JPS6349477B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はトランジスタモータに関し、詳しく
は、ロータの回転位置検出および回転速度検出が
高精度になし得てトルクリツプルが小さく、かつ
小形化を図つたトランジスタモータに関する。

従来、オーデイオレコードプレーヤのダイレク
トドライブ用モータなどでは第１図に示す如き構
成のモータが多用されている。このモータは、い
わゆるフラツト構造の８極４巻線モータで電機子
電流の制御はトランジスタで行う。このトランジ
スタを駆動制御するためにホール素子が一般に用
いられる。

電機子巻線はA₁，A₂より成る同相の１組のＡ
相巻線と、同じくB₁，B₂より成るＢ相巻線とか
ら成るところの２相構成をとる。Ａ相、Ｂ相巻線
は相互に電気角にてπ／２の位相差を持つたよう
に配置される。ホール素子１，２はそれぞれＡ、
Ｂ相巻線が鎖交する磁束と等価な同様の磁束を検
知し、ホール素子１，２の出力電圧に比例する電
流を各相巻線に通電し、原理上トルクリツプルが
０となるモータが実現される。しかし、モータの
空間容量を考えるとき、電機子巻線の配置におい
てC₁、C₂点附近に無駄があり、モータの単位体
積あたりの出力が低下するので、特にモータを極
力小型化したいときには問題となる。また、界磁
磁石と回転速度検出用磁石との構成が複雑で、製
造上の困難を伴うという問題点がある。

また、特開昭53−23017号公報に示されている
モータがある。このモータは界磁磁石ロータの側
周面に、界磁磁石の極ピツチより十分に小さい極
ピツチで着磁されている回転速度検出用の磁石を
配設し、１つの磁気感応素子によつて上記両磁石
の重畳された磁束を検出し、この検出信号から回
転子の位置信号と回転速度信号とを分離抽出して
モータの制御を行うように構成されたものであ
る。

しかし、この従来のモータでは、磁気感応素子
の検出信号は、界磁磁石と回転速度検出用磁石の
磁束が重畳されているため、界磁磁石の極性が切
り換わる０点が不明瞭となり、このためモータの
力率（効率）の低下をまねくという問題点があ
り、また、同様の理由から上記０点附近における
速度信号が不正確なものになるという問題点があ
る。

この発明は上記のような従来のモータの問題点
の解消を目的としてなされたもので、構成が簡単
で小形化でき、かつ回転子の位置信号および速度
信号が高精度で得られ、高精度で制御を行うこと
のできるモータを得ることを目的とする。

以下、この発明の一実施例を図面にしたがつて
説明する。

第２図はこの実施例のモータの構成を示す図
で、同図ａは同図ｃ ａ−ａ線矢視平面図、同図
ｂは同じくｂ−ｂ線矢視平面図、同図ｃは同図ａ
ｃ−ｃ線矢視断面図である。図において、回転
軸７に固着されている界磁磁石（以下「ロータ磁
石」という）は機械角45゜ピツチでＮ、Ｓ極に８
極着磁されている。さらに、このロータ磁石５に
重ねて外周に波形の凹凸が形成されている円板
（磁束変化手段）６が配設されており、この凹凸
波形はロータ磁石５のＮ、Ｓ極の切換わりごとに
その位相が反転する図示の形状に形成されてい
る。即ちＮ極側に例えば円周方向にAsinδθなる
波形を刻んだものとすれば、（δは波形刻数にあ
たり、全周にｎ個の波形を刻んであるものとする
と、δ＝ｎであり、θは機械角度、Ａは刻み深さ
の最大値である）Ｓ極側は、Asin（δθ−π）＝−
Asinδθなる波形を刻むものとする。

