(57)【要約】【課題】小型でも高効率な出力と安定な始動トルクが得られ、始動時や回転時にロータの回転位置を容易に検出でき、始動特性と回転時の制御性を向上できるセンサレス同期電動機とその駆動方法及び装置を提供する。【解決手段】ロータ３の構造において、一方の磁極をマグネット７としてロータ３表面に露出させ、これに隣接する他方の磁極をヨーク部８を形成する。マグネット７の露出により、回転力を発生させる磁束の有効利用が可能になり、隣接磁極がヨーク部８であることで、突極性も有し、小型化しても、高効率な出力と安定な始動トルクが得られ、加工も容易である。両者による駆動コイル６のインダクタンスの差が大きいので、これを表す検出電圧は、Ｓ／Ｎ比が良く、信号処理が容易で、高い検出精度が得られる。この検出電圧は、始動時にも回転時にも容易に検出でき、始動特性と回転時の制御性が向上する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータに対向するロータ表面には一つの磁極としてマグネットで形成したＮ極とＳ極の内の一方の磁極を配置し、この一つの磁極に隣接するロータ表面にはヨーク部で形成したＮ極とＳ極の内の他方の磁極を配置したことを特徴とするセンサレス同期電動機。
【請求項２】
前記一つの磁極であるマグネットで形成したＮ極とＳ極の内の一方の磁極と、この一つの磁極に隣接する磁極であるヨーク部で形成したＮ極とＳ極の内の他方の磁極とを、対として多極構造のロータを構成したことを特徴とする請求項１記載のセンサレス同期電動機。
【請求項３】
請求項１又は２記載のセンサレス同期電動機を対象とした駆動方法であって、停止中の各駆動コイルのインダクタンスを表すものを測定又は検出し、このインダクタンスを表すものの値が当該駆動コイルを巻いたステータに対向するロータ表面が透磁率の小さいマグネットの場合に最小となり、透磁率の大きいヨーク部の場合に最大となることを利用して、前記測定又は検出した各駆動コイルのインダクタンスを表すものから、ロータ表面のマグネットとヨーク部の停止位置とこれらの停止位置から一義的に定まる磁極の停止位置とを表す位置検出信号を生成し、この生成した位置検出信号を元に始動時の駆動を行うことを特徴とするセンサレス同期電動機の駆動方法。
【請求項４】
請求項１又は２記載のセンサレス同期電動機を対象とした駆動方法であって、回転中の駆動を一定時間毎に中断して各駆動コイルのインダクタンスを表すものを測定又は検出し、このインダクタンスを表すものの値が当該駆動コイルを巻いたステータに対向するロータ表面が透磁率の小さいマグネットの場合に最小となり、透磁率の大きいヨーク部の場合に最大となることを利用して、前記測定又は検出した各駆動コイルのインダクタンスを表すものから、ロータ表面のマグネットとヨーク部の回転位置とこれらの回転位置から一義的に定まる磁極の回転位置とを表す位置検出信号を生成し、この生成した位置検出信号を元に回転中の駆動を続けることを特徴とするセンサレス同期電動機の駆動方法。
【請求項５】
請求項３記載のセンサレス同期電動機の駆動方法により、前記停止中に測定又は検出した各駆動コイルのインダクタンスを表すものから生成した位置検出信号を元に始動時の駆動を行った後、請求項４記載のセンサレス同期電動機の駆動方法により、前記回転中に測定又は検出した各駆動コイルのインダクタンスを表すものから生成した位置検出信号を元に回転中の駆動を続けることを特徴とするセンサレス同期電動機の駆動方法。
【請求項６】
請求項１又は２記載のセンサレス同期電動機を対象とした駆動装置であって、各駆動コイルのインダクタンスを表すものを測定又は検出する手段と、このインダクタンスを表すものが当該駆動コイルを巻いたステータに対向するロータ表面が透磁率の小さいマグネットの場合に最小となり、透磁率の大きいヨーク部の場合に最大となることを利用して、前記測定又は検出した各駆動コイルのインダクタンスを表すものからロータ表面のマグネットとヨーク部の回転位置及びこれらの回転位置から一義的に定まる磁極の回転位置を表す位置検出信号を生成する手段と、この生成した位置検出信号を元に始動時の駆動を行う手段とを、有することを特徴とするセンサレス同期電動機の駆動装置。
【請求項７】
請求項１又は２記載のセンサレス同期電動機を対象とした駆動装置であって、一定時間毎に回転中の駆動を中断して、各駆動コイルのインダクタンスを表すものを測定又は検出する手段と、このインダクタンスを表すものが当該駆動コイルを巻いたステータに対向するロータ表面が透磁率の小さいマグネットの場合に最小となり、透磁率の大きいヨーク部の場合に最大となることを利用して、前記測定又は検出した各駆動コイルのインダクタンスを表すものからロータ表面のマグネットとヨーク部の回転位置及びこれらの回転位置から一義的に定まる磁極の回転位置を表す位置検出信号を生成する手段と、この生成した位置検出信号を元に回転中の駆動を続ける手段とを、有することを特徴とするセンサレス同期電動機の駆動装置。
