专利名称：电动机及其驱动方法
技术领域：
本发明涉及一种电动机及其驱动方法。
本申请要求2005年12月2日提出的日本专利申请No.2005-348981的优先权，其内容在此作参考引用。
背景技术：
通常，已知的电动机设有第一和第二转子，它们绕电动机的转动轴线同心地设置，在第一和第二转子的圆周方向上的相对位置，即，其相位差根据电动机的旋转速度，或者根据定子上产生地旋转磁场的速度进行控制(例如，见日本专利申请，第一次公开的No.2002-204541)。
在该电动机中，第一和第二转子之间的相位差，例如，根据电动机的旋转速度进行控制，第一和第二转子圆周方向上的相对位置通过离心力作用而在径向上偏移的分量来改变。如果第一和第二转子之间的相位差，例如，根据定子上产生的旋转磁场的速度进行控制，那么第一和第二转子圆周方向上的相对位置就通过向定子线圈提供控制电流来改变旋转磁场速度而改变，同时每个转子通过惯性来保持其旋转速度。
在根据上述常用技术例子的电动机中，例如，第一和第二转子之间的相位差，例如，根据电动机的旋转速度进行控制时，那么仅有可能在控制电动机运转时，即对应于该旋转速度的离心力发生作用时控制第一和第二转子之间的相位差，就会产生不能控制包括电动机停止转动时等合适时机的相位差。而且，在外部振动容易影响电动机的情况下，如在电动机安装为汽车上的驱动源时，那么还会进一步产生仅通过离心力的作用难于适当地控制第一和第二转子之间的相位差。而且，在此情况下，因为在不考虑电动机电源电压的波动时控制相位差，所以就可能产生故障，例如，电源电压和电动机反电动势之间大小关系成反向。
此外，例如，如果第一和第二转子之间的相位差根据定子中产生的旋转磁场的速度进行控制，那么由于旋转磁场速度是可以改变的，就会产生控制电动机的处理变得非常复杂的问题。
发明内容
本发明就是鉴于上述情形而提出的，其目的就是提供一种电动机及其驱动方法，其中它能够方便而适当地改变感应电压常数，而不会使电动机变得更加复杂，增大了可能操作情况下的旋转速度范围和转矩范围，并提高了工作效率。此外，也增大了可能高效运转的范围。
为了解决上述问题，实现所期望的目的，本发明的电动机包括基本上环行的内圆周侧转子和外圆周侧转子，所述内圆周侧转子和外圆周侧转子设置成具有相同的转动轴线，并设有沿圆周方向布置的永久磁铁；行星齿轮机构，所述行星齿轮机构设有与外圆周侧转子同轴并一体地形成的第一环行齿轮，与内圆周侧转子同轴并一体地形成的第二环行齿轮，与第一环行齿轮啮合的第一行星齿轮，与第二环行齿轮啮合的第二行星齿轮，与第一行星齿轮和所述第二行星齿轮啮合的中心齿轮，以及第一行星齿轮架，它可转动地支撑第一行星齿轮和第二行星齿轮中的一个，并能够绕所述转动轴线枢转；以及枢轴装置，该枢轴装置连接至第一行星齿轮架，并且通过将第一行星齿轮架绕转动轴线枢转预定的枢转量，而改变内圆周侧转子和外圆周侧转子之间的相对相位。
根据具有上述结构的电动机，首先，通过沿内圆周侧转子和外圆周侧转子的圆周方向布置永久磁铁，例如，从通过使用内圆周侧转子的永久磁铁的磁通量的外圆周侧转子的永久磁铁中，能够有效地增加或减小与定子线圈相连的磁通量的磁链磁通量。此外，在强场状态下，电动机的转矩常数(即，转矩/相位电流)能够设定为相对较高的值，能提高电动机输出的最大转矩，而不会减小电动机运转时的电流损耗，并且不会改变控制定子线圈供给电流的变换器的输出电流的最大值。
而且，作为第一行星齿轮和第二行星齿轮能够绕相应的行星转动轴线转动和啮合作为空转轮的中心齿轮的结果，那么在不考虑内圆周侧转子和外圆周侧转子是否同步运转或者电动机是否停止转动时，就能够容易地改变内圆周侧转子和外圆周侧转子之间地相对相位。
通过使用其中中心齿轮由第一行星齿轮系和第二行星齿轮系共享的结构，会减少中心齿轮的摩擦。结果是，不管电动机的旋转速度或转矩的大小，用于限制枢转(即，使之保持在预定枢转位置)或，另一种情况是用于驱动第一行星齿轮架绕转动轴线枢转所需的力仅要大于永久磁铁之间产生地吸引力或排斥力。因此，能够不需要大于电动机输出转矩的力地有效地控制相位，而这样的力在利用制动执行器的情况下是必须。
该电动机能够可进一步设有第二行星齿轮架，第二行星齿轮架可转动地支撑第一行星齿轮和第二行星齿轮中的另一个，并且第二行星齿轮架固定至定子。
根据具有上述结构的电动机，因为第二行星齿轮架固定于定子上，在支撑第一行星齿轮和第二行星齿轮中的一个的第一行星齿轮架绕转动轴线枢转时，第一行星齿轮和第二行星齿轮中的另一个就绕行星转动轴线转动。
结果是，内圆周侧转子和外圆周侧转子的其中之一绕转动轴线相对于另一个枢转，内圆周侧转子和外圆周侧转子之间的相对相位能够容易和适当地进行改变。
在上述的电动机中，第一行星齿轮和第二行星齿轮每个都由单个齿轮系形成，行星齿轮机构可以是单个小齿轮型的行星齿轮机构。
根据具有上述结构的电动机，能够容易和适当地改变内圆周侧转子和外圆周侧转子之间的相对相位，同时避免行星齿轮机构的结构变得更加复杂化。
在上述的电动机中，第一行星齿轮和第二行星齿轮每个都由两个彼此啮合的齿轮系形成，行星齿轮机构为成双的小齿轮型的行星齿轮机构。
根据具有上述结构的电动机，内圆周侧转子和外圆周侧转子与中心齿轮的旋转方向设定为相同的方向。因此，在电动机安装在汽车中作为驱动源时，例如，即使电动机的输出轴连接内圆周侧转子和外圆周侧转子外还连接中心齿轮，它也能够防止动力传输机构，如齿轮箱等变得更加复杂化。
