JP2788024B2 - 無集電子直流電動機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［技術分野］ 本発明は、回転子の位置に依存したセンサを備えた無
集電子直流電動機に関する。 ［技術的背景］ 一般にセンサとしてはホール素子が使用され、その出
力端子は、変換要素および増幅要素を介して交互に続く
電磁駆動相（巻線回路）に、一相から他の相へ切換える
ための切換間隔を保持して逐次駆動パルスを供給する。 互に連続する固定子電流パルスの間に、短時間の無電
流間隙を挿入することは知られている（ヨーロッパ特許
公開第84156号）。 ［発明の開示］ 本発明の目的は、無集電子直流電動機において、回路
をさらに改良することによって、構成要素に関する必要
ないし経費を増加させることなく、電動機の静かな円滑
な回転が得られるようにすると共に、回転子の拘束（ブ
ロッキング）に対する安全対策を与えることにある。 本発明によれば、一相から他の相への急激な切換を回
避するためパルス間の切換間隔を調整可能にする。この
ことによって、場合によっては直流電動機の付加的な調
整可能性が得られるようにすることになる。ブロッキン
グに対する安全対策は、位置センサの出力を結合コンデ
ンサを介して比較器に入力することにより行う。 即ち、本発明による無集電子直流電動機は、変換要素
および増幅要素を介して交互に続く駆動相に、一相から
後続相への切換間隔（Δψ_１、Δψ_２、Δψ_３）を保持
して、少くとも２つの駆動パルスを供給する、回転子位
置に依存するセンサを備え、 該増幅要素は、整流を行うと共に、比較器により制御
され、 該比較器の入力端子には該センサの出力電圧と基準電
圧が入力され、該基準電圧は前記駆動パルス間の切換間
隔（Δψ）を規定する調節可能な基準電圧であり、 さらに、ブロッキング安全機構として、該センサの少
くとも一つの出力電圧が該比較器の所定入力端子に結合
コンデンサを介して入力されることを特徴とする。 好ましくは、ブロッキング安全機構としては、センサ
の出力の一つが少くとも一つの比較器の反転入力端子に
結合コンデンサを介して入力され、他のセンサ出力が少
くとも一つの比較器の非反転入力端子に入力される。 このようにして、本発明の無集電子直流電動機は、温
度、空気圧または他の物理的な値に応じて調整可能にす
ると共に、回転子のブロック安全対策が必要な用途に、
例えば、電動機を濾過装置の通風機として安全に使用す
ることができる。この場合、濾過層の汚れが一層大きな
通風容量を必要とするようになった場合でも、濾過層の
背後において維持しようとする通風圧に応じて通風電動
機を適正に保持できる。その他の調整目的は、直流電動
機が使用される必要条件が定めることができる。パルス
間の切換間隔の調整は、本発明によれば、駆動コイルの
間の切換間隔の大きさが、変換要素および／または増幅
要素のターンオン電圧閾値の増加または減少によって調
整可能にすることによって実現される。 ［好適な実施の形態］ この調整可能性の場合、パルスの大きさは不変に保持
されるが、その間隔が可変に設計されている。この調整
可能性は、ホール電圧上昇およびホール電圧下降のフラ
ンクが適当な傾斜をもつ場合、特に有効に作用すること
ができる。なお、ホール電圧の波形は適当な電動機構成
要素（例えば回転子磁石の磁化の態様）によって台形に
形成される。 変換要素としては、特に２相、２パルスの設計におい
て、ホールセルの２つの反対極性の出力端子に接続され
た一対の比較器を使用することができる。比較器の２つ
の入力端子には、交番ホール電圧が印加され、調整可能
なバイアス電圧が比較器およびホールセル用の調整され
た共通の駆動電圧電源から可調整分圧器によって得ら
れ、このバイアス電圧は、双方の比較器の少くとも１つ
の入力端子に付加的に印加される。例えば、双方の比較
器の２つの反転（−）入力端子には、１対の抵抗によっ
て分割され分圧器を介して得られたバイアス電圧が供給
され、このバイアス電圧により比較器に対する電圧レベ
ルを減少させる。同様に、非反転（＋）入力端子に可調
整バイアス電圧を印加することによって、入力電圧レベ
ルを増加させることができる。双方の場合に、比較器の
出力端子に得られる連続するパルスの間隔の調整を、僅
