(57)【要約】【課題】起動運転における電磁ノイズの発生を抑えて起動運転から同期運転への移行を確実に行える同期モータを提供する。【解決手段】マイクロコンピュータ２２は、トライアックＳＷ１、ＳＷ２をＯＦＦして同期運転回路２１を遮断すると共に、第１〜第４トランジスタ１６〜１９を制御し、整流ブリッジ回路２０を経て全波整流をかけて起動運転し、光センサ１２により検出された永久磁石ロータ５の回転数が電源周波数検出部２４により検出される電源周波数に対して同期回転数付近に到達したときに、第１〜第４トランジスタ１６〜１９をＯＦＦし、トライアックＳＷ１、ＳＷ２をＯＮすることにより起動運転回路１４から同期運転回路２１へ切換える切換え動作を試みて同期運転に移行するよう制御する。【選択図】                図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジング内に出力軸を中心に回転可能に設けられた永久磁石ロータと、ステータコアの周囲に電機子コイルが巻回されたステータとを有する同期モータにおいて、
直列に接続されたＡコイル、Ｂコイルを有する２つのコイルセグメントからなる前記電機子コイルと、
前記永久磁石ロータの回転数及び磁極位置を検出する第１の検出手段と、
交流電源の周波数を検出する第２の検出手段と、
前記交流電源より供給される交流電流を整流ブリッジ回路により整流し、スイッチング手段により、前記永久磁石ロータの回転角度に応じて整流電流の向きを切換えて前記電機子コイルのうちのＡコイルに流すことにより前記永久磁石ロータを直流ブラシレスモータとして起動運転する起動運転回路と、
前記交流電源と前記ＡコイルとＢコイルとが直列に接続され、前記永久磁石ロータを交流同期モータとして同期運転する同期運転回路と、
前記交流電源と前記電機子コイルとの間に設けられ、前記同期運転回路を断続運転する運転切換えスイッチと、
前記運転切換えスイッチをＯＦＦして前記同期運転回路を遮断すると共に前記スイッチング手段を制御することにより整流ブリッジ回路を経て全波整流をかけて起動運転し、前記第１の検出手段により検出された永久磁石ロータの回転数が前記第２の検出手段により検出される電源周波数に対して同期回転数付近に到達したときに、前記スイッチング手段を全てＯＦＦし、運転切換えスイッチをＯＮすることにより起動運転回路から同期運転回路へ切換える切換え動作を同期運転に移行するまで繰り返し試みるよう制御する制御手段とを備えたことを特徴とする同期モータ。
【請求項２】
前記制御手段は、起動運転より同期運転に移行する際に、前記起動運転回路に整流電流を流すためのスイッチング手段をＯＦＦしてから、運転切換えスイッチを切換えて同期運転に移行するよう制御することを特徴とする請求項１記載の同期モータ。
【請求項３】
前記ステータコアは、主コアに前記永久磁石ロータの回転方向と逆方向に延出する補助コアが設けられており、前記主コアの透磁率は前記補助コアより大きくなるように設計されていることを特徴とする請求項１又は２記載の同期モータ。
【請求項４】
前記ステータは、前記ステータコアに装着され、前記永久磁石ロータの回転中心と直交する方向に伸びる巻芯及び該巻芯の両端にフランジを有するボビンに、前記電機子コイルが連続して巻回されていることを特徴とする請求項１、２又は３記載の同期モータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は同期モータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、例えばＯＡ機器には、冷却用のＤＣ或いはＡＣファンモータが装備されており、特に高回転数を要する機器には２極或いは４極のＡＣファンモータが好適に用いられる。
【０００３】
発明者は既に、起動運転から同期運転への移行を確実に行える信頼性の高い小型の同期モータを開発した（特許文献１参照）。この同期モータは、起動運転回路の電機子コイルに一部に流れる整流電流のうち、全波整流をかけた反転した負側の入力を制御回路によるチョッパー動作を行って通電範囲を抑制することで、同期引き込み動作を確実に行うようになっている。
