基于恒流控制的电机驱动系统的制作方法

本发明涉及基于恒流控制的电机驱动系统，尤其涉及基于恒流控制的开关磁阻电机(以下，称作SR电机)的驱动系统。

背景技术：

以往，SR电机具有由磁性体构成的转子和围绕该转子设置的励磁用的定子，且不需要永久磁铁，因而受到关注。但是因不能解决振动、噪音问题而成为实用化的障碍。产生该振动、噪音的主要原因在于(1)电机独特的电磁现象、(2)残留磁能。SR电机的线圈的电抗较大，因此，在换向(commutation)时，即使切断励磁电流，线圈的残留磁能也要使电流继续流动，该残留磁能对转子作为制动器而起作用，其结果是，产生反抗转矩，这成为振动、噪音的原因。

现在，主要对电动汽车(EV)使用利用了钕永久磁铁的同步电动机，但有的也使用不使用钕的感应电动机。出于保护地球环境的观点，与感应电动机相比，小型、高效、铜或铝的使用量少且不使用钕的电机受到关注。

此外，为了降低CO₂，包括从发动机向电动马达的转换、EV以及电动自行车的普及在内，需要实现所有领域的电动马达驱动系统的效率提高，并且需要增大EV和电动自行车的续航距离。为了延长EV和电动自行车的续航距离，考虑：1.提高电池的性能，2.在控制电路上下工夫，3.制动时的能量回收。此外，为了在电机的驱动能量中利用太阳光能量，还期待电机驱动电源与太阳光发电的协作比较顺畅。

出于这样的背景，在以三相同步电动机或三相感应电动机为基础的电机驱动系统之外，存在专利文献1所示的SR电机驱动系统。该SR电机使用使旋转相位在旋转轴上错开地排列的多个转子或定子，此外，在用于再生的换向电路中使用换向用电容器(电容器(condenser))、多个二极管。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2011-125125号公报

技术实现要素：

发明所要解决的课题

但是，专利文献1所示的SR电机驱动系统的电路损耗较大，效率改善成为课题。

本发明目的在于解决上述课题，提供如下基于恒流控制的电机驱动系统：能够在驱动时、制动时均将励磁线圈的残留磁能叠加于下一相的励磁线圈，来进行回收再利用，得到来自电源的供给电流以上的较大的线圈电流输出，实现效率改善。

用于解决课题的技术方案

为了达成上述目的，本发明的基于恒流控制的电机驱动系统的特征在于，具有：

电机，其具有由磁性体构成的转子和沿周向与所述转子相对地设置的、卷绕有励磁用的各相的线圈的定子；以及

恒流控制电路，其根据各种检测信号、指令信号对换向电路进行恒流控制，所述换向电路使来自直流恒流电源的电流向所述电机的线圈供给、断开，

所述换向电路具有：开闭开关，其按规定的定时依次使直流恒定电流向所述各相的线圈供给、断开；以及回收二极管，其从所述各相的线圈的负极侧与所述开闭开关的连接点朝向所述直流恒流电源的正极端子侧连接，

所述恒流控制电路使所述换向电路以如下方式进行动作：在换向动作时，使励磁线圈的残留磁能经由所述回收二极管叠加于接下来被励磁的线圈，来进行回收再利用。

发明效果

根据本发明，如进行恒流控制那样，使开关进行开闭，在进行使向一个相的线圈的通电(励磁)断开而向下一相的线圈通电(励磁)的换向时，能够使一个相的励磁线圈的残留磁能叠加于向下一励磁线圈的通电，来回收残留磁能、进行再利用。由此，由磁阻(Reluctance)导致的损耗减少，得到来自电源的供给电流以上的线圈电流输出。此外，如果使电机的内部损失的量的电流流过线圈，则能够进行惯性运转，能够进行直至电机停止为止的电力再生。特别是，SR电机独特的振动通过使用恒流控制而下降。

