DE112005000091T5

DE112005000091T5 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE112005000091T5
Application number: DE112005000091T
Authority: DE
Inventors: Kesatoshi Suwa Takeuchi; Takahiro Suwa Sagawa
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2004-05-18
Filing date: 2005-05-17
Publication date: 2007-04-26
Also published as: JP4039458B2; CN100521463C; WO2005112230A1; EP1646130A4; EP2264874A2; JPWO2005112230A1; KR100748789B1; US7501733B2; WO2005112231A1; CN1820403A; JPWO2005112231A1; CN1792020A; EP1646130B1; KR20060030524A; EP2264874A3; US20060279166A1; EP1646130A1; US7884517B2; CN100511928C; US20090160383A1

Abstract

Elektrische Maschine, enthaltend:
eine erste Spulengruppe, die eine Vielzahl von Spulen enthält, die entlang einer festgelegten Richtung angeordnet sind; und
eine Magnetgruppe, die der ersten Spulengruppe gegenüber liegt und in der Lage ist, sich entlang der ersten Spulengruppe entlang der festgelegten Richtung zu bewegen;
wobei die erste Spulengruppe in M Phasen-Spulenuntergruppen klassifiziert ist, die jeweils von n Spulen gebildet werden, wobei M eine ganze Zahl von 2 oder höher ist und n eine ganze Zahl von 1 oder höher ist und die Spulen der Spulenuntergruppen aufeinanderfolgend einzeln mit einem festgelegten Spulenuntergruppenintervall Dc von der ersten Phasen-Spulenuntergruppe bis zu der M-ten Phasen-Spulenuntergruppe entlang der festgelegten Richtung ausgerichtet sind,
der Spulenuntergruppenintervall Dc auf einen Wert des K/M-fachen einer Magnetpolteilung Pm (K ist eine positive ganze Zahl ausschließlich eines ganzzahligen Vielfachen von M) eingestellt ist, wobei die Magnetpolteilung Pm relativ zu der Magnetgruppe als ein Abstand definiert ist, der...

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, wie zum Beispiel einen Elektromotor, einen Generator für elektrische Leistung oder dergleichen.
Stand der Technik
Es gibt zwei Typen von Elektromotoren, Synchronmotoren und Asynchronmotoren. Hinsichtlich der Motortypen ist es gemäß den verschiedenen Rotoren auch möglich, sie in einen Magnettyp, der einen Permanentmagneten verwendet, einen Spulentyp, für den eine Spule gewickelt ist, und einen Reaktanztyp, der einen ferromagnetischen Körper, wie zum Beispiel Eisen, verwendet, zu klassifizieren. Der Magnettyp rotiert, indem der Permanentmagnet des Rotors von dem rotierenden Magnetfeld des Stators angezogen wird.
Als Synchronmotor des Magnettyps existiert beispielsweise der kompakte Synchronmotor, der in der JP8-51745A aufgezeigt ist. Dieser kompakte Synchronmotor enthält einen Statorkern, für den eine Magnetisierungsspule gewickelt ist, und einen Rotor, der einen Magneten aufweist.
Herkömmliche Motoren haben jedoch im Vergleich zu dem erzeugten Drehmoment ein erhöhtes Gewicht, und wenn versucht wird, das erzeugte Drehmoment zu steigern, besteht das Problem, dass das Verhältnis des erzeugten Drehmoments und des Gewichts beträchtlich verschlechtert wird. Wenn ferner ein Magnet mit einer höheren magnetischen Flussdichte verwendet wird, besteht des Weiteren das Problem, dass aufgrund des Effekts des Kernverlusts dieser nicht arbeiten würde, sofern nicht ein sehr großer Strom zum Zeitpunkt des Anlaufens fließt.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine mit einem Aufbau zu schaffen, der sich von dem Stand der Technik unterscheidet.
Die elektrische Maschine gemäß vorliegender Erfindung enthält eine erste Spulengruppe, die eine Vielzahl von Spulen enthält, die entlang einer festgelegten Richtung angeordnet sind; und eine Magnetgruppe, die der ersten Spulengruppe gegenüber liegt und in der Lage ist, sich entlang der ersten Spulengruppe entlang der festgelegten Richtung zu bewegen. Die erste Spulengruppe ist in M Phasen-Spulenuntergruppen klassifiziert, die jeweils von n Spulen gebildet werden, wobei M eine ganze Zahl von 2 oder höher ist und n eine ganze Zahl von 1 oder höher ist und die Spulen der Spulenuntergruppen aufeinanderfolgend einzeln mit einem festgelegten Spulenuntergruppenintervall Dc von der ersten Phasen-Spulenuntergruppe bis zu der M-ten Phasen-Spulenuntergruppe entlang der festgelegten Richtung ausgerichtet sind. Der Spulenuntergruppenintervall Dc ist auf einen Wert von K/M mal einer Magnetpolteilung Pm (K ist eine positive ganze Zahl ausschließlich eines ganzzahligen Vielfachen von M) eingestellt, wobei die Magnetpolteilung Pm relativ zu der Magnetgruppe als ein Abstand definiert ist, der einem elektrischen Winkel π entlang der festgelegten Richtung entspricht. Die benachbarten Spulenuntergruppen werden mit einer Phasendifferenz von (K/M) π angesteuert. Es ist bevorzugt, dass jede Spule im Wesentlichen keinen Magnetmaterialkern hat.
Da diese elektrische Maschine im Wesentlichen keinen Magnetmaterialkern hat, ist eine stabile, gleichmäßige Rotation ohne Cogging möglich. Ferner besteht eine Beziehung von Dc = (K/M) Pm zwischen dem Spulenuntergruppenintervall Dc und der Magnetpolteilung Pm, und benachbarte Spulenuntergruppen werden mit einer Phasendifferenz von (K/M) π angesteuert, so dass die Positionsbeziehung der Spulengruppe und der Magnetgruppe keine neutrale Position einnimmt (eine Position, in der die Nettokraft in der Arbeitsrichtung nicht funktioniert und das Anlaufen nicht möglich ist). Daher ist es möglich, die elektrische Maschine stets in der gewünschten Arbeitsrichtung (vorwärts oder rückwärts) anlaufen zu lassen.
Es ist bevorzugt, dass die ganze Zahl K und die ganze Zahl M kein gemeinsames Vielfaches außer 1 haben. Der Grund dafür ist, dass es dann, wenn der Fall auftritt, dass K und M ein gemeinsames Vielfaches N haben, das von 1 verschieden ist, vorstellbar ist, dass die wesentliche Phasenzahl der elektrischen Maschine M/N ist. Der Grund dafür liegt darin, dass beispielsweise im Fall von K = 6 und M = 4 dies eine elektrische Vierphasen-Maschine bildet, die vier Spulenuntergruppen hat, die aber im wesentlichen gleich wie eine elektrische Zweiphasen-Maschine ist, bei der K = 3 und M = 2.
Es ist bevorzugt, dass dann, wenn die Magnetgruppe von der Seite der ersten Spulengruppe betrachtet wird, die N-Pole und S-Pole abwechselnd entlang der festgelegten Richtung angeordnet sind. In diesem Fall ist die Teilung zwischen dem N-Pol und dem S-Pol gleich der Magnetpolteilung Pm.
Wenn die Magnetgruppe von der Seite der ersten Spulengruppe betrachtet wird, können alternativ in festgelegter Weise entweder nur N-Pole oder nur S-Pole wiederholt entlang der festgelegten Richtung angeordnet sein. In diesem Fall ist die Teilung zwischen den gleichen Polen gleich dem Zweifachen der Magnetpolteilung Pm.
Die vorstehend beschriebene elektrische Maschine kann ferner ein Gehäuse zur Unterbringung der ersten Spulengruppe und der Magnetgruppe umfassen, wobei jede Spule um einen Kern gewickelt ist, der aus einem im wesentlichen nicht magnetischen und nicht elektrisch leitfähigen Material gebildet ist, und das Gehäuse ist aus einem im wesentlichen nicht magnetischen und nicht elektrisch leitfähigen Material gebildet.
Mit diesem Aufbau ist es möglich, eine elektrische Maschine beinahe ohne Kernverlust zu verwirklichen.
Bei der elektrischen Maschine können Bauelemente mit der Ausnahme von Wellen und Lagern aus im Wesentlichen nicht magnetischem und nicht elektrisch leitfähigem Material gebildet sein.
Mit diesem Aufbau ist eine weitere Gewichtseinsparung möglich und es ist möglich, den Kernverlust weiter zu reduzieren.
Die ganze Zahl K kann eine ungerade Zahl sein und eine Spulenzahl n jeder Spulenuntergruppe ist 2 oder größer und die Spulen in der gleichen Spulenuntergruppe können miteinander in der Weise verbunden sein, dass zu derselben Spulenuntergruppe gehörende benachbarte Spulen stets mit einander entgegengesetzten Polaritäten erregt werden.
Alternativ kann die ganze Zahl K eine gerade Zahl sein und eine Spulenzahl n jeder Spulenuntergruppe ist 2 oder größer, und die Spulen in der gleichen Spulenuntergruppe können miteinander in der Weise verbunden sein, dass zu derselben Spulenuntergruppe gehörende benachbarte Spulen stets mit einander identischen Polaritäten erregt werden.
Die elektrische Maschine kann ferner eine zweite Spulengruppe aufweisen, die an einer der ersten Spulengruppe über die Magnetgruppe entgegengesetzten Seite vorgesehen ist, wobei eine Relativposition der zweiten Spulengruppe zu der ersten Spulengruppe festgelegt ist. Es ist bevorzugt, dass die zweite Spulengruppe die gleiche Spulenanordnung wie die erste Spulengruppe hat und dass die Spulenuntergruppe der m-ten Phase (m ist eine ganze Zahl von 1 bis M) der ersten Spulengruppe und die Spulenuntergruppe der m-ten Phase der zweiten Spulenuntergruppe an einander über die Magnetgruppe gegenüberliegenden Positionen angeordnet sind und stets mit einander identischen Polaritäten magnetisiert werden.
Mit diesem Aufbau ist es möglich, den Magnetfluss beider Seiten der Magnetgruppe effektiv zu nutzen, wodurch ein großes Drehmoment erzeugt wird. Da die gleichen m-ten Spulenuntergruppen der ersten und der zweiten Spulengruppe einander gegenüberliegen und mit der gleichen Polarität magnetisiert werden, wird die Kraft, die zwischen der ersten Spulengruppe und der Magnetgruppe in der zu der Arbeitsrichtung senkrechten Richtung erzeugt wird, durch die ähnliche Kraft, die zwischen der zweiten Spulengruppe und der Magnetgruppe erzeugt wird, aufgehoben. Als Resultat ist die Nettokraft entlang der zu der Arbeitsrichtung senkrechten Richtung im wesentlichen Null, so dass es möglich ist, Vibrationen und Geräusche aufgrund dieser Art von Kraft zu verhindern.
Die vorstehend beschriebene elektrische Maschine kann ferner eine Ansteuerungssignal-Erzeugungsschaltung zum Zuliefern von M Wechselstrom-Ansteuerungssignalen zu den M Phasen-Spulenuntergruppen aufweisen, wobei die Ansteuerungssignal-Erzeugungsschaltung die M Wechselstrom-Ansteuerungssignale so erzeugt, dass die Polarität jeder Spule in jeder Spulenuntergruppe umge schaltet wird, wenn die Mitte einer jeweiligen Spule einer der Mitten der Magnete in der Magnetgruppe gegenüberliegt, und dass die Magnetflussdichte in jeder Spulenuntergruppe einen Maximalwert zu einem Zeitpunkt erreicht, an dem Zwischenpunkte zwischen zwei benachbarten Spulen in der Spulenuntergruppe der gleichen Phase den Mitten der Magnete in der Magnetgruppe gegenüberliegen.
Mit diesem Aufbau ist es möglich, die elektrische Maschine synchron mit den Ansteuerungssignalen anzusteuern.
Es ist bevorzugt, dass die Ansteuerungssignal-Erzeugungsschaltung in der Lage ist, eine Arbeitsrichtung der ersten Spulengruppe und der Magnetgruppe umzukehren, indem eine Stromrichtung jeder Spulenuntergruppe umgekehrt wird.
Die Ansteuerungssignal-Erzeugungsschaltung kann eine PWM-Schaltung zum Erzeugen von M PWM-Signalen enthalten, deren Phasen gegeneinander um (K/M) π verschoben sind, und eine Maskierungsschaltung zum Erzeugen der M Wechselstrom-Ansteuerungssignale durch Maskieren der M PWM-Signale gemäß einem Leistungsabgabebedarf der elektrischen Maschine.
Mit diesem Aufbau ist es möglich, die Leistungsabgabe der elektrischen Maschine durch Maskieren der PWM-Signale mit der Maskierungsschaltung einzustellen.
Die Maskierungsschaltung kann jedes PWM-Signal in einem Zeitbereich maskieren, der symmetrisch um einen Zeitpunkt zentriert ist, an dem die Polarität jedes Wechselstrom-Ansteuerungssignals umgekehrt wird.
Allgemein ist die Tendenz, dass nahe dem Zeitpunkt, an dem die Polarität jedes Wechselstrom-Ansteuerungssignals umgekehrt wird, die Spule keine sehr effektive Antriebskraft erzeugt, und eine wirksame Antriebskraft wird nahe dem Scheitelpunkt des Wechselstrom-Ansteuerungssignals erzeugt. Daher werden bei dem vorstehend beschriebenen Aufbau die PWM-Signale während der Zeit, zu der die Spule keine sehr wirksame Antriebskraft erzeugt, maskiert, wodurch die Effizienz der elektrischen Maschine gesteigert wird.
Es ist bevorzugt, dass die vorstehend beschriebene elektrische Maschine ferner eine Regenerativschaltung zur Rückgewinnung von elektrischer Leistung von den Spulengruppen aufweist, wobei die Ansteuerungssignal-Erzeugungsschaltung und die Regenerativschaltung in der Lage sind, die elektrische Maschine in einem Betriebsmodus zu betreiben, in dem eine Antriebskraft von mindestens einer der M Spulenuntergruppen erzeugt wird, während elektrische Leistung von mindestens einer anderen Spulenuntergruppe rückgewonnen wird.
Mit diesem Aufbau ist es erforderlichenfalls möglich, die elektrische Maschine zu betreiben, während gleichzeitig die Erzeugung von Antriebskraft und die Rückgewinnung von elektrischer Leistung durchgeführt wird.
Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Aspekten verwirklicht werden, beispielsweise ist es möglich, die vorliegende Erfindung in Form einer elektrischen Maschine zu verwirklichen, eines Elektromotors, wie zum Beispiel eines Linearmotors und eines Rotationsmotors, eines Leistungsgenerators, sowie eines Ansteuerungsverfahrens und einer Ansteuerungsvorrichtung für derartige Aktuatoren, Motoren und Leistungsgeneratoren.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1(A) und 1(B) sind erläuternde Zeichnungen, die den schematischen Aufbau des Elektromotors und das Wechselstrom-Ansteuerungssignal eines Vergleichsbeispiels der vorliegenden Erfindung zeigen.
2(A) und (B) sind Zeichnungen, die Beispiele des Spulenanschlussverfahrens zeigen.