【請求項８】
請求項６記載のセンサレス同期電動機の駆動装置における、前記停止中に測定又は検出した各駆動コイルのインダクタンスを表すものから生成した位置検出信号を元に始動時の駆動を行う為の各手段と、請求項７記載のセンサレス同期電動機の駆動装置における、始動時の駆動を行った後、前記回転中に測定又は検出した各駆動コイルのインダクタンスを表すものから生成した位置検出信号を元に回転中の駆動を続ける為の各手段とを有することを特徴とするセンサレス同期電動機の駆動装置。
【請求項９】
前記各駆動コイルのインダクタンスを表すものを測定又は検出する手段が、３相の駆動コイルの内の２相の駆動コイルにパルス電流を流して残りの相の駆動コイルに相互インダクタンスに応じて誘起される電圧を検出するものであることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか１に記載のセンサレス同期電動機の駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、センサレス同期電動機とその駆動方法及び装置に関し、小型化した場合でも高効率な出力と安定な始動トルクが得られ、始動時及び回転時のロータの回転位置を容易に検出できる構造を有し、始動特性及び回転時の制御性を向上させたセンサレス同期電動機とその駆動方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来より、特許文献１に記載されているように、センサレス同期電動機（以下、電動機をモータと記す）が知られている。センサレス同期モータは、ロータ側にマグネットを配置するとともに、ステータ側に駆動コイルを巻いて、回転位置センサを用いないで電圧や電流からロータの回転位置を検出し、この回転位置を元にステータ側の駆動コイル電流を制御して回転磁界を発生させ、ロータを回転させている。この同期モータとしては、ロータ側のマグネットの配置の相違により、図５（ａ）に示したようなロータ１０２を構成するヨーク部１０８の表面にＮ極のマグネット１０７ＮとＳ極のマグネット１０７Ｓを交互に配置して固定した表面磁石構造（ＳＰＭ）型のものと、図５（ｂ）に示したようなロータ１０２を構成するヨーク部１０８の内部にＮ極のマグネット１０７ＮとＳ極のマグネット１０７Ｓを交互に埋め込んだ埋め込み磁石構造（ＩＰＭ）型のものとがある。ＩＰＭ型の同期モータは、大型機を高速回転させた場合にマグネットの脱落の虞がなく、磁極間に透磁率の大きい突極構造１１０を持っているので、マグネットトルクの他にリラクタンストルクを発生させることができ、高効率で可変速範囲の広いモータとして、コンプレッサ、スピンドルモータ、電気自動車用モータ等に広く用いられている。【０００３】  上記のセンサレス同期モータの駆動制御において、ロータの回転位置をセンサレスで検出する方法には、特許文献１に記載されているように、ロータの回転位置情報を含んでいるステータ側の駆動コイルの相電流、又は駆動コイルに誘起される電圧により、ロータの回転位置を検出する方法がある。このようなセンサレスによる駆動制御は、ロータが回転状態であることが前提となる。しかしながら、始動時には、ロータが停止しているため、ロータの回転位置が検出できず、センサレスによる駆動制御ができない。そこで、ロータの回転位置が不明なまま、ロータを正転させる論理に従い、駆動コイルに順次駆動電流を流すことにより、ロータを回転させて始動させようとすると、初期の段階では、ロータの停止位置によっては、意図する回転方向とは逆方向に回転したり、回転を始めなかったりする場合がある。このように、センサレスによる駆動制御では、始動特性に問題があった。なお、ＳＰＭ型の同期モータでは、始動トルクが安定に得られない。始動トルクを安定に得るためには、ＩＰＭ型の同期モータが有する突極構造が必要条件となっている。【０００４】  上述のような始動特性の問題の解決策としては、停止時にロータのＮ極とＳ極を識別して位置検出するために、ステータの駆動コイルに比較的大きい電流を流して、対向するロータ側のマグネットの飽和／不飽和状態による駆動コイルのインダクタンスの差を検出するという方法がある（特許文献２参照）。即ち、マグネットの磁束と駆動コイル電流によるステータの磁束が同一方向にある場合は、マグネットから見れば、ステータからの磁束が更に磁化させる方向にあるので、マグネットはヒステリシス特性の飽和領域の性質を示す。