JPH0993977A

JPH0993977A - 動力発生装置

Info

Publication number: JPH0993977A
Application number: JP7245740A
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: 1995-09-25
Filing date: 1995-09-25
Publication date: 1997-04-04
Anticipated expiration: 2015-09-25
Also published as: JP3555274B2

Abstract

(57)【要約】【目的】平滑コンデンサを用いずに、交流電源の谷間
の位相で十分なトルク（あるいは推力）を得ること。【構成】交流電源５３の位相に応じて、巻線６０ａ等
に、第１及び第２の永久磁石６３、６４による磁束を弱
める向きの電流が流れるように、電圧検知手段８１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】

【産業上の利用分野】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
２に示す。図１２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、このよ
うな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
の静電容量を非常に大きくする必要があり、また、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り
やすいという欠点を改善するために、チョークコイル４
２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４２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
も大きく、コスト的にも非常に高価なものとなってい
た。

【００１２】本発明は、上記の課題を解決するもので、
交流電源の谷間の位相において、別段の平滑コンデンサ
を設けずに、所定の動力を確保することを第１の目的と
する。

【００１３】また、第２の目的は、インバータに流入す
る電流を検出することで、交流電源の谷間の位相におけ
る動力を確保することである。

【００１４】また、第３の目的は、簡易的な電圧検知手
段を得ることである。また、第４の目的は、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である。

【００１５】また、第５の目的は、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
ることである。

【００１６】また、第６の目的は、脈流電源のリプルの
谷間の位相においても、十分に動力を取り出すことであ
る。

【００１７】さらに、第７の目的は、リラクタンスによ
るトルク（あるいは推力）をプラスして、交流電源等の
谷間の位相においても、十分に動力を取り出すことであ
る。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために、本発明は、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、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弱
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
グを制御してなるものである。

【００１９】また、上記第２の目的を達成するために、
本発明は、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、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、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弱める向きの電流
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
るものである。

【００２０】また、上記第３の目的を達成するために、
本発明は、特に、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もの
である。

【００２１】また、上記第４の目的を達成するために、
本発明は、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、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弱める向きの
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
制御してなるものである。

【００２２】また、上記第５の目的を達成するために、
本発明は、特に、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ものである。

【００２３】また、上記第６の目的を達成するために、
本発明は、特に、電圧検知手段を、脈流電源のリプル電
圧源のみを検知してなるものである。

【００２４】また、上記第７の目的を達成するために、
本発明の第２の物体は、特に、逆突極構造としてなるも
のである。

【００２５】

【作用】本発明は、上記の構成により、交流電源の谷間
の位相において、別段の平滑コンデンサを設けずに、所
定の動力を確保することができる。

【００２６】また、インバータに流入する電流を検出す
ることで、簡易的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。

【００２７】また、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。

【００２８】また、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。

【００２９】また、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。

【００３０】また、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、脈流電源のリプルの谷間の位
相においても、十分に動力を取り出すことができる。

【００３１】さらに、第２の物体を逆突起構造とするこ
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、交流電源等の谷間の位相においても、十分に
動力を取り出すことができる。

【００３２】

【実施例】

（実施例１）本発明の第一の実施例における動力発生装
置の主要構成図を図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、交流電源５３と、整流
回路５４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６
２ａ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、第１の永久磁石６３、第２の永久磁
石６４、磁性体６５で構成されている。

【００３３】巻線６０ａ〜６２ｂは、第１の永久磁石６
３および第２の永久磁石６４の磁束が作用する位置に設
けられ、ホールＩＣ６６は、第１の永久磁石６３および
第２の永久磁石６４の位置を検出するものである。