【０００４】
【特許文献１】
特許３０５０８５１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した特許文献１に開示された同期モータは、起動運転動作において、永久磁石ロータの回転角度に対応して通電方向が切り換わる際及び通電範囲を狭める際に制御回路がチョッパー動作を行うため、該チョッパー動作に伴う電流方向の切換え（スイッチング）のたびに電磁ノイズが発生する。比較的出力レベルが低い５Ｗ〜１０Ｗ程度の小型の同期モータにおいても、上述した電磁ノイズが配線回路の信号線に影響を及ぼすおそれがあった。
【０００６】
本発明は上記従来技術の課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、起動運転における電磁ノイズの発生を抑えて起動運転から同期運転への移行を確実に行える同期モータを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を達成するため次の構成を有する。
すなわち、ハウジング内に出力軸を中心に回転可能に設けられた永久磁石ロータと、ステータコアの周囲に電機子コイルが巻回されたステータとを有する同期モータにおいて、直列に接続されたＡコイル、Ｂコイルを有する２つのコイルセグメントからなる前記電機子コイルと、前記永久磁石ロータの回転数及び磁極位置を検出する第１の検出手段と、交流電源の周波数を検出する第２の検出手段と、前記交流電源より供給される交流電流を整流ブリッジ回路により整流し、スイッチング手段により、前記永久磁石ロータの回転角度に応じて整流電流の向きを切換えて前記電機子コイルのうちのＡコイルに流すことにより前記永久磁石ロータを直流ブラシレスモータとして起動運転する起動運転回路と、前記交流電源と前記ＡコイルとＢコイルとが直列に接続され、前記永久磁石ロータを交流同期モータとして同期運転する同期運転回路と、前記交流電源と前記電機子コイルとの間に設けられ、前記同期運転回路を断続運転する運転切換えスイッチと、前記運転切換えスイッチをＯＦＦして前記同期運転回路を遮断すると共に前記スイッチング手段を制御することにより整流ブリッジ回路を経て全波整流をかけて起動運転し、前記第１の検出手段により検出された永久磁石ロータの回転数が前記第２の検出手段により検出される電源周波数に対して同期回転数付近に到達したときに、前記スイッチング手段を全てＯＦＦし、運転切換えスイッチをＯＮすることにより起動運転回路から同期運転回路へ切換える切換え動作を同期運転に移行するまで繰り返し試みるよう制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
本実施例では、同期モータのうち２極同期モータを用いて説明するものとする。
図１は２極同期モータの起動運転回路及び同期運転回路の説明図、図２（ａ）（ｂ）は２極同期モータのハウジング内に装備された永久磁石ロータの外観図及び２極同期モータの上視図、図３（ａ）〜（ｄ）は２極同期モータ正断面説明図、上ハウジングの内視図、底面図及びステータコイルの上視図、図４（ａ）は電源交流波形、図４（ｂ）は全波整流波形、図４（ｃ）は回転立ち上げ波形を示すグラフ図、図５はリトライ回数と同期引き込み率との関係を示すグラフ図、図６（ａ）（ｂ）は他例にかかる２極同期モータ正断面説明図及びステータコイルの上視図である。
【０００９】
先ず、図２及び図３を参照して２極同期モータの全体構成について説明する。図２（ａ）において、１は回転子及び固定子を収容するハウジング本体である。ハウジング本体１の上下は上ハウジング２及び下ハウジング３により覆われている。ハウジング本体１内には出力軸４を中心に永久磁石ロータ５が回転可能に内蔵されている。出力軸４は上ハウジング２及び下ハウジング３において、ベアリング軸受６、７により回転可能に支持されている。このベアリング軸受６，７としては、電機子コイルに形成される磁界の乱れを考慮して、非磁性の材料、例えばステンレスが好適に用いられる。また、図３（ｃ）に示すように、下ハウジング３には、後述する電機子コイル９に配線するための配線用穴３ａが形成されている。
