專利名稱：無刷多相交流電機及其通電控制裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及無刷多相交流電機及其通電控制裝置，特別是，涉及適合超前角通電的無刷多相交流電機及其通電控制裝置。
現有技術已往，內燃機用的起動馬達和發電機是分別裝備的，但是，例如特開平10-148142號公報公開了使各機能一體化的起動器兼發電機的裝置。
另一方面，作為內燃機用的起動馬達，圓筒狀的轉子沿定子的外周旋轉的外轉形永久磁鐵式旋轉電機已為人所知。另外，在這樣的永久磁鐵式旋轉電機中，為了緩和轉子及定子間的磁束分布不均，防止轉矩振動的發生，在鄰接的磁鐵間形成換向極部的永久磁鐵式旋轉電機，例如，在特開平8-275476號公報中被公開。
發明目的對于具備換向極部的已往的永久磁鐵式旋轉電機，換向極部作為永久磁鐵的一部分也發揮著機能，對該旋轉電機的通電時間，希望有一個僅相當于換向極部的沿上述旋轉方向幅度的角度的超前角。
在此，上述現有技術中，標準通電時間(超前角為0°)作為磁極傳感器的檢測信號的變化來檢測，根據該標準通電時間，通過計算找到超前角位置，因此，特別是在轉子轉速不穩定的低轉速領域，不能正確地檢測出超前角的位置。
本發明的目的是解決上述現有技術的課題，提供一種無刷多相交流電機及其通電控制裝置，該裝置能夠使供給各項的相電流以希望的角度，準確的實現超前角。
發明的手段為了實現上述目的，本發明具有的特征是，采用了以下所述的手段。
(1)具備檢測轉子的旋轉位置的磁極傳感器，供給各項的相電流根據上述磁極傳感器的檢測信號，僅超前所設定的角度的無刷多相交流電機，其特征是上述磁極傳感器配置成上述超前角通電的相電流的通電時間與通過該磁極傳感器檢測到的磁場的變化時間相一致。
(2)根據無刷多相交流電機的各磁極傳感器的檢測信號，轉子旋轉的一圈分割成多個階段，以階段為單位控制各項電流的無刷多相交流電機的通電控制裝置，以相當于一階段的角度的一半的角度為超前角，確定供給各項的相電流的相位。
根據上述特征(1)，轉子的旋轉位置到達超前角通電的切換時間后，對此響應，磁極傳感器的檢測信號發生變化，因此，可以根據磁極傳感器的檢測信號，準確地檢測出超前角通電的切換時間。
根據上述特征(2)，不僅在轉子正轉時，即使在轉子反轉時，旋轉位置到達超前角通電的切換時間后，對此響應，磁極傳感器的檢測信號也發生變位，因此，能夠準確檢測出超前角通電的切換時間。


圖1是適用本發明的小型自動兩輪車的整體側面圖。
圖2是圖1的擺動裝置沿曲柄軸的斷面圖。
圖3是沿垂直起動裝置兼發電機(永久磁鐵式旋轉電動機)的旋轉軸(曲柄軸)的面剖開的局部平面圖。
圖4是圖3的側面斷面圖。
圖5是轉動架的平面圖。
圖6是轉動架的側面圖。
圖7是轉動架的部分擴大圖。
圖8是用于說明設在轉動架上的空隙部的機能(電動時)的圖。
圖9是用于說明設在轉動架上的空隙部的機能(發電時)的圖。
圖10是圖9的部分擴大圖。
圖11是圖10的部分擴大圖。
圖12是起動裝置兼發電機的控制系統的方框圖。
圖13是以模式形式表現本實施例中的通電控制的動作時間的圖。
圖14是以5°超前角進行120°正轉通電的場合的信號波形圖。
圖15是以10°超前角進行180°正轉通電的場合的信號波形圖。
圖16是以5°超前角進行120°反轉通電的場合的信號波形圖。
發明的實施例以下，參照附圖對本發明進行詳細說明。圖1是適用本發明的車輛用發電控制裝置的小型自動兩輪車的整體側面圖。
車體前部和車體后部通過低的底板部4連接在一起，成為車體骨骼的車體架，大概由下管6和主管7構成，燃料箱及置物盒(圖上都未示出)依靠主管支持，在其上方配置有車座。
