JP4306851B2 - 磁石式ブラシレス電動機の進角補正方法 - Google Patents
磁石式ブラシレス電動機の進角補正方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は永久磁石を界磁に用いた電動機（例えば、電気自動車やハイブリッド型自動車、その他の電動車両の駆動源等）として有用な磁石式ブラシレス電動機の進角補正方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等の内燃機関では高トルクを発生する回転数領域が非常に狭い。そこで、図８に示すように、何種類ものギア比の異なる歯車で構成されたトランスミッションを用いて、低速から高速まで任意の速度で走れるようにしている。
【０００３】
ところが、永久磁石を用いた従来のブラシレスＤＣ電動機の回転数とトルクの関係は図９に示すように、トルクは回転数に逆比例して回転数が大きくなるに従い直線的に低下する。電動機にかける電圧をＶ、電動機の界磁が作る磁界の強さに界磁の有効面積をかけた総磁束をΦ、電機子の界磁用巻線数をＺ、抵抗をＲとすると、回転数の最大値（ｎｍａｘ）はＶ／ΦＺ、トルクの最大値（Ｔｍａｘ）はΦＺＶ／Ｒとなる。電圧Ｖが二倍になると最大トルク、最高回転数はともに二倍に増加する。界磁用巻線数Ｚを変えることにより最大トルクや最高回転数を変化させることもできる。また、総磁束Φが大きいほどトルクは大きくなるが、電機子側での磁気飽和に留意して上限値を定める必要がある。
【０００４】
しかし、従来のブラシレスＤＣ電動機では、低速回転域で高いトルクが得られるが、回転数の可変範囲が狭いために高速回転することが困難であった。そこで「弱め磁界」という手法により高速回転時には総磁束Φを下げることによって回転数の最大値（ｎｍａｘ）を上げることが考えられる。低回転数のときは大きな総磁束Φで図９の実線で示すようなトルクを得て、回転数が高くなったときには総磁束Φを小さくして図９の破線で示すような特性を得ることによって、より高い回転数まで回転させることが考えられる。
【０００５】
また、回転速度とともに総磁束を変えることが提案されており、特開平７−２３６２５９「永久磁石式発電機」には、回転子に用いている界磁用永久磁石の複数極からの鎖交磁束によって固定子に起電力を生ずる永久磁石式発電機であって、前記界磁用永久磁石と近接してその側面で同軸上に回転自在に配置されかつ前記界磁用永久磁石と同一極数とした磁束バイパス用の永久磁石と、回転子の回転数に応じて変位するガバナ機構とを備え、このガバナ機構の変位に対応して前記磁束バイパス用の永久磁石を磁極性の半サイクル分回転させる方式のものの開示がある。この永久磁石式発電機は、回転子の停止時には前記バイパス用の永久磁石の磁極性を界磁用永久磁石の磁極性と同極性に配置し、高速域では前記ガバナ機構によって前記バイパス用の永久磁石を界磁用永久磁石と逆極性の位置に配置する方式である。すなわち、低速回転時には界磁用永久磁石の磁極からの鎖交磁束を大として、高速回転時には界磁用永久磁石からの鎖交磁束を弱くして、発電電力を一定にしようとするものである。
【０００６】
また、特開平１０−１５５２６２ではさらに効率のよい鎖交磁束の弱め方として、回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第１の界磁用磁石とこの第１の界磁用磁石に対して相対回転可能で回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第２の界磁用磁石からなり、前記第１と第２の界磁用磁石は前記固定子磁極に対向しているとともに、前記第１と第２の界磁用磁石の合成した磁極の位相を第１の界磁用磁石の磁極に対して回転子の回転速度に伴い変化させる機構を有する磁石式ブラシレス電動機が開示されている。
この磁石式ブラシレス電動機においては、界磁用巻線のインダクタンス等による通電指令信号に対する電流立ち上がりの遅れを見越して通電期間の中央を界磁用磁極のＮＳ切り替わり点より回転順方向に進ませる角度（進角）が重要であること、さらには前記第１と第２の界磁用磁石の合成した磁極の位相が第１の界磁用磁石の磁極に対してずれて合成されることで磁束量は減少し、かつ機械的に進角が変化することを記載している。以上のことより、従来に比べて高いトルクでかつ約３倍の高回転速度まで変換効率よく使用できるとしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記特開平１０ー１５５２６２では、回転速度に応じて機械的に進角を変化させることにより変換効率を向上できるが、回転速度の変化によって電流供給タイミングの基準となる磁石回転子の磁極位置と位置検出センサとの位置関係にずれが生じるためにその回転速度に応じた真に適切な進角を得るように調整することが困難であり、例えば極めて低速の回転時において出力低下、回転の不安定さが目立つ場合があった。
【０００８】
上記従来の問題を踏まえて、本発明の課題は、低速回転域でも従来よりも高いトルクが得られるとともに、高速回転域においても変換効率よく使用できる磁石式ブラシレス電動機の進角補正方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは鋭意検討の結果、機械的な進角の変化機構のみの前記従来の磁石式ブラシレス電動機で発生する磁石回転子の磁極位置検出信号のずれを、後述の制御回路等を付加することによって電流供給の進角を随時補正し、起動トルクを含む低速回転域から３０００r.p.m.を越える高速回転域までの非常に広い回転数域において最適な進角で制御できることを知見した。
すなわち、本発明の磁石式ブラシレス電動機の進角補正方法は、磁石回転子の磁極位置を検出し、この位置検出信号に応じて固定子巻線への電流供給量を制御する制御回路を有するとともに、前記磁石回転子は、回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第１の磁石回転子とこの第１の磁石回転子に対して相対回転可能で回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第２の磁石回転子とを有して構成され、前記第１と第２の磁石回転子は前記固定子磁極に対向しているとともに、回転速度の変化に応じて前記第１と第２の磁石回転子のうちのいずれか一方を他方の磁石回転子の磁極に対して回転方向にずらして前記の磁石回転子の磁極と固定子の磁極との対向面積を増減し鎖交磁束量を変化させることにより低速回転域で大きなトルクを得、かつ高速回転を可能にした磁石式ブラシレス電動機の進角補正方法であって、前記進角は機械的な進角と電気的な進角とからなり、機械的な進角は、前記第１と第２の磁石回転子において隣接する同極性磁極の中心位置同士を平均して得られた合成位置と前記第１と第２の磁石回転子のうちの回転軸まわりに固定された磁石回転子における前記同極性磁極の中心位置とのずれ量を電気角で表したものであり、電気的な進角は、前記回転子の一磁極と前記固定子の一磁極とが最も重なる以前にその固定子の一磁極の界磁用巻線に電流を流して磁束を発生させることで得られる進角であり、回転速度を検出し、これに対応する前記回転子の機械的な進角が形成されない場合には前記制御回路による電気的な進角制御が行われず、前記回転子の機械的な進角が形成された場合には前記制御回路による電気的な進角制御が行われることにより前記の電気的な進角が補正されることを特徴とする。