在上述的电动机中，枢轴装置可以是利用液压或电力使第一行星齿轮架枢转或者限制第一行星齿轮架的枢转的执行器。
根据具有上述结构的电动机，枢轴装置是一种执行器，例如，该执行器设有液压泵或电动机等，并利用液压或电力使行星齿轮架绕转动轴线枢转预定的枢转量，或者，另一种方案是，使行星齿轮架绕转动轴线保持在预定的枢转位置以抵抗内圆周侧转子和外圆周侧转子的永久磁铁之间的吸引力或排斥力。
在上述结构的电动机中，预定的枢转量能够设定为机械角θ(°)＝(180/p)×g/(1+g)，该机械角取决于电动机的磁极对“p”和中心齿轮对第一环行齿轮和第二环行齿轮中之一的齿轮齿数比“g”。
根据具有上述结构的电动机，作为用于支撑第一行星齿轮和第二行星齿轮其中之一的第一行星齿轮架绕转动轴线枢转时预定枢转量设定为机械角θ(°)＝(180/p)×g/(1+g)的结果，电动机的状态能够在强场状态和弱场状态之间进行适当地调整，其中在强场状态中，内圆周侧转子的永久磁铁和外圆周侧转子的永久磁铁设置成相反的磁极彼此面对(即，内圆周侧转子的永久磁铁和外圆周侧转子的永久磁铁设置成相同的极性分布)，而在弱场状态中，内圆周侧转子的永久磁铁和所述外圆周侧转子的永久磁铁设置成相同的磁极彼此面对(即，内圆周侧转子的永久磁铁和外圆周侧转子的永久磁铁设置成相反地极性分布)。
作为枢轴装置枢转第一行星齿轮架的结果，电动机的状态能够设定为在弱场状态和强场状态之间的范围内变化的合适状态，其中，在弱场状态中，内圆周侧转子的永久磁铁和外圆周侧转子的永久磁铁设置成相同的磁极彼此面对，而在强场状态中，内圆周侧转子的永久磁铁和外圆周侧转子的永久磁铁设置成相反的磁极彼此面对。
根据具有上述结的电动机，能够连续地改变与定子线圈相连的磁场通量地大小，并能够连续地将电动机的感应电压常数改变为合适的值。结果是，电动机运转时的旋转速度和转矩值能够连续地进行改变，可能运转状态下的速度和转矩值的范围也增大了。而且，能够提高电动机工作效率的最大值，并增大了工作效率大于预定效率的高效率区域。
该电动机能够进一步设有终止装置，该终止装置终止通过枢轴装置限制第一行星齿轮架绕转动轴线的枢转，并且允许该行星齿轮架绕转动轴线枢转直至电动机的状态达到强场状态，在强场状态中，内圆周侧转子的永久磁铁和外圆周侧转子的永久磁铁设置成相反的磁极彼此面对。
根据具有上述结的电动机，限制第一行星齿轮架通过枢轴装置绕转动轴线枢转是通过终止装置进行终止的，以使第一行星齿轮架能够绕转动轴线自由地枢转。结果是，在内圆周侧转子和外圆周侧转子的圆周方向上的相对位置通过内圆周侧转子的永久磁铁和外圆周侧转子的永久磁铁的相同磁极之间的排斥力进行改变，或者，另一种选择方案是，通过内圆周侧转子的永久磁铁和外圆周侧转子的永久磁铁的相反磁极之间的吸引力进行改变。因此，电动机的状态改变为强场状态，在强场状态下，内圆周侧转子的永久磁铁和外圆周侧转子的永久磁铁设置成相互面对。
在上述电动机中，还有可能将行星产齿轮机构设置在位于内圆周侧转子的内圆周侧上的中空部内。
本发明的电动机的驱动方法是一种驱动上述电动机的方法，包括如下步骤检测内圆周侧转子和外圆周侧转子之间的相对电角相位；将电角相位转换成机械角相位；根据机械角相位计算预定的枢转量；和通过枢轴装置使第一行星齿轮架绕转动轴线枢转预定的枢转量。
根据上述电动机的驱动方法，不考虑内圆周侧转子和外圆周侧转子是否相互同步运转或者电动机是否停止转动时，就能够容易地设定电动机的状态在弱场状态和强场状态之间的范围中，其中在弱场状态中，内圆周侧转子的永久磁铁和外圆周侧转子的永久磁铁设置成相同的磁极彼此面对，而在强场状态中，内圆周侧转子的永久磁铁和外圆周侧转子的永久磁铁设置成相反的磁极彼此面对。
在上述电动机的驱动方法中，可进一步包括如下步骤当检测到电动机中的故障时，终止通过枢轴装置限制第一行星齿轮架绕转动轴线的枢转，从而允许第一行星齿轮架绕转动轴线枢转直至电动机的状态达到强场状态，在强场状态中，内圆周侧转子的永久磁铁和外圆周侧转子的永久磁铁设置成相反的磁极彼此面对。
根据上述电动机的驱动方法，如果终止枢轴装置的限制，那么第一行星齿轮架就能够自由地绕转动轴线枢转。即，在检测到电动机中的故障时，内圆周侧转子和外圆周侧转子的圆周方向上的相对位置通过内圆周侧转子的永久磁铁和外圆周侧转子的永久磁铁的相同磁极之间的排斥力进行改变，或者，另一种选择方案是，通过内圆周侧转子的永久磁铁和外圆周侧转子的永久磁铁的相反磁极之间的吸引力进行改变。因此，电动机的状态改变为强场状态，在强场状态下，内圆周侧转子的永久磁铁和外圆周侧转子的永久磁铁设置成相互面对。
结果是，例如，在电动机安装在车辆上作为驱动源时，它就能够保证所需的输出以能使车辆开始运动或持续运动。
在上述电动机的驱动方法中，可进一步包括如下步骤当检测到执行弱场控制的命令时，第一行星齿轮架就能够绕转动轴线枢转，从而使电动机的状态开始变化到弱场状态，在弱场状态中，内圆周侧转子的永久磁铁和外圆周侧转子的永久磁铁设置成相同的磁极彼此面对。
根据上述电动机的驱动方法，例如，如果根据电动机的旋转速度和电源电压等执行弱场控制的命令从外部控制单元等输出，那么第一行星齿轮架就能够绕转动轴线枢转，从而使电动机的状态变化到弱场状态，在弱场状态中，内圆周侧转子的永久磁铁和外圆周侧转子的永久磁铁设置成相同的磁极彼此面对。因此，它能够防止诸如控制定子线圈电源的变换器之类的高压设备处于过压状态。