在車體前部，依靠轉向頭5樞支的車把11設在上方，前叉12向下方延伸，在前叉的下端，前輪FW依靠軸支撐著。在車把11的上部，覆蓋著兼作儀表板的車把外殼。在主管的上升部下端，突設有托架15，擺動裝置2的懸掛支架18通過連接部件16，可以自由搖動地連接支持在該托架15上。
在擺動裝置2的前部搭載有單汽缸的二沖程內燃機E。從該內燃機E到后方構成帶式無極變速機10，在它的后部，后輪RW樞支在通過離心離合器設置的減速機構9上。在該減速機構的上端和主管7的上部彎曲部之間安裝有后緩沖器3。在擺動裝置2的前部，配設有接續在從內燃機延伸出的吸氣管19上的氣化器17及同氣化器17連接的空氣濾清器14。
圖2是上述擺動裝置2沿曲柄軸201剖開的斷面圖，和上述相同的符號表示同一或者同等部分。
擺動裝置2被由左右的曲柄箱202L、202R合體構成的曲柄箱202覆蓋著，曲柄軸201由固定在曲柄箱202R上的軸承208、209可以自由轉動地支持著。連桿(圖上未示出)通過曲柄銷213連接在曲柄軸201上。
左曲柄箱202L兼作皮帶式無極變速室箱，在延伸到左曲柄箱202L的曲柄軸201上，可以旋轉地設置皮帶驅動輪210。皮帶驅動輪210由固定側輪半體210L和可動側輪半體210R組成，固定側輪半體210L通過輪轂211固定在曲柄軸201的左端部，在固定側輪半體210L的右側，可動側輪半體210R花鍵嵌合在曲柄軸201上，可以接近/遠離固定側輪半體210L。在兩輪半體210L、210R之間V形皮帶212卷掛于其上。
在可動側輪半體210R的右側，凸輪盤215固定在曲柄軸201上，設在凸輪盤215的外周端的滑動件215a和在可動側輪半體210R的外周端沿軸方向形成的凸輪盤滑動輪轂部210Ra可自由滑動地結合在一起。可動側輪半體210R的凸輪盤215具有靠近外周向凸輪盤215側傾斜的錐面，在該錐面和可動側輪半體210R之間的空間，收容著干重柱216。
隨著曲柄軸201的旋轉速度的增加，在可動側輪半體210R和凸輪盤之間，隨曲柄軸一起旋轉的上述干重柱216，在離心力的作用下，向離心方向移動，可動側輪半體210R受干重柱216擠壓向左方移動，接近固定輪半體210L。結果，夾在兩輪半體210L、210R之間的V形皮帶212向離心方向移動，卷掛半徑增大。
在車輛的后部，設有與皮帶驅動輪210相對應的從動皮帶輪(圖上未示出)，皮帶212卷掛于該從動輪上。通過該皮帶傳動機構，內燃機E的動力自動被調整并被傳達到離心離合器，通過上述減速機構9驅動后輪RW。
在右曲柄箱202R內，配設有由起動器馬達和AC發電機組合而成的起動器兼發電機1。在起動器兼發電機上，外轉子60依靠螺絲253固定在曲柄軸的前端錐部。配設在上述外轉子60的內側的內定子50，依靠螺栓279固定支承在曲柄箱202上。另外，對于上述起動器兼發電機1的構成，以后參照圖3至圖7進行詳細說明。
風扇280的中央圓錐部280a的裾部分依靠螺栓246固定在外轉子60上，風扇280通過散熱器282被風扇蓋281覆蓋著。
在曲柄軸201上，上述起動器兼發電機1和軸承209之間，固定著鏈輪231，用于從曲柄軸驅動凸輪軸的鏈子卷掛在該鏈輪231上。另外，上述鏈輪231和用于向使潤滑油循環的泵傳遞動力的齒輪232成一體形成。
圖3、4是沿垂直于上述起動器兼發電機1(永久磁鐵式旋轉電動機)旋轉軸(曲軸201)的面剖開的局部平面圖及側面斷面圖，圖5、6是轉動架的平面圖及其部分擴大圖，無論哪一個和上述相同的符號都表示同一或同等部分。
