专利名称：无电刷旋转电机的起动方法
技术领域：
本发明涉及一种无电刷旋转电机的起动方法，特别是涉及适合在起动时产生大的转矩的无电刷旋转电机的起动方法。
例如，在日本特公平5-24760号公报记载的无电刷电动机中，鉴于通电在3相定子绕组中依次不同的2相间进行，检测在未通电的相感应出的电压，根据该检测的电压计算出转子的位置。在该无电刷电动机中，不能获得成为起动时计算出转子的位置的基准的感应电压，所以，先进行使转子稍回转的强制转流。强制转流指不论转子的位置如何，在定子的各相间的任意相间例如U相和V相间通电(以下称“1相通电”)。根据此时的感应电压检测出转子的位置，之后，将该检测位置作为基准转移到通常的通电。
在电动机未通电的自由的状态下停止时的转子与定子的相对位置关系由磁铁的吸引力和排斥力的关系规定。例如，在具有3相的固定绕组的外转子型的无电刷电动机的场合，作为转子和定子的相对位置的停止位置存在如图12所示的6种形式即停止位置p1-p6。图12示出上述电动机在自由状态下停止时的转子与定子的相对位置关系，同时，示出无电刷电动机的要部的构成。
在图12中，对于转子的回转方向，将图中的逆时针方向回转称为正转Rs，将顺时针方向回转称为逆转Rr。在无电刷电动机的内周侧配置定子100，在外周配置转子200。定子100具有U、V、W相的磁极300。在磁极300卷绕绕组。在转子200设置沿周向交替地具有N极和S极的极性的永久磁铁m1、m2、m3、…。
下面根据
从这些各停止位置p1-p6不进行初期励磁地从U相向W相强制转流的场合的转子的动作。从U相向W相通电时，U相的极性为N极，W相为S极。
在停止位置p1，U相的N极吸引磁铁m2的S极，磁铁m2的S极受到W相的S极的排斥，转子200按最大的转矩朝正转方向Rs回转。在停止位置p2，磁铁m2的S极受到U相的N极吸引，同时，磁铁m3的N极受到排斥，转子200按最大的转矩朝正转方向Rs回转。在停止位置p3，U相的N极和磁铁m2的S极间的吸引力与W相的S极和磁铁m1的N极间的吸引力相互平衡，所以，不对转子200产生回转力。
在停止位置p4，磁铁m2的N极受W相的S极吸引，同时，磁铁m1的S极受到排斥，转子200朝反转方向Rr回转。同样，在停止位置p5，磁铁m3的S极受到N极吸引，同时，磁铁m2的N极受到排斥，转子200朝反转方向Rr回转。在停止位置p6，U相的N极和磁铁m2的N极间的排斥力与W相的S极和磁铁m1的S极间的排斥力相互平衡，所以，不发生相对转子200的回转力。
这样，在停止位置p3、p6，不发生起动转矩，即使发生也较小，所以，有时不能使无电刷电机起动。特别是与无电刷电动机相连的负荷大、要求大的起动转矩的场合易于成为问题。例如，在内燃机(发动机)起动用的电动机中，由于发动机的摩擦大，所以，即使使用大的能力的电动机，也经常发生不能获得足够的起动转矩的场合。另外，在停止位置p4、p5，转子反转，所以，不能获得转子位置检测所需的感应电压，不能转移到通常的通电。这样，当从电动机停止于自由状态的状态进行强制转流时，可使电动机正转的场合为6次中的2次，即概率仅为1/3。
发明内容
本发明的目的在于提供一种即使在不使用转子的位置检测元件的场合也可获得大的起动转矩的无电刷旋转电机的起动方法。本发明的另一目的在于提供一种在进行强制转流的场合可按大的概率(准确率)确实地使其正转的无电刷旋转电机的起动方法。
