无刷电机的制作方法

专利名称：无刷电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用永久磁铁和电磁线圈的无刷电机(brushless electric machine)。
背景技术：
作为利用永久磁铁和电磁线圈的无刷电机，例如公知有在下述专利文献1中所记载的无刷电动机。专利文献1 日本特开2001-298982号公报图沈是表示现有无刷电动机的结构的一个例子的示意图。该无刷电动机具备电磁线圈组12和磁铁组32。在磁铁组32的附近例示有磁场。在现有无刷电动机中永久磁铁产生的磁场处于开放状态，所以存在电磁线圈组12产生的磁场的利用效率相当低的问题。 这样的问题不仅在电动机中，发电机也存在共同的问题，是无刷电机普遍存在的问题。

发明内容
本发明的目的在于提供一种提高无刷电机中的磁场的利用效率以使电机的效率提高的技术。本发明是为了至少解决上述课题的一部分而完成的，并可作为以下的方式或应用例来实现。[应用例1]1. 一种无刷电机，其具备第1驱动部件，其具有Q个永久磁铁，其中Q为整数；第2驱动部件，其具有多个电磁线圈，并可相对所述第1驱动部件相对地进行移动；第3驱动部件，其夹持着所述第2驱动部件而配置在与所述第1驱动部件相反的一侧，并且其与所述第1驱动部件的相对位置关系被固定；磁传感器，其设置在所述第2驱动部件上，检测所述第1和第2驱动部件的相对位置；以及控制电路，其利用所述磁传感器的输出信号来控制所述无刷电机的动作，所述第3驱动部件在与所述第1驱动部件的各永久磁铁对置的位置上，具有与所述各永久磁铁共同来增强所述第2驱动部件的位置处的磁场的磁场强化部件；所述多个电磁线圈具有包括第1线圈组和第2线圈组的2个两相的线圈组，每个线圈组包括N个电磁线圈，N为大于或等于1的整数，所述控制电路以π /2的相位差驱动所述2个线圈组，以使所述2个线圈组同时产生驱动力；所述永久磁铁的数目Q等于每个线圈组的电磁线圈的数目N。根据这种结构，由于永久磁铁与磁场强化部件共同来增强磁场，所以可以提高永久磁铁的磁场的利用效率从而使电机的效率提高。并且，由于两相线圈组同时产生驱动力， 所以可以产生很大的驱动力。[应用例2]作为应用例1中所述的无刷电机，其中所述磁场强化部件是永久磁铁。根据这种结构，利用永久磁铁来上下夹持第2驱动部件，所以能够极大地增强第2 驱动部件位置处的磁场。[应用例3]作为应用例1中所述的无刷电机，其中，所述磁场强化部件是强磁体。根据这种结构，使用更少的永久磁铁就能够增强第2驱动部件位置处的磁场。[应用例4]作为应用例1至3的任意一个所述的无刷电机，其中，各永久磁铁具有向朝着所述第2驱动部件的一侧突出的突部。根据这种结构，可进一步增强突部附近的磁场。[应用例5]作为应用例1至4的任意一个所述的无刷电机，其中，所述磁传感器是根据所述第 1驱动部件和第2驱动部件的相对位置来输出表示模拟变化的输出信号的传感器。根据这种结构，可以利用磁传感器的模拟变化来高效地驱动无刷电机。[应用例6]作为应用例5中所述的无刷电机，其中，所述控制电路包括PWM控制电路，该PWM 控制电路通过执行对所述磁传感器的输出信号的模拟变化进行利用的PWM控制，来生成对所述磁传感器的输出信号的模拟变化进行模拟的驱动信号。根据这种结构，由于可利用与线圈的反电动势波形接近的形状的驱动信号来驱动无刷电机，所以能够提高效率。[应用例7]作为应用例1至6的任意一个所述的无刷电机，其中，所述控制电路包括由所述电磁线圈再生电力的再生电路。根据这种结构，可使用无刷电机来进行发电。此外，本发明能够以各种方式来实现，例如能够以无刷电动机、无刷发电机、这些电机的控制方法(或驱动方法)、应用这些电机的致动器或发电装置等方式来实现。


图1是示出第1实施例中电动机的电动机主体的结构的剖视图。图2是示出磁传感器输出与线圈的反电动势波形的关系的说明图。图3是示出线圈的施加电压与反电动势的关系的示意图。图4是示出第1实施例的电动机的正转动作的状态的说明图。图5是示出第1实施例的电动机的反转动作的状态的说明图。
图6是示出实施例的电机的用途与优选材料的关系的说明图。图7是示出电动机的驱动电路单元的结构的框图。图8是示出驱动电路的内部结构的图。图9是示出驱动控制部的内部结构与动作的说明图。图10是示出传感器输出波形与驱动信号波形的对应关系的说明图。图11是示出PWM部的内部结构的框图。图12是示出电动机正转时的PWM部动作的时序图。图13是示出电动机反转时的PWM部动作的时序图。图14是示出励磁区间设定部的内部结构与动作的说明图。图15是示出对以矩形波来驱动第1实施例的电动机的情况、和以正弦波来驱动第 1实施例的电动机的情况的各种信号波形进行比较的说明图。图16是示出驱动电路的其它结构的图。图17是示出实施例中的电动机在无负载时的转速的图表。图18是示出再生控制部与整流电路的内部结构的图。图19是示出第1实施例的第1变形例的电动机结构的说明图。图20是示出第1实施例的第2变形例的电动机结构的说明图。图21是示出3相无刷电动机的正转动作的状态的说明图。图22是示出第1实施例的第3变形例的3相直线电动机的结构的说明图。图23是示出第2实施例中电动机的电动机主体的结构的剖视图。图M是示出第2实施例的电动机的正转动作的状态的说明图。图25是示出第2实施例的第1变形例的电动机结构的说明图。图沈是示出现有无刷电动机的结构的一个例子的概念图。图27是示出利用本发明实施例的电动机的放映机的说明图。图观是示出利用本发明实施例的电动机的燃料电池式移动电话的说明图。图四是示出作为利用本发明实施例的电动机/发电机的移动体的一个例子的电动自行车(电动助力自行车)的说明图。图30是示出利用本发明实施例的电动机的机器人的一个例子的说明图。