TWI249281B - Brushless multiples AC electric machine and its energization controller - Google Patents

Description

1249281 Α7 Α7 Β7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（1 ) 本發明係關於，無刷多相交流電機及其通電控制裝置 ，特別是關於，適合於Μ領前角度通電之無刷多相交流電 機及其通電控制裝置。 傳統上，内燃機用之起動馬達與發電機係Μ個別方式 裝備，但在例如日本國特開平10-148142號公報，揭示有 一種，將各項功能一體化之起動器兼發電機裝置。 另一方面，有習知之圓筒狀之轉子在定子之外周轉動 之外轉型之永久磁鐵式旋轉電動機。同時，例如在日本國 特開平8-275476號公報，揭示有一種*為了緩和這種永 久磁鐵式旋轉電動機之轉子與定子間之磁通分布失真，防 止發生轉矩振動，而於相鄰接之永久磁鐵間形成補極部之 永久磁鐵式旋轉電動機。 在備有補極部之傳統之永久磁鐵式旋轉電動機，補極 部具有永久磁鐵之一部分之功能，因此對該旋轉電機之通 電定時，最好是領前相當於上述補極部之轉動方向之寬度 之角度。 在上述之傳統技術，因為是檢出標準通電定時（領前 角度0° )作為磁極感測器之檢測信號之變化，而依據該標 準通電定時，藉由運算求出領前角度，因此，特別是在轉 子轉速不穩定之慢速轉動領域，無法正確檢知領前角度位 置0 本發明之目的在解決上述傳統技術之課題，提供能夠 使供應各相之相電流正確領前所希望之角度之無刷多相交 流電機及其通電控制裝置。 -4- (請先閱讀背面之注意事項再本頁) 裝· 訂 線-------- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 1249281 Α7 Β7 五、發明説明（2 ) 為了達成上逑目的，本發明之特徵在於，採取K下所 逑之手段。 (1) 在備有用K檢测轉子之轉動位置之磁極感側器， 可根據上逑磁極感測器之檢測信號，使供給各相之栢電流 之相位角度領前一定量之無刷多相交流電機，係將上逑磁 極感測器配置成，K上逑領前角度通電之相電流之通電定 時，與該磁極感測器所檢测之磁場之變化定時一致，為其 特徵。 (2) 依據無刷多相交流電機之各磁極感測器之輸出信 號，將轉子之一個轉動分割成多數階段，並K上述各階段 單位控制各相電流之無刷多相交流電機之通電控制裝置， 係令供給各相之相電流之相位領前相當於上述一個階段之 角度之一半之角度。 依據上逑特徼（1)，當轉子之轉動位置到達Μ領前角 度通電之切換定時時，磁極感测器之檢測信號便會回應此 而變化，因此可Μ依據磁極感測器之檢測信號正確檢知Κ 領前角度通電之切換定時。 依據上逑特徵（2)時，不僅轉子在正轉，就是在反轉 時，當轉動位置到達Μ領前角度通電之切換定時時，磁極 感測器之檢測信號便會回應此而變化，因此可Κ正確檢知 領前角度通電之切換定時。 茲參照附圖詳细說明本發明如下。第1圖係應用本發 明之 車輔用發電控制裝置之輕便型自動二輪車之整體側面 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再本頁) 裝· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1249281 A7 B7 五、發明説明（3 ) 圖。 車體前部及車體後部係介由較低之地板部4連結在一 起，形成車體之骨格之車架大體上由下行管6與主管架7 所構成。燃料箱及收納箱（均未圖示）由主管架7支撐，其 上方配置有鞍座8。 在車體前部，由轉向頭5軸支，上方設有手把11，下 方延伸有前叉12，其下端軸支前輪FW。手把11之上部覆蓋 有兼用作儀器板之手把蓋13。在主管架7之上昇部下端突 設有托架15，在此托架15，介由連桿構件16成擺動自如狀 連结支持有擺動單元2之吊架18。 擺動單元2在其前部搭載有單汽缸之2衝程內燃機E 。從此內燃機E至後方構成皮帶式無段變速機10，在其後 部之介由離心式離合器配設之減速機構9軸支有後輪RW。 此減速機構9之上端與主管架7之上部彎曲部之間夾裝有 後緩衝器3。在搌動單元2之前部配設有連接在從内燃機E 延出之吸氣管19之氣化器17及連結在該氣化器17之空氣清 潔器14。 第2圖係沿曲柄軸201切斷上逑搌動單元2之截面圖 , 與上述相同之記號表示同一或同等部分。 搌動單元2係由左右之曲柄箱202L、202R合體構成 之曲柄箱202覆蓋，曲柄軸201係由固定在曲柄箱202R 之軸承208、209支撐成轉動自如狀。在曲柄軸201介由 曲柄梢213連结有連结稈（未圖示）。 