永磁式旋转电机及其驱动装置 本发明涉及在圆周方向上设有多个永磁铁的转子轭架在定子外周转动的永磁式旋转电机及其驱动装置，本发明尤其是涉及转子轭架在各永磁铁之间具有附加极的永磁式旋转电机及其驱动装置。
过去，虽然存在着分别装备内燃机用起动机和发电机的情况，但例如在特开平10-14812号公报中披露了使各功能一体化的起动发电装置。
另一方面，作为内燃机用起动机，已知的有圆筒状转子轭架绕定子外周转动的外转型永磁式旋转电动机。而在这样的永磁式旋转电机中，为了使转子及定子之间的磁束分布差缓和地防止转矩振动，例如特开平8-275476号公报中公开了在相邻的永磁铁之间形成附加极的永磁式旋转电机。
在上述的传统永磁式旋转电机中，与转动方向有关的永磁铁宽度Wmg与附加极的宽度Wsp之比(Wmg∶Wsp)尤其是对在使电机作为电动机起作用的场合的低转速区内的转矩有很大影响。不过，在上述现有技术中，没有考虑针对在永磁式旋转电机起发电机作用时的摩擦增大地所述比(Wmg∶Wsp)的关系。
此外，在具有上述结构的永磁式旋转电机中，由于附加极作为永磁铁一部分地发挥功能，所以最好使对旋转电机的通电超前一个等于所述附加极宽度Wsp的角度。但是，在上述现有技术中，没有考虑附加极宽度Wsp与超前角之间的关系。
本发明的第一目的是解决上述现有技术的问题并且提供一种使所述永磁铁宽度Wmg与所述附加极宽度Wsp之比(Wmg∶Wsp)最佳化的永磁式旋转电机。
本发明的第二目的是解决上述的现有技术问题并提供一种附加极宽度Wsp与通电的超前角之间的关系得到最佳化的永磁式旋转电机的驱动装置。
为了达成上述目的，本发明的特点在于以下措施。
(1)一种永磁式旋转电动机，沿定子外周转动的且大致成圆筒状的转子轭架中间夹设附加极地沿其圆周方设置了多个磁铁插入孔、并且永磁铁被插入各磁铁插入孔中，与转动方向有关的所述永磁铁的宽度Wmg与附加极宽度Wsp之比Wmg∶Wsp约等于5∶1。
(2)一种永磁式旋转电动机，沿定子外周转动的且大致成圆筒状的转子轭架中间夹设附加极地沿其圆周方设置了多个磁铁插入孔、并且永磁铁被插入各磁铁插入孔中，使供给所述永磁式旋转电机的各相的交流电流的相位超前一个等于与转向有关的所述附加极宽度Wsp的1-1.5倍的角度。
根据上述各特征，当永磁式旋转电机起电动机作用时，尤其是不仅实现了低转速区的转矩上升，而且在永磁式电机起发电机作用时，也降低了摩擦，从而能够实现平衡优良的旋转电机。
如上所述，根据本发明，在外转子的转子轭架在各永磁铁之间具有附加极的永磁式旋转电机中，使与转向有关的永磁铁宽度Wmg与附加极Wsp之间的比Wmg∶Wsp最佳化、并且根据与转向有关的附加极宽度Wsp使供给各相的交流电的超前角最佳化，从而在永磁式旋转电机起电动机作用时，尤其是实现了低转速区的转矩提高，而在永磁式旋转电机起发电机作用时，能够降低高速转区的摩擦。
图1是本发明永磁式旋转电机适用于起动发电装置的小型摩托车型两轮摩托车的整体侧视图。
图2是沿图1的摆动机构的曲柄轴截面图。
图3是在垂直于起动发电装置(永磁式旋转电机)的转轴(曲柄轴)的面内的局部剖视平面图。
图4是图3的侧截面图。
图5是转子轭架的平面图。
图6是转子轭架的侧视图。
图7是转子轭架的局部放大图。
图8是起动发电装置的控制系统的框图。
图9说明设置在转子轭架上的空隙部的功能(电动时)。
图10说明设置在转子轭架上的空隙部的功能(发电时)。
图11表示是本发明第二实施例的转子轭架的平面形状。
图12是在永磁铁被插入图11开口部中的状态下的局部放大图。
图13表示是本发明第三实施例的转子轭架的平面形状。
图14是在永磁铁被插入图13开口部中的状态下的局部放大图。
图15表示是本发明第四实施例的转子轭架的平面形状。
图16是在永磁铁被插入图15开口部中的状态下的局部放大图。
图17表示是本发明第五实施例的转子轭架的平面形状。
图18是在永磁铁被插入图17开口部中的状态下的局部放大图。
图19表示是本发明第六实施例的转子轭架的平面形状。
图20是在永磁铁被插入图19开口部中的状态下的局部放大图。
图21是图9的局部放大图。
图22是图10的局部放大图。
