JP5656424B2

JP5656424B2 - Motor drive circuit

Info

Publication number: JP5656424B2
Application number: JP2010058234A
Authority: JP
Inventors: 康▲広▼ 小松
Original assignee: 小松康廣
Priority date: 2010-03-15
Filing date: 2010-03-15
Publication date: 2015-01-21
Anticipated expiration: 2030-03-15
Also published as: JP2011193649A

Description

本発明は、一方向通電形のＤＣブラシレスモータに用いられるモータドライブ回路に関する。 The present invention relates to a motor drive circuit used in a unidirectional energization type DC brushless motor.

現在、ＤＣブラシレスモータについては、双方向通電形のものが主流になっている。この双方向通電形のＤＣブラシレスモータの場合、高速回転時に逆起電力が大きくなるため、ｑ軸電機子電流（トルク電流）が減少してしまう。この問題を解決するためにｄ軸電機子電流を流す方法が採用されている。しかしながら、ｄ軸電機子電流は、銅損や鉄損の増加をもたらすので、モータの効率は一般的には低下する。 At present, as the DC brushless motor, a bidirectional energization type is mainly used. In the case of this bidirectional energization type DC brushless motor, the counter electromotive force increases during high-speed rotation, and the q-axis armature current (torque current) decreases. In order to solve this problem, a method of flowing a d-axis armature current is employed. However, since the d-axis armature current causes an increase in copper loss and iron loss, the efficiency of the motor generally decreases.

また、ＤＣブラシレスモータには、一方向通電形のものがある。この一方向通電形のＤＣブラシレスモータとしては、例えば、本発明者らが発明した高速回転に適し、より高い電磁トルクを得るために、磁力により生ずる回転トルクと回転子の回転角度との関係において、電磁石に直流一定電流を連続通電した場合に回転子を負の方向に回転させる大値狭角度トルクを発生させる回転角度領域で前記電磁石への電流を遮断し、回転子を正の方向に回転させる小値広角度トルクを発生させる回転角度領域で電磁石に電流を流すことにより、回転子に磁力による回転力を付与するものがある（特許文献１参照）。 Further, some DC brushless motors are unidirectionally energized. As this one-way energization type DC brushless motor, for example, in order to obtain a higher electromagnetic torque, which is suitable for the high-speed rotation invented by the present inventors, the relationship between the rotational torque generated by the magnetic force and the rotational angle of the rotor is used. When the electromagnet is continuously energized with a constant DC current, the current to the electromagnet is cut off in the rotation angle region that generates a large-value narrow-angle torque that rotates the rotor in the negative direction, and the rotor rotates in the positive direction. There is one that applies a rotational force by a magnetic force to a rotor by flowing a current through an electromagnet in a rotation angle region that generates a small-value wide-angle torque to be generated (see Patent Document 1).

特許第３８９７０４３号公報Japanese Patent No. 3897043

しかしながら、特許文献１の一方向通電形ＤＣブラシレスモータでは、電流の非通電期間（負のトルクが発生するため、コイルに電流を流さない期間）において、永久磁石がコイルに接近しているので、絶対値に関して電源電圧よりも大きな負の逆起電力が生じることにより、ブレーキの作用をする誘導電流（以下、誘導ブレーキ電流とする）が生じる。特に、高速回転時には、誘導起電力が大きくなるため、電流の非通電期間にコイルに誘導ブレーキ電流が流れ、この影響を受けてモータは減速する。また、この誘導ブレーキ電流により、銅損や鉄損が増加するので、モータの効率が低下するという問題がある。 However, in the one-way energization type DC brushless motor of Patent Document 1, since the permanent magnet is close to the coil in the current non-energization period (a period in which no current flows through the coil because negative torque is generated), When a negative counter electromotive force larger than the power supply voltage is generated with respect to the absolute value, an induced current that acts as a brake (hereinafter referred to as an induced brake current) occurs. In particular, since the induced electromotive force increases during high-speed rotation, an induced brake current flows through the coil during the current non-energization period, and the motor decelerates due to this influence. Moreover, since the copper loss and the iron loss increase due to the induced brake current, there is a problem that the efficiency of the motor is lowered.

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、電源電圧よりも大きな逆起電力の発生によって生じる誘導ブレーキ電流を抑制することができる安価で簡単なモータドライブ回路を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides an inexpensive and simple motor drive circuit that can suppress an induced brake current generated by the generation of a counter electromotive force larger than a power supply voltage. For the purpose.

上記目的を達成するために、請求項１記載のモータドライブ回路は、一方向通電形のＤＣブラシレスモータの固定子に設けられた複数の電磁石のコイルへの電流の供給を制御して、回転子に設けられた永久磁石に磁力を作用させることにより前記回転子を回転させるモータドライブ回路において、前記複数の電磁石のコイルに電流を供給するための直流電源と、前記コイルの両端子の間にそれぞれ直列に接続され、当該コイルと前記直流電源との接続の開閉を同時に行う２つのスイッチング素子と、前記コイルに一方向のみの直流電流が流れるように前記それぞれのスイッチング素子に対して並列にそれぞれ接続される第１のダイオード及び第２のダイオードと、静電容量が１０μＦ以上２００μＦ以下であり、前記スイッチング素子に並列に接続されるコンデンサと、該コンデンサに回生電流が流れるように前記直流電源のプラス端子側に接続される逆流阻止用ダイオードとを備えることを特徴としている。 In order to achieve the above object, a motor drive circuit according to claim 1 controls the supply of current to coils of a plurality of electromagnets provided in a stator of a DC brushless motor of a one-way energization type to In a motor drive circuit that rotates the rotor by applying a magnetic force to a permanent magnet provided on the DC, a DC power source for supplying current to the coils of the plurality of electromagnets, and both terminals of the coils, respectively Two switching elements that are connected in series and simultaneously open and close the connection between the coil and the DC power supply, and are connected in parallel to the switching elements so that a DC current flows in only one direction through the coil. The first diode and the second diode, and the capacitance is 10 μF or more and 200 μF or less, and in parallel with the switching element It is characterized by comprising a capacitor to be connected and a backflow prevention diode connected to the positive terminal side of the DC power supply so that a regenerative current flows through the capacitor.