为了达到上述目的，本发明提供一种无电刷旋转电机的起动方法，该无电刷旋转电机具有磁铁转子和按120°电角的相位差配置的第1、第2、第3定子绕组，根据随着上述转子的回转在上述各定子绕组感应的电压信号对上述各定子绕组依次通电进行强制转流；其第1特征在于起动时，作为初期励磁，从上述第2定子绕组向第1定子绕组通电，使上述转子回转而定位，另外，从上述第2定子绕组向第3定子绕组通电，使上述转子回转而定位，接着从上述第1定子绕组向第3定子绕组通电，开始强制转流动作。
按照该特征，可在最大起动转矩的位置起动无电刷旋转电机。
另外，本发明的第2特征在于将上述初期励磁的通电时间大体设定为直到由该初期励磁产生的转子的运动停止、位置稳定的时间；另外，第3特征在于该初期励磁的通电时间以从转子自然停止的6个各位置到进行初期励磁时运动的转子停止、使其位置稳定为止的时间中的最长时间为基准设定。
按照该第2、第3特征，可节省向无电刷旋转电机的通电电力，而且可缩短起动时间。
另外，本发明的第4特征在于通过将上述转子连接于发动机，作为发动机起动用电动机进行动作。
按照该第4特征，即使对于发动机的起动时的大的摩擦也可不失调地进行确实的起动。
图2为图1的V-V断面图。
图3为发动机发电装置的系统图。
图4为示出发动机发电装置的起动控制的流程图。
图5为示出初期励磁的控制的流程图。
图6为示出第1、第2初期励磁的动作的说明图。
图7为示出第1、第2初期励磁的动作的说明图。
图8为示出强制转流的第1实施形式的控制流程图。
图9为示出强制转流的第2实施形式的控制流程图。
图10为示出通常通电的控制的流程图。
图11为示出在对处于初期停止位置p1-p6进行单相励磁时转子的稳定时间的图。
图12为示出在自由状态下停止时的转子与定子的相对位置关系的图。
发动机发电装置1具有发动机2和发电机3。发电机3为磁铁式多极发电机。发动机2的曲轴4由设于曲轴箱5的侧壁5a的轴承6支承，一端被引出到发动机2的外部。在围住曲轴4的曲轴箱5的侧壁5a的周缘凸起部由螺栓8固定环状星形铁心7。铁心7由环状的轭铁部7a和从其以放射状凸出的27个凸极部7b构成。
在上述轭铁部7a依次交互地卷绕3相的线圈，构成定子8。铁心7通过这样多极化，可取出大的输出，同时，可缩短环状的轭铁部7a和凸极部7b的径向尺寸，实现轻量化。
在曲轴4的前端配合作为锻造品的轮毂9，在该轮毂9接合兼作转子轭铁的飞轮10。飞轮10由将高张力钢板压力成形为杯状而形成的圆盘部10a和圆筒部10b构成。圆盘部10a固定于轮毂9，圆筒部10b覆盖铁心7的凸极部7b外侧地安装。
在飞轮10的圆筒部10b的内周面沿周向固定18个具有大磁力的钕系磁铁11，构成外转子型磁铁转子12。这样的转子12通过在圆筒部10b的内周面敷设磁铁11而形成，可确保充足的质量，由此可获得作为飞轮的效果。
在飞轮10的圆盘部10a安装冷却扇13。冷却扇13在圆环状的基板13a的一方的侧面沿周向立设多个叶片13b，基板13a固定于飞轮10的圆盘部10a的外表面。覆盖冷却扇13的风扇罩14形成从飞轮10侧方到达发动机2的冷却风的导风路14a。
图3为发动机发电装置1的系统图。发电机3由(内燃)发动机2驱动，产生3相交流。发电机3的输出交流由变流器15进行全波整流变换成直流，该变流器15由将半导体整流元件组装到电桥获得的整流电路构成。从变流器15输出的直流由电容器平滑电路16平滑化后输入到逆变器17，由构成逆变器17的FET的电桥电路变换成规定的频率的交流。从逆变器17输出的交流输入到解调滤波器18，仅低频成分(例如商用频率)通过。通过解调滤波器18的交流通过继电器19和熔断器20连接到输出端子21。继电器19在发动机2起动时成为“开”，当发动机2起动到规定程度时，成为“闭”。