少な構成要素によって好適に実現することができる。 分圧器の可変部分が、対をなして使用された比較器の
非反転（＋）入力端子および反転（−）入力端子と接続
されている場合、正および負の値の間の可調整バイアス
電圧が変化可能であるように、対応する回路を設計する
ことが可能なことは勿論である。夫々の場合、ホールセ
ルの出力端子から供給される電圧の閾電圧を調整するこ
とができる。 分圧器の可変タップは、手動によって任意に調整可能
であるが、調整電圧値に応じてその値が変化する可調整
抵抗を使用することが可能であり、その場合、調整電圧
値は、温度、通風圧などの、他の要素によって得られた
物理的な値を表わしている。 駆動パルスの間の最小間隔を基本的にあけておくため
の新しい回路を、冒頭に述べた結合コンデンサによっ
て、ブロッキングないしロック状態（即ち拘束状態）に
対し安全を確保するための回路と組合わせることができ
る。 さらに、定電圧回路、ホールセル、比較器および全体
または部分的な出力段を有する回路を、小形電動機に容
易に組込み可能な長所を有する集積回路にまとめること
ができ、その場合、電動機の組立時に僅少な端子を介し
て使用される集積構成要素が使用されるという利点が生
じる。 一層詳細な自行、特徴および利点は、図面を参照して
の実施例の下記説明から理解されよう。なお請求の範囲
に付記した図面参照符号は専ら理解を助けるためであ
り、本発明を図示の態様に限定することを意図しない。 ［図面の簡単な説明］ 第１図は例として選択された３つの処理面を備えた電
圧推移およびこれらによって起生されたドライバのター
ンオン状態の間の様々の異った間隔を示す概念的波形
図、 第２図は駆動パルスの間の可調整間隔を得るための回
路構成についての第１回路例、 第３図は第２図に示す第１回路例とは別の可調整間隔
を得るための回路例に基づき、結合コンデンサを組合わ
せた本発明の一実施例による回路図、 第４図は可調整間隔を得るための第１回路例に対し、
変更が加えられた第２回路例、 第５図はホール素子を備えた集積回路から成る可調整
間隔を得るための第３回路例、 第６図は第３図から要部を抽出した概略図を示す。 ［実施例］ 第１図には、固定子コイルに生じる電気エネルギーU
_A1と電気エネルギーU_A2との間に、間隔Δψが得られる
原理が示されている。この間隔Δψは、２パルス２相無
集電子直流電動機の簡単な形式の場合に、後続のパワー
トランジスタの導電状態が重複せず、従ってパワートラ
ンジスタから給電されるコイルに部分的に互に作用する
ような磁界が生じないように、パルスを互に離隔保持す
るために設けられている。前述のように、トランジスタ
をずらして導通させるためのギャップをコンデンサまた
はRC回路によってつくることは知られている。 回転子の回転毎の極数が多くなるに伴って、回転子の
回転毎に２極間だけでなく２極の（多）数倍の間で交替
するため、多極多パルス直流電動機に対しては、この間
隔は一層大きな量が必要である。ここでは説明を簡素化
するため、２極２パルス電動機について説明する。ホー
ルセルに、第1a図に示すように推移するホール電圧U_Hが
生じる。この場合、ホール電圧は傾斜したフランクを備
えてほぼ台形状に推移していることが判る。この特性が
ホールセルから直接得られない場合には、適当な構成要
素が、電圧伝送路に設けられる。この電圧の推移は、比
較器200および300によって、一連のパルスU_A1およびU_A2
に変換され、これらのパルスが直接または間接に対応す
る固定子コイルに供給される。パルスU_A1とU_A2との間に
は、第1b図ないし第1d図に示す間隔Δψ_１ないしΔψ_３
があり、これらは本発明によって比較器に対して電圧範
囲1A−1B,2A−2Bおよび3A−3Bの選択によって調整する
ことができる。 第２図は、回転子位置検出器に応じて２つの交互に続
くパルスU_A1およびU_A2を発生する一般的な回路を示して
いる。パルスU_A1およびU_A2は、この図には示されていな
い最終段によって増幅され、２極無集電子直流電動機の
固定子コイルまたはこれに対応する巻線部分に供給され
る。電動機の各回転に対して２つのパルスが印加され
る。固定子コイルの磁界内で２極回転子が回転し、この
回転子は、回転中に、パルスU_A1およびU_A2から直接起生
