CN101286686A - 无刷电动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种提高电动机效率的技术。本发明的一个方式的无刷电动机具有第1驱动部件和第2驱动部件。第1驱动部件包括分别具有N个(N为1以上的整数)电磁线圈的M相(M为1以上的整数)线圈组。第2驱动部件具有多个永久磁铁，可以相对第1驱动部件进行相对移动。并且，第1驱动部件具有2(M×N)个磁性体铁芯。各相电磁线圈被缠绕在从2(M×N)个磁性体铁芯的排列中以1个/2M个的比例有规则地选择出的磁性体铁芯上。

Description

无刷电动机

技术领域

本发明涉及一种采用了永久磁铁和电磁线圈的无刷电动机。

背景技术

在电动机行业中，把一相电动机和两相电动机统称为“单相电动机”。但是，在以下的说明中，“单相电动机”只表示一相电动机，不包括两相电动机。

作为采用了永久磁铁和电磁线圈的无刷电动机，已经公知有例如下述专利文献1记载的电动机。

专利文献1  日本特开2001-298982号公报

在该现有技术的无刷电动机中，使用来自数字磁传感器的接通/断开信号进行控制。具体地讲，使用数字磁传感器的接通/断开信号，确定对电磁线圈的施加电压的极性反转的定时。并且，使用三相驱动信号作为驱动信号。

以往，期望提高包括无刷电动机的各种电动机的效率。但是，根据长年以来对电动机的改进结果，近年来发现提高电动机效率的新的思路已经非常困难。

关于无刷电动机还存在以下问题。即，在以往的无刷电动机中使用两相以上的驱动信号，不存在使用单相驱动信号的电动机。其原因涉及到以下说明的单相电动机的起动特性。

单相电动机具有当其停止在永久磁铁和线圈正对的位置时不能起动的特性。该位置被称为“死锁点”或“死点”。因此，在普通的单相电动机中，为了可靠进行起动，采用设置辅助绕组使仅在起动时向辅助绕组流过电流并起动的起动方法。并且，在某种单相电动机中，为了使主绕组和辅助绕组的相位错位而采用电容器。

另一方面，在普通的无刷电动机中，采用所谓的反相驱动。但是，在采用反相驱动来起动单相电动机时，在起动时辅助绕组和电容器流过较大的电流，所以产生开关元件和电容器容易破损的问题。这样，以往存在难以将单相电动机构成为无刷电动机的问题。

发明内容

本发明的第一目的在于，提供一种提高电动机效率的技术。并且，本发明的第二目的在于，提供一种没有辅助绕组也能够起动且没有死锁点的单相无刷电动机。

为了达到上述目的的至少一部分，本发明的一个方式的无刷电动机的特征在于，具有：

第1驱动部件，其包括分别具有N个(N为1以上的整数)电磁线圈的M相(M为1以上的整数)线圈组；

第2驱动部件，其具有多个永久磁铁，可以相对所述第1驱动部件进行相对移动；

磁传感器，其设于所述第1驱动部件上，检测所述永久磁铁和所述电磁线圈的相对位置；以及

驱动控制电路，其利用所述磁传感器的输出信号，生成用于驱动所述电磁线圈的施加电压，

所述第1驱动部件具有2(M×N)个磁性体铁芯，

各相电磁线圈被缠绕在从所述2(M×N)个磁性体铁芯的排列中以1个/2M个的比例有规则地选择出的磁性体铁芯上。

根据该无刷电动机，电磁线圈被缠绕在从2(M×N)个磁性体铁芯的排列中以1个/2M个的比例有规则地选择出的磁性体铁芯上，所以能够减少电磁线圈的数量，能够降低电磁线圈造成的铜损失，从而提高效率。并且，在没有缠绕电磁线圈的磁性体铁芯上，也以相当大的密度产生与缠绕有电磁线圈的磁性体铁芯上产生的磁通方向相反的磁通，所以不会过度降低电动机的输出。

也可以是所述无刷电动机是所述整数N为2以上、所述整数M等于1的单相无刷电动机，所述第1驱动部件具有用于限制停止位置的磁性部件，所述磁性部件构成为在所述无刷电动机停止时，所述磁性部件被所述永久磁铁吸引，从而各个永久磁铁的中心停止在偏离各个磁性体铁芯的中心的位置。

根据该无刷电动机，设于第1驱动部件上的磁性部件的结构被设计成在无刷电动机停止时磁性部件被磁铁列吸引，从而各个永久磁铁的中心停止在偏离各个磁性体铁芯的中心的位置，所以停止位置不会成为死锁点。因此，没有辅助绕组也能够起动。

在所述无刷电动机中，也可以是所述磁性部件设在各个电磁线圈上，各个磁性部件的至少一部分在所述无刷电动机停止时，配置在各个电磁线圈和各个永久磁铁之间。

根据这种结构，磁性部件设在各个电磁线圈上，所以容易取得整个线圈列的重量平衡。并且，各个磁性部件的至少一部分配置在各个电磁线圈和各个永久磁铁之间，所以能够利用数量较少的磁性部件实现所期望的停止位置。

并且，在所述无刷电动机中，也可以是各个磁性部件与所述磁性体铁芯构成为一体。

根据这种结构，在无刷电动机停止时，磁性部件和磁性体铁芯双方被永久磁铁吸引，从而可以实现各个永久磁铁的中心停止在偏离各个磁性体铁芯的中心的位置的电动机。

也可以是所述磁传感器是根据所述永久磁铁和所述电磁线圈的相对位置，输出表示模拟变化的输出信号的传感器。

根据这种结构，能够利用磁传感器的模拟变化有效驱动电动机。

并且，在所述无刷电动机中，也可以是所述驱动控制电路包括PWM控制电路，所述PWM控制电路通过执行利用了所述磁传感器的输出信号的模拟变化的PWM控制，生成所述驱动信号。