符号说明10-定子部；12A、12B、12C-电磁线圈；14-支承部件；30-转子部；30L-下部转子部；30U-上部转子部；32-永久磁铁；32L-永久磁铁(磁场强化部件)；34U、34L_磁性轭铁；36-凸部；38-磁性轭铁(磁场强化部件)；40A、40B-磁传感器；62-外壳；64-旋转轴 (中心轴)；100-驱动控制部；102-总线；110-CPU ； 120A、120B-驱动电路；122-放大电路； 150-驱动电路；200-再生控制部；202、204_充电切换部；206-电子变阻器；211、212_AND电路；221 224-电压比较器；231、232-0R电路；250-整流电路；252-全波整流电路；261、 262-选通晶体管；271-缓冲电路；272-倒相电路；280-电源配线；500-驱动电路单元； 510-基本时钟生成电路；520-分频器；530-PWM部；531-计数器；533-EX0R电路；535-驱动波形形成部々40-寄存器；550-乘法器；560-编码部；570-AD转换部；580-指令值寄存器； 590-励磁区间设定部；592-电子变阻器；594、596_电压比较器；598-0R电路；600-放映机； 610R、610G、610B-光源；640R、640G、640B_液晶光阀；650-合光棱镜；660-投射透镜系统；
5670-冷却风扇；680-控制部；700-移动电话；710-MPU ；720-风扇；730-燃料电池；800-电动自行车(电动助力自行车)；810-电动机；820-控制电路；830-充电电池；900-机器人； 910-手臂；920-手臂；930-电动机；1000-直线电动机；1100-固定导向部；1140-轴承部； 1200-移动部；1250-驱动控制部；2000-无刷电动机(风扇电动机)；2100-叶片。
具体实施例方式
下面，按以下顺序来说明本发明的实施方式。A.第1实施例的电动机结构与动作的概要B.驱动电路单元的结构C.第1实施例的电动机结构的变形例D.第2实施例的电动机结构与动作的概要E.变形例A.第1实施例的电动机结构与动作的概要图1 (A) ⑶是示出作为本发明第1实施例的无刷电动机的电动机主体的结构的剖视图。该电动机主体具有定子部10、上部转子部30U以及下部转子部30L。这些部件 10、30U、30L分别具有大致圆盘状的形状。图I(B)是下部转子部30L的水平剖视图。下部转子部30L具备各自具有大致扇形形状的4个永久磁铁32L。由于上部转子部30U也具有与下部转子部30L相同的结构，所以省略图示。上部转子部30U与下部转子部30L被固定于中心轴64上，并同时旋转。各磁铁32U、32L的磁化方向为与中心轴64平行的方向。图I(C)是定子部10的水平剖视图。如图KA)所示，定子部10具有多个A相线圈12A、多个B相线圈12B以及支承这些线圈12A、12B的支承部件14。图1 (C)示出该B相线圈12B侧。在该例中，B相线圈12B被设置为4个，并分别卷绕成大致为扇形的形状。A 相线圈12A也相同。在定子部10上还设置有驱动电路单元500。如图I(A)所示，定子部 10固定在外壳62上。图I(D)是示出定子部10与2个转子部30U、30L的关系的概念图。在定子部10 的支承部件14上设置有A相用磁传感器40A与B相用磁传感器40B。磁传感器40A、40B用于检测转子部30U、30L的位置(即电动机的相位)。此外，以下将这些传感器都称为“A相传感器”以及“B相传感器”。A相传感器40A配置在两个A相线圈12A中间的中央位置上。 B相传感器40B也同样配置在两个B相线圈12B中间的中央位置上。在该例中，A相传感器 40A与B相线圈12B共同配置在支承部件14下侧的面上，不过还可以取代这个而配置在支承部件14上侧的面上。B相传感器40B也同样。再者，由图I(C)可知，在该实施例中将A 相传感器40A配置在B相线圈12B的内部，所以具有易于确保配置传感器40A的空间的优点ο如图I(D)所示，磁铁32U、32L分别以一定的磁极间距Rii进行配置，相邻的磁铁彼此在相反方向上被磁化。A相线圈12A以一定的间距Pc进行配置，相邻的线圈彼此逆向励磁。B相线圈12B也是同样。在本实施例中，磁极间距Rii等于线圈间距Pc，电角度相当于 η。再者，电角度2 π与在驱动信号的相位变化了 2 π时所移动的机械角度或距离相对应。 在本实施例中，当驱动信号的相位变化了 2 π时，转子部30U、30L移动磁极间距Rn的2倍。 另外，A相线圈12A与B相线圈12B配置在相位错开π /2的位置上。
上部转子部30U的磁铁32U和下部转子部30L的磁铁32L被配置为面向定子部10 的磁极为互不相同的磁极(S极与N极)。换言之，上部转子部30U的磁铁32U和下部转子部30L的磁铁32L被配置为相反的极相互面对。其结果，如图I(D)的右端所示，这些磁铁 32U、32L之间的磁场以大致直线状的磁力线来表示，成为在这些磁铁32U、32L之间闭合的磁场。可知这种闭合的磁场要强于上述的图26所示的开放的磁场。其结果是磁场的利用效率提高，从而可使电动机效率提高。此外优选在磁铁32U、32L外侧的面上分别设有用强磁体制造的磁性轭铁34U、34L。磁性轭铁34U、34L可进一步增强线圈中的磁场。不过，也可以省略磁性轭铁34U、34L。图2是示出传感器输出与线圈的反电动势波形的关系的说明图。图2(A)与图I(D) 相同。图2(B)示出A相线圈12A所产生的反电动势的波形的例子，图2(C)、⑶示出A相传感器40A与B相传感器40B的传感器输出SSA、SSB的波形的例子。这些传感器40A、40B 可产生与电动机运转时的线圈的反电动势大致相似形状的传感器输出SSA、SSB。图2(B)所示的线圈12A的反电动势存在与电动机的转速一起上升的倾向，不过波形形状(正弦波) 保持为大致相似的形状。作为传感器40A、40B，可以采用如利用了霍尔效应的霍尔IC。在该例子中，传感器输出SSA与反电动势Ec均为正弦波或接近正弦波的波形。