CN101359864A - 无刷电动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能在不使电动机的中心轴旋转的状态下使被驱动部件旋转的无刷电动机。本发明的无刷电动机包括：具有电磁线圈(12)和位置传感器(40)的定子(10)，固定在定子(10)上的轴部(64)，以及具有永久磁铁(32)并在轴部(64)的周围旋转的转子(30)。转子(30)与通过无刷电动机来驱动的被驱动部件(70、71)连接。

Description

无刷电动机

技术领域

本发明涉及利用了永久磁铁和电磁线圈的无刷电动机。

背景技术

作为利用了永久磁铁和电磁线圈的无刷电动机，例如公知有下述专利文献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

在现有的电动机中，转子在定子中旋转，通过将转子和旋转轴固定，来将转子的旋转运动传递给旋转轴。而且，通过使用齿轮等传递单元，或者将车轮等直接与旋转轴连接，来将旋转轴的旋转运动传递给车轮等被驱动部件。然而，在该结构中，具有这样的问题，即：由于旋转轴的扭转的产生等而导致在将转子的旋转运动传递到车轮等被驱动部件之前发生延迟，以及为了传递大的旋转力而导致旋转轴需要大的扭转强度。另外，这种问题不限于电动机，发电机也存在相同的问题。

发明内容

为了解决上述现有问题，本发明的目的是提供一种能在不使电动机的中心轴旋转的状态下使被驱动部件旋转的技术。

本发明为了解决上述问题的至少一部分，可采取以下方式。

[方式1]

一种无刷电动机，该无刷电动机包括：定子，其具有电磁线圈和位置传感器；轴部，其固定在所述定子上；以及转子，其具有永久磁铁并在所述轴部的周围旋转，所述转子与通过所述无刷电动机来驱动的被驱动部件连接。

根据方式1的无刷电动机，由于轴部固定在定子上，转子以轴部为中心旋转，被驱动部件与转子连接，因而能在不使电动机的中心轴旋转的状态下使被驱动部件旋转。

[方式2]

根据方式1所述的无刷电动机，在所述轴部的内部设置有用于驱动所述无刷电动机的配线。

根据方式2的无刷电动机，由于在轴部的内部设置有配线，因而可实现配线部分的空间节省。

[方式3]

根据方式1或2所述的无刷电动机，所述转子具有将所述定子包入在该转子内部的形状，所述永久磁铁设置在所述转子的内侧部分。

根据方式3的无刷电动机，可实现抵抗来自外部的污染物等的密闭结构。

[方式4]

根据方式1至3中任一项所述的无刷电动机，所述位置传感器包含磁传感器，该磁传感器根据所述定子和所述转子的相对位置来输出表示模拟变化的输出信号。

根据方式4的无刷电动机，可利用磁传感器的模拟变化而效率良好地驱动无刷电动机。

[方式5]

根据方式4所述的无刷电动机，所述定子还具有包含PWM控制电路的控制电路，该PWM控制电路通过执行利用所述磁传感器的输出信号的模拟变化的PWM控制，来生成模拟所述磁传感器的输出信号的模拟变化的驱动信号。

根据方式5的无刷电动机，由于能根据形状与线圈的反电动势波形接近的驱动信号来驱动无刷电动机，因而可提高效率。

[方式6]

根据方式5所述的无刷电动机，所述控制电路还具有再生电路，该再生电路从所述电磁线圈再生电力。

根据方式6的无刷电动机，能使用再生电路进行发电。

[方式7]

根据方式6所述的无刷电动机，在所述轴部的内部设置有用于回收来自所述再生电路的再生电力的配线。

根据方式7的无刷电动机，由于在轴部的内部设置有配线，因而可实现配线部分的空间节省。

[方式8]

根据方式5至7中任一项所述的无刷电动机，所述电磁线圈、所述位置传感器以及所述控制电路中的至少一部分利用树脂覆盖。

根据方式8的无刷电动机，可抑制电磁线圈等的腐蚀。

另外，本发明能以各种方式来实现，例如能以无刷电动机、无刷发电机、它们的控制方法(或驱动方法)、应用它们的致动器、发电装置或移动体等方式来实现。

附图说明

图1是示出第1实施例中的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和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和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是示出电动机的驱动电路单元的结构的框图。

