし、βを大きく
することによって、確実に巻線電流の位相が進み、上記
の帰還制御が成り立つものである。特に本実施例では、
コンデンサ９５によって誤差の時間積分を実行している
ため、ほぼ完全にｐとｒの位相誤差を零にすることが可
能である。

【００４７】なお本実施例では進み位相角の決定を図７
に示しているように直線によって決定するようにしてい
るが、このため動作点がその直線上のいずれの場所に移
っても、常に等しい傾きの特性が保たれるものである。
従って、制御ループとしての安定性は優れたものとなっ
ている。

【００４８】しかしながら、特に直線によって決定しな
ければならないというものではなく、例えば２次曲線あ
るいは正弦波状となっていても支障はない。また、図６
に示した回路例は、Ｄフリップフロップ８９を使用して
位相誤差検知回路８５を構成しているが、かならずしも
このような構成部品を使用しなければならないというも
のではなく、一般の位相同期ループ回路の位相検知回路
（Ｐｈａｓｅｄｅｔｅｃｔｅｒ）と呼ばれる回路構成
であっても支障はない。

【００４９】（実施例３）続いて本発明の第３の実施例
について説明する。図８は本実施例の構成を示してい
る。本実施例では制御回路９９は、進相制御回路１００
を備えており、位置検知手段６６ｔが検知する信号の周
波数ｆによって、スイッチング素子７１・７２・７３・
７４のオンオフのタイミングを決定するようになってい
る。

【００５０】図９は、進相制御回路１００の制御特性を
示している。つまり、位置検知手段６６から信号の周波
数ｆに対する進み位相角βの関係を示している。本実施
例においては、周波数ｆが0.5kHzの時にβを１０°に、
１kHzの場合には２７°とし、この間を下側を凸とした
曲線によって接続している。

【００５１】以上の構成によって、進相制御回路１００
は駆動回路８４に対して前記信号βを送っている。駆動
回路８４はこの信号βを使用して、スイッチング素子７
１・７２・７３・７４を駆動する信号ａ・ｂ・ｃ・ｄを
作製している。こうして巻線６７に流れる電流は、位置
検知手段６６の検知信号の位相に対してβだけ進んだも
のとなって、逆方向トルクの発生のないものとなる。

【００５２】以上のように本実施例によれば、位置検知
手段６６の検知信号の周波数を利用する構成で、巻線６
７に流れる電流の位相を逆方向トルクが発生しないよう
に制御することが出来るもので、前記実施例２の構成に
比べて巻線電流検知手段が不要になる簡単な構成のもの
を実現できる。また本実施例の構成のものは、負荷の変
動や入力電圧の変動、各構成部品のバラツキなどが比較
的小さい場合にあっては、十分実用可能となるものであ
る。

【００５３】なお進相制御回路１００の動作特性は、本
実施例においては下側に凸の曲線で決定しているが、場
合によっては上側に凸としてもよく、特に一律に決定す
る必要はないものである。

【００５４】（実施例４）次に本発明の第４の実施例に
ついて説明する。図１０に示しているように、本実施例
では、直流電源１０１を、商用交流電源１０２と、商用
交流電源１０２に接続した４個のシリコンダイオードで
構成した全波の整流回路１０３と、整流回路１０３の出
力に接続したコンデンサ１０４によって構成している。
コンデンサ１０４として本実施例では数１０μＦと比較
的小さいものを使用している。つまり、前記各実施例で
はインバータ回路の電源として完全な直流電源を使用し
ているのに対して、本実施例ではリプルを含んだ脈流電
源を使用しているものである。

【００５５】以下本実施例の動作について説明する。図
１１（ア）は、直流電源１０１の出力電圧Ｖ_INを示して
いる。つまり、商用交流電源１０２のピーク位相付近に
おいては実効値１００Ｖのおよそ√２倍の１４０Ｖ、約
１８０°の位相では２０〜３０Ｖ程度に低下した大きな
リプルを含んだ脈流波形となっている。これはコンデン
サ１０４の静電容量が小さいためである。本実施例はこ
のような脈流電源を使用しても、巻線６７に流れる電流
ｉ_Mの位相を、位置検知手段８８が検知する永久磁石６
９・７０の磁極の切り替わるタイミングに一致させる方
法を提供するものである。つまり本実施例で使用してい
る進相制御回路８６は、位相誤差検知回路８５の信号を
受けて図１１（イ）に示しているような進相角βの信号
を作っている。つまり脈流電源のリプルにあわせて、進
相角βを脈動させているものである。この進相角βの設
定は、本実施例ではピーク時で３５°、ボトム時には１
４°としている。このように設定することによって、脈
流電源を使用しても逆方向トルクが発生しない効率の高
い動力発生装置を実現できるものである。

