DE69113528T2

DE69113528T2 - Bürstenloser Motor mit eingebautem integriertem Schaltkreis, welcher einen peripheren Schaltkreis mit einem Chip beinhaltet.

Info

Publication number: DE69113528T2
Application number: DE69113528T
Authority: DE
Inventors: Noriaki Arakawa; Makoto Isii; Yasutsugu Kawaguchi
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1990-07-06
Filing date: 1991-06-26
Publication date: 1996-02-29
Anticipated expiration: 2011-06-27
Also published as: US5327064A; EP0464644B1; EP0464644B2; EP0464644A1; DE69113528D1; MY107328A; KR940010066B1; ES2077723T5; ES2077723T3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Motor, der zur Anwendung als Motor zum Antreiben eines Lüfters für ein Raumluftklimatisierungsgerät, oder dergl. geeignet ist, und insbesondere auf einen bürstenlosen Motor, der einen Inverter bzw. Wechselrichter enthält, welcher eine veränderliche Geschwindigkeitssteuerung ermöglicht.
Wie in "Japan Radio Newspaper" vom 22. März 1990 dargestellt, wurde kürzlich ein Hochspannungs-Einzelchip-Dreiphasenwechselrichter (im folgenden als Ein-Chip-Dreiphaseninverter bzw. -wechselrichter bezeichnet) entwickelt, der die Drehzahl eines Motors durch Benutzung einer Gleichspannungsversorgungsquelle steuert, wobei die Spannung durch Gleichrichten und Glätten der Netz-/Wechselstromspannung von 100 (V) erhalten wird. Der Ein-Chip-Dreiphasenwechselrichter ist im Vergleich zum herkömmlichen Wechselrichter extrem klein und kann in einem Motor untergebracht werden.
Wie in Fig. 1A dargestellt, weist der Ein-Chip-Dreiphasenwechselrichter eine Vorrichtungsstruktur solcher Art auf, daß Polysilizium als Basis verwendet wird und der Bereich jeder Phase durch dielektrische Unterteilungsmittel hoher Spannungsfestigkeit oder durch eine SiO&sub2;-Phase abgeteilt ist, so daß in jedem Bereich ein Einphasenstromkreis gebildet ist.
Die durch eine strichpunktierte Linie in Fig. 2 umrandeten Schaltungen sind in einen Einzelchip integriert.
Fig. 1B ist eine Draufsicht, die die Auslegung jedes Elementes auf dem Ein-Chip-Dreiphasenwechselrichter zeigt. Wie aus dem Diagramm hervorgeht, umfaßt der Ein-Chip-Dreiphasenwechselrichter in der aus einem Chip bestehenden integrierten Schaltung: sechs Schalttransistoren 2 als Hauptelemente; eine Diode 1 zum Ausschalten der Schalttransistoren 2, wobei die Diode zwischen den Kollektor und den Emitter jedes der Schalttransistoren 2 geschaltet ist; eine Logikschaltung 6 zum Bilden eines Schaltsignals, das zum Ein- und Ausschalten jedes der Schalttransistoren 2 dient; eine Treiberschaltung 3 zum Ein- und Ausschalten jedes Schalttransistors mit Hilfe des Schaltsignals; eine Überstrom-Schutzs chaltung 5, die die Zerstörung der integrierten Schaltung durch einen Überstrom durch Erfassen des Stromes verhindert, der durch die Schalttransistoren 2 fließt; und eine interne Versorgungsquelle 4. Das integrierte Schaltungselement des Ein-Chip-Dreiphasenwechselrichters besitzt die Abmessungen: 4,3 mm Länge und 5,8 mm Breite.
Für den oben erläuterten Ein-Chip-Dreiphasenwechselrichter wurde ein bipolarer Lateral-Isolierschichttransistor (IGBT) entwickelt und als Schalttransistor 2 eingesetzt, um erheblich reduzierte Flächenbereiche im Vergleich zum herkömmlichen Leistungs-MOSFET zu erzielen. Gleichzeitig wurde eine Hochgeschwindigkeitsdiode neu entwickelt und eingesetzt, die im gleichen Verfahren hergestellt werden kann wie der Lateral-IGBT, so daß der Erholungsrückstrom erheblich reduziert wird, wodurch der Schaltverlust der Schalttransistoren 2 aufgrund des Erholungsrückstromes erheblich verringert wird. Weiter ist eine Energieversorgungsschaltung in den Ein-Chip-Dreiphasenwechselrichter eingebaut, um nur eine einzige äußere Versorgungsquelle zum Treiben des Schalttransistors 2 zu benötigen, der das Leistungselement bildet. Die Überstrom-Schutzschaltung 5 ist ebenfalls in den Ein-Chip-Dreiphasenwechselrichter eingebaut, um die Zerstörung der integrierten Schaltung durch einen Überstrom zu verhindern, der durch Kurzschluß in einer Last, oder dergl. erzeugt wird. Weiter ist die Wechselrichterfrequenz auf 20 KHz eingestellt, was größer als die Audiofrequenz ist, so daß das Geräusch seitens des Motors deutlich verringert werden kann.