图7是示出驱动电路的内部结构的图。

图8是示出驱动控制部的内部结构和动作的说明图。

图9是示出传感器输出波形和驱动信号波形的对应关系的说明图。

图10是示出PWM部的内部结构的框图。

图11是示出电动机正转时的PWM部动作的时序图。

图12是示出电动机反转时的PWM部动作的时序图。

图13是示出励磁区间设定部的内部结构和动作的说明图。

图14是示出对用矩形波驱动第1实施例的电动机时和用正弦波驱动第1实施例的电动机时的各种信号波形进行比较而示出的说明图。

图15是示出驱动电路的另一结构的图。

图16是示出实施例的电动机在无负载时的转速的座标图。

图17是示出再生控制部和整流电路的内部结构的图。

图18是示出第1实施例的电动机结构的另一例的说明图。

图19是示出第2实施例的电动机结构的说明图。

图20是示出第3实施例的电动机结构的说明图。

图21是示出利用了本发明实施例所涉及的电动机的铁道车辆的说明图。

标号说明

10：定子部；12A、12B：电磁线圈；14：支撑部件；30；转子部；30U：上部转子部；30L：下部转子部；31U：上部旋转壳体部；31L：下部旋转壳体部；32：永久磁铁；32L：永久磁铁；32U：永久磁铁；34U、34L：磁轭；40A、40B：磁传感器；50：固定螺丝部；64：轴部(中心轴)；64a：轴固定部；64e：轴端部固定部件；65U、65L：轴承部；70：轮部；70c：密闭帽；71：车轮部；71b：齿轮；71c：滑轮；71d：叶片；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：电子可变电阻器；211、212：AND电路；221～224：电压比较器；231、232：OR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；278：驱动用电力线；279：控制线；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：EXOR电路；535：驱动波形形成部；540：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：电子可变电阻器；594、596：电压比较器；598：OR电路；1000：铁道车辆；1010：电动机；1020：车轮。

具体实施方式

下面，按以下顺序说明本发明的实施方式。

A.第1实施例的电动机结构和动作的概要：

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：

E.第3实施例的电动机结构：

F.变形例：

A.第1实施例的电动机结构和动作的概要：

图1(A)～(D)是示出作为本发明的第1实施例的无刷电动机的电动机主体结构的剖视图。该电动机主体具有轴部64、定子部10以及转子部30。定子部10和转子部30具有大致圆盘状的形状。轴部64利用轴固定部64a安装在车辆等移动体的悬架装置1上，轴部64自身以不旋转的方式固定。转子部30具有上部转子部30U和下部转子部30L。图1(B)是上部转子部30U的水平剖视图。上部转子部30U具有上部旋转壳体部31U、轴承部65U以及分别呈大致扇状的4个永久磁铁32U，上部转子部30U能隔着轴承部65U以轴部64为中心进行旋转运动。作为轴承部65U，例如可使用滚珠轴承来实现。下部转子部30L也具有与上部转子部30U相同的结构，因而省略图示。各永久磁铁32U、32L的磁化方向是与轴部64平行的方向。在轴部64的端部安装有轴端部固定部件64e(图1(A))，轴承部65U采用不会由于旋转而脱落的结构。在上部旋转壳体部31U上，利用固定螺丝部50固定有轮部70。在轮部70的中心部安装有密闭帽70c，可抑制异物等侵入电动机内部。在轮部70的外周部安装有作为移动体的车轮而执行功能的车轮部71。

图1(C)是定子部10的水平剖视图。如图1(A)所示，定子部10具有多个A相线圈12A、多个B相线圈12B以及支撑这些线圈12A、12B的支撑部件14。图1(C)示出该A相线圈12A侧。在该例中，A相线圈12A设置有4个，并分别卷绕成大致扇状的形状。B相线圈12B也是同样。在定子部10上还设置有驱动电路单元500。如图1(A)所示，优选的是，轴部64的中心部具有中空结构，使得用于将电力提供给各线圈12的驱动用电力线278、用于将信号发送到驱动电路单元500的控制线279等穿过。并且，优选的是，在回收来自各线圈12的再生电力(以下描述)的情况下，使接受用电力线280(以下也称为“再生用电源配线280”)在该中空部分穿过。这是因为，这样可实现配线的空间节省。

使用以上结构的电动机，转子部30以轴部64为中心旋转来使车轮旋转，轴部64被固定而不旋转(图1(A))。因此，扭转力不会施加给轴部64。因此，无需增大轴部64的扭转强度，可使电动机轻量化。而且，由于轴部64不产生扭转，也无需使用齿轮等传递单元，因而没有传递损失，可实现稳定的控制和高速的响应速度。这在要求正转和反转的高速响应速度的姿势控制等中是特别有效的。

