JPH10201285A - Brushless dc motor - Google Patents

Brushless dc motor

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JPH10201285A
JPH10201285A JP8350880A JP35088096A JPH10201285A JP H10201285 A JPH10201285 A JP H10201285A JP 8350880 A JP8350880 A JP 8350880A JP 35088096 A JP35088096 A JP 35088096A JP H10201285 A JPH10201285 A JP H10201285A
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rotor
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Hiroharu Okuda
啓晴 奥田
Hiroshi Kobayashi
寛 小林
Minoru Yoshida
穣 吉田
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Osada Research Institute Ltd
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Osada Research Institute Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To drive the other driving coil on a stator side, by utilizing a voltage obtained by integrating an induction voltage generated in a driving coil on the stator side through rotation of a rotary magnet on the rotor side. SOLUTION: When an induction voltage VA of an A-phase coil 21 and an induction voltage VB of a B-phase coil 22 are integrated through an integration circuit, voltages Vϕ A and Vϕ B proportional to a magnetic flux amount ϕinterlinking to the A-phase coil and B-phase coil are obtained. Since the magnetic flux amount ϕ is generated with a permanent magnet of a rotor 10, its amplitude is, naturally, constant independent of the number of rotations. However, if a sine wave voltage is integrated, a phase is delayed by 90 deg.. Thus, a gate driving voltage GPA obtained by comparison between the voltage Vϕ A which is obtained by integrating VA and a threshold value is used for controlling a semiconductor switch on the B-phase side, and a gate voltage obtained by comparison between the voltage Vϕ B which is obtained by integrating VB and a threshold value is used for controlling a semiconductor switch on A-phase side.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、ブラシレス直流モ
ータ、より詳細には、ロータ側の回転磁石の回転によっ
てステータ側の駆動コイルに発生される誘起電圧を積分
した電圧を利用して、ステータ側の他の駆動コイルを駆
動するようにしたセンサレス・ブラシレス直流モータに
関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a brushless DC motor, and more particularly, to a brushless DC motor using a voltage obtained by integrating an induced voltage generated in a drive coil on a stator side by rotation of a rotating magnet on a rotor side. And a sensorless brushless DC motor configured to drive another driving coil.

【0002】[0002]

【従来の技術】[Prior art]

(従来の直流モータの構造と動作原理)直流モータは、
百数十年に亘って広く実用されている代表的なモータの
一つであり、印加する直流電圧に比例して回転速度が定
まり、負荷トルクが大幅に変化しても速度変化が少いた
め、トルクや回転数を制御するのに最も適している。し
かし、直流モータには唯一つ重大な欠点がある。それ
は、回転子の回転に伴って、通電する界磁コイルを切り
換えるための機構、すなわち、ブラッシュとコミュテー
タ(整流子)が必要なことである。
(Structure and operating principle of conventional DC motor)
It is one of the typical motors that have been widely used for more than a hundred years.The rotation speed is determined in proportion to the applied DC voltage, and the speed change is small even if the load torque changes significantly. Most suitable for controlling torque and rotation speed. However, DC motors have only one significant disadvantage. That is, a mechanism for switching the field coil to be energized with the rotation of the rotor, that is, a brush and a commutator (commutator) is required.

【0003】図14は、上記ブラッシュとコミュテータ
及び回転子のコイルとの関係を説明するための図で、コ
イルC1はその両端がコミュテータのセグメントS1と
S4に溶着されており、コイルC2はセグメントS2と
S5、コイルC3はセグメントS3とS6に両端が溶着
されている。コミュテータのセグメントS1〜S6は、
互いに電気的に絶縁されており、ロータと一体に固定さ
れている。また、コミュテータのセグメントを介して、
コイルに通電するために、ブラッシュ(カーボン+銀粒
子)B1とB2がステータ側に電気的に絶縁されて固定
され、バネの力でコミュテータのセグメントに押しつけ
られている。このブラッシュB1とB2の間に直流電圧
Vを印加すると、電流が電源VからブラシュB1→セグ
メント→コイル→セグメント→ブラッシュB2と流れ、
図15に示すように、ステータ側が作る直流磁界Bとコ
イル電流Iの積に比例する電磁力Fを発生し、モータの
ロータが回転する。
[0003] Figure 14 is a diagram for explaining a relationship between a coil of the brush and the commutator and the rotor are welded to the coil C 1 has its opposite ends a segment S1 of the commutator S4, coils C 2 is segments S2 and S5, the coil C 3 at both ends to the segment S3 and S6, are welded. Commutator segments S1 to S6 are:
They are electrically insulated from each other and fixed integrally with the rotor. Also, through the commutator segment,
In order to energize the coil, brushes (carbon + silver particles) B1 and B2 are electrically insulated and fixed to the stator side, and are pressed against the commutator segments by the force of a spring. When a DC voltage V is applied between the brushes B1 and B2, a current flows from the power supply V in the order of brush B1 → segment → coil → segment → brush B2,
As shown in FIG. 15, an electromagnetic force F proportional to the product of the DC magnetic field B generated by the stator and the coil current I is generated, and the rotor of the motor rotates.

