专利名称：Dc无刷电动机及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种DC无刷电动机及其控制方法，主要涉及一种使用压粉磁心作为铁心并通过单相的励磁来驱动的电动机。
背景技术：
电动机作为将电力转换成动力的部件，利用在机动车、家电及工业用途等广泛的领域。电动机具备作为非旋转部分的固定件和与输出轴一起旋转的旋转件，它们中包含有电磁线圈、磁铁、铁心。电动机根据产生驱动力的原理或结构而分为几个种类，其中之一的使用了永久磁铁的电动机被称为PM (Permanent Magnet)电动机,使用于特别广泛的领域。在该PM电动机中，在旋转件上设置所述永久磁铁，通过设于固定件的电磁线圈与所述永久磁铁发出的磁通的相互作用而产生旋转力。然而，电动机由于是动力源，因此强烈地希望小型化，由于其小型化而需要产生更强的磁力。为了得到该更强的磁力，需要发出强磁通的磁铁，例如在专利文献I中开发出一种使用了 Nd-Fe-B系的元素的磁铁(Nd ;钕，Fe ;铁，B ;硼)。然而,这些磁铁需要Dy (镝)、Nd等的高价且稀少的金属。另一方面，通过增大由电磁线圈产生的磁场也能够得到强的磁力(电磁力)。作为其手法，增大励磁电流或增加电磁线圈的匝数是有效的。然而，前者受到线圈的截面积的制约，后者受到对绕组进行卷绕的空间的制约，自然存在极限。因此，近年来，铁心使用了压粉磁心的电动机的开发不断进展。所述压粉磁心在软磁性用粉末的表面形成了绝缘皮膜之后，通过压粉成形和热处理来成形。在此，一直以来，在电动机中使用对电磁钢板进行冲裁、层叠的层叠磁心，该层叠磁心在层叠的方向上使磁通难以通过，而在板面内方向上使磁通容易通过，因此进行了平面内的磁路设计。相对于此，上述压粉磁心对软磁性用粉末进行压粉成形而成，因此磁特性为各向同性，可以说是能够进行三维的磁路设计的磁心材料。而且，压粉磁心通过压粉成形中的模具形状的变更或成形后的机械加工等而能够形成为任意的形状，因此通过三维的磁性设计能够实现电动机芯部形状的多样化，能够进行扁平型或小型的电动机的设计。作为有效利用这样的压粉磁心而实现小型化的电动机，例如在专利文献2至专利文献4中公开了一种使用三维磁路的爪齿(claw teeth)型电动机。根据所述专利文献2至专利文献4，以往，就在各个齿上卷绕有线圈的结构而言，在爪极型的铁心上内装圆环状的线圈，由此，所述公开的爪齿型电动机能够实现基于绕组密度提高、即基于磁力提高的小型化。而且，通过使用压粉磁心，能够进行交流磁场下的驱动，通过设为电角相互错开120°的三层结构的定子，而所述公开的爪齿型电动机也能够进行三相交流磁场下的无刷驱动。另一方面，在上述的专利文献2至专利文献4中，公开了一种使用了压粉磁心的爪极电动机。并且，固定件成为具有三维磁路的结构，该三维磁路的带有爪型磁极的压粉磁心将线圈包围，但是所述公开的爪极电动机是使用了三相的电流源的电动机，三个固定件沿着旋转轴方向排列，分别被分配一个电流相。因此，在各单相具有压粉磁心定子的三层结构是必须的，当要实现电动机的小型化时，需要减薄固定件的部件尺寸，即需要将压粉磁心的厚度至少减薄成1/3，在压粉磁心中，可能无法确保充分的强度(变脆)。因此，为了确保压粉磁心的强度，必须增大(增厚)部件形状，需要构成一个固定件的单相励磁型的电动机。然而，为了充分有效利用由线圈产生的磁力，定子优选成为突极，但是在突极磁心的单相励磁中，不产生旋转磁场，无法得到使旋转件旋转的转矩。