发动机发电装置1的发电机3可作为起动发动机2用的起动机使用。发电机3具有用于这一目的的起动机驱动器22。为了向起动机驱动器22供给发动机2起动用的电流，设置整流电路23和平滑电路24。整流电路23由高次谐波滤波器231和变流器232构成。高次谐波滤波器231连接到输出端子21。发电机3的输出侧例如连接到交流200V的单相电源25，供给来自该电源25的用于起动的交流。该交流输入到高次谐波滤波器231而将高次谐波除去，在由变流器232变换成直流后，进一步通过平滑电路24供给起动机驱动器22，作为其电源使用。
起动机驱动器22为了起动发动机2，向发电机3的3相绕组的各相按预定的顺序依次供给电流。设置有用于向各相的绕组供给电流的开关元件(FET)221、CPU222、不使用检测转子12的位置的传感器的无传感器驱动部223。该无传感器驱动部223随着转子的回转，根据在形成电角120°的相位差配置的第1、第2、第3定子绕组中感应起的电压信号，检测出转子的位置，决定向该定子绕组的通电。
图4为示出发动机发电装置1的起动控制的流程图。当发电机3从自由地停止回转的状态起动时，可能根据转子·定子的相互位置关系在强制转流时不能获得大的起动转矩。另外，可能不正转。因此，在步骤S1、S2，进行用于使转子12位移到可由强制转流获得最大的转矩而且正转的那样的转子·定子的相互关系位置的第1、第2的初期励磁。由这些初期励磁，可使转子12位移到能够获得最大转矩的规定位置。第1和第2初期励磁的相互通电的相不同，但处理相同(在后面说明)。如后面说明的那样，由2次初期励磁，即使在转子·定子处于上述自由的停止状态时即按任何相互位置关系(图12的停止位置p1-p6)停止时，也可使转子12转移到能够获得最大转矩的位置。初期励磁时间过短时，转子的移动不稳定，在应停止的位置摆动，所以，在初期励磁的通电时间，为直到转子位置稳定的时间例如1秒左右较好。
在步骤S3，进行强制转流。强制转流根据使上述第2初期励磁结束后的可获得上述最大转矩的转子·定子的位置关系进行单相通电。由强制转流从未通电的相检测感应电压，根据该感应电压检测出转子12的位置。当检测出感应电压从而检测出转子12的位置时，前进到步骤S4，进行通常的通电即通常电能。
图5为示出初期励磁(第1和第2初期励磁相同)的处理的流程图。在步骤S10，控制上述FET221，对预定的相通电，在第1初期励磁中，从V相向U相通电，在第2初期励磁中，从V相向W相通电。在步骤S11，使通电负荷的初期值增大预定的增量值(例如1％)。在步骤S12，发生反电动势后，判断转子12是否停止在转子·定子的起始位置(后述的p1-p6或p1′-p6′)。如停止，则反电动势为“0”，所以，根据反电动势是否为“0”，判断转子12是否停止在起始位置。在该判断步骤中，判断一旦发生反电动势后的反电动热是否为“0”，在一次也不发生反电动势的场合，判断为“否”。如步骤S12为肯定，则判断初期励磁结束，前进到下一处理。即，第1初期励磁后，转移到第2初期励磁，在第2初期励磁后，转移到强制转流。
当步骤S12为否定时，前进到步骤S13，判断FET221的通电负荷是否在预定的上限值(例如50％)以上。如不在上限值以上，则按现有负荷通电(步骤S14)，前进到步骤S11。当即使负荷达到上限值转子12也不停止于起始位置或一次也不发生反电动势时，步骤S13为肯定，判断处于锁定状态或过负荷状态，在步骤S15使负荷为“0”，失败结束(步骤S16)。