如后所述，该电动机的驱动控制电路利用传感器输出SSA、SSB，对各个线圈12A、12B施加与反电动势Ec 大致相似波形的电压。然而，电动机具有对机械能和电能进行相互转换的能量转换装置的功能。并且， 线圈的反电动势是将电动机的机械能转换为电能而产生的。因此，在将施加到线圈上的电能转换为机械能的情况下(即，驱动电动机的情况下)，通过施加与反电动势相似波形的电压，可高效地驱动电动机。再者，如以下说明，“与反电动势相似波形的电压”是指产生与反电动势反向的电流的电压。图3(A)是示出线圈的施加电压与反电动势的关系的示意图。这里，利用交流反电动势Ec与电阻Rc来模拟线圈。另外，在该电路中与交流施加电压Ei以及线圈并联连接有电压计V。再者，还将反电动势Ec称为“感应电压Ec”，另外，将施加电压Ei称为“励磁电压Ei ”。当对线圈施加交流电压Ei来驱动电动机时，在流入与施加电压Ei相反的电流的方向上产生反电动势Ec。当在电动机旋转的状态下打开开关SW时，可通过电压计V来测定反电动势Ec。在打开开关SW的状态下所测定的反电动势Ec的极性是与在关闭开关SW的状态下所测定的施加电压Ei相同的极性。在上述说明中，所谓“施加与反电动势大致相似波形的电压”是指施加具有与利用这种电压计V来测定的反电动势Ec相同极性的、具备大致相似形状的波形的电压。图3(B)示出在本实施例中采用的驱动方法的概要。这里，利用A相线圈12A、永久磁铁32U、A相传感器40A来模拟电动机。当具有永久磁铁32U的转子旋转时，在传感器 40A中产生交流电压h (也称为“传感器电压。该传感器电压h具有与线圈12A的感应电压Ec相似的波形形状。因此，生成传感器电压h所模拟的PWM信号来对开关SW进行接通/断开控制，由此可对线圈12A施加与感应电压Ec大致相似波形的励磁电压Ei。利用Ii = (Ei-Ec)/Re来赋予此时的励磁电流Ii。如上所述，在驱动电动机的情况下，通过施加与反电动势相似波形的电压，可以高效地驱动电动机。再者，可知在正弦波状的反电动势波形的中点附近(电压0附近)能量转换效率比较低，相反，在反电动势波形的波峰附近能量转换效率比较高。当施加与反电动势相似波形的电压来驱动电动机时，在能量转换效率高的期间施加比较高的电压，所以电动机效率提高。另一方面，当例如以简单的矩形波来驱动电动机时，在反电动势大致为0的位置(中点)附近也施加相当高的电压，所以电动机效率降低。另外，当在能量转换效率低的期间这样地施加电压时，由于涡流而产生旋转方向以外的方向的振动，由此还有产生噪音的问题。由上述的说明可知，当施加与反电动势相似波形的电压来驱动电动机时，可提高电动机效率，另外，具有能降低振动或噪音的优点。图4(A) (D)是示出本实施例的无刷电动机的正转动作的状态的说明图。图4(A) 示出相位即将为0时的状态。记载在A相线圈12A与B相线圈12B位置上的“N”、“S”表示这些线圈12A、12B的励磁方向。当线圈12A、12B被励磁时，在线圈12A、12B与磁铁32U、32L 之间产生吸引力与排斥力。其结果，转子部30U、30L向正转方向(图的右方)旋转。再者， 在相位为0的时刻，A相线圈12A的励磁方向反转(参照图2)。图4(B)示出相位即将前进至η/2时的状态。在相位为η/2的时刻，B相线圈12Β的励磁方向反转。图4(C)示出相位即将前进至η时的状态。在相位为η的时刻，A相线圈12Α的励磁方向再次反转。图 4⑶示出相位即将前进至3 π /2时的状态。在相位为3 π /2的时刻，B相线圈12Β的励磁方向再次反转。再者，由图2(C)、(D)可知，在相位为π /2的整数倍的时刻，由于传感器输出SSA、 SSB为零，所以仅从2相线圈12Α、12Β中的一方产生驱动力。可是，在除了相位为π/2的整数倍的时刻以外的其它所有期间内，2相线圈12Α、12Β双方可同时产生驱动力。因此，可使用2相线圈12Α、12Β双方来产生很大的转矩。然而，由图4㈧可知，A相传感器40Α被配置于在A相线圈12Α的中心与永久磁铁32U的中心对置的位置中可切换其传感器输出的极性的位置。同样，B相传感器40Β被配置于在B相线圈12Β的中心与永久磁铁32L的中心对置的位置中可切换其传感器输出的极性的位置。如果在这样的位置上配置传感器40Α、40Β，则从传感器40Α、40Β可产生与线圈的反电动势大致相似形状的传感器输出SSA、SSB (图2)。图5(A) (D)是示出本实施例的无刷电动机的反转动作的状态的说明图。图 5(A) ⑶分别示出相位即将为0、π /2、π、3 π /2时的状态。例如可通过使线圈12Α、12Β 的驱动电压的极性(即正负)根据正转动作的驱动电压而分别反转来实现该反转动作。图6示出作为本发明实施例的电机的用途与优选的材料的关系。作为用途存在使例如以下项目优先的用途。(1)价格低；(2)小型；(3)耗电少；(4)对振动、冲击的耐久性；(5)在高温环境下的利用性；(6)轻量；(7)可产生大转矩；(8)可高旋转；
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(9)使环境良好。在图6各用途的右栏中分别表示了永久磁铁、转子材料(转子部30U、30L的支承部件)、绕线管材料(线圈的芯材)和适合外壳的材料。再者，所谓“高价磁铁”是指钕磁铁、钐钴磁铁、铝镍钴磁合金磁铁等。另外，所谓“一般树脂”是指除碳系列树脂与植物性树脂之外的各种树脂(特别是合成树脂)。所谓“碳系列树脂”是指玻璃状碳、碳纤维增强树脂(CFRP)、碳纤维等。作为转子材料用金属可以使用铝、不锈钢、钛、镁、铜、银、金及这些的合金。所谓“陶瓷”可以使用精制陶瓷、冻石陶瓷、氧化铝、锆石、玻璃。另外，作为“天然材料”可以使用采用了植物、木材、砂土等的材料(例如植物性树脂)。由这些例子可知，在作为本发明实施例的电机中，作为转子材料、绕线管材料(芯材)和外壳材料，可以利用非磁性、非导电性的各种材料。