KR100559178B1

KR100559178B1 - 동기 모터

Info

Publication number: KR100559178B1
Application number: KR1020017003582A
Authority: KR
Inventors: 후미토 코마츠
Original assignee: 후미토 코마츠
Priority date: 1998-09-25
Filing date: 1999-05-14
Publication date: 2006-03-13
Also published as: KR20010079877A; TWI221057B; EP1130757A1; HK1040576A1; US6424114B1; EP1130757A4; WO2000019593A1

Abstract

본 발명은, 기동 운전으로부터 동기 운전으로의 이행을 확실히 행하며, 신뢰성도 높고, 게다가 소형화를 실현한 동기 모터를 제공하는 것을 목적으로 하며, 상기의 목적을 달성하기 위한 수단으로는,

하우징 본체(1)에 출력축(4)을 중심으로 회전 가능하게 마련된 영구자석 로터(5)와, 영구자석 로터(5)의 회전수 및 자극 위치를 검출하는 광 센서(12)와, 교류전원(15)의 주파수를 검출하는 전원 주파수 검출부(24)와, 스테이터 코어(8)의 주위에 전기자 코일(9)이 감겨진 스테이터(10)와, 교류전원(15)으로부터 공급된 교류전류를 정류 브리지 회로(20)에 의해 정류하고, 영구자석 로터(5)의 회전각도에 따라 제1 내지 제4 트랜지스터(16 내지 19)를 전환하고 전기자 코일(9)에 흐르는 정류전류의 방향을 바꾸어 영구자석 로터(5)를 직류 브러시레스 모터로서 기동 운전하는 기동 운전 회로(14)와, 교류전원(15)과 전기자 코일(9)을 단락하여, 영구자석 로터(5)를 교류 동기 모터로서 동기 운전하는 동기 운전 회로(21)와, 교류전원(15)과 전기자 코일(9) 사이에 마련되어, 기동 운전 회로(14) 또는 동기 운전 회로(21)로 접속을 전환하는 트라이액(triac)(SW1, SW2)과, 기동 운전 회로(14)에 의해 기동 운전하고, 광 센서(12)에 의해 검출된 영구자석 로터(5)의 회전수가 전원 주파수 검출부(24)에 의해 검출되는 전원 주파수에 대하여 동기 회전수 부근에 도달하였을 때, 트라이액(SW1, SW2)을 기동 운전 회로(14)로부터 동기 운전 회로(21)로 전환하여 동기 운전으로 이행하도록 제어하는 마이크로 컴퓨터(22)를 구비하였다

Description

동기 모터{Syncronous motor}

본 발명은 동기 모터에 관한 것이다.

근년, 예를 들면, OA기기에는, 냉각용 DC 또는 AC 팬모터가 장착되어 있다. 특히 높은 회전수를 필요로 하는 기기에는 2극 또는 4극 AC 팬모터가 적절하게 이용된다.

발명자는 이미, 전기자 코일에 접속되는 정류 회로에 다이오드, 브러시, 정류자를 장착하고, 교류전원으로부터 공급된 교류전류를 정류하면서 영구자석 로터를 가압하도록 회전시켜 직류 모터로서 기동 운전하여, 영구자석 로터의 회전을 동기 회전 부근까지 상승시키고, 그 시점에서 정류자를 기계적으로 정류 회로로부터 탈조(step out)되어 교류전원에 의한 동기 운전으로 전환하는 동기 모터를 제안 하였다(일본 특허출원 평7-232268호, 일본 특허출원 평8-106929호 등).

상기 동기 모터는, 2극의 경우, 회전수가 3000rpm(50Hz) 또는 3600rpm(60Hz)의 높은 회전수를 가지며, 소형으로 게다가 효율이 좋고 범용성도 높기 때문에, 예를 들면, AC 팬모터 등에는 적절하게 이용된다.

예를 들면, 아우터 로터식 2극 동기 모터의 구성에 관하여 도 17 및 도 18을 참조하여 설명한다. 우선, 로터측의 구성에 관하여 설명하면, 정류자(101)는 출력 축(102)의 축방향으로 이동 가능하게 마련되어 있으며, 후술하는 바와 같이 기동 운전으로부터 동기 운전으로의 전환을 기계적으로 행한다. 이 출력축(102)에는, 180°씩 2극으로 착자된 링형상의 영구자석 로터(도시생략)가, 정류자(101)와 동축으로 마련되어 있다. 이 영구자석 로터는 전기자 코일(103)에 통전되어 형성되는 자극과의 반발에 의해 기동 회전한다. 또한 정류자(101)의 외주에는 중심각이 180°보다 작은 도전성 활주 링(104)이 마련되어 있다.

상기 정류자(101)는, 영구자석 로터가 기동 운전으로부터 동기 회전수 부근에 도달하면, 도시하지 않은 웨이트의 원심력에 의해 코일 스프링(도시하지 않음)의 가압력에 저항하여 축방향으로 이동한다. 이 결과, 단상 교류전원(105)과 정류 회로(106)와의 접속으로부터 단상 교류전원(105)과 전기자 코일(103)과의 접속으로 전환 스위치(107)를 전환하도록 되어 있다.

다음에 스테이터측의 구성에 관하여 설명하면, 전기자 코일(103)은, A코일 및 B코일을 갖는 2개의 코일 세그먼트로 이루어져 있다. 이 A코일 및 B코일은, 모터의 회전방향에 맞추어 소정의 감는 방향으로 소정의 권수로 도시하지 않은 보빈에 감겨 있다. 급전 브러시(108a, 108b)는, 정류자(101)의 외주에 마련된 도전성 활주 링(104)에 활주 접촉하여 교대로 급전을 행하기 때문에, 180°위상이 다른 위치에 대향 배치되어 있다. 또한, A측 수전 브러시(109a, 109b)는 A코일에 정류전류를 공급하는 것이며, B측 수전 브러시(110a, 110b)는 B코일에 정류전류를 공급하는 것이다. 이 A측 수전 브러시(109a, 109b) 및 B측 수전 브러시(110a, 110b)는, 적어도 한쪽이 도전성 활주 링(104)에 활주 접속하여 교대로 수전이 행하여지기 때문 에, 거의 180° 위상이 다른 위치에 대향 배치되어 있다. A측 수전 브러시(109a, 109b) 및 B측 수전 브러시(110a, 110b)에는 다이오드(111a, 111b) 및 다이오드(112a, 112b)에 의해 단상 교류전원(105)으로부터의 교류전류를 반파 정류하여 A, B코일에 각각 공급한다(도 17 참조).

급전 브러시(108a, 108b), A측 수전 브러시(109a, 109b) 및 B측 수전 브러시(110a, 110b)는, 하우징(113)에 마련된 도전성을 갖는 판 스프링(114a, 114b), 판 스프링(115a, 115b) 및 판 스프링(116a, 116b)에 의해 직경방향 중심으로 가압되어 있으며(도 18 참조), 도전성 활주 링(104)에 활주 접속 가능하게 되어 있다(도 17 참조).

전기자 코일(103)에 접속되는 정류 회로(106)에 단상 교류전원(105)으로부터 공급된 교류전류를 정류하면서 영구자석 로터를 가압하도록 회전시켜 직류 모터로서 기동 운전하고, 당해 영구자석 로터의 회전을 동기 회전 부근까지 상승시킨다. 이 시점에서 정류자(101)를 기계적으로 정류 회로(106)로부터 탈조되어 전환 스위치(107)를 전환하여 단상 교류전원(105)과 전기자 코일(103)을 단락하여 영구자석 로터(103)를 동기 운전으로 이행하도록 되어 있다. 또한, 도 17에 있어서 부호 C₁, C₂, C₃는 서지 전류를 흡수하기 위한 콘덴서이다.

상술한 일본 특허출원 평7-232268호, 일본 특허출원 평8-106929호 등에 개시된 동기 모터는, 직류 모터로 동기 회전수 부근까지 기동 운전하고, 동기 회전수 부근에 도달하면 정류자(101)를 기계적으로 축방향으로 슬라이드시킴으로써 정류 회로(106)와의 접속을 분리하도록 전환 스위치(107)의 전환을 행하게 설계되어 있기 때문에, 모터의 소비전력 효율은 종래의 유도 모터에 비하여 특별히 향상될 수 있는 장점이 있는 반면, 부품 개수가 많고 기구적으로 복잡화하는 데다가, 모터를 소형화하는데 한계가 있었다.

또한, 기동 운전으로부터 1회의 동기 인입 동작으로 동기 운전으로 이행하면 좋지만, 정류자의 슬라이드에 의한 전환이 원활하게 행하여지지 않았거나, 부하에 따라서 탈조(step out)되어 기동 운전으로부터 다시 재상승할 필요가 있고 전환 동작의 확실성에 문제점이 있었다.

또한, 복수의 브러시와 도전성 활주 링과의 접촉분리 동작을 반복하기 때문에, 브러시의 마모나 활주 접속이 불충분하게 되기 쉽고, 50W 이상의 고출력 모터에 있어서는 기동 운전에 있어서 전류방향을 전환하면 스파크가 발생하기 쉽고, 동기 모터의 안전성, 신뢰성에 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은, 상기한 종래 기술의 과제를 해결하고, 시대의 요청에 따라 에너지 절약 타입의 동기 모터를 실현하기 위해, 기동 운전으로부터 동기 운전으로의 이행을 확실히 행하여 신뢰성도 높으며, 거기에다 소형화를 실현한 동기 모터를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 이하에 기술하는 구성을 구비한다.

즉, 제1 구성은, 하우징 내에 출력축을 중심으로 회전 가능하게 마련된 영구자석 로터와, 스테이터 코어의 주위에 전기자 코일이 감겨진 스테이터를 갖는 동기 모터에 있어서, 직렬로 접속된 A코일, B코일을 갖는 2개의 코일 시그멘트로 이루어지는 전자기 코일과, 영구 자석 로터의 회전수 및 자극 위치를 검출하는 제 1검출수단과, 교류 전원의 주파수를 검출하는 제 2 검출수단과, 스테이터의 주위에 전기자 코일이 감겨진 스테이터와, 교류전원으로부터 공급되는 교류전류를 정류 브리지 회로에 의해 정류하고, 스위칭 수단에 의해 영구자석 로터의 회전각도에 따라서 정류전류의 진행을 바꾸어 전기자 코일 중 A코일로 흐름으로써 영구자석 로터를 직류 브러시레스 모터로서 기동 운전하는 기동 운전 회로와, 교류전원과 A코일과 B코일이 직렬로 접속되며, 영구자석 로터를 교류 동기 모터로서 동기 운전하는 동기 운전 회로와, 교류전원과 전기자 코일과의 사이에 마련되어, 동기 운전 회로를 단속하는 전환 스위치와, 기동 운전 회로에서 전환 스위치를 오프로 하여 동기 운전회로를 차단함과 함께, 스위칭 수단을 제어하고, 정류 브리지회로를 통해 A코일로 흐르는 정류 전류중에서, 전파정류를 걸쳐 반전된 교류전원의 마이너스측의 입력을 제어하여 해당 마이너스측의 통전범위를 플러스측에 대하여 좁도록 기동 운전하고, 제1 검출수단에 의해 검출된 영구자석 로터의 회전수가 제2 검출수단에 의해 검출되는 전원 주파수에 대하여 동기 회전수 부근에 도달했을 때, 스위칭 수단을 오프로 하며, 전환 스위치를 온함으로써 A코일을 사용하는 기동 운전 회로로부터 A코일 및 B코일을 사용하는 동기 운전회로로 전환하여 동기 운전으로 이행시키는 제어수단을 구비한 것을 특징으로 한다.
또한, 제어수단은, 기동 운전에 있어서, 스위칭 수단을 시분할 제어하여 A코일로 흐르는 정류전류 중에서 전파정류를 걸쳐 반전된 교류전원의 마이너스측의 통전 범위를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 전기자 코일로의 통전방향을 규정하기 위한 슬릿이 둘레 방향으로 형성된 센서판과, 당해 슬릿을 검출 가능한 광 센서를 갖는 제3 검출수단을 구비하고, 제어수단은 기동 운전에 있어서 스위칭 수단을 제어하며, 광 센서의 출력신호에 의해 전기자 코일 중에서 A코일로의 통전방향을 전환 제어하는 것을 특징으로 한다.