【0004】ロータが図14の矢印方向に回転すると、
次には、セグメントS2がもとセグメントS1があった
位置に、セグメントS5がもとセグメントS4があった
位置に移り、コイルC2に電流が流れる。こうして、コ
イルC2に電流が流れて、ステータが作っている直流磁
界との相互作用で、ロータをもっと回転させる方向に駆
動力が生じる。このプロセスは次々と続き、ロータは回
転を続ける。各コイルは、直流磁界中で回転するので、
回転しているとコイルの端子間に誘起電圧Viが発生す
る。このViはコイルのターン数をNとすると、
When the rotor rotates in the direction of the arrow in FIG.
In turn, the position where there is segment S2 Gamoto segment S1, moves to a position where there is segment S5 Gamoto segment S4, a current flows through the coil C 2. Thus, a current flows through the coil C 2, the interaction of the DC magnetic field stator is made, the driving force is generated in a direction of more rotation of the rotor. This process continues, and the rotor continues to rotate. Since each coil rotates in a DC magnetic field,
When rotating, an induced voltage V i is generated between the terminals of the coil. When the V i is the number of turns of the coil and N,

【0005】[0005]

【数1】 (Equation 1)

【0006】である。φはコイルと鎖交する磁束量であ
り、φmをその最大値(コイル面が磁界と垂直になった
時のφの値)とすると、
[0006] φ is the amount of magnetic flux interlinking with the coil, and φ m is the maximum value (the value of φ when the coil surface is perpendicular to the magnetic field).

【0007】[0007]

【数2】 (Equation 2)

【0008】となる。但し、θはコイル面と磁界と平行
な時を0とし、ここからはかったコイルの角度である。
コイルが一定角速度ωでまわっているとすれば、θ=ω
tであるから、(1)式に(2)を代入すると
[0008] Here, θ is 0 when the plane is parallel to the coil surface and the magnetic field, and is the angle of the coil measured from here.
If the coil is rotating at a constant angular velocity ω, then θ = ω
Substituting (2) into equation (1)

【0009】[0009]

【数3】 (Equation 3)

【0010】となる。従って、誘起電圧Viは角速度ω
(回転速度)に比例する。(3)式の両辺をtで積分す
ると、
## EQU1 ## Therefore, the induced voltage V i is the angular velocity ω
(Rotational speed). Integrating both sides of equation (3) with t gives:

【0011】[0011]

【数4】 (Equation 4)

【0012】となり、(4)式より、From equation (4),

【0013】[0013]

【数5】 (Equation 5)

【0014】となり、コイルと鎖交する磁束量φは、誘
起電圧Viの時間積分をターン数で割った値になる(積
分定数は積分範囲を適当にとるとゼロにできるので省略
した)。
[0014] next, the coil and the magnetic flux interlinking amount phi, a value obtained by dividing the time integral of the induced voltage V i in number of turns (integration constant is omitted because it to zero and taking the appropriate integral range).

【0015】(直流モータの欠点)以上に、直流モータ
の構造と動作原理について説明したが、直流モータには
大きな欠点がある。この欠点が本発明が解決しようとす
る問題点であるから、以下、この欠点について説明す
る。 (1)ロータが回転している最中に、図16に示すよう
に、ブラッシュB1,B2がセグメントS1−S2間お
よびセグメントS4−S5間にくることがある。この時
は、コイルC1とコイルC2とはセグメントとブラッシュ
を介して短絡され、ここに過渡的に大きな電流が流れ
る。これがブラッシュとコミュテータ・セグメント間を
流れ、ロータがもう少し回転して、短絡状態が切れる瞬
間に、火花を生じ、これがコミュテータの面を傷つけ
る。また、ブラッシュのカーボンと銀の粉がセグメント
間の絶縁板の所に入りこみ、モータを長時間運転する
と、セグメント間の絶縁が次第に悪くなり、遂にはセグ
メントの過熱と、モータのトルクの低下をもたらす。
(Defects of DC Motor) Although the structure and operating principle of the DC motor have been described above, the DC motor has significant disadvantages. Since this disadvantage is a problem which the present invention intends to solve, this disadvantage will be described below. (1) While the rotor is rotating, brushes B1 and B2 may come between segments S1 and S2 and between segments S4 and S5 as shown in FIG. At this time, the coil C 1 and the coil C 2 is short-circuited through the segments and brushes, transiently large current flows here. This flows between the brush and the commutator segments, causing the rotor to rotate a little more and at the moment the short circuit breaks, creating a spark which damages the commutator surface. In addition, the brush carbon and silver powder enter the insulating plate between the segments, and if the motor is operated for a long time, the insulation between the segments will gradually deteriorate, eventually overheating the segment and reducing the torque of the motor .