即ち、マグネットは非磁性体として作用するので、駆動コイルのインダクタンスは最小になる。一方、マグネットの磁束と駆動コイル電流によるステータの磁束が逆方向にある場合は、マグネットから見れば、ステータからの磁束が逆に磁化させる方向にあるので、マグネットはヒステリシス特性の線形領域に近い部分の性質を示す。即ち、マグネットは磁性体として作用するので、駆動コイルのインダクタンスは最大になる。このインダクタンスの差により、停止時のロータの磁極がＮ極かＳ極かを識別して位置検出をする方法である。この検出されたロータ停止時の磁極の位置を元に駆動電流を制御することにより、初期の段階から、センサレス同期モータを意図する方向にスムーズに回転させることができ、始動特性を改善することができるとしている。
【特許文献１】  特開平０８−３０８２８６号公報
【特許文献２】  特開２００４−０４０９４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  しかしながら、上記従来の技術では、以下のような問題点があった。即ち、第１の問題点として、上記従来の技術が適用できる同期モータとしては、始動トルクが安定に得られる突極構造を有しているＩＰＭ型のものが必要条件となっているが、数キロワット以上の出力の大型の同期モータでは、突極構造を容易に作成できるものの、それより小さい１キロワット未満から数十ワット程度までの出力の小型の同期モータでは、突極構造が採りにくいという問題があった。その理由の一つは、図５（ｂ）に示すように突極構造を採ると、ロータの磁束がヨーク内部でショートしていることと、加工の限界により、小型化に対応してロータとステータ間のギャップを小さくすることができないことにより、ロータの外部でステータとの相互作用で回転力を発生させるのに利用できる有効磁束が少なくなり、効率が低下してしまう為である。また、もう一つの理由は、小型化するほど、マグネットをロータ内に埋め込んで突極構造を設ける加工が、加工の限界により、困難になってくる為である。このことは、ＩＰＭ型の同期モータの小型化が困難である、という問題でもある。【０００６】  第２の問題点としては、ステータに対向する停止状態のロータのＮ極とＳ極を、ロータのマグネットの飽和／不飽和状態による駆動コイルのインダクタンスの差により識別して位置検出をする場合、そのインダクタンスの差はわずかであるため、Ｓ／Ｎ比が悪く、信号処理が複雑化し、検出精度が低いという問題である。【０００７】  本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、小型化した場合でも高効率な出力と安定な始動トルクが得られ、回転時のみならず始動時にもロータの回転位置が容易に検出できる構造を有し、始動特性と回転時の制御性を向上させることができるセンサレス同期電動機とその駆動方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  上記の目的を達成するため、本発明によるセンサレス同期電動機は、ステータに対向するロータ表面には一つの磁極としてマグネットで形成したＮ極とＳ極の内の一方の磁極を配置し、この一つの磁極に隣接するロータ表面にはヨーク部で形成したＮ極とＳ極の内の他方の磁極を配置したことを特徴とする。【０００９】  あるいは、上記のセンサレス同期電動機に係り、前記一つの磁極であるマグネットで形成したＮ極とＳ極の内の一方の磁極と、この一つの磁極に隣接する磁極であるヨーク部で形成したＮ極とＳ極の内の他方の磁極とを、対として多極構造のロータを構成したことを特徴とする。【００１０】  また、上記の目的を達成するため、本発明によるセンサレス同期電動機の駆動方法は、上記したセンサレス同期電動機を対象とした駆動方法であって、停止中の各駆動コイルのインダクタンスを表すものを測定又は検出し、このインダクタンスを表すものの値が当該駆動コイルを巻いたステータに対向するロータ表面が透磁率の小さいマグネットの場合に最小となり、透磁率の大きいヨーク部の場合に最大となることを利用して、前記測定又は検出した各駆動コイルのインダクタンスを表すものから、ロータ表面のマグネットとヨーク部の停止位置とこれらの停止位置から一義的に定まる磁極の停止位置とを表す位置検出信号を生成し、この生成した位置検出信号を元に始動時の駆動を行うことを特徴とする。