3(A) bis 3(D) sind Zeichnungen, die den Betriebsablauf des Elektromotors des Vergleichsbeispiels zeigen.
4(A) und 4(B) sind erläuternde Zeichnungen, die den schematischen Aufbau des Elektromotors und das Wechselstrom-Ansteuerungssignal gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
5(A) bis 5(D) sind Zeichnungen, die den Betriebsablauf des Elektromotors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
6(A) und 6(B) sind Zeichnungen, die Beispiele der ebenen Anordnung der Magnete M und der Spulen zeigen.
7 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau der Ansteuerungsschaltungseinheit zeigt.
8 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau der Ansteuerungsregeleinheit zeigt.
9 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau der Ansteuerschaltung zeigt.
10 ist ein Zeitablaufdiagramm, das die Signalwellenformen während der Erzeugung eines großen Drehmoments bei dem Motor gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
11 ist ein Zeitablaufdiagramm, das die Signalwellenformen während der Erzeugung eines kleinen Drehmoments bei dem Motor gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
12 ist eine Zeichnung, die den inneren Aufbau der Regenerativsteuerschaltung und der Ansteuerschaltung für die relative Verzögerung zeigt.
13(A)bis 13(D) sind Zeichnungen, die den Aufbau und den Betriebsablauf eines ersten Variationsbeispiels eines Zweiphasenmotors zeigen.
14(A)bis 14(C) sind Zeichnungen, die ein weiteres Variationsbeispiel eines Zweiphasenmotors zeigen.
15(A)und 15(B) sind Zeichnungen, die ein weiteres Variationsbeispiel eines Zweiphasenmotors zeigen.
16 ist ein Blockschaltbild, das ein erstes Variationsbeispiel der Ansteuerungsregeleinheit zeigt.
17 ist ein Zeitablaufdiagramm, das die Signalwellenform zeigt, wenn der Ansteuerungssignalgenerator in dem Direktansteuerungsmodus betrieben wird.
18 ist ein Blockschaltbild, das ein zweites Variationsbeispiel der Ansteuerungsregeleinheit zeigt.
19 ist ein Zeitablaufdiagramm, das die Signalwellenform eines zweiten Variationsbeispiels der Ansteuerungsregeleinheit zeigt.
20 ist ein Blockschaltbild, das ein Variationsbeispiel der Ansteuerschaltung zeigt.
21(A) und 21(B) sind Querschnitte, die ein Beispiel des mechanischen Aufbaus eines Zweiphasenmotors zeigen.
22(A) und 22(B) sind Querschnitte, die den Aufbau des Stators und des Rotors zeigen.
23(A) und 23(B) sind Querschnitte, die ein weiteres Beispiel des mechanischen Aufbaus eines Zweiphasenmotors zeigen.
24(A) und 24(B) sind Querschnitte, die ein weiteres Beispiel des mechanischen Aufbaus eines Zweiphasenmotors zeigen.
25(A) und 25(B) sind Querschnitte, die ein weiteres Beispiel des mechanischen Aufbaus eines Zweiphasenmotors zeigen.
26(A) bis 26(C) sind erläuternde Zeichnungen, die den schematischen Aufbau eines Dreiphasenmotors gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
27 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau der Ansteuerungsregeleinheit der zweiten Ausführungsform zeigt.
28 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau der Ansteuerschaltung der zweiten Ausführungsform zeigt.
29 ist ein Zeitablaufdiagramm, das die Sensorsignale und die Spulenmagnetisierungsrichtung jeder Phase der zweiten Ausführungsform zeigt.
30(A) bis 30(F) sind erläuternde Zeichnungen, die die Stromrichtung für sechs Perioden P1 bis P6 der zweiten Ausführungsform zeigen.
31(A) bis 31(D) sind erläuternde Zeichnungen, die den schematischen Aufbau eines Vierphasenmotors gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
32 ist ein Zeitablaufdiagramm, das die Sensorsignale und die Spulenmagnetisierungsrichtung jeder Phase der dritten Ausführungsform zeigt.
33(A) und 33(B) sind erläuternde Zeichnungen, die Variationsbeispiele der Spulenform und der Magnetform zeigen.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Ausführungsformen der Erfindung werden in der folgenden Reihenfolge beschrieben.

A. Vergleichsbeispiel
B. Erste Ausführungsform (Zweiphasenmotor)
C. Variationsbeispiele des Aufbaus des Zweiphasenmotors
D. Variationsbeispiele der Schaltungskonfiguration des Zweiphasenmotors
E. Anwendungsbeispiele des Zweiphasenmotors
F. Zweite Ausführungsform (Dreiphasenmotor)
G. Dritte Ausführungsform (Vierphasenmotor)
H. Weitere Variationsbeispiele

A. Vergleichsbeispiel
Ein Vergleichsbeispiel wird beschrieben, bevor Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben werden.
1(A) ist eine erläuternde Zeichnung, die den schematischen Aufbau des Elektromotors gemäß dem Vergleichsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. Dieser Elektromotor weist einen ersten Spulengruppenaufbau 10A, einen zweiten Spulengruppenaufbau 20B und einen Magnetgruppenaufbau 30M auf.
Der erste Spulengruppenaufbau 10A umfasst ein Trägerelement 12A und eine A-Phasen-Spulengruppe 14A, die an dem Trägerelement 12A befestigt ist. Diese A-Phasen-Spulengruppe 14A hat zwei Arten von Spulen 14A1 und 14A2, die in umgekehrter Richtung magnetisiert sind und abwechselnd mit einer festen Teilung Pc angeordnet sind. Es sei angemerkt, dass in dieser Beschreibung die beiden Spulenarten 14A1 und 14A2 der A-Phasen-Spulengruppe 14A gemeinsam als "A-Phasen-Spulengruppe 14A'' bezeichnet werden. Das gleiche gilt für andere Spulengruppen und Magnetgruppen.
Der zweite Spulengruppenaufbau 20B umfasst das Trägerelement 22B und die B-Phasen-Spulengruppe 24B, die an dem Trägerelement 22B befestigt ist. Diese B-Phasen-Spulengruppe 24B hat ebenfalls zwei Spulenarten 24B1 und 24B2, die in umgekehrter Richtung magnetisiert sind und abwechselnd mit einer feststehenden Teilung Pc angeordnet sind.
Der Magnetgruppenaufbau 30M umfasst das Trägerelement 32M und die Magnetgruppe 34M, die an dem Trägerelement 32M befestigt ist. Die Permanentmagnete 34M1 und 34M2 dieser Magnetgruppe 34M sind jeweils so angeordnet, dass die Magnetisierungsrichtung in einer zu der Richtung der Ausrichtung der Magnetgruppe 34M (die Richtung von rechts nach links in 1(A)) senkrechten Richtung ausgerichtet ist. Die Magnete der Magnetgruppe 34M sind mit einer festen Teilung Pm angeordnet.
Es sei angemerkt, dass die A-Phasen-Spulengruppe 14A und die B-Phasen-Spulengruppe 24B an Positionen angeordnet sind, für die sich die elektrischen Winkel um ein Ausmaß von π/2 unterscheiden. Die A-Phasen-Spulengruppe 14A und die B-Phasen-Spulengruppe 24B unterscheiden sich nur hinsichtlich der Position und haben im Hinblick auf andere Punkte im Wesentlichen den gleichen Aufbau. Daher erfolgt die folgende Beschreibung nur für die A-Phasen-Spulengruppe mit Ausnahme der Fälle, in denen es speziell erforderlich ist, wenn eine die Spulengruppen betreffende Beschreibung gegeben wird.
1(B) zeigt ein Beispiel der Wellenform des Wechselstrom-Ansteuerungssignals, das der A-Phasen-Spulengruppe 14A und der B-Phasen-Spulengruppe 24B zugeliefert wird. Zweiphasen-Wechselstromsignale werden jeweils der A-Phasen-Spulengruppe 14A und der B-Phasen-Spulengruppe 24B zugeführt. Ferner sind die Phasen der Ansteuerungssignale der A-Phasen-Spulengruppe 14A und der B-Phasen-Spulengruppe 24B gegeneinander um ein Ausmaß von π/2 verschoben. Der Zustand in 1(A) entspricht dem Zustand, wenn die Phase null ist (oder 2π).
Der Elektromotor gemäß diesem Vergleichsbeispiel enthält ferner einen Phasensensor 16A für die A-Phasen-Spulengruppe 14A und einen Phasensensor 26B für die B-Phasen-Spulengruppe 24B. Diese werden nachfolgend als "A-Phasensensor" bzw. als "B-Phasensensor" bezeichnet. Der A-Phasensensor 16A ist an der Position in der Mitte zwischen den zwei Spulen der A-Phasen-Spulengruppe 14A angeordnet, und der B-Phasensensor 26B ist an der Position in der Mitte zwischen den zwei Spulen in der B-Phasen-Spulengruppe 24B angeordnet. Als diese Sensoren 16A und 26B werden bevorzugt Sensoren verwenden, die einen analogen Ausgang haben, der die gleiche Wellenform wie das in 1(B) gezeigte Wechselstrom-Ansteuerungssignal hat, und es ist möglich, beispielsweise einen Hall-IC zu verwenden, der den Hall-Effekt nutzt. Es ist jedoch auch möglich, einen Sensor zu verwenden, der einen quadratisch geformten digitalen Ausgang hat. Auch ist es möglich, den Positionssensor wegzulassen und eine sensorlose Ansteuerung durchzuführen.
2(A) und 2(B) sind Zeichnungen, die das Anschlussverfahren der beiden Spulentypen 14A1 und 14A2 der A-Phasen-Spulengruppe 14A zeigen. Bei dem Anschlussverfahren aus 2(A) sind alle in der A-Phasen-Spulengruppe 14A enthaltenen Spulen in Reihe an die Ansteuerungsregeleinheit 100 angeschlossen. Demgegenüber sind bei dem Anschlussverfahren aus 2(B) mehrere aus einem Spulenpaar 14A1, 14A2 aufgebaute Reihenschaltungen parallel angeschlossen. Bei diesen beiden Anschlussverfahren sind die beiden Spulentypen 14A1 und 14A2 stets mit umgekehrter Polarität magnetisiert. Es sei angemerkt, dass es auch möglich ist, andere Anschlussverfahren außer diesen zu verwenden.
3(A) bis 3(D) zeigen den Betriebsablauf des Elektromotors des Vergleichsbeispiels. Bei diesem Vergleichsbeispiel sind die Spulengruppen 14A und 24B als ein Stator aufgebaut und die Magnetgruppe 34M ist als ein Rotor aufgebaut. Daher bewegt sich in 3(A) bis 3(D) die Magnetgruppe 34M mit der ablaufenden Zeit.
3(A) zeigt den Zustand an dem Zeitpunkt unmittelbar bevor die Phase 2π ist. Es sei angemerkt, dass der zwischen der Spule und dem Magneten gezeichnete durchgezogene Pfeil die Richtung der Anziehungskraft angibt und der Pfeil mit der unterbrochenen Linie die Richtung der Abstoßungskraft angibt. In diesem Zustand gibt die A-Phasen-Spulengruppe 14A keine Antriebskraft in die Arbeitsrichtung (nach rechts in der Zeichnung) an die Magnetgruppe 34M ab, und die Magnetkraft arbeitet in Richtung der Anziehung der Magnetgruppe 34M zu der A-Phasen-Spulengruppe 14A. Daher ist es bevorzugt, dass die angelegte Spannung an die A-Phasen-Spulengruppe 14A zum Zeitpunkt der Phase 2π null ist. In der Zwischenzeit gibt die B-Phasen-Spulengruppe 24B Antriebskraft in Arbeitsrichtung an die Magnetgruppe 34M ab. Auch gibt die B-Phasen-Spulengruppe 24B nicht nur Anziehungskraft, sondern auch Abstoßungskraft an die Magnetgruppe 34M ab, so dass die Nettokraft in vertikaler Richtung (die zu der Arbeitsrichtung der Magnetgruppe 34M senkrechte Richtung) von der B-Phasen-Spulengruppe 24B zu der Magnetgruppe 34M null ist. Daher ist es erwünscht, dass die an die B-Phasen-Spulengruppe 24B angelegte Spannung zum Zeitpunkt der Phase 2π auf ihrem Spitzenwert ist.
Wie 3(B) zeigt, wird die Polarität der A-Phasen-Spulengruppe 14A an dem Zeitpunkt umgekehrt, an dem die Phase 2π ist. 3(B) zeigt den Zustand, wenn die Phase π/4 ist und die Polarität der A-Phasen-Spulengruppe 14A gegenüber 3(A) umgekehrt ist. In diesem Zustand geben die A-Phasen-Spulengruppe 14A und die B-Phasen-Spulengruppe 24B die gleiche Antriebskraft in der Arbeitsrichtung der Magnetgruppe 34M ab. 3(C) zeigt den Zustand unmittelbar bevor die Phase π/2 ist. In diesem Zustand gibt im Gegensatz zum Zustand von 3(A) nur die A-Phasen-Spulengruppe 14A Antriebskraft in der Arbeitsrichtung der Magnetgruppe 34M ab. Die Polarität der B-Phasen-Spulengruppe 24B wird an dem Zeitpunkt umgekehrt, an dem die Phase π/2 ist, was zu der in 3(D) gezeigten Polarität führt. 3(D) zeigt den Zustand, wenn die Phase 3π/4 ist. In diesem Zustand geben die A-Phasen-Spulengruppe 14A und die B-Phasen-Spulengruppe 24B die gleiche Antriebskraft in der Arbeitsrichtung der Magnetgruppe 34M ab.
Wie aus 3(A) bis 3(D) ersichtlich ist, wird die Polarität der A-Phasen-Spulengruppe 14A an dem Zeitpunkt umgeschaltet, an dem jede Spule der A-Phasen-Spulengruppe 14A jedem Magneten der Magnetgruppe 34M gegenüberliegt. Das gleiche gilt auch für die B-Phasen-Spulengruppe. Als Resultat ist es möglich, beinahe immer Antriebskraft von allen Spulen zu erzeugen, so dass es möglich ist, ein großes Drehmoment zu erzeugen.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Betriebsablauf dann, wenn die Phase zwischen π und 2π ist, beinahe gleich dem in 3(A) bis 3(D) gezeigten ist, so dass auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet wird. Die Polarität, der A-Phasen-Spulengruppe 14A wird wiederum an dem Zeitpunkt umgekehrt, an dem die Phase π ist, und die Polarität der B-Phasen-Spulengruppe 24B wird ebenfalls an dem Zeitpunkt umgekehrt, an dem die Phase 3π/4 ist.
Wie aus vorstehender Beschreibung ersichtlich ist, ist der Elektromotor gemäß dem Vergleichsbeispiel in der Lage, Antriebskraft in der Arbeitsrichtung der Magnetgruppe 34M zu erhalten, indem die Anziehungskraft und die Abstoßungskraft zwischen den Spulengruppen 14A und 24B und der Magnetgruppe 34M verwendet werden.
Bei dem Elektromotor gemäß dem Vergleichsbeispiel wurden jedoch eine Anzahl von Problemen wie die nachstehend angeführten festgestellt.
