KR100905357B1 - 모터의 구동 회로, 소형 전동 기기 및 구동체 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 모터는, 복수의 코일조와 영구 자석의 조합을 구비하고, 이 코일조는 번갈아 다른 극으로 여자되도록 구동 신호로부터 여자 신호가 공급되고, 또한 상기 영구 자석은 복수의 자극 요소가 번갈아 다른 극으로 되도록 배치된 구성으로 이루어지고, 상기 구동 회로는 상기 코일조에 소정의 주파수를 가진 여자 신호를 공급하여, 상기 코일과 영구 자석 사이의 자기적 흡인-반발에 의해 전기 코일조와 영구 자석을 상대적으로 이동시키도록 구성되어 이루어지고, 상기 구동 회로는 상기 코일조에, 당해 코일조와 영구 자석 사이의 상대 이동에 의해 발생하는 역기전압의 패턴에 상당하는 파형 신호를 당해 코일조에 공급하도록 구성하여 이루어진다.

Description

모터의 구동 회로, 소형 전동 기기 및 구동체{DRIVE CIRCUIT OF MOTOR, SMALL ELECTRIC MOTOR, ACTUATOR}
본 발명은, 자극을 발생하는 코일을 선 형상으로 나열하고, 코일을 흐르는 전류를 순차 전환함으로써, 영구 자석이나 강자성체로 이루어지는 회전자를 회전시키거나, 혹은 슬라이더를 이동시키는 각종 모터에 관한 것이고, 또한, 이 모터에 이용되는 자기 구조체에 관한 것이며, 또한, 이 모터를 구동원으로서 이용한 구동체에 관한 것이다. 본 발명은 이러한 구동체로서의 전기 자동차, 전동 카트, 전동 휠체어 등이나, 그 외에 전동 완구, 전동 비행기, 소형 전동기기, MEMS에 이용할 수 있다.
교류 등의 주파수 신호에 의해 구동되는 AC 모터에는, 크게 나누면 동기형 모터(synchronous motor)와 유도 모터(induction motor)의 두 가지가 있다. 동기형 모터는 회전자에 영구 자석이나 철 등의 강자성체의 적층 코어를 사용하고, 전원 주파수에 의해 결정되는 회전 자계의 속도와 같은 회전 속도로 회전하는 모터이다.
회전자의 차이에 의해 영구 자석을 사용한 마그네트형과 코일이 감겨 있는 코일형, 철 등의 강자성체를 사용한 리액턴스형이 있다. 이 중 마그네트형은 회전자의 영구 자석이 고정자의 회전 자계에 이끌려 회전한다. 한편, 인덕션 모터는, 도선이 카고(cargo)와 같은 형태의 회전자에, 전자 유도 작용에 의해 별도의 자계를 발생시키는 것에 의해 회전하는 모터이다.
이러한 모터 중에는, 회전하지 않고 직선 형상으로 움직이거나, 평면을 자유롭게 움직일 수 있는 모터도 존재한다. 이러한 종류의 모터는, 폭넓게 선형 모터라 불리고, 자극을 발생하는 코일을 직선 형상으로 나열하며, 흐르는 전류를 순차적으로 변경함으로써, 그 위에 탑재한 영구 자석이나 강자성체를 이동시키고 있다. 직선 형상으로 배치된 코일 열은 고정자이고, 회전자는 편평하게 되어 그 위를 활동하기 때문에 슬라이더에 상당한다.
상기 마그네트형의 동기형 모터로서, 예컨대, 일본 공개 특허 공보 평8-51745호(특허 문헌 1)에 기재된 소형 동기 모터가 존재한다. 이 소형 동기 모터는, 특허 문헌 1의 도 1에 나타내는 바와 같이, 여자 코일(7)을 감은 고정자 코어(6)와, 내부에 자석(1)을 내장하여 주면(周面)에 NS극이 등간격으로 배열된 회전자 코어(2)를 갖는 회전자(3)를 구비한 구성을 가지고 있다.