图1是根据本发明实施例的电动机的内圆周侧转子和外圆周侧转子以及定子的主要部分地剖视图。
图2是根据本发明实施例的典型形式的电动机结构的视图。
图3是根据本发明实施例的行星齿轮机构的速度图。
图4A是内圆周侧转子的永久磁铁和外圆周侧转子的永久磁铁设置成相同极性分布的典型形式的强场状态的视图。
图4B是内圆周侧转子的永久磁铁和外圆周侧转子的永久磁铁设置成相反极性分布的典型形式的弱场状态的视图。
图5是图4中所示强场状态和弱场状态中的感应电压的曲线图。
图6A是根据感应电压常数Ke变化的电动机电流和转矩之间关系的曲线图。
图6B是根据感应电压常数Ke变化的电动机旋转速度和场衰减损耗之间关系的曲线图。
图7是根据感应电压常数Ke变化的电动机电流和转矩工作区域的视图。
图8A是根据感应电压常数Ke变化的电动机旋转速度和转矩之间关系的曲线图。
图8B是根据感应电压常数Ke变化的电动机旋转速度和输出之间关系的曲线图。
图9A是根据一个例子中感应电压常数Ke变化的电动机旋转速度和转矩的工作区域和效率分布的曲线图。
图9B是根据第二比较例子中感应电压常数Ke变化的电动机旋转速度和转矩的工作区域和效率分布的曲线图。
图10是根据本发明实施例的电动机的驱动方法的流程图。
图11是根据本发明实施例的变体例子的典型形式的电动机结构的视图。
图12是根据本发明实施例的变体例子的行星齿轮机构的速度视图。
参考标号的简述10 电动机11 内圆周侧转子11a 永久磁铁12 外圆周侧转子12a 永久磁铁15 执行器(枢轴装置，终止装置)31 第一环形齿轮(R1)32 第二环形齿轮(R2)33，51，52 第一行星齿轮系(第一行星齿轮)34，53，54 第二行星齿轮系(第二行星齿轮)36 第一行星齿轮架(C1)(行星齿轮架)37 第二行星齿轮架(C2)具体实施方式
现在参考附图描述本发明的电动机及其驱动方法的实施例。
如图1和2所示，例如，根据本实施例的电动机10是无刷DC电动机，该电动机设有基本上环形的内圆周侧转子(下文称之为内转子)11，该内转子11设有沿圆周方向对直的永久磁铁11a；基本上环形的外圆周侧转子(下文称之为外转子)12，该外转子12设有沿圆周方向对直的永久磁铁12a；定子13，它具有多个相位的定子线圈13a，它们产生使内转子11和外转子12转动的旋转磁场；行星齿轮机构14，连接内转子11和外转子12；和执行器15，它利用行星齿轮机构14设定内转子11和外转子12之间的相对相位。电动机10作为驱动源安装在车辆，如混合车辆或电动汽车上。电动机10的输出轴P连接传动结构(未图示)的输入轴，电动机10的驱动力通过传动传输给车辆的驱动轮(未图示)。
在车辆减速和驱动力从驱动轮侧传输给电动机10侧时，电动机10用作电力发生器以能产生公知的再生制动力，其中将车辆的动能作为电能(即，再生能量)进行吸收。而且，在混合车辆中，例如，通过将电动机10的输出轴P连接内燃机(未图示)的曲轴，电动机10还用作发动机以能产生内燃机的输出传输给电动机10时的电能。
如图1所示，例如，内转子11和外转子12的设置成使每个转子的转动轴线与电动机10的转动轴线O同轴。内转子11设有基本上是圆柱形的转子铁心21，和许多内圆周侧磁铁安装部(此下文称之为内磁铁安装部)23，内磁铁安装部23以预定的间隔沿圆周方向设置在内圆周侧转子铁心(下文称之为内转子铁心)21的外圆周部上。外转子12设有基本上是圆柱形的转子铁心22，和许多外圆周侧磁铁安装部(此下文称之为外磁铁安装部)24，内磁铁安装部24以预定的间隔沿圆周方向设置在外圆周侧转子铁心(下文称之为外转子铁心)22的内圆周部上。
与转动轴线O并行延伸的凹槽21a沿圆周方向形成在相邻内磁铁安装部23之间的内转子铁心21的外圆周表面21A上。
与转动轴线O并行延伸的凹槽22a沿圆周方向形成在相邻外磁铁安装部24之间的外转子铁心22的外圆周表面22A上。
内磁铁安装部23设有一对磁铁安装孔23a，例如，它们平行于转动轴线O穿透。这对磁铁安装孔23a的设置成能够在夹入中肋条23b的圆周方向上相互相邻。外磁铁安装部24设有一对磁铁安装孔24a，例如，它们平行于转动轴线O穿透。这对磁铁安装孔24a的设置成能够在夹入中肋条24b的圆周方向上相互相邻。
在平行于每个磁铁安装孔23a的转动轴线O的方向上的截面大致形成为矩形。在平行于转动轴线O延伸的大致为板型的永久磁铁11a安装在每个磁铁安装孔23a中。在平行于每个磁铁安装孔24a的转动轴线O的方向上的截面大致形成为矩形。在平行于转动轴线O延伸的大致为板型的永久磁铁12a安装在每个磁铁安装孔24a中。
安装在成对磁铁安装孔23a中的该对永久磁铁11a在其厚度方向上(即，在每个转子11和12的径向上)进行磁化，永久磁铁11a设定成使每个的磁化方向相同。在圆周上相邻的内磁铁安装部23中，安装在相应磁铁安装孔23a中的永久磁铁11a设定成使每个的磁化方向不同。即，安装了一对外圆周侧具有S极性的永久磁铁11a的内磁铁安装部23沿圆周方向通过凹槽21a与安装了一对外圆周侧具有N极性的永久磁铁11a的内磁铁安装部23相邻。
