単相交流同期モータ
【課題】整流波の平滑を不要とし、かつ、起動運転から同期運転への切換を安定して行うことが可能な単相交流同期モータを提供する。
【解決手段】本発明に係る単相交流同期モータは、位置センサ８の検出信号に基づいて整流電流を単相コイルＬ１の両方向に交互に流してモータを起動運転し、永久磁石ロータが第１の所定回転数に到達するまで回転数を上げるセンサ起動期間を有する起動運転回路１ａと、永久磁石ロータの回転数が同期回転数を越えずに同期回転数付近の第２の所定回転数に到達し、位置センサ８の検出信号の立ち上がりまたは立ち下がりと交流電流のゼロクロス点とが略一致したタイミングで同期運転へ移行するように制御する制御手段５を備えている。
【解決手段】本発明に係る単相交流同期モータは、位置センサ８の検出信号に基づいて整流電流を単相コイルＬ１の両方向に交互に流してモータを起動運転し、永久磁石ロータが第１の所定回転数に到達するまで回転数を上げるセンサ起動期間を有する起動運転回路１ａと、永久磁石ロータの回転数が同期回転数を越えずに同期回転数付近の第２の所定回転数に到達し、位置センサ８の検出信号の立ち上がりまたは立ち下がりと交流電流のゼロクロス点とが略一致したタイミングで同期運転へ移行するように制御する制御手段５を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単相交流同期モータに関し、特に、起動運転で永久磁石ロータの回転数が同期回転数を超えない時点で同期運転回路による同期運転へ移行する単相交流同期モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、直流ブラシレスモータとして起動運転してロータの回転を同期回転まで立上げ、その後、交流電流をモータコイルに流して交流同期モータとしての同期運転に切替える単相交流同期モータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１の単相交流同期モータは、単相交流電源に接続されるモータコイルに、当該単相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、フィルタ回路により平滑化した直流電流を生成し、永久磁石ロータの磁極位置を検出する検出センサからの検出信号により起動用スイッチング手段をスイッチングしてモータ電流の向きを切換えて通電することにより、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、交流電流をモータコイルに通電して交流同期モータとして同期運転する同期運転回路と、単相交流電源とモータコイルとの間に設けられ、起動運転回路への通電と同期運転回路への通電を切換える運転切換えスイッチと、運転切換えスイッチを起動運転回路から同期運転回路へ切り替えて同期運転に移行するよう制御する制御手段を備え、運転切換えスイッチを単相交流電源が起動運転回路と接続するようにしたまま、制御手段は、検出センサの検出信号に従って起動用スイッチング手段をスイッチング制御して起動運転し、永久磁石ロータの回転数が同期回転数近傍の所定回転数に到達すると検出センサの出力波形より位相が遅れるモータ電流波形を少なくとも当該センサ出力波形のゼロクロス点で通電方向が切り替わるようにモータ電流の通電範囲を抑制しながら起動運転するようにしたことにより、起動運転において逆回転トルクの発生を抑えてロータ回転数を同期回転数に至るまで増大させ、安定した同期引き込みを行うことができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開第４０３０５７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された単相交流同期モータには、以下の様な問題点がある。第１に、この単相交流同期モータは、起動・加速はセンサによる単相全波駆動によるため、ＡＣ同期回転数を越えた後に位相を検出してＡＣ同期運転に切換るものである。この方法では、切換動作がモータの個体差、動作環境によって不安定になる場合がある。第２に、この単相交流同期モータは、整流波を平滑しているので、大型で大容量の平滑コンデンサが必要であり、ブリッジダイオードから平滑コンデンサに５Ａ以上の過大電流が流れるため、定格の大きい大型のダイオードを選択しなければならない。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、整流波の平滑を不要とし、かつ、起動運転から同期運転への切換を安定して行うことが可能な単相交流同期モータ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】
【０００７】
以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、さらに他の構成要素を付加したものについても、本願発明の技術的範囲に含まれ得るものである。
【０００８】
（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単相コイルが巻回された電機子コイルを有するステータとを備える単相交流同期モータにおいて、交流電源より供給される交流電流を整流する整流回路と、該整流回路と前記単相コイルの両端のそれぞれとの間に接続されて前記整流回路により整流された整流電流を前記電機子コイルに流す第１、第２の運転切換スイッチと、該第１、第２の運転切換スイッチのそれぞれに直列に接続される第１、第２のスイッチング素子とを含み、磁極位置を検出する位置センサからの検出信号に基づいて前記第１の運転切換スイッチと前記第２のスイッチング素子のペアと前記第２の運転切換スイッチと前記第１のスイッチング素子のペアとを交互にオン/オフ動作することで、前記単相コイルに流れる前記整流電流の向きを交互に切り替えて、前記永久磁石ロータが第１の所定回転数に到達するまで回転数を上げるセンサ起動期間を有する、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単相コイルの両端のそれぞれとの間に接続される第３、第４の運転切換スイッチを含み、前記第１、第２の運転切換スイッチおよび前記第１、第２のスイッチング素子がオフ動作されることによって前記整流回路からの整流電流が遮断されるとともに、前記第３、第４の運転切換スイッチがオン動作されることで前記交流電源に対して前記単相コイルが直列に接続され、前記交流電流を前記単相コイルに通電することにより、交流同期モータとして同期運転する同期運転回路と、前記起動運転回路による起動運転において、前記永久磁石ロータの回転数が同期回転数を越えずに該同期回転数付近の第２の所定回転数に到達し、前記位置センサの検出信号の立ち上がりまたは立ち下がりと前記交流電流のゼロクロス点とが略一致したタイミングで前記同期運転回路による同期運転へ移行するように制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする単相交流同期モータ（請求項１）。
【０００９】
本項に記載の単相交流同期モータによれば、起動運転において、永久磁石ロータの回転数が同期回転数を越えずに該同期回転数付近の第２の所定回転数に到達し、位置センサの検出信号の立ち上がりまたは立ち下がりと交流電流のゼロクロス点とが略一致したタイミングで同期運転回路による同期運転へ移行するように制御する制御手段を備えることで、安定して同期運転に移行することが可能となる。
【００１０】
（２）前記起動運転において、前記センサ起動期間の後に、前記位置センサからの検出信号に基づく前記オン／オフ動作を停止し、前記位置センサからの検出信号に基づくことなく前記制御手段から出力される所定の制御信号によって、第１の運転切換スイッチと第２のスイッチング素子のペアと、第２の運転切換スイッチと第１のスイッチング素子のペアとを交互にオン/オフ動作することにより前記単相コイルに流れるパルス電流に基づいて、前記同期回転数を越えずに前記第２の所定回転数まで回転数を上げるパルス運転期間を設けたことを特徴とする（１）項に記載の単相交流同期モータ（請求項２）。
本項に記載の単相交流同期モータによれば、起動運転において、センサ起動期間の後に、上記のようなパルス運転期間を設けたことで、同期回転数を越えずに第２の所定回転数まで徐々に回転数を上げていくため、安定した動作が可能となる。