그러나, 종래의 기술에서 설명한 모터의 코일에 직사각형파를 공급하면, 모터의 운전 효율이 크게 저하하는 것을, 본원 발명자는 새롭게 찾아내기에 이르렀다. 그래서, 본 발명은 모터의 코일로 공급되는 여자 신호를 제어함으로써, 운전효율에 우수한 모터를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다. 또한, 본 발명의 다른 목적은 발생 토크 특성에도 우수한 모터를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다. 또한, 본 발명은 이러한 모터의 구동 회로를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다. 또한, 본 발명은 모터의 운전 효율에 우수한 모터의 구동 제어 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명은 이 모터를 이용한 각종 구동체를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 복수의 코일의 조(組)와 영구 자석의 조합을 구비하고, 이 코일의 조는 번갈아 다른 극으로 여자되도록 구동 회로로부터 여자 신호가 공급되고, 또한 상기 영구 자석은 복수의 자극 요소가 번갈아 다른 극으로 되도록 배치된 구조로 이루어지고, 상기 구동 회로는 상기 코일조에 소정 주파수를 가진 여자 신호를 공급하여, 상기 코일과 영구 자석 사이의 자기적 흡인-반발에 의해 상기 코일조와 영구 자석을 상대적으로 이동시키도록 구성되어 이루어지고, 또한, 상기 구동 회로는 상기 코일조에, 당해 코일조와 영구 자석 사이의 상대 이동에 따라 발생하는 역기전력의 패턴에 상당하는 파형 신호를 당해 코일조에 공급하도록 구성되어 이루어지는 모터인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에서는, 상기 구동 회로는 상기 영구 자석의 자기 변동을 검출하는 홀 소자 센서를 구비하고, 이 홀 센서는 상기 자기 변화에 대응한 파형, 예컨대, 정현파 형상 출력 또는 삼각파를 출력하는 것이고, 당해 구동 회로는 이 홀 센서의 출력을 상기 코일조에 직접 공급하도록 구성되어 이루어진다. 상기 코일조로서 복수의 상(相)을 구비하고, 또한 각 상마다 홀 소자 센서를 배치하여 이루어진다. 상기 복수 상의 코일조 사이의 코일 배치를 상호 시프트하여 이루어지고, 또한 상기 복수 상 사이의 홀 소자 센서의 배치도 시프트하여 이루어진다. 상기 구동 회로에의 전원 공급 시에, 상기 홀 소자로부터의 출력이 상기 복수 상의 코일조에 공급하면 상기 영구 자석이 회전할 수 있도록, 상기 복수 상의 코일조의 코일 위치의 시프트 양이 결정되어 이루어진다. 고리 형상으로 된 상기 복수의 코일 상 사이에 상기 영구 자석으로 이루어지는 회전자가 배치되어 이루어진다. 모터의 시동 시에는 직사각형파를 상기 구동 회로가 상기 각 상 코일에 공급하고, 모터의 안정 동작 시에는 상기 역기전압 파형을 상기 각 상 코일에 공급하도록 했다.
또한, 본 발명은 교류 전동 모터의 구동 시스템으로서, 상기 교류 전동 모터가 가진 고유한 역기전력 파형과 동일 파형을 코일에 여자시키는 것을 특징으로 하는 것이다. 상기 파형은 적합하게는 홀 소자 센서에 의해 형성시킨다. 또한, 적합하게는, 상기 홀 소자 센서에 의해 형성된 파형을 PWM 제어 수단을 통해 형성할 수 있다.
이상에 의해, 다른 방식의 전동 모터에서도 마찬가지로, 효율(일/전력비)은 전동 모터 고유 특성이 아니라 전동 모터로부터 발생하는 역기전력의 파형과 동 파형을 이용하여 모터의 코일을 여자시킴으로써, 모터 그 자체를 고효율로 구동시킬 수 있다. 즉, 본 발명에 의하면, 고효율인 모터의 구동 시스템 및 구동 방법을 실현할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 관계되는 모터의 동작 원리를 나타낸 것이다. 이 모터는 제 1 코일조(A상 코일)(10) 및 제 2 코일조(B상 코일)(12) 사이에 회전자(14)를 개재한 구성을 구비하고 있다. 이들 코일과 영구 자석은 고리 형상(원호 형상, 원 형상) 혹은 직선 형상 중 어느 구성이더라도 좋다. 이들 고리 형상으로 형성된 경우는, 영구 자석 또는 코일 상 중 어느 하나가 회전자로서 기능하고, 이들이 선형으로 형성된 경우에는, 어느 하나가 슬라이더로 된다.
제 1 코일조(10)는, 번갈아 다른 극으로 여자 가능한 코일(16)이, 소정 간격, 적합하게는, 균등 간격으로 순서대로 배열된 구성을 구비하고 있다. 이 제 1 코일조의 등가 회로도를 도 5에 나타낸다. 도 1 및 도 2에 의하면, 후술한 바와 같이, 2상의 여자 코일에는, 시동 회전(2π) 중 항상 전체 코일을 기술한 극성으로 번갈아 여자시키고 있다. 따라서, 회전자나 슬라이더 등의 피구동 수단을 고토크로 회전·구동하는 것이 가능해진다.