請求項２記載のモータドライブ回路は、前記コンデンサとして、損失が少なく、且つ耐用年数の長いフィルムコンデンサを用いることを特徴としている。 The motor drive circuit according to claim 2 is characterized in that a film capacitor having a small loss and a long service life is used as the capacitor.

請求項１記載のモータドライブ回路によれば、静電容量が１０μＦ以上２００μＦ以下という小さな静電容量のコンデンサを用いているので、電源電圧よりも大きな逆起電力の発生によって生じる誘導ブレーキ電流がコンデンサへと流れると、コンデンサ電圧が上昇し、誘導ブレーキ電流を減少させて、零にすることができる。このように速度の上昇を妨げ、銅損や鉄損を増加させる誘導ブレーキ電流を抑制することができるので、一方向通電形ＤＣブラシレスモータの効率を向上させることができる。また、毎回の通電初期に電源電圧よりも高いコンデンサ電圧がコイルに印加されるので、電流上昇速度が大きくなり、回転速度を増加させる場合の通電期間の減少による電流不足の対策となる。尚、このモータドライブ回路の端子に接続されるコイルの並列回路数を増加させることによって回転速度を増加させることができる。 According to the motor drive circuit of the first aspect, since the capacitor having a small capacitance of 10 μF or more and 200 μF or less is used, the induced brake current generated by the generation of the counter electromotive force larger than the power supply voltage is generated by the capacitor. The capacitor voltage increases and the induced brake current can be reduced to zero. Thus, since the induction brake current which prevents the increase in speed and increases copper loss and iron loss can be suppressed, the efficiency of the one-way energization type DC brushless motor can be improved. In addition, since a capacitor voltage higher than the power supply voltage is applied to the coil at the beginning of each energization, the current rise speed increases, which is a measure against current shortage due to a decrease in the energization period when the rotation speed is increased. The rotational speed can be increased by increasing the number of parallel circuits of coils connected to the terminals of the motor drive circuit.

請求項２記載のモータドライブ回路によれば、コンデンサとしてフィルムコンデンサを用いているので、モータドライブ回路において通常用いられる大きな静電容量を有する電解コンデンサに比べて損失が少ないので、モータドライバを含めたモータの効率が増加する。また、損失が少ないので、温度上昇も少ないことと、本質的に劣化し難いことから、耐久性を向上させることができる。また、静電容量が小さい場合には、小型化することもできる。 According to the motor drive circuit of the second aspect, since the film capacitor is used as the capacitor, the loss is less than that of an electrolytic capacitor having a large capacitance usually used in the motor drive circuit. Increases motor efficiency. Further, since the loss is small, the temperature rise is small and the deterioration is essentially difficult, so that the durability can be improved. Further, when the capacitance is small, the size can be reduced.

本発明に係るモータドライブ回路を備える一方向通電形ブラシレスモータの構成の一例を示す概略平面図である。It is a schematic plan view which shows an example of a structure of a one-way electricity supply type brushless motor provided with the motor drive circuit which concerns on this invention. 図１のＡ−Ａ線断面図である。It is the sectional view on the AA line of FIG. 本発明に係るモータドライブ回路の構成の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of a structure of the motor drive circuit which concerns on this invention. 一方向通電形ＤＣブラシレスモータ３の回転角度θと電磁トルクＴｅの関係を示すθ−Ｔｅ特性図である。FIG. 6 is a θ-Te characteristic diagram showing a relationship between a rotation angle θ of the unidirectional energization type DC brushless motor 3 and an electromagnetic torque Te. コンデンサ電圧とモータドライブ出力端子電流（電機子巻線電流）の関係を示す波形図であって、（ａ）は本発明に係るモータドライブ回路を用いた場合の波形図、（ｂ）は従来のモータドライブ回路を用いた場合の波形図である。It is a wave form diagram which shows the relation between a capacitor voltage and a motor drive output terminal current (armature winding current), (a) is a wave form diagram at the time of using a motor drive circuit concerning the present invention, and (b) is a conventional wave form. It is a wave form diagram at the time of using a motor drive circuit.

以下、本発明に係るモータドライブ回路１について、図面を参照しながら説明する。このモータドライブ回路１は、一方向通電形のＤＣブラシレスモータ２に用いられるものである。 Hereinafter, a motor drive circuit 1 according to the present invention will be described with reference to the drawings. This motor drive circuit 1 is used for a unidirectional energization type DC brushless motor 2.

一方向通電形ＤＣブラシレスモータ２（以下、ＤＣブラシレスモータ２とする）としては、例えば、図１及び図２に示すようなものがある。このＤＣブラシレスモータ２は、平板状の永久磁石３が４個配置された回転体（回転子）４と、該回転体４を軸支するフレーム（固定子）５と、該フレーム５に固定される複数の電磁石６とを備えている。 Examples of the unidirectional energization type DC brushless motor 2 (hereinafter referred to as DC brushless motor 2) include those shown in FIGS. The DC brushless motor 2 includes a rotating body (rotor) 4 in which four flat permanent magnets 3 are arranged, a frame (stator) 5 that supports the rotating body 4, and a frame 5. And a plurality of electromagnets 6.

