JPS6135797B2 - - Google Patents

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JPS6135797B2
JPS6135797B2 JP50048734A JP4873475A JPS6135797B2 JP S6135797 B2 JPS6135797 B2 JP S6135797B2 JP 50048734 A JP50048734 A JP 50048734A JP 4873475 A JP4873475 A JP 4873475A JP S6135797 B2 JPS6135797 B2 JP S6135797B2
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motor
current
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transistor
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Papst Motoren GmbH and Co KG
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Publication of JPS6135797B2 publication Critical patent/JPS6135797B2/ja
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/08—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors
    • H02H7/0833—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors for electric motors with control arrangements
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    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
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    • H02H7/08—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors
    • H02H7/0811—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors for dc motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/06—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices
    • H02K29/08—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices using magnetic effect devices, e.g. Hall-plates, magneto-resistors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P2209/00—Indexing scheme relating to controlling arrangements characterised by the waveform of the supplied voltage or current
    • H02P2209/07—Trapezoidal waveform

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Brushless Motors (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、永久磁石ロータを有するブラシレ
ス直流モータに関するものであり、ロータ位置信
号を発生する半導体制御装置たとえばホール発電
器を有し、ステータ巻線に流れる電流がこれら半
導体制御装置によつて増幅素子を介して制御され
るブラシレス直流モータに関する。
数多くのブラシレス直流モータが公知である。
たとえば西独公開公報第1954409号の第２図には
２つのホール発電器によつて制御されるブラシレ
ス直流モータが示されており、このモータにおい
ては整流抵抗３１によつて、４つのモータ巻線の
うちのそれぞれの巻線中に約90度電気角の間電流
が流される。このようなモータはそのトルクが均
一ではあるが、多数の電子部品を用いるために高
価となる。特に小型モータの場合にはこれらの部
品はモータの外部に設けなければならないという
欠点がある。このようなモータはまた諸種の応用
に対しては高価となる。
上記よりも少ない構成部品を有しかつ複雑でな
いモータもたとえば米国特許第3753501号から公
知である。しかしながらこれらのモータは汎用性
がない。
従つて本発明の目的はこれら公知のブラシレス
直流モータを改良することにある。
本発明の１つの特長によれば上記目的を後述す
る型のブラシレス直流モータで達成することがで
きる。即ち、ロータ位置の一所定範囲におけるモ
ータ電流は、前記半導体制御装置の出力端にその
とき存在している特定の信号の組合せによつて制
御されて、好ましくは零に迄減少せしめられる。
本発明の他の特長は、外部の影響によつてモータ