도 3(a)에 나타내는 바와 같이, 번갈아 다른 극으로 여자되는 복수의 코일(16)(자성 단위)이 등간격으로 직렬 접속되어 있다. 참조 부호 18A는 이 코일에 주파수 펄스 신호를 인가하는 구동 회로를 나타내는 블럭이다. 이 구동 회로로부터 코일(16)에 코일을 여자시키기 위한 여자 신호를 흘렸을 때, 인접하는 코일 사이에서 교대로 자극의 방향이 변하도록, 각 코일이 여자되도록 미리 설정되어 있다. 도 3(b)에 나타내는 바와 같이, 코일(16)이 병렬로 접속되어 있어도 좋다. 이 코일의 구조는 A, B상 코일에 대하여 마찬가지이다.
이 구동 회로(18A)로부터 코일(16)에 공급되는 여자 전류의 극성의 방향을 소정 주기로 번갈아 전환하기 위한 주파수를 가진 신호를 인가하면, 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 회전자(14)와 면하는 쪽의 극성이 N극→S극→N극으로 번갈아 변화되는 자기 패턴이 A상의 제 1 코일조(10)에 형성된다. 주파수 신호가 역극성이 되면, 제 1 코일조의 회전자쪽의 극성이 S극→N극→S극으로 번갈아 변화되는 자기 패턴이 발생한다. 그 결과, A상의 제 1 코일조(10)에 나타나는 여자 패턴은 주기적으로 변화된다.
B상의 제 2 코일조(12)의 구조는, A상의 제 1 코일조(10)와 마찬가지이지만, B상의 제 2 코일조(12)의 코일(18)은 A상의 제 1 코일조(10)의 코일(16)에 대하여 위치적으로 어긋나 배열되어 있는 점이 다르다. 즉, A상의 제 1 코일조(10)에서의 코일(16)의 배열 피치와 B상의 제 2 코일조(12)에서의 코일(18)의 배열 피치가 소정의 피치차(각도차)를 갖도록 오프셋 배치되어 있다. 이 피치차는 영구 자석(20)이 코일(16, 18)에 대하여 여자 전류의 주파수의 1주기(2π)에 대응하여 움직이는 각도의(1회전), 예컨대, π/(2/M):M은 영구 자석(N+S)의 세트 수로 M=3인, π/6가 바람직하다.
다음에 영구 자석에 대하여 설명한다. 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 영구 자석(20)으로 이루어지는 회전자(14)는 2상의 코일조 사이에 배치되어 있고, 교대로 역의 극성을 가진 복수의 영구 자석(20)(검게 칠해져 있음)이 선 형상(원호 형상)으로, 소정 간격, 적합하게는 균등 간격으로 배열되어 있다. 원호 형상이란, 완전한 원, 타원 등 닫혀진 루프 외에, 불특정 고리 형상 구조나, 반원, 부채형도 포함한다.
A상의 제 1 코일조(10)와 B상 코일조(12)는 등거리로 배치되어 있고, A상의 제 1 코일조(10)와 B상의 제 2 코일조(12)의 중간에 회전자(14)가 배치되어 있다. 회전자(14)의 영구 자석(20)의 배열 피치는 대부분 A상의 제 1 코일조(10) 및 B상의 제 2 코일조(12)에서의 코일(16, 18)의 배열 피치와 동일하다.
다음에, 제 1 코일조(10)와 제 2 코일조(12) 사이에 상술한 회전자(14)가 배치된 자기체 구조의 동작을 도 1 및 도 2를 이용하여 설명한다. 상술한 구동 회로(도 3의 참조 부호 18A임. 후술함)에 의해, 어떤 순간에서 A상의 제 1 코일조(10)와 B상의 제 2 코일조(12)의 코일(16, 18)에는, 도 1(a)에 나타내는 바와 같은 여자 패턴이 발생하고 있다고 한다.
이 때, A상의 제 1 코일조(10)의 회전자(14)쪽에 임하는 표면의 각 코일(16)에는, →S→N→S→N→S→의 패턴으로 자극이 발생하고, B상의 제 2 코일조(12)의 회전자(14)쪽에 임하는 표면의 코일(18)에는, →N→S→N→S→N→의 패턴으로 자극이 발생한다. 영구 자석과 각 상 코일의 자기적인 관계가 도시되어 있고, 같은 극간에는 반발력이 발생하고, 다른 극간에는 흡인력이 작용한다.
