CN100474745C - 无刷多相交流电机及其通电控制装置 - Google Patents

Abstract

涉及适合超前角通电的无刷多相交流电机及其通电控制装置。对于无刷多相交流电机，具备检测转子的旋转位置的磁极传感器；供给各项的相电流，根据上述磁极传感器的检测信号，仅以设定的角度超前；磁极传感器配置成：上述超前角通电的相电流的切换时间和由该磁极传感器进行检测的磁场的变化时间相一致。

Description

无刷多相交流电机及其通电控制装置

技术领域

本发明涉及无刷多相交流电机及其通电控制装置，特别是，涉及适合超前角通电的无刷多相交流电机及其通电控制装置。

背景技术

已往，内燃机用的起动马达和发电机是分别装备的，但是，例如特开平10-148142号公报公开了使各机能一体化的起动器兼发电机的装置。

另一方面，作为内燃机用的起动马达，圆筒状的转子沿定子的外周旋转的外转形永久磁铁式旋转电机已为人所知。另外，在这样的永久磁铁式旋转电机中，为了缓和转子及定子间的磁束分布不均，防止转矩振动的发生，在邻接的磁铁间形成换向极部的永久磁铁式旋转电机，例如，在特开平8-275476号公报中被公开。

发明内容

对于具备换向极部的已往的永久磁铁式旋转电机，换向极部作为永久磁铁的一部分也发挥着机能，对该旋转电机的通电时间，希望有一个仅相当于换向极部的沿上述旋转方向幅度的角度的超前角。

在此，上述现有技术中，标准通电时间(超前角为0°)作为磁极传感器的检测信号的变化来检测，根据该标准通电时间，通过计算找到超前角位置，因此，特别是在转子转速不稳定的低转速领域，不能正确地检测出超前角的位置。

本发明的目的是解决上述现有技术的课题，提供一种无刷多相交流电机及其通电控制装置，该装置能够使供给各相的相电流以希望的角度，准确地实现超前角。

为了实现上述目的，本发明具有的特征是，采用了以下所述的手段。

(1)具备检测转子的旋转位置的磁极传感器，供给各相的相电流根据上述磁极传感器的检测信号，仅超前所设定的角度的无刷多相交流电机，其特征是：上述磁极传感器配置成：上述超前角通电的相电流的通电时间与通过该磁极传感器检测到的磁场的变化时间相一致。

(2)根据无刷多相交流电机的各磁极传感器的检测信号，转子旋转的一圈分割成多个阶段，以阶段为单位控制各相电流的无刷多相交流电机的通电控制装置，以相当于一阶段的角度的一半的角度为超前角，确定供给各相的相电流的相位。

根据上述特征(1)，转子的旋转位置到达超前角通电的切换时间后，对此响应，磁极传感器的检测信号发生变化，因此，可以根据磁极传感器的检测信号，准确地检测出超前角通电的切换时间。

根据上述特征(2)，不仅在转子正转时，即使在转子反转时，旋转位置到达超前角通电的切换时间后，对此响应，磁极传感器的检测信号也发生变位，因此，能够准确检测出超前角通电的切换时间。

附图说明

图1是适用本发明的小型自动两轮车的整体侧面图。

图2是图1的摆动装置沿曲柄轴的断面图。

图3是沿垂直起动装置兼发电机(永久磁铁式旋转电动机)的旋转轴(曲柄轴)的面剖开的局部平面图。

图4是图3的侧面断面图。

图5是转动架的平面图。

图6是转动架的侧面图。

图7是转动架的部分扩大图。

图8是用于说明设在转动架上的空隙部的功能(电动时)的图。

图9是用于说明设在转动架上的空隙部的功能(发电时)的图。

图10是图9的部分扩大图。

图11是图10的部分扩大图。

图12是起动装置兼发电机的控制系统的方框图。

图13是以模式形式表现本实施例中的通电控制的动作时间的图。

图14是以5°超前角进行120°正转通电的场合的信号波形图。

图15是以10°超前角进行180°正转通电的场合的信号波形图。

图16是以5°超前角进行120°反转通电的场合的信号波形图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明进行详细说明。图1是适用本发明的车辆用发电控制装置的小型自动两轮车的整体侧面图。

车体前部和车体后部通过低的底板部4连接在一起，成为车体骨骼的车体架，大概由下管6和主管7构成，燃料箱及置物盒(图上都未示出)依靠主管支持，在其上方配置有车座。

在车体前部，依靠转向头5枢支的车把11设在上方，前叉12向下方延伸，在前叉的下端，前轮FW依靠轴支撑着。在车把11的上部，覆盖着兼作仪表板的车把外壳。在主管的上升部下端，突设有托架15，摆动装置2的悬挂支架18通过连接部件16，可以自由摇动地连接支持在该托架15上。

