CN101436841A

CN101436841A - 电动机

Info

Publication number: CN101436841A
Application number: CNA2008101859089A
Authority: CN
Inventors: 竹内启佐敏
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Godo Kaisha IP Bridge 1
Priority date: 2004-03-12
Filing date: 2005-03-14
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2025-03-14
Also published as: US20090295318A1; US20070188121A1; US7884563B2; CN101436842B; CN101436842A; WO2005088827A1; CN100463352C; KR20080014902A; JP2005261135A; US7095155B2; US7211974B2; KR100834225B1; US8102135B2; US20050200213A1; KR20060118606A; CN1930771A; US20110084637A1; KR100834226B1; CN101436841B; US20060220603A1

Abstract

本发明提供一种电动机。该电动机具有移动体和电磁线圈，移动体上连续配置了异极交替磁化的多个永磁，多个电磁线圈作为定子与移动体非接触地配置，通过将励磁电流直接作为驱动波形供给该电磁线圈，而使该移动体作移动运动，其特征在于，通过如下部件对该电动机进行控制：传感器，其输出电平对应于所述永磁的移动所引起的周期性磁场变化而变化的检测信号；频率电压转换部，其输出与检测信号相应的电压；电平调整电路，其输出与频率电压转换部的输出电压相应电平的磁滞电平信号；窗口比较器，其输出根据传感器的检测信号和磁滞电平信号的电平比较结果而设定了占空比的脉冲串状的驱动信号；以及驱动电路，其根据驱动信号向电磁线圈供应励磁电流。

Description

电动机

本申请是申请日为2005年3月14日，申请号为200580007994.9，发明名称为“电动机及其驱动控制系统”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及各种电动机，所述各种电动机把产生磁极的线圈线状排列，通过依次切换流过线圈的电流，使由永磁或强磁性体构成的转子旋转，或者使滑动部移动，并且涉及在该电动机中使用的磁结构体，还涉及将该电动机用作驱动源的驱动体。本发明可适用于作为所述驱动体的电动汽车、电动二轮车、电动轮椅等，以及其它电动玩具、电动飞机、小型电动设备以及MEMS(微机电系统)。

背景技术

利用交流等的频率信号驱动的AC电动机主要分为同步电动机和感应电动机两类。同步电动机是在转子中使用永磁或铁等强磁性体的层叠磁心，以与由电源频率决定的旋转磁场的速度相同的旋转速度旋转的电动机。

根据转子的不同，有使用永磁的磁铁型和卷绕有线圈的绕线型、以及使用铁等强磁性体的电抗型电动机。其中磁铁型电动机的转子的永磁受到定子的旋转磁场作用而旋转。另一方面，感应电动机是在筐形的转子中导线由于电磁感应作用而产生另外的磁场而旋转的电动机。

在所述电动机中，也有不旋转而作直线移动或者在平面内自由移动的电动机。这种电动机普遍称为线性电动机，使产生磁极的线圈直线状排列，并通过依次切换流过的电流使其上放置的永磁或强磁性体移动。按直线状配置的线圈组为定子，转子为平坦形状，在定子上滑动，因而相当于滑动部。

作为所述磁铁型的同步电动机，例如有日本特开平8—51745号公报(专利文献1)中所述的小型同步电动机。该小型同步电动机如专利文献1的图1所示，具备：卷绕有励磁线圈7的定子磁心6；以及转子3，该转子3具有在内部内置有磁铁1且在周面上等间隔排列有NS极的转子磁心2。

发明内容

但是现有技术中说明的电动机，与产生的转矩相比重量变重，而若提高产生转矩则会存在大型化的问题。因此，本发明目的在于提供一种转矩与重量的平衡性优良并适合于小型化的电动机。