根据这种结构，可以利用形状接近线圈列的反向电动势波形的驱动信号驱动电动机，所以能够提高电动机效率。

另外，本发明能够以各种方式实现，例如能够以无刷电动机及其控制方法(或驱动方法)、使用它们的制动器等形式实现。

附图说明

图1是表示实施例的电动电动机的电动机主体结构的剖视图。

图2是表示实施例和比较例的定子部的磁通密度的实验结果的说明图。

图3是表示磁铁列和线圈列的位置关系、以及磁传感器输出和线圈的反向电动势波形的关系的说明图。

图4是表示线圈的施加电压和反向电动势的关系的示意图。

图5是表示电动机的正转动作状态的说明图。

图6是表示电动机的逆转动作状态的说明图。

图7是表示电动机的移动方向的控制步骤的流程图。

图8是表示磁轭20的各种具体结构示例的说明图。

图9是表示实施例的电动机的驱动控制电路的结构的框图。

图10是表示驱动器电路的内部结构的图。

图11是表示线圈的各种缠绕方式的说明图。

图12是表示驱动信号生成部的内部结构及动作的说明图。

图13是表示传感器输出波形和驱动信号波形的对应关系的说明图。

图14是表示PWM部的内部结构的框图。

图15是表示电动机正转时的PWM部的动作的时序图。

图16是表示电动机逆转时的PWM部的动作的时序图。

图17是表示励磁区间设定部的内部结构及动作的说明图。

图18是对比表示利用矩形波驱动实施例的电动机时和利用正弦波驱动实施例的电动机时的各种信号波形的说明图。

图19是对比表示以往的两相电动机和实施例的单相电动机的接线状态及动作的说明图。

图20是对比表示以往的电动机和实施例的电动机的特性的说明图。

图21是表示电动机主体的另一个结构的剖视图。

图22是表示电动机主体的另一个结构的剖视图。

图23是表示本发明的另一个实施例的三相无刷电动机的结构概况的说明图。

图24是表示使用本发明实施例的电动机的投影仪的说明图。

图25是表示使用本发明实施例的电动机的燃料电池式手机的说明图。

图26是表示作为使用本发明实施例的电动机/发电机的移动体的一例的电动自行车(电动助力自行车)的说明图。

图27是表示使用本发明实施例的电动机的机器人的一例的说明图。

符号说明

10定子部；11～14电磁线圈；20磁轭；21板状部件(定位部件)；22铁芯部件(磁性体铁芯)；30转子部；31～34永久磁铁；36磁轭；40磁传感器；42霍尔元件；44偏置调节部；46增益调节部；100电动机主体；102壳体；112旋转轴；114轴承部；120电路基板；200驱动控制电路；220CPU；240驱动信号生成部；250驱动器电路；510基础时钟生成电路；520分频器；530PWM部；531计数器；533EXOR电路；535驱动波形形成部；540寄存器；550乘法器；560乘法器；560编码部；570AD转换部；580寄存器；590励磁区间设定部；592电子可变电阻器；594、596电压比较器；598OR电路；600投影仪；610R、610G、610B光源；640R、640G、640B液晶光阀；650分光合色棱镜(cross dichroicprism)；660投影透镜系统；670冷却风扇；680控制部；700手机；710MPU；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操作臂；920操作臂；930电动机；1000线性电动机；1100固定导向部；1110永久磁铁；1120导轨；1140轴承部；1200移动部；1210电磁线圈；1220磁轭；1250驱动控制部。

具体实施方式

下面，按照以下顺序说明本发明的实施方式。

A.电动机的结构及动作的概况

B.驱动控制电路的结构

C.电动机结构的另一个实施例

D.变形例

A.电动机的结构及动作的概况：

图1(A)、1(B)是表示作为本发明的一个实施例的单相无刷电动机的电动机主体结构的剖视图。该电动机主体100具有外形分别大致为圆筒状的定子部10和转子部30。定子部10具有大致排列成十字状的4个磁轭20。各个磁轭20利用磁性体材料构成，具有铁芯部件22和用于限制电动机的停止位置的部件21(也称为“定位部件”)。关于磁轭20的具体形状将在后面叙述。在对置的两个磁轭20的铁芯部件22的周围缠绕着电磁线圈12、14，在其他两个磁轭20上不缠绕电磁线圈。换言之，电磁线圈以1个/2个的比例被缠绕在磁轭20上。在位于下方的两个磁轭20之间的中央位置配置有磁传感器40。磁传感器40用于检测转子部30的位置(即电动机的相位)。线圈12、14和磁传感器40被固定在电路基板120(图1(B))上。电路基板120被固定在壳体102上。另外，壳体102的盖被省略图示。

转子部30具有4个永久磁铁31～34，转子部30的中心轴构成旋转轴112。该旋转轴112由轴承部114(图1(B))支撑着。各个磁铁的磁化方向为从旋转轴112呈放射状朝向外侧的方向。在磁铁31～34的外圆周上设有磁轭36。但是，该磁轭36也可以省略。

图2是表示实施例和比较例的定子部的磁通密度的实验结果的说明图。图2(A)表示图1所示的实施例的定子部10，图2(B)表示比较例的定子部10a。在比较例的定子部10a中，在4个磁轭20的铁芯部件22的周围分别缠绕着电磁线圈11～14。针对该实施例和比较例，分别在4个磁轭20的外圆周位置PA～PD测定了磁通密度。如图2(A)、(B)的下部所示，在没有缠绕电磁线圈的磁轭中测定的磁通密度，大约是在缠绕有电磁线圈的磁轭中测定的磁通密度的2/3。因此，可确认即使对磁轭(即磁性体铁芯)以1个/2个的比例缠绕电磁线圈，在剩余的磁轭上不缠绕电磁线圈，在后者的磁轭上也会获得相当大的磁通密度。这估计是因为如图2(C)中箭头所示，利用4个磁轭20构成磁性电路。