電機子コイルを波形する６個の巻線のうち、
u₁、u₂巻線は直列に接続されてｕ相巻線となり、
同様にｖ相巻線は、v₁、v₂から、ｗ相巻線はw₁、
w₂から成る。そして、これらｕ〜ｗ相巻線は対
称３相結線（電気角120゜間隔）でもつてステータ
ヨーク４に配置されており、また扇形形状をなす
個々の巻線u₁〜w₂の両サイドは約180゜（機械角で
約45゜）間隔に構成されている。ホール素子１は
巻線u₁とw₂の中央に置かれ、ｕ相巻線位置より
機械角で7.5゜（電気角で30゜）シフトした位置にあ
る。ホール素子２，３についてもｖ、ｗ相巻線に
対し同様に配置される。ホール素子１，２，３は
機械角で120゜毎に３個配置されて図示しない磁気
的絶縁座を介してステータヨーク４に取付けられ
る。さらにこれらは円板６の凹凸波形部に対向す
る位置におかれ、この凹凸波形部を軸方向に走る
磁束を検知する向きに配置される。

第４図ａ，ｂはロータ磁石５を回転させたとき
にホール素子１，２を通るロータ磁石５の磁束の
変化する様子を描いたものである。図中、破線で
示した低周波成分の振巾はロータ磁石５の着磁極
性に応じてその磁束量が変化することを示し、ま
たこの低周波成分に重畳されている高周波分は、
ホール素子に対向する円板６の外周の凹凸に基く
成分で、ホール素子から見て、凸部分は磁気抵抗
が低く、凹部分は高いというパーミアンス変化に
基くものである。そして第４図ａ，ｂに示す如
く、そのパーミアンスの変化はほぼ正弦波状に変
化する。歯形が必ずしも、正弦波状でなくともエ
アギヤツプを隔てておかれたホール素子から見れ
ば平滑化されてほゞ正弦波状のパーミアンス交流
分変化になるものと見なして良い。

なお、ロータ磁石５の起磁力によつて生ずる界
磁磁束は電機子コイルと鎖交し、ホール素子に鎖
交する磁束はロータ磁石５のもれ磁束と考えるこ
とができる。その磁路は第２図ｃに示すようにロ
ータ磁石５を上から下へ走り、ホール素子１及び
円板６を通る垂直向の破線の矢印の経路をとる。

なお、方形状に着磁されたロータ磁石５を用い
たとしても、ホール素子１と円板６との間のエア
ギヤツプや着磁磁束の大きさ等を適宜調整するこ
とにより、概ね第４図ａ，ｂに示す如き磁束変化
を得ることができる。

第３図は信号処理回路９と駆動回路１０を含む
制御回路である。図において、トランジスタ１
１、抵抗１３、ツエナーダイオード１２はホール
素子１，２，３の定電圧電源を与える。抵抗２１
はホール素子１に供給される電流を限流させるも
ので、可変抵抗２２，２３はホール素子２，３に
供給される電流を限流させるとともに、ホール素
子１，２，３間の出力電圧のバラツキを調整す
る。トランジスタ１４、抵抗１５はホール素子
１，２，３に供給される電流を制御する。ホール
素子１の出力端子１Ａ，１Ｂ、ホール素子２の出
力端子２Ａ，２Ｂはｕ相駆動回路１０Ａの演算増
強器３０の演算入力として与えられ、演算増強器
３０の出力は２段接続されたトランジスタ１６，
１８及び１７，１９のうち初段トランジスタ１
８，１９の共通接続されたベースに与えられる。
初段トランジスタ１８，１９の共通エミツタ端子
は、トランジスタ１１の与える基準電圧に抵抗２
０を介して接続され、次段トランジスタ１６，１
７の出力は抵抗２４を介して演算増幅器の逆相入
力側に帰還される。また、ホール素子出力端子２
Ａ，２Ｂ，３Ａ，３Ｂ及び３Ａ，３Ｂ，１Ａ，１
Ｂがそれぞれｖ相回路１０Ｂ、ｗ相回路１０Ｃに
接続される。以下ｕ相回路１０Ａと同様である。