삭제

또한, 제3 검출수단은, A코일로 흐르는 정류전류 중에서 전파 정류를 걸쳐 반전된 교류전원의 마이너스측으로의 통전범위를 좁게 하도록 규정하는 슬릿이 둘레 방향으로 형성된 센서판과, 해당 슬릿을 검출가능한 광 센서를 구비하고 있으며, 제어수단은, 기동 운전에 있어서 스위칭 수단을 제어하며, 광 센서의 출력신호에 의해 소정 회전각도 범위 만큼 전파정류를 걸쳐 반전된 교류 전원의 마이너스측으로 통전되지 않도록 하는 것을 것을 특징으로 한다.

또한, 제1 검출수단은, 주연부에 슬릿 및 차광부가 영구자석 로터의 자극사이를 홀수 분할되어 상호 형성된 센서판과, 슬릿 및 차광부를 검출 가능한 광 센서를 구비하고 있으며, 제어수단은 스위칭 수단을 제어하며, 기동 운전시, 광 센서의 출력신호에 의해 영구자석 로터의 정지극을 검출하여 해당 영구자석 로터가 항상 순방향으로 회전하도록 A코일로 통전하며, 영구자석 로터의 회전각도 및 자극위치를 검출하면서 해당 A코일로의 통전 방향을 전환함과 함께,
소정 회전각도 범위만큼 전파정류를 걸쳐 반전된 교류전원의 마이너스측으로 통전되지 않도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 제어수단은, 동기 모터가 탈조된 경우에, 동기 운전으로부터 일단 기동 운전으로 이행한 후, 재차 동기 운전으로 이행하도록 운전 전환 스위치를 반복하여 제어하는 것을 특징으로 한다.

삭제

또한, 전기자 코일은 A코일 및 B코일로 분할되어 직렬로 감겨져 있고, 기동 운전 회로는 A코일만을 이용하여 직류 브러시레스 모터로서 기동 운전하고, 동기 운전 회로는 A코일 및 B코일을 이용하여 교류 동기 모터로서 동기 운전하는 것을 특징으로 한다.

또한, 스테이터 코어는, 주 코어에 영구자석 로터의 회전방향과 역방향으로 연장하는 보조 코어가 마련되어 있으며, 주 코어의 투자율은 보조 코어보다 커지도록 설계되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 스테이터는, 스테이터 코어에 장착되어, 영구자석 로터의 회전 중심과 직교하는 방향으로 연장되는 권심(卷芯) 및 당해 권심의 양단에 플랜지를 갖는 보빈에, A코일 및 B코일이 연속하여 감겨 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 제2 구성은, 하우징 내에 출력축을 중심으로 회전 가능하게 마련된 영구자석 로터와, 영구자석 로터의 회전수 및 자극 위치를 검출하는 제1 검출수단과, 교류전원의 주파수를 검출하는 제2 검출수단과, 스테이터 코어의 주위에 A코일 및 B코일이 중간탭을 통해 직렬로 감겨진 전기자 코일을 갖는 스테이터와, 교류전원과 상기 전기자 코일의 중간 탭이 접속되어 해당 교류 전원에 대하여 A코일 및 B코일이 병렬로 접속되어 A코일에 정류전류를 흘리기 위해 스위칭 제어가능한 제 1, 제 2트랜지스터가 각각 병렬로 조합되어 접속되며, B코일에 정류 전류를 흘리기 위해 제 3, 제 4다이오드와 해당 정류전류의 진행을 서로 전환하여 흘리기 위한 스위칭 제어 가능한 제 3, 제 4 트랜지스터가 병렬로 조합되어 접속되어 있고, 교류 전원의 교류전류를 제 1 내지 제 4 다이오드에 의해 정류하며, 정류 전류를 영구자석 로터의 회전각도에 따라서, A코일 또는 B코일로 교대로 흐르도록 제 1 내지 제 4트랜지스터를 스위칭 제어하여 영구자석 로터를 직류 브러시레스 모터로서 기동 운전하는 기동 운전 회로와, 교류전원과 B코일이 접속되어 해당 교류 전원에 대하여 A코일 및 B코일이 직렬로 접속되며, 영구자석 로터를 교류 동기 모터로서 동기 운전하는 동기 운전회로와 교류 전원과 중간 타입이 접속된 기동 운전회로와, 교류 전원과 B코일에 흐르는 정류 전류의 전류방향을 서로 전환하며, 또한, 영구자석 로터가 1회전 하는 사이에 전기자 코일로의 통전 각도범위를 A코일로의 통전각도 범위 쪽이 B코일로의 통전각도보다 크게되도록 기동 운전회로의 제 3, 제 4 트랜지스터를 온/오프 하여 정류 전류가 A코일로 수렴되도록 기동운전하며, 제 1 검출수단에 의해 검출된 영구자석 로터의 회전수가 제 2검출수단에 의해 검출되는 전원 주파수에 대하여 동기 회전수 부근에 도달한 때, B코일로 접속하는 제 3, 제 4 트랜지스터를 모두 오프하여 A코일로 접속하는 제 1, 제 2트랜지스터를 모두 온 하여 전환 스위치를 중간 탭으로부터 B코일로 접속을 전환하여 동기 운전으로 이행하도록 제어하는 제어수단을 구비한 것을 특징으로 한다.

또한, 기동 운전회로에 있어서, 제 3, 제 4 다이오드와 제 3, 제 4트랜지스터가 각각 병렬로 조합되어 B코일에 접속된 플러스측 및 마이너스측 중에서 1조를 생략하여 A코일이 B코일보다 정류 전류가 많게 흐르도록 기동운전 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 기동 운전 회로의 B코일에 접속하는 스위칭 수단을 생략하고, 기동 운전에 있어서 A코일이 B코일보다 정류전류가 많이 흐르게 설계되어 있는 것을 특징으로 한다.

삭제

또한, 제1 검출수단은, A코일 및 B코일에 통전하는 전류방향 및 통전하는 범위를 각각 규정하는 슬릿이 형성된 영구자석 로터의 회전수 및 자극 위치를 검출하는 광 센서를 구비하고 있으며, 해당 광 센서의 출력신호에 근거하여 제어수단은 기동 운전에 있어서 기동 운전회로의 제 1 내지 제 4 트랜지스터를 스위칭 제어하여 A코일이 B코일보다 정류전류가 많이 흐르도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 제어수단은, 동기 모터가 탈조된 경우에, 동기 운전으로부터 일단 기동 운전으로 이행한 후, 다시 동기 운전으로 이행하도록 상기 운전 전환 스위치를 반복하여 제어하는 것을 특징으로 한다.

삭제

또한, 스테이터는, 스테이터 코어에 장착되고, 영구자석 로터의 회전 중심과 직교하는 방향으로 연장되는 권심 및 당해 권심의 양단에 플랜지를 갖는 보빈에, A코일 및 B코일이 연속하여 감겨 있는 것을 특징으로 한다.

삭제

상기 제1 구성에 의하면, 제어수단은, 기동 운전회로에 있어서 스위칭 수단을 제어하며, 정류 브리지 회로를 통해 전기자 코일의 A코일로 흐르는 정류전류 중에서, 전파 정류를 걸쳐 반전된 교류전원의 마이너스측의 입력을 제어하여 해당 마이너스측의 통전 범위를 플러스측에 대하여 좁게 기동운전 하며, 제1 검출수단에 의해 검출된 영구자석 로터의 회전수가 제2 검출수단에 의해 검출되는 전원 주파수에 대하여 동기 회전수 부근에 도달했을 때, 스위칭 수단을 오프하며, 전환 스위치를 온 함으로써 A코일을 사용하는 기동 운전회로로부터 A코일 및 B코일을 사용하는 동기 운전회로로 전환하여 동기 운전으로 이행시키도록 제어하기 때문에 기동 운전회로의 쇼트를 방지하며, 따라서, 기동 운전으로부터 동기 운전으로의 이행이 확실하고도 원활하게 행하여진다.

상기 제2 구성에 의하면, 제어수단은, 기동 운전 회로에 있어서, 전기자 코일에 흐르는 정류 전류의 전류 방향을 서로 전환하며, 또한 영구 자석 로터가 1회전하는 동안의 전기자 코일로의 통전각도 범위를 A코일의 통전각도 범위의 쪽이 B코일로의 통전각도 범위보다 크게 되도록 기동 운전회로의 제 3, 제 4 트랜지스터를 온/오프하여 정류 전류가 A코일로 수렴되도록 기동운전하며, 제 1검출수단에 의해 검출된 영구자석 로터의 회전수가 제 2검출수단에 의해 검출되는 전원 주파수에 대하여 동기 회전수 부근에 도달한때, B코일에 접속하는 제 3, 제 4 트랜지스터를 모두 오프로하여 A코일에 접속하는 제 1, 제 2 트랜지스터를 모두 온으로 하며, 전환 스위치를 중간 탭으로부터 B코일로 접속을 전환하여 동기 운전회로에 의한 동기 운전으로 이행하도록 제어하기 때문에 기동 운전회로의 쇼트를 방지하여 기동 운전으로부터 동기 운전으로의 이행이 확실하고도 원활하게 행하여진다.

특히, 상기 제1, 제2 구성에 의하면, 기동 운전 회로에 브러시나 정류자가 불필요하기 때문에, 기동 운전에 있어서 전류방향을 전환할 때 스파크의 발생을 방지하고 신뢰성, 안정성이 높은 동기 모터를 제공할 수 있다. 또한, 종래와 같이 정류자이나 브러시, 스위치 등의 기계부품을 생략할 수 있기 때문에, 모터의 소형화도 촉진시킬 수 있으며, 제조 비용도 저감시킬 수 있다.

또한, 제1, 제2 구성에 의하면, 제어수단은 동기 모터가 탈조된 경우에, 동기 운전으로부터 일단 기동 운전으로 이행한 후, 다시 동기 운전으로 이행하도록 운전 전환 스위치의 반복 제어를 행함으로써 동작의 신뢰성, 안정성이 높은 동기 모터를 제공할 수 있다.