在电动机维护时，由于可利用轴固定部64a将电动机按各轴部64从悬架装置1等移动体上分离，因而可容易拆解上转子部30U、下转子部30L。因此，车轮部71、轮部70、轴部64、定子部10、转子部30等的整体的维护性优良。并且，由于定子部10和转子部30容易与具有其他特性的定子部和转子部更换，因而可容易实现移动体的动力特性的变更和提高等。而且，由于能利用固定螺丝部50从转子部30上容易地拆装轮部70和车轮部71，因而能与电动机主体相分离地维护轮部70和车轮部71。另外，由于可将上部旋转壳体部31U用作散热结构来将转子部30内产生的热传导到电动机的外部，因而本实施例的电动机具有散热效果高的优点。

而且，如图1(A)所示，只要利用上旋转壳体部31U、下旋转壳体部31L完全覆盖定子部10，就能容易实现抵抗来自外部的污染等的密闭结构。因此，只要有效利用该密闭结构，也能作为水陆两用的车辆的车轮来使用。并且，当该电动机被用作受到粉尘等的影响的风扇电动机时，由于粉尘等不进入电动机的内部，因而可实现免维护。另外，轮部70和车轮部71相当于本发明中的“被驱动部件”。

图1(D)是示出定子部10和上下转子部30U、30L的关系的概念图。然而，省略了转子部30中的旋转壳体部31和轴承部65。在定子部10的支撑部件14上设置有A相用磁传感器40A和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)。另外，这些传感器在以下也称为“A相传感器”和“B相传感器”。A相传感器40A配置在2个A相线圈12A的中间的中央位置。B相传感器40B也同样配置在2个B相线圈12B的中间的中央位置。在该例中，B相传感器40B与A相线圈12A一起配置在支撑部件14的上侧的表面上，然而还可以代之配置在支撑部件14的下侧的表面上。A相传感器40A也一样。另外，从图1(C)也可以理解，在该实施例中，将B相传感器40B配置在A相线圈12A的内部，因而具有容易确保配置传感器40B的空间的优点。

如图1(D)所示，磁铁32U、32L分别以一定的磁极间距Pm来配置，邻接的磁铁之间在反方向上被磁化。A相线圈12A以一定的间距Pc来配置，邻接的线圈之间被逆向励磁。B相线圈12B也一样。在本实施例中，磁极间距Pm等于线圈间距Pc，电角度相当于π。另外，电角度2π与在驱动信号的相位变化了2π时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2π时，转子部30U、30L移动磁极间距Pm的2倍。并且，A相线圈12A和B相线圈12B配置在相位错开π/2的位置。

上部转子部30U的磁铁32U和下部转子部30L的磁铁32L配置成使面向定子部10的磁极为相互不同的极性(S极和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配置成使相反的极相互对置。结果，如图1(D)的右端所示，这些磁铁32U、32L之间的磁场由大致直线状的磁力线表示，在这些磁铁32U、32L之间闭合。可以理解，这种闭合的磁场比开放的磁场强。结果，磁场的利用效率提高，进而可提高电动机效率。另外，优选的是，在磁铁32U、32L的外侧表面上分别设置有强磁体制的磁轭34U、34L。磁轭34U、34L能进一步增强线圈中的磁场。不过，也可以省略磁轭34U、34L。

另外，优选的是，线圈12A、12B、磁传感器40A、40B以及驱动电路单元500中的任一个或全部使用树脂覆盖。这是因为，这样可抑制这些部件的腐蚀。并且，只要使覆盖线圈12A、12B等的树脂与轴部64接触，就能利用树脂将从线圈12A、12B等产生的热传递到轴部64，并通过将轴部64作为散热装置利用，能使线圈12A、12B等冷却。

图2是示出传感器输出和线圈的反电动势波形的关系的说明图。图2(A)与图1(D)相同。图2(B)示出A相线圈12A产生的反电动势波形的例子，图2(C)、(D)示出A相传感器40A和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可产生形状与电动机运转时的线圈的反电动势形状大致相似的传感器输出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，然而波形形状(正弦波)保持为大致相似形状。作为传感器40A、40B，可以采用例如利用了霍尔效应的霍尔IC。在该例子中，传感器输出SSA和反电动势Ec均是正弦波或接近于正弦波的波形。如后所述，该电动机的驱动控制电路利用传感器输出SSA、SSB，将波形与反电动势Ec的波形大致相似的电压施加给各个线圈12A、12B。

