专利名称：具备交流电压输出绕组的单向通电型无刷直流电机以及电机系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及具备交流电压输出绕组的单向通电型无刷直流电机以及电机系统，详 细地说，涉及一边使旋转体旋转而作为电机发挥作用一边通过该旋转体的旋转直接发电的 具备交流电压输出绕组的单向通电型无刷直流电机以及包含该无刷直流电机的电机系统。
背景技术：
以往，在通过使电机旋转而进行发电的情况下，将电机与发电机机械连结。但是， 电机与发电机的构造相同，在供给电力使旋转体旋转而得到驱动力的情况下称为电机，在 通过驱动力使旋转体旋转而在绕组中产生电动势的情况下称为发电机。因此，已试行使旋 转体旋转而作为电机发挥作用并且通过该旋转体的旋转进行发电，即，使用同一旋转体同 时发挥电机的功能与发电机的功能。作为这样的试行的结果的一例，发明了专利文献1所 记载的磁力旋转式电动发电机。专利文献1所记载的磁力旋转式电动发电机，设有永磁体的旋转体与电磁体，由 此发挥电机的功能与发电机的功能。更具体地说，在旋转体的永磁体与电磁体接近时变为 旋转模式，通过永磁体与电磁体之间的磁力的作用以及反作用使旋转体旋转，在永磁体超 过电磁体的附近直到接近相邻的电磁体的期间变为发电模式，永磁体使电磁体的绕组的周 围的磁场变化而产生由电磁感应引起的电动势。专利文献1 特开2005-245079号公报
发明内容
但是，在专利文献1所记载的磁力旋转式电动发电机中，将1个电磁体切换为旋转 模式和发电模式而分时地实现电机的功能和发电机的功能。因此，在该磁力旋转式电动发 电机中，存在不能连续得到电动势的问题。因此，本发明的目的在于提供能够发挥可以使用同一旋转体得到连续的电动势的 发电功能的具备交流电压输出绕组的单向通电型无刷直流电机以及包含该无刷直流电机 的电机系统。为了达成上述的目的，权利要求1所记载的具备交流电压输出绕组的单向通电型 无刷直流电机，其特征在于，具备框架；圆盘，其旋转自如地安装于所述框架；板状的多个 永磁体，其在所述圆盘上等间隔地配置于该圆盘的周边，在表面以及背面形成有磁极；预定 数量的第1磁性体芯，其与所述多个永磁体相对应地固定于所述框架；第1绕组，其被卷绕 于所述第1磁性体芯的各个，被供给直流电流；预定数量的第2磁性体芯，其固定于所述框 架；和第2绕组，其被卷绕于所述第2磁性体芯，连接于电力消耗装置；以通过圆盘的中心 和该永磁体的中心的直线与该永磁体的磁极面的中心的法线所成的角度为大于0°小于等 于60°的方式，对所述永磁体定位，由此，在向所述第1绕组连续供给了直流一定电流的情 况下，在所述永磁体的旋转角度和电磁转矩的特性曲线中，产生使所述圆盘反向旋转的旋转角度范围窄而值大的大值窄角度转矩、和使所述圆盘正向旋转的旋转角度范围宽而值小 的小值宽角度转矩，所述永磁体的旋转角度是以所述第一磁性体芯为基准对稳定平衡动作 状态下的所述永磁体测得的，所述稳定平衡动作状态是在不向所述第1绕组供电时由所述 第1磁性体芯与所述永磁体的吸引力产生的制动转矩变为0的状态，所述电磁转矩是由所 述第1绕组的电流和所述永磁体产生的，仅在产生所述大值窄角度转矩时或者产生所述小 值宽角度转矩时的某一时向所述第1绕组供电。权利要求2所记载的具备交流电压输出绕组的单向通电型无刷直流电机，在权利 要求1所记载的具备交流电压输出绕组的单向通电型无刷直流电机中，其特征在于，具备2 个互相同轴地固定的所述圆盘，配置于一方的所述圆盘的永磁体与配置于另一方的所述圆 盘的永磁体的极性相反，所述第1磁性体芯被固定为一方的端部与配置于一方的所述圆盘 的所述永磁体对应、另一方的端部与配置于另一方的所述圆盘的所述永磁体对应。权利要求3所记载的具备交流电压输出绕组的单向通电型无刷直流电机，在权利 要求1或2所记载的具备交流电压输出绕组的单向通电型无刷直流电机中，其特征在于，所 述第1磁性体芯存在偶数个，所述第1磁性体芯被固定于所述圆盘的某一位置和距该位置 180°的位置，并且在卷绕于该第1磁性体芯的相对的2个第1绕组中流动相同的电流；而 且所述第2磁性体芯存在偶数个，所述第2磁性体芯被固定于所述圆盘的某一位置和距该 位置180°的位置，并且在卷绕于该第2磁性体芯的相对的2个第2绕组中流动相同的电 流。权利要求4所记载的具备交流电压输出绕组的单向通电型无刷直流电机，在权利 要求1至3的任一项所记载的具备交流电压输出绕组的单向通电型无刷直流电机中，其特 征在于，所述框架以及所述圆盘由非金属的材料形成。