附图说明

图1是表示本发明的一个实施方式的电机驱动系统的结构的框图。

图2A是表示该电机的结构的剖视图。

图2B是表示其他实施方式的电机的结构的剖视图。

图3A是对应于图2A的I-I线截面的图。

图3B是对应于图2A的II-II线截面的图。

图4A是对应于上述方式之外的方式的图3A的图。

图4B是对应于上述方式之外的方式的图3B的图。

图5是表示由卷绕于定子单元的励磁线圈产生的磁通的状态的图。

图6A是上述电机驱动系统的电路图。

图6B是基于上述电机驱动系统的变形例的电路图。

图7A是表示使上述电机驱动时的开关元件的动作的时序图。

图7B是表示使上述电机再生制动时的开关元件的动作的时序图。

图8A是其他实施方式的电机驱动系统的电路图。

图8B是基于上述电机驱动系统的变形例的电路图。

图9是上述电机的励磁线圈的换向电流波形图。

图10A是表示驱动时的转子单元相对于定子单元的相对位置的图。

图10B是表示转子单元旋转时的相对位置的图。

图10C是表示转子单元进一步旋转时的相对位置的图。

图11A是表示再生制动时的转子单元相对于定子单元的相对位置的图。

图11B是表示转子单元旋转时的相对位置的图。

图11C是表示转子单元旋转时的相对位置的图。

图12是表示定子单元和转子单元的尺寸和磁路的图。

图13是表示驱动时在转子单元的凸极与定子单元的磁极的间隙形成的磁通分布的图。

图14是表示如图13所示那样转子单元旋转时产生的磁通的变化、基于其产生的电动势和转矩的图。

图15是表示再生制动时在转子单元的凸极与定子单元的磁极的间隙形成的磁通分布的图。

图16是表示如图15所示那样转子单元旋转时产生的磁通的变化、基于其产生的电动势和转矩的图。

图17A是恒流电源驱动时的上述电机的等效电路图。

图17B是恒流电源再生制动时的上述电机的等效电路图。

图17C是恒流电源停止时(惯性运转)的上述电机的等效电路图。

图18A是表示A相励磁线圈被励磁时作用于定子单元的力的图。

图18B是表示B相励磁线圈被励磁时作用于定子单元的力的图。

图18C是表示C相励磁线圈被励磁时作用于定子单元的力的图。

图19是上述电机驱动系统的基本电路图。

图20是基于上述电机驱动系统的变形例的基本电路图。

图21是表示图19的情况和图20的情况下的线圈电流的图。

图22是表示图19的情况和图20的情况下的二极管电流的图。

图23A是表示在上述变形例中，从C相励磁切换到A相励磁时的电流路径的图。

图23B是表示从A相励磁切换到B相励磁时的电流路径的图。

图23C是表示从B相励磁切换到C相励磁时的电流路径的图。

图24是图20所示的电机驱动系统的具体电路图。

具体实施方式

(基于恒流控制的电机驱动系统)

参照附图，对本发明的一个实施方式的电机驱动系统进行说明。图1表示电机驱动系统1(以下，称作系统1)的整体结构。系统1具有：从直流恒流电源装置10(以下，称作恒流电源)供给电力的恒流换向电路20(以下，称作换向电路)、SR电机30(以下，称作电机)和换向控制电路61(也进行恒流控制，因此，以下称作恒流控制电路)。恒流电源10内置有控制系统，输出与从外部给出的指令对应的值的直流恒定电流。换向电路20使来自恒流电源10的直流恒定电流依次切换为直流方形波形并向电机30的励磁用的定子的多相励磁线圈供给、断开。在电机30中，通过在规定的定时切换并供给至励磁线圈的直流恒定电流，由磁性体构成的转子进行旋转。另外，电源10例如内置有锂电池，与恒流电源10并联地设置有电容器。

图2A表示一个实施方式的电机30。电机30具有定子31和转子33，在该方式中，电机30是定子31和转子33的各单元沿轴向双层(堆叠)的电机。定子31具有由层叠钢板形成的第一定子单元31a和第二定子单元31b，并围着转子33设置。转子33具有由层叠钢板形成的第一转子单元33a和第二转子单元33b，这些转子单元33a、33b通过由非磁性材料构成的转子紧固件307，按规定的间隔保持并固定于旋转轴306。

电机30具有圆筒状的外框301、固定在其两端的圆板状的轴承板302、303和固定在其中心部的轴承304、305。旋转轴306旋转自如地支撑于轴承304、305。定子单元31a、31b通过由非磁性材料构成的定子紧固件308，按规定的间隔保持并固定于外框301的内周壁。此外，电机30具有角度位置检测器309，角度位置检测器309与旋转轴306的从一侧的轴承板303突出的部分相对。该角度位置检测器309检测旋转的旋转轴306的旋转角度位置，输出与检测出的旋转角度位置对应的检测信号。定子31与转子33的外周相对地设置，但也可以是转子33与定子31的外周相对地设置的结构。双堆叠的结构与下述单堆叠的结构相比，转子旋转时的转矩脉动、振动降低，能够进行高效的驱动。

图2B表示其他实施方式的电机30。在该方式中，是定子31和转子33的各单元沿轴向单堆叠的电机。其他与上述的方式同等，因此省略说明。

图3A表示第一定子单元31a与第一转子单元33a的配置关系，图3B表示第二定子单元31b与第二转子单元33b的配置关系。图5表示定子31(作为代表，第一定子单元31a)的励磁线圈和励磁状态。第一转子单元33a和第二转子单元33b旋转相位相同，第二定子单元31b与第一定子单元31a旋转相位错开。定子单元31a、31b具有在圆周上等角度间隔地排列的6n个(n为2以上的整数，在本例中n＝2)的磁极311～322。这些磁极311～322具有分别卷绕其上的励磁线圈411～422。

转子单元33a、33b具有在圆周上等间隔地排列的2n个(n为2以上的整数，在本例中n＝2)的凸极331～334。定子31与转子33的配置关系为如下配置关系：在各定子单元31a、31b的磁极311～322的前端部与各转子单元33a、33b的凸极331～334的前端之间形成有规定的磁隙。另外，转子单元不限于2n，例如也可以是4n个。

关于上述定子单元的旋转相位错开，在旋转轴306例如处于基准角度位置时，如图3A所示，第一定子单元31a的磁极311处于与转子单元33a的凸极331相对的位置。如图3B所示，第二定子单元31b位于相对于图3A所示的第一定子单元31a错开规定角度、即错开将1磁极的间距角度(30度)以堆叠数(＝2)相除后的角度(＝15度，这是磁极间一半的角度)的位置。在设转子的旋转方向为图3A中用箭头所示的向右旋转时，错开的方向为前方。

图4A和图4B表示图3A和图3B的方式之外的方式的、第一定子单元31a、转子单元33a与第二定子单元31b、转子单元33b的配置关系。在该方式中，使第一定子单元31a与第二定子单元31b旋转相位相同，使第二转子单元33b与第一转子单元33a旋转相位错开。关于该旋转相位错开，与图3A、图3B的方式中的错开方向反方向地错开15度。也可以设为这样的配置关系。

如图5所示，励磁线圈411～422由沿定子的周向每3个磁极依次反复卷绕的、A相(第一相)、B相(第二相)和C相(第三相)的线圈构成。在各相，线圈串联连接。A相由线圈411、414、417、420构成，B相由线圈412、415、418、421构成，C相由线圈413、416、419、422构成。在第一定子单元31a和第二定子单元31b，各个卷绕的各相的串联的线圈彼此并联连接。