如圖3、4所示，本實施例的起動器兼發電機1由定子50和圍繞該定子50外周旋轉的外轉子60構成，上述外轉子60由轉動架61、N極永久磁鐵62N及S極永久磁鐵62S、杯狀轉子箱63構成，如圖4、5所示，轉動架61由環狀的硅鋼板(薄板)呈略圓筒狀積層構成，如圖3、7所示，N極永久磁鐵62N及S極永久磁鐵62S交互穿插在設在轉動架61的圓周方向的多個開口部611內，如圖3、4所示，上述杯狀轉子箱63連接上述轉動架61于上述曲柄軸201上。
上述轉子箱63，在它的圓周端部具備爪部63a，通過向內側折彎該爪部63a，將上述積層構造的轉動架61沿軸向挾持，并且，使穿插在上述轉動架61的開口部611內的各永久磁鐵62(62N、62S)保持在轉動架61內的所定位置。
上述定子50，如圖3所示，由硅鋼板積層構成，包含定子鐵心51及定子凸極52。定子卷線53以單極集中方式繞于各定子凸極上，定子50的主面被保護殼覆蓋著。
如圖5、6所示，上述永久磁鐵62沿軸方向插入的12個開口部611，沿圓周方向，以30度間隔形成于上述轉動架61上。鄰接的各開口部611之間作為換向極613發揮機能。
如圖7所示，斷面略成鼓狀的永久磁鐵62插入上述各開口部611內。在此，在本實施例中，上述開口部611的形狀和永久磁鐵62的斷面形狀不是相同的，在上述永久磁鐵62插入上述開口部611的狀態下，在沿各永久磁鐵的圓周方向的兩側部，形成了第1空隙612，而且，在各永久磁鐵62的兩端部的定子側，形成第2空隙614。
接下來，參照圖8、9，對設在上述轉動架61上的切口614及轉動架61和永久磁鐵62之間形成的空隙部612的作用進行說明。
圖8是該起動器兼發電機裝置1作為起動馬達發揮機能時的磁束密度分布示意圖，圖9是起動器兼發電機裝置1作為發電機發揮機能時的磁束密度分布示意圖。
上述起動器兼發電機裝置1作為起動馬達發揮機能時，通過上述控制裝置20，從蓄電池42給各定子線圈53供給勵磁電流，如圖8所示，從被勵磁為N極的定子凸極52N向放射方向發出的磁力線從S極永久磁鐵62S的定子側表面穿入里面，它的大部分經由轉動架61的鐵心部615及換向極部613，再經由鄰接的被勵磁為S極的定子凸極部52S、定子鐵心51，回到上述被勵磁為N極的定子凸極52N。
這時，在本實施例中，在各永久磁鐵62沿圓周方向的兩側部，形成了空隙612，減少了從各永久磁鐵62的側部向換向極部613的漏磁束，因此，磁力線的大部分從各永久磁鐵62，穿過轉動架61的鐵心部615，再經由上述換向極部613，到達定子50側。結果，通過外轉子60和定子50之間的空隙的磁束的垂直成分增加，因此，和不設上述空隙612的場合相比，可以使驅動轉矩增加。
進一步，在本實施例中，在永久磁鐵62的兩端部的定子側，形成了用于限制圓周方向的磁路的切口614，因此，減少了通過轉動架61的內側的漏磁束。
即，如圖8的虛線圓內的擴大10所示，切口614的一方(614A)阻礙通過轉動架61的換向極部613的磁束B1被導入轉動架61的內側圓周部616，起著將磁束B1的大部分有效導入定子凸極52S的作用。另外，切口614的另一方(614B)阻礙從永久磁鐵62N通過轉動架61的內側圓周部616的磁束B2被導入換向極部613，起著將磁束B2的大部分有效導入定子凸極52S的作用。結果，通過外轉子60和定子50之間的空隙的磁束的垂直成分進一步增加，可以進一步增加作為起動馬達的驅動轉矩。
另一方面，當該起動器兼發電機作為發電機發揮機能時，如圖9所示，從各永久磁鐵發生的磁束和定子凸極及定子鐵心共同形成閉合磁路，因此，可以在定子線圈中產生與轉子的轉數相應的發電電流。
另外，在本實施例中，由后述的調整器100進行調整的調整電壓設定在14.5V，該起動器兼發電機作為發電機發揮機能時的輸出電壓達到上述調整電壓后，使相電流短路。由此，短路電流以延遲相位在各定子線圈中流動，通過定子50內的磁力線減少，在相鄰的永久磁鐵之間通過的漏出磁束增加，該起動器兼發電機裝置1的被動轉矩減少，內燃機的負荷減少。