本発明において、前記制御回路は磁石回転子の回転速度を磁極位置検出装置（後述のホールＩＣ等）からの信号で検出し、その回転速度に応じて機械的な進角の変化によって発生する回転子位置検出信号のずれをマイコン（マイクロコンピュータ）で補正し、得られた補正データを用いて固定子の界磁用巻線に流す電流の大きさと位相とを適宜制御することが望ましい。また、制御回路側の進角制御量については任意に設定でき、例えば回転速度に比例して進角が大となる設定にすればより高い高速回転域まで回転可能なモータとなり望ましい。
また、本発明では、回転速度を検出するためのセンサ磁石を磁石回転子の界磁用磁石とは別に設けておくことが磁石式ブラシレス電動機の小型化、コスト削減のために有利である。
【００１０】
本発明に係る磁石式ブラシレス電動機は、機械的な進角変化機構を持つように構成される。例えば、図２に示すように２つの磁石回転子２ａ，２ｂの隣接磁極が相対的に回転してずれる結果鎖交磁束量が変化する。この場合に図２（Ｂ）の隣接する２つのＮ極に着目すると、ずれた状態の隣接するＮ極の合成した磁極の中心（第１と第２の界磁用磁石の磁極中心）が、ずれていない第１の界磁用磁石の磁極中心から（ａ／２）度だけ電気角でずれた角度が制御回路による電流供給の進角とは別に与えられる機械的な進角である。
また、制御回路による電流供給の進角（電気的な進角）とは、任意の固定子および回転子の一磁極に注目した場合、注目した回転子の一磁極と固定子の一磁極とが最も重なる以前にその固定子の一磁極の界磁用巻線に電流を流して磁束を発生させることで得られる進角である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳しく説明する。
【００１２】
図１は本発明の一態様を示す磁石式ブラシレスＤＣ電動機の主要部を分解したものの斜視図である。図１（Ａ）において、固定子１には複数（この図では１２極）の固定子磁極１１に回転磁界を発生するための界磁用巻線１２が巻かれている。磁石回転子２は、回転軸２１と、回転軸２１まわりに配置された回転子コア７と、回転子コア７上に設けられた界磁用磁石３１，３２と、この界磁用磁石３１，３２の磁極位置を示すために回転軸２１に固定されているとともにその外周面の回転方向に界磁用磁石３１，３２と同一の磁極中心角を形成したセンサ磁石２２（例えば、フェライト系のプラスチック磁石等）を有する。さらに、その周囲にはホールＩＣ９０（図示せず、後述の図４を参照）が３方に分かれて備えられ、磁石回転子２の磁極位置、回転速度を検出する。
この磁石回転子２は回転軸２１まわりに固定された第１の磁石回転子２ａとこの第１の磁石回転子２ａに対して回転軸２１まわりに相対回転できるようにされた第２の磁石回転子２ｂとからなる。第１、第２の磁石回転子２ａ，２ｂにはともに外周面の回転方向に等間隔で交互に異なった合計８極の磁極４を形成した前記の第１、第２の界磁用磁石（例えば同一寸法のリング状（Ｎｄ，Ｄｙ）−Ｆｅ−Ｂ系磁石；（Ｎｄ，Ｄｙ）２Ｆｅ１４Ｂ型金属間化合物を主相とする日立金属（株）製の異方性焼結磁石：ＨＳ４０ＡＨ等）を配置してある。磁石回転子２の任意磁極の固定子１に対する位置はセンサ磁石２２で示され、その磁極位置に応じて界磁用巻線１２に通電する電流を切り換える後述の制御回路（図示せず）が付設されていて、固定子磁極１１に所定の回転磁界を発生させるようになっている。
第１、第２の磁石回転子２ａ，２ｂはともに狭いエアギャップを隔てて固定子磁極１１に対向配置されて本発明に係る磁石式ブラシレス電動機５０を構成している。
図１（Ｂ）に、第２の磁石回転子２ｂを第１の磁石回転子２ａに対して相対的に回転子２の回転（順）方向に回転させることによって両者の磁極位置をずらした状態を示す。
【００１３】
図２（Ａ）および（Ｂ）にセンサ磁石２２の磁極と第１、第２の磁石回転子２ａ、２ｂの各磁極との位置関係を示した。図１（Ａ）および図２（Ａ）では第１の磁石回転子２ａと第２の磁石回転子２ｂとは同極性磁極が隣り合っているので、各隣接磁極の合成した磁極の位相（例えば、その合成磁極の中心）はセンサ磁石２２および第１の磁石回転子２ａの磁極と同じ位相（例えば、その磁極の中心）にある。図２（Ｂ）は図１（Ｂ）に対応する。
【００１４】
ここで、第１、第２の磁石回転子２ａ，２ｂの磁極の個々が全く同じ磁束量を発生しているとともに第２の磁石回転子２ｂの任意磁極が第１の磁石回転子２ａの任意磁極に対して（ａ度）回転順方向にずらされた場合、第１と第２の磁石回転子２ａ，２ｂの隣接磁極の合成した磁極の位相はその第１、第２の磁石回転子２ａ，２ｂの隣接する磁極の位相の平均値となり、合成した磁極の位相（例えば、その合成磁極の中心）はその隣接する第１の磁石回転子２ａの磁極の位相（例えば、その磁極の中心）に対して回転順方向にａ／２度分（機械的な機構によって変化する進角分）進むことになる。
そして、第１と第２の磁石回転子２ａ，２ｂの隣接磁極を合成した磁極の、その第１の磁石回転子２ａの隣接磁極に対する位相を、回転子２の回転速度に伴い機械的に変化させる機構によって、回転子２の回転速度が低いときには図１（Ａ）や図２（Ａ）のようにし、回転速度が高いときには両者の磁極がずれて図１（Ｂ）や図２（Ｂ）のようにすることが望ましい。すなわち、図１（Ｂ）や図２（Ｂ）の状態では局部的な短絡が多く生じるので、図１（Ａ）や図２（Ａ）の状態に比べて固定子１側の界磁用巻線１２に到達する鎖交磁束量が減少する。よって、回転速度が高いときには磁石回転子２ａ，２ｂ間の相対的な磁極ずれ量に応じて鎖交磁束量を減少させるとともに、回転速度が低い場合には第１、第２の磁石回転子２ａ，２ｂの同磁極が回転軸２１まわりで並ぶことにより鎖交磁束量が最大となる。
本発明に係る磁石式ブラシレス電動機５０はこのような機械的な進角変化機構を備えているので、広範囲の回転速度変化を実現できるとともに鎖交磁束量を機械的に変化させる機能を有している。
【００１５】
図１では第１の磁石回転子２ａとセンサ磁石２２の磁極位相が固定され、第２の磁石回転子２ｂが第１の磁石回転子２ａに対して相対回転可能である構成を採用したが、本発明においては磁石回転子２ａ，２ｂおよびセンサ磁石２２の３部材に関して固定するか回転可能とするかの組合わせは本発明の効果を消失しない範囲内で任意である。
例えば第２の磁石回転子２ｂとセンサ磁石２２の磁極位相が固定されているとともに高速回転時に第１の磁石回転子２ａの磁極が第２の磁石回転子２ｂの磁極に対して回転順方向に相対的にずれる構成としてもよい。
