(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
無鉄心の巻線部を備え、回転位置を測定するためのホールセンサを備えた電子制御装置が組み込まれ、正弦波状の電流で作動する電動機において、
電動機がＥＣ超小型電動機として構成され、回転位置検出器として、互いに位相を１２０゜ずらして配置されるアナログのホールセンサ（１５，１６，１７）が設けられ、ロータ一演算ユニット（２３）を使用して、ホール信号の最大値と最小値を継続的に検出し且つホールセンサ（１５，１６，１７）の振幅エラーを継続的に補正することにより、ホールセンサオフセット値の継続的な校正と振幅の正規化とを行ない、０゜と６０゜の間にある２つのホール信号から弧・正弦波表を介してロータ回転角を算出し、重み関数によりホール信号の平均化を行ない、その結果絶対的な位置角度情報信号を生成させることを特徴とする電動機。
【請求項２】
電子制御装置が、デジタルの位置調整器と、回転数調整器と、正弦波整流部とを含み、前記位置角度情報信号を、３相正弦波整流器（２８）を用いて正弦波整流して回転数を演算するため、且つ位置調整のために使用することを特徴とする、請求項１に記載の電動機。
【請求項３】
ホール信号の最大値と最小値とをＥＥＰＲＯＭに記憶させ、その結果供給電圧を遮断した後もこれらの値が記憶されるようにしたことを特徴とする、請求項１または２に記載の電動機。
【請求項４】
電動機の巻線部が釣鐘型電機子巻線部として形成されていることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一つに記載の電動機。
【請求項５】
電子制御装置（９）が、回転数の目標値を予め設定するためのアナログ入力（３２）を有していることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一つに記載の電動機。
【請求項６】
アナログ入力（３２）の下流側に、アナログの目標値信号、有利には電圧をより低い値に低減させる増幅器（３３）が接続されていることを特徴とする、請求項５に記載の電動機。
【請求項７】
増幅器（３３）の下流側に、低減させた目標値信号をたとえば１０倍に増幅する他の増幅器（３４）が接続されていることを特徴とする、請求項６に記載の電動機。
【請求項８】
前記他の増幅器（３４）の増幅目標値と増幅器（３３）の低減目標値とがそれぞれＡＤ変換器（３５）に供給されることを特徴とする、請求項７に記載の電動機。
【請求項９】
ＡＤ変換器（３５）の下流側に、該ＡＤ変換器（３５）の両信号をいっしょにして目標回転数値（ｎ目標値）を形成させる目標値演算ユニット（３６）が接続されていることを特徴とする、請求項８に記載の電動機。
【請求項１０】
目標値が対数増幅器に供給され、下流側に接続したＡＤ変換器でデジタル化され、演算アルゴリズムにより非対数化されることを特徴とする、請求項５に記載の電動機。
【請求項１１】
正弦波整流器（２８）が３相正弦波整流器であることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか一つに記載の電動機。
【請求項１２】
電子制御装置（９）が、電動機軸（１２）のための位置調整部（２１,２４,２５）を有していることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか一つに記載の電動機。
【請求項１３】
目標位置がインターフェース（１９）を介して、有利にはＲＳ２３２インターフェースを介して予め設定可能であることを特徴とする、請求項１２に記載の電動機。
【請求項１４】
正弦波整流器（２８）が電力段（２９）、有利にはＭＯＳＦＥＴ電力段を介して三つの位相信号（ＡないしＣ）を送ることを特徴とする、請求項１から１３までのいずれか一つに記載の電動機。
【請求項１５】
正弦波整流器（２８）に、電動機が交流電源作動しているときにロータ（１３）と回転場との角度（φ）を変化させる過電圧調整器（３１）が接続されていることを特徴とする、請求項１から１４までのいずれか一つに記載の電動機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、無鉄心の巻線部を備え、電子制御装置を組み込んだ電動機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば工作機械において可動台を駆動させ、可動台をたとえば高速移動で加工位置へ走行させ、次に送り速度に切換えることにより工作物の加工を行なうための電動機は知られている。回転数の調整用に設けられた電子制御装置は電動機とは別個のものであるので、このような駆動系を組み込むためにはかなりの組み込み空間を必要とするが、このような空間は調達できないことが多い。
