JP3545262B2

JP3545262B2 - 永久磁石モータ

Info

Publication number: JP3545262B2
Application number: JP13510699A
Authority: JP
Inventors: 和彦森
Original assignee: Aichi Electric Co Ltd
Current assignee: Aichi Electric Co Ltd
Priority date: 1999-05-17
Filing date: 1999-05-17
Publication date: 2004-07-21
Anticipated expiration: 2019-05-17
Also published as: JP2000324874A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホール素子等の位置検知素子を用いることなく、センサレスで駆動可能とした永久磁石モータの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の永久磁石モータ、例えば、ブラシレスモータをホール素子などの位置検知素子を用いることなく駆動する場合は、回転駆動中のモータの電機子巻線に生じる速度起電力と界磁の位置との相関に着目して、前記速度起電力によりモータの転流タイミングを決定していた。特公平７−６３２３２号公報には、この速度起電力に基づいて、特に、単相のブラシレスモータをセンサレスで駆動する技術が記載されている。
【０００３】
しかしながら、転流タイミングを決定するための速度起電力は、モータの電機子巻線電圧を利用して検出せざるを得ないので、特に、単相モータでは１８０度通電を行うことができなかった。このため、単相モータでは、始動時に回転子に対して大きなトルクを与えることができず、始動後短時間のうちに該モータを高速回転させることができなかった。また、単相モータに限らず、高負荷トルク時には、通電切替に伴う電機子電流の還流作用による転流スパイク電圧が増大するので、検出される速度起電力情報に大きな誤差が生じてしまい、その結果、界磁磁極位置の推定に大きなズレが生じて、転流タイミングを適切に決定することができなかった。
【０００４】
そこで、本願出願人は、特開平９−３７５８６号に記載するブラシレスモータのセンサレス駆動回路を発明した。かかるモータ駆動回路は、モータ各相の電機子電流波形に着目して、各相の通電領域にあらわれる２つの顕著な電流増加領域のうち第２の電流増加領域を検出して、これを転流タイミングと決定し、転流制御を行うものである。よって、このモータ駆動回路では、速度起電力によらず、電機子電流に基づいて転流タイミングを決定しているので、単相モータであっても１８０度通電を行うことができ、また、高負荷トルク時でも適切に転流タイミングを決定することができるという優れた点を備えている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、かかるモータ駆動回路では、上記第２の電流増加領域を、モータの電機子電流の瞬時値が電機子電流の平均値の所定倍（例えば１．２倍）になったことを目安として検出している。よって、第２の電流増加領域の検出のためには、電機子電流を平均化する回路と、その平均化された電機子電流を所定倍に増幅する回路とが必要になり、回路コストが上昇してしまうという問題点があった。
【０００６】
本発明は、前述の問題点を解決するようにしたもので、永久磁石モータの起動に際してその回転子の起動時回転方向を特定させることを可能とし、かつ、電機子電流に基づいて転流タイミングを迅速・確実に決定することができる簡素な制御回路を備えた、小形軽量で経済的な永久磁石モータを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の永久磁石モータは、永久磁石からなる回転子と、上部側に一対の切込部を設けて前記回転子を回転自在に挿入する回転子挿入孔を備え、下部側には分離可能な鉄心部材に電機子巻線を巻回したスケルトン形の単相ブラシレスモータを構成し、この単相ブラシレスモータの電機子巻線にインバータ回路から交番電圧を通電して該インバータ回路により転流を行わせて単相ブラシレスモータを回転させる制御回路を備えた永久磁石モータにおいて、前記制御回路は、単相ブラシレスモータの始動時に必要な始動トルクを発生させる電機子電流を電機子巻線に流して単相ブラシレスモータを始動させる始動補償回路と、この始動補償回路と前記インバータ回路との間に介挿されて単相ブラシレスモータの電機子巻線に流れる通電電流を検出する一対のシャント抵抗からなる電流検出回路と、前記電流検出回路により検出した検出電流をインバータ回路に負帰還させる帰還回路と、一対の電界効果トランジスタを具備して構成したインバータ回路とからなり、前記インバータ回路を構成する一対の電界効果トランジスタには、該電界効果トランジスタのドレイン電流を検出する前記電流検出回路の一方を接続するとともに、電流検出回路の他方を始動補償回路と接続して単相ブラシレスモータを始動させる通電電流の検出手段を構成し、この検出手段にて検出したインバータ回路の一方の電界効果トランジスタのドレイン電流により単相ブラシレスモータを始動するようにしたことを特徴とする。