以上のように構成された回路において、ホール
素子１の一方の出力端子１Ａが正電圧を出力して
いる時、他方の端子１Ｂは素子の特性上、素子の
入力端子間電圧のほゞ中間値V_HPにあつて第４図
ａ，ｂに示すV_1A及びV_1Bのような電圧波形にな
る。出力端子１Ａ，１Ｂ間の出力電圧は、ホール
素子１の位置を第２図ｂのlu線上より機械角で
7.5゜（電気角で30゜）回転子の回転方向にシフトし
た関係上、ｕ相巻線のlu線上にある巻線に誘起す
る速度起電力とは、電気角で30゜遅れている。同
様にホール素子２の出力電圧は、ｖ相巻線に誘起
する速度起電力より30゜遅れていて、ホール素子
１の出力電圧よりは電気角で120゜遅れている。よ
つてホール素子２の出力端子２Ａ，２Ｂの波形は
第４図ａ，ｂのV_2A，V_2Bのようになる。しかる
にｕ相回路１０Ａに示したように演算増幅器３０
の正相入力端子に抵抗値の等しい抵抗２６，２７
を介してホール素子１の出力端子１Ａ及びホール
素子２の出力端子２Ｂを接続すると、演算増幅器
３０の特性上、入力インピーダンスが無限大と仮
定して正相入力端子電圧Vmは前記ホール素子出
力電圧V_1AとV_2Bの加算された値の平均値になり
第３図ａのようになる。

即ち、円板６外周部の凹凸による高周波分は、
ホール素子１，２の出力V_1A，V_2Bを加算する結
果キヤンセルされ、低周波分のみが得られる。こ
れは円板６の外周部の凹凸を磁石のＮ極とＳ極と
で位相を反転したことによるものである。

又、同様に演算増幅器３０の逆相入力端子に抵
抗値の等しい抵抗２８，２９を介してホール素子
１の出力端子１Ｂ，２Ａを接続すると、電圧Vn
は、ホール素子１の出力電圧V_1BとV_2Aの加算さ
れた値の平均値となり、第４図ｂのようになる。
従つて、出力端子である次段トランジスタ１６，
１７の共通コレクター電位Vuは、演算増幅器３
０の逆相入力端子抵抗２４を介して帰還されてい
るので、出力電圧Vuは、電圧VmとVnの差電圧
を所定のゲインで増幅した値になり、第４図ｃの
ようになる。そしてこの出力電圧Vuの波形はホ
ール素子１の出力端子１Ａ，１Ｂ間の出力電圧よ
り位相が電気角で30゜進んだ波形が得られ、丁度
ｕ相巻線に誘起される速度起電力と同相になり、
ホール素子１を前記lu線上あるいはlu上より電気
角でＮ×360゜（Ｎは任意の正整数）シフトした位
置に配置したことと等価である。なお、直流電圧
V_OPなる値がオフセツトとして残るが、各相共に
存在するので結果的にはキヤンセルされる。

同様にｖ相駆動回路１０Ｂにはホール素子２，
３の出力端子２Ａ，３Ｂ及び２Ｂ，３Ａが接続さ
れ、出力電圧Vvはｖ相に誘起される速度起電力
と同相になる。ｗ相回路１０Ｃについても同様で
ある。

なお、第３図ｃに示すように、巻線に印加され
た電圧Vuからその巻線に誘起する速度起電力eu
を差引いた値の電圧はまた正弦波となるものであ
るがこの電圧を巻線抵抗で除した値が巻線に流れ
る電流iuである。したがつて、この電流iuもまた
正弦波となる。

モータ出力トルクＴは、それぞれの巻線に鎖交
する磁束密度と、巻線通流電流の積として表現さ
れるので、 Ｔ＝K_TBmIm｛sin²θ＋sin²（θ−２／３π）＋sin²（
θ−４／３π）｝＝３／２K_TBmIm となり、ロータとステータの位置に係わらず一定
となる理想状態に近づく。