权利要求5所记载的具备交流电压输出绕组的单向通电型无刷直流电机，在权利 要求1至4的任一项所记载的具备交流电压输出绕组的单向通电型无刷直流电机中，其特 征在于，以在不向所述第1绕组供给电力而所述圆盘在制动转矩为0的稳定平衡点停止时， 所述第1绕组与所述永磁体的位置关系为在开始了向所述第1绕组供给电力时按所述圆盘 的预定的旋转角度连续地产生所述圆盘的正向的转矩或者反向的转矩的位置关系的方式， 相对于所述永磁体对所述第2磁性体芯定位。为了达成上述的目的，权利要求6所记载的电机系统，其特征在于，具备权利要 求1至4中的任一项所记载的具备交流电压输出绕组的单向通电型无刷直流电机；和供电 机构，其在得到所述具备交流电压输出绕组的单向通电型无刷直流电机的正向的转矩的定 时，向所述第1绕组供给直流电源的电力，并且在所述具备交流电压输出绕组的单向通电 型无刷直流电机起动时，向所述第1绕组供给直流电源的电力，使得所述圆盘暂时反向旋 转，停止时位于产生反向的转矩的反旋转区域的所述永磁体移动到产生正向的转矩的正旋 转区域，不直接到达反旋转方向的反旋转区域，而使圆盘转向正旋转。权利要求7所记载的电机系统，在权利要求6所记载的电机系统中，其特征在于， 所述具备交流电压输出绕组的单向通电型无刷直流电机还具备位置检测圆盘，其与所述 圆盘同轴地旋转，与所述圆盘的旋转角度对应地配置有确定供电区域或者非供电区域的标 记；和传感器，其检测配置于所述位置检测圆盘的所述标记，所述供电机构包含根据由所述 传感器检测的所述标记的检测结果切换是否向所述第1绕组供电的开关。
根据权利要求1所记载的发明，以与设置在圆盘上的的永磁体对应的方式，具备 用于使圆盘旋转的包括第1磁性体芯和第1绕组的电磁体、和根据由设置于旋转的该圆盘 的永磁体引起的磁场的变化而产生电动势的包括第2磁性体芯和第2绕组的电磁体。因此， 使用作为同一旋转体的圆盘，能够同时发挥能够通过向第1绕组供给电力而得到预定的转 矩的电机的功能、和能够在第2绕组上连续得到电动势的发电功能。另外，产生电磁转矩的值大的大值窄角度转矩、和产生的旋转角度的幅度大的小 值宽角度转矩。因此，如果在大值窄角度转矩产生的定时向第1绕组供给电力，则以小电力 得到大转矩。并且，如果在小值宽角度转矩产生的定时向第1绕组供给电力，则因为能够延 长供电时间，所以即使包括第1磁性体芯和第1绕组的电磁体的自感应引起的在第1绕组 中流动的电流的增加以及减少所需要的时间增加，也能够增大在第1绕组中流动的电流。根据权利要求2所记载的发明，具备2个圆盘，配置于一方的圆盘的永磁体与配置 于另一方的圆盘的永磁体的极性相反，第1磁性体芯以一方的端部对应于配置于一方的圆 盘的永磁体、另一方的端部对应于配置于另一方的圆盘的永磁体的方式固定。因此，能够将 在第1磁性体芯的2个端部产生的电磁力都利用于圆盘的旋转，所以能够提高能量从电力 向动力的转换效率。根据权利要求3所记载的发明，第1磁性体芯和第2磁性体芯分别以在圆盘相隔 180°的2个位置上相对的方式固定，并且在相对的2个绕组中流动相同的电流，所以径向 的电磁力相抵消，因此能够减轻振动，进而能够降低噪音。根据权利要求4所记载的发明，框架以及圆盘由非金属的材料形成，所以能够降 低铁损。根据权利要求5所记载的发明，以在不向第1绕组供给电力而圆盘停止时，第1绕 组与永磁体的位置关系为在开始了向第1绕组供给电力时按圆盘的预定的旋转角度连续 地产生圆盘的正向的转矩或反向的转矩的位置关系的方式，相对于所述永磁体对第2磁性 体芯定位。因此，当在圆盘停止的稳定平衡状态下开始向第1绕组供电时，能够立即使圆盘 正向或反向旋转。根据权利要求6所记载的发明，具备权利要求1至5中的任一项所记载的具备交 流电压输出绕组的单向通电型无刷直流电机和供电机构，所以能够使具备交流电压输出绕 组的单向通电型无刷直流电机运转，作为电机发挥作用并且作为发电机发挥作用。进而，供电机构在具备交流电压输出绕组的单向通电型无刷直流电机起动时向第 1绕组供给直流电源的电力，使得圆盘暂时反向旋转，位于产生反向的转矩的反旋转区域 的永磁体移动到产生正向的转矩的正旋转区域，不直接到达反旋转方向的反旋转区域，而 使圆盘转向正旋转。因此，尽管在非供电时永磁体位于反旋转区域，也能够使圆盘正旋转， 即使具备交流电压输出绕组的单向通电型无刷直流电机正旋转。根据权利要求7所记载的发明，具备交流电压输出绕组的单向通电型无刷直流电 机还具备位置检测圆盘，其与圆盘同轴地旋转，配置有与圆盘上的永磁体的旋转角度相对 应地确定供电区域或非供电区域的标记；和检测配置于位置检测圆盘的标记的传感器，供 电机构包含根据由传感器检测的标记的检测结果切换是否向第1绕组供电的开关。因此， 能够通过简单的方法实现权利要求6所记载的电机系统。