另外，电动机作为将机械能和电能相互转换的能量转换装置而执行功能。而且，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，在将施加给线圈的电能转换为机械能的情况下(即，驱动电动机的情况下)，通过施加波形与反电动势的波形相似的电压，可效率最佳地驱动电动机。另外，如以下说明那样，“波形与反电动势的波形相似的电压”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和反电动势的关系的示意图。这里，利用交流反电动势Ec和电阻Rc来模拟线圈。并且，在该电路中，电压计V与交流施加电压Ei及线圈并联。另外，反电动势Ec也称为“感应电压Ec”，并且，施加电压Ei也称为“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将开关SW切断时，可利用电压计V测定反电动势Ec。在切断开关SW的状态下所测定的反电动势Ec的极性与在接通开关SW的状态下所测定的施加电压Ei的极性相同。在上述说明中，“施加波形与反电动势的波形大致相似的电压”是指：施加具有与利用这种电压计V所测定的反电动势Ec相同的极性并具有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以及A相传感器40A来模拟电动机。当具有永久磁铁32U的转子部30旋转时，在传感器40A中产生交流电压Es(也称为“传感器电压Es”)。该传感器电压Es具有与线圈12A的感应电压Ec相似的波形形状。因此，通过生成传感器电压Es的模拟PWM(脉冲宽度调制)信号来对开关SW进行接通/断开控制，可将波形与感应电压Ec的波形大致相似的励磁电压Ei施加给线圈12A。此时的励磁电流Ii由Ii＝(Ei-Ec)/Rc确定。

如上所述，在驱动电动机的情况下，通过施加波形与反电动势的波形相似的电压，可效率最佳地驱动电动机。另外，可以理解，在正弦波状的反电动势波形的中点附近(电压0附近)能量转换效率较低，相反，在反电动势波形的峰值附近能量转换效率较高。当施加波形与反电动势波形相似的电压来驱动电动机时，在能量转换效率高的期间施加较高的电压，因而电动机效率提高。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，因而电动机效率下降。并且，象这样，在能量转换效率低的期间施加电压时，由于涡电流而产生旋转方向以外的方向的振动，由此，还具有产生噪音的问题。

从上述说明可以理解，当施加波形与反电动势波形相似的电压来驱动电动机时，具有可提高电动机效率并可降低振动和噪音的优点。

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之前的状态。记载在A相线圈12A和B相线圈12B的位置上的“N”、“S”字母表示这些线圈12A、12B的励磁方向。当线圈12A、12B励磁时，在线圈12A、12B和磁铁32U、32L之间产生吸引力和排斥力。结果，转子部30U、30L向正转方向(图中的右方)旋转。另外，在相位为0的定时，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π/2之前的状态。在相位为π/2的定时，B相线圈12B的励磁方向反转。图4(C)示出相位即将前进至π之前的状态。在相位为π的定时，A相线圈12A的励磁方向再次反转。图4(D)示出相位即将前进至3π/2之前的状态。在相位为3π/2的定时中，B相线圈12B的励磁方向再次反转。

另外，从图2(C)、(D)还可以理解，在相位为π/2的整数倍的定时，由于传感器输出SSA、SSB为零，因而仅从二相线圈12A、12B中的一个产生驱动力。然而，在除了相位为π/2的整数倍的定时以外的其他所有期间内，二相线圈12A、12B两者可同时产生驱动力。因此，可使用二相线圈12A、12B两者来产生大的转矩。

另外，从图4(A)可以理解，A相传感器40A配置于在A相线圈12A的中心与永久磁铁32U的中心相对置的位置上切换该A相传感器40A的输出极性的位置上。同样，B相传感器40B配置于在B相线圈12B的中心与永久磁铁32L的中心相对置的位置上切换该B相传感器40B的输出极性的位置上。只要将传感器40A、40B配置在这样的位置上，就能从传感器40A、40B产生形状与线圈的反电动势形状大致相似的传感器输出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)～(D)分别示出相位即将为0、π/2、π、3π/2之前的状态。该反转动作例如可通过使线圈12A、12B的驱动电压的极性(即正负)根据正转动作的驱动电压分别反转来实现。

B.驱动电路单元的结构：

图6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具有CPU 110、驱动控制部100、再生控制部200、驱动电路150、整流电路250以及电源单元300。2个控制部100、200经由总线102与CPU 110连接。驱动控制部100和驱动电路150是在使电动机产生驱动力的情况下进行控制的电路。并且，再生控制部200和整流电路250是在从电动机再生电力的情况下进行控制的电路。再生控制部200和整流电路250也统称为“再生电路”。并且，驱动控制部100也称为“驱动信号生成电路”。电源单元300是用于向驱动电路单元500内的其他电路提供各种电源电压的电路。在图6中，为了便于图示，仅描绘出从电源单元300通向驱动控制部100和驱动电路150的电源配线，省略了通向其他电路的电源配线。

