JPS623676B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、外周上に反対極性の磁極を交互に有
する永久磁石回転子と、この回転子が回転したと
き個々の巻線にそれぞれ互いに電気角90゜ずつ位
相のずれた電圧を誘起する固定子巻線と、回転子
位置に応じ、それぞれ前記回転子の電気的半回転
（電気角180゜）にわたつて継続する制御信号を得
るために互いに電気角90゜ずつずらして設けられ
た２つの磁電変換器とを備え、前記制御信号によ
り、前記個々の巻線に電流を流すためアナログ領
域において動作する半導体素子が制御される無整
流子直流電動機に関するものである。

その種の無整流子直流電動機は刊行物“Elek
−trische Ausrustung”1972年第１号第21〜23
ページ、特に第１図、により公知である。ここで
言う180゜回路においては、回転子の180゜の回転
角範囲に対してそれぞれ互いに90゜ずつずれた巻
線コイルを有する二相電動機の個々の巻線が電流
を流す。各巻線はそれぞれ直列に設けられたトラ
ンジスタによつて電流が流される。180゜ずつず
れている巻線に設けられている一対のトランジス
タの駆動制御は、磁電変換器として用いられるホ
ール素子から取出される制御信号によつて行われ
る。必要とされる両ホール素子は互いに90゜だけ
ずらして配置されている。ホール素子の出力信号
は回転子の回転角に応じて正弦波形をしているの
で、各トランジスタはアナログ領域で駆動され、
そのため個々の巻線に生ずる電流はほぼ正弦波の
半波に対応したものになる。前述の180゜回路は
最低限の電子部品しか必要とせず、しかも純理論
的には、トルクリツプルを持つていないことにな
る。このことはトルクＤを表わす次の数式から明
らかになる。

ＤＩ_wo・sin²＋Ｉ_wo+2・cos² 理想化して考えれば、互いに空間的に離れている
２つの巻線の電流を表わす電流Ｉ_wo及びＩ_wo+2は
等しく、しかもそれは、理想化して考えた場合、
複雑な三角関数の二乗を生ずる。しかし実際には
そういう結果にはならない。その理由は、電子式
整流子のトランジスタが互いに異あるしきい値及
び電流増幅度を持つており、ホール素子も感度及
び零電圧が変動するからである。そのため、180
゜回路を実際に用いた場合、トルクリツプルが50
％にも達することがある。

本発明の目的は、初めに述べた型の無整流子直
流電動機を、トルクリツプルが減少するように構
成することにある。

この目的は本発明により、初めに述べた型の無
整流子直流電動機において、半導体素子として半
導体スイツチ、特にスイツチングトランジスタが
用いられ、この半導体スイツチは制御信号の極性
に従つてオン制御され、互いに電気角180゜だけ
ずれている電流回路の２組の巻線の、半導体スイ
ツチの開閉路の巻線とは反対側の端子が共通に可
制御電流源から給電され、これらの可制御電流源
の制御入力端には所属の磁電変換器からの制御信
号の値が加えられ、しかも可制御電流源の電流は
前記制御信号の値に比例するようにすることによ
り達成される。

従来技術においては、トランジスタは二重の機
能を持つている。即ちその一つは、個々の巻線の
電流をスイツチングすることであり、もう一つ
は、ホール素子からの制御信号に応じて電流を
180゜の範囲内でほぼ正弦波の半波波形が形成さ
れるように制御することである。しかし本発明に
おいては、このやり方は放棄されている。即ち本
発明においては、個々の巻線に直列に設けられて
いる半導体スイツチ、特にスイツチングトランジ
スタはその巻線の電流を開閉する機能しか持つて
おらず、しかもそれは制御信号の極性に応じて正
確にオン制御される。従つて、トランジスタのし
きい値の違いやホール素子の感度の違いに基づい
て生じていた従来技術における欠点は除去され
る。というのは、制御信号の極性の反転は極めて
正確に固定されるからである。個々の巻線の電流
の正弦半波は、本発明によれば、所属の磁電変換
器からの制御信号の瞬時値の大きさに比例する電
流を流す可制御電流源によつて与えられる。その
場合、互いに電気角180゜ずれている２組の巻線
に対してそれぞれかかる電流源は１組しか必要と
されない。このことは、電気角180゜ずれている
２組の巻線が常に順番に交代して、即ち決して同
時に重なり合うことなく、電流を流すことから可
能になるものである。このような可制御電流源は
極めて正確に制御可能なものである。従つて電流
源によつて制御される電流はその波形が正確に正
弦半波になるので、前述の数学的考察から得られ
る式が極めて良好な近似において満足され、極め
てわずかなトルクリツプルとすることができる。
本発明の実際の構成においては、わずか５％のト
ルクリツプルのものが得られた。