可是，电磁线圈是产生驱动力所必须的，而另一方面又成为产生铜损失的原因、以及重量增加和成本增加的原因。因此，在该实施例中，在一部分铁芯部件上不缠绕电磁线圈，由此减小铜损失等负面因素，提高电动机效率。

图3是表示磁铁列和线圈列的位置关系、以及磁传感器输出和线圈的反向电动势波形的关系的说明图。如图3(A)所示，4个磁铁31～34以固定的磁极间距Pm配置，相邻的磁铁彼此在相反方向被磁化。并且，磁轭20(铁芯部件22和定位部件21)以固定间距Pc配置。如图2(B)中的比较例所示，在所有铁芯部件上缠绕有线圈的情况下，相邻的磁铁彼此在相反方向(即以相位差π)被励磁。但是，在该实施例中，以1个/2个的比例在线圈部件上缠绕线圈12、14，所以这两个线圈12、14在相同方向(即以相同相位)被励磁。在该实施例中，磁极间距Pm与铁芯部件22的间距Pc相等，相当于电气角的π。另外，电气角的2π对应于驱动信号的相位变化2π时移动的机械角度或距离。在该实施例中，在驱动信号的相位变化2π时，转子部30移动磁极间距Pm的2倍。

如上所述，两个线圈12、14被以同一相位的驱动信号驱动。因此，该实施例的电动机的驱动方法是单相驱动。但是，在电动机的驱动方法中，利用相位偏移180度(＝π)的两个驱动信号驱动的线圈，被视为属于相同相位的情况居多。因此，所有线圈只利用一种驱动信号驱动的电动机、和所有线圈利用相位差为π的两种驱动信号驱动的电动机，都可以认为是单相电动机。基于这种意义，图2(B)所示的比较例也可以用作单相无刷电动机用的定子。

图3(A)表示电动机停止时的磁铁31～34和线圈12、14的位置关系。在该实施例的电动机中，各个磁轭20的定位部件21被设置于在转子部30的正转方向略微偏离各个线圈的中心(铁芯部件22的中心)的位置。在电动机停止时，各个磁轭20被磁铁31～34吸引，转子部30停止在定位部件21正对各个磁铁31～34的中心的位置。结果，电动机停止在各个线圈12、14的中心偏离磁铁(在图3(A)的示例中为磁铁32、34)的中心的位置。并且，此时磁传感器40也位于略微偏离相邻磁铁的交界的位置。该停止位置的相位是α。相位α例如可以设定为不是零的任意值。例如，可以把相位α设为接近零的较小值(例如大约5度～10度)，并且也可以设为接近90度的值。

图3(B)表示产生于线圈的反向电动势的波形的示例，图3(C)表示磁传感器40的输出波形的示例。磁传感器40可以产生与电动机运转时的线圈的反向电动势大致相似形状的传感器输出SSA。但是，磁传感器40的输出SSA表示在电动机停止时也不是零的值(相位是π的整数倍时除外)。另外，线圈的反向电动势具有与电动机的旋转数一起上升的趋势，但波形形状(正弦波)被保持为大致相似形状。磁传感器40可以采用例如利用了霍尔效应的霍尔IC。在该示例中，传感器输出SSA和反向电动势Ec都是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使用传感器输出SSA，向各个线圈12、14施加与反向电动势Ec大致相似波形的电压。

可是，电动电动机发挥互相转换机械能和电能的能量转换装置的作用。并且，线圈的反向电动势用于将电动电动机的机械能转换为电能。因此，在把施加给线圈的电能转换为机械能时(即驱动电动机时)，通过施加与反向电动势相似波形的电压，可以最有效地驱动电动机。另外，如以下说明的那样，“与反向电动势相似波形的电压”是指产生与反向电动势方向相反的电流的电压。

图4是表示线圈的施加电压和反向电动势的关系的示意图。在此，线圈利用反向电动势Ec和电阻进行模拟。并且，在该电路中，与施加电压E1和线圈并联连接有电压表V。在向线圈施加电压E1而驱动电动机时，在流过与施加电压E1方向相反的电流的方向产生反向电动势Ec。在电动机正在旋转的状态下断开开关SW时，可以利用电压表V测定反向电动势Ec。在断开开关SW的状态下测定的反向电动势Ec的极性，是与在闭合开关SW的状态下测定的施加电压E1相同的极性。在以上的说明中，语句“施加与反向电动势大致相似波形的电压”，是指施加具有与这样利用电压表V测定出的反向电动势Ec相同的极性、并具有大致相似形状的波形的电压。

如上所述，在驱动电动机时，通过施加与反向电动势相似波形的电压，可以最有效地驱动电动机。另外，可以理解为在正弦波状反向电动势波形的中位点附近(电压0的附近)，能量转换效率较低，相反在反向电动势波形的峰值附近，能量转换效率较高。在施加与反向电动势相似波形的电压而驱动电动机时，在能量转换效率较高的期间施加较高的电压，所以电动机效率提高。另一方面，例如在利用单纯的矩形波驱动电动机时，即使在反向电动势大致为零的位置(中位点)附近，也被施加相当大的电压，所以电动机效率降低。并且，如果在这样能量转换效率较低的期间施加电压，则由于涡电流产生旋转方向以外的方向的振动，由此产生发生噪声的问题。

根据以上说明可以理解，如果施加与反向电动势相似波形的电压而驱动电动机，则具有可以提高电动机效率，并可以降低振动和噪声的优点。

图5(A)～(E)是表示电动机主体100的正转动作状态的说明图。图5(A)表示停止时的磁铁31～34和线圈12、14的位置关系，是与图3(A)相同的图。如果在图5(A)所示的状态下励磁线圈12、14，则在线圈12、14(或磁轭20)和磁铁31～34之间产生利用虚线箭头表示的反作用力。结果，转子部30在正转方向(图中的右向)起动。另外，从磁轭20朝向磁铁的反作用力是由于在图2中说明的各个磁轭的磁通密度而产生的。另外，在磁轭20和磁铁31～34之间产生磁铁的磁力造成的吸引力，但在图5中省略图示。