图7示出驱动电路150(图6)内所包含的A相驱动电路120A和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提供交流驱动信号DRVA1、DRVA2的H型桥接电路。另外，附在表示驱动信号的模块的端子部分的中空圆圈表示是负逻辑而且是信号反转。并且，附有标号IA1、IA2的箭头分别表示根据A1驱动信号DRVA1和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。另外，只要去除使信号反转的负逻辑，并将H侧的P沟道MOS-FET变更为与L侧相同的N沟道MOS-FET，就也能实现频率特性优良的驱动。

图8是示出驱动控制部100(图6)的内部结构和动作的说明图。驱动控制部100具有基本时钟生成电路510、1/N分频器520、PWM部(脉冲宽度调制部)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以及励磁区间设定部590。另外，驱动控制部100是生成A相用驱动信号和B相用驱动信号两者的电路，基本时钟生成电路510、分频器520以及正反方向指示值寄存器540在A相和B相中是公用的。关于在A相用和B相用中分别存在的其他构成要素，在图8(A)中为了便于图示，仅描绘出A相用电路结构，然而对于B相用，也在驱动控制部100内设置有与A相用相同的构成要素。

基本时钟生成电路510是产生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。该N值预先由CPU110设定在分频器520内。PWM部530根据时钟信号PCL、SDC、从乘法器550提供的乘法值Ma、从正反方向指示值寄存器540提供的正反方向指示值RI、从编码器560提供的正负符号信号Pa、以及从励磁区间设定部590提供的励磁区间信号Ea，生成交流驱动信号DRVA1、DRVA2(图7)。关于其动作将在后面描述。

表示电动机的旋转方向的值RI由CPU 110设定在正反方向指示值寄存器540内。在本实施例中，正反方向指示值RI为低电平时电动机正转，为高电平时电动机反转。提供给PWM部530的其他信号Ma、Pa、Ea按以下进行决定。

磁传感器40A的输出SSA被提供给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)，其中点(＝VDD/2)是输出波形的中点(经过正弦波的原点的点)。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的输出范围例如是FFh～0h(结尾的“h”表示16进制数)，中值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，并将传感器输出值的中点的值设定为0。结果，在编码器560中生成的传感器输出值Xa取正侧的规定范围(例如+127～0)和负侧的规定范围(例如0～-127)的值。然而，从编码器560提供给乘法器550的值是传感器输出值Xa的绝对值，其正负符号作为正负符号信号Pa被提供给PWM部530。

电压指令值寄存器580存储由CPU 110所设定的电压指令值Ya。该电压指令值Ya与后述的励磁区间信号Ea一起作为设定电动机的施加电压的值而执行功能，例如取0～1.0的值。假设在以不设置非励磁区间而将整个区间作为励磁区间的方式设定了励磁区间信号Ea的情况下，Ya＝0意味着使施加电压为零，Ya＝1.0意味着使施加电压为最大值。乘法器550将从编码器560输出的传感器输出值Xa和电压指令值Ya相乘后取整数，并将该乘法值Ma提供给PWM部530。

图8(B)～(E)示出在乘法值Ma取各个值的情况下的PWM部530的动作。这里，假定整个期间是励磁区间且没有非励磁区间。PWM部530是在时钟信号SDC的1周期的期间内产生占空比是Ma/N的一个脉冲的电路。即，如图8(B)～(E)所示，随着乘法值Ma增加，驱动信号DRVA1、DRVA2的脉冲的占空比也增加。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，而在图8(B)～(E)中将它们合并记载。另外，为了方便起见，将第2驱动信号DRVA2描绘成负侧的脉冲。

图9(A)～(C)是示出传感器输出的波形与由PWM部530所生成的驱动信号的波形之间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。如图8中所说明那样，通过直接利用了传感器输出SSA的模拟波形的PWM控制来生成驱动信号DRVA1、DRVA2。因此，可使用这些驱动信号DRVA1、DRVA2向各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还构成为：仅向由从励磁区间设定部590提供的励磁区间信号Ea所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9(C)示出在根据励磁区间信号Ea设定励磁区间EP和非励磁区间NEP的情况下的驱动信号波形。在励磁区间EP中一直产生图9(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和非励磁区间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)不向线圈施加电压，因而可进一步提高电动机效率。另外，励磁区间EP优选地设定在以反电动势波形的峰值为中心的对称区间内，并且非励磁区间NEP优选地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。

