JPH10155299A

JPH10155299A - 動力発生装置とこれを使用する掃除機

Info

Publication number: JPH10155299A
Application number: JP8311656A
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: 1996-11-22
Filing date: 1996-11-22
Publication date: 1998-06-09

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は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【解決手段】単相の巻線１６７を有する第１の物体１
６０と、第１の物体１６０に対して相対的に可動に設け
た永久磁石１６９・１７０を有する第２の物体１６１と
を備え、巻線１６７に供給する電流を制御回路１６５を
使用して、第１のスイッチング素子１７１・１７４と第
２のスイッチング素子１７２・１７３のオンオフ時期を
制御することによって有効に制御し、高効率としている
ものである。

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を図１
４に示している。この動力発生装置は、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と、第２の物体２の表面に設けている
永久磁石３・４の磁極の位置を検知する位置検知手段３
３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１の物体１を構成する巻線に電流を供給するイ
ンバータ回路４０とを備えている。

【０００３】第２の物体２は出力軸６を有しており、出
力軸６に図示していない負荷を接続している。また永久
磁石３は第２の物体２を構成する磁性体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
・９ａ・１０ａ・８ｂ・９ｂ・１０ｂを有している。巻
線８ａ・８ｂと、巻線９ａ・９ｂと、巻線１０ａ・１０
ｂ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４０とインバー
タ１７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４０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。

【０００５】整流回路１２は、ダイオード１３・１４・
１５・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。

【０００６】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。

【０００７】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
るものであり、Ｎ極と対向している状態においてはハイ
の論理信号を出力し、Ｓ極と対向している状態において
はロウの論理信号を出力するものである。

【０００８】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。

【０００９】図１５は図１の動力発生装置各部の電圧波
形を示したものである。図１５において、（ア）はホー
ルＩＣ３４の信号波形、（イ）はホールＩＣ３５の信号
波形、（ウ）はホールＩＣ３６の信号波形、（エ）はト
ランジスタ１８への信号波形、（オ）はトランジスタ１
９への信号波形、（カ）はトランジスタ２０への信号波
形、（キ）はトランジスタ２１への信号波形、（ク）は
トランジスタ子２２への信号波形、（ケ）はトランジス
タ２３への信号波形を示したものである。

【００１０】すなわち論理回路３２は、位置検知手段３
３を構成するホールＩＣ３３・３４・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。

【００１１】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。

【００１２】このとき論理回路３２として、遅れ時間が
各ホールＩＣから入力される信号の周期に比して極めて
短い高速の回路、例えばＴＴＬやＣＭＯＳ式のロジック
回路などを使用しているものである。このため、各ホー
ルＩＣの信号の立ち上がりのエッジもしくは立ち下がり
のエッジと、各トランジスタの駆動信号の立ち上がりも
しくは立ち下がりのエッジとの時間差は、数１０ｎ秒〜
数１００ｎ秒程度であり、図１５に示しているように、
現実的にはほぼ同時にトランジスタの切り替えが行われ
るものとなっている。

【００１３】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、第２の物体２を構成する永久磁石３または永久磁石
４との間に力が発生し、図１４では反時計方向にトルク
が発生するものである。このトルクは出力軸６から、外
部の負荷に伝達されるものである。

【００１４】

【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は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。

【００１５】

【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、巻線
に供給する電流を制御回路を使用して、第１のスイッチ
ング素子と第２のスイッチング素子のオンオフ時期を制
御することによって有効に制御し、高効率としているも
のである。

【００１６】

【発明の実施の形態】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、イン
バータ回路と、制御回路と、位置検知手段を有し、前記
インバータは、前記巻線に正の電流を供給する第１のス
イッチング素子と、前記巻線に負の電流を供給する第２
のスイッチング素子を有し、前記位置検知手段は、前記
永久磁石の位置を検出し、前記制御回路は、前記位置検
知手段の信号を受けて前記第１のスイッチング素子と前
記第２のスイッチング素子を交互にオンさせ、前記第１
のスイッチング素子のオン期間と前記第２のスイッチン
グ素子の切り替わり期間付近には、所定の電気角に相当
する期間、前記第１のスイッチング素子と前記第２のス
イッチング素子を共にオフとする制御を行うことによ
り、簡単な構成で、出力パワーが大で、効率の高い動力
発生装置としているものである。

【００１７】また請求項２に記載した発明は、請求項１
記載の動力発生装置の前記制御回路を、電気的中性点に
対して前記巻線のインダクタンスによる電流の遅れ時間
とほぼ等しい時間だけ先行したタイミングで前記第１の
スイッチング素子および前記第２のスイッチング素子を
ターンオフさせるものとしたことにより、比較的簡単な
構成でありながら、さらに出力パワーが大で、効率の高
い動力発生装置としているものである。