图5(B)表示相位前进到π/2的状态。在该状态下，产生吸引力(实线箭头)和反作用力(虚线箭头)，产生较大的驱动力。图5(C)表示相位前进到(π-α)的状态。在相位成为π的定时，线圈的励磁方向反转，成为图5(D)所示的状态。在图5(D)所示的状态的附近电动机停止时，如图5(E)所示，转子部30停止在磁轭20被各个磁铁3 1～34吸引的位置。该位置是相位为(π+α)的位置。这样，可以理解为该实施例的电动机停止在相位为α±nπ(n为整数)的位置。

图6(A)～(E)是表示电动机主体100的逆转动作状态的说明图。图6(A)表示停止时的状态，与图5(A)相同。为了从该停止状态下逆转，在与图5(A)相反的方向励磁线圈12、14时，吸引力(未图示)作用于磁铁31～34和线圈12、14(或磁轭20)之间。该吸引力在使转子部30逆转的方向起作用。但是，由于该吸引力相当微弱，所以有时不能克服磁铁31～34和磁轭20之间的吸引力而使转子部30逆转。

因此，在该实施例中，在进行逆转动作时，在起动时按照图6(A)所示使在正转方向动作。并且，在转子部30旋转预定量后(例如相位前进约π/2时)，按照图6(B)所示使驱动信号反转而开始逆转动作。这样，转子部30暂且开始逆转，然后可以借助转子部30的惯性通过最初的停止位置(相位＝α)(图6(C))。然后，在相位成为零的定时，线圈的励磁方向逆转。图6(D)表示相位是-π/2的状态，图6(E)表示相位是-π+α的状态。当电动机停止在图6(E)所示的状态的附近时，转子部30停止在磁轭20被各个磁铁31～34吸引的位置(相位＝-π+α)。

图7是表示电动机的移动方向的控制步骤的流程图。该步骤通过后面叙述的驱动控制电路执行。在步骤S10中，首先正向开始驱动控制。在步骤S20中，判断作为目的的移动方向是否是正向。另外，移动方向在步骤S10之前由操作员输入到驱动控制电路。在作为目的的移动方向是正向时，直接继续正向的驱动控制。另一方面，在作为目的的移动方向是反向时，在步骤S30中，待机到应该逆转的预定定时。并且，在到达应该逆转的定时后，在步骤S40中，开始反向的驱动控制。

如上所述，在该实施例的电动机中，电动机停止在相位是α±nπ(α是非零和nπ的预定值，n为整数)的位置，所以不会产生死锁点。因此，不需要起动线圈即可正常起动。并且，在该实施例的电动机中，在从停止状态正转预定量后逆转，由此可以实现逆转动作。另外，在停止时的相位α被设定为接近90度的值时，在起动时可以逆转而不正转。特别在以使电动机停止在α＝π/2的位置的方式构成磁轭时，电动机停止在反向电动势的峰值位置，所以能够利用较强的力在正转和逆转双方起动电动机。

图8是表示磁轭20的各种具体结构示例的说明图。在这些附图中，带斜线的部分是构成磁轭的磁性部件。另外，优选磁轭20利用强磁性体形成。图8(A)所示的第1磁轭20a具有配置在线圈12和磁铁31～34之间的板状部件21、和用于提高磁通密度的线圈部件22。板状部件21形成为左右不均衡的形状，作为限制电动机的停止位置的定位部件发挥作用。即，在具有定位部件21的磁轭20a被磁铁吸引时，可以使电动机停止在线圈中心偏离磁铁中心的位置。图8(B)所示的第2磁轭20b具有设于铁芯部件22两侧的板状部件21b、23b。位于磁铁侧的第1板状部件21b左右均等，但位于相反侧的第2板状部件23b由于在从其中央略微偏向左侧的位置设有凹部，所以成为左右不均衡的形状。在该示例中，第2板状部件23b发挥定位部件的作用。图8(C)所示的第3磁轭20c也具有设于铁芯部件22两侧的板状部件21c、23c。在该示例中，位于磁铁侧的第1板状部件21c具有左右不均衡的凸状形状，位于相反侧的第2板状部件23b具有左右均等的形状。因此，在该示例中，第1板状部件21c发挥定位部件的作用。图8(D)所示的第4磁轭20d是根据图7(D)所示的磁轭将铁芯部件22d变更为左右不均衡的结构而形成的。在该示例中，铁芯部件22d和第1板状部件21c发挥定位部件的作用。

另外，在图8(B)、(D)所示的磁轭20b、20d中，板状部件21b、21c(位于线圈和磁铁之间的部分)以外的部分成为相对电动机的动作方向(左右方向)不均衡的形状，所以在这些磁轭20b、20d中也可以省略板状部件21b、21c。但是，如果设置位于线圈和磁铁之间的部分21b、21c，则可以利用数量较少的磁性部件实现所期望的停止位置。

这样，设于各个线圈的磁轭可以构成为具有以下效果的各种形状，即，在电动机停止时磁轭被磁铁列吸引，从而各个永久磁铁的中心停止在偏离各个电磁线圈的中心(即铁芯部件的中心)的位置。

B.驱动控制电路的结构：

图9(A)是表示该实施例的无刷电动机的驱动控制电路的结构的框图。驱动控制电路200具有CPU220、驱动信号生成部240和驱动器电路250。驱动信号生成部240根据电动机主体100内的磁传感器40的输出信号SSA，生成单相驱动信号DRVA1、DRVA2。驱动器电路250按照该单相驱动信号DRVA1、DRVA2驱动电动机主体100内的电磁线圈12、14。