各相的串联的励磁线圈的缠绕方向被设定为：例如以A相而言，在使电流从串联的线圈的输入端子向输出端子流动时，在夹着电机轴心相对的磁极311和磁极317生成从外侧朝向内侧的磁通(以虚线表示)，相同地，在相对的磁极314和磁极320生成从内侧朝向外侧的磁通(以虚线表示)。磁极311、317与磁极314、320位于彼此正交的角度位置。对B相、C相也同样。这样，朝向内的磁通与朝向外的磁通成为多组(在本例中为2组)正交磁通，沿电机周向分散而发挥电磁铁作用。由此，抑制了电机的机械变形、振动和噪音。该作用的详细情况将在后面记述。

(换向电路的结构和动作)

对系统1中的换向电路20的结构和动作进行说明。图6A表示与电机30的励磁线圈连接的换向电路20的电路结构。图6B表示其变形例。

在图6A中，换向电路20与每一堆叠对应地具有并联连接的第一换向电路20a和第二换向电路20b。各换向电路20a、20b具有如下电路：通过恒流电源10依次使方形波直流恒定电流按一个一个规定的定时错开的同时向各相(A、B、C)的励磁线圈供给、断开的电路；以及在电流断开时，将励磁线圈的残留能量回收再利用于供给励磁线圈的电路。各换向电路20a、20b的动作相位不同，但具有同样的结构。换向电路20a、20b具有作为开闭开关由半导体构成的开关元件SA(SA1、SA2)、SB(SB1、SB2)、SC(SC1、SC2)和回收二极管51～56(以下，称作二极管)。这些开关元件通过恒流控制电路61进行开闭控制，使电流向各相的线圈供给、断开。

A相的开关元件SA1设置在恒流电源10的正极侧与线圈411的一端之间，开关元件SA2设置在线圈420的另一端与恒流电源10的负极侧之间。B相的开关元件SB1、SB2和C相的开关元件SC1、SC2也同样地设置。

二极管51～56按正向(换向时)设置在各相的串联连接的线圈的一端侧和另一端侧。二极管51、52、53设置在恒流电源10的负极侧和各相的线圈的一端之间，二极管54、55、56设置在各相的线圈的另一端与正极侧之间。它们将一个线圈的残留能量回收再利用于下一供给励磁线圈。各相的线圈与开关元件的串联路径彼此并联连接，此外，各相的线圈和二极管的串联路径彼此并联连接。此外，与线圈串联地设置有检测流过线圈的电流的电流传感器7。也可以在各相设置电流传感器。各相的线圈的一端侧朝向恒流电源10的正极侧，另一端侧朝向恒流电源10的负极侧。在本实施方式中，在换向电路20(20a、20b)中，在各相的线圈的一端侧(正极侧)设置有开关元件SA1、SB1、SC1，在另一端侧(负极侧)设置有开关元件SA2、SB2、SC2，但可以省略前者的开关元件SA1、SB1、SC1。即，只要至少具有后者的开关元件SA2、SB2、SC2即可。该情况在以下的变形例中也同样。

换向电路20a、20b由向恒流控制电路61输入的指令和与转子的角度位置信息对应的动作信号控制。流过电机30的线圈411～422的电流方向在驱动时、再生制动时均相同，在驱动时和再生制动时，流过电流的定时不同。二极管51～56无论是在驱动时还是在再生制动时，换向时产生的励磁线圈的残留磁能流过下一励磁线圈，来进行回收再利用。由此，换向时流过线圈的电流为从恒流电源10供给的电流以上。

恒流控制电路61根据基于从恒流电源10供给的电源而指定的恒定电流设定值，对换向电路20a、20b进行PWM控制，由此生成恒定电流。通过换向电路20a、20b的电路切换动作，不依赖于换向电路20a、20b中出现的负载电动势的正负、大小，恒定值的直流电流以恒定方向从输出端子T1输出，该直流恒定电流通过换向电路20a、20b、A相或B相或C相的励磁线圈，回到输出端子T2。

恒流控制电路61基于角度位置信息，输出用于使与换向电路20a、20b内的各相对应的开关元件SA、SB、SC导通、截止的动作信号，所述角度位置信息表示基于来自角度位置检测器309的检测信号的、旋转轴306(转子33)相对于定子单元31的相对角度位置。此外，恒流控制电路61在从控制系统替代驱动指令而输入再生制动指令时，将动作信号的输出定时从驱动时的输出定时切换到如下定时：该定时为位移了转子33旋转过与电角度120度对应的角度的时间的定时。该电角度根据励磁线圈的相数等适当设定。

此处，对基于恒流控制电路61的电机驱动时和再生制动时的动作进行说明。恒流控制电路61根据各种检测信号或电流设定指令(驱动(加速器)或再生制动(制动器)、惯性)来切换恒流电源10的内部电路或换向电路20，由此，使得在再生制动时能够对电容器5充电。在驱动时，由电容器5的正极，电流经过恒流电源10和换向电路20，流过线圈，返回到电容器5的负极。线圈被励磁，由此吸引转子而使其旋转。在再生制动时，转子利用外部的力旋转。开关元件SA～SC通过PWM控制进行恒流控制，由电容器5的正极经过恒流电源10，使发生了相位位移的电流向定子的线圈放电，对线圈励磁。该定子的磁通向后牵引因外力而旋转的转子。此时，转子切割磁通，在线圈中作为速度电动势而产生蓄积磁能。通过控制PWM控制的占空比，能够对电容器5充电，来进行电力再生。这种情况能够通过流过电机线圈的内部损失的量而进行直至电机停止为止(该情况以实验方式确认完毕)。电容器的放电、充电在短时间中反复进行。