された２つの同じ長さ、同じ強さの駆動モーメントを得
る。次に述べられる総ての回路の多重設計において、対
応する多くの極を有する回転子が駆動され、その場合に
極数は多重設計に応じて多くなっている。 回転子の夫々位置は、ここに示された回路では、別個
の構成要素を有するホールセル100、ホールICによって
検出される。このホールセル100は、導線122（−）およ
び抵抗26および導線124（＋）を介して、２つの相（巻
線回路）22（−）および24（＋）の間の調整された電源
の間に設けられている。 ホールセル100の出力端子130（左）および140（右）
の間に、第1a図の曲線に示されたホール出力電圧U_Hが生
じる。この場合、ホール出力端子130は、抵抗30を介し
て第１比較器200の反転（−）の入力端子203に接続され
ている。この比較器200は、その接続線222および224を
介して、導線22および24から、調整された電圧が供給さ
れる。その出力端子250は、電動機駆動パルスの成分U_A1
を供給する。第１ホール出力端子130が第２比較器300の
非反転（＋）入力端子303に直接接続されていると共
に、第１比較器の非反転（＋）入力端子204が第２ホー
ル出力端子140に直接接続されている。第２ホール出力
端子140は、抵抗40を介して第２比較器300の反転（−）
の入力端子304に接続され、第２比較器300は、接続線32
2および324を介して回路の調整された電源22,24に接続
されている。第２比較器300の出力端子350において、成
分U_A2が電動機駆動パルスとして使用することができ、
出力端子350は出力端子250と同様に、図に示されていな
い最終段によって、固定子コイルに必要な電圧を供給す
る。 これまで説明した回路は知られており、直接または殆
んど直接に駆動コイルに電圧を供給する。後置接続され
た総ての半導体素子段が１つの位相状態U_H、例えばホー
ル出力電圧U_Hの正の位相状態U_H（＋）から他の位相状
態、例えば負の位相状態U_H（−）に切換わる第１図に示
す所定の切換間隔Δψを完全にするため、この公知の回
路に修正が施される。その結果の可変な差値が、第1b図
ないし第1d図においてΔψ_(1-3)で示されている。第１
比較器200の負の入力端子203は抵抗50と接続され、第２
比較器300の負の入力端子304は抵抗52と接続されている
ことが第２図に見られる。これらの抵抗の自由端部は、
導線54によってまとめられて調整可能な分圧器60の可変
タップに接続され、この分圧器60は導線62および64を介
して導線路22および24に接続されている。このようにし
て得られた制御電圧U_stによって、反転（−）入力端子2
03および304におけるバイアス電圧を、調整可能に減少
させることができる。同様に、分圧器の出力が適当な抵
抗を介して供給される非反転（＋）入力端子204および3
03における閾値またはバイアス電圧を増加させることが
できる。 さらに、導線68を介して供給される調整電圧に応じて
制御電圧U_stの大きさを定める装置66によって、第２図
に示された分圧計60を置換えることができる。 従って夫々の場合、出力端子250および350において、
連続するパルスU_A1およびU_A2の始点と終点とが調整範囲
Δψ_１ないしΔψ_３（第１図）によって変化され、この
ことによって、この回路により作動する直流電動機のパ
ルス幅調整機能が付与される。駆動出力電圧U_A1…U
_A2は、調整可能な異なる時間または角度位置によって使
用することができ、これによって、運転温度、負荷、回
転数、電動機と一体的に統合された通風機の通風量など
の外部パラメータに応じで電動機を経済的に制御するこ
とができる。 第３図は、第２図に示す第１回路例とは別の可調整間
隔を得るための回路例に基づき、結合コンデンサを組合
わせた一実施例を固定子コイルにまで拡げられた回路と
して示す。 第２図で説明された総ての構成要素が同じ参照符号で
示されており、その限りでは同じものである。ホールセ
ル100に給電するため、抵抗26のほかに、定電圧回路と
してツェナーダイオード29を備えた抵抗27が導線122に
接続されている。第２出力端子140は、結合コンデンサ4
2を介して第１比較器の−入力端子203に接続されている