即，如圖9的虛線圓內的擴大11所示，在相鄰的永久磁鐵62S，62N之間，發生經由轉動架61的外側圓周部617的磁束B3、經由轉動架61的換向極部613的磁束B4、通過轉動架61的內側圓周部616的磁束B5、經由轉動架61的內側圓周部616、空隙及定子凸極52N的磁束B6。
如上所述，根據本實施例，對于在各永久磁鐵62之間，外轉子60的轉動架61具有換向極部的永久磁鐵式旋轉電動機，在各永久磁鐵62和轉動架61之間，設有空隙612及切口614，因此，在相鄰永久磁鐵之間的漏磁束減少，和外轉子60和定子50之間的空隙部垂直交叉的磁束增加。因此，不會使該永久磁鐵式旋轉發電機作為發電機發揮機能時的被動轉矩增加，可以使作為起動器發揮機能時的驅動轉矩增大。
圖12是上述起動器兼發動機1的控制系統的方框圖，和上述相同的符號表示同一或同等部分。
在ECU中，設有將上述起動器兼發動機1的發電機能發生的三相交流電進行全波整流的三相全波整流器；將全波整流器300的輸出電壓限制在設定的調整電壓(調整器動作電壓例如，14.5V)的調整器100。
在ECU上，接有旋轉角度傳感器29、點火線圈21、油門傳感器23、燃料傳感器24、閥座開關25、空轉開關26、冷卻水溫度傳感器27及脈沖發生器30，從各部分檢測出信號輸入給ECU。在點火線圈21的二次側，接有點火火花塞22。
另外，在ECU上，接有起動繼電器34、起動開關35、停止開關36、37、備用指示器38、燃料指示器39、速度傳感器40、摩托車起動器41、及前大燈42。在前大燈上，設有調光開關43。
經過總保險絲44及總開關45從蓄電池46給上述各部供給電流。另外，蓄電池46，一方面經過起動繼電器直接連接在ECU上，另一方面，不經過總開關45，只經過總保險絲44連接在ECU上。
接下來，參照圖13～圖16的波形圖，對本實施例中的超前角通電的控制方法進行說明。
在本實施例中，根據上述各磁極傳感器29U、29V、29W的檢測信號，將轉子的一圈分割成幾個階段(#0、#1、#2)，以上述階段為單位，控制各項電流。
如圖13所示，在本實施例中，以轉子的60°作為電角度的360°，將此角分割成6個階段(#0～#5)。因此，一個階段相當于機械角的10°。由此，在轉子的低旋轉區域及反轉時，以5°(機械角)超前角實行電角度120°的正轉(反轉)通電，在轉子的高旋轉區域，以10°(機械角)超前角實行電角度180°的正轉通電。
圖14是以5°超前角進行120°正轉通電的信號波形圖，圖15是以10°超前角進行180°正轉通電的信號波形圖，圖16是以5°超前角進行120°反轉通電的信號波形圖。
在本實施例中，各磁極傳感器29U、29V、29W檢測磁場的變化，在該檢測信號變位時，切換給各項的通電時間。
更具體的講，在如圖14所示的5°超前角進行120°正轉通電中，V相傳感器(磁極傳感器29V)的檢測信號下降時，即，在從階段#0向階段#1切換時，開始向V相的正方向通電，而且，停止向U相的反方向通電。同樣，U相傳感器(磁極傳感器29U)的檢測信號升起時，即，在從階段#1向階段#2切換時，開始向U相的反方向通電，而且，停止向W相的反方向通電。同樣，W相傳感器(磁極傳感器29W)的檢測信號下降時，即，在從階段#2向階段#3切換時，開始向W相的正方向通電，而且，停止向V相的正方向通電。