【００３４】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
されている。上下に接続された各スイッチング素子の接
続点は、８ａ〜１０ｂの各巻線に接続されている。ま
た、各スイッチング素子は、制御回路１００によってオ
ンオフ制御され、インバータ５５の入力端子は、整流回
路５４の出力に接続されている。この、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。また、制御回路１００
は、電圧検知手段８１と、スイッチングタイミング制御
手段８２とを備え、ホールＩＣ６６からの出力を受け、
第２の物体５２と第１の物体５１の間に向かって所定方
向のトルクが発生するように、スイッチング素子６９〜
７４のオンオフ制御を行うものである。また、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
し、スイッチングタイミング制御手段８２により、電圧
検知手段８１の出力値に応じて、スイッチング素子６９
〜７４のオンオフのタイミングを制御している。更に、
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。

【００３５】以上の構成において、次にその動作説明を
行う。図２は、図１の動力発生装置の動作波形図であ
る。図２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、図３に示されるように、永久磁石による磁束φ０の
直角方向に対する進み位相角θであり、スイッチングタ
イミング制御手段８２の制御タイミングを示した波形、
（エ）は出力軸１３０に発生するのトルクの波形であ
る。

【００３６】本実施例においては、（ア）のＡ点、すな
わち交流電源５３の出力電圧が零となる時刻付近で、
（ウ）に示す様にスイッチングタイミング制御手段８２
の進み位相角θを最大５５度まで増加させていて、その
結果として（エ）に示す本実施例のトルクを得ている。
これに対し、従来の技術においては、このような進み位
相角θの変化は行わず、つねに進み位相角θ＝０として
制御しており、その結果、特に交流電源５３の電圧の瞬
時値が低い時に巻線に発生する誘導起電力が、回転速度
だけによって定まる高い値となり、インバータ５５から
のパワー注入能力が著しく低下してまうことから、
（エ）の破線に示すようなトルク波形となり、平均トル
クが低くなっていた。

【００３７】本実施例は、進み位相角θを特に交流電源
５３の出力電圧の瞬時値が低い時に大きくすることによ
って、十分なトルクを得ることが可能となるものであ
る。

【００３８】図３は、本実施例で、進み位相角θの場合
の動作ベクトル図である。図３においては、第１の永久
磁石６３および第２の永久磁石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、９０
度以上進んでいることから、Ｉに進み位相角θの正弦を
乗じた電流による起磁力が、φ０とは逆向きの磁束φＩ
ｄを発生させ、このφＩｄは、もとのφ０を弱める作用
をする（φ０−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、φ０がそのま
ま作用する場合と比して小となり、これによってインバ
ータ５５からの電流の流れ込み、すなわちパワー注入が
促進される。

【００３９】この様に、本実施例では、交流電源５３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、進み位相角θを速やかに変化させ、動力発生
性能向上を促している。

【００４０】加えて、本実施例では、交流電源５３の出
力電流が流れる期間がピーク付近だけでなく、瞬時値の
低い期間にも及ぶため、交流電源５３から見た力率が高
くなり、いわゆる電源高調波の発生も少なくすることが
できる。したがって、交流電源５３にムリがかかること
も少なく、また交流電源５３の電圧ひずみも小さくする
ことができることから、交流電源５３を他の装置と共用
する場合にも、その装置が電源電圧ひずみによって誤動
作等を起こす心配もなくなる。

【００４１】また、進み位相角θを脈動させることにに
より、出力軸１３０に発生するトルクの脈動も抑えられ
るので、負荷および第２の物体５２の慣性モーメントが
小さい場合でも、特に、交流電源５３の周波数の２倍の
周波数成分の速度ムラを抑えることができ、良好な定速
特性も実現することができ、トルク脈動に起因する騒音
も低減することができる。

【００４２】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、本実施例においては、平滑コンデン
サを全く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。

【００４３】（実施例２）本発明の第２の実施例におけ
る動力発生装置の主要構成図を図４に示す。図４におい
ては、図１と以下の点が異なっているが、その他の点に
ついては、図１と同じ構成となっている。制御回路１０
１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により構成されており、電流検知手段８４
は、例えばマンガニン線等を用いた抵抗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からの信号が小となった時に、ス
イッチング素子６９〜７４のオンオフのタイミングをホ
ールＩＣ６６の出力に応じて制御（進み位相角θを制
御）するものである。