【００１１】  あるいは、本発明によるセンサレス同期電動機の駆動方法は、上記したセンサレス同期電動機を対象とした駆動方法であって、回転中の駆動を一定時間毎に中断して各駆動コイルのインダクタンスを表すものを測定又は検出し、このインダクタンスを表すものの値が当該駆動コイルを巻いたステータに対向するロータ表面が透磁率の小さいマグネットの場合に最小となり、透磁率の大きいヨーク部の場合に最大となることを利用して、前記測定又は検出した各駆動コイルのインダクタンスを表すものから、ロータ表面のマグネットとヨーク部の回転位置とこれらの回転位置から一義的に定まる磁極の回転位置とを表す位置検出信号を生成し、この生成した位置検出信号を元に回転中の駆動を続けることを特徴とする。【００１２】  あるいは、上記のセンサレス同期電動機の駆動方法に係り、前記停止中に測定又は検出した各駆動コイルのインダクタンスを表すものから生成した位置検出信号を元に始動時の駆動を行った後、前記回転中に測定又は検出した各駆動コイルのインダクタンスを表すものから生成した位置検出信号を元に回転中の駆動を続けることを特徴とする。【００１３】  また、上記の目的を達成するため、本発明によるセンサレス同期電動機の駆動装置は、上記したセンサレス同期電動機を対象とした駆動装置であって、各駆動コイルのインダクタンスを表すものを測定又は検出する手段と、このインダクタンスを表すものが当該駆動コイルを巻いたステータに対向するロータ表面が透磁率の小さいマグネットの場合に最小となり、透磁率の大きいヨーク部の場合に最大となることを利用して、前記測定又は検出した各駆動コイルのインダクタンスを表すものからロータ表面のマグネットとヨーク部の回転位置及びこれらの回転位置から一義的に定まる磁極の回転位置を表す位置検出信号を生成する手段と、この生成した位置検出信号を元に始動時の駆動を行う手段とを、有することを特徴とする。【００１４】  あるいは、本発明によるセンサレス同期電動機の駆動装置は、上記したセンサレス同期電動機を対象とした駆動装置であって、一定時間毎に回転中の駆動を中断して、各駆動コイルのインダクタンスを表すものを測定又は検出する手段と、このインダクタンスを表すものが当該駆動コイルを巻いたステータに対向するロータ表面が透磁率の小さいマグネットの場合に最小となり、透磁率の大きいヨーク部の場合に最大となることを利用して、前記測定又は検出した各駆動コイルのインダクタンスを表すものからロータ表面のマグネットとヨーク部の回転位置及びこれらの回転位置から一義的に定まる磁極の回転位置を表す位置検出信号を生成する手段と、この生成した位置検出信号を元に回転中の駆動を続ける手段とを、有することを特徴とする。【００１５】  あるいは、上記のセンサレス同期電動機の駆動装置に係り、前記停止中に測定又は検出した各駆動コイルのインダクタンスを表すものから生成した位置検出信号を元に始動時の駆動を行う為の上記の各手段と、始動時の駆動を行った後、前記回転中に測定又は検出した各駆動コイルのインダクタンスを表すものから生成した位置検出信号を元に回転中の駆動を続ける為の上記の各手段とを有することを特徴とする。【００１６】  あるいは、上記のセンサレス同期電動機の駆動装置に係り、前記各駆動コイルのインダクタンスを表すものを測定又は検出する手段が、３相の駆動コイルの内の２相の駆動コイルにパルス電流を流して残りの相の駆動コイルに相互インダクタンスに応じて誘起される電圧を検出するものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】  本発明の上記の構成によれば、ロータの構造において、一方の磁極をマグネットとしてロータ表面に露出させ、これに隣接する他方の磁極をヨーク部で形成する構造としたので、回転力を発生させる為の磁束の有効利用が可能になるとともに、突極性も有し、同期モータを小型化しても、高効率な出力と安定な始動トルクが得られ、加工が容易であるという、第１の効果が得られる。【００１８】  また、一方の磁極は全てマグネットとし、他方の磁極は全てヨーク部としたので、両者による駆動コイルのインダクタンスの差が大きく、インダクタンスを表すものの測定又は検出結果は、Ｓ／Ｎ比が良く、信号処理が容易で、高い検出精度が得られるとともに、インダクタンスを表すものから生成される位置検出信号の値は、ステータ対向する磁極がマグネットかヨーク部かを示すため、一義的に定まっているＮ極かＳ極かを示し、所定の周期でインダクタンスを表すものの測定又は検出が為されるので、位置センサと同等の位置検出信号が得られ、回転時のみならず始動時にもロータの回転位置を容易に検出でき、始動特性と回転時の制御性が向上できるという、第２の効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】  