【００１８】また請求項３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、インバー
タ回路と、制御回路と、位置検知手段を有し、前記イン
バータは、前記巻線に正の電流を供給する第１のスイッ
チング素子と、前記巻線に負の電流を供給する第２のス
イッチング素子を有し、前記位置検知手段は、前記永久
磁石の位置を検出し、前記制御回路は、前記第１のスイ
ッチング素子および前記第２のスイッチング素子のオン
期間の導通比率を加減するパルス幅変調回路を有し、前
記制御回路は、前記位置検知手段の信号を受けて前記第
１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子を
交互にオンさせるとともに、前記第１のスイッチング素
子のオン期間と前記第２のスイッチング素子の切り替わ
り期間付近で、前記導通比率を小とすることにより、構
成要素の数はやや増えるものの、効率がさらに高い動力
発生装置を実現するものである。

【００１９】また請求項４に記載した発明は、請求項３
記載の動力発生装置の前記制御回路を、前記巻線の電流
を検知する巻線電流検知回路と、基準波形を発生する基
準波形発生回路を有し、前記制御回路は、前記基準波形
と前記巻線電流検知回路の出力信号の瞬時値とを比較
し、前記パルス幅変調回路は、両者がほぼ等しくなるよ
うに、前記導通比率を加減する構成とすることにより、
永久磁石の特性を十分に発揮させることによって、高効
率の動力発生装置を実現することができるものである。

【００２０】また請求項５に記載した発明は、請求項１
〜請求項４記載の動力発生装置の前記第２の物体は２極
で構成し、回転運動を行う構成とすることにより、着磁
性能に若干の弱点があっても、それをカバーし、高効率
を実現することを可能とするものである。

【００２１】また請求項６に記載した発明は、請求項１
〜５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により掃除機を構成
したことにより、ブラシ等の接触部のない信頼性に優れ
た掃除機を実現することができるものである。

【００２２】

【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１６０は、珪素鋼板等を積層して構成し
た鉄心１６８に、単相の巻線１６７を巻回した構成とし
ている。第２の物体１６１は、第１の物体１６０に対し
て相対的に可動に設けており永久磁石１６９・１７０と
出力軸１５９とを有している。つまり、本実施例では第
２の物体１６１を２極で構成しているものである。１６
４は４個のスイッチング素子１７１〜１７４を有してい
るインバータ回路で、前記巻線１６７に電流を供給して
いる。また１６５は、ホールＩＣによって構成した位置
検知手段１６６の信号を受けてインバータ回路１６４を
制御する制御回路である。

【００２３】位置検知手段１６６は、第２の物体１６１
の永久磁石１６９・１７０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。

【００２４】制御回路１６５は、第１のスイッチング素
子１７１・１７４を駆動する駆動信号ａ・ｄと、第２の
スイッチング素子１７２・１７３を駆動する駆動信号ｂ
・ｃとを出力する駆動回路１９０と、選択器７１と、電
気角発生回路１９２、周波数検知回路７２とを有してい
る。周波数検知回路７２は、位置検知手段１６６の出力
信号の周波数を検知しており、この周波数が２００Ｈｚ
以下、すなわち第２の物体１６１の回転数が１２０００
ｒ／ｍ以下である場合には、選択器７１の接点をｐ側に
接続する。また前記周波数が２００Ｈｚを越えた状態、
すなわち１２０００ｒ／ｍを越えた状態である場合に
は、選択器７１の接点をｑ側に接続する。

【００２５】インバータ回路１６４は、バイポーラ形の
トランジスタによって構成し、巻線１６７に正の電流を
供給する第１のスイッチング素子１７１・１７４と、負
の電流を供給する第２のスイッチング素子１７２・１７
３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１７５・１７６・１７７・１７８と、直
流電源１６３とを有している。なお巻線１６７の電流ｉ
_Mの方向は、図１に示した鉄心１６８の磁束Φが正とな
る電流ｉ_Mの方向を正と定めているものである。

【００２６】本実施例では制御回路１６５は、第１のス
イッチング素子１７１・１７４と、第２のスイッチング
素子１７２・１７３とを交互にオンさせているものであ
るが、特に第１のスイッチング素子１７１・１７４から
第２のスイッチング素子１７２・１７３への切り換え時
期または、第２のスイッチング素子１７２・１７３から
第１のスイッチング素子１７１・１７４への切り換え時
期には、両方のスイッチング素子を共に所定の電気角に
相当する期間オフに制御しているものである。

【００２７】以下本実施例の動作について説明する。図
２は、第２の物体１６１が６００００ｒ／ｍで回転して
いる状態での各部の電流波形を示している。すなわち、
（ア）は位置検知手段１６６の出力信号電圧ｐを、
（イ）は第１のスイッチング素子１７１に対する駆動信
号ａの波形を、（ウ）は第２のスイッチング素子１７２
に対する駆動信号ｂの波形を、（エ）は第２のスイッチ
ング素子１７３に対する駆動信号ｃの波形を、（オ）は
第１のスイッチング素子１７４に対する駆動信号ｄの波
形を、（カ）は巻線１６７に流れる電流ｉ_Mの波形を示
している。