Fig. 2 ist ein Blockschaltbild, das einen bürstenlosen Motor zeigt, der seinen Ein-Chip-Dreiphasenwechselrichter verwendet, wie oben beschrieben. Weiter bezeichnen: 7A, 7B und 7C Hall-Sensoren; 8 einen Sensorverstärker; 9 eine Drehzahlsignalbildungsschaltung; 10 eine Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitskorrekturschaltung; 11 eine Impulsbreitenmodulations bzw. PWM-Signalbildungsschaltung; 12 eine Anlaufstrom-Begrenzungsschaltung; 13 einen Schwingkreis; 14 einen Stator; 15 den oben beschriebenen Ein-Chip-Dreiphasenwechselrichter; und 16 eine äußere Energiequelle.
Bezugnehmend auf Fig. 2 wird, wenn eine Netzwechselspannung von 100 (V) an die äußere Energiequelle 16 angelegt wird, eine Versorgungsgleichspannung (VI) von der äußeren Energiequelle 16 an jede Schaltung angelegt. Durch Anlegen einer Spannung (VZ) für ein Signal, wird der Schwingkreis 13 in Gang gesetzt. Wenn von einem äußeren Stromkreis ein Geschwindigkeitsbefehl an die Geschwindigkeitskorrekturschaltung 10 geliefert wird, öffnet und schließt die Treiberschaltung 3 jeden der Schalttransistoren 2 sequentiell gemäß den von der Logikschaltung 6 erzeugten Signalen. Dann fließt ein Strom durch jede im Stator 14 vorgesehene Spule bzw. Wicklung in einer vorbestimmten Richtung, so daß der nicht dargestellte Rotor anläuft und den Motor startet.
Wenn der Motor gestartet ist, steuert die Anlaufstrom-Begrenzungsschaltung 12 die PWM-Signalbildungsschaltung 11 auf der Basis des Detektionsergebnisses der Überstrom-Schutzschaltung 5, so daß der durch jeden Schalttransistor 2 fließende Anlaufstrom nicht übermäßig groß wird, um so die relative Einschaltdauer des PWM-Signals abzustimmen.
Im folgenden sollen die Schalttransistoren 2 mit Q&sub1;, Q&sub2;, Q&sub3;, Q&sub4;, Q&sub5; und Q&sub6; bezeichnet werden, und die an diese Schalttransistoren 2 anzuschließenden Dioden 1 sollen mit D&sub1;, D&sub2;, D&sub3;, D&sub4;, D&sub5; und D&sub6; bezeichnet werden. Dann werden die Kollektoren der Schalttransistoren Q&sub1; bis Q&sub3; an den positiven Anschluß der äußeren Energiequelle 16 angeschlossen, und die Emitter der Schalttransistoren Q&sub4; bis Q&sub6; werden an den negativen Anschluß der äußeren Energiequelle 16 angeschlossen. Der Emitter des Schalttransistors Q&sub1; und der Kollektor des Schalttransistors Q&sub4; werden an die erste Wicklung angeschlossen, die im Stator 14 angeordnet ist. Entsprechend werden der Emitter des Schalttransistors Q&sub2; und der Kollektor des Schalttransistors Q&sub5; an die zweite Wicklung angeschlossen, und der Emitter des Schalttransistors Q&sub3; und der Kollektor des Schalttransistors Q&sub6; werden an die dritte Wicklung angeschlossen.
Die Treiberschaltung 3 schaltet die Schalttransistoren Q&sub1;, Q&sub2; und Q&sub3; sequentiell unter einem elektrischen Winkel von jeweils 120º ein, und sie schaltet die Schalttransistoren Q&sub4;, Q&sub5; und Q&sub6; sequentiell durch Zerhacken mit einem PWM-Signal unter einem elektrischen Winkel von jeweils 120º ein. Die treibenden Takt- bzw. Zeitabläufe der Schalttransistoren Q&sub1; bis Q&sub6; sind in Fig. 3 bei Q&sub1; bis Q&sub6; dargestellt. Gemäß Fig. 3 wird der Schalttransistor Q&sub4; im gleichen Zyklus und mit gleicher relativer Einschaltdauer ein- und ausgeschaltet, wie jene des PWM-Signals und zwar während der Periode, die von der späteren Hälfte der EIN-Periode des Schalttransistors Q&sub2; zur früheren Hälfte der EIN-Periode des Schalttransistors Q&sub3; reicht. Der Schalttransistor Q&sub5; wird im gleichen Zyklus und mit der gleichen relativen Einschaltdauer ein- und ausgeschaltet wie jene des PWM-Signals, und zwar während der Periode, die von der späteren Hälfte der EIN-Periode des Schalttransistors Q&sub3; bis zur früheren Hälfte der EIN-Periode des Schalttransistors Q&sub1; reicht. Der Schalttransistor Q&sub6; wird im gleichen Zyklus und mit der gleichen Einschaltdauer ein- und ausgeschaltet wie jene des PWM-Signals, und zwar während der Periode, die von der späteren Hälfte der EIN-Periode des Schalttransistors Q&sub1; bis zur früheren Hälfte der EIN-Periode des Schalttransistors Q&sub2; reicht.
