专利名称：无刷直流电机及其旋转驱动方法
技术领域：
本发明涉及无刷直流电机，特别是关于起动性能优良、旨在减少旋转不稳的径向间隙型无刷直流电机结构及其旋转驱动法。
以往这种径向间隙型无刷直流电机，如图34所示，转子51由杯状后座52、贴在该后座内周面上的环状永久磁铁53和用轴衬54嵌装在该后座52中心处的轴55所构成。另外，图中56表示转盘。
定子57又如图35所示，由以软磁性金属板构成的第1及第2定子座58、59和设置于两定子座58、59之间的线圈部60所构成。两定子座58，59从中央部向外辐射延伸并形成弯成直角的磁板片即极齿58a、59a。在中央部，连接部61、62沿极齿58a、59a的弯曲方向形成一体。图中表示电机为四极时的情况。
另外，定子57的第1定子座58与第2定子座59，可通过中间设置线圈部60进行组装，让连接部61与另一个连接部62结合，并通过磁性结合构成磁路，再按与转子51的永久磁铁53周面保持所定间隙，沿圆周方向交替配置第1定子座58与第2定子座59的极齿58a和极齿59a。
再者，定子57的连接部61内装有套筒63，套筒63内通过轴承64以撑转子51的轴55。套筒63的下端部嵌装着底板65，支持定子57，而且电路底板66也紧固在底板65上。此外，图中67表示霍尔元件，它是检测转子磁极的传感器。G表示间隙。
但是，以往的无刷直流电机，如图36及图37(a)所示，通常一方定子座的极齿Xx的极齿宽度a与另一方定子座的极齿Yy的极齿宽度b相同，而且从上述极齿Xx至上述另一极齿Yy的极齿间距C与上述极齿Yy至上述极齿Xx的极齿间距d设置得相等。即以相等的间隔组合宽度相等的极齿来构成。试分析此情况下的转矩曲线(纵轴转矩T、横轴机械角θ)，图37(b)中，以实线表示的齿槽效应转矩(在无激磁状态下由磁铁与定子座的吸引所产生的转矩)为转子转一个磁极即从0点(不稳定点△记号)出发经A点(稳定点○记号)至电角度下为180度(机械角下为1个磁极)的B点(不稳定点△记号)的轨迹中，自A点开始，因负转矩起作用，转子上产生返转力，而使其逆向旋转，则在正转矩作用下，产生向A点的力。设霍尔元件的位置为C点，则在该C点处极性转换，从而用虚线表示的发生转矩(是通电时产生的转矩，为由线圈电流产生的激磁转矩与齿槽效应转矩之和)在C点处如图所示跌落，在图示斜线部分产生负转矩，并经B点向前。一旦产生负转矩，必产生死点(不能自起动的点)。该死点在图示情况下为B点。转子在设有负载情况下，在稳定点A点处停止，但在外部加负载的情况下，常不限于在A点处停止，因此，若在B点处停止，即使通电，电机也不能旋转。
一般来说，电机被用来作为作动器，如上文所述那样加上某些负载后，转子常不只限于在所谓稳定点处停止，所以会产生死点，而且转子一处于该死点，就会出现几乎所有场合都不能使用电机的不好情况。
作为自动起性可得到改善的技术，一般采用的结构是将永磁转子的静止稳定位置偏离激磁转矩零位，并将定子座安排成在形成空气隙的圆周上产生磁性不平衡。
其中，如特许公开昭64-23754号公报所记载的技术方案，采用相等极齿宽度的定子座，其极齿的配置间隔不等。用此技术，虽能达到自起动性的改善，但由于不能消除极性转换处的负转矩，依然存在死点。
另一方面，作为旨在消除负转矩的技术方案，已知有特许公开昭60-229637号公报、特许公开昭61-150643号公报、特许公开昭61-4454号公报等记载的技术。这是通过把极齿形状做成特殊的，使在激磁状态下不产生负转矩。
但是，这些技术，因极齿形状复杂，难加工，结果不易提高精度，并存在磁控制乃至旋转控制都困难的缺点。
对此，已知特许公开昭63-144788号公报记载有通过对电机驱动电路想办法，改良自起动特性。这一般是在用霍尔元件转换电机线圈检测输出的情况下，为了消除因霍尔元件输出转换时间过慢或过快引起的自起动性劣化，进行在转换时赋予不通电期间的控制。确实，通过在转换时赋予不通电期间的控制，能避开负转矩的产生，但也存在当霍尔元件的检出信号电压值变动时，此不通电期间就随之变动，反而产生大负转矩的不良情况。
此外，一般来说，以往这种径向间隙型无刷直流电机，主要着眼于消除不能起动点，对减少旋转不稳尚未有具体的方法。对此，前述特许公开昭61-150643号公报所记载的电机中，虽试图在第1极齿和第2极齿间设置第3极齿，以减少旋转不稳，但是如上所述，由于极齿形状复杂难加工，结果难以提高加工精度，还存在磁控制乃至旋转控制都困难的缺点，所以不实际。
因此，本发明鉴于上述情况，目的在于提供一种能以较简单的结构获得自起动性的改善，同时又能减少旋转不稳的电机结构及电机的旋转驱动法。
本申请人以前曾提出过将软磁性金属板构成的第1及第2定子座的形状做成一样来达到上述目的的方案(特许申请平3-297411号)。此方案如图38所示那样，在交替配置第1定子座58和第2定子座59的极齿58a和极齿59a且极齿58a、59a的极齿宽度做成相等的电机中，将齿槽效应转矩静止稳定点位置做在线圈通电而产生激磁转矩的最大转矩点附近，并将检测永磁铁磁极的传感器的位置设在偏离对面极齿中间的地方，因而能自起动。具体地说，该方案将极齿宽度m和永久磁铁53的极间距P之比(m/p)定为75-85%。
本发明提出了这样一种电机结构和电机驱动法，它不拘泥于极齿宽度m与永久磁铁极间距P之比(m/p)，也就是说，使若干结构与特许申请平3-297411号不同，让第1及第2定子座的极齿的形状相互不断变更，但极齿形状不做得像以往那样复杂，而是有规律性的，所以容易提高加工精度，磁控制乃至旋转控制也不难进行。