这样，不需要以往所需的换向用电容器或与励磁线圈串联连接的二极管，能够获得换向动作，成本低廉且电路损耗小。

图6B表示电机30的变形例。各相的励磁线圈采用不串联而并联连接的方式。即，A相的线圈(411、414、417、420)彼此并联连接。B相的线圈(412、415、418、421)和C相的线圈(413、416、419、422)也同样。在该结构中，也得到与图6A的情况同样的作用。

接下来，参照图7A、图7B，对基于恒流控制电路61进行的换向电路20a、20b的各开关元件的开闭控制进行说明。恒流控制电路61以按转子的电角度120度宽度来依次向各相的线圈供给电流的方式控制开关元件SA、SB、SC，在驱动时和再生制动时，使方形波直流恒定电流波形的电角度位移120度，无论是在驱动时还是在再生制动时，均按A相、B相、C相的顺序进行开关元件的开闭动作。如图7A所示，在驱动时，换向电路20a、20b的开关元件SA、SB、SC的导通、截止动作在位移了120度的状态下依次进行。在换向电路20a、20b，由于使定子单元的旋转相位错开，因此只要以同相位通电即可。在再生制动时，如图7B所示那样进行开关元件的开闭动作。在再生制动时，相对于驱动时，使方形波直流恒定电流波形的电角度位移120度。

(单堆叠结构的情况下的换向电路结构)

图8A表示图2B所示的单堆叠结构的情况下的、与电机30的励磁线圈连接的换向电路20的电路结构。各相的线圈串联连接。本电机30即使是单堆叠结构也能够进行旋转动作，旋转轴向尺寸小型化，并得到了简单的结构。图8B表示各相的线圈并联连接的例子。

(关于换向电流)

参照图9，对基于1个换向电路20进行的换向动作进行说明。图9表示各相的线圈的电流从导通到截止的期间的电流波形。在该图中，t1、t2、t3为换向定时。通过换向电路20中的开关元件的开闭动作来切换电路，其结果是，方形波直流恒定电流依次流过各相的线圈。流过各相的线圈的电流的导通、截止动作的周期是以方形波基本频率f进行的。以换向等效频率f₀来进行换向过渡期间中的电流的上升、下降，其中，在换向过渡期间，在一个相的线圈的电流导通的同时，前一相的线圈的电流截止。

方形波基本频率f依存于电机30中的励磁线圈极数P和旋转速度N(每秒)，由

f＝P/2×N···(1)

表示。换向等效频率f₀是依存于换向电路20中的电流切换的速度的概念，在f＜f₀的范围内选择适当值。

(关于驱动时的动作)

接下来，参照图10A～图10C，对电机30进行驱动时的动作进行说明。在各图中，转子33的旋转以右转为基准。该图表示定子单元31a与转子单元33a之间的关系，但其他定子单元31b与转子单元33b之间的关系也相同。

图10A表示转子单元33a的凸极331的旋转方向前端P_L(以下，称作前端P_L)接近定子单元31a的磁极311的上游侧端点Q₁(以下，称作端点Q₁)的状态。图10B表示前端P_L接近磁极311的下游侧端点Q₂(以下，称作端点Q₂)的状态。图10C表示前端P_L接近磁极311的相邻的磁极312的上游侧端点Q₃(以下，称作端点Q₃)的状态。通过磁极311的励磁和磁极312的励磁的切换，转子单元33a按图10A～图10C所示的顺序旋转定子单元31a的1个极间距的量。

具体而言，如图10A所示，在凸极331的前端P_L与磁极311的端点Q₁相对的位置，针对励磁线圈的电流向A相侧换向而完成换向(图9中的时刻t1)。接下来，如图10B所示，在凸极331的前端P_L与磁极311的端点Q₂相对的位置，针对励磁线圈的电流开始朝向B相侧的换向(图9中的时刻t2)。此外，如图10C所示，在凸极331的前端P_L与下一磁极312的端点Q₃相对的位置，朝向B相侧的换向完成(图9中的时刻t3)。换向电路20的各开关元件以得到这样的换向动作的方式进行导通、截止。

在从图10A的状态向图10B的状态迁移的期间，转子单元31a的凸极331被已励磁的A相的磁极311吸引，朝正向产生转矩。在从图10B的状态向图10C的状态迁移的期间(换向期间)中，A相的励磁电流减少，B相的励磁电流增大。转子单元31a的各凸极的旋转方向的宽度被设定为大于定子单元33a的各磁极的宽度，励磁极的宽度整体维持与凸极相对的状态。为了直到电机停止为止取入再生能量，转子的周向宽度大于定子的周向的宽度(在实施方式中，为1.25倍)。因此，在上述换向期间中，不会产生由A相的线圈的残存电流产生的反抗转矩。此外，因B相的持续上升的电流而产生的吸引力由于附近转子单元33a的其他凸极没有相对，因此不会对转子单元33a的旋转产生不良影响。本实施方式的电机为12极定子、4极转子结构，励磁电角度为120度，与现有的恒压方式中的12极定子、8极转子、励磁电角度60度的电机相比，转矩较大。转矩较大，再生能量的回收也增大。

这样，在从图10A的状态向图10B的状态迁移的期间，设定的最高电流流过A相的励磁线圈，产生有效的转矩。该有效的转矩即使在切换到B相励磁的状态下也会产生。转子单元33a中的各凸极的前端P_L在从磁极的端点Q₁向Q₃移动的期间中，在从端点Q₁向Q₂移动的期间，产生转矩和负载电动势。磁极宽度缩短率K依据