Zunächst wird bei dem Elektromotor gemäß dem Vergleichsbeispiel Kraft in der zu der Arbeitsrichtung senkrechten Richtung erzeugt, und diese Kraft kann Schwingungen oder Geräusche verursachen. Insbesondere in dem Zustand in 3(A) und 3(C) ist die Summe der Kraft in senkrechter Richtung, die zwischen der A-Phasen-Spulengruppe 14A und der Magnetgruppe 34M erzeugt wird, und der Kraft in senkrechter Richtung, die zwischen der B-Phasen-Spulengruppe 24B und der Magnetgruppe 34M erzeugt wird, nicht null, so dass eine Nettokraft aufwärts oder abwärts wirkt. Als Resultat können durch diese aufwärts oder abwärts gerichtete Kraft Schwingungen oder Geräusche verursacht werden.
Zweitens ist es bei dem Aufbau des Vergleichsbeispiels möglich, entweder die A-Phasen-Spulengruppe 14A oder die B-Phasen-Spulengruppe 24B wegzulassen, wobei jedoch in diesem Fall das Problem auftritt, dass eine Neutralposition erzeugt wird, an der der Elektromotor nicht anlaufen kann. Wenn beispielsweise die B-Phasen-Spulengruppe 24B weggelassen wird, wird in dem Zustand von 3(A) die Kraft in Arbeitsrichtung (von rechts nach links) zwischen der A-Phasen-Spulengruppe 14A und der Magnetgruppe 34M nicht erzeugt. Wenn daher der Elektromotor in dieser Position (Neutralposition) angehalten wird, wird keine wirksame Antriebskraft erzeugt, so dass es nicht möglich ist, den Elektromotor anlaufen zu lassen. Somit ist es bei dem Aufbau des Vergleichsbeispiels, um es stets möglich zu machen, den Elektromotor anlaufen zu lassen, erforderlich, die beiden Spulengruppen 14A und 24B auf beiden Seiten der Magnetgruppe 34M vorzusehen.
Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen sind so aufgebaut, dass sie zumindest einen Teil dieser Probleme des Vergleichsbeispiels berücksichtigen.
B. Erste Ausführungsform (Zweiphasenmotor)
B-1. Schematischer Aufbau der ersten Ausführungsform
4(A) ist eine erläuternde Zeichnung, die den schematischen Aufbau des Elektromotors gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Dieser Elektromotor enthält einen ersten Spulengruppenaufbau 40AB, einen zweiten Spulengruppenaufbau 50AB und einen Magnetgruppenaufbau 30M.
Der erste Spulengruppenaufbau 40AB enthält ein Trägerelement 42, eine A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A und eine B-Phasen-Spulenuntergruppe 24B. Es sei angemerkt, dass in 4(A) zur Vereinfachung der Darstellung die Spulen der A-Phasen-Spulenuntergruppe mit durchgezogenen Linien gezeichnet sind, während die Spulen der B-Phasen-Spulenuntergruppe mit einer unterbrochenen Linie gezeichnet sind. Die A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A hat zwei Typen von in umgekehrter Richtung magnetisierten Spulen 14A1 und 14A2, die abwechselnd mit einer festen Teilung angeordnet sind. Die B-Phasen-Spulenuntergruppe 24B hat in ähnlicher Weise zwei Typen von in umgekehrter Richtung magnetisierten Spulen 24B1 und 24B2, die abwechselnd mit einer festen Teilung angeordnet sind. Die A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A und die B-Phasen-Spulenuntergruppe 24B sind abwechselnd in einem festgelegten Spulenuntergruppenintervall Dc angeordnet. Hier bedeutet der Spulenuntergruppenintervall Dc den Abstand zwischen den Spulenmitten. Die Teilung zwischen den beiden Spulentypen 14A1 und 14A2 der A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A beträgt das Zweifache dieses Spulenuntergruppenintervalls Dc. Die Teilung zwischen den zwei Spulentypen 24B1 und 24B2 der B-Phasen-Spulenuntergruppe 24B beträgt ebenfalls das Zweifache des Spulenuntergruppenintervalls Dc.
Der zweite Spulengruppenaufbau 50AB enthält das Trägerelement 52, die A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A und die B-Phasen-Spulenuntergruppe 24B. Die A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A des ersten Spulengruppenaufbaus 40AB und die A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A des zweiten Spulengruppenaufbaus 50AB sind an einander über den Magnetgruppenaufbau 30M gegenüberliegenden Positionen angeordnet. Das gleiche gilt für die B-Phasen-Spulengruppe 24B.
Der Magnetgruppenaufbau 30M enthält das Trägerelement 32M und die an dem Trägerelement 32M befestigte Magnetgruppe 34M. Die Permanentmagnete 34M1 und 34M2 dieser Magnetgruppe 34M sind jeweils so angeordnet, dass die Magnetisierungsrichtung in der Richtung angeordnet ist, die senkrecht zu der Ausrichtungsrichtung (die Richtung von links nach rechts in 4(A)) der Magnetgruppe 34M liegt. Es sei angemerkt, dass es auch möglich ist, auf das Trägerelement 32M zu verzichten und eine Magnetgruppe mit vereinigtem Aufbau zu schaffen, die nur durch eine Vielzahl der Magnete 34M1 und 34M2 gebildet ist. Als diese Art von Magnetgruppe ist es beispielsweise auch möglich, eine unregelmäßig geformte magnetische Substanz zu verwenden, bei der Erhöhungen und Vertiefungen jeweils auf der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche wiederholt vorkommen und die so einen Magneten mit vereinigter Struktur bildet, bei dem der Magnetpol an dem erhabenen Teil gebildet ist.
Die Magnete der Magnetgruppe 34M sind in einer festgelegten Magnetpolteilung Pm angeordnet. In dieser Beschreibung bedeutet die Magnetpolteilung Pm die Distanz, die π für den elektrischen Winkel entspricht. Es sei angemerkt, dass der elektrische Winkel 2π mit dem mechanischen Winkel oder der Distanz in Korrelation steht, für die sich die Phase der Motoransteuerungssignale um das Ausmaß 2π ändert. Wie 4(A) zeigt, ist dann, wenn die N-Pole und die S-Pole abwechselnd angeordnet sind, die Magnetpolteilung Pm gleich der Teilung der Magnete. Wenn jedoch, wie weiter unten beschrieben wird, nur die N-Pole und die S-Pole angeordnet sind, ist die Magnetpolteilung Pm 1/2 der Teilung der Magnete. Bei dem Beispiel in 4(A) haben die Magnetpolteilung Pm und der Spulenuntergruppenintervall Dc die Beziehung Dc = 3 Pm/2. Allgemein liegt bei einem Elektromotor, wenn sich die Phase des Spulenansteuerungssignals um ein Ausmaß von 2π ändert, eine Bewegung über eine Distanz vor, die dem Zweifachen der Magnetpolteilung Pm entspricht. Daher bewegt sich bei dem Elektromotor gemäß der ersten Ausführungsform dann, wenn sich die Phase des Spulenansteuerungssignals um ein Ausmaß von 2π ändert, der Magnetgruppenaufbau 30M um ein Ausmaß 2 Pm = 4 Dc/3.
Allgemein ist es zu bevorzugen, eine Beziehung von Dc = Pm (K/M) herzustellen. Dabei ist M eine ganze Zahl von 2 oder größer, die die Phasenzahl des Elektromotor angibt. Ausführungsformen mit M = 3 und M = 4 werden später beschrieben. K ist eine ganze Zahl, die von dem ganzzahligen Vielfachen von M verschieden ist. Der Grund dafür, dass der Fall ausgeschlossen wird, in dem K ein ganzzahliges Vielfaches von M ist, liegt darin, dass in diesem Fall eine Neutralposition erzeugt wird, in der der Elektromotor nicht anlaufen kann. Wenn beispielsweise der Spulenuntergruppenintervall Dc reduziert wird, so dass Dc = Pm in 4(A), liegen jede Spule und jeder Magnet einander vollständig gegenüber und es wird keine Antriebskraft in der Arbeitsrichtung (Richtung von rechts nach links) erzeugt, so dass aus dieser Position kein Anlaufen möglich ist.
Ferner ist es bevorzugt, dass die ganzen Zahlen K und M abgesehen von 1 kein anderes gemeinsames Vielfaches haben. Der Grund dafür liegt darin, dass es dann, wenn K und M ein von 1 verschiedenes gemeinsames Vielfaches N haben, vorstellbar ist, dass die tatsächliche Phasenzahl des Elektromotors M/N wäre. Wenn beispielsweise K = 6 und M = 4, ist dies als ein Vierphasenelektromotor aufgebaut, kann jedoch als ein Zweiphasenelektromotor betrachtet werden, bei dem K = 3 und M = 2.
Auch ist die Phasenzahl M des Elektromotors vorzugsweise annähernd 2 bis 5 und bevorzugter 2 bis 3. Der Grund dafür liegt darin, dass dann, wenn die Phasenzahl M hoch ist, die Schaltung zum Erzeugen der Ansteuerungssignale zum Ansteuern der M Einheiten von Spulenuntergruppen groß wird.
4(B) zeigt ein Beispiel der Wellenformen der Wechselstrom-Ansteuerungssignale, die der A-Phasen-Spulengruppe 14A und der B-Phasen-Spulengruppe 24B der ersten Ausführungsform zugeführt werden. Die Phasen der Ansteuerungssignale der A-Phasen-Spulengruppe 14A und der B-Phasen-Spulengruppe 24B sind gegeneinander um 3π/2 versetzt. Diese Phasendifferenz entspricht dem Spulenuntergruppenintervall Dc = 3 Pm/2. Allgemein ist die Phasendifferenz zwischen Spulenuntergruppen ein Wert (K/M), der dem Spulenuntergruppenintervall Dc entspricht.
Wie 4(A) zeigt, enthält dieser Elektromotor den A-Phasensensor 16A und den B-Phasensensor 26B. Bei diesem Beispiel ist der A-Phasensensor 16A an der ersten Spulenstruktur 40AB angeordnet und der B-Phasensensor ist an der zweiten Spulenstruktur 50AB angeordnet, aber die beiden Sensoren 16A und 26B können an dem einen oder dem anderen der beiden Trägerelemente 42 und 52 angeordnet sein. Der A-Phasensensor 16A ist so angeordnet, dass der A-Phasensensor 16A in die Mittelposition zwischen dem N-Pol und dem S-Pol des Magneten in dem Zustand kommt, in dem jede Spule der A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A einem der Magnete 34M1 und 34M2 gegenüberliegt (4(A)). Dabei ist der B-Phasensensor 26B so angeordnet, dass der B-Phasensensor 26B bedingt durch die Bewegung des Magnetgruppenaufbaus 30M in die Mittelposition zwischen dem N-Pol und dem S-Pol des Magneten in den Zustand kommt, in dem jede Spule der B-Phasen-Spulenuntergruppe 24B einem der Magnete 34M1 und 34M2 gegenüberliegt. Als diese Sensoren 16A und 26B können Sensoren verwendet werden, die einen analogen Ausgang haben, der die gleichen Wellenformen wie die in 4(B) gezeigten Wechselstrom-Ansteuerungssignale hat, und es ist auch möglich, Sensoren zu verwenden, die einen digitalen Ausgang mit quadratischer Wellenform haben. Auch ist es möglich, auf die Positionssensoren zu verzichten und eine sensorlose Ansteuerung durchzuführen.
Die in 2(A) und 2(B) gezeigten Spulenanschlussverfahren können für jede Spulenuntergruppe 14A und 24B verwendet werden.
Die Trägerelemente 32M, 42 und 52 werden vorzugsweise jeweils unter Verwendung eines nicht magnetischen Materials gebildet. Auch ist es bei den verschiedenen Typen von Elementen des Elektromotors gemäß dieser Ausführungsform bevorzugt, dass alle Elemente, abgesehen von der elektrischen Verdrahtung einschließlich der Spulen und Sensoren, der Magneten, der Drehwelle und der Lagerteile, aus nicht magnetischen und nicht leitenden Materialien gebildet sind. Genauer ausgedrückt ist es möglich, verschiedene Typen von nicht magnetischen, nicht leitenden Materialien als das Rotorelement, das Spulenelement (Kernelement) und das Gehäuseelement zu verwenden. Das Rotorelement (Magnet-Trägerelement 32M) kann jedoch unter Berücksichtigung der Festigkeit aus Metallmaterialien, wie zum Beispiel Aluminium, seinen Legierungen und dergleichen hergestellt sein. Auch in diesem Fall sind das Spulenelement und das Gehäuseelement vorzugsweise aus im Wesentlichen nicht magnetischem, nicht leitendem Material gebildet. Hier bedeutet "im wesentlichen nicht magnetisches, nicht leitendes Material", dass es zulässig ist, einen kleinen Anteil eines magnetischen Materials oder leitfähigen Materials zu haben. Ob das Spulenelement aus einem im Wesentlichen nicht magnetischen, nicht leitfähigen Material gebildet ist oder nicht, kann beispielsweise dadurch bestimmt werden, ob in dem Motor Cogging auftritt oder nicht. Auch ob das Gehäuseelement im Wesentlichen aus einem nicht leitenden Material gebildet ist oder nicht, kann dadurch bestimmt werden, ob der durch das Gehäuseelement bedingte Kernverlust (Wirbelstromverlust) ein festgelegter Wert (zum Beispiel 1% der Eingangsleistung) oder weniger ist.
Es sei angemerkt, dass in den Bauelementen des Elektromotors einige Elemente vorhanden sind, die vorzugsweise aus einem Metallmaterial hergestellt werden, wie z. B. die Drehwelle und die Lager. Hier bezeichnet "Bauelemente" Elemente, die zur Aufrechterhaltung der Form des Elektromotors verwendet werden, und bezeichnet größere Teile, zu denen nicht Kleinteile, Armaturen oder dergleichen zählen. Das Rotorelement und das Gehäuseelement sind Bauelemente. Bei dem Elektromotor gemäß vorliegender Erfindung ist es bevorzugt, dass die größeren Bauelemente abgesehen von der Drehwelle und den Lagern aus nicht magnetischen, nicht leitfähigen Materialien gebildet sind.
5(A) bis 5(D) zeigen den Betriebsablauf des Elektromotors gemäß der ersten Ausführungsform. Es sei angemerkt, dass bei der ersten Ausführungsform die Spulengruppenaufbauten 40AB und 50AB als ein Stator aufgebaut sind und der Magnetgruppenaufbau 30M als ein Rotor aufgebaut ist. Daher bewegt sich in 5(A) bis 5(D) der Magnetgruppenaufbau 30M mit der ablaufenden Zeit.
5(A) zeigt den Zustand an dem Zeitpunkt unmittelbar bevor die Phase 2π ist. Es sei angemerkt, dass der zwischen der Spule und dem Magneten gezeichnete durchgezogene Pfeil die Richtung der Anziehungskraft angibt und der Pfeil mit der unterbrochenen Linie die Richtung der Abstoßungskraft angibt. In diesem Zustand ist die Nettokraft (Kräftesumme) von der A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A an die Magnetgruppe 34M null. Daher ist es bevorzugt, dass die an die A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A angelegte Spannung zum Zeitpunkt der Phase 2π null ist. In der Zwischenzeit gibt die B-Phasen-Spulenuntergruppe 24B Antriebskraft in der Bewegungsrichtung der Magnetgruppe 34M ab. Auch die Nettokraft in der vertikalen Richtung (der zu der Bewegungsrichtung der Magnetgruppe 34M senkrechten Richtung) von der B-Phasen-Spulenuntergruppe 24B an die Magnetgruppe 34M ist null. Daher ist es bevorzugt, dass die an die B-Phasen-Spulenuntergruppe 24B angelegte Spannung zum Zeitpunkt der Phase 2π auf ihrem Spitzenwert ist.