同样，安装在一对磁铁安装孔24a中的该对永久磁铁12a在其厚度方向上(即，在每个转子11和12的径向上)进行磁化，永久磁铁12a设定成要使每个的磁化方向相同。在圆周上相邻的内磁铁安装部24中，安装在相应磁铁安装孔24a中的永久磁铁12a设定成使每个的磁化方向不同。即，安装了一对其外圆周侧具有S极性的永久磁铁12a的外磁铁安装部24沿圆周方向通过凹槽22a与安装了一对其外圆周侧具有N极性的永久磁铁12a的外磁铁安装部24相邻。
内转子11的相应磁铁安装部23和外转子12的相应磁铁安装部24设置成能够在相应转子11和12的径向上相互面对地分布。而且，内转子11的相应凹槽21a和外转子12的相应凹槽22a设置成能够在相应转子11和12的径向上相互面对地分布。
结果是，根据环绕内转子11和外转子12的转动轴线O的相对位置，电动机10的状态能够设定在介于弱场状态和强场状态之间的范围变化的合适状态，其中，在弱场状态中，内转子11的永久磁铁11a和外转子12的永久磁铁12a设置成相同的磁极彼此面对(即，永久磁铁11a和永久磁铁12a设置成相反的极性分布)，而在强场状态中，内转子11的永久磁铁11a和外转子12的永久磁铁12a设置成相反的磁极彼此面对(即，永久磁铁11a和永久磁铁12a设置成相同的极性分布)。
定子13形成为大致圆柱形以能面对外转子12的外圆周部，并固定于，例如，车辆的变速箱壳(未图示)等上。
如图2所示，例如，行星齿轮机构14的构成要能包括第一环形齿轮(R1)31，其位于内转子11的内圆周侧上的中空部中并与外转子12同轴并一体形成；第二环形齿轮(R2)32，其与内转子11同轴并一体形成；第一行星齿轮系33，其为啮合第一环形齿轮(R1)31的单个齿轮系；第二行星齿轮系34，其为啮合第二环形齿轮(R2)32的单个齿轮系；中心齿轮(S)35，其为啮合第一行星齿轮系33和第二行星齿轮系34的空转齿轮；第一行星齿轮架(C1)36，其可支撑第一行星齿轮系33和第二行星齿轮系34中的一个，例如，支撑构成第一行星齿轮系33的许多第一行星齿轮33a以使它们能够绕相应第一行星转动轴线P1转动，并能够绕转动轴线O枢转；和第二行星齿轮架(C2)37，可支撑第一行星齿轮系33和第二行星齿轮系34中的另一个，例如，支撑构成第二行星齿轮系34的许多第二行星齿轮34a以使它们能够绕相应第二行星转动轴线P2转动，该第二行星齿轮架37固定于定子13上。
即，行星齿轮机构14是单个小齿轮型的行星齿轮机构，它设有每个都是单个齿轮系的第一行星齿轮系33和第二行星齿轮系34。
在行星齿轮机构14中，内转子11的外径小于外转子12的内径，内转子11位于外转子12的内圆周侧上的中空部中。第一环形齿轮(R1)31和第二环形齿轮(R2)32的各自外径小于内转子11的内径。第一环形齿轮(R1)31和第二环形齿轮(R2)32同轴设置成能够在平行于转动轴线O的方向上相互相邻，并位于内转子11的内圆周侧上的中空部中。
第一环形齿轮(R1)31位于在平行于转动轴线O方向上相对于第二环形齿轮(R2)32的安置位置偏移向一侧(即，图中左侧)的位置上，第一环形齿轮(R1)31连接通过轴承40旋转支撑并延伸向左侧的输出轴P。
第一行星齿轮架(C1)36位于在平行于转动轴线O方向上相对于第一行星齿轮系33的安置位置偏移向一侧(即，图中左侧)的位置上，第一行星齿轮系33啮合第一环形齿轮(R1)31，第一行星齿轮架(C1)36连接旋转穿透中空中心齿轮(S)35的转动轴PS的中空部并延伸向另一侧(即，附图种右侧)的转动轴PC。
第二行星齿轮架(C2)37位于在平行于转动轴线O方向上相对于第二行星齿轮系34的安置位置偏移向右侧的位置上，第二行星齿轮系34啮合第二环形齿轮(R2)32。
在行星齿轮系14中，第一环形齿轮(R1)31和第二环形齿轮(R2)32形成大致相同的齿轮形状。此外，构成第一行星齿轮系33的每个第一行星齿轮33a和构成第二行星齿轮系34的每个第二行星齿轮34a形成大致相同的齿轮形状。中心齿轮(S)35的转动轴PS与电动机10的转动轴线O同轴设置，并由轴承41旋转支撑。因此，作为啮合作为空转齿轮的中心齿轮(S)35的第一行星齿轮系33和第二行星齿轮系34的结果，内转子11和外转子12同步旋转。
而且，第一行星齿轮架(C1)36的转动轴PC与电动机10的转动轴线O同轴设置，并还与执行器15连接。第二行星齿轮架(C2)37固定于定子上。
例如，执行器15设有将流体能量转换为旋转运动的液压泵，旋转运动是根据外部控制单元42等输入的控制命令进行控制的。执行器15限制第一行星齿轮架(C1)36绕转动轴线O枢转(即，保持第一行星齿轮架(C1)36在预定的枢转位置)，或者另一种选择是利用超前角度操作或延迟角度操作使第一行星齿轮架(C1)36沿正旋转方向或反旋转方向绕转动轴线O枢转预定的枢转量。结果是，在第一行星齿轮架(C1)36通过执行器15绕转动轴线O枢转时，则不考虑电动机10是否处于运转状态或停转状态下，就能改变内转子11和外转子12之间的相对相位。
例如，如图3中心齿轮(S)35的旋转状态所示，在不考虑执行器15的操作状态下，相对绕转动轴线O旋转的第二行星齿轮架(C2)37的速度为零。由于此原因，例如，相对于沿相反方向以适当速度旋转的中心齿轮(S)35，第二环形齿轮(R2)32和内转子11沿正方向上以对应于中心齿轮(S)35和第二环形齿轮(R2)32的齿轮比(即，速度增加比)g2的速度旋转。