【００１１】
（３）前記同期運転の開始時に所定の空転期間を設けたことを特徴とする（１）または（２）項に記載の単相交流同期モータ（請求項３）。
本項に記載の単相交流同期モータによれば、起動運転と同期運転との間に所定の空転期間を設けたことにより、第１、第２の運転切換スイッチと第１、第２のスイッチング素子とが確実にオフした後に、第３、第４の運転切換スイッチをオンすることができるため、回路がショートして過電流が流れることを阻止し、素子の破壊を防止できる。
【００１２】
（４）前記所定の空転期間は、前記交流電流の半波分のｎ倍（ｎ＝整数）に相当する時間であることを特徴とする（３）項に記載の単相交流同期モータ（請求項４）。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る単相交流同期モータは、以上のように構成したため、起動運転において整流波の平滑化を不要とするとともに、起動運転から同期運転への切換動作を、モータの個体差や動作環境によらずに、安定して行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態における単相交流同期モータの構造を説明する軸方向断面図である。
【図２】本発明の一実施形態における単相交流同期モータの駆動回路を示す回路構成図である。
【図３】本発明の一実施形態における単相交流同期モータの起動運転回路の動作を説明する回路構成図である。
【図４】本発明の一実施形態における単相交流同期モータの同期運転回路の動作を説明する回路構成図である。
【図５】本発明の一実施形態における単相交流同期モータの駆動回路において、（Ａ）は、起動運転（センサ起動期間、パルス運転期間）と同期運転での主要部の出力波形を示すタイミングチャート図であり、（Ｂ）は、駆動時間とモータの回転数との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態における単相交流同期モータの駆動回路において、パルス運転期間から同期運転期間に移行するときの主要部の出力波形を詳細に示すタイミングチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（モータの構成）
以下、本発明の実施の形態について、添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明を利用した駆動回路を搭載したモータの概要を示す軸方向断面図である。図１には、モータ２１が示されている。モータ２１は、単相交流モータの一例としてのＡＣファンモータであり、回転軸となるシャフト２２を備えている。シャフト２２は、ベアリング２３および２４によって支持されている。ベアリング２３は、下ハウジング２５の下部に取り付けられ、ベアリング２４は、下ハウジング２５に取り付けられている。この構造により、シャフト２２は、下ハウジング２５に対して回転自在な状態で取り付けられている。またシャフト２２には、永久磁石ロータ２６が取り付けられている。永久磁石ロータ２６は、複数の磁極に着磁された構造を有する永久磁石２７が内周側に固定されるロータヨーク２８と、複数の羽根２９ａを有しロータヨーク２８の外周側に固定されるインペラ２９とを備えている。
【００１６】
ラジアル方向において永久磁石ロータ２６に対向して、ステータコア３０が配置されている。ステータコア３０は、珪素鋼等の磁性材料により形成され、下ハウジング２５に固定されている。ステータコア３０は、磁極の数に応じた突極を備えた構造を有し、複数の突極が永久磁石ロータ２６により周囲から取り囲まれるように配置されている。モータ２１では、永久磁石ロータ２６の安定点が回転方向に偏差するように固定させて回転方向を決めるようにしており、この点については、通常のＤＣファンモータと同様であるため、詳しい説明は省略する。
【００１７】
ステータコア３０には、ステータコア３０の一部を覆うインシュレータ部材３１と、インシュレータ部材３１に巻回された電機子コイル３２が備えられている。電機子コイル３２の端部は駆動回路基板３３に接続され、駆動回路基板３３に接続される外部接続線３４はインペラ２９を囲うように外周に配置されたハウジング本体３５に設けられた配線引出し孔を通じてハウジング外へ引出される。
【００１８】
（駆動回路の構成）
次に、本発明の実施の形態における上述した単相交流同期モータの駆動方法を説明するため、その駆動方法を実施するために好適な駆動回路の一例を図２に示す。図２に示す駆動回路１は、交流電源Ｖａｃより供給される交流電流を整流する整流回路２と、整流回路２と単相コイルＬ１の両端のそれぞれとの間に接続されて、整流回路２により整流された整流電流を、電機子コイル３２を構成する単相コイルＬ１に流す第１、第２の運転切換スイッチＱ１、Ｑ２と、制御手段（マイクロコンピュータ）５を備えている。
尚、整流回路２は、ダイオードＤ１〜Ｄ４によるダイオードブリッジ回路で形成される全波整流回路である。また、第１、第２の運転切換スイッチＱ１、Ｑ２は、ＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子から構成され、ＭＯＳＦＥＴのドレイン端子−ゲート端子間には、ダイオードＤ５、Ｄ６が接続されている。このダイオードＤ５、Ｄ６は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の寄生ダイオードあるいは外付けされる整流素子が適用可能である。
【００１９】
整流回路２とマイクロコンピュータ５との間には、整流回路２から出力される整流電流を平滑化して直流電流を生成するフィルタ回路３と、フィルタ回路３から出力される直流電流を入力して、所定の直流電圧をマイクロコンピュータ５の入力端子ＩＮ１に供給する低電圧源４が配置されている。フィルタ回路３は、図２に示すように、直列接続された抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１とからなり、コンデンサＣ１の一端はＧＮＤに接続されている。尚、コンデンサＣ１は、平滑化を行う抵抗Ｒ１の後段に配置されるため、小容量で長寿命のコンデンサ（たとえば、フィルムコンデンサ）を用いることができる。
【００２０】
また、第１、第２の運転切換スイッチＱ１、Ｑ２を構成するＭＯＳＦＥＴのゲート端子は、それぞれ、スイッチドライブ回路６ａ、６ｂに接続されている。スイッチドライブ回路６ａは、抵抗Ｒ３とスイッチング素子Ｑ５からなる。スイッチング素子Ｑ５は、ベース端子が抵抗素子を介してマイクロコンピュータ５の出力端子ＯＵＴ１と接続され、コレクタ端子が抵抗Ｒ３を介して第１の運転切換スイッチＱ１を構成するＭＯＳＦＥＴのゲート端子と接続されている。同様に、スイッチドライブ回路６ｂは、抵抗Ｒ５とスイッチング素子Ｑ６からなる。スイッチング素子Ｑ６は、ベース端子が抵抗素子を介してマイクロコンピュータ５の出力端子ＯＵＴ２と接続され、コレクタ端子が抵抗Ｒ５を介して第２の運転切換スイッチＱ２を構成するＭＯＳＦＥＴのゲート端子と接続されている。
スイッチドライブ回路６ａ、６ｂは、マイクロコンピュータ５の出力端子ＯＵＴ１、ＯＵＴ２からの制御信号に基き、第１、第２の運転切換スイッチＱ１、Ｑ２にオン・オフ動作の切換信号を出力する。スイッチドライブ回路６ａ、６ｂは、第１、第２の運転切換スイッチＱ１、Ｑ２とマイクロコンピュータ５との間に配置されることにより、第１、第２の運転切換スイッチＱ１、Ｑ２に流れる大きな整流電流がマイクロコンピュータ５に流れないように阻止する役割を果たしている。
【００２１】
駆動回路１は、さらに、第１、第２の運転切換スイッチＱ１、Ｑ２のそれぞれに直列に接続される第１、第２のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４を備えている。第１スイッチング素子Ｑ３と第２のスイッチング素子Ｑ４はバイポーラトランジスタからなり、それぞれ、エミッタ端子−コレクタ端子間にダイオードＤ７、Ｄ８が接続されている。第１のスイッチング素子Ｑ３のベース端子は抵抗素子を介してマイクロコンピュータ５の出力端子ＯＵＴ５に接続され、第２のスイッチング素子Ｑ４のベース端子は抵抗素子を介してマイクロコンピュータ５の出力端子ＯＵＴ４に接続されている。