图9(B)表示磁传感器40的内部结构的一例。该磁传感器40具有霍尔元件42、偏置调节部44和增益调节部46。霍尔元件42测定磁通密度X。偏置调节部44向霍尔元件42的输出X加上偏置值b，增益调节部46用于乘以增益值a。磁传感器40的输出SSA(＝Y)例如利用下面的式(1)或式(2)表示。

Y＝a·X+b    ......(1)

Y＝a(X+b)    ......(2)

磁传感器40的增益值a和偏置值b通过CPU220在磁传感器40内部设定。通过将增益值a和偏置值b设定为合适的值，可以将传感器输出SSA校正为优选的波形形状。

图10表示驱动器电路250的内部结构。该驱动器电路250是H型桥式电路，根据交流单相驱动信号DRVA1、DRVA2驱动线圈12、14。带有标记IA1、IA2的箭头分别表示根据单相驱动信号DRVA1、DRVA2而流过的电流方向。

图11表示电磁线圈12、14的各种缠绕方式。在该示例中，缠绕成两个线圈12、14总是在相同方向被励磁。

图12是表示驱动信号生成部240(图9(A))的内部结构及动作的说明图。驱动信号生成部240具有基础时钟生成电路510、1/N分频器520、PWM部530、正反方向指示值寄存器540、乘法器550、编码部560、AD转换部570、电压指令值寄存器580和励磁区间设定部590。

基础时钟生成电路510是产生具有预定频率的时钟信号PCL的电路，例如利用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的值被设定为预定的固定值。该N的值预先通过CPU220对分频器520设定。PWM部530根据时钟信号PCL、SDC、由乘法器550提供的乘法值Ma、由正反方向指示值寄存器540提供的正反方向指示值RI、由编码部560提供的正负符号信号Pa、和由励磁区间设定部590提供的励磁区间信号Ea，生成交流单相驱动信号DRVA1、DRVA2(图9(A))。关于该动作将在后面叙述。

在正反方向指示值寄存器540内，通过CPU220设定表示电动机旋转方向的值RI。在该实施例中，在正反方向指示值RI为低电平时电动机正转，在为高电平时电动机逆转。提供给PWM部530的其他信号Ma、Pa、Ea如下所述确定。

磁传感器40的输出SSA提供给AD转换部570。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)，其中位点(＝VDD/2)是输出波形的中位点(通过正线波的原点的点)。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的输出的范围例如是FFh～0h(末尾的“h”表示十六进制数)，中央值80h相当于传感器波形的中位点。

编码部560转换AD转换后的传感器输出值的范围，将传感器输出值的中位点的值设定为0。结果，由编码部560生成的传感器输出值Xa取正侧的预定范围(例如+127～0)和负侧的预定范围(例如0～-127)的值。但是，由编码部560提供给乘法器560的是传感器输出值Xa的绝对值，其正负符号作为正负符号信号Pa提供给PWM部530。

电压指令值寄存器580存储通过CPU220设定的电压指令值Ya。该电压指令值Ya与后面叙述的励磁区间信号Ea一起作为设定电动机的施加电压的值发挥作用，例如取0～1.0的值。假设以不设置非励磁区间而把全部区间作为励磁区间的方式设定励磁区间信号Ea时，Ya＝0表示把施加电压设为零，Ya＝1.0表示把施加电压设为最大值。乘法器550把从编码部560输出的传感器输出值Xa和电压指令值Ya相乘后取整，把该乘法值Ma提供给PWM部530。

图12(B)～12(E)表示乘法值Ma取各种值时的PWM部530的动作。在此，假设全部期间是励磁区间而没有非励磁区间。PWM部530是在时钟信号SDC的1周期期间产生一个占空比为Ma/N的脉冲的电路。即，如图12(B)～12(E)所示，随着乘法值Ma增加，单相驱动信号DRVA1、DRVA2的脉冲的占空比增加。另外，第1驱动信号DRVA1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12(B)～12(E)中将它们合并在一起进行记述。并且，为了方便，把第2驱动信号DRVA2描述成为负侧脉冲。

图13(A)～13(C)是表示传感器输出波形和由PWM部530生成的驱动信号波形的对应关系的说明图。图中的“Hiz”是指把电磁线圈设为未励磁状态的高阻抗状态。如在图12中说明的那样，单相驱动信号DRVA1、DRVA2是通过使用了传感器输出SSA的模拟波形的PWM控制而生成的。因此，使用这些单相驱动信号DRVA1、DRVA2，可以向各个线圈提供表示与传感器输出SSA的变化对应的电平变化的有效电压。

PWM部530进一步构成为仅在由励磁区间设定部590提供的励磁区间信号Ea表示的励磁区间输出驱动信号，在励磁区间以外的区间(非励磁区间)不输出驱动信号。图13(C)表示根据励磁区间信号Ea设定励磁区间EP和非励磁区间NEP时的驱动信号波形。在励磁区间EP中直接产生图13(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。如果这样设定励磁区间EP和非励磁区间NEP，则不会在反向电动势波形的中位点附近(即传感器输出的中位点附近)对线圈施加电压，所以能够进一步提高电动机效率。另外，优选励磁区间EP被设定为把反向电动势波形的峰值作为中心的对称区间，优选非励磁区间NEP被设定为把反向电动势波形的中位点(中心点)作为中心的对称区间。

另外，如前所述，如果将电压指令值Ya设定为小于1的值，则乘法值Ma与电压指令值Ya成比例地减小。因此，通过电压指令值Ya也可以调节有效的施加电压。

根据以上说明可以理解，在该实施例的电动机中，可以利用电压指令值Ya和励磁区间信号Ea双方来调节施加电压。优选将所期望的施加电压与电压指令值Ya和励磁区间信号Ea的关系，预先以表的形式存储在驱动控制电路200(图9(A))内的存储器中。这样，在驱动控制电路200从外部接收到所期望的施加电压的目标值时，CPU220可以根据该目标值对驱动信号生成部240设定电压指令值Ya和励磁区间信号Ea。另外，施加电压的调节也可以不使用电压指令值Ya和励磁区间信号Ea双方，而只利用其中任意一方。