が強制的に拘束された際に生ずる過熱を防止し、
したがつて拘束時保護特性を具備するブラシレス
直流モータに関する。この目的のため、上記半導
体制御装置に対する容量結合が、この容量結合部
品の適切な放電回路と共に用いられる。
この発明は、特開昭49−50411号および同49−
50412号公報に開示した自動起動しかつ運転中の
あらゆる角度位置において正転起動トルクを生ず
る単相ブラシレス直流モータに適するものである
がこのようなモータにのみ限定されるものではな
い。この発明はまた、一定の空隙と巻線電流を整
流するための半導体制御装置とを有し、この制御
装置はモータが常に正しい方向に回転するのを保
証する利点を有している単相または多相のブラシ
レス直流モータにも適している。
この発明は、２つ以上の巻線を有するブラシレ
ス直流モータにも用い得るものであり、このため
回転子が拘束されたときこのモータが過熱される
のを防止するための手段…この手段は本願特許請
求範囲(1)の特長とは別に広い用途を有するもので
ある…と特に関連して用いることができる。
この発明の理解を容易にするため、１つの例と
して第１図に、環状磁石で構成した２極外部ロー
タ１１を有する外部ロータ型のモータを示した。
この環状磁石の半径方向の磁化曲線B1はほぼ第
３図に示す形状を有する。この形状の特長は、磁
極面においてはほぼ一定の磁束密度B1を有し、
磁極間隙１４および１５は比較的狭い（10−20゜
の電気角度）ことである。この磁化状態は図のよ
うに台形状である。
ロータ１１は軟鉄よりなる周辺部分１２を有し
ており、この周辺部分の下方は公知の手段により
モータの回転軸を接続する基体部となり得る。上
記周辺部分１２の内部に実際の磁石１３が配設さ
れるであるが、この磁石はすなわちゴム磁石の極
片たとえば磁石粒体と混合されたゴムまたはプラ
スチツクよりなる磁石片とすることができる。
第１図および第２図において、ほぼ一定の磁束
密度を有する領域はＮ極に対してはハツチング、
Ｓ極に対しては多数点の描写であらわされてい
る。
第１図はロータ１１が、モータの駆動巻線を付
勢してないと仮定したときの２つの安定な静止位
置のうちの１つの位置にある場合を示している。
これらの静止位置は、空隙および第３図の磁化曲
線B1の形状によつて決定される。
モータ１０のステータ１８は、上部磁極１９お
よび下部磁極２０よりなり、これら磁極の間に２
つのスロツト２３および２４を包含する二重Ｔ型
鉄心よりなつている。このアーマチユアの間に
は、１つの単相巻線のうちの半分の巻線２５およ
び２６が直列に接続されて配置されており、この
単相巻線の中心タツプは正極２７に接続されてお
り、その両他端はそれぞれ符号２８または２９に
よつて示されている。ロータ１１の回転位置を検
出するための１つのホール発電器３２はスロツト
２４の開口または電気的に等価な点に配設されて
いる。なお、このホール発電器以外のロータ位置
信号発生器、例えば磁気抵抗素子、光電素子等を
使用することも可能であるが、ここでは代表例と
してホール発電器を採り上げて開示する。
磁極１９上の空隙３３および磁極２０上の空隙
３４は昭和48年５月25日出願の特開昭49−50411
号公報に開示されている特別な方法によつて形成
されている。
第２図に、上部空隙３３の展開図が示されてお
り、この空隙は下部空隙３４と半径方向に対称で
ある。第２図は、約180゜の電気角の磁極弧に亘
つて、上部にロータ１１を下部にステータ１８を
示している。空隙３３はスロツト２３から出発し
て点３６に到る第１の角度範囲α（たとえば電気
角10゜ないし50゜）に亘つて単調に増加し、この
点３６において空隙３３は最大値d2に達する。こ
の点３６から実際の空隙３３が第２の角度範囲β
（たとえば電気角80゜ないし170゜）に亘つて単調
に減少し、さらにスロツト２４の開口に到りここ
で空隙３３は最小値d1に達する。この開口から次
の空隙３４までは再び単調に増加して次の点３６
に到る。
スロツト２３および２４の開口は、巻線２５お
よび２６を挿入するためおよびそれらの絶縁のた
めに所定の寸法を必要とするので、これらのスロ
ツト開口の領域より大きい磁気的に活性な空隙が
生ずることになり、この磁気的に活性な空隙は第
２図に示すようにスロツト２３に対しては、38、
スロツト２４に対しては39に示す形状を有する。
たとえばこの磁気的に活性な空隙は、スロツト開
口の前面の角度γ（たとえば電気角10゜ないし40
゜）に位置している２つの点42および43の所でほ
ぼd3の最小値を有する。それ故に、この２つの角
度αおよびβは加えられて角度δとなり、このδ
の角度内で前記磁気的に活性な空隙は回転方向に
増加する。この活性な空隙はリラクタンストルク
の形状を決定する。前記ホール発電器３２がこの
角度δのほぼ中心に配設されるかまたはこの中心
に対して電気角ｎ×180゜だけ偏位して配設され
ることが望ましい。ここでｎ＝１，２…である。
第１図および第２図は、ロータ１１が安定静止
位置にある場合を示している。この位置において
は、ロータの２つの磁極は小さな空隙領域に対面
しており、磁極間の間隙１４および１５の位置は
最大の空隙位置３２にほぼ一致している。なんと
なれば、これらの位置においては全空隙の磁気抵
抗が最小であるからである。
上記安定静止位置から回転方向１６の方向に角
度βだけロータ１１を回転させる場合は、空隙の
磁気抵抗が増加し、換言すればリラクタンストル
クによつてロータ１１が制動されるから、このロ
ータ１１に対して対応する駆動力を与えなければ
ならない。運転の際には、この駆動力は巻線２５
および２６によつて供給される。