磁電変換器としてホール素子を用いると有利で
ある。ホール素子は機能的に高い信頼性を持つて
おり、安価に入手できるという利点がある。

好ましい実施態様は、各制御信号がしきい値零
及び逆極性の２つの出力端を有する限界値表示器
に加えられ、この限界値表示器の両出力端に生ず
る信号が所属の半導体スイツチの制御入力端に加
えられるようにすることにある。この限界値表示
器によれば、磁電変換器から導出される制御信号
の極性反転を高い精度をもつて決定することが可
能になる。従つて、巻線の正確な投入、遮断が達
成できる。

絶対値を形成するためには、磁電変換器の両制
御信号のそれぞれをしきい値の無い整流器に導く
ようにすればよい。しきい値の無い整流器は簡単
に実現でき、それにより、磁電変換器の出力制御
信号が正弦波形をしているので、正弦半波が極め
て正確な波形で発生できる。この正確に予め与え
られる正弦半波によつて、用いられる可制御電流
源の正確な制御が達成可能になる。

更に好ましい実施態様によれば、可制御電流源
としてそれぞれアナログ領域で動作するトランジ
スタが用いられ、各トランジスタのベース端子は
制御入力端を形成し、又各トランジスタの開閉路
は、一方では直流電源の巻線と直接には接続され
ていない側の極と抵抗を介して接続され、他方で
は半導体スイツチの開閉路の、互いに電気角180
゜ずつずれている巻線とは反対側の端子の接続点
と接続される。このようにして設けられたトラン
ジスタは可制御電流源を安価なものにすることが
できる。

次に図面を参照して本発明を更に詳述する。

第１図に示す無整流子直流電動機においては、
永久磁石回転子１として、直径方向に磁化され
た、高保持力かつ高磁束の円柱形の永久磁石が用
いられている。固定子巻線は互いに90゜ずつずら
して配置された４組の巻線Ｗ１〜Ｗ４を備えてい
る。これらの巻線Ｗ１〜Ｗ４は図示していない巻
線ホルダ上に、回転子１との間にギヤツプをおい
て固定配置されている。巻線Ｗ１及びＷ２は互い
に電気角180゜ずつずれている。巻線Ｗ３及びＷ
４も同様に互いに180゜ずれている。この各巻線
対Ｗ１，Ｗ２及びＷ３，Ｗ４はそれぞれ共通の磁
気中心軸を有する共通の電流回路を形成し、２本
巻巻線として作ることにより、高度の対称性を得
ることができる。巻線Ｗ１〜Ｗ４の各一端は、直
流電源の正の運転電圧＋Ｕ_Bが供給される中性点
に共通に接続されている。巻線Ｗ１〜Ｗ４の各他
端はそれぞれ半導体スイツチとして用いられてい
るスイツチングトランジスタＴ１〜Ｔ４の開閉路
の一端に接続されている。トランジスタＴ１〜Ｔ
４は、ここには図示されていない可制御電流源か
ら供給される電流Ｉ_W1〜Ｉ_W4を投入するのに用い
られる。

スイツチングトランジスタＴ１〜Ｔ４の投入
は、磁電変換器として用いられ且つ巻線に対する
回転子の位置を直接検出するホール素子Ｈ１及び
Ｈ２の出力信号の極性に応じて行われる。ホール
素子Ｈ１，Ｈ２は空間的に互いに90゜ずらして直
流電動機のギヤツプ内に配置されており、これを
回転子磁束が貫通する。ホール素子Ｈ１，Ｈ２か
ら供給される制御信号は制御電流と磁束密度との
積に比例する。制御電流が一定の場合、制御信号
として用いられるホール起電力の大きさ及び極性
は回転速度には無関係に回転子の位置を与える。
図示の例では、ホール素子Ｈ１は巻線W₁の巻線
軸の軸方向延長部に、又ホール素子Ｈ２は巻線Ｗ
４の巻線軸の軸方向延長部にそれぞれ配置されて
いる。