而且，在专利文献2至专利文献4公开的磁心形状中，由线圈产生的围绕其周围的磁通的大多数不作为旋转转矩起作用，仅能利用流向交替啮合的上下的齿间的周向的漏磁通作为转矩，从而无法有效地利用磁通。另一方面，作为未使用所述永久磁铁的电动机，以往有使用SR (Switchedreluctance)的SR电动机。该SR电动机是利用了伴随着旋转的磁阻的变化引起的磁阻转矩的电动机，旋转件的突极对于接近的固定件的线圈依次切换(开关)通电而使该线圈旋转。因此，在该SR电动机中，由于旋转件未使用磁铁，因此具有低成本这样的优点，且磁铁的热退磁不会成为问题，因此与所述PM电动机相比，具有能够进行高温下的运转的优点。然而，该SR电动机也是在单相下无法旋转，而需要设为多层或多相结构。在先技术文献专利文献专利文献1:日本特开2009-43776号公报专利文献2:日本特开2006-333545号公报专利文献3:日本特开2007-325373号公报专利文献4:日本特开2009-142086号公报
发明内容
发明的概要本发明是鉴于上述的情况而作出的发明，其目的在于提供一种具有三维磁路，且能够实现更有效地利用磁力的电动机的DC无刷电动机及其控制方法，所述三维磁路包括具有突极的单一的固定件及电磁线圈。本发明的DC无刷电动机具备:固定件，其具备隔着单一的励磁线圈而在旋转轴方向的两侧配置的各主体；旋转件，其设置在所述固定件的内部，在所述固定件的各主体形成第一及第二磁心，所述第一及第二磁心具有作为磁极的突起即互不相同的个数的突起，所述DC无刷电动机以相对于在所述励磁线圈的周围产生的磁通的流动的、所述固定件与所述旋转件之间的磁阻变化为驱动力。而且，本发明的DC无刷电动机的控制方法是在环状的导电体夹设有整流元件而成的感应线圈在第二磁心的突起的周围分别设置的上述的DC无刷电动机的控制方法，所述感应线圈的整流元件为了接通而具有充分的上升时间及波高，并将与作为目标的旋转方向对应的极性的脉冲状的电流向所述励磁线圈施加。这样的结构的DC无刷电动机及其控制方法具有三维磁路，并能够更有效地利用磁力，该三维磁路包括具有突极的单一的固定件及电磁线圈。上述以及其他的本发明的目的、特征及优点通过以下的详细的记载和附图而更为明确。
图1是将实施方式的DC无刷电动机的局部切口而表示的立体图。图2是图1所示的所述DC无刷电动机的轴线方向剖视图。图3是图1所示的所述DC无刷电动机的第一磁心的位置处的轴直角剖视图。图4是图1所示的所述DC无刷电动机的第二磁心的位置处的轴直角剖视图。图5是用于说明图1所示的所述DC无刷电动机中的起动线圈的结构的立体图。图6是图1所示的所述DC无刷电动机的等效电路图。图7是表示图1所示的所述DC无刷电动机中的设于所述起动线圈的整流元件的施加电压与电流的关系的坐标图。图8是表示图1所示的所述DC无刷电动机的向所述励磁线圈通电时的磁通的流动的磁场解析结果的图。图9是表不旋转件及第一磁心的磁极数为4,第二磁心的磁极数为8,相对于旋转件的磁极的周期的、磁极宽度为50%时的伴随着旋转的电感的计算结果的图。图10是表不旋转件及第一磁心的磁极数为4,第二磁心的磁极数为8,相对于旋转件的磁极的周期的、磁极宽度为55%时的伴随着旋转的电感的计算结果的图。图11是表不旋转件及第一磁心的磁极数为4,第二磁心的磁极数为8,相对于旋转件的磁极的周期的、磁极宽度为60%时的伴随着旋转的电感的计算结果的图。图12是表不旋转件及第一磁心的磁极数为4,第二磁心的磁极数为8,相对于旋转件的磁极的周期的、磁极宽度为65%时的伴随着旋转的电感的计算结果的图。