【００４４】以上の構成において、次にその動作説明を
行う。交流電源５３の電圧の瞬時値が高い時には、各巻
線に発生する誘導起電力よりも交流電源５３の電圧の方
が高いことから、各巻線に対してインバータ５５による
電流の注入が行われるため、インバータ５５の入力電流
が大きく、よってスイッチングタイミング制御手段８２
は進み位相角θ＝０で動作している。

【００４５】交流電源５３の位相が変わり、電圧の瞬時
値が低下した場合、誘導起電力は第２の物体５２の回転
数が同一であれば交流電源５３の位相によらず同一であ
るため、インバータ５５による電流の注入が減り、発生
するトルクが減少する。しかし、このときインバータ５
５の入力電流も減少することから、電流検知手段８４の
出力が低下し、これがスイッチングタイミング制御手段
８２に作用し、スイッチングタイミング制御手段８２に
より進み位相角θを増加させる。

【００４６】すると、図３と同様の現象で、各巻線に発
生する誘導起電力の値が減少することから、交流電源５
３の出力電圧の瞬時値が低い場合でも、インバータ５５
から各巻線への電流の注入が促進され、トルクを確保す
ることができる。

【００４７】（実施例３）本発明の第３の実施例におけ
る動力発生装置の主要構成図を図５に示す。図５におい
ては、図１と以下の点が異なっているが、その他の点に
ついては、図１と同じ構成となっている。制御回路１０
２は、スイッチングタイミング制御手段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
タイミング制御手段８２については図１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２の抵抗８７、および５ｋΩの抵抗値を
持った第３の抵抗８８によって構成されている。

【００４８】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１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。

【００４９】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、第３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２
の抵抗８７が、前述の第３の抵抗８８とダイオード１２
３の直列回路と並列に接続された状態になる。

【００５０】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、本実施例では、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８
５の分圧比は１対１よりもかなり低いものとしている。

【００５１】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２の抵抗８７、第３の抵抗
８８を通り、ダイオード１２２を経て交流電源５３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３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。

【００５２】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。

【００５３】しかも、本実施例では、回転速度が上昇
し、巻線の誘導起電力が交流電源５３の電圧の瞬時値よ
りも大きくなった場合にも、ダイオード１２０、１２１
により電圧検知手段８５の出力への影響を防止すること
ができる。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、結局交流電源
からインバータを通じてのパワー注入は、促進されない
可能性が発生する。その点、本実施例は、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。

【００５４】なお、本実施例では、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。

【００５５】（実施例４）本発明の第４の実施例におけ
る動力発生装置の主要構成図を図６に示す。図６におい
ては、図１と以下の点が異なっているが、その他の点に
ついては、図１と同じ構成となっている。制御回路１０
３は、スイッチングタイミング制御手段８２と波形発生
回路８９によって構成させており、スイッチングタイミ
ング制御手段８２については図１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、交流電源５３の半周期分（６０Ｈ
Ｚの場合は８．３ミリ秒）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。

【００５６】ＲＯＭに蓄えられているデータは、本実施
例では合計４．１７ミリ秒分であり、これを交流電源５
３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
が小さく、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１の場合と同様の進み位相角θの制御を
行っていく。

【００５７】本実施例では、波形発生回路８９内にＲＯ
Ｍでデータを書き込んでいることから、製造時に自由自
在に進み位相角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。更に、
本実施例では、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、ＲＯ
Ｍ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。

【００５８】（実施例５）本発明の第５の実施例におけ
る動力発生装置の主要構成図を図７に示す。図７におい
ては、図６と以下の点が異なっているが、その他の点に
ついては、図６と同じ構成となっている。制御回路１０
４は、スイッチングタイミング制御手段８２、波形発生
回路９５、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タイミング制御手段８２につい
ては図６と同じものが使用されている。