삭제

또한, 상기 제1, 제2 구성에 의하면, 스테이터 코어는 주 코어에 영구자석 로터의 회전방향과 역방향으로 연장하는 보조 코어가 마련되어 있으며, 주 코어의 투자율은 보조 코어보다 커지도록 설계된 경우에는, 기동시에 있어서의 영구자석 로터의 회전 사점을 해소하고 회전방향성을 안정화하는 것이 가능하다. 또한, 2극 3슬롯형의 모터에 있어서, 스테이터 코어에 전기자 코일을 수납하는 경우에 비해 권심 면적을 넓게 확보하여 점유 면적율을 높였기 때문에, 전기자 코일의 권수를 증가시키고, 모터의 출력 효율을 높일 수 있다.

또한, 상기 제 1, 제 2의 구성에 의하면, 스테이터는, 스테이터 코어에 장착되어, 영구자석 로터의 회전 중심과 직교하는 방향으로 연장되는 권심 및 당해 권심의 양단에 플랜지를 갖는 보빈에, A코일 및 B코일이 연속해서 감겨 있는 경우에는, 스테이터 코어를 삽입 관통하는 출력축에 의한 쓸데 없는 공간이 생기지 않기 때문에, 권심 면적을 확대하여 점유 면적율을 높이고, 모터의 출력 효율을 높일 수 있다.

또한, 상기 제 1, 제 2의 구성에 의하면, 동기 모터는, 전원 주파수가 50Hz, 60Hz, 100Hz 등으로 변화되어도 미세한 기계 설계를 변경하지 않고 동일한 동기 모터를 이용할 수 있기 때문에, 매우 범용성이 높은 동기 모터를 제공할 수 있다.

도 1은 제1 실시예에 관한 2극 동기 모터의 기동 운전 회로 및 동기 운전 회로의 설명도이다.

도 2a, 도 2b는 2극 동기 모터의 하우징 내에 장착된 영구석 로터의 외관도 및 2극 동기 모터의 위에서부터 본 도면이다.

도 3a 내지 도 3d는 2극 동기 모터의 정단면 설명도, 상부 하우징의 내시도, 저면도 및 스테이터 코일의 위에서 본 도면이다.

도 4의 A는 전원교류 파형, 도 4의 B는 정류 파형, 도 4의 C는 시분할 제어에 의한 전기자 코일에 인가되는 전압파형과 영구자석 로터의 회전각도와의 관계를 도시한 그래프도, 도 4의 D는 회전각도 제어에 의한 전기자 코일에 인가되는 전압파형과 영구자석 로터의 회전각도와의 관계를 도시한 그래프도이다.

도 5는 회전각도 제어에 있어서의 광 센서와 센서판의 구성을 도시한 설명도이다.

도 6은 다른 예에 관한 2극 동기 모터의 정단면 설명도 및 스테이터 코일의 위에서 본 도면이다.

도 7은 다른 예에 관한 2극 동기 모터용의 광 센서와 센서판의 구성을 도시한 설명도이다.

도 8은 다른 예에 관한 4극 동기 모터용의 광 센서와 센서판의 구성을 도시한 설명도이다.

도 9는 제2 실시예에 관한 2극 동기 모터의 기동 운전시의 회로 구성도이다.

도 10은 2극 동기 모터의 동기 운전시의 회로 구성도이다.

도 11은 기동 운전 회로의 전기자 코일에 인가되는 전압파형과 영구자석 로터의 회전각도와의 관계를 도시한 그래프도이다.

도 12는 광 센서에 구비된 센서판의 설명도이다.

도 13은 제3 실시예에 관한 4극 동기 모터의 일부 파단 설명도이다.

도 14는 4극 동기 모터의 축 단면 설명도이다.

도 15는 4극 동기 모터의 광 센서에 장착되는 회전 원판의 설명도이다.

도 16a, 도 16b는 제4 실시예에 관한 8극 동기 모터의 영구자석 로터의 축 단면 설명도 및 영구자석 로터를 분리한 스테이터의 일부 단면 설명도이다.

이하, 본 발명의 적합한 실시 형태를 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

[제1 실시예]

우선, 도 2 및 도 3을 참조하여 2극 동기 모터의 전체 구성에 관하여 설명한다.

도 2a에 있어서, 1은 회전자 및 고정자를 수용하는 하우징 본체이며, 그 상하는 상부 하우징(2) 및 하부 하우징(3)에 의해 덮혀 있다. 하우징(1) 내에는 출력축(4)을 중심으로 영구자석 로터(5)가 회전 가능하게 내장되어 있다. 출력축(4)은 상부 하우징(2) 및 하부 하우징(3)에 있어서, 베어링(6, 7)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다. 이 베어링(6, 7)로서는, 전기자 코일에 형성되는 자계의 혼잡을 고려하여, 비자성 재료, 예를 들면, 스테인레스가 적합하게 이용된다. 또한, 도 3c에 도시한 바와 같이, 하부 하우징(3)에는, 후술하는 전기자 코일(9)에 배선하기 위한 배선용 구멍(3a)이 형성되어 있다.

또한, 영구자석 로터(5)는, 통형상의 로터 요크(5a)의 내벽에 N극 및 S극으 로 거의 180°씩 착자된 링형상의 마그넷(5b)이 유지되어 있다. 이 영구자석 로터(5)는 전기자 코일에 통전하여 형성되는 자극과의 반발에 의해 출력축(4)을 중심으로 기동 회전하도록 되어 있다. 이 마그넷(5b)으로서는, 예를 들면 페라이트, 고무 마그넷, 플라스틱 마그넷, 사마륨 코발트, 희토류의 마그넷, 네오디늄철 보론 등을 원재료로서 저렴하게 제조할 수 있다.

도 3a에 있어서, 영구자석 로터(5)에 둘러싸인 공간부에는, 스테이터 코어(8)의 주위에 A코일 및 B코일이 직렬로 감겨진 전기자 코일(9)을 갖는 스테이터(10)가 내장되어 있다. 이 스테이터 코어(8)는, 도 3d에 도시한 바와 같이, 주 코어(8a)와 당해 주 코어(8a)의 주위에는 영구자석 로터(5)의 회전방향과 역방향으로 연장되는 보조 코어(8b)가 마련되어 있다. 또한, 주 코어(8a)의 투자율은 보조 코어(8b)보다 커지게 설계되어 있으며, 주 코어(8a)는 규소강판으로 이루어지는 적층 코어가 적합하게 이용되며, 보조 코어(8b)로서는 SPC재(냉간압연강판)가 적합하게 이용된다. 영구자석 로터(5)는 각 자극이 주 코어(8a)와 보조 코어(8b)의 자기(磁氣) 저항이 최소가 되는 위치(즉, 주 코어(8a)와 대향하는 위치로부터 보조 코어(8b)측으로 어긋난 위치)에서 정지하게 된다. 따라서, 기동시에 있어서의 토크의 사점을 해소할 수 있으며, 영구자석 로터(5)의 기동시의 회전방향성을 안정화할 수 있다.

또한, 스테이터 코어(8)는 보빈(11)과 일체로 끼워지고, 당해 보빈(11)의 주위에는 전기자 코일(9)이 A코일 및 B코일마다 각각 분리되지 않고 연속하여 감겨 있다. 이와 같이, 보빈(11)에 대하여 권심 면적을 넓게 확보하여 점유 면적율을 높 여 감겨져 있기 때문에, 2극 3슬롯형의 모터에 비해 전기자 코일(9)의 권수를 증가시키고, 모터의 출력 효율의 향상에 기여할 수 있다.

도 2a 및 도 3a에 있어서, 상부 하우징(2) 내에는, 영구자석 로터(5)의 회전수 및 자극 위치를 검출하는 제1 검출수단으로서 광 센서(12)가 장착되어 있다. 이 광 센서(12)는, 예를 들면 투광용 광원과 수광 소자를 구비한 광 검출소자(12a)와, 마그넷(5b)의 자극 위치에 따라 차광부(13a)와 투광부(13b)가 180°씩 형성된 회전 원판(13)을 장착하고 있다. 회전 원판(13)은, 영구자석 로터(5)와 일체로 부착되어 있으며, 이들은 출력축(4)을 중심으로 일체로 되어 회전한다(도 3b 참조). 광 센서(12)는 회전 원판(13)에 의해 영구자석 로터(5)의 회전수 및 자극 위치를 검출하는 것으로, 광 검출소자(12a)는 회전수에 따른 펄스를 발생시키고, 자극 위치에 따라 후술하는 제어수단에 의해 소정의 타이밍으로 기동 운전 회로(14)를 스위칭 제어하기도 한다. 광 검출소자(12a)는, 도 2a, 도 2b에 도시한 바와 같이, 상부 하우징(2)의 내벽에 나사조임에 의해 고정되어 있다.

또한, 광 센서(12)는, 광 투과형에 한하지 않고, 반사형의 센서를 이용하여도 된다. 또한, 광 센서(12)의 다른 회전수 검출수단으로서, 홀 소자, 자기저항 소자, 코일 등을 사용한 자기센서, 고주파 유도에 의한 방법, 커패시턴스 변화에 의한 방법 등 다양한 것이 적용 가능하다.

다음에, 2극 동기 모터를 기동 운전하는 기동 운전 회로, 동기 운전 회로 및 이들의 회로를 스위칭 제어하는 제어수단의 구성에 관하여 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1에 있어서, 기동 운전 회로(14)는, 단상 교류전원(15)의 교류전류를 정류 브리지 회로(20)에 의해 정류하고, 영구자석 로터(5)의 회전각도에 따라 스위칭 수단을 전환하고 정류전류의 방향을 바꾸도록 전기자 코일(9)중 A코일에만 통전하여 영구자석 로터(5)를 직류 브러시레스 모터로서 기동 운전한다. 동기 운전 회로(21)는, 교류전원(15)과 전기자 코일(9)을 단락하여, 영구자석 로터(5)를 교류 동기 모터로서 동기 운전한다. 교류전원(15)과 A코일, B코일 사이에는 운전 전환 스위치로서 트라이액(SW1, SW2)이 각각 마련되어 있다. 이 트라이액(SW1, SW2)은, 교류전류의 극성에 관계없이 게이트 펄스를 인가함으로써 온/오프하고, 기동 운전 회로(14) 또는 동기 운전 회로(21)로 접속이 전환된다.

도 1에 있어서, A코일과 정류 브리지 회로(20)와의 사이에는 스위칭 수단으로서 제1, 제2 트랜지스터(16, 17)가 각각 직렬로 접속되어 있다. 또한 A코일과 정류 브리지 회로(20)와의 사이에는 스위칭 수단으로서 제3, 제4 트랜지스터(18, 19)가 각각 직렬로 접속되어 있다.

부호 22는 제어수단으로서의 마이크로 컴퓨터이며, 기동 운전에 있어서 스위칭 제어에 의해 기동 운전 회로(14)에 흐르는 전류량이나 전류방향을 제어하거나, 기동 운전으로부터 동기 운전으로 이행할 때 운전 전환 스위치의 전환 제어 등을 행한다. 부호 23은 마이크로 컴퓨터 구동용의 저전압 전원이다. 즉, 기동 운전 회로(14)의 A코일에 흐르는 정류 전류 중 전파 정류를 걸쳐 반전된 교류 전원(15)의 마이너스측의 입력을 제어하여 해당 마이너스측의 통전 범위를 플러스측에 대하여 좁게하도록 제 1 내지 제 4 트랜지스터(16 내지 19)를 스위칭 제어하여 기동 운전하여 광 센서(12)에 의해 검출된 영구자석 로터(5)의 회전수가 동기 회전수 부근에 도달했을 때, 제1 내지 제4 트랜지스터(16 내지 19)를 오프로 하고, 트라이액(SW1, SW2)을 온시켜 동기 운전 회로(21)로 전환하여 동기 운전으로 이행하도록 제어한다.