为达到上述目的，本发明无刷直流电机的结构为机内具有(1)沿圆周方向交替又等间距地设置N极和S极的多极充磁圆筒状或者弓形永磁转子、(2)由两个定子座面对面构成，且各定子座将软磁性金属板弯曲，形成上述永磁转子极数之半的极齿，同时由这些极齿组合而成的定子、(3)被定子座夹持、用以激励上述定子的圆管状线圈，并将上述两定子座X、Y各自的极齿Xx、Yy，……中邻接的两个极齿Xx、Yy设定为一个极齿组，同时使上述极齿Xx的极齿宽度a与上述极齿Yy的极齿宽度b为不等宽，而且依次连结各极齿Xx、Yy……的中间点的极齿间距c、d、c、d……中的极齿间距C与极齿间距d为不等间距，又使上述各个极齿组的极齿Xx、Yy中，处于上述永磁转子的旋转方向一侧的极齿Xx的极齿宽度a，比另一方极齿Yy的极齿宽度b大，同时由上述一方极齿Xx至上述另一方极齿Yy的极齿间距c，比由上述另一方极齿Yy至上述一方极齿Xx的极齿间距d小;
在这样构成的无刷直流电机中，再将上述极齿宽度a与极间距P的比(a/p)、极齿宽度a与上述极齿宽度b的比(b/a)以及上述极齿间距c与极齿间距d的比(c/d)设定在所定范围内，从而能产生起动转矩。
这里，将极齿Xx、Yy……中邻接的两个极齿Xx、Yy设定为一个极齿组的缘由在于极齿系列Xx、Yy……为圆环状，分不清哪个极齿可作基点，所以必须如上述那样为达到a＞b、c＞d而设定基点，形成系统。
本发明无刷直流电机的旋转驱动法为机内具有(1)沿圆周方向交替又等间距地设置N极和S极的多极充磁圆筒状或者弓形永磁转子、(2)由两个定子座面对面构成，且各定子座将软磁性金属板弯曲，形成上述永磁转子极数之半的极齿，同时由这些极齿组合而成的定子、(3)被定子座夹持、用以激励上述定子的圆管状线圈，并将上述两定子座X、Y各自的极齿Xx、Yy，……中邻接的两个极齿Xx、Yy设定为一个极齿组，同时使上述极齿Xx的极齿宽度a与上述极齿Yy的极齿宽度b为不等宽，而且依次连结各极齿Xx、Yy……的中间点的极齿间距c、d、c、d……中的极齿间距C与极齿间距d为不等间距，又使上述各个极齿组的极齿Xx、Yy中，处于上述永磁转子的旋转方向一侧的极齿Xx的极齿宽度a，比另一方极齿Yy的极齿宽度b大，同时由上述一方极齿Xx至上述另一方极齿Yy的极齿间距c，比由上述另一方极齿Yy至上述一方极齿Xx的极齿间距d小;
如此构成的无刷直流电机中，让上述线圈电流的转换在上述齿槽效应转矩的几个正峰值中绝对值大的峰值处或者其近旁处进行。
另外，本说明书中，所谓“线圈电流转换”，是指电机的旋转驱动为单相双极驱动的情况下，转换流向线圈的电流方向，而在二相、三相……单极驱动等情况下，指改换通电流的线圈。
本发明无刷直流电机的旋转驱动法也可为如下所述机内具有(1)沿圆周方向交替又等间距地设置N极和S极的多极充磁圆筒状或者弓形永磁转子、(2)由两个定子座面对面构成，且各定子座将软磁性金属板弯曲，形成上述永磁转子极数之半的极齿，同时由这些极齿组合而成的定子、(3)被定子座夹持、用以激励上述定子的圆管状线圈，并将上述两定子座X、Y各自的极齿Xx、Yy，……中邻接的两个极齿Xx、Yy设定为一个极齿组，同时使上述极齿Xx的极齿宽度a与上述极齿Yy的极齿宽度b为不等宽，而且依次连结各极齿Xx、Yy……的中间点的极齿间距c、d、c、d……中的极齿间距C与极齿间距d为不等间距，又使上述各个极齿组的极齿Xx、Yy中，处于上述永磁转子的旋转方向一侧的极齿Xx的极齿宽度a，比另一方极齿Yy的极齿宽度b大，同时由上述一方极齿Xx至上述另一方极齿Yy的极齿间距c，比由上述另一方极齿Yy至上述一方极齿Xx的极齿间距d小;
如此构成的无刷直流电机中，让上述线圈电流转换在上述线圈电流所产生的激磁转矩为零的位置或者其近旁处进行。
本发明无刷直流电机的旋转驱动法还可为如下所述机内具有(1)沿圆周方向交替又等间距地设置N极和S极的多极充磁圆筒状或者弓形永磁转子、(2)由两个定子座面对面构成，且各定子座将软磁性金属板弯曲，形成上述永磁转子极数之半的极齿，同时由这些极齿组合而成的定子、(3)被定子座夹持、用以激励上述定子的圆管状线圈，并将上述两定子座X、Y各自的极齿Xx、Yy，……中邻接的两个极齿Xx、Yy设定为一个极齿组，同时使上述极齿Xx的极齿宽度a与上述极齿Yy的极齿宽度b为不等宽，而且依次连结各极齿Xx、Yy……的中间点的极齿间距c、d、c、d……中的极齿间距C与极齿间距d为不等间距，又使上述各个极齿组的极齿Xx、Yy中，处于上述永磁转子的旋转方向一侧的极齿Xx的极齿宽度a，比另一方极齿Yy的极齿宽度b大，同时由上述一方极齿Xx至上述另一方极齿Yy的极齿间距c，比由上述另一方极齿Yy至上述一方极齿Xx的极齿间距d小;
如此构成的无刷直流电机上，让上述线圈电流转换在上述齿槽效应转矩的正向峰值近旁处进行，同时在该线圈电流转换时，设置不通电的时间。
本发明无刷直流电机也可为以下所述结构;
机内具有(1)沿圆周方向交替又等间距地设置N极和S极的多极充磁圆筒状或者弓形永磁转子、(2)由两个定子座面对面构成，且各定子座将软磁性金属板弯曲，形成上述永磁转子极数之半的极齿，同时由这些极齿组合而成的定子、(3)被定子座夹持、用以激励上述定子的圆管状线圈，并将上述两定子座X、Y各自的极齿Xx、Yy，……中邻接的两个极齿Xx、Yy设定为一个极齿组，同时使上述极齿Xx的极齿宽度a与上述极齿Yy的极齿宽度b为不等宽，而且依次连结各极齿Xx、Yy……的中间点的极齿间距c、d、c、d……中的极齿间距C与极齿间距d为不等间距，又使上述各个极齿组的极齿Xx、Yy中，处于上述永磁转子的旋转方向一侧的极齿Xx的极齿宽度a，比另一方极齿Yy的极齿宽度b大，同时由上述一方极齿Xx至上述另一方极齿Yy的极齿间距c，比由上述另一方极齿Yy至上述一方极齿Xx的极齿间距d小;