また、単相コイルＬ１と第１の運転切換スイッチＱ１との接続点と、交流電源Ｖａｃの一端との間にはトライアックからなる第３の運転切換スイッチＳＷ１が配置されており、交流電源Ｖａｃの他端は、トライアックからなる第４の運転切換スイッチＳＷ２の一端に接続され、第４の運転切換スイッチＳＷ２の他端は、単相コイルＬ１と第２の運転切換スイッチＱ２との接続点に接続されている。第３の運転切換スイッチＳＷ１と第４の運転切換スイッチＳＷ２のそれぞれのゲート端子は、トライアックゲート電圧生成回路７を介してマイクロコンピュータ５の出力端子ＯＵＴ３に接続されている。ここで、トライアックゲート電圧生成回路７は、マイクロコンピュータ５からの指令により第３の運転切換スイッチＳＷ１および第４の運転切換スイッチＳＷ２を動作させるために必要なゲート電圧を生成する働きを担っている。
【００２２】
さらに、駆動回路１は、永久磁石ロータ２６の磁極位置を検出するための位置センサ（例えば、ホールＩＣ）８を備えており、位置センサ８の出力は、マイクロコンピュータ５の入力端子ＩＮ２に接続されている。また、交流電源Ｖａｃラインに並列にＡＣゼロクロス検出回路（例えば、フォトカプラ）９が接続され、ＡＣゼロクロス検出回路９の出力は、マイクロコンピュータ５の入力端子ＩＮ３に接続されている。
【００２３】
次に、駆動回路１の起動運転動作と同期運転動作の一例について、図を用いて説明する。図３は、駆動回路１における起動運転期間に構成される起動運転回路１ａの動作を説明する回路構成図である。図４は、駆動回路１における同期運転時に構成される同期運転回路１ｂの動作を説明する回路構成図である。また、図５（Ａ）は、起動運転（センサ起動期間、パルス運転期間）と同期運転における駆動回路１の主要部の出力波形を示すタイミングチャートであり、図５（Ｂ）は、駆動時間とモータの回転数との関係を示すグラフである。図６は、パルス運転期間から同期運転に移行するときの駆動回路１の主要部の出力波形を詳細具体的に示すタイミングチャートである。
【００２４】
（起動運転期間）
まず、起動運転回路１ａの回路動作について説明する。
図３に示すように、交流電源Ｖａｃの交流電流は整流回路２を通って整流され、整流電流はフィルタ回路３を通って平滑化され、平滑化された直流電流は低電圧源４に入力される。そして、低電圧源４から所定の直流電圧が駆動電圧としてマイクロコンピュータ５に印加される。つまり、マイクロコンピュータ５の駆動電圧は交流電源Ｖａｃの交流電流を整流／平滑後、低電圧源４によって降圧された所定の電圧を用いるようにしているため、外部の直流電源からマイクロコンピュータ５に駆動電圧を取り込む必要が無く、回路を簡素化することができる。
【００２５】
起動運転期間において、マイクロコンピュータ５の出力端子ＯＵＴ３の出力信号がＬｏｗレベルとなっているため、第３の運転切換スイッチＳＷ１および第４の運転切換スイッチＳＷ２はどちらもオフ状態である（図５（Ａ）の（ｄ）、（ｅ）参照）。
【００２６】
（起動運転期間：センサ起動期間）
起動運転期間は、センサ起動期間から開始し、この期間において、永久磁石ロータ２６の磁極位置に応じた位置センサ８からの検出信号（図５（Ａ）の（ｆ）参照）に基づいて一般的な単相全波駆動を行うことによりモータを起動し、第１の所定回転数Ｈまで比較的急激に回転数を上げるものである（図５（Ｂ）のＣ−Ｄ）。
【００２７】
センサ起動期間において、交流電源Ｖａｃより入力される電源電圧の周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）がＡＣゼロクロス検出回路９で検出され、その結果に基づいて目標の同期回転数Ｊを決定し、同期回転数Ｊに基づいて第１の所定回転数Ｈ（例えば、同期回転数Jの５０〜８０％）が決定される。
そして、マイクロコンピュータ５の出力端子ＯＵＴ１からスイッチドライブ回路６ａを介して出力されるＨｉｇｈレベルの信号により第１の運転切換スイッチＱ１がオン動作され、同時に、マイクロコンピュータ５の出力端子ＯＵＴ４から出力されるＨｉｇｈレベルの信号により第２のスイッチング素子Ｑ４がオン動作されることにより、交流電源Ｖａｃの交流電流（図５（Ａ）の（ａ）参照）が整流回路２を通って整流された整流電流（図５（Ａ）の（ｃ）参照）が、単相コイルＬ１の一方向に流れる電流経路が形成される（図３の白抜きの丸１）。また、マイクロコンピュータ５の出力端子ＯＵＴ２からスイッチドライブ回路６ｂを介して出力されるＨｉｇｈレベルの信号により第２の運転切換スイッチＱ２がオン動作され、同時に、マイクロコンピュータ５の出力端子ＯＵＴ５から出力されるＨｉｇｈレベルの信号により第１スイッチング素子Ｑ３がオン動作されることにより、交流電源Ｖａｃの交流電流が整流回路２を通って整流された整流電流が、単相コイルＬ１の逆方向に流れる電流経路が形成される（図３の白抜きの丸２）。
そして、マイクロコンピュータ５の出力端子ＯＵＴ１、ＯＵＴ４と出力端子ＯＵＴ２、ＯＵＴ５から、位置センサ８からの検出信号に応じて、Ｈｉｇｈレベルの信号が交互に出力されることにより、第１の運転切換スイッチＱ１と第２のスイッチング素子Ｑ４のペアと、第２の運転切換スイッチＱ２と第１のスイッチング素子Ｑ３のペアとが交互にオンされて（図５（Ａ）の（ｇ）、（ｈ）参照）、単相コイルＬ１の両方向に交互に通電され、直流ブラシレスモータとしてモータ２１が起動、運転される。この際、それぞれの方向に通電される時間は、位置センサ８からの検出信号に基づきつつ、通電回数とともに徐々に短くなるようにマイクロコンピュータ５によって制御され、永久磁石ロータ２６の回転数が上昇するように設定される。
【００２８】
センサ起動期間において、永久磁石ロータ２６の回転数が上昇し、第１の所定回転数Ｈに達した後、パルス運転に移行する。ここで、センサ起動期間からパルス運転期間に移行するための第１の所定回転数Ｈは、モータ２１の機械的固有振動数による振動が少なくなった時点の回転数とすることが好ましい。
【００２９】
（起動運転期間：パルス運転期間）
パルス運転期間では、位置センサ８からの検出信号に基づく第１、第２の運転切換スイッチＱ１、Ｑ２及び第１、第２のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４のオン／オフ動作が停止される。そして、第１の運転切換スイッチＱ１と第２のスイッチング素子Ｑ４のペアと、第２の運転切換スイッチＱ２と第１のスイッチング素子Ｑ３のペアは、マイクロコンピュータ５の出力端子ＯＵＴ１、ＯＵＴ２、ＯＵＴ４、ＯＵＴ５から出力される所定の制御信号によって交互にオン／オフ動作され、単相コイルＬ１にパルス電流を通電し、それによって第２の所定回転数Ｉまで比較的緩やかに回転数を上げるものである（図５（Ｂ）のＤ−Ｅ）。
ここで、第２の所定回転数Ｉは、目標の同期回転数Ｊに基づいて、同期回転数を越えない同期回転数付近の値として決定される（例えば、同期回転数の９０〜９５％）。
ここで、上記所定の制御信号は、位置センサ８からの検出信号に基づくことなく、モータ２１の運転に関連する種々のパラメータ（例えば、第１の所定回転数Ｈ、第２の所定回転数Ｉ、パルス運転期間長等）に基づいて設定される。
【００３０】
パルス運転期間において、永久磁石ロータ２６の回転数が上昇し、第２の所定回転数Ｊに達した後、空転期間に移行する。この移行は、具体的には次のように実施される。
パルス運転期間において、永久磁石ロータ２６の回転数が第２の所定回転数Ｊに達した後、駆動に使用している脈流電流により、単相コイルＬ１に流れる電流に波形割れが周期的に発生して、加速モードと減速モードが繰り返される状態が生じる（図６参照）。駆動回路１（１ａ）は、ＡＣゼロクロス検出回路９により交流電圧Ｖａｃのゼロクロス点を検出して、加速モードに移行した後の、位置センサ８の検出信号の立ち上がりまたは立ち下がりと交流電圧Ｖａｃのゼロクロス点とが略一致するタイミング（図６のゼロクロスタイミングを示す囲い部分参照）で、マイクロコンピュータ５の出力端子ＯＵＴ１、ＯＵＴ２、ＯＵＴ４、ＯＵＴ５から出力される信号をＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替える。これによって、第１、第２の運転切換スイッチＱ１、Ｑ２及び第１、第２のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４がオフし、脈流電流の単相コイルＬ１への通電が遮断され、同期運転期間に移行する。