另外，如上所述，如果将电压指令值Ya设定为不足1的值，则乘法值Ma与电压指令值Ya成比例地减小。因此，也能根据电压指令值Ya调整有效的施加电压。

从上述说明可以理解，在本实施例的电动机中，能利用电压指令值Ya和励磁区间信号Ea两者来调整施加电压。期望的是，期望的施加电压与电压指令值Ya及励磁区间信号Ea之间的关系预先以表格存储在驱动电路单元500(图6)内的存储器内。这样，当驱动电路单元500从外部接收到期望的施加电压的目标值时，CPU 110可根据该目标值将电压指令值Ya和励磁区间信号Ea设定在驱动控制部100内。另外，施加电压的调整无需利用电压指令值Ya和励磁区间信号Ea两者，可以仅利用其中的任一个。

图10是示出PWM部530(图8)的内部结构的一例的框图。PWM部530具有计数器531、EXOR(“异或”电路)533以及驱动波形形成部535。这些按以下进行动作。

图11是示出电动机正转时的PWM部530的动作的时序图。在该图中示出：2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，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的每个周期内，重复进行与时钟信号PCL同步地将计数值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11中为了便于图示，描绘了也将负值作为乘法值Ma，而在计数器531中所使用的值是其绝对值|Ma|。计数器531的输出S1在计数值CM1为非0的情况下被设定为高电平，在计数值CM1为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之间的异或的信号S2。在电动机正转的情况下，正反方向指示值RI是低电平。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来生成驱动信号DRVA1、DRVA2。即，将计数器531的输出S1中的、EXOR电路533的输出S2是低电平的期间的信号作为第1驱动信号DRVA1来输出，将计数器531的输出S1中的、EXOR电路533的输出S2是高电平的期间的信号作为第2驱动信号DRVA2来输出。另外，在图11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，驱动信号DRVA1、DRVA2均不输出，而维持在高阻抗状态。

图12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，正反方向指示值RI被设定为高电平。结果，2个驱动信号DRVA1、DRVA2与图11中的替换，结果，可以理解出电动机反转。

图13是示出励磁区间设定部590的内部结构和动作的说明图。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以及OR电路(“或”电路)598。电子可变电阻器592的电阻值Rv由CPU 110设定。电子可变电阻器592的两端电压V1、V2被提供给电压比较器594、596中的一个的输入端子。传感器输出SSA被提供给电压比较器594、596中的另一个的输入端子。电压比较器594、596的输出信号Sp、Sn被输入到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13(B)示出励磁区间设定部590的动作。电子可变电阻器592的两端电压V1、V2是通过调整电阻值Rv来变更的。具体地说，两端电压V1、V2被设定为与电压范围的中值(＝VDD/2)的差相等的值。在传感器输出SSA高于第1电压V1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Ea是取这些输出信号Sp、Sn的逻辑和的信号。因此，如图13(B)的下部所示，励磁区间信号Ea可作为表示励磁区间EP和非励磁区间NEP的信号来使用。励磁区间EP和非励磁区间NEP的设定是通过由CPU 110调整可变电阻值Rv来进行的。

图14是对用矩形波驱动上述的本实施例的电动机时与用正弦波(为了便于说明，反电动势波形也称为正弦波)驱动该电动机时的各种信号波形进行比较而示出的。在用矩形波驱动的情况下，矩形波的驱动电压被提供给线圈。驱动电流在起动时接近于矩形波，而当旋转速度上升时则驱动电流减小。这是因为，随着旋转速度的上升，反电动势增加(图2)。然而，在用矩形波驱动中，即使旋转速度上升，在驱动电压切换的定时(相位＝nπ)附近的电流值也不怎么减小，存在相当大的电流流动的倾向。

另一方面，在用正弦波驱动的情况下，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于正弦波，而当旋转速度上升时，由于反电动势的影响而使驱动电流减小。在正弦波驱动中，在驱动电压的极性切换的定时(相位＝nπ)附近，电流值大幅减小。如图2中说明那样，一般在驱动电压的极性切换的定时附近，电动机的能量转换效率低。在正弦波驱动中，由于效率低的期间内的电流值小于矩形波驱动时的电流值，因而能以更高的效率驱动电动机。

图15示出驱动电路150(图6)内所包含的A相驱动电路120A和B相驱动电路120B的另一构成例。该驱动电路120A、120B在构成图7所示的驱动电路120A、120B的晶体管的栅电极的前方设置有放大电路122。另外，晶体管的类型也与图7不同，而作为各晶体管可以使用任意类型的晶体管。为了使本实施例的电动机在转矩和转速较宽的动作范围内驱动，优选能可变地设定驱动电路120A、120B的电源电压VDD。在改变了电源电压VDD的情况下，提供给各晶体管的栅极电压的驱动信号DRVA1、DRVA2、DRVB1、DRVB2的电平也与其成比例地改变。这样，可使用宽范围的电源电压VDD来驱动电动机。放大电路122是用于改变驱动信号DRVA1、DRVA2、DRVB1、DRVB2的电平的电路。另外，优选的是，图6所示的驱动电路单元500的电源单元300将可变的电源电压VDD提供给驱动电路150。