本発明は、小型化した場合でも高効率な出力と安定な始動トルクが得られ、回転時のみならず始動時にもロータの回転位置が容易に検出できる構造を有し、始動特性と回転時の制御性を向上させることができるセンサレス同期電動機とその駆動方法及び装置を提供するという目的を、ロータの構造において、一方の磁極をマグネットとしてロータ表面に露出させ、これに隣接する他方の磁極をヨーク部を形成して、回転力を発生させる為の磁束の有効利用を可能にとし、突極性も有する構造としたこと、及び、このセンサレス同期電動機が、回転位置によって対向するロータの磁極の透磁率が一方の磁極のマグネットであるか、他方の磁極のヨーク部であるかによって大きく異なることにより、対向するステータのインダクタンスが変化することと、マグネットかヨーク部かで、一義的にＮ極かＳ極かが定まることを利用し、ステータの駆動コイルに検出用電流を流して検出される各駆動コイルのインダクタンスに応じた電圧から、ステータに対向するロータ表面がＮ極かＳ極か又はその比率に応じた磁極の位置かを表す位置検出信号を生成し、この生成した磁極の位置検出信号に基づいて始動時の駆動と回転時の駆動の一方又は双方を行うことで実現した。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。説明は、実施例を用いて具体的に行う。
【実施例１】
【００２０】  図１は、本発明の第１の実施例であるセンサレス同期電動機の断面から見た構成図である。本実施例では、説明を簡単にするために３相駆動の２極構造のロータの例について述べる。本実施例のセンサレス同期電動機１は、固定側のステータ２ｕ，２ｖ，２ｗ（以下、代表する場合は、２と記す）と、回転軸４を中心に回転するロータ３を有する。本発明は、このロータ３の磁極の構造に特徴がある。【００２１】  まず、ステータ２の構成について述べる。ステータ２は、ロータ３の周面と狭いギャップを保ち、その周面を３分割するように配置されている。各ステータ２ｕ，２ｖ，２ｗは、モータ全体をカバーするようなヨーク部５により一体化されており、各相の駆動コイル６ｕ，６ｖ，６ｗ（以下、代表する場合は、６と記す）が巻かれている。次に、ロータ３の構成について述べる。ロータ３は、周面の一方の半周にマグネット７の一方の磁極（図例では、Ｎ極）を露出させ、他方の半周をロータ３のヨーク部８で形成する。マグネット７の他方の磁極（図例では、Ｓ極）は、ロータ３内部でヨーク部８に接する構造となる。このため、ロータ３のヨーク部８で形成された他方の半周の周面はＳ極となる。つまり、マグネット７の表面はＮ極、ヨーク部８の表面はＳ極というように、一義的に定まる。本発明のモータは、通常のモータと比べて、ロータ表面のマグネットが半分に減少しているため、トルクも減少する。これを補うためには、マグネットの厚みを２倍程度に増加させればよい。【００２２】  以上の構成によるセンサレス同期電動機の停止時の作用について述べる。透磁率μは、マグネットではμ≒１、ヨーク部ではμ≒５０００である。従って、ステータ２に対向するロータ３の周面がマグネット７のときは、透磁率μが小さいため駆動コイル６のインダクタンスが最小となり、ヨーク部８のときには、透磁率μが大きいため駆動コイル６のインダクタンスが最大となる。この差を利用すると、ステータ２を小電流で励磁してインダクタンスを検出した場合でも、各相のステータ２ｕ，２ｖ，２ｗの対向面にあるロータ３の磁極が大きなＳ／Ｎ比で検出することができる。即ち、図例の場合、駆動コイル６のインダクタンスが最小であれば、マグネット７側のＮ極と、駆動コイル６のインダクタンスが最大であれば、ヨーク部８側のＳ極と判別することができる。また、中間の値であれば、その大きさからＮ極とＳ極の比率が分かる。【００２３】  また、マグネット７から出る磁束は、表面の磁極（図例ではＮ極）から出てロータ３の周面を通り、ヨーク部８の表面の磁極（図例ではＳ極）に至るため、従来の突極構造のように表面側の磁束がロータ内でショートされない。このため、この磁束を回転力を得るための磁束として有効利用することができ、モータ１が小型であるために、ステータ２とロータ３の間のギャップがモータの寸法に比例して小さくできない場合でも、高効率な出力の同期モータが得られる。なお、この高効率な出力の同期モータが得られるという効果は、モータの大小にかかわらず得られる。
【実施例２】