左曲柄箱202L兼作皮帶式無段變速室箱，延設至左 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再IPr本頁) 裝· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 --j---· 1249281 A7 B7_ 五、發明説明（4 ) 曲柄箱202L之曲柄釉201成可轉動狀設有皮帶驅動用帶 輪210。皮帶驅動用帶輪210由固定儺帶輪半體210L及可 動側帶輪半體210R構成，固定側帶輪半體210L則經由輪 毅211固定在曲柄軸201之左端部，在其右側，可動側帶 輪半體210R係藉花鍵嵌合於曲柄軸201，可以接近•雛開 固定側帶輪半體210L。兩帶輪半體210L、210R間掛設有V 皮帶212。 在可動側帶輪半體21 0R之右側，凸輪板215固定在 曲柄軸201，設在其外周端之滑件215a在可動側帶輪半體 210 R之外周端，成滑動自如狀卡合於，軸方向形成之凸輪 板滑動輪轂部210 Ra。可動側帶輪半體210R之凸輪板215 之靠外周側有向凸輪板215側傾斜之斜面，該斜面與可動 側帶輪半體210R之間之空處收容有乾重球（dry weight ball)216 〇 曲柄軸201之轉速增加時，在可動側帶輪半體210 R與 凸輪板215間一起轉動之上述乾重球216因雛心力而向離 心方向移動，可動側帶輪半體210R被乾重球216推壓而 商左方移動，接近固定測帶輪半體210L。其结果，夾在兩 帶輪半體210L、210R間之V皮帶212向離心方向移動， 其捲繞徑變大。 在車輛之後部設有對應上述皮帶驅動用帶輪210之被 動帶輪（未圖示），V皮帶212則捲掛在此被動帶輪。藉由 此皮帶傳動機構，内燃機E之動力受到自動調整而傳至離 心式離合器，經由上述減速機構9驅動後輪RW。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再mN:頁) 裝· 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1249281 Α7 Β7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（5 ) 右曲柄箱202R內配設有組合起動馬達及AC發電機之 起動器兼發電機1。起動器兼發電機1在曲柄軸201之前 端斜面部用螺栓2 5 3固定有外轉子60。配設在上逑外轉子 60內側之内定子50係用螺栓279螺裝支持在曲柄箱2 0 2。 再者，上述起動器兼發電機1之架構將參照第3圖至第7 圖詳綑說明於後。 風扇280之中央圓錐部280a之下端部分用螺栓246固 定在外轉子60，風扇280係介由散熱器282用風扇罩281 覆蓋。 在曲柄軸201上之起動器兼發電機1與軸承209之間 固定有棘輪231，此棘輪231上掛有從曲柄軸201驅動凸 輪軸（未圖示）用之鍊條。再者，上述棘輪231係與用K傳 遞動力給使潤滑油循環之幫浦之齒輪2 3 2形成為一體。 第3、4圖係垂直於上述起動器兼發電機1 (永久磁鐵 式轉動電動機）之轉軸（曲柄軸2G1)之面之部分切除平面 圖及其側面截面圖，第5，6圖係轉子酾之平面圖及其部 分放大圖，與上述相同之記號，表示同一或同等之部分。 本實施形態之起動器兼發電機1係如第3、第4圖所 示，由定子50及在該定子50之外周轉動之外轉子60構成’ 上述外轉子60係由，如第4、5圖所示，將環狀之矽鋼Η (薄板）堆叠成略呈圓筒狀而構成之轉子軛61，如第3、7圖 .所示，交互插穿在設於轉子輾61之圓周方向之多數開口部 611内之Ν極永久磁鐵62Ν及S極永久磁鐵62S，如第3、4 圖所示，將上逑轉子軛61連結在上述曲柄軸201之杯狀之 -8 - (請先閲讀背面之注意事項再本頁) 裝· 訂 -線- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 1249281 Α7 Β7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（6 ) 轉子箱63，所構成。 上逑轉子箱6 3在其圓周端部具備爪部63a，將該爪部 63a彎折向內側*藉此在軸方向挾持上述積層構造之轉子 軛61，且將插穿於上逑轉子瓤61之開口部611内之各永久 磁鐵62 (62N、62S)保持在轉子轭61內之一定位置。 上逑定子5 0係堆疊矽鋼板（薄板）構成，如第3圖所示 ，包含定子芯51及定子突極52。各定子突極52K單極集中 方式繞有定子繞組53，定子50之主面由保護罩71覆蓋。 如第5、6圖所示，在上述轉子轭61之圓周方向，K 3 0度間隔形成有12涸，用Μ軸方向插入上述永久磁鐵62之 開口部611。相鄰接之各開口部611之間則具有補極部613 之功能。 如第7圖所示，上述各開口部611內插入有截面略圼 鼓狀之永久磁鐵62。