为了实现所述目的，本发明是一种电动机，该电动机具有移动体和电磁线圈，所述移动体上连续配置了异极交替磁化的多个永磁，多个所述电磁线圈作为定子与所述移动体非接触地配置，通过将励磁电流直接作为驱动波形供给该电磁线圈，而使该移动体作移动运动，其特征在于，通过如下部件对该电动机进行控制：传感器，其输出电平对应于所述永磁的移动所引起的周期性磁场变化而变化的检测信号；频率电压转换部，其输出与所述检测信号相应的电压；电平调整电路，其输出与所述频率电压转换部的输出电压相应电平的磁滞电平信号；窗口比较器，其输出根据所述传感器的检测信号和所述磁滞电平信号的电平比较结果而设定了占空比的脉冲串状的驱动信号；以及驱动电路，其根据所述驱动信号向所述电磁线圈供应所述励磁电流。

附图说明

图1是表示本发明的磁性体结构的示意图和动作原理的图。

图2是接着图1表示动作原理的图。

图3是表示电磁线圈的连接状态的等效电路图。

图4是电动机的立体图。

图5是向线圈组供给励磁电流的驱动电路的框图。

图6是用于将传感器的数字输出直接反馈给线圈驱动电路的控制电路的框图。

图7是控制电路的控制波形图。

图8是表示根据传感器的数字输出的PWM控制处理动作的波形图。

图9是用于将传感器的模拟输出直接反馈给线圈驱动电路的控制电路的框图。

图10是控制电路的控制波形图。

图11是用于实现对传感器的模拟输出值的磁滞电平控制的控制电路的框图。

图12是磁滞电平较小时的控制波形图。

图13是磁滞电平较大时的控制波形图。

图14是基于模拟输出传感器的PWM控制电路的框图。

图15是表示该PWM控制动作的波形图。

图16是表示线圈驱动电路的另一例子的框图。

图17是其驱动波形图。

图18是将本发明应用于步进电动机时的框图。

图19是步进电动机的传感器直接驱动方式的波形图。

图20是基于包括具有磁滞调整用电子VR的窗口比较器的模拟方式传感器的数字再生/发电控制的框图。

图21是表示磁滞调整电子VR较小时再生能量变为最大状态时的波形图。

图22是表示磁滞调整用电子VR最大时再生能量变为最小的状态的波形图。

图23是表示来自各相线圈的受电控制的功能框图。

图24是表示再生电流的能量转换部的框图。

图25是表示各相线圈和由永磁构成的转子在径向相面对的结构的图。

具体实施方式

图1和图2是表示本发明的电动机的动作原理的图。该电动机具有在第一线圈组(A相线圈)10和第二线圈组(B相线圈)12之间插入有第3永磁14的结构。这些线圈和永磁可以构成为环状(圆弧形、圆形)或者直线状的任一形式。在它们构成为环状的情况下，永磁或者线圈相的任一方作为转子发挥功能，而当它们形成为直线状时，其中任一方成为滑动部。

第一线圈组10具有把能够交替地使异极励磁的线圈16以预定间隔、优选为均等间隔顺序排列的结构。该第一线圈组的等效电路图如图5所示。根据图1和图2，如后所述，在2相的励磁线圈中，在起动旋转中(2π)始终使全部线圈以所述的极性交替励磁。因此，能够以高转矩对转子或滑动部等被驱动单元进行驱动、使之旋转。

如图3(1)所示，异极被交替励磁的多个电磁线圈16(磁性单位)等间隔地串联连接。符号18A是表示对该磁线圈施加频率脉冲信号的驱动电路的模块。进行预先设定，使得当从该驱动电路向电磁线圈16流过用于使线圈励磁的励磁信号时，使相邻的线圈之间磁极方向交替变化，使各线圈励磁。也可以如图3(2)所示使电磁线圈16并联连接。该线圈的结构对于A、B相线圈均相同。

当从该励磁电路18A向电磁线圈16施加具有使所供给的励磁电流的极性方向以预定周期交替切换的频率的信号时，如图1和图2所示，A相线圈组10形成与转子14面对的一侧的极性按N极→S极→N极交替变化的磁图案。当频率信号成为逆极性时，产生第1磁性体在第3磁性体侧的极性按S极→N极→S极交替变化的磁图案。其结果，A相线圈组10中出现的励磁图案周期性变化。