【0016】(2)さらに、高速でロータを回転させる
と、コミュテータのセグメントやコイルには、大きな遠
心力が加わり、バラバラに分解する。これまでの直流モ
ータの回転速度は、これが上限となっていた。
(2) Further, when the rotor is rotated at a high speed, a large centrifugal force is applied to the commutator segments and coils, and the commutator is broken apart. This has been the upper limit of the rotation speed of the DC motor up to now.

【0017】[0017]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記の直流
モータの2つの欠点を取り除いて、超高速で回転する信
頼性の高いモータを、従来の直流モータの特徴である
「回転速度が広範囲に変化でき、負荷トルクによる速度
低下が少い」というメリットを損うことのなく、実現す
ることを目的としてなされたものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention eliminates the two drawbacks of the DC motor described above, and replaces the highly reliable motor that rotates at an ultra-high speed with a conventional DC motor having a "rotational speed in a wide range. And the speed drop due to the load torque is small ".

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】請求項1の発明は、複数
の界磁巻線を有するステータと、該ステータ内に回転自
在に配設された永久磁石を有するロータとを有し、前記
界磁巻線に流す電流を順次切り換えて該界磁巻線によっ
て作られる回転磁界に追従して前記永久磁石が回転する
ブラシレス直流モータにおいて、前記永久磁石が回転す
ることによって前記界磁巻線に発生する誘起電圧を積分
する積分回路と、該積分回路の積分出力電圧を基準電圧
と比較し、該積分出力電圧が前記基準電圧を越えた期間
に対応するパルス電圧を得る比較回路とを有し、該パル
ス電圧を他の界磁巻線の駆動電圧として印加するように
したことを特徴としたものである。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a stator having a plurality of field windings, and a rotor having a permanent magnet rotatably disposed in the stator. In a brushless DC motor in which the permanent magnet rotates by following a rotating magnetic field generated by the field winding by sequentially switching the current flowing through the magnetic winding, the current is generated in the field winding by the rotation of the permanent magnet. An integration circuit that integrates an induced voltage to be generated, and a comparison circuit that compares an integrated output voltage of the integration circuit with a reference voltage and obtains a pulse voltage corresponding to a period when the integrated output voltage exceeds the reference voltage, The pulse voltage is applied as a drive voltage for another field winding.

【0019】請求項2の発明は、請求項1の発明におい
て、前記パルス電圧の発生タイミングを早める手段を有
することを特徴としたものである。
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, there is provided means for advancing the generation timing of the pulse voltage.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】直流モータのコミュテータの役割
は、ロータの回転位置に対応して、直流を通電するコイ
ルを切り換えて選択することである。この機能は、ロー
タの回転位置を検出すれば、半導体スイッチに置きかえ
ることによって解決できる。また、ロータに巻いたコイ
ルが、遠心力でバラバラに分解するという問題点は、ロ
ータ側を単なる直流磁界(永久磁石)とし、ステータ側
に回転磁界を作るコイルを設けることにより解決でき
る。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The role of a commutator of a DC motor is to switch and select a coil for supplying DC according to the rotational position of a rotor. This function can be solved by detecting the rotational position of the rotor and replacing it with a semiconductor switch. In addition, the problem that the coil wound around the rotor is broken apart by centrifugal force can be solved by providing a simple DC magnetic field (permanent magnet) on the rotor side and providing a coil for generating a rotating magnetic field on the stator side.

【0021】以上の2点は、かなり前から考えられてお
り、ロータ磁極の位置検出のために、ホール素子を2個
90度ずれて配置し、この出力信号によって、コイルに
通電する半導体素子を選択するという方式が実用されて
きた。しかし、この方式は、ホール素子に一定の直流電
流を流すための導線2本およびホール素子の出力電圧を
伝えるための導線4本が必要であるという欠点を有して
いた。
The above two points have been considered for a long time. For detecting the position of the rotor magnetic pole, two Hall elements are arranged at a 90-degree offset from each other. The method of selecting has been put to practical use. However, this method has a disadvantage that two conductors for passing a constant DC current to the Hall element and four conductors for transmitting the output voltage of the Hall element are required.