(Q₁～Q₂间的角度)/(Q₁～Q₃间的角度)＝K···(3)

定义。

电机30整体的转矩和电动势为上述转矩和电动势乘以各转子单元中的凸极的总数4和堆叠数2(转子单元与定子单元的套数)而得到的值。

(再生制动时的制动转矩产生动作)

参照图11A～图11C，对再生制动时的制动转矩产生动作进行说明。图11A～图11C表示定子单元31a和与其对应的转子单元33a之间的关系。其他定子单元31b和与其对应的转子单元33b之间的关系也相同。

图11A表示转子单元33a的凸极331的旋转方向后端P_T(以下，称作后端P_T)接近定子单元31a的磁极311的上游侧端点Q₁(以下，称作端点Q₁)的状态。图11B表示后端P_T接近磁极311的下游侧端点Q₂(以下，称作端点Q₂)的状态。图11C表示后端P_T接近磁极311的相邻的磁极312的上游侧端点Q₃(以下，称作端点Q₃)的状态。与图10A～图10C所示的情况相比，图11A～图11C所示的转子单元33a的角度位置分别是延迟了凸极的宽度的量、即360度/12(几何角)、120度(电角度)的位置。

如图11A所示，在凸极331的后端P_T与磁极311的端点Q₁相对的位置，针对励磁线圈的电流向A相侧换向而完成换向(图9中的时刻t1)。接下来，如图11B所示，在凸极331的后端P_T与磁极311的端点Q₂相对的位置，针对励磁线圈的电流开始朝向B相侧的换向(图9中的时刻t2)。此外，如图11C所示，在凸极311的后端P_T与下一磁极312的端点Q₃相对的位置，完成朝向B相侧的换向(图9中的时刻t3)。换向电路20中的开关元件以得到这样的换向动作的方式进行导通、截止。

由此，在从图11A所示的状态向图11B所示的状态迁移的期间，转子单元31a的凸极331被已励磁的A相的磁极311的吸引力向与旋转方向相反的方向牵引，抵抗旋转的制动力作用于转子单元31a。在从图11B所示的状态向图11C所示的状态迁移的期间，进行从A相励磁向B相励磁的换向，与上述同样地，由于凸极的宽度大于磁极的宽度，因而不会产生妨碍所述制动的作用。

(励磁线圈的磁动势的说明)

参照图12，对各励磁线圈的安匝(磁动势)进行说明。定子单元31a(31b)具有A相的励磁线圈411等卷绕出的磁极311等、B相的励磁线圈412等卷绕出的磁极312等和C相的励磁线圈413等卷绕出的磁极313等。这些磁极依次排列。在同相的磁极之间形成有磁路。在图12中，磁路中的一个磁路由虚线箭头表示。各磁路包含两个励磁线圈和两个空隙g。关于铁心的磁通密度，如果是饱和区域以下，则与空隙的磁阻相比，铁心的磁阻可以无视，可以认为1个励磁线圈的安匝与1个空隙对应。根据电磁学的一般理论，安匝(IN)由

IN(AT)＝B·g/μ₀≒B·g×800,000···(4)

I：励磁线圈电流(A)

N：励磁线圈匝数

B：空隙磁通密度(T)

g：空隙长(m)

表示。

在通常的铁心(电磁钢板)中，磁不饱和的上限磁通密度被认为在1.6T左右，因此，在将重点放在电机的小型、轻量的情况下，只要以磁通密度1.6T为基准来设计励磁线圈即可。在小容量的电机中，磁通密度也可以设计为1.6T以下。

此外，参照图12，对磁极的宽度、凸极的宽度和磁轭宽度进行说明。转子单元33a的凸极的宽度L(圆弧长)以

L＝2πR/12(磁极数)(m)·····(5)

为基准来设定。R为转子单元33a的凸极的前端处的半径(m)。

定子单元31a的磁极的宽度L’(圆弧长)以

L’＝KL·····(6)

为基准来设定。其中，K为磁极宽度缩短率，以K＜1为基准来选择。即，定子31的各磁极的旋转方向宽度相对于转子31的各凸极的旋转方向宽度的比例被设定为小于1的规定的比例(在实施方式中为0.8)。磁极宽度缩短率K如后述那样，与转矩脉动率、再生率存在重要关系。

通过磁极的磁通的1/2分到左右磁轭，因此，磁轭的宽度W(定子单元的圆筒部分的厚度)设定为

W＝L’/2·····(7)

即可。

接下来，参照图13和图14，对驱动状态中的励磁线圈的电动势进行说明。图13表示空隙磁通相对于驱动状态下的转子单元的凸极331的旋转方向的角度位置的分布状况。图13的(i)表示转子单元的凸极311的旋转方向前端P_L接近定子单元的磁极311的上游侧端点Q₁的状态。该图的(ii)表示前端P_L接近磁极311的中央点Q₂的状态。该图的(iii)表示前端P_L接近磁极311的下游侧端点Q₃的状态。该图的(iv)表示前端P_L接近相邻的磁极312的上游侧端点Q₄的瞬间。空隙部所示的箭头为在空隙中产生的磁通。在假定没有漏磁通时，转子单元的凸极331与定子单元的磁极311相对的部分的空隙磁通密度为基于上述(4)式得到的值。凸极331的磁极不相对的部分的空隙长无限大，空隙磁通密度为0。

接下来，参照图14，对定子单元的励磁磁极的磁通和由磁通变化产生的电动势进行说明。图14的(a)描绘了图13中的磁通的变化。横轴表示旋转方向角度位置，(i)、(ii)、(iii)、(iv)的角度位置对应于图13的(i)、(ii)、(iii)、(iv)所示的状态。在转子31以相等的角速度旋转的情况下，图14的横轴可以视作与时间轴相同的概念。励磁磁极的磁通以时刻(i)为0起点，在时刻(ii)、时刻(iii)直线地增大，最大磁通Ф为