B相线圈组的结构与A相线圈组相同，但是不同点在于B相线圈组的电磁线圈18相对于A相线圈组16错位地排列。即，进行偏移配置，使A相线圈组的线圈的排列间距与B相线圈组的排列间距保持预定的间距差(角度差)。该间距差优选为π/6，即，使永磁14对应于励磁电流的频率的一个周期(2π)相对于线圈16、18移动的角度(一个旋转)的例如π/(2/M)，M为永磁(N+S)的组数，M＝3。

下面对永磁进行说明。如图1和图2所示，由永磁构成的转子14配置于二相的线圈组之间，交替地具有相反极性的多个永磁20(以斜线标出)以预定间隔优选为均等间隔排列成线状(圆弧状)。所谓圆弧状包括完全的圆和椭圆等闭合环，此外也包括非特定环状结构或者半园和扇形。

A相线圈组10和B相线圈组12等距离配置，在A相线圈组和B相线圈组的中间配置有第3磁性体14。永磁20的永磁排列间距，与A相线圈10和B相线圈12的磁线圈的排列间距大致相同。

下面参照图1和图2对在第1磁性体10和第2磁性体12之间配置了所述的第3磁性体14的磁体结构的动作进行说明。通过所述的励磁电路(图3中的18。后面叙述)在某一瞬间在A相线圈和B相线圈的电磁线圈16、18上产生图1(1)所示的励磁图案。

此时，在A相线圈10的朝向永磁14侧的表面的各线圈16上以→S→N→S→N→S→的图案产生磁极，在B相线圈12的朝向永磁14侧的表面的线圈18上以→N→S→N→S→N→的图案产生磁极。永磁和各相线圈的磁关系如图所示，在同极间产生斥力而在异极间产生吸引力。

下一瞬间如(2)所示，当通过驱动电路18施加于A相线圈的脉冲波的极性反转时，在(1)的A相线圈10的线圈16中产生的磁极与永磁20的磁极之间产生斥力，另一方面，在B相线圈12的线圈18中产生的磁极与永磁20的表面的磁极之间产生吸引力，因此，如图1(1)至图2(5)所示，永磁14向图示右方向依次移动。

对B相线圈12的线圈18施加与A相线圈的励磁电流发生了相位偏移的脉冲波，如图2的(6)至(8)所示，B相线圈12的线圈18的磁极与永磁20的表面的磁极相排斥，使永磁14进一步向右方向移动。(1)至(8)表示转子14进行对应于π的旋转的情况，而(9)及(9)以后同样地表示进行与剩余的π→2π对应的旋转。这样，通过对A相线圈组和B相线圈组供给相位错开的预定频率的驱动电流(电压)信号而使转子旋转。

另外，若A相线圈组和B相线圈组以及永磁成为圆弧状，则图1所示的磁结构构成旋转电动机，如果它们形成为直线状，则该磁结构构成线性电动机。除了壳体、转子等永磁和电磁线圈之外的部分，使用作为非磁性体的树脂(含碳类)、陶瓷类来实现轻量化，不使用磁轭而使磁回路成为开放状态，从而避免铁损，可实现功率/重量比优良的旋转驱动体。

根据该结构，永磁能够从A相线圈和B相线圈接受磁力而移动，因此使永磁产生的转矩增大，从而使转矩/重量平衡性优良，因此能够提供可以高转矩驱动的小型轻量电动机。

图3的(1)是多个线圈组串联形成的情况下的A相线圈和B相线圈的各回路，(2)是多个线圈组并联形成的情况下的A相线圈和B相线圈的各回路。

图4是电动机的立体图，(1)是该电动机的立体图，(2)是转子(第3磁性体)的概略平面图，(3)是其侧视图，(4)表示A相电磁线圈(第1磁性体)，(5)表示B相电磁线圈(第2磁性体)。标记的符号与前述图中对应的构成部分相同。

该电动机具有相当于定子的一对A相磁性体10和B相磁性体12，并且具有构成转子的所述第3磁性体14，在A相磁性体与B相磁性体之间配置有转子14，该转子14可以以轴37为中心自由旋转。旋转轴37被压入位于转子中心的旋转轴用开口孔中，使得转子与旋转轴一体旋转。如图4的(2)、(4)、(5)所示，在转子上沿周向均等地设置了六个永磁，并且使永磁的极性交替地变反，在定子上沿周向均等地设置了六个电磁线圈。