Wie oben beschrieben, erfassen die Hall-Sensoren 7A, 7B und 7C, wenn der Motor anläuft, die Drehung des Rotors und erzeugen Rotorpositionssignale mit einer Weite entsprechend einem elektrischen Winkel von 180º, bei einer Phasendifferenz von 120º elektrisch und einem elektrischen Rotorumdrehungswinkel von 360º. Diese Rotorpositionswinkel werden durch den Sensorverstärker 8, der auf eine vorbestimmte Verstärkung eingestellt worden ist, verstärkt, und hinsichtlich der Wellenbzw. der Signalform in Form gebracht. Die Signale werden dann an die Logikschaltung 6 des Ein-Chip-Dreiphasenwechselrichters 15 geliefert; und eines der Rotorpositionssignale, beispielsweise das im Hall-Sensor 7A erzeugte Rotorpositionssignal, wird an die Drehzahlsignal-Bildungsschal-4 tung 9 geliefert, so daß ein Drehzahlsignal, das die Drehzahl des Rotors darstellt, durch die Frequenz oder den Zyklus des Rotorpositionssignals gebildet wird. Die Drehzahlsignale werden an die Geschwindigkeitskorrek turschaltung 10 geliefert und mit der Drehzahl verglichen, die auf dem von außen her gelieferten Geschwindigkeitsbefehl basiert, so daß ein Geschwindigkeitskorrektursignal in Übereinstimmung mit der Differenz zwischen den Drehzahlen gebildet wird. Die relative Einschaltdauer des von der PWM-Signalbildungsschaltung 11 ausgegebenen PWM-Signals wird durch das Geschwindigkeitskorrektursignal gesteuert.
Um die Genauigkeit der Drehzahlerfassung zu verbessern, können bis zu drei, von den Hall-Sensoren erhaltenen Drehzahlsignale, in die Drehsignalbildungsschaltung 9 eingegeben werden.
Die Logikschaltung 6 bildet ein Kommutierungssignal (Umschaltsignal) zum sequentiellen Ein- und Ausschalten der Schalttransistoren Q&sub1; bis Q&sub3;, mit einem elektrischen Winkel von 120º und einer verschobenen Phase von jeweils 120º gegen die Dreiphasen-Rotorpositionssignale, die vom Sensorverstärker 8 geliefert werden; und sie bildet ein Schaltsignal mit dem gleichen Zyklus und der gleichen relativen Einschaltdauer wie jene des PWM-Signals, das von der PWM-Signalbildungsschaltung 11 mit den in Fig. 3 dargestellten Zeitabläufen sowie in Übereinstimmung mit dem Kommutierungssignal geliefert wird; und sie sendet diese Signale an die Treiberschaltung 3.
Durch diese Maßnahme bzw. Anordnung wird die Stromieitungsdauer jeder im Stator vorhandenen Wicklung entsprechend der relativen Einschaltdauer des PWM-Signals gesteuert, das durch das von der Geschwindigkeitskorrekturschaltung 10 gelieferte Geschwindigkeitskorrektursignal korrigiert worden ist; und die Rotordrehzahl wird so gesteuert. daß sie mit der Drehzahl entsprechend dem externen Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitsbefehl in Einklang steht. Wenn sich die Rotordrehzahl ändert, ändern sich auch die Zyklen der Hall-Sensoren 7A, 78 und 7C entsprechend.
Wie oben beschrieben, wird die Motordrehzahl durch die relative Einschaltdauer des PWM-Signals bestimmt, und die Drehzahl des Motors kann durch Andern der relativen Einschaltdauer geändert werden.
Fig. 4 ist eine zerlegte perspektivische Ansicht, die ein Beispiel des herkömmlichen Motors zeigt, der einen Ein-Chip-Dreiphasenwechselrichter auf der Basis der in Fig. 2 dargestellten Schaltungsstruktur enthält. Es bezeichnen: 17 ein oberes Gehäuse; 18 einen Statorkern; 19 eine Wicklung; 20 eine Öffnung; 21A, 21B und 21C Halterungselemente; 22 eine Welle; 23A und 238 Lager; 24 einen Rotor; 25 eine Platte mit aufgedruckter Verdrahtung; 26 eine periphere Schaltung; 27A, 278 und 27C Schrauben; 28 Zuführungsdrähte; 29 ein unteres Gehäuse; 30A, 30B, 30C und 30D Öffnungen; 31 einen Ausziehkanal; 32 eine Öffnung; 33 eine Schraube; und 34A, 34B und 34C Schraubenlöcher.
Bezugnehmend auf Fig. 4 ist der zylindrische Statorkern 18 mit der durch einen inneren Schlitz hindurch aufgewickelten Wicklung 19 innerhalb des oberen Gehäuses 17 eingesetzt. Die Öffnung 20 ist in der Mitte der oberen Oberfläche des oberen Gehäuses 17 vorgesehen, und ein Randabschnitt ist am unteren Ende der äußeren Peripherie der Öffnung 20 angebracht. Die vier Schraubenlöcher 34A, 34B, 34C und 34D (die nicht dargestellt sind, weil sie an der Rückseite plaziert sind) sind in gleichen Zwischenabständen am Randabschnitt vorgesehen. Die stangenförmigen Halterungselemente 21A, 21B und 21C, die sich nach unten hin erstrecken, sind in gleichen Zwischenabständen an der äußeren Peripherie der unteren Oberfläche des Statorkerns 18 befestigt.
Der Rotor 24 ist mit einem magnetischen Ferritmaterial bedeckt, das eine Dicke von etwa 2 mm auf der peripheren Oberfläche aufweist; und die durch die Mitte des Rotors 24 verlaufende Welle 22 ist darin integriert. Die Lager 23a sind auf der Welle 22 in einem Abschnitt über dem Rotor 24 befestigt, und die Lager 23B sind ebenfalls befestigt, nämlich am unteren Ende der Welle 22. Das Substrat 25 mit der aufgedruckten Verdrahtung wird von der Welle 22 durchdrungen und ist zwischen dem Rotor 24 und den Lagern 23B angeordnet.