【００２８】この速度では、周波数検知器７２によっ
て、選択器７１はｑ側に接続している。つまり、駆動回
路１９０には電気角発生回路１９２の出力信号が入力さ
れるものである。電気角発生回路１９２は、繰り返し入
力される信号ｐに対して、その位相をカウントし、この
信号ｐの電気角が１２０度（＝１８０度−６０度）と、
３００度（＝３６０度−６０度）の時点で、その時点で
オンとなっている第１のスイッチング素子１７１・１７
４もしくは第２のスイッチング素子１７２・１７３を強
制的にターンオフするターンオフ信号を出力するもので
ある。

【００２９】図２から分かるように本実施例の制御回路
１６５からの駆動信号ａ・ｂ・ｃ・ｄがロウからハイと
なるタイミングは位置検知手段１６６の出力信号ｐのエ
ッジと等しく、駆動信号ａ・ｂ・ｃ・ｄがハイからロウ
となるタイミングは位置検知手段１６６の出力信号ｐの
エッジに対して電気角で６０度進んだ時点となってい
る。従って、第１のスイッチング素子１７１・１７４か
ら第２のスイッチング素子１７２・１７３への切り換え
時期または、第２のスイッチング素子１７２・１７３か
ら第１のスイッチング素子１７１・１７４への切り換え
時期には、両方のスイッチング素子が共にオフとなって
いるものである。つまり本実施例では、電気角で６０度
に相当する期間は、両方のスイッチング素子をオフとし
ているものである。電気角６０度は、本実施例では、電
気角の３６０度が１ｍ秒であることから約１６７μ秒に
相当するものである。

【００３０】このように本実施例では、制御回路１６５
が出力するターンオフ信号を、位置検知手段１６６の出
力信号ｐに対して約６０度進める制御を行っているもの
である。従って、巻線１６７に流れる電流ｉ_Mのピーク
値を抑えることができ、換言すれば、第１のスイッチン
グ素子１７１・１７４と第２のスイッチング素子１７２
・１７３に流れる電流のピーク値を低く抑えることがで
き、使用するスイッチング素子の電流定格を低いものと
できる。また、位置検知手段の出力信号ｐが０であると
きに、巻線１６７に流れる電流ｉ_Mを０とできるため、
逆トルクの発生する瞬間が存在しないものである。

【００３１】また図３（ア）（イ）は、第２の物体１６
１の表面の磁束密度の分布を示している。一般に第２の
物体１６１を２極の構成とした場合には、Ｎ極とＳ極の
ピッチは１８０度（π）の電気角となる。通常の異方性
磁気材料を使用してＮ極とＳ極の着磁を行うと、例えば
（ア）に示しているように無着磁領域Ａが発生したり、
（イ）に示しているように、磁束密度のカーブがほとん
ど正弦波状となってしまったりする。つまり、０度・１
８０度・３６０度の角度に近い部分は、着磁が弱い部分
となりがちである。

【００３２】このような場合に、出力するターンオフ信
号を位置検知手段１６６の出力信号ｐに対して約６０度
進める制御を行うようにすれば、この欠点部分に対する
巻線電流ｉ_Mの供給を抑えることができ、着磁の欠点を
カバーできるものである。

【００３３】また本実施例では、第２の物体１６１の極
数を最小の２極としているものである。このため、特に
６００００ｒ／ｍという高速で動作させた場合には、効
率が非常に高くなるものである。すなわち、極数を４極
とした場合には動作周波数は２極の２倍になるものであ
る。珪素鋼板を積層して構成した鉄心１６８には、周波
数にほぼ比例するヒステリシス損失と、周波数の２乗に
比例する渦電流損失とが発生するものである。従って６
００００ｒ／ｍという高速で、高周波の動作をさせた場
合には、渦電流損失が非常に増加して効率の低い動力発
生装置となってしまうものである。

【００３４】なお発明者らの実験によれば、ターンオン
のタイミングを信号ｐとし、ターンオフ信号を出力信号
ｐに対して約６０度進めるように制御した場合には、効
率はほぼ最大となるものである。

【００３５】また本実施例では、図１に示しているよう
に巻線１６７を集中して巻いた構成としているため、単
相の巻線１６７であっても、第２の物体１６１の磁束を
最大限利用できるものとなっている。

【００３６】続いて本実施例の動力発生装置が低速で動
作している場合について説明する。図４は１００００ｒ
／ｍの低速域で動作している場合の動作波形を示してい
るも回転速度が１２０００ｒ／ｍ以下となった場合に
は、周波数検知器７２が作用して、つまり位置検知手段
１６６の出力周波数が２００Ｈｚ以下となったことを検
知して、選択器７１の接点をｐ側に接続する。このた
め、駆動回路１９０は位置検知手段１６６の出力信号に
よって直接制御されるものである。