【００５６】このとき、使用している位相誤差検知回路
８５・進相制御回路８６は、装置の回転速度が約55000r
/mと高く、また位置検知手段８８の検知信号の周波数が
１ｋＨＺ程度で交流電源１０２のリプルの周波数（５０
／６０Ｈｚ）に対してかなり高いことから、応答性を良
くすることが出来るものである。例えば位相誤差検知回
路８５を前記図６に示した構成とした場合に、ローパス
フィルタ９０を構成する抵抗９１とコンデンサ９２によ
って決定される時定数を小さくすることができるためで
ある。

【００５７】つまり本実施例の構成のものは、２極構成
となっているため例えば2000r/m程度の低速の用途では
使用できないが、例えば極数を４極・６極・８極・１０
極、…と多くした場合には、位置検知手段８８が発生す
る信号の周波数も２倍、３倍、４倍、５倍、…と高くな
って、使用できるものである。

【００５８】以上のように本実施例によれば、直流電源
１０１を構成するコンデンサ１０４やチョークコイル等
の部品の定格をダウンできたり、あるいは全く使用しな
い構成とすることができ、回路の小形化・軽量化を図る
ことができる。

【００５９】なお、本実施例においては巻線電流検知回
路８３を設ける構成で制御回路８７を実現したが、特に
この構成にこだわるものではなく、例えば制御回路の内
部に、直流電源のリプルにあわせて、βを脈動するよう
な回路を設け、帰還制御を行うことなく、直流電源のリ
プルの位相に合わせてβを変化させていく構成にしても
よい。この場合には、巻線電流検知回路８３が不要とな
るので、一層装置を小型化できるものである。このよう
な構成のものは、負荷変動・定数バラツキ等が比較的小
さい場合においては、十分に効果をあげることができる
ものである。

【００６０】なお、前記実施例１〜実施例４で説明した
動力発生装置は、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。

【００６１】また、各実施例では、位置検知手段として
ホールＩＣもしくはホール素子を用いているが、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。

【００６２】また、スイッチング素子の種類について
も、各実施例においては、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。

【００６３】また各実施例では、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
ように直線運動を行うもの、またはサーフェイスモータ
と称されるような２次元の平面上でＸ−Ｙ方向に動力を
発生するものなどであっても良い。また、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。

【００６４】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、実施例ではすべて
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。

【００６５】（実施例５）次に本発明の第５の実施例で
ある掃除機について、図１２に基づいて説明する。筺体
内には前記各実施例で説明した動力発生装置１０５を設
けている。また動力発生装置１０５の出力軸には、ファ
ン１０６を接続している。またファン１０６の前方には
紙パック１０７を設けており、ノズル１０９・ホース１
０８を介して吸引した塵埃を収容している。整流回路１
１３は例えば４本のシリコンダイオードを使用してお
り、電源コード１１０によって商用電源に接続されてい
る。

【００６６】なお、掃除機の移動を容易にするために、
前輪１１１・後輪１１２を設けている。

【００６７】以下本実施例の動作について説明する。電
源コード１１０を商用電源に接続して、図示してないス
イッチを入れると、動力発生装置１０５が動作を開始す
る。動力発生装置１０５が回転を開始すると、ファン１
０６が回転を開始して、ノズル１０９・ホース１０８を
介して塵埃が紙パック１０７内に収容される。

【００６８】ここで使用している動力発生装置１０５
は、前記各実施例において説明したものであり、整流子
やブラシがなく、また単相の巻線と、双方向スイッチン
グ素子を使用した非常に簡単な構成のものである。した
がって長期間の使用によっても信頼性の確保が十分にで
き、また低価格で小形のものとなっている。

【００６９】また動力発生装置１０５は、図１で説明し
ているようにギャップ７９に傾斜を設け、第２の物体６
１の停止位置を死点を外した位置とできるものである。
またファン１０６は、例えばベアリングなどを使用して
回転時の摩擦を非常に小さくしているものである。従っ
て前記ギャップの大きさは、0.2〜0.5mm程度のごく小さ
いものである。従って動力発生装置１０５は、起動に必
要なトルクも小さくてすみ、確実な起動ができるもので
ある。

【００７０】

【発明の効果】請求項１に記載した発明は、単相の巻線
を有する第１の物体と、第１の物体に対して相対的に可
動に設けた永久磁石を有する第２の物体と、前記巻線に
電流を供給する少なくとも１個のスイッチング素子を有
しているインバータ回路と、インバータ回路を制御する
制御回路と、永久磁石の位置を検出する位置検知手段と
を備え、前記制御回路は、位置検知手段の信号を受けて
第１の物体と第２の物体との間に発生する電磁力が第２
の物体の移動方向に対して逆極性となる瞬間が発生しな
いようにスイッチング素子を制御する構成として、簡単
な構成で、機械出力のリプルが小さく、また出力パワー
が大で、効率の高い動力発生装置を実現するものであ
る。