【0022】本発明は、ロータの位置検出用に附加的な
素子を使用することなく、ロータの位置に対応したコイ
ル通電を可能にするものである。
The present invention makes it possible to energize a coil corresponding to the position of the rotor without using an additional element for detecting the position of the rotor.

【0023】図1は、本発明が適用される直流モータの
動作原理を説明するための概略構成図で、ステータコア
20の内側に、A相及びB相の巻線(コイル)21,2
2が固定されており、このコイルの内側にコイルと空隙
をおいて永久磁石のロータ10が配置され、ロータ10
の中心軸上にシャフト11があり、このシャフト11
は、ベアリングを介してステータ20と一体のフレーム
で支えられている。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram for explaining the operation principle of a DC motor to which the present invention is applied. A-phase and B-phase windings (coils) 21 and 2 are provided inside a stator core 20.
2 is fixed, and a permanent magnet rotor 10 is arranged inside the coil with a gap between the coil and the rotor.
The shaft 11 is located on the central axis of
Are supported by a frame integral with the stator 20 via bearings.

【0024】図1に示した構造のモータでは、ロータ1
0が回転すると該ロータ10の永久磁石N・Sがコイル
21,22に対して回転するので、図2に示すように、
コイル21,22に交流電圧が発生する。VAはA相の
コイル21に発生する電圧,VBはB相のコイル22に
発生する電圧である。
In the motor having the structure shown in FIG.
When 0 rotates, the permanent magnets N and S of the rotor 10 rotate with respect to the coils 21 and 22, so that, as shown in FIG.
An AC voltage is generated in the coils 21 and 22. V A is a voltage generated in the A-phase coil 21, and V B is a voltage generated in the B-phase coil 22.

【0025】この電圧誘起の原理は、先に説明したとお
りである。なお、図14では、ステータ側に駆動コイル
があり、ロータ側が永久磁石になっているので、図1の
場合とは磁石とコイルの配置が入れ代っているが、これ
は相対的なもので等価である。
The principle of the voltage induction is as described above. In FIG. 14, since the drive coil is provided on the stator side and the permanent magnet is provided on the rotor side, the arrangement of the magnet and the coil is replaced with that of FIG. 1, but this is a relative one. Are equivalent.

【0026】また、図15の場合、コイルC1の面が丁
度磁石の磁界Bと平行な場合、磁石の回転に伴う誘起電
圧Viが最大となることは(3)式で、ωt=0の時、
iが最大となることから容易に理解できる。また、こ
のコイルと磁界の位置関係が図15の場合、コイルに電
流を流すと最も大きな駆動トルクが発生する。その理由
は、磁界Bが電流Iに及ぼす力Fは、この磁界中を横切
る導体の長さl(エル)と巻数Nに比例し(磁界B,電
流I,力Fはベクトル量)、
Further, in the case of FIG. 15, when the surface of the coil C 1 is parallel to the just the magnetic field of the magnet B, the induced voltage V i in accordance with the rotation of the magnet is maximized in (3), .omega.t = 0 time,
V i can be easily understood from the fact that the maximum. When the positional relationship between the coil and the magnetic field is as shown in FIG. 15, when the current flows through the coil, the largest driving torque is generated. The reason is that the force F exerted by the magnetic field B on the current I is proportional to the length l (ell) of the conductor crossing the magnetic field and the number of turns N (the magnetic field B, the current I, and the force F are vector quantities),

【0027】[0027]

【数6】 (Equation 6)

【0028】となることからである(図15の配置の
時、(6)式で求まる力Fは、BとIに垂直となり、コ
イル面に垂直であるから最大の回転トルクを生じる)。
(In the arrangement shown in FIG. 15, the force F determined by equation (6) is perpendicular to B and I and is perpendicular to the coil surface, so that the maximum rotational torque is generated).