【００３７】この結果、図４（カ）に示しているよう
に、巻線１６７に流れる電流ｉ_Mのピーク値は図２に示
したものよりも若干大きくなり、また位置検知手段１６
６の信号がロウからハイへ或いはハイからロウへ切り替
わるタイミングｔ₁・ｔ₃・ｔ₅・ｔ₇には、巻線１６７に
は電流ｉ_Mが直前のオン期間に流れていた方向でピーク
に達しているものである。また、ｔ１〜ｔ２・ｔ３〜ｔ
４・ｔ５〜ｔ６・ｔ７〜ｔ８の各期間には、巻線１６７
に逆方向の電流ｉ_Mが流れているものである。この逆方
向の電流ｉ_Mは、発生するトルクの向きが回転方向とは
逆方向であるため、ブレーキとして作用するものであ
る。しかし本実施例の動力発生装置は、特に高速域にお
いて高効率であることが要求されるものであり、起動直
後や低速動作時に若干の効率低下が生じても問題とはな
らないものである。

【００３８】なお本実施例では、第１の物体１６０を構
成する鉄心１６８と第２の物体１６１との間のギャップ
１７９の形状を、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、
インバータ回路１６４を停止した場合に第２の物体１６
１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１６８と第２の物体１６１と
の間のギャップ１７９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。このた
め本実施例によれば、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１６７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。

【００３９】発明者らの実験の結果、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場合は、起動が非常に簡単に
出来るものである。また起動後の定常動作についても、
性能の低下はなく、また騒音が大きくなるようなことも
ないものである。

【００４０】以上のように本実施例によれば、周波数検
知器７２によって低速領域では位置検知手段１６６の信
号を直接使用して、駆動回路１９０から駆動信号を発生
するようにしているため、起動が非常に容易にできる動
力発生装置を実現できるものである。また、同様の理由
によって、電気角発生回路１９２が動作する周波数の下
限、つまり入力信号の周期の上限が定まることから、電
気角発生回路１９２の構成を簡単なものとすることがで
きる。

【００４１】なお本実施例においては、正の巻線電流を
供給する第１のスイッチング素子と、負の巻線電流を供
給する第２のスイッチング素子をいずれも２個ずつ使用
する構成としているが、必ずしもこのような構成にする
必要があるわけではなく、例えば２個の直流電源を直列
に接続し、その中点に単相の巻線の一方を接続し、単相
の巻線の他の端子に、１個の第１のスイッチング素子の
一端と１個の第２のスイッチング素子の一端を接続する
とともに、前記第１のスイッチング素子と第２のスイッ
チング素子の残った端子をそれぞれ直列接続した直流電
源の両端に接続するような構成としても良いものであ
る。

【００４２】また本実施例においては、２個のスイッチ
ング素子で構成した第１のスイッチング素子について、
同一のターンオンおよびターンオフ信号を与えている
が、必ずしも２つの素子に同じ信号を与えることが必要
となるものではない。つまり、第１のスイッチング素子
を構成するスイッチング素子１７１とスイッチング素子
１７４のいずれか一方のスイッチング素子のオン時間を
長くするような制御信号を使用することもできるもので
ある。第２のスイッチング素子１７２・１７３について
も同様である。

【００４３】（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、第１のスイッチ
ング素子１７１・１７４ならびに第２のスイッチング素
子１７２・１７３への駆動信号ａ・ｂ・ｃ・ｄの立ち下
がりタイミングを、位置検知手段１６６の出力信号ｐの
エッジの位相よりも先行させたことによって、巻線電流
ｉ_Mのピーク値を抑えているものである。これに対して
本実施例では、駆動信号ａ・ｂ・ｃ・ｄの立ち上がりの
タイミングについても電気的中性点に対して先行させて
いるものである。図５は本実施例の構成を示す回路図で
ある。１６６はホールＩＣによって構成した位置検知手
段で、第１の物体１６０の電気的中性点、すなわち巻線
１６７による起磁力が丁度０となる位置に設けている。
制御回路１９５は、実施例１と同様、駆動回路１９０・
選択器７１・周波数検知器７２を備えている。さらに本
実施例では、電気角発生回路１９６・１９７と、フリッ
プフロップ１９８を備えている。電気角発生回路１９６
は、位置検知手段１６６からの繰り返し信号ｐを受け、
この位相を検知しながら、第２の物体１６１のＮ極とＳ
極との境界が、電気的中性点に到達する時点よりも電気
角で２０度先行したタイミングでフリップフロップ１９
８に対して信号を出力し、駆動回路１９０から第１のス
イッチング素子１７１・１７４と第２のスイッチング素
子１７２・１７３をターンオンする信号を出力させてい
る。また電気角発生回路１９７は、位置検知手段１６６
からの繰り返し信号ｐを受け、この位相を検知しなが
ら、第２の物体１６１のＮ極とＳ極との境界が電気的中
性点に到達する時点よりも４０度先行したタイミングで
フリップフロップ１９８に対し信号を出力し、駆動回路
１９０から第１のスイッチング素子１７１・１７４と第
２のスイッチング素子１７２・１７３をターンオフする
信号を出力させている。