回転体４は、回転軸となるシャフト７に２枚の円盤８と１枚の円盤８１がスペーサ７０を介して所定間隔で固定されており、各円盤８の下面に周方向に等間隔で４個の平板状の永久磁石３が配設されている。また、フレーム５には永久磁石３に対応して等間隔で４箇所に電磁石６が固定されている。 In the rotating body 4, two disks 8 and one disk 81 are fixed to a shaft 7 serving as a rotating shaft at a predetermined interval via a spacer 70, and the rotating body 4 is arranged on the lower surface of each disk 8 at equal intervals in the circumferential direction. A plurality of plate-like permanent magnets 3 are arranged. Further, electromagnets 6 are fixed to the frame 5 at four positions at equal intervals corresponding to the permanent magnets 3.

永久磁石３は、表面及び裏面に磁極が形成された平板状のものであり、具体的にはネオジウム系の希土類磁石からなる。このように、表面と裏面にＮ極及びＳ極が形成された平板状の永久磁石３を用いることにより、各磁極面積を広くすることができるので、回転トルクの増加を図ることができる。図１に示すように、永久磁石３は、円盤８に数ｍｍ程度埋め込まれることにより固定されており、図２に示すように、１枚の円盤８に対して周方向に等間隔となるように４個固定されている。つまり、各永久磁石３は、円盤８の周縁部分に周方向に９０°の角度間隔をあけて配設されている。尚、この永久磁石３の固定方法は特に限定されるものではなく、適宜プラスチック等を用いて円盤８へ固定すれば良い。また、永久磁石３の個数も特に限定されるものではないが、本実施形態のように、永久磁石３を周方向に等間隔で配置することが好ましい。 The permanent magnet 3 is a flat plate with magnetic poles formed on the front and back surfaces, and is specifically made of a neodymium rare earth magnet. As described above, by using the flat permanent magnet 3 having the N pole and the S pole formed on the front surface and the back surface, the area of each magnetic pole can be increased, so that the rotational torque can be increased. As shown in FIG. 1, the permanent magnet 3 is fixed by being embedded in the disk 8 by about several millimeters, and as shown in FIG. 2, the permanent magnet 3 is equidistant in the circumferential direction with respect to one disk 8. Four are fixed to That is, the permanent magnets 3 are disposed at the peripheral portion of the disk 8 with an angular interval of 90 ° in the circumferential direction. In addition, the fixing method of this permanent magnet 3 is not specifically limited, What is necessary is just to fix to the disk 8 using plastics etc. suitably. Further, the number of permanent magnets 3 is not particularly limited, but it is preferable to arrange the permanent magnets 3 at equal intervals in the circumferential direction as in the present embodiment.

また、各永久磁石３は、図２に示すように、円盤８（回転体４）の中心Ｏから永久磁石３の重心を結ぶ直線Ｌ１と、永久磁石３の磁極方向、即ち表面及び裏面上の法線方向の直線Ｌ２とが交わる角度αが、円盤８の中心Ｏ方向からみた場合に約３０°以上６０°以下となるように配置されている。永久磁石３のＮ極又はＳ極のうちいずれかの面が円盤８の外方へ向けられており、永久磁石３に対して所定の磁気ギャップを隔てて設けられる電磁石５の極性は対向する永久磁石３の外方の磁極と同極になっている。 Further, as shown in FIG. 2, each permanent magnet 3 includes a straight line L1 connecting the center O of the permanent magnet 3 to the center O of the disk 8 (rotating body 4) and the magnetic pole direction of the permanent magnet 3, that is, on the front and back surfaces. The angle α at which the normal line L2 intersects is arranged so as to be about 30 ° or more and 60 ° or less when viewed from the center O direction of the disk 8. Either the N pole or the S pole of the permanent magnet 3 is directed to the outside of the disk 8, and the polarity of the electromagnet 5 provided with a predetermined magnetic gap is opposed to the permanent magnet 3. It is the same polarity as the outer magnetic pole of the magnet 3.

同様にして、別の円盤８にも先と逆の極を外方に向けられた４個の永久磁石３が固定され、各４個の永久磁石３が固定され２枚の円盤８を互いの永久磁石３が周方向に同位置となるようにスペーサ７０を介して重ね合わされている。すなわち、永久磁石３は、ＤＣブラシレスモータ２に合計８個設けられている。また、２枚の円盤８と１枚の円盤８１の計３枚の円盤もスペーサ７０を介して重ね合わされている。 Similarly, four permanent magnets 3 with opposite poles facing outward are fixed to another disk 8, and each of the four permanent magnets 3 is fixed and the two disks 8 are connected to each other. The permanent magnets 3 are superposed via spacers 70 so as to be in the same position in the circumferential direction. That is, a total of eight permanent magnets 3 are provided in the DC brushless motor 2. In addition, a total of three discs, two discs 8 and one disc 81, are also superimposed via spacers 70.

また、円盤８１には、センサ検出盤９が同軸となるように固定されている。センサ検出盤９は、円盤８１よりも若干大径の透明なプラスチック板であり、円盤８１の周縁から突出した部分の所定部位にテープ等を貼り付けることにより、該部位を位置検出センサ１０が検出するように構成されている。 Further, the sensor detection board 9 is fixed to the disk 81 so as to be coaxial. The sensor detection board 9 is a transparent plastic plate having a slightly larger diameter than the disk 81, and the position detection sensor 10 detects the part by attaching a tape or the like to a predetermined part of the part protruding from the periphery of the disk 81. Is configured to do.