角度βだけ回転したのちは、ロータ１１は、そ
の磁極間隙１４および１５が最小活性空隙４２お
よび４３の位置に位置する。空隙の全磁気抵抗は
この位置において最大であり、即ちこの位置にお
いて最大の磁気エネルギーがモータに貯えられ、
ロータ１１はこの不安定な位置において正方向か
逆方向かに回転し再度上記２つの安定位置のうち
の１つの位置に到達しようとする。もしロータ１
１が、たとえば、矢印１６の方向に更に回転せし
められるならば、電流を供給しなくとも、ロータ
は前記活性空隙のほぼ均一な増加を伴なつてほぼ
一定の振幅を有する駆動トルクを伝達する。
上述のように、磁極間隙１４および１５が減少
する活性空隙の領域上を通過する角度範囲β中に
はリラクタンス制動トルクが存在し、上記磁極空
隙１４および１５が増加する活性空隙の領域を通
過する角度範囲δ中にはリラクタンス駆動トルク
が存在する。
第５図は、符号40で示されているリラクタンス
トルクMrelをロータの１回転即ち電気角360゜に
亘つて示している。符号41は第１図および第２図
で示したロータの安定位置であり、符号41′は41
に対称なロータの安定位置である。これら２つの
位置の間にロータの不安定位置４２およびこの位
置４２と対称な不安定位置４２′が存在する。こ
れらの位置４１，４１′，４２および４２′ではリ
ラクタンストルク４０の値は零である。点４１と
４２との間および点４１′と４２′との間に、その
長さが本質的に角度βによつて決定されるリラク
タンス制動トルクの形状が４３および４３′によ
つて示されており、引き続く範囲４４または４
４′のリラクタンス駆動トルクの期間は前記角度
δによつて決定される。第５図はまた、符号４５
または４５′によつて示す電磁駆動トルクMelの
形状を示しており、この電磁駆動トルクはリラク
タンス駆動トルク４または４４′の期間中即ち理
論的整流時点180゜、360゜（電気角）のまわりの
範囲ではその値は零となる。
モータの巻線２５および２６の電流はホール発
電器３２を経てロータ１１の磁界によつて制御さ
れるから、ロータ磁石１３の磁気特性として適切
に選ばれた磁化曲線の形状は第３図にB2によつ
て示された形状であり、この磁極間隔の形状は第
４図の下方部分に略図的に示されている。即ち磁
石１３がホール発電器３２を制御する部分は磁極
間隙１４′および１５′を含み、この部分は他方の
磁極間隙１４および１５より拡大している。それ
故に、回転中、磁束密度が零よりあまり高くない
比較的広いロータ部分が、回転方向１６と反対方
向に磁気的中性点から少し偏位して配設されてい
る（偏位した方が有利である）ホール発電器３２
に作用する（第２図はホール発電器が磁気的中性
点に、第４図は磁気的中性点から偏位して配置さ
れている場合を示す）。ホール発電器３２を上記
中性点から偏位させるかわりに、磁極１４′およ
び１５′を磁極間隙１４および１５に対して非対
称に配列することができ、そしてホール発電器３
２を第１図および第２図に示すように中性点に配
設したまま、前記と同じ作用を持たせることがで
きる。この配列は同じホール発電器を正逆両方向
の回転に対して用いることができ、一方、ロータ
磁石はそのとき所望の回転方向に従つて相異なる
ように磁化されなければならない。
もしホール発電器３２に作用する磁束密度がほ
ぼ零に等しいときは、このホール発電器の両方の
出力５０および５１は同じ電位を有する。そして
この発明によればこの信号の組合わせによつて得
られる情報は両巻線２５および２６の電流を減少
させるため即ち電流の間隙を発生するために用い
られる。
ホール発電器３２は、その一方の制御端が抵抗
５２を介して直流電源（たとえば24ボルト）の正
極に接続され、他方の制御端は抵抗４９を介して
上記直流電源の負極５３に接続されていて、ロー
タ１１の磁極の位置の関数として巻線２５および
２６の電流を制御するために用いられる。ホール
発電器３２の２つの出力５０および５１は２つの
Ｐ−Ｎ−Ｐトランジスタ５４および５５のベース
に結合されており、これらトランジスタのコレク
タは抵抗５６および５７を介して前記負極に接続
されている。一方上記トランジスタのエミツタは
点５８および共通抵抗５９を介して前記正極に接
続されている。このように、トランジスタ５４お
よび５５は差動増幅器６０として作動する。エミ
ツタが負極に、コレクタが巻線２６の端子２９に
接続されているＮ−Ｐ−Ｎトランジスタ６３のベ
ースは、トランジスタ５４のコレクタに接続され
ている。同様に、エミツタが負極に、コレクタが
巻線端子２８に接続されているＮ−Ｐ−Ｎトラン
ジスタ６４のベースは、トランジスタ５５のコレ
クタに接続されている。
上述の第１図の回路は次のように作動する。
ロータ１１のＳ極がホール発電器３２を通過す
る（第１図および第２図に示されている）ときト
ランジスタ５５および６４がオンとなり従つて巻
線２５に電流が流れる。同時に、ロータ１１のＮ
極がホール発電器３２を通過するときトランジス
タ５４および６３がオンとなり従つて巻線２６に
電流が流れる。かくして、これら２つの巻線２５
および２６は第５図に示す電磁駆動トルク４５お
よび４５′を発生し、この電磁駆動トルクは、(a)
ロータ磁石１３の磁束密度B1（第３図）が広い
範囲に亘つてほぼ一定であること、(b)モータの電
流が同等な範囲に亘つてほぼ一定であること、の
結果として、比較的広い角度範囲に亘つてほぼ一
定である。前記２つの巻線２５および２６に誘起
される逆起電力もまたこの角度範囲内でほぼ一定
である。即ち印加電圧（正極２７と負極５３との
間の電圧）に対する逆起電力の比が高いのでモー
タの効率はこの角度範囲内で非常に良好である。