【００３１】
（同期運転期間：空転期間）
本実施形態では、同期運転期間の開始時に、交流電源Ｖａｃにより供給される交流電流の半波分に相当する空転期間が設けられている（図５（Ｂ）のＥ−Ｆ、図６）。空転期間では、第１、第２の運転切換スイッチＱ１、Ｑ２、第１、第２のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４、及び、第３、第４の運転切換スイッチＳＷ１、ＳＷ２は、いずれもオフ状態である。尚、この空転期間は、交流電流の半波分のｎ倍（ｎ＝整数）であればよい。
【００３２】
（同期運転期間：空転期間後）
次に、空転期間後の同期運転における、同期運転回路１ｂの回路動作について説明する。
同期運転においては、図４に示すように、マイクロコンピュータ５の出力端子ＯＵＴ３の出力信号がＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替わることにより、トライアックゲート電圧生成回路７を介して第３の運転切換スイッチＳＷ１及び第４の運転切換スイッチＳＷ２のそれぞれのゲート端子にＨｉｇｈレベルの信号が加えられ、第３の運転切換スイッチＳＷ１および第４の運転切換スイッチＳＷ２がどちらもオンされる。そして、第１、第２の運転切換スイッチＱ１、Ｑ２及び第１、第２のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４は、空転期間の状態のまま、いずれもオフに維持されるため、整流回路２からの整流電流は単相コイルＬ１には流れない。
以上によって、単相コイルＬ１の一端は、第３の運転切換スイッチＳＷ１を介して交流電源Ｖａｃの一端と接続され、単相コイルＬ１の他端は、第４の運転切換スイッチＳＷ２を介して交流電源Ｖａｃの他端と接続されて、単相コイルＬ１に交流電源Ｖａｃから供給される交流電流が流れる（図４の白抜きの丸３の矢印で示す経路）。これによって、モータ２１は、単相交流同期モータとして所定の同期回転数Jで同期運転を開始する（図５（Ｂ）のＧ以降）。
【００３３】
以上のように、駆動回路１では、起動運転期間において、単相コイルＬ１に平滑化されていない整流電流（脈流電流）を流すものであるため、整流回路２のダイオードＤ１〜Ｄ４には定格の低いダイオードを用いればよく、また、大容量の平滑コンデンサが不要となり、部品コストを低減することができる。
【００３４】
また、センサ起動期間では、位置センサ８からの検出信号に基づいてモータ２１を駆動するため、モータ２１の機械的固有振動数における振動や音の発生を回避しつつ、安定して加速的に回転数を上げることができる。さらに、パルス運転期間において、同期回転数を越えずに同期回転数Ｊ付近の第２の所定回転数Ｉまで徐々に回転数を上げていくため、起動運転から同期運転への切換動作が、モータの個体差や動作環境によって不安定になることがなく、交流電流のゼロクロスタイミングを捉えて同期運転に移行するため、安定して同期運転に移行することができる。
【００３５】
また、同期運転期間の開始時に空転期間を設けたため、第１、第２の運転切換スイッチＱ１、Ｑ２及び第１、第２のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４が確実にオフした後に、第３、第４の運転切換スイッチＳＷ１、ＳＷ２をオンすることができるため、回路がショートして過電流が流れることを素子し、素子の破壊を防止することができる。
【００３６】
以上、本発明を好ましい実施形態に基づいて説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、位置センサ８は、ホールＩＣではなく、ホール素子またはフォトセンサであってもよい。ＡＣゼロクロス検出回路９は、フォトカプラに限らず、直接、電圧検出回路を構成してもよい。第１、第２運転切換スイッチＱ１、Ｑ２は、ＭＯＳＦＥＴに限定されず、バイポーラトランジスタであってもよい。第１、第２スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４はバイポーラトランジスタに限定されず、ＭＯＳＦＥＴ等のＦＥＴであってもよい。第３、第４運転切換スイッチＳＷ１、ＳＷ２はトライアックに限定されず、任意の適切な双方向素子、例えばリレースイッチ、を使用することができる。制御手段は、マイクロコンピュータ５に限定されず、ＤＳＰやＦＰＧＡなどのプログラマブルデバイスを用いることができる。
【符号の説明】
【００３７】
１：駆動回路、１ａ：起動運転回路、１ｂ：同期運転回路、２：整流回路、３：フィルタ回路、４：低電圧源、５：制御手段（マイクロコンピュータ）、６ａ、６ｂ：スイッチドライブ回路、７：トライアックゲート電圧生成回路、８：位置センサ、９：ＡＣゼロクロス検出回路、２１：モータ、２２：シャフト、２３，２４：ベアリング、２５：下ハウジング、２６：永久磁石ロータ、２７：永久磁石、２８：ロータヨーク、２９ａ：羽根、２９：インペラ、３０：ステータコア、３１：インシュレータ部材、３２：電機子コイル、３３：駆動回路基板、３４：外部接続線、３５：ハウジング本体、Ｃ１：コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ８：ダイオード、Ｌ１：単相コイル、Ｑ１：第１の運転切換スイッチ、Ｑ２：第２の運転切換スイッチ、Ｑ３：第１のスイッチング素子、Ｑ４：第２のスイッチング素子、Ｑ５，Ｑ６：スイッチング素子、Ｒ１〜Ｒ５：抵抗、ＳＷ１：第３の運転切換スイッチ、ＳＷ２：第４の運転切換スイッチ、Ｖａｃ：交流電源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単相交流同期モータに関し、特に、起動運転で永久磁石ロータの回転数が同期回転数を超えない時点で同期運転回路による同期運転へ移行する単相交流同期モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、直流ブラシレスモータとして起動運転してロータの回転を同期回転まで立上げ、その後、交流電流をモータコイルに流して交流同期モータとしての同期運転に切替える単相交流同期モータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１の単相交流同期モータは、単相交流電源に接続されるモータコイルに、当該単相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、フィルタ回路により平滑化した直流電流を生成し、永久磁石ロータの磁極位置を検出する検出センサからの検出信号により起動用スイッチング手段をスイッチングしてモータ電流の向きを切換えて通電することにより、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、交流電流をモータコイルに通電して交流同期モータとして同期運転する同期運転回路と、単相交流電源とモータコイルとの間に設けられ、起動運転回路への通電と同期運転回路への通電を切換える運転切換えスイッチと、運転切換えスイッチを起動運転回路から同期運転回路へ切り替えて同期運転に移行するよう制御する制御手段を備え、運転切換えスイッチを単相交流電源が起動運転回路と接続するようにしたまま、制御手段は、検出センサの検出信号に従って起動用スイッチング手段をスイッチング制御して起動運転し、永久磁石ロータの回転数が同期回転数近傍の所定回転数に到達すると検出センサの出力波形より位相が遅れるモータ電流波形を少なくとも当該センサ出力波形のゼロクロス点で通電方向が切り替わるようにモータ電流の通電範囲を抑制しながら起動運転するようにしたことにより、起動運転において逆回転トルクの発生を抑えてロータ回転数を同期回転数に至るまで増大させ、安定した同期引き込みを行うことができる、としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開第４０３０５７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された単相交流同期モータには、以下の様な問題点がある。第１に、この単相交流同期モータは、起動・加速はセンサによる単相全波駆動によるため、ＡＣ同期回転数を越えた後に位相を検出してＡＣ同期運転に切換るものである。この方法では、切換動作がモータの個体差、動作環境によって不安定になる場合がある。第２に、この単相交流同期モータは、整流波を平滑しているので、大型で大容量の平滑コンデンサが必要であり、ブリッジダイオードから平滑コンデンサに５Ａ以上の過大電流が流れるため、定格の大きい大型のダイオードを選択しなければならない。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、整流波の平滑を不要とし、かつ、起動運転から同期運転への切換を安定して行うことが可能な単相交流同期モータ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】