다음 순간, (b)에 나타내는 바와 같이, A상의 제 1 코일조(10)에 구동 회로(18A)를 통해 인가되는 펄스파의 극성이 반전되면, (a)의 A상의 제 1 코일조(10)의 코일(16)에 발생하는 자극과 회전자(14)의 영구 자석(20)의 자극 사이에 반발력이 발생하고, 한편, B상의 제 2 코일조(12)의 코일(18)에 발생하는 자극과 회전자(14)의 영구 자석(20) 표면의 자극 사이에 흡인력이 발생하고 있기 때문에, 도 1(a) 내지 도 2(e)에 나타내는 바와 같이, 회전자(14)는 도면에서 보아 오른쪽 방향으로 순차 이동한다.
B상의 제 2 코일조(12)의 코일(18)에, A상의 제 1 코일조(10)의 여자 전류와는 위상이 어긋난 펄스파가 인가되고 있고, 도 2의 (f) 내지 (h)에 나타내는 바와 같이, B상의 제 2 코일조(12)의 코일(18)의 자극과 회전자(14)의 영구 자석(20) 표면의 자극이 반발하여 회전자(14)를 더 오른쪽 방향으로 이동시킨다. (a) 내지 (h)는 회전자(14)가 π에 대응하는 회전을 한 경우를 나타내고, (i) 이후는 마찬가지로 해서 나머지의 π→2π에 대응하는 회전을 행한다. 이와 같이 회전자(14)는 A상의 코일 열과 B상의 코일 열에 위상이 어긋난 소정 주파수의 구동 전류(전압) 신호를 공급함으로써, 회전하게 된다.
또, A상 코일 열, B상 코일 열 및 영구 자석을 원호 형상으로 하면, 도 1에 나타내는 자기 구조는 회전 모터를 구성하는 것으로 되고, 이들을 직선 형상으로 형성하면, 이 자기 구조는 선형 모터를 구성하는 것으로 된다. 케이스, 회전자 등의 영구 자석과 코일을 제외한 부분은 비자성체인 수지(카본계를 포함함), 세라믹계에 의해 경량화되고, 요크를 이용하지 않고 자기 회로의 개방 상태로 하는 것에 의해 철 손실을 발생시키지 않아, 파워·웨이트비에 우수한 회전 구동체를 실현할 수 있다.
이 구조에 의하면, 영구 자석에는 A상 코일 및 B상 코일로부터 자력을 받아 움직일 수 있기 때문에, 영구 자석이 발생하는 토크가 커져, 토크/중량 밸런스에 우수하고, 따라서 고토크로 구동 가능한 소형 경량 모터를 제공하는 것이 가능해진다.
도 4는 A상 코일 열의 자성체의 코일(16), 및 B상 코일 열의 코일(18)에 여자 전류를 인가하기 위한 구동 회로(18A)의 일례를 나타내는 블럭도이다. 이 구동 회로는, A상의 코일(16) 및 B상의 코일(18)에 각각 제어된 펄스 주파수 신호를 공급하도록 구성되어 있다. 참조 부호 30은 수정 발진기이며, 참조 부호 31은 이 발진 주파수 신호를 M 분주하여 기준 펄스 신호를 발생시키기 위한 M-PLL 회로(31)이다.
참조 부호 34는 영구 자석으로 이루어지는 회전자(14)의 회전 속도에 대응한 위치 검출 신호를 발생하는 센서(예컨대, 후술한 바와 같이 영구 자석의 자계 변화를 검출하는 홀 소자 센서)이다. 참조 부호 34A는 A상 코일의 드라이버 회로에 검출 신호를 공급하기 위한 A상측 센서이며, 참조 부호 34B는 B상 코일의 드라이버 회로에 검출 신호를 공급하기 위한 B상측 센서이다.
이 센서(34A, 34B)로부터의 검출 신호는 각각, 각 상 코일 열에 여자 전류를 공급하기 위한 드라이버(32)로 출력되고 있다. 참조 부호 33은 CPU이며, M-PLL 회로(31) 및 드라이버(32)에 소정의 제어 신호를 출력한다. 상기 드라이버(32)는 센서로부터의 검출 신호를 직접 또는 PWM 제어하여 코일에 공급하도록 구성되어 있다. 참조 부호 31A는 드라이버에 PWM 제어용 기준파를 공급하기 위한 제어부이다. A상 코일 열용 자기 센서(34A)와 B상 코일 열용의 자기 센서(34B)는, 상술한 바와 같이, 위상차를 두고 영구 자석의 자계를 각각 검출하고 있지만, 필요에 따라서는 검출 신호의 위상 제어가 이루어져, 드라이버(32)에 공급된다. 참조 부호 35는 센서 위상 제어부이다.