【００４４】図６は、位置検知手段６６の動作を説明す
る説明図である。（ア）は、丁度第２の物体１６１が電
気的中性点Ｙに来ている状態を示している。また（イ）
は、第２の物体１６１が電気的中性点に対して２０度先
行している状態を示している。本実施例では（イ）の位
置にある時に、電気角発生回路１９６が作用して、フリ
ップフロップ１９８がセットされ、駆動回路１９０の出
力信号ａ・ｄがハイとなるものである。このため、第１
のスイッチング素子１７１・１７４がこのタイミングで
オンされることになる。

【００４５】なお本実施例では、第２の物体１６１を２
極の構成としていることから、電気角は機械角と等しい
ものとなっている。

【００４６】図７は、本実施例の動力発生装置が６００
００ｒ／ｍで回転している状態での各部の動作波形を示
している。すなわち、図７（ア）は位置検知手段１６６
の出力信号電圧ｐを、（イ）は第１のスイッチング素子
１７１に対する駆動信号ａの波形を、（ウ）は第２のス
イッチング素子１７２に対する駆動信号ｂの波形を、
（エ）は第２のスイッチング素子１７３に対する駆動信
号ｃの波形を、（オ）は第１のスイッチング素子１７４
に対する駆動信号ｄの波形を、（カ）は巻線１６７に流
れる電流ｉ_Mの波形を示している。

【００４７】図７に示しているように、駆動回路１９０
の出力信号ａ・ｄは、位置検知手段１６６からの信号ｐ
が立ち上がるタイミングｔ₂よりも２０度先行したタイ
ミングｔ₁でハイとなって、第１のスイッチング素子１
７１・１７４が共にオンとなる。また、位置検知手段１
６６の信号ｐが立ち下がるタイミングｔ₅よりも４０度
先行したタイミングｔ₄で、駆動回路１９０の出力信号
ａ・ｄはロウとなって、第１のスイッチング素子１７１
・１７４が共にオフとなる。さらに、信号ｐが立ち下が
るタイミングｔ₅よりも２０度先行したタイミングｔ
₄で、駆動回路１９０の出力信号ｂ・ｃがハイとなっ
て、第２のスイッチング素子１７２・１７３が共にオン
となる。またその後は、前記動作を繰り返すものであ
る。

【００４８】したがって、第１のスイッチング素子１７
１・１７４と第２のスイッチング素子１７２・１７３の
切り替わりの期間には、電気角で２０度の間、いずれの
スイッチング素子もオフしている期間が生ずるものであ
る。

【００４９】本実施例では、電気的中性点に先行してス
イッチング素子をオンさせているため、直前のオン期間
に巻線１６７に流れている逆方向の電流を急速に反転さ
せることができるものである。このため、第１のスイッ
チング素子１７１・１７４と第２のスイッチング素子１
７２・１７３が共にオフとなっている期間が短くなった
としても、第２の物体１６１が電気的中性点に到達した
時点では、巻線１６７に流れる電流を０とすることがで
きるものである。

【００５０】以上のように本実施例によれば、逆トルク
の原因となる巻線電流の成分を防ぐことができるととも
に、巻線電流のピーク値となる位相を、前記実施例１の
構成のものよりも自由にコントロールすることが可能と
なっているものである。このため、第２の物体１６１の
着磁特性が悪くても、十分高い効率、機械出力を得るこ
とができるものとなるものである。

【００５１】なお本実施例においては、第１のスイッチ
ング素子１７１と第１のスイッチング素子１７４の両方
に対して、同一のターンオンおよびターンオフの信号を
与えているが、必ずしも２つの素子に同じ信号を与える
ことが必要となるものではない。また制御回路１９５
は、第１のスイッチング素子を構成するスイッチング素
子１７１とスイッチング素子１７４のいずれか一方のス
イッチング素子のオン時間を長くするような制御信号を
使用することもできるものである。第２のスイッチング
素子１７２・１７３についても同様である。