【０００７】
以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、さらに他の構成要素を付加したものについても、本願発明の技術的範囲に含まれ得るものである。
【０００８】
（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単相コイルが巻回された電機子コイルを有するステータとを備える単相交流同期モータにおいて、交流電源より供給される交流電流を整流する整流回路と、該整流回路と前記単相コイルの両端のそれぞれとの間に接続されて前記整流回路により整流された整流電流を前記電機子コイルに流す第１、第２の運転切換スイッチと、該第１、第２の運転切換スイッチのそれぞれに直列に接続される第１、第２のスイッチング素子とを含み、磁極位置を検出する位置センサからの検出信号に基づいて前記第１の運転切換スイッチと前記第２のスイッチング素子のペアと前記第２の運転切換スイッチと前記第１のスイッチング素子のペアとを交互にオン/オフ動作することで、前記単相コイルに流れる前記整流電流の向きを交互に切り替えて、前記永久磁石ロータが第１の所定回転数に到達するまで回転数を上げるセンサ起動期間を有する、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単相コイルの両端のそれぞれとの間に接続される第３、第４の運転切換スイッチを含み、前記第１、第２の運転切換スイッチおよび前記第１、第２のスイッチング素子がオフ動作されることによって前記整流回路からの整流電流が遮断されるとともに、前記第３、第４の運転切換スイッチがオン動作されることで前記交流電源に対して前記単相コイルが直列に接続され、前記交流電流を前記単相コイルに通電することにより、交流同期モータとして同期運転する同期運転回路と、前記起動運転回路による起動運転において、前記永久磁石ロータの回転数が同期回転数を越えずに該同期回転数付近の第２の所定回転数に到達し、前記位置センサの検出信号の立ち上がりまたは立ち下がりと前記交流電流のゼロクロス点とが略一致したタイミングで前記同期運転回路による同期運転へ移行するように制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする単相交流同期モータ（請求項１）。
【０００９】
本項に記載の単相交流同期モータによれば、起動運転において、永久磁石ロータの回転数が同期回転数を越えずに該同期回転数付近の第２の所定回転数に到達し、位置センサの検出信号の立ち上がりまたは立ち下がりと交流電流のゼロクロス点とが略一致したタイミングで同期運転回路による同期運転へ移行するように制御する制御手段を備えることで、安定して同期運転に移行することが可能となる。
【００１０】
（２）前記起動運転において、前記センサ起動期間の後に、前記位置センサからの検出信号に基づく前記オン／オフ動作を停止し、前記位置センサからの検出信号に基づくことなく前記制御手段から出力される所定の制御信号によって、第１の運転切換スイッチと第２のスイッチング素子のペアと、第２の運転切換スイッチと第１のスイッチング素子のペアとを交互にオン/オフ動作することにより前記単相コイルに流れるパルス電流に基づいて、前記同期回転数を越えずに前記第２の所定回転数まで回転数を上げるパルス運転期間を設けたことを特徴とする（１）項に記載の単相交流同期モータ（請求項２）。
本項に記載の単相交流同期モータによれば、起動運転において、センサ起動期間の後に、上記のようなパルス運転期間を設けたことで、同期回転数を越えずに第２の所定回転数まで徐々に回転数を上げていくため、安定した動作が可能となる。
【００１１】
（３）前記同期運転の開始時に所定の空転期間を設けたことを特徴とする（１）または（２）項に記載の単相交流同期モータ（請求項３）。
本項に記載の単相交流同期モータによれば、起動運転と同期運転との間に所定の空転期間を設けたことにより、第１、第２の運転切換スイッチと第１、第２のスイッチング素子とが確実にオフした後に、第３、第４の運転切換スイッチをオンすることができるため、回路がショートして過電流が流れることを阻止し、素子の破壊を防止できる。
【００１２】
（４）前記所定の空転期間は、前記交流電流の半波分のｎ倍（ｎ＝整数）に相当する時間であることを特徴とする（３）項に記載の単相交流同期モータ（請求項４）。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る単相交流同期モータは、以上のように構成したため、起動運転において整流波の平滑化を不要とするとともに、起動運転から同期運転への切換動作を、モータの個体差や動作環境によらずに、安定して行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態における単相交流同期モータの構造を説明する軸方向断面図である。
【図２】本発明の一実施形態における単相交流同期モータの駆動回路を示す回路構成図である。
【図３】本発明の一実施形態における単相交流同期モータの起動運転回路の動作を説明する回路構成図である。
【図４】本発明の一実施形態における単相交流同期モータの同期運転回路の動作を説明する回路構成図である。
【図５】本発明の一実施形態における単相交流同期モータの駆動回路において、（Ａ）は、起動運転（センサ起動期間、パルス運転期間）と同期運転での主要部の出力波形を示すタイミングチャート図であり、（Ｂ）は、駆動時間とモータの回転数との関係を示すグラフである。
【図６】本発明の一実施形態における単相交流同期モータの駆動回路において、パルス運転期間から同期運転期間に移行するときの主要部の出力波形を詳細に示すタイミングチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（モータの構成）
以下、本発明の実施の形態について、添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明を利用した駆動回路を搭載したモータの概要を示す軸方向断面図である。図１には、モータ２１が示されている。モータ２１は、単相交流モータの一例としてのＡＣファンモータであり、回転軸となるシャフト２２を備えている。シャフト２２は、ベアリング２３および２４によって支持されている。ベアリング２３は、下ハウジング２５の下部に取り付けられ、ベアリング２４は、下ハウジング２５に取り付けられている。この構造により、シャフト２２は、下ハウジング２５に対して回転自在な状態で取り付けられている。またシャフト２２には、永久磁石ロータ２６が取り付けられている。永久磁石ロータ２６は、複数の磁極に着磁された構造を有する永久磁石２７が内周側に固定されるロータヨーク２８と、複数の羽根２９ａを有しロータヨーク２８の外周側に固定されるインペラ２９とを備えている。
【００１６】
ラジアル方向において永久磁石ロータ２６に対向して、ステータコア３０が配置されている。ステータコア３０は、珪素鋼等の磁性材料により形成され、下ハウジング２５に固定されている。ステータコア３０は、磁極の数に応じた突極を備えた構造を有し、複数の突極が永久磁石ロータ２６により周囲から取り囲まれるように配置されている。モータ２１では、永久磁石ロータ２６の安定点が回転方向に偏差するように固定させて回転方向を決めるようにしており、この点については、通常のＤＣファンモータと同様であるため、詳しい説明は省略する。
【００１７】
ステータコア３０には、ステータコア３０の一部を覆うインシュレータ部材３１と、インシュレータ部材３１に巻回された電機子コイル３２が備えられている。電機子コイル３２の端部は駆動回路基板３３に接続され、駆動回路基板３３に接続される外部接続線３４はインペラ２９を囲うように外周に配置されたハウジング本体３５に設けられた配線引出し孔を通じてハウジング外へ引出される。