图16示出本实施例的电动机在无负载时的转速。从该座标图可以理解，本实施例的电动机在无负载时以极稳定的转速旋转到极低转速。其原因是，由于不具有磁体的磁芯，因而不产生齿槽效应。

图17是示出图6所示的再生控制部200和整流电路250的内部结构的图。再生控制部200具有连接到总线102上的A相充电切换部202、B相充电切换部204以及电子可变电阻器206。2个充电切换部202、204的输出信号被提供给2个AND电路(“与”电路)211、212的输入端子。

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”电平的信号，在不回收的情况下输出“0”电平的信号。B相充电切换部204也是一样。另外，这些信号电平的切换由CPU 110进行。另外，来自A相线圈12A的再生的有无和来自B相线圈12B的再生的有无可以独立设定。因此，例如也能在使用A相线圈12A来使电动机产生驱动力的同时，由B相线圈12B再生电力。

另外，图6所示的驱动控制部100也同样可以构成为：能独立地设定是否使用A相线圈12A来产生驱动力和是否使用B相线圈12B来产生驱动力。这样，能在利用二相线圈12A、12B中的任意一个来产生驱动力并利用另一个来再生电力的运转模式下运转电动机。

电子可变电阻器206的两端电压被提供给4个电压比较器221～224的2个输入端子中的一个。A相传感器信号SSA和B相传感器信号SSB被提供给电压比较器221～224的另一个输入端子。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相线圈用的屏蔽信号TPA、BTA被输入到OR电路231，B相线圈用的屏蔽信号TPB、BTB被输入到另一OR电路232。这些OR电路231、232的输出被提供给上述的2个AND电路211、212的输入端子。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”。

另外，4个电压比较器221～224和OR电路231、232的结构与排列2个图13所示的励磁区间设定部590内的电压比较器594、596和OR电路598时的结构相同。因此，A相线圈用的OR电路231的输出信号具有与图13(B)所示的励磁区间信号Ea相同的波形。并且，在A相充电切换部202的输出信号为“1”电平的情况下，从A相线圈用的AND电路211输出的屏蔽信号MSKA与OR电路231的输出信号相同。这些动作对于B相也是一样。

整流电路250具有这样的A相线圈用的电路，即：包含多个二极管的全波整流电路252，2个选通晶体管261、262，缓冲电路271，以及倒相电路272(NOT电路：“非”电路)。另外，在B相线圈用电路中也设有相同电路。选通晶体管261、262与再生用的电源配线280连接。并且，作为多个二极管，优选使用低Vf特性优良的肖特基二极管。

在电力再生时由A相线圈12A产生的交流电通过全波整流电路252进行整流。A相线圈用的屏蔽信号MSKA及其反转信号被提供给选通晶体管261、262的栅极，根据上述信号对选通晶体管261、262进行接通/断开控制。因此，在从电压比较器221、222输出的屏蔽信号TPA、BTA中的至少一个为高电平的期间内，再生电力被输出到电源配线280，另一方面，在屏蔽信号TPA、BTA两者为低电平的期间内，禁止电力再生。

从以上说明可以理解，能使用再生控制部200和整流电路250来回收再生电力。并且，再生控制部200和整流电路250根据A相线圈用的屏蔽信号MSKA和B相线圈用的屏蔽信号MSKB来限制对来自A相线圈12A和B相线圈12B的再生电力进行回收的期间，由此可调整再生电力的数量。

如上所述，在第1实施例的无刷电动机中，轴部64被固定在定子部10上，转子部30以轴部64为中心旋转，车轮部71等被驱动部件与转子部30连接，因而能在不使电动机的中心轴旋转的状态下使被驱动部件旋转。

C.第1实施例的电动机结构的变形例：

图18是示出第1实施例的电动机结构的另一例的说明图。在上述第1实施例中，在电动机的外周部安装有车轮部71，然而代之也能安装齿轮71b，并将电动机主体作为齿轮的一部分来使用(图18(A))。并且，还能取代齿轮71b而安装滑轮71c(图18(B))。

D.第2实施例的电动机结构：

图19是示出第2实施例的电动机结构的说明图。与图1所示的第1实施例的不同点仅是，永久磁铁32和线圈12只设置在支撑部件14的单面上，而其他结构与第1实施例相同。这样，作为单面励磁的电动机，也能在不使电动机的中心轴旋转的情况下使被驱动部件旋转。