それ故に、高効率に着目する場合は、高磁束密度
を有する角度範囲内に、即ち高い逆起電力を有す
る角度範囲内において前記巻線に電圧を印加すれ
ばよい。このようにすれば更に、前記巻線に高い
逆起電力が存在している時点でこのモータ巻線に
流れてる電流をしや断すると、印加電圧と逆起電
力と差が小さいという主たる理由から、ほんの僅
かの電圧波高値しか発生せず、従つてモータ電流
は前記逆起電力が減少する角度範囲におけるモー
タ電流よりも小さいという利点が得られる。前記
逆起電力が減少するときしや断するとモータ電流
は増加しそれ故しや断することが一層困難になる
であろう。
このように、モータ巻線を流れる電流は前記逆
起電力がその減少過程にあるときは既にしや断さ
れていなければならない。その結果、効率の向上
および逆起電力波高値の低減ならびにラジオ障害
の減少を図ることが可能となる。加うるに、諸ト
ランジスタを最適条件で利用し、小型モータに容
易に適用し得る小形部品を用いることができる。
このことは、換気用軸流フアンに関しては、それ
が全長に非常に短小であつてモータ内部で利用出
来る空間を最適に用いる必要があるから、特に重
要である。このように、双方の巻線電流を、理論
的な整流時点前後の特定な角度範囲中にわたつて
少なくともほぼ零にすることが要望される。
第１図は上記のことを実行する２つの場合を略
図的に示している。前記ホール発電器３２の両方
の出力がほぼ同一電位のときに両方の巻線２５お
よび２６の電流を抑制する目的のため、これら出
力はアンドゲート６５の２つの入力に接続され
る。このアンドゲートはその２つの入力がほぼ同
一電位のときに出力信号を発生するように構成さ
れている。
このアンドゲート６５は、図示のように、エミ
ツターコレクタ通路が点５８と負極５３との間に
接続されているＰ−Ｎ−Ｐトランジスタ６６か、
エミツターコレクタ通路が点５８と抵抗５９との
間に接続されているトランジスタ６７かのいずれ
かを制御する。第９図を参照して後述するが、前
記特定の信号の組合せがこのアンドゲートの入力
端に発生したとき、このアンドゲートがトランジ
スタ５４および５６の両方を直接ブロツクする第
３の手段がある。
技術上の要請として、第１図に示す回路を出来
るだけ安価に即ち最小の部品数で作る努力がなさ
れる。第６図は、この要求を満足する第１の変形
例である。第１図に示したのと同じ部品または同
じ作用をする部品は、同じ参照符号で示し再度説
明しないことにする。第１図に示すのと同じモー
タを用いる。
第６図に示す回路には３つの同様なトランジス
タ５４，５５および６６を有する差動増幅器６０
が用いられており、それらトランジスタのエミツ
ターコレクタ通路は相互に並列であるのでこれら
３つのトランジスタは前記差動増幅器の３つの分
岐路をあらわしている。第１図の場合と異なり、
トランジスタ６６のベースは分圧器のタツプ７０
に接続されており、この分圧器の一方の抵抗７ｉ
はホール発電器３２の正電流端子に、他方の抵抗
７２は同じく負電流端子に接続されている。
比較的強い磁界がホール発電器３２に作用した
ときの作用は、第１図を参照して詳細に述べた通
りである。即ち、Ｓ極がホール発電器３２に面す
ると、このホール発電器の出力５ｉは一層負にな
り、トランジスタ５５および６４従つて巻線２５
をオンする。一方、ホール発電器の出力５０が一
層正となり、トランジスタ５４および６３をオフ
する。Ｎ極がホール発電器３２に面すると、出力
５１は一層正となり出力５０は一層負となり巻線
２６が接続される。双方の場合共、差動増幅器６
０の導通中のトランジスタ５４または５５のベー
スはトランジスタ６６のベースよりも一層負であ
るのでトランジスタ６６はオフのまま維持され
る。
かくして、この回路では、最も負のベース電位
を有する。望ましくは類似のトランジスタ５４，
５５または６６を通つて最高の電流が常に流れ、
抵抗５９に生ずる電圧降下は負帰還として作用す
る。もし、トランジスタ６６のベースが、前記電
位（ホール発電器の出力の電位）が相等しいとき
即ち第３図に示す磁束密度B2がほぼ零のときの
ホール発電器の出力の電位よりも約0.15V負とな
るように、分圧器７１，７２を構成したとすれ
ば、トランジスタ６６には、トランジスタ６３お
よび６４、したがつて巻線２５および２６を付勢
から解くためにトランジスタ５４および５５をオ
フするに足る電流が抵抗５９を介して供給され
る。
第６図に示す回路の１つの利点は、点７０の電
位が磁束密度B2に本質的に依存することなく、
ホール発電器３２の温度に依存し、したがつてあ
る範囲内ではホール発電器の温度依存性を補償す
ることにある。更に、トランジスタ６６の導通状
態からオフ状態へ、オフ状態から導通状態への移
行は連続的であり、このことは第３図の曲線B1
およびB2と共に、本質的にラジオ障害を生ずる
ことのない有利なスイツチング動作をもたらすも
のである。更に、差動増幅器の全出力はトランジ
スタ６３および６４のうちの導通中のトランジス
タに供給されるから、抵抗５６および５７を高い
抵抗値にすることができる。
第７図に示すように作用増幅器７３および７４
を用いたときも上記と同様な理論が成立する。第
６図に示したのと同じ部品または同じ作用の部品
は同じ参照符号を付して説明を省略する。作用増
幅器７３の負入力端はホール発電器の出力５０に
接続され、作用増幅器７４の負入力端はホール発
電器の出力５１に接続されている。作用増幅器の
２つの正入力端は点７０に接続されている。
もし、曲線B2が零であるならば出力５０およ
び５１は同一電位を有し、点７０はこの同一電位
よりも約0.15V負であるから双方の作用増幅器は