도 5는 모터의 사시도이며, (a)는 당해 모터의 사시도, (b)는 회전자의 개략 평면도, (c)는 그 측면도, (d)는 A상 코일 열, (e)는 B상 코일 열을 나타내는 도면이다. 첨부된 참조 부호는 상술한 도면에 대응하는 구성 부분과 같은 것이다.
이 모터는, 고정자에 상당하는 한 쌍의 A상의 제 1 코일조(10)와 B상의 제 2 코일조(12)를 구비하고, 그리고 회전자를 구성하는 상술한 영구 자석(20)을 구비하고, A상의 제 1 코일조와 B상의 제 2 코일조 사이에 회전자(14)가 축(37)을 중심으로 회전이 자유롭도록 배치되어 있다. 회전자와 회전축은 일체적으로 회전하도록, 회전축(37)은 회전자의 중심에 있는 회전축용 개구 구멍에 삽입되어 있다. 도 5의 (b), (d), (e)에 나타내는 바와 같이, 회전자에는 여섯 개의 영구 자극 요소(20)가 원주 방향으로 균등하게 마련되고, 그리고 영구 자극 요소의 극성은 번갈아 반대로 되도록 이루어져 있고, 고정자에는 여섯 개의 코일이 원주 방향으로 균등하게 마련된다.
A상 센서(34A)와 B상 센서(34B)는 위상을 시프트시켜(π/6에 상당하는 거리) A상의 코일(16)의 열의 케이스 내면 측벽에 마련된다. A상 센서(34A)와 B상 센서(34B)는 A상의 코일(16)에 공급되는 주파수 신호와 B상의 코일(18)에 공급되는 주파수 신호에 소정의 위상차를 마련하기 위해 상호 위상을 시프트시키고 있다.
센서로는, 영구 자석의 운동에 따른 자극의 변화로부터 영구 자석의 위치를 검출 가능하고, 홀 효과를 이용한 홀 소자가 바람직하다. 이 센서를 이용하는 것에 의해, 영구 자석의 S극에서 다음 S극까지를 2π로 했을 때에, 영구 자석이 어디에 있어도 영구 자석의 위치를 홀 소자에 의해 검출 가능하다.
다음에 본 발명의 원리에 대하여 설명한다.
도 6(a)는 코일에 직사각형파를 공급한 경우의 코일 양단의 전위 변화를 나타내고 있다. (b)는 코일 양단의 역기전압 파형을 나타내고 있다. (c)는 코일 양단의 소비 전류 파형을 나타내고 있다. 도 7은 두 개의 상의 코일 열 사이에 위치한 영구 자석이 도면에서 보아 오른쪽 방향으로 운동한 경우의 코일에 발생하는 역기전력을 설명하기 위한 원리도이다.
역기전압(V)은 Bh*Cl*P로 정의되고, Bh[T]는 수평 자속 밀도(코일 중심부)이고, Cl(m)은 코일 길이이며, P[m/s]는 코일의 이동 속도를 나타내고 있다. A상의 코일(16)에는 8-1로 나타내는 정현파 모양의 역기전압 파형이 발생하고, B상의 코일(18)에는 8-2로 나타내는 A상의 코일(16) 열의 배열과 B상의 코일(18) 열의 배열의 위상차에 근거하는 위상차를 가진 정현파용 역기전압 파형이 발생한다.
도 6(c)의 TT부 영역의 양단 전압은, 인가 전압과 역기전력의 차이고, 전위차가 크기 때문에 전류가 커진다. 그 때문에 모터의 발생 토크는 커지지만, 모터 의 효율은 저하한다. 효율(η)은, η=(기계적 출력/입력 전압)*100(%)로 정의된다.