【００２４】  上記の実施例は３相駆動による２極構造の同期モータの例であったが、４極構造以上の偶数極構造の同期モータにも同様に適用可能である。図２（ａ）は、本発明による３相駆動による４極構造のセンサレス同期モータの実施例を示す断面から見た構成図、図２（ｂ）は、本発明による３相駆動による６極構造のセンサレス同期モータの実施例を示す断面から見た構成図、図２（ｃ）は、本発明による３相駆動による８極構造のセンサレス同期モータの実施例を示す断面から見た構成図である。【００２５】  ３相駆動による場合、ロータ極数対ステータのスロット数の比率は、上記２極構造のロータの実施例と同様の２対３の比率、乃至は２対６の比率が一般的である。図例は、２対３の比率の場合を示しており、ロータ極数が４の場合ではステータのスロット数は６、ロータ極数が６の場合ではステータのスロット数は９、ロータ極数が８の場合ではステータのスロット数は１２となる。ロータの構成では、周面の１／ｎ（ｎは極数）の表面に一方の磁極（図例ではＮ極）を構成するマグネット７を露出させ、隣接する周面の１／ｎをロータ３のヨーク部８とし、この対の繰り返しで極数ｎのロータを構成する。マグネット７の他方の磁極（図例では、Ｓ極）は、ロータ３内部でヨーク部８に接する構造となるため、ロータ３のヨーク部８で形成された１／ｎの周面はＳ極となる。つまり、第１の実施利と同様に、マグネット７の表面はＮ極、ヨーク部８の表面はＳ極という具合に、一義的に定まる。この実施例の作用は第１の実施例と同様であり、容易に類推可能なので、その説明は省略する。
【実施例３】
【００２６】  図３は、本発明の第３の実施例であるセンサレス同期電動機の駆動装置の電気的構成を示すブロック図である。本実施例では、３相の駆動例について述べる。本実施例の駆動装置の制御対象となるセンサレス同期モータ（以下、単にモータと略記する）１は、第１、第２の実施例で述べたモータであって、一方の磁極を露出させたマグネット７及び他方の磁極を形成させたヨーク部８で構成したロータ３と、駆動コイル６ｕ、６ｖ、６ｗを巻いたステータ２とを備えている。【００２７】  この駆動装置は、一例として、制御部１１、インバータ部１２、位置検出信号生成部１３、Ａ／Ｄ変換部１４、及び位置検出用の抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗから構成される。制御部１１は、マイクロコンピュータ及びそのプログラムとデータ等を格納するメモリ等からなり、速度指令機能手段１１ａ、速度制御機能手段１１ｂ、ＰＷＭ制御機能手段１１ｃ、位置・速度検出機能手段１１ｄ、及び出力切替機能手段１１ｅを有する。これらの機能手段は、プログラムによって実現されるが、一部又は全部をハードウェアによって構成してもよい。【００２８】  インバータ部１２は、トランジスタ等のスイッチング素子Ｑｕ１，Ｑｖ１，Ｑｗ１と、同じく、トランジスタ等のスイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２との直並列回路からなり、各直列の接続点が、例えば、スター結線されたモータ１の駆動コイル６ｕ、６ｖ、６ｗのそれぞれに接続される。このインバータ部１２を構成する各スイッチング素子は、通常の回転制御時には制御部１１のＰＷＭ制御機能手段１１ｃにより、各駆動コイル６ｕ、６ｖ、６ｗのインダクタンス測定時には位置・速度検出機能手段１１ｄにより、オン／オフ制御される。出力切替機能手段１１ｅは、位置・速度検出機能手段１１ｄの指令により、インバータ部１２への出力をＰＷＭ制御機能手段１１ｃからにするか、位置・速度検出機能手段１１ｄからにするかを、切り替える。この例では、ＰＷＭ駆動を行う構成としているが、既存技術のＰＡＭ駆動やサイン波駆動を行う構成にしても良い。【００２９】  制御部１１の位置・速度検出機能手段１１ｄは、速度指令機能手段１１ａにより起動されて、所定の周期、例えば数ｍｓ間隔で、各駆動コイル６ｕ、６ｖ、６ｗのインダクタンスを測定するためのパルス電流を流すために、インバータ部１２を制御する機能を有する。位置・速度検出機能手段１１ｄは、まず、出力切替機能手段１１ｅに指令し、インバータ部１２への出力を位置・速度検出機能手段１１ｄ側に切り替える。次に、インバータ部１２のスイッチング素子（例えば、Ｑｕ１とＱｖ２）をオンに制御して２つの相の駆動コイル（例えば、６ｕ、６ｖ）に１乃至数個のパルス電流（例えば、１０ｋＨｚ程度）を流し、もう１つの相の駆動コイル（例えば、６ｗ）の検出電圧を得る。これを残りの駆動コイルについも順次に行って、３つの駆動コイル６ｕ、６ｖ、６ｗの検出電圧を獲得する。パルス電流を流し終えた後は、出力切替機能手段１１ｅに指令し、インバータ部１２への出力をＰＷＭ制御機能手段１１ｃ側に戻す。上記の検出電圧は相互インダクタンスに応じた値であり、相互インダクタンスの値は対向するロータ表面の磁極の種類（マグネット７の磁極かヨーク部８の磁���かで一義的に定まる）の比率に応じた値となるので、３つの駆動コイル６ｕ、６ｖ、６ｗの検出電圧は位置検出信号を表している。