图14是表示PWM部530(图12)的内部结构的一例的框图。PWM部530具有计数器531、EXOR电路533和驱动波形形成部535。它们按照下面所述动作。

图15是表示电动机正转时的PWM部530的动作的时序图。在该图中示出了两个时钟信号PCL、SDC、正反方向指示值RI、励磁区间信号Ea、乘法值Ma、正负符号信号Pa、计数器531内的计数值CM1、计数器531的输出S1、EXOR电路533的输出S2、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，与时钟信号PCL同步地重复将计数值CM1递减到0的动作。计数值CM1的初始值被设定为乘法值Ma。另外，在图15中，为了便于图示，对乘法值Ma也描述了负值，但在计数器531中使用的是其绝对值|Ma|。计数器531的输出S1在计数值CM1不是0时被设定为高电平，在计数值CM1是0时下降为低电平。

EXOR电路533输出表示正负符号信号Pa和正反方向指示值RI的异或值的信号S2。在电动机正转时，正反方向指示值RI为低电平。因此，EXOR电路533的输出S2成为与正负符号信号Pa相同的信号。驱动波形形成部535根据计数器531的输出S1和EXOR电路533的输出S2，生成驱动信号DRVA1、DRVA2。即，把计数器531的输出S1中EXOR电路533的输出S2为低电平期间的信号，作为第1驱动信号DRVA1输出，把输出S2为高电平期间的信号作为第2驱动信号DRVA2输出。另外，在图15的右端部附近，励磁区间信号Ea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中不输出任何驱动信号DRVA1、DRVA2而维持高阻抗状态。

图16是表示电动机逆转时的PWM部530的动作的时序图。在电动机逆转时，正反方向指示值RI被设定为高电平。结果，与图15相比两个驱动信号DRVA1、DRVA2相替换，结果可以理解为电动机逆转。

图17是表示励磁区间设定部590的内部结构及动作的说明图。励磁区间设定部590具有电子可变电阻器592、电压比较器594、596和OR电路598。电子可变电阻器592的电阻值Rv通过CPU220设定。电子可变电阻器592的两端电压V1、V2提供给电压比较器594、596的一个输入端子。传感器输出SSA提供给电压比较器594、596的另一个输入端子。电压比较器594、596的输出信号Sp、Sn输入OR电路598。OR电路598的输出是用于区分励磁区间和非励磁区间的励磁区间信号Ea。

图17(B)表示励磁区间设定部590的动作。电子可变电阻器592的两端电压V1、V2通过调节电阻值Rv来变更。具体地讲，两端电压V1、V2被设定为距电压范围的中央值(＝VDD/2)的差值相等的值。在传感器输出SSA高于第1电压V1时，第1电压比较器594的输出Sp成为高电平，而在传感器输出SSA低于第2电压V2时，第2电压比较器596的输出Sn成为高电平。励磁区间信号Ea是取这些输出信号Sp、Sn的逻辑和而得到的信号。因此，如图17(B)的下部所示，励磁区间信号Ea可以用作表示励磁区间EP和非励磁区间NEP的信号。励磁区间EP和非励磁区间NEP的设定通过由CPU220调节可变电阻值Rv来进行。

图18对比表示利用矩形波驱动上述该实施例的电动机时和利用正弦波驱动该实施例的电动机时的各种信号波形。在矩形波驱动时，矩形波的驱动电压提供给线圈。驱动电流在起动时接近矩形波，但在旋转速度上升时减小。这是因为反向电动势随着旋转速度的上升而增加(图3)。但是，在矩形波驱动时，即使旋转速度上升，切换驱动电压的定时(相位＝nπ)附近的电流值也不怎么减小，具有流过相当大的电流的趋势。

另一方面，在正弦波驱动时，对驱动电压进行PWM控制，以使驱动电压的有效值成为正弦波形状。驱动电流在起动时接近正弦波，但在旋转速度上升时，由于反向电动势的影响，驱动电流减小。在正弦波驱动时，在切换驱动电压极性的定时(相位＝nπ)附近，电流值大幅减小。如在图3中说明的那样，一般在切换驱动电压极性的定时附近，电动机的能量转换效率较低。在正弦波驱动时，效率较低期间的电流值将小于矩形波驱动时的电流值，所以能够以更高的效率驱动电动机。

图19(A)、(B)是对比表示以往的两相电动机和实施例的单相电动机的接线状态及动作的说明图。如图19(A)所示，在以往的两相电动机中，仅A相线圈CLa和B相线圈CLb中的任意一方被驱动，这些线圈CLa、CLb不会被同时驱动。另一方面，在实施例的单相电动机中，如图19(B)所示，两个A相线圈CLa被同时驱动。结果，可以实现效率优于以往的两相电动机的电动机。并且，在实施例的单相电动机中，利用PWM控制，生成具有与产生于电动机内的线圈的反向电动势相似的有效电压的驱动信号，利用该驱动信号驱动线圈，所以效率进一步提高。另外，在使用具有与产生于电动机内的线圈的反向电动势相似的有效电压的驱动信号时，还具有电动机的噪声和振动大幅降低的优点。

图20用于比较以往的两相电动机和实施例的单相电动机的特性。在这些测定中，两相电动机和一相电动机使用相同的负荷(风扇叶片)。在两相电动机中，在图19所示的矩形波驱动下进行测定。在一相电动机中，在矩形波驱动和正弦波驱动下进行测定。