各円盤８、８１の中心にはシャフト７が貫通されており、これらシャフト７、円盤８、８１、永久磁石３、及びセンサ検出盤９が固定されて、回転体４として一体に回転するようになっている。また、図１に示すように、回転体４の周縁部分には、各円盤８、８１の周縁部間に渡るようにフィルム１１が貼り付けられている。このように回転体４の周縁をフィルム１１で封止することにより、回転体４が回転した場合にフィルム１１で封止された回転体４の内部の空気が回転体４とともに回転するため、永久磁石３等が空気抵抗を受けることが少なくなる。これにより、回転体４の空気抵抗を減少させてＤＣブラシレスモータ２の回転効率を向上させることができる。尚、フィルム１１は、永久磁石３と電磁石６との磁力の作用に影響しない素材であって、薄手のものが好ましく、例えばプラスチックフィルム等を用いることができる。 A shaft 7 passes through the center of each of the disks 8, 81, and the shaft 7, the disks 8, 81, the permanent magnet 3, and the sensor detection board 9 are fixed so as to rotate integrally as the rotating body 4. It has become. As shown in FIG. 1, a film 11 is attached to the peripheral portion of the rotating body 4 so as to extend between the peripheral portions of the disks 8 and 81. By sealing the periphery of the rotating body 4 with the film 11 in this way, the air inside the rotating body 4 sealed with the film 11 rotates together with the rotating body 4 when the rotating body 4 rotates. The magnet 3 and the like are less subject to air resistance. Thereby, the air resistance of the rotary body 4 can be reduced and the rotational efficiency of the DC brushless motor 2 can be improved. The film 11 is a material that does not affect the action of the magnetic force between the permanent magnet 3 and the electromagnet 6, and is preferably thin. For example, a plastic film or the like can be used.

電磁石６は、図１に示すように、Ｕ字の鉄芯６０にコイル６１が巻かれたものであり、コイル６１に電流が流れることにより鉄芯６０の両端部に夫々磁極が形成される。これにより、永久磁石３に磁力を生じさせて回転体４を回転させる。図１に示すように、電磁石６は、その各磁極が各円盤８間に二段に構成された永久磁石３に対応するようにして、所定の磁気ギャップ長で配置されている。また、対応する二段の永久磁石３は、電磁石６の磁極と同極で対面するように、すなわち、電磁石６のＮ極に対応する永久磁石３はＮ極を外方へ向けて円盤８に固定されており、電磁石６のＳ極に対応する永久磁石３はＳ極を外方へ向けて円盤８に固定されている。このような電磁石６が、図２に示すように、回転体４の永久磁石３の配置に対応して、フレーム５に周方向に９０°異なる位置に４個固定されている。このように、回転体４に固定する一組の永久磁石３を二段の構成とし、電磁石６をＵ字状として該二段の永久磁石３に対応させて、電磁石６の両極から発生する磁束をともに回転体４を回転させるための磁力発生に用いることにより、ＤＣブラシレスモータ２の電力から動力へのエネルギーの変換効率が向上する。 As shown in FIG. 1, the electromagnet 6 is obtained by winding a coil 61 around a U-shaped iron core 60, and magnetic poles are formed at both ends of the iron core 60 when a current flows through the coil 61. As a result, a magnetic force is generated in the permanent magnet 3 to rotate the rotating body 4. As shown in FIG. 1, the electromagnet 6 is arranged with a predetermined magnetic gap length so that each magnetic pole thereof corresponds to the permanent magnet 3 formed in two stages between each disk 8. Also, the corresponding two-stage permanent magnet 3 faces the same pole as the magnetic pole of the electromagnet 6, that is, the permanent magnet 3 corresponding to the N pole of the electromagnet 6 faces the disk 8 with the N pole facing outward. The permanent magnet 3 corresponding to the S pole of the electromagnet 6 is fixed to the disk 8 with the S pole facing outward. As shown in FIG. 2, four such electromagnets 6 are fixed to the frame 5 at positions that are different from each other by 90 ° in the circumferential direction corresponding to the arrangement of the permanent magnets 3 of the rotating body 4. In this way, the set of permanent magnets 3 fixed to the rotating body 4 has a two-stage configuration, and the electromagnet 6 has a U shape so as to correspond to the two-stage permanent magnet 3, and the magnetic flux generated from both poles of the electromagnet 6. Are used for generating magnetic force for rotating the rotating body 4, the energy conversion efficiency of the DC brushless motor 2 from electric power to power is improved.

また、電磁石６は、円盤８（回転体４）の中心Ｏから電磁石６の重心を結ぶ直線（不図示）と、電磁石６の磁束中心軸（不図示）とが交わる角度が円盤８の中心Ｏ方向からみた場合に０°以上２０°以下となるようにフレーム５に固定されている。これにより、前記角度を０°とする場合と比較して、平均電磁トルクが増大するという利点がある。尚、永久磁石３の固定角度の変更は、ＤＣブラシレスモータ２を分解する必要があるため困難であるが、電磁石６の固定角度の変更は、容易に行うことができる。また、図面では、上記の角度が０°の場合を示しているが、電磁石６は、実際には、上記の角度が０°以上２０°以下となるように固定されていれば良い。 Further, the electromagnet 6 has an angle at which the straight line (not shown) connecting the center of gravity of the electromagnet 6 and the center O of the electromagnet 6 (not shown) intersects the center O of the disk 8 (rotator 4). When viewed from the direction, it is fixed to the frame 5 so as to be 0 ° or more and 20 ° or less. Thereby, there is an advantage that the average electromagnetic torque is increased as compared with the case where the angle is set to 0 °. Note that changing the fixed angle of the permanent magnet 3 is difficult because the DC brushless motor 2 needs to be disassembled, but changing the fixed angle of the electromagnet 6 can be easily performed. Moreover, although the case where said angle is 0 degree is shown in drawing, the electromagnet 6 should just be fixed so that said angle may actually be 0 degree or more and 20 degrees or less.