【００１３】
本発明の永久磁石モータは、電機子巻線に流れる電機子電流の急増領域を検出し、インバータ回路に転流を行わせる制御回路を備え、即ち、前記電機子電流の急増領域の現出を転流タイミングとして設定し、永久磁石モータの転流を行わせて、永久磁石モータの始動（起動）→回転（駆動）を円滑に行わせるようにしたもので、これは、前記制御回路に、転流周期を、特定方向に流れる起動電流を検出して永久磁石モータの始動時には、始動トルクを発生させるために充分に長くし、始動後は逆に短くするための始動補償回路を具備させたことにより、始動時のトルクを十分に得ることができる。
【００１４】
又、永久磁石モータの固定子鉄心は、回転子との間で空隙に差異をつけることにより、停止時、特定位置に停止させるべくコギングトルクの誘発を容易となし、かつ、磁束の通電時と非通電においては、回転子に傾きを付与させることにより、特定方向（事前に設定した回転方向）にのみ回転しやすいように構成されているので、始動時、少しばかり逆方向に回転したとしても、容易に正常な回転方向に駆動させることができる。これは、前記固定子鉄心に形成した空隙の差異と、インバータ回路を構成する一対の電界効果トランジスタのドレイン電流を、個々にシャント抵抗を備えた電流検出回路にて検出するものの、前記電界効果トランジスタの一方のドレイン電流のみによって作動するように構成した始動補償回路とによる相乗効果によって、始動時は電機子巻線の特定コイルからのみ通電されることにより、回転子を起動させるようにしたので、前記回転子は常に一定の通電極性での起動が可能となり、これによって、永久磁石モータを単相モータでありながら、特定の方向にのみ回転させることができ、利便である。
【００１５】
しかも、前記永久磁石モータを起動させる制御回路は、前記のように、起動時において、回転子の位置決め制御を行うための回路が不要となるため、回路構成が簡素化できるとともに、その製作コストの低減が図れ、ローコストの永久磁石モータの提供が可能となる。しかも、インバータ回路に電界効果トランジスタを使用することにより、電流の負帰還が可能となることで過電流時の保護作用が働きインバータ回路を良好に保護することができる。その上、前記インバータ回路には転流を行わせるとき、電界効果トランジスタのゲート電圧条件の安定化が図れることによってインバータ回路の動作のバラツキが少なくなり、これにより、制御回路の製造上の歩留りが改善でき、その生産性を著しく向上させることができるという利点もある。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の永久磁石モータを単相ブラシレスモータ（以下、単相モータと称する）に実施した例を図１ないし図３によって説明する。図１において、単相モータ１は図の上部側に回転子２を回転自在に挿入するための回転子挿入孔３を有し、図の下部側には、分離可能な鉄心部材４を介して電機子巻線５を巻装した固定子鉄心６と、永久磁石からなる前記回転子２からなり、固定子鉄心６は電磁鋼板を打抜き、所定の積厚に積層して形成し、又、回転子２は、例えば、磁性粉末を合成樹脂粉末と混合し、これを射出成型手段等により射出成形して形成した、プラスチックマグネットロータ（以下、単に回転子と称する）であり、この回転子２と前記固定子鉄心６とを組合せて、スケルトン形の単相モータ１を構成している。
【００１７】
そして、前記固定子鉄心６には、図１に示すように、回転子挿入孔３の外側において、回転子挿入孔３の周縁に例えば、約１８０°の角度間隔を保って、一対の平面形状がＵ字状をなす切欠部７ａ，７ｂが、前記回転子挿入孔３と連通することなく狭隘な狭幅部（磁路）Ａ，Ｂを有して形成されている。前記狭幅部Ａ，Ｂを形成するのは、電機子巻線５が磁化されていないときに固定子鉄心６に流れる磁束（回転子２により生じる）を前記隘路Ａ，Ｂに集中させ、回転子２に所要の磁極を形成させるためのものであり、固定子鉄心６に流れる磁束は、隘路Ａ，Ｂにおいて集中するものの、均等に割り振りされて前記回転子２に流れることにより、回転子２の起動時における例えば、位置決め動作に貢献するものである。
