JPS6243438B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 無刷子直流モータとして、複数のステータコイ
ルに直流電流を順次切換えて流すのではなく、互
いにπ／２ずれた２相交流電流を、２相のステータコ イルに流すことにより、ロータの回転角に無関係
に常に一定のトルクが得られ、トルクむらのない
回転をなすようになされたものが知られている。

第１図〜第４図はこの無刷子直流モータの一例
を示すものである。

即ち、第１図はこの無刷子直流モータの縦断面
を示すもので、１は回転軸、２はロータヨーク３
に被着されたロータマグネツトである。

このロータマグネツト２は複数極に着磁された
氷久磁石が用いられるものであるが、第２図に示
すように例えば８極に着磁されるとともに、磁束
分布が正弦波状になるように着磁されている。

そして、この場合、ステータコイルは２相設け
られるもので、第３図に示すようにロータマグネ
ツト２よりの磁界に対して同相となる位置に配さ
れている巻線ブロツクC₁とC₂が直列に接続され
て第１のステータコイル４が形成され、同様に配
されている巻線ブロツクC₃とC₄が直列に接続さ
れて第２のステータコイル５が形成される。これ
ら第１及び第２のステータコイル４及び５はロー
タマグネツト２に対向するように配されるととも
に互いに電気角で90゜の奇数倍だけ異なるように
配されている。

また、ロータマグネツト２の磁界を検出するた
めの２個の感磁性素子としてホール素子６及び７
が、２個のステータコイル４及び５に対応して設
けられる。即ち、２個のホール素子は第３図に示
すようにロータマグネツト２よりの磁束を検出す
る位置に、互いに電気角で90゜異なる位置に配置
される。

第４図は、この無刷子直流モータの駆動回路を
示すものである。

即ち、２個のホール素子６及び７には、端子８
を通じて直流電流が供給されている。

従つて、ロータマグネツト２の回転に応じて、
ホール素子６及び７には正弦波電圧が得られ、こ
の電圧が直線性を有する増幅回路路９及び１０に
供給される。即ち、ホール素子６及び７の出力に
得られる正弦電圧がオペレーシヨナルアンプ（以
下オペアンプという）１１及び１２の正及び負入
力力端子間に印加され、このオペアンプ１１及び
１２の出力により、正弦波電圧の正の半サイクル
期間にはそれぞれトランジスタ１３及び１５が導
通状態となつて、これを通じてステータコイル４
及び５に電流が流れ、負の半サイクル期間にはそ
れぞれトランジスタ１４及び１６が導通状態とな
つてこれを通じてステータコイル４及び５に電流
が流れる。

従つて、ステータコイル４及び５には、ホール
素子６及び７より得られた電圧に比例した電流が
供給される。

即ち、ロータの回転角をθとすれば、一方のス
テータコイル４に鎖交する磁束B₁及び他方のス
テータコイル５に鎖交する磁束B₂は、 B₁＝Bmsinθ ……(1) B₂＝Bmcosθ ……(2) で表わされる。ただしBmは定数である。

また、２個のホール素子６及び７によつて同様
に正弦波状の磁束が検出され、これらホール素子
６及び７には、磁束に比例した電圧が発生し、こ
れがアンプ１０及び１１に供給されるから、各ス
テータコイル４及び５に流れる電流i₁及びi₂は、 i₁＝Ksinθ ……(3) i₂＝Kcosθ ……(4) となる。但し、Ｋは回転角θに無関係の値で、完
成したモータでは電流が一定ならば定数であ
る。

従つて、ステータコイル４及び５に受ける力
F₁及びF₂は、 F₁＝i₁・B₁＝BmKsin²θ ……(5) F₂＝i₂・B₂＝BmKcos₂θ ……(6) となる。

従つて、ロータマグネツト２が受ける力Ｆは、 Ｆ＝F₁＋F₂ ＝BmK（sin²θ＋cos²θ） ＝BmK ……(7) となり、ロータの回転角θに関係なく一定のもの
となる。

こうして、この無刷子直流モータによれば、２
相のステータコイルに、互いに位相が90゜ずれた
２相交流信号を通電することにより、ロータの回
転角に無関係に一定のトルクを得ることができ、
トルクむらのない無刷子直流モータが実現できる
ものである。

ところで、従来、この無刷子直流モータの回転
速度の制御は、構成が簡単であり、低価格である
という点から、ホール素子に供給する電流の値
を、モータの回転速度の変化に応じて変えること
により行なつている。

ところが、この回転速度制御方式の場合、次の
ような欠点がある。

即ち、一般に、ホール素子の出力には検出磁界
に応じた電圧の他に、直流オフセツト電圧が生
じ、しかもこの直流オフセツト電圧はホール素子
に供給される電流値の変化に応じて変化するもの
である。従つて、ホール素子の出力電圧として
は、この直流オフセツト電圧のために、正弦波信
号に直流オフセツト電圧が加わつたものとなり、
正の半サイクルと負の半サイクルとで、非対象な
波形となり、トルクリツプルを生ずる。