下面参照图6和图7具体说明上述第1初期励磁和第2初期励磁的动作。图6、图7的最左侧的停止位置p1-p6示出转子200相对停止时的定子100的初期停止位置，这与图12的停止位置p1-p6相同。为了进行第1初期励磁，当从V相向U相通电时，V相的极性为N极，U相的极性为S极。为此，处于初期停止位置p1的转子200的永久磁铁m2由V相N极吸引，永久磁铁m3由U相S极吸引，获得定子100和转子200的磁极的平衡，转子200不动，成为停止位置p1′。初期停止位置p2-p6的场合的定子100与转子200的相互位置关系也按同样的理由分别成为停止位置p2′-p6′。可以看出，仅停止位置p1′-p6′中的停止位置p4′与其它停止位置p1′-p3′、p5′、p6′不同。
然后，当为了第2初期励磁而从V相对W相通电时，V相的极性为N极、W相的极性为S极。这样，转子200的S极受W相S极排斥，N极受到吸引，在S极的永久磁铁m2来到V相N极的位置、N极的永久磁铁m1来到W相S极的位置的状态下，转子200停止。可以看出，该停止位置p1″通过对由上述第1初期励磁获得的全部的停止位置p1′-p6′进行第2初期励磁而获得。即，当对最初的停止位置p1-p6实施第1、第2初期励磁时，可收敛到1个停止位置p1″。该定子与转子的位置关系为由作为下一强制转流的从U相向W相的通电成为U相N极、W相S极时获得正转时最大的起动转矩的位置。
因此，当对处于上述停止位置p1″的状态的发电机实施强制转流时，由于从获得最大转矩的转子、定子的位置关系起动，所以，发电机平滑地朝正转侧开始回转。
下面，参照图11说明上述第1、第2初期励磁的励磁时间。图11示出当对处于上述停止位置p1-p6的定子和转子进行单相励磁时在转子的运动稳定之前所需时间。如初期励磁时间过短，则转子的动作不稳定，在应停止的位置摆动。由图可以看出，从开始初期励磁到转子的动作稳定的时间在停止位置p5时最大，即为0.7秒。因此，预计具有余量，转子的动作稳定之前的初期励磁的通电时间例如最好为1秒左右。
图8为示出强制转流的处理的流程图。在步骤S20，进行预定的相例如从U相向W相的通电。在步骤S21，使PWM的负荷慢慢地增加，例如每次增加1％。在步骤S22，判断使发动机起动所需的转矩例如需要特别大的转矩的超过压缩上止点时的电流是否为超过按通电容许值为基准设定的上限值的值(过电流)。
在该步骤S22的判断为肯定的场合即成为上限值的场合，为了保护驱动器的开关元件等，前进到步骤S24，使负荷例如减少1％。在步骤S25中，按该减少1％的负荷实施/继续强制转流。
另外，当该步骤S22的判断为否定时，前进到步骤S23，判断内燃机是否回转到预先设定的回转次数例如10转以上。如步骤S23为肯定，则判断强制转流产生的回转到达稳定区域，结束强制转流，转移到图10的通常通电。也可由转速即每经过规定时间的回转次数代替该回转次数判断回转是否稳定。
如上述那样，由于在成为预先设定的上限值之前，逐渐增加PWM的负荷，所以可消除无用的大电流通电，有效地对各绕组通电。另外，在为上限值的场合，为了减少负荷，可按不产生过电流的负荷继续进行对各绕组的通电。
图9为示出强制转流的变型例的流程图。根据发动机发电装置1的开关元件和驱动器等的能力，存在即使实际上为超过上限值的过电流状态也进行几次强制转流、需要按越过转矩越过压缩上止点的场合。该变型例为对这样的场合适合的处理，对与图8的处理相同或同等的处理采用相同的步骤编号，省略说明。
当在步骤S22判定为过电流时，前进到步骤S31，使计数值增加1。在步骤S32，判断该计数值是否比例如10大，在否定的场合，前进到步骤S25，按该过电流的负荷实施强制转流。由该过电流进行的强制转流在计数值达到10之前继续进行，即使这样，在过电流继续的场合(步骤S32的判断为否定)，为了消除该过电流将负荷减少1％。