在执行器15不工作时，相对绕转动轴线O旋转的第一行星齿轮架(C1)36的速度为零。因此，例如，相对于沿相反方向以适当速度旋转的中心齿轮(S)35，第一环形齿轮(R1)31和外转子12沿正方向以对应于中心齿轮(S)35和第一环形齿轮(R1)31的齿轮比(即，速度增加比)g1的速度旋转。这里，因为齿轮比g1和齿轮比g2基本上是相等的(即，g1≈g2)，所以内转子11和外转子12同步旋转，内转子11和外转子12之间的相对相位不变，保持稳定。
与此相比，在执行器15处于运转状态下(即，在执行超前角度操作或延迟角度操作时)，相对绕转动轴线O旋转的第一行星齿轮架(C1)36的速度为非零的值，并且是一个对应于正旋转方向或反旋转方向的合适正值或负值。由于此原因，例如，相对于在相反方向上以适当速度旋转的中心齿轮(S)35，第一环形齿轮(R1)31和外转子12在正方向上以一个大于或小于对应于中心齿轮(S)35和第一环形齿轮(R1)31的齿轮比(即，速度增加比)g1速度的速度旋转。这里，因为齿轮比g1和齿轮比g2基本上是相等的(即，g1≈g2)，所以外转子12的速度高于或低于内转子11的速度，内转子11和外转子12之间的相对相位改变。
对于中心齿轮(S)35相对于第一环形齿轮(R1)31的齿轮比(即，速度增加比)g1和电动机10的极对数“p”，执行器15能够使第一行星齿轮架(C1)36绕转动轴线O在正旋转方向或反旋转方向上旋转至少一个机械角度θ(°)＝(180/p)×g/(1+g)。
结果是，内转子11和外转子12之间的相对相位能够改变为至少180度的电角度的超前角度侧或延迟角度侧，而且电动机10的状态能够适当地设定为在弱场状态和强场状态之间的范围内，其中，在弱场状态中，内转子11的永久磁铁11a和外转子12的永久磁铁12a设置成相同的磁极彼此面对(即，永久磁铁11a和永久磁铁12a设置成相反的极性分布)，而在强场状态中，内转子11的永久磁铁11a和外转子12的永久磁铁12a设置成相反的磁极彼此面对(即，永久磁铁11a和永久磁铁12a设置成相同的极性分布)。
在图4A所示的强场状态下，例如，内转子11的永久磁铁11a和外转子12的永久磁铁12a设置成相同的极性分布，和图4B所示的弱场状态下，例如，内转子11的永久磁铁11a和外转子12的永久磁铁12a设置成相反的极性分布，感应电压的大小发生变化，例如，如图5所示。因此，通过改变强场状态和弱场状态之间电动机10的状态，感应电压常数Ke就会改变。
例如，感应电压常数Ke是一个有关感应电压的旋转速度的比值，感应电压是通过相应的转子11和12旋转在定子线圈13a的线圈端部中感应产生的，并能够通过极对数“p”、电动机外径R、电动机叠片厚度L、磁通密度B和线圈匝数T的积描述为Ke＝8×p×R×L×B×T×π。通过改变强场状态和弱场状态之间的电动机10状态，内转子11永久磁铁11a和外转子12永久磁铁12a的磁场通量的磁通密度B的大小就会发生改变，感应电压常数Ke也会改变。
这里，如图6A所示，例如，电动机10的转矩与感应电压常数Ke和提供给定子线圈13a的电流的乘积成正比(即，转矩∝(Ke×电流)。
而且，如图6B所示，例如，由于电动机的场减弱损耗与感应电压常数Ke和旋转速度的乘积成正比(即，场减弱损耗∝(Ke×旋转速度))，电动机10的容许旋转速度与感应电压常数Ke和旋转速度的乘积的倒数成正比(即，容许旋转速度∝(1/(Ke×旋转速度)))。
也就是说，如图7所示，例如，在感应电压常数Ke相对较大的电动机10中，虽然可操作的旋转速度相对减小了，但是它能够输出相对较大的转矩。另一方面，在感应电压常数Ke相对较小的电动机10中，虽然可以输出相对较小的转矩，但是它能够操作达到相对减大的旋转速度。因此，转矩和旋转速度的工作范围根据感应电压常数Ke进行改变。
由于此原因，在图8A所示的例子中，例如，通过设定使感应电压常数Ke随着电动机10的旋转速度增加而变化为减小的趋势(例如，从A，B(＜A)，到C(＜B))顺序变化，那么与感应电压成熟Ke没有变化时相比(例如，正如第一至第三比较例子所示)，转矩和旋转速度的工作范围就增大了。
电动机10的输出与通过从感应电压常数Ke和提供给定子线圈13a的电流和旋转速度的乘积中减去场减弱损耗和其它损耗得到的值成正比(即，输出∝(Ke×电流×旋转速度-场减弱损耗-其它损耗))。例如，如图8B所示，在感应电压常数Ke相对较大的电动机10中，虽然可操作的旋转速度相对减小了，但是在相对较低旋转速度区域中的输出增大了。与此相比，在感应电压常数Ke相对较小的电动机10中，虽然在相对较低旋转速度区域中的输出减小了，但是操作能够达到相对较高的旋转速度，并且在相对较高旋转速度的区域中输出增大了。即，输出和旋转速度的工作区域根据感应电压常数Ke进行改变。由于此原因，通过设定使感应电压常数Ke随着电动机10的旋转速度增加而变化为减小的趋势(例如，从A，B(＜A)，到C(＜B))顺序变化，那么与感应电压常数Ke没有变化时相比(例如，正如第一至第三比较例子所示)，输出和旋转速度的工作范围就增大了。
电动机10的效率与通过将由输入功率中减去铜耗和场减弱损耗以及其它损耗获得的值除以输入功率而获得的值成正比(即，效率∝(输入功率-铜耗-场减弱损耗-其它损耗)/输入功率))。
由于此原因，在相对较低的旋转速度的区域和中间旋转速度的区域之间，通过选择相对较大的感应电压常数Ke，为了输出所需的转矩而需要的电流减小，而且铜耗也减小。