オフされ、巻線２５および２６のいずれにも電流
は流れない。
ホール発電器３２に前記全磁界が作用すると、
作用増幅器７３および７４の負入力は点７０より
も少なくとも0.15V負にになり、前記特定の作用
増幅器は導通する。かくして第６図の装置で得ら
れたのと同じ効果が得られる。
ある場合には、モータが拘束時保護特性
（Blooking−proof）でなければならないと云う要
求がある。即ちモータが拘束されたときモータの
電流は、過熱によつてこのモータが破壊されるの
を防止しかつ発生熱の過大なことから生ずる他の
損傷を防止する値に制限されなければならない。
この電流値は出来るだけ低くなければならない。
第８図は、ホール発電器に作用する低磁束密度
で電流を抑制するという、既に記載したことに加
えて拘束時保護特性を有する回路を示している。
第１図の回路と同じ部品または同様な作用をする
部品は同じ参照符号で示し再度の説明を省略す
る。
間違つた極性に接続するのを防止するために、
第８図の回路には保護ダイオード７５が設けられ
ており、このダイオードの陰極は負線５３に、陽
極は線７６に接続されている。この線７６には抵
抗４９、トランジスタ６３および６４のエミツタ
およびトランジスタ６６のコレクタが接続されて
いるから運転に際してはこの線７６が線５３の電
位よりも約0.8V正である電位を持つようにこの
ダイオード７５（シリコンダイオード）を経て電
流がたえず流れる。抵抗５６および５７が対応す
るトランジスタ６３または６４のベースと前記負
線５３との間に接続されていることから、上記電
位差はトランジスタ６３および６４を確実にオフ
するために用いられる。（ここで、抵抗５６およ
び５７は比較的高抵抗値たとえば12KΩとするこ
とができる）。トランジスタ６３および６４は、
モータ使用電圧に好適な耐圧のものである。
更に大きいモータ電流たとえば更に大きな負荷
に対しては、トランジスタ６３および６４を対応
するダーリントントランジスタ６３′および６
４′に置きかえることができる。このときは、差
動増幅器６０は非常に小さな電流を与えるために
設計されればよい。
第８図に示す装置において、トランジスタ５４
および５５のベースはホール発電器３２の出力５
０および５１に交流的に結合されているのみであ
る。即ち、充分大きい電解コンデンサ７７または
７８を介して結合されているので、これらのコン
デンサはホール発電器の出力電圧を区別しない。
たとえばこれらのコンデンサ７７および７８はそ
れぞれ10マイクロフアラツドの容量を有する。直
流電圧に関しては、差動増幅器のベースはゲルマ
ニウムダイオード８１または８２を経て実質的に
同一の電位に接続されている。ゲルマニウムダイ
オード８１または８２の陽極はそれぞれ対応する
トランジスタのベースに接続され、陰極は共通点
８３に接続されている。この共通点８３は低抵抗
８４たとえば７オームの抵抗８４を介してホール
発電器３２の正電流入力端およびトランジスタ６
６のベースに接続されている。更に点８３は抵抗
５２を介して正極線２７に接続されている。ここ
でトランジスタ６６は差動増幅器６０の第３の分
岐路として接続されている。
第８図の装置は次のように作動する。
モータ１０の起動のとき即ち直流電圧を印加す
るとき、ロータ１１（第１図）はその起動位置に
ある。即ち第１図、第２図および第４図によれ
ば、Ｓ極（第５図の点４１）またはＮ極（第５図
の点４１′）はホール発電器３２に面している。
第１図に従つてＳ極がホール発電器に面している
とすれば、出力５１は出力５０より負であるから
抵抗５９およびトランジスタ５５のエミツターコ
レクタ通路を通つてコンデンサ７８に充電電流が
流れ、トランジスタ５５を導通させる。その結果
トランジスタ６４は導通し、モータ巻線２５に電
流が流れ、モータは起動する。次にＮ極がホール
発電器３２に面すると、出力５１は正になり出力
５０は負になる。出力５１が正になるとコンデン
サ７８は前には導通していなかつたゲルマニウム
ダイオード８２を介して放電する。このゲルマニ
ウムダイオードはホール発電器の比較的低出力に
よつてすらも確実に導通する（コンデンサ７７お
よび７８の放電回路として抵抗回路網または類似
のものを使用することが可能あるが、最良の結果
はゲルマニウムダイオードを使用したときに得ら
れることが判明した）。モータが起動したために
出力５０が一層負になると、この比較的急速な電
位変化は、コンデンサ７７を介してトランジスタ
５４のベースに伝達され、このトランジスタ５４
従つてトランジスタ６３を導通させる。それ故に
モータ巻線２６に電流が流れる。そこでモータの
回転につれて整流が連続的に行われる。いずれの
場合でも、コンデンサは差動増幅器の非導通側に
おいてゲルマニウムダイオード８１または８２を
通つて放電せしめられる（上記放電は零まで完全
に行われることなく、たとえば約0.7V×10μＦ
の信号の直流電圧分に相当する電荷が前記２つの
電解コンデンサ７７および７８に残留する）。
ホール発電器３２の所で磁束密度B2が低い場
合は、ホール発電器の出力５０および５１はほぼ
同一の電位を有するから、トランジスタ５４およ
び５５のベースもまた低い電位差を有する。しか
しながら、抵抗８４の電圧降下たとえば0.15Vの
ために、トランジスタ６６のベースの電位は２つ
のトランジスタ５４および５５のベースよりも約
0.15V負である。そのために、ホール発電器の所
での低磁速密度においてトランジスタ６６は差動
増幅器の全電流をうけ持ち、トランジスタ５４お
よび５５の付勢をとく。従つてモータには電流が
流れない。
もし運転中のモータが拘束されて停止すると、