Das untere Gehäuse ist in der Mitte des Bodens mit der Öffnung 32 und dem Ausziehkanal 31 versehen, der die Seite des Gehäuses durchdringt. Das untere Gehäuse 29 ist ebenfalls mit einem Randabschnitt versehen, der sich an der oberen Seite nach außen hin erstreckt; und die Öffnungen 30A, 30B, 30C und 30D sind in gleichen Zwischenabständen auf dem Randabschnitt vorgesehen.
Auf der oberen Oberfläche des Substrates 25 mit aufgedruckter Verdrahtung ist ein Schaltungsleitermuster für die in den Fig. 6 oder 8 dargestellte Schaltungsstruktur gebildet; und die peripheren Schaltungen 26, welche den Sensorverstärker 8 und die Umdrehungszahlbildungsschal tung 9 aufweist, ist zusammen mit den Hall-Sensoren 7A, 7B und 7C sowie dem Ein-Chip-Dreiphasenwechselrichter 15 auf dem Substrat montiert. Der Anschluß des Schaltungsleitermusters wird zur unteren Oberfläche des Substrates 25 mit aufgedruckter Verdrahtung hingeführt, wobei die Zuleitungsdrähte 28 an den Anschluß angeschlossen sind.
Der Rotor 24 ist zusammen mit der Welle 22 in das Innere des Statorkerns 18 eingefügt, und die Lager 23A sind an der oberen Oberfläche der Innenseite des oberen Gehäuses 17 befestigt. Wenn der Rotor 24 befestigt ist, erstreckt sich der obere Abschnitt der Welle 22 durch die Öffnung 20 des oberen Gehäuses 17 hindurch nach außen. Das Substrat 25 mit aufgedruckter Verdrahtung ist an den Halterungselementen 21A. 21B und 21C, die sich bis unter den Statorkern 18 erstrecken, durch die Schrauben 27A, 278 und 27C befestigt. Das untere Gehäuse 29 ist am oberen Gehäuse 17 so befestigt, daß das Substrat 25 mit aufgedruckter Verdrahtung und der Statorkern 18 bedeckt werden, und zwar durch Ausfiuchten der Schraubenlöcher 34A, 34B, 34C und 34D (nicht dargestellt) am Randabschnitt des oberen Gehäuses 17 mit den Öffnungen 30A, 30B, 30C und 30D am Randabschnitt des unteren Gehäuses 29, sowie durch Befestigen der Schrauben 33 durch die Öffnungen 30A, 30B, 30C und 30D hindurch in den Schraubeniöchern 34A, 34B, 34C und 34D. In diesem Falle werden die Lager 23B am unteren Ende der Welle 22 in der Öffnung 32 des unteren Gehäuses befestigt, und die Zuleitungsdrähte 28 werden vom Inneren des unteren Gehäuses 29 her durch den Ausziehkanal 31 nach außen geführt.
Fig. 5 zeigt eine teilweise erweiterte Ansicht des Raumluftklimatisierungsgerätes, das den oben beschriebenen Motor als Lüftermotor verwendet. Das Raumluftklimatisierungsgerät umfaßt eine Innenraumeinheit 25, die in einem Raum angeordnet ist, und eine Außenraumeinheit 26, die außerhalb des Raumes angeordnet ist, wobei eine Leitung diese beiden Einheiten verbindet. Ein Tangentialbodenlüfter 38A und ein Propellerlüf ter 38B sind jeweils entsprechend in der Innenraumeinheit 35 und der Außenraumeinheit 36 angebracht. Der oben beschriebene Motor kann jeweils entsprechend als Antriebsmotor 39A und 39B zum Antreiben der Lüfter 38A und 38B verwendet werden. Gewöhnlich besitzt der Dreiphasenwechselrichter des Motors ungefähr die gleiche Größe wie die des Motorkörpers. Da aber ein Ein-Chip-Dreiphasenwechselrichter in den obigen Motor eingebaut ist, kann der Steuerteil der Außenraumeinheit 36 um dieses Volumen kompakter ausgebildet werden, und die Außenraumeinheit 36 kann ihrerseits entsprechend kompakt ausgebildet werden. Dies gilt auch für die Innenraumeinheit 35.
Eine Vorrichtung hoher Leistung, wie etwa ein Schalttransistor innerhalb des Ein-Chip-Dreiphasenwechselrichters, ist eine wärmeerzeugende Einheit; und deshalb verursacht sie das Problem, daß sich die Eigenschaften des Ein-Chip-Dreiphasenwechselrichters verschlechtern, was zu seiner verringerten Zuverlässigkeit führt, wenn der Ein-Chip-Dreiphasenwechselrich ter auf eine hohe Temperatur erwärmt wird. Infolgedessen ist es erforderlich, einen Wärmeabstrahlungslüfter im Ein-Chip-Dreiphasenwechsel richter vorzusehen.
Nun sind aber, wie in Fig. 4 dargestellt, nicht nur der Ein-Chip-Dreiphasenwechselrichter 15 und die Hall-Sensoren 7A, 7B und 7C in einer großen Anzahl auf dem Substrat 25 mit aufgedruckter Verdrahtung montiert, sondern auch ihre peripheren Schaltungen 26. Es gab also keinen Platz mehr, um einen Wärmeabstrahlungslüfter im Ein-Chip- Dreiphasenwechselrichter 15 gemaß dem Stande der Technik vorzusehen. Demgemäß waren 20 (W) die Grenze für die Leistungsabgabe des Motors.