フレーム５は、回転体４を軸支するとともに、電磁石６及び位置検出センサ１０を固定するものであり、図１に示すように、２枚のフレーム板５０が所定間隔で互いに対向するように連結されている。回転体４は、対向するフレーム板５０間において、シャフト７が軸支されていることにより、フレーム５に回転自在に設けられている。従って、２枚のフレーム板５０は、回転体４の外径より十分に大きなものである。また、図には示していないが、シャフト７を軸支する各フレーム板５０にはベアリングが適宜設けられている。 The frame 5 supports the rotating body 4 and fixes the electromagnet 6 and the position detection sensor 10 and is connected so that two frame plates 50 face each other at a predetermined interval as shown in FIG. Has been. The rotating body 4 is rotatably provided on the frame 5 by the shaft 7 being pivotally supported between the opposing frame plates 50. Therefore, the two frame plates 50 are sufficiently larger than the outer diameter of the rotating body 4. Further, although not shown in the figure, each frame plate 50 that supports the shaft 7 is appropriately provided with a bearing.

また、フレーム５には、センサ検出盤９に対応して位置検出センサ１０が設けられている。この位置検出センサ１０としては、回転体４とともに回転するセンサ検出盤９の所定部位を検出できれば周知且つ任意のものを使用できる。また、位置検出センサ１０は、各電磁石６のコイル６１に電圧を供給するために各電磁石６に接続される本発明のモータドライブ回路１と接続されており、電磁石６に電圧を供給するタイミングをこのモータドライブ回路１に与えている。 The frame 5 is provided with a position detection sensor 10 corresponding to the sensor detection board 9. As the position detection sensor 10, a known and arbitrary one can be used as long as it can detect a predetermined portion of the sensor detection board 9 that rotates together with the rotating body 4. Further, the position detection sensor 10 is connected to the motor drive circuit 1 of the present invention connected to each electromagnet 6 in order to supply a voltage to the coil 61 of each electromagnet 6, and the timing for supplying the voltage to the electromagnet 6 is set. The motor drive circuit 1 is given.

このモータドライブ回路１は、図３に示すように、複数の電磁石６のコイル６１に電流を供給するための直流電源１２と、このコイル６１の両端子Ｐ１，Ｐ２にそれぞれ直列に接続され、当該コイルと前記直流電源１２との接続の開閉を同時に行う２つのスイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２と、コイル６１に一方向のみの直流電流が流れるようにスイッチング素子ＳＷ２に並列に接続される第１のダイオードＤ１及びスイッチング素子ＳＷ１に並列に接続される第２のダイオードＤ２と、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２に並列に接続されるコンデンサ１３と、該コンデンサ１３に回生電流が流れるように直流電源１２のプラス端子に接続される逆流阻止用ダイオードＤ３とを備えるものである。尚、図３のモータドライブ回路１では、モータドライブ回路端子Ｐ１、Ｐ２間に接続されるコイルの並列回路数が２つものを例としているが、コイル６１の接続の仕方は適宜変更しても良い。 As shown in FIG. 3, the motor drive circuit 1 is connected in series to a DC power source 12 for supplying current to the coils 61 of the plurality of electromagnets 6 and both terminals P1, P2 of the coils 61. Two switching elements SW1 and SW2 that simultaneously open and close the connection between the coil and the DC power source 12, and a first diode D1 connected in parallel to the switching element SW2 so that a DC current flows in only one direction through the coil 61. And a second diode D2 connected in parallel to the switching element SW1, a capacitor 13 connected in parallel to the switching elements SW1 and SW2, and a positive terminal of the DC power source 12 so that a regenerative current flows through the capacitor 13. And a backflow prevention diode D3. In the motor drive circuit 1 shown in FIG. 3, the number of coils connected in parallel between the motor drive circuit terminals P1 and P2 is two, but the method of connecting the coils 61 may be changed as appropriate. good.

直流電源１２は、コイル６１に電力供給を行うためのものであり、直流安定化電源や鉛蓄電池等が用いられる。スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２は、このコイル６１と前記直流電源１２との接続の開閉を行うためのものであり、ＳＷ１とＳＷ２が同時にオンされると、コイル６１と直流電源１２が接続され、コイル６１に直流電源１２の電源電圧が供給されて、直流電流が流れる。尚、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２としては、ＦＥＴ（Field effect transistor：電界効果トランジスタ）やＮＰＮ形トランジスタ等が用いられる。 The DC power supply 12 is for supplying power to the coil 61, and a DC stabilized power supply, a lead storage battery, or the like is used. The switching elements SW1 and SW2 are used to open and close the connection between the coil 61 and the DC power supply 12. When the SW1 and SW2 are simultaneously turned on, the coil 61 and the DC power supply 12 are connected. Is supplied with the power supply voltage of the DC power supply 12, and a DC current flows. As the switching elements SW1 and SW2, FET (Field effect transistor), an NPN transistor or the like is used.