具体实施例方式下面，参照附图对本发明的具备交流电压输出绕组的单向通电型无刷直流电机 1(下面，称为“无刷直流电机”。)进行说明。如图1至图3所示，本发明的无刷直流电机1 包括旋转体2和支撑该旋转体2的框架3。旋转体2构成为在成为旋转轴的轴4上经由隔 片40以预定的间隔固定有2个圆盘5、5’、1个圆盘51以及1个位置检测圆盘8。在各个 圆盘5、5’的一方的表面上，在圆盘5、5’的周边处等间隔地设有4个永磁体6、6’。另一方 面，在框架3上，与2个为一组的4组永磁体6的各个对应通过支持部件3a固定有4个电 磁体7，详细的情况后述，但电磁体7的一方的磁极与一方的圆盘5的永磁体6(2个一组的 永磁体6的一方)相对应，电磁体7的另一方的磁极与另一方的圆盘5’的永磁体6’ (2个 一组的的永磁体6的另一方)相对应。在4个电磁体7中，位于在旋转体2的径向上彼此相对的位置的1组电磁体7 (A) 作为使旋转体2旋转的电机而使用，剩下的1组电磁体7(B)被用于发电。虽然电磁体7(B) 不作为电磁体工作，但电磁体7(B)的结构与电机用的电磁体7(A)相同，所以称为“电磁 体，，。永磁体6是在表面以及背面上形成有磁极的板状物体，具体地说是钕系等稀土类 磁体。这样，通过使用在表面以及背面上形成有N极和S极的永磁体6，各磁极面变广，能够 提高作为电机的旋转体2的旋转转矩。如图2所示，永磁体6被埋入圆盘5数mm左右。永磁体6固定于圆盘5的固定方 法没有特别限定，可以适当使用金属零件等将其固定于圆盘5。另外，如图3所示，各永磁体6、6’以如下方式固定从圆盘5、5’的中心0观察，从 圆盘5、5 ’(旋转体2)的中心0穿过永磁体6、6 ’的中心6a的直线Ll、与永磁体6、6 ’的磁极 方向即永磁体6、6’的表面或背面的法线方向的直线L2相交的角度牝为0° <(^<60°。 永磁体6、6’的圆盘5、5’的外侧方向的磁极面的极性，变得与电磁体7 (A)的与永磁体6、6’ 相对一方的磁极的极性相同。在圆盘5和圆盘5’的各个上设置了 4个的永磁体6和永磁体6’的外侧方向(或 者内侧方向)的磁极面的极性相反。即，设置于一方的圆盘5的永磁体6的N极的磁极面 朝向圆盘5的外侧，设置于另一方的圆盘5’的永磁体6’的S极的磁极面朝向圆盘5的外 侧。这是因为电磁体7(A)的2个磁极的极性不同。1个电磁体7(A)的一方的磁极与一方 的圆盘5的永磁体6的外侧的磁极面相对，该电磁体7 (A)的另一方的磁极与另一方的圆盘 5’的永磁体6’的外侧的磁极面相对。因此，与1个电磁体7 (A)的一方的磁极相对的一方 的圆盘5的永磁体6的磁极面的极性、和与该电磁体7(A)的另一方的磁极相对的另一方的 圆盘5’的永磁体6’的磁极面的极性不同。2个圆盘5、5’以各自所具备的永磁体6、6’的 周方向的位置变得相同的方式由隔片40重叠而固定。因此，作为无刷直流电机1的整体， 具备4组2个一组的永磁体6、6’，合计8个永磁体6、6’。另一方面，电磁体7的数量作为 无刷直流电机1的整体为4个，电机用的电磁体7(A)为2个，发电机用的电磁体7(B)为2 个。如上所述，1个圆盘5、1个圆盘5’和1个圆盘51，在无刷直流电机1的轴向上以 圆盘5、圆盘5’、圆盘51的顺序由隔片40固定。而且，在中央的圆盘5’上以成为同轴的方 式固定有位置检测圆盘8。位置检测圆盘8是用于检测永磁体6、6’的旋转位置(旋转角度)的。位置检测圆盘8的直径比圆盘5、5’以及圆盘51稍大，由透明的合成树脂等形成。 位置检测圆盘8从圆盘5 (A)的周边突出的直径大的部分的预定的区域具备为了指定永磁 体6、6’的旋转位置而着色为黑色的标记。而且，在框架3上通过支持部件9a安装有位置 检测传感器9，通过由该位置检测传感器9检测位置检测圆盘8的该着色区域(标记)，从 而指定永磁体6、6’的旋转位置(旋转角度)。通过这样指定永磁体6、6’的旋转位置(旋 转角度)，从而确定向电磁体7 (A)通电的定时。框架3、支持部件3a、隔片40以及支持部件 9a由非金属的材料形成，例如，由合成树脂形成。在圆盘5、圆盘5’、圆盘51以及位置检测圆盘8的中心贯通有轴4，这些轴4、圆盘 5、圆盘5’、圆盘51、永磁体6、永磁体6’以及位置检测圆盘8被固定，作为旋转体2 —体地 旋转。另外，如图1所示，在旋转体2的周边部分，以横跨圆盘5、圆盘5’、圆盘51的周边部 分之间的整体的方式粘贴有薄膜10。通过该薄膜10将旋转体2的内部的空气密封。因此， 在旋转体2旋转的情况下内部的空气与旋转体2 —起旋转，所以永磁体6等不会受到由旋 转产生的空气阻力。因此，能够减少旋转体2的空气阻力而提高无刷直流电机1的旋转效 率。