【００３０】  抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗは、インバータ部１２と各相の駆動コイル６ｕ、６ｖ、６ｗの各接続線とグランド間に接続され、各接続線側が位置検出信号生成部１３に接続されている。抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗの抵抗値は，通常の駆動に影響しないような高抵抗とする。位置検出信号生成部１３は、ハイパスフィルタとピークホールド回路や積分回路等からなり、抵抗Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗで検出した電圧からＰＷＭによる回転制御で誘起される数１００Ｈｚ程度の電圧を遮断して、位置・速度検出機能手段１１ｄがインダクタンスを測定するために流したパルス電流に応答して誘起された、例えば１０ｋＨｚ程度の検出電圧のみ通過させ、この検出電圧をピークホールド回路や積分回路等を通して、滑らかに連続する位置検出信号を生成する。Ａ／Ｄ変換部１４は、生成されたアナログの位置検出信号をデジタル値に変換して位置・速度検出機能手段１１ｄに入力する。位置・速度検出機能手段１１ｄは、入力された位置検出信号を元に回転位置情報を作成するとともに、位置検出信号の周期を元に回転速度を算出する。【００３１】  制御部１１の速度指令機能手段１１ａは、外部からの速度指令を受けると、位置・速度検出機能手段１１ｄを起動するとともに、外部からの速度指令と位置・速度検出機能手段１１ｄで算出したモータ１の回転速度とを比較し、誤差信号を速度制御機能手段１１ｂに渡す。速度制御機能手段１１ｂは、誤差信号を現速度信号の大きさに加えるとともに、位置・速度検出機能手段１１ｄで作成した回転位置情報を元に各相の速度信号の転極のタイミングを決定して、ＰＷＭ制御機能手段１１ｃへ渡す。ＰＷＭ制御機能手段１１ｃは、速度信号の大きさをパルス幅変調し、指示されたタイミングで転極しながら、インバータ部１２を構成するスイッチング素子Ｑｕ１，Ｑｖ１，Ｑｗ１と、スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２のオン／オフを制御する。これにより、ステータの各相の駆動コイル６ｕ、６ｖ、６ｗに３相の各相電流が流れて回転磁界が発生し、ロータ２が回転する。なお、始動時や停止時、負荷変動時のように誤差信号が大きくなった場合には、速度信号を徐々に変化させて回転速度の急変を避けるようにしても良い。また、この例では、正回転の制御を想定しているが、正逆回転の制御も同様にして可能である。この場合、方向の明示が必要な制御値に、正逆回転に対応する符号を付加して制御を行う。【００３２】  以上の構成による実施例の動作例と作用について述べる。図３は、その動作例を説明するフローチャートであり、ｓ１〜ｓ１４はステップを表している。【００３３】  始めに、モータ１が停止状態にあるときに、外部から速度指令を受けたとする（ｓ１）。まず、制御部１１の速度指令機能手段１１ａが起動し、この速度指令機能手段１１ａが位置・速度検出機能手段１１ｄを起動する（ｓ２）。位置・速度検出機能手段１１ｄは、出力切替機能手段１１ｅのインバータ部１２への出力を位置・速度検出機能手段１１ｄ側に切り替え（ｓ３）、インバータ部１２のスイッチング素子を制御して２つの相の駆動コイルにパルス電��を流し、もう１つの相の駆動コイルから相互インダクタンスに応じた検出電圧を得ることを、全ての駆動コイル６ｕ、６ｖ、６ｗについて行い（ｓ４）、出力切替機能手段１１ｅのインバータ部１２への出力をＰＷＭ制御機能手段１１ｃ側に戻す（ｓ５）とともに、位置信号生成部１３及びＡ／Ｄ変換部１４を通して各相の位置検出信号を得る（ｓ６）。位置・速度検出機能手段１１ｄは、この位置検出信号を元に回転位置情報を作成する（ｓ７）とともに、位置検出信号の周期を元に速度を算出する（ｓ８）。【００３４】  次に、速度指令機能手段１１ａは、この算出速度と外部からの速度指令とを比較し、誤差信号を作成する（ｓ９）。ここで、算出された速度が「０」であり、誤差信号も「０」あれば（ｓ１０）、モータ１は停止したとして、各機能手段を停止させて（ｓ１１）、終了する。停止状態でなければ（ｓ１０）、速度制御機能手段１１ｂは、誤差信号と回転位置情報を元に各相の速度信号と転極のタイミングを決定し指示する（ｓ１２）。ＰＷＭ制御機能手段１１ｃは、指示された速度信号の大きさをパルス幅変調し、指示されたタイミングで転極するように、インバータ部１２のＰＷＭ制御を行う（ｓ１３）。