Ф＝BL’a〔韦伯〕·····(8)。

B为根据(4)式计算出的磁通密度〔T〕，a为磁极厚度(m)。在图14中的时刻(iii)与(iv)之间，磁通恒定。

在通过励磁磁极的磁通Ф随时间而变化时，根据法拉第定律，在该励磁线圈产生电动势e_a。图14的(b)表示电动势。e_a可由(9)式算出。

e_a＝N·dФ/dt＝N·Ф/T·····(9)

N为励磁线圈匝数，T为从图13中的(i)所示的状态迁移到(iii)所示的状态期间的时间〔秒〕。电动势的极性以妨碍磁通增大的方向、即励磁线圈的入口侧为正极性。

根据图14可知，转子单元33的凸极331被吸引向定子单元31的磁极311，产生右转的转矩。电动势e_a和励磁电流I在T期间恒定，即供给电力在T期间恒定，因此，产生的转矩在T期间恒定。图14的(c)表示转矩。设[供给电力]＝[机械转矩输出]，

e_a×I×T[J]＝2πNτT[J]·····(10)

的关系成立。N为转子的秒速旋转速度，τ为转矩[-N·m]。

由此，转矩τ为

τ＝e_a·I/2πN[-N·m]·····(11)，

将磁极宽度缩短率K考虑在内的平均电动势e_a’和平均转矩τ’可根据

e_a’＝ke_a·····(12)

τ’＝kτ·····(13)

算出。

(关于再生制动)

参照图15和图16，对再生制动进行说明。图15表示空隙磁通相对于再生制动状态中的转子单元的凸极的旋转方向的角度位置的分布状态。上述的图13表示转子单元33的凸极331的旋转方向前端P_L相对于定子磁极的各点Q₁、Q₂、Q₃、Q₄的位置关系，与此相对，图15表示凸极331的旋转方向后端P_T与定子磁极的各点Q₁、Q₂、Q₃、Q₄的位置关系。即，与图13相比，图15表示相对于旋转方向延迟了转子单元33的凸极331的宽度的圆弧长的量(电角度180度)的状态。图16的(a)表示A相的励磁磁极的磁通的变化，图16的(b)表示A相励磁线圈的电动势，图16的(c)表示在转子单元33的凸极331产生的制动力。电动势e_a的值为与上述(9)式相同的值，其极性为妨碍磁通的减少的方向，励磁线圈的电流入口侧为“负”。制动力的值与上述(11)式的驱动转矩相同。

在本实施方式的电机30中，如图2A所示，采用定子12极的双堆叠结构，并且如图5所示，沿电机周向形成多组正交磁通，因此，上述每1个凸极的电动势e_a’和平均转矩τ’为每1个转子单元分别为4倍，在双层时，进一步成为2倍，共计8倍。因此，电机整体的输出和转矩为

输出＝8·e_a·I·K····(14)

转矩＝8{e_a·I/2πN}·K(＝输出/2πN)····(15)。

参照图17A～图17C，对本实施方式的系统1中的速度电动势和电能的供给和再生进行说明。图17A～图17C表示基于恒流电源10进行的能量供给和再生的动作。能量供给和再生与伴随电机30的转子33的旋转而感应出的速度电动势对应地进行。图17A表示电机30进行驱动的状态，图17B表示电机30进行再生制动的状态，图17C表示电机30的驱动停止(惯性运转)状态。

在系统1中，根据法拉第定律或弗莱明定律计算出的电动势Ea与此时流过的电流(安培)之积(瓦特)可视作实质性的动力转换、可逆的动力转换。从恒流电源10经过输出端子T1输出的直流恒定电流I经过电机30的A相或B相或C相的励磁线圈回归到输出端子T2。

如图17A所示，在电机30进行驱动的状态下，在电机30中产生正电动势Ea，由Ea⁺×I的电力(瓦特)和经过A相或B相或C相的励磁线圈(电阻R)的电流I，从恒流电源10供给I²×R的电力(瓦特)。在该情况下，Ea⁺×I的电力(瓦特)为机械输出，I²R的电力(瓦特)为损耗的量。如图17B所示，在电机30再生制动时，在电机30中产生负电动势Ea，机械动力转换为Ea^-×I的电力(瓦特)和I²R的电力。I²R的电力(瓦特)为损耗的量。Ea^-×I的电力(瓦特)回收(再生)到恒流电源10。如图17C所示，电机30在驱动停止状态下处于惯性运转状态时，不产生电动势Ea，根据由电流传感器7检测出的线圈电流，从恒流电源10供给作为A相或B相或C相的励磁线圈中的损耗的量的I²R的电力(瓦特)、即线圈的内部损耗的量的电流。

这样，在本实施方式的系统1中，在驱动和再生制动时，速度电动势Ea(基于旋转速度的大小)切换正负，因此，通过恒流控制电路61的控制，仅使流过线圈的直流恒定电流方形波相位位移120度(电角度)，即可自动地进行电力的供给和再生。

(关于电机的振动和噪音)

参照图18A～图18C，对电机30的振动和噪音进行说明。电机30为了弥补大小、重量的弱点，多以饱和区域近的值来使用铁心的磁通密度。在设想磁通密度为1.6T时，每一相对磁极1cm²产生102N的吸引力。图18A～图18C描绘了作用于本实施方式的励磁磁极的吸引力。图18A表示A相磁极的状态，图18B表示B相磁极的状态、图18C表示C相励磁的状态。图18A～图18C所示的状态依次高速进行反复。此时，由于定子为圆形的外周铁心结构，因而认为，相对于来自4方的均等的力，具有相对较大的强度，难以产生由方位导致的振动、噪音。