第５図にｕ、ｖ、ｗ相の各出力トルクTu、
Tv、TwとそのトータルTtとを示す。このよう
にモータの出力トルクTtはロータの位置θに
かゝわらず一定となる。

第４図ｃ中ｕ相巻線に印加される電圧の始動時
の波形Vusと、定格時の電圧Vuの波形の差はホ
ール素子のゲインの差、つまりホール素子を流れ
る電流値の差による。つまり、起動時にはホール
素子に流れる電流を大きくとつてモータを加速す
ればよく、容易に大きな起動力トルクを得ること
ができる。

次に回転速度信号の検出回路の構成と動作を説
明する。モータが今、所定の速度で回転している
とき、ホール素子１の出力端子間電圧V_1A-1Bは第
７図ａのようになる。同様にしてホール素子２の
出力端子間電圧V_2A-2B、ホール素子３の出力端子
間電圧V_3A-3Bも同図ｂ，ｃのように得られる。第
６図には回転速度検出回路を示すが、フイルタ回
路FAを構成するアンプの逆相、正相入力端子に
は、ホール素子１の出力端子間電圧V_1A-1Bが等価
な抵抗器３２，３３を介して与えられる。同様に
V_2A-2B，V_3A-3B電圧も同じアンプに入力される
と、フイルタFAの入力としては等価的に第７図
ｄの実線の如き波形の信号V_ADが与えられること
になる。同図ａ，ｂ，ｃの３つの波形のうち、破
線で示した低周波成分、つまりロータ磁石５の
Ｎ、Ｓ極性にもとづく成分はほゞキヤンセルされ
て０となるが、円板６の外周の凹凸波形に基く周
波数成分はキヤンセルされずに残る。理想的には
第７図ｄ中の破線で示したような波形が得られる
べきであるが、磁石磁束の極間バラツキ、各ホー
ル素子１〜３の位置の相互の差などにより実線の
如き波形になる。この信号V_ADをフイルタFAに
通して円板６の外周の凹凸による周波数成分のみ
を取り出し、例えばシユミツト回路のような波形
成形回路SAを通すと、その出力V₀は第７図ｅに
示す方形波形となる。この方形波形信号V₀の周
波数はロータの回転数に比例するものであり、ロ
ータの回転数度をこの信号で検出できたことにな
る。

ところで、第６図のフイルタFAは帯域通過フ
イルタであるから特定の周波数成分のみを検出す
る。つまり、モータを所定の一定回転数に保つた
めの制御を行うときには、このような帯域通過フ
イルタで良い、もし広い回転数範囲を検知すると
きはこれをハイパスフイルタにするとか、帯域通
過域を複数持つフイルタに置換することによつて
その目的を達することができる。

このようにしてホール素子の出力信号を、モー
タの駆動のための位置検出および駆動電流波形を
形成するために用いるとともに、速度検出のため
にも用いることができる。

以上のようにこの実施例では８極均等ピツチで
着磁された界磁磁石と磁束変化手段を構成する円
板とを持つロータと、６巻線均等ピツチで配置さ
れた３相電機子巻線間に磁束検出用ホール素子を
置いたのでモータの寸法をホール素子の制約を受
けて大きくすることはない。そして３個のホール
素子の検出信号から各相の電機子巻線に誘起する
速度起電力（もしくは巻線に鎖交する磁束）を検
出し、この検出信号と同相の正弦波電流を電機子
巻線に流すように構成したので原理上トルクリツ
プルのないモータを具体化することができ、検出
信号の０点は精度よく検出されているので、モー
タの力率（効率）の向上が図れる。さらに、３個
のホール素子の検出信号から高精度でロータの回
転速度信号を検出でき、高精度の速度制御を行う
ことができる。

なお、上記実施例ではロータ磁石５を８極と
し、電機子巻線を６個とした例を示したが、ロー
タ磁石５は2N極（Ｎは２以上の整数）、電機子巻
線は3M個（Ｍは１以上の整数）であればよい。

