CN1424816A - 内燃机驱动用无碳刷旋转电机的起动方法 - Google Patents

Abstract

提供一种即使不使用转子位置检测元件，也可得到很大的起动扭矩，从强制换流向通常运转的切换可以简单且平顺的进行的无碳刷旋转电机的起动方法。起动时，作为初期励磁，仅在3相定子线圈中的任意两个线圈之间通电，固定前述磁铁转子的位置(步骤S1、S2)。接着一边逐渐增加通电量，一边在各相的线圈间依次强制通电(步骤S3)。在此强制换流时，根据在没有通电的线圈上通过被感应的电压信号所形成的旋转位置检测信号，驱动磁铁转子，驱动内燃机的输出轴。因旋转位置检测信号而检测出的内燃机的转数，在达到规定转数时，停止通电。

Description

内燃机驱动用无碳刷旋转电机的起动方法

技术领域

本发明涉及无碳刷旋转电机的起动方法，特别是涉及适用于起动时产生巨大扭矩的无碳刷旋转电机的起动方法。

背景技术

在作为旋转电机的无碳刷马达中，是向3相定子线圈的通电，转子(下称转子)以电角度每旋转120°依次切换，来使转子旋转。以往的无碳刷马达所具有的用于检测转子的旋转位置的霍尔元件等的位置检测元件是很普遍的。近年，为适应无碳刷马达的小型化的要求，提出了不使用位置检测元件的无碳刷马达。

例如，在特公平5-24760号公报所记载的无碳刷马达中，依照通电在3相定子线圈中的顺序不同的2相间进行，检测出在没有通电相中的感应电压，根据此检测出的电压，算出转子的位置。在这种无碳刷马达中，因为无法得到作为计算起动时转子的位置的基准的感应电压，首先进行使转子稍稍旋转的强制换流。所谓强制换流就是与转子的位置无关，令定子的各相间的任意相，例如在U相及V相间通电(以下称为「1相通电」)。于是，根据此时的感应电压检测转子的位置，其后转移到以此检测位置为基准的通常的通电。

在马达没有通电的自由状态下停止时的转子和定子(以下称为「定子」)的相对位置关系是以磁铁的吸引力以及排斥力的关系所规定的。例如在具有3相定子线圈的外转子型的无碳刷马达的情况下，作为转子和定子的相对位置的停止位置如图13所示的6种形态，即存在停止位置p1-p6。另外，图13在表示前述马达在自由状态停止时的转子和定子的相对位置关系的同时，也表示了无碳刷马达的主要部位的构成。

在图13中，转子的旋转方向是将图中的逆时针方向旋转称为正转Rs、将顺时针方向旋转称为逆转Rr。在无碳刷马达的内周侧配置定子100、在外周侧配置转子200。定子100具有U、V、W相的磁极300。在磁极300上缠绕有线圈。在转子200中在圆周方向交互设置具有N极和S极的极性的永久磁铁m1、m2、m3…。

对从这些各停止位置p1-p6开始没有经过初期励磁，从U相向W相强制换流的情况下的转子的运动，下面参照附图进行说明。另外若从U相向W相通电，则U相的极性是N极，W相的是S极。

在停止位置p1中，磁铁m2的S极被吸引到U相的N极，磁铁m2的S极与W相的S极相斥，转子200以最大的扭矩向正转方向Rs旋转。在停止位置p2中，磁铁m2的S极被吸引到U相的N极的同时，与磁铁m3的N极相斥，转子200以最大的扭矩向正转方向Rs旋转。在停止位置p3中，因为U相的N极与磁铁m2的S极间的吸引力、和W相的S极与磁铁m1的N极间的吸引力相互平衡，所以相对于转子200的旋转力没有产生。

在停止位置4中，磁铁m2的N极被吸引到W相的S极的同时，与磁铁m1的S极相斥，转子200向反转方向Rr旋转。同样，在停止位置p5中，磁铁m3的S极被吸引到U相的N极的同时，与磁铁m2的N极相斥，转子200向反转方向Rr旋转。在停止位置p6中，因为U相的N极与磁铁m2的N极间的相斥力、和W相的S极与磁铁m1的S极间的相斥力相互平衡，所以相对于转子200的旋转力没有产生。