如此构成的无刷直流电机上，使上述极齿宽度a与极间距p之比(a/p)、极齿宽度a与上述极齿宽度b之比(b/a)、以及上述极齿间距c与极齿间距d之比(c/d)设定在所定范围内，从而能减少旋转不稳。
本发明无刷直流电机还可以为如下所述结构机内具有(1)沿圆周方向交替又等间距地设置N极和S极的多极充磁圆筒状或者弓形永磁转子、(2)由两个定子座面对面构成，且各定子座将软磁性金属板弯曲，形成上述永磁转子极数之半的极齿，同时由这些极齿组合而成的定子、(3)被定子座夹持、用以激励上述定子的圆管状线圈，并将上述两定子座X、Y各自的极齿Xx、Yy，……中邻接的两个极齿Xx、Yy设定为一个极齿组，同时使上述极齿Xx的极齿宽度a与上述极齿Yy的极齿宽度b为不等宽，而且依次连结各极齿Xx、Yy……的中间点的极齿间距c、d、c、d……中的极齿间距C与极齿间距d为不等间距，又使上述各个极齿组的极齿Xx、Yy中，处于上述永磁转子的旋转方向一侧的极齿Xx的极齿宽度a，比另一方极齿Yy的极齿宽度b大，同时由上述一方极齿Xx至上述另一方极齿Yy的极齿间距c，比由上述另一方极齿Yy至上述一方极齿Xx的极齿间距d小;
如此构成的无刷直流电机上，让上述极齿宽度a与极间距p之比(a/p)、极齿宽度a与上述极齿宽度b之比(b/a)以及上述极齿间距c与极齿间距d之比(c/d)设定在所定范围内，从而能产生起动转矩，同时能减少旋转不稳。
附图简要说明
图1是表示无刷直流电机的纵向截面图。
图2是无刷直流电机的分解截面图。
图3是表示无刷直流电机驱动电路一例的电路图。
图4是表示定子座和磁铁的平面图。
图5表示极齿的展开图及转矩曲线。
图6表示极齿的展开图及转矩曲线。
图7表示极齿的展开图及转矩曲线。
图8表示极齿的展开图及转矩曲线。
图9表示极齿的展开图及转矩曲线。
图10表示极齿的展开图及转矩曲线。
图11表示极齿的展开图及转矩曲线。
图12表示极齿的展开图及转矩曲线。
图13表示极齿的展开图及转矩曲线。
图14表示极齿的展开图及转矩曲线。
图15表示转矩曲线。
图16表示转矩曲线。
图17表示转矩曲线。
图18表示转矩曲线。
图19是采用不通电路的二相单极型电机驱动电路。
图20是不通电电路的方框图。
图21是表示不通电电路的定时图。
图22表示a/p＝1.0时的自起动特性。
图23表示a/p＝0.95时的自起动特性。
图24表示a/p＝0.90时的自起动特性。
图25表示a/p＝0.85时的自起动特性。
图26表示a/p＝0.80时的自起动特性。
图27表示a/p＝0.75时的自起动特性。
图28表示a/p＝1.0时的旋转不稳发生状态。
图29表示a/p＝0.95时的旋转不稳发生状态。
图30表示a/p＝0.90时的旋转不稳发生状态。
图31表示a/p＝0.85时的旋转不稳发生状态。
图32表示a/p＝0.80时的旋转不稳发生状态。
图33表示a/p＝0.75时的旋转不稳发生状态。
图34是表示以往无刷直流电机的纵向截面图。
图35是表示以往无刷直流电机的分解截面图。
图36是表示定子座和磁铁的平面图。
图37是极齿的展开图和表示转矩曲线之图。
图38是表示定子座和磁铁的平面图。
图1中，无刷直流电机1由转子2与定子10组合构成，转子2又由杯状后座4、贴在该后座内周面上的环状永久磁铁5及压进后座4中心的轴3构成。6为转盘、7为卡紧磁铁。
定子10由下述部分构成图1和图2中上侧的第1定子座X、线圈部12，下侧的第2定子座Y、套筒17以及支承轴3自如旋转的轴承18。
两定子座X、Y用软磁性金属板做成，通过冲压成所定形状后，将辐射方向延伸部分弯为直角而形成极齿Xx、Yy……，而且此两定子座X、Y通过装有线圈部12的套筒17组装在一起，沿圆周方向交替配置极齿Xx、Yy……。
线圈部12由两端带凸缘的树脂线圈骨架14和卷绕其上的线圈15构成。上述套筒17做成圆筒状，在其两端设置形成节部的嵌入部17a，分别嵌入各定子座X、Y中央部所开的嵌入孔11b、16b。另外，在线圈骨架14两端凸缘上设置突起的销14a，并在两定子座X、Y上分别设置与此二销14a配合的孔11c、16c，因而组装定子座X、Y和线圈部12时，就能决定定子座X、Y在圆周方向上的相对位置。
用第1定子座X、线圈部12、套筒17及第2定子座Y组装定子10之后，先将电路底板19的安装孔19a套入突状底板20中央的配合突部20a，再从配合突部20a的下方插入轴承18，达到电机整体组装。轴承18下端做成比底板20的配合突部20a所开圆孔大的凸缘18a，从下向上插入上述定子10组件的套筒17内，而上端的开口部18b可借助夹具，靠扩经铆接紧固套筒17内，21表示霍尔元件-检测转子磁极位置的传感器。
再者，为了将电路底板19上的霍尔元件21置于所定位置，在电路底板19及底板20上预先开的定位孔处，用螺旋夹固定底板20上所设的电路底板19。
如下文将说明的那样，传感器引起的线圈电流转换要在齿槽效应转矩的几个正峰值中绝对值大的峰值处或者其近旁处进行，因此上述霍尔元件21的设定位置要适合此要求。电路底板19上的霍尔元件21的位置还与上述图19的情况基本相同，设在偏离无激磁状态的稳定点(后述图5-图14所示转矩曲线中右侧稳定点)的位置，即从稳定点的位置起转0-90°电角度的方向的对侧。