E.第3实施例的电动机结构：

图20是示出第3实施例的电动机结构的说明图。与图1所示的第1实施例的不同点仅是，永久磁铁32配置在线圈12的外周侧，而其他结构与第1实施例相同(图20(A))。并且，还能取代车轮部71而安装叶片71d，形成为风扇电动机(图20(B))。这样，即使永久磁铁32和线圈12的配置形成为与外转子型的电动机相同的配置，也能在不使电动机的中心轴旋转的状态下使被驱动部件旋转。

F.变形例：

另外，本发明不限于上述的实施例和实施方式，在不背离其主旨的范围内能以各种方式来实施，例如也能进行如下的变形。

F1.变形例1：

在上述实施例和变形例中说明了二相无刷电动机，然而本发明能应用于任意相数M的无刷电动机，其中M为1以上的整数。并且，各个相的线圈组只要包含至少1个电磁线圈即可，然而优选包含2个以上的电磁线圈。

F2.变形例2：

在上述实施例中利用了模拟磁传感器，然而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。另外，在本说明书中，“表示模拟变化的输出信号”不是接通/断开的二值输出，而是包含具有三值以上的多个电平的数字输出信号和模拟输出信号两者的广义上使用的信号。

另外，也可以取代具有表示模拟变化的输出信号的传感器，而使用具有二值数字输出的数字磁传感器。在该情况下，不需要图8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，并且不使用正弦波驱动波形，因而效率低下，还产生振动/噪音，但是可利用廉价的IC实现驱动控制电路。

F3.变形例3：

作为PWM电路，能采用图10所示的电路以外的各种电路结构。例如，可以利用通过将传感器输出和基准三角波相比较来进行PWM控制的电路。并且，可以利用PWM控制以外的方法来生成驱动信号。并且，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，还能采用将传感器输出放大后生成模拟驱动信号的电路。

并且，在图8中，也能将ADC部570更换为电压比较器(比较器)。在该情况下，由于采用矩形波驱动而不是正弦波驱动波形，因而效率下降，还产生振动/噪音，不过可以利用廉价的IC实现驱动控制电路。

F4.变形例4：

本发明也能应用于不包含再生电路的电动机和不包含驱动控制电路的发电机。作为具体例，例如可应用于投影仪的自动万能工作台、摄像机的自动万能工作台、电动车辆、飞艇、直升飞机、喷气发动机(加压部)、机器人、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、玩具等各种装置的电动机。

图21是示出利用本发明实施例的电动机的铁道车辆的说明图。该铁道车辆1000具有电动机1010和车轮1020。该电动机1010驱动车轮1020。而且，电动机1010在制动铁道车辆1000时作为发电机被利用，能再生电力。作为该电动机1010，可利用上述的各种无刷电动机。

F5.变形例5：

在上述实施例中，设置有用于拆装的固定螺丝部50，然而可以去除固定螺丝部50，而将轮部70和转子部30形成为一体。

Claims (11)

1.一种无刷电动机，该无刷电动机包括：

定子，其具有电磁线圈和位置传感器；

轴部，其固定在所述定子上；以及

转子，其具有永久磁铁并在所述轴部的周围旋转，

所述转子与通过所述无刷电动机来驱动的被驱动部件连接。

2.根据权利要求1所述的无刷电动机，在所述轴部的内部设置有用于驱动所述无刷电动机的配线。

3.根据权利要求1或2所述的无刷电动机，

所述转子具有将所述定子包入在所述转子内部的形状，

所述永久磁铁设置在所述转子的内侧部分。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的无刷电动机，所述位置传感器包含磁传感器，该磁传感器根据所述定子和所述转子的相对位置来输出表示模拟变化的输出信号。

5.根据权利要求4所述的无刷电动机，所述定子还具有包含PWM控制电路的控制电路，该PWM控制电路通过执行利用所述磁传感器的输出信号的模拟变化的PWM控制，来生成模拟所述磁传感器的输出信号的模拟变化的驱动信号。

6.根据权利要求5所述的无刷电动机，所述控制电路还具有再生电路，该再生电路从所述电磁线圈再生电力。

7.根据权利要求6所述的无刷电动机，在所述轴部的内部设置有用于回收来自所述再生电路的再生电力的配线。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的无刷电动机，所述电磁线圈、所述位置传感器以及所述控制电路中的至少一部分利用树脂覆盖。

9.一种装置，该装置具有：

根据权利要求1至8中任一项所述的无刷电动机，以及

由所述无刷电动机来驱动的被驱动部件。

10.根据权利要求9所述的装置，所述装置是移动体。

11.根据权利要求10所述的移动体，所述移动体是铁道车辆。

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