在摆动装置2的前部搭载有单汽缸的二冲程内燃机E。从该内燃机E到后方构成带式无极变速机10，在它的后部，后轮RW枢支在通过离心离合器设置的减速机构9上。在该减速机构的上端和主管7的上部弯曲部之间安装有后缓冲器3。在摆动装置2的前部，配设有接续在从内燃机延伸出的吸气管19上的气化器17及同气化器17连接的空气滤清器14。

图2是上述摆动装置2沿曲柄轴201剖开的断面图，和上述相同的符号表示同一或者同等部分。

摆动装置2被由左右的曲柄箱202L、202R合体构成的曲柄箱202覆盖着，曲柄轴201由固定在曲柄箱202R上的轴承208、209可以自由转动地支持着。连杆(图上未示出)通过曲柄销213连接在曲柄轴201上。

左曲柄箱202L兼作皮带式无极变速室箱，在延伸到左曲柄箱202L的曲柄轴201上，可以旋转地设置皮带驱动轮210。皮带驱动轮210由固定侧轮半体210L和可动侧轮半体210R组成，固定侧轮半体210L通过轮毂211固定在曲柄轴201的左端部，在固定侧轮半体210L的右侧，可动侧轮半体210R花键嵌合在曲柄轴201上，可以接近/远离固定侧轮半体210L。在两轮半体210L、210R之间V形皮带212卷挂于其上。

在可动侧轮半体210R的右侧，凸轮盘215固定在曲柄轴201上，设在凸轮盘215的外周端的滑动件215a和在可动侧轮半体210R的外周端沿轴方向形成的凸轮盘滑动轮毂部210Ra可自由滑动地结合在一起。可动侧轮半体210R的凸轮盘215具有靠近外周向凸轮盘215侧倾斜的锥面，在该锥面和可动侧轮半体210R之间的空间，收容着干重柱216。

随着曲柄轴201的旋转速度的增加，在可动侧轮半体210R和凸轮盘之间，随曲柄轴一起旋转的上述干重柱216，在离心力的作用下，向离心方向移动，可动侧轮半体210R受干重柱216挤压向左方移动，接近固定轮半体210L。结果，夹在两轮半体210L、210R之间的V形皮带212向离心方向移动，卷挂半径增大。

在车辆的后部，设有与皮带驱动轮210相对应的从动皮带轮(图上未示出)，皮带212卷挂于该从动轮上。通过该皮带传动机构，内燃机E的动力自动被调整并被传达到离心离合器，通过上述减速机构9驱动后轮RW。

在右曲柄箱202R内，配设有由起动器马达和AC发电机组合而成的起动器兼发电机1。在起动器兼发电机上，外转子60依靠螺丝253固定在曲柄轴的前端锥部。配设在上述外转子60的内侧的内定子50，依靠螺栓279固定支承在曲柄箱202上。另外，对于上述起动器兼发电机1的构成，以后参照图3至图7进行详细说明。

风扇280的中央圆锥部280a的裾部分依靠螺栓246固定在外转子60上，风扇280通过散热器282被风扇盖281覆盖着。

在曲柄轴201上，上述起动器兼发电机1和轴承209之间，固定着链轮231，用于从曲柄轴驱动凸轮轴的链子卷挂在该链轮231上。另外，上述链轮231和用于向使润滑油循环的泵传递动力的齿轮232成一体形成。

图3、4是沿垂直于上述起动器兼发电机1(永久磁铁式旋转电动机)旋转轴(曲轴201)的面剖开的局部平面图及侧面断面图，图5、6是转动架的平面图及其部分扩大图，无论哪一个和上述相同的符号都表示同一或同等部分。

如图3、4所示，本实施例的起动器兼发电机1由定子50和围绕该定子50外周旋转的外转子60构成，上述外转子60由转动架61、N极永久磁铁62N及S极永久磁铁62S、杯状转子箱63构成，如图4、5所示，转动架61由环状的硅钢板(薄板)呈略圆筒状积层构成，如图3、7所示，N极永久磁铁62N及S极永久磁铁62S交互穿插在设在转动架61的圆周方向的多个开口部611内，如图3、4所示，上述杯状转子箱63连接上述转动架61于上述曲柄轴201上。

上述转子箱63，在它的圆周端部具备爪部63a，通过向内侧折弯该爪部63a，将上述积层构造的转动架61沿轴向挟持，并且，使穿插在上述转动架61的开口部611内的各永久磁铁62(62N、62S)保持在转动架61内的所定位置。

上述定子50，如图3所示，由硅钢板积层构成，包含定子铁心51及定子凸极52。定子卷线53以单极集中方式绕于各定子凸极上，定子50的主面被保护壳覆盖着。

如图5、6所示，上述永久磁铁62沿轴方向插入的12个开口部611，沿圆周方向，以30度间隔形成于上述转动架61上。邻接的各开口部611之间作为换向极613发挥机能。