Der Stand der Technik gemaß der Druckschrift WO-A-8807285 entspricht dem Merkmal des Oberbegriffes der Ansprüche 1 und 2.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Motor zu schaffen, der die obigen Probleme löst und der eine hohe Ausgangsleistung liefert, indem er es ermöglicht, Wärme aus der in den Motor eingebauten integrierten Dreiphasenwechselrichterschaltung abzustrahlen.
Um dieses Ziel zu erreichen, wird ein bürstenloser Motor gemaß den Ansprüchen 1 und 2 geschaffen.
Nachfolgend werden die Zeichnungen kürz beschrieben.
Fig. 1A ist eine Teilquerschnittsansicht der integrierten Schaltung des Ein-Chip-Dreiphasenwechselrichters;
Fig. 1B ist eine Draufsicht, die die Auslegung der integrierten Schaltung der Fig. 1A zeigt;
Fig. 2 ist ein Blockschaltbild, das das Schaltungssystem des Motors zeigt, der einen Ein-Chip-Dreiphasenwechselrichter verwendet;
Fig. 3 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Betriebsweise des in Fig. 2 dargestellten Motors;
Fig. 4 ist eine zerlegte perspektivische Ansicht des in Fig. 2 dargestellten Motors;
Fig. 5 ist ein Konfigurationsdiagramm des Raumluftklimafisierungsgerä tes;
Fig. 6 ist ein Blockschaltbild der in die integrierte Schaltung eingebauten peripheren Schaltungen;
Fig. 7 ist eine zerlegte perspektivische Ansicht des Motors;
Fig. 8 ist ein Schaltbild, das eine Ausführungsform der peripheren Schaltungen zeigt, die in die integrierte Schaltung für den Motor gemäß der vorliegenden Erfindung eingebaut sind;
Fig. 9A und 9B sind Diagramme, die eine weitere Ausführungsform des Motors der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 10 ist ein Diagramm, das eine noch weitere Ausführungsform des Motors gemaß der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 11A bis 11D sind Diagramme, die die Ausführungsform zum Einpassen der integrierten Schaltung der Fig. 10 zeigen.
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
Fig. 6 ist ein Blockschaltbild, das die Schaltungskonfiguration des Motors wiedergibt, und Fig. 7 ist eine zerlegte perspektivische Ansicht des Motors. in den Fig. 6 und 7 bezeichnen die Bezugszeichen 15' einen Dreiphasenwechselrichter; 21D und 21E Halterungselemente; 40 eine monolithische integrierte Schaltung; und 41 eine Wärmeabstrahlungsplatte. Abschnitte, die denen der Fig. 2 und 4 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, um eine zweimalige Erläuterung zu vermeiden.
Zunächst wird Fig. 6 erläutert.
Gemäß dem oben erläuterten Stande der Technik ist nur der durch eine Zweipunktlinie eingeschlossene Dreiphasenwechselrichter 15' in die Schaltung im Einzelchip integriert, um den Ein-Chip-Dreiphasenwechselrichter zu bilden. Bei der vorliegenden Ausführungsform jedoch sind der Dreiphasenwechselrichter 15' und seine peripheren Schaltungen einschließlich der Drehzahlsignal-Bildungsschaltung 9, der Geschwindigkeitskorrekturschaltung 10, der PWM-Signal-Bildungsschaltung 11, der Anlaufstrom- Bildungsschaltung 16 und des Schwingkreises 13 sämtlich in eine monolithische integrierte Schaltung hoher Spannungsfestigkeit und auf der gleichen Basis eingesteckt, wobei diese IC von einer unterbrochenen Linie umgeben ist, wie in Fig. 1A dargestellt. Die Größe der monolithischen integrierten Schaltung 40 ist um nur 10 % größer als diejenige der Vorrichtung bestehend aus dem herkömmlichen Ein-Chip-Dreiphasen wechselrichter 15. Daher kann ein Gehäuse der gleichen Form und der gleichen Größe wie die des Gehäuses für den herkömmlichen Ein-Chip- Dreiphasenwechselrichter 15 als Gehäuse zum Aufnehmen des Gerätes der monolithischen integrierten Schaltung 40 verwendet werden.
Eine Verstärkungsjustiervorrichtung, wie etwa ein Widerstand 8a, ist im Sensorverstärker 8 zum Einstellen der Verstärkung vorgesehen, so daß die Verstärkung zur Zeit des Zusammenbaus des Motors eingestellt werden kann.
Die in den Sensorverstärker eingebaute integrierte Hall-Schaltung kann anstelle der Hall-Sensoren 7A, 7B und 7C verwendet werden. In diesem Falle kann eine ausreichend große Verstärkung der integrierten Hall- Schaltung erreicht werden, um den Verstärkungsjustierwiderstand 8a nicht zu benötigen.
Die Überstrom-Schutzschaltung 5 der vorliegenden Erfindung verhindert es, daß die integrierte Schaltung durch einen Überstrom zerstört wird, der aufgrund eines Kurzschlusses der Last, oder dergl., erzeugt wird. Die Überstrom-Schutzschaltung 5 erfaßt die Anstiegszeit (dv/dt) des vom Stator geführten Stromes und blockiert das System, wenn der erfaßte Wert innerhalb einer vorbestimmten Zeitdauer liegt, die als Vorliegen eines Überstromes betrachtet wird. Wenn die erfaßte Zeitdauer die vorbestimmte Zeit überschreitet, wird die Aniaufstrom-Begrenzungsschaltung 12 ausgelöst.