が、第２比較器の＋入力端子303には抵抗44を介して接
続されている。同様に、ホールセルの第１出力端子130
は結合コンデンサ46を介して第２比較器の−入力端子30
4に接続されているが、第１比較器の＋入力端子204への
接続は抵抗48を介いて行われている。 第６図に第３図から要部を抽出した原理図を示す。即
ち、ホールセル100の一方の出力端子から交流成分が結
合コンデンサ46の一方の端子に導かれ、その対向端子に
は、調整可能な分圧器60を介して直流成分が導かれると
共に、この対向端子は対応する比較器の反転（−）入力
端子に接続される。またホールセルの他方の出力は、対
応比較器の非反転（＋）入力端子に導かれる。 この結合コンデンサ回路によって、適当に大きなキャ
パシタンス値の場合、大きな回路上の構成・経路を必要
とせずに、電動機を確実に起動させるのに充分な導通時
間が得られる。同時に、電動機回転子のブロッキング
（拘束状態）において、最終段トランジスタの高速かつ
確実な遮断が保証される。従って、場合によっては、過
大の切換間隔Δψによる欠点が補償される。即ち、回転
子が自由に回転できる通常の状態（ブロッキングされな
い状態）では、結合コンデンサは回転子の回転に伴い断
えず充電・放電を繰り返しを受ける（即ち、チャージは
増大しない）。回転子がブロックされると、結合コンデ
ンサには、充電が続き（この充電は結合コンデンサに接
続されている直流電源回路からの給電による）、そして
比較器の反転入力（−）端子への接続を介して比較器へ
入力される参照電圧たる閾電圧（例えば第1a図の1A−1
B、2A−2B、3A−3Bなど）が比較器の他の非反転入力
（＋）端子へ入力されるホール電圧U_Hを超えて増大し、
比較器の出力はOFFとなり、比較器の出力端子に接続さ
れたトランジスタを遮断したままとする。 一方電動機の起動時には、通電開始と共に分圧計60を
介して印加される電圧は結合コンデンサにチャージされ
る間、比較器の反転入力（−）端子への閾電圧の徐々の
増大（即ち遅延しての）をもたらし、かくして閾電圧の
相対的低下（例えば第1a図の1A−1B）となり、比較的長
い比較器出力ないしトランジスタ導通時間（例えば第1b
図のパルスU_A1、U_A2）が得られる。その結果、対応する
長いコイル通電時間により回転子を起動させるのに十分
な回転トルク（電磁力）が得られ、確実な起動が行われ
る。 第３図の回路では、出力端子250および350の後に例と
してパワートランジスタが示されている。出力端子250
には、１回転に対する電磁駆動磁界の半分を発生する固
定子コイル280に給電する単段トランジスタ270が抵抗26
0を介して接続されている。中央タップとしての接続線2
2を介してコイル380を形成するため、最終コイル280は
直接巻き重ねることができる。電動機構造によっては、
このコイル380は、最終段トランジスタ370および抵抗36
0を介して出力端子350に接続された、各回転毎に磁界の
半分を発生する別個のコイルとすることもできる。 第４図は、可調整間隔を得るための第１回路例に対
し、変更が加えられた第２回路例であって、構成要素に
対する要求・経費を最小にして回路が構成されることを
示しており、この図は原理的な回路として示されてい
る。また、既に説明した構成要素は、前に説明した参照
符号が付されている。出力端子140から取り出された電
位は、抵抗45を介して比較器200および300の非反転
（＋）入力端子204および反転（−）入力端子304に夫々
印加される。出力端子130は、調整抵抗60に並列の抵抗
列の中央にある。出力端子130は、抵抗74および76によ
って入力端子203および303に分けて接続されている。抵
抗72および78は、これら入力端子におけるバイアス（比
較）電圧レベルを保持するために設けられており、この
バイアス電圧レベルは、可調整抵抗60によって、第1b図
ないし第1d図に示すように、減少させることも、またこ
の例のように同時に増加させることもできる。従って、
これは、（＋）と（−）との間で変化可能なバイアス
（比較）電圧領域を起生する例として適している。 第５図には、詳しくは図示されていない二相電動機用
の、ホールセル100と集積された回路500が示されてい
る。ホールセル100と完全に集積された１つの構造要素