【００５２】（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す回路図
である。本実施例では制御回路２００は、駆動回路１９
０と、パルス幅変調回路２０１と、波形発生回路２０４
を備えているものである。パルス幅変調回路２０１は、
第１のスイッチング素子１７１・１７４および第２のス
イッチング素子１７２・１７３のオン期間の導通比率を
加減するもので、１５ｋＨｚの三角波電圧を発生する発
振回路２０２と電圧比較器２０３で構成している。波形
発生回路２０４は、位置検知手段１６６からの信号ｐを
受け、この信号の位相に応じて、第１のスイッチング素
子１７１・１７４と第２のスイッチング素子１７２・１
７３を交互にオンさせ、かつ信号ｐに同期したアナログ
信号電圧を発生するものである。つまり波形発生回路２
０４は、ＲＯＭを内蔵しており、このＲＯＭのアドレス
バスに接続したカウンタを信号ｐに同期してカウントア
ップするものである。またＲＯＭのデータバスには、Ｄ
／Ａ変換回路を接続しているものである。このＲＯＭの
内容は、装置の設計時に任意に調整でき、従って前記の
アナログ電圧信号の波形は、任意のものが得ることがで
きるものとなる。ただし、波形発生回路２０４は、必ず
しもこのような構成によって実現しなければならないと
いうものではなく、完全なアナログ式の回路構成を用い
ることもできる。

【００５３】本実施例では波形発生回路２０４は、第１
のスイッチング素子１７１・１７４のオン期間と第２の
スイッチング素子１７２・１７３のオン期間の切り替わ
り位相付近では、パルス幅変調回路２０１に対して低い
出力電圧を送り、第１のスイッチング素子１７１・１７
４および第２のスイッチング素子１７２・１７３の導通
比率を小とするものである。

【００５４】図９は、本実施例における各部の動作波形
図を示すものである。図９（ア）は位置検知手段１６６
Ｔが発生する出力信号ｐを、（イ）は第１のスイッチン
グ素子１７１を駆動する駆動信号ａを、（ウ）は第２の
スイッチング素子１７２を駆動する駆動信号ｂを、
（エ）は第２のスイッチング素子１７３を駆動する駆動
信号ｃを、（オ）は第１のスイッチング素子１７４を駆
動する駆動信号ｄを、（カ）は巻線１６７に流れる電流
ｉ_Mの波形を示している。

【００５５】（イ）〜（オ）に示しているように、制御
回路２００を構成する駆動回路１９０が発生する信号ａ
〜ｄは、波形発生回路２０４とパルス幅変調回路２０１
が作用した結果パルス列による信号となっている。従っ
て、各スイッチング素子は波形発生回路２０１を構成す
る発振回路２０２の発振周波数によって、オンオフを繰
り返すものである。またこのパルス幅は、各スイッチン
グ素子のオン期間の初めと終わり付近で細く、中央部で
太くなっている。この結果、例えば第１のスイッチング
素子１７１・１７４から第２のスイッチング素子１７２
・１７３に切り替わる付近では、オンしている期間の比
率、すなわち導通比率が小となるものである。

【００５６】また、このパルス列の開始タイミングは、
信号ｐが立ち上がる瞬間ｔ₁よりも先行し、終了のタイ
ミングも信号ｐが立ち下がるタイミングｔ２よりも先行
しているものである。しかし巻線１６７に流れる電流ｉ
_Mは、巻線１６７が有しているインダクタンスによっ
て、巻線１６７にかかる電圧すなわちインバータ１６４
を構成する各スイッチング素子の動作に対して遅れを生
ずるために、図９（カ）に示しているように、ほぼ信号
ｐと同位相となる。

【００５７】したがって本実施例によれば、前記各実施
例と同様、逆トルクの原因となる電流成分の発生を防止
できるものである。また波形発生回路２０４が発生する
アナログ電圧を加減することによって、巻線電流ｉ_Mの
波形を非常に簡単に調整できるものである。つまり、第
２の物体の着磁状態に合わせて巻線電流ｉ_Mの形状を設
定できるものである。

【００５８】また図１０に示しているように、第１のス
イッチング素子１７１と第２のスイッチング素子１７３
のみをパルス幅変調によってオンオフ制御し、第１のス
イッチング素子１７２と第２のスイッチング素子１７４
については電気角で１８０度（0.5ｍ秒間）に相当する
期間、オン状態とオフ状態とを継続させるようにするこ
ともできる。前記動作は、駆動回路１９０の構成を若干
変更するだけで実現できるものである。

【００５９】この場合にも前記と同様の効果が得られる
ものであるが、第１のスイッチング素子１７４と第２の
スイッチング素子１７２についてはスイッチング周波数
が低いものでよいことから、駆動回路１９０の構成を簡
単にできる。