象这样，在停止位置p3、p6中，因为没有产生起动扭矩或者即使产生也很小，不能使无碳刷马达起动。特别是与无碳刷马达连接的负荷很大，在要求较大起动扭矩的情况下，容易产生问题。例如，在内燃机(发动机)起动用的马达中，因为发动机的摩擦系数很大，即使使用具有很大能力的马达，起动扭矩不足的情况也多有发生。另外，在停止位置p4、p5中，因为转子反转，无法得到检测转子位置所必须的感应电压，所以无法转换到通常的通电。象这样，若马达从处于自由状态的停止状态进行强制换流，则能够使马达正转的在6次中仅有2次，即准确率只有1/3。

发明内容

本发明的目的是提供一种即使在不使用转子位置检测元件的情况下，也可得到很大的起动扭矩的无碳刷旋转电机的起动方法。另外，其他的目的是提供可以简单且平顺地进行从强制换流向通常运转切换的无碳刷旋转电机的起动方法。

另外，其他的目的是提供在强制换流时，通过持续供给上限电流，可以处理超越扭矩的无碳刷旋转电机的起动方法。

本发明的内燃机驱动用无碳刷旋转电机的起动方法，其构成为具有：与内燃机的输出轴连接的磁铁转子、和保持电角度120°的相位差所配置的第1、第2、第3相的定子线圈，根据前述转子的旋转位置检测信号，对前述各定子线圈依次通电，进行强制换流，其第一特征在于，起动时，作为初期励磁，仅在前述第1、第2、第3相的定子线圈中的任意两个线圈之间通电，固定前述磁铁转子的位置；接着，作为前述强制换流，一边逐渐增加通电量的同时，一边在前述各相的线圈之间依次强制通电，强制性的使前述磁铁转子旋转；在前述强制通电时，在没有通电的线圈上通过被感应的电压信号形成旋转位置检测信号，根据该形成的旋转位置检测信号，通过进行通常通电，驱动前述磁铁转子，驱动前述内燃机的输出轴的同时，从该旋转位置检测信号检测出前述内燃机的旋转次数或者转数，在达到规定旋转次数或是转数时，停止通电。

根据此特征，可以不设置位置检测元件而进行起动扭矩较大的内燃机的起动。因此，可以容易地将无碳刷旋转电机与无碳刷起动马达兼用。

另外，本发明的第2特征在于，从前述强制换流转换到通常通电的时间，通过从前述旋转位置检测信号算出的旋转次数或是转数所达到的规定值来判断。

根据此特征，因为在内燃机的旋转次数或者转数达到规定值时，即换流动作和旋转的关系在某种程度稳定后自动切换到通常运转，从而可以简单且平顺的进行切换。

再有，本发明的第3特征在于，前述初期励磁结束后的通电，是在设置有将通电电流限制在规定值的限制器的状态下，使PWM的负载逐渐增加。

根据此特征，可以持续确保起动转数的平顺上升，将通电用驱动器的容量控制在很小。

另外，本发明的第4特征在于，以使通电电流不超过规定值的监视状态，逐渐增加通电量通电进行初期励磁，在通电电流值达到预先设定的监视值时，在该监视值附近继续通电。

根据此特征，在强制换流时因为可以持续供给上限电流，所以可以提供可得到较大起动扭矩的无碳刷旋转电机的起动方法。另外，因此用于使内燃机起动的超越扭矩是必要时，提供该超越扭矩，不使用位置传感器也可以起动起动扭矩较大的内燃机。

另外，本发明的第5特征在于，通过由前述磁铁转子的强制旋转、在没有通电的线圈上被感应的电压信号形成旋转位置检测信号，在旋转次数或是转数达到规定值以上后，根据前述旋转位置检测信号进行前述各相的线圈的通电。