としての回路500の利点は、明らかに電動機が小形に構
成されている点である。容量および駆動電圧は広範囲に
変化させることができるが、第５図に示された回路は、
２ないし30ボルトの駆動電圧で容量を４ワットに設計す
ることができる。 この集積回路は、後に説明するように僅か５個の端子
502ないし508を備え、これらは一部は構成要素500へ給
電、一部は構成要素内で起生される駆動電圧の伝送、一
部は外部にある調整装置の接続に使用される。 構成要素500にはホールセル100があり、これへの給電
は後に説明する修正回路によって上述のように接続線12
2および124を介して行われる。２つの出力端子130およ
び140の間にホール電圧U_H（第１図参照）が生じる。左
の出力端子130は、一方において抵抗30を介して比較器2
00の上方の反転（−）入力端子203と接続され、他方に
おいて比較器300の非反転（＋）入力端子と直接接続さ
れている。第２出力端子140は、出力端子130に対し対称
を保持し、抵抗40を介して第２比較器300の−入力端子3
04に接続され、さらに比較器200の＋入力端子に直接接
続されている。 比較器200の＋入力端子204は、正帰還抵抗210を介し
て比較器200の出力端子250と接続され、比較器300の＋
入力端子303は、正帰還抵抗310を介して比較器300の出
力端子350と接続されている。 構成要素500の出力端子502および503の前に夫々npn駆
動トランジスタ270および370がある。駆動トランジスタ
270のベースは出力端子250と接続され、駆動トランジス
タ370のベースは出力端子350と接続されている。双方の
エミッタは、端子508を通して電圧が供給される線路24
上にある。トランジスタ270および370のコレクタは、パ
ルスU_A1およびU_A2が得られる出力端子502および503に夫
々直接接続されている。さらに、双方のトランジスタ27
0および370のコレクタは、集積定電流回路290および390
を介して導線22に接続されている。 さらに、構成要素500には、導線24と端子506との間に
集積電圧調整器400があり、この調整器は制御された出
力端子402を介して、導線22に例えば３なしい５ボルト
の電圧を供給する。 出力端子250に、符号252によって示された1A（第1b
図）、2A（第1c図）および3A（第1d図）の大きさのパル
スU_A1が生じる。同じパルスが増幅されて端子502に準備
される。相が反転された完全なパルスU_A2が、符号352に
よって1B（第1b図）、2B（第1c図）および3B（第1d図）
の大きさで端子350に示されている。 この集積回路500は、本発明によって抵抗50および52
が付け加えられている。双方の抵抗50および52は、一方
では、夫々比較器200および300の＋入力端子204および3
03に接続され、他方では、ブロック500の外部へ取出す
１つの出力端子504を形成するため、導線54によってま
とめられて端子504に接続されている。電圧調整回路400
が接続される電圧端子506は、出力端子504の対向極の役
割をなしている。これらの２つの極504,506の間の外部
に、可調整抵抗560が接続されている。この可調整抵抗5
60によって、比較器200および300の＋入力端子204およ
び303に印加される基準電圧が、作用および特徴につい
て前に説明したように、調整可能である。このパルス間
隔Δψの調整は、夫々他の調整と重畳させることができ
る。例えば、自己の欧州特許公開84156（欧州特許出願
第82111882.5号）の第６図および第７図に示された、同
様に外部から調整可能なパルス立上り回路と重畳させる
ことができる。 なお、結合コンデンサは第３図に示すように、駆動パ
ルスの間の可調整間隔を得るための回路構成と組合わす
ことができるが、同様の原理に基づき、駆動パルスの間
の可調整間隔を得るための他の回路構成にも、組合わせ