Wie in der vorstehend beschriebenen 4(B) gezeigt, wird die Polarität der A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A an dem Zeitpunkt umgekehrt, an dem die Phase 2π ist. 5(B) zeigt den Zustand, in dem die Phase π/4 ist und die Polarität der A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A gegenüber derjenigen von 5(A) umgekehrt wird. In diesem Zustand geben die A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A und die B-Phasen-Spulenuntergruppe 24B die gleiche Antriebskraft in Bewegungsrichtung der Magnetgruppe 34M ab. 5(C) zeigt den Zustand unmittelbar bevor die Phase π/2 ist. In diesem Zustand gibt im Gegensatz zu dem in 5(A) gezeigten Zustand nur die A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A Antriebskraft in der Bewegungsrichtung der Magnetgruppe 34M ab. Die Polarität der B-Phasen-Spulenuntergruppe 24B kehrt sich an dem Zeitpunkt um, an dem die Phase π/2 ist, und wird die in
5(D) gezeigte Polarität. 5(D) zeigt den Zustand, in dem die Phase 3π/4 ist. In diesem Zustand geben die A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A und die B-Phasen-Spulenuntergruppe 24B die gleiche Antriebskraft in der Bewegungsrichtung der Magnetgruppe 34M ab.
Wie aus 5(A) bis 5(D) ersichtlich ist, wird die Polarität der A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A an dem Zeitpunkt umgeschaltet, an dem jede Spule der A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A einem Magneten der Magnetgruppe 34M gegenüberliegt. Das gleiche gilt ebenso für die B-Phasen-Spulenuntergruppe 24B. Als Resultat ist es möglich, beinahe immer Antriebskraft von allen Spulen zu erzeugen, so dass es möglich ist, ein großes Drehmoment zu erzeugen.
Es sei angemerkt, dass der Betriebsablauf dann, wenn die Phase zwischen π und 2π ist, beinahe gleich dem in 5(A) bis 5(D) ist, so dass auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet wird. Die Polarität der A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A wird jedoch an dem Zeitpunkt umgekehrt, an dem die Phase π ist, und die Polarität der B-Phasen-Spulenuntergruppe 24B wird an dem Zeitpunkt umgekehrt, an dem die Phase 3π/2 ist.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist, erhält der Elektromotor gemäß der ersten Ausführungsform Antriebskraft in der Bewegungsrichtung der Magnetgruppe 34M durch Nutzung der Anziehungskraft und der Abstoßungskraft zwischen den Spulenuntergruppen 14A und 24B und der Magnetgruppe 34M.
6(A) zeigt ein Beispiel der ebenen Anordnung der Magnete 34M1 und 34M2 und der Spulen 14A1, 14A2, 24B1 und 24B2. Bei diesem Beispiel stimmt die Umfangsbreite der Spule annähernd mit der Umfangsbreite des Magneten überein. Es ist jedoch möglich, die Abmessungen des Magneten kleiner als die der Spule auszuführen und umgekehrt sie größer als die der Spule auszuführen. 6(B) zeigt ein weiteres Beispiel der ebenen Anordnung der Magnete und der Spulen. Bei diesem Beispiel ist die vertikale Breite (die Abmessung in vertikaler Richtung in der Zeichnung) so eingestellt, dass sie größer ist als die des Beispiels in 6(A). Das Beispiel in 6(A) hat den Vorteil, dass die Möglichkeit besteht, die Gesamtabmessungen etwas kleiner zu machen. Dagegen hat das Beispiel in 6(B) den Vorteil kleinerer nutzloser Kraft an den Spulen in Richtungen außer der Bewegungsrichtung. Insbesondere erhält beispielsweise in der Spule 14A1 der Spulenteil 14h außerhalb des Magneten 34M1 keine Kraft in der Bewegungsrichtung, sondern erhält eine Kraft in der zu der Bewegungsrichtung senkrechten Richtung. Dies ist anhand der Linkehandregel verständlich. Daher wird dann, wenn, wie in 6(B) gezeigt, der Spulenteil 14h an einer Außenposition von direkt oberhalb oder direkt unterhalb des Magneten 34M1 versetzt angeordnet ist, die Magnetdichte dieses Spulenteils 14h kleiner, so dass es möglich ist, diese Art der nutzlosen Kraft kleiner zu machen.
B-2. Schaltungskonfiguration der ersten Ausführungsform
7 ist ein Blockschaltbild, das den internen Aufbau der Ansteuerungsschaltungseinheit für die erste Ausführungsform zeigt. Diese Ansteuerungsschaltungseinheit 500 enthält eine CPU 110, eine Ansteuerungsregeleinheit 100, eine Regenerativregeleinheit 200, eine Ansteuerschaltung 150 und eine Gleichrichtschaltung 250. Die beiden Regeleinheiten 100 und 200 sind mit der CPU 110 über einen Bus 102 verbunden. Die Ansteuerungsregeleinheit 100 und die Ansteuerschaltung 150 sind Schaltungen zur Durchführung der Regelung, wenn die Antriebskraft an dem Elektromotor erzeugt wird. Ferner sind die Regenerativregeleinheit 200 und die Gleichrichtschaltung 250 Schaltungen zur Durchführung der Regelung, wenn elektrische Leistung durch den Elektromotor rückgewonnen wird. Die Regenerativregeleinheit 200 und die Gleichrichtschaltung 250 werden gemeinsam als Regenerativschaltung bezeichnet. Des Weiteren wird die Ansteuerungsregeleinheit 100 auch als "Ansteuerungssignal-Erzeugungsschaltung" bezeichnet.
8 zeigt den Aufbau der Ansteuerungsiegeleinheit 100. Diese Schaltung enthält einen Betriebsmodus-Signalgenerator 104, einen elektronischen Stellwiderstand 106 und eine CPU 110, die mit dem Bus 102 verbunden ist. Der Betriebsmodus-Signalgenerator 104 erzeugt ein Betriebsmodussignal Smode. Das Betriebsmodussignal Smode enthält ein erstes Bit, das entweder Vorwärtsdrehung oder Rückwärtsdrehung anzeigt, und ein zweites Bit, das entweder einen Betriebsmodus unter Verwendung sowohl der A- als auch der B-Phase oder einen anderen Betriebsmodus unter Verwendung nur der A-Phase anzeigt. Es sei angemerkt, dass zum Zeitpunkt des Motoranlaufs die beiden Spulenuntergruppen A-Phase und B-Phase verwendet werden, um die Drehrichtung sicher zu bestimmen. Nachdem jedoch der Motorbetrieb angelaufen ist, ist es in einem Betriebszustand, bei dem das erforderliche Drehmoment gering ist, möglich, eine ausreichende Drehung sogar unter Verwendung nur entweder der A-Phasen-Spulenuntergruppe oder der B-Phasen-Spulenuntergruppe fortzuführen. Das zweite Bit des Betriebsmodussignals Smode ist ein Flag, um in diesem Fall die Ansteuerung nur der A-Phasen-Spulenuntergruppe anzuweisen.
Die Spannungen an den entgegengesetzten Enden des elektronischen Stellwiderstands 106 werden an einen Eingangsanschluss der vier Spannungskomparatoren 111 bis 114 angelegt. Das A-Phasen-Sensorsignal SSA und das B-Phasen-Sensorsignal SSB werden an die anderen Eingangsanschlüsse der Spannungskomparatoren 111 bis 114 angelegt. Die Ausgangssignale TPA, BTA, TPB und BTB der vier Spannungskomparatoren 111 bis 114 werden als "Maskensignale" oder "Freigabesignale" bezeichnet. Die Bedeutungen dieser Namen werden weiter unten beschrieben.
Die Maskensignale TPA, BTA, TPB und BTB werden in einen Multiplexer 120 eingegeben. Der Multiplexer 120 kann die Motordrehrichtung ändern, indem gemäß dem Betriebsmodussignal Smode die Ausgangsanschlüsse der A-Phasen-Maskensignale TPA und BTA umgeschaltet werden und indem die Ausgangsanschlüsse der B-Phasen-Maskensignale TPB und BTB umgeschaltet werden. Die Maskensignale TPA, BTA, TPB und BTB, die von dem Multiplexer 120 ausgegeben werden, werden einer Zweistufen-PWM-Schaltung 130 zugeführt.
Die Zweistufen-PWM-Schaltung 130 enthält eine A-Phasen-PWM-Schaltung 132, eine B-Phasen-PWM-Schaltung 134 und vier Dreizustands-Pufferschaltungen 141 bis 144. Der A-Phasen-PWM-Schaltung 132 werden das Ausgangssignal SSA des A-Phasensensors 16A (4(A)) (nachfolgend als "A-Phasen-Sensorsignal "bezeichnet) und das Betriebsmodussignal Smode zugeführt. Der B-Phasen-PWM-Schaltung 134 werden das Ausgangssignal SSB des B-Phasensensors 26B und das Betriebsmodussignal Smode zugeführt. Diese beiden PWM-Schaltungen 133 und 134 sind Schaltungen zum Erzeugen der PWM-Signale PWMA, #PWMA, PWMB und #PMWM gemäß den Sensorsignalen SSA und SSB. Es sei angemerkt, dass die Signale #PMWA und #PMWB Signale sind, die die Umkehrung der Signale PMWA und PMWB sind. Wie vorstehend beschrieben sind die Sensorsignale SSA und SSB beides Sinuswellensignale und die PWM-Schaltungen 132 und 134 führen bekannte PWM-Operationen gemäß diesen Sinuswellensignalen aus.
Die Signale PWMA und #PWMA, die von der A-Phasen-PWM-Schaltung 132 erzeugt werden, werden jeweils den beiden Eingangsanschlüssen der beiden Dreizustands-Pufferschaltungen 141 und 142 zugeliefert. Den Steueranschlüssen dieser Dreizustands-Pufferschaltungen 141 und 142 werden die A-Phasen-Maskensignale TPA und BTA, die vom Multiplexer 120 abgegeben werden, zugeliefert. Die Ausgangssignale DRVA1 und DRVA2 der Dreizustands-Pufferschaltungen 141 und 142 sind A-Phasen-Spulenuntergruppen-Ansteuersignale (nachfolgend als "A1-Ansteuersignal" und "A2-Ansteuersignal" bezeichnet). In ähnlicher Weise werden auch für die B-Phase die B-Phasen-Spulenuntergruppen-Ansteuersignale DRVB1 und DRVB2 durch die PWM-Schaltung 134 und die Dreizustands-Pufferschaltungen 143 und 144 erzeugt.
9 zeigt den Aufbau der A-Phasen-Ansteuerschaltung 120A und der B-Phasen-Ansteuerschaltung 130B, die in der Ansteuerschaltung 150 (7) enthalten sind. Die A-Phasen-Ansteuerschaltung 120A ist eine H-Brückenschaltung zum Zuliefern der abwechselnden Schaltungsansteuersignale DRVA1 und DRVA2 zu der A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A. Es sei angemerkt, dass die weißen Kreise, die die Anschlussteile des die Ansteuersignale anzeigenden Blockes markieren, angeben, dass dies eine negative Logik ist und die Signale umgekehrt sind. Ferner geben die mit den Bezugszeichen IA1 und IA2 bezeichneten Pfeile jeweils die Richtung an, in der Strom durch das A1-Ansteuersignal DRVA1 bzw. das A2-Ansteuersignal DRVA2 jeweils fließt. Der Aufbau der B-Phasen-Ansteuerschaltung 130B ist ebenfalls gleich dem Aufbau der A-Phasen-Ansteuerschaltung 120A.
10 ist ein Zeitablaufdiagramm, das verschiedene Signalwellenformen in der ersten Ausführungsform zeigt. Das A-Phasen-Sensorsignal SSA und das B-Phasen-Sensorsignal SSB sind Sinuswellen, deren Phase um 3π/2 verschoben ist. Die A-Phasen-PWM-Schaltung 132 erzeugt das Signal PWMA (das siebte Signal von oben in 10), das eine Durchschnittsspannung proportional zu dem Pegel des A-Phasen-Sensorsignals SSA hat. Das erste A-Phasen-Maskensignal TPA gibt das Anlegen des Signals PWMA an die A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A während der Zeit frei, während der dieses Signal TPA auf dem H-Pegel ist, und unterbindet das Anlegen während der Zeit, während es auf dem L-Pegel ist. In ähnlicher Weise gibt das zweite A-Phasen-Maskensignal BTA ebenfalls das Anlegen des Signals PWMA an die A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A während der Zeit frei, während der dieses Signal BTA auf dem H-Pegel ist, und unterbindet das Anlegen während der Zeit, während es auf dem L-Pegel ist. Das erste A-Phasen-Maskensignal TPA kommt jedoch auf den H-Pegel, wenn das PWM-Signal PWMA auf der Plus-Seite ist, und das zweite A-Phasen-Maskensignal BTA kommt auf den H-Pegel, wenn das PWM-Signal PWMA auf der Minus-Seite ist. Als Resultat wird das Ansteuersignal DRVA1 + DRVA2, wie etwa das als zweites von unten in 10 gezeigte, an die A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A angelegt. Wie aus dieser Beschreibung verständlich ist, ist es möglich, die A-Phasen- Maskensignale TPA und BTB als Signale zu betrachten, die das Anlegen des PWM-Signals PWMA an die A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A freigeben, und sie auch als Signale zu betrachten, die das PWM-Signal PWMA maskieren und sie nicht an die A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A anlegen. Das gleiche gilt für die B-Phase.
Es sei angemerkt, dass 10 den Betriebszustand zeigt, in dem ein großes Drehmoment erzeugt wird. In diesem Betriebszustand haben die beiden Maskensignale TPA und BTB eine kurze Zeitdauer, wenn der Pegel L ist, und daher wird über beinahe die ganze Zeit Spannung an die A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A angelegt. Es sei angemerkt, dass am rechten Ende der Wellenform des A-Phasen-Sensorsignals SSA der Hysteresepegel zu diesem Zeitpunkt dargestellt ist. Hier bezeichnet "Hysteresepegel" den Bereich der unwirksamen Signalpegel (das heißt derjenigen, die nicht genutzt werden) in der Nähe des Nullpegels des Sinussignals. Wenn ein großes Drehmoment erzeugt wird, können wir erkennen, dass der Hysteresepegel extrem klein ist. Es sei angemerkt, dass der Hysteresepegel modifiziert werden kann, indem der Widerstand des elektronischen Stellwiderstands 106 verändert wird, wodurch die Einschaltdauer der Maskensignale TPA, BTA, TPB und BTB verändert wird.