根据此特征，以旋转位置检测信号为基准算出的旋转次数或者转数在达到规定值后，即，换流动作和旋转的关系在某种程度稳定后，通过对应转数的开关可以自动切换到通常运转。

另外，本发明的第6特征在于，在前述初期励磁状态中，在通电电流超过规定值的情况下停止通电。

根据此特征可以避免在初期励磁状态中的超负荷运转状态。

再有，本发明的第7特征在于，向前述各相线圈的通电控制是通过定量增减PWM的负荷的控制进行的。

根据此特征，通过简单的方法，就可以进行向各相线圈的通电控制。

附图说明

图1是适用本发明的无碳刷旋转电机的一个实施例的发动机发电装置的侧视图。

图2是图1的V-V的剖视图。

图3是发动机发电装置的系统图。

图4是发动机发电装置的起动控制的流程图。

图5是初期励磁的控制的流程图。

图6是第1、第2初期励磁的动作的说明图。

图7是第1、第2初期励磁的动作的说明图。

图8是强制换流的第1实施例的控制的流程图。

图9是强制换流的第2实施例的控制的流程图。

图10是通常通电的控制的流程图。

图11是表示在初期停止位置p1-p6中，1相励磁的情况的转子的稳定时间的图。

图12是表示从初期励磁完成后的强制换流到通常通电的通电电流的变化、PWM负荷的变化、以及发动机的曲柄转数的变化的图。

图13是表示在自由状态下停止时的定子和转子的相对位置关系的图。

具体实施方式

下面参照图面，就本发明的一个实施例进行详细说明。图1是作为无碳刷旋转电机的一个实施例的发动机发电装置的侧视图，图2是图1的V-V的剖视图。

发动机发电装置1具有发动机2和发电机3。发电机3是磁铁式多极发电机。发动机2的曲轴4通过设置在曲轴箱5的侧壁5a上的轴承6支撑。一端引出到发动机2的外部。在围绕曲轴4的曲轴箱5的侧壁5a的周缘凸起部上，环状星型铁心7通过螺栓8被固定。铁心7由环状的轭铁部7a和从其放射状突出的27个显极部7b构成。

在前述显极部7a上，3相的线圈依次交互缠绕构成定子8。铁心7通过象这样的多极化，取得大输出的同时，可以缩短环状的轭铁部7a以及显极部7b的半径方向的尺寸，有助于轻量化。

在曲轴4的前端嵌入固定着锻造品的毂9，兼作转子轭的飞轮10结合于此毂9上。飞轮10由将高张力钢板冲压成杯状而形成的盘部10a和圆筒部10b构成。盘部10a固定在毂9上，圆筒部10b覆盖铁心7的显极部7b的外侧而被安装。

在飞轮10的圆筒部10b的内周面上，18个具有高磁力的钕系磁铁11围绕周方向固定，构成了外齿轮型磁铁转子12。这样的转子12将磁铁11全面铺到圆筒部10b的内周面而形成，可以确保足够的量，据此，可以发挥作为飞轮的功能。

冷却风扇13安装在飞轮10的盘部10a上。冷却风扇13是在圆环状的基板13a的一方的侧面，围绕周方向立设多个叶轮13b，基板13a固定在飞轮10的盘部10a的外表面。覆盖冷却风扇13的风扇罩14形成从飞轮10的侧方至发动机2的冷却风导风路14a。

图3是发动机发电装置1的系统图。发电机3由(内燃)发电机2驱动，产生3相交流。发电机3的输出交流通过由将半导体整流元件装入电桥的整流电路所组成的转换器15，进行全波整流转换成直流。从转换器15输出的直流通过电容器平滑电路16平滑输入到变流器17，通过构成变流器17的FET的电桥电路变换为规定频率的交流。从变流器17输出的交流输入至解调滤波器18，仅低频率成分(例如商用频率)通过。通过解调滤波器18后的交流，经继电器19以及保险丝20接续到输出端子21。继电器19在发动机2起动时为「开」，在发动机2起动到规定程度时为「关」。

发动机发电装置1的发电机3可以作为用于起动发动机2的起动马达使用。发电机3具有用于此的起动驱动器22。在起动驱动器22上因为供给用于发动机2起动的电流，所以设有整流电路23和平滑电路24。整流电路23由高次谐波滤波器231和转换器232构成。高次谐波滤波器231具有保险丝20A，经此保险丝20A接续到输出端子21。发电机3的输出侧，例如接续到交流200V的单相电源25，从此电源25供给用于起动的交流。此交流输入到高次谐波滤波器231，滤掉高次谐波，通过转换器232变换为直流后，进一步经平滑电路24供给起动驱动器22，作为其电源使用。