薄膜10优选为不受永磁体6、6’和电磁体7(A、B)的电磁力的作用以及反作用影响的 原料，并且较薄，例如能够使用合成树脂薄膜等。电磁体7 (A、B)如图2以及图3所示，为在大致U字状的磁性体芯70 (A、B)上卷 绕有绕组71(A、B)的集中卷的电磁体。在电机用的电磁体7(A)中，通过电流在绕组71 (A) 中流动而在磁性体芯70(A)的两端部分别形成不同极性的磁极。并且，在发电用的电磁体 7(B)中，包含磁性体芯70(B)的绕组71⑶的周围的磁场根据移动的永磁体6、6’变化，由 此通过电磁感应在绕组71 (B)的两端产生感应电动势。因此，绕组71 (B)为“交流电压输出 绕组”。电磁体7(A)的各绕组71 (A)适当串联、并联或者串并联连接而聚集，向其两端子供 给直流电源的电力。另外，电磁体7(B)的各绕组71(B)适当串联、并联或者串并联连接而 构成为单相绕组或者多相绕组，这些绕组连接于交流用电灯、交流电机等各种交流电力消 耗装置。也能够将交流电压整流为直流电压而连接于直流电力消耗装置。如图2以及图3所示，电机用的电磁体7㈧，以其各磁极与2层地设置于2个圆 盘5、5’的2个一组的永磁体6、6’相对应的方式，以预定的间隙长度而配置。而且，如上所 述，电机用的电磁体7 (A)的磁极的极性、和与电磁体7 (A)的各磁极相对的永磁体6的磁极 面的极性相同，在2个圆盘5和圆盘5’之间，设置于圆盘5的永磁体6的磁极面的极性与 设置于圆盘5’的永磁体6’的极性相反。这样在无刷直流电机1中，在旋转体2中设置固 定于圆盘5的永磁体6与固定于圆盘5’的永磁体6’而成为2层的结构，将电磁体7 (A)设 为U字状而使2个磁极的各个与该2层的永磁体6和永磁体6’的各个相对应。这样将永 磁体6和永磁体6’的双方的磁通都利用于使旋转体2旋转，由此能够提高能量从无刷直流 电机1的电力向动力的转换效率。另外，电磁体7(A)以从圆盘5的中心0方向观察时从圆盘5、5’ (旋转体2)的中 心0连结电磁体7(A)的中心的直线(未图示)与电磁体7㈧的磁通中心轴(未图示)相 交的角度小2为0° < Φ2<20°的方式固定于框架3。通过如此设置角度Φ2，与设为Φ2 =0的情况相比较，得到后述的θ -转矩特性变化这样的效果。在图1至图3中，示出Φ2 =0的状态。发电用的电磁体7(B)为与电机用的电磁体7(A)相同的结构，以U字形状的铁芯70⑶的两端与2层地设置于2个圆盘5、5’的永磁体6、6’相对应的方式，以预定的间隙长
度而配置。框架3支撑旋转体2使其能够以轴4为轴心旋转，并且固定电磁体7 (A、B)以及位 置检测传感器9，如图1所示，包括以预定的间隔相对而互相连结的2个框架板30。2个框 架板30比旋转体2的最大直径，即位置检测圆盘8的直径大。另外，虽然未图示，但在各框 架板30的支撑轴4的轴的地方设置有轴承。上述的位置检测传感器9，只要能够检测与圆盘5—起旋转的位置检测圆盘8的位 置(旋转角度)，则能够使用任意设备，例如，能够使用光斩波器才卜夕)。 位置检测传感器9与用于将来自直流电源(未图示)的电力供给到电磁体7(A)的绕组 71(A)的电路11连接，向电路11提供向电磁体7(A)的绕组71 (A)供电的定时。本实施方 式的位置检测传感器9仅在检测出位置检测圆盘8的透明区域(不是着色区域(标记)的 部分)的期间向电路11发送表示检测出透明区域的检测信号。电路11在与来自位置检 测传感器9的检测信号的接收相应的定时，向电磁体7 (A)的绕组71㈧供给直流电源的电 力。具体地说，电路11例如在作为位置检测传感器9的光斩波器接收到光信号的期间将开 关(未图示)设为接通而向电磁体7(A)的绕组71(A)进行供电，在没有接收到光信号的期 间将开关设为切断而停止供电。上述的着色区域(标记)被设置于位置检测圆盘8从圆盘5’的周边突出的环状 的直径大的部分。调整该着色区域的位置，在由位置检测传感器9检测到着色区域时，在已 向电磁体7(A)的绕组71(A)供电的情况下能够使得产生旋转体2 (圆盘5)的反旋转方向 (图3中的顺时针的方向)的转矩，位置检测传感器9检测到着色区域(标记)而停止向电 磁体7(A)的绕组71㈧供电，由此能够防止产生向旋转体2的向反旋转方向的转矩。虽然 没有对电路11进行详细说明，但优选不是由电阻消耗电磁体7(A)的绕组71(A)的能量而 是使能量再生至电源的类型，例如，可以设为使用了 2个通常在SRM(SWitched Reluctance Motor,开关磁阻电机)中使用的自消弧型元件的电路。