また、コンデンサ１３には、従来は静電容量が大きい電解コンデンサが用いられているが、ここでは、静電容量が１０μＦ以上２００μＦ以下であるコンデンサ１３を用いる。このコンデンサ１３は、静電容量が小さいので、フィルムコンデンサを利用することができる。電解コンデンサは、一般的に損失が大きく、且つ劣化しやすいが、コンデンサ１３としてフィルムコンデンサを用いることにより、損失が減少するので、モータドライバを含めたモータの効率が増加する。また、損失が少ないので、温度上昇も少なく、本質的に劣化し難いことから、耐久性が向上するので、モータドライブ回路１の寿命を改善することができる。また、静電容量が小さい場合には、小型化することもできる。 As the capacitor 13, an electrolytic capacitor having a large capacitance is conventionally used. Here, the capacitor 13 having a capacitance of 10 μF to 200 μF is used. Since the capacitor 13 has a small capacitance, a film capacitor can be used. Electrolytic capacitors generally have a large loss and are likely to deteriorate. However, the use of a film capacitor as the capacitor 13 reduces the loss, and thus increases the efficiency of the motor including the motor driver. Further, since the loss is small, the temperature rise is small and the deterioration is essentially difficult. Therefore, the durability is improved and the life of the motor drive circuit 1 can be improved. Further, when the capacitance is small, the size can be reduced.

次に、このＤＣブラシレスモータ２を回転させる際の通電方法について説明する。このＤＣブラシレスモータ２の１つの電磁石６に一定の電流を流し、二段一対の永久磁石３だけを用いた場合、図４に示すようなθ−Ｔｅ特性が得られる。尚、θは回転体４の回転角度、Ｔｅは電磁トルクであり、＋θ方向は、回転体４の反時計回りの方向、−θは、回転体４の時計回りの方向を示している。ここで、この電磁トルクＴｅは０°以上３６０°以下で積分すると、その値は０となる。すなわち、電磁トルクＴｅの合計は零である。図４に示すように、大値狭角度トルクＴａで電磁トルクＴｅが発生しているが、これは電磁石６の二つの磁極に対して接近している永久磁石３の各磁極が反発力及び吸引力として作用し、合計すると時計回り方向である−θ方向へのトルクを発生させるからである。θ＝０°では永久磁石３と電磁石６とが作用して＋θ方向へのトルクが発生する。また、安定平衡点（安定平衡状態の動作点）Ｘ１はθ＝−２５°と４０°で生じ、不安定平衡点（不安定平衡状態の動作点）Ｘ２はθ＝−１°と−６０°で生じる。尚、安定平衡点Ｘ１及び不安定平衡点Ｘ２の発生する回転角度は、永久磁石３と電磁石６との位置関係、例えば磁気ギャップ長により変化するものである。また、四対の永久磁石３を用いた場合、永久磁石３から＋９０°及び−９０°離れたところにも永久磁石３が存在するので、それらを考慮すると、図中の小値広角度トルクＴｂと小値広角度トルクＴｃは重なって正の大きな値となり、大値狭角度トルクＴａは変化しない。 Next, an energization method when rotating the DC brushless motor 2 will be described. When a constant current is passed through one electromagnet 6 of the DC brushless motor 2 and only the two-stage pair of permanent magnets 3 is used, a θ-Te characteristic as shown in FIG. 4 is obtained. Note that θ is the rotation angle of the rotating body 4, Te is the electromagnetic torque, the + θ direction indicates the counterclockwise direction of the rotating body 4, and −θ indicates the clockwise direction of the rotating body 4. Here, when the electromagnetic torque Te is integrated between 0 ° and 360 °, the value becomes 0. That is, the sum of the electromagnetic torque Te is zero. As shown in FIG. 4, the electromagnetic torque Te is generated with the large-value narrow-angle torque Ta. This is because each magnetic pole of the permanent magnet 3 approaching the two magnetic poles of the electromagnet 6 is repelled and attracted. This is because it acts as a force and generates torque in the −θ direction, which is the clockwise direction when summed up. When θ = 0 °, the permanent magnet 3 and the electromagnet 6 act to generate torque in the + θ direction. Further, the stable equilibrium point (operation point in the stable equilibrium state) X1 occurs at θ = −25 ° and 40 °, and the unstable equilibrium point (operation point in the unstable equilibrium state) X2 becomes θ = −1 ° and −60 °. It occurs in. The rotation angle generated by the stable equilibrium point X1 and the unstable equilibrium point X2 changes depending on the positional relationship between the permanent magnet 3 and the electromagnet 6, for example, the magnetic gap length. In addition, when four pairs of permanent magnets 3 are used, the permanent magnets 3 are also present at a distance of + 90 ° and −90 ° from the permanent magnets 3. The small value wide angle torque Tc overlaps to become a large positive value, and the large value narrow angle torque Ta does not change.

ＤＣブラシレスモータ２では、大値狭角度トルクＴａを利用せずに小値広角度トルクＴｂ及び小値広角度トルクＴｃを利用している。これにより、パルス幅の広い電流を電磁石６のコイル６１に流すことになるので、高速回転においても電流の制御が容易になる。従って、図４に示すように、−６０°≦θ≦−２５°、及び−１°≦θ≦４０°においてコイル６１に電流を流すように制御される。このように、小値広角度トルクＴｂと小値広角度トルクＴｃとの双方を利用すれば、パルス電流を生成すべきθの幅が広くなり、また、電磁トルクも大きくなる。このような電流の制御は、センサ検出盤９の所定領域、すなわち、−２５°≦θ≦−１°の２４°の幅の領域内に位置検出センサ１０が検出可能なようにテープ等を貼り付けることにより実現できる。 The DC brushless motor 2 uses the small value wide angle torque Tb and the small value wide angle torque Tc without using the large value narrow angle torque Ta. As a result, a current having a wide pulse width is caused to flow through the coil 61 of the electromagnet 6, so that the current can be easily controlled even at high speed rotation. Therefore, as shown in FIG. 4, the current is controlled to flow through the coil 61 at −60 ° ≦ θ ≦ −25 ° and −1 ° ≦ θ ≦ 40 °. Thus, if both the small value wide angle torque Tb and the small value wide angle torque Tc are used, the width of θ for generating the pulse current is widened, and the electromagnetic torque is also increased. Such a current control is performed by attaching a tape or the like so that the position detection sensor 10 can detect within a predetermined region of the sensor detection panel 9, that is, a region of 24 ° width of −25 ° ≦ θ ≦ −1 °. It can be realized by attaching.