图13是表不旋转件及第一磁心的磁极数为4,第二磁心的磁极数为8,相对于旋转件的磁极的周期的、磁极宽度为70%时的伴随着旋转的电感的计算结果的图。图14是表不旋转件及第一磁心的磁极数为4,第二磁心的磁极数为8,相对于旋转件的磁极的周期的、磁极宽度为60 %的情况下，在固定件的两个磁心中，第二磁心相对于第一磁心的磁极配置移动了 ±11.25°时的伴随着旋转的电感变化的图。图15是表不旋转件及第一磁心的磁极数为4,第二磁心的磁极数为8,相对于旋转件的磁极的周期的、磁极宽度为60 %的情况下，在固定件的两个磁心中，第二磁心相对于第一磁心的磁极配置移动了 ±16.9°时的伴随着旋转的电感变化的图。图16是表不旋转件及第一磁心的磁极数为4,第二磁心的磁极数为8,相对于旋转件的磁极的周期的、磁极宽度为60 %的情况下，在固定件的两个磁心中，第二磁心相对于第一磁心的磁极配置移动了 ±25°时的伴随着旋转的电感变化的图。图17是表示旋转件及第一磁心的磁极数为2，第二磁心的磁极数为4时的伴随着旋转的电感变化的图。图18是表示旋转件及第一磁心的磁极数为3，第二磁心的磁极数为6时的伴随着旋转的电感变化的图。图19是表示旋转件及第一磁心的磁极数为5，第二磁心的磁极数为10时的伴随着旋转的电感变化的图。图20是表示旋转件及第一磁心的磁极数为6，第二磁心的磁极数为12时的伴随着旋转的电感变化的图。图21是表示图1所示的所述DC无刷电动机的驱动电路的一结构例的框图。
图22是用于说明伴随着旋转的驱动控制动作的图。图23是用于说明基于图21所示的所述驱动电路的DC无刷电动机的起动方法的图。
具体实施例方式以下，基于附图，说明本发明的实施的一方式。需要说明的是，在各图中标注同一符号的结构表示同一结构，适当省略其说明。而且，在本说明书中，在总称时，由省略了附加字符的参照符号表示，在表示个别的结构时，由带有附加字符的参照符号表示。图1是将实施方式的DC无刷电动机I的局部切口而表示的立体图，图2是该DC无刷电动机I的轴线方向剖视图，图3是该DC无刷电动机I的第一磁心31的位置处的轴直角剖视图，图4是该DC无刷电动机I的第二磁心32的位置处的轴直角剖视图。该DC无刷电动机I是一种如下的电动机，大体包括具有单一的励磁线圈2的固定件3、在该固定件3的内部与该固定件3同轴地设置的内转子的旋转件4、起动用线圈5(5a、5b)，并进行SR动作，该SR动作以相·对于励磁线圈2的周围产生的磁通的流动的、固定件3与旋转件4之间的磁阻变化为驱动力。并且，在该DC无刷电动机I中，为了以所述单体来实现励磁线圈2，而采用以下的结构。首先，励磁线圈2为单体，当未产生旋转磁场时，根据旋转角度的不同，有时在静止状态下未得到转矩，无法自行起动。S卩，SR电动机(Switched reluctance电动机)以磁阻变化为驱动力进行旋转，在没有磁阻变化的旋转角度位置处无法得到转矩，在旋转中，例如在以恒定速度旋转的旋转中，即使是没有转矩的旋转角，也能够通过惯性进行旋转，但是在静止状态下，在没有转矩的旋转角时，无法起动。因此，SR电动机在固定件和旋转件这双方具备突极(磁极)。并且，在这样的DC无刷电动机I中，旋转件4正如通常那样，具备:基部41 ;从该基部41向半径方向外方侧延伸而沿着周向等间隔地形成，且作为磁极的多个(在图1至图4的例子中为4个)突起42。