如上所述(参照图3)，永磁体6、6’，从圆盘5、5’的中心0观察，从圆盘5、5’(旋 转体2)的中心0穿过永磁体6、6’的中心6a的直线Li、与永磁体6、6’的磁极方向即永磁 体6、6’的表面或背面上的法线方向的直线L2相交的角度(^为0° < (^<60°。在如 此设置了永磁体6、6’的斜度的情况下，如果将从电磁体7 (A)的中心到在旋转体2 (圆盘5、 5’ )的正旋转方向(图3中的逆时针的方向)上测定的永磁体6、6’的中心为止的机械角 设为θ，将在不向电磁体7 (A)的绕组71㈧供电时由磁性体芯70(A)和永磁体6、6’之间 的吸引力产生的正旋转方向的转矩即制动(〒^ $ >卜)转矩(齿槽(二 O )转矩) 设为T，则θ-T特性如图4所示。从图4可知，在θ = 0°即永磁体6的中心位于电磁体 7(A)的中心的正面的状态下，制动转矩变为0，为圆盘5停止的稳定平衡点。另一方面，如果将在向电磁体7 (A)的绕组71 (A)例如使用直流电源供给1. 90Α的 直流电流时电磁体7 (A)与永磁体6之间产生的圆盘5的正旋转方向的电磁转矩设为Τ，则 Θ-Τ特性如图5所示。在改变了向电磁体7(A)供给的电流的情况下，稳定平衡点以及不 稳定平衡点变化。所谓稳定平衡点和不稳定平衡点，分别意味着永磁体6、6’相对于电磁体 7 (A)的位置处于稳定平衡状态的一个位置(点)和处于不稳定平衡状态的一个位置(点)。 稳定平衡状态和不稳定平衡状态都是电磁体7 (A)与永磁体6的吸引力和反作用力均衡的状态。在稳定平衡状态下，不管圆盘5向哪一方向旋转都通过电磁体7 (A)与永磁体6的磁 力而施加与旋转方向相反方向的力，再次回到稳定平衡状态。另一方面，在不稳定平衡状态 下，如果圆盘5向某一方向旋转，则通过电磁体7(A)与永磁体6的磁力施加朝向该旋转方 向的力，不会再次回到不稳定平衡状态。如从图5可知，θ =-20°、θ = 70°为稳定平衡点，θ =-80°、θ = 10°为 不稳定平衡点。而且，电磁转矩T为负的角度宽度为30°，电磁转矩T为正的角度宽度为 60°。因为T的平均为零，所以如从图5也可知，在T为负的部分，角度宽度较窄，T的绝对 值较大。因此，将T为负的部分的T称作“大值窄角度转矩”。另一方面，在T为正的部分， 角度宽度较宽，T的绝对值较小。因此，将T为正的部分的电磁转矩T称作“小值宽角度转 矩”。在这里，考虑利用小值宽角度转矩的情况。图6是以直线状示出了在不向电磁体 7(A)供电时的稳定平衡状态(即制动转矩为零、圆盘5、5’停止的状态)下的永磁体6、电 磁体7(Α、B)、位置检测圆盘8的着色区域和透明区域、以及位置检测传感器9的位置关系 的说明图。在图6中，角度α是将电磁体7(A)的正面设为0°的记于框架3等定子上的角 度，将作为旋转体2(圆盘5、5’)的转子的正向旋转设为正的方向。另外，正旋转区域和反 旋转区域是相对于电磁体7 (A)固定的、即相关于角度α固定的区域。正旋转区域是在永 磁体6、6’根据圆盘5、5’的旋转移动而位于该区域时在圆盘5、5’上产生正旋转方向的电 磁转矩T的区域。S卩，图6的正旋转区域与图5中产生“小值宽角度转矩”的θ的角度范围 对应。另外，反旋转区域是在永磁体6、6’根据圆盘5、5’的旋转移动而位于该区域时在圆 盘5、5’上产生反旋转方向的电磁转矩T的区域。S卩，图6的反旋转区域与图5中产生“大 值窄角度转矩”的θ的角度范围对应。在图6中，图的左方向为圆盘5的正旋转的方向，若 永磁体6向左移动，则位置检测圆盘8的着色区域以及透明区域也向左移动。另外，正旋转 区域的角度宽度与透明区域的角度宽度同为60°，反旋转区域的角度宽度与着色区域的角 度宽度同为30°。另外，正旋转区域以及反旋转区域与透明区域以及着色区域连续，正旋转 区域以及透明区域以30°的间隔存在，反旋转区域以及着色区域以60°的间隔存在。以在 永磁体6、6’位于反旋转区域内的情况下位置检测传感器9处于着色区域内，在永磁体6、6’ 位于正旋转区域内的情况下位置检测传感器9处于透明区域内的方式，设定位置检测圆盘 8与位置检测传感器9。在图6的例子中，位置检测传感器9位于α =50°的地方。如从图6可知，在不向电磁体7 (A)供电的稳定平衡状态下，永磁体6位于反旋转 区域，所以位置检测传感器9感应的位置检测圆盘8的场所为着色区域。因此，从位置检测 传感器9向电路11发送检测信号，所以电路11不将来自电源的电力向电磁体7 (A)供给。 因此，为了从不向电磁体7 (A)供电的稳定平衡状态开始使圆盘5旋转而起动无刷直流电机 1，需要下某种工夫。作为用于使无刷直流电机1起动的工夫，大体上分，具有使非供电时的 稳定平衡点向正旋转区域移动的第1方法和在起动时暂时强制使永磁体6向正旋转区域移 动的第2方法。