구체적으로는, 마이크로 컴퓨터(22)에는, 제2 검출수단으로서의 전원 주파수 검출부(24)에 의해 교류전원(15)의 주파수가 검출되어 입력단자(IN1)에 입력된다. 또한, 광 센서(12)에 의해, 영구자석 로터(5)의 회전수 및 자극 위치가 검출되어 입력단자(IN2)에 입력된다.

또한, 출력단자(OUT1)로부터 트라이액(SW1, SW2)으로의 전환 신호가 출력되고, 출력단자(OUT2) 및 출력단자(OUT3)로부터 제1, 제2 트랜지스터(16, 17) 및 제3, 제4 트랜지스터(18, 19)를 각각 온/오프시키기 위한 출력신호가 출력된다. 마이크로 컴퓨터(22)는, 광 센서(12)에 의해 검출된 영구자석 로터(5)의 자극 위치에 타이밍을 맞추고, 0° 내지 180°의 회전각도 범위에서는, 출력단자(OUT2)로부터 베이스 전류를 출력하여 제1, 제2 트랜지스터(16, 17)만 온시키고(이 때 기동 운전 회로(14)에는 실선화살표①로 도시한 정류전류가 흐른다), 180° 내지 360°의 회전각도 범위에서는 출력단자(OUT3)로부터 베이스 전류를 출력하여 제3, 제4 트랜지스터(18, 19)만 온시키고(이때 기동 운전 회로(14)에는 파선화살표②로 도시한 정류전류가 흐르다), A코일에 흐르는 정류전류의 방향을 180°씩 전환한다.

또한, 광 센서(12)에 의해 검출되는 영구자석 로터(5)의 회전수가 전원 주파수 검출부(24)에 의해 검출되는 교류전원(15)의 주파수에 가까와지면, 제1 내지 제4 트랜지스터(16 내지 19)를 모두 오프시키고, 트라이액(SW1, SW2)을 온으로 하는 전환 신호가 출력되어, 동기 운전 회로(21)에 2점쇄선 화살표③로 도시한 교류전류가 흐른다.

여기서, 기동 운전 회로(14)에 정류전류①, ②가 흐르는 경우에 대하여 도 1을 참조하여 구체적으로 설명한다. 영구자석 로터(5)의 회전각도가 0° 내지 180°인 범위에서는, 출력단자(OUT2)로부터 베이스 전류를 출력하고, 제1, 제2 트랜지스터(16, 17)가 동시에 온상태로 된다. 이때, A코일에는 정류 브리지 회로(20)를 경유하여 정류전류①가 흐른다. 또한, 영구자석 로터(5)의 회전각도가 180° 내지 360°인 범위에서는, 출력단자(OUT3)에서 베이스 전류를 출력하고, 제3, 제4 트랜지스터(18, 19)가 동시에 온상태로 된다. 이 때, A코일에는 정류 브리지 회로(20)를 경유하여 정류전류②가 흐른다.

또한, 마이크로 컴퓨터(22)는, A코일에 흐르는 정류전류 중, 전파정류를 걸쳐 반전된 교류전원(15)의 마이너스측의 입력(도 4의 B 및 도 4의 C의 정현파형중 파선부)에 있어서 통전각도 범위를 시분할에 의해 스위칭 제어한다. 도 1에 도시한 기동 운전 회로(14)에 있어서 A코일에 흐르는 정류전류가 ①로 흘러 나가는 방향을 플러스측으로 하고, ②로 흘러 나가는 방향을 마이너스측으로 하여 A코일에 인가되는 전압파형을 도 4의 C에 도시한다. 또한, 도 4에 있어서 사선부는 통전각도 범위를 도시한 것으로 한다.

마이크로 컴퓨터(22)는, 기동 운전에 있어서 정류 브리지 회로(20)를 통해 A코일에 흐르는 정류 전류 중, 전파 정류를 걸쳐 반전된 교류전원(15)이 마이너스측의 입력범위에서 미리 설정된 시간분할에 따라서 기동 운전회로(14)의 제 1 내지 제 4 트랜지스터(16 내지 19)를 스위칭 제어한다.
이와같이 A코일에 흐르는 정류 전류 중, 전파정류를 걸쳐 반전된 교류전원(15)의 마이너스측의 입력을 억제하여 해당 마이너스측의 통전 범위를 플러스측에 대하여 좁게 되도록 제 1 내지 제 4 트랜지스터(16 내지 19)를 스위칭 제어하여 영구자석 로터(5)를 기동운전한다. 이것에 의해, 기동운전으로부터 동기 운전으로 전환되는 경우, A코일에 흐르는 정류전류가 교류 전원(15)의 플러스측에서 동기 인입이 행하여진다.

그리고, 영구자석 로터(5)가 동기 회전수 부근에 도달한 것을 광 센서(12)에 의해 검출하면, 도 1에 있어서 마이크로 컴퓨터(22)는 제1 내지 제4 트랜지스터(16 내지 19)를 모두 오프하고 나서, 트라이액(SW1, SW2)을 온하여 기동 운전 회로(14)로부터 동기 운전 회로(21)로 전환한다. 이 때, 전기자 코일(9)에는, A코일 및 B코일이 직렬로 도 1의 2점 화살표③로 도시한 교류전류가 흐르고, 당해 전기자 코일(9)의 자극의 변화에 동기하여 영구자석 로터(5)는 회전하며, 교류 동기 모터로서 회전 구동된다. 전기자 코일(9)에는, A코일 및 B코일이 직렬로 연결되어 있기 때문에, 동기 운전에 필요한 토크를 발생시킬 만큼의 부하에 적당한 교류전류가 흐른다. 즉, 기동 운전에 있어서 모터 코일의 일부인 A코일만에 정류 전류를 흘려서 동기 회전수 부근까지 상승시키고 나서, 동기 인입이 행하여진다. 이것은, 실제로 A코일과 B코일을 이용하여 기동 운전하면, 토오크 커브가 회전수의 증가와 함께 일단 감소하기 때문에, 동기 회전수에 달하기 직전에서 동기 회전에 필요한 토오크를 얻을 수 없기 때문이다. 따라서, A코일만을 이용하여 동기 회전수 부근까지 동기 운전에 필요한 토오크를 충족시킨 상태로 기동 운전을 행하고, 동기 운전으로 전환할 때에는, 모터 코일의 전부인 A코일 및 B코일에 교류 전류를 흘려서 동기 운전을 행하기 때문에, 모터 부하에 걸맞은 토오크를 발생시킬 수 있다.
또한, 제1 내지 제4 트런지스터(16 내지 19)의 회로적인 쇼트를 방지하기 위해, 제1 내지 제4 트랜지스터(16 내지 19)를 오프로 하고 나서 트라이액(SW1, SW2)을 온되도록 이루어져 있다.
또한, 기동 운전에 있어서, A코일에 흐르는 정류 전류 중, 전파 정류를 걸어서 반전된 교류 전원(15)의 마이너스측의 입력을 억제하지 않으면, 마이너스측의 입력과 플러스측의 입력에서 각각 50%의 확률로 동기 운전으로 이행하는 동작을 한다. 이 때문에, 마이너스측의 입력에서 동기 운전으로 이행된 경우에는 탈조되는 문제가 발생한다. 이와같은, 문제를 방지하기 위해 교류전원(15)의 마이너스측 입력을 억제하고 있다. 보다 구체적으로 살펴보면, 기동 운전 회로는, 미리 정류 전류의 마이너스측의 입력을 억제하여 기동 운전하도록 설계된다. 따라서, 플러스측의 입력에서 동기 인입이 행해지도록 설계되어 있기 때문에, 마이너스측의 입력에서 동기 인입이 행하여질 가능성은 없게 된다. 플러스측의 입력에서는 동기 인입을 실행하려는 의도이지만, 마이너스측의 입력에서 동기 인입이 행해지는 것은, 마이너스측의 입력을 억제하지 않고 기동 운전하는 경우에 한하여 일어나는 것이다.
또한, 동기 모터가 부하의 변동 등에 의해 탈조된 경우에는, 마이크로 컴퓨터(22)는 일단 영구자석 로터(5)의 회전수가 동기 회전 이행시보다 소정치까지 떨어진 후에 기동 운전으로 이행하고, 다시 동기 운전으로 이행하도록 반복하여 제어를 행하도록 되어 있다. 예를 들면, 전원 주파수가 60Hz에서 구동하는 2극 동기 모터인 경우, 기동 운전으로부터 동기 운전으로 이행할 때 영구자석 로터(5)의 회전수의 임계치를 3550rpm으로 설정하고, 동기 운전에 들어가지 않고 탈조했을 때 기동 운전으로 이행할 때의 영구자석 로터(5)의 회전수의 임계치를 3200rpm으로 설정하여 반복 제어함으로써, 안정된 모터의 구동동작이 실현된다. 기동 운전으로부터 동기 운전으로, 동기 운전으로부터 기동 운전으로 이행할 때의 임계치는 각 모터의 출력 특성, 용도, 사이즈 등에 의해 적합한 값을 설정하면 좋다.

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또한, 본 실시예에 도시한 2극 동기 모터는, 기동 운전으로부터 동기 운전으로의 이행 동작을 마이크로 컴퓨터(22)에 제어되어 행하여지기 때문에, 전원 주파수가 50Hz, 60Hz, 100Hz 등으로 변화되어도 미세한 기계 설계를 변경하지 않고 동일한 2극 동기 모터를 이용할 수 있기 때문에, 아주 범용성이 높은 동기 모터를 제공할 수 있다.

또한, 기동 운전에 있어서 A코일에 흐르는 정류전류 중, 전파 정류를 걸쳐 반전된 교류 전원(15)의 마이너스측의 입력범위 내에서, 스위칭 제어하는 다른 구성에 대하여 설명한다. 영구자석 로터(5)의 회전수 및 자극 위치를 검출하는 광 센서(12) 및 회전 원판(13)(제1 검출수단) 이외에, 도 5에 도시한 바와 같이, A코일에 통전하는 통전방향 및 통전 범위를 각각 규정하는 슬릿(25a, 25b)이 형성된 센서판(25) 및 광 센서(26a, 26b)(제3 검출수단)를 구비하고 있어도 좋다. 슬릿(25a)은 A코일의 통전방향을 결정하는 것으로 하고, 광 센서(26a)에 의해 검출결과에 따른 출력신호를 출력한다. 슬릿(25b)은 A코일에 흐르는 정류 전류 중, 전파 정류를 걸쳐 반전된 교류전원(15)의 마이너스측의 통전 범위를 좁히도록 규정하는 것으로 하고, 광 센서(26b)에 의한 검출결과에 따라서 출력신호를 출력한다.