此外，在中间旋转速度的区域和相对较高的旋转速度的区域之间，通过选择相对较小的感应电压常数Ke，场减弱电流减小，而且场减弱损耗也减小。
结果是，如图9A所示的例子中，例如，通过设定使感应电压常数Ke随着电动机10的旋转速度增加而变化为减小的趋势，那么与感应电压常数Ke没有变化时相比(例如，图9B中第二比较例子所示)，旋转速度和旋转速度的工作范围增大了。除此之外，在电动机10的效率大于预定效率的高效率区域E也扩大了，可获得的最大效率值也提高了。
执行器15能够终止限制第一行星齿轮架(C1)36绕转动轴线O的枢转。例如，如果检查到电动机10中的故障等，就终止限制第一行星齿轮架(C1)36的枢转，而且允许第一行星齿轮架(C1)36绕转动轴线O旋转。
如果由执行器15限制第一行星齿轮架(C1)36绕转动轴线O的枢转被终止，那么第一行星齿轮架(C1)36就能够绕转动轴线O自由地枢转。在此情况下，在内转子11和外转子12沿圆周方向的相对位置通过内转子11的永久磁铁11a和外转子12的永久磁铁12a的相同磁极之间的排斥力发生改变，或者，另一种选择是，通过内转子11的永久磁铁11a和外转子12的永久磁铁12a的相反磁极之间的吸引力发生改变。因此，电动机10的状态就改变为强场状态，在强场状态中，内转子11的永久磁铁11a和外转子12的永久磁铁12a设置成相反的磁极彼此面对(即，永久磁铁11a和永久磁铁12a设置成相同的极性分布)。
在检测到从外部控制单元42等已经输出的执行弱场控制的命令时，执行器15就使电动机10的状态改变为弱场状态，并使第一行星齿轮架(C1)36绕转动轴线O枢转，在弱场状态中，内转子11的永久磁铁11a和外转子12的永久磁铁12a设置成相同的磁极彼此面对(即，永久磁铁11a和永久磁铁12a设置成相反的极性分布)。
本实施例的电动机10设有上述结构。下面，参考附图描述电动机10的驱动方法。
首先，在所示的步骤S01中，例如，在图10中，确定是否检测到电动机10中产生故障。
如果确定结果是NO，那么流程就进行到下面描述的步骤S03。
但是，如果确定结果是YES，那么流程就进行到步骤S02。
在步骤S02中，终止执行器15限制第一行星齿轮架(C1)36的枢转，并允许第一行星齿轮架(C1)36绕转动轴线O的自由转动。然后结束该处理顺序。
在步骤S03中，获得内转子11和外转子12之间的相对相位(电角度αedeg)，它通过，例如旋转传感器进行检测。
然后，在步骤S04中，获得的电角度α根据电动机10的极对数“p”转换为机械角度β(＝α/p)。
然后，在步骤S05中，根据机械角度β和中心齿轮(S)35与第一环形齿轮(R1)31的齿轮比g1，计算第一行星齿轮架(C1)36绕转动轴线O枢转时的枢转量γ(＝β×g1/(1+g1))。
在步骤S06中，第一行星齿轮架(C1)36通过执行器15绕转动轴线O机械枢转的枢转量γ，并结束该处理顺序。
如上所述，根据本实施例的电动机10，永久磁铁11a位于内转子11的圆周方向上，而永久磁铁12a位于外转子12的圆周方向上，各个的永久磁铁11a和12a设定成使它们能够在各个转子11和12的径向上相互面对设置。结果是，它能够防止各个永久磁铁11a和12a的磁通量发散向环绕的磁路(例如，各个转子铁心21和22等)。因此，抑制铁损耗的产生，例如，它能够有效地增加和减小漏磁通量，外转子12的永久磁铁12a的磁场通量通过该漏磁通量与利用内转子11的永久磁铁11a的磁通量的定子线圈13a相连。此外，在强场状态中，电动机10的转矩常数(即，转矩/相电流)能够设定为相对较高的值，电动机10输出的最大转矩值能够在电动机10运转时不增加电流损耗的情况下和在不改变用于控制定子线圈13a电流供给的变换器(未图示)的输出电流最大值的情况下增加。
作为构成第一行星齿轮系33的许多第一行星齿轮33a和构成第二行星齿轮系34的许多第二行星齿轮34a能够绕是空转齿轮的中心齿轮(S)35的相应行星转动轴P1和P2旋转的结果，那么在不管内转子11和外转子12是否同步旋转或者电动机10处于停止状态的情况下，它能够方便地改变内转子11和外转子12之间的相对相位。
通过使用其中心齿轮(S)35被第一行星齿轮系33和第二行星齿轮系34共享的结构，能够减小中心齿轮(S)35中的摩擦力。结果是，不管电动机10的旋转速度或转矩，用于限制枢转(即，保持在预定的枢转位置)，或者，另一种选择是用于驱动第一行星齿轮架(C1)36绕转动轴线O枢转所需的力仅要求大于内转子11的永久磁铁11a和外转子12的永久磁铁12a之间的吸引力或排斥力。因此，能够不需要大于电动机10输出转矩的力如此地有效地控制相位，而这样的力在利用制动执行器的情况下是必须。
而且，由于执行器15在不需要外部提供功率的情况下能够枢转第一行星齿轮架(C1)36，因此它能够防止电动机10的工作效率变坏。
作为支撑第一行星齿轮系33的第一行星齿轮架(C1)36绕转动轴线O枢转时的预定枢转量设定为至少一个机械角度θ(°)＝(180/p)×g1/(1+g1)的结果，电动机10的状态能够在强场状态和弱场状态之间的范围中进行适当地调整，其中在强场状态中，内转子11的永久磁铁11a和外转子12的永久磁铁12a设置成相反的磁极彼此面对(即，内转子11的永久磁铁11a和外转子12的永久磁铁12a设置成相同的极性分布)，而在弱场状态中，内转子11的永久磁铁11a和外转子12的永久磁铁12a设置成相同的磁极彼此面对(即，内转子11的永久磁铁11a和外转子12的永久磁铁12a设置成相反的极性分布)。