使A相传感器34A和B相传感器34B的相位偏移(相当于π/6的距离)，设置于A相磁性体(第1磁性体)的壳体内面侧壁。关于A相传感器34A和B相传感器34B，为了对供给到A相线圈16的频率信号和供给到B相线圈18的频率信号设置预定的相位差，按如上所述使设置了传感器的相位偏移。

作为传感器，可以根据伴随永磁的运动的磁极变化来检测永磁的位置，优选利用霍尔效应(Hall effect)的霍尔元件。通过使用该传感器，在把从永磁的S极到下一次的S极设为2π时，无论永磁位于何处都能够通过霍尔元件检测出永磁的位置。作为霍尔元件，除了产生脉冲的方式的元件以外，也可以是根据磁极强度输出模拟值的方式的元件。

图5(1)和(2)是由A相线圈组构成的A相磁性体和由B相线圈组构成的B相磁性体的各自的驱动电路。

该电路包含应对A相电磁线圈或者B相电磁线圈施加传感器的输出波形作为励磁电流的切换晶体管TR1至TR4。现在，当作为信号A相传感器的输出为“H”时，在TR1的栅极施加“L”，在TR2的栅极施加“L”，在TR3的栅极施加“H”，在TR4的栅极施加“H”。这样，TR1和TR4导通，作为具有IA1方向的来自传感器的输出的励磁电流被施加于A相线圈。另一方面，当作为信号A相传感器的输出为“L”时，在TR1的栅极施加“H”，在TR2的栅极施加“H”，在TR3的栅极施加“L”，在TR4的栅极施加“L”。这样，TR2和TR3导通，具有IA2方向的励磁电流被施加于A相线圈。另外，当TR1和TR3被施加“H”，TR2和TR4被施加“L”时，成为HiZ状态，不对电磁线圈供给电流。关于对(2)的B相线圈的励磁也是同样的。

图6是对如图5所示A相驱动电路和B相驱动电路供给的控制信号的处理电路。来自A相传感器35A的数字输出供给至EX—NOR门80，来自B相传感器35B的数字输出供给至EX—NOR电路82。符号92是控制信号的形成单元，该控制信号用于选择将来自传感器的输出直接供给到所述的驱动电路或者使传感器输出值的占空比变化(PWM)；符号93是控制信号的形成单元，该控制信号用于决定由永磁构成的转子的旋转方向为正转或反转。只要在正转和反转时使A相线圈和B相线圈的一方的图案(极性)变反即可。这些各单元通过微型计算机实现。符号88是PWM转换部，通过PWM控制将来自传感器输出的模拟量转换为逻辑量(电流控制)，进行控制，从而能够对电动机的转矩进行控制。符号90是切换电路部，其对选择由所述符号88形成的信号或者从传感器获得的直接信号供给至A相驱动84和B相驱动86进行切换。

图7表示各相传感器的输出波形和向各相线圈的驱动电路供给的励磁信号图案。通过使A相传感器和B相传感器彼此的设置位置相位错开，而使其输出值中也出现相位差。所述的8的控制电路将A相传感器的输出(1)作为直接驱动波形供给至A相线圈的驱动器84。A1相驱动波形(3)为具有图5的A相线圈组的端子A1→端子A2的电流方向的控制信号，A2相驱动波形(4)为具有A2端子→A1端子的电流方向的控制信号。如图5所示，根据A相传感器输出形成A1相波形和A2相波形的多个线圈励磁图案，将其向励磁电路(线圈驱动电路)输出。B相线圈也同样。图7表示将传感器输出直接供给至驱动电路的情况。

现在，假设不管转子的永磁的位置如何，A相传感器输出和B相传感器输出均为L电平，由于A2相驱动波形和B2相驱动波形的各自的电平处于“H”，通过将其提供给驱动电路，使A相线圈组和B相线圈组均被励磁，从而使具有永磁的转子旋转。即，无论永磁停止在哪个位置上，通过将传感器输出直接反馈至驱动器，能够使转子开始旋转。这样，由于能够将传感器输出直接反馈至驱动电路，从而能够简化控制电路的结构。