图23是在120°通电控制中以转子转速为参数地表示通电时刻的超前角与转矩之间的关系的图(Wmg∶Wsp约为5∶1)。
图24是在120°通电控制中以转子转速为参数地表示通电时刻的超前角与转矩之间的关系的图(Wmg∶Wsp约为4∶1)。
图25是在120°通电控制中以转子转速为参数地表示通电时刻的超前角与转矩之间的关系的图(Wmg∶Wsp约为2.8∶1)。
图26是在180°通电控制中以转子转速为参数地表示通电时刻的超前角与转矩之间的关系的图(Wmg∶Wsp约为5∶1)。
图27是在180°通电控制中以转子转速为参数地表示通电时刻的超前角与转矩之间的关系的图(Wmg∶Wsp约为4∶1)。
图28是在180°通电控制中以转子转速为参数地表示通电时刻的超前角与转矩之间的关系的图(Wmg∶Wsp约为2.8∶1)。
符号说明1-起动发电装置；50-定子；51-定子芯；52-定子凸极；53-定子线圈；60-外转子；61-转子轭架；62(62N，62S)-永磁铁；63-转子外壳；71-保护盖；201-曲柄轴；611-开口部；612-第一空隙；613-附加极；614-第二空隙；
以下，参见附图来详细说明本发明。图1是本发明永磁式旋转电机适用于起动发电装置的小型摩托车型两轮摩托车的整体侧视图。
车体前部3a与车体后部3b通过低踏脚板4相连，成为车体骨架的车架大致由下管6和主管7构成。主管7支承着油箱及后备箱(都未示出)，而鞍座8设置在其上方。
在车体前部3a上，支承在转向控制管头5地将车把11设置在上面，而前叉12延伸于下方，前轮FW支承其下端上。车把11的上部被兼用操作面板的车把罩13覆盖住。在主管7上升部的下端上，突出设置了托架15。通过连杆件16可自由摆动地将摆动装置2的悬置架18连接支承在托架15上。
在摆动装置2上，在其前部安装了单气缸的二冲程内燃机E。从内燃机E起向后地形成了皮带式无级变速器26，后轮RW支承在通过离心离合器设置在其后部上的减速器27上。在减速器27的上端与主管7的上弯曲部之间插装了后软垫22。在摆动装置2的前部上，设置了与伸出内燃机E的吸气管23相连的气化器24及与该气化器24相连的空气滤清器25。
图2是沿曲柄轴201切断摆动装置2的截面图，与上述相同的符号表示相同或等同的部件。
摆动装置2被由左、右曲柄轴箱202L、202R组合构成的曲柄轴箱202盖住，曲柄轴201通过被固定在曲轴轴箱202R上的轴承209、208可自由转动地支承着。连杆(未示出)通过曲柄销213与曲柄轴201相连。
左曲柄轴箱202L兼用作皮带式无级变速器外壳，在一直延伸到左曲柄轴箱202L内的曲柄轴201上，可转动地设置了皮带驱动轮210。皮带驱动轮210由固定侧轮半体210L和活动侧轮半体210R构成，固定侧轮半体210L通过轮毂211被固定在曲柄轴201的左端上，而在其右侧，活动侧轮半体210R通过花键嵌装在曲柄轴201上并且能够接近离开固定侧轮半体210L。V型皮带212绕挂在这两个轮半体210L、201R之间。
在活动侧轮半体210R的右侧，凸轮板215被固定在曲柄轴201上，设置在其外周上的滑动件215a可自由滑动地与沿轴向成型于活动侧轮半体210R上的凸轮板滑动轮毂部210Ra配合。活动侧轮半体210R的凸轮板215具有其外周面在凸轮板215侧倾斜的锥形面，在该锥形面与活动侧轮半体210R之间的空间内，容放着净重磁极(ドライウェイトポ-ル)216。
当曲柄轴201的转速增大时，在位于活动侧轮半体210R与凸轮板215之间的同时转动的净重磁极216通过离心力在离心方向上移动，活动侧轮半体210R被压在净重磁极216上地向左移并且因而接近固定侧轮半体210L。结果，夹在这两个轮半体210L、210R之间的V型皮带212在离心方向上移动，其绕挂直径增大。
在车辆后部上设置了对应于皮带驱动轮210的从动皮带轮(未示出)，V型皮带212绕挂在从动皮带轮上。通过皮带传动机构，内燃机E的动力达到自动调节地被传给离心离合器并且通过减速器27来驱动后轮RW。