如图7所示，断面略成鼓状的永久磁铁62插入上述各开口部611内。在此，在本实施例中，上述开口部611的形状和永久磁铁62的断面形状不是相同的，在上述永久磁铁62插入上述开口部611的状态下，在沿各永久磁铁的圆周方向的两侧部，形成了第1空隙612，而且，在各永久磁铁62的两端部的定子侧，形成第2空隙614。

接下来，参照图8、9，对设在上述转动架61上的切口614及转动架61和永久磁铁62之间形成的空隙部612的作用进行说明。

图8是该起动器兼发电机装置1作为起动马达发挥机能时的磁束密度分布示意图，图9是起动器兼发电机装置1作为发电机发挥机能时的磁束密度分布示意图。

上述起动器兼发电机装置1作为起动马达发挥机能时，通过上述控制装置20，从蓄电池42给各定子线圈53供给励磁电流，如图8所示，从被励磁为N极的定子凸极52N向放射方向发出的磁力线从S极永久磁铁62S的定子侧表面穿入里面，它的大部分经由转动架61的铁心部615及换向极部613，再经由邻接的被励磁为S极的定子凸极部52S、定子铁心51，回到上述被励磁为N极的定子凸极52N。

这时，在本实施例中，在各永久磁铁62沿圆周方向的两侧部，形成了空隙612，减少了从各永久磁铁62的侧部向换向极部613的漏磁束，因此，磁力线的大部分从各永久磁铁62，穿过转动架61的铁心部615，再经由上述换向极部613，到达定子50侧。结果，通过外转子60和定子50之间的空隙的磁束的垂直成分增加，因此，和不设上述空隙612的场合相比，可以使驱动转矩增加。

进一步，在本实施例中，在永久磁铁62的两端部的定子侧，形成了用于限制圆周方向的磁路的切口614，因此，减少了通过转动架61的内侧的漏磁束。

即，如图8的虚线圆内的扩大图图10所示，切口614的一方(614A)阻碍通过转动架61的换向极部613的磁束B1被导入转动架61的内侧圆周部616，起着将磁束B1的大部分有效导入定子凸极52S的作用。另外，切口614的另一方(614B)阻碍从永久磁铁62N通过转动架61的内侧圆周部616的磁束B2被导入换向极部613，起着将磁束B2的大部分有效导入定子凸极52S的作用。结果，通过外转子60和定子50之间的空隙的磁束的垂直成分进一步增加，可以进一步增加作为起动马达的驱动转矩。

另一方面，当该起动器兼发电机作为发电机发挥机能时，如图9所示，从各永久磁铁发生的磁束和定子凸极及定子铁心共同形成闭合磁路，因此，可以在定子线圈中产生与转子的转数相应的发电电流。

另外，在本实施例中，由后述的调整器100进行调整的调整电压设定在14.5V，该起动器兼发电机作为发电机发挥机能时的输出电压达到上述调整电压后，使相电流短路。由此，短路电流以延迟相位在各定子线圈中流动，通过定子50内的磁力线减少，在相邻的永久磁铁之间通过的漏出磁束增加，该起动器兼发电机装置1的被动转矩减少，内燃机的负荷减少。

即，如图9的虚线圆内的扩大图图11所示，在相邻的永久磁铁62S，62N之间，发生：经由转动架61的外侧圆周部617的磁束B3、经由转动架61的换向极部613的磁束B4、通过转动架61的内侧圆周部616的磁束B5、经由转动架61的内侧圆周部616、空隙及定子凸极52N的磁束B6。

如上所述，根据本实施例，对于在各永久磁铁62之间，外转子60的转动架61具有换向极部的永久磁铁式旋转电动机，在各永久磁铁62和转动架61之间，设有空隙612及切口614，因此，在相邻永久磁铁之间的漏磁束减少，和外转子60和定子50之间的空隙部垂直交叉的磁束增加。因此，不会使该永久磁铁式旋转发电机作为发电机发挥机能时的被动转矩增加，可以使作为起动器发挥机能时的驱动转矩增大。

图12是上述起动器兼发动机1的控制系统的方框图，和上述相同的符号表示同一或同等部分。

在ECU中，设有：将上述起动器兼发动机1的发电机能发生的三相交流电进行全波整流的三相全波整流器；将全波整流器300的输出电压限制在设定的调整电压(调整器动作电压：例如，14.5V)的调整器100。

在ECU上，接有旋转角度传感器29、点火线圈21、油门传感器23、燃料传感器24、阀座开关25、空转开关26、冷却水温度传感器27及脉冲发生器30，从各部分检测出信号输入给ECU。在点火线圈21的二次侧，接有点火火花塞22。