즉, 광 센서(26a, 26b)의 검출신호에 의거하여, 마이크로 컴퓨터(22)는, 기동 운전에 있어서 제 1 내지 제 4 트랜지스터(16 내지 19)를 온/오프하고, 이 때 A코일에는, 예를 들면 도 4의 D에 도시한 정류전류가 흐른다. 도 4의 D에 도시한 바와 같이, 영구자석 로터(5)의 회전방향에 대하여 180°중 전후 30°만 A코일에 마이너스측의 정류 전류가 흐르지 않도록 규제된다. 이 경우, A코일에 대한 통전방향 및 통전 범위를 센서판(25)에 의해 규정되고 있기 때문에, 마이크로 컴퓨터(22)에 의해 교류전원(15)의 마이너스측의 입력에 맞추어서 번잡한 스위칭 동작을 할 필요가 없어지므로, 제어동작을 간략화 할 수 있다.

상기 2극 동기 모터를 이용하면, 마이크로 컴퓨터(22)는 기동 운전회로(14)에 있어서 제 1 내지 제 4 트랜지스터(16 내지 19)를 제어하며, 정류 브리지회로(20)를 경유하여 전기자 코일(9)의 A코일에 흐르는 정류전류 중, 전파 정류를 걸쳐 반전된 교류 전원(15)의 마이너스측의 입력을 억제하여 해당 마이너스측의 통전 범위를 플러스측에 대하여 좁히도록 기동운전하고, 광 센서(12)에 의해 검출된 영구자석 로터(5)의 회전수가 전원 주파수 검출부(25)에 의해 검출되는 전원 주파수에 대하여 동기 회전수 부근에 도달했을 때, 트라이액(SW1, SW2)을 온하여 동기 운전 회로(21)로 전환하여 동기 운전으로 이행하도록 제어하기 때문에, 기동 운전으로부터 동기 운전으로의 이행이 확실하고도 원활하게 행하여진다.

또한, 기동 운전 회로(14)에 브러시나 정류자가 불필요하기 때문에, 기동 운전에 있어서 전류방향을 전환할 때 스파크의 발생을 방지하고 신뢰성, 안정성이 높은, 임의의 전원 주파수에 대하여 동기 운전 가능한 동기 모터를 제공할 수 있다. 또한, 종래와 같이 정류자이나 브러시 등의 기계 부품을 생략할 수 있으며, 스위칭 수단의 구성도 간략화 할 수 있기 때문에, 모터의 소형화도 촉진시킬 수 있으며, 제조 비용도 저감시킬 수 있다.

또한, 마이크로 컴퓨터(22)는, 동기 모터가 탈조된 경우에, 동기 운전으로부터 일단 기동 운전으로 이행한 후, 다시 동기 운전으로 이행하도록 반복하여 제어를 행함으로써 동작의 신뢰성, 안정성이 높은 동기 모터를 제공할 수 있다.

또한, 스테이터 코어(8)는, 주 코어(8a)에 영구자석 로터(5)의 회전방향과 역방향으로 연장되는 보조 코어(8b)가 마련되어 있으며, 당해 주 코어(8a)의 투자율은 당해 보조 코어(8b)보다 커지도록 설계된 경우에는, 기동 운전에 있어서의 영구자석 로터(5)의 회전 사점을 해소하고 회전방향성을 안정화하는 것이 가능하다.

또한, 스테이터 코어(8)는 2극 3슬롯형의 모터에 있어서 슬롯에 전기자 코일(9)을 수납하는 경우에 비해 권심 면적을 넓게 확보하여 점유 면적율이 높아지기 때문에, 전기자 코일(9)의 권수를 증가시키고, 모터의 출력 효율을 높일 수 있다.

또한, 2극 동기 모터에 한정되지만, 도 6a에 도시한 바와 같이, 영구자석 로터(5)는, 출력축(4)의 일단이 로터 요크(5a)에 연결되어 있으며, 로터 요크(5a)에 로터 요크 받이 부재(27)가 연결되어 있다. 또한, 스테이터(10)는 스테이터 코어(8)가 스테이터 고정부재(28)에 고정되어 있으며, 당해 스테이터 고정부재(28)는 하부 하우징(3)에 끼워져 있다. 영구자석 로터(5)는, 상부 하우징(2)에 마련되어 베어링(6) 및 로터 요크 받이 부재(27)와 하부 하우징(3)과의 사이에 마련된 베어링(7)를 통해서 회전운동 가능하도록 되어 있다.

또한, 로터 요크(5a)의 일부 및 로터 요크 받이 부재(27)의 일부에는 방열구멍(5c) 및 방열구멍(27a)이 천공되어 있다. 영구자석 로터(5)가 회전하기 시작하면 방열구멍(5c) 및 방열구멍(27a)에 의해 모터의 내외에 있어서의 공기의 대류를 일으켜, 스테이터(10)에 발생된 열을 외부로 빠져나가도록 되어 있다.

도 6b에 도시한 바와 같이, 스테이터 코어(8)에 장착되어, 영구자석 로터(5)의 회전 중심과 직교하는 방향으로 연장되는 권심(11a) 및 당해 권심(11a)의 양단에 플랜지(11b)를 갖는 보빈(11)에, A코일 및 B코일이 연속하여 감겨 있다. 따라서, 스테이터 코어(8)에 출력축(4)이 삽입 관통하기 위한 쓸데없는 공간이 생기지 않으므로, 권심 면적을 확대하여 점유 면적율을 또한 높이고, 모터의 출력 효율을 높일 수 있다.

또한, 영구자석 로터(5)의 회전수 및 자극 위치를 검출하는 제1 검출수단의 다른 예에 관하여, 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한다. 센서판(29)은, 원판형상을 하고 있으며, A코일로의 통전방향 및 통전 범위를 각각 규정하기 위해, 주연부에 차광부(29a)와 슬릿(29b)이 자극 사이를 홀수 분할하여 교대로 형성되어 있다. 센서판(29)은 광 센서(12)의 검출 위치에 있어서 N극 위치 또는 S극 위치에 대응하여 정지된다.

센서판(29)의 슬릿(29b)은, 2극의 경우 영구자석 로터(5)가 180° 대향하여 착자되어 있기 때문에, 180°를 홀수 분할(도 7에서는 13분할)함으로써, 광 센서(12)의 검출 위치에 있어서 반드시 슬릿(29b)과 차광부(29a)가 대향 배치되도록 형성되어 있다. 따라서, 영구자석 로터(5)가 N극측에서 정지하고 있는 것인지, S극측에서 정지하고 있는 것인지를 확실히 판정할 수 있도록 되어 있다(도 7 참조).

또한, 4극의 경우, 영구자석 로터(5)가 90°마다 N극, S극으로 착자되어 있기 때문에, 90°를 홀수 분할(도 8에서는 13분할)함으로써, 광 센서(12)의 검출 위치에 있어서 반드시 슬릿(29b)과 차광부(29a)가 교대로 배치되도록 형성되어 있다. 따라서, 영구자석 로터(5)가 N극측에서 정지하고 있는 것인지, S극측에서 정지하고 있는 것인지를 확실히 판정할 수 있도록 되어 있다(도 8 참조).

광 센서(12)는, 예를 들면 도 7에 있어서, N극의 위치에서 정지하고 있는 경우(센서 온)에는, 영구자석 로터(5)의 회전방향이 순서 방향이 되도록, 마이크로 컴퓨터(22)는 A코일에 도 1의 화살표①로 도시한 방향으로 정류전류를 흐르게 하 여, 기동 회전시킨다. 또한, S극의 위치에서 정지하고 있는 경우(센서 오프)에는, 영구자석 로터(5)의 회전방향이 순서 방향이 되도록, 마이크로 컴퓨터(22)는 A코일에 도 1의 화살표②로 도시한 방향으로 정류전류를 흐르게 하여 기동 회전시킨다.

또한, A코일로의 통전방향의 전환은, 센서판(29)의 슬릿(29b)을 광 센서(12)에 의해 카운트하여 행하여지고, 영구자석 로터(5)의 회전각도가 0° 내지 180°에서는 제1, 제2 트랜지스터(16, 17)만을 동시에 온시키고, 180° 내지 360°에서는 제3, 제4 트랜지스터(18, 19)만을 동시에 온시켜 전환 제어한다. 또한, A코일로의 통전 범위는, 전파 정류를 걸쳐 반전된 교류전원(15)의 마이너스측의 입력을 억제하도록 마이크로 컴퓨터(22)는 마이너스측의 입력 범위에 있어서, N극측 또는 S극측에 대응하는 센서판(29) 일부의 슬릿(29b)수 만큼 광 센서(12)에 의해 카운트하여, 제 1 내지 제 4 트랜지스터(16 내지 19)를 온/오프시켜 통전억제 제어한다.

이와 같이, 단일의 센서판(29)과 광 센서(12)의 조합으로, 영구자석 로터(5)의 회전수, 회전각도, 자극 위치, A코일로의 통전방향 및 통전 범위 등의 다양한 정보를 검출하여 제어동작을 할 수 있기 때문에, 부품 점수가 적고, 모터의 구성을 간략화하여 소형화 할 수 있다.

상기 센서판(29)은, 2극, 4극 동기 모터인 경우에 대하여 설명하였지만, 슬릿과 차광부가 자극 사이에서 홀수 분할되어 형성되어 있으면, 이들에 한정되는 것이 아니다. 일반적으로, 센서판의 분할 각도=(360°/극수)/홀수에 의해 설계되어 있으면, 6극 이상의 모터에 대해서도 적용 가능하다. 또한, 전기자 코일(9)에 흐르는 정류전류를 규제하는 반전파형측의 통전 범위는, 마이크로 컴퓨터(22)에 의해 임의로 설정하는 것이 가능하다. 또한, 본 방식은, 광 센서에 한정되는 것이 아니라, 예를 들면 다극 착자된 원통 마그넷을 이용하고, 홀 소자로 검출하는 방식이라도 좋다.

[제2 실시예]

다음에 다른 예에 관한 2극 동기 모터에 대하여 설명한다. 또한, 2극 동기 모터의 전체 구성은, 스테이터(10)가 스테이터 코어(8)의 주위에 A코일 및 B코일이 중간탭(30)을 통해 직렬로 감겨진 전기자 코일(9)을 가지고 있는 외에는, 제1 실시예(도 3 및 도 4 참조)와 동일하기 때문에, 동일 부재에는 동일 번호를 붙이고 설명을 원용한다.

따라서, 2극 동기 모터를 기동 운전하는 기동 운전 회로, 동기 운전 회로 및 이들의 회로를 스위칭 제어하는 제어수단의 구성에 대하여 도 9 및 도 10을 참조하여 설명한다.