图3是表示本发明无刷直流电机驱动电路一例的单相双极驱动电路图。霍尔元件21检测永久磁铁的S极、N极后产生输出信号，通过对应该输出使晶体管Q1和Q4或者Q2和Q3导通阻断，向线圈部12交替通电，激励定子10。
本发明中，如图4所示，将上述两定子座X、Y各自的极齿Xx、Yy……中邻接的两个极齿Xx和Yy设定为一个极齿组合。本例中，电机为四极结构，故极齿组R设2组。
上述极齿Xx的极齿宽度a与上述极齿Yy的极齿宽度b为不等宽，而且依次连结各极齿Xx、Yy……的中间点的极齿间距c、d、c、d……中的极齿间距c与极间齿距d为不等间距。再者，上述各个极齿组的极齿Xx、Yy中，处于上述永磁转子的旋转方向一侧的极齿Xx的极齿宽度a，比另一方极齿Yy的极齿宽度b大，而且由上述一方的极齿Xx至上述另一方的极齿Yy的极齿间距c，比由上述另一方的极齿Yy至上述一方的极齿Xx的极齿间距d小。
以下为便于充分理解本发明的特征，试同以往那种以等间距组合等极齿宽度极齿的电机对比，说明本发明的结构。根据下述(1)-(10)的任一情况，本发明无刷直流电机，其上述各个极齿组的极齿Xx、Yy中，处于上述永磁转子旋转方向一侧的极齿Xx的极齿宽度a，比另一方极齿Yy的极齿宽度b大，同时由上述一方极齿Xx至上述另一方极齿Yy的极齿间距c，比由上述另一方极齿Yy至上述一方极齿Xx的极齿间距d小。也就是说，上述a、b、c、d之间，a＞b、c＜d。而且，如后面将说明的那样，让线圈电流转换在齿槽效应转矩的正峰值或者其近旁处进行。
(1)一方的极齿Xx为原样，另一方极齿Yy在转子旋转方向后部形成缺口(参见图5)。图中，对下侧极齿、上侧极齿分别标Xx、Yy符号，加剖面线的部分表示缺口部位，两行磁铁表示处于各自稳定点的位置。另外，磁铁(转子)的旋转方向为图中左方。图下方的转矩曲线中，实线为齿槽效应转矩(在无激磁状态下磁铁与定子座吸引力形成的转矩)，虚线为发生转矩(即通电时产生的转矩，为线圈电流产生的激磁转矩与齿槽效应转矩之和)，)○为稳定点，△、×为不稳定点，×为线圈电流转换点。由此转矩曲线可见，左侧的稳定点间距离e与右侧的稳定点间距离f为不等间距(e＜f)，而且转矩曲线的右侧出现大的正峰值。线圈电流转换在该峰值或者其近旁处进行(下侧的情况也相同)。激磁转矩(虚线的发生转矩扣除实线的齿槽效应转矩后所得的量)随线圈电流的转换而翻转，然而在图示情况下，其翻转量较之齿槽效应转矩的翻转量小得多，因此不会产生负转矩，从而也不产生死点。再者，在此例的转矩曲线上，正中稳定点前后的齿槽效应转矩曲线起伏高度绝对值比左、右两稳定点前后的起伏高度低。即左、右两稳定点处曲线的斜率较之正中稳定点处曲线的斜率大。其意义可以说是正中稳定点为弱稳定点，左右稳定点为强稳定点。
(2)如图6所示一方的极齿Xx(以下也称下齿)不变，对另一方极齿Yy(以下也称上齿)在转子旋转方向的前部与后部形成缺口。但是，后部缺口比前部的大。这种情况下，具有与上述(1)的结构大致相同的特性。不过，形成极齿Yy前部缺口，因图6的转矩曲线上，中央稳定点后的齿槽效应转矩落差变大，故不能说最好(即中央稳定点表现为强稳定。)(3)如图7所示，下齿(极齿Xx)在转子旋转方向后部加宽，上齿(极齿Yy)不变。这种情况下，下齿因延伸而齿宽变大，正中稳定点为强稳定点。又判明若增加下齿宽度，则存在转换时难以获得旋转方向正向转矩的倾向。
(4)如图8所示，下齿(极齿Xx)在转子旋转方向后部加宽，而上齿(极齿Yy)在转子旋转方向后部形成缺口。这是上述(1)与(3)的组合结构。
(5)如图9所示，下齿(极齿Xx)在转子旋转方向后部加宽，而上齿(极齿Yy)在转子旋转方向的前部及后部形成缺口。但是，上齿形成的缺口是后部的比前部的大。此例为上述(2)与上述(3)的组合。
(6)如图10所示，下齿在转子旋转方向的前部与后部加宽，上齿不变。但下齿的加宽是后部大于前部。
(7)如图11所示，下齿在转子旋转方向的前部及后部等量加宽，而上齿在转子旋转方向后部形成缺口。
(8)如图12所示，下齿在转子旋转方向的前部及后部等量加宽，而上齿在转子旋转方向的前部及后部形成缺口。但是，上齿形成的缺口是后部的大于前部的。
(9)如图13所示，下齿在转子旋转方向的前部及后部加宽，而上齿在转子旋转方向后部形成缺口。但是下齿的加宽是后部的大于前部的。
(10)如图14所示，下齿在转子旋转方向的前部及后部加宽，而对上齿在转子旋转方向的前部及后部形成缺口。但是，下齿的加宽是后部的大于前部的，上齿形成的缺口是后部的大于前部的。
根据上述(1)-(10)可以这样说，通过使无刷直流电机为上述结构，稳定点、不稳定点的间距与以往的等间距布局不同，为不等间距，齿槽效应转矩的发生转矩会形成大小转矩波。于是，通过让传感器引起的线圈电流转换在上述齿槽效应转矩的几个正峰值中绝对值大的峰值处或者其近旁进行，即使因线圈电流转换而激磁转矩由正转负，但由于为正齿槽效应转矩所覆盖，所以在极性转换处能消除负转矩的产生，结果显然能阻止死点产生。
综上所述，本发明的情况如图15所示，在线圈电流转换点，发生转矩＝齿槽效应转矩，因此激磁转矩(发生转矩与齿槽效应转矩之差)为零。与此相反，通常的电机是激磁转矩的零点与齿槽效应转矩的零点一致。另一方面，已判明若线圈电流的转换过快，会成为图16所示状态;若过慢，则成为图17所示状态。也就是说，像上文所述那样，利用让线圈电流转换在上述齿槽效应转矩的几个正峰值中绝对值大的峰值处或者其近旁进行，本发明具有激磁转矩不易转负的优点。
图15还表明，若在激磁转矩为零时进行线圈电流转换，则此时转矩变动最小，因此最好在该位置或者近旁进行线圈电流转换。