ホール素子に供給される電流の値が一定である
場合には、第４図の駆動回路に示すように、可変
抵抗器１７及び１８を調整することにより、この
ホール素子の直流オフセツト電圧はキヤンセルす
ることができる。

ところが、速度制御に当たつては、前述のよう
にホール素子に供給する電流の値を変えた場合に
は、直流オフセツト電圧の値も変わるため、可変
抵抗器１７及び１８ではもはや、このオフセツト
電圧の変動には追従できず、完全に直流オフセツ
ト分を除去することはできない。従つて、従来の
速度制御方式ではこのホール素子による直流オフ
セツト電圧の影響でトルクリツプルを生ずるとい
う欠点があつた。

この発明は、この欠点を巧みに除去した新規な
回転速度制御方式を採用した無刷子直流モータを
提供しようとするものである。

以下、この発明による無刷子直流モータの一例
を第５図及び第６図を参照して説明しよう。

２０は速度制御信号の入力端で、この発明にお
いては、回転速度の変化に応じてパルス幅が変わ
るパルス幅変調信号Ｐ_M（第６図Ａ）が、この入
力端２０に供給される。

このパルス幅変調信号Ｐ_Mは、例えば次えば次
のようにして形成される。

即ち、ロータの回転速度に応じた周波数の信号
を得る周波数発電機が設けられ、この周波数発電
機よりの周波数信号が周波数電圧変換器に供給さ
れて、周波数に対応した直流電圧に変換され、こ
の直流電圧がパルス幅変調信号形成回路に供給さ
れて、これより回転速度に応じてパルス幅τ_０が
変わるが波高値Ａ及び周期Ｔがともに一定のパル
ス幅変調信号Ｐ_Mが得られる。

この場合、例えば、周波数電圧変換器の特性
は、周波数が高くなるに従つて電圧も高くなるよ
うな特性とされ、パルス幅変調信号は、電圧が高
くなるとパルス幅が広くなるようなものとされ
る。

こうして得られたパルス幅変調信号Ｐ_M（第６
図Ａ）はトランジスタ２１のベースに供給され
る。すると、このトランジスタ２１は信号Ｐ_Mの
パルス幅τ_０の区間でオンとなり、このトランジ
スタ２１のコレクタ電圧は、Ｔ−τ_０＝τ_１のパ
ルス幅のパルス状の電圧となる。従つて、ホール
素子６及び７には、パルス幅τ_１のパルス状電流
Ｐ（第６図Ｂ）が供給される。

このとき、ホール素子６及び７には正弦波状の
磁界（ただし、ホール素子６と７とでは与えられ
る磁界の位相が90゜異なつている）が与えられて
いるので、ホール素子６及び７には第６図Ｃの太
い実線で示すようにパルス幅がτ_１で、波高値が
磁界の強さに比例するパルス状電圧Ｐ_Eが得ら
れ、これがオペアンプ２２及び２３にてそれぞれ
増幅される。

そして、このアンプ２２及び２３の出力信号は
それぞれ積分回路２４及び２５に供給される。こ
の積分回路２４及び２５においては次のようにさ
れる。即ち、トランジスタ２１のコレクタに得ら
れるパルス状電流Ｐがそれぞれ微分回路３２及
び微分回路３３において微分されて微分パルスＰ
_D（第６図Ｄ）が得られ、このパルスＰ_Dの立ち上
がりのパルスによりトランジスタ２６及び２７が
微少時間オンとされ、このオン時に、コンデンサ
２８及び２９の充電電荷がそれぞれこのトランジ
スタ２６及び２７を通じて瞬時に放電され、その
後、アンプ２２及び２３の出力に得られるパルス
電圧により抵抗３０及び３１をそれぞれ通じてコ
ンデンサ２８及び２９に充電電流が流れて、抵抗
３０とコンデンサ２８及び抵抗３１とコンデンサ
２９によりそれぞれ決まる時定数で充電がなされ
る。以下、くり返し周期Ｔで同様の動作がなされ
て、この積分回路２４及び２５の出力には、第６
図Ｃで細い実線で示すような積分電圧Ｓ_Eが得ら
れる。

そして、また、入力端２０よりのパルス信号Ｐ
_Mがそれぞれ微分回路３４及び３５に供給されて
微分され、これよりパルスＰ_Dとは逆極性の微分
パルス_D（第６図Ｅ）が得られ、この微分パル
ス_Dの立ち上がりのパルスによりトランジスタ
３６及び３７がオンとされて積分回路２４及び２
５の積分出力がサンプリングされ、そのサンプリ
ング電圧がコンデンサ３８及び３９に充電されて
ホールドされる。