起动驱动器22为使发动机2起动，按照预定的顺序依次对发电机3的3相线圈的各相供给电流。在各相的线圈上设有用于依次供给电流的开关元件(FET)221、和CPU222、及不使用用于检测转子12的位置的传感器(磁极检测传感器)的无传感器驱动部223。该无传感器驱动部223伴随转子的旋转，根据在保持电角度120°的相位差而配置的第1、第2、第3的定子线圈上被感应的电压信号，检测转子的位置，决定向该定子线圈通电。

图4是发动机发电装置1的起动控制的流程图。若想使发电机3从自由的停止旋转的状态起动，则根据转子、定子的相互位置关系，在强制换流时有时不能得到大的起动扭矩。另外，也有不能正转的情况。因此，在步骤S1、S2中，通过强制换流可得到最大的扭矩，且在可以正转的转子、定子的相互关系位置上，进行为使转子12变位的第1、第2的初期励磁。通过这些初期励磁，可以将转子12变位到可得到最大扭矩的规定位置。第1及第2初期励磁相互通电的相不同，但处理是相同的(后述)。如后所述，通过2次的初期励磁，转子、定子在前述自由停止状态时，即无论在任何的相互位置关系(图13的停止位置p1-p6)上停止时，都可以使转子12变位到能得到最大扭矩的位置。初期励磁的时间若过短，则转子的运动不稳定，因为在应该停止的位置摇动，所以初期励磁的通电时间最好是到转子位置稳定的时间，例如是1秒左右。

在步骤S3进行强制换流。强制换流在前述第2初期励磁完成后，从可以得到的前述最大扭矩的转子、定子的位置关系，进行1相通电。通过强制换流，从没有通电的相检测感应电压，根据此感应电压，检测转子12的位置。若检测出感应电压，检测出转子12的位置，则进入到步骤S4的通常通电，即进行通常通电。

图5是表示初期励磁(第1及第2初期励磁共通)的处理的流程图。在步骤S10中，控制前述FET221，向预定的相通电。在第1初期励磁中从V相向U相通电，在第2初期励磁中从V相向W相通电。在步骤S11中，使通电负载的初期值增大到预先规定的增量值(例如是1％)。在步骤S12中，产生反电动势后，判断转子12是否停止在转子、定子的起始位置(后述的p1’-p6’)。因为若停止则反电动势为“0”，所以通过反电动势是否为“0”，可以判断转子12是否在起始位置停止。另外，在此判断步骤中，是判断一旦发生反电动势后的反电动势是否为“0”，所以一次也没有产生反电动势的情况判断为“否”。如果步骤S12是肯定，则判断初期励磁完成，进入到下一步的处理。即，第1初期励磁后转换到第2初期励磁，第2初期励磁后转换到强制换流。

在步骤S12为否定时，进入到步骤S13，判断FET221的通电负载是否在预定的上限值(例如50％)以上。若不在上限值以上，在现有的负载上通电(步骤S14)，进入到步骤S11。即使负载达到上限值，转子12也不停止在起始位置，或者反电动势一次也没有发生时，步骤S13是肯定，判断为锁止状态或者超负荷状态，在步骤S15中，使负载为“0”，失效结束(步骤S16)。

参照图6以及图7，具体说明前述第1初期励磁以及第2初期励磁的动作。图6、图7的最左侧的停止位置p1-p6，表示相对于发电机在自然停止时的定子100的转子200的初期停止位置，这与图13的p1-p6相同。为了第1初期励磁，若从V相向U相通电，则V相的极性是N极，U相的极性是S极。因此，在初期停止位置p1中的转子200的永久磁铁m2被吸引到V相N极，永久磁铁m3被吸引到U相S极，因为取得了定子100和转子200的磁极的平衡，转子200不动，成为停止位置p1’。初期停止位置p2-p6情况下的定子100和转子200的相互位置关系也因同样的理由，分别成为停止位置p2’-P6’。很明显，在停止位置p1’-P6’中，仅停止位置p4’与其他的停止位置p1’-p3’、p5’p6’不同。