但是，作为转子材料从强度方面考虑也有使用铝或其合金等金属材料的情况。在这种情况下优选以本质上为非磁性、非导电性的材料来形成绕线管材料(芯材)和外壳材料。这里，所谓“本质上为非磁性、非导电性的材料”是指仅允许极少的部分为磁体或导电体。例如，是否利用本质上是非磁性、非导电性的材料来形成绕线管材料，可通过电动机上是否存在齿槽效应(cogging)来判定。另夕卜，是否以本质上为非导电性材料来形成外壳材料，可以通过外壳材料引起的铁损(涡流损)是否在规定值(例如输入的)以下来判定。再者，在电机的构造材料中，如旋转轴和轴承部也存在优选由金属材料制成的部件。这里，所谓“构造材料”是指用于支承电机的形状而使用的部件，是指不包括小的部件或固定设备等的主要的部件。转子材料或外壳材料也是构造材料的一种。在实施例的电机中，除旋转轴和轴承部以外的主要构造材料可以由非磁性、非导电性的材料形成。B.驱动电路单元的结构图7是示出实施例中的驱动电路单元的内部结构的框图。该驱动电路单元500 具备CPU 110、驱动控制部100、再生控制部200、驱动电路150、整流电路250及电源单元 300。两个控制部100、200通过总线102与CPU 110连接。驱动控制部100与驱动电路150 是进行使电动机产生驱动力时的控制的电路。另外，再生控制部200与整流电路250是进行由电动机再生电力时的控制的电路。再生控制部200与整流电路250统称为“再生电路”。 另外，将驱动控制部100称为“驱动信号生成电路”。电源单元300是用于对驱动电路单元 500内的其它电路提供各种电源电压的电路。在图7中，为了便于图示，仅描绘出从电源单元300向驱动控制部100以及驱动电路150的电源配线，省略了向其它电路的电源配线。图8示出在驱动电路150(图7)中所包含的A相驱动电路120A与B相驱动电路 120B的结构。A相驱动电路120A是用于向A相线圈12A供给交流驱动信号DRVA1、DRVA2 的H型桥式电路。再者，标注在表示驱动信号的块的端子部分的白圈表示负逻辑即信号反转。另外，标有符号IA1、IA2的箭头分别表示通过Al驱动信号DRVAl与A2驱动信号DRVA2 而流动的电流方向。B相驱动电路120B的结构也与A相驱动电路120A的结构相同。图9是示出驱动控制部100(图7)的内部结构与动作的说明图。驱动控制部100 具备基本时钟生成电路510、1/N分频器520、PWM部530、正反转方向指示值寄存器M0、 乘法器550、编码器560、AD转换部570、电压指令值寄存器580及励磁区间设定部590。再者，驱动控制部100是生成A相用驱动信号与B相用驱动信号的电路，但在图9 (A)中，为了便于图示，仅描绘出A相的电路结构。对于B相也在驱动控制部100内设置有与A相相同的电路。基本时钟生成电路510是生成具有规定频率的时钟信号PCL的电路，例如由PLL 电路构成。分频器520产生具有该时钟信号PCL的1/N频率的时钟信号SDC。N值被设定为规定的恒定值。预先通过CPU 110在分频器520中设定该N值。PWM部530根据时钟信号PCL、SDC、由乘法器550供给的乘法运算值Ma、由正反方向指示值寄存器540供给的正反方向指示值RI、由编码器560供给的正负编码信号Pa、由励磁区间设定部590供给的励磁区间信号Ea，来生成交流驱动信号DRVA1、DRVA2(图8)。关于其动作在后面进行叙述。在正反转方向指示值寄存器MO内，通过CPU 110来设定表示电动机旋转方向的值RI。在本实施例中，在正反方向指示值RI为低电平时电动机正转，为高电平时反转。供给PWM部530的其它信号Ma、Pa、Ea如以下所示来进行确定。对AD转换部570供给磁传感器40A的输出SSA。该传感器输出SSA的范围例如是从GND (接地电位)到VDD (电源电压)，其中点( = VDD/^)是输出波形的中点(通过正弦波原点的点)。AD转换部570对该传感器输出SSA进行AD转换，生成传感器输出的数字值。AD转换部570的输出范围例如是Fi^h Oh (句尾的“h”表示16进制数)，中央值80h 相当于传感器波形的中点。编码器560对AD转换后的传感器输出值的范围进行转换，并且将传感器输出值的中点值设定为0。其结果，在编码器560中生成的传感器输出值叙取正侧的规定范围(例如+127 0)与负侧的规定范围(例如0 -127)的值。但是，由编码器560提供给乘法器阳0的值是传感器输出值fe的绝对值，其正负符号作为正负符号信号1 提供给PWM部 530。电压指令值寄存器580存储通过CPU 110设定的电压指令值私。该电压指令值私与后述的励磁区间信号fe —起作为设定电动机的施加电压的值来发挥作用，例如取0 1.0的值。假设在为了不设置非励磁区间、使整个区间都为励磁区间而设定了励磁区间信号 Ea的情况下，Ya = 0是指施加电压为零，私=1. 0是指施加电压为最大值。乘法器550将由编码器560输出的传感器输出值fe与电压指令值私相乘后取整，并将该乘法运算值Ma 提供给PWM部530。图9 (B) (E)示出乘法运算值Ma取各个值时的PWM部530的动作。这里，假定整个期间都为励磁区间而没有非励磁区间。PWM部530是在时钟信号SDC的1周期期间内产生占空比为Ma/N的一个脉冲的电路。S卩，如图9(B) (E)所示，随着乘法运算值Ma增大，驱动信号DRVA1、DRVA2的脉冲的占空比也增大。再者，第1驱动信号DRVAl是仅在传感器输出SSA为正时产生脉冲的信号，第2驱动信号DRVA2是仅在传感器输出SSA为负时产生脉冲的信号，但在图9(B) (E)中，合并记载了这些内容。另外，为了方便，将第2驱动信号DRVA2描绘为负侧的脉冲。图10㈧ (C)是示出传感器输出的波形与由PWM部530生成的驱动信号的波形的对应关系的说明图。图中，“Hiz”是指使电磁线圈处于未励磁状态的高阻抗状态。