あるいは、第１の磁石回転子２ａとセンサ磁石２２の磁極位相が固定されているとともに、高速回転時に第２の磁石回転子２ｂの磁極が第１の磁石回転子２ａの磁極に対して回転逆方向に相対的にずれる構成としてもよい。
あるいは、第２の磁石回転子２ｂとセンサ磁石２２の磁極位相が固定されているとともに、高速回転時に第１の磁石回転子２ａの磁極が第２の磁石回転子２ｂの磁極に対して回転逆方向に相対的にずれる構成としてもよい。
【００１６】
本発明で用いる機械的な進角の変化機構として、図３に示す構成が実用性に富んでいる。図３は図１、２に対応する。
図３において、第１の磁石回転子２ａは回転軸２１に固定してあり、第２の磁石回転子２ｂはその中央の軸穴３２１に回転軸２１が挿通されて回転軸２１まわりに所定量回るようになっている。第１の磁石回転子２ａと第２の磁石回転子２ｂとの間に作用する吸引力および／または反発力によって上記磁極ずれ動作が妨げられないように、両者間に数ｍｍの間隔５を開けておくことが望ましい。
ガバナ固定板３３は回転軸２１に固定されているとともに、このガバナ固定板３３の端面には中心角９０度間隔で上下左右対称位置に設けた４つの穴３３１に各々回転支軸３４１が嵌着されている。ガバナ３４は略円弧状の部品で両端部に貫通穴３４８，３４９を設けてある。貫通穴３４８には回転支軸３４１が嵌着され、貫通穴３４９には可動側の軸３４２が嵌着されてガバナ３４を保持している。さらに、上記穴３３１の各近傍に点対称に４つの円弧状の長穴３３２が設けてある。また、回転子コア８の片端面には中心角９０度間隔で上下左右対称な半径方向に４つの長溝３２２が設けてあり、これらの各長穴および各長溝に上記可動側の軸３４２が挿入されるとともに、上記４本の可動側の軸３４２同士がばね３４３で接続されてその弾性力で引き合うようになっている。このばね３４３の張力により磁石回転子２の回転速度が低いときには図３（Ａ）に示すようにガバナ３４の可動側軸３４２は長穴３３２内において回転軸２１に最も近い位置にある。このときは第２の磁石回転子２ｂと第１の磁石回転子２ａの同磁極が並ぶように構成してある。
そして、磁石回転子２の回転速度が大きくなってくると遠心力によりガバナ３４は図３（Ｂ）に示す状態に開きガバナ３４の可動側の軸３４２がガバナ固定板３３の長穴３３２に沿って外周側に動くと同時に、長溝３２２が長穴３３２に対して磁石回転子２の外周側に向かって回転方向にずれて設けてある分だけ可動側の軸３４２の長溝３２２挿入部分がその長溝３２２を介して回転子コア８を矢印方向に回転させるので第２の磁石回転子２ｂが第１の磁石回転子２ａに対して矢印方向に回転することができる。磁石回転子２の回転速度が低くなってくると遠心力が小さくなるのでばね３４３の張力でガバナ３４が図３（Ａ）の状態に閉じて第１、第２の磁石回転子２ａ，２ｂの同磁極が並ぶ位置に戻る。
上記の機械的に進角を変化させる機構は、外部からの制御および動力を要せず、磁石回転子２の構成部品に作用する遠心力のみで動作可能なことから、簡単な機構でかつ安価に磁石式ブラシレス電動機５０の鎖交磁束量を大きく変化することができる。
また、回転子コア８に長溝３２２を設けてあるので長溝３２２からガバナ３４に至る軸方向寸法（Ｌ）の長寸化を抑えることができるとともに、作用する遠心力を考慮して所定の回転速度で上記の磁極ずれ動作が起こるようにばね３４３のばね定数を適宜設定することで幅広い回転速度領域で高いトルクおよびモータ変換効率を獲得することが可能である。
【００１７】
図４は、本発明において適用する電気的に進角を補正するための制御回路のハードブロック図の一例である。
上記本発明に係る磁石式ブラシレス電動機５０に設けたセンサ磁石２２に対向配置された３個のホールＩＣ９０からの信号により固定子１に対する磁石回転子２の回転速度、磁極位置を検出し、それに応じて制御回路による電流供給の進角補正を行う。
【００１８】
次に、図５のフローチャートおよび図６のタイムタイムチャートを参照して進角制御の動作を説明する。
ステップＳ１からＳ１０までは１つの基準パルス発生毎に繰り返しループ動作を連続的におこなう。
まず、ステップＳ１ではセンサ磁石２２の外周にそれぞれ１２０°ずつ位相をずらせて配置された３個のホールＩＣ９０から出力されるそれぞれの磁極位置検出信号を「１または０」のコード信号としてコンピュータ７０へ入力する。
本実施の形態の例では、センサ磁石２２の極対数が８極となっているため回転子１回転あたり４周期（機械角で９０°毎）の位置検出信号が入力される。
ステップＳ２では、３個のホールＩＣ９０からそれぞれ入力される３つのコード信号の組み合わせ状態がそれまでの組み合わせ状態から変化したか否かを判別する。このコード信号の組み合わせ状態の変化は図６に示されるように、１周期あたり６回生じる。
そしてこのコード信号の組み合わせ状態の変化は１周期に６回しか生じないため通常はステップＳ３に進まずに、後述のようにステップＳ６〜Ｓ１０へ進む過程でカウンタ値を１つ増やしてステップＳ１に戻るループを繰り返す。
一方、コード信号の組み合わせ状態が変化したタイミング、すなわち信号の切り替わりのタイミングでステップＳ３に進み、前回の切り替わりから今回の切り替わりまでの間の基準パルス信号数をカウンタ内のカウンタ値の最終値から読みとることによって現在の回転速度を検出する。すなわち、１周期で６回の回転速度の検出がおこなわれる。この場合、このカウンタ最終値が大きいほど回転速度は遅く、カウンタ最終値が小さいほど回転速度は速いことになる。
ステップＳ４では、ステップＳ３で検出した回転速度に応じて、あらかじめコンピュータ７０のＲＯＭに設定された回転速度に対する進角タイミングをカウンタ値でセットしたマップデータ（進角値データ）から対応するカウンタ値データを読み込んで設定する。
この進角値データは、実際の回転数に対して前記カウンタ値がいくつになったときに進角指令を出すかをあらかじめマップデータとしてＲＯＭに記憶させておくもので、回転子の回転速度の変化に伴って回転方向に相対位置のずれる第１、第２の界磁用磁石２ａ、２ｂで合成される磁極位置と、センサ磁石２２で検出される磁極位置との位相のずれを補正してそのときの回転子磁極に対して最適となる界磁巻線１２への電流供給制御がおこなえるような値が設定される。
そして次にステップＳ５に進んで前記カウンタ内のカウント値をクリアしてステップＳ６へ進む。
ステップＳ６、Ｓ７、Ｓ８は界磁用巻線１２へ電流供給するＦＥＴブリッジ１００駆動のゲート信号をプリドライバ８０へ出力する進角タイミングを判別し、指令信号を出力する。
ステップＳ６では、現在設定されている進角値データに対して、カウンタ内のカウンタ値がその値を超えたかどうかを判別する。
カウンタ値が進角データの設定値に達していない場合にはステップＳ７に進んで進角なしコードをプリドライバ８０へ出力してステップ９に進む。
カウンタ値が進角データの設定値に達している場合にはステップＳ８に進んで進角ありコードをプリドライバ８０に出力してステップＳ９に進む。