【0029】以上のことから、コイルに流す電流は、そ
のコイルの起電力が最大の位相の時に流せば、トルクを
最も大きくできることがわかる。そのためには、図3
(A)に示すように、モータのコイルに生じる誘起電圧
Aと閾値電圧Vthとを、コンパレータ(比較器)に入
力させ、VA>Vthの区間(θ1〜θ2の間)に、図3
(B)に実線にて示すような出力をとり出し、これを、
図4に示すA相の半導体スイッチSAの正電圧半波用半
導体スイッチのゲートに加える。A相の負電圧半波用半
導体スイッチのゲートには、A相誘起電圧の負の半波
で、|VA|>|Vth|が成り立つ範囲(θ1+π)〜
(θ2+π)の間(図3(B)に波線にて示す)、負側
コンパレータの出力を出させ、これを負電圧半波用半導
体スイッチのゲートに加える。
From the above, it can be understood that the torque flowing through the coil can be maximized by flowing the current when the electromotive force of the coil is at the maximum phase. For that, FIG.
(A), the a and the induced voltage V A generated in the coil of the motor and the threshold voltage V th, the comparator is inputted to the (comparator), V A> V th interval (between theta 1 through? 2) FIG.
The output shown by the solid line in (B) is taken out,
This is applied to the gate of the positive voltage half-wave semiconductor switch of the A-phase semiconductor switch SA shown in FIG. The gate of the A-phase negative voltage half-wave semiconductor switch has a negative half-wave of the A-phase induced voltage, in which the range of | VA |> | Vth | is satisfied (θ 1 + π).
During (θ 2 + π) (shown by a broken line in FIG. 3B), the output of the negative-side comparator is output, and the output is applied to the gate of the semiconductor switch for negative voltage half-wave.

【0030】図4に示す半導体スイッチSAは、この正
半波用半導体スイッチと負半波用半導体スイッチを複合
したブリッジ形式のスイッチである。B相側にも同様な
半導体スイッチSBが入っており、A相コイル及びB相
コイルに印加される電圧は、図5(A),(B)に示す
ようになる。
The semiconductor switch SA shown in FIG. 4 is a bridge type switch combining the semiconductor switch for positive half wave and the semiconductor switch for negative half wave. A similar semiconductor switch SB is also provided on the B-phase side, and the voltages applied to the A-phase coil and the B-phase coil are as shown in FIGS. 5A and 5B.

【0031】原理的には、上述の通りで良いが、実際の
場合は、モータの回転速度を低い値から高い値まで、制
御しなければならない。従って、図3に示したように、
各相コイルの誘起電圧と閾値Vthとの比較を行う時に
は、誘起電圧も閾値電圧Vthもともにその振幅が回転速
度に比例しているので、回転速度を広い範囲で制御しな
ければならない時には、回路動作がやりにくい。本発明
は、この欠点をなくしたものである。
In principle, this may be as described above, but in an actual case, the rotational speed of the motor must be controlled from a low value to a high value. Therefore, as shown in FIG.
When comparing the induced voltage of each phase coil with the threshold Vth , the amplitude of both the induced voltage and the threshold voltage Vth is proportional to the rotation speed, so when the rotation speed must be controlled in a wide range. , Circuit operation is difficult. The present invention eliminates this drawback.

【0032】今、図2に示すA相コイル誘起電圧VA
びB相コイル誘起電圧VBを積分回路を通して積分する
と、A相コイルおよびB相コイルに鎖交する磁束量φに
比例する電圧VφA,VφBが得られる。これは既に
(5)式で示したところである。この磁束量φは、ロー
タの永久磁石によって作られるものであるから、その振
幅は当然回転数と無関係に一定である。但し、正弦波電
圧を積分すると、図6に示すように、位相が90°おく
れる。従って、VAを積分して得た電圧VφAと閾値の比
較で得たゲート駆動電圧GPAはB相側の半導体スイッチ
を制御するのに用い、VBを積分して得た電圧VφBと閾
値の比較で得たゲート電圧はA相側の半導体スイッチを
制御するのに用いる。なお、図7に該誘起電圧VA,VB
を積分してVφA,VφBを得るための電気回路の一例を
示す。
[0032] Now, when integrating the A-phase coil induced voltage V A and the B phase coil induced voltage V B shown in FIG. 2 through the integration circuit, a voltage proportional to the amount of magnetic flux φ interlinking to the A-phase coil and B phase coil V φA and VφB are obtained. This has already been shown by equation (5). Since the amount of magnetic flux φ is created by the permanent magnet of the rotor, its amplitude is naturally constant irrespective of the rotation speed. However, when the sine wave voltage is integrated, the phase is shifted by 90 ° as shown in FIG. Therefore, the gate drive voltage G PA obtained by comparing the voltage V φA obtained by integrating VA with the threshold value is used to control the semiconductor switch on the B-phase side, and the voltage V φB obtained by integrating V B is used. The gate voltage obtained by comparing the threshold voltage and the threshold value is used to control the semiconductor switch on the A-phase side. FIG. 7 shows the induced voltages V A , V B
The following shows an example of an electric circuit for obtaining V φA and V φB by integrating.