【００６０】またこの場合、第１のスイッチング素子１
７４よりも第１のスイッチング素子１７１の損失の方が
大となり、また第２のスイッチング素子１７２よりも第
２のスイッチング素子１７３の損失の方が大となる。し
かし本実施例の回路構成とした場合には、第１のスイッ
チング素子１７１・第２のスイッチング素子１７３は、
組立時に絶縁シート等を挿入することなく、直接ヒート
シンクにビス止めすることが可能となるものである。つ
まり、一般に良く使用されるＮＰＮ形のバイポーラトラ
ンジスタやＮチャンネル形ＩＧＢＴ、Ｎチャンネル形の
ＭＯＳＦＥＴ等によって各スイッチング素子を構成した
場合には、スイッチング素子のコレクタ端子やドレイン
端子が、ケースのヒートシンクと同電位となっており、
絶縁を必要とする場合には、絶縁シートを挿入してビス
止めする必要がある。しかし本実施例の回路構成では、
第１のスイッチング素子１７１と第２のスイッチング素
子１７３とは、元々接続する構成となっているためこの
絶縁シートを挿入する必要がないものである。従って本
実施例の回路構成は、結果的に合理的な放熱設計となっ
ているものである。

【００６１】もちろん設計的に許されるものであれば、
第１のスイッチング素子１７２と第２のスイッチング素
子１７４の方をパルス幅変調によるオンオフ制御として
も支障はないものである。

【００６２】（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１１に示しているように、本実施例
においては制御回路２１０は、誤差増幅回路２１１と、
巻線１６７に流れる電流ｉ_Mを検知する巻線電流検知回
路２１２と、基準波形を発生する基準波形発生回路２１
５を有している。

【００６３】巻線電流検知回路２１２は、４０ｍΩの低
抵抗値を有している抵抗２１３をインバータ回路１６４
の入力端子に直列に接続し、この両端に発生する微小な
電圧を増幅器２１４によって電圧増幅し、基準波形発生
回路２１５の出力電圧レベルと同等程度にしている。

【００６４】以下本実施例の動作について説明する。基
準波形発生回路２１５が出力する基準波形は、図１２
（ア）に示しているとおり、図１２（イ）に示している
第２の物体１６１の着磁特性にほぼ近似した形状となっ
ている。この基準波形発生回路２１５が出力する基準波
形と巻線電流検知回路２１２が出力する出力信号とは、
誤差増幅回路２１１によって誤差増幅されて、パルス幅
変調回路２０１に入力される。パルス幅変調回路２０１
は、巻線電流検知回路２１２の出力値が、基準波形発生
回路２１５の出力電圧に等しくなるように、各スイッチ
ング素子の導通比率を加減する。

【００６５】ここで、基準波形発生回路２１５は、位置
検知手段１６６からの信号ｐを受け、この位相を常に検
知しながら、位相に応じた電圧を発生している。この波
形パターンは、基準波形発生回路２１５内に備えている
ＲＯＭ等によって予め記憶されているものである。巻線
電流ｉ_Mの波形は、この波形のパターンによってほぼ決
定されるものとなる。

【００６６】したがって、例えば第２の物体１６１の着
磁に若干の弱点がある場合などには、前記の波形パター
ンを工夫し、着磁が弱い位相における電流ｉ_Mの瞬時値
が小となるようにして、着磁の弱い部分に作用する巻線
電流ｉ_Mを減少させて、結果的に効率の良い動力発生装
置を実現することが可能となるものである。

【００６７】なお本実施例においては、巻線電流検知回
路２１２は直流電源１６３とインバータ回路１６４の入
力端子との間に挿入しているが、巻線１６７に直列に挿
入してもかまわない。また巻線電流検知回路２１２とし
て、低抵抗値を有する抵抗２１３を用いているが、電流
トランスを使用しても、またホール素子などによって発
生する磁界の大きさを検知する構成のものも使用するこ
とができるものである。

【００６８】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極に限定する必要はなく、４極・６極・８極
等としても支障はない。

【００６９】また同様に前記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、
これに限定する必要はなく、光学的に回転角を検知する
ものや、超音波を使用する構成としても良い。また、各
巻線に誘起する電圧を利用して、第２の物体の回転角度
を検知する構成のものであってもよい。

【００７０】また、スイッチング素子についても、前記
各実施例ではバイポーラ式のトランジスタとしている
が、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等を使用してもよい。

【００７１】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モータとしているが、必
ずしも回転運動に限定するものではなく、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２次元平面上でＸ−Ｙ方向に動力を
発生するもの等にも適用できるものである。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。

【００７２】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。

【００７３】（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。本実
施例の掃除機は、筺体内に実施例１〜４で説明した動力
発生装置１０５と、動力発生装置１０５の出力軸に接続
したファン１０６と、ファン１０６の前方に設けている
紙パック１０７を有している。紙パック１０７には、ノ
ズル１０９・ホース１０８を介して吸引した塵埃を収容
している。整流回路１１３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
電源に接続している。また移動を容易にするために、前
輪１１１・後輪１１２を設けている。

【００７４】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。

【００７５】ここで使用している動力発生装置１０５
は、前記実施例１〜４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。