在本实施方式中，各个单元(单元在几何上具有(360÷定子极数)的俯仰角，各堆叠错开几何学上{(360÷定子极数)÷2}度)按每一单元错开定时，向双堆叠结构的定子单元31a、31b的各相的励磁线圈供给直流恒定电流。由此，转子单元33a、33b的各凸极依次被对应的定子单元的被励磁的磁极吸引，转子进行旋转。其结果是，能够进行转矩脉动、振动较小的高效驱动。此外，在再生制动时，能够将与各定子的各磁极对应的转子的凸极的相对面积的变化相对应的电流充入恒流电源10，能够直到电机停止为止进行电力再生。这样，能够实现使用直流恒流电源的、能够直到电机停止为止进行电力再生的、取得协调的电机驱动系统。

另外，电机30中的各定子单元的磁极数能够选择6的倍数(除了1)的任意数量。此外，堆叠(重层)数能够选择1、2、3、4、…的任意数。此外，在增加磁极数时，能够降低转矩波动(ripple)，能够使用于产生相同的输出的磁极宽度变窄，从而反映到铁心磁轭，使得电机的小型、轻量化。

此外，在增加堆叠数时，有利于换向过电压、高速旋转，但换向电路的数量增加，不利于成本、半导体损耗。可以考虑这些来决定磁极的数量、堆叠数。

此外，系统1能够作为借助外力(来自风力等自然力或其他机器的驱动力等)来使电机30的旋转轴306(转子33)旋转而回收电力的发电机系统来利用。

(上述电机驱动系统的换向电路模拟)

图19表示上述那样的恒流控制的电机驱动系统的基本电路。该电路与上述的图8A相同，+端子(正极)、-端子(负极)相当于恒流电源10(图8A)的输出端子T1、T2。该系统在各相的励磁线圈LA、LB、LC的两侧即正极侧和负极侧具有换向电路20。将该结构称作高侧、低侧双切断式开关。换向电路20由开关元件SA(SA1、SA2)、SB(SB1、SB2)、SC(SC1、SC2)和二极管D1、D2、D3、D11、D12、D13构成。进而，在励磁线圈LA、LB、LC的正极侧具有开关元件SA1、SB1、SC1，在励磁线圈LA、LB、LC的负极侧具有开关元件SA2、SB2、SC2。在A相励磁时，电流如箭头I1那样流动，在向下一相换向时，由于残留磁能，如箭头I2那样流动。在此，在产生了残留磁能的情况下，在其比+端子的电源电压高的情况下，线圈内的能量被释放，若为其以下，则不释放能量，线圈的电流中断。因此，在接下来线圈流过电流时，由于开始流过由电感产生的电流的过渡现象，因而存在线圈的电流只是逐渐地增大的问题(该详细情况将后述)。

(基于变形例的电机驱动系统)

图20表示基于用于消除上述问题的变形例进行的恒流控制的电机驱动系统的基本电路。在该变形例中，仅在励磁线圈LA、LB、LC的一侧即负极侧的具有换向电路20。如上所述，即使仅在负极侧具有换向用的开关元件也可以。将该结构称作低侧切断式开关。换向电路20由开关元件SA2、SB2、SC2和回收二极管D1、D2、D3构成。回收二极管D1、D2、D3从线圈LA、LB、LC与开关元件SA2、SB2、SC2的连接点朝+端子侧连接，反馈二极管D4连接在-端子与励磁线圈LA、LB、LC的正极侧之间。电流传感器7与线圈串联地设置。以箭头表示从A相励磁换向时由残留磁能产生的电流。使用后述的图23A～图23C来说明该电路的每一换向动作。

图21表示双切断式的情况下(图19)和低侧切断式的情况下(图20)的电机驱动开始时的线圈电流。横轴为时间(mS)，纵轴为电流(A)。线圈电流进行恒流控制。波形D表示双切断式的情况，波形E表示低侧切断式的情况。在双切断式的情况下，与低侧切断式相比，抑制了电流上升，在各相励磁的每一换向中存在零电流的瞬间。与此相对，在低侧切断式的情况下，与双切断式相比，在各相励磁的每一换向中，电流上升而保持较大的电流电平。这样，通过低侧切断式，在电源电压的基础上，较大地得到返回线圈的残留磁能的作用，每当对线圈进行通电时，充电与回收的电流逐渐增大。即，换向时的线圈的残留磁能被回收再利用于下一相的励磁线圈，得到较大的驱动电流。通过这样的回收再利用，少量来自电源的供给电流即可。得到该作用被解释为，使得在双切断式的情况下，会产生在由线圈的电感产生的上升需要耗费时间而不会流过电流的现象，与此相对，在恒流控制的低侧切断式中，能够避免该情况。

图22表示流过双切断式的情况和低侧切断式的情况下的二极管D1、D2、D3的电流。横轴为时间(mS)，纵轴为电流(A)。波形F表示双切断式的情况，波形G表示低侧切断式的情况。两者为了对比而左右并排显示。在双切断式的情况下，与低侧切断式相比，抑制了二极管电流的上升。与此相对，在低侧切断式的情况下，与双切断式相比，在各相励磁的每一换向中，二极管电流上升，保持了较大的电流水平。

使用图23A～图23C，对低侧切断式的情况下的换向动作进行说明。图23A表示从C相励磁换向为A相励磁时的电流路径。在从C相切换到A相时，C相的残留磁能流过二极管D3(J)，流过线圈LA(K)。在A相励磁时，该电流与供给励磁电流一同经过线圈LA，流过-端子(负极侧)。