如在图9中所说明的那样，通过直接利用传感器输出SSA的模拟波形的PWM控制来生成驱动信号DRVA1、DRVA2。因此，使用这些驱动信号DRVAl、DRVA2，可以对各线圈供给表示与传感器输出SSA的变化对应的电平变化的有效电压。PWM部530还构成为仅在利用由励磁区间设定部590供给的励磁区间信号fe来表示的励磁区间内输出驱动信号，在励磁区间以外的区间(非励磁区间)不输出驱动信号。 图10 (C)示出通过励磁区间信号fe来设定励磁区间EP与非励磁区间NEP时的驱动信号波形。在励磁区间EP中一直产生图10(B)的驱动信号脉冲，在非励磁区间NEP中不产生驱动信号脉冲。这样，如果设定励磁区间EP与非励磁区间NEP，则在反电动势波形的中点附近 (即传感器输出的中点附近)未对线圈施加电压，因此，可进一步提高电动机的效率。再者， 励磁区间EP优选设定在以反电动势波形的波峰为中心的对称区间内，非励磁区间NEP优选设定在以反电动势波形的中点(中心点)为中心的对称区间内。再者，如前所述，如果将电压指令值私设定为不足1的值，则乘法计运值Ma与电压指令值私成比例地变小。因此，通过电压指令值私也可以调整有效的施加电压。由上述说明可知，在本实施例的电动机中，利用电压指令值私与励磁区间信号fe 双方可以调整施加电压。对于期望的施加电压与电压指令值私以及励磁区间信号fe的关系，优选预先作成表格存储在驱动电路单元500(图7)内的存储器。这样，驱动电路单元 500在从外部接收到期望的施加电压目标值时，CPU 110可根据该目标值将电压指令值私与励磁区间信号fe设定在驱动控制部100中。此外，不需要利用电压指令值私与励磁区间信号fe双方而仅利用某一方就能够进行施加电压的调整。图11是示出PWM部530(图9)的内部结构的一个例子的框图。PWM部530具备计数器531、EXOR电路533以及驱动波形形成部535。这些部进行如下工作。图12是示出电动机正转时的PWM部530的动作的时序图。在该图中表示有2个时钟信号PCL、SDC、正反方向指示值RI、励磁区间信号fe、乘法运算值Ma、正负符号信号1^、 计数器531内的计数值CM1、计数器531的输出S1、EX0R电路533的输出S2以及驱动波形形成部535的输出信号DRVA1、DRVA2。计数器531在时钟信号SDC的每个期间内，反复将计数值CMl与时钟信号PCL同步地减1计数到0的动作。计数值CMl的初始值被设定为乘法运算值Ma。再者，在图12中为了便于图示，还描绘负值来作为乘法运算值Ma，但在计数器531中所使用的值是其绝对值|Ma|。计数器531的输出Sl在计数值CMl不是0的情况下设定为高电平，当计数值CMl为0时，下降为低电平。EXOR电路533输出表示正负符号信号1 与正反方向指示值RI的异或值的信号 S2。在电动机正转的情况下，正反方向指示值RI为低电平。因此，EM)R电路533的输出S2 为与正负符号信号1 相同的信号。驱动波形形成部535根据计数器531的输出Si、EXOR 电路533的输出S2来生成驱动信号DRVA1、DRVA2。即，将计数器531的输出Sl在EXOR电路533的输出S2为低电平的期间的信号作为第1驱动信号DRVAl输出，将计数器531的输出Sl在输出S2为高电平的期间的信号作为第2驱动信号DRVA2输出。再者，在图12的右端部附近，励磁区间信号fe下降为低电平，由此设定非励磁区间NEP。因此，在该非励磁区间NEP中，驱动信号DRVAl、DRVA2均不输出，也能保持为高阻抗状态。图13是示出电动机反转时的PWM部530的动作的时序图。在电动机反转时，将正反方向指示值RI设定为高电平。其结果是，切换了图12中的2个驱动信号DRVA1、DRVA2， 由此可知电动机进行反转。图14是示出励磁区间设定部590的内部结构与动作的说明图。励磁区间设定部 590具有电子变阻器592、电压比较器594、596和OR电路598。电子变阻器592的电阻值 Rv由CPU 110进行设定。电子变阻器592的两端电压V1、V2被施加到电压比较器594、596中的一方的输入端子上。在电压比较器594、596中的另一方的输入端子上供给传感器输出 SSA。电压比较器594、596的输出信号Sp、Sn输入到OR电路598中。OR电路598的输出是用于区别励磁区间和非励磁区间的励磁区间信号Ea。图14⑶示出励磁区间设定部590的动作。电子变阻器592的两端电压V1、V2通过调节电阻值Rv而进行变更。具体而言，两端电压VI、V2被设定为与电压范围的中央值 (=VDD/2)的差分相等的值。在传感器输出SSA高于第1电压Vl的情况下，第1电压比较器594的输出Sp为高电平，另一方面，在传感器输出SSA低于第2电压V2的情况下，第 2电压比较器596的输出Sn为高电平。励磁区间信号fe是取这些输出信号Sp、Sn的逻辑和的信号。因此，如图14(B)的下部所示，励磁区间信号fe可使用为表示励磁区间EP与非励磁区间NEP的信号。通过CPU 110调整可变电阻值Rv来进行励磁区间EP与非励磁区间 NEP的设定。图15是示出对以矩形波来驱动第1实施例的电动机的情况与以正弦波来驱动第1 实施例的电动机的情况的各种信号波形进行比较的说明图。在矩形波驱动的情况下，对线圈给予矩形波的驱动电压。驱动电流在起动时接近矩形波，但当旋转速度上升时，驱动电流减少。这是因为随着旋转速度的上升，反电动势增加(图2)。但是，在矩形波驱动中，即使旋转速度上升，在驱动电压切换的时刻(相位附近的电流值也几乎没有减少，这样存在有相当大的电流流动的倾向。另一方面，在以正弦波来驱动的情况下，对驱动电压进行PWM控制，以使驱动电压的有效值为正弦波形状。驱动电流在起动时接近正弦波，但当旋转速度上升时，在反电动势的影响下驱动电流减少。在正弦波驱动中，在驱动电压极性切换的时刻(相位=ηπ)附近电流值大幅地减少。