ステップＳ９ではカウンタに１を加えてカウントアップした後ステップＳ１０に進み現在のホールＩＣ９０の信号判別コードを保存してステップＳ１へ戻り、以後このループ動作を繰り返す。
そして、進角なし信号が出力されたときにはプリドライバ８０を介して進角なしモードでの駆動信号をＦＥＴブリッジ１００に出力する。
また、進角あり信号が出力されたときにはプリドライバ８０を介して進角ありモードでの駆動信号をＦＥＴブリッジ１００に出力することにより界磁巻線１２へ進角モードでの電流供給をおこなう。
そして、上述の説明のように、この進角モードへの切り替えは１／６周期毎にカウントアップ→クリアを繰り返すカウンタ値が、あらかじめ回転速度に対応させて設定されているカウンタ値（進角データ値）を越えたときにおこなわれるため、回転速度の増減に応じて第２の磁極２ｂをずらしたことによって生じる実際の磁極中心とセンサ磁石２２による位置検出ずれを適切に補正した界磁巻線１２への電流供給制御をおこなうことができる。
その結果、本発明に係る磁石式ブラシレス電動機は、起動トルクから３０００r.p.m.を越えた高速回転域にわたって随時の回転数に応じた最適の進角が選択されて、大きなトルクを獲得することができる。
【００１９】
（実施例イ）
本発明の磁石式ブラシレス電動機５０において、第１および第２の界磁用磁石３１，３２に日立金属（株）製の（Ｎｄ，Ｄｙ）−Ｆｅ−Ｂ系のラジアル異方性焼結リング磁石（（Ｎｄ，Ｄｙ）２Ｆｅ１４Ｂ型金属間化合物を主相とするＨＳー３０ＢＲ、外径７４ｍｍ、軸長２３ｍｍ）を用いるとともにエアギャップの厚みを０．５ｍｍとした条件で、（機械的な進角変化）＋（電気的な進角制御の補正）により常に進角が５．５度になるように進角補正を行った本実施例の磁石式ブラシレス電動機の回転数−トルク特性を図７のイに示す。この結果から、本実施例の磁石式ブラシレス電動機は起動時から３０００r.p.m.を越えた高速回転域にわたって大きなトルクを有していることがわかる。
（比較例ロ）
電気的な進角の補正を行わずに、機械的に進角を５度から２０度まで連続的に変化させた以外は実施例イと同様に構成された比較例の磁石式ブラシレス電動機の回転数−トルク特性を図７のロに示す。
（比較例ハ）
第１、第２の磁石回転子の同じ磁極が並ぶようにして回転軸に固定するとともに進角を５．５度で固定した以外は実施例イと同様に構成された比較例の磁石式ブラシレス電動機の回転数−トルク特性を図７のハに示す。
図７のハでは約４００r.p.m.において最高トルクを示しているが１０００r.p.m．付近でトルクが０（Ｎ・ｍ）となり、これ以上の高速回転域で使用することが困難だった。
すなわち、機械的な進角変化のみの比較例ロ（図７のロ）では進角変化のない比較例ハ（図７のハ）のほぼ３倍の高速回転が可能となったが、実施例イ（図７のイ）に比べて７００r.p.m.以下の低速回転域（起動時等）においてトルクが約１５〜２０％小さくなることがわかる。
【００２０】
本発明において、第１、第２の磁石回転子の磁極数は限定されるものではないが、機械的な進角変化機構により平均鎖交磁束量を５％以上変化できることが高速回転域を広げるために好適であり、好ましくは２極〜１２８極、より好ましくは４〜３２極とすると実用性が高い。また、第１、第２の磁石回転子が異なる磁極パターンを有していてもよい。
また、上記実施例では同軸に配置した２つの磁石回転子を用いて磁石回転子の回転速度の変化に伴ってそのうちの１つを相対回転させることで磁石式ブラシレス電動機の鎖交磁束量を減少させたが、３つ以上の磁石回転子を同軸に配置するとともに１つまたは２つ以上の磁石回転子を回転軸に固定し、かつ残りの磁石回転子を回転軸まわりに所定量相対回転させることでも本発明を構成することができる。
また、本発明では磁石回転子の構成は上記実施例の表面磁石型に限定されるものではなく、回転子コア内部に永久磁石を埋設するとともに回転子コアの外周面に交互に異なる磁極を等間隔で形成した内部磁石型、前記表面磁石型回転子の外周面に薄いカバー（例えば非磁性カバー等）を配置した構成の磁石回転子等を採用可能である。
【００２１】
本発明において、進角を機械的に変化させる機構は、前記の構成に限定されず、他の公知の手段を用いてもよい。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る磁石式ブラシレス電動機は３０００r.p.m.を越える高速回転域まで高いトルクで交換効率良く使用できるとともに、低速回転域においても従来に比べて高いトルクを獲得することができる極めて有用なものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る磁石式ブラシレス電動機の一態様を示す主要部の分解斜視図であり、磁極ずれが無い状態（Ａ）、磁極ずれ状態（Ｂ）を示している。
【図２】 本発明に係る磁石式ブラシレス電動機において機械的な進角の変化を説明する図であり、磁極ずれが無い状態（Ａ）、磁極ずれ状態（Ｂ）を示している。
【図３】 本発明に係る磁石式ブラシレス電動機において、第１と第２の磁石回転子の合成した磁極の位相を第１の磁石回転子の磁極の位相に対して回転速度に伴い変化させる機構を示す分解斜視図であり、（Ａ）は低回転速度のとき、（Ｂ）は高回転速度のときである。
【図４】 本発明における電気的に進角を補正するためのハードブロック図の一例である。
【図５】 本発明における電気的に進角を補正するためのマイコンによるフローチャートの一例である。
【図６】 本発明における電気的に進角を補正するためのセンサ入力と出力の関係の一例を示す図である。
【図７】 磁石式ブラシレス電動機の回転数−トルク特性の一例を示す図である。
【図８】 トランスミッション付の内燃機関の出力特性図である。
【図９】 従来の磁石式ブラシレス電動機の特性図である。
【符号の説明】
１ 固定子、２ 磁石回転子、４ 磁極、５ 間隔、７，８ 回転子コア、１１ 固定子磁極、１２ 界磁用巻線、２１ 回転軸、２２ センサ磁石、３１ 第１の界磁用磁石、３２ 第２の界磁用磁石、３３ 固定部材、３４ ガバナ、５０ 磁石式ブラシレス電動機、３２１ 軸穴、３２２ 長溝、３３１ 穴、３３２ 長穴、３４１ 回転支軸（固定軸）、３４２ 可動側軸、３４３ 弾性部材、３４８，３４９ 貫通穴。
【発明の属する技術分野】
本発明は永久磁石を界磁に用いた電動機（例えば、電気自動車やハイブリッド型自動車、その他の電動車両の駆動源等）として有用な磁石式ブラシレス電動機の進角補正方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等の内燃機関では高トルクを発生する回転数領域が非常に狭い。そこで、図８に示すように、何種類ものギア比の異なる歯車で構成されたトランスミッションを用いて、低速から高速まで任意の速度で走れるようにしている。
【０００３】