另外，在ECU上，接有起动继电器34、起动开关35、停止开关36、37、备用指示器38、燃料指示器39、速度传感器40、摩托车起动器41、及前大灯42。在前大灯上，设有调光开关43。

经过总保险丝44及总开关45从蓄电池46给上述各部供给电流。另外，蓄电池46，一方面经过起动继电器直接连接在ECU上，另一方面，不经过总开关45，只经过总保险丝44连接在ECU上。

接下来，参照图13～图16的波形图，对本实施例中的超前角通电的控制方法进行说明。

在本实施例中，根据上述各磁极传感器29U、29V、29W的检测信号，将转子的一圈分割成几个阶段(#0、#1、#2)，以上述阶段为单位，控制各相电流。

如图13所示，在本实施例中，以转子的60°作为电角度的360°，将此角分割成6个阶段(#0～#5)。因此，一个阶段相当于机械角的10°。由此，在转子的低旋转区域及反转时，以5°(机械角)超前角实行电角度120°的正转(反转)通电，在转子的高旋转区域，以10°(机械角)超前角实行电角度180°的正转通电。

图14是以5°超前角进行120°正转通电的信号波形图，图15是以10°超前角进行180°正转通电的信号波形图，图16是以5°超前角进行120°反转通电的信号波形图。

在本实施例中，各磁极传感器29U、29V、29W检测磁场的变化，在该检测信号变位时，切换给各相的通电时间。

更具体的讲，在如图14所示的5°超前角进行120°正转通电中，V相传感器(磁极传感器29V)的检测信号下降时，即，在从阶段#0向阶段#1切换时，开始向V相的正方向通电，而且，停止向U相的正方向通电。同样，U相传感器(磁极传感器29U)的检测信号升起时，即，在从阶段#1向阶段#2切换时，开始向U相的反方向通电，而且，停止向W相的反方向通电。同样，W相传感器(磁极传感器29W)的检测信号下降时，即，在从阶段#2向阶段#3切换时，开始向W相的正方向通电，而且，停止向V相的正方向通电。

同样，图15所示的以10°超前角正转180°通电中，在从阶段#0向阶段#1切换时，将向U相的正方向通电切换成反方向通电。同样，在从阶段#1向阶段#2切换时，将向W相的反方向通电切换成正方向通电。同样，在从阶段#2向阶段#3切换时，将向V相的正方向通电切换成反方向通电。

换句话说，在本实施例中，将各磁极传感器29U、29V、29W配置在设定的位置，使其检测在切换各相电流的超前角通电时磁场的变化，使该检测信号的输出被变位。

如此，因为在本实施例中，上述各磁极传感器配置在设定的位置，其使相电流以超前角通电的切换时间，和磁极传感器29的检测信号的变位时间一致，所以，使相电流超前时的通电控制能够准确进行。

另外，因为在本实施例中，将超前角设定在相当于1阶段的角度10°的一半的5°，所以，即使在如图16所示的以5°超前角进行120°反转通电中，也利用和正转时相同的磁极传感器29，可以使超前角通电的切换时间和磁极传感器的检测信号的变位时间相一致。因此，根据本实施例，不仅在正转时、在反转时，也能准确进行使相电流超前时的通电控制。

根据本发明，可以达成以下效果。

(1)在控制超前角时的通电的切换时间和由磁极传感器进行的磁场变化的检测时间相一致，因此，可以准确进行在控制超前角时的通电控制。

(2)超前角设定在相当于1阶段的角度的一半，因此，在以5°超前角进行反转120°通电时，也可以使在控制超前角时的通电控制的切换时间和由磁极传感器进行的磁场变化的检测时间相一致。

Claims (5)

1.无刷多相交流电机，具备检测转子的旋转位置的磁极传感器，根据上述磁极传感器的检测信号，供给各相的相电流仅超前所设定的角度，其特征在于，

上述磁极传感器配置成：上述超前所设定的角度通电的相电流的通电时间与通过该磁极传感器检测到的磁场的变化时间相一致。

2.无刷多相交流电机的通电控制装置，根据如权利要求1所述的无刷多相交流电机的各磁极传感器的输出信号，将转子的一圈分割成几个阶段，以上述阶段为单位，控制各相电流；其特征在于，使供给各相的相电流的相位仅超前相当于1个阶段的角度的一半的角度。

3.如权利要求2所述的无刷多相交流电机的通电控制装置，其特征是：转子的旋转速度超过设定的基准速度后，将上述超前所设定的角度的量切换成相当于1个阶段的角度。

4.如权利要求2所述的无刷多相交流电机的通电控制装置，其特征是：在转子的旋转速度在上述基准速度以下的场合，以120°电气角给各相通电。

5.如权利要求2所述的无刷多相交流电机的通电控制装置，其特征是：在转子的旋转速度超过上述基准速度后，以180°电气角给各相通电。

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