图8是表示对线圈组进行PWM驱动的控制波形图。(1)—(6)与图7相同。(7)表示施加于A相线圈组的两端电位上的正弦波输出，利用占空比指令值使该正弦波的频率变化。通过取得该正弦波输出与A相线圈两端的数字输出值((1)和(3)的合成)的“AND”值，能够将A相线圈的输出值转换为占空比。B相线圈组也同样。

图9是表示通过模拟方式传感器使驱动器直接驱动的控制电路，即将传感器的模拟输出值直接供给到励磁线圈的框图。符号100是传感器输出的放大器。通过转子的正转或反转电路101来控制传感器输出的极性。102和104为自动增益控制。图10表示各相传感器的模拟输出值和被供给该模拟输出值的各相线圈组的驱动电压波形。

图11表示基于模拟方式传感器的数字驱动电路，130是作为磁滞电平(hysteresis level)设定单元的一例的、使用与由窗口比较器获得的反转信号有关的电路结构的单元(以下将其称为“窗口比较器”)，其被输入A相传感器35A输出和B相传感器输出35B，将它们与可变电阻控制电路136的输入值进行比较，决定磁滞电平。符号132是开关电路，用于切换是以A1相驱动波形84A还是以A2相驱动波形来对A线圈进行控制，B相线圈也同样。符号134是将A相传感器的输出值的频率转换为电压值的FV转换部，通过将134的输出供给到所述电子VR控制电路136，来决定电阻值，设定磁滞电平。即，通过改变磁滞电平，能够对电动机特性的转矩进行控制。例如，在起动时使磁滞电平为最小，牺牲效率，以转矩优先来驱动电动机。而在电动机稳定旋转工作时，切换为使磁滞电平最大、以高效率优先的电动机驱动。也可以通过CPU来控制磁滞调整用量(v)。控制电路93能够对以下模式进行选择：使A相线圈和B相线圈励磁，使转子旋转的模式；和使任一相励磁来使转子旋转的模式。

图12是使处于停止状态的转子旋转的情况下的控制波形图，当使磁滞电平为最小时，通过窗口比较器130对传感器输出值和磁滞电平进行比较，将传感器的输出值转换为逻辑量，切换高占空比的励磁信号，从多路器132供给到A相线圈组和B相线圈组，电动机以高转矩旋转。如图13所示，若在转子稳定旋转的状态下使磁滞电平最大，则对各相线圈组施加低占空比的励磁信号，使电动机的驱动转矩减小，然而能够使电动机以高效率运转。

图14表示利用模拟方式传感器输出而不利用磁滞电平控制来进行PWM控制的情况下的电路结构。从PLL电路162将基本频率信号被分频后的比较波供给到PWM转换部160，对该比较波与来自A相传感器以及B相传感器的模拟检测值进行比较，将调整了占空比后的信号波供给到各相线圈组。通过利用自动增益控制102、104来调整模拟输出值的峰值，以及控制PLL电路162的比较用信号的频率，并且对应于电动机要求的转矩使用CPU等对它们进行适当的设定，从而能够如图15所示，由传感器输出获得PWM输出值。另外，虽然在前述实施方式中以永磁组作为转子进行了说明，但是也可以是线性电动机那样的直线状运动的例子。

图16表示驱动电路的第二例，将在图5的电路中由A相线圈和B相线圈分别形成的驱动电路作为单个驱动电路。现在参照图17进行说明，在T1期间中，通过传感器输出使TR1和TR7导通，从电源供给的IA1方向的励磁电流从晶体管TR1流过A相线圈16，并经由晶体管TR7流向地。在T2期间中，使TR3和TR7导通，来自电源的励磁电流沿着IB1方向通过B相线圈，通过TR7后流向地。在T3期间，TR2导通，TR8导通，来自电源的励磁电流沿着IA2方向流动，然后流向地。在T4期间，TR4导通，TR8导通，来自电源的励磁电流沿着IB2方向流动，然后流向地。