【００７１】請求項２に記載した発明は、位置検知手段
は第１の物体の電気的中性点に設けた磁気センサを有
し、制御回路は、巻線に流れる電流を検知する巻線電流
検知回路と、巻線電流検知回路の出力と前記磁気センサ
の出力の位相差を検知する位相誤差検知回路と、位相誤
差検知回路の信号に応じて前記巻線に流す電流の位置検
知手段の出力に対する進相角を決定する進相制御回路と
を有する構成として、帰還制御によって、巻線電流の位
相を全期間について位置検知手段の位相と同一とでき、
更に効率の高い動力発生装置を実現するものである。

【００７２】請求項３に記載した発明は、制御回路は、
位置検知手段が出力する信号の周波数に応じてスイッチ
ング素子をオンオフするタイミングを制御する構成とし
て、更に簡単な構成で効率の高い動力発生装置を実現す
るものである。

【００７３】請求項４に記載した発明は、インバータ回
路の電源として、リプルを有する脈流電源を使用し、制
御回路はスイッチング素子をオンオフするタイミングを
前記リプルの周期内で制御する構成として、特に回路構
成が簡単で、効率の高い動力発生装置を実現するもので
ある。

【００７４】請求項５に記載した発明は、請求項１から
４のいずれか１項に記載した動力発生装置と、この動力
発生装置の出力に接続したファンとを有する構成とし
て、小形・軽量・低価格で効率の高い掃除機を実現する
ものである。として作用する。電磁力が第２の物体の移
動方向に対して逆極性となる瞬間が発生しない動力発生
装置としている。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例である動力発生装置の構
成を示す回路図

【図２】同、各部の動作を示す波形図

【図３】同、Ｔβが不足した場合を説明する波形図

【図４】同、Ｔβが過剰となった場合を説明する波形図

【図５】本発明の第２の実施例である動力発生装置の構
成を示す回路図

【図６】同、位相誤差検知回路の構成を示す回路図

【図７】同、進相制御回路の制御特性を示す特性図

【図８】本発明の第３の実施例である動力発生装置の構
成を示す回路図

【図９】同、進相制御回路の制御特性を示す特性図

【図１０】本発明の第４の実施例である動力発生装置の
構成を示す回路図

【図１１】（ア）同、直流電源が有している脈流波形を
示す波形図（イ）同、位相誤差検知回路が作製する進相角の特性を
示す特性図

【図１２】本発明の第５の実施例である掃除機の構成を
示す説明図

【図１３】従来使用しているブラシレスモータの構成を
示す回路図

【符号の説明】

６０第１の物体６１第２の物体６４インバータ回路６５制御回路６６位置検知手段６７巻線６９永久磁石７０永久磁石７１スイッチング素子７２スイッチング素子７３スイッチング素子７４スイッチング素子７９磁気センサ８３巻線電流検知回路８４駆動回路８５位相誤差検知回路８６進相制御回路８７制御回路９９制御回路１００進相制御回路１０１直流電源１０５動力発生装置１０６ファン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単相の巻線を有する第１の物体と、第１
の物体に対して相対的に可動に設けた永久磁石を有する
第２の物体と、前記巻線に電流を供給する少なくとも１
個のスイッチング素子を有しているインバータ回路と、
インバータ回路を制御する制御回路と、永久磁石の位置
を検出する位置検知手段とを備え、前記制御回路は、位
置検知手段の信号を受けて第１の物体と第２の物体との
間に発生する電磁力が第２の物体の移動方向に対して逆
極性となる瞬間が発生しないようにスイッチング素子を
制御する動力発生装置。
【請求項２】位置検知手段は第１の物体の電気的中性
点に設けた磁気センサを有し、制御回路は、巻線に流れ
る電流を検知する巻線電流検知回路と、巻線電流検知回
路の出力と前記磁気センサの出力の位相差を検知する位
相誤差検知回路と、位相誤差検知回路の信号に応じて前
記巻線に流す電流の位置検知手段の出力に対する進相角
を決定する進相制御回路とを有する請求項１記載の動力
発生装置。
【請求項３】制御回路は、位置検知手段が出力する信
号の周波数に応じてスイッチング素子をオンオフするタ
イミングを制御する請求項１記載の動力発生装置。
【請求項４】インバータ回路の電源として、リプルを
有する脈流電源を使用し、制御回路はスイッチング素子
をオンオフするタイミングを前記リプルの周期内で制御
する請求項１から３のいずれか１項に記載した動力発生
装置。
【請求項５】請求項１から４のいずれか１項に記載し
た動力発生装置と、この動力発生装置の出力に接続した
ファンとを有する掃除機。