ところが、永久磁石を用いた従来のブラシレスＤＣ電動機の回転数とトルクの関係は図９に示すように、トルクは回転数に逆比例して回転数が大きくなるに従い直線的に低下する。電動機にかける電圧をＶ、電動機の界磁が作る磁界の強さに界磁の有効面積をかけた総磁束をΦ、電機子の界磁用巻線数をＺ、抵抗をＲとすると、回転数の最大値（ｎｍａｘ）はＶ／ΦＺ、トルクの最大値（Ｔｍａｘ）はΦＺＶ／Ｒとなる。電圧Ｖが二倍になると最大トルク、最高回転数はともに二倍に増加する。界磁用巻線数Ｚを変えることにより最大トルクや最高回転数を変化させることもできる。また、総磁束Φが大きいほどトルクは大きくなるが、電機子側での磁気飽和に留意して上限値を定める必要がある。
【０００４】
しかし、従来のブラシレスＤＣ電動機では、低速回転域で高いトルクが得られるが、回転数の可変範囲が狭いために高速回転することが困難であった。そこで「弱め磁界」という手法により高速回転時には総磁束Φを下げることによって回転数の最大値（ｎｍａｘ）を上げることが考えられる。低回転数のときは大きな総磁束Φで図９の実線で示すようなトルクを得て、回転数が高くなったときには総磁束Φを小さくして図９の破線で示すような特性を得ることによって、より高い回転数まで回転させることが考えられる。
【０００５】
また、回転速度とともに総磁束を変えることが提案されており、特開平７−２３６２５９「永久磁石式発電機」には、回転子に用いている界磁用永久磁石の複数極からの鎖交磁束によって固定子に起電力を生ずる永久磁石式発電機であって、前記界磁用永久磁石と近接してその側面で同軸上に回転自在に配置されかつ前記界磁用永久磁石と同一極数とした磁束バイパス用の永久磁石と、回転子の回転数に応じて変位するガバナ機構とを備え、このガバナ機構の変位に対応して前記磁束バイパス用の永久磁石を磁極性の半サイクル分回転させる方式のものの開示がある。この永久磁石式発電機は、回転子の停止時には前記バイパス用の永久磁石の磁極性を界磁用永久磁石の磁極性と同極性に配置し、高速域では前記ガバナ機構によって前記バイパス用の永久磁石を界磁用永久磁石と逆極性の位置に配置する方式である。すなわち、低速回転時には界磁用永久磁石の磁極からの鎖交磁束を大として、高速回転時には界磁用永久磁石からの鎖交磁束を弱くして、発電電力を一定にしようとするものである。
【０００６】
また、特開平１０−１５５２６２ではさらに効率のよい鎖交磁束の弱め方として、回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第１の界磁用磁石とこの第１の界磁用磁石に対して相対回転可能で回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第２の界磁用磁石からなり、前記第１と第２の界磁用磁石は前記固定子磁極に対向しているとともに、前記第１と第２の界磁用磁石の合成した磁極の位相を第１の界磁用磁石の磁極に対して回転子の回転速度に伴い変化させる機構を有する磁石式ブラシレス電動機が開示されている。
この磁石式ブラシレス電動機においては、界磁用巻線のインダクタンス等による通電指令信号に対する電流立ち上がりの遅れを見越して通電期間の中央を界磁用磁極のＮＳ切り替わり点より回転順方向に進ませる角度（進角）が重要であること、さらには前記第１と第２の界磁用磁石の合成した磁極の位相が第１の界磁用磁石の磁極に対してずれて合成されることで磁束量は減少し、かつ機械的に進角が変化することを記載している。以上のことより、従来に比べて高いトルクでかつ約３倍の高回転速度まで変換効率よく使用できるとしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記特開平１０ー１５５２６２では、回転速度に応じて機械的に進角を変化させることにより変換効率を向上できるが、回転速度の変化によって電流供給タイミングの基準となる磁石回転子の磁極位置と位置検出センサとの位置関係にずれが生じるためにその回転速度に応じた真に適切な進角を得るように調整することが困難であり、例えば極めて低速の回転時において出力低下、回転の不安定さが目立つ場合があった。
【０００８】
上記従来の問題を踏まえて、本発明の課題は、低速回転域でも従来よりも高いトルクが得られるとともに、高速回転域においても変換効率よく使用できる磁石式ブラシレス電動機の進角補正方法を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは鋭意検討の結果、機械的な進角の変化機構のみの前記従来の磁石式ブラシレス電動機で発生する磁石回転子の磁極位置検出信号のずれを、後述の制御回路等を付加することによって電流供給の進角を随時補正し、起動トルクを含む低速回転域から３０００r.p.m.を越える高速回転域までの非常に広い回転数域において最適な進角で制御できることを知見した。
すなわち、本発明の磁石式ブラシレス電動機の進角補正方法は、磁石回転子の磁極位置を検出し、この位置検出信号に応じて固定子巻線への電流供給量を制御する制御回路を有するとともに、前記磁石回転子は、回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第１の磁石回転子とこの第１の磁石回転子に対して相対回転可能で回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第２の磁石回転子とを有して構成され、前記第１と第２の磁石回転子は前記固定子磁極に対向しているとともに、回転速度の変化に応じて前記第１と第２の磁石回転子のうちのいずれか一方を他方の磁石回転子の磁極に対して回転方向にずらして前記の磁石回転子の磁極と固定子の磁極との対向面積を増減し鎖交磁束量を変化させることにより低速回転域で大きなトルクを得、かつ高速回転を可能にした磁石式ブラシレス電動機の進角補正方法であって、前記進角は機械的な進角と電気的な進角とからなり、機械的な進角は、前記第１と第２の磁石回転子において隣接する同極性磁極の中心位置同士を平均して得られた合成位置と前記第１と第２の磁石回転子のうちの回転軸まわりに固定された磁石回転子における前記同極性磁極の中心位置とのずれ量を電気角で表したものであり、電気的な進角は、前記回転子の一磁極と前記固定子の一磁極とが最も重なる以前にその固定子の一磁極の界磁用巻線に電流を流して磁束を発生させることで得られる進角であり、回転速度を検出し、これに対応する前記回転子の機械的な進角が形成されない場合には前記制御回路による電気的な進角制御が行われず、前記回転子の機械的な進角が形成された場合には前記制御回路による電気的な進角制御が行われることにより前記の電気的な進角が補正されることを特徴とする。
本発明において、前記制御回路は磁石回転子の回転速度を磁極位置検出装置（後述のホールＩＣ等）からの信号で検出し、その回転速度に応じて機械的な進角の変化によって発生する回転子位置検出信号のずれをマイコン（マイクロコンピュータ）で補正し、得られた補正データを用いて固定子の界磁用巻線に流す電流の大きさと位相とを適宜制御することが望ましい。また、制御回路側の進角制御量については任意に設定でき、例えば回転速度に比例して進角が大となる設定にすればより高い高速回転域まで回転可能なモータとなり望ましい。