根据图20所示的表可以理解如下。

(1)单相电动机的效果：

在比较矩形波驱动时，实施例的单相电动机的功耗由以往的两相电动机的功耗改善了约38％(旋转数1800rpm)～约17％(旋转数4000rpm)。

(2)正弦波驱动的效果：

实施例的单相电动机的正弦波驱动时的功耗相比矩形波驱动时的功耗，改善了约17％(旋转数1800rpm)～约28％(旋转数4000rpm)。

(3)综合效果：

正弦波驱动的实施例的单相电动机的功耗，由矩形波驱动的以往的两相电动机的功耗改善了约49％(旋转数1800rpm)～约40％(旋转数4000rpm)。

另外，以往使用的两相风扇电动机作为世界上的主力风扇电动机的驱动原理而在许多电子设备中被采用，但在该实施例的单相电动机中，可以将其电能节约约40％～50％。因此，本发明的实施例的电动机是在世界范围内也有效的技术，可以理解为是能够充分应对地球环境问题的优良技术。

C.电动机结构的另一个实施例：

图21、图22是表示电动机主体的另一个结构例的剖视图。另外，在这些附图中，对与图1中的电动机主体100的部件对应的部件赋予相同符号。

图21中的电动机主体100c将图1所示的电动机主体100的磁轭和磁铁分别增加为6个，并且将电磁线圈增加为3个，其他结构与图1大致相同。电磁线圈12以1个/2个的比例被缠绕在6个磁轭20上。在图21所示的电动机主体100c中，转子部30以电气角2π旋转120度。另外，永久磁铁的极数可以任意选择。例如，与图21所示的六极一相电动机相同，可以构成八极一相电动机。

另外，在图6中说明的逆转驱动时，在最初正转预定量(在图6中约为电气角π/2)后逆转，所以优选该最初正转时的转子部30的旋转角度尽可能小。从这种意义上讲，相比图1中的四极电动机，更优选图21中的六极电动机。

图22表示作为本发明的另一个实施例的线性电动机的结构。该线性电动机1000具有固定导向部1100和移动部1200。如图22(A)所示，在固定导向部1100上沿着移动方向排列有多个永久磁铁1110。移动部1200构成为在上下方向上夹持固定导向部1100，多个电磁线圈1210分别在磁铁列的上下对置设置。电磁线圈1210以1个/2个的比例被缠绕在多个磁轭1220上。并且，在磁轭1220之间设有磁传感器40。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)。固定导向部1100设有引导移动部1200的导轨1120。移动部1200由轴承部1140保持而可以沿导轨1120滑动。本发明的实施例也可以作为这种线性电动机来实现。

可是，在图22的示例中，设有电磁线圈的第1部件移动，设有永久磁铁的第2部件被固定。这种关系与图1、图21所示的电动机结构相反。即，在图1所示的电动机中，设有电磁线圈的第1部件(定子部10)被固定，设有永久磁铁的第2部件(转子部30)移动。根据这些示例可以理解，本发明实施例的电动机可以作为具有设有电磁线圈的第1部件(也称为“第1驱动部件”)和设有永久磁铁的第2部件(也称为“第2驱动部件”)，且两者可以相对移动的各种电动机来实现。

另外，在上述图21、图22所示的各种单相无刷电动机中设有磁轭(磁性体部件)，其构成为在停止时永久磁铁和电磁线圈的中心(即铁芯部件的中心)略微偏离地停止。因此，不会产生死锁点，不设置起动线圈即可使单相无刷电动机起动。并且，在想要使电动机反向动作时，最初从停止状态正向驱动预定量后切换驱动信号的极性，由此能够可靠地反向动作。

图23(A)是表示本发明的另一个实施例的三相无刷电动机的结构概况的说明图。在转子部30上排列有多个磁铁。在定子部10上设有包括铁芯部件22e和板状部件21e的多个磁轭20e。利用3个磁轭20e构成的1组磁轭组20f，按照相当于磁极间距Pm(N极和S极的间隔)的距离配置。换言之，磁轭组20f彼此的间距与磁极间距Pm相等。在位于左端的3个磁轭20e上顺序缠绕着A相线圈11、B相线圈12和C相线圈13。在其后的3个磁轭20e上不缠绕线圈，再在其后的3个磁轭20e上缠绕线圈11～13。这样，在该三相电动机中，在磁轭20e(准确地讲是铁芯部件22e)上仅以1个/2个的比例缠绕电磁线圈。在这种结构中，也能够实现与图1所示的单相电动机相同的充分高的效率。图23(B)表示使B相线圈12的位置从图23(A)所示的位置移动后的状态。在该示例中，不仅对分配给A、B、C各相的磁轭在以1个/2个的比例有规则地选择出的磁轭上缠绕线圈，而且对所有磁轭都在以1个/2个的比例有规则地选择出的磁轭上缠绕线圈。在图23(B)的结构中，相比图23(A)的结构，还具有重量平衡更加良好的优点。

另外，在图23的示例中，磁轭20e具有左右均等的形状，所以在电动机的停止位置铁芯部件22e与磁铁正对。其原因是该电动机是三相电动机，所以不可能产生死锁点。因此，可以省略板状部件21e，磁轭20e可以只具有铁芯部件22e。

根据上述各个实施例可以理解，只在以1个/2个的比例有规则地选择出的铁芯部件上缠绕电磁线圈的结构，不限于单相电动机，也可以适用于任意相数M(M为1以上的整数)的电动机。并且，各相的电磁线圈可以设置任意数量N(N为1以上的整数)。但是，优选N为2以上。并且，一般优选各相的电磁线圈被缠绕在从2(M×N)个铁芯部件(也称为“磁性体铁芯”)的排列中以1个/2M个的比例有规则地选择出的铁芯部件上。这样，可以在取得重量平衡的同时，使没有缠绕线圈的铁芯部件也产生相当大的磁通。

D.变形例

另外，本发明不限于上述实施例和实施方式，可以在不脱离其宗旨的范围内以各种方式实施，例如可以进行以下变形。

D1.变形例1

在上述实施例中使用了模拟磁传感器，但也可以使用具有多值模拟输出的数字磁传感器来代替模拟磁传感器。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这一点上是相同的。另外，在本说明书中，“表示模拟变化的输出信号”不是指接通/断开的2值输出，而是指包括具有3值以上的多种电平的数字输出信号和模拟输出信号双方的广泛含义。

