[发明专利]直流无刷电动机和控制装置

说明书

本发明涉及具有励磁用永久磁铁的直流无刷电动机和控制装置。直流无刷电动机按其转子结构分类有两种类型。一种是将励磁用永久磁铁装配在转子轭的表面上的表面磁铁式，另一种是将励磁用永久磁铁埋入到转子轭的内部的埋入式。

在这两种转子结构不同的直流无刷电动机中，在表面磁铁式的转子中，为了防止由于高速旋转时的离心力引起励磁用永久磁铁破坏，通常采用装配不锈钢管的结构。由于采用上述结构，在表面磁铁式的转子的情况下，由励磁用永久磁铁、转子轭和电枢构成的磁路的磁阻有增大的倾向，另外，由于是以几k～20kHz斩波的电源驱动电动机，所以，在不锈钢管中存在涡流，从而成为影响电机效率降低的原因。

另一方面在埋入式的转子中，由于在冲压转子轭时预先形成将励磁用永久磁铁插入到转子架的内部的槽，所以，不必使用不锈钢管，因此，可以大幅度地减少涡流的发生。

但是，由于槽的结构又会增加磁通泄漏，减少磁路的有效磁通量，从而不能有效地发挥磁铁的作用，所以，必须设法防止这种情况。

上述2种转子由于结构不同，所以，机械常数也大不相同，结果，电动机输出特性差别也很大。由于永久磁铁的磁导率与真空的磁导率接近，所以，有永久磁铁的部分可以视为与空气等同。

表面磁铁式转子结构的电机，由于d轴电感和q轴电感相等，电流和转矩具有线性关系，所以，加减速特性、转矩控制等的控制性良好，多使用于伺服电动机。

埋入式转子结构的电动机具有q轴电感大于d轴电感的特征(反突极性)。因此，不仅可以利用永久磁铁的有效转矩，而且可以进行利用磁阻转矩的最大转矩控制，从而可以获得高输出、高效率的特性。

另外，在埋入式转子结构的电机中，即使在由逆变器驱动装置的直流回路电压和电机的反电动势限制的转数之上的运转范围内，通过相对于反电动势的相位来控制电枢电流的相位而利用电枢反应的等价减弱磁场控制，可以进行运转。因此，埋入式转子结构的电机作为要求小型、高效率并且具有宽的运转范围的移动体驱动用的电动机是有希望的电动机。

在电动机的运转中，有可以连续运转的区域和只在短时间可以运转的区域。这取决于电机的温升。详细的说明从略，分别称为连续额定和短时间额定。并且，将在连续额定时持续流过的电流称为连续额定电流。

已有的埋入式转子的结构示于图20。另外，以连续额定电流使已有的埋入式转子结构的电动机运转时的输出特性示于图21。

如图21所示，以使电动机的反电动势和电枢电流成为同相位而使已有的电动机运转时(称为i=0控制)的最大转数与利用减弱磁场控制进行运转时的最大转数之比为1．6(9200／5600rpm)。

即，利用减弱磁场控制可以将能够连续运转的转数范围扩大1．6倍。另外，图中虽然未示出，但是，如果使电枢中流过大于连续额定电流的电流，还可以进一步扩大运转范围。

利用已有的技术控制具有已有的埋入式转子的直流无刷电动机，可以实现小型、高效率并且可以具有宽的运转范围。

但是，在具有上述已有的埋入式转子的直流无刷电动机中，在连续额定电流下运转范围的扩大是有限的，约为1．6倍左右，为了获得更宽的运转范围，必须增大电枢电流，这样就不能进行连续运转。因此，例如，当移动体在高速巡航时就会发生问题。

另外，在电动汽车及电动摩托车等以电池作为电源的移动体的驱动用电动机中，不仅电动机而且包括控制装置、传动装置也要求小型、高效率并且具有宽的运转范围。

但是，使用已有例的电动机时，在连续额定的范围内，为了进一步扩大移动体的转速范围，必须使用多级变速机构，因此，必然使装置大型化。

另外，为了扩大电机本身的工作范围，需要大的电枢电流。因此，在电机中将会由于铜的损耗增加而引起发热量增加，从而使可以运转的时间缩短，所以，以往必须设法提高电机的冷却效率，就会存在电机大型化的问题。另外，在控制装置中必须增大逆变器开关元件的电流额定值，这样，也存在招致控制装置大型化的问题。

本发明的目的旨在提供连续额定电流的工作范围宽的直流无刷电动机和控制装置。另外，还旨在提供效率好的直流无刷电动机和控制装置。

本发明这些目的可利用下述的方案达到。