【０００３】
また、小型のサイズで、電子制御装置をすでに組み込んだ電動機も知られている。このような電動機はモーメントがかなり変動するのが特徴であるので、回転数の正確な調整は達成できない。
【０００４】
【発明が解決すべき課題】
本発明の課題は、サイズが小型で、非常に正確な回転数の調整を可能にするようにこの種の電動機を構成することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するため、電動機に正弦波（シヌソイド）状の電流または電圧を供給する（正弦波整流器）ことを特徴とするものである。
【０００６】
本発明による電動機には、正弦波状の電流または電圧が供給される。正弦波整流によりモーメントの変動は最小限に抑えられるので、非常に正確な回転数の調整が簡単に可能である。さらに本発明による電動機は、作動音が静寂であることと、最小回転数時の同期性に優れていることとを特徴としている。
【０００７】
整流、電動機軸の回転数、及び電動機軸の位置を検出する実際値検出器としては、構成が簡潔で安価な部品である線形ホールセンサを使用するのが有利である。
本発明の他の構成は従属項、以下の説明及び図面から明らかである。
【０００８】
【発明の実施形態】
本発明による電動機は、無鉄心の巻線部を備え、位置・回転数調整器を組み込んだブラシレス電動機である。この電動機は正弦波整流を特徴とし、瞬間変動を最小値に低減させ、優れた静寂性を保証する。またこの電動機はデジタルの４クワドラントレギュレータによりコントロールされ、したがってハイダイナミックドライブを可能にし、優れた特性を備えている。プログラミング可能な電流調整器は、付加的な瞬間リミッティングを実現させる。本発明による電動機は非常にコンパクトなサイズであることを特徴とし、広い回転数範囲および優れた同期性を必要とするものであればどのようなものにでも使用することができる。このような使用例の一例は工作機械である。たとえば、可動台が当初は高速度で高速移動し、その後低速で特定の位置へ走行するような工作機械である。
【０００９】
本発明による電動機は、有利には筒状のケーシング１を有している。ケーシング１には、熱絶縁部２、有利には接着スリーブを介在させてフランジ３が固定されている。フランジ３には、熱伝導シート７を介在させて、冷却フィン６を備えた冷却体５がねじ４により固定されている。フランジ３内には電流網接続線８が案内されている。
【００１０】
フランジ３は、少なくとも一つのプラチナ１０を備えた電子回路装置６を収容している。プラチナ１０上にはＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）１１が設けられている。ケーシング１からは、フランジ３とは逆の側において電動機軸１２が突出している。電動機軸１２はロータ１３を担持している。ロータ１３はステータ１４により取り囲まれている。ロータの回転角に関する確実な情報を得るようにするため、１２０゜位相をずらして３個のアナログのホールセンサ１５ないし１７（図４および図５）が設けられている。これらのホールセンサは高解像度で作動する。ホール信号の最大値（または極大値）と最小値（または極小値）を検出する適当なアルゴリズムにより、ホールセンサオフセット値の継続的な校正と、振幅の正規化、すなわち振幅エラーの補正とが可能である。アナログのホールセンサ１５ないし１７は整流、回転数および位置を検出するための実際値検出器として用いられる。
【００１１】
電動機はＥＣ超小型電動機であり、有利には釣鐘型電機子巻線部を備えている。電動機内には、正弦波整流型のデジタルの位置・回転数調整器が組み込まれている。この位置調整器により三角形の運動および台形状の運動を生じさせることができる。
【００１２】