【００１８】
（駆動回路の構成）
次に、本発明の実施の形態における上述した単相交流同期モータの駆動方法を説明するため、その駆動方法を実施するために好適な駆動回路の一例を図２に示す。図２に示す駆動回路１は、交流電源Ｖａｃより供給される交流電流を整流する整流回路２と、整流回路２と単相コイルＬ１の両端のそれぞれとの間に接続されて、整流回路２により整流された整流電流を、電機子コイル３２を構成する単相コイルＬ１に流す第１、第２の運転切換スイッチＱ１、Ｑ２と、制御手段（マイクロコンピュータ）５を備えている。
尚、整流回路２は、ダイオードＤ１〜Ｄ４によるダイオードブリッジ回路で形成される全波整流回路である。また、第１、第２の運転切換スイッチＱ１、Ｑ２は、ＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子から構成され、ＭＯＳＦＥＴのドレイン端子−ゲート端子間には、ダイオードＤ５、Ｄ６が接続されている。このダイオードＤ５、Ｄ６は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の寄生ダイオードあるいは外付けされる整流素子が適用可能である。
【００１９】
整流回路２とマイクロコンピュータ５との間には、整流回路２から出力される整流電流を平滑化して直流電流を生成するフィルタ回路３と、フィルタ回路３から出力される直流電流を入力して、所定の直流電圧をマイクロコンピュータ５の入力端子ＩＮ１に供給する低電圧源４が配置されている。フィルタ回路３は、図２に示すように、直列接続された抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１とからなり、コンデンサＣ１の一端はＧＮＤに接続されている。尚、コンデンサＣ１は、平滑化を行う抵抗Ｒ１の後段に配置されるため、小容量で長寿命のコンデンサ（たとえば、フィルムコンデンサ）を用いることができる。
【００２０】
また、第１、第２の運転切換スイッチＱ１、Ｑ２を構成するＭＯＳＦＥＴのゲート端子は、それぞれ、スイッチドライブ回路６ａ、６ｂに接続されている。スイッチドライブ回路６ａは、抵抗Ｒ３とスイッチング素子Ｑ５からなる。スイッチング素子Ｑ５は、ベース端子が抵抗素子を介してマイクロコンピュータ５の出力端子ＯＵＴ１と接続され、コレクタ端子が抵抗Ｒ３を介して第１の運転切換スイッチＱ１を構成するＭＯＳＦＥＴのゲート端子と接続されている。同様に、スイッチドライブ回路６ｂは、抵抗Ｒ５とスイッチング素子Ｑ６からなる。スイッチング素子Ｑ６は、ベース端子が抵抗素子を介してマイクロコンピュータ５の出力端子ＯＵＴ２と接続され、コレクタ端子が抵抗Ｒ５を介して第２の運転切換スイッチＱ２を構成するＭＯＳＦＥＴのゲート端子と接続されている。
スイッチドライブ回路６ａ、６ｂは、マイクロコンピュータ５の出力端子ＯＵＴ１、ＯＵＴ２からの制御信号に基き、第１、第２の運転切換スイッチＱ１、Ｑ２にオン・オフ動作の切換信号を出力する。スイッチドライブ回路６ａ、６ｂは、第１、第２の運転切換スイッチＱ１、Ｑ２とマイクロコンピュータ５との間に配置されることにより、第１、第２の運転切換スイッチＱ１、Ｑ２に流れる大きな整流電流がマイクロコンピュータ５に流れないように阻止する役割を果たしている。
【００２１】
駆動回路１は、さらに、第１、第２の運転切換スイッチＱ１、Ｑ２のそれぞれに直列に接続される第１、第２のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４を備えている。第１スイッチング素子Ｑ３と第２のスイッチング素子Ｑ４はバイポーラトランジスタからなり、それぞれ、エミッタ端子−コレクタ端子間にダイオードＤ７、Ｄ８が接続されている。第１のスイッチング素子Ｑ３のベース端子は抵抗素子を介してマイクロコンピュータ５の出力端子ＯＵＴ５に接続され、第２のスイッチング素子Ｑ４のベース端子は抵抗素子を介してマイクロコンピュータ５の出力端子ＯＵＴ４に接続されている。
また、単相コイルＬ１と第１の運転切換スイッチＱ１との接続点と、交流電源Ｖａｃの一端との間にはトライアックからなる第３の運転切換スイッチＳＷ１が配置されており、交流電源Ｖａｃの他端は、トライアックからなる第４の運転切換スイッチＳＷ２の一端に接続され、第４の運転切換スイッチＳＷ２の他端は、単相コイルＬ１と第２の運転切換スイッチＱ２との接続点に接続されている。第３の運転切換スイッチＳＷ１と第４の運転切換スイッチＳＷ２のそれぞれのゲート端子は、トライアックゲート電圧生成回路７を介してマイクロコンピュータ５の出力端子ＯＵＴ３に接続されている。ここで、トライアックゲート電圧生成回路７は、マイクロコンピュータ５からの指令により第３の運転切換スイッチＳＷ１および第４の運転切換スイッチＳＷ２を動作させるために必要なゲート電圧を生成する働きを担っている。
【００２２】
さらに、駆動回路１は、永久磁石ロータ２６の磁極位置を検出するための位置センサ（例えば、ホールＩＣ）８を備えており、位置センサ８の出力は、マイクロコンピュータ５の入力端子ＩＮ２に接続されている。また、交流電源Ｖａｃラインに並列にＡＣゼロクロス検出回路（例えば、フォトカプラ）９が接続され、ＡＣゼロクロス検出回路９の出力は、マイクロコンピュータ５の入力端子ＩＮ３に接続されている。
【００２３】
次に、駆動回路１の起動運転動作と同期運転動作の一例について、図を用いて説明する。図３は、駆動回路１における起動運転期間に構成される起動運転回路１ａの動作を説明する回路構成図である。図４は、駆動回路１における同期運転時に構成される同期運転回路１ｂの動作を説明する回路構成図である。また、図５（Ａ）は、起動運転（センサ起動期間、パルス運転期間）と同期運転における駆動回路１の主要部の出力波形を示すタイミングチャートであり、図５（Ｂ）は、駆動時間とモータの回転数との関係を示すグラフである。図６は、パルス運転期間から同期運転に移行するときの駆動回路１の主要部の出力波形を詳細具体的に示すタイミングチャートである。
【００２４】
（起動運転期間）
まず、起動運転回路１ａの回路動作について説明する。
図３に示すように、交流電源Ｖａｃの交流電流は整流回路２を通って整流され、整流電流はフィルタ回路３を通って平滑化され、平滑化された直流電流は低電圧源４に入力される。そして、低電圧源４から所定の直流電圧が駆動電圧としてマイクロコンピュータ５に印加される。つまり、マイクロコンピュータ５の駆動電圧は交流電源Ｖａｃの交流電流を整流／平滑後、低電圧源４によって降圧された所定の電圧を用いるようにしているため、外部の直流電源からマイクロコンピュータ５に駆動電圧を取り込む必要が無く、回路を簡素化することができる。
【００２５】
起動運転期間において、マイクロコンピュータ５の出力端子ＯＵＴ３の出力信号がＬｏｗレベルとなっているため、第３の運転切換スイッチＳＷ１および第４の運転切換スイッチＳＷ２はどちらもオフ状態である（図５（Ａ）の（ｄ）、（ｅ）参照）。
【００２６】
（起動運転期間：センサ起動期間）
起動運転期間は、センサ起動期間から開始し、この期間において、永久磁石ロータ２６の磁極位置に応じた位置センサ８からの検出信号（図５（Ａ）の（ｆ）参照）に基づいて一般的な単相全波駆動を行うことによりモータを起動し、第１の所定回転数Ｈまで比較的急激に回転数を上げるものである（図５（Ｂ）のＣ−Ｄ）。
【００２７】
センサ起動期間において、交流電源Ｖａｃより入力される電源電圧の周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）がＡＣゼロクロス検出回路９で検出され、その結果に基づいて目標の同期回転数Ｊを決定し、同期回転数Ｊに基づいて第１の所定回転数Ｈ（例えば、同期回転数Jの５０〜８０％）が決定される。