【００１０】
また、永久磁石ロータ５は、筒状のロータヨーク５ａの内壁にＮ極及びＳ極にほぼ１８０°ずつで着磁されたリンク状のマグネット５ｂが保持されている。この永久磁石ロータ５は電機子コイルに通電して形成されるステータ磁極との反発により出力軸４を中心に起動回転するようになっている。このマグネット５ｂとしては、例えば、フェライト、ゴムマグネット、プラスチックマグネット、サマリュウムコバルト、希土類のマグネット、ネオジ鉄ボロンなどを原材料として安価に製造することができる。
【００１１】
図３（ａ）において、永久磁石ロータ５に囲まれた空間部には、ステータコア８の周囲にＡコイル及びＢコイルが直列に巻回された電機子コイル９を有するステータ１０が内蔵されている。このステータコア８は、図３（ｄ）に示すように、主コア８ａと該主コア８ａの周囲に永久磁石ロータ５の回転方向と逆方向に延出する補助コア８ｂが設けられている。また、主コア８ａの透磁率は補助コア８ｂより大きくなるように設計されており、主コア８ａはケイ素鋼板よりなる積層コアが好適に用いられ、補助コア８ｂとしてはＳＰＣ材（冷間圧延鋼板）が好適に用いられる。永久磁石ロータ５は各磁極が主コア８ａと補助コア８ｂとの磁気抵抗が最小になる位置（即ち、主コア８ａと対向する位置より補助コア８ｂ側にずれた位置）で停止するようになる。よって、起動時におけるトルクの死点を解消することができ、永久磁石ロータ５の起動時の回転方向性を安定化することができる。
【００１２】
また、ステータコア８はボビン１１と一体に嵌め込まれ、該ボビン１１の周囲には電機子コイル９がＡコイル及びＢコイル毎に各々分けることなく連続して巻回されている。このように、ホビン１１に対して巻芯エリアを広く確保して占積率を高めて巻回されているので、２極３スロット型のモータに比べて電機子コイル９の巻数を増やして、モータの出力効率の向上に寄与できる。
【００１３】
図２（ａ）及び図３（ａ）において、上ハウジング２内には、永久磁石ロータ５の回転数及び磁極位置を検出する第１の検出手段として光センサ１２が装備されている。この光センサ１２は、例えば投光用光源と受光素子を備えた光検出素子１２ａと、マグネット５ｂの磁極位置に応じて遮光部１３ａと透光部１３ｂとが１８０°ずつ形成された回転円板１３とを装備している。回転円板１３は、永久磁石ロータ５と一体に取り付けられており、これらは出力軸４を中心に一体となって回転する（図３（ｂ）参照）。光センサ１２は回転円板１３により永久磁石ロータ５の回転数及び磁極位置を検出するもので、光検出素子１２ａは回転数に応じたパルスを発生させ、磁極位置に応じて後述する制御手段により所定のタイミングで起動運転回路１４をスイッチング制御したりする。光検出素子１２ａは、図２（ａ）（ｂ）に示すように、上ハウジング２の内壁に螺子止めにより固定されている。
尚、光センサ１２は、光透過型に限らず、反射型のセンサを用いても良い。また、光センサ１２の他の回転数検出手段として、ホール素子、磁気抵抗素子、コイルなどを用いた磁気センサ、高周波誘導による方法、キャパシタンス変化による方法など様々をものが適用可能である。
【００１４】
次に、２極同期モータを起動運転する起動運転回路、同期運転回路及びこれらの回路をスイッチング制御する制御手段の構成について図１を参照して説明する。
図１において、起動運転回路１４は、単相交流電源１５より供給される交流電流を整流ブリッジ回路２０により整流し、スイッチング手段により、永久磁石ロータ５の回転角度に応じて整流電流の向きを切換えて電機子コイルのうちのＡコイルに流すことにより永久磁石ロータ５を直流ブラシレスモータとして起動運転する。同期運転回路２１は、単相交流電源１５とＡコイルとＢコイルとが直列に接続され、永久磁石ロータ５を交流同期モータとして同期運転する。単相交流電源１５とＡコイル、Ｂコイルとの間には運転切換えスイッチとしてトライアックＳＷ１、ＳＷ２が各々設けられている。このトライアックＳＷ１、ＳＷ２は、交流電流の極性にかかわらずゲートパルスを印加することによりＯＮ／ＯＦＦして、起動運転回路１４又は同期運転回路２１へ接続が切換えられる。