このように、ＤＣブラシレスモータ２によれば、磁力により生じる回転トルク（電磁トルク）Ｔｅと回転角度θとの関係において、大値狭角度トルクＴａを発生させる回転角度θの回転角度領域でコイル６１への電流（直流電流）を遮断し、大値狭角度トルクＴａ以外の小値広角度トルクＴｂ及び小値広角度トルクＴｃを発生させる回転角度θの回転角度領域でコイル６１へ一方向通電することにより、回転体４に磁力による回転力を与えることとしたので、コイル６１に流す電流のパルス幅が広くなり、高速回転においても電流の制御が容易となり、高速回転化を可能にする。 As described above, according to the DC brushless motor 2, the coil 61 in the rotation angle region of the rotation angle θ that generates the large value narrow angle torque Ta in the relationship between the rotation torque (electromagnetic torque) Te generated by the magnetic force and the rotation angle θ. The coil 61 is energized in one direction in the rotation angle region of the rotation angle θ that generates the small value wide angle torque Tb and the small value wide angle torque Tc other than the large value narrow angle torque Ta. As a result, the rotational force by the magnetic force is applied to the rotating body 4, so that the pulse width of the current flowing through the coil 61 is widened, the current can be easily controlled even at high speed rotation, and high speed rotation is possible.

しかしながら、このＤＣブラシレスモータ２では、電流のオフ期間（負のトルクを生じるので、電流をコイルに流さない期間）に永久磁石３がコイル６１に接近しているので、図３に示すコンデンサ電圧Ｖｃよりも絶対値の大きな負の逆起電力Ｖｒが生じて、コンデンサ１３にブレーキの作用をする誘導電流（誘導ブレーキ電流）が流れようとする。尚、この誘導ブレーキ電流はダイオードＤ１，Ｄ２を通る。誘導ブレーキ電流は、銅損や鉄損を増加させるため、ＤＣブラシレスモータ２の効率を低下させるので、望ましくないものである。 However, in this DC brushless motor 2, since the permanent magnet 3 is close to the coil 61 during the current off period (a period during which no current flows through the coil because negative torque is generated), the capacitor voltage Vc shown in FIG. As a result, a negative counter electromotive force Vr having a larger absolute value is generated, and an induced current (inductive brake current) that acts as a brake flows through the capacitor 13. This induced brake current passes through the diodes D1 and D2. Inductive brake current is undesirable because it increases copper loss and iron loss and thus reduces the efficiency of the DC brushless motor 2.

しかしながら、コンデンサ電圧Ｖｃが、この逆起電力Ｖｒよりも大きければ、誘導ブレーキ電流は流れない。これまでのコイル６１の電磁エネルギーを回生するモータドライブ回路は、図３において静電容量の大きな電解コンデンサが用いられたものである。この場合、静電容量が大きいので、コンデンサ電圧と略同じになる。そのため、誘導ブレーキ電流の影響を受けて、速度上昇が妨げられ、効率が低下する。本発明では、コンデンサ１３として、従来用いられていない１０μＦ以上２００μＦ以下という小さな静電容量のコンデンサ１３を用いる。そして、場合によっては、ＳＷ１，ＳＷ２としてそれらのドレイン・ソース間の定格電圧がＶｃの最大値より大きなＦＥＴを採用する。これにより、コンデンサ電圧Ｖｃがこの逆起電力Ｖｒよりも小さければ誘導ブレーキ電流はコンデンサ１３に流れるが、コンデンサ電圧Ｖｃは上昇するので、誘導ブレーキ電流は減少し、Ｖｃが逆起電力よりも大きければ零になる。従って、モータドライブ回路１では、このコンデンサ電圧Ｖｃの上昇によって、銅損や鉄損を増加させる誘導ブレーキ電流を抑制することができる。 However, if the capacitor voltage Vc is larger than the back electromotive force Vr, no induced brake current flows. The motor drive circuit that regenerates the electromagnetic energy of the coil 61 so far uses an electrolytic capacitor having a large capacitance in FIG. In this case, since the capacitance is large, it is substantially the same as the capacitor voltage. Therefore, the speed increase is hindered by the influence of the induction brake current, and the efficiency is lowered. In the present invention, a capacitor 13 having a small capacitance of 10 μF or more and 200 μF or less, which is not conventionally used, is used as the capacitor 13. In some cases, FETs having a rated voltage between their drains and sources larger than the maximum value of Vc are employed as SW1 and SW2. As a result, if the capacitor voltage Vc is smaller than the back electromotive force Vr, the induced brake current flows to the capacitor 13, but the capacitor voltage Vc rises, so that the induced brake current decreases, and if Vc is larger than the back electromotive force. Become zero. Therefore, in the motor drive circuit 1, an induction brake current that increases copper loss and iron loss can be suppressed by increasing the capacitor voltage Vc.