另一方面，固定件3具备隔着圆环状的励磁线圈2而配置在旋转轴Z方向的两侧的第一及第二磁心31、32，在所述第一及第二磁心31、32中，作为磁极的突起311、321的个数在所述第一磁心31与第二磁心32之间为不同的个数，由此能够进行所述单一的励磁线圈2的驱动。例如，在图1至图4的例子中，第一磁心31是与旋转件4同数的4个，第二磁心32是第一磁心32的2倍的8个。第一及第二磁心31、32具备:形成为圆环状的主体312,322 ;从该主体312、322向半径方向内方侧延伸，且沿着周向形成多个的突起311、321。因此，就在励磁线圈2的旋转轴Z方向的两侧配置的两个磁心31、32而言，在通常的爪齿电动机中，沿着轴向延伸的爪极规则性地交替加入而排列，所述磁通的流动通过旋转件而成为直径方向，相对于此，在本实施方式中，作为磁极的突起311、321是从形成为圆环状的主体312、322向半径方向内方侧延伸的突极，因此所述磁通的流动如图2所示，由从第一磁心31 (第二磁心32)的突起311(321)加入的旋转件4的同侧，向第二磁心32 (第一磁心31)的突起321(311)泄漏。并且，在所述第一磁心31和第二磁心32中，突起311、321的个数不同，由此，即使在未产生旋转磁场的由单一的励磁线圈2构成的DC无刷电动机I中，也能使任一个磁极间产生周向的旋转转矩，从而能够进行所述单一的励磁线圈2的驱动。
这样的话，实现由单一的励磁线圈2及固定件3构成的小型、简单的结构，且能够进行基于单相励磁的驱动的DC无刷电动机I。而且，为了进行SR动作，即使如上述那样为单相励磁，也可以将固定件3的磁极设为突极，通过该突极来有效地利用磁通，从而能够实现高效率化。此外，该DC无刷电动机I由于为简单的结构，因此生产性高，SR电动机如上述那样以旋转件4与固定件3的磁阻变化为驱动力，不需要永久磁铁，而能得到旋转件4的旋转所需的转矩，因此在工业用及民生用所需的动力源即DC无刷电动机中，具有节约稀土类磁铁等中的稀有金属的效果。在表I中，示出了本实施方式的DC无刷电动机I与现有技术的各类型的电动机的比较结果。[表 I][表 I]
权利要求
1.一种DC无刷电动机,其特征在于,具备: 具有单一的励磁线圈的固定件； 同轴地设置在所述固定件的内部的旋转件， 所述旋转件具备:基部；从所述基部向半径方向外方侧延伸而沿着周向等间隔地形成，且作为磁极的多个突起， 所述固定件具备:圆环状的所述励磁线圈；第一磁心及第二磁心，它们具有隔着所述励磁线圈而配置在旋转轴方向的两侧，且形成为圆环状的主体、和从所述主体向半径方向内方侧延伸，沿着周向形成多个，且作为磁极的突起， 所述第一磁心与第二磁心的突起数互不相同， 以相对于在所述励磁线圈的周围产生的磁通的流动的、所述固定件与所述旋转件之间的磁阻变化为驱动力。
2.根据权利要求1所述的DC无刷电动机，其特征在于， 所述第一磁心的突起与旋转件的突起为同数， 所述第二磁心的突 起为旋转件的突起的2倍的个数， 通过在环状的导电体夹设有整流元件而成的感应线圈分别设置在所述第二磁心的突起的周围， 所述整流元件以使由该整流元件产生的通电方向的限制按照相邻的各磁极成为相反的方式配置。
3.根据权利要求2所述的DC无刷电动机，其特征在于， 所述第二磁心的突起以两个为一对，并以对应的第一磁心的突起为中心而沿着周向均等地错开配置。
4.根据权利要求2或3所述的DC无刷电动机，其特征在于， 在由所述旋转件的突起的前端实现的轨迹的圆筒面中，该前端的周向长度为50%以上且65%以下。
