도 1 및 도 2는 본 발명에 관계되는 모터의 동작 원리를 나타낸 것이다. 이 모터는 제 1 코일 조(A상 코일)(10) 및 제 2 코일 조(B상 코일)(12) 사이에 제 3 영구 자석(14)을 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 코일 조(10)는, 번갈아 다른 극으로 여자 가능한 코일(16)이, 소정 간격, 적합하게는, 균등 간격으로 순서대로 배열된 구성을 구비하고 있다. 이 제 1 코일 조의 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 전자 코일(16)(자성 단위)이 등간격으로 직렬 접속되어 있다. 참조 부호 18A는 이 자기 코일에 주파수 펄스 신호를 인가하는 구동 회로를 나타내는 블럭이다. 이 구동 회로로부터 전자(電磁) 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, 전자 코일(16)이 병렬로 접속되어 있어도 좋다. 이 코일의 구조는 A, B상 코일에 대하여 마찬가지이다.
이 여자 회로(18A)로부터 전자 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 A상 코일 조(10)로 형성된다. 주파수 신호가 역극성이 되면, 제 1 자성체의 제 3 자성체 쪽의 극성이 S극→N극→S극으로 번갈아 변화되는 자기 패턴이 발생한다. 그 결과, A상 코일 조(10)에 나타나는 여자 패턴은 주기적으로 변화된다.
B상 코일 조의 구조는, A상 코일 조와 마찬가지이지만, B상 코일 조의 전자 코일(18)은 A상 코일 조의 전자 코일(16)에 대하여 위치적으로 어긋나 배열되어 있는 점이 다르다. 즉, A상 코일 조에서의 코일의 배열 피치와 B상 코일 조의 배열 피치가 소정의 피치차(각도차)를 갖도록 오프셋 배치되어 있다. 이 피치차는 영구 자석(14)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 자석으로 이루어지는 회전자(14)는 2상의 코일 조 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.
A상 코일 조(10)와 B상 코일 조(12)는 등거리로 배치되어 있고, A상 코일 조와 B상 코일 조의 중간에 제 3 자성체(14)가 배치되어 있다. 영구 자석(20)의 배열 피치는 대부분 A상 코일(10) 및 B상 코일(12)에서의 자기 코일의 배열 피치와 동일하다.
다음에, 제 1 자성체(10)와 제 2 자성체(12) 사이에 상술한 제 3 자성체(14)가 배치된 자기체 구조의 동작을 도 1 및 도 2를 이용하여 설명한다. 상술한 여자회로(도 3의 참조 부호 18임. 후술함)에 의해, 어떤 순간에서 A상 코일과 B상 코일의 전자 코일(16, 18)에는, 도 1(a)에 나타내는 바와 같은 여자 패턴이 발생하고 있다고 한다.
이 때, A상 코일(10)의 영구 자석(14) 쪽에 임하는 표면의 각 코일(16)에는, →S→N→S→N→S→의 패턴으로 자극이 발생하고, B상 코일(12)의 영구 자석(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, A상 코일에 구동 회로(18)를 통해 인 가되는 펄스파의 극성이 반전되면, (a)의 A상 코일(10)의 코일(16)에 발생하는 자극과 영구 자석(20)의 자극 사이에 반발력이 발생하고, 한편, B상 코일(12)의 코일(18)에 발생하는 자극과 영구 자석(20) 표면의 자극 사이에 인력이 발생하고 있기 때문에, 도 1(a) 내지 도 2(e)에 나타내는 바와 같이, 영구 자석(14)은 도면에서 보아 오른쪽 방향으로 순차 이동한다.
B상 코일(12)의 코일(18)에, A상 코일의 여자 전류와는 위상이 어긋난 펄스파가 인가되고 있고, 도 2의 (f) 내지 (h)에 나타내는 바와 같이, B상 코일(12)의 코일(18)의 자극과 영구 자석(20) 표면의 자극이 반발하여 영구 자석(14)을 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 회전자는 A상 코일 열과 B상 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 전자 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 전자 코일(16), 및 B상 코일 열의 전자 코일(18)에 여자 전류를 인가하기 위한 여자 회로(18A)의 일례를 나타내는 블럭도이다. 이 여자 회로는, A상 전자 코일(16) 및 B상 전자 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 전자 코일의 드라이버 회로에 검출 신호를 공급하기 위한 A상측 센서이며, 참조 부호 34B는 B상 전자 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 전자 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 전자 코일 열 ,(e)는 B상 전자 코일 열을 나타내는 도면이다. 첨부된 참조 부호는 상술한 도면에 대응하는 구성 부분과 같은 것이다.
이 모터는, 고정자에 상당하는 한 쌍의 A상 코일 열(10)과 B상 코일 열(12)을 구비하고, 그리고 회전자를 구성하는 상술한 영구 자석(14)을 구비하고, A상 코일 열과 B상 코일 열 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 전자 코일이 원주 방향으로 균등하게 마련된다.
A상 센서(34A)와 B상 센서(34B)는 위상을 시프트시켜(π/6에 상당하는 거리) A상 코일 열의 케이스 내면 측벽에 마련된다. A상 센서(34A)와 B상 센서(34B)는 A상 코일(16)에 공급되는 주파수 신호와 B상 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. A상 코일(16)에는 8-1로 나타내는 정현파 모양의 역기전압 파형이 발생하고, B상 코일(18)에는 8-2로 나타내는 A상 코일 열의 배열과 B상 코일 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, 모터의 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 A상 코일에 공급된다. B상 센서(34B)로부터의 검 출 신호가 증폭되어 B상 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 A상 코일에 공급되는 A1상 구동 파형(도 3의 단자 A1→A2의 방향의 전압 파형)이며, (d)는 A상 코일에 공급되는 A2상 구동 파형(도 3의 단자 A2→A1의 방향)이다. (e)는 B상 코일에 공급되는 B1상 구동 파형이며, (f)는 B2상 구동 파형이다. (g)는 A상 코일 조 사이의 양단(A1-A2간) 파형이며, (h)는 B상 코일 조 사이의 양단(B1-B2간) 파형이다. 센서의 정현파 출력 파형이 각각의 상의 코일 조에 공급된다.
도 11은 센서로부터의 아날로그 출력을 직사각형파로 변환하여 코일 조에 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 120은 히스테리시스 제어용의 가변 볼륨이며, 참조 부호 122는 창 비교기(window comparator)이며, 참조 부호 124는 멀티플렉서이다. 창 비교기에는 상술한 각 상 센서의 출력값이 공급되고, 센서 출력과 히스테리시스 레벨의 상/하한값이 비교되어 H레벨 신호와 L레벨 신호가 형성되고, 이것이 멀티플 렉서의 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 A상 코일 조에 공급되는 주파수 직사각형 파형이며, (d)는 A1상 구동 신호로서 A상 코일 조에 공급되는 직사각형 파형이다. (e) 및 (f)는 B상 코일 조에 공급되는 직사각형 파형이다. (g)는 A상 코일 조 양단의 전압 파형이며, (h)가 B상 코일 조 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 PMW 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 코일 조에 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.