Der Strom des Stators kann direkt erfaßt werden, um die Anlaufstrom- Begrenzungsschaltung 12 auszulösen. Das Schaltungsdiagramm für diesen Fall ist in Fig. 8 dargestellt.
Der einzige Unterschied zwischen den Fig. 6 und 8 besteht im Unterschied des an die Anlaufstrom-Begrenzungsschaltung 12 gelieferten Eingangssignals.
Fig. 7 zeigt eine Ausführungsform des Motors gemaß der vorliegenden Erfindung.
Wenn die oben beschriebene monolithische integrierte Schaltung 40 verwendet wird, kann die Anzahl der auf dem Substrat 25 mit gedruckter Verdrahtung zu montierenden Teile sowie die Montagefläche um jeweils entsprechend etwa 1/20 und etwa 1/2 verkleinert werden, verglichen mit denen auf dem Substrat mit gedruckter Verdrahtung gemäß dem Stande der Technik.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist angenommen, daß das Substrat 25 mit aufgedruckter Verdrahtung als Halbscheibenform ausgebildet ist. und daß Wärmeabstrahlungsmittel für die monolithische integrierte Schaltung 40 auf dem verbleibenden Halbscheibenabschnitt gebildet sind.
Genauer gesagt, ist das Substrat 25 mit aufgedruckter Verdrahtung als Halbscheibenform ausgebildet und an den Halterungselementen 21A und 21D des Statorkerns 18 befestigt. Eine halbscheibenförmige Wärmeabstrahlungsplatte 41 aus Aluminium ist dem Substrat 25 mit aufgedruckter Verdrahtung zugekehrt und an den Halterungselementen 21B und 21E des Statorkerns 18 befestigt. Das Substrat 25 mit aufgedruckter Verdrahtung ist mit den Hall-Sensoren 7A, 7B und 7C sowie dem Sensorverstärker 8 zum Liefern der Ausgaben dieser Sensoren bestückt. Auf der Wärmeabstrahlungsplatte 41 ist die in Fig. 6 dargestellte monolithische, integrierte Schaltung 40 derart montiert, daß die Wärmesenke an der Rückseite der monolithischen, integrierten Schaltung 40 in engen Kontakt mit der Wärmeabstrahlungsplatte 41 gebracht ist. Jeder der Stifte der monolithischen, integrierten Schaltung 40 ist an einen vorbestimmten Anschluß des Schaltungsleitermusters des Substrates 25 mit aufgedruckter Verdrahtung angeschlossen.
Wie oben beschrieben, sind der Dreiphasenwechselrichter und seine peripheren Schaltungen in eine monolithische, integrierte Schaltung einbezogen, die in einem Gehäuse mit der gleichen Größe und der gleichen Form wie diejenigen des Gehäuses für den herkömmlichen Ein- Chip-Dreiphasenwechselrichter untergebracht ist. Daher ist es möglich, die Anzahl der auf dem Substrat 25 mit gedruckter Verdrahtung montierten Teile sowie den besetzten Platz zu verringern; und das Wärmeabstrahlungsmaterial bestehend aus einer Aluminiumplatte kann auf dem Abschnitt montiert werden, der dem durch die monolithische integrierte Schaltung 40 reduzierten Platz entspricht. Demgemaß kann die Wärmeabstrahlungswirkung der monolithischen, integrierten Schaltung 40 in ausreichendem Maße erzielt werden. Als Ergebnis kann die Ausgangsleistung des Motors auf etwa 50 (W) gegenüber der herkömmlichen Kapazität von etwa 20 (W) gesteigert werden.
Da weiter die Anzahl der auf dem Substrat 25 mit aufgedruckter Verdrahtung montierten Teile verringert ist, kann auch die Anzahl der Lötungen verringert werden, was eine verbesserte Zuverlässigkeit des auf dem Substrat montierten Schaltungssystems herbeiführt. In diesem Falle erreicht die Anzahl der Lötungen etwa 1/100 derjenigen des Standes der Technik.
Die Fig. 9A und 9B zeigen eine weitere Ausführungsform des Motors gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei Fig. 9A eine zerlegte, perspektivische Ansicht des gesamten Systems, und Fig. 9B eine erweiterte, perspektivische Ansicht des Abschnittes B in Fig. 9A darstellt. In Fig. 9B bezeichnet 29A einen Vorsprungsabschnitt; und Abschnitte entsprechend denjenigen in den Fig. 4 und 6 sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, um eine doppelte Erläuterung zu vermeiden.
Bezugnehmend auf Fig. 9A sind die Hall-Sensoren 7A, 7B und 7C sowie der Sensorverstärker 8 zum Liefern der Ausgaben dieser Sensoren, dargestellt in Fig. 6, auf dem scheibenförmigen Substrat 25 mit aufgedruckter Verdrahtung montiert. Die in Fig. 6 darstellte monolithische, integrierte Schaltung 40 ist an der inneren Wandung des unteren Gehäuses 29 angebracht, und jeder der dafür vorgesehenen Stifte ist an einen vorbestimmten Anschluß des Schaltungsleitermusters angeschlossen, das auf dem Substrat 25 mit aufgedruckter Verdrahtung gebildet ist.