そして、このコンデンサ３８及び３９のホール
ド電圧Ｓ_H（第６図Ｆ）がアンプ４０及び４１に
それぞれ供給され、これによりステータコイル４
及び５に互いに位相が90度異なるほぼ正弦波状の
電流が流れる。

そして、この例では、前述したように、ロータ
の回転速度が低くなると、周波数発電機よりの周
波数信号の周波数は低くなり、従つて周波数電圧
変換回路の出力電圧は低くなつて、パルス幅変調
信号Ｐ_Mのパルス幅τ_０は第６図Ｇに示すように
狭くなる。すると、ホール素子６及び７に流れる
パルス状電流Ｐのパルス幅τ_１は第６図Ｈに示
すように広くなり、ホール素子６及び７より得ら
れるパルス状電圧Ｐ_Eのパルス幅も第６図で太
い実線で示すように広くなり、積分回路２４及び
２５のコンデンサ２８及び２９の充電電圧が第６
図Ｃの場合に比べて高くなる。従つて、ホールド
用コンデンサ３８及び３９に得られるホールド電
圧Ｓ_H（第６図Ｌ）も高くなり、ステータコイル
４及び５に流れる電流が大きくなつて、ロータの
回転速度が上昇する。

ロータの回転速度が高くなつたときには、逆に
ホール素子６及び７の出力電圧のパルス幅が狭く
なり、コンデンサ３８及び３９のホールド電圧が
低くなつて、ステータコイル４及び５に流れる電
流が小さくなつて回転速度が下げられる。

以上述べたようにして、回転速度の制御がなさ
れるのであるが、この発明においては、ホール素
子に供給される電流はパルス状電流で、その波高
値は一定である。従つて、速度制御に当たつて、
ホール素子に流れる電流の大きさは変わらないか
ら、ホール素子のオフセツト電圧は一定であり、
容易に除去できるものである。また、この発明に
おいては、ホール素子から得られたパルス状出力
電圧をコンデンサに充電し、そして、このコンデ
ンサの端子電圧をサンプルホールドして平滑し、
得られた電圧をモータに供給している。したがつ
て、単にコンデンサとコイル又はコンデンサと抵
抗からなるローパスフイルタ構成の平滑回路を用
いる場合に比べてトルクリツプルをより軽減でき
るという効果がある。

しかも、この発明においては、ホール素子に直
流電流を供給するのではなく、パルス状電流を供
給するのでそのパルス状電流の尖頭値が直流電流
値に等しいものであれば、平均電流でみると電流
量が少なくなる。このことは逆にみれば、パルス
状電流の場合には、その尖頭値を直流電流値より
も大きくすることができるということであり、そ
れだけホール素子の出力電圧を大きくすることが
できるという利点がある。従つて、ホール素子と
して、積感度が小さく出力電圧は比較的小さい
が、温度特性の良いGaAs（ガリウム砒素）から
なるホール素子を使用でき、駆動回路として温度
に対して安定なものを得ることができる。

なお、速度制御信号としてのパルス幅変調信号
を形成する手段は種々考えられ、上述の例の場合
の他に、例えば、周波数発電機よりの周波数信号
を直接処理してパルス幅変調信号を作成すること
もできる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は無刷子直流モータの一例の構
造を説明するための図、第４図はその駆動回路の
一例を示す回路図、第５図はこの発明による無刷
子直流モータの駆動回路の一例を示す図、第６図
はその説明のための波形図である。 １はロータ軸、２はロータマグネツト、４及び
５はステータコイル、６及び７はホール素子、２
０はパルス幅変調信号の入力端、２４及び２５は
積分回路、３６及び３７はサンプリング用トラン
ジスタ、３８及び３９はホールド用コンデンサで
ある。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ロータマグネツトによる磁界をホール素子に
   よつて検出し、このホール素子に得られる出力電
   圧に応じた電流をステータコイルに供給すること
   により駆動するようにしたものにおいて、ロータ
   の回転速度の変化に応じたパルス幅のパルス幅変
   調信号を形成するパルス幅変調信号形成回路と、
   上記ホール素子に上記パルス幅変調信号によるパ
   ルス状電流を供給するパルス状電流供給回路と、
   上記ホール素子より得られるパルス状出力電圧を
   充電するコンデンサと、上記パルス状電流の立上
   りに対応した時点で上記コンデンサの電荷を放電
   する放電回路と、上記パルス状電流の立下りに対
   応した時点で上記コンデンサの端子電圧をサンプ
   ルし、ホールドするサンプルホールド回路と、こ
   のサンプルホールド回路の出力により上記ステー
   タコイルに駆動電流を供給する駆動電流供給回路
   とを設け、上記パルス幅変調により上記ロータの
   回転速度がほぼ一定になるように制御するように
   した無刷子直流モータ。