도 9에 있어서, 기동 운전 회로(14)는, 단상 교류전원(15)에 전기자 코일(9)의 중간 탭(38)이 접속되어 교류 전원(15)에 대하여 A코일 및 B코일이 병렬로 접속되어 있다. A코일에는 정류 전류를 흘리기 위한 제 1, 제 2 다이오드(33, 34)와 해당 정류 전류의 진행을 서로 전환하여 흘리기 위한 스위칭 제어가능한 제 1, 제 2 FET(31, 32)가 각각 병렬로 조합되어 접속되며, B코일에는 정류 전류를 흘리기 위한 제 3, 제 4 다이오드(37, 38)와 해당 정류 전류의 향함을 서로 전환하여 흘리기 위한 스위칭 제어가능한 제 3, 제 4 FET(35, 36)가 병렬로 조합되어 접속되어 있다. 교류전원(15)의 교류전류를 제 1 내지 제 4 다이오드(33, 34, 37, 38)에 의해 정류되어 흐름과 함께, 정류 전류를 영구 자석로터(5)의 회전각도에 대응하여 A코일 또는 B코일로 교대로 흐르도록 제 1 내지 제 4 FET(31, 32, 35, 36)를 스위칭 제어하여 영구자석 로터(5)를 직류 브러시레스 모터로서 기동 운전한다. 도 10에 있어서, 동기 운전 회로(21)는, 교류전원(15)과 B코일이 접속되어 해당 교류전원(15)에 대하여 A코일 및 B코일이 직렬로 접속되어, 영구자석 로터(5)를 교류 동기 모터로서 동기 운전한다. 전환 스위치(SW1)는, 교류전원(15)과 중간 탭(38)이 접속된 기동 운전회로(14)와 교류전원(15)과 B코일이 접속된 동기 운전회로(39)에서 접속 전환된다.

도 9에 있어서, A코일에는 스위칭 수단으로서 제1, 제2 FET(전계효과 트랜지스터)(31, 32)가 직렬로 대향하여 접속되어 있다. 또한 제1, 제2 FET(31, 32)에는, 정류수단으로서 제1, 제2 다이오드(33, 34)가 각각 병렬로 접속되어 있다. 또한 B코일에는 스위칭 소자로서 제3, 제4 FET(전계효과 트랜지스터)(35, 36)가 직렬로 대향하여 접속되어 있다. 또한 제3, 제4 FET(35, 36)에는, 정류 소자로서 제3, 제4 다이오드(37, 38)가 각각 병렬로 접속되어 있다. 또한, 도 9에 있어서, A코일 및 B코일에는, 파선으로 도시한 바와 같이 콘덴서(C1, C2)가 각각 병렬로 접속되어 있어도 된다. 이 콘덴서(C1, C2)는, 전기자 코일(9)에 소비되는 전력의 역율을 향상시켜 출력 손실을 보충하는 동시에 고압의 서지 전류를 흡수한다.

부호 22는 제어수단으로서의 마이크로 컴퓨터이며, 기동 운전에 있어서 기동 운전 회로(14)는 스위칭 제어에 의해 기동 운전 회로(14)에 흐르는 전류량이나 전류 방향을 제어하거나, 기동 운전으로부터 동기 운전으로 이행할 때 운전 전환 스위치(SW1)의 전환 제어 등을 행한다. 즉, 전자코일(9)에 흐르는 정류 전류의 전류방향을 교대로 전환하며, 또한, 영구 자석로터(5)가 1회전하는 사이의 전자기 코일(9)로의 통전 각도범위를 A코일로의 통전각도 범위의 쪽이 B코일로의 통전각도 범위보다 크게되도록 기동 운전회로(14)의 제 3, 제 4 FET(35, 36)를 온/오프하여 정류전류가 A코일로 수렴되도록 기동운전하고, 광 센서(12)에 의해 검출된 영구자석 로터(5)의 회전수가 전원 주파수에 대하여 동기 회전수 부근에 도달했을 때, B코일에 접속하는 제 3, 제 4 FET(35, 36)를 모두 오프하여 A코일로 접속하는 경우, 제 1, 제 2 FET(31, 32)를 모두 온으로 하고, 운전 전환 스위치(SW1)를 중간 탭(38)으로부터 B 코일로 접속을 전환하여 동기 운전회로(39)에 의한 동기 운전으로 이행하도록 제어한다.

또한, 출력단자(OUT1)로부터 운전 전환 스위치(SW1)에의 전환 신호가 출력되고, 출력단자(OUT2 내지 OUT5)에 의해 스위치(SW2) 내지 스위치(SW5)를 각각 온/오프 시키기 위한 출력신호가 출력되며, 제1 FET31, 제2 FET(32), 제3 FET(35), 제4 FET(36)의 각 게이트에 FET 드라이브용 전원(39)으로부터 게이트 펄스가 선택적으로 인가된다. 마이크로 컴퓨터(22)는, 광 센서(12)에 의해 검출된 영구자석 로터(5)의 자극 위치에 타이밍을 맞추고, 스위치(SW2) 및 스위치(SW4)를 온/오프시키고(온일때 기동 운전 회로(14)에는 ① 및 ③으로 도시한 정류전류가 흐른다), 스위치(SW3) 및 스위치(SW5)를 오프/온(온일때 기동 운전 회로(14)에는 ② 및 ④로 도시한 정류전류가 흐른다)하도록 하여 제1 FET(31), 제2 FET(32), 제3 FET(35), 제4 FET(36)의 동작을 제어한다. 또한, 스위치(SW1) 내지 스위치(SW5)는, 릴레이 또는 반도체 스위치(예를 들면 트라이액, 포토 커플러, 트랜지스터, IGBT 등)를 이용하여도 된다.

기동 운전 회로(14)에 정류전류 ① 및 ③이 흐르는 경우에 대하여 도 1을 참조하여 구체적으로 설명한다. 스위치(SW2) 및 스위치(SW4)만이 온하면, 제1, 제3 FET(31, 35)가 전류방향 ①, ③일때 각각 온상태로 된다. 이 때, A코일에는 제1 FET(31), 제2 다이오드(24)를 경유하여 정류전류 ①이 흐르고, B코일에는 제3 FET(35), 제4 다이오드(38)를 경유하여 정류전류 ③이 각각 교류 파형에 따라서 교대로 흐른다.

또한, 기동 운전 회로(14)에 정류전류 ② 및 ④가 흐르는 경우에는, 스위치(SW3) 및 스위치(SW5)만이 온하면 제2, 제4 FET(32, 36)가 온상태로 된다. 이 때, A코일에는 제2 FET(32), 제1 다이오드(33)를 경유하여 정류전류②가 흐르고, B코일에는 제4 FET(36), 제3 다이오드(37)를 경유하여 정류전류④가 각각 교류 파형에 따라서 교대로 흐른다.

또한, 마이크로 컴퓨터(22)는, 영구자석 로터(5)가 1회전하는 동안의 전기자 코일(9)에의 통전각도 범위를 A코일이 B코일보다 커지게 하여 정류전류가 A코일에 수렴하도록 기동 운전한다. 도 11은 교류전원(15)에 의해 전기자 코일(9)에 인가되는 전압파형과 영구자석 로터(5)의 회전각도와의 관계를 도시한 그래프이다. 도 9에 도시한 기동 운전 회로(14)에 있어서 교류전원(15)으로부터 흐르는 정류전류를 ① 및 ④로 흘려나가는 방향을 플러스측으로 하고, ② 및 ③으로 흘려나가는 방향을 마이너스측으로 하여 전압파형을 도시한다. 도 11에 있어서 사선부는 통전각도 범위를 도시한 것으로 한다.

마이크로 컴퓨터(22)는, 기동 운전에 있어서 미리 설정된 통전각도 범위에 따라 기동 운전 회로(14)의 스위치(SW2) 내지 스위치(SW5)를 스위칭 제어한다. 예를 들면, 도 11에 도시한 바와 같이, 스위치(SW4) 및 스위치(SW5)만 임의의 시간 분할로 온/오프를 반복하는 스위칭 제어를 행하는 것으로, B코일에 흐르는 정류전류 ③, ④를 억제하고 A코일에 흐르는 정류전류 ①, ②를 많게 하여, 전체로서 정류전류가 A코일에 수렴하도록 제어한다. 그리고, 영구자석 로터(5)의 회전수가 증가함에 따라, 당해 영구자석 로터(5)의 회전에 타이밍을 맞추어 스위치(SW2) 내지 스위치(SW5)를 전환함으로써 동기 회전수 부근까지 상승시킨다.

그리고, 영구자석 로터(5)가 동기 회전수 부근에 도달한 것을 광 센서(12)에 의해 검출하면, 도 10에 있어서 마이크로 컴퓨터(22)는 기동 운전 회로(14)로부터 동기 운전 회로(21)에 운전 전환 스위치(SW1)를 전환한다. 구체적으로는 스위치(SW4) 및 스위치(SW5)를 오프로 하고, 다음에 운전 전환 스위치(SW1)를 전환하고, 동시에 스위치(SW2) 및 스위치(SW3)를 모두 온상태로 하여 제1 FET(31) 및 제2 FET(32)를 온상태로 하여 동기 운전으로 이행한다. 이 때, 전기자 코일(9)에는, A코일 및 B코일이 직렬로 도 10의 ⑤ 및 ⑥으로 도시한 교류전류가 흐르고, 당해 전기자 코일(9)의 자극의 변화에 동기하여 영구자석 로터(5)는 회전하고, 교류 동기 모터로서 회전 구동된다. 전기자 코일(9)에는, A코일 및 B코일이 직렬로 연결되어 있기 때문에, 동기 운전에 필요한 토크를 발생시키는 것만으로 부하에 적당한 교류전류가 흐른다. 또한, 스위치(SW1) 내지 스위치(SW5)의 회로적인 쇼트를 방지하기 때문에, 스위치(SW4) 및 스위치(SW5)를 오프로 하고 나서 운전 전환 스위치(SW1)를 전환하도록 한다.

또한, 동기 모터가 부하의 변동 등에 의해 탈조된 경우에는, 마이크로 컴퓨터(22)는 일단 영구자석 로터(5)의 회전수가 동기 회전 이행시로부터 소정치까지 떨어진 후 기동 운전으로 이행하고, 다시 동기 운전으로 이행하도록 반복하여 제어를 행하게 되어 있다. 예를 들면, 전원 주파수가 60Hz에서 구동하는 2극 동기 모터인 경우, 기동 운전으로부터 동기 운전으로 이행할 때 영구자석 로터(5)의 회전수의 임계치를 3550rpm으로 설정하고, 동기 운전에 들어가지 않고 탈조하였을 때 기동 운전으로 이행할 때의 영구자석 로터(5)의 회전수의 임계치를 3200rpm으로 설정 하여 반복 제어함으로써, 안정된 모터의 구동동작을 실현할 수 있다. 기동 운전으로부터 동기 운전으로, 동기 운전으로부터 기동 운전으로 이행할 때의 임계치는, 각 모터의 출력 특성, 용도, 사이즈 등에 의해 적합한 값을 설정하면 좋다.

또한, 본 실시예에 나타낸 2극 동기 모터는, 전원 주파수가 50Hz, 60Hz, 100Hz 등으로 변화되어도 미세한 기계 설계를 변경하지 않고 동일한 2극 동기 모터를 이용할 수 있기 때문에, 범용성이 매우 높은 동기 모터를 제공할 수 있다.

또한, 기동 운전에 있어서 정류전류가 B코일보다 A코일에 많이 흐르게 하여, 당해 정류전류가 A코일에 수렴시키기 위한 그밖의 수단에 대하여 설명한다. 예를 들면, 기동 운전 회로(14)에 있어서, B코일에 접속된 플러스측 및 마이너스측의 스위칭 수단 중 1조를 생략하도록 하여도 좋다. 구체적으로는, 도 9에 있어서, 스위치(SW4) 및 제3 FET(35) 또는 스위치(SW5) 및 제4 FET(36)를 생략하도록 하여도 좋다.