【００１５】
図１において、Ａコイルと整流ブリッジ回路２０との間にはスイッチング手段として第１、第２トランジスタ１６、１７が各々直列に接続されている。またＡコイルと整流ブリッジ回路２０との間にはスイッチング手段として第３、第４トランジスタ１８、１９が各々直列に接続されている。
【００１６】
２２は制御手段としてのマイクロコンピュータであり、起動運転においてスイッチング制御により起動運転回路１４に流れる電流量や電流方向を制御したり、起動運転から同期運転へ移行する際の運転切換えスイッチの切換え制御などを行う。２３はマイクロコンピュータ駆動用の低電圧電源である。
【００１７】
マイクロコンピュータ２２は、トライアックＳＷ１、ＳＷ２をＯＦＦにして同期運転回路２１を遮断すると共に、第１〜第４トランジスタ１６〜１９を制御して起動運転を行う。このとき、単相交流電源１５より供給される交流電流が整流ブリッジ回路を経て全波整流されて起動運転が行われ、光センサ１２により検出された永久磁石ロータ５の回転数が第２の検出手段である電源周波数検出部２４により検出される電源周波数に対して同期回転数付近に到達したときに、第１〜第４トランジスタ１６〜１９をＯＦＦにし、トライアックＳＷ１、ＳＷ２をＯＮすることにより起動運転回路１４から同期運転回路２１へ切換える切換え動作を同期運転に移行するまで繰り返し試みるよう制御する。
【００１８】
図１及び図４を参照して更に具体的に説明すると、マイクロコンピュータ２２には、第２の検出手段としての電源周波数検出部２４により交流電源１５の周波数が検出されて入力端子ＩＮ１に入力される（交流電源波形は図４（ａ）参照）。また、光センサ１２により、永久磁石ロータ５の回転数及び磁極位置を検出されて入力端子ＩＮ２に入力される。
【００１９】
また、出力端子ＯＵＴ１よりトライアックＳＷ１、ＳＷ２への切換え信号が出力され、出力端子ＯＵＴ２及び出力端子ＯＵＴ３より第１、第２トランジスタ１６、１７及び第３、第４トランジスタ１８、１９を各々ＯＮ／ＯＦＦさせるための出力信号が出力される。マイクロコンピュータ２２は、光センサ１２により検出された永久磁石ロータ５の磁極位置にタイミングを合わせて、０°〜１８０°の回転角度範囲では、出力端子ＯＵＴ２よりベース電流を出力して第１、第２トランジスタ１６、１７のみＯＮさせ（このとき起動運転回路１４には実線矢印▲１▼に示す整流電流が流れる）、１８０°〜３６０°の回転角度範囲では出力端子ＯＵＴ３よりベース電流を出力して第３、第４トランジスタ１８，１９のみＯＮさせて（このとき起動運転回路１４には破線矢印▲２▼に示す整流電流が流れる）、Ａコイルに流れる整流電流の向きを１８０°ずつ切り換える（全波整流波形は図４（ｂ）参照）。
【００２０】
また、光センサ１２により検出される永久磁石ロータ５の回転数が電源周波数検出部２４により検出される交流電源１５の周波数に近づくと、第１〜第４トランジスタ１６〜１９を全てＯＦＦさせて、トライアックＳＷ１、ＳＷ２をＯＮにする切換え信号が出力されて、同期運転回路２１に二点鎖線矢印▲３▼に示す交流電流が流れる。
【００２１】
また、マイクロコンピュータ２２は、永久磁石ロータ５が１回転する間に、Ａコイルに流れる整流電流が反転波形となる範囲においてもチョッパー動作（通電角度範囲を狭めるスイッチング動作）は行わずに通電方向のみの切換え制御を行う。そして、永久磁石ロータ５の回転数が増加するにしたがって、該永久磁石ロータ５の回転角度にタイミングを合わせて同期回転数付近まで立ち上げる（図４（ｃ）参照）。永久磁石ロータ５が同期回転数付近に到達したことを光センサ１２により検出すると、図１においてマイクロコンピュータ２２は第１〜第４トランジスタ１６〜１９を全てＯＦＦしてから、トライアックＳＷ１，ＳＷ２をＯＮして起動運転回路１４から同期運転回路２１へ切換える。