图23B表示从A相励磁换向为B相励磁时的电流路径。在从A相切换到B相时，A相的残留磁能流过二极管D1(M)，流过线圈LB(N)。在B相励磁时，该电流与供给励磁电流一同经过线圈LB，流过-端子(负极侧)。

图23C表示从B相励磁换向为C相励磁时的电流路径。在从B相切换到C相时，B相的残留磁能流过二极管D2(Q)，流过线圈LC(R)。在C相励磁时，该电流与供给励磁电流一同经过线圈LC，流过-端子(负极侧)。

图24表示低侧切断式的电机驱动系统的具体电路。该例是电流传感器7为1个的情况。该系统具有电机的各相的线圈LA、LB、LC、成为与各线圈的负极侧连接的换向电路20的开关元件SA、SB、SC、回收二极管D1、D2、D3、反馈二极管D4和恒流控制电路61。+端子、-端子与电池10B连接。电池10B可以是恒流电源，也可以是锂离子电池、电容器等。恒流控制电路61包括用于对开关元件SA、SB、SC进行换向控制的CPU，具有PWM电路和选择励磁相的选择器。向恒流控制电路61输入来自转子的角度位置检测器309的信号和加速器/制动器的指令信号。电流传感器7可以串联地插入到各线圈LA、LB、LC。另外，优选设置用于防止对电池10B过充电的电路，在电池过充电时，使充电方向的电流断开。

在上述结构中，电流传感器7检测线圈电流即残留磁能的大小，对开关元件SA、SB、SC进行PWM控制，对来自恒流电源的电流值进行恒流控制。角度位置检测器309检测转子的位置，输出驱动时和再生制动时的换向定时信号。这样，换向时的励磁线圈的残留磁能经过回收二极管D1、D2、D3，叠加流过下一励磁相的线圈，由此进行回收再利用。由此，在线圈中得到来自电源的供给电流以上的驱动电流，损耗减小，得到较大的输出。此外，由于有效地利用了残留磁能，因此电机的发热下降。因此，不需要对电机和电路进行水冷，能够实现空冷。此外，通过低侧切断式，能够避免由线圈的电感产生的电流不流动的现象。

产业上的可利用性

根据本发明的电机驱动系统，利用换向电路对来自恒流电源的电流进行恒流控制，在换向时将励磁线圈的残留磁能叠加于下一励磁线圈的通电，由此，能够回收再利用残留磁能，在线圈中得到来自电源的供给电流以上的驱动电流，得到较大的输出，此外，电机的发热下降。此外，能够降低转矩脉动、振动。

符号说明

1 电机驱动系统

5 电容器

7 电流传感器

10 直流恒流电源(恒流电源)

20、20a、20b 恒流换向电路(换向电路)

30 电机

306 旋转轴

309 角度位置检测器

31 定子

31a、31b 定子单元

311～322 磁极

33 转子

33a、33b 转子单元

331～334 凸极

411～422 励磁线圈

51～53 反馈二极管

54～56 回收二极管

61 换向电路(恒流控制电路)

A A相(第一相)

B B相(第二相)

C C相(第三相)

SA2、SB2、SC2 开关元件(开闭开关)

SA、SB、SC 开关元件(开闭开关)

D1～D3 回收二极管

D4 反馈二极管

LA、LB、LC 励磁线圈

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.(修改后)

一种基于恒流控制的电机驱动系统，其特征在于，具有：

电机，其具有由磁性体构成的转子和沿周向与所述转子相对地设置的、卷绕有励磁用的各相的线圈的定子；以及

恒流控制电路，其根据各种检测信号和/或指令信号对换向电路进行恒流控制，所述换向电路使来自直流恒流电源的电流向所述电机的线圈供给、断开，

所述换向电路具有：开闭开关，其按规定的定时依次使直流恒定电流向所述各相的线圈供给、断开；以及回收二极管，其从所述各相的线圈的负极侧与所述开闭开关的连接点朝向所述直流恒流电源的正极端子侧连接，

所述各相的线圈经由所述换向电路的开闭开关连接在所述恒流电源的正极侧端子与负极侧端子之间，仅在线圈的负极侧具有所述开闭开关，

所述恒流控制电路使所述换向电路以如下方式进行动作：在换向动作时，使励磁线圈的残留磁能经由所述回收二极管叠加于接下来被励磁的线圈，来进行回收再利用。

2.根据权利要求1所述的基于恒流控制的电机驱动系统，其特征在于，

所述电机为开关磁阻电机。

3.(删除)

4.根据权利要求1～3中的任一项所述的基于恒流控制的电机驱动系统，其特征在于，

还具有电流传感器，所述电流传感器与所述线圈串联地设置，并检测线圈电流，

所述恒流控制电路根据基于所述电流传感器的检测信号，对所述开闭开关进行PWM控制，对来自所述恒流电源的电流值进行恒流控制。

5.根据权利要求4所述的基于恒流控制的电机驱动系统，其特征在于，

所述电流传感器检测在电机驱动停止时流过所述线圈的电流，

所述恒流控制电路根据所述检测出的线圈电流，通过由所述恒流电源流过所述线圈的内部损耗的量的电流，由此进行惯性运转。

6.根据权利要求5所述的基于恒流控制的电机驱动系统，其特征在于，

所述恒流控制电路以按所述转子的电角度120度的宽度依次供给到所述各相的线圈的方式来控制所述开闭开关，在驱动时和再生制动时，使直流恒定电流方形波的电角度位移120度，并且，无论是在驱动时还是在再生制动时，按第一相、第二相、第三相的顺序进行所述开闭开关的开闭动作。