11 zeigt den Betriebszustand, in dem ein kleines Drehmoment erzeugt wird. Es sei angemerkt, dass kleines Drehmoment eine große Drehzahl bedeutet. Dabei wird die Einschaltdauer der Maskensignale TPA, BTA, TPB und BTB kleiner eingestellt als in 8 und die Impulszahl der Ansteuersignale (DRVA1 + DRVA2) und (DRVB1 + DRVB2) jeder Spule wird entsprechend reduziert. Der Hysteresepegel ist ebenfalls groß.
Es sei angemerkt, dass, wie durch einen Vergleich von 10 und 11 ersichtlich ist, die Zeit, während der das erste A-Phasen-Maskensignal TPA auf dem Pegel H ist, eine symmetrische Form mit der Mitte des Zeitablaufs hat, während dem der A-Phasensensor SSA einen Maximalwert angibt (der Punkt, an dem die Phase π/2 ist). In ähnlicher Weise hat die Zeitdauer, während der das zweite A-Phasen-Maskensignal BTA auf dem H-Pegel ist, eine symmetrische Form mit der Mitte des Zeitablaufs, während dem das A-Phasen-Sensorsignal SSA einen Minimalwert angibt (der Punkt, an dem die Phase 3π/2 ist). Mit anderen Worten kann dies so betrachtet werden, dass der Maskierungsintervall des PWM-Signals PWMA so eingestellt ist, dass das Signal PWMA in einem Zeitintervall maskiert ist, der in dem Zeitablauf zentriert ist (π und 2π), während dem die Polarität des Wechselstrom-Ansteuerungssignals (Wellenform in 4(B) dargestellt), das von dem Signal PWMA simuliert wird, umgekehrt ist.
Wie jedoch unter Bezug auf 4(A) beschrieben, erzeugt die A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A keine sehr wirksame Antriebskraft, wenn die Phase nahe 2π ist. Das gleiche gilt ebenso, wenn die Phase nahe π ist. Auch erzeugt die A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A eine wirksame Antriebskraft am effizientesten, wenn die Phase nahe π/2 und 3π/2 ist. Wie in vorstehend beschriebener 11 gezeigt, legt die Zweistufen-PWM-Schaltung 130 gemäß dieser Ausführungsform keine Spannung an die A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A an, wenn die Phase nahe π und 2π ist, wenn die geforderte Motorleistung klein ist. Des weiteren wird, wie in 10 und 11 gezeigt, Spannung an die A- Phasen-Spulenuntergruppe 14A während Zeitperioden angelegt, deren Mitte der Phase in der Nähe von π/2 und 3π/2 entspricht. Auf diese Weise maskieren die A-Phasen-Maskensignale TPA, BTA das PWM-Signal PWMA, um so vorzugsweise einen Intervall zu nutzen, in dem die A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A die Antriebskraft mit der höchsten Effizienz erzeugt. Dadurch kann die Effizienz des Motors gesteigert werden. Diese Umstände sind in Beziehung auf die B-Phasen-Spulenuntergruppe 24B ebenfalls desselben. Wie 4(B) zeigt, wird bei der B-Phasen-Spulenuntergruppe 24B die Polarität an dem Zeitpunkt umgekehrt, an dem die Phase π/2 und 3π/2 ist, so dass es bevorzugt ist, keine Spannungen an die B-Phasen-Spulenuntergruppe 24B angelegt zu haben, wenn die Phase nahe π/2 und 3π/2 ist.
12 ist eine Zeichnung, die den inneren Aufbau der Regenerativsteuerschaltung 200 und der Gleichrichtschaltung 250 zeigt. Die Regenerativsteuerschaltung 200 enthält eine A-Phasen-Ladungsumschalteinheit 202, eine B-Phasen-Ladungsumschalteinheit 204 und einen elektronischen Stellwiderstand 206, die mit dem Bus 102 verbunden sind. Die Ausgangssignale der beiden Ladungsumschalteinheiten 202 und 204 werden an die Eingangsanschlüsse von zwei UND-Schaltungen 211 und 212 angelegt.
Die A-Phasenladungsumschalteinheit 202 gibt ein Signal mit Pegel "1" aus, wenn die rückgewonnene Leistung von der A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A wiedergewonnen wird, und gibt ein Signal mit Pegel "0" aus, wenn sie nicht wiedergewonnen wird. Das gleiche gilt für die B-Phasenladungsumschalteinheit 204. Es sei angemerkt, dass das Umschalten dieser Signalpegel durch die CPU 110 durchgeführt wird. Auch können das Vorhandensein oder das Fehlen der Rückgewinnung von der A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A und das Vorhandensein oder das Fehlen der Rückgewinnung von der B-Phasen-Spulenuntergruppe 24B unabhängig eingestellt werden. Daher ist es auch möglich, Leistung von der B-Phasen-Spulenuntergruppe 24B rückzugewinnen, während unter Verwendung der A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A beispielsweise Antriebskraft an einem Aktuator erzeugt wird.
Es sei angemerkt, dass die Ansteuerungsregeleinheit 100 in ähnlicher Weise so aufgebaut sein kann, dass ebenfalls unabhängig eingestellt werden kann, ob Antriebskraft unter Verwendung der A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A erzeugt wird oder nicht und ob Antriebskraft unter Verwendung der B-Phasen-Spulenuntergruppe 24B erzeugt wird oder nicht. Beispielsweise ist es möglich, den Betriebsmodus-Signalgenerator 104 in 8 so aufzubauen, dass der Generator 104 das Signal ausgibt, dass das Vorhandensein oder das Fehlen des Antriebs der A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A anzeigt, und das Signal, dass das Vorhandensein oder das Fehlen des Antriebs der B-Phasen-Spulenuntergruppe 24B anzeigt. Auf diese Weise ist es möglich, den Elektromotor in einem Betriebsmodus zu betreiben, in dem eine Antriebskraft mit einer der beiden Spulengruppen 14A und 24B erzeugt wird, während mit der anderen Leistung rückgewonnen wird.
Die Spannung der beiden Enden des elektronischen Stellwiderstands 206 wird an einen der beiden Eingangsanschlüsse der vier Spannungskomparatoren 221 bis 224 angelegt. Das A-Phasen-Sensorsignal SSA und das B-Phasen-Sensorsignal SSB werden an den anderen Eingangsanschluss der Spannungskomparatoren 221 bis 224 angelegt. Die Ausgangssignale TPA, BTA, PTB und BTB der vier Spannungskomparatoren 221 bis 224 können als "Maskensignale" oder "Freigabesignale" bezeichnet werden.
Die A-Phasenspulenmaskensignale TPA und BTA werden in die ODER-Schaltung 231 eingegeben und die B-Phasen-Maskensignale PTB und BTB werden in die ODER-Schaltung 232 eingegeben. Der Ausgang dieser ODER-Schaltungen 231 und 230 wird an die Eingangsanschlüsse der beiden vorstehend beschriebenen UND-Schaltungen 211 und 212 angelegt. Die Ausgangssignale MSKA und MSKB dieser UND-Schaltungen 211 und 212 werden ebenfalls als "Maskensignale" oder "Freigabesignale" bezeichnet.
Der Aufbau des elektronischen Stellwiderstands 206 und der vier Spannungskomparatoren 221 bis 224 ist gleich dem Aufbau des elektronischen Stellwiderstands 106 und der vier Spannungskomparatoren 111 bis 114 der Ansteuerungsregeleinheit 100, die in 8 gezeigt ist. Daher entspricht das Ausgangssignal der A-Phasenspulen-ODER-Schaltung 231 einer logischen Summe der in 10 gezeigten Maskensignale TPA und BTA. Auch wenn das Ausgangssignal der A-Phasenladungsumschalteinheit 202 den Pegel "1" hat, ist das von der A-Phasenspulen-UND-Schaltung 211 ausgegebene Maskensignal MSKA gleich dem Ausgangssignale der ODER-Schaltung 231. Diese Betriebsabläufe sind auch für die B-Phase gleich.
Die Gleichrichtschaltung 250 enthält als die A-Phasenspulenschaltungen eine Vollwellen-Gleichrichtschaltung 252, die eine Vielzahl von Dioden, zwei Gate-Transistoren 261 und 262 und eine Pufferschaltung 271 enthält, sowie eine Inverterschaltung 272 (NICHT-Schaltung). Es sei angemerkt, dass die gleichen Schaltungen auch für die B-Phase vorgesehen sind. Die Gate-Transistoren 261 und 262 sind mit der Rückgewinnungsleistungsversorgungsverdrahtung 280 verbunden.
Die von der A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A während der Leistungsrückgewinnung erzeugte Wechselstromleistung wird durch die Vollwellen-Gleichrichtschaltung 252 gleichgerichtet. Das A-Phasenspulenmaskensignal MSKA und sein umgekehrtes Signal werden an die Gates der Gate-Transistoren 261 und 262 angelegt. Daher wird während der Zeit, während der mindestens eines der Maskensignale TPA und BTA, die von den Spannungskomparatoren 221 und 222 ausgegeben werden, auf dem Pegel H ist, die rückgewonnene Leistung an die Leistungsversorgungsverdrahtung 280 ausgegeben, und demgegenüber ist in der Zeit, während der die beiden Maskensignale TPA und BTA auf dem Pegel L sind, die Leistungsrückgewinnung unterbunden.
Wie aus vorstehender Beschreibung verständlich ist, ist es möglich, die rückgewonnene Leistung unter Verwendung der Regenerativsteuerschaltung 200 und der Gleichrichtschaltung 250 rückzugewinnen. Auch können die Regenerativsteuerschaltung 200 und die Gleichrichtschaltung 250 die Zeit für die Rückgewinnung von wiedergewonnener Leistung von der A-Phasen-Spulenuntergruppe 14A und der B-Phasen-Spulenuntergruppe 24B gemäß dem A-Phasen-Spulenmaskensignal MSKA und dem B-Phasen-Spulenmaskensignal MSKB begrenzen, und dadurch ist es möglich, das Volumen der rückgewonnenen Leistung einzustellen. Es ist jedoch auch möglich, auf die Regenerativregeleinheit 200 und die Gleichrichtschaltung 250 zu verzichten.
Wie vorstehend beschrieben ist bei dem Elektromotor gemäß der ersten Ausführungsform absolut keine metallische Substanz im Kein vorgesehen, so dass kein Cogging auftritt, was es möglich macht, einen gleichmäßigen, stabilen Betrieb zu verwirklichen. Ferner ist auch kein Joch vorgesehen, um die Magnetschaltungen zu bilden, so dass ein sehr geringer sogenannter Kernverlust (Wirbelstromverlust) vorliegt, was es ermöglicht, einen effizienten Motor zu verwirklichen. Ferner sind bei der ersten Ausführungsform zwei Spulengruppen 40 AB und 50 AB an einander über die Magnetgruppe 34M gegenüberliegenden Seiten vorgesehen, so dass es möglich ist, den Magnetfluss der beiden Seiten der Magnetgruppe 34M zur Erzeugung von Antriebskraft zu nutzen. Daher ist die Nutzungseffizienz des Magnetflusses im Vergleich zu herkömmlichen Elektromotoren hoch, bei denen nur eine Seite der Magnetgruppe zur Erzeugung von Antriebskraft genutzt wird, was es möglich macht, einen Elektromotor mit hohem Drehmoment und guter Effizienz zu verwirklichen.
Auch sind bei der ersten Ausführungsform die gleichen Spulenuntergruppen 14A und 24B jeweils für die beiden Spulengruppen 40AB und 50AB vorgesehen, und der Spulenuntergruppenintervall Dc zwischen den Spulenuntergruppen 14A und 24B ist auf das 3/2-fache einer Magnetpolteilung Pm eingestellt, so dass keine Neutralposition vorhanden ist, in der keine wirksame Antriebskraft erzeugt wird, und es ist möglich, den Elektromotor stets in der gewünschten Arbeitsrichtung (vorwärts oder rückwärts) anlaufen zu lassen.
C. Variationsbeispiele des Aufbaus des Zweiphasenmotors
13(A) bis 13(D) zeigen den Betriebsablauf des ersten Variationsbeispiels des Zweiphasenmotors. Wie 13(A) zeigt, sind die Spulen 14A1, 24B1, 14A2 und 24B2 wiederholt in dieser Reihenfolge in dem ersten Spulengruppenaufbau 40AB angeordnet und dieser Punkt ist gleich wie in der ersten Ausführungsform, die in 4(A) gezeigt ist. Bei dem ersten Variationsbeispiel ist jedoch der Spulenuntergruppenintervall Dc die Hälfte der Magnetpolteilung Pm (= π), was ein Drittel des Spulenuntergruppenintervalls der ersten Ausführungsform ist. Für die Formel der Beziehung des Spulenuntergruppenintervalls Dc und der Magnetpolteilung Pm Dc = Pm (K/M) steht das erste Variationsbeispiel in Korrelation, wenn K = 1 und M = 2. Der zweite Spulengruppenaufbau 50AB hat ebenfalls den gleichen Aufbau wie der erste Spulengruppenaufbau 40AB.
Der Betriebsablauf in 13(A) bis 13(D) entspricht im Wesentlichen dem Betriebsablauf von 5(A) bis 5(D), so dass auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet wird. Der Zweiphasenmotor dieses ersten Variationsbeispiels ist auch in der Lage, die gleichen Effekte wie die erste Ausführungsform zu erzielen.
14(A) zeigt ein zweites Variationsbeispiel des Zweiphasenmotors. Das zweite Variationsbeispiel verzichtet auf die Magnete 34M2 aus dem Aufbau der ersten Ausführungsform (4(A)), aber die anderen Punkte sind gleich wie bei der ersten Ausführungsform. Genauer ausgedrückt ist der Magnetgruppenaufbau 30M des zweiten Variationsbeispiels nur durch mehrere Magnete 34M1 gebildet, die eine Polarität gleicher Richtung haben. In diesem Fall entspricht die Teilung zwischen den Magneten 34M1 2π des elektrischen Winkels, so dass die Magnetpolteilung Pm 1/2 der Teilung zwischen den Magneten ist. Wie aus diesem Beispiel ersichtlich ist, ist die Magnetpolteilung Pm ein Wert, der nicht einer Teilung der Magneten entspricht, sondern vielmehr einer Teilung zwischen N-Pol und S-Pol. Der Betriebsablauf dieses zweiten Variationsbeispiels ist grundsätzlich gleich dem Betriebsablauf der ersten Ausführungsform.
14(B) zeigt ein drittes Variationsbeispiel des Zweiphasenmotors. Nur eine A-Phasenspule 14A1 und eine B-Phasenspule 24B1 sind an dem ersten Spulengruppenaufbau 40AB angeordnet. Das gleiche gilt für den zweiten Spulengruppenaufbau 50AB. Bei diesem zweiten Variationsbeispiel wirkt der Magnetgruppenaufbau 30M als ein Stator und ist als ein Linearmotor gebildet, für den die beiden Spulengruppenaufbauten 40AB und 50AB als gleitende Bauelemente wirken. Der Spulenuntergruppenintervall Dc ist 3/2 der Magnetpolteilung Pm (= π) und ist gleich wie bei der ersten Ausführungsform. Der Linearmotor gemäß diesem dritten Variationsbeispiel kann ebenfalls die gleichen Effekte wie die erste Ausführungsform erzielen.