このとき、電機子コイル９には、Ａコイル及びＢコイルが直列で図１の二点矢印▲３▼に示す交流電流が流れ、該電機子コイル９の磁極の変化に同期して永久磁石ロータ５は回転し、交流同期モータとして回転駆動される。電機子コイル９には、Ａコイル及びＢコイルが直列に連結されているため、同期運転に必要なトルクを発生させるだけの負荷に見合った交流電流が流れる。このように、マイクロコンピュータ２２によるチョッパー動作を減らして起動運転を行うことで電磁ノイズの発生を抑制することができる。尚、第１〜第４トランジスタ１６〜１９の回路的なショートを防止するため、第１〜第４トランジスタ１６〜１９をＯＦＦにしてからトライアックＳＷ１，ＳＷ２をＯＮするようにしている。
【００２２】
また、同期モータが１回の同期引き込み動作で同期運転に移行せずに脱調した場合には、マイクロコンピュータ２２は一旦永久磁石ロータ５の回転数が同期回転移行時より所定値まで落ち込んだ後起動運転に移行し、再度同期運転に移行するよう繰り返し制御（リトライ）を行うようになっている。図５に同期引き込み率とリトライ回数との関係を示す。リトライをしない場合には、同期引き込み率は５０％であるが、例えば４回のリトライで、およそ９６．５％が同期運転に移行することが判明した。また、起動運転においてマイクロコンピュータ２２により例えば反転波形側をチョッパー動作により通電範囲を狭める動作を省略することで、出力５Ｗ程度の２極同期モータで電磁ノイズが従来に比べておよそ１／１０程度に抑えることができた。
【００２３】
上記２極同期モータを用いれば、マイクロコンピュータ２２は、トライアックＳＷ１、ＳＷ２をＯＦＦして同期運転回路２１を遮断すると共に、第１〜第４のトランジスタ１６〜１９を制御し、整流ブリッジ回路２０を経て全波整流をかけて起動運転し、光センサ１２により検出された永久磁石ロータ５の回転数が電源周波数検出部２４により検出される電源周波数に対して同期回転数付近に到達したときに、第１〜第４のトランジスタ１６〜１９をＯＦＦし、トライアックＳＷ１、ＳＷ２をＯＮすることにより起動運転回路１４から同期運転回路２１へ切換える切換え動作を同期運転に移行するまで繰り返し試みるよう制御するので、起動運転動作におけるチョッパー動作を減らして電磁ノイズの発生を抑え、しかもリトライ回数を可能な限り少なくして同期引き込みを行うことができる小型で簡易に制御可能な同期モータを提供することができる。
【００２４】
また、同期モータの他例について図６を参照して説明する。２極同期モータに限定されるが、図６（ａ）に示すように、永久磁石ロータ５は、出力軸４の一端がロータヨーク５ａに連繋しており、ロータヨーク５ａにロータヨーク受け部材３８が連繋している。また、ステータ１０は、ステータコア８がステータ固定部材３９に固定されており、該ステータ固定部材３９は下ハウジング３に嵌め込まれている。永久磁石ロータ５は、上ハウジング２に設けられたベアリング軸受６及びロータヨーク受け部材３８と下ハウジング３との間に設けたベアリング軸受７を介して回動可能になっている。
【００２５】
図６（ｂ）に示すように、ステータコア８に装着され、永久磁石ロータ５の回転中心と直交する方向に伸びる巻芯１１ａ及び該巻芯１１ａの両端にフランジ１１ｂを有するボビン１１に、Ａコイル及びＢコイルが連続して巻回されている。
よって、ステータコア８に出力軸４が挿通するための無駄な空間が生じないので、巻芯エリアを拡大して占積率を更に高め、モータの出力効率を高めることができる。
【００２６】
本発明に係る同期モータは、２極同期モータに限らず４極同期モータや８極同期モータなどについても適用可能である。また、上述した同期モータは、アウターロータ方式に限らず、インナーロータ方式であっても良い。
また、同期モータは、モータを駆動制御するマイクロコンピュータ２２を一体に装備している場合であっても、或いは同期モータが用いられる電機機器の装置本体に内蔵した制御回路の一部（交流電源、起動運転回路、同期運転回路などを含む）を用いてモータを駆動制御するタイプのいずれであっても良い。