因为它能够连续地改变连接定子线圈13a的磁场通量的大小，所以就能够连续地将电动机10的感应电压常数Ke改变为合适的值。结果是，电动机10能够运行情况下的旋转速度和转矩值可以连续地进行改变，扩大了可能进行操作的旋转速度和转矩的范围。而且，电动机10的工作效率的最大值能增大，并扩大了工作效率高于预定效率的高效率区域。
例如，如果从外部控制单元42等输出根据诸如电动机10的旋转速度和电源电压之类的值执行弱场控制的命令，那么第一行星齿轮架(C1)36就绕转动轴线O枢转以使电动机10改变为弱场状态，在弱场状态中，内转子11的永久磁铁11a和外转子12的永久磁铁12a设置成相同的磁极彼此面对。结果是，它能够防止诸如控制向定子线圈13a提供电力的变换器之类的高压设备处于过压状态。
在外转子12中，通过沿圆周方向设置凹槽22a，这些凹槽22a在相邻外磁铁安装部24之间的外转子铁心22的外圆周表面22A上平行于转动轴线O延伸，就能够防止没有设置成彼此面对的内转子11的永久磁铁11a和外转子12的永久磁铁12a的磁极之间发生磁路短路。
根据本实施例的电动机10的驱动方法，不管内转子11和外转子12是否同步旋转或者电动机10是否处于停止状态的情况下，都能够方便地设定电动机10合适地处于强场状态和弱场状态之间的范围中，其中在弱场状态中，内转子11的永久磁铁11a和外转子12的永久磁铁12a设置成相同的磁极彼此面对，而在强场状态中，内转子11的永久磁铁11a和外转子12的永久磁铁12a设置成相反的磁极彼此面对。
当检测到电动机10中的故障等时，终止通过执行器15限制第一行星齿轮架(C1)36绕转动轴线O的枢转，并且第一行星齿轮架(C1)36能够绕转动轴线O自由地枢转。结果是，在内转子11和外转子12的圆周方向上的相对位置通过内转子11的永久磁铁11a和外转子12的永久磁铁12a相同磁极之间的排斥力进行改变，或者，另一种选择方案是，通过内转子11的永久磁铁11a和外转子12的永久磁铁12a相反磁极之间的吸引力进行改变。因此，电动机的状态改变为强场状态，在强场状态下，内转子11的永久磁铁11a和外转子12的永久磁铁12a设置成相互面对。
因此，例如，在电动机10安装在车辆上作为驱动源时，它能够保证所需的输出以使车辆开始运动或继续运动而不管电动机10的故障状态。
在上述实施例中，行星齿轮机构14形成为单个小齿轮型的行星齿轮机构；但是，正如根据图11所示的上述实施例的变体例子的电动机50的情况一样，行星齿轮机构14也可形成为成双的小齿轮型的行星齿轮机构。
根据变体例子的电动机50和根据上述实施例的电动机10的不同之处在于相互啮合的两个第一行星齿轮系51和52位于第一环形齿轮(R1)31和中心齿轮(S)35之间，还在于相互啮合的两个第二行星齿轮系53和54位于第二环形齿轮(R2)32和中心齿轮(S)35之间。
即，在相互啮合的两个第一行星齿轮系51和52中，其中一个(外侧)第一行星齿轮系51啮合第一环形齿轮(R1)31，而另一个(内侧)第一行星齿轮系52啮合中心齿轮(S)35。
在相互啮合的两个第二行星齿轮系53和54中，其中一个(外侧)第二行星齿轮系53啮合第二环形齿轮(R2)32，而另一个(内侧)第二行星齿轮系54啮合中心齿轮(S)35。
第一行星齿轮架(C1)36支撑构成外侧第一行星齿轮系51的许多第一行星齿轮51a以使它们能够绕相应第一行星转动轴P1a转动，并支撑构成内侧第一行星齿轮系52的许多第一行星齿轮52a以使它们能够绕相应第一行星转动轴P1b转动。此外，第一行星齿轮架(C1)36能够绕转动轴线O枢转。
第二行星齿轮架(C2)37支撑构成外侧第二行星齿轮系53的许多第二行星齿轮53a以使它们能够绕相应的第二行星转动轴P2a转动，并支撑构成内侧第二行星齿轮系54的许多第二行星齿轮54a以使它们能够绕相应第二行星转动轴P2b转动。此外，第二行星齿轮架(C2)37固定于定子13上。
每个行星齿轮51a，52a，53a和54a形成大致相同的齿轮形状。
在根据该变体例子的电动机50中，通过设置两组第一行星齿轮系51和52，以及两组第二行星齿轮系53和54，例如，就象图12所示的中心齿轮(S)35的旋转状态一样，中心齿轮(35)沿与内转子11和外转子12相同的方向旋转。
根据该变体例子的电动机50，内转子11、外转子12和中心齿轮(S)35的旋转方向可设定为相同的方向。因此，在电动机10安装在车辆上作为驱动源时，例如，即使电动机10的输出轴除了连接内转子11或外转子12外还连接中心齿轮(S)35时，它也能够防止动力传动机构，如变速箱等变得更加复杂化。
因为外转子12的枢转量小于第一行星齿轮架(C1)36的枢转量，因此它能够提高控制外转子12枢转量时的分解力(resolution)。
在上述的实施例中，使用了第一行星齿轮架(C1)36能够绕转动轴线O枢转并且第二行星齿轮架(C2)37固定于定子13上的一种结构；但是，本发明并不局限于此。例如，它还能够使用第二行星齿轮架(C2)37能够绕转动轴线O枢转并且第一行星齿轮架(C1)36固定于定子13上的一种结构。