所谓使非供电时的稳定平衡点向正旋转区域移动的第1方法，如下以在不向电 磁体7(A)的绕组71(A)供给电力而圆盘5、5’在制动转矩0的稳定平衡状态下停止时的电 磁体7(A)与永磁体6的位置关系，变为在开始了向电磁体7(A)的绕组71㈧供给电力时 圆盘5、5’的正向的转矩以圆盘5、5’的预定的旋转角度连续地产生的关系的方式，相对于永磁体6、6’对电磁体7 (B)定位。即，通过使电磁体7(B)的位置从当前的位置即离自电磁 体7 (A) 90°的位置开始移动，从而使制动转矩(θ -T特性)变化，在稳定平衡状态下，使得 永磁体6、6’位于正旋转区域。如果永磁体6、6’位于正旋转区域，则位置检测传感器9的 感应位置变为透明区域，所以能够开始供电，起动圆盘5、5’即无刷直流电机1而使其正旋转。例如，通过使制动转矩(θ -T特性)变化，在稳定平衡状态下，如果使电磁体7 (A) 附近的永磁体6位于α = 11°的位置，则如从图6可知那样，永磁体6、6’被包含于正旋 转区域，位置检测传感器9的感应位置被包含于透明区域。在圆盘5的正旋转方向上持续 存在横跨70° -11° =59°的正旋转区域，同样，持续存在横跨59°的透明区域。因此，仅 在圆盘5、5’旋转59°的期间向电磁体7(A)供电，圆盘5、5’正旋转。在圆盘5、5’的旋转 角度达到60°而变为α =71°时永磁体6、6’被包含于反旋转区域。但是，因为位置检测 传感器9的感应位置也被包含于着色区域，所以停止向电磁体7 (A)供电。于是，由电磁体 7(A)产生的电磁转矩T变为零，制动转矩T出现。反旋转区域中的制动转矩T大致为正的 值，另外，在圆盘5、5’上存在惯性力矩，所以圆盘5、5’继续正旋转。当超过角度宽度30° 的反旋转区域时，永磁体6、6’再次进入角度宽度60°的正旋转区域，所以圆盘5、5’继续正 旋转。在不向电磁体7㈧供电的制动转矩T的稳定平衡状态下，为了使电磁体7㈧附近 的永磁体6、6’位于α = 11°处，只要使2个电磁体7 (B)分别在圆盘5、5’的正旋转方向 上移动22°即可。即，只要使电磁体7(B)从α =90°的位置移动到α = 112°的位置即 可。但是，α = 112°适当的是电磁体7(A)为2个并且电磁体7(B)为2个的情况。另一方面，所谓在起动时暂时强制使永磁体6向正旋转区域移动的第2方法，存在 不管由位置检测传感器9对着色区域的检测而暂时向电磁体7 (A)供电的方法(2-1)、和在 着色区域设置宽度窄的透明区域的方法(2-2)。在不管由位置检测传感器9对着色区域的检测而暂时向电磁体7(A)供电的方法 (2-1)中，通过在将直流电源的电力向电磁体7 (A)供给的所述电路11上追加例如在按压了 按键B(未图示)时以预定的期间将直流电源的电力向电磁体7(A)供给的电路Ila(未图 示)来实现。更具体地说，在无刷直流电机1起动时，通过按压按键B而向电磁体7(A)供 电，使在图6所示的稳定平衡状态下停止的圆盘5、5’(永磁体6、6’)暂时反向旋转，由此 位于反旋转区域的永磁体6、6’向正旋转区域移动，不直接到达反旋转方向的反旋转区域， 而在该正旋转区域内使圆盘5、5’转向正旋转。即，在按压按键B的情况下，圆盘5、5’反旋 转从而永磁体6、6’到达正旋转区域，在该永磁体6、6’处于正旋转区域内时仅在圆盘5、5’ 转向正旋转所需要的期间(旋转角度量)向电磁体7 (A)供电。在在着色区域设置宽度窄的透明区域的方法(2-2)中，在不向电磁体7(A)的绕组 71(A)供给电力、圆盘5在制动转矩T的稳定平衡状态下停止的状态下的位置检测传感器9 的感应位置的位置检测圆盘8上设置预定宽度的透明区域。S卩，如图7所示，在30°的角 度宽度的着色区域内设置预定的角度宽度的透明窗区域R。透明窗区域R从位置检测传感 器9的中央的感应位置向圆盘5’(位置检测圆盘8)的正旋转方向具有宽度。这样，透明 窗区域R位于位置检测传感器9的感应位置，所以在使电路11工作时，立即在一定的期间 (旋转角度量)向电磁体7(A)的绕组71(A)供电。通过这样向电磁体7(A)供电，使圆盘 5、5’(永磁体6、6’)反向旋转，位于反旋转区域的永磁体6、6’向正旋转区域移动，不直接到达反旋转方向的反旋转区域，而在该正旋转区域内使圆盘5、5’转向正旋转。因此，透明 窗区域R的角度宽度为如下的角度宽度圆盘5、5’反旋转从而永磁体6、6’到达正旋转区 域，在该永磁体6、6’位于该正旋转区域内时在圆盘5、5’转向正旋转所需要的期间向电磁 体7(A)供电。