如图2中说明的那样，一般在驱动电压的极性切换的时刻附近，电动机能量转换效率较低。在正弦波驱动中，效率较低的期间内的电流值小于矩形波驱动时的电流值，所以能够以更高的效率来驱动电动机。图16示出在驱动电路150 (图7)中所包含的A相驱动电路120Α与B相驱动电路 120Β的其它构成例。该驱动电路120Α、120Β在构成图8所示的驱动电路120Α、120Β的晶体管的栅电极的前侧设有放大电路122。再者，晶体管的类型也与图8不同，但作为各晶体管可以使用任意的类型。为了使本实施例的电动机与转矩和转速相关地在较广的动作范围内进行驱动，优选可变地设定驱动电路120Α、120Β的电源电压VDD。在变更电源电压VDD的情况下，对各晶体管的栅电压所赋予的驱动信号DRVA1、DRVA2、DRVB1、DRVB2的电平也与其成比例改变。这样，可使用较大范围的电源电压VDD来驱动电动机。放大电路122是用于变更驱动信号DRVAl、DRVA2、DRVBl、DRVB2的电平的电路。此外优选图7所示的驱动电路单元500的电源单元300向驱动电路150供给可变的电源电压VDD。图17示出本实施例的电动机在无负载时的转速。由该图表可知，本实施例的电动机在无负载时在到达极低的转速之前以极稳定的转速旋转。其原因是，由于没有磁芯，所以不产生齿槽效应。图18是示出图7所示的再生控制部200与整流电路250的内部结构的图。再生控制部200具有与总线102连接的A相充电切换部202、B相充电切换部204以及电子变阻器206。对两个AND电路211、212的输入端子赋予两个充电切换部202、204的输出信号。A相充电切换部202在回收来自A相线圈12A的再生电力的情况下，输出“ 1”电平信号，在未回收的情况下输出“0”电平信号。B相充电切换部204也是同样。再者，通过 CPU 110来进行这些电平信号的切换。另外，来自A相线圈12A的再生的有无与来自B相线圈12B的再生的有无可以独立设定。因此，也可以例如使用A相线圈12A使电动机产生驱动力，同时由B相线圈12B再生电力。再者，驱动控制部100也同样可构成为独立地设定是否使用A相线圈12A产生驱动力、和是否使用B相线圈12B产生驱动力。这样，可以在利用2相线圈12A、12B中的任意一个产生驱动力的同时，利用另一个线圈再生电力的运转模式下来运转电动机。电子变阻器206的两端电压被施加于4个电压比较器221 224的两个输入端子中的一个上。向电压比较器221 224的另一个输入端子供给A相传感器信号SSA和B相传感器信号SSB。4个电压比较器221 224的输出信号TPA、BTA、TPB、BTB可称为“屏蔽信号”或“许可信号”。A相线圈用屏蔽信号TPA、BTA被输入OR电路231，B相线圈用屏蔽信号TPB、BTB被输入其它的OR电路232。这些OR电路231、232的输出被施加到上述的2个AND电路211、 212的输入端子上。这些AND电路211、212的输出信号MSKA、MSKB也称为“屏蔽信号”或
“许可信号”。然而，4个电压比较器221 2 与OR电路231、232的结构与排列2个图14所示的励磁区间设定部590内的电压比较器594、596与OR电路598的结构相同。因此，A相线圈用的OR电路231的输出信号具有与图14(B)所示的励磁区间信号fe相同的波形。另夕卜，在A相充电切换部202的输出信号为“1”电平的情况下，从A相线圈用AND电路211输出的屏蔽信号MSKA为与OR电路231的输出信号相同的信号。这些动作对于B相也是同样的。整流电路250作为A相线圈用电路具有包含多个二极管的全波整流电路252、两个选通晶体管261J62、缓冲电路271和倒相电路272 (NOT电路)。再者，在B相线圈用电路中也设有相同的电路。选通晶体管沈1、沈2与再生用电源配线280连接。在电力再生时用A相线圈12A所产生的交流电由全波整流电路252进行整流。向选通晶体管沈1、沈2的栅极赋予A相线圈用屏蔽信号MSKA和其反转信号，根据上述信号对选通晶体管261、262进行导通/截止控制。因此，在从电压比较器221、222输出的屏蔽信号TPA、BTA的至少一个为高电平的期间，将再生电力输出给电源配线观0，另一方面，在屏蔽信号TPA、BTA两者都为低电平的期间禁止电力再生。由以上说明可知，使用再生控制部200和整流电路250，可回收再生电力。另外， 再生控制部200和整流电路250根据A相线圈用屏蔽信号MSKA以及B相线圈用屏蔽信号 MSKB来限制回收来自A相线圈12A与B相线圈12B的再生电力的期间，由此可调整再生电力的量。如以上所述，在第1实施例的无刷电动机中，采用了以永久磁铁夹持多个电磁线圈两侧的结构，所以可增强电磁线圈位置上的磁场，可提高效率。C.第1实施例的电动机结构的变形例图19是示出作为第1实施例的第1变形例的无刷电动机的结构的说明图。在该无刷电动机的转子部30fe、30La中，在永久磁铁32fe、32W3的中央部分别设有向定子部10突出的凸部36(图19(B))。其它的结构与图1所示的电动机结构相同。永久磁铁32版、32证