이와 같이 함으로써, 기동 운전에 있어서 스위칭 제어하는 기동 운전 회로(14)를 간소화하여 제어를 용이하게 하고, 부품 점수도 생략할 수 있기 때문에 저렴하게 제조할 수 있으며, 모터의 소형화에도 기여할 수 있다.

또한, 다른 수단에 대하여 설명하면, 도 12에 도시한 바와 같이, A코일 및 B코일에 통전하는 전류방향 및 통전하는 범위를 각각 규정하는 슬릿(40a, 40b)이 형성된 센서판(40)을 구비하고, 당해 슬릿(40a, 40b)을 광 센서(12)(도 9 참조)에 의해 검출하게 하여도 된다. 예를 들면, 원호의 길이가 긴 슬릿(40a)은 A코일 및 B코일에 통전하는 전류방향을 규정하고 있으며, 원호 길이가 짧은 슬릿(40b)은 B코일에 통전하는 범위를 각각 규정하고 있다(또한, 도 12의 40C은 슬릿(26A)측의 센서 위치를 도시하고, 40d는 슬릿(40b)측의 센서 위치를 도시하고 있다).

이 센서판(40)에 형성된 각 슬릿(40a, 40b)을 검출하는 광 센서(12)의 검출신호에 의거하여, 마이크로 컴퓨터(22)는, 기동 운전에 있어서 기동 운전 회로(14)의 스위치(SW2 내지 SW5)를 온/오프를 스위칭 제어함으로써, A코일이 B코일보다 정류전류가 많이 흐르게 하여도 된다. 이 경우, A코일 및 B코일에 대한 통전각도 범위를 센서판(40)에 의해 규정되어 있기 때문에, 마이크로 컴퓨터(22)에 의해 순서에 따라서 번잡한 스위치의 전환을 제어할 필요가 없어지므로, 제어동작을 간략화 할 수 있다.

상기 2극 동기 모터를 이용하면, 마이크로 컴퓨터(22)는, 기동 운전 회로(14)에 있어서 전자기 코일(9)에 흐르는 정류전류의 전류방향을 교대로 전환하며, 또한, 영구자석 로터(5)가 1회전하는 동안의 전기자 코일(9)로의 통전각도 범위를 A코일로의 통전각도 범위의 쪽이 B코일로의 통전각도 범위보다 크게되도록 기동 운전회로(14)의 제 3, 제 4 FET(35, 36)를 온/오프하여 정류전류가 A코일로 수렴되도록 기동운전 한다. 그리고, 영구자석 로터(5)의 회전수가 동기 회전수 부근에 도달하면, 운전 전환 스위치(SW1)를 동기 운전 회로(21)로 전환하여 동기 운전하도록 제어하기 때문에, 기동 운전으로부터 동기 운전으로의 이행이 확실하고도 원활하게 할 수 있다. 또한, 기동 운전 회로(14)에 브러시나 정류자가 불필요하기 때문에, 전류방향을 전환할 때 스파크의 발생을 방지하고 신뢰성, 안정성이 높은 동기 모터를 제공할 수 있다. 또한, 종래와 같이 정류자이나 브러시 등의 기계부품을 생략할 수 있기 때문에 모터의 소형화도 촉진시킬 수 있으며, 제조 비용도 저감시킬 수 있다.

또한, 마이크로 컴퓨터(22)는, 동기 모터가 탈조된 경우에, 동기 운전으로부 터 일단 기동 운전으로 이행한 후, 다시 동기 운전으로 이행하도록 반복하여 제어를 행함으로써 동작의 신뢰성, 안정성이 높은 동기 모터를 제공할 수 있다.

또한, 스테이터 코어(8)는, 주 코어(8a)에 영구자석 로터(5)의 회전방향과 역방향으로 연장하는 보조 코어(8b)가 마련되어 있으며, 당해 주 코어(8a)의 투자율은 당해 보조 코어(8b)보다 커지도록 설계된 경우에는, 기동 운전에 있어서의 영구자석 로터(5)의 회전 사점을 해소하고 회전 방향성을 안정화할 수 있다.

또한, 스테이터 코어(8)는 2극 3슬롯형의 모터에 있어서 슬롯에 전기자 코일(9)을 수납하는 경우에 비하여 권심 면적을 넓게 확보하고 점유 면적율이 높아지기 때문에, 전기자 코일(9)의 권수를 증가시키고, 모터의 출력 효율을 높일 수 있다.

[제3 실시예]

본 발명에 관한 동기 모터는, 2극 동기 모터에 한하지 않고 도 13 및 도 14에 도시한 바와 같이 4극 동기 모터에 관해서도 적용이 가능하다. 또한, 전술한 제1 실시예에 관한 2극 동기 모터와 동일 부재에는 동일 번호를 붙이고 설명을 원용하는 것으로 한다.

도 13에 있어서, 영구자석 로터(41)는 로터 요크(41a)의 내벽에 N극, S극이 교대로 90°씩 합계 4극으로 착자된 링형상의 마그넷(41b)이 유지되어 있다.

또한, 도 14에 있어서, 4극 동기 모터의 스테이터 코어(42)는 십자형상의 주 코어(적층 코어)(42a)의 각 단부에 영구자석 로터(41)의 회전방향과 역방향으로 연장하는 보조 코어(42b)가 마련되어 있으며, 기동시에 있어서의 토크의 사점을 해소 하고 있다. 또한, 스테이터 코어(42)는 보빈(43)과 일체로 끼워지고, 당해 보빈(43)의 주위에는 주 코어(42a)의 한쪽의 긴변 방향으로 전기자 코일(9)이 A코일과 B코일을 4극 구조가 되도록 출력축(4)을 중심으로 양측의 보빈(43)에 서로 반대방향으로 감겨 있다.

또한, 도 15에 도시한 바와 같이, 회전 원판(44)에는, 마그넷(41b)의 자극 위치에 따라 차광부(44a)와 투광하는 투광부(44b)가 90°씩 교대로 형성되어 있다. 회전 원판(44)은, 영구자석 로터(41)와 일체로 부착되어 있으며, 이들은 출력축(4)을 중심으로 일체가 되어 회전된다. 광 센서(12)는 회전 원판(44)에 의해 영구자석 로터(5)의 회전수 및 자극 위치를 검출한다. 4극 동기 모터는, 영구자석 로터(5)가 90° 회전할 때마다 전기자 코일(9)에 형성되는 자극이 변화되기 때문에, 기동 운전할 때 전기자 코일(9)에 흐르는 전류의 방향을 영구자석 로터(41)가 90° 회전할 때마다 스위칭 제어에 의해 전환할 필요가 있다.

또한, 상술한 2극 동기 모터 및 4극 동기 모터는, 아우터 로터 방식에 관해서 설명하였지만, 이것에 한정되는 것이 아니라, 이너 로터 방식이라도 좋다.

[제4 실시예]

다음에 이너 로터식의 8극 동기 모터에 관해서 도 16a, 도 16b를 참조하여 설명한다. 도 16a는 영구자석 로터의 축 단면 설명도, 도 16b는 영구자석 로터를 분리한 스테이터의 일부 단면 설명도이다.

부호 45, 46은 고정자 및 회전자를 수용하는 하우징을 겸용하는 스테이터 요크이며 2분할 가능하게 형성되어 있다(도 16b 참조). 스테이터 요크(45, 46) 내에 는 출력축(47)을 중심으로 영구자석 로터(48)가 회전 가능하게 내장되어 있다. 출력축(47)은 스테이터 요크(45, 46)에 있어서, 도시하지 않은 베어링에 의해 회전 가능하게 유지되어 있다(도 16a 참조).

또한, 도 16a에 있어서, 영구자석 로터(48)는, 출력축(47)에 끼워진 마그넷 고정부재(49a)의 주위에 N극 및 S극으로 거의 45°씩 착자된 링형상의 마그넷(49b)이 유지되어 있다. 이 영구자석 로터(48)는 전기자 코일에 통전하여 형성되는 자극과의 반발에 의해 출력축(47)을 중심으로 기동 회전하도록 되어 있다.

영구자석 로터(48)의 외측에는, 스테이터 요크(45, 46) 내에 보빈(50)이 끼워져 있으며(도 16a 참조), 당해 보빈(50)에는 A코일 및 B코일의 2개의 코일 세그먼트로 분할된 전기자 코일(51)이 감겨 있다(도 16b 참조).

또한, 도 16b에 도시한 바와 같이, 스테이터 요크(45, 46)의 주연부에는, 둘레방향으로 8개소에 주 코어(45a, 46a)가 축방향으로 교대로 구부러져 형성되어 있다. 이 주 코어(45a, 46a)에는 영구자석 로터(48)의 회전방향과 역방향으로 연장하는 보조 코어(45b, 46b)가 각각 형성되어 있으며, 기동시에 있어서의 토크의 사점을 해소하고 있다.

또한, 스테이터 요크(45, 46) 내에는 영구자석 로터(48)의 회전수 및 자극 위치를 검출하는 제1 검출수단으로서 광 센서(도시하지 않음)가 장착되어 있다. 광 센서는 출력축(47)에 일체로 부착된 회전 원판(도시하지 않음)에 의해 영구자석 로터(48)의 회전수를 검출하고, 도시하지 않은 마이크로 컴퓨터는 전기자 코일(51)중 A코일에 흐르는 정류전류의 방향이나 전류량을 스위칭 제어에 의해 제어한다.

본 발명에 관한 동기 모터는, 모터를 구동 제어하는 마이크로 컴퓨터(22)를 일체로 장착하고 있는 경우라도, 또는 동기 모터가 이용되고 있는 전기 기기의 장치 본체에 내장한 제어 회로의 일부(교류전원, 기동 운전 회로, 동기 운전 회로 등을 포함한다)를 이용하여 모터를 구동 제어하는 타입의 어느 것이라도 좋다.

또한, 일반적으로 인덕터 방식이라 불리는 동기 모터나 평반형상의 마그넷과 코일을 원판상에서 대향시킨 평면 대향방식의 동기 모터 등에도 본 발명을 널리 적용시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 관한 동기 모터에는, 종래 일반적으로 사용되고 있는 유도형 모터와 같이, 과부하시의 안전을 보증하기 위해, 동작중에 항상 통전하는 회로부분에 온도 퓨즈나 바이메탈식의 고온 검출 스위치를 조립할 수도 있다.

또한, 전기자 코일(9)은, A코일 및 B코일로 분할한 것에 한하지 않고, 소비전력 효율을 무시하면 단일의 코일을 이용하여도 되는 등, 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위에서 많은 개선변경을 이룰 수 있다.