【００５９】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５０ＨＺであるか、
６０ＨＺかを判定し、５０ＨＺであればＨＩＧＨ信号を
出力し、６０ＨＺであればＬＯＷ信号を出力するもので
ある。

【００６０】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。

【００６１】本実施例においては、波形発生回路９５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ＬＯＷ
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、図６の場合の約５／６
倍の速度で、また周波数検知手段９６からの信号がＬＯ
Ｗの場合には、図６の場合と同じ速さで読み出すように
している。

【００６２】本実施例では、ＨＩＧＨ時には交流電源５
３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６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１の場合と同様の
進み位相角θの制御を行っていく。本実施例では、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進み位相角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５０ＨＺと６０ＨＺ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。

【００６３】（実施例６）本発明の第６の実施例におけ
る動力発生装置の主要構成図を図８に示す。図８におい
ては、図１と以下の点が異なっているが、その他の点に
ついては、図１と同じ構成となっている。脈流電源１４
０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。

【００６４】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。電
圧検知手段は、脈流電源１４０のリプル電圧源の成分の
みを検知する構成となっている。

【００６５】以上の構成により、図３で説明したと同様
の現象が発生し、結果として第１の永久磁石６３および
第２の永久磁石６４によってできる磁束を弱める作用が
起こる。それによって、各巻線に発生する誘導起電力の
値は低くなり、よってＶ_INが低い時でも、インバータ５
５からの電流の流入が促されるので、トルクの発生も大
となる。

【００６６】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、十分な動力を発生す
ることが可能となる。

【００６７】なお、本実施例においては、脈流電源１４
０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、リプル分を多く含んだ状態で使用するものなど
であってもよい。

【００６８】（実施例７）本発明の第７の実施例の動力
発生装置における第２の物体の断面図を図９に示す。本
実施例は、回路上の構成は、図８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。即ち、図９に示すように、第１の磁性体１７０およ
び第２の磁性体１７１で、永久磁石１７２をサンドイッ
チにした構成としている。永久磁石１７２は、Ｃ側（図
面の左側）がＮ極、Ｄ側（図面の右側）がＳ極となるよ
うに設けている。そして、本実施例においては、永久磁
石１７２は、減磁に対して十分な耐量があるものを使用
している。

【００６９】この構成によれば、Ｃ−Ｄ軸方向の磁束
は、破線のａ、ｂ、ｃ、ｄに示すように、永久磁石１７
２を通って流れることになるから、磁気抵抗が大であ
り、この方向のインダクタンスＬｄは小さくなる。逆に
Ａ−Ｂ軸方向の磁束は、破線のｅ、ｆ、ｇ、ｈに示すよ
うに、永久磁石１７２を通らなくても、第１の磁性体１
７０および第２の磁性体１７１という、磁気抵抗の低い
部分を通って流れることになることから、磁気抵抗が小
であり、この方向のインダクタンスＬｑは大きくなる。
このように、Ｌｄ＜Ｌｑとなるような構成は、一般には
逆突極と呼ばれる。本実施例で、このような逆突極の特
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。

【００７０】脈流電源１４０の出力電圧の瞬時値が小と
なった時に、制御回路１０５の作用により、進み位相角
θとなると、巻線に流れる電流の位相も進み、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。

【００７１】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、本実施例において
は、Ｌｄ＜Ｌｑの逆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。

【００７２】したがって、特に進み位相角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。

【００７３】（実施例８）本発明の第８の実施例の動力
発生装置における第２の物体の断面図を図１０に示す。
図９では、ＮとＳの２極であったのに対し、図１０にお
いては、極数をＮ、Ｓ、Ｎ、Ｓの４極としている。図１
０においては、第１の永久磁石１７７、１７８、第２の
永久磁石１７９、１８０を、磁性体１７３〜１７６の中
に埋め込んで設ける構成としている。