これにより、同期モータ１が始動し、あるいは回転を続ける。【００３５】  次に、所定の周期に達したか否かを判断し、達していなければ（ｓ１４）、位置検出信号の獲得（ｓ６）からＰＷＭ制御（ｓ１３）までを繰り返し実行する。達していれば（ｓ１４）、位置検出の処理（ｓ３〜ｓ５）からＰＷＭ制御（ｓ１３）までを実行する。【００３６】  以上のとおり、本実施例では、モータの始動から通常の速度制御、及び停止までを、極めて単純なアルゴリズムで実施することができるので、制御部が高速で高い処理能力を持つ必要はなく、安価な１つのマイクロコンピュータで構成することができる。制御部１１を構成するマイクロコンピュータの処理能力に余裕があれば、抵抗での検出電圧をそのままＡ／Ｄ変換して制御部に入力し、制御部内でプログラムによるハイパスフィルタ処理と包絡線処理により、位置検出信号を生成することも可能である。【００３７】  また、本実施例では、検出電圧から位置検出信号を生成しているが、この検出電圧は相互インダクタンスの値に応じて変化するので、インダクタンスの値から位置検出信号を生成していることになる。この相互インダクタンスの値は、透磁率の大小に応じて変化するので、ロータ表面の磁極がマグネットであれば、透磁率は約１と小さいため小さく、その磁極がヨーク部であれば、透磁率は約５０００と大きいため大きい。従って、Ｓ／Ｎ比が大きく、信号処理が容易で、高い検出精度が得られる。また、ステータの中央部に、マグネットの磁極が近づけば検出電圧が最小となり、ヨーク部の磁極が近づけば検出電圧が最大となる。ここで、マグネットの磁極とヨーク部の磁極とは一義的に定めているので、検出電圧は、位置検出信号を表すものとなり、センサレスでありながら、位置センサを設けた場合と同等の位置検出信号が得られる。【００３８】  以上、本発明の実施例を図面により詳述してきたが、具体的な構成は本実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に���まれる。例えば、上述の実施例では、小型のセンサレス同期モータに適用することを前提に説明したが、大型のセンサレス同期モータにも同様に適用可能である。大型のセンサレス同期モータで、高速回転させる場合には、ロータ表面からのマグネットの脱落を防ぐために、保護管を被せるのが好適である。また、センサレスによる駆動制御も、上記実施例の３相制御に限るものではなく、その他の多相制御であっても良い。この場合、その制御に合わせて、ステータのスロット数を変更する。制御部の速度制御機能としては実施例に限らず、既存技術の電流ベクトル制御やオブザーバ制御等を実施しても良い。ただし、既存の制御方法によっては、電流センサやタコジェネレータ等が必要となる場合がある。
【産業上の利用可能性】
【００３９】  本発明は、小型のセンサレス同期モータに限らず、従来の大型のセンサレス同期モータにも好適に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１の実施例であるセンサレス同期電動機の断面から見た構成図である。
【図２】本発明の第２の実施例であるセンサレス同期電動機の断面から見た構成図であって、（ａ）は、３相駆動による４極構造のセンサレス同期モータの実施例を示す構成図、（ｂ）は、３相駆動による６極構造のセンサレス同期モータの実施例を示す構成図、（ｃ）は、３相駆動による８極構造のセンサレス同期モータの実施例を示す構成図である。
【図３】本発明の第３の実施例であるセンサレス同期電動機の駆動装置の電気的構成を示すブロック図である。
【図４】同第３の実施例のセンサレス同期電動機の駆動装置の動作例を説明するフローチャートである。
【図５】従来のセンサレス同期電動機の構造例を示す図であって、（ａ）はＳＰＭ型のセンサレス同期電動機の場合、（ｂ）はＩＰＭ型のセンサレス同期電動機の場合である。
【符号の説明】
【００４１】１…センサレス同期電動機
２ｕ，２ｖ，２ｗ…ステータ
３…ロータ
４…回転軸
５…ヨーク部
６ｕ，６ｖ，６ｗ…駆動コイル
７…マグネット
８…ヨーク部
１１…制御部
１２…インバータ部
１３…位置検出信号生成部
１４…Ａ／Ｄ変換部
Ｒｕ，Ｒｖ，Ｒｗ…抵抗
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年3月17日(2005.3.17)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】追加
【補正の内容】
【図５】
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