接着，为了第2初期励磁，若从V相向W相通电，则V相的极性为N极，W相的极性为S极。据此，转子200的S极与W相的S极相斥，N极被吸引，在V相N极的位置的S极的永久磁铁m2、在W相S极的位置的N极的永久磁铁m1为切断状态，转子200停止。此停止位置P1”为在前述第1初期励磁的结果所得到的全部的停止位置p1’-p6’上，实施第2初期励磁而得到的，这是很明显的。即，若在最初的停止位置p1-p6上实施第1、第2初期励磁，则可以使其收敛于一个停止位置P1”。此转子和定子的位置关系是通过从作为接着的强制换流的U相向W相通电而成为U相N极、W相S极时，正转时输出最大起动扭矩的位置。

因此，若对在前述停止位置P1”的状态中的发电机实施强制换流，则因为发电机是从输出最大扭矩的转子、定子的位置关系开始起动的，发电机开始平滑的向正转侧旋转。

下面，参照图11就前述第1、第2初期励磁的励磁时间进行说明。图11表示在前述初期停止位置p1-p6中的定子和转子上进行1相励磁时，直至使转子的动作稳定所需要的时间。初期励磁时间若过短，则转子的运动不稳定，在应该停止的位置摇动。如图所明示，从初期励磁开始到转子动作稳定的时间在初期停止位置p5时最大，即可知约是0.7秒。因此，考虑余量，直到转子动作稳定的初期励磁的通电时间最好是例如为1秒左右。

图8是表示强制换流的处理的流程图。在步骤S20中，是进行预定的相，例如从U相向W相的通电。步骤S21中，使PWM的负载逐渐增加例如是每次增加1％。在步骤S22中，使发动机起动所必须的扭矩，例如特别是超越需要大扭矩的压缩上止点时的电流，以通过容许值为基准，判断其是否超过了设置的上限值的值(＝过电流)。

此步骤S22的判断为肯定时，即达到上限值的情况下，为保护驱动器的开关元件等进入到步骤S24，使负载例如减少1％。于是，在步骤S25中，利用此减少1％的负载实行/继续强制换流。

另外，在此步骤S22的判断为否定时，进入到步骤S23，判断内燃机预定的旋转次数是否达到例如10次以上的旋转。步骤S23若是肯定，则判断通过强制换流而使旋转到达稳定区域，结束强制换流，转换到图10的通常通电。另外，代替该旋转次数，也可以通过转数即一定时间内的旋转次数辨别旋转是否稳定。

在前述动作中，前述无传感器驱动部223以没有通电的线圈所感应的电压信号形成旋转位置检测信号，根据该旋转位置检测信号驱动前述转子。另外，前述内燃机的旋转次数或者转数可以从该旋转位置检测信号检测出来。

如上所述，设有将通电电流控制在规定值的限制器，因为在达到预定的上限值时，使PWM的负载逐渐增加，不用进行多余的大电流通电，可有效地进行向各线圈的通电。另外，在达到上限值的情况下，因为使负载减少，向各线圈的通电以没有形成过电流的负载可继续进行。

图9是表示强制换流的变形例的流程图。从发动机发电装置1的开关元件以及驱动器等的能力，实际上也有在超过上限值的过电流状态，多次实施强制换流，通过超越扭矩，发生有必要超过压缩上死点的情况。此变形例就是在这种情况下最好的处理，对于与图8的处理相同、或在同等的处理付与同样的标记步骤号，在此省略说明。

在步骤S22中判断为过电流时，进入到步骤S31，将计数器值进1。在步骤S32中，例如判断该计数器值是否大于10，在否定的情况下，进入步骤S25，通过该过电流的负载实行强制换流。一直将因该过电流的强制换流持续到计数器值达到10，即使如此在继续过电流的情况下(步骤S32的判断为否定)，通过步骤S33减少负载1％，解消过电流。

图10是表示通常通电的处理的流程图。在步骤S41中，负载增加1％，在步骤S42中，判断是否是预先设定的上限值，即是否是过电流，在此判断为否定时进入到步骤S43，判断转数是否达到设定转数(例如800rpm)以上。若步骤S43是肯定，则判定发动机已经起动，结束起动马达的运动。即，进入到步骤S44，使负载为0％。一方面，在前述步骤S42中的判断是肯定时，为解消过电流进入到步骤S45，负载减少1％，在步骤S46中，以当时的负载实行动作。