Claims

하우징 본체(1) 내에 출력축(4)을 중심으로 회전 가능하게 마련된 영구자석 로터(5)와, 스테이터 코어(8)의 주위에 전기자 코일(9)이 감겨진 스테이터(10)를 갖는 동기 모터에 있어서,

직렬로 접속된 A코일, B코일을 갖는 2개의 코일 세그먼트로 이루어지는 상기 전기자 코일(9)과,

영구자석 로터(5)의 회전수 및 자극 위치를 검출하는 제1 검출수단(12)과,

교류전원(15)의 주파수를 검출하는 제2 검출수단(24)과,

스테이터 코어(8)의 주위에 전기자 코일(9)이 감겨진 스테이터(10)와,

교류전원(15)으로부터 공급되는 교류전류를 정류 브리지 회로에 의해 정류하고, 스위칭 수단(16 내지 19)에 의해, 영구자석 로터(5)의 회전각도에 따라 정류전류의 방향을 바꾸어 전기자 코일(9)중 A코일에 흐르게 함으로써 영구자석 로터(5)를 직류 브러시레스 모터로서 기동 운전하는 기동 운전 회로(14)와,

교류전원(15)과 상기 A코일과 B코일(9)이 직렬로 접속되고, 영구자석 로터(5)를 교류 동기 모터로서 동기 운전하는 동기 운전 회로(21)와,

교류전원(15)과 전기자 코일(9)과의 사이에 마련되어, 동기 운전 회로(21)를 단속하는 전환 스위치(SW1) 및 전환 스위치(SW2)와,

기동 운전에 있어서, 전환 스위치(SW1) 및 전환 스위치(SW2)를 오프하여 동기 운전 회로(21)를 차단하는 동시에, 스위칭 수단(16 내지 19)을 제어하고, 정류 브리지 회로(20)를 경유하여 A코일에 흐르는 정류전류중, 전파정류(全波整流)를 거쳐서 반전한 교류전원의 마이너스측의 입력을 억제하고 당해 마이너스측의 통전 범위를 플러스측에 대하여 좁히도록 기동 운전하고, 제1 검출수단(12)에 의해 검출된 영구자석 로터(5)의 회전수가 제2 검출수단(24)에 의해 검출되는 전원 주파수에 대하여 동기 회전수 부근에 도달했을 때, 스위칭 수단(16 내지 19)을 오프하고, 전환 스위치(SW1) 및 전환 스위치(SW2)를 온함으로써 A코일을 사용하는 기동 운전 회로(14)로부터 A코일 및 B코일을 사용하는 동기 운전 회로(21)로 전환하여 동기 운전으로 이행시키는 제어수단(22)을 구비한 것을 특징으로 하는 동기 모터.
제 1항에 있어서,

제어수단(22)은, 기동 운전에 있어서, 스위칭 수단(16 내지 19)을 시분할 제어하고, A코일에 흐르는 정류전류중, 전파정류를 거쳐서 반전한 교류전원(15)의 마이너스측의 통전 범위를 제어하는 것을 특징으로 하는 동기 모터.
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제 1항 또는 제 2항에 있어서,

전기자 코일(9)로의 통전방향을 규정하기 위한 슬릿(25a)이 둘레방향으로 형성된 센서판(25)과, 당해 슬릿(25a)을 검출 가능한 광 센서(26a)를 갖는 제3 검출수단을 구비하고, 제어수단(22)은 기동 운전에 있어서, 스위칭 수단(16 내지 19)을 제어하고, 광 센서(26a)의 출력신호에 의해, 전기자 코일(9)중 A코일로의 통전방향을 전환하여 제어하는 것을 특징으로 하는 동기 모터.
제 4항에 있어서,

제3 검출수단은, A코일에 흐르는 정류전류중, 전파정류를 거쳐서 반전한 교류전원(15)의 마이너스측으로의 통전 범위를 좁히도록 규정하는 슬릿(25b)이 둘레방향으로 형성된 센서판(25)과, 당해 슬릿(25b)을 검출 가능한 광 센서(26b)를 구비하고 있으며, 제어수단(22)은, 기동 운전에 있어서, 스위칭 수단(16 내지 19)을 제어하고, 광 센서(26b)의 출력신호에 의해 소정 회전각도 범위만 전파정류를 거쳐서 반전한 교류전원의 마이너스측에 통전하지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 동기 모터.
제 1항에 있어서,

제1 검출수단(12)은, 전기자 코일(9)로의 통전방향 및 통전 범위를 각각 규정하기 위한 주연부에 슬릿(29b) 및 차광부(29a)가 자극 사이가 홀수 분할되어 교대로 형성된 센서판(29) 및 당해 슬릿(29b) 및 차광부(29a)를 검출 가능한 광 센서(12)를 구비하고 있으며, 제어수단(22)은 스위칭 수단(16 내지 19)을 제어하고, 기동 운전시, 광 센서(12)의 출력신호에 의해 영구자석 로터(5)의 정지극을 검출하고 당해 영구자석 로터(5)가 항상 순서 방향으로 회전하도록 A코일에 통전하고, 영구자석 로터(5)의 회전각도 및 자극 위치를 검출하면서 당해 A코일로의 통전방향을 전환하는 동시에, 소정 회전각도 범위만 전파정류를 거쳐서 반전된 교류전원의 마이너스측으로 통전되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 동기 모터.
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제 1항에 있어서,

제어수단(22)은, 동기 모터가 탈조(脫調)된 경우에, 동기 운전으로부터 일단 기동 운전으로 이행한 후, 다시 동기 운전으로 이행하도록 운전 전환 스위치(SW1, SW2)를 반복하여 제어하는 것을 특징으로 하는 동기 모터.
제 1항에 있어서,

스테이터 코어(8)는, 주 코어(8a)에 영구자석 로터(5)의 회전방향과 역방향으로 연장된 보조 코어(8b)가 마련되어 있으며, 주 코어(8a)의 투자율은 보조 코어(8b)보다 크도록 설계되어 있는 것을 특징으로 하는 동기 모터.
제 1항에 있어서,

스테이터(10)는, 스테이터 코어(8)에 장착되어, 영구자석 로터(5)의 회전 중심과 직교하는 방향으로 연장되는 권심 및 당해 권심의 양단에 플랜지를 갖는 보빈(11)에, 전기자 코일(9)이 연속하여 감겨 있는 것을 특징으로 하는 동기 모터.
하우징 본체(1) 내에 출력축(4)을 중심으로 회전 가능하게 마련된 영구자석 로터(5)와,

영구자석 로터(5)의 회전수 및 자극 위치를 검출하는 제1 검출수단(12)과,

교류전원(15)의 주파수를 검출하는 제2 검출수단(24)과,

스테이터 코어(8)의 주위에 A코일 및 B코일이 중간 탭(30)을 통해서 직렬로 감겨진 전기자 코일(9)을 갖는 스테이터(10)와,

교류전원(15)과 전기자 코일(9)의 중간 탭(30)이 접속되어 당해 교류전원(15)에 대하여 A코일 및 B코일이 병렬로 접속되며, A코일에 정류전류를 흐르게 하기 위한 제1, 제2 다이오드(33, 34)와 당해 정류전류의 방향을 교대로 전환하여 흐르게 하기 위하여 스위칭 제어 가능한 제1, 제2 트랜지스터(31, 32)가 각각 병렬로 조합되어 접속되며, B코일에 정류전류를 흐르게 하기 위한 제3, 제4 다이오드(37, 38)와 당해 정류전류의 방향을 교대로 전환하여 흐르기 위하여 스위칭 제어 가능한 제3, 제4 트랜지스터(35, 36)가 병렬로 조합되어 접속되어 있으며, 교류전원(15)의 교류전류를 제1 내지 제4 다이오드(33, 34, 37, 38)에 의해 정류하고, 정류전류를 영구자석 로터(5)의 회전각도에 대응하여 A코일 또는 B코일에 교대로 흐르게 제1 내지 제4 트랜지스터(31, 32, 35, 36)를 스위칭 제어하여 영구자석 로터(5)를 직류 브러시레스 모터로서 기동 운전하는 기동 운전 회로(14)와,

교류전원(15)과 B코일이 접속되어 당해 교류전원(15)에 대하여 A코일 및 B코일이 직렬로 접속되어, 영구자석 로터(5)를 교류 동기 모터로서 동기 운전하는 동기 운전 회로(21)와,

교류전원(15)과 중간 탭(30)이 접속된 기동 운전 회로(14)와, 교류전원(15)과 B코일이 접속된 동기 운전 회로(21)로 접속을 전환하는 전환 스위치(SW1)와,

전기자 코일(9)에 흐르는 정류전류의 전류방향을 교대로 전환, 또한 영구자석 로터(5)가 1회전하는 동안의 전기자 코일(9)로의 통전각도 범위를, A코일로의 통전각도 범위 쪽이 B코일로의 통전각도 범위보다 커지도록 기동 운전 회로(14)의 제3, 제4 트랜지스터(35, 36)를 온/오프하여 정류전류가 A코일에 수렴하도록 기동 운전하고, 제1 검출수단(12)에 의해 검출된 영구자석 로터(5)의 회전수가 제2 검출수단(24)에 의해 검출되는 전원 주파수에 대하여 동기 회전수 부근에 도달했을 때, B코일에 접속하는 제3, 제4 트랜지스터(35, 36)를 모두 오프하고 A코일에 접속하는 제1, 제2 트랜지스터(31, 32)를 모두 온으로 하여, 전환 스위치(SW1)를 중간 탭(30)으로부터 B코일에 접속을 전환하여 동기 운전 회로(21)에 의한 동기 운전으로 이행하도록 제어하는 제어수단(22)을 구비한 것을 특징으로 하는 동기 모터.
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제 12항에 있어서,

기동 운전 회로(14)에 있어서, 제3, 제4 다이오드(37, 38)와 제3, 제4 트랜지스터(35, 36)가 각각 병렬로 조합되어 B코일에 접속된 플러스측 및 마이너스측 중 1조를 생략하고, A코일이 B코일보다 정류전류가 많이 흐르게 기동 운전하는 것을 특징으로 하는 동기 모터.
제 12항에 있어서,

A코일 및 B코일에 통전하는 전류방향 및 통전하는 범위를 각각 규정하는 슬릿(40a, 40b)이 형성된 영구자석 로터(5)의 회전수 및 자극 위치를 검출하는 제1 검출수단(12)을 구비하고 있으며, 당해 제1 검출수단(12)의 출력신호에 의거하여 제어수단(22)은 기동 운전에 있어서 기동 운전 회로(14)의 제1 내지 제4 트랜지스터(31, 32, 35, 36)를 스위칭 제어하여 A코일이 B코일보다 정류전류가 많이 흐르게 제어하는 것을 특징으로 하는 동기 모터.
제 12항, 제 14항, 제 15항 중 어느 한 항에 있어서,

제어수단(22)은, 동기 모터가 탈조된 경우에, 동기 운전으로부터 일단 기동 운전으로 이행한 후, 다시 동기 운전으로 이행하도록 전환 스위치(SW1)를 반복하여 제어하는 것을 특징으로 하는 동기 모터.
삭제
제 12항, 제 14항, 제 15항 중 어느 한 항에 있어서,

스테이터 코어(8)는, 주 코어(8a)에 영구자석 로터(5)의 회전방향과 역방향으로 연장되는 보조 코어(8b)가 마련되어 있으며, 주 코어(8a)의 투자율은 보조 코어(8b)보다 크게 되도록 설계되어 있는 것을 특징으로 하는 동기 모터.
제 12항, 제 14항, 제 15항 중 어느 한 항에 있어서,

스테이터(10)는, 스테이터 코어(8)에 장착되어, 영구자석 로터(5)의 회전 중심과 직교하는 방향으로 연장되는 권심 및 당해 권심의 양단에 플랜지를 갖는 보빈(11)에, A코일 및 B코일이 연속하여 감겨 있는 것을 특징으로 하는 동기 모터.