再者，随极齿宽度的逐渐加宽，会产生转换时转矩变负的倾向，必须注意，若进一步加宽，则产生上述图37所示的转矩曲线。
图18让上述线圈电流转换在上述齿槽效应转矩的正峰值近旁处进行，同时还在该线圈电流转换时设置不通电时间。此实施例与以往的控制电路不同，具有即使霍尔元件检测信号电压值变动，也能始终保持不通电时间恒定的控制电路。
图19表示采用不通电电路的二相单极型电机驱动电路。该电机驱动电路中，放大霍尔元件21输出的差动放大电路22由运算放大器OP1和电阻R3-R6所构成，从该差动放大电路22开始，分为二路，一路是运算放大器OP2、二极管D1及电容C1所构成的峰值保持电路23以及由电阻R7、R8和比较器COMP1构成的比较电路24;另一路是运算放大器OP3和电阻R9、10所构成的翻转放大电路25、运算放大器OP4、二极管D2电容器C2所构成的峰值保持电路26以及由电阻R11、R12和比较器COMP2构成的比较电路27。它们都接至驱动电路28。另外，Tr1、Tr2表示晶体管、L1、L2表示电机的线圈、D3、D4表示二极管、R1、2、13-16表示电阻、Vcc表示驱动电路的电源、VDD表示电机电源。还有，图20为A.L.C(Au-tomaticLevelControl)不通电路的方框图、图21为不通电电路的定时图。
本实施例中，霍尔元件21的输出，经差动放大电路22去噪并仅仅使信号成分电压放大〔参见图21(a)〕，用上述峰值保持电路23保持正向波形的峰值(VH)〔参见图21(b)〕，再以比较电路24形成具有不通电期间的晶体管驱动波形〔参见图21(c)〕。另一路，由翻转放大电路翻转负向波形，用峰值保持电路26、比较电路27形成具有不通电期间的晶体管驱动波形〔参见图21(d)、(e)〕。因此，利用本实施例的电机驱动电路，能始终以恒定比率(VH/n，VL/n)作比较，即使霍尔元件的检测信号电压值VH、VL变动，也能使不通电期间保持恒定。
这样，线圈电流转换时，在设置不通电时间的同时，让该线圈电流转换在上述齿槽效应转矩的正峰值近旁处进行，从而制造电机时，即使因装配误差等，线圈电流的开关点偏离正常位时，也能避开以往那样的开关引起的跌落(参见图37)，因此能获得很好的自起动性改善。
本发明者们按下述电机性能，对极齿Xx的极齿宽度a、另一方极齿Yy的极齿宽b，上述一方的极齿Xx至上述另一方面极齿Yy的极齿间距c、上述另一方的极齿Yy至上述一方极齿Xx的极齿间距d、极间距p(参见图38)，即在这些a、b、c、d、p之间，对各种a/p值的情况，将b/a之值与c/d之值作种种组合，并进行自起动特性实验，图22-图27示出其结果。
电机性能电机类型径向间隙、外转子型极数8极电机外径14.0mm电机高度7.0mm间隙0.5mm转子磁铁铁氧体磁铁(BHma×1.4MGOe)图22-图27中，○表示有起动转矩(大于0gcm)，×表示无起动转矩(0gcm)。左侧空栏是尺寸方面不可能组合。
图22是永久磁铁的极间距P(参见图38)与极齿宽度a的比率(a/p)为1.0的情况。此例中，b/a为0.50-1.00、c/d为0.60-0.95时，产生起动转矩。
图23是(a/p)为0.95的情况。此例中，b/a为0.50-0.95、c/d为0.56-0.91时，产生起动转矩。
图24是(a/p)为0.90的情况。此例中，b/a为0.50-0.95、c/d为0.49-0.95时，产生起动转矩。
图25是(a/p)为0.85的情况。此例中，b/a为0.50-0.95、c/d为0.47-0.95时，产生起动转矩。
图26是(a/p)为0.80的情况。此例中，b/a为0.50-0.95、c/d为0.43-0.95时，产生起动转矩。
图27是(a/p)为0.75的情况。此例中，b/a为0.50-0.95、c/d为0.39-0.90时，产生起动转矩。
另外，(a/p)为0.7时不能获得良好的结果。因此，希望(a/p)大于0.7。
本发明者们还按上述电机性能，对各种a/p值的情况，将b/a值与c/d值作种种组合，并进行旋转不稳的测定。测定中，将光学式编码器装在电机上，采用恒速伺服电路，同时使用下式所表示的数值Vf。
Vf＝(△f/fc)·100%式中，△f是伺服电压波形的频率变化量(即速度变化量)、fc是所定转数下编码器的载波频率。测定结果示于图28-图33。
图28-图33中，◎表示旋转不稳极小、○表示旋转不稳小、△表示旋转不稳稍大、×表示旋转不稳定。已判明◎及○情况下可供实用。
图28是极齿宽度a与永久磁铁极间距P的比值(a/p)为1.0的情况。此例中(1)b/a为0.50-0.90，c/d为0.60-0.95时，(2)b/a为0.50-0.85，c/d为0.60-1.00时，能获得旋转不稳小的电机旋转。
图29是(a/p)为0./95的情况。此例中，b/a为0.50-1.00、c/d为0.56-1.00时，能获得旋转不稳小的电机旋转。
图30是(a/p)为0.90的情况。此例中，(1)b/a为0.50-1.00、c/d为0.78-1.00时，(2)b/a为0.55-1.00、c/d为0.62-1.00时，(3)b/a为0.60-1.00、c/d为0.59-1.00时，(4)b/a为0.65-1.00、c/d为0.57-1.00时，能获得旋转不稳小的电机旋转。
图31是(a/p)为0.85的情况。此例中，(1)b/a为0.50-1.00、c/d为0.95-1.00时，(2)b/a为0.55-1.00、c/d为0.80-1.00时，(3)b/a为0.60-1.00、c/d为0.62-1.00时，(4)b/a为0.65-1.00、c/d为0.54-1.00时，能获得旋转不稳小的电机旋转。