在右曲柄轴箱202R内设置了融合了起动机与AC发电机的起动发电装置1。在起动发电装置1中，外转子60通过螺钉253被固定在曲柄轴201的前端锥形部上。设置在外转子60内侧的内定子50通过螺栓279等被拧固在曲柄轴箱202上。以下，参见图3-图7来详细说明所述起动发电装置1的结构。
风扇280的中央圆锥部280a的下摆部通过螺栓246被固定在外转子60上，风扇280通过散热器282被风扇罩281覆盖住。
在曲柄轴201上，链轮231被固定在起动发电装置1与轴承209之间，由曲柄轴201驱动凸轮轴(未示出)的链条绕挂在链轮231上。所述链轮231与向使润滑油循环的泵传递动力的齿轮232成一体。
图3、4是在垂直于所述起动发电装置(永磁式旋转电动机)的转轴(曲柄轴201)面上的局部剖视图及其侧截面图，图5、6是转子轭架的平面图及其局部放大图，其中与前述相同的符号表示相同或等同的部分。
本实施例的起动发电装置1如图3、4所示地由定子50和绕定子50外周转动的外转子60构成，所述外转子60如图4、5所示地由将环形硅钢板(薄板)大致叠成圆筒状地形成的转子轭架61、如图3、7所示地交替插入设置在转子轭架61圆周方向上的多个开口部611内的N极永磁铁62N和S极永磁铁62S、如图3、4所示地连接转子轭架61与曲柄轴201的杯状转子外壳63构成。
转子外壳63在其圆周端部具有爪63a，通过使爪63a内弯而沿轴向夹住具有上述叠层结构的转子轭架61，并且插入转子轭架61开口部611内的各永磁铁62(62N、62S)被保持在转子轭架61内的预定位置上。
所述定子50由硅(ケイ)钢板(薄板)叠层而成，如图3所示，它包括定子芯51及定子凸极52。定子线圈53按照单极集中方式卷绕在各定子凸极52上，定子50的主面被保护罩71盖住。
如图5、6所示地，在圆周方向上间隔30度地在转子轭架61上形成了12个永磁铁62轴向插入其中的开口部611。在沿各开口部611的圆周方向的两端上，形成了面向中心而以预定宽度延伸的间隙614。相邻的各开口部611之间起到了附加极613的作用。如图7所示地，截面大致成鼓形的永磁铁62被插入到各开口部611内。如图6所示地，与转动方向有关的开口部611的宽度即永磁铁62的宽度Wmg与附加极613的宽度Wsp之比Wmg∶Wsp被设定成约为5∶1。
在本实施例中，开口部611的形状与永磁铁62的截面形状是不同的，在永磁铁62被插入开口部611的状态下，在沿各永磁铁62圆周方向的两侧形成了空隙612并且在各永磁铁62的连段的定子侧上留下了所述间隙614。
图8是起动发电装置1的控制系统的框图，与上述一样的符号表示相同或等同的部分。
控制装置40包括了将电池42输出电压VBATT转换为逻辑电压VDD并供给CPU101的DC-CD转换器102、控制对IG线圈41供电地使火花塞43在预定时刻点火的点火控制装置103、将电池电压VBATT转换为三相交流电地将其供给起动发电装置1的定子线圈53的三相驱动装置104。
扼流圈传感器(スロツトルセンサ)45检测出扼流圈开口度θth并将所述值输入CPU101。转子传感器46检测出所述外转子的转动位置并且将该位置输入CPU101。调节器44对应于外转子60转动、将在所述定子线圈53上产生的感应电动势控制在预定电池电压VBATT上。
在这样的结构中，在发动机起动时，CPU101根据由转子传感器46检测到的外转子60的转动位置而决定定子线圈53的励磁时刻、并控制三相驱动装置104的各功率PET的开关接通时刻、给定子线圈53的各相供应交流电。
三相驱动装置104的各功率PET(Tr1-Tr6)通过CPU101进行PWM控制，根据所述外转子60的转速来控制其负载比即驱动转矩。
另一方面，当内燃机E起动时，中断了从三相驱动装置104到定子线圈53的供电，现在，起动发电装置1通过内燃机E被从动驱动。此时，在定子线圈53上，对应于曲柄轴201的转速、产生了电动势。这个电动势通过调节器44被控制在电池电压VBATT上，从而在给电器负载供电的同时，残余电力被充入电池42中。
图23、24、25都以转子转速(rpm)为参数地表示在120°通电控制中通电时刻的超前角(o)与转矩(N/m)之间的关系。图23、24、25分别表示永磁铁62的宽度Wmg与附加极613的宽度Wsp之比Wmg∶Wsp大致为5∶1、4∶1、2.8∶1时的情况。