另外，也可以使用具有2值数字输出的数字磁传感器来代替具有表示模拟变化的输出信号的传感器。该情况时，将不再需要图12中的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，所以虽然效率降低并产生振动/噪声，但可以利用低廉的IC实现驱动控制电路。

D2.变形例2

关于PWM电路可以采用图12所示的电路以外的各种电路结构。例如，可以采用通过比较传感器输出和基准三角波来进行PWM控制的电路。并且，还可以利用PWM控制以外的方法来生成驱动信号。并且，也可以采用利用PWM控制以外的方法来生成驱动信号的电路。例如，可以采用放大传感器输出来生成模拟驱动信号的电路。

并且，在图12中，可以把ADC部570变为电压比较器(comparator)。该情况时，由于不是正弦波驱动波形，而是矩形波驱动，所以虽然效率降低并产生振动/噪声，但可以利用低廉的IC实现驱动控制电路。

D3.变形例3

本发明可以适用于风扇电动机、钟表(指针驱动)、滚筒式洗衣机(单一旋转)、过山车、振动电动机等各种装置的电动机。并且，本发明也可以适用于发电机。在把本发明适用于风扇电动机时，各种效果(低功耗、低振动、低噪声、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用作数字显示装置、车载设备、燃料电池式电脑、燃料电池式数码照相机、燃料电池式摄像机、燃料电池式手机等使用燃料电池的设备、以及投影仪等各种装置的风扇电动机。本发明的电动机还可以用作各种家电设备和电子设备的电动机。例如，在光存储装置、磁存储装置和多面镜驱动装置等中，可以把本发明的电动机用作主轴电动机。并且，本发明的电动机也可以用作移动体和机器人用的电动机。

图24是表示使用本发明实施例的电动机的投影仪的说明图。该投影仪600具有：发出红、绿、蓝三种颜色的光的3个光源610R、610G、610B；分别调制这三种颜色的光的3个液晶光阀640R、640G、640B；将调制后的三种颜色的光合成的分光合色棱镜650；将合成的三种颜色的光投影在屏幕SC上的投影透镜系统660；冷却投影仪内部的冷却风扇670；控制整个投影仪600的控制部680。作为驱动冷却风扇670的电动机，可以使用上述的各种无刷电动机。

图25(A)～(C)是表示使用本发明实施例的电动机的燃料电池式手机的说明图。图25(A)表示手机700的外观，图25(B)表示内部结构的示例。手机700具有控制手机700的动作的MPU710、风扇720和燃料电池730。燃料电池730向MPU710和风扇720提供电源。风扇720用于从手机700外部向内部送风，以便向燃料电池730提供空气，或者将在燃料电池730生成的水分从手机700内部排放到外部。另外，也可以将风扇720按照图25(C)所示配置在MPU710上，以便冷却MPU710。作为驱动风扇720的电动机，可以使用上述的各种无刷电动机。

图26是表示作为使用本发明实施例的电动机/发电机的移动体的一例的电动自行车(电动助力自行车)的说明图。该自行车800在前轮设有电动机810，在车座下方的车架上设有控制电路820和充电电池830。电动机810利用来自充电电池830的电力驱动前轮，从而对行驶进行助力。并且，在制动时，通过电动机810再生的电力充电给充电电池830。控制电路820是控制电动机的驱动和再生的电路。关于该电动机810可以使用上述的各种无刷电动机。

图27是表示使用本发明实施例的电动机的机器人的一例的说明图。该机器人900具有第1操作臂910、第2操作臂920以及电动机930。该电动机930用于使作为被驱动部件的第2操作臂920水平旋转。关于该电动机930可以使用上述的各种无刷电动机。

Claims (8)

1.一种无刷电动机，其特征在于，所述无刷电动机具有：

第1驱动部件，其包括分别具有N个(N为1以上的整数)电磁线圈的M相(M为1以上的整数)线圈组；

第2驱动部件，其具有多个永久磁铁，可以相对所述第1驱动部件进行相对移动；

磁传感器，其设于所述第1驱动部件上，检测所述永久磁铁和所述电磁线圈的相对位置；以及

驱动控制电路，其利用所述磁传感器的输出信号，生成用于驱动所述电磁线圈的施加电压，

所述第1驱动部件具有2(M×N)个磁性体铁芯，

各相电磁线圈被缠绕在从所述2(M×N)个磁性体铁芯的排列中以1个/2M个的比例有规则地选择出的磁性体铁芯上。

2.根据权利要求1所述的无刷电动机，其特征在于，

所述无刷电动机是所述整数N为2以上、所述整数M等于1的单相无刷电动机，

所述第1驱动部件具有用于限制停止位置的磁性部件，

所述磁性部件构成为在所述无刷电动机停止时所述磁性部件被所述永久磁铁吸引，从而各个永久磁铁的中心停止在偏离各个磁性体铁芯的中心的位置。

3.根据权利要求2所述的无刷电动机，其特征在于，

所述磁性部件设在各个电磁线圈上，

各个磁性部件的至少一部分在所述无刷电动机停止时，配置在各个电磁线圈和各个永久磁铁之间。

4.根据权利要求3所述的无刷电动机，其特征在于，各个磁性部件与所述磁性体铁芯构成为一体。

5.根据权利要求1～4所述的无刷电动机，其特征在于，所述磁传感器是根据所述磁铁和所述电磁线圈的相对位置，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所述的无刷电动机，其特征在于，所述驱动控制电路包括PWM控制电路，所述PWM控制电路通过执行利用了所述磁传感器的输出信号的模拟变化的PWM控制，生成所述驱动信号。

7.一种装置，其具有权利要求1所述的无刷电动机和由所述无刷电动机驱动的被驱动部件。

8.一种移动体，其具有权利要求1所述的无刷电动机。

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