【００７６】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。

【００７７】

【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
電流を供給するインバータ回路と、前記永久磁石の位置
を検知する位置検知手段の信号に基づいてインバータ回
路を制御する制御回路とを備え、前記インバータ回路
は、巻線に正の電流を供給する第１のスイッチング素子
と、巻線に負の電流を供給する第２のスイッチング素子
を有し、前記制御回路は、第１のスイッチング素子から
第２のスイッチング素子に切り替えるときに所定の電気
角に相当する期間、両方のスイッチング素子を共にオフ
とする構成として、第１のスイッチング素子と第２のス
イッチング素子のオンオフ時期を制御する簡単な構成
で、高効率な動力発生装置を実現するものである。

【００７８】請求項２に記載した発明は、制御回路は、
電気的中性点に対して巻線のインダクタンスによる電流
の遅れ時間とほぼ等しい時間だけ先行したタイミングで
第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子
をターンオフさせる構成として、としているものであ
る。

【００７９】また請求項２に記載した発明は、制御回路
は、電気的中性点に対して巻線のインダクタンスによる
電流の遅れ時間とほぼ等しい時間だけ先行したタイミン
グで第１のスイッチング素子および第２のスイッチング
素子をターンオフさせる構成として、簡単な構成で出力
パワーが大きく、効率の高い動力発生装置を実現するも
のである。

【００８０】請求項３に記載した発明は、制御回路は、
第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子
のオン期間の導通比率を加減するパルス幅変調回路を有
し、第１のスイッチング素子から第２のスイッチング素
子に切り替えるときに導通比率を小とする構成として、
効率がさらに高い動力発生装置を実現するものである。

【００８１】請求項４に記載した発明は、制御回路は、
巻線の電流を検知する巻線電流検知回路と、基準波形を
発生する基準波形発生回路を有し、基準波形と巻線電流
検知回路の出力信号の瞬時値とを比較し、両者がほぼ等
しくなるように導通比率を加減する構成として、永久磁
石の特性を十分に発揮させ、高効率の動力発生装置を実
現するものである。

【００８２】請求項５に記載した発明は、第２の物体を
２極で構成することによって、着磁性能に若干の弱点が
あっても、それをカバーし、高効率を実現できる動力発
生装置を実現できるものである。

【００８３】請求項６に記載した発明は、請求項１から
５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、ブラシ等の接触部のない信頼性に優れた掃除機を実
現することができるものである。

【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】（ア）、（イ）同、第２の物体の永久磁石の着
磁特性を示す特性図

【図４】同、低速時における各部の動作を示す波形図

【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】（ア）、（イ）同、第２の物体の回転位置を説
明する説明図

【図７】同、各部の動作を示す波形図

【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、各部の動作を示す波形図

【図１０】同、各部の動作を示す波形図

【図１１】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１２】（ア）同、基準波形発生回路の出力信号を示
す波形図（イ）同、第２の物体の着磁特性を示す特性図

【図１３】本発明の第６の実施例である掃除機の構成を
示す説明図

【図１４】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

【図１５】同、各部の波形を示す波形図

【符号の説明】

１０５動力発生装置１０６ファン１６０第１の物体１６１第２の物体１６４インバータ回路１６５制御回路１６６位置検知手段１６７巻線１６９永久磁石１７０永久磁石１７１第１のスイッチング素子１７２第２のスイッチング素子１７３第２のスイッチング素子１７４第１のスイッチング素子

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インバータ回
路と、前記永久磁石の位置を検知する位置検知手段の信
号に基づいてインバータ回路を制御する制御回路とを備
え、前記インバータ回路は、巻線に正の電流を供給する
第１のスイッチング素子と、巻線に負の電流を供給する
第２のスイッチング素子を有し、前記制御回路は、第１
のスイッチング素子から第２のスイッチング素子に切り
替えるときに所定の電気角に相当する期間、両方のスイ
ッチング素子を共にオフとする動力発生装置。
【請求項２】制御回路は、電気的中性点に対して巻線
のインダクタンスによる電流の遅れ時間とほぼ等しい時
間だけ先行したタイミングで第１のスイッチング素子お
よび第２のスイッチング素子をターンオフさせる請求項
１記載の動力発生装置。
【請求項３】制御回路は、第１のスイッチング素子お
よび第２のスイッチング素子のオン期間の導通比率を加
減するパルス幅変調回路を有し、第１のスイッチング素
子から第２のスイッチング素子に切り替えるときに導通
比率を小とする請求項１または２記載の動力発生装置。
【請求項４】制御回路は、巻線の電流を検知する巻線
電流検知回路と、基準波形を発生する基準波形発生回路
を有し、基準波形と巻線電流検知回路の出力信号の瞬時
値とを比較し、両者がほぼ等しくなるように導通比率を
加減する請求項３記載の動力発生装置。
【請求項５】第２の物体を２極で構成した請求項１か
ら４のいずれか１項に記載した動力発生装置。
【請求項６】請求項１から５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。