スイツチングトランジスタＴ１〜Ｔ４の代りに
サイリスタを用いることもできる。その場合はも
ちろんサイリスタを時間的に正しく消弧するため
に公知の消弧回路を用いる必要がある。

第２図に示す回路図においては正の運転電圧＋
Ｕ_Bは母線２から供給される。巻線Ｗ１〜Ｗ４の
各一端は母線２に接続され、従つて一つの中性点
にまとめられる。各巻線Ｗ１〜Ｗ４には直列にス
イツチングトランジスタＴ１〜Ｔ４が接続されて
いる。ここではトランジスタＴ１〜Ｔ４のコレク
タ端子がＷ１〜Ｗ４の各他端に接続されている。
そして互いに180゜ずれているそれぞれの巻線に
接続されているスイツチングトランジスタ、即ち
トランジスタＴ１及びＴ２ないしはトランジスタ
Ｔ３及びＴ４のエミツタ端子はそれぞれ接続点Ｖ
１ないしＶ２で共通に接続されている。各接続点
Ｖ１及びＶ２と基準電位Ｏ又は負の電源電圧−Ｕ
_Bとの間にはそれぞれ可制御電流源Ｅ１ないしＥ
２が接続されている。各可制御電流源Ｅ１，Ｅ２
は、巻線Ｗ１及びＷ２ないしＷ３及びＷ４に交互
に流す注入電流を発生するものである。この注入
電流はＩ_W1〜Ｉ_W4で示されている。電流源Ｅ１及
びＥ２によつて流される注入電流は一定ではな
く、その波形は可制御電流源Ｅ１，Ｅ２の制御入
力端Ｃ１，Ｃ２に加わる信号の波形に対応してい
る。巻線Ｗ１〜Ｗ４に流す電流Ｉ_W1〜Ｉ_W4を回転
子位置に応じて開閉及び制御するために、２つの
ホール素子Ｈ１及びＨ２が磁電変換器として用い
られている。ホール素子Ｈ１，Ｈ２の各一方の制
御電流端子は可変抵抗Ｒ１，Ｒ２を介して母線２
に接続されている。この可変抵抗Ｒ１，Ｒ２は注
入される制御電流の調整のために用いられる。ホ
ール素子Ｈ１，Ｈ２の他方の制御電流端子は、接
続点Ｖ３で共通に接続され、且つ抵抗Ｒ３を介し
て基準電位Ｏないし負電圧−Ｕ_Bに接続されてい
る。共通の抵抗Ｒ３によりホール素子Ｈ１，Ｈ２
の他方の制御電流端子の固定基準電位が作られ
る。両ホール素子Ｈ１，Ｈ２の制御電流が常に確
実に等しくなるようにするために、両ホール素子
Ｈ１，Ｈ２を直列に接続することもできる。

ホール素子Ｈ１，Ｈ２のホール電圧端子から
は、制御信号として用いられるホール電圧U₁，
U₂が取り出される。ホール電圧U₁，U₂はそれぞ
れ限界値表示器Ｓ１及びＳ２に導入される。限界
値表示器Ｓ１，Ｓ２はそれぞれ逆極性の２つの出
力端子、即ちコンプリメンタリな信号を出す２つ
の出力端子を持つている。限界値表示器Ｓ１，Ｓ
２の出力信号Ｕ_s1，_s1ないしＵ_s2，_s2はスイツ
チングトランジスタＴ１〜Ｔ４のベース端子に加
えられる。限界値表示器Ｓ１，Ｓ２としては公知
の限界値表示器、即ち入力信号の極性が反転する
度ごとにそのコンプリメンタリ出力信号の状態を
変えてその新しい状態を入力信号の次の新たな極
性反転又は零点通過の生ずるまで維持するような
限界値表示器が用いられる。このようにして両ス
イツチングトランジスタＴ１，Ｔ２はコンプリメ
ンタリ信号によつて導通制御され、その結果トラ
ンジスタＴ１，Ｔ２は交互に導通される。同様の
ことはトランジスタＴ３，Ｔ４に対しても行われ
る。かくしてトランジスタＴ１〜Ｔ４は従来技術
により公知のトランジスタの機能とは異なり、純
粋なスイツチング機能しか持たないことになる。
電流Ｉ_W1，Ｉ_W2の波形制御は可制御電流源Ｅ１に
よつて行われ、電流Ｉ_W3及びＩ_W4の波形制御は可
制御電流源Ｅ２によつて行われる。