14(C) zeigt ein viertes Variationsbeispiel des Zweiphasenmotors. Die vierte Ausführungsform ist gegenüber dem dritten Variationsbeispiel dergestalt modifiziert, dass der Spulenuntergruppenintervall Dc 7/2 der Magnetpolteilung Pm (= π) wird, und die übrigen Punkte sind gleich wie bei dem dritten Variationsbeispiel.
Wie aus dem dritten und vierten Variationsbeispiel ersichtlich wird, können die A-Phasen-Spulengruppe und die B-Phasen-Spulengruppe so aufgebaut werden, dass sie jeweils eine oder mehrere Spulen enthalten. Auch ist es möglich, die Magnetgruppe so aufzubauen, dass sie einen oder mehrere Magneten enthält. Bei einem Motor des Rotationstyps ist es bevorzugt, dass die A-Phasen-Spulenuntergruppe und die B-Phasen-Spulenuntergruppe jeweils eine Vielzahl von Spulen enthalten, und dass die Magnetgruppe eine Vielzahl von Magneten enthält. Auch ist es bei dem Motor des Rotationstyps bevorzugt, dass die Vielzahl der Spulen der ersten Spulengruppe 40AB in gleichen Intervallen mit einer festen Teilung entlang der Drehrichtung angeordnet ist. Das gleiche gilt auch für die zweite Spulengruppe 50AB. Auch ist es bevorzugt, dass die Vielzahl von Magneten der Magnetgruppe 34M im gleichen Intervallen mit einer festen Teilung entlang der Drehrichtung angeordnet ist.
15(A) zeigt ein fünftes Variationsbeispiel des Zweiphasenmotors. Dieses fünfte Variationsbeispiel verzichtet auf den zweiten Spulengruppenaufbau 50AB aus der ersten Ausführungsform und der übrige Aufbau entspricht dem der ersten Ausführungsform. Das fünfte Variationsbeispiel hat einen einseitigen Anordnungsaufbau, bei dem nur ein Spulengruppenaufbau 40AB auf einer Seite des Magnetgruppenaufbaus 30M vorgesehen ist. Dieser Punkt ist ein großer Unterschied gegenüber dem Punkt, dass bei der ersten Ausführungsform und den verschiedenen vorstehend beschriebenen Variationsbeispielen ein beiderseitiger Anordnungsaufbau verwendet wird (ein Aufbau, bei dem Spulengruppen jeweils an beiden Seiten der Magnetgruppe angeordnet sind). Ferner ist es, wie in 15(A) gezeigt, mit dem einseitigen Anordnungsaufbau auch möglich, ein aus einer magnetischen Substanz gebildetes Jochmaterial 36 an der Rückseite des Magnetgruppenaufbaus 30M (entgegengesetzte Seite der Spulengruppe) vorzusehen. Indem diese Art von Jochmaterial 36 vorgesehen wird, ist es möglich, die Magnetflussdichte auf der zu dem Spulengruppenaufbau 40AB weisenden Seite des Magnetgruppenaufbaus 30M zu steigern. Es sei angemerkt, das diese Art von Jochmaterial bei dem beidseitigen Anordnungsaufbau nicht erforderlich ist.
15(B) zeigt ein sechstes Variationsbeispiel des Zweiphasenmotors. Dieses sechste Variationsbeispiel ist gegenüber dem fünften Variationsbeispiel so modifiziert, dass der Spulenuntergruppenintervall Dc 9/2 der Magnetpolteilung Pm (= π) ist, und die anderen Punkte sind gleich dem fünften Variationsbeispiel.
Wie aus diesen verschiedenen Variationsbeispielen verständlich ist, ist es möglich, verschiedene andere Werte als ein ganzzahliges Vielfaches der Phasenzahl M als den Wert K in der Beziehungsformel Dc = Pm (K/M) zu verwenden. Wie vorstehend beschrieben ist der Grund dafür, dass der Fall, wenn K ein ganzzahliges Vielfaches von M ist, ausgeschlossen ist, dass in diesem Fall einen Neutralposition erzeugt wird, in der das Anlaufen des Elektromotors nicht möglich ist.
D. Variationsbeispiele der Schaltungskonfiguration des Zweiphasenmotors
16 ist ein Blockschaltbild, das das erste Variationsbeispiel der Ansteuerungsregeleinheit 100 (8) zeigt. Diese Ansteuerungsregeleinheit 100a enthält einen Betriebsmodus-Signalgenerator 104a, einen Ansteuerungssignalgenerator 150 und zwei EXOR-Schaltungen 161 und 162. Der Betriebsmodus-Signalgenerator 104a gibt ein Ansteuersignal-Umschaltsignal S1 und ein Drehrichtungssignal S2 gemäß den Anweisungen des Benutzers aus. Das Ansteuerumschaltsignal S1 ist ein Signal zum Umschalten zwischen dem Direktsteuermodus (weiter unten beschrieben) und dem PWM-Ansteuermodus. Das Drehrichtungssignal S2 ist ein Signal zum Umschalten zwischen vorwärts und rückwärts. Das Drehrichtungssignal S2 wird zusammen mit dem A-Phasen-Sensorsignal SSA der ersten EXOR-Schaltung 161 eingegeben und zusammen mit dem B-Phasen-Sensorsignal SSB der zweiten EXOR-Schaltung 162 eingegeben. Es sei angemerkt, dass hier der A-Phasensensor und der B-Phasensensor einen digitalen Ausgang haben. Der Ansteuersignalgenerator 160 verwendet den Ausgang der EXOR-Schaltungen 161 und 162, um die A-Phasen-Ansteuersignale DRVA1 und DRVA2 und die B-Phasen-Ansteuersignale DRVB1 und DRVB2 zu erzeugen.
17 zeigt die Signalwellenformen, wenn der Ansteuersignalgenerator 160 in dem Direktansteuermodus arbeitet. Die A-Phasen-Ansteuersignale DRVA1 und DRVA2 entsprechen Signalen, die von dem A-Phasen-Sensorsignal SSA verstärkt werden, und die B-Phasen-Ansteuersignale DRVB1 und DRVB2 entsprechen Signalen, die von dem B-Phasen-Sensorsignal SSB verstärkt werden. Wie aus diesem Beispiel verständlich ist, werden bei dem Direktansteuermodus die Ansteuersignale unter Verwendung der Sensorsignalwellenformen in der vorliegenden Form verwendet.
Der PWM-Ansteuermodus ist ein Modus zum Erzeugen der gleichen Ansteuersignale wie in 10 und 11 vorstehend beschrieben. Die Schaltungskonfiguration zu Ausführung des PWM-An steuermodus ist beinahe gleich wie die in 8 gezeigte, so dass auf eine detaillierte Beschreibung verzichtet wird.
18 ist ein Blockschaltbild, das das zweite Variationsbeispiel der Ansteuerungsregeleinheit zeigt. Diese Ansteuerungsregeleinheit 100b enthält einen Betriebsmodus-Signalgenerator 104b, einen elektronischen Stellwiderstand 106, vier Spannungskomparatoren 111 bis 114 und einen Multiplexer 120. Der Betriebsmodus-Signalgenerator 104 gibt das Drehrichtungssignal S2 gemäß den Anweisungen vom Benutzer aus. Der elektronische Stellwiderstand 106, die vier Spannungskomparatoren 111 bis 114 und der Multiplexer 120 sind gleich den in 8 gezeigten entsprechenden Schaltungen und der Ansteuerungssignalgenerator wird von diesen Schaltungen gebildet.
19 ist ein Zeitablaufdiagramm, das die Signalwellenformen der in 18 gezeigten Ansteuerungsregeleinheit 100b zeigt. Der Betriebsablauf dieser Ansteuerungsregeleinheit 100b unterscheidet sich von dem in 10 und 11 gezeigten insofern, als er kein PWM-Signal verwendet, das eine Sinuswelle simuliert, aber die anderen Punkte sind im wesentlichen gleich wie in 10 und 11. Auch in 19 ist es möglich, die Einschaltdauer der Ansteuersignale DRVA1, DRVA2, DRVB1 und DRVB2 gemäß dem Hysteresepegel zu verändern.
20 ist ein Blockschaltbild, das ein Variationsbeispiel der in 9 gezeigten Ansteuerschaltung 150 zeigt. Diese Ansteuerschaltung 150a ist vereinfacht, so dass die A-Phase und die B-Phase die beiden Transistoren auf der rechten Seite der beiden H-Brückenschaltungen 120A und 130B aus 9 gemeinsam nutzen. Die beiden gemeinsam genutzten Transistoren 155 und 156 sind an der Unterseite der Zeichnung in 20 gezeichnet. Die Ausgänge der NOR-Schaltung 151 und der ODER-Schaltung 152 werden jeweils an die Gates dieser beiden Transistoren 155 und 156 angelegt. Die Ansteuersignale DRVA2 und DRVB2 werden den Eingangsanschlüssen der NOR-Schaltung 151 zugeführt. Die Ansteuersignale DRVA1 und DRVB1 werden den Eingangsanschlüssen der ODER-Schaltung 152 zugeführt. Diese Schaltungskonfiguration kann so verstanden werden, dass sie mit einer Kombination der beiden in 9 gezeigten Brückenschaltungen 120A und 130B in Korrelation stehen. Es sei angemerkt, dass Überstromschutzschaltungen 153 und 154 jeweils an den beiden Transistoren 155 und 156 vorgesehen sind, wobei diese jedoch weggelassen werden können.
Wie 16 bis 20 zeigen, ist es möglich, verschiedene Schaltungskonfiguration zu verwenden. Es ist auch möglich, andere Schaltungskonfigurationen als diese zu verwenden.
E. Anwendungsbeispiele des Zweiphasenmotors
21(a) und 21(B) sind Querschnittzeichnungen, die ein Beispiel des mechanischen Aufbaus eines Zweiphasenmotors als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen. Dieser Zweiphasenmotor hat einen Einsatz-Rotoraufbau, für den ein grob zylindrisch geformter Rotor 30M (Magnetgruppenaufbau) zwischen die grob zylindrisch geformten zweifachen Statoraufbauten 40AB und 50AB (Spulengruppenaufbauten) eingesetzt wird. Genauer ausgedrückt bilden die beiden Spulengruppenauf bauten 40AB und 50AB zwei Zylinderelemente, die einen hohlen Doppelzylinderaufbau bilden, und der Magnetgruppenaufbau 30M ist als ein weiteres Zylinderelement gebildet, das zwischen die Spulengruppenaufbauten 40AB und 50AB eingesetzt ist. Auf diese Weise wird ein Aufbau, bei dem drei Hohlzylinderelemente koaxial überlagert sind, nachfolgend auch als "Mehrfach-Hohlzylinderaufbau" bezeichnet.
22(A) und 22(B) zeigen den Rotor und den Stator getrennt. Der in 22(A) gezeigte Stator enthält zwei Spulengruppenaufbauten 40AB und 50AB. Das Trägerelement 42 des Spulengruppenaufbaus 40AB an der Außenseite bildet ein Hohlzylindergehäuse. Ein magnetisches Abschirmelement 43 ist an der Außenseite der Zylinderoberfläche dieses Gehäuses 42 angeordnet. Dieses magnetische Abschirmelement 43 dient dazu, magnetische Streuung an der Außenseite des Motors zu verhindern, und ist aus einem sehr dünnen ferromagnetischen Material (beispielsweise Permalloy) gebildet. Das magnetische Abschirmelement 43 hat jedoch nicht die Funktion eines Joches zum Aufbau einer Magnetschaltung. Es sei angemerkt, dass die Tatsache, ob ein für den Motor verwendetes Element eine Funktion als ein Joch hat, gemäß der Magnetflussdichte der Spulenoberfläche bestimmt werden kann, wenn ein magnetisches Abschirmelement vorhanden ist und wenn es nicht vorhanden ist. Wenn beispielsweise die Magnetflussdichte der Spulenoberfläche um 10% oder mehr ansteigt, wenn das magnetische Abschirmelement 43 vorgesehen ist, wird festgestellt, dass das Element 43 als ein Joch wirkt, und wenn es weniger als 10% sind, ist es möglich festzustellen, dass das Element 43 nicht als ein Joch wirkt. Es sei angemerkt, dass das Kriterium 5% anstatt 10% sein kann.
Die Ansteuerungsschaltungseinheit 500 (7) ist auf dem Substrat 200 innerhalb des Stators vorgesehen. Leistungs- und Steuersignale werden von außen durch die elektrische Verdrahtung 210 der Ansteuerungsschaltungseinheit 500 zugeliefert.
Der Rotor 30M enthält die Magnetgruppe 34M, und in der Mitte ist die Welle 37 vorgesehen. Wie 23(A) zeigt, ist an der unteren Oberfläche an der linken Seite des Stators ein Lager 38 vorgesehen. Wie in 22(B) gezeigt, ist ferner ein Lager 36 an dem Deckel 39 zum Verschließen des Gehäuses nach dem Einführen des Rotors 30M vorgesehen.
Es sei angemerkt, dass bei dem Beispiel in 21(B) der erste Spulengruppenaufbau 40AB und der zweite Spulengruppenaufbau 50AB jeweils vier Spulen enthalten und die Magnetgruppe 34M sechs Magneten enthält. Es ist jedoch auch möglich, die Anzahl der Spulen und der Magnete auf einen anderen Wert einzustellen. Dieser Zweiphasenmotor enthält einen Mehrfach-Hohlzylinderaufbau, so dass der Vorteil vorliegt, dass es nur geringe Rotorschwingungen gibt.
23(A) und 23(B) sind Querschnittsansichten, die ein weiteres Beispiel des mechanischen Aufbaus des Zweiphasenmotors zeigen. Bei diesem Zweiphasenmotor ist der zweite Spulengruppenaufbau 50AB aus dem Aufbau von 21(A) und 21(B) weggelassen und es ist ein innerer Rotoraufbau vorhanden, für den der annähernd zylindrische Rotor 30M (Magnetgruppenaufbau) in das Innere des annähernd zylindrisch geformten Stators 40AB (erster Spulengruppenaufbau) eingeführt wird. Die Spulen- und Magnetanordnung entspricht der in 15(A) und 15(B) gezeigten einseitigen Anord nung. Wenn die einseitige Anordnung unter Verwendung des inneren Rotoraufbaus verwirklicht wird, ist es möglich, auf das in 15(A) und 15(B) gezeigte Jochmaterial 36 zu verzichten.
24(A) und 24(B) sind Querschnittsansichten, die ein weiteres Beispiel des mechanischen Aufbaus des Zweiphasenmotors zeigen. Dieser Zweiphasenmotor hat einen flachen Rotoraufbau, bei dem ein scheibenförmiger Rotor 30M (Magnetgruppenaufbau) zwischen die scheibenförmigen doppellagigen Statoren 40AB und 50AB (Spulengruppenaufbauten) eingesetzt wird. Wenn diese Art eines flachen Rotoraufbaus verwendet wird, ist es möglich, die Dicke des Motors dünner auszuführen.