【００１８】
又、前記固定子鉄心６の回転子挿入孔３の周縁には、図１で示すように、前記切欠部７ａ，７ｂとは例えば、約９０°の角度間隔を保って回転子挿入孔３と連通可能となした一対の切込部８ａ，８ｂが、互いに相対向して約６０°の角度範囲を保って弧状に形成されている。この切込部８ａ，８ｂが存在する回転子挿入孔３の部位は、前記狭幅部Ａ，Ｂが存在する回転子挿入孔３の部位より広く形成されているので、固定子鉄心６に流れる磁束は、前記切込部８ａ，８ｂの存在による磁気抵抗の増加により流れが抑制され、回転子２はその磁化が最も弱体化している永久磁石のＮ極とＳ極との境界部分ａが、前記切込部８ａ，８ｂ間のほぼ中央の位置で停止させることができる。
【００１９】
前記固定子鉄心６にＵ字状の切欠部７ａ，７ｂと弧状の切込部８ａ，８ｂをそれぞれ設けることは、回転子２を始動位置に導いたり、所定位置に停止させるためのもので、この点は、公知の有限要素法の磁場解析によるコギングトルク解析によって確認することができた。特に、切欠部７ａ，７ｂの存在は、この切欠部７ａ，７ｂと回転子挿入孔３との間に形成される狭幅部Ａ，Ｂに磁束が集中する結果、回転子２をその停止位置から始動位置近くまで良好に微動させることが可能となり、これが回転子２の回転方向を特定する上で大いに貢献しているものと思われる。
【００２０】
前記の点を更に詳述すると、固定子鉄心６は電機子巻線５への通電により鉄心部材４が直流磁化されると、固定子鉄心６に、例えば図１において右方向（時計方向）に沿って磁束が流れる。この結果、回転子２の磁極は固定子鉄心６に流れる磁束に対して整列しやすい方向に位置を変え（回転す）ることになるが、これを、即ち、回転子２の回転を始動時において急激に行うと、回転子２自体がいづれの方向に回転するのか不明となる。このため、固定子鉄心６の鉄心部材４を、比較的高い周波数で交流磁化させ、かつ、直流成分を上乗せすることにより、固定子鉄心６を少しだけ直流磁化させて回転子２の回転方向を特定させるものである。
【００２１】
又、前記固定子鉄心６に形成した切欠部７ａ，７ｂにより、この切欠部７ａ，７ｂと回転子挿入孔３との間に形成される狭幅部Ａ，Ｂ及び狭幅部Ａ，Ｂと９０°離れた位置に設けた切込部８ａ，８ｂの存在によって前記回転子２が、電機子巻線５への非通電時においては、図１で示す回転子２の境界部分ａが切込部８ａ，８ｂを結ぶ線と一致する地点（図１に示すＸ−Ｘから偏角θ傾いた図６（ａ），（ｃ）に示す状態、なお、図６（ｃ）に示す回転子２は図６（ａ）に示す回転子２に対して永久磁石のＮ極とＳ極とが逆になっている）で停止することができるように、固定子鉄心６は構成されている。なお、この現象は有限要素法の磁場解析によるコギングトルク解析により確認することができた。
【００２２】
又、電機子巻線５は、例えば、固定子鉄心６の鉄心部材４のみに巻装された一組の中間子付巻線（センタタップ巻線）より構成され、２つの端子ｅ，ｆと中間端子ｇとの計３つの端子を備えている。また、その巻線仕上げは、２本の導線を束ねて同時に巻く、いわゆる「パイファイラ巻き」により行われている。なお、界磁を固定子に電機子巻線を回転子としたスリップリング付きモータや、埋め込み磁石形のモータに、この駆動回路を用いても良い。また、単相モータの場合には、中間タップがあれば良く、必ずしもパイファイラ巻きである必要は無い。
【００２３】
次に、本発明の単相モータ１を駆動制御するセンサレス方式の制御回路１１について説明する。図２，３において、前記制御回路（以下モータ駆動回路という）１１は、大別すると、インバータ回路１２と、電流検出回路１３と、帰還回路１４と、始動補償回路１５とを備えて概略構成されている。このモータ駆動回路１１には、１０〜３０ボルトの直流電圧を出力可能な直流電源５０が接続され、そのプラス側入力端Ｐは、ダイオードＤ_１のアノードに接続されている。このダイオードＤ_１は、単相モータ１の転流動作時に発生する逆起電力による還流電流が直流電源５０に流れ込むのを防止する。
【００２４】
又、ダイオードＤ_１のカソードは、前記還流電流を充電するコンデンサＣ_１（５０Ｖ、１００μＦ）のプラス側端子に接続され、そのコンデンサＣ_１のマイナス側端子は、直流電源５０のマイナス側入力端Ｎに接続されている。なお、還流電流をコンデンサＣ_１に充電することは、モータ駆動回路１１から外部に発振される電磁ノイズ（ＥｌｅｃｔｒｏＭａｇｎｅｔｉｃＩｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）の量の減少を図るとともに、直流電源５０と端子ＰＮ間の配線抵抗での電力損失の低減及び還流電流の再利用による電力利用率の向上（効率）を図るためのものである。
【００２５】