図４を用いて位置調整について詳細に説明する。電動機の位置調整モードを実施するために設けられるプログラムは、マイクロコントローラ１８にファイルされている。マイクロコントローラ１８は、フランジ３に設けた電子切換え装置９の一部である。インターフェース１９（有利にはＲＳ２３２型インターフェース）を介して、電動機により駆動される機器（たとえば工作機械の可動台）の目標位置が設定される。このインターフェース１９を介して、種々の応用例に対する駆動部を編成することが可能である。設定は、供給電圧を遮断した後も値を記憶しつづけるＥＥＰＲＯＭにファイルするのが有利である。ユニットの全体的な操作もこのインターフェース１９を介して行なうことができる。適宜の命令を簡単なＡＳＣＩＩターミナルプログラムを介して設定することが可能である。たとえばユニットのパラメータ設定およびモード設定をＰＣから行うことができる。また、実際に使用中に通信を中央制御部から行なうことも可能である。
【００１３】
インターフェース１９は、目標位置に対する目標値２０を比較器２１に供給する。比較器２１は、実際値信号２２をロータ位置演算ユニット２３から得る。目標値２０が実際値２２と異なっている場合には、比較器２１は対応する信号を位置調整器２４に送る。位置調整器２４は目標回転数ｎ目標値を発生させ、この目標回転数は比較器２５に送られる。比較器２５には、ロータ位置演算ユニット２３の下流側に配置されている回転数演算ユニット２６から実際回転数ｎ実際値も送られる。比較器２５は目標値と実際値を比較して調整信号を発生させる。この調整信号は回転数調整器２７に送られる。回転数調整器２７により三相正弦波整流子２８が調整され、その三相ＡないしＣはＭＯＳＦＥＴ１１を備えた電力最終段２９を介して電動機に送られる。
【００１４】
ホールセンサ１５ないし１７はロータ１３の回転角を検出し、対応する信号をロータ位置演算ユニット２３に送る。演算されたロータ角φは３相正弦波整流器２８にも回転数演算ユニット２６にも供給される。このようにして高解像度で、よって高精度でロータ１３の回転角が検出され、場合によっては再調整される。３個のホールセンサ１５ないし１７は１回の回転で６相に分割されている。ロータ角φの演算は、０゜と６０゜の間にある２つのホール信号から弧・正弦波表を介して行なわれる。ホール信号から導出される重み関数により平均化が行なわれ、その結果一つの相から次の相への滑らかな移行が達成される。弧・正弦波表は、ホール信号を記録することにより高精度の参照パルス発生器と数学的データ生成(mathematische Generierung)とを介して決定される。このようにして、ホール信号の系統的非正弦波性を修正することができる。
【００１５】
３相正弦波整流器２８には、該３相正弦波整流器をたとえば電圧ピークから保護する保護装置３０が付設されている。過電圧調整器３１は、電子部品を破損させる過電圧の発生を阻止する用を成す。電動機が交流電源で作動している場合、電源がエネルギーをバックフィードできなければ、調整器の直流電圧分岐部に過電圧が発生する（これは通常である）。過電圧調整器３１は、電圧が所定の閾値に達してロータ１３と回転場との角度φが不具合な値に設定されたときにこのような電圧の過剰上昇を阻止する。これにより、電動機が交流電源で作動している場合の過剰なエネルギーは電動機内で熱エネルギーとして消費される。その際過電圧調整器３１は、予め設定される一定の目標電圧に調整する。
【００１６】
電子切換え装置９は、たとえば２４Ｖの直流電圧で作動する。
電子切換え装置９により、位置調整ばかりでなく回転数の調整も行われる。回転数の調整のために設けられるプログラムもマイクロコントローラ１８にファイルされている。回転数を予め設定するため、電子切換え装置９はアナログ入力３２を備えている（図５）。回転数を予め設定するために印可されるアナログ電圧はたとえば±１０Ｖの範囲であり、アナログの演算回路を介して、有利には加算型演算増幅器３３を介して０ないし５Ｖの電圧範囲に換算される。この電圧は、次の増幅器３４により、本実施形態では１０倍に増幅される。両増幅器３３,３４の信号は、有利には１０ビットで作動するＡＤ変換器３５に送られる。両増幅器３３,３４を使用することにより、広い回転数範囲を高解像度でカバーできる。ロータの低回転数範囲とはほぼ１００回転／分以下の範囲であり、他方電動機の高回転数範囲はほぼ１００００回転／分に達する。低回転数の場合、高精度を達成するには、高解像度が必要である。この方法の利点は、低回転数の場合に高解像度を得るため、比較的解像度が小さな（１０ビット）のＡＤ変換器で十分なことである。
【００１７】