トランジスタ５４または５５のうちそのときに導
通しているトランジスタを経て関連したコンデン
サ７７または７８はその導通しているトランジス
タがオフされる程度まで充電される。この充電
は、本実施による静電容量の場合には約１秒間継
続し、その間はたとえ拘束状態においてもモータ
がトルクを発生する。上記特定のコンデンサが充
電されると、双方のトランジスタ５４および５５
のベースの電位はダイオード８１および８２を通
る点８３の電位によつて決定される。抵抗８４の
電圧降下の結果、トランジスタ６６のベースの電
位は負となり、即ちトランジスタ６６は再び差動
増幅器６０の電流をうけもつ。この場合トランジ
スタ６６に連続的に電流が流れるから、トランジ
スタ６６は熱せられ、そのエミツターベースのス
レツシヨールド電圧Vthは減少し、そのためにこ
の加熱によつて短かい加熱期間後はトランジスタ
６６は差動増幅器６０の全電流を確実に分担す
る。結果として、トランジスタ５４，５５，６３
および６４はその付勢を解かれ、そのためモータ
もまた付勢を解かれる。かくして、モータの運転
電流の小部分のみ、たとえば200mAのかわりに
わずか35mAのみが流れる。拘束を解除するとき
に、モータを手動によつて再起動しそれによつて
拘束を自動的に解消するかまたはモータのスイツ
チを数秒間オフし次に再びオンするとコンデンサ
７７および７８は放電されているからモータは再
び起動する。リード２７および５３間に短かい電
圧パルスを印加することによつてモータを再起動
することもできる。
第９図は、現在の改良状態によれば最適であり
かつまた拘束時保護特性でもあつて、所望の電流
間隙を生じかつその高感度のためモータ内に設け
られた場合でもモータの高運転温度を許容する好
ましい回路を示している。加うるに、この回路
は、差動増幅器を用いないため非常に簡単であ
り、従つて第３のトランジスタ６６は省略され、
非常に少ない電子部品しか必要としない。前記各
図における部品と同じ部品または同じ作用の部品
については同一参照符号を付しその再度の説明を
省略する。
第９図に示す装置において、たとえば約10μＦ
の容量の電解コンデンサ７７および７８はトラン
ジスタ５４および５５をホール発電器３２に交流
結合をするために用いられている。トランジスタ
５４および５５はホール発電器３２に対して並列
分路をなしているので、ホール発電器３２を通る
電流は、もしトランジスタ５４または５５のうち
の一方が導通すれば減少する。ホール発電器を流
れる電流が減少するときにはその出力が対応して
減少するので、負帰還によつてこれらトランジス
タの電流制限のために作用する。
トランジスタ５４および５５のエミツタは、抵
抗５２を介して正極線２７につながる点９０に接
続されており、また導通性が比較的よいシリコン
ダイオード９１の陽極にも直接接続されている。
このダイオードの陰極は点９２を介してホール発
電器３２の一方の入力に結合されている。ダイオ
ード９１は、たとえばその導通状態で約0.78Vの
電圧降下を有する。たとえば3KΩの抵抗９７を
介して、導通性が比較的悪いシリコンダイオード
９３および９４の陰極が点９２に接続されてい
る。ダイオード９３の陽極はトランジスタ５４の
ベースに接続されており、ダイオード９４の陽極
はトランジスタ５５のベースに接続されている。
シリコンダイオード９８はホール発電器３２に並
列に設けることができるが、多くの場合省略して
も差支えない。
第１０図ないし第１４図を参照して第９図の装
置を説明する。第１１図の定義により、トランジ
スタ５４または５５のベース−エミツタダイオー
ドを黒の三角形であらわし、ほかのダイオードを
白の三角形であらわすこととする。
第１０図は、まず抵抗９７を省略して、電気的
にほぼ等価なダイオード５５および９４の直列接
続を示している。これらのダイオードは共に、た
とえばシリコン材料で作られ、電流の流れる方向
は同じであつてダイオード９１と並列接続されて
いる。
静止状態において、ダイオード９１のほぼ
0.7Vの電圧降下は２つのダイオード５５および
９４に分圧されらるから、これらダイオードの
各々には約0.35Vの電圧が印加される。従つて非
常に小さな電流たとえば0.001mAの電流がこれら
のダイオードに流れる。負パルスたとえば−
0.2Vのパルスがコンデンサ７８を介して、ダイ
オード５５および９４の接続点１００に印加され
ると、ダイオード５５は導通する即ちこの回路で
はダイオード５５を導通させるのに点１００にお
ける電位の変化を非常に小さくすればよい。ま
た、第９図の回路に適用すればトランジスタ５４
または５５を導通させるのに非常に小さな電位変
化を与えればよい。このように、ダイオード５５
および９４を含む分圧器はトランジスタ５５のス
レツシヨールド電圧を減少し、回路を非常に高感
度にする。
第１２図は第１０図の１変形例を示しており、
より高いスレツシヨールド電圧たとえば0.9Vを
有するダイオード９１が用いられている。このス
レツシヨールド電圧は、分圧器１０２−９７によ
つて約0.7Vに減少せしめられる（抵抗１０２は
第９図において点線で示されている）。
第１３図はホール発電器３２の等価回路を含む
装置を示す。ダイオード９８がホール発電器３２
に並列に接続されているから、運転中約0.7Vの
電圧がホール発電器に印加され、磁束密度B2が
零の時点で、この電圧は0.35Vの図示の２つの電
圧に分圧される。このため、モータの運転中はコ
ンデサ７８の両端に約0.7Vの直流電圧が得ら
れ、この電圧は運転中ほぼ一定である。もしホー
ル発電器の出力５１が負になると、トランジスタ