前記ダイオードＤ_１のカソードは、単相モータ１の中間端子ｇに接続され、単相モータ１の端子ｅ，ｆは、インバータ回路１２に接続されている。インバータ回路１２は、無安定マルチバイブレータ動作（自励発振動作）を行って、単相モータ１の各コイルＬ_１（ｇ−ｅ巻線），Ｌ_２（ｇ−ｆ巻繰）に、交互に直流電圧を印加するための回路である。このインバータ回路１２は、電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴという）Ｑ_１，Ｑ_２と、１０ｋΩの抵抗Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３，Ｒ_４とを備えて構成されている。
【００２６】
前記インバータ回路１２の両ＦＥＴＱ_１，Ｑ_２のドレイン端子は、単相モータ１の両端子ｅ，ｆにそれぞれ接続されるとともに、抵抗Ｒ_１，Ｒ_２を介して、それぞれ他方のＦＥＴＱ_２，Ｑ_１のゲート端子に交叉接続されている。又、ＦＥＴＱ_１，Ｑ_２のゲート端子とソース端子との間には抵抗Ｒ_３，Ｒ_４が接続されている。この接続により、一方のＦＥＴのオンにより他方のＦＥＴがオフするという、即ち、オン・オフ動作が順次繰り返される、所謂、無安定マルチバイブレータ動作（自励発振動作）が行われる。
【００２７】
次に、前記インバータ回路１２の無安定マルチバイブレータ動作について説明する。図４は負荷時における各電流・電圧波形を示すもので、その電圧基準はＦＥＴＱ_１，Ｑ_２のソース端子の点Ｅとしている。
【００２８】
直流電源５０の投入により、例えば、ＦＥＴＱ_１がオンし、ＦＥＴＱ_２がオフしたとすると、図４に示すように、コイルＬ_１を介して電流が流れ（３１）、ＦＥＴＱ_１のドレイン電流が増加する（３２）。やがて前記ドレイン電流がＦＥＴＱ_１のゲート電圧とコンダクタンスとで定まる飽和電流値に達すると（３３）、ＦＥＴＱ_１のドレイン電流の増加率が低下し、ＦＥＴＱ_１のドレイン・ソース間電圧が上昇し始める。ＦＥＴＱ_１のドレイン電圧がソース端子を基準にして５ボルト付近に達すると、抵抗Ｒ_１を介して、ＦＥＴＱ_２にゲート電圧が加わりＦＥＴＱ_２がオンを開始する（３５）。このＦＥＴＱ_２のオンに伴って、ＦＥＴＱ_２のドレイン電圧が低下し、抵抗Ｒ_２とＲ_３の分圧によってＦＥＴＱ_１に供給されるゲート電圧も減少する。
【００２９】
このゲート電圧の減少とともに、ＦＥＴＱ_１の飽和電流値も減少するので、ＦＥＴＱ_１のドレイン電流が更に減少する（３７）。これにより、ＦＥＴＱ_１のドレイン電圧が更に上昇し（３８）、ＦＥＴＱ_２のゲート電圧を増加させて、ＦＥＴＱ_２のオンを加速する（３９）。一方、ＦＥＴＱ_２のオンにより、ＦＥＴＱ_２のドレイン電圧が低下し（３９）、ＦＥＴＱ_１のゲート電圧が更に減少して、ＦＥＴＱ_１のオフが加速される。このように、急速に、ＦＥＴＱ_１がオフ、ＦＥＴＱ_２がオンの状態に変化する。
【００３０】
ＦＥＴＱ_２がオン、ＦＥＴＱ_１がオフとなった後は、ＦＥＴＱ_２のドレイン電流が飽和電流値に達するまでその状態を維持する。そして、ＦＥＴＱ_２のドレイン電流が飽和電流値に達すると、前記とは逆に、ＦＥＴＱ_１のオン、ＦＥＴＱ_２のオフが急速に行われ、その状態（Ｑ_１とＱ_２のオン・オフ状態）が変化する。このように、ＦＥＴＱ_１，Ｑ_２のオン・オフ動作が繰り返され、その結果、インバータ回路１２は「無安定マルチバイブレータ動作」（自励発振動作）を行うのである。
【００３１】
次に、１３はインバータ回路１２の両ＦＥＴＱ_１，Ｑ_２のソース端子と、直流電源５０のマイナス側入力端Ｎとの間に挿設した、電流検出回路１３で、この電流検出回路１３は、２Ω（４Ｗ）のシャント抵抗Ｒ_５，Ｒ_６により構成され、インバータ回路１２を介して単相モータ１の電機子巻線Ｌ_１，Ｌ_２に流れる電流（以下「電機子電流」という）を、シャント抵抗Ｒ_５，Ｒ_６に流れるシャント電流として検出し（３１）、これを電圧（３１ａ）に変換するための回路である。この電圧変換されたシャント電流は、後述する帰還回路１４によってインバータ回路１２へフィードバック（帰還）され、前記した無安定マルチバイブレータ動作の発振周期を決定するものである。なお、前記シャント抵抗Ｒ_５，Ｒ_６は、インバータ回路１２のＦＥＴＱ_１，Ｑ_２に流れる電流のバランスをとるために２個設置されている。
【００３２】
前記帰還回路１４は、シャント抵抗Ｒ_５，Ｒ_６からなる電流検出回路１３によって検出され電圧に変換されたシャント電流（電機子電流）を、インバータ回路１２へフィードバックする回路であり、２つのダイオードＤ_２，Ｄ_３と、２．２ｋΩの抵抗Ｒ_７と１０ｋΩの抵抗Ｒ_８とからなり、前記抵抗Ｒ_７，Ｒ_８は直列に接続され、抵抗Ｒ_８側の一端はシャント抵抗Ｒ_５，Ｒ_６の電圧を増幅した電流検出回路１３の出力端に接続され、抵抗Ｒ_７側の他端はダイオードＤ_２，Ｄ_３のカソードに接続されている。又、ダイオードＤ_２，Ｄ_３のアノードは、インバータ回路１２の各ＦＥＴＱ_１，Ｑ_２のゲート端子にそれぞれ接続されている。