在通常的旋转时，由于位置检测传感器9的过渡特性较差，透明窗区域R没 有被检测，控制动作没有产生。接下来，考虑利用大值窄角度转矩的情况。此时，在示出利用小值宽角度转矩时位 置检测圆盘8和位置检测传感器的设定的图6中，将位置检测圆盘8的着色区域变更为透 明区域，将透明区域变更为着色区域即可。图8示出进行了这样的变更的样子。图8示出 不向电磁体7(A)供电时的稳定平衡状态(即电磁转矩为零、圆盘5、5’停止的状态)。如从 图8可知的那样，永磁体6、6’存在于反旋转区域，位置检测传感器9位于透明区域内，所以 来自位置检测传感器9的检测信号被发送到电路11，电路11向电磁体(A)供给来自电源 的电力。因此，无刷直流电机1在反旋转方向上旋转。这样，在利用大值窄角度转矩的情况 下，不特别需要用于起动无刷直流电机1的工夫。但是，在使电磁体(B)的配置偏离定位置 的情况下，只要注意在非供电时的稳定平衡状态下永磁体6、6’不向反旋转区域之外移动即 可。根据这样的本发明的无刷直流电机1，能够一边使旋转体2 (圆盘5、5’)旋转而作 为电机发挥作用，一边通过该旋转体2的旋转直接发电。另外，根据本发明的无刷直流电机 1，同时进行由电机用的电磁体7(A)进行的旋转体2的旋转、和由发电用的电磁体7(B)进 行的发电，所以能够同时发挥电机的功能、和能够得到连续的电动势的发电功能。本发明的实施方式可以在发明的技术思想的范围内进行适当变更并实施。例如， 在上述的实施方式中，作为用于发电的单元使用了包括磁性体芯70(B)和绕组71(B)的电 磁体7(B)，但用于发电的单元也可以仅是绕组71 (B)。但是，作为用于发电的单元使用包括 磁性体芯70⑶和绕组71⑶的电磁体7⑶，即、将磁性体芯70⑶穿过绕组71⑶这种方 式，能够高效地进行发电。另外，在上述的实施方式中，将电机用的电磁体7(A)和发电用的电磁体7(B)分别 设为了 2个，但电机用的电磁体7(A)的数量和发电用的电磁体7(B)的数量并不限定于2 个，也可以进行适当变更。但是，优选为相邻的电机用的电磁体7(A)彼此或者发电用的电 磁体7(B)彼此、或者电机用的电磁体7(A)与发电用的电磁体7(B)成为没有电磁结合的间
隔的数量。另外，在上述的实施方式中，设为相对于4组永磁体6具备2个电机用的电磁体 7(A)和2个发电用的电磁体7(B)的结构，但也可以相对于4组永磁体6设置4个电机用 的电磁体7 (A)，并且适当设置任意数量的发电用的电磁体7⑶。另外，例如，也可以将电磁 体7(B)设为1个，将电磁体7㈧设为3个。或者也可以将电磁体7㈧设为1个，将电磁 体7 (B)设为3个。另外，在上述的实施方式中，设为具备2个具备永磁体6的圆盘5的结构，但圆盘 5也可以是1个。但是，为了提高无刷直流电机1的作为电机的能量效率，优选具备2个圆
5 ο进而，在上述的实施方式中，设为在图5中电磁转矩T取为正的值的定时、即产生 小值宽角度转矩的定时，向电磁体7 (A)的绕组71(A)进行供电，但并不限定于此，也可以在电磁转矩T取为负的值的定时、即产生大值窄角度转矩的定时，向电磁体7(A)的绕组71(A) 进行供电。 本发明能够应用于例如使旋转体旋转而作为电机发挥作用并且通过该旋转体的 旋转直接发电的具备交流电压输出绕组的单向通电型无刷直流电机以及包含该无刷直流 电机的电机系统。
图1是表示本发明涉及的无刷直流电机1的外观的正视图。图2是表示无刷直流电机1的外观的侧视图。图3是表示无刷直流电机的图2的A-A’剖面线处的截面的样子的说明图。图4是表示在不向电磁体7 (A)供给电力时的θ -T特性的说明图。图5是表示在向电磁体7 (A)供给了直流一定电流时的Θ-Τ特性的说明图。图6是以直线状示出了在利用小值宽角度转矩的情况下不向电磁体7(A)供电时 的稳定平衡动作状态下的永磁体6、电磁体7 (Α、B)、位置检测圆盘8的着色区域和透明区 域、以及位置检测传感器9的位置关系的说明图。图7是对设置于着色区域的透明窗区域R进行说明的说明图。图8是以直线状示出了在利用大值窄角度转矩的情况下不向电磁体7(A)供电时 的稳定平衡动作状态下的永磁体6、电磁体7 (Α、B)、位置检测圆盘8的着色区域和透明区 域、以及位置检测传感器9的位置关系的说明图。符号说明1 具备交流电压输出绕组的单向通电型无刷直流电机2 旋转体3 框架6 永磁体8 位置检测圆盘9 位置检测传感器11:电路70(A):第1磁性体芯70(B):第2磁性体芯71(A)绕组(第1绕组)71(B)绕组(第2绕组)
权利要求