５５を経てコンデンサ７８に充電電流が流入す
る。即ち、トランジスタ５５は導通する。出力５
１が正になると、ダイオード５５はオフになり、
コンデンサ７８からの放電電流はダイオード９
４、抵抗９７およびホール発電器３２を介して流
れる。このコンデンサは運転中このように前に充
電されたと同じ量だけ放電される。
抵抗９７の抵抗値（たとえば3000オーム）はホ
ール発電器３２の内部抵抗値（たとえば30オーム
であつて更に温度に大きく依存する）よりはるか
に高いから、放電時定数はほぼ一定でありかつ充
電時定数より大である。したがつて放電のために
対応する高電圧が得られる。
第１４図は、第１３図に従つてホール発電器３
２の両出力を完全にとり入れ、運転中代表的に生
ずる諸電圧を有し、ホール発電器の出力５０およ
び５１は相等しい電位を有し（即ちホール発電器
に作用する磁束密度はほぼ零）ている場合の装置
を示している。コンデンサ７７および７８はほぼ
同一電圧に充電されており双方のダイオード５４
および５５は導通していない。即ち磁束密度B2
は零の点においてモータ巻線２５および２６には
電流が流れらい。もしそこで出力５１が正、出力
５０が負になると、ダイオード５５は確実にオフ
され、ダイオード５４は導通する。このことは第
９図についていえば、トランジスタ５４および６
３が導通し巻線２６に電流が流れることを意味す
る。回路の対称性のために、出力５１が負にな
り、出力５０が正になる逆の場合に対しても同様
のことがあてはまる。
トランジスタ５４によつてトランジスタ６３に
導かれた電流またはトランジスタ５５によつてト
ランジスタ６４に導かれた電流は抵抗５２を通つ
て流れ、そして、この電流はホール発電器３２の
制御電流を減少させるので帰還作用を行なうこと
になる。
しかしながら、ダイオード９８が存在すること
から、この制御電流の減少はダイオード９８を通
つて更に多くの電流が流れないときにのみ生じる
（ダイオード９８に電流が流れている限り、第１
３および１４図に示すように、約0.7Vのほぼ一
定の電圧がホール発電器３２に印加される）。ホ
ール発電器は低温度においてより高い抵抗値を有
するから、比較的大きな電流量がダイオード９８
を流れる。トランジスタ６３および６４の出力
は、そのときの増幅度が低下しているためにより
大きなベース電流を必要とする。より高い温度で
はダイオード９８を流れる電流は少なくなり、前
記帰還作用は大となる。
もしモータが拘束されると、たまたま負のホー
ル発電器の出力につながる特定のコンデンサ７７
または７８を充電される。そしてそのとき両トラ
ンジスタ５４および５５のベースは、ホール発電
器の磁束密度B2が零かまたはほぼ零に等しい時
と同じ電位をうけるから、約１秒後にはこれら２
つのトランジスタ５４または５５のいずれもが導
通しない。そして双方のモータ巻線２５および２
６の電流は完全にしや断されるので、モータ拘束
の場合でもモータ過熱は完全に防止される。第８
図に関連して既述したと同じ方法、即ち線２７お
よび５３に対する電圧パルスの印加、短時間の電
源オフ、または手動起動等によつてモータの再起
動を行なうことができる。
抵抗９７による放電過程の遅延は次の理由によ
り有利である。即ち、抵抗９７は、コンデンサが
今放電されようとする特定のトランジスタ５４ま
たは５５の導通を遅延させ、またこの放電過程が
所定の段階に達したのちにそれぞれのトランジス
タが導通され得る。このような方法により、電流
の間隙が適正にされる。
第８図または第９図の回路はまた当然に、２つ
以上の巻線を有するモータにも用い得るたとえ
ば、星形接続された４つの巻線を有し、２つのホ
ール発電器によつて制御される公知（西独公開公
報第1954409）のモータ構造にも用い得る。
この発明はホール発電器によつて整流が制御さ
れるモータのみに限定されるものではなく、他の
半導体制御手段たとえば磁気ダイオード等によつ
て整流が制御されるモータにも同様に適用でき
る。このようなホール発電器以外の磁極位置検出
用半導体制御素子を使用した場合は、信号の強
度、極性等の態様において差異が存する。したが
つて、これら素子特有の信号の処理、判断等を行
い得る回路構成が必要となるが、本発明の範囲内
において、各素子の特性に応じた周知技術を援用
することにより、当業者が理解し得る所望回路が
容易に構成可能な筈である。
これら可能な形態は、極めて多種類に及ぶため
全てを詳述することは不可能である。しかし、上
述したホール発電器使用ブラシレスモータの多く
の実施例から十分類推できる範囲で、本願発明の
原理に基づきホール発電器以外の磁極位置検出用
半導体素子を使用した拘束時保護特性を有するブ
ラシレス直流モータを設計することは当業者にと
つて容易であろう。
本発明による諸回路はまた他のモータの設計に
適用できる。たとえば、本発明の出願人の特開昭
49−50411号公報に記載してあるロータ内部配置
のモータ（このステータおよびロータは本願第２
図に示したのとほぼ同じ間隙形状にすることがで
きる）に適用できる。本発明の回路はまた、たと
えば特開昭49−50412号公報に示されている偏平
モータにも適している。その理由は、電磁駆動ト
ルクの交流部分とほぼ逆相であるリラクタンスト
ルクを有するようなモータには、本願第１図によ
るモータに生ずると同じ諸問題が生ずるからであ
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は、外部ロータ型、２つの駆動巻線を有
する単相型であり、単一ホール発電器によつて制
御される制御回路を有する本発明のブラシレス直
流モータの一実施例の概略図、第２図は、第１図