【００３３】
この帰還回路１４は、電流検出回路１３、及び、ゲート抵抗Ｒ_１，Ｒ_２と分圧抵抗Ｒ_３，Ｒ_４とＦＥＴＱ_１，Ｑ_２とのコンダクタンスの相互作用を利用して、電機子電流の急増領域を検出し、その急増領域でインバータ回路１２による転流が行われるようにしている。又、前記電機子電流は、回転子２が固定子鉄心６に最も吸着される位置、即ち、回転子２の磁場ベクトルと、電機子巻線５への通電により生じる磁場ベクトルとが整列する位置（モータの発生トルクがゼロとなる位置）で急増する。これは、回転子２が前記位置に達することにより、発電電圧がほぼ「０」となるからである。従って、前記急増領域の現出を転流タイミングとして決定することにより、単相モータ１を適確に同期駆動（回転）することが可能となる。
【００３４】
具体的には、電流検出回路１３のシャント抵抗Ｒ_５，Ｒ_６の電圧降下を、インバータ回路１２の各ＦＥＴＱ_１，Ｑ_２のゲート端子へフィードバック（帰還）させることである。すると、電機子電流の急増領域では、シャント抵抗Ｒ_５，Ｒ_６の電圧降下が大きくなる結果、その分、ゲート部分の電流が帰還回路１４側へ流れることでゲート電圧が少なくなり、ドレイン電流の飽和電流値が小さくなるものの、その際、流れているドレイン電流が飽和電流値と一致すると、両ＦＥＴＱ_１，Ｑ_２のオン・オフ状態が切替えられ、転流動作が円滑に行われるためである。
【００３５】
なお、かかる転流周期（タイミング）、即ち、上記したインバータ回路１２の発振周期は、この帰還回路１４の抵抗値により変化させることができる。具体的には、帰還回路１４の抵抗値を小さくすると、インバータ回路１２の発振周期が短くなり（発振周波数が大きくなり）、逆に抵抗値を大きくすれば発振周期が長くなる（発振周波数が小さくなる）。帰還回路１４の抵抗値を小さくすることにより、ＦＥＴＱ_１，Ｑ_２のゲート端子への帰還量が多くなるので、電機子電流の急増を僅かに検出した場合でも、転流動作を確実に行わせることが可能となる。
【００３６】
なお、単相モータ１の回転子２は、固定子鉄心６の回転子挿入孔３周縁に設けた切込部８ａ，８ｂの存在により、境界部分ａが切欠部７ａ，７ｂを結ぶ線上と一致した地点でコギングトルクの作用により停止（〔段落番号１８，２１〕の記載参照）される。この際、回転子２のＮ極とＳ極は、図６（ａ）と図６（ｃ）で示すように、互いに正反対の位置に存在しているが、これは、回転子２の磁界が弱いために生ずるもので、本発明においては、回転子２の停止時における磁石の極性は不明であるものの、回転子２は前記図６（ａ）と図６（ｃ）に示すいづれかの位置で停止するように構成されている。
【００３７】
つづいて、始動補償回路１５について説明する。この回路１５は、単相モータ１の始動時に、充分な始動トルクを発生させる上で必要な電機子電流を流して、単相モータ１の始動動作を確実に行うための回路である。従って、この始動補償回路１５は、単相モータ１の始動時と始動後において帰還回路１４の抵抗値を大小させ、始動時には転流周期を長くして、単相モータ１へ充分な電機子電流を流し、始動後は前記転流周期を短くして単相モータ１を高速回転させるようにしている。
【００３８】
始動補償回路１５は、ＦＥＴＱ_２のソース端子およびシャント抵抗Ｒ_６の入力端にアノードが接続されたダイオードＤ_４を備え、そのダイオードＤ_４のカソードは２７ｋΩの抵抗Ｒ_９の一端に接続されている。一方、抵抗Ｒ_９の他端は、トランジスタＱ_３のベース端子と、コンデンサＣ_２（２２０μＦ，１０Ｖ）のプラス側端子と、４７ｋΩのブリーダ抵抗Ｒ_１０の一端とに接続されている。前記トランジスタＱ_３のコレクタ端子は帰還回路１４の２つの抵抗Ｒ_７，Ｒ_８間に接続され、エミッタ端子は、コンデンサＣ_２のマイナス側端子およびブリーダ抵抗Ｒ_１０の他端とともに、シャント抵抗Ｒ_５の出力端と直流電源５０のマイナス側入力端Ｎとにそれぞれ接続されている。
【００３９】
この始動補償回路１５は、コンデンサＣ_２に所定量の電荷が蓄積されて、その端子間電圧が約０．６ボルトに達するまで、トランジスタＱ_３のオフを維持し、帰還回路１４の抵抗値を１２．２ｋΩ（抵抗Ｒ_７，Ｒ_８）という大きな値に保ち、単相モータ１の始動時における転流周期を長くしている。これにより、単相モータ１の始動後、コンデンサＣ_２の端子間電圧が約０．６ボルトに達するまでの間、単相モータ１の各コイルＬ_１，Ｌ_２へ、始動トルクを発生させるために充分な電機子電流を流すことが可能となる。