また、本発明では、回転速度を検出するためのセンサ磁石を磁石回転子の界磁用磁石とは別に設けておくことが磁石式ブラシレス電動機の小型化、コスト削減のために有利である。
【００１０】
本発明に係る磁石式ブラシレス電動機は、機械的な進角変化機構を持つように構成される。例えば、図２に示すように２つの磁石回転子２ａ，２ｂの隣接磁極が相対的に回転してずれる結果鎖交磁束量が変化する。この場合に図２（Ｂ）の隣接する２つのＮ極に着目すると、ずれた状態の隣接するＮ極の合成した磁極の中心（第１と第２の界磁用磁石の磁極中心）が、ずれていない第１の界磁用磁石の磁極中心から（ａ／２）度だけ電気角でずれた角度が制御回路による電流供給の進角とは別に与えられる機械的な進角である。
また、制御回路による電流供給の進角（電気的な進角）とは、任意の固定子および回転子の一磁極に注目した場合、注目した回転子の一磁極と固定子の一磁極とが最も重なる以前にその固定子の一磁極の界磁用巻線に電流を流して磁束を発生させることで得られる進角である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳しく説明する。
【００１２】
図１は本発明の一態様を示す磁石式ブラシレスＤＣ電動機の主要部を分解したものの斜視図である。図１（Ａ）において、固定子１には複数（この図では１２極）の固定子磁極１１に回転磁界を発生するための界磁用巻線１２が巻かれている。磁石回転子２は、回転軸２１と、回転軸２１まわりに配置された回転子コア７と、回転子コア７上に設けられた界磁用磁石３１，３２と、この界磁用磁石３１，３２の磁極位置を示すために回転軸２１に固定されているとともにその外周面の回転方向に界磁用磁石３１，３２と同一の磁極中心角を形成したセンサ磁石２２（例えば、フェライト系のプラスチック磁石等）を有する。さらに、その周囲にはホールＩＣ９０（図示せず、後述の図４を参照）が３方に分かれて備えられ、磁石回転子２の磁極位置、回転速度を検出する。
この磁石回転子２は回転軸２１まわりに固定された第１の磁石回転子２ａとこの第１の磁石回転子２ａに対して回転軸２１まわりに相対回転できるようにされた第２の磁石回転子２ｂとからなる。第１、第２の磁石回転子２ａ，２ｂにはともに外周面の回転方向に等間隔で交互に異なった合計８極の磁極４を形成した前記の第１、第２の界磁用磁石（例えば同一寸法のリング状（Ｎｄ，Ｄｙ）−Ｆｅ−Ｂ系磁石；（Ｎｄ，Ｄｙ）２Ｆｅ１４Ｂ型金属間化合物を主相とする日立金属（株）製の異方性焼結磁石：ＨＳ４０ＡＨ等）を配置してある。磁石回転子２の任意磁極の固定子１に対する位置はセンサ磁石２２で示され、その磁極位置に応じて界磁用巻線１２に通電する電流を切り換える後述の制御回路（図示せず）が付設されていて、固定子磁極１１に所定の回転磁界を発生させるようになっている。
第１、第２の磁石回転子２ａ，２ｂはともに狭いエアギャップを隔てて固定子磁極１１に対向配置されて本発明に係る磁石式ブラシレス電動機５０を構成している。
図１（Ｂ）に、第２の磁石回転子２ｂを第１の磁石回転子２ａに対して相対的に回転子２の回転（順）方向に回転させることによって両者の磁極位置をずらした状態を示す。
【００１３】
図２（Ａ）および（Ｂ）にセンサ磁石２２の磁極と第１、第２の磁石回転子２ａ、２ｂの各磁極との位置関係を示した。図１（Ａ）および図２（Ａ）では第１の磁石回転子２ａと第２の磁石回転子２ｂとは同極性磁極が隣り合っているので、各隣接磁極の合成した磁極の位相（例えば、その合成磁極の中心）はセンサ磁石２２および第１の磁石回転子２ａの磁極と同じ位相（例えば、その磁極の中心）にある。図２（Ｂ）は図１（Ｂ）に対応する。
【００１４】
ここで、第１、第２の磁石回転子２ａ，２ｂの磁極の個々が全く同じ磁束量を発生しているとともに第２の磁石回転子２ｂの任意磁極が第１の磁石回転子２ａの任意磁極に対して（ａ度）回転順方向にずらされた場合、第１と第２の磁石回転子２ａ，２ｂの隣接磁極の合成した磁極の位相はその第１、第２の磁石回転子２ａ，２ｂの隣接する磁極の位相の平均値となり、合成した磁極の位相（例えば、その合成磁極の中心）はその隣接する第１の磁石回転子２ａの磁極の位相（例えば、その磁極の中心）に対して回転順方向にａ／２度分（機械的な機構によって変化する進角分）進むことになる。
そして、第１と第２の磁石回転子２ａ，２ｂの隣接磁極を合成した磁極の、その第１の磁石回転子２ａの隣接磁極に対する位相を、回転子２の回転速度に伴い機械的に変化させる機構によって、回転子２の回転速度が低いときには図１（Ａ）や図２（Ａ）のようにし、回転速度が高いときには両者の磁極がずれて図１（Ｂ）や図２（Ｂ）のようにすることが望ましい。すなわち、図１（Ｂ）や図２（Ｂ）の状態では局部的な短絡が多く生じるので、図１（Ａ）や図２（Ａ）の状態に比べて固定子１側の界磁用巻線１２に到達する鎖交磁束量が減少する。よって、回転速度が高いときには磁石回転子２ａ，２ｂ間の相対的な磁極ずれ量に応じて鎖交磁束量を減少させるとともに、回転速度が低い場合には第１、第２の磁石回転子２ａ，２ｂの同磁極が回転軸２１まわりで並ぶことにより鎖交磁束量が最大となる。
本発明に係る磁石式ブラシレス電動機５０はこのような機械的な進角変化機構を備えているので、広範囲の回転速度変化を実現できるとともに鎖交磁束量を機械的に変化させる機能を有している。
【００１５】
図１では第１の磁石回転子２ａとセンサ磁石２２の磁極位相が固定され、第２の磁石回転子２ｂが第１の磁石回転子２ａに対して相対回転可能である構成を採用したが、本発明においては磁石回転子２ａ，２ｂおよびセンサ磁石２２の３部材に関して固定するか回転可能とするかの組合わせは本発明の効果を消失しない範囲内で任意である。
例えば第２の磁石回転子２ｂとセンサ磁石２２の磁極位相が固定されているとともに高速回転時に第１の磁石回転子２ａの磁極が第２の磁石回転子２ｂの磁極に対して回転順方向に相対的にずれる構成としてもよい。
あるいは、第１の磁石回転子２ａとセンサ磁石２２の磁極位相が固定されているとともに、高速回転時に第２の磁石回転子２ｂの磁極が第１の磁石回転子２ａの磁極に対して回転逆方向に相対的にずれる構成としてもよい。
あるいは、第２の磁石回転子２ｂとセンサ磁石２２の磁極位相が固定されているとともに、高速回転時に第１の磁石回転子２ａの磁極が第２の磁石回転子２ｂの磁極に対して回転逆方向に相対的にずれる構成としてもよい。
【００１６】
本発明で用いる機械的な進角の変化機構として、図３に示す構成が実用性に富んでいる。図３は図１、２に対応する。
図３において、第１の磁石回転子２ａは回転軸２１に固定してあり、第２の磁石回転子２ｂはその中央の軸穴３２１に回転軸２１が挿通されて回転軸２１まわりに所定量回るようになっている。第１の磁石回転子２ａと第２の磁石回転子２ｂとの間に作用する吸引力および／または反発力によって上記磁極ずれ動作が妨げられないように、両者間に数ｍｍの間隔５を開けておくことが望ましい。