图32是(a/p)为0.80的情况。此例中，(1)b/a为0.50-1.00、c/d为0.90时，(2)b/a为0.50-0.90、c/d为0.85-1.00时，(3)b/a为0.55-1.00、c/d为0.85-0.90时，(4)b/a为0.55-0.90、c/d为0.85-1.00时，(5)b/a为0.60-1.00、c/d为0.67-0.90时，(6)b/a为0.60-0.90、c/d为0.67-1.00时，
(7)b/a为0.65-1.00、c/d为0.49-0.90时，(8)b/a为0.65-0.90、c/d为0.49-1.00时，能获得旋转不稳小的电机旋转。
图33是(a/p)为0.75的情况。此例中，(1)b/a为0.50-1.00、c/d为0.80-1.00时，(2)b/a为0.55-1.00、c/d为0.75-1.00时，(3)b/a为0.60-1.00、c/d为0.60-1.00时，(4)b/a为0.65-1.00、c/d为0.53-1.00时，(5)b/a为0.70-1.00、c/d为0.47-1.00时，能获得旋转不稳小的电机旋转。
还有，(a/p)为0.7时不能获得良好效果。因此，希望(a/p)大于0.7。
根据上述数据，能自起动并能获得旋转不稳小的电机旋转的范围如下(a/p)为1.0的情况下，b/a为0.50-0.90、c/d为0.60-0.95时，能自起动，且能获得旋转不稳小的电机旋转。
(a/p)为0.95的情况下，b/a为0.50-0.95、c/d为0.56-0.91时，能自起动，且能获得旋转不稳小的电机旋转。
(a/p)为0.90的情况下，(1)b/a为0.50-1.00、c/d为0.78-0.95时，(2)b/a为0.55-0.95、c/d为0.62-0.95时，(3)b/a为0.60-0.95、c/d为0.59-0.95时，(4)b/a为0.65-0.95、c/d为0.57-0.95时，能自起动，且能获得旋转不稳小的电机旋转。
(a/p)为0.85的情况下，(1)b/a为0.50-0.95、c/d为0.95-0.95时，(2)b/a为0.55-0.95、c/d为0.80-0.95时，
(3)b/a为0.60-0.95、c/d为0.62-0.95时，(4)b/a为0.65-0.95、c/d为0.54-0.95时，能自起动，且能获得旋转不稳小的电机旋转。
(a/p)为0.80的情况下，(1)b/a为0.50-0.95、c/d为0.90时，(2)b/a为0.50-0.90、c/d为0.90-0.95时，(3)b/a为0.55-0.95、c/d为0.85-0.90时，(4)b/a为0.55-0.90、c/d为0.85-0.95时，(5)b/a为0.60-0.95、c/d为0.67-0.90时，(6)b/a为0.60-0.90、c/d为0.67-0.95时，(7)b/a为0.65-0.95、c/d为0.49-0.90时，(8)b/a为0.65-0.90、c/d为0.49-0.95时，能自起动，且能获得旋转不稳小的电机旋转。
(a/p)为0.75的情况下，(1)b/a为0.50-0.95、c/d为0.80-0.90时，(2)b/a为0.55-0.95、c/d为0.75-0.90时，(3)b/a为0.60-0.95、c/d为0.60-0.90时，(4)b/a为0.65-0.95、c/d为0.53-0.90时，(5)b/a为0.70-0.95、c/d为0.47-0.90时，能自起动，且能获得旋转不稳小的电机旋转。
实施例中以采用外转子型、铁氧体磁铁的电机为例说明，但本发明不只局限于此，也能适用采用内转子型和其它磁铁的电机，而且，除实施例用的单相双极型驱动外，能实施本发明的，遍及二相、三相……单极等一切驱动。再者，实施例中用霍尔元件测出转子位置，而本发明可用霍尔元件以外的传感器驱动，还可以不用传感器，例如，也能适用于靠反电动势检测转子位置而进行线圈电流转换的所谓无传感器驱动的场合。
本发明无刷直流电机，由于能以较简单结构实现自起动性的改善，同时能获得减小旋转不稳的电机结构及电机旋转驱动法，因此很适合作需要精确旋转的小型磁盘唱机、各种音响设备，办公室自动化设备等。
权利要求
1.一种无刷直流电机，机内具有(1)沿圆周方向交替又等间距地设置N极和S极的多极充磁圆筒状或者弓形永磁转子、(2)由两个定子座面对面构成，且各定子座将软磁性金属板弯曲，形成上述永磁转子极数之半的极齿，同时由这些极齿组合而成的定子、(3)被定子座夹持，用以激励上述定子的圆管状线圈；并将上述两定子座X、Y各自的极齿Xx、Yy……中邻接的两个极齿Xx、Yy设定为一个极齿组，同时使上述极齿Xx的极齿宽度a与上述极齿Yy的极齿宽度b为不等宽，而且依次连结各极齿Xx、Yy…的中间点的极齿间距c、d、c、d……中的极齿间距c与极齿间距d为不等间距，又使上述各个极齿组的极齿Xx、Yy中，处于上述永磁转子旋转方向一侧的极齿Xx的极齿宽度a，比另一方极齿Yy的极齿宽度b大，同时由上述一方极齿Xx至上述另一方极齿Yy的极齿间距c，比由上述另一方极齿Yy至上述一方极齿Xx的极齿间距d小；其特征在于上述极齿宽度a与极间距p之比(a/p)、极齿宽度a与上述极齿宽度b之比(b/a)以及上述极齿间距c与极齿间距d之比(c/d)设置为以下任何一组的值(a/p)为1.0下的情况下，(b/a)为0.50-0.95、(c/d)为0.60-0.95；(a/p)为0.95下的情况下，(b/a)为0.50-0.95、(c/d)为0.56-0.91；(a/p)为0.90下的情况下，(b/a)为0.50-0.95、(c/d)为0.49-0.95；(a/p)为0.85下的情况下，(b/a)为0.50-0.95、(c/d)为0.47-0.95；(a/p)为0.80下的情况下，(b/a)为0.50-0.95、(c/d)为0.43-0.95；(a/p)为0.75下的情况下，(b/a)为0.50-0.95、(c/d)为0.39-0.90。