图12是表示结束初期励磁后的从强制换流到通常通电的通电电流的变化、PWM的负载变化以及发动机的曲柄转数变化的一个例子的图表。从此表上可以明白，从发动机起动时的强制换流到通常换流转换的过程中，发动机的转数平顺的提升。

通过上述的说明即可明白，根据权利要求1-3的发明，起动扭矩大的内燃机的起动可以使用没有设置霍尔元件等的位置检测元件的无碳刷旋转电机进行。另外，无碳刷发电机可以容易的作为无碳刷起动马达兼用。

另外，根据权利要求2的发明，根据以在没有通电的线圈上所感应的电压信号为基准形成的旋转位置检测信号，检测内燃机的旋转次数或者转数，因为在内燃机的旋转次数或者转数达到规定值时，自动的切换到通常的运转，所以从强制换流到通常通电的切换可简单且平顺的进行。

另外，根据权利要求3的发明，因为结束初期励磁后的通电是在设有将通电电流控制在规定值的限制器的状态下，使PMW的负载逐渐增加，所以可以持续平顺的确保起动转数的上升，将通电用驱动器的容量控制在很小。

根据权利要求4的发明，在强制换流时，用于使内燃机起动的超越扭矩为必要时，因为可以持续供给上限电流，所以可以起动起动扭矩大的内燃机。

根据权利要求5的发明，以旋转位置检测信号为基准算出的旋转次数或者转数在达到规定值后，即，换流动作和旋转的关系在某种程度稳定后，因为通过对应转数的开关可以自动切换到通常运转，所以向通常运转的切换变得简单且平顺。

根据权利要求6的发明，可以避免在初期励磁状态中的超负荷运转状态。

根据权利要求7的发明，通过简单的方法，进行向各相线圈通电控制的同时，还可以提高信赖性。

Claims (7)

1.一种内燃机驱动用无碳刷旋转电机的起动方法，其构成为具有：与内燃机的输出轴连接的磁铁转子、和保持电角度120°的相位差而配置的第1、第2、第3相的定子线圈，根据前述转子的旋转位置检测信号，对前述各定子线圈依次通电，进行强制换流，其特征在于，起动时，作为初期励磁，仅在前述第1、第2、第3相的定子线圈中的任意两个线圈之间通电，固定前述磁铁转子的位置；接着，作为前述强制换流，一边逐渐增加通电量的同时，一边在前述各相的线圈之间依次强制通电，强制性地使前述磁铁转子旋转；在前述强制通电时，通过在没有通电的线圈上被感应的电压信号形成旋转位置检测信号，根据该形成的旋转位置检测信号，进行通常通电，驱动前述磁铁转子，驱动前述内燃机的输出轴的同时，从该旋转位置检测信号检测出前述内燃机的旋转次数或者转数，在达到规定旋转次数或是转数时，停止通电。

2.如权利要求1所述的内燃机驱动用无碳刷旋转电机的起动方法，其特征在于，从前述强制换流转换到通常通电的时间，通过从前述旋转位置检测信号算出的旋转次数或是转数所达到的规定值来判断。

3.如权利要求1或2所述的内燃机驱动用无碳刷旋转电机的起动方法，其特征在于，前述初期励磁结束后的通电，是在设置有将通电电流限制在规定值的限制器的状态下，使PWM的负载逐渐增加。

4.如权利要求1所述的内燃机驱动用无碳刷旋转电机的起动方法，其特征在于，在初期励磁中，以使通电电流不超过规定值的监视状态，逐渐增加通电量进行通电，前述强制换流后，在通电电流值达到预先设定的监视值时，在该监视值附近继续通电。

5.如权利要求4所述的内燃机驱动用无碳刷旋转电机的起动方法，其特征在于，通过由前述磁铁转子的强制旋转、在没有通电的线圈上被感应的电压信号形成旋转位置检测信号，在旋转次数或是转数达到规定值以上后，根据前述旋转位置检测信号进行前述各相的线圈的通电。

6.如权利要求4所述的内燃机驱动用无碳刷旋转电机的起动方法，其特征在于，在前述初期励磁状态中，在通电电流超过规定值的情况下停止通电。

7.如权利要求4所述的内燃机驱动用无碳刷旋转电机的起动方法，其特征在于，向前述各相线圈的通电控制是通过定量增减PWM的负荷的控制进行的。

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