图10为示出通常通电的处理的流程图。在步骤S41，使负荷增加1％，在步骤S42，判断是否为预定的上限值即是否为过电流，当该判断为否定时，前进到步骤S43，判断转速是否在设定转速(例如800rpm)以上。当步骤S43为肯定时，判定发动机已起动，结束起动机的动作。即，前进到步骤S44，使负荷为0％。另一方面，当上述步骤S42的判断为肯定时，前进到步骤S45，使负荷减少1％，在步骤S46按此时的负荷实施动作。
在上述实施形式中，进行第1、第2初期励磁后，进行强制转流，但本发明不限于此，也可在第1初期励磁后进行强制转流。当在第1初期励磁后进行强制转流时，在图7的停止位置p4的场合，由该强制转流产生反转。然而，可在其它停止位置p1-p3、p5和p6使其正转。即，当完全不进行初期励磁地使其进行强制转流时成为正转的场合与如上述那样成为6次中的2次的场合相比，在第1初期励磁之后进行强制转流时成为正转的概率为6次中的5次，改善效果大。
由以上的说明可知，按照本发明的第1-第5方面，在不使用位置检测元件的无电刷旋转电机中，可在起动转矩最大的的位置起动。另外，可使系统简化，同时可进行稳定的起动动作。
特别是按照本发明的第3、4方面，可节省通电电力，而且可缩短起动时间。
按照本发明的第5方面，可在起动转矩最大的位置起动，所以，对于发动机的起动时的大的摩擦也可不失调地进行确实的起动。
权利要求
1.一种无电刷旋转电机的起动方法，该无电刷旋转电机具有磁铁转子和按120°电角的相位差配置的第1、第2、第3定子绕组，根据随着上述转子的回转在上述各定子绕组感应的电压信号对上述各定子绕组依次通电进行强制转流；其特征在于起动时，作为初期励磁，从上述第2定子绕组向第1定子绕组通电，使上述转子回转而定位；接着从上述第1定子绕组向第3定子绕组通电，开始强制转流动作。
2.一种无电刷旋转电机的起动方法，该无电刷旋转电机具有磁铁转子和按120°电角的相位差配置的第1、第2、第3定子绕组，根据随着上述转子的回转在上述各定子绕组感应的电压信号对上述各定子绕组依次通电，进行强制转流；其特征在于起动时，作为初期励磁，从上述第2定子绕组向第1定子绕组通电，使上述转子回转而定位；接着，从上述第2定子绕组向第3定子绕组通电，使上述转子回转而定位；接着从上述第1定子绕组向第3定子绕组通电，开始强制转流动作。
3.根据根据权利要求1或2所述的无电刷旋转电机的起动方法，其特征在于将上述初期励磁的通电时间基本设定为直到由该初期励磁产生的转子运动停止、位置稳定的时间。
4.根据根据权利要求3所述的无电刷旋转电机的起动方法，其特征在于该初期励磁的通电时间以从转子自然停止的6个各位置到进行初期励磁时运动的转子停止而使其位置稳定为止的时间中的最长时间为基准设定。
5.根据根据权利要求1或2所述的无电刷旋转电机的起动方法，其特征在于通过将上述转子连接于发动机，作为发动机起动用电动机进行动作。
全文摘要
一种无电刷旋转电机的起动方法，其中在步骤S1、S2的初期励磁中，从发电机自由地停止回转的状态由强制转流使转子移动到可按最大转矩正转的规定的位置。在步骤S3，按强制转流即第2初期励磁后的可获得上述最大转矩的转子和定子的位置关系进行单相通电。强制转流时，从不通电的相检测出感应电压，根据该感应电压检测转子的位置。然后，前进到步骤S4，进行通常的通电。这样，不使用转子的位置检测元件也可获得大的起动转矩，在进行强制转流的场合，可按大的概率、可靠地使其正转。
文档编号H02P6/00GK1424817SQ0215590
公开日2003年6月18日 申请日期2002年12月5日 优先权日2001年12月11日
发明者中村满, 稻川敏规, 饭岛良洋, 脇谷勉 申请人:本田技研工业株式会社