25(A) und 25(B) sind Querschnittsansichten, die ein weiteres Beispiel des mechanischen Aufbaus eines Zweiphasenmotors zeigen. Dieser Zweiphasenmotor verzichtet auf den zweiten Spulengruppenaufbau 50AB gegenüber dem Aufbau von 24(A) und 24(B) und hat einen flachen Rotoraufbau, bei dem der scheibenförmige Rotor 30M (Magnetgruppenaufbau) dem gegenüberliegenden scheibenförmigen Stator 40AB (erster Spulengruppenaufbau) gegenüberliegt. Ein Jochmaterial 36 ist auf der Seite der Rückfläche des Rotors 30M (rechte Seitenfläche in der Zeichnung) angeordnet. Die Spulen- und Magnetanordnung entspricht der in 15(A) und 15(B) gezeigten einseitigen Anordnung.
Wie vorstehend beschrieben können verschiedene mechanische Aufbauten für die elektrische Maschine gemäß vorliegender Erfindung verwendet werden.
F. Zweite Ausführungsform (Dreiphasenmotor)
26(A) bis 26(C) sind erläuternde Zeichnungen, die den schematischen Aufbau des Elektromotors gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen. Der Motor dieser dritten Ausführungsform ist ein Dreiphasenmotor, der drei Spulenuntergruppen für die A-Phase, B-Phase und C-Phase enthält. Der Magnetgruppenaufbau 30M hat den gleichen Aufbau wie derjenige der in 4(A) gezeigten ersten Ausführungsform. Eine erste Spulengruppe 40ABC und eine zweite Spulengruppe 50ABC sind an über den Magnetgruppenaufbau 30M entgegengesetzten Seiten vorgesehen. Der erste Spulengruppenaufbau 40ABC hat eine wiederholte Anordnung von Spulen 91A1 der A-Phasen-Spulenuntergruppe, Spulen 92B1 der B-Phasen-Spulenuntergruppe und Spulen 93C1 der C-Phasen-Spulenuntergruppe. Es sei angemerkt, dass in 26(A) bis 26(C) zur Vereinfachung der Darstellung die Spulen der A-Phasen-Spulenuntergruppe mit einer durchgezogenen Linie gezeichnet sind, die Spulen der B-Phasen-Spulenuntergruppe mit einer punktierten Linie gezeichnet sind und die Spulen der C-Phasen-Spulenuntergruppe mit einer strichlierten Linie gezeichnet sind. Der zweite Spulengruppenaufbau 50ABC hat den gleichen Aufbau wie der erste Spulengruppenaufbau 40ABC. Auch sind Spulen für die gleiche Phase in dem ersten und dem zweiten Spulengruppenaufbau 40ABC und 50ABC an jeweils einander gegenüberliegenden Positionen angeordnet. Der Spulenuntergruppenintervall Dc jeweils für die A-Phase, B-Phase und C-Phase ist das 2/3-fache der Magnetpolteilung entsprechend 2π/3 des elektrischen Winkels. Genauer ausgedrückt steht für die Formel der Beziehung des Spulenuntergruppenintervalls Dc und der Magnetpolteilung Pm Dc = Pm (K/M) die zweite Ausführungsform in Korrelation zu dem Fall, in dem K = 2 und M = 3.
Es sei angemerkt, dass die A-Phasen-Spulenuntergruppe nur durch einen Typ von Spulen 91A1 aufgebaut ist. Das gleiche gilt ebenfalls für die B- und C-Phasen-Spulenuntergruppe. Dieser Punkt unterscheidet sich von dem Punkt, dass bei der ersten Ausführungsform (4(A)) die A-Phasen-Spulenuntergruppe durch zwei Spulentypen 14A1 und 14A2 gebildet ist, die in jeweils umgekehrten Richtungen erregt werden. Der Grund dafür liegt darin, dass bei der zweiten Ausführungsform der Wert Dc × M, der die Phasenzahl M (=3) multipliziert mit dem Spulenuntergruppenintervall Dc (= 2PM/3 = 2π/3) ist, 2π des elektrischen Winkels wird. Der Wert von Dc × M steht in Korrelation mit der Distanz zwischen benachbarten Spulen der gleichen Phase. Wenn daher diese Distanz Dc × M gleich 2π ist, werden die benachbarten Spulen der gleichen Phase stets mit der gleichen Polarität erregt. Allgemein werden dann, wenn der Wert der ganzen Zahl K geradzahlig ist, alle Spulen innerhalb der Spulenuntergruppe jeder Phase stets mit der gleichen Polarität erregt. Wenn jedoch der Wert der ganzen Zahl K ungeradzahlig ist, werden benachbarte Spulen innerhalb der Spulenuntergruppe jeder Phase stets mit der umgekehrten Polarität erregt.
26(A) zeigt den Zustand unmittelbar bevor die Phase 2π ist. An dem Zeitpunkt, an dem die Phase 2π ist, wird die Polarität der A-Phasen-Spulenuntergruppe 91A1 umgekehrt. 26(B) zeigt den Zustand unmittelbar bevor die Phase π/3 ist. An dem Zeitpunkt, an dem die Phase π/3 ist, wird die Polarität der C-Phasen-Spulenuntergruppe 93C1 umgekehrt. 26(C) zeigt den Zustand unmittelbar bevor die Phase 2π/3 ist. An dem Zeitpunkt, an dem die Phase 2π/3 ist, wird die Polarität der B-Phasen-Spulenuntergruppe 92B1 umgekehrt.
Auch bei dem Dreiphasenmotor gemäß dieser zweiten Ausführungsform wird die Polarität (Magnetisierungsrichtung) der A-Phasen-Spulenuntergruppe 91A1 an dem Zeitpunkt umgeschaltet, an dem jede Spule der A-Phasen-Spulenuntergruppe 91A1 jedem Magneten der Magnetgruppe 30M gegenüberliegt. Das gleiche gilt auch für die B-Phasen-Spulenuntergruppe und die C-Phasen-Spulenuntergruppe. Als Resultat ist es möglich, stets die Erzeugung von Antriebskraft von allen Spulen zu haben, so dass es möglich ist, ein großes Drehmoment zu erzeugen.
Es sei angemerkt, dass der Dreiphasenmotor gemäß der zweiten Ausführungsform gleich wie bei der ersten Ausführungsform keinen Kern aus einer magnetischen Substanz hat und auch kein Joch hat, das die Magnetschaltung bildet. Auch ist es bevorzugt, dass alle Bauelemente abgesehen von der Drehwelle und den Lagern unter Verwendung von nicht magnetischen, nicht leitenden Materialien gebildet werden.
27 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau der Ansteuerungsregeleinheit der zweiten Ausführungsform zeigt. Bei dieser Ansteuerungsregeleinheit 100c sind Schaltungsteile für die C-Phase (beispielsweise Spannungskomparatoren 115 und 116) und eine Sinuswellen-Erzeugungsschaltung 108 zu der Schaltung für den Zweiphasenmotor, die in 8 gezeigt ist, hinzugefügt.
Die Sinuswellen-Erzeugungsschaltung 108 erzeugt drei Sinuswellensignale SA, SB und SC, die aufeinanderfolgend jeweils um eine Phase von 2π/3 verschoben sind, gemäß den drei Phasen- Sensorsignalen SSA, SSB und SSC. Die drei Sinuswellensignale SA, SB und SC werden in die Spannungskomparatoren 111 bis 116 gegeben und auch der Zweistufen-PWM-Schaltung 130a zugeführt. Es sei angemerkt, dass der Multiplexer 120a und die Zweistufen-PWM-Schaltung 130a gegenüber den in 8 gezeigten für die Verwendung mit drei Phasen modifiziert sind. Die Dreiphasen-Ansteuersignalpaare (DRVA1, DRVA2), (DRVB1, DRVB2) und (DRVC1, DRVC2) werden von der Zweistufen-PWM-Schaltung 130a ausgegeben. Es sei angemerkt, dass die Wellenform jedes Ansteuersignalpaares etwa gleich wie die in 10 und 11 gezeigte ist, und dass der einzige Unterschied ist, dass die Phasendifferenz jeder Phase 2π/3 ist.
28 ist ein Blockschaltbild, das den Aufbau der Ansteuerschaltung für die zweite Ausführungsform zeigt. Diese Ansteuerschaltung 150c ist eine Dreiphasen-Brückenschaltung zum Ansteuern der Spulenuntergruppen 91A, 92B und 93C.
29 ist ein Zeitablaufdiagramm, das die Sensorsignale der zweiten Ausführungsform und die Spulenmagnetisierungsrichtung jeder Phase zeigt. Die A-, B- und C-Phasen-Sensorsignale SSA, SSB und SSC sind digitale Signale, bei welchen der H-Pegel und der L-Pegel mit jeder Zeitperiode, die einem elektrischen Winkel π entspricht, umgeschaltet wird. Ferner sind die Phasen aufeinanderfolgend um jeweils 2π/3 verschoben. An der Unterseite in 29 ist die Magnetisierungsrichtung jeder Spulenuntergruppe der A-, B- und C-Phase gezeigt. Die Magnetisierungsrichtung jeder Spulenuntergruppe wird durch die Logikberechnung der drei Sensorsignale SSA, SSB und SSC bestimmt.
30(A) bis 30(F) zeigen die Stromrichtung für die sechs Perioden P1 bis P6 in 29. Bei dieser Ausführungsform sind die Spulenuntergruppen der A-, B- und C-Phase sternförmig geschaltet, aber es ist auch möglich, eine Delta-Schaltung zu verwenden. In der Periode P1 fließt der Strom von der B-Phasen-Spulenuntergruppe zu der A-Phasen-Spulenuntergruppe und der C-Phasen-Spulenuntergruppe. In der Periode P2 fließt Strom von der B- und der C-Phasen-Spulenuntergruppe zu der A-Phasen-Spulenuntergruppe. Auf diese Weise ist es möglich, ein großes Drehmoment zu erzeugen, indem jede Spulenuntergruppe so angesteuert wird, dass der Strom stets in jede der A-, B- und C-Phasen-Spulenuntergruppen fließt.
Auch bei dem Dreiphasenmotor gemäß der zweiten Ausführungsform sind die beiden Spulengruppenaufbauten 40ABC und 50ABC an einander über den Magnetgruppenaufbau 30M gegenüberliegenden Seiten angeordnet, und die Antriebskraft wird unter Verwendung des Magnetflusses beider Seiten des Magnetgruppenaufbaus 30M erzeugt, so dass es möglich ist, eine große Antriebskraft zu erzielen. Auch der Dreiphasenmotor gemäß der zweiten Ausführungsform ist ohne Kern oder Joch aus magnetischem Material aufgebaut, so dass es möglich ist, ein großes Drehmoment bei geringem Gewicht zu erreichen. Auch ist es möglich, eine stabile Rotation bis zu einer sehr niedrigen Drehzahl ohne Cogging aufrechtzuerhalten. Es ist ferner möglich, einen einseitigen Aufbau zu nutzen, bei dem einer der beiden Spulengruppenaufbauten 40ABC und 50ABC weggelassen ist. In diesem Fall ist es möglich, ein Jochmaterial 36 (15(A), 15(B)) an dem Magnetgruppenaufbau 30M vorzusehen.
Es sei angemerkt, dass es möglich ist, als mechanischen Aufbau des Dreiphasenmotors verschiedene Aufbauten zu verwenden, wie etwa den Aufbau mit eingesetztem Rotor, den Aufbau mit innerem Rotor, den Aufbau mit flachem Rotor oder den Linearmotoraufbau, die vorstehend beschrieben wurden, oder dergleichen zu nutzen. Auch können die gleichen Arten von Variationen wie bei den vorstehend beschriebenen verschiedenen Beispielen der ersten Ausführungsform ebenso für den Dreiphasenmotor gemäß der zweiten Ausführungsform verwendet werden.
G. Dritte Ausführungsform (Vierphasenmotor)
31(A) bis 31(D) sind erläuternde Zeichnungen, die den schematischen Aufbau und den Betrieb des Elektromotors gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen. Der Motor gemäß dieser dritten Ausführungsform ist ein Vierphasenmotor, der vier Spulenuntergruppen für die A-Phase, B-Phase, C-Phase und D-Phase enthält. Der Magnetgruppenaufbau 30M hat den gleichen Aufbau wie der in 4(A) gezeigte der ersten Ausführungsform. Eine erste Spulengruppe 40ABCD und eine zweite Spulengruppe 50ABCD sind an einander über den Magnetgruppenaufbau 30M gegenüberliegenden Seiten vorgesehen. Der erste Spulengruppenaufbau 40ABCD hat Spulen 91A1 und 91A2 der A-Phasen-Spulenuntergruppe, Spulen 92B1 und 92B2 der B-Phasen-Spulenuntergruppe, Spulen 93C1 und 93C2 der C-Phasen-Spulenuntergruppe und Spulen 94D1 und 94D2 der D-Phasen-Spulenuntergruppe, die in einer festgelegten Abfolge angeordnet sind. Es sei angemerkt, dass in 31(A) bis 31(D) zur Vereinfachung der Darstellung die Spulen der A-Phasen-Spulenuntergruppe mit einer durchgezogenen Linie gezeichnet sind, die Spulen der B-Phasen-Spulenuntergruppe mit einer punktierten Linie gezeichnet sind, die Spulen der C-Phasen-Spulenuntergruppe mit einer strichlierten Linie gezeichnet sind und die Spulen der D-Phasen-Spulenuntergruppe mit einer strichpunktierten Linie gezeichnet sind. Der zweite Spulengruppenaufbau 50ABCD hat ebenfalls den gleichen Aufbau wie der erste Spulengruppenaufbau 40ABCD. Auch sind die Spulen der gleichen Phase des ersten und des zweiten Spulengruppenaufbaus 40ABCD und 50ABCD an einander gegenüberliegenden Positionen angeordnet. Der Spulenuntergruppenintervall Dc jeder Phase der A-Phase, B-Phase, C-Phase und D-Phase ist das ¾-fache der Magnetpolteilung Pm, entsprechend 3π/4 des elektrischen Winkels. Genauer ausgedrückt steht für die Formel des Verhältnisses des Spulenuntergruppenintervalls Dc und der Magnetpolteilung Pm Dc = Pm (K/M) die dritte Ausführungsform in Korrelation mit dem Fall, wenn K = 3 und M = 4.
Es sei angemerkt, dass die A-Phasen-Spulenuntergruppe aus zwei Spulentypen 91A1 und 91A2 aufgebaut ist, die jeweils in umgekehrten Richtungen magnetisiert sind. Das gleiche gilt auch für die übrigen Phasen. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass die ganze Zahl K in der Verhältnisformel Dc = Pm (K/M) zwischen dem Spulenuntergruppenintervall Dc und der Magnetpolteilung Pm eine ungerade Zahl ist, wie bei der zweiten Ausführungsform beschrieben.
31(A) zeigt den Zustand unmittelbar bevor die Phase 2π ist. An dem Zeitpunkt, an dem die Phase 2π ist, wird die Polarität der D-Phasen-Spulenuntergruppe 94D umgekehrt. 31(B) zeigt den Zustand unmittelbar bevor die Phase π/4 ist. An dem Zeitpunkt, an dem die Phase π/4 ist, wird die Polarität der C-Phasen-Spulenuntergruppe 93C umgekehrt. 31(C) zeigt den Zustand unmittelbar bevor die Phase π/2 ist. An dem Zeitpunkt, an dem die Phase π/2 ist, wird die Polarität der B-Phasen-Spulenuntergruppe 92B umgekehrt. 31(D) zeigt den Zustand unmittelbar bevor die Phase 3π/4 ist. An dem Zeitpunkt, an dem die Phase 3π/4 ist, wird die Polarität der A-Phasen-Spulenuntergruppe 91A umgekehrt.