また、上記実施例では３個のホール素子を用い
た例を示したが、120゜の電気角でもつて配設され
ている２個の磁気感応素子の検出信号を加算する
ことで他の１相分の検出信号を得、これら３個の
検出信号のうち２個の組合せから各相の電機子巻
線に鎖交する磁束の検出信号を上記実施例と同様
にして得ることができ、また、これら３個の検出
信号からロータの回転速度信号を上記実施例と同
様にして得ることができる。

以上のように、この発明によれば、界磁磁石と
その界磁磁石の磁束の一部をその極ピツチより短
い極ピツチでもつて磁束量を変化させる磁束変化
手段とを有するロータと、３の整数倍個の巻線か
らなる３相電機子コイルおよびこの３相電機子コ
イルの間に120゜の電気角でもつて配設されてお
り、上記電機子巻線に鎖交する磁束および上記磁
束変化手段によつて形成された磁束の双方を検出
する少なくとも２個の磁気感応素子を有するステ
ータと、上記磁気感応素子の検出信号から３相の
検出信号をとり出す手段と、この３相の検出信号
のうち２相の検出信号の３つの組合せから上記各
相の電機子巻線と鎖交する磁束量に比例した信号
を検出する手段と、この検出信号に基づいて当該
各相の電機子巻線をそれぞれ駆動する手段と、上
記３相の検出信号を加算して上記磁束変化手段に
よつて形成された磁束変化のピツチを検出する回
転速度信号検出手段とを備えたトランジスタモー
タであるから、０点の明確なロータの回転位置信
号および高精度の回転速度信号を検出でき、モー
タの力率（効率）の向上および高精度の速度制御
ができるとともに、小形で高出力、トルク変動の
ないトランジスタモータが得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の２相トランジスタモータの一実
施例を示す構成図、第２図はこの発明の一実施例
のモータの構成を示す図、第３図はこの実施例の
制御回路を示す回路図、第４図および第５図はこ
の制御回路の各部の出力波形図、第６図はこの実
施例の回転速度信号検出回路の回路図、第７図は
その各部の出力波形図である。 １，２，３……ホール素子、４……ステータヨ
ーク、５……界磁磁石、６……外周に凹凸が形成
されている円板（磁束変化手段）、９……信号処
理回路、１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ……ｕ、ｖ、ｗ
相駆動手段。なお、図中、同一符号は同一又は相
当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 2N個（Ｎは２以上の整数）の磁極が回転方
   向に交互に形成されている界磁磁石およびその界
   磁磁束の一部を当該界磁磁石の極ピツチよりも短
   いピツチでもつて磁束量を変化させる磁束変化手
   段を有するロータと、 上記界磁磁石が作る磁束と鎖交する3M個（Ｍ
   は１以上の整数）の３相電機子巻線およびこの３
   相電機子巻線の間に互いに120゜の電気角でもつて
   配設され、上記３相電機子巻線にそれぞれ鎖交す
   る界磁磁束および磁束変化手段によつて形成され
   た磁束変化の双方を検出する少なくとも２個の磁
   気感応素子を有するロータと、 上記磁気感応素子が２個の場合にはその２つの
   検出信号を加算して第３相の出力信号を算出する
   手段と、 上記３相の検出信号を２つづつ組合わせて正相
   と逆相でそれぞれ加算し、上記磁束変化手段によ
   る磁束変化成分を打ち消して各相の電機子巻線と
   鎖交する界磁磁束に比例しかつ同相の電気信号を
   算出する手段と、 上記各相の電気信号を所定のゲインで増幅した
   駆動電圧を自相の電機子巻線にそれぞれ印加する
   駆動手段と、 上記３相の検出信号を全て同相で加算して上記
   界磁束による成分を打ち消して上記磁束変化手段
   による磁束変化成分を算出し、この磁束変化成分
   のピツチを検出して回転速度信号として出力する
   手段とを備えたトランジスタモータ。