2.一种无刷直流电机的旋转驱动法，该无刷直流电机内具有(1)沿圆周方向交替又等间距地设置N极和S极的多极充磁圆筒状或者弓形永磁转子、(2)由两个定子座面对面构成，且各定子座将软磁性金属板弯曲，形成上述永磁转子极数之半的极齿，同时由这些极齿组合而成的定子、(3)被定子座夹持，用以激励上述定子的圆管状线圈;并将上述两定子座X、Y各自的极齿Xx、Yy……中邻接的两个极齿Xx、Yy设定为一个极齿组，同时使上述极齿Xx的极齿宽度a与上述极齿Yy的极齿宽度b为不等宽，而且依次连结各极齿Xx、Yy…的中间点的极齿间距c、d、c、d……中的极齿间距c与极齿间距d为不等间距，又使上述各个极齿组的极齿Xx、Yy中，处于上述永磁转子旋转方向一侧的极齿Xx的极齿宽度a，比另一方极齿Yy的极齿宽度b大，同时由上述一方极齿Xx至上述另一方极齿Yy的极齿间距c，比由上述另一方极齿Yy至上述一方极齿Xx的极齿间距d小;其特征在于让上述线圈电流转换在上述齿槽效应转矩的几个正峰值中绝对值大的峰值处或者其近旁处进行。
3.根据权利要求2所述的无刷直流电机的旋转驱动法，其特征在于在上述线圈流所产生的激磁转矩绝对值比同一转子位置上齿槽效应转矩绝对值小的领域，进行上述线圈电流转换。
4.一种无刷直流电机的旋转驱动法，该无刷直流电机内具有(1)沿圆周方向交替又等间距地设置N极和S极的多极充磁圆筒状或者弓形永磁转子、(2)由两个定子座面对面构成，且各定子座将软磁性金属板弯曲，形成上述永磁转子极数之半的极齿，同时由这些极齿组合而成的定子、(3)被定子座夹持，用以激励上述定子的圆管状线圈;并将上述两定子座X、Y各自的极齿Xx、Yy……中邻接的两个极齿Xx、Yy设定为一个极齿组，同时使上述极齿Xx的极齿宽度a与上述极齿Yy的极齿宽度b为不等宽，而且依次连结各极齿Xx、Yy…的中间点的极齿间距c、d、c、d……中的极齿间距c与极齿间距d为不等间距，又使上述各个极齿组的极齿Xx、Yy中，处于上述永磁转子旋转方向一侧的极齿Xx的极齿宽度a，比另一方极齿Yy的极齿宽度b大，同时由上述一方极齿Xx至上述另一方极齿Yy的极齿间距c，比由上述另一方极齿Yy至上述一方极齿Xx的极齿间距d小;其特征在于让上述线圈转换在上述线圈电流引起的激磁转矩为零的位置或者其近旁进行。
5.一种无刷直流电机的旋转驱动法，该无刷直流电机内具有(1)沿圆周方向交替又等间距地设置N极和S极的多极充磁圆筒状或者弓形永磁转子、(2)由两个定子座面对面构成，且各定子座将软磁性金属板弯曲，形成上述永磁转子极数之半的极齿，同时由这些极齿组合而成的定子、(3)被定子座夹持，用以激励上述定子的圆管状线圈;并将上述两定子座X、Y各自的极齿Xx、Yy……中邻接的两个极齿Xx、Yy设定为一个极齿组，同时使上述极齿Xx的极齿宽度a与上述极齿Yy的极齿宽度b为不等宽，而且依次连结各极齿Xx、Yy…的中间点的极齿间距c、d、c、d……中的极齿间距c与极齿间距d为不等间距，又使上述各个极齿组的极齿Xx、Yy中，处于上述永磁转子旋转方向一侧的极齿Xx的极齿宽度a，比另一方极齿Yy的极齿宽度b大，同时由上述一方极齿Xx至上述另一方极齿Yy的极齿间距c，比由上述另一方极齿Yy至上述一方极齿Xx的极齿间距d小;其特征在于让上述线圈电流转换在上述齿槽效应转矩的正峰值的近旁处进行，同时在该线圈电流转换时，设置不通电的时间。
6.一种无刷直流电机，机内具有(1)沿圆周方向交替又等间距地设置N极和S极的多极充磁圆筒状或者弓形永磁转子、(2)由两个定子座面对面构成，且各定子座将软磁性金属板弯曲，形成上述永磁转子极数之半的极齿，同时由这些极齿组合而成的定子、(3)被定子座夹持，用以激励上述定子的圆管状线圈;并将上述两定子座X、Y各自的极齿Xx、Yy……中邻接的两个极齿Xx、Yy设定为一个极齿组，同时使上述极齿Xx的极齿宽度a与上述极齿Yy的极齿宽度b为不等宽，而且依次连结各极齿Xx、Yy…的中间点的极齿间距c、d、c、d……中的极齿间距c与极齿间距d为不等间距，又使上述各个极齿组的极齿Xx、Yy中，处于上述永磁转子旋转方向一侧的极齿Xx的极齿宽度a，比另一方极齿Yy的极齿宽度b大，同时由上述一方极齿Xx至上述另一方极齿Yy的极齿间距c，比由上述另一方极齿Yy至上述一方极齿Xx的极齿间距d小;其特征在于上述极齿宽度a与极间距p之比(a/p)、极齿宽度a与极齿宽度b之比(b/a)以及上述极齿间距c与极齿间距d之比(c/d)设置为以下任何一组的值(a/p)为1.0情况下(1)(b/a)为0.50-0.90、(c/d)为0.60-0.95;(2)(b/a)为0.50-0.85、(c/d)为0.60-1.00;(a/p)为0.95情况下(b/a)为0.50-1.00，(c/d)为0.56-1.00;(a/p)为0.90情况下(1)(b/a)为0.50-1.00、(c/d)为0.78-1.00;(2)(b/a)为0.55-1.00、(c/d)为0.62-1.00;(3)(b/a