13中央的凸部36具有与图19(D)所示的线圈12A、12B的有效线圈部ECP相当的宽度。线圈 12A、12B的有效线圈部ECP是产生有效驱动力的线圈部分，除此以外的线圈部分几乎不产生驱动力(在旋转式电动机中为旋转方向的力)。因此，通过在各永久磁铁上设置与有效线圈部ECP大致相同的宽度的凸部36，可以更有效地利用磁铁的磁场。图20是示出作为第1实施例的第2变形例的3相无刷电动机的结构的说明图。该无刷电动机中在定子部IOa具有3相线圈的方面与图1所示的电动机不同，转子部30U、30L 的结构与图1相同。如图20(D)所示，定子部IOa具有A相线圈12A、B相线圈12B和C相线圈12C的3层结构。这些3相线圈12A、12B、12C以2π/3的相位差进行配置。A相传感器40Α配置在2个A相线圈12Α中间的中央位置上。同样，B相传感器40Β也配置在2个B 相线圈12Β中间的中央位置上，C相传感器40C也配置在2个C相线圈12C中间的中央位置上。再者，没有必要以3层结构来配置3相线圈，例如，也可以以1层结构(即在相同的面上)来配置。但是，如果采用3层结构则能够配置更多的线圈，因此，具有能够产生很大转矩这样的优点。图21(A) (C)是示出图20的3相无刷电动机的正转动作的状态的说明图。图 21(A) (C)分别示出在相位即将为0、2 π/3、4 π/3时的状态。在3相驱动中，如我们所熟知，任一相的励磁方向按每个η/3期间进行反转。省略关于3相无刷电动机的反转动作的说明。图22是示出作为第1实施例的第3变形例的3相直线电动机的结构的说明图。 该直线电动机1000具备固定导向部1100和移动部1200。如图22(A)所示，在固定导向部 110的上部与下部沿着移动方向分别配置有多个永久磁铁32。移动部1200设置在被这些永久磁铁32上下夹持的位置上，该移动部1200设有3相线圈12A、12B、12C。另外，在各相相邻的线圈之间设置有磁传感器，但这里省略图示。如图22(B)所示，在移动部1200上设有驱动控制部1250。驱动控制部1250具有燃料电池等独立的电源装置(省略图示)。移动部1200通过轴承部1140被可滑动地保持在固定导向部1100。本发明的实施例也可以作为这样的直线电动机来实现。再者，直线电动机还可构成为2相无刷电动机。D.第2实施例的电动机结构与动作概要图23㈧ ⑶是示出作为第2实施例的无刷电动机的电动机主体的结构的剖视图。该电动机主体变更了图1所示的电动机的下部转子部30L的结构，其它的结构与图1 相同。如图23(A)、(D)所示，在下部转子部30Lb上取代永久磁铁设有由强磁体材料形成的磁性轭铁38。这些磁性轭铁38具有增强上部转子部30U的永久磁铁32所产生的磁场(特别是定子部10的位置上的磁场)的作用。由第1及第2实施例可知，可以在线圈两侧中的一侧设置永久磁铁，另一侧设置与永久磁铁共同增强线圈位置上的磁场的磁场强化部件。在图1所示的第1实施例中，永久磁铁32L具有磁场强化部件的功能，在图23所示第2实施例中，磁性轭铁38具有磁场强化部件的功能。在这些结构中，由于线圈位置上的磁场被强化，所以可提高无刷电动机中的磁场的利用效率从而使电动机效率提高。再者，如图23 (D)所示，磁性轭铁38也可以在与各个永久磁铁32U对置的位置上设有与永久磁铁32U相同的个数，或者，可以使用与多个永久磁铁对置的板状的磁性轭铁。 在后者的情况下，可以将一个平板状的轭铁部件作为与对多个永久磁铁的磁场强化部件来使用。再者，如图23(D)所示，各磁性轭铁38优选在与各个永久磁铁32U对置的位置上具有凸部。图对㈧ (D)是示出第2实施例的电动机的正转动作的状态的说明图。图 24(A) ⑶分别示出相位即将为0、π/2、π、3π/2的状态。该动作与图4所示的动作基本相同。反转动作也与图5所示的动作相同，因此省略。图25是示出第2实施例的第1变形例的电动机结构的说明图。该无刷电动机2000 构成为风扇电动机。即，在上部转子部30 的外周部上固定有叶片2100。再者，该上部转子部30 的永久磁铁32 具有向定子部10突出的凸部。如在图23中的说明，该凸部可进一步改善电动机效率。再者，第2实施例的无刷电动机还可实现为图20所示的3相电动机和图22所示的直线电动机。然而，在图22的直线电动机中，设置有电磁线圈的部件移动，设置有永久磁铁的部件被固定。这种关系与图1及图25所示的结构相反。即，在图1所示的电动机中，设置有电磁线圈的部件(定子部10)被固定，设置有永久磁铁(或磁性轭铁38)的部件(转子部30U、30L)移动。由这些例子可知，本发明实施例的电机可作为如下的各种电机来实现， 该各种电机的结构为具备设置有永久磁铁的第1部件(也称为“第1驱动部件”)、设置有电磁线圈的第2部件(也称为“第2驱动部件”)和设置有磁场强化部件(永久磁铁32L或磁性轭铁38)的第3部件(也称为“第3驱动部件”)，并且第1和第3驱动部件可相对于第2驱动部件相对地移动。E.变形例再者，本发明不限于上述的实施例或实施方式，在不脱离其主旨的范围内能够以各种方式来实施，例如也可以实现如下的变形。El.变形例 1 在上述实施例或变形例中关于2相无刷电动机和3相无刷电动机进行了说明，但本发明可以适用于任意相数M(M为1以上的整数)的无刷电动机。例如，在1相电动机中也可以适用本发明。1相电动机例如可通过省略图1电动机的2相线圈中的1相来实现。 再者，各相的线圈组只要包含至少1个电磁线圈即可，但优选包含2个以上的电磁线圈。E2.变形例 2:在上述实施例中利用了模拟磁传感器，但也可以使用具有多值模拟输出的数字磁传感器来取代模拟磁传感器。模拟磁传感器和具有多值输出的数字磁传感器在具有表示模拟变化的输出信号的方面是相同的。再者，在本说明书中，所谓“表示模拟变化的输出信号” 不是开或关的2值输出、而是包含具有3值以上的多个电平的数字输出信号和模拟输出信号的广义地进行使用的信号。再者，也可以取代具有表示模拟变化的输出信号的传感器，使用具有2值数字输出的数字磁传感器。在这种情况下，不需要图9的ADC部570和励磁区间设定部590。因此，不进行励磁区间的设定、不使用正弦波驱动波形，因此效率低下，还产生了振动/噪音， 不过能够利用便宜的IC来实现驱动控制电路。E3.变形例 3:作为PWM电路可以采用除图11所示的电路以外的各种电路结构。例如，可利用通过比较传感器输出与基准三角波来进行PWM控制的电路。另外，能够利用除PWM控制之外的方法来生成驱动信号。另外，还可以采用利用除PWM控制之外的方法来生成驱动信号的电路。例如，可以采用增大传感器输出来生成模拟驱动信号的电路。另外，对于图9，也可以将ADC部570变更为电压比较器(比较仪)。在这种情况下，由于成为矩形波驱动而不是正弦波驱动波形，所以效率下降还产生振动/噪音，不过能够以便宜的IC来实现驱动控制电路。