【0033】各相コイルの誘起電圧VA,VBは、駆動用
の短形波電圧が印加されるので波形に著しい歪みが生じ
る。図8は、これをうまく取り出すための回路例を示す
図で、図8(A)のEiは、各相コイルの誘起電圧であ
り、rは各相コイルの内部抵抗、Lはコイルのインダク
タンス、Rは各相コイルと電源電圧E0との間に挿入し
た外部抵抗である。なお、図8(B)には、1相分のみ
を示した。
The waveforms of the induced voltages V A and V B of the coils of the respective phases are significantly distorted because a driving short-wave voltage is applied. Figure 8 is a diagram showing a circuit example for taking out successfully this, E i in FIG. 8 (A) is a induced voltage of each phase coil, r is the internal resistance of each phase coil, L is the coil inductance , R are external resistors inserted between each phase coil and the power supply voltage E 0 . FIG. 8B shows only one phase.

【0034】図8に示したように、図中のX点、Y点、
Z点とアースとの間の電圧を、それぞれV1,V2,V3
とし、電源からコイルに流入する電流をiとすると、キ
ルヒホッフの法則により、
As shown in FIG. 8, X point, Y point,
The voltages between the point Z and the ground are V 1 , V 2 , and V 3 , respectively.
And the current flowing into the coil from the power supply is i, according to Kirchhoff's law,

【0035】[0035]

【数7】 (Equation 7)

【0036】が成り立つ。インダクタンスLは小さいの
で無視することにすると、
Holds. Since the inductance L is small and ignored,

【0037】[0037]

【数8】 (Equation 8)

【0038】が得られる。従って、コイルの内部抵抗r
と外部抵抗Rが測定されていれば、V1,V2,V3を図
8(B)の演算回路で演算して、(8)式のようにコイ
ル誘起電圧Eiを検出することができる。なお、図8
(B)でV1,V2,V3を抵抗分割で1/6に分圧する
のは、演算増幅器A1,A2,A3に過大入力が加わらな
いようにしたものであり、本質的なものではない。
Is obtained. Therefore, the internal resistance r of the coil
And the external resistance R are measured, V 1 , V 2 , and V 3 are calculated by the arithmetic circuit of FIG. 8B, and the coil induced voltage Ei can be detected as shown in equation (8). it can. FIG.
The reason why (B) divides V 1 , V 2 , and V 3 into 1/6 by resistance division is to prevent an excessive input from being applied to the operational amplifiers A 1 , A 2 , and A 3. Not something.

【0039】なお、コイル誘起電圧Eiを積分して得た
磁束波形に比例する電圧Vφと閾値Vthとを比較する比
較回路には、図9,図10に示すように、出力がOFF
からONになる時と、ONからOFFになる時とでは、
若干の差(ヒステリシス)εが存在する。そのため、コ
ンパレータ出力波の位相が、磁束波形のピーク値を中心
として対称にならず、若干(ε/2)遅れることにな
る。
[0039] Note that the comparator for comparing a voltage V phi proportional to the magnetic flux waveform obtained by integrating the coil induced voltage E i and the threshold V th, as shown in FIG. 9, FIG. 10, the output is OFF
When it is turned ON from, and when it is turned OFF from ON,
There is some difference (hysteresis) ε. Therefore, the phase of the comparator output wave is not symmetrical about the peak value of the magnetic flux waveform, and is slightly delayed by (ε / 2).

【0040】また、急激に負荷が加わった時にロータの
回転が急速に低下するという過渡現象を生じる。このよ
うな場合には、ゲート駆動電圧(コンパレータ出力)の
位相が磁束波形よりは若干進んでいることが望ましい。
このように、ゲート駆動電圧と磁束波形との間の位相関
係を若干任意に調整しうるようにするためには、以下の
ようにすれば良い。
In addition, a transient phenomenon occurs in which the rotation of the rotor rapidly decreases when a load is suddenly applied. In such a case, it is desirable that the phase of the gate drive voltage (comparator output) is slightly ahead of the magnetic flux waveform.
As described above, the phase relationship between the gate drive voltage and the magnetic flux waveform can be adjusted slightly arbitrarily as follows.