制御信号として用いられる両ホール素子Ｈ１，
Ｈ２のホール電圧U₁，U₂はそれぞれ公知のしき
い値無しの整流器Ｇ１ないしＧ２に導かれる。こ
のしきい値無しの整流器Ｇ１及びＧ２は出力とし
て信号Ｕ_G1及びＵ_G2を与え、それは同一極性の正
弦半波の波形列から成つている。この出力信号Ｕ
_G1及びＵ_G2は可制御電流源Ｅ１，Ｅ２の制御入力
端に加わるので、その結果この電流制御源はそれ
ぞれ制御信号U₁，U₂の瞬時値の大きさによつて
制御される。従つて、電流源Ｈ１，Ｅ２により、
個々の巻線Ｗ１〜Ｗ４に流れる電流Ｉ_W1〜Ｉ_W4は
回転子磁束と巻線内の磁束との間の位相角の正弦
の大きさに比例して制御される。限界値表示器Ｓ
１，Ｓ２によりホール電圧U₁，U₂の極性に従つ
てスイツチングトランジスタＴ１，Ｔ３ないしＴ
２，Ｔ４が交互にオン制御される。

簡単に制御し得る電流源Ｅ１，Ｅ２として、第
２図に示す実施例の場合には、制御路が抵抗Ｒ４
ないしＲ５を介して接続点Ｖ１，Ｖ２と基準電位
Ｏの点ないし負の動作電圧−Ｕ_Bとの間に接続さ
れている、比例領域内で動作するトランジスタＴ
５及びＴ６が用いられている。これらの可制御電
流源Ｅ１，Ｅ２の制御入力端Ｃ１，Ｃ２はトラン
ジスタＴ２，Ｔ６のベース端子に接続されてい
る。電流源Ｅ１，Ｅ２としては、制御入力端に加
わる信号の振幅に比例した電流が流れるように制
御される電流調整回路を用いることができる。

スイツチングトランジスタＴ１〜Ｔ４及びアナ
ログ領域で動作するトランジスタＴ５，Ｔ６とし
て図示の実施例ではnpnトランジスタが用いられ
れている。しかしながら、その代りにpnpトラン
ジスタを用いることができるのはもちろんであ
り、その場合には開閉路ないし制御路の端子並び
に制御する信号レベルを反転させなければならな
い。

ホール素子Ｈ１，Ｈ２の一方の制御電流端子
は、この実施例では抵抗Ｒ１，Ｒ２を介して正の
供給電圧＋Ｕ_Bに接続されている。この制御電流
端子には、従来技術からも明らかなように、適当
な調整回路を通して給電することもできる。

第３図には第２図に示されている回路に生ずる
電圧及び電流の波形が示されている。図のａ，ｂ
はホール素子Ｈ１及びＨ２のホール電圧Ｕ１，Ｕ
２を示している。この図から、回転子の電気的な
半回転即ち電気角180゜ごとに、ホール電圧の極
性反転が行われていることが認められる。更に同
図からは、ホール素子Ｈ２ののホール電圧信号
U₂がホール電圧信号U₁よりも90゜だけ位相が進
んでいることが分かる。これは両ホール素子
H1，H2相互の空間的なずれによつて生じている
ものである。

第３図ｃ〜ｆには限界値表示器Ｓ１，Ｓ２の出
力信号Ｕ_s1，_s1，Ｕ_s2，_s2が示されている。こ
こには、相対的に180゜ずれた巻線Ｗ１，Ｗ２に
関する信号Ｕ_s1，_s1は互いに逆極性であること
がはつきりと示されている。同様のことは信号Ｕ
_s2，_s2についても言える。高い側縁勾配を有す
るこれらの信号Ｕ_s1，_s1，Ｕ_s2，_s2により、ス
イツチングトランジスタＴ１〜Ｔ４の、対応する
ホール電圧U₁，U₂の零点通過に時間的に正確に
同期したオンオフ制御が保証される。かくして、
従来技術において使用トランジスタのしきい値の
相違及びホール素子の感度の相違によつて生じて
いた不都合は確実に除去される。