한편, 도 8(a)는 코일 양단에 역기전력 파형과 같은 정현파계 신호(공급 전압 파형)를 인가한 경우의 코일 양단의 전압 파형이다. (b)는 코일의 소비 전압 파형을 나타낸 것이다. (b)의 영역 TT으로 표시되는 코일 양단 전압은, 공급 전압 파형과 역기전압 파형의 차로 파형 왜곡만이 발생하고, 코일 양단의 소비 전류 파형은, 도 6(b)의 종축의 스케일과 도 8(b)의 종축의 스케일을 비교해 보면 알 수 있는 바와 같이, 매우 작은 전류값으로 된다. 그 때문에, 상술한 효율이 크게 개선된다. 파형 왜곡을 개선함으로써 효율은 한층 더 향상된다. 아날로그 출력형 홀 소자는 역기전압 파형에 상당하는 파형을 출력할 수 있다. 이와 같이 역기전력의 파형과 동 파형으로 코일을 여자하는 것에 의해, 효율은 직사각형파로 코일을 여자하는 것과 비교하여 2-3배 향상된다. 따라서, 이 모터를 부하에 적용한 경우, 부하의 동작 시동이나 급 가속 시에서의 시동 토크를 중요시하는 국면에서는, 직사각형 파형을 코일에 공급하고, 모터의 안정 동작 시는 정현파를 코일에 공급함으로써 구동 특성과 효율의 양립을 도모할 수 있다.
도 9는, 아날로그 방식 센서(홀 소자 센서)에 의해 드라이버를 직접 구동시키는 구동 회로의 블럭도이다. 즉, 이 센서는, 후술하는 도 10(a)에 나타내는 바와 같이, 역기전력 파형에 가장 가까운 정현파 모양의 출력파를 발생하므로, 이 센서로부터의 출력을 직접 코일에 공급함으로써, 최대 효율로 모터를 운전할 수 있다. 참조 부호 100은 센서 출력의 증폭기이다. 참조 부호 101은 회전자의 정회전 또는 반전 제어 회로이다. A상 또는 B상의 코일에 공급되는 센서로부터의 검출 파형의 극성을 강제적으로 반전시킴으로써 회전자의 회전 방향을 제어할 수 있다. 참조 부호 93은 이 제어 회로에 공급되는 지령 신호의 형성부이다. A상 센서(34A)로부터의 검출 신호가 증폭되어 A상의 코일에 공급된다. B상 센서(34B)로부터의 검출 신호가 증폭되어 B상의 코일에 공급된다.
도 10은 구동 회로에 있어서의 파형 제어의 상태를 나타내는 것이고, (a)는 A상 센서로부터의 아날로그 출력 파형(정현파형)을 나타낸다. (b)는 B상 센서로부터의 출력 파형이다. 상술한 바와 같이, 두 개의 센서는 위상차를 갖고 배치되어 있기 때문에, 위상이 어긋나 있다. (c)는 A상의 코일에 공급되는 A1상 구동 파형(도 3의 단자 A1→A2의 방향의 전압 파형)이며, (d)는 A상의 코일에 공급되는 A2상 구동 파형(도 3의 단자 A2→A1의 방향)이다. (e)는 B상의 코일에 공급되는 B1상 구동 파형이며, (f)는 B2상 구동 파형이다. (g)는 A상의 제 1 코일조(10) 사이의 양단(A1-A2간) 파형이며, (h)는 B상의 제 2 코일조(12) 사이의 양단(B1-B2간) 파형이다. 센서의 정현파 출력 파형이 각각의 상의 코일조에 공급된다.
도 11은 센서로부터의 아날로그 출력을 직사각형파로 변환하여 코일조에 공급하기 위한 구동 회로의 블럭도이다. 상술한 바와 같이 모터를 고토크로 운전하는 것이 필요한 경우에는, 코일에 직사각형파를 공급하는 것의 의의가 있다. 모터의 회전 속도를 도시하지 않은 회전 속도 센서로 검출하여, 모터의 회전 속도가 소정값 이상으로 된 경우(안정 구동 시)에, 구동 회로는 직사각형파 대신에 센서의 아날로그 출력값을 직접 코일 열에 공급하도록 한다.
도 11에서, 참조 부호 121은 히스테리시스 제어용의 가변 볼륨이며, 참조 부호 120은 창 비교기(window comparator)이며, 참조 부호 122는 멀티플렉서(MPX)이다. 창 비교기(120)에는 상술한 각 상 센서의 출력값이 공급되고, 센서 출력과 히스테리시스 레벨의 상/하한값이 비교되어 H레벨 신호와 L레벨 신호가 형성되고, 이것이 멀티플렉서(122)의 스위칭 제어에 의해, A1상의 구동 신호 또는 A2상 구동 신호로서 출력된다. B1상 코일, B2상 코일의 구동에서도 마찬가지이다. 참조 부호 123은 회전자의 정회전 또는 역회전의 회전 방향 제어부이다.