ガバナ固定板３３は回転軸２１に固定されているとともに、このガバナ固定板３３の端面には中心角９０度間隔で上下左右対称位置に設けた４つの穴３３１に各々回転支軸３４１が嵌着されている。ガバナ３４は略円弧状の部品で両端部に貫通穴３４８，３４９を設けてある。貫通穴３４８には回転支軸３４１が嵌着され、貫通穴３４９には可動側の軸３４２が嵌着されてガバナ３４を保持している。さらに、上記穴３３１の各近傍に点対称に４つの円弧状の長穴３３２が設けてある。また、回転子コア８の片端面には中心角９０度間隔で上下左右対称な半径方向に４つの長溝３２２が設けてあり、これらの各長穴および各長溝に上記可動側の軸３４２が挿入されるとともに、上記４本の可動側の軸３４２同士がばね３４３で接続されてその弾性力で引き合うようになっている。このばね３４３の張力により磁石回転子２の回転速度が低いときには図３（Ａ）に示すようにガバナ３４の可動側軸３４２は長穴３３２内において回転軸２１に最も近い位置にある。このときは第２の磁石回転子２ｂと第１の磁石回転子２ａの同磁極が並ぶように構成してある。
そして、磁石回転子２の回転速度が大きくなってくると遠心力によりガバナ３４は図３（Ｂ）に示す状態に開きガバナ３４の可動側の軸３４２がガバナ固定板３３の長穴３３２に沿って外周側に動くと同時に、長溝３２２が長穴３３２に対して磁石回転子２の外周側に向かって回転方向にずれて設けてある分だけ可動側の軸３４２の長溝３２２挿入部分がその長溝３２２を介して回転子コア８を矢印方向に回転させるので第２の磁石回転子２ｂが第１の磁石回転子２ａに対して矢印方向に回転することができる。磁石回転子２の回転速度が低くなってくると遠心力が小さくなるのでばね３４３の張力でガバナ３４が図３（Ａ）の状態に閉じて第１、第２の磁石回転子２ａ，２ｂの同磁極が並ぶ位置に戻る。
上記の機械的に進角を変化させる機構は、外部からの制御および動力を要せず、磁石回転子２の構成部品に作用する遠心力のみで動作可能なことから、簡単な機構でかつ安価に磁石式ブラシレス電動機５０の鎖交磁束量を大きく変化することができる。
また、回転子コア８に長溝３２２を設けてあるので長溝３２２からガバナ３４に至る軸方向寸法（Ｌ）の長寸化を抑えることができるとともに、作用する遠心力を考慮して所定の回転速度で上記の磁極ずれ動作が起こるようにばね３４３のばね定数を適宜設定することで幅広い回転速度領域で高いトルクおよびモータ変換効率を獲得することが可能である。
【００１７】
図４は、本発明において適用する電気的に進角を補正するための制御回路のハードブロック図の一例である。
上記本発明に係る磁石式ブラシレス電動機５０に設けたセンサ磁石２２に対向配置された３個のホールＩＣ９０からの信号により固定子１に対する磁石回転子２の回転速度、磁極位置を検出し、それに応じて制御回路による電流供給の進角補正を行う。
【００１８】
次に、図５のフローチャートおよび図６のタイムタイムチャートを参照して進角制御の動作を説明する。
ステップＳ１からＳ１０までは１つの基準パルス発生毎に繰り返しループ動作を連続的におこなう。
まず、ステップＳ１ではセンサ磁石２２の外周にそれぞれ１２０°ずつ位相をずらせて配置された３個のホールＩＣ９０から出力されるそれぞれの磁極位置検出信号を「１または０」のコード信号としてコンピュータ７０へ入力する。
本実施の形態の例では、センサ磁石２２の極対数が８極となっているため回転子１回転あたり４周期（機械角で９０°毎）の位置検出信号が入力される。
ステップＳ２では、３個のホールＩＣ９０からそれぞれ入力される３つのコード信号の組み合わせ状態がそれまでの組み合わせ状態から変化したか否かを判別する。このコード信号の組み合わせ状態の変化は図６に示されるように、１周期あたり６回生じる。
そしてこのコード信号の組み合わせ状態の変化は１周期に６回しか生じないため通常はステップＳ３に進まずに、後述のようにステップＳ６〜Ｓ１０へ進む過程でカウンタ値を１つ増やしてステップＳ１に戻るループを繰り返す。
一方、コード信号の組み合わせ状態が変化したタイミング、すなわち信号の切り替わりのタイミングでステップＳ３に進み、前回の切り替わりから今回の切り替わりまでの間の基準パルス信号数をカウンタ内のカウンタ値の最終値から読みとることによって現在の回転速度を検出する。すなわち、１周期で６回の回転速度の検出がおこなわれる。この場合、このカウンタ最終値が大きいほど回転速度は遅く、カウンタ最終値が小さいほど回転速度は速いことになる。
ステップＳ４では、ステップＳ３で検出した回転速度に応じて、あらかじめコンピュータ７０のＲＯＭに設定された回転速度に対する進角タイミングをカウンタ値でセットしたマップデータ（進角値データ）から対応するカウンタ値データを読み込んで設定する。
この進角値データは、実際の回転数に対して前記カウンタ値がいくつになったときに進角指令を出すかをあらかじめマップデータとしてＲＯＭに記憶させておくもので、回転子の回転速度の変化に伴って回転方向に相対位置のずれる第１、第２の界磁用磁石２ａ、２ｂで合成される磁極位置と、センサ磁石２２で検出される磁極位置との位相のずれを補正してそのときの回転子磁極に対して最適となる界磁巻線１２への電流供給制御がおこなえるような値が設定される。
そして次にステップＳ５に進んで前記カウンタ内のカウント値をクリアしてステップＳ６へ進む。
ステップＳ６、Ｓ７、Ｓ８は界磁用巻線１２へ電流供給するＦＥＴブリッジ１００駆動のゲート信号をプリドライバ８０へ出力する進角タイミングを判別し、指令信号を出力する。
ステップＳ６では、現在設定されている進角値データに対して、カウンタ内のカウンタ値がその値を超えたかどうかを判別する。
カウンタ値が進角データの設定値に達していない場合にはステップＳ７に進んで進角なしコードをプリドライバ８０へ出力してステップ９に進む。
カウンタ値が進角データの設定値に達している場合にはステップＳ８に進んで進角ありコードをプリドライバ８０に出力してステップＳ９に進む。
ステップＳ９ではカウンタに１を加えてカウントアップした後ステップＳ１０に進み現在のホールＩＣ９０の信号判別コードを保存してステップＳ１へ戻り、以後このループ動作を繰り返す。
そして、進角なし信号が出力されたときにはプリドライバ８０を介して進角なしモードでの駆動信号をＦＥＴブリッジ１００に出力する。
また、進角あり信号が出力されたときにはプリドライバ８０を介して進角ありモードでの駆動信号をＦＥＴブリッジ１００に出力することにより界磁巻線１２へ進角モードでの電流供給をおこなう。
そして、上述の説明のように、この進角モードへの切り替えは１／６周期毎にカウントアップ→クリアを繰り返すカウンタ値が、あらかじめ回転速度に対応させて設定されているカウンタ値（進角データ値）を越えたときにおこなわれるため、回転速度の増減に応じて第２の磁極２ｂをずらしたことによって生じる実際の磁極中心とセンサ磁石２２による位置検出ずれを適切に補正した界磁巻線１２への電流供給制御をおこなうことができる。
その結果、本発明に係る磁石式ブラシレス電動機は、起動トルクから３０００r.p.m.を越えた高速回転域にわたって随時の回転数に応じた最適の進角が選択されて、大きなトルクを獲得することができる。