E4.变形例 4:本发明也可以适用于不含有再生电路的电动机、或不含有驱动控制电路的发电机。作为具体例子，例如可适用于风扇电动机、钟表(指针驱动)、滚筒式洗衣机(单向驱动)、过山车、振动电动机等各种装置的电动机。在将本发明应用于风扇电动机上的情况下， 各种效果(低耗电、低振动、低噪音、低旋转不均、低发热、高寿命)特别显著。这种风扇电动机例如可以作为数字显示装置或车载设备、燃料电池式个人计算机、燃料电池式数码相机、燃料电池式摄像机、燃料电池式移动电话等燃料电池使用设备、放映机等各种装置的风扇电动机来进行使用。本发明的电动机还可以作为各种家电设备或电子器件的电动机来利用。例如，在光存储装置或磁存储装置、多面反射镜驱动装置等中，可以将本发明的电动机作为主轴电动机来使用。另外，本发明的电动机也可以作为移动体或机器人用的电动机来利用。图27是示出利用了本发明实施例的电动机的放映机的说明图。该放映机600具备发出红、绿、蓝3色光的3个光源610R、610G、610B ；分别调制这些3色光的3个液晶光阀640R、640G、640B ；合成调制后的3色光的合光棱镜650 ；向屏幕SC投射合成后的3色光的投射透镜系统660 ；用于冷却放映机内部的冷却风扇670 ；以及控制放映机600整体的控制部680。作为驱动冷却风扇670的电动机可利用上述的各种无刷电动机。图观㈧ (C)是示出利用了本发明实施例的电动机的燃料电池式移动电话的说明图。图^(A)示出移动电话700的外观，图^(B)示出内部结构的例子。移动电话700 具备控制移动电话700的动作的MPU 710、风扇720及燃料电池730。燃料电池730向MPU 710和风扇720供给电源。风扇720的用处是为了向燃料电池730供给空气而从移动电话 700的外部向内部送风，或者将由燃料电池730产生的水分从移动电话700的内部排出至外部。再者，如图观(C)所示，将风扇720配置在MPU 710上，可以冷却MPU 710。作为驱动风扇720的电动机，可以利用上述各种无刷电动机。图四是示出作为利用了本发明实施例的电动机/发电机的移动体的一个例子的电动自行车(电动助力自行车)的说明图。该自行车800在前轮上设置有电动机810，在车座下方的支架上设置有控制电路820和充电电池830。电动机810利用来自充电电池830 的电力来驱动前轮，由此来助力行驶。另外，在刹车时利用电动机810再生的电力对充电电池830充电。控制电路820是控制电动机的驱动与再生的电路。作为该电动机810，可以利用上述各种无刷电动机。图30是示出利用了本发明实施例的电动机的机器人的一个例子的说明图。该机器人900具有第1和第2手臂910、920、电动机930。在使作为被驱动部件的第2手臂920 水平旋转时使用该电动机930。作为该电动机930，可以利用上述的各种无刷电动机。
权利要求
1.一种无刷电机，其具备第1驱动部件，其具有Q个永久磁铁，其中Q为整数；第2驱动部件，其具有多个电磁线圈，并可相对所述第1驱动部件相对地进行移动； 第3驱动部件，其夹持着所述第2驱动部件而配置在与所述第1驱动部件相反的一侧， 并且其与所述第1驱动部件的相对位置关系被固定；磁传感器，其设置在所述第2驱动部件上，检测所述第1和第2驱动部件的相对位置；以及控制电路，其利用所述磁传感器的输出信号来控制所述无刷电机的动作， 所述第3驱动部件在与所述第1驱动部件的各永久磁铁对置的位置上，具有与所述各永久磁铁共同来增强所述第2驱动部件的位置处的磁场的磁场强化部件；所述多个电磁线圈具有包括第1线圈组和第2线圈组的2个两相的线圈组，每个线圈组包括N个电磁线圈，N为大于或等于1的整数，所述控制电路以η /2的相位差驱动所述2个线圈组，以使所述2个线圈组同时产生驱动力，所述永久磁铁的数目Q等于每个线圈组的电磁线圈的数目N。
2.根据权利要求1所述的无刷电机，其中， 所述磁场强化部件是永久磁铁。
3.根据权利要求1所述的无刷电机，其中， 所述磁场强化部件是强磁体。
4.根据权利要求1所述的无刷电机，其中，各永久磁铁具有向朝着所述第2驱动部件的一侧突出的突部。
5.根据权利要求1所述的无刷电机，其中，所述磁传感器是根据所述第1驱动部件和第2驱动部件的相对位置来输出表示模拟变化的输出信号的传感器。
6.根据权利要求5所述的无刷电机，其中，所述控制电路包括PWM控制电路，该PWM控制电路通过执行对所述磁传感器的输出信号的模拟变化进行利用的PWM控制，来生成对所述磁传感器的输出信号的模拟变化进行模拟的驱动信号。
7.根据权利要求1所述的无刷电机，其中，所述控制电路包括由所述电磁线圈再生电力的再生电路。
8.一种装置，其中，具备权利要求1所述的无刷电机；以及通过所述无刷电机来进行驱动的被驱动部件。
9.一种移动体，其中，具备权利要求1所述的无刷电机。
全文摘要
无刷电机，其具备第1驱动部件，具有Q个永久磁铁；第2驱动部件，具有多个电磁线圈，可相对第1驱动部件进行移动；第3驱动部件，夹持着第2驱动部件配置在与第1驱动部件相反一侧，与第1驱动部件的相对位置关系被固定；磁传感器，设置在第2驱动部件上，检测第1和第2驱动部件的相对位置；及控制电路，利用磁传感器的输出信号来控制无刷电机的动作，第3驱动部件在与第1驱动部件的各永久磁铁对置的位置上，具有与各永久磁铁共同来增强第2驱动部件的位置的磁场的磁场强化部件；多个电磁线圈具有包括第1线圈组和第2线圈组的2个两相的线圈组，每个线圈组包括N个电磁线圈，控制电路以π/2的相位差驱动2个线圈组，使2个线圈组同时产生驱动力；Q等于N。
文档编号H02K29/08GK102522871SQ201110363308
公开日2012年6月27日 申请日期2008年4月25日 优先权日2007年4月26日
发明者冈仓要次郎, 杉本守, 竹内启佐敏 申请人:精工爱普生株式会社