Auch bei diesem Vierphasenmotor gemäß der dritten Ausführungsform wird die Polarität (Magnetisierungsrichtung) der A-Phasen-Spulenuntergruppe 91A an dem Zeitpunkt umgeschaltet, an dem jede Spule der A-Phasen-Spulenuntergruppe 91A jedem Magneten der Magnetgruppe 30M gegenüberliegt. Das gleiche gilt auch für die Spulenuntergruppen der übrigen Phasen. Als Resultat ist es möglich, dass stets von allen Spulen Antriebskraft erzeugt wird, wodurch ein großes Drehmoment erzeugt wird.
Es sei angemerkt, dass auch der Vierphasenmotor gemäß der dritten Ausführungsform wie die erste Ausführungsform keinen Kern aus einer magnetischen Substanz hat und kein Joch aufweist, das die Magnetschaltung bildet. Auch ist es bevorzugt, dass alle Bauelemente abgesehen von der Drehwelle und den Lagerteilen aus einem nicht magnetischen, nicht leitfähigen Material gebildet sind.
32 ist ein Zeitablaufdiagramm, das die Sensorsignale und die Magnetisierungsrichtung der Spulen jeder Phase für die dritte Ausführungsform zeigt. Es sei angemerkt, dass der Aufbau der Ansteuerungsschaltungseinheit der dritten Ausführungsform analog der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform (7 und 8) und der zweiten Ausführungsform (27) ist und leicht aufgebaut werden kann, so dass auf eine Beschreibung verzichtet wird. In 32 sind die Phasen aufeinanderfolgend jeweils um 3π/4 verschoben. Unten in 32 ist die Magnetisierungsrichtung der Spulenuntergruppe jeder Phase dargestellt. Die Magnetisierungsrichtung jeder Spulenuntergruppe wird durch die Logikberechnung der vier Sensorsignale SSA, SSB, SSC und SSD bestimmt.
Auch bei dem Vierphasenmotor gemäß der dritten Ausführungsform sind die beiden Spulengruppenaufbauten 40ABCD und 50ABCD an einander über den Magnetgruppenaufbau 30M gegenüberliegenden Seiten vorgesehen, und Antriebskraft wird unter Verwendung des Magnetflusses beider Seiten des Magnetgruppenaufbaus 30M erzeugt, so dass es möglich ist, eine große Antriebskraft zu erzielen. Auch ist der Vierphasenmotor gemäß der dritten Ausführungsform ebenfalls ohne einen Kern aus magnetischer Substanz und ohne Joche gebildet, so dass es möglich ist, ein großes Drehmoment bei einem geringen Gewicht zu erreichen. Auch ist es möglich, eine stabile Rotation bis zu einer sehr niedrigen Drehzahl ohne Cogging aufrechtzuerhalten. Es ist jedoch ebenso möglich, einen einseitigen Aufbau so nutzen, bei dem auf einen der beiden Spulengruppenaufbauten 40 ABCD und 50ABCD verzichtet wird. In diesem Fall ist es auch möglich, ein Jochmaterial 36 (15(A) und 15(B)) an dem Magnetgruppenaufbau 30M vorzusehen.
Es sei angemerkt, dass es möglich ist, als mechanischen Aufbau des Vierphasenmotors verschiedene Aufbauten zu verwenden, wie etwa den Aufbau mit eingesetztem Rotor, den Aufbau mit innerem Rotor, den Aufbau mit flachem Rotor oder den Linearmotoraufbau, die vorstehend beschrieben wurden, oder dergleichen zu nutzen. Auch können die gleichen Arten von Variationen wie bei den vorstehend beschriebenen verschiedenen Beispielen der ersten Ausführungsform ebenso für den Vierphasenmotor gemäß der dritten Ausführungsform verwendet werden.
Wie aus den vorstehend beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen verständlich wird, kann die vorliegende Erfindung als ein M-Phasen-Motor aufgebaut werden, der M Einheiten von Spulenuntergruppen hat. Jede Spulenuntergruppe wird jeweils durch eine oder mehrere Spulen gebildet. Es ist auch möglich, die Magnetgruppe mit einem oder mehreren Magneten zu bilden. Wenn jedoch die Magnetgruppe mit nur einem Magneten gebildet wird, wird jede Spulenuntergruppe durch mehrere Spulen gebildet. Wenn jedoch jede Spulenuntergruppe durch nur eine Spule gebildet ist, wird die Magnetgruppe durch mehrere Magnete gebildet.
Auch ist es möglich, die Ansteuerungssignal-Erzeugungsschaltung und die Regenerativschaltung so aufzubauen, dass sie den Elektromotor in einem Betriebsmodus betreiben können, in dem eine Antriebskraft von mindestens einer Spulenuntergruppe aus den M Einheiten von Spulenuntergruppen erzeugt wird, während von mindestens einer anderen Spulenuntergruppe elektrische Leistung rückgewonnen wird.
H. Weitere Variationsbeispiele

(1) 33(A) ist eine erläuternde Zeichnung, die ein Variationsbeispiel der Spulenform und der Magnetform zeigt, wobei ein vertikaler Querschnitt der rechten Motorhälfte gezeigt ist. Der Rotor 30M rotiert um die Drehwelle 37. Der Magnet 34M ist am Umfang des Rotors 30M angeordnet, und A-Phasenspulen 14A1 sind über und unter dem Magneten 34M angeordnet. Es sei angemerkt, dass bei dieser Zeichnung die Darstellung anderer Phasenspulen weggelassen ist. Der Magnet 34M hat einen konkaven Teil an der Mitte des Umfangs und ist in vertikaler Richtung magnetisiert. Die Spule 14A1 ist eine typische flache, ringförmige Spule. 33(B) zeigt einen Aufbau, der eine ringförmige Spule 14A1, die entlang dem Umriss des Magneten 34M zu einer L-Form gebogen ist, an Stelle der flachen ringförmigen Spule 14A1 nutzt. Wenn diese Art der gebogenen ringförmigen Spule 14A1a verwendet wird, ist es möglich, den Magnetfluss nahe dem vorspringenden Teil an der Oberseite und der Unterseite des Magneten 34M effektiv zu nutzen. Daher ist es möglich, die Effizienz des Elektromotors zu steigern.
(2) Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und Variationsbeispielen wurde meistens ein Motor des Rotationstyps beschrieben, wobei die vorliegende Erfindung jedoch auch für verschiedene andere Typen von elektrischen Maschinen als einen Motor des Rotationstyps verwendet werden kann. Auch ist die vorliegende Erfindung nicht auf einen Aktuator beschränkt, sondern kann auch für einen Generator verwendet werden.
(3) Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und Variationsbeispielen wurde meistens der Stator unter Verwendung einer Vielzahl von Spulengruppen gebildet und der Rotor wurde unter Verwendung einer Magnetgruppe gebildet, wobei es jedoch auch möglich ist, diese in umgekehrter Weise zu bilden. Allgemein kann die vorliegende Erfindung für einen Aktuator oder einen Generator verwendet werden, in welchem die Relativposition der Vielzahl von Spulengruppen und der Magnetgruppe austauschbar ist.
(4) Die bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen und Variationsbeispielen verwendeten Schaltungskonfigurationen sind Beispiele und es ist möglich, verschiedene andere Schaltungskonfigurationen als diese zu verwenden.

INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
Diese Erfindung kann für verschiedene elektrische Maschinen und Leistungserzeugungsmaschinen, wie zum Beispiel Motoren des Rotationstyps, Linearmotoren oder dergleichen verwendet werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Die elektrische Maschine gemäß vorliegender Erfindung enthält eine erste Spulengruppe, die eine Vielzahl von Spulen aufweist, und eine Magnetgruppe. Die erste Spulengruppe ist in M Spulenuntergruppen klassifiziert, wobei die Spulen der Spulenuntergruppen einzeln aufeinanderfolgend in einem festgelegten Spulenuntergruppenintervall Dc von der ersten Spulenuntergruppe zu der M-ten Spulenuntergruppe ausgerichtet sind. Eine Spulenuntergruppenintervall Dc ist auf einen Wert K/M mal einer Magnetpolteilung Pm eingestellt (K ist eine positive ganze Zahl ausschließlich eines ganzzahligen vielfachen von M), wobei die Distanz, die einem elektrischen Winkel von π entspricht, als die Magnetpolteilung Pm definiert ist. Die benachbarten Spulenuntergruppen werden mit einer Phasendifferenz von (K/M) π angesteuert. Jede Spule hat im Wesentlichen keinen Magnetmaterialkern.

Claims

Elektrische Maschine, enthaltend: eine erste Spulengruppe, die eine Vielzahl von Spulen enthält, die entlang einer festgelegten Richtung angeordnet sind; und eine Magnetgruppe, die der ersten Spulengruppe gegenüber liegt und in der Lage ist, sich entlang der ersten Spulengruppe entlang der festgelegten Richtung zu bewegen; wobei die erste Spulengruppe in M Phasen-Spulenuntergruppen klassifiziert ist, die jeweils von n Spulen gebildet werden, wobei M eine ganze Zahl von 2 oder höher ist und n eine ganze Zahl von 1 oder höher ist und die Spulen der Spulenuntergruppen aufeinanderfolgend einzeln mit einem festgelegten Spulenuntergruppenintervall Dc von der ersten Phasen-Spulenuntergruppe bis zu der M-ten Phasen-Spulenuntergruppe entlang der festgelegten Richtung ausgerichtet sind, der Spulenuntergruppenintervall Dc auf einen Wert des K/M-fachen einer Magnetpolteilung Pm (K ist eine positive ganze Zahl ausschließlich eines ganzzahligen Vielfachen von M) eingestellt ist, wobei die Magnetpolteilung Pm relativ zu der Magnetgruppe als ein Abstand definiert ist, der einem elektrischen Winkel π entlang der festgelegten Richtung entspricht, wobei die benachbarten Spulenuntergruppen mit einer Phasendifferenz von (K/M) π angesteuert werden und jede Spule im Wesentlichen keinen Magnetmaterialkern hat.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, bei welcher dann, wenn die Magnetgruppe von der Seite der ersten Spulengruppe betrachtet wird, die N-Pole und S-Pole abwechselnd entlang der festgelegten Richtung angeordnet sind und die Teilung zwischen dem N-Pol und dem S-Pol gleich der Magnetpolteilung Pm ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, bei welcher dann, wenn die Magnetgruppe von der Seite der ersten Spulengruppe betrachtet wird, nur bestimmte gleiche der N-Pole oder S-Pole wiederholt entlang der festgelegten Richtung angeordnet sind, wobei die Teilung zwischen den gleichen Polen gleich dem Zweifachen der Magnetpolteilung Pm ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner enthaltend: ein Gehäuse zur Unterbringung der ersten Spulengruppe und der Magnetgruppe, wobei jede Spule um einen Kern gewickelt ist, der aus einem im Wesentlichen nicht magnetischen und nicht elektrisch leitfähigen Material gebildet ist, und das Gehäuse aus einem im Wesentlichen nicht magnetischen und nicht elektrisch leitfähigen Material gebildet ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher Bauelemente mit der Ausnahme von Wellen und Lagern aus im Wesentlichen nicht magnetischem und nicht elektrisch leitfähigem Material gebildet sind.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher die ganze Zahl K eine ungerade Zahl ist und eine Spulenzahl n jeder Spulenuntergruppe 2 oder größer ist und die Spulen in der gleichen Spulenuntergruppe miteinander in der Weise verbunden sind, dass zu derselben Spulenuntergruppe gehörende benachbarte Spulen stets mit einander entgegengesetzten Polaritäten erregt werden.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher die ganze Zahl K eine gerade Zahl ist und eine Spulenzahl n jeder Spulenuntergruppe 2 oder größer ist, und die Spulen in der gleichen Spulenuntergruppe miteinander in der Weise verbunden sind, dass zu derselben Spulenuntergruppe gehörende benachbarte Spulen stets mit einander identischen Polaritäten erregt werden.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner enthaltend: eine zweite Spulengruppe, die an einer der ersten Spulengruppe über die Magnetgruppe entgegengesetzten Seite vorgesehen ist, wobei eine Relativposition der zweiten Spulengruppe zu der ersten Spulengruppe festgelegt ist, wobei die zweite Spulengruppe die gleiche Spulenanordnung wie die erste Spulengruppe hat und die Spulenuntergruppe der m-ten Phase (m ist eine ganze Zahl von 1 bis M) der ersten Spulengruppe und die Spulenuntergruppe der m-ten Phase der zweiten Spulenuntergruppe an einander über die Magnetgruppe gegenüberliegenden Positionen angeordnet sind und stets mit einander identischen Polaritäten magnetisiert werden.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner enthaltend: eine Ansteuerungssignal-Erzeugungsschaltung zum Zuliefern von M Wechselstrom-Ansteuerungssignalen zu den M Phasen-Spulenuntergruppen, wobei die Ansteuerungssignal-Erzeugungsschaltung die M Wechselstrom-Ansteuerungssignale so erzeugt, dass die Polarität jeder Spule in jeder Spulenuntergruppe umgeschaltet wird, wenn die Mitte einer jeweiligen Spule einer der Mitten der Magnete in der Magnetgruppe gegenüberliegt, und dass die Magnetflussdichte in jeder Spulenuntergruppe einen Maximalwert zu einem Zeitpunkt erreicht, an dem Zwischenpunkte zwischen zwei benachbarten Spulen in der Spulenuntergruppe der gleichen Phase den Mitten der Magnete in der Magnetgruppe gegenüberliegen.
Elektrische Maschine nach Anspruch 9, bei welcher die Ansteuerungssignal-Erzeugungsschaltung in der Lage ist, eine Arbeitsrichtung der ersten Spulengruppe und der Magnetgruppe umzukehren, indem eine Stromrichtung jeder Spulenuntergruppe umgekehrt wird.
Elektrische Maschine nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, bei welcher die Ansteuerungssignal-Erzeugungsschaltung enthält: eine PWM-Schaltung zum Erzeugen von M PWM-Signalen, deren Phasen gegeneinander um (K/M) π verschoben sind, und eine Maskierungsschaltung zum Erzeugen der M Wechselstrom-Ansteuerungssignale durch Maskieren der M PWM-Signale gemäß einem Leistungsabgabebedarf der elektrischen Maschine.
Elektrische Maschine nach Anspruch 11, bei welcher die Maskierungsschaltung jedes PWM-Signal in einem Zeitbereich maskiert, der symmetrisch um einen Zeitpunkt zentriert ist, an dem die Polarität jedes Wechselstrom-Ansteuerungssignals umgekehrt wird.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 9 bis 12, ferner enthaltend: eine Regenerativschaltung zur Rückgewinnung von elektrischer Leistung von den Spulengruppen, wobei die Ansteuerungssignal-Erzeugungsschaltung und die Regenerativschaltung in der Lage sind, die elektrische Maschine in einem Betriebsmodus zu betreiben, in dem eine Antriebskraft von mindestens einer der M Spulenuntergruppen erzeugt wird, während elektrische Leistung von mindestens einer anderen Spulenuntergruppe rückgewonnen wird.