デジタル変換された信号は、目標回転数演算ユニット３６に送られる。目標回転数演算ユニット３６は両デジタル値を組み合わせて回転数目標値ｎ目標値を形成させる。両増幅器３３,３４の代りに、電動機が低回転数のときに解像度を増大させる対数増幅器を使用してもよい。この場合、対数化された信号はＡＤ変換器に送られる。次に、デジタル化された信号は非対数化アルゴリズム（指数関数）により回転数目標値ｎ目標値に変換される。回転数目標値ｎ目標値は比較器２５に送られ、回転数実際値ｎ実際値と比較される。この回転数実際値ｎ実際値は、ロータ位置演算ユニット２３の下流側に配置されている回転数演算ユニット２６から比較器２５に送られる。目標値と実際値の比較に基づいて比較器２５は対応する調整信号をＰＩ回転数調整器２７に送り、ＰＩ回転数調整器２７は対応する信号を３相正弦波整流器２８に送る。３相正弦波整流器２８から送られた位相信号は電力最終段２９により発生する。ホールセンサ１５ないし１７は電動機の位相ＡないしＣに対して対応するホール信号を発生させ、これらのホール信号はロータ位置演算ユニット２３に実際値信号として送られる。
【００１８】
ＡＤ変換器３５から送られてくる個々の信号は、演算ユニット３６において適当なアルゴリズムにより組み合わされて、目標回転数ｎ目標値が形成される。適当な重み関数により、低回転数の場合には２回転／分の解像度を実現でき、高回転数の場合には２０回転／分の解像度を実現できる。重み関数を使用するため、演算増幅器、抵抗器等の構成要素に誤差があっても移行部は滑らかである。この種の誤差は回転数オフセットミスを生じさせることがあるが、マイクロコントローラ９で一度校正し、ＥＥＰＲＯＭに記憶することによって減少する。同じようにしてスケーリング因子も構成される。
【００１９】
位置調整及び回転数調整型の本発明による電動機は、市場へ供給する際標準設定されている。たとえば、回転数を調整するためのアナログ入力３２は、−１０Ｖと＋１０Ｖの間のアナログ電圧により回転数の目標値が予め設定できるように調整されている。このような標準設定はインターフェース１９を介していつでも顧客により変更でき、或いは工場から所望に応じて変更できる。したがって本発明による電動機は、種々の適用例に対し非常に簡単に構成することができる。このような設定はＥＥＰＲＯＭにファイルすることができる。電動機のすべての操作もインターフェース１９を介して行うことができる。
【００２０】
上述した電動機は、非常にコンパクトであること、とりわけ構成が簡潔であることを特徴としている。回転数・位置調整部はブラシレス電動機に組み込まれている。電動機軸１２の回転数及び位置を上述のように調整することにより、非常に広い回転数範囲にわたって、特に低回転数の範囲において高解像度で機能する。本発明による電動機はサイズが小さいために、狭い空間に収納することができる。図１ないし図３は本発明による電動機を２：１の尺度で示したものであるが、冷却リブ６を備えた冷却体５を含む電動機の軸線方向の長さはほぼ８ｃｍないし１０ｃｍにすぎない。冷却体５の領域における電動機の径はほぼ４ｃｍないし５ｃｍであり、他方電動機ケースの径はほぼ３ｃｍないし４ｃｍにすぎない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電動機の縦断面図である。
【図２】図１の矢印ＩＩの方向に見た図である。
【図３】図１の矢印ＩＩＩの方向に見た図である。
【図４】本発明による電動機の位置調整モードのブロック構成図である。
【図５】本発明による電動機の回転数調整モードのブロック構成図である。
【符号の説明】
９      電子制御装置
１２    電動機軸
１３    ロータ
１５，１６，１７  ホールセンサ
１９    インターフェース
２１    比較器
２３    ロータ位置演算ユニット
２４    位置調整器
２５    比較器
２７    回転数調整器
２８    正弦波整流器
２９    電力最終段
３１    過電圧調整器
３２    アナログ入力
３３，３４  増幅器
３５    ＡＤ変換器
３６    目標値（回転数）演算ユニット
【図１】
0004295857.tif 000002
【図２】
0004295857.tif 000003
【図３】
0004295857.tif 000004
【図４】
0004295857.tif 000005
【図５】
0004295857.tif 000006