図５は、静電容量が１１０μＦのコンデンサ１３を用いた場合と静電容量が４８１０μＦの電解コンデンサを用いた場合のコンデンサ電圧Ｖｃとモータドライブ回路端子Ｐ１に流れる電流（電機子巻線電流）ｉ_ｍをそれぞれ示す波形図である。尚、図５の縦軸は電流ｉ_ｍが１目盛２Ａで、コンデンサ電圧Ｖｃが１目盛１０Ｖとしている。また、モータドライブ回路１の電源電圧Ｖｓは２０Ｖとしている。図５に示すように、静電容量が４８１０μＦの電解コンデンサを用いたものでは、オフ期間（負のトルクが発生するため、電流をコイルに流さない期間）において、誘導ブレーキ電流ｉ_ｂが生じている。一方、静電容量が１１０μＦのコンデンサ１３を用いたモータドライブ回路１では、オフ期間の直後にコンデンサ電圧Ｖｃが上昇している。ここでは、約５．６Ｖ上昇している。また、このコンデンサ電圧Ｖｃの上昇によって、オフ期間において誘導ブレーキ電流ｉ_ｂが抑制されているのがわかる。また、このコンデンサ電圧Ｖｃの上昇により、オフ期間からオン期間（正のトルクが発生するため、電流を流す期間）に切り替えた時に、高いコンデンサ電圧Ｖｃがコイル６１に印加されるので、電流上昇速度が大きくなり、回転速度を増加させる場合の通電期間の減少による電流不足の対策にもなる。 FIG. 5 shows the capacitor voltage Vc and the current (armature winding current) i flowing through the motor drive circuit terminal P1 when the capacitor 13 having a capacitance of 110 μF and the electrolytic capacitor having a capacitance of 4810 μF are used. It is a wave form diagram which shows _m , respectively. The vertical axis of FIG. 5 is a current _{i m} is 1 graduation 2A, the capacitor voltage Vc is set to 1 scale 10V. The power supply voltage Vs of the motor drive circuit 1 is 20V. As shown in FIG. 5, in which the electrostatic capacity of a chemical capacitor of 4810μF is (the negative torque is generated, a period of no current in the coil) off period in the induction brake current i _b is generated Yes. On the other hand, in the motor drive circuit 1 using the capacitor 13 having a capacitance of 110 μF, the capacitor voltage Vc increases immediately after the off period. Here, it is increased by about 5.6V. Further, it can be seen that the induction brake current _ib is suppressed in the off period by the increase in the capacitor voltage Vc. Further, when the capacitor voltage Vc is increased, the high capacitor voltage Vc is applied to the coil 61 when switching from the off period to the on period (period in which current flows because positive torque is generated). Becomes a measure against current shortage due to decrease in energization period when the rotational speed is increased.

本実施形態では、上記のような構成及び通電方式を採用する一方向通電形のＤＣブラシレスモータ２にモータドライブ回路１を用いた場合を例に説明してきたが、本発明のモータドライブ回路１は、その他従来から周知の一方向通電形のＤＣブラシレスモータ及びＳＲモータにも適宜用いることは可能である。このようなモータドライブ回路１を一方向通電形のＤＣブラシレスモータに用いることにより、電源電圧よりも大きな逆起電力の発生によって生じる誘導ブレーキ電流がコンデンサへと流れ、コンデンサ電圧が上昇し、誘導ブレーキ電流を減少させて、零にすることができるので、銅損や鉄損を増加させる誘導ブレーキ電流を抑制することができる。 In this embodiment, the case where the motor drive circuit 1 is used in the one-way energization type DC brushless motor 2 adopting the above-described configuration and energization method has been described as an example. In addition, the present invention can also be used as appropriate for conventionally known unidirectionally energized DC brushless motors and SR motors. By using such a motor drive circuit 1 for a DC brushless motor of a one-way energization type, an induced brake current generated by the generation of a counter electromotive force larger than the power supply voltage flows to the capacitor, the capacitor voltage rises, and the induced brake Since the current can be reduced to zero, an induced brake current that increases copper loss and iron loss can be suppressed.

尚、本発明の実施の形態は上述の形態に限るものではなく、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することができることは云うまでもない。 Note that the embodiment of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it is needless to say that the embodiment can be appropriately changed without departing from the scope of the idea of the present invention.

１モータドライブ回路
２一方向通電形ＤＣブラシレスモータ
３永久磁石
４回転体（回転子）
５フレーム（固定子）
６電磁石
６１コイル
１２直流電源
１３コンデンサ
ＳＷ１、ＳＷ２スイッチング素子
Ｄ１第１のダイオード
Ｄ２第２のダイオード
Ｄ３逆流阻止用ダイオード
Ｐ１、Ｐ２端子 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Motor drive circuit 2 Unidirectional energization type DC brushless motor 3 Permanent magnet 4 Rotating body (rotor)
5 frames (stator)
6 Electromagnet 61 Coil 12 DC power supply 13 Capacitor SW1, SW2 Switching element D1 1st diode D2 2nd diode D3 Backflow prevention diode P1, P2 terminal

Claims

The rotor is rotated by controlling the supply of current to the coils of a plurality of electromagnets provided in the stator of the DC brushless motor of the unidirectional energization type and applying a magnetic force to the permanent magnets provided in the rotor. In the motor drive circuit
A DC power source for supplying current to the coils of the plurality of electromagnets, two switching elements connected in series to both terminals of the coil, and simultaneously opening and closing the connection between the coil and the DC power source; A first diode and a second diode connected in parallel to each of the switching elements so that a direct current in only one direction flows through the coil; and a capacitance of 10 μF to 200 μF, and the switching A motor drive circuit comprising: a capacitor connected in parallel to the element; and a backflow prevention diode connected to the positive terminal side of the DC power supply so that a regenerative current flows through the capacitor.

The motor drive circuit according to claim 1, wherein a film capacitor is used as the capacitor.