【００４０】
前記始動補償回路１５は、図５において、コンデンサＣ_２の端子間電圧は０．６ボルト未満となっており（６２），トランジスタＱ_３はオフしている（６３）。然るに、モータ駆動回路１１の運転スイッチＳを投入すると（６４）、シャント抵抗Ｒ_６に通電されるタイミングで帰還回路１４の抵抗値が１ｋΩ弱から１２．２ｋΩと急激に大きくなる。この結果、インバータ回路１２の発振周期が長くなり、単相モータ１の転流周期が長くなって、各コイルＬ_１，Ｌ_２には始動トルクを発生させるために充分な電機子電流が流される。各コイルＬ_１，Ｌ_２に流れる電機子電流は、そのままシャント抵抗Ｒ_５，Ｒ_６（図５にはＲ_５のみ記入）を流れるシャント電流となり（６５）、このシャント電流により抵抗Ｒ_６の両端電圧が、マイナス側入力端Ｎを基準として、約０．６ボルト以上になると（ダイオードＤ_４の電圧降下分以上になると）、コンデンサＣ_２への充電が開始され、その端子間電圧が徐々に上昇（６６）して約０．６ボルトに達すると（６７）、トランジスタＱ_３がオン（６８）して、帰還回路１４の抵抗値が、１２．２ｋΩ（抵抗Ｒ_７，Ｒ_８）から２．２ｋΩ（抵抗Ｒ_７）に減少する。前記帰還回路１４の抵抗値が減少すると、インバータ回路１２の発振周期が前記とは逆に短くなり（６９）、単相モータ１の転流周期が短くなって単相モータ１が徐々に高速回転を始める。
【００４１】
このように、始動補償回路１５は、コンデンサＣ_２の端子間電圧が約０．６ボルトに達するまでの間、単相モータ１の転流周期を長くして、各コイルＬ_１，Ｌ_２へ始動トルクを発生させるために充分な電機子電流を流し、単相モータ１を確実に始動するようにしている。しかも、コンデンサＣ_２への充電は、シャント電流（電機子電流）に基づいて行われるので、その端子間電圧が約０．６ボルトに達するまでの時間は、固定された時間とはならず、モータの種類や直流電源５０の電圧に応じて変化する時間となる。よって、モータの始動に適切な時間だけ、転流周期を長くした始動モードを維持することができる。
【００４２】
次に、本発明の永久磁石モータの動作について説明する。なお、本発明において、電流検出回路１３は前述したように、シャント抵抗Ｒ_５，Ｒ_６を２個備えて構成されているが、これは、インバータ回路１２の２つのＦＥＴＱ_１，Ｑ_２に流れる電流のバランスを考慮して前記ＦＥＴＱ_１，Ｑ_２のオン・オフ制御を効率的に行うために設置したもので、本発明では、始動補償回路１５のタイミング（ＦＥＴＱ_１，Ｑ_２のオン・オフの切換時期の設定）は、シャント抵抗Ｒ_６から得られる電流を利用している。従って、単相モータ１の起動は、１つのコイル，即ち、特定のコイルから起動できるように構成されている。
【００４３】
単相モータ１の運転に際してモータ駆動回路１１に設けた運転スイッチＳを投入すると、インバータ回路１２がオンするとともに、帰還回路１４の抵抗値は１２．２ｋΩと（抵抗Ｒ_７，Ｒ_８）大きくされ、その分、インバータ回路１２の転流周期が長くなって、単相モータ１の電機子巻線５の各コイルＬ_１，Ｌ_２に、単相モータ１の始動トルクを発生させるために充分な電機子電流が流れる（図５の始動補償回路の動作説明図参照）。この結果、単相モータ１は徐々に始動を開始する。
【００４４】
この際、単相モータ１の回転子２は、始動開始時において図６（ａ），（ｃ）で示す永久磁石の極性位置に設定されている。即ち、図６（ａ）においては、回転子２の磁極境界部分ａを固定子鉄心６の一対の切込部８ａ，８ｂを結ぶ線上に一致させた状態で、Ｎ極を下側にＳ極は上側にして停止しており、一方、図６（ｃ）においては、同じく回転子２の磁極境界部分ａを一対の切込部８ａ，８ｂを結ぶ線上と一致させた状態で、Ｓ極を下にＮ極を上側にして停止している。
【００４５】
従って、単相モータ１の始動時は、その回転子２が初期状態（スタート時）において常に所定の位置（前記図６（ａ）又は図６（ｃ）に示すいづれかの位置）に保持されている関係上、前記単相モータ１は、インバータ回路１２のＦＥＴＱ_１，Ｑ_２のいづれからオン動作しても、ＦＥＴＱ_２に流れる電流が電流検出回路１３のシャント抵抗Ｒ_６により検出することにより、始めて始動を開始することになる。即ち、インバータ回路１２のＦＥＴＱ_２がオン動作したとき、回転子２は回転を始めるものでその起動タイミングは常に固定されている結果、常に一定の通電方向に回転する。
【００４６】