第３図ｇ，ｈにはしきい値の無い整流器Ｇ１，
Ｇ２の出力信号Ｕ_G1及びＵ_G2が示されている。し
きい値の無い整流ということに基づいて可制御電
流源Ｅ１，Ｅ２の制御のための正弦半波信号を簡
単に得ることができる。そのため、従来技術にお
けるように、トランジスタのしきい値が異なり、
かつホール素子の感度が異なることによる影響を
除去することができる。信号Ｕ_G1，Ｕ_G2は可制御
電流源Ｅ１，Ｅ２により正弦半波電流を正確に供
給するために用いられる。その場合、その予め与
えられた電流はスイツチングトランジスタＴ１〜
Ｔ４の制御されたスイツチング比により無整流子
直流電動機の巻線Ｗ１〜Ｗ４に順次分配される。
巻線Ｗ１〜Ｗ４へのこの形に関して確実な電流半
波の正確な時間的配分は、従来技術により公知の
ものに比較して本発明による無整流子直流電動機
のトルクリツプルは明らかに減少するものである
ことを証明するものである。本発明による無整流
子直流電動機においては、用いられるトランジス
タのしきい値の違い、及び電流増幅度の違いは、
巻線電流Ｉ_W1〜Ｉ_W4の波形及び投入時点にほとん
ど影響を与えない。巻線Ｗ１〜Ｗ４の抵抗値の違
いもトルク変化には大した影響を与えない。とい
うのは、可制御電流源Ｅ１，Ｅ２を介して発生さ
れる注入電流によつて巻線電流の違いが無くなる
ように調整されるからである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による無整流子直流電動機の空
間的配置構成の概略を示す説明図、第２図は本発
明の一実施例の接続図、第３図ａ〜ｌは本発明の
作用を説明するため電流及び電圧と回転子の位置
との関係を示す線図である。 １…回転子、Ｗ１〜Ｗ４…固定子巻線、Ｈ１，
Ｈ２…ホール素子、Ｔ１〜Ｔ４…スイツチングト
ランジスタ、U₁，U₂…制御信号、Ｅ１，Ｅ２…
可制御電流源、Ｉ_W1〜Ｉ_W4…固定子巻線電流。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 外周上に反対極性の磁極を交互に有する永久
   磁石回転子と、この回転子が回転したとき個々の
   巻線にそれぞれ互いに電気角90゜ずつ位相のずれ
   た電圧を誘起する固定子巻線と、回転子位置に応
   じ、それぞれ前記回転子の電気的半回転（電気角
   180゜）にわたつて継続する制御信号を得るため
   に互いに電気角90゜ずつずらして設けられた２つ
   の磁電変換器とを備え、前記制御信号により、前
   記個々の巻線に電流を流すためアナログ領域にお
   いて動作する半導体素子が制御される無整流子直
   流電動機において、前記半導体素子として半導体
   スイツチが用いられ、この半導体スイツチは制御
   信号の極性に従つてオン制御され、互いに電気角
   180゜だけずれている電流回路の２組の巻線の、
   半導体スイツチの開閉路の巻線とは反対側の端子
   が共通に可制御電流源から給電され、この可制御
   電流源の制御入力端には所属の磁電変換器の瞬時
   制御信号の値が加えられ、しかも前記可制御電流
   源の電流はこの制御信号の値に比例することを特
   徴とする無整流子直流電動機。 ２ 磁電変換器としてホール素子が用いられるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の無整
   流子直流電動機。 ３ 前記各制御信号はしきい値零及び逆極性の２
   つの出力端を有する限界値表示器に加えられ、こ
   の限界値表示器の両出力端に生ずる信号は所属の
   半導体スイツチの制御入力端に加えられることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載
   の無整流子直流電動機。 ４ 前記両制御信号のそれぞれの値を形成するた
   めに前記磁電変換器はしきい値の無い整流器に接
   続されることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   ないし第３項のいずれかに記載の無整流子直流電
   動機。 ５ 可制御電流源としてそれぞれアナログ領域で
   動作するトランジスタが用いられ、各トランジス
   タのベース端子は制御入力端を形成し、又各トラ
   ンジスタの開閉路は、一方では直流電源の巻線と
   直接には接続されていない側の極と抵抗を介して
   接続され、他方では前記半導体スイツチの開閉路
   の、互いに電気角180゜ずつずれている巻線とは
   反対側の端子の接続点と接続されていることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項ないし第４項のい
   ずれかに記載の無整流子直流電動機。