在此，本實施形態之上述開口部611 之形狀與永久磁鐵62之截面形狀不相同*在上逑開口部 611插入上逑永久磁鐵62之狀態下，在各永久磁鐵62之沿 圓周方向之兩側部形成有第1空隙612，且在各永久磁鐵 6 2之兩端部之定子側形成有第2空隙614。 接著說明設在上述轉子辆61之開縫61 4及轉子軛61與永 久磁鐵62間之空隙部612之作用。 第8圖係表示使該起動器兼發電機裝置1具備起動馬 達之功能時之磁通密度分布圖，第9圖係表示使該裝置1 具備發電機之功能時之磁通密度分布圖。 使上述起動器兼發電機裝置1具備起動器之功能時， 一 9- (請先閲讀背面之注意事項 本頁) 裝· 訂 -線· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） 1249281 A7 A7 B7 五、發明説明（7) 經由上逑控制單元40從電池42向各定子繞組53供應激磁電 流時，如第8圖所示，從激磁成N極之定子突極52N向放 射方向發生之磁力線從S極永久磁鐵62S之定子側表面穿 至背面，其大部分經由轉子軛61之鐵芯部615及補極部613 ，經由相鄰接之激磁成S極之定子突極52S、定子芯51， 回到上逑激磁成N極之定子突極52 N。 這時，本實施形態係在沿各永久磁鐵6 2之圓周方向之 兩側部形成空隙612，從各永久磁鐵62之側部至補極部613 之洩漏磁通減少，因此磁力線之大部分係從各永久磁鐵62 穿過轉子轭6 1之鐵芯部6 1 5 *再經由上逑補極部6 1 3到達 定子50側。其結果，通過外轉子60與定子50間之空氣隙之 磁通之垂直成分增加，因此，較之上述未設空隙612時， 可以增加驅動轉矩。 而且，本實施形態在永久磁鐵6 2兩端部之定子側，也 形成有限制圓周方向之磁路用之開鏠614*因此，通過轉 子輒61內側之漏洩磁通也減少。 亦即，如將第8圖之虛線圓内放大示於第10圖，開鏠 614之一方（614A)會妨礙通過轉子軛61之補極部613之 磁通B1被引導至轉子轭61之內側圓周部616，將大部分之 磁通B1很有效率地引導至定子突極52S。同時，開鏠614之 另一方（614B)會妨礙從永久磁鐵62N通過轉子轭61之内 側圓周部616之磁通B 2被引導至補極部613,將大部分之 磁通B2有效率地引導至定子突極52S。其结果，通過外轉 子6 0與定子50間之空氣隙之磁通之垂直成分會更為增加。 -10- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ^1^1- m m I il^i 士 11_1 ^ < i * U3- (請先閱讀背面之注意事項再本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 線--„----- 1249281 Α7 Β7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（8 ) 另一方面，使該起動器兼發電機裝置1具備發電機之 功能時*如第9圖所示，各永久磁鐵6 2所產生之磁通會與 定子突極及定子芯一起形成閉磁路，因此可Μ使定子繞組 產生對應轉子之轉數之發電電流。 再者•本實施形態係將後述之調整器100之調整電壓 設定在14.5V，而當使該起動器兼發電機裝置1發揮發電 機之功能時之輸出電壓到達上逑調整電壓時，短路相電流 。藉此，在各定子繞組5 3有相位落後之短路電流流通，通 過定子50內之磁力線減少，連結相鄰接之永久磁鐵62間之 漏洩磁通增加，因此，該起動器兼發電機裝置1之被動轉 矩減少，内燃機Ε之負荷減少。 亦即，如放大第9圖之虛線圓内所示之第11圖，在相 鄰接之永久磁鐵6 2 S、6 2 Ν間產生，經由轉子輛6 1之外側 圓周部617之磁通Β3，經由轉子轆61之補極部613之磁通 Β4*通過轉子軛61之內側圓周部616之磁通Β5，及經由轉 子瓤61之内側圓周部616、空氣隙及定子突極52Ν之磁通 Β6 〇 如上逑，依據本實施形態時，在外轉子60之轉子輕61 之永久磁鐵62間有補極部613之永久式旋轉電動機，各永 久磁鐵62與轉子軛61之間配設空隙612及開縫614，因此 相鄰接之永久磁鐵間之漏洩磁通減少，與外轉子6 0與定子 5 0間之空氣隙部垂直交叉之磁通增加。因此，可Μ在不使 該起動器兼發電機裝置發揮發電機之功能時之被動轉矩增 加之狀態下，增大當作起動馬達時之驅動轉距。 -11- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再本頁) -裝· 訂 線 1249281 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（9 ) 第12圖係上述起動器兼發電機1之控制系統之方塊圖 ，與上逑相同之記號表示相同或同等部分。 