Das Einpassen der monolithischen integrierten Schaltung 40 in das untere Gehäuse 29 wird nunmehr im einzelnen erläutert. In Fig. 9B, die eine vergrößerte Ansicht des Abschnittes P der Fig. 9A darstellt, ist ein Vorsprungsabschnitt 29A mit einer ebenen Oberfläche an einem Abschnitt der Innenwandung des unteren Gehäuses 29 versehen, und die monolithische integrierte Schaltung 40 ist auf der Oberfläche des Projektionsabschnittes 29A mit Schrauben befestigt, derart, daß die Rückseite der monolithischen integrierten Schaltung 40 eng an die Oberfläche des Projektionsabschnittes 29A angefügt ist.
Wie oben beschrieben, bildet das untere Gehäuse 29 sowohl das Halterungselement der monolithischen integrierten Schaltung 40, als auch das Wärmeabstrahlungsmaterial, so daß die Wärmeabstrahlungswirkung der monolithischen integrierten Schaltung 40 genügend gesteigert werden kann. Gleichzeitig wird auch die Ausgangsleistung des Motors in einer Weise vergrößert, die derjenigen der weiter oben behandelten Ausführungsform ähnlich ist. Der Einfluß auf das Löten wird ebenso in ähnlicher Weise erzielt wie bei der vorhergehenden Ausführungsform.
Bei jeder der obigen Ausführungsformen kann eine Verstärkung im Sensorverstärker 8 eingestellt werden. Wenn der Sensorverstärker 8 ein Typ mit veränderlicher Verstärkung ist, können die Verstärkungseinstellmittel auf dem Substrat 25 mit gedruckter Verdrahtung montiert werden.
Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dem in Fig. 10 dargestellten Motor ist das Substrat, das die monolithische integrierte Schaltung 40 und die peripheren Schaltungsteile trägt, im unteren Gehäuse 29 untergebracht. Die Hall-Sensoren 7A bis 7C (der Sensor 7C ist nicht dargestellt, weil er im Diagramm nicht sichtbar ist) sind so angeordnet, daß sie der unteren Endoberfläche des Rotors 24 zu-10 gekehrt sind, um die Umdrehung des Rotors 24 zu erfassen.
In den Fig. 11A bis 11D sind Querschnitte der Fig. 10 entlang der Linie X-X dargestellt. In Fig. 11A ist der Abschnitt der Wärmesenke der integrierten Schaltung 40 dicht auf der inneren Bodenoberfläche des unteren Gehäuses 29 mit einer Schraube 42 befestigt. Eine Stützsäule 43 ragt aus der inneren Bodenoberfläche des unteren Gehäuses 29 heraus und das bedruckte Substrat 45 ist auf der Stützsäule 43 mit einer Schraube 44 befestigt. Bei der vorliegenden Ausführungsform kann die Größe des bedruckten Substrats 45 wesentlich kleiner ausgeführt werden als die des in den Fig. 7 und 9A dargestellten Substrates 25. Die gesamte Schaltung ist mit Gießharz 47 vergossen, um die erforderliche Stärke gegen Schwingung zu erzielen.
In Fig. 11B ist ein metallisches Substrat 48, auf dem ein Schaltungsverdrahtungsmuster aus Kupfer durch ein Isolierharz 49 mit befriedigender Wärmeleitfähigkeit angebracht worden ist, auf der inneren Bodenoberfläche des unteren Gehäuses 29 mit einer Schraube 50 dicht befestigt, und der Abschnitt der Wärmesenke auf der Rückseite der integrierten Schaltung 40 ist durch eine Lötschicht 52 am Abschnitt des weiten Flächenbereiches des Verdrahtungsmusters 51 befestigt, das auf dem Isolierharz 49 gebildet ist. Die Hall-Sensoren 7A und 7C und der Sensorverstärker 8 sind ebenfalls elektrisch durch Lötung an eine vorbestimmte Position des Verdrahtungsmusters 51 angeschlossen. Alle diese Komponenten sind mit Gießharz 47 in der gleichen Weise vergossen, wie es in Fig. 11A dargestellt ist. Wärme, die durch die integrierte Schaltung 40 erzeugt wird, wird durch die Lötschicht 52, das Verdrahtungsmuster 51, das Isolierharz 49 und das metallische Substrat 48 auf das untere Gehäuse 29 übertragen.
Fig. 11C zeigt den Fall, bei dem das Isolierharz 49 auf der inneren Bodenoberfläche des unteren Gehäuses 29 angebracht ist und bei dem das metallische Substrat 48 in Fig. 11B fortgelassen worden ist.
Fig. 11D zeigt den Fall, bei dem die integrierte Schaltung 40 auf der inneren Bodenoberfläche des unteren Gehäuses 29 gemäß Fig. 11A angebracht ist; und weiter ist ein flexibles Schaltungssubstrat 53 auf der Bodenoberfläche angebracht, wobei die Hall-Sensoren 7A bis 7C und der Sensorverstärker 8 auf dem flexiblen Schaltungssubstrat 53 befestigt sind. Eine integrierte, in den Verstärker einbezogene Hall-Schaltung, kann auch anstelle der Hall-Vorrichtung verwendet werden.