前記の点を更に具体的に説明すると、例えば、回転子２が図６（ａ）の位置に保持されているときは、必ず左方向へ回転する。これは、回転子２の停止位置が正常なスタート位置に停止しているためのものであり、運転スイッチＳの投入により特定のコイル（ＦＥＴＱ_２のオン動作にて通電されるコイル）に通電が行われると、固定子鉄心６は図６（ａ）に示す矢印Ｌ方向（左方向）に磁化されることによって、回転子２を同図に示す矢印方向（反時計方向）に回転させる。回転子２は回転を始めれば、図６（ｂ），（ｅ）〜（ｈ）の順で左方向への回転を続行する。
【００４７】
一方、回転子２の極性が図６（ｃ）で示すように、図６（ａ）に対して極性が１８０°逆転して回転子２が停止していた場合は、図６（ｃ）で示すように、回転子２は右方向に一瞬回転するものの、スタート地点から約１３０°くらい回動した位置で回転方向を修正し、その反動を利用して図６（ｄ）で示すように、左方向（正常方向）に回転方向を変更して始動を開始するものである。この場合は、回転子２の永久磁石の磁性が反転しているため、回転子２は固定子鉄心６の磁化方向（図６（ａ）に示すＬ矢視方向）と同一方向に回転しようとするが、本発明では最初に通電される電機子巻線５が事前に設定（シャント抵抗Ｒ_６によって電流検出されるコイルを指す）されているので、図６（ｃ）に示す如く、回転子２は一瞬逆方向に回動するものの、図６（ｅ）〜（ｈ）のように、直ちに正常方向に転回して回転運動を続行するように構成されているので、逆回転を継続することはない。
【００４８】
このように、回転子２は、停止時においては常に所定の位置に保持されているので、インバータ回路１２のＦＥＴＱ_１，Ｑ_２のいずれからオン動作が始まっても、必ず一定の方向に回転する。具体的には、停止時において、回転子２が図６（ａ）の位置に保持されている場合には必ず左方向へ回転する。単相モータ１は、通電第１波または第２波のうち、回転子２の磁場ベクトルと反発する方向の磁場が与えられる通電（図６（ａ）において、磁場ベクトルが右から左方向へ向かう通電）により、回転を開始するからである。なお、回転子２が図６（ｃ）に示す位置に保持されている場合は、前記のように一瞬逆回転するものの、直ちに正方向に回転するが、この場合も磁場ベクトルを反発する方向の磁場が与えられているからに他ならない。
【００４９】
回転子２の回転継続に伴って、コンデンサＣ_２が徐々に充電される。この充電により、コンデンサＣ_２の端子間電圧が約０．６ボルトに達すると、トランジスタＱ_３がオンして、始動時から定常運転へと移行する。定常運転では、始動補償回路１５のトランジスタＱ_３のオンにより帰還回路１４の抵抗値が２．２ｋΩ（抵抗Ｒ_７）と小さくなるので、インバータ回路１２の発振周期が短くなり、これに伴い、単相モータ１の転流周期も短くなる。よって、単相モータ１は徐々に高速回転を始め、やがて略定速回転となる。
【００５０】
この状態で直流電源５０の投入が続けられることにより、単相モータ１は略定速回転を継続する。なお、略定速時の回転速度は、コイルＬ_１，Ｌ_２に印加される直流電源５０の電圧に比例する。即ち、直流電源５０の電圧が高いほど高速で回転し、低いほど低速で回転する。よって、直流電源５０の電圧値により、略定速時の回転速度を制御することができる。
【００５１】
定速運転（または始動時）での運転中に、運転スイッチＳを開放すると、始動補償回路１５のコンデンサＣ_２はダイオードＤ_４により急速に放電され、トランジスタＱ_３がオフされるとともに、回転子２は電機子巻線５への通電停止に伴い、惰性で回転するものの、単相モータ１は徐々に回転を緩め、最終的にはコギングトルクの作用により、回転子２は図６（ａ），（ｃ）で示すように、極性は不明だが必ず磁極の境界部分ａを固定子鉄心６の切込部８ａ，８ｂを結ぶ線上と一致する地点で停止し、次の始動に備える。この結果、本発明は、単相モータ１をいつでも始動することができるので、次回単相モータ１を始動するまでの時間を短縮することができる。
【００５２】
前記のように、本実施例のモータ駆動回路１１によれば、電流検出回路１３と帰還回路１４とにより、電機子電流の急増領域を検出して、その検出を転流タイミングとして転流動作を行わせている。よって、速度起電力によらず、電機子電流に基づいて転流タイミングを決定することができるので、例え単相モータ１であっても１８０度通電を行うことができ、その始動を円滑に行うことができる。即ち、始動から短時間のうちに高速回転することができるのである。また、電機子電流に基づいて転流タイミングを決定することにより、重負荷時でも、転流に伴う過大なスパイク電圧の影響を受けることなく、的確にモータを駆動（回転）することができるのである。
【００５３】
更に、転流タイミングの決定に電機子電流の急増領域を用いているので、電機子電流を平均化する回路や、その平均化された電機子電流を所定倍に増幅する回路が不要となり、更には、回転子２を停止位置から始動位置に移動させ、かつ、始動位置に始動を開始するときまで保持させる回路等が全く不要であるので、モータ駆動回路１１を簡素な回路構成で経済的に製造することができる。