【００１９】
（実施例イ）
本発明の磁石式ブラシレス電動機５０において、第１および第２の界磁用磁石３１，３２に日立金属（株）製の（Ｎｄ，Ｄｙ）−Ｆｅ−Ｂ系のラジアル異方性焼結リング磁石（（Ｎｄ，Ｄｙ）２Ｆｅ１４Ｂ型金属間化合物を主相とするＨＳー３０ＢＲ、外径７４ｍｍ、軸長２３ｍｍ）を用いるとともにエアギャップの厚みを０．５ｍｍとした条件で、（機械的な進角変化）＋（電気的な進角制御の補正）により常に進角が５．５度になるように進角補正を行った本実施例の磁石式ブラシレス電動機の回転数−トルク特性を図７のイに示す。この結果から、本実施例の磁石式ブラシレス電動機は起動時から３０００r.p.m.を越えた高速回転域にわたって大きなトルクを有していることがわかる。
（比較例ロ）
電気的な進角の補正を行わずに、機械的に進角を５度から２０度まで連続的に変化させた以外は実施例イと同様に構成された比較例の磁石式ブラシレス電動機の回転数−トルク特性を図７のロに示す。
（比較例ハ）
第１、第２の磁石回転子の同じ磁極が並ぶようにして回転軸に固定するとともに進角を５．５度で固定した以外は実施例イと同様に構成された比較例の磁石式ブラシレス電動機の回転数−トルク特性を図７のハに示す。
図７のハでは約４００r.p.m.において最高トルクを示しているが１０００r.p.m．付近でトルクが０（Ｎ・ｍ）となり、これ以上の高速回転域で使用することが困難だった。
すなわち、機械的な進角変化のみの比較例ロ（図７のロ）では進角変化のない比較例ハ（図７のハ）のほぼ３倍の高速回転が可能となったが、実施例イ（図７のイ）に比べて７００r.p.m.以下の低速回転域（起動時等）においてトルクが約１５〜２０％小さくなることがわかる。
【００２０】
本発明において、第１、第２の磁石回転子の磁極数は限定されるものではないが、機械的な進角変化機構により平均鎖交磁束量を５％以上変化できることが高速回転域を広げるために好適であり、好ましくは２極〜１２８極、より好ましくは４〜３２極とすると実用性が高い。また、第１、第２の磁石回転子が異なる磁極パターンを有していてもよい。
また、上記実施例では同軸に配置した２つの磁石回転子を用いて磁石回転子の回転速度の変化に伴ってそのうちの１つを相対回転させることで磁石式ブラシレス電動機の鎖交磁束量を減少させたが、３つ以上の磁石回転子を同軸に配置するとともに１つまたは２つ以上の磁石回転子を回転軸に固定し、かつ残りの磁石回転子を回転軸まわりに所定量相対回転させることでも本発明を構成することができる。
また、本発明では磁石回転子の構成は上記実施例の表面磁石型に限定されるものではなく、回転子コア内部に永久磁石を埋設するとともに回転子コアの外周面に交互に異なる磁極を等間隔で形成した内部磁石型、前記表面磁石型回転子の外周面に薄いカバー（例えば非磁性カバー等）を配置した構成の磁石回転子等を採用可能である。
【００２１】
本発明において、進角を機械的に変化させる機構は、前記の構成に限定されず、他の公知の手段を用いてもよい。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る磁石式ブラシレス電動機は３０００r.p.m.を越える高速回転域まで高いトルクで交換効率良く使用できるとともに、低速回転域においても従来に比べて高いトルクを獲得することができる極めて有用なものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る磁石式ブラシレス電動機の一態様を示す主要部の分解斜視図であり、磁極ずれが無い状態（Ａ）、磁極ずれ状態（Ｂ）を示している。
【図２】 本発明に係る磁石式ブラシレス電動機において機械的な進角の変化を説明する図であり、磁極ずれが無い状態（Ａ）、磁極ずれ状態（Ｂ）を示している。
【図３】 本発明に係る磁石式ブラシレス電動機において、第１と第２の磁石回転子の合成した磁極の位相を第１の磁石回転子の磁極の位相に対して回転速度に伴い変化させる機構を示す分解斜視図であり、（Ａ）は低回転速度のとき、（Ｂ）は高回転速度のときである。
【図４】 本発明における電気的に進角を補正するためのハードブロック図の一例である。
【図５】 本発明における電気的に進角を補正するためのマイコンによるフローチャートの一例である。
【図６】 本発明における電気的に進角を補正するためのセンサ入力と出力の関係の一例を示す図である。
【図７】 磁石式ブラシレス電動機の回転数−トルク特性の一例を示す図である。
【図８】 トランスミッション付の内燃機関の出力特性図である。
【図９】 従来の磁石式ブラシレス電動機の特性図である。
【符号の説明】
１ 固定子、２ 磁石回転子、４ 磁極、５ 間隔、７，８ 回転子コア、１１ 固定子磁極、１２ 界磁用巻線、２１ 回転軸、２２ センサ磁石、３１ 第１の界磁用磁石、３２ 第２の界磁用磁石、３３ 固定部材、３４ ガバナ、５０ 磁石式ブラシレス電動機、３２１ 軸穴、３２２ 長溝、３３１ 穴、３３２ 長穴、３４１ 回転支軸（固定軸）、３４２ 可動側軸、３４３ 弾性部材、３４８，３４９ 貫通穴。
Claims (1)
- 磁石回転子の磁極位置を検出し、この位置検出信号に応じて固定子巻線への電流供給量を制御する制御回路を有するとともに、前記磁石回転子は、回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第１の磁石回転子とこの第１の磁石回転子に対して相対回転可能で回転方向に順次異なった極性の磁極が並んでいる第２の磁石回転子とを有して構成され、前記第１と第２の磁石回転子は前記固定子磁極に対向しているとともに、回転速度の変化に応じて前記第１と第２の磁石回転子のうちのいずれか一方を他方の磁石回転子の磁極に対して回転方向にずらして前記の磁石回転子の磁極と固定子の磁極との対向面積を増減し鎖交磁束量を変化させることにより低速回転域で大きなトルクを得、かつ高速回転を可能にした磁石式ブラシレス電動機の進角補正方法であって、
前記進角は機械的な進角と電気的な進角とからなり、
機械的な進角は、前記第１と第２の磁石回転子において隣接する同極性磁極の中心位置同士を平均して得られた合成位置と前記第１と第２の磁石回転子のうちの回転軸まわりに固定された磁石回転子における前記同極性磁極の中心位置とのずれ量を電気角で表したものであり、
電気的な進角は、前記回転子の一磁極と前記固定子の一磁極とが最も重なる以前にその固定子の一磁極の界磁用巻線に電流を流して磁束を発生させることで得られる進角であり、
回転速度を検出し、これに対応する前記回転子の機械的な進角が形成されない場合には前記制御回路による電気的な進角制御が行われず、前記回転子の機械的な進角が形成された場合には前記制御回路による電気的な進角制御が行われることにより前記の電気的な進角が補正されることを特徴とする磁石式ブラシレス電動機の進角補正方法。
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