图18是在步进电动机中应用本发明的传感器直接驱动方式，即将来自传感器的检测信号直接输入线圈驱动用的驱动电路的驱动方式时的电路图。符号190是具有多个永磁的转子，192为A—A’相线圈、194为B—B’相线圈、34A为A相传感器、34B为B相传感器。图19为线圈驱动时序图，将A相传感器的输出作为线圈励磁用电流供给到A—A’相线圈驱动电路，将B相传感器的输出供给到B—B’相线圈的驱动电路。在图19中，在涂黑的期间可通过极性的切换对转子的正反转进行控制。根据该实施方式，消除了由于步进电动机的负荷变化导致的驱动屈服点。

图20是基于具有窗口比较器130的模拟方式传感器的数字再生/发电控制的框图，其中该窗口比较器130具有磁滞调整用电子VR。在A相传感器34A的输出大于等于磁滞电平的变动幅度时，对“OR”电路200输出A相TP或A相BT的“H”值，该“H”值作为A相再生许可信号输出给后述的受电控制电路。B相传感器34B的输出也同样。符号202为“OR”电路。

图21是表示磁滞调整电子VR较小时再生能量为最大的状态时的波形图，图22是表示磁滞调整用电子VR最大时再生能量为最小的状态的波形图。在高负荷时(强再生制动状态)，各相的再生许可信号的占空比高，在再生许可信号为“H”的期间将来自A相和B相的各线圈的再生电流供给负荷(电池)。此为图21的状态。另一方面，在低负荷时(弱再生制动状态)，如图22所示，各相的许可信号的占空比小，在再生许可信号为“H”的期间将来自各相线圈的再生电流供给负荷。

图23是表示来自各相线圈的受电控制的功能框图，根据A相再生许可信号的H或L的切换，当所述信号被供给时，通过反相器232A、232B使晶体管230和232交替导通，在“+”送电端子和“—”送电端子之间产生经整流单元231整流并经平滑电路240平滑化的再生电流。在B相线圈侧也同样。图24是再生电流的能量转换部，240为DC/DC变换部，242为DC/AC变换部，244为化学变换部(电池)。

另外，所述结构如图25(1)和(2)所示，适用于A相线圈16和B相线圈18以及由永磁构成的转子20在径向相面对的结构。(1)是电动机的平面图，(2)是(1)的A—A’剖面图。对定子以A相、B相两相进行了说明，但是也能够仅使用单相来进行单独的驱动和再生，虽然转速/转矩会降低。通过改变转子与定子的A相、B相之间的距离，使磁场强度改变，从而能够改变转速/转矩特性。通过改变定子的A相/B相的设计位置角度，也能够改变转速/转矩特性。

根据这里说明的实施方式，将检测伴随转子的旋转的磁场变化的各相传感器的输出，分别直接供给错开角度来设定的2相的电磁线圈，从而在电动机的驱动开始的转矩要求运转时，能够以微弱电流(micro orderlevel)使转子旋转。

Claims

1、一种电动机，该电动机具有移动体和电磁线圈，所述移动体上连续配置了异极交替磁化的多个永磁，多个所述电磁线圈作为定子与所述移动体非接触地配置，通过将励磁电流直接作为驱动波形供给该电磁线圈，而使该移动体作移动运动，其特征在于，通过如下部件对该电动机进行控制：

传感器，其输出电平对应于所述永磁的移动所引起的周期性磁场变化而变化的检测信号；

频率电压转换部，其输出与所述检测信号相应的电压；

电平调整电路，其输出与所述频率电压转换部的输出电压相应电平的磁滞电平信号；

窗口比较器，其输出根据所述传感器的检测信号和所述磁滞电平信号的电平比较结果而设定了占空比的脉冲串状的驱动信号；以及

驱动电路，其根据所述驱动信号向所述电磁线圈供应所述励磁电流。

2、根据权利要求1所述的电动机，其中，所述移动体具有多个如下结构：即不同的两个永磁的异极排列构成对，当成对的所述异极排列之间的位置为2π时，所述传感器能够对所述2π之间的任意位置进行线性检测，并且该传感器针对所述电磁线圈而设置。

3、根据权利要求1所述的电动机，其中，所述传感器为输出模拟检测值的霍尔元件传感器。

4、根据权利要求1所述的电动机，其中，通过CPU来控制所述电平调整电路。