【0041】A相電圧VAとB相電圧VBの間には、図1
1に示すように、90°の位相差があるので、VAにVB
の−k倍を加算(電圧としても、ベクトルとしても加
算)すると、VAよりも
[0041] Between the A-phase voltage V A and the B phase voltage V B, FIG. 1
As shown in FIG. 1, since there is a phase difference of 90 °, V A is V B
Of -k times the sum (as voltage, also added as a vector), the than V A

【0042】[0042]

【数9】 (Equation 9)

【0043】だけ位相が進む。The phase advances only by one.

【0044】この位相シフト量θは、回転速度(すなわ
ち、周波数)には無関係に一定となるので、大変都合が
良い。他の方法、例えば、RとCよりなる移相回路は、
周波数依存性が激しいので、広い周波数(回転速度)範
囲で用いることができない。
The amount of phase shift θ is constant regardless of the rotation speed (ie, frequency), which is very convenient. Another method, for example, a phase shift circuit consisting of R and C is
Since the frequency dependency is severe, it cannot be used in a wide frequency (rotational speed) range.

【0045】これまで述べてきたことは、2相駆動のモ
ータの場合であったが、図11に示したように、位相が
異なる電圧(ベクトル)を適宜係数をかけてベクトル合
成することによって、任意の位相の電圧を周波数(回転
速度)によらず作り出すこの方式は、3相駆動の場合に
も用いることができる。
Although the description so far has been directed to the case of a two-phase drive motor, as shown in FIG. 11, the voltages (vectors) having different phases are vector-composited by appropriately multiplying the coefficients. This method of generating a voltage of an arbitrary phase regardless of the frequency (rotation speed) can also be used in the case of three-phase driving.

【0046】すなわち、図12に示すように、A相,B
相,C相のコイル誘起電圧にVA,VB,Vcを積分し
て、A,B,C相の磁束波形電圧VφA,VφB,Vφc
のいずれか2つを作る。例えば、VφAとVφBを作れ
ば、この2つのベクトルを合成して、VA,VB,Vc
同相の電圧を作ることができる。
That is, as shown in FIG.
Phase, V A to the coil induced voltage of phase C, V B, by integrating the V c, A, B, C phases of the magnetic flux waveform voltage V φA, V φB, V φc
Make any two of For example, if you make a V .phi.A and V [phi] B, by combining these two vectors, it is possible to make V A, V B, V c and phase voltage.

【0047】図13に示す係数k1A,k1B,k2A
2B,k3A,k3Bは全て係数で、回路上で云えば、抵抗
分割の割り合いで定まる値である。図中のベクトル合成
は、回路的には加算器で電圧の和をとれば良いので、2
つの相のコイル誘起電圧を積分して、2つの相のコイル
と鎖交する磁束波形電圧を作れば、あとは加算回路で各
相のゲート駆動信号を作るための電圧を作ることができ
る。この電圧は、周波数(回転速度)の大幅変化に対し
ても、位相も電圧も一定であるため、一定の閾値によっ
て、常に適切なゲート駆動電圧を比較器出力として得る
ことができ、これで各相の半導体スイッチを制御すれば
安定したモータ回転を実現できる。
The coefficients k 1A , k 1B , k 2A ,
k 2B , k 3A , and k 3B are all coefficients and, in terms of the circuit, are values determined by the ratio of resistance division. In the vector synthesis in the figure, the sum of the voltages may be obtained by an adder in terms of a circuit.
Integrating the coil induced voltages of the two phases to produce a magnetic flux waveform voltage interlinking with the coils of the two phases allows the addition circuit to create a voltage for producing a gate drive signal of each phase. Since this voltage has a constant phase and voltage with respect to a large change in frequency (rotational speed), an appropriate gate drive voltage can always be obtained as a comparator output by a constant threshold value. Stable motor rotation can be realized by controlling the phase semiconductor switches.

【0048】[0048]

【発明の効果】本発明によると、従来の直流モータの欠
点であるコミュテータの破損や分解をなくし、しかも、
超高速で回転する信頼性の高いモータを、従来の直流モ
ータの特徴である「回転速度が広範囲に変化でき、負荷
トルクによる速度低下が少い」というメリットを損うこ
とのなく、実現することができる。
According to the present invention, the commutator can be prevented from being broken or disassembled, which is a drawback of the conventional DC motor.
To realize a highly reliable motor that rotates at an ultra-high speed without impairing the advantages of the conventional DC motor: the rotational speed can be varied over a wide range and the speed drop due to load torque is small. Can be.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 本発明が適用される直流モータの動作原理を
説明するための概略構成図である。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram for explaining the operation principle of a DC motor to which the present invention is applied.