のモータの磁気回路の主要部の展開図、第３図
は、第２図のロータに沿う磁束密度を示すグラフ
第４図は、第２図のロータ内部の展開平面図であ
つて、特に磁極間隙の形状を示す図、第５図は、
第１図および第２図に示すモータの代表的トルク
曲線を示す図、第６図は、本発明による第１の回
路装置図、第７図は、本発明による第２の回路装
置図、第８図は、本発明による第３の回路装置
図、第９図は本発明による第４の回路装置図、第
１０図ないし第１４図は第９図の装置の動作を説
明するための回路図である。 １０…モータ、１１…永久磁石ロータ、１３…
ロータ磁石、１４，１５…磁極間隙、１４′，１
５′…磁極間隙、１８…ステータ、２５，２６…
モータ巻線、３２…ロータ位置信号発生要素（ホ
ール発電器）、４０…リラクタンストルク、４５
…電磁駆動トルク、５０，５１…半導体制御装置
（たとえばホール発電器）の出力、５４，５５，
６６…Ｐ−Ｎ−Ｐトランジスタ、６３，６４…Ｎ
−Ｐ−Ｎトランジスタ、６３′，６４′…ダーリン
トントランジスタ、７１，７２…分圧器、７３，
７４…作用増幅器、７７，７８…コンデンサ、９
１，９３，９４…シリコンダイオード、d1，d3…
最小空隙、d2…最大空隙、Mrd…リラクタンスト
ルク、Me…電磁駆動トルク。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも１つの巻線を有するステータと、
    永久磁石ロータと、前記ロータが静止状態にある
    際に少なくとも１つのロータ位置信号を発生する
    ためのロータ位置信号発生要素と、前記ロータ位
    置信号発生要素の発生する少なくとも１個のロー
    タ位置信号に応じて前記ステータの巻線の電流を
    制御するための少なくとも１つのトランジスタ増
    幅器と、を有するブラシレス直流モータにおい
    て、 前記少なくとも１個のロータ位置信号を伝達す
    るために、前記ロータ位置信号発生要素３２の２
    本の出力端子５０，５１と前記トランジスタ増幅
    器５４，５５，６３，６４の制御端子との間に結
    合コンデンサ７７，７８が接続されること、 前記結合コンデンサ７７，７８は、モータ運転
    時に前記ロータ位置信号発生要素３２から前記ト
    ランジスタ増幅器へ伝達されるロータ位置信号の
    差を生じないように設定されること、 前記結合コンデンサ７７，７８は、前記ロータ
    位置信号発生要素３２からの制御信号によつてエ
    ミツターベース間がオンオフされるトランジスタ
    増幅器のトランジスタ５４，５５がオン状態にあ
    る際に、該トランジスタのベース電流を流すよう
    に構成された充電回路を有すること、 前記結合コンデンサ７７，７８は、前記トラン
    ジスタ増幅器内のトランジスタ５４，５５がオフ
    状態にある際に、前記結合コンデンサ７７，７８
    の電荷を放電するために、該結合コンデンサの高
    電位端子から他端子へ電通させる向きに接続され
    たダイオード８１，８２：９３，９４を有し、そ
    れによつてモータが拘束された際に該結合コンデ
    ンサ７７，７８によつて前記信号伝達回路を遮断
    しかつ前記ステータ巻線２５，２７を実質的に無
    電流状態に維持すること、を特徴とするブラシレ
    ス直流モータ。 ２ 少なくとも１つの巻線を有するステータと、
    磁極上方における磁化の状態が回転方向１６を基
    準にして台形状曲線B1，B2となる特性の永久磁
    石によつて形成された永久磁石ロータと、前記ロ
    ータが静止状態にある際に少なくとも１つのロー
    タ位置信号を発生するためのロータ位置信号発生
    要素と、前記ロータ位置信号発生要素の発生する
    少なくとも１個のロータ位置信号に応じて前記ス
    テータ巻線の電流を制御するための少なくとも１
    つのトランジスタ増幅器と、を有するブラシレス
    直流モータにおいて、 前記少なくとも１個のロータ位置信号を伝達す
    るために、前記ロータ位置信号発生要素３２の２
    本の出力端子５０，５１と前記トランジスタ増幅
    器５４，５５，６３，６４の制御端子との間に結
    合コンデンサ７７，７８が接続されること、 前記結合コンデンサ７７，７８は、モータ運転
    時に前記ロータ位置信号発生要素３２から前記ト
    ランジスタ増幅器へ伝達されるロータ位置信号の
    差を生じないように設定されること、 前記結合コンデンサ７７，７８は、前記ロータ
    位置信号発生要素３２からの制御信号によつてエ
    ミツターベース間がオンオフされるトランジスタ
    増幅器のトランジスタ５４，５５がオン状態にあ
    る際に、該トランジスタのベース電流を流すよう
    に構成された充電回路を有すること、 前記結合コンデンサ７７，７８は、前記トラン
    ジスタ増幅器内のトランジスタ５４，５５がオフ
    状態にある際に、前記結合コンデンサ７７，７８
    の電荷を放電するために、該結合コンデンサの高
    電位端子から他端子へ通電させる向きに接続され
    たダイオード８１，８２；９３，９４を有し、そ
    れによつてモータが拘束された際に該結合コンデ
    ンサ７７，７８によつて前記信号伝達回路を遮断
    しかつ前記ステータ巻線２５，２７を実質的に無
    電流状態に維持すること、を特徴とするブラシレ
    ス直流モータ。
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