在上述实施例中，使用了这样的结构，在该结构中，平行于转动轴线O延伸的凹槽22a沿圆周方向设置在位于相邻外磁铁安装部24之间的外转子铁心22的外圆周表面22A上，但是，本发明并不局限于此。例如，它还能够沿圆周方向在位于相邻外磁铁安装部24之间的外转子铁心22的内圆周表面22B上形成平行于转动轴线O延伸的凹槽22b。以此，它能够在更大程度上防止没有设置成彼此面对的内转子11的永久磁铁11a和外转子12的永久磁铁12a的磁极之间发生磁路短路。
在上述实施例中，液压泵设置为执行器15；但是，本发明并不局限于此，它还能够，例如，用电动机等替代。
虽然本发明的较佳实施例已经在上面进行了描述和显示，但是应该明白这些是起对本发明的解释性作用，而不应被认为是起限制性作用。在不脱离本发明的精神和保护范围的情况下，可对其作出添加、省略、替换和其它修改。因此，本发明不应该被认为受到前面的描述所限制，而是仅受到所附的权利要求的保护范围所限制。
权利要求
1.一种电动机，包括基本上环行的内圆周侧转子和外圆周侧转子，所述内圆周侧转子和外圆周侧转子设置成具有相同的转动轴线并设有沿圆周方向布置的永久磁铁；行星齿轮机构，包括第一环行齿轮，所述第一环行齿轮与所述外圆周侧转子同轴并一体地形成；第二环行齿轮，所述第二环行齿轮与所述内圆周侧转子同轴并一体地形成；与所述第一环行齿轮啮合的第一行星齿轮；与所述第二环行齿轮啮合的第二行星齿轮；与所述第一行星齿轮和所述第二行星齿轮啮合的中心齿轮；以及第一行星齿轮架，所述第一行星齿轮承载器可转动地支撑所述第一行星齿轮和第二行星齿轮中的一个，并能够绕所述转动轴线枢转；以及枢轴装置，所述枢轴装置连接至所述第一行星齿轮架，并且通过将所述第一行星齿轮架绕所述转动轴线枢转预定的枢转量，而改变所述内圆周侧转子和所述外圆周侧转子之间的相对相位。
2.如权利要求1所述的电动机，进一步包括第二行星齿轮架，所述第二行星齿轮架可转动地支撑所述第一行星齿轮和第二行星齿轮中的另一个，并且所述第二行星齿轮架固定至定子。
3.如权利要求1所述的电动机，其中所述第一行星齿轮和第二行星齿轮每个都由单个齿轮系形成；而且所述行星齿轮机构为单个小齿轮型的行星齿轮机构。
4.如权利要求1所述的电动机，其中所述第一行星齿轮和第二行星齿轮每个都由两个彼此啮合的齿轮系形成；而且所述行星齿轮机构为成双的小齿轮型的行星齿轮机构。
5.如权利要求1所述的电动机，其中所述枢轴装置为利用液压或电力使所述第一行星齿轮架枢转或者限制所述第一行星齿轮架的枢转的执行器。
6.如权利要求1所述的电动机，其中所述预定的枢转量为机械角θ(°)＝(180/p)×g/(1+g)，该机械角取决于电动机的磁极对“p”和所述中心齿轮对所述第一环行齿轮和第二环行齿轮中之一的齿轮齿数比“g”。
7.如权利要求1所述的电动机，其中作为第一行星齿轮架由所述枢轴装置枢转的结果，将电动机的状态设定于在弱场状态和强场状态之间的范围内变化的合适状态，其中，在所述弱场状态中，所述内圆周侧转子的永久磁铁和所述外圆周侧转子的永久磁铁设置成相同的磁极彼此面对，而在所述强场状态中，所述内圆周侧转子的永久磁铁和所述外圆周侧转子的永久磁铁设置成相反的磁极彼此面对。
8.如权利要求1所述电动机，进一步包括终止装置，所述终止装置终止通过所述枢轴装置限制所述第一行星齿轮架绕所述转动轴线的枢转，并且允许所述第一行星齿轮架绕所述转动轴线枢转直至电动机的状态达到强场状态，在所述强场状态中，所述内圆周侧转子的永久磁铁和所述外圆周侧转子的永久磁铁设置成相反的磁极彼此面对。
9.如权利要求1所述电动机，其中所述行星齿轮机构设置在位于所述内圆周侧转子的内圆周侧上的中空部分内。
10.一种驱动如权利要求1所述的电动机的方法，包括如下步骤检测所述内圆周侧转子和外圆周侧转子之间的相对电角相位；将所述电角相位转换成机械角相位；根据所述机械角相位计算所述预定的枢转量；并且通过所述枢轴装置使所述第一行星齿轮架绕转动轴线枢转所述预定的枢转量。
11.如权利要求10所述的驱动电动机的方法，进一步包括如下步骤当检测到电动机中的故障时，终止通过所述枢轴装置限制所述第一行星齿轮架绕所述转动轴线的枢转，从而允许所述第一行星齿轮架绕所述转动轴线枢转直至电动机的状态达到强场状态，在所述强场状态中，所述内圆周侧转子的永久磁铁和所述外圆周侧转子的永久磁铁设置成相反的磁极彼此面对。
12.如权利要求11所述的驱动电动机的方法，进一步包括如下步骤当检测到执行弱场控制的命令时，使所述第一行星齿轮架绕所述转动轴线枢转，从而使电动机的状态开始变化到弱场状态，在所述弱场状态中，所述内圆周侧转子的永久磁铁和所述外圆周侧转子的永久磁铁设置成相同的磁极彼此面对。
13.如权利要求1所述的电动机，其中作为所述枢轴装置枢转第一行星齿轮架的结果，所述内圆周侧转子和所述外圆周侧转子枢转至介于每个永久磁铁的相同磁极彼此面对的位置和每个永久磁铁的相反磁极彼此面对的位置之间的合适位置。
全文摘要
本发明涉及一种电动机，它是由同轴分布的内圆周侧转子、外圆周侧转子和行星齿轮机构形成。该行星齿轮机构是一种单个小齿轮型，它包括分别是单个小齿轮系的第一行星齿轮系和第二行星齿轮系。支撑第一行星齿轮系的第一行星齿轮架绕转动轴线枢转，支撑第二行星齿轮系的第二行星齿轮架固定于定子上。该电动机进一步设有使第一行星齿轮架绕转动轴线枢转预定枢转量的执行器。
文档编号H02P6/08GK1976172SQ20061016370
公开日2007年6月6日 申请日期2006年11月30日 优先权日2005年12月2日
发明者新博文 申请人:本田技研工业株式会社