도 12는 도 12의 제어 회로에 의한 파형도이며, (a)는 A상 센서의 정현파 출력 파형이며, (b)는 B상 센서의 출력 파형이다. (c)는 A1상 구동 신호로서 A상의 제 1 코일조(10)에 공급되는 주파수 직사각형 파형이며, (d)는 A1상 구동 신호로서 A상의 제 1 코일조(10)에 공급되는 직사각형 파형이다. (e) 및 (f)는 B상의 제 2 코일조(12)에 공급되는 직사각형 파형이다. (g)는 A상의 제 1 코일조(10) 양단의 전압 파형이며, (h)가 B상의 제 2 코일조(12) 양단의 전압 파형이다. 도 12에서, 히스테리시스 제조용 볼륨은 디지털 아날로그 변환기에 의해 외부 CPU 등으로부터 제어하더라도 좋다. 히스테리시스 레벨을 가변으로 하는 것에 의해 직사각형파의 듀티가 변경되어, 모터 특성의 토크 제어가 가능해진다. 예컨대, 모터 시동 시에 히스테리시스 레벨을 최소로 하고, 효율을 희생하여 토크 우선으로 모터를 구동하며, 또한, 모터의 안정 동작 시에는, 히스테리시스 레벨을 최대로 하여 고효율을 우선으로 하여 모터를 구동한다.
도 13은 센서의 출력이 PWM 변환부(140)에 공급되고, 센서의 아날로그 출력값을 도시하지 않은 기본파와 비교하여, 각 상 코일에 공급되는 직사각형파의 듀티비가 제어되는(PWM 제어되는) 것을 나타내는 구동 회로의 블럭도이다. 즉, 도 14에 나타내는 바와 같이, 각 상 센서의 (1) 및 (2)의 출력이 듀티 제어되어, (3) 및 (4)에 나타내는 바와 같이, 각 상 코일조에 공급되는 양단 전압으로 된다.
도 15는 복수의 영구 자극 요소(150)가 일체로 결합된 영구 자석(회전자)(14)의 평면도를 나타내는 것이다. 도 1 및 2에서는, 회전자의 각 영구 자극 요소 사이는 비자성체로 형성되어 있는 데 대하여, 본 실시예의 회전자에서는 각 영구 자극 요소(150) 사이의 개재 영역을 거치지 않고, 영구 자극 요소끼리가 밀착하고 있다. 참조
부호 152는 회전자의 회전축이며, 참조 부호 154는 회전자이다. 이 회전자의 원주 가장자리에 연속적으로 복수의 영구 자극 요소가 배열되어 있다. 도 15의 회전자에서는, 도 16에 나타내는 바와 같이, 삼각파의 역기전력이 발생한다. 따라서, 각 상 코일 열용 센서의 검출 신호를 3각파로 성형하여 이것을 각 상 코일에 공급하면 모터를 최대 효율로 운전할 수 있다.
이상에 의해, 다른 방식의 전동 모터에서도 마찬가지로, 효율(일/전력비)은 전동 모터 고유 특성이 아니라 전동 모터로부터 발생하는 역기전력의 파형과 동 파형을 이용하여 모터의 코일을 여자시킴으로써, 모터 그 자체를 고효율로 구동시킬 수 있다. 즉, 본 발명에 의하면, 고효율인 모터의 구동 시스템 및 구동 방법을 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명에 관계되는 자성체 구조의 모식도와 동작 원리를 나타내는 것이다.
도 2는 도 1에 계속되는 동작 원리를 나타내는 것이다.
도 3(a)는 복수의 코일을 직렬 접속시킨 코일조의 등가 회로도이며, (b)는 병렬 접속의 경우의 등가 회로도이다.
도 4는 코일조에 여자 신호를 공급하는 구동 회로의 블록도이다.
도 5는 모터의 분해 사시도이다.
도 6은, 본 발명의 원리를 설명하기 위해, 코일에 직사각형파를 공급한 경우의 특성도이다.
도 7은 코일에 역기전력이 발생하는 모양을 나타내는 원리도이다.
도 8은, 본 발명의 원리를 설명하기 위해, 코일에 역기전력의 정현파형과 거의 같은 파형을 구동 파형으로서 코일에 공급하는 경우의 특성도이다.
도 9는 홀 소자 센서로부터의 정현파형을 코일에 공급하기 위한 구동 회로의 블록도이다.
도 10은 도 9의 구동 회로에 있어서의 파형 제어의 모양을 나타내는 각 파형도이다.
도 11은 구동 회로에서 히스테리시스 제어를 가능하게 한 구동 회로 블록도이다.
도 12는 그 파형 제어의 모양을 나타내는 각 파형도이다.