同樣，圖15所示的以10°超前角正轉180°通電中，在從階段#0向階段#1切換時，將向U相的正方向通電切換成反方向通電。同樣，在從階段#1向階段#2切換時，將向W相的正方向通電切換成反方向通電。同樣，在從階段#2向階段#3切換時，將向V相的正方向通電切換成反方向通電。
換句話說，在本實施例中，將各磁極傳感器29U、29V、29W配置在設定的位置，使其檢測在切換各項電流的超前角通電時磁場的變化，使該檢測信號的輸出被變位。
如此，因為在本實施例中，上述各磁極傳感器配置在設定的位置，其使相電流以超前角通電的切換時間，和磁極傳感器29的檢測信號的變位時間一致，所以，使相電流超前時的通電控制能夠準確進行。
另外，因為在本實施例中，將超前角設定在相當于1階段的角度10°的一半的5°，所以，即使在如圖16所示的以5°超前角進行120°反轉通電中，也利用和正轉時相同的磁極傳感器29，可以使超前角通電的切換時間和磁極傳感器的檢測信號的變位時間相一致。因此，根據本實施例，不僅在正轉時、在反轉時，也能準確進行使相電流超前時的通電控制。
根據本發明，可以達成以下效果。
(1)在控制超前角時的通電的切換時間和由磁極傳感器進行的磁場變化的檢測時間相一致，因此，可以準確進行在控制超前角時的通電控制。
(2)超前角設定在相當于1階段的角度的一半，因此，在以5°超前角進行反轉120°通電時，也可以使在控制超前角時的通電控制的切換時間和由磁極傳感器進行的磁場變化的檢測時間相一致。
權利要求
1.無刷多相交流電機，具備檢測轉子的旋轉位置的磁極傳感器，根據上述磁極傳感器的檢測信號，供給各項的相電流僅超前所設定的角度，其特征在于，上述磁極傳感器配置成上述超前角通電的相電流的通電時間與通過該磁極傳感器檢測到的磁場的變化時間相一致。
2.如權利要求1所述的無刷多相交流電機，其特征是上述無刷多相交流電機是起動馬達，該起動馬達連接在內燃機的曲柄軸上，向該內燃機輸出轉動動力。
3.如權利要求1所述的無刷多相交流電機，其特征是所述的多相交流發電機包含定子及其卷線；以及在上述定子的外周旋轉的略成圓筒形狀的轉子，所述的轉子沿該轉動架的圓周方向配置有多個永久磁鐵；且上述轉子在相互鄰接的各永久磁鐵間有換向極部。
4.無刷多相交流電機的通電控制裝置，根據如權利要求1或權利要求2所述的無刷多相交流電機的各磁極傳感器的輸出信號，將轉子的一圈分割成幾個階段，以上述階段為單位，控制各項電流；其特征在于，使供給各項的相電流的相位僅超前相當于上述1階段的角度的一半的角度。
5.如權利要求4所述的無刷多相交流電機的通電控制裝置，其特征是在正轉時和反轉時，超前角的量是相同的。
6.如權利要求4或權利要求5所述的無刷多相交流電機的通電控制裝置，其特征是轉子的旋轉速度超過設定的基準速度后，將上述超前角的量切換成相當于1階段的角度。
7.如權利要求4至權利要求6的任一項權利要求所述的無刷多相交流電機的通電控制裝置，其特征是在轉子的旋轉速度在上述基準速度以下的場合，以120°(電器角)給各相通電。
8.如權利要求4至權利要求7的任一項權利要求所述的無刷多相交流電機的通電控制裝置，其特征是在轉子的旋轉速度超過上述基準速度后，以180°(電器角)給各相通電。
全文摘要
涉及適合超前角通電的無刷多相交流電機及其通電控制裝置。對于無刷多相交流電機,具備檢測轉子的旋轉位置的磁極傳感器;供給各項的相電流,根據上述磁極傳感器的檢測信號,僅以設定的角度超前;磁極傳感器配置成:上述超前角通電的相電流的切換時間和由該磁極傳感器進行檢測的磁場的變化時間相一致。
文檔編號H02K21/22GK1354550SQ0111936
公開日2002年6月19日 申請日期2001年5月30日 優先權日2000年11月17日
發明者大田淳朗, 小丿澤圣二, 生井邦明 申請人:本田技研工業株式會社