ることができることは言うまでもない。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭53−19512（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−22012（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−67620（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−115575（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．（ａ）変換要素および増幅要素を介して交互に電流
   駆動相に、一相から後続相への切換間隔（Δψ_１、Δψ
   _２、Δψ_３）を保持して、少くとも２つの駆動パルスを
   供給する、回転子位置に依存するセンサを備え、 （ｂ）該増幅要素は整流を行うと共に、比較器により制
   御され、 （ｃ）該比較器の入力端子には該センサの出力電圧と基
   準電圧が入力され、該基準電圧は前記駆動パルス間の切
   換間隔（Δψ）を規定する調整可能な基準電圧であり、 （ｄ）さらに、ブロッキング安全機構として、該センサ
   の少くとも一つの出力電圧が該比較器の所定入力端子に
   結合コンデンサを介して入力されること、 を特徴とする無集電子直流電動機。 ２．前記ブロッキング安全機構として、前記センサの出
   力の一つが少くとも一つの比較器の反転入力端子に結合
   コンデンサを介して入力され、他のセンサ出力が前記少
   くとも一つの比較器の非反転入力端子に入力されること
   を特徴とする請求の範囲第１項記載の電動機。 ３．２相２パルスの設計における変換要素として、ホー
   ルセル（100）の２つの反対極性の出力端子（130,140）
   に比較器（200,300）が対に接続され、その２つの入力
   端子（203,204および304,303）に交番ホール電圧（U
   _H(+),U_H(-)）が印加され、比較器（200,300）が電圧源
   （22,24）の間に接続され、この電圧源から可調整分圧
   器（60）を介して比較器（200,300）のターンオン電圧
   閾値が調整可能であることを特徴とする請求の範囲第１
   又は２項記載の電動機。 ４．分圧器（60）の可変タップ（54）が、夫々抵抗（5
   0,52）を介して比較器（200および300）の反転（−）入
   力端子（203および304）に接続されることを特徴とする
   請求の範囲第１〜３項の一に記載の電動機。 ５．分圧器（60）の可変タップ（54）が、夫々抵抗（5
   0,52）を介して比較器（200および300）の非反転（＋）
   入力端子（204および303）に接続されることを特徴とす
   る請求の範囲第１〜３項の一に記載の電動機。 ６．分圧器の可変タップが、比較器（200および300）の
   反転入力端子（203および304−第４図）にみならず非反
   転入力端子にも接続されることを特徴とする請求の範囲
   第１〜３項の一に記載の電動機。 ７．交番ホール電圧（U_H）が、傾斜した電圧上昇フラン
   クおよび電圧下降フランクをもつ台形状の経過をたどる
   ことを特徴とする請求の範囲第１〜６項の一に記載の電
   動機。 ８．分圧器（60）が、制御電圧（68,66）に応じて制御
   可能であることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第
   ７項のいずれか一に記載の電動機。 ９．ブロッキングに対する安全のために、センサの二つ
   の出力（130,140）が結合コンデンサ（42,46）を介して
   夫々比較器（200,300）の反転入力に接続されることを
   特徴とする請求の範囲第１項ないし第８項のいずれか一
   に記載の電動機。 １０．２パルス、２相の構成に対して、ホールセル（10
   0）および比較器（200,300）が、５端子の集積回路にま
   とめられ、２つの電流源端子（506,508）および夫々１
   相を駆動するために設けられた端子（502および503）の
   ほかに、調整要素（560）に対する接続としてただ１つ
   の端子（504）が設けられ、この調整要素（560）の第２
   端子が電流源の１つの端子（506または508）に接続され
   ることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第９項のい
   ずれか１項に記載の電動機。