도 13은 각 상 코일의 검출 파형을 PWM 변환 제어부에 직접 공급하고 있는 모양을 나타내는 구동 회로의 기능 블록도이다.
도 14는 그 PWM 제어 동작을 나타내는 파형도이다.
도 15는 영구 자석(회전자)의 다른 예를 나타내는 회전자 평면도이다.
도 16은 당해 롤러를 모터에 사용했을 때에 각 상 센서에 발생하는 삼각파 출력 파형도이다.

Claims (11)

  1. 복수의 코일을 갖는 코일조(組)와, 복수의 자극 요소가 교대로 다른 극으로 되도록 배치된 구조를 갖는 영구 자석과, 상기 코일조와 상기 영구 자석 사이의 자기적 흡인과 자기적 반발에 의해, 상기 코일조와 상기 영구 자석이 상대적으로 이동하도록 구성되고, 또한, 상기 코일조와 상기 영구 자석의 상대 이동에 따라, 상기 영구 자석의 자기 변동을 검출하고, 상기 자기 운동에 대응한 신호로서, 상기 코일에 발생하는 역기전압 패턴의 파형에 상당하는 아날로그 신호를 출력하는 홀 센서를 구비하는 모터의 구동 회로로서,
    상기 구동 회로는,
    상기 복수의 코일을 교대로 다른 극으로 여자하는 구동 신호를 상기 코일조에 공급하는 것이며, 또한, 상기 홀 센서로부터의 출력값에 대한 비교 레벨을 설정하는 가변 볼륨과,
    상기 비교 레벨과 상기 홀 센서로부터의 출력값을 비교하는 창 비교기와,
    상기 비교 결과에 근거하여 상기 코일조로 공급되는 상기 구동 신호를 생성하는 멀티플렉서를 구비하여 이루어지는
    모터의 구동 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변 볼륨은 상기 비교 레벨을 가변으로 할 수 있는 모터의 구동 회로.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 가변 볼륨은 상기 비교 레벨로서 상한값과 하한값을 설정하는 것이고,
    상기 창 비교기는, 상기 출력값과, 상기 상한값 및 상기 하한값을 비교하고,
    상기 멀티플렉서는 상기 비교 결과에 근거하여 상기 구동 신호를 생성하는,
    모터의 구동 회로,
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 구동 회로는, 상기 멀티플렉서가 생성한 상기 구동 신호를 증폭하여, 상기 코일조에 공급하는 증폭기를 더 구비하는 모터의 구동 회로.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 구동 회로는, 상기 코일조와 상기 영구 자석 사이의 상대적인 이동의 방향을 제어하는 반전 제어 회로를 더 구비하는 모터의 구동 회로.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 반전 제어 회로는 상기 홀 센서로부터의 출력 극성을 반전시켜, 상기 상대적인 이동의 방향을 역 방향으로 제어하는 모터의 구동 회로.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 구동 회로는 상기 홀 센서로부터의 출력을 PWM 변환하고, 변환 후의 신호를 상기 멀티플렉서에 공급하는 PWM 변환부를 더 구비하는 모터의 구동 회로.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    각각 상기 코일로 이루어지는 제 1 코일조와 제 2 코일조가, 상기 복수의 코일의 배열에 위상차를 갖도록 조합시켜, 상기 제 1 코일조와 제 2 코일조 사이에 상기 영구 자석이 배치되고, 상기 구동 회로가 상기 제 1 코일조와 상기 제 2 코일조에 각각 상기 구동 신호를 공급하여, 상기 영구 자석을 상기 제 1 코일조와 상기 제 2 코일조 사이에서 회전시키도록 구성되어 이루어지고,
    제 1의 상기 홀 센서와 제 2의 상기 홀 센서를 상기 위상차를 가지고 상기 영구 자석에 대하여 배치하고, 상기 모터의 구동 회로는, 상기 제 1 홀 센서의 출력에 근거하여 제 1 구동 신호를 상기 제 1 코일조에 공급하고, 상기 제 2 홀 센서의 출력에 근거하여 제 2 구동 신호를 상기 제 2 코일조에 공급하는
    모터의 구동 회로.
  9. 삭제
  10. 청구항 1 또는 2에 기재된 모터의 구동 회로와,
    상기 모터의 구동 회로로 구동되는 모터를 구비하는 소형 전동 기기.
  11. 청구항 1 또는 2에 기재된 모터의 구동 회로와,
    상기 모터의 구동 회로로 구동되는 모터를 구비하는 구동체.
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