【図2】 コイルに発生する力及び誘起電圧を説明する
ための図である。
FIG. 2 is a diagram for describing a force and an induced voltage generated in a coil.

【図3】 コイルに発生する誘起電圧と閾値との関係を
説明するための図である。
FIG. 3 is a diagram for explaining a relationship between an induced voltage generated in a coil and a threshold.

【図4】 モータの駆動電圧の印加方法を説明するため
の図である。
FIG. 4 is a diagram for explaining a method of applying a drive voltage of a motor.

【図5】 モータに印加する駆動電圧の波形例を説明す
るための図である。
FIG. 5 is a diagram for explaining a waveform example of a drive voltage applied to a motor.

【図6】 本発明によるモータ駆動電圧を説明するため
の図である。
FIG. 6 is a diagram for explaining a motor drive voltage according to the present invention.

【図7】 誘起電圧を積分する回路例を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating an example of a circuit that integrates an induced voltage.

【図8】 モータ駆動電圧作成回路の一例を示す図であ
る。
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a motor drive voltage generation circuit.

【図9】 比較回路のヒステリシスを説明するための図
である。
FIG. 9 is a diagram for explaining hysteresis of a comparison circuit.

【図10】 図9に示したヒステリシスによる駆動電圧
を説明するための図である。
FIG. 10 is a diagram for explaining a drive voltage based on the hysteresis shown in FIG. 9;

【図11】 移相(進相)例を示す図である。FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a phase shift (phase advance).

【図12】 移相(進相)例を示す図である。FIG. 12 is a diagram illustrating an example of a phase shift (phase advance).

【図13】 移相(進相)例を示す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a phase shift (phase advance).

【図14】 従来の直流モータの動作原理を説明するた
めの図である。
FIG. 14 is a view for explaining the operation principle of a conventional DC motor.

【図15】 コイルに発生する力及び誘起電圧を説明す
るための図である。
FIG. 15 is a diagram for explaining a force and an induced voltage generated in a coil.

【図16】 従来の直流モータの問題点を説明するため
の図である。
FIG. 16 is a diagram for explaining a problem of a conventional DC motor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…ローラ(永久磁石)、11…回転軸、20…ステ
ータ、21,22…巻線、B1,B2…ブラッシ、C1
3…コイル、S1〜S6…セグメント、M…モータ。
10 ... roller (permanent magnet), 11 ... rotary shaft, 20 ... stator, 21 ... winding, B 1, B 2 ... brush, C 1 ~
C 3 ... coil, S 1 ~S 6 ... segment, M ... motor.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 複数の界磁巻線を有するステータと、該
ステータ内に回転自在に配設された永久磁石を有するロ
ータとを有し、前記界磁巻線に流す電流を順次切り換え
て該界磁巻線によって作られる回転磁界に追従して前記
永久磁石が回転するブラシレス直流モータにおいて、前
記永久磁石が回転することによって前記界磁巻線に発生
する誘起電圧を積分する積分回路と、該積分回路の積分
出力電圧を基準電圧と比較し、該積分出力電圧が前記基
準電圧を越えた期間に対応するパルス電圧を得る比較回
路とを有し、該パルス電圧を他の界磁巻線の駆動電圧と
して印加するようにしたことを特徴とするブラシレス直
流モータ。
A stator having a plurality of field windings; and a rotor having a permanent magnet rotatably disposed in the stator, wherein a current flowing through the field windings is sequentially switched. In a brushless DC motor in which the permanent magnet rotates following a rotating magnetic field generated by a field winding, an integration circuit for integrating an induced voltage generated in the field winding by rotating the permanent magnet; A comparison circuit that compares an integrated output voltage of the integration circuit with a reference voltage and obtains a pulse voltage corresponding to a period in which the integrated output voltage exceeds the reference voltage, and compares the pulse voltage with another field winding. A brushless DC motor, wherein the DC voltage is applied as a drive voltage.
【請求項2】 前記パルス電圧の発生タイミングを早め
る手段を有することを特徴とする請求項1に記載のブラ
シレス直流モータ。
2. The brushless DC motor according to claim 1, further comprising means for accelerating the generation timing of the pulse voltage.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2008136354A (en) * 2000-09-18 2008-06-12 Edwards Kk Control circuit of sensorless brushless motor, sensorless brushless motor apparatus, and vacuum pump apparatus
JP2011176912A (en) * 2010-02-23 2011-09-08 Jtekt Corp Motor controller
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US10775612B2 (en) * 2017-03-05 2020-09-15 Apple Inc. Resonant scanning mirror with both magnetic and mechanical torsion springs

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