そして、マイクロコンピュータ５の出力端子ＯＵＴ１からスイッチドライブ回路６ａを介して出力されるＨｉｇｈレベルの信号により第１の運転切換スイッチＱ１がオン動作され、同時に、マイクロコンピュータ５の出力端子ＯＵＴ４から出力されるＨｉｇｈレベルの信号により第２のスイッチング素子Ｑ４がオン動作されることにより、交流電源Ｖａｃの交流電流（図５（Ａ）の（ａ）参照）が整流回路２を通って整流された整流電流（図５（Ａ）の（ｃ）参照）が、単相コイルＬ１の一方向に流れる電流経路が形成される（図３の白抜きの丸１）。また、マイクロコンピュータ５の出力端子ＯＵＴ２からスイッチドライブ回路６ｂを介して出力されるＨｉｇｈレベルの信号により第２の運転切換スイッチＱ２がオン動作され、同時に、マイクロコンピュータ５の出力端子ＯＵＴ５から出力されるＨｉｇｈレベルの信号により第１スイッチング素子Ｑ３がオン動作されることにより、交流電源Ｖａｃの交流電流が整流回路２を通って整流された整流電流が、単相コイルＬ１の逆方向に流れる電流経路が形成される（図３の白抜きの丸２）。
そして、マイクロコンピュータ５の出力端子ＯＵＴ１、ＯＵＴ４と出力端子ＯＵＴ２、ＯＵＴ５から、位置センサ８からの検出信号に応じて、Ｈｉｇｈレベルの信号が交互に出力されることにより、第１の運転切換スイッチＱ１と第２のスイッチング素子Ｑ４のペアと、第２の運転切換スイッチＱ２と第１のスイッチング素子Ｑ３のペアとが交互にオンされて（図５（Ａ）の（ｇ）、（ｈ）参照）、単相コイルＬ１の両方向に交互に通電され、直流ブラシレスモータとしてモータ２１が起動、運転される。この際、それぞれの方向に通電される時間は、位置センサ８からの検出信号に基づきつつ、通電回数とともに徐々に短くなるようにマイクロコンピュータ５によって制御され、永久磁石ロータ２６の回転数が上昇するように設定される。
【００２８】
センサ起動期間において、永久磁石ロータ２６の回転数が上昇し、第１の所定回転数Ｈに達した後、パルス運転に移行する。ここで、センサ起動期間からパルス運転期間に移行するための第１の所定回転数Ｈは、モータ２１の機械的固有振動数による振動が少なくなった時点の回転数とすることが好ましい。
【００２９】
（起動運転期間：パルス運転期間）
パルス運転期間では、位置センサ８からの検出信号に基づく第１、第２の運転切換スイッチＱ１、Ｑ２及び第１、第２のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４のオン／オフ動作が停止される。そして、第１の運転切換スイッチＱ１と第２のスイッチング素子Ｑ４のペアと、第２の運転切換スイッチＱ２と第１のスイッチング素子Ｑ３のペアは、マイクロコンピュータ５の出力端子ＯＵＴ１、ＯＵＴ２、ＯＵＴ４、ＯＵＴ５から出力される所定の制御信号によって交互にオン／オフ動作され、単相コイルＬ１にパルス電流を通電し、それによって第２の所定回転数Ｉまで比較的緩やかに回転数を上げるものである（図５（Ｂ）のＤ−Ｅ）。
ここで、第２の所定回転数Ｉは、目標の同期回転数Ｊに基づいて、同期回転数を越えない同期回転数付近の値として決定される（例えば、同期回転数の９０〜９５％）。
ここで、上記所定の制御信号は、位置センサ８からの検出信号に基づくことなく、モータ２１の運転に関連する種々のパラメータ（例えば、第１の所定回転数Ｈ、第２の所定回転数Ｉ、パルス運転期間長等）に基づいて設定される。
【００３０】
パルス運転期間において、永久磁石ロータ２６の回転数が上昇し、第２の所定回転数Ｊに達した後、空転期間に移行する。この移行は、具体的には次のように実施される。
パルス運転期間において、永久磁石ロータ２６の回転数が第２の所定回転数Ｊに達した後、駆動に使用している脈流電流により、単相コイルＬ１に流れる電流に波形割れが周期的に発生して、加速モードと減速モードが繰り返される状態が生じる（図６参照）。駆動回路１（１ａ）は、ＡＣゼロクロス検出回路９により交流電圧Ｖａｃのゼロクロス点を検出して、加速モードに移行した後の、位置センサ８の検出信号の立ち上がりまたは立ち下がりと交流電圧Ｖａｃのゼロクロス点とが略一致するタイミング（図６のゼロクロスタイミングを示す囲い部分参照）で、マイクロコンピュータ５の出力端子ＯＵＴ１、ＯＵＴ２、ＯＵＴ４、ＯＵＴ５から出力される信号をＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに切り替える。これによって、第１、第２の運転切換スイッチＱ１、Ｑ２及び第１、第２のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４がオフし、脈流電流の単相コイルＬ１への通電が遮断され、同期運転期間に移行する。
【００３１】
（同期運転期間：空転期間）
本実施形態では、同期運転期間の開始時に、交流電源Ｖａｃにより供給される交流電流の半波分に相当する空転期間が設けられている（図５（Ｂ）のＥ−Ｆ、図６）。空転期間では、第１、第２の運転切換スイッチＱ１、Ｑ２、第１、第２のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４、及び、第３、第４の運転切換スイッチＳＷ１、ＳＷ２は、いずれもオフ状態である。尚、この空転期間は、交流電流の半波分のｎ倍（ｎ＝整数）であればよい。
【００３２】
（同期運転期間：空転期間後）
次に、空転期間後の同期運転における、同期運転回路１ｂの回路動作について説明する。
同期運転においては、図４に示すように、マイクロコンピュータ５の出力端子ＯＵＴ３の出力信号がＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに切り替わることにより、トライアックゲート電圧生成回路７を介して第３の運転切換スイッチＳＷ１及び第４の運転切換スイッチＳＷ２のそれぞれのゲート端子にＨｉｇｈレベルの信号が加えられ、第３の運転切換スイッチＳＷ１および第４の運転切換スイッチＳＷ２がどちらもオンされる。そして、第１、第２の運転切換スイッチＱ１、Ｑ２及び第１、第２のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４は、空転期間の状態のまま、いずれもオフに維持されるため、整流回路２からの整流電流は単相コイルＬ１には流れない。
以上によって、単相コイルＬ１の一端は、第３の運転切換スイッチＳＷ１を介して交流電源Ｖａｃの一端と接続され、単相コイルＬ１の他端は、第４の運転切換スイッチＳＷ２を介して交流電源Ｖａｃの他端と接続されて、単相コイルＬ１に交流電源Ｖａｃから供給される交流電流が流れる（図４の白抜きの丸３の矢印で示す経路）。これによって、モータ２１は、単相交流同期モータとして所定の同期回転数Jで同期運転を開始する（図５（Ｂ）のＧ以降）。
【００３３】
以上のように、駆動回路１では、起動運転期間において、単相コイルＬ１に平滑化されていない整流電流（脈流電流）を流すものであるため、整流回路２のダイオードＤ１〜Ｄ４には定格の低いダイオードを用いればよく、また、大容量の平滑コンデンサが不要となり、部品コストを低減することができる。
【００３４】
また、センサ起動期間では、位置センサ８からの検出信号に基づいてモータ２１を駆動するため、モータ２１の機械的固有振動数における振動や音の発生を回避しつつ、安定して加速的に回転数を上げることができる。さらに、パルス運転期間において、同期回転数を越えずに同期回転数Ｊ付近の第２の所定回転数Ｉまで徐々に回転数を上げていくため、起動運転から同期運転への切換動作が、モータの個体差や動作環境によって不安定になることがなく、交流電流のゼロクロスタイミングを捉えて同期運転に移行するため、安定して同期運転に移行することができる。
【００３５】
また、同期運転期間の開始時に空転期間を設けたため、第１、第２の運転切換スイッチＱ１、Ｑ２及び第１、第２のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４が確実にオフした後に、第３、第４の運転切換スイッチＳＷ１、ＳＷ２をオンすることができるため、回路がショートして過電流が流れることを素子し、素子の破壊を防止することができる。
【００３６】
以上、本発明を好ましい実施形態に基づいて説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、位置センサ８は、ホールＩＣではなく、ホール素子またはフォトセンサであってもよい。ＡＣゼロクロス検出回路９は、フォトカプラに限らず、直接、電圧検出回路を構成してもよい。第１、第２運転切換スイッチＱ１、Ｑ２は、ＭＯＳＦＥＴに限定されず、バイポーラトランジスタであってもよい。第１、第２スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４はバイポーラトランジスタに限定されず、ＭＯＳＦＥＴ等のＦＥＴであってもよい。第３、第４運転切換スイッチＳＷ１、ＳＷ２はトライアックに限定されず、任意の適切な双方向素子、例えばリレースイッチ、を使用することができる。制御手段は、マイクロコンピュータ５に限定されず、ＤＳＰやＦＰＧＡなどのプログラマブルデバイスを用いることができる。