5.根据权利要求2或3所述的DC无刷电动机，其特征在于， 所述励磁线圈通过将带状的导体构件以其宽度方向沿着该励磁线圈的旋转轴方向的方式卷绕而成。
6.根据权利要求2或3所述的DC无刷电动机，其特征在于， 所述感应线圈中的导电体为具备支柱和两个环体的一体的篮型结构，该支柱沿着旋转轴方向延伸，且在各所述第二磁心的突起的两侧配置，该两个环体与所述支柱的两端分别结合，且在所述突起的上下配置， 所述整流元件夹设于第一磁心及第二磁心间的环体，所述环体将各磁极的周围包围。
7.根据权利要求2或3所述的DC无刷电动机，其特征在于， 所述第一磁心及第二磁心以及旋转件是由铁基软磁性粉末构成的压粉磁心、铁氧体磁心以及由使软磁性合金粉末分散在树脂中的软磁性材料构成的磁心中的任一个。
8.根据权利要求2或3所述的DC无刷电动机，其特征在于， 将所述固定件沿着旋转轴方向层叠多个。
9.根据权利要求2或3所述的DC无刷电动机，其特征在于， 所述第一磁心及第二磁心的至少一方的主体的周向截面形成为L字型。
10.一种DC无刷电动机的控制方法，是权利要求2或3所述的DC无刷电动机的控制方法，其特征在于， 所述感应线圈的整流元件为了接通而具有充分的上升时间及波高，并将与作为目标的旋转方向对应的极性的脉冲状的电流向所述励磁线圈施加，由此使所述旋转件向目标旋转方向起动。
11.根据权利要求10所述的DC无刷电动机的控制方法，其特征在于， 在相对于旋转件的目标旋转方向而所述旋转件的旋转角度位置从所述固定件与该旋转件之间产生的电感特性不增加的位置旋转时，用于使所述旋转件反转至向目标旋转方向电感增加的角度的电流事先向所述励磁线圈流动，在到达向所述目标旋转方向电感增加的角度后，施加所述的脉冲状的电流。
12.根据权利要求10所述的DC无刷电动机的控制方法，其特征在于， 在所述旋转件开始旋转后，仅在向所述目标旋转方向电感增加的角度区域中，使与旋转方向相同符号的电流流过所述励磁线圈，由此，所述旋转件向所述目标旋转方向维持旋转速度。
13.根据权利要求10所述的DC无刷电动机的控制方法，其特征在于， 所述感应线圈的整流元件为了接通而具有充分的上升时间和波高，并使与目标旋转方向对应的极性的电流流过所述励磁线圈，由此，能够进行与负载转矩对应的转矩控制及超过轻负载转矩下的额定转速的 高速旋转控制中的任一控制。
全文摘要
本发明的DC无刷电动机(1)具备固定件(3)，其具备隔着单一的励磁线圈(2)而在旋转轴方向的两侧配置的各主体(312、322)；旋转件(4)，其设置在固定件(3)的内部，在各主体(312、322)形成第一及第二磁心(31、32)，所述第一及第二磁心(31、32)具有作为磁极的互不相同的个数的突起(311、321)，以相对于在励磁线圈(2)的周围产生的磁通的流动的、固定件(3)与旋转件(4)之间的磁阻变化为驱动力。而且，本发明的DC无刷电动机(1)的控制方法是在具有整流元件(52(52a、52b))的起动线圈(5(5a、5b))在突起(321)的周围分别设置的上述的DC无刷电动机(1)的控制方法，起动线圈(5)的整流元件(52)为了接通而具有充分的上升时间及波高，并将与作为目标的旋转方向对应的极性的脉冲状的电流向励磁线圈(2)施加。
文档编号H02K19/12GK103222164SQ20118005410
公开日2013年7月24日 申请日期2011年10月4日 优先权日2010年11月9日
发明者宫村刚夫, 井上宪一, 筒井昭, 桥本裕志, 三谷宏幸, 财津享司 申请人:株式会社神户制钢所