)为0.60-1.00、(c/d)为0.59-1.00;(4)(b/a)为0.65-1.00、(c/d)为0.57-1.00;(a/p)为0.85情况下(1)(b/a)为0.50-1.00、(c/d)为0.95-1.00;(2)(b/a)为0.55-1.00、(c/d)为0.80-1.00;(3)(b/a)为0.60-1.00、(c/d)为0.62-1.00;(4)(b/a)为0.65-1.00、(c/d)为0.54-1.00;(a/p)为0.80情况下(1)(b/a)为0.50-1.00、(c/d)为0.90;(2)(b/a)为0.50-0.90、(c/d)为0.90-1.00;(3)(b/a)为0.55-1.00、(c/d)为0.85-0.90;(4)(b/a)为0.55-0.90、(c/d)为0.85-1.00;(5)(b/a)为0.60-1.00、(c/d)为0.67-0.90;(6)(b/a)为0.60-0.90、(c/d)为0.67-1.00;(7)(b/a)为0.65-1.00、(c/d)为0.49-0.90;(8)(b/a)为0.65-0.90、(c/d)为0.49-1.00;(a/p)为0.75情况下(1)(b/a)为0.50-1.00、(c/d)为0.80-1.00;(2)(b/a)为0.55-1.00、(c/d)为0.75-1.00;(3)(b/a)为0.60-1.00、(c/d)为0.60-1.00;(4)(b/a)为0.65-1.00、(c/d)为0.53-1.00;(5)(b/a)为0.70-1.00、(c/d)为0.47-1.00;
7.一种无刷直流电机，机内具有(1)沿圆周方向交替又等间距地设置N极和S极的多极充磁圆筒状或者弓形永磁转子、(2)由两个定子座面对面构成，且各定子座将软磁性金属板弯曲，形成上述永磁转子极数之半的极齿，同时由这些极齿组合而成的定子、(3)被定子座夹持，用以激励上述定子的圆管状线圈;并将上述两定子座X、Y各自的极齿Xx、Yy……中邻接的两个极齿Xx、Yy设定为一个极齿组，同时使上述极齿Xx的极齿宽度a与上述极齿Yy的极齿宽度b为不等宽，而且依次连结各极齿Xx、Yy…的中间点的极齿间距c、d、c、d……中的极齿间距c与极齿间距d为不等间距，又使上述各个极齿组的极齿Xx、Yy中，处于上述永磁转子旋转方向一侧的极齿Xx的极齿宽度a，比另一方极齿Yy的极齿宽度b大，同时由上述一方极齿Xx至上述另一方极齿Yy的极齿间距c，比由上述另一方极齿Yy至上述一方极齿Xx的极齿间距d小;其特征在于上述极齿宽度a与极间距p之比(a/p)、极齿宽度a与上述极齿宽度b之比(b/a)以及上述极齿间距c与极齿间距d之比(c/d)设置为以下任何一组的值(a/p)为1.0情况下(b/a)为0.50-0.90、(c/d)为0.60-0.95;(a/p)为0.95情况下(b/a)为0.50-0.95、(c/d)为0.56-0.91;(a/p)为0.90情况下(1)(b/a)为0.50-1.00、(c/d)为0.78-0.95;(2)(b/a)为0.55-0.95、(c/d)为0.62-0.95;(3)(b/a)为0.60-0.95、(c/d)为0.59-0.95;(4)(b/a)为0.65-0.95、(c/d)为0.57-0.95;(a/p)为0.85情况下(1)(b/a)为0.50-0.95、(c/d)为0.95-0.95;(2)(b/a)为0.55-0.95、(c/d)为0.80-0.95;(3)(b/a)为0.60-0.95、(c/d)为0.62-0.95;(4)(b/a)为0.65-0.95、(c/d)为0.54-0.95;(a/p)为0.80情况下(1)(b/a)为0.50-0.95、(c/d)为0.90;(2)(b/a)为0.50-0.90、(c/d)为0.90-0.95;(3)(b/a)为0.55-0.95、(c/d)为0.85-0.90;(4)(b/a)为0.55-0.90、(c/d)为0.85-0.95;(5)(b/a)为0.60-0.95、(c/d)为0.67-0.90;(6)(b/a)为0.60-0.90、(c/d)为0.67-0.95;(7)(b/a)为0.65-0.95、(c/d)为0.49-0.90;(8)(b/a)为0.65-0.90、(c/d)为0.49-0.95;(a/p)为0.75情况下(1)(b/a)为0.50-0.95、(c/d)为0.80-0.90;(2)(b/a)为0.55-0.95、(c/d)为0.75-0.90;(3)(b/a)为0.60-0.95、(c/d)为0.60-0.90;(4)(b/a)为0.65-0.95、(c/d)为0.53-0.90;(5)(b/a)为0.70-0.95、(c/d)为0.47-0.90。
全文摘要
一种径向间隙型无刷直流电机及其旋转驱动方法，其结构采用不等宽极齿和不等极齿间距，并将极齿宽度与极间距之比(a/p)、极齿宽度比(b/a)和极齿间距比(c/d)设于所定范围内，以改善自起动性和减小旋转不稳。该电极旋转驱动方法中的线圈电流转换采用在绝对值大的齿槽效应转矩正峰值处，或其近旁进行，并同时设不通电时间；或采用在线圈电流引起的激磁转矩为零处或其近旁进行。适用于电器领域，特别是要求旋转精确的视听设备中。
文档编号H02K29/03GK1083279SQ93109090
公开日1994年3月2日 申请日期1993年7月22日 优先权日1992年8月12日
发明者松泽欣也, 宫泽弘, 伊东纪夫 申请人:精工爱普生株式会社