【００７４】この場合にも、やはりａ、ｂ、ｃ、ｄの経
路では、磁気抵抗が大きく、Ｌｄが小となり、逆にｅ、
ｆ、ｇ、ｈの経路では、磁気抵抗が小さく、Ｌｑが大と
なり、逆突極の構成となるため、図９の説明で述べたの
と同様の効果がある。ただし、図１０においては、４極
としていることから、この第２の物体を使用して装置を
構成する場合には、第１の物体の構成にも４極対応のた
めに若干の変更が必要となる。

【００７５】（実施例９）本発明の第９の実施例の動力
発生装置における第２の物体の断面図を図１１に示す。
図１１においても、図１０と同様に極数をＮ、Ｓ、Ｎ、
Ｓの４極としている。図１１においては、永久磁石１８
５を、磁性体１８９に張り付け、さらにその上から磁性
体１８１で覆い隠した構成としている。

【００７６】この場合にも、やはりａ、ｂ、ｃ、ｄの経
路では、磁気抵抗が大きく、Ｌｄが小となり、逆にｅ、
ｆ、ｇ、ｈの経路では、磁気抵抗が小さく、Ｌｑが大と
なり、逆突極の構成となるため、図１０の説明で述べた
のと同様の効果が得られる。

【００７７】なお、各実施例では、交流電源を単相１０
０Ｖ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。

【００７８】また、各実施例では、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。

【００７９】また、各実施例では、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。

【００８０】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。

【００８１】また、各実施例は、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。

【００８２】加えて、各実施例は、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。

【００８３】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。

【００８４】また、各実施例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。

【００８５】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、特に交流電源の谷間で完全にインバ
ータ入力電圧が零まで低下するような状況から改善する
ことができるので、性能向上が可能となる。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
型・軽量化、および低コスト化を行うことができる。

【００８６】

【発明の効果】以上のように、本発明は、スイッチング
タイミング制御手段が、第２の物体と第１の物体間に交
流電源の位相に応じた所定の向きの電磁力が発生するよ
うに、電圧検知手段の出力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により、交流電源
の谷間の位相において、別段の平滑コンデンサを設けず
に、所定の動力を確保することができる。

【００８７】また、インバータに流入する電流を検出す
ることで、簡易的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。

【００８８】また、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。

【００８９】また、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。

【００９０】また、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。

【００９１】また、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、脈流電源のリプルの谷間の位
相においても、十分に動力を取り出すことができる。

【００９２】さらに、第２の物体を逆突起構造とするこ
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、交流電源等の谷間の位相においても、十分に
動力を取り出すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例の動力発生装置の主要構
成図

【図２】同、動力発生装置の動作波形図

【図３】同、動力発生装置のベクトル図

【図４】本発明の第２の実施例の動力発生装置の主要構
成図

【図５】本発明の第３の実施例の動力発生装置の主要構
成図

【図６】本発明の第４の実施例の動力発生装置の主要構
成図

【図７】本発明の第５の実施例の動力発生装置の主要構
成図

【図８】本発明の第６の実施例の動力発生装置の主要構
成図

【図９】本発明の第７の実施例の動力発生装置の第２の
物体の構成図

【図１０】本発明の第８の実施例の動力発生装置の第２
の物体の構成図

【図１１】本発明の第９の実施例の動力発生装置の第２
の物体の構成図

【図１２】従来の動力発生装置の主要構成図

【符号の説明】

５１第１の物体５２第２の物体５３交流電源５４整流回路５５インバータ６３第１の永久磁石６４第２の永久磁石６６ホールＩＣ８１電圧検知手段８２スイッチングタイミング制御手段１００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、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弱める向き
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、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弱める向きの
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３】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
１記載の動力発生装置。
【請求項４】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弱める向
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５】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４記載の動
力発生装置。
【請求項６】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
磁束を弱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７】第２の物体は、逆突極構造としてなる請
求項１〜６のいずれか１項に記載の動力発生装置。