ECU設有，用K全波整流上述起動器兼發電機1之發 電機功能產生之三相交流之3相全波整流器300，及用K 將全波整流器300之輸出限制在預定之調整電壓（調整器 動作電壓：例如14.5V)之調整器100。 ECU連接有用Μ減知轉子角度之磁極感測器29(2911、 29V、29W)、點火線圈21、節流閥感測器23、燃料感測器 24、開關25、26、冷卻水溫感測器27及點火脈衝產生器30 ，而從各部分將檢測信號輸入ECU。點火線圈21之二次側 連接有火星塞22。 並在ECU設有，起動繼電器34、起動開關35、停止開 關36、37、停備（stand by)指示器38、燃料指示器39、 速度感測器40、自動變阻器41、及前頭燈42。前頭燈4 2設 有開關43。 對上述各部分，經由主溶絲44及主開關45從電池46供 應電流。再者，電池46係由起動繼電器34直接連接在ECU ，另一方面具有，不經由主開關45，僅經由主溶絲4 4連接 到E C U之電路。 接著，參照第13圖〜第16圖之波形圖說明本實施形態 之K領前角度通電之控制方法。 本實施形態係依據上述各磁極感測器29U、29V、29W 之檢測信號將轉子之轉動1圈分割成多數階段（#0、#1、 #2、-一），而以上述階段單位控制各相電流。 -12-

請先閱讀背面之注意事項再H 本頁) 裝·

、1T 線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X 297公釐） Α7 Β7 1249281 五、發明説明（10) 如第13圖所示，本實施形態係將轉子之60° (機械角 度）當作電氣角度之360° ，將其分割成6個階段（#0〜#5) 。因此，1個階段相當於機槭角度之1〇°而在轉子之低速 轉動域及反轉時’以5° (機械角度）領前角度執行電氣角 120。之正轉（反轉）通電，在轉子之高轉動域時，則Μ 1〇° (機械角度）領前角度執行電氣角180°之正轉通電。 第14圖係上逑120°正轉通電，5°領前角度時之信號 玻形圖，第15圖係180°正轉通電’ 10°領前角度時之信 號玻形圖，第16圖係反轉120°通電’ 5°領前角度時之信 號玻形圖。 本實施形態係由各磁極感測器291)、29V、29W檢測磁 場之變化，以該檢測信號變位之定時切換對各相之通電定 時〇 進一步具體言之，第14圖之正轉12(3°通電時之5°領 前角度，係Μ V相感測器（磁極感測器29V)之檢測信號下 降之定時，亦即，在從階段"至階段#1之切換定時，開始 對V相之正方向通電，且停止對U栢之正方向通電。同樣 地，Μϋ相感測器（磁極感測器29U)之檢測信號上昇之定 時，亦即，在從階段#1至階段#2之切換定時，開始對U相 之反方向通電，且停止對W相之反方向通電。同樣地， KW相感測器（磁極感測器29 W)之檢測信號下降之定時， 亦即，在從階段#2至階段#3之切換定時，開始對W相之正 方向通電，且停止對V相之正方向通電。 同樣地，第15圖之正轉180°通電時之10°領前角度 -13- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） ΊΤ---：--：----裝-- (请先閱讀背面之注意事項再本頁) 訂 線· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 \7 1249281 _______B7__ 五、發明說明（11 ) ’也是在從階段#〇至階段#1之切換定時，將ϋ相之正方向 通電切換成反方向通電。同樣地，在從階段#1至階段#2之 切換定時，將W相之反方向通電切換成正方向通電。同樣 地，在從階段#2至階段#3之切換定時，將V相之正方向通 電切換成反方向通電。 換言之，本實施形態係將各磁極感测器29U、29V、29W 配置在一定之位置，使其能夠以切換各相電流之Μ領前角 度通電之定時*檢測磁場之變化，而使該檢测信號之輸出 變位。 如此，本實施形態由於將上逑各磁極感测器配置在一 定之位置，使各相電流以領前角度通電之切換定時*與磁 極感测器29之檢测信號之變位定時一致，因此，可Κ正確 控制使相電流之角度領前時之通電。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 而且，本實施形態係將領前角度設定為相當於一個階 段之角度之10°之一半之5° ，因此，在第16圖所示之反 轉120°通電之5°領前角度，也可Κ使用與正轉時同樣之 磁極感測器29，使以領前角度通電之切換定時，與磁極感 測器檢測信號之變位定時一致。因此，依據本簧施形態時 *不僅是正轉時，反轉時也可Μ正確控制，使相電流之角 度領前時之通電。 依據本發明時，可Κ收到下列效果。 (1)因領前角度通電之切換定時，與磁極感測器之檢 測信號之變位定時一致，因此，可Μ正確控制使相電流之 角度領前時之通電。 -14-本纸張尺度適用中國國家標準（CNS)Al規格（2〗0 X 297公釐） 1249281 v. Λ/ Β7 五、發明說明（12 ) (2)因為將領前角度設定為相當於一儷階段之角度之 一半，因此，在反轉120。通電之5°領前角度，也可K使 Μ領前角度通電之切換定時，與藉磁極感測器之磁場變化 之檢測定時一致。 圖式之簡單說明 第1圖係應用本發明之輕便型自動二輪車之整體側面 圖0 第2圖係沿第1圖之擺動單元之曲柄軸之截面圖。 第3圖係在垂直於起動器兼發電機（永久磁鐵式旋轉 電動機）之轉軸（曲柄軸）之面之部分切除平面圖。 第4圖係第3圖之側面截面圖。 第5圖係轉子艇之平面圖。 第6圖係轉子轭之側面圖。 第7圖係轉子鈪之部分放大圖。 第8圖係說明設在轉子轆之空隙部之功能（電動時）之 第9圖係說明設在轉子輾之空隙部之功能（發電時）之 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 圖0 第10圖係第9圖之部分放大圖。 第11圖係第10圖之部分放大圖。 第12圖係起動器兼發電機之控制系統之方塊圖。 第13圖係Κ模式方式表示本實fc形態之通電控制之動 作定時之圖。 -15 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） !249281 A7 B7 五 發明說明（I3 ) 第14圖係K5°之領前角度執行120°正轉通電時之信 號波形圖。 第15圖係Kl〇°之領前角度執行180°正轉通電時之 信號波形圖。 第16圖係Κ5°之領前角度執行120°反轉通電時之信 號波形圖。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 符號說明 2-----攞動單元 5-----轉向頭 9-----減速機構 16-----連桿構件 22-----火星塞 24-----燃料感測器 29-----轉子角度感测器 34-----起動繼電器 36、37——停止開關 39-----燃料指示器 44-----主溶絲 46-----電池 52-----定子突極 60-----外轉子 62-----永久磁鐡 101、102 - 103、104 —— 105、106、107----- 3- 7- 10 21 •後緩衝器 •主管架 -皮帶式無段變速機 -點火線圈 23-----節流閥感测器 27-----冷卻水溫感測器 30-----點火脈衝產生器 35-----起動開闞 38------等候指示器 40------速度感测器 45------主開關 50------定子 53------定子繞組 61-----轉子轭 100——調整器 一單擊多諧振邋器 OR閘 16- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)Al規格（2】0 X 297公釐） 請 先 閱 讀 背 面 之 注 意 事 項 再 填 寫 本 頁 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1249281 r Λ/ Β7 五、發明說明（l4 ) 一 17 - 109 ^ 110 、111-------F/F(正反器） 112 ^ 113 、114、115----比較器 116、 117 、118-----——反相器 201------ -曲柄軸 2 0 2 ------ •曲柄箱 210------ -皮帶驅動用帶輪 3 0 0 ------ -3相全波整流器 613------ -補極部 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)Al規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. A8SSD8 1249281 六、申請專利範圍 4·如申請專利範圍第3項之無刷多相交流電機之通 電控制裝置，其正轉時與反轉時之領前角度童相同。 5 ·如申請專利範圍第3項或第4項之無刷多相交流 電機之通電控制裝置，當轉子之轉速超適一定之基準速度 時，將上述領前角度量切換成相當於上述一個階段角度。 6 ·如申請專利範圍第3項或第4項之無刷多相交流 電機之通電控制裝置，當轉子之轉速在上述基準速度以下 時，對各相通電120。（電氣角度）。 7 ·如申請專利範圍第3項或第4項之無刷多相交流 電機之通電控制裝置，當轉子之轉速超過上述基準速度時 ，對各相通電180。（電氣角度）。 ^1 ϋ I ϋ n ϋ Sr. ·1_· ϋ i I ϋ I ϋ I n 一一口’ n I ϋ ϋ I .1 I ifn (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）