【符号の説明】
【００３７】
１：駆動回路、１ａ：起動運転回路、１ｂ：同期運転回路、２：整流回路、３：フィルタ回路、４：低電圧源、５：制御手段（マイクロコンピュータ）、６ａ、６ｂ：スイッチドライブ回路、７：トライアックゲート電圧生成回路、８：位置センサ、９：ＡＣゼロクロス検出回路、２１：モータ、２２：シャフト、２３，２４：ベアリング、２５：下ハウジング、２６：永久磁石ロータ、２７：永久磁石、２８：ロータヨーク、２９ａ：羽根、２９：インペラ、３０：ステータコア、３１：インシュレータ部材、３２：電機子コイル、３３：駆動回路基板、３４：外部接続線、３５：ハウジング本体、Ｃ１：コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ８：ダイオード、Ｌ１：単相コイル、Ｑ１：第１の運転切換スイッチ、Ｑ２：第２の運転切換スイッチ、Ｑ３：第１のスイッチング素子、Ｑ４：第２のスイッチング素子、Ｑ５，Ｑ６：スイッチング素子、Ｒ１〜Ｒ５：抵抗、ＳＷ１：第３の運転切換スイッチ、ＳＷ２：第４の運転切換スイッチ、Ｖａｃ：交流電源
【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単相コイルが巻回された電機子コイルを有するステータとを備える単相交流同期モータにおいて、
交流電源より供給される交流電流を整流する整流回路と、該整流回路と前記単相コイルの両端のそれぞれとの間に接続されて前記整流回路により整流された整流電流を前記電機子コイルに流す第１、第２の運転切換スイッチと、該第１、第２の運転切換スイッチのそれぞれに直列に接続される第１、第２のスイッチング素子とを含み、磁極位置を検出する位置センサからの検出信号に基づいて前記第１の運転切換スイッチと前記第２のスイッチング素子のペアと前記第２の運転切換スイッチと前記第１のスイッチング素子のペアとを交互にオン/オフ動作することで、前記単相コイルに流れる前記整流電流の向きを交互に切り替えて、前記永久磁石ロータが第１の所定回転数に到達するまで回転数を上げるセンサ起動期間を有する、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単相コイルの両端のそれぞれとの間に接続される第３、第４の運転切換スイッチを含み、前記第１、第２の運転切換スイッチおよび前記第１、第２のスイッチング素子がオフ動作されることによって前記整流回路からの整流電流が遮断されるとともに、前記第３、第４の運転切換スイッチがオン動作されることで前記交流電源に対して前記単相コイルが直列に接続され、前記交流電流を前記単相コイルに通電することにより、交流同期モータとして同期運転する同期運転回路と、
前記起動運転回路による起動運転において、前記永久磁石ロータの回転数が同期回転数を越えずに該同期回転数付近の第２の所定回転数に到達し、前記位置センサの検出信号の立ち上がりまたは立ち下がりと前記交流電流のゼロクロス点とが略一致したタイミングで前記同期運転回路による同期運転へ移行するように制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする単相交流同期モータ。
【請求項２】
前記起動運転において、前記センサ起動期間の後に、前記位置センサからの検出信号に基づく前記オン／オフ動作を停止し、前記位置センサからの検出信号に基づくことなく前記制御手段から出力される所定の制御信号によって、第１の運転切換スイッチと第２のスイッチング素子のペアと、第２の運転切換スイッチと第１のスイッチング素子のペアとを交互にオン/オフ動作することにより前記単相コイルに流れるパルス電流に基づいて、前記同期回転数を越えずに前記第２の所定回転数まで回転数を上げるパルス運転期間を設けたことを特徴とする請求項１に記載の単相交流同期モータ。
【請求項３】
前記同期運転の開始時に所定の空転期間を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の単相交流同期モータ。
【請求項４】
前記所定の空転期間は、前記交流電流の半波分のｎ倍（ｎ＝整数）に相当する時間であることを特徴とする請求項３に記載の単相交流同期モータ。
【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単相コイルが巻回された電機子コイルを有するステータとを備える単相交流同期モータにおいて、
交流電源より供給される交流電流を整流する整流回路と、該整流回路と前記単相コイルの両端のそれぞれとの間に接続されて前記整流回路により整流された整流電流を前記電機子コイルに流す第１、第２の運転切換スイッチと、該第１、第２の運転切換スイッチのそれぞれに直列に接続される第１、第２のスイッチング素子とを含み、磁極位置を検出する位置センサからの検出信号に基づいて前記第１の運転切換スイッチと前記第２のスイッチング素子のペアと前記第２の運転切換スイッチと前記第１のスイッチング素子のペアとを交互にオン/オフ動作することで、前記単相コイルに流れる前記整流電流の向きを交互に切り替えて、前記永久磁石ロータが第１の所定回転数に到達するまで回転数を上げるセンサ起動期間を有する、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単相コイルの両端のそれぞれとの間に接続される第３、第４の運転切換スイッチを含み、前記第１、第２の運転切換スイッチおよび前記第１、第２のスイッチング素子がオフ動作されることによって前記整流回路からの整流電流が遮断されるとともに、前記第３、第４の運転切換スイッチがオン動作されることで前記交流電源に対して前記単相コイルが直列に接続され、前記交流電流を前記単相コイルに通電することにより、交流同期モータとして同期運転する同期運転回路と、
前記起動運転回路による起動運転において、前記永久磁石ロータの回転数が同期回転数を越えずに該同期回転数付近の第２の所定回転数に到達し、前記位置センサの検出信号の立ち上がりまたは立ち下がりと前記交流電流のゼロクロス点とが略一致したタイミングで前記同期運転回路による同期運転へ移行するように制御する制御手段と、を備えたことを特徴とする単相交流同期モータ。
【請求項２】
前記起動運転において、前記センサ起動期間の後に、前記位置センサからの検出信号に基づく前記オン／オフ動作を停止し、前記位置センサからの検出信号に基づくことなく前記制御手段から出力される所定の制御信号によって、第１の運転切換スイッチと第２のスイッチング素子のペアと、第２の運転切換スイッチと第１のスイッチング素子のペアとを交互にオン/オフ動作することにより前記単相コイルに流れるパルス電流に基づいて、前記同期回転数を越えずに前記第２の所定回転数まで回転数を上げるパルス運転期間を設けたことを特徴とする請求項１に記載の単相交流同期モータ。
【請求項３】
前記同期運転の開始時に所定の空転期間を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の単相交流同期モータ。
【請求項４】
前記所定の空転期間は、前記交流電流の半波分のｎ倍（ｎ＝整数）に相当する時間であることを特徴とする請求項３に記載の単相交流同期モータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−２５４５６４（Ｐ２０１１−２５４５６４Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２４４８７（Ｐ２０１０−１２４４８７）
【出願日】平成２２年５月３１日（２０１０．５．３１）
【出願人】（０００１１４２１５）ミネベア株式会社 (846)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月３１日（２０１０．５．３１）
【出願人】（０００１１４２１５）ミネベア株式会社 (846)
【Ｆターム（参考）】
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