また、一般にインダクター方式とよばれる同期モータや平盤状のマグネットとコイルを円板上で対向させた平面対向方式の同期モータなどにも本発明を広く適用できる。
また、本発明に係る同期モータには、従来一般的に使われている誘導型モータのように、過負荷時の安全を保証するために、動作中に常に通電する回路部分に温度ヒューズやバイメタル式の高温検出スイッチを組み込むこともできる。
また、電機子コイル９は、Ａコイル及びＢコイルに分割したものに限らず、消費電力効率を無視すれば単一のコイルを用いても良い等、法の精神を逸脱しない範囲で多くの改変をなし得る。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の同期モータを用いると、制御手段は、運転切換えスイッチをＯＦＦして同期運転回路を遮断すると共に、スイッチング手段を制御し、整流ブリッジ回路を経て全波整流をかけて起動運転し、第１の検出手段により検出された永久磁石ロータの回転数が第２の検出手段により検出される電源周波数に対して同期回転数付近に到達したときに、スイッチング手段をＯＦＦし、運転切換えスイッチをＯＮすることにより起動運転回路から同期運転回路へ切換える切換え動作を同期運転に移行するまで繰り返し試みるよう制御するので、起動運転動作におけるチョッパー動作を減らして電磁ノイズの発生を抑え、しかもリトライ回数を可能な限り少なくして同期引き込みを行うことができる小型で簡易に制御可能な同期モータを提供することができる。
また、ステータは、ステータコアに装着され、永久磁石ロータの回転中心と直交する方向に伸びる巻芯及び該巻芯の両端にフランジを有するボビンに、Ａコイル及びＢコイルが連続して巻回されている場合には、ステータコアを挿通する出力軸による無駄な空間が生じないので、巻芯エリアを拡大して占積率を高め、モータの出力効率を高めることができる。
また、同期モータは、起動運転から同期運転への移行動作をマイクロコンピュータに制御されて行われるため、電源周波数が５０Ｈｚ、６０Ｈｚ、１００Ｈｚ等に変化しても細かい機械設計を変更することなく同一の同期モータを用いることができるので、極めて汎用性の高い同期モータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】２極同期モータの起動運転回路及び同期運転回路の説明図である。
【図２】２極同期モータのハウジング内に装備された永久磁石ロータの外観図及び２極同期モータの上視図である。
【図３】２極同期モータ正断面説明図、上ハウジングの内視図、底面図及びステータコイルの上視図である。
【図４】電源交流波形、全波整流波形及び回転立ち上げ波形を示すグラフ図である。
【図５】リトライ回数と同期引き込み率との関係を示すグラフ図である。
【図６】他例に係る２極同期モータ正断面説明図及びステータコイルの上視図である。
【符号の説明】
１  ハンジング本体
２  上ハウジング
３  下ハウジング
３ａ  配線用穴
４  出力軸
５  永久磁石ロータ
５ａ  ロータヨーク
５ｂ  マグネット
６、７  ベアリング軸受
８  ステータコア
８ａ  主コア
８ｂ  補助コア
９  電機子コイル
１０  ステータ
１１  ボビン
１２  光センサ
１２ａ  光検出素子
１３  回転円板
１３ａ  遮光部
１３ｂ  透光部
１４  起動運転回路
１５  交流電源
１６  第１トランジスタ
１７  第２トランジスタ
１８  第３トランジスタ
１９  第４トランジスタ
２０  整流ブリッジ回路
２１  同期運転回路
２２  マイクロコンピュータ
２３  低電圧電源
２４  電源周波数検出部
３８  ロータヨーク受け部材
３９  ステータ固定部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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