【００５４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の永久磁石モータは、電機子電流の急増領域の現出を転流タイミングとして設定し、永久磁石モータの転流を行わせてその始動（起動）→回動（駆動）を円滑に行わせるようにしたもので、これは、永久磁石モータの制御回路に、転流周期を、特定方向に流れる起動電流を検出して永久磁石モータの始動トルクを発生させるために充分に長くし、始動後の定常運転時は逆に短くするための始動補償回路を具備させたことにより、永久磁石モータは始動時のトルクを十分に得ることができ利便である。
【００５５】
又、永久磁石モータの固定子鉄心は、回転子と回転子挿入孔との間で空隙に差異をつけて形成した鉄心の使用によって、永久磁石モータの停止時、回転子を特定位置に停止させるべくコギングトルクの誘発が容易になり、しかも、磁束の通電時と非通電時においては、回転子に傾きを付与させることにより、回転子を特定方向にのみ回転させることが可能となり、始動時に少々回転方向が逆転したとしても、容易に正常な回転方向に駆動させるようにした。これは、前記固定子鉄心に形成されている回転子と固定子鉄心との間に生じる空隙の差異と、インバータ回路の一対の電界効果トランジスタのドレイン電流を、個々にシャント抵抗を備えた電流検出回路にて検出するものの、前記電界効果トランジスタの一方のドレイン電流のみによって作動する始動補償回路を具備することによる相乗効果によって、回転子の始動時電機子巻線の特定コイルに通電を行って回転子を起動させるように構成されているので、回転子は常に一定の通電極性での起動が可能となり利便である。
【００５６】
更に、永久磁石モータを起動する制御回路は、回転子の起動時における位置決めの制御を行うための回路が不要となるため、回路構成が簡素化できその製作コストの低減化を図ることができる。しかも、インバータ回路には電界効果トランジスタを使用することにより、電流の負帰還が容易に可能となり、過電流時の保護作用が働きインバータ回路を良好に保護することができる。その上、インバータ回路に転流作用を行わせるとき、電界効果トランジスタのゲート電圧条件の安定化が図れる結果、インバータ回路の動作のバラツキが少なくなるため、制御回路の製造上の歩留りが改善できその生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の永久磁石モータの実施例としてスケルトン形の単相ブラシレスモータを示す概略的な構成図である。
【図２】本発明の永久磁石モータに使用する制御回路のブロック図である。
【図３】本発明の永久磁石モータに使用する制御回路図である。
【図４】負荷時における各部位の電流電圧波形図である。
【図５】始動補償回路の動作説明図である。
【図６】本発明の永久磁石モータにおける回転子の起動状況を順次説明するための説明図である。
【符号の説明】
１単相ブラシレスモータ
２回転子
３回転子挿入孔
５電機子巻線
６固定子鉄心
７ａ，７ｂ切欠部
８ａ，８ｂ切込部
１１制御回路
１２インバータ回路
１３電流検出回路
１４帰還回路
１５始動補償回路
５０直流電源

Claims

永久磁石からなる回転子と、上部側に一対の切込部を設けて前記回転子を回転自在に挿入する回転子挿入孔を備え、下部側には分離可能な鉄心部材に電機子巻線を巻回したスケルトン形の単相ブラシレスモータを構成し、この単相ブラシレスモータの電機子巻線にインバータ回路から交番電圧を通電して該インバータ回路により転流を行わせて単相ブラシレスモータを回転させる制御回路を備えた永久磁石モータにおいて、前記制御回路は、単相ブラシレスモータの始動時に必要な始動トルクを発生させる電機子電流を電機子巻線に流して単相ブラシレスモータを始動させる始動補償回路と、この始動補償回路と前記インバータ回路との間に介挿されて単相ブラシレスモータの電機子巻線に流れる通電電流を検出する一対のシャント抵抗からなる電流検出回路と、前記電流検出回路により検出した検出電流をインバータ回路に負帰還させる帰還回路と、一対の電界効果トランジスタを具備して構成したインバータ回路とからなり、前記インバータ回路を構成する一対の電界効果トランジスタには、該電界効果トランジスタのドレイン電流を検出する前記電流検出回路の一方を接続するとともに、電流検出回路の他方を始動補償回路と接続して単相ブラシレスモータを始動させる通電電流の検出手段を構成し、この検出手段にて検出したインバータ回路の一方の電界効果トランジスタのドレイン電流により単相ブラシレスモータを始動するようにしたことを特徴とする永久磁石モータ。