一种具备交流电压输出绕组的单向通电型无刷直流电机，其特征在于，具备框架；圆盘，其旋转自如地安装于所述框架；板状的多个永磁体，其在所述圆盘上等间隔地配置于该圆盘的周边，在表面以及背面形成有磁极；预定数量的第1磁性体芯，其与所述多个永磁体相对应地固定于所述框架；第1绕组，其被卷绕于所述第1磁性体芯的各个，被供给直流电流；预定数量的第2磁性体芯，其固定于所述框架；和第2绕组，其被卷绕于所述第2磁性体芯，连接于电力消耗装置，以通过圆盘的中心和该永磁体的中心的直线与该永磁体的磁极面的中心的法线所成的角度为大于0°小于等于60°的方式，对所述永磁体定位，由此，在向所述第1绕组连续供给了直流一定电流的情况下，在所述永磁体的旋转角度和电磁转矩的特性曲线中，产生使所述圆盘反向旋转的旋转角度范围窄而值大的大值窄角度转矩、和使所述圆盘正向旋转的旋转角度范围宽而值小的小值宽角度转矩，所述永磁体的旋转角度是以所述第一磁性体芯为基准对稳定平衡动作状态下的所述永磁体测得的，所述稳定平衡动作状态是在不向所述第1绕组供电时由所述第1磁性体芯与所述永磁体的吸引力产生的制动转矩变为0的状态，所述电磁转矩是由所述第1绕组的电流和所述永磁体产生的，仅在产生所述大值窄角度转矩时或者产生所述小值宽角度转矩时的某一时向所述第1绕组供电。
2.根据权利要求1所记载的具备交流电压输出绕组的单向通电型无刷直流电机，其特 征在于，具备2个互相同轴地固定的所述圆盘，配置于一方的所述圆盘的永磁体与配置于另一方的所述圆盘的永磁体的极性相反， 所述第1磁性体芯和所述第2磁性体芯被固定为一方的端部与配置于一方的所述圆盘 的所述永磁体对应、另一方的端部与配置于另一方的所述圆盘的所述永磁体对应。
3.根据权利要求1或2所记载的具备交流电压输出绕组的单向通电型无刷直流电机， 其特征在于，所述第1磁性体芯存在偶数个，所述第1磁性体芯被固定于所述圆盘的某一位置和距 该位置180°的位置，并且在卷绕于该第1磁性体芯的相对的2个第1绕组中流动相同的电 流；而且所述第2磁性体芯存在偶数个，所述第2磁性体芯被固定于所述圆盘的某一位置和 距该位置180°的位置，并且在卷绕于该第2磁性体芯的相对的2个第2绕组中流动相同的 电流。
4.根据权利要求1至3中的任一项所记载的具备交流电压输出绕组的单向通电型无刷 直流电机，其特征在于，所述框架以及所述圆盘由非金属的材料形成。
5.根据权利要求1至4中的任一项所记载的具备交流电压输出绕组的单向通电型无刷 直流电机，其特征在于，以在不向所述第1绕组供给电力而所述圆盘停止时，所述第1绕组与所述永磁体的位置关系为在开始了向所述第1绕组供给电力时按所述圆盘的预定的旋转角度连续地产生 所述圆盘的正向的转矩或者反向的转矩的位置关系的方式，相对于所述永磁体对所述第2 磁性体芯定位。
6.一种电机系统，其特征在于，具备权利要求1至4中的任一项所记载的具备交流电压输出绕组的单向通电型无刷直流电 机；和供电机构，其在得到所述具备交流电压输出绕组的单向通电型无刷直流电机的正向的 转矩的定时，向所述第1绕组供给直流电源的电力，并且在所述具备交流电压输出绕组的 单向通电型无刷直流电机起动时，向所述第1绕组供给直流电源的电力，使得所述圆盘暂 时反向旋转，停止时位于产生反向的转矩的反旋转区域的所述永磁体移动到产生正向的转 矩的正旋转区域，不直接到达反旋转方向的反旋转区域，而使圆盘转向正旋转。
7.根据权利要求6所记载的电机系统，其特征在于，所述具备交流电压输出绕组的单向通电型无刷直流电机还具备位置检测圆盘，其与 所述圆盘同轴地旋转，与所述圆盘的旋转角度对应地配置有确定供电区域或者非供电区域 的标记；和传感器，其检测配置于所述位置检测圆盘的所述标记，所述供电机构包含根据由所述传感器检测的所述标记的检测结果切换是否向所述第1 绕组供电的开关。
全文摘要
提供能够同时发挥能够连续得到一定的转矩的电机的功能和能够得到连续的电动势的发电功能的具备交流电压输出绕组的单向通电型无刷直流电机。具备圆盘5，其安装于框架3；板状的多个永磁体6，其在圆盘5上等间隔地配置于圆盘5的周边；磁性体芯70(A)，其与多个永磁体6对应地固定于框架3；绕组71(A)，其被卷绕于磁性体芯70(A)的各个，被供给直流电流；预定数量的磁性体芯70(B)，其固定于框架3；和绕组71(B)，其被卷绕于磁性体芯70(B)，连接于电力消耗装置；以通过圆盘5的中心和永磁体6的中心的直线与永磁体6的磁极面的中心的法线所成的角度为大于0°小于等于60°的方式，对永磁体6进行定位。
文档编号H02K47/02GK101889382SQ20078010184
公开日2010年11月17日 申请日期2007年11月9日 优先权日2007年11月9日
发明者上田义英, 小松康广 申请人:上田义英;小松康广;伊佐健;山冈猛志