Claims

1. Bürstenloser Motor, der in einem Gehäuse enthält:

(a) einen Rotor (24);

(b) einen Stator (19);

(c) eine Umdrehungserfassungsvorrichtung (7A-7C, 8 und 8A) zum Erfassen der Umdrehung des Rotors (24); und

(d) ein Substrat (25), mit der darauf montierten Umdrehungserfassungsvorrichtung (7A-7C, 8 und 8A);

dadurch gekennzeichnet,

daß er weiter umfaßt:

(e) eine integrierte Schaltung (40), die aufweist: einen Inverter (2) zum drehenden Treiben des Rotors (24); eine Treiberschaltung (3, 6) zum Treiben des Inverters (2); eine Leistungsversorgungsschaltung (4) zum Liefern von Energie, die von jeder Schaltung benötigt wird; Schaltungen (9-13) zum Steuern der Drehzahl des Rotors (24); und eine Schutzschaltung (15) zum Schützen des Inverters (2) gegen Überstrom;

wobei die Umdrehungserfassungsvorrichtung an die integrierte Schaltung (40) angeschlossen ist; und

wobei die integrierte Schaltung (40) auf einer Wärmeabstrahlungsvorrichtung montiert ist, die eine innere Oberfläche des Gehäuses ist.

2. Bürstenloser Motor, der in einem Gehäuse enthält:

(a) einen Rotor (24);

(b) einen Stator (19);

(d) ein Substrat (25), mit der darauf montierten Umdrehungseffassungsvorrichtung (7A-7C, 8 und 8A);

dadurch gekennzeichnet,

10 daß er weiter umfaßt:

(e) eine integrierte Schaltung (40), die aufweist: einen Inverter (2) zum drehenden Treiben des Rotors (24); eine Treiberschaltung (3, 6) zum Treiben des Inverters (2); eine Leistungsversorgungs schaltung (4) zum Liefern von Energie, die von jeder Schaltung benötigt wird; Schaltungen (9-13) zum Steuern der Drehzahl des Rotors (24); und eine Schutzschaltung (15) zum Schützen des Inverters (2) gegen Überstrom;

wobei die integrierte Schaltung (40) auf einer Wärmeabstrahlungsvorrichtung (41) montiert ist, welche, zusammen mit dem Substrat (25) eine Scheibe bildet, die ein Loch zur Aufnahme der Rotorachse (22) aufweist.