当比较各图时，在图23所示的大致为5∶1的例子中，无论转子转速有多快，超前角在4°至5°～7°至8°的范围内地产生了高转矩。相反地，在图24所示的大致为4∶1的例子中和图25所示的大致为2.8∶1的例子中，尤其是在转子转速低时(40rpm)，如果使超前角提前，则转矩大幅度降低。
图26、27、28都以转子转速(rpm)为参数地表示在180°通电控制中通电时刻的超前角(o)与转矩(N/m)之间的关系，图26、27、28分别表示永磁铁62的宽度Wmg与附加极613的宽度Wsp之比Wmg∶Wsp大致为5∶1、4∶1、2.8∶1时的情况。
当比较各图时，在图26所示的约为5∶1的例子中，尤其是在转子转速低时，超前角在5°～7°至8°范围内地产生了高转矩。相反地，在图27所示的大致为4∶1的例子中和图28所示的大致为2.8∶1的例子中，转子转速低时的转矩比图26所示的约为5∶1的例子要差。
这样一来，根据发明人的实验结果，在120°通电及180°通电的任一情况下，当永磁铁62的宽度Wmg与附加极613的宽度Wsp之比Wmg∶Wsp约为5∶1时，结果表明，尤其是在转子转速低的区域内获得了高转矩。因而，如果超前角也被设定为5°～7°至8°，即是附加极613的角度(在本实施例中是5°)的1-1.5倍，则结果表明，获得了特别高的转矩。
接着，参见图9、10来说明设置在转子轭架61上的空隙614及形成于转子轭架61与永磁铁62之间的空隙部612的作用。
图9表示起动发电装置1起起动机作用时的磁束密度分布。图10表示该装置1起发电机作用时的磁束密度分布。
在起动发电装置1起起动机作用时，如果电池42通过控制器40给各定子线圈53供应励磁电流，则如图9所示地，由被N极励磁的定子凸极52N成放射状地发出的磁力线从S极永磁铁62S的定子侧面起穿向里面，大多数磁力线经过转子轭架61的芯部615以及附加极613并且通过被相邻S极励磁的定子凸极52S、定子线圈51而返回所述被N极励磁的定子凸极52N。
此时，在本实施例中，在沿永磁铁62的圆周方向的两侧上形成了空隙612，从而减少了从各永磁铁62的侧部漏向附加极613的磁束，因而，大部分磁力线从各永磁铁62起穿向转子轭架61的芯部615并接着经过附加极613到达定子50侧。结果，由于增加了通过外转子60与定子50之间气隙的磁束的垂直分量，所以与没有设置空隙612的情况相比，可以使驱动转矩增大。
此外，在本实施例中，在永磁铁62两端的定子侧上，也形成了限制圆周方向磁路的缝隙614，从而也减少了通过转子轭架61内侧的漏磁束。
就是说，如在图21中放大表示图9的虚线圆圈所示，空隙614的一侧(614A)起到了把磁束B1有效地从转子轭架61的附加极613引向定子凸极52S的作用，而空隙614的另一侧(614B)起到了把通过转子轭架61内侧圆周部616的磁束B2有效地从永磁铁62N引向定子凸极52S的作用。结果，进一步增加了通过外转子60与定子50之间的气隙的磁束的垂直分量，并且可以进一步增大作为起动机时的驱动转矩。
另一方面，当使起动发电装置1起到发电机的作用时，如图10所示地，由各永磁铁62发出的磁束和定子凸极与定子芯一起形成了封闭磁路，从而能够使对应于转子转速的发电电流产生于定子线圈中。
而在本实施例中，调节器44的调节器电压被设定为14.5伏，当使该起动发电装置1起发电机作用时的输出电压达到调节器电压时，使所述功率FET中的接地侧晶体管Tr2、Tr4、Tr6短路。由此一来，短路电流相位滞后地在各定子线圈53中流过，通过定子50内的磁力线减少，连接相邻永磁铁62之间的漏磁束增加，从而起动发电装置1的被动转矩减少，内燃机E的负荷减少。
就是说，如在图21中放大表示图10的虚线圆所示地，在相邻永磁铁62S、62N之间，产生了经过转子轭架61的外侧圆周部617的磁束B3、经过转子轭架61的附加极613的磁束B4、经过转子轭架61的内侧圆周部616的磁束B5、经过转子轭架61的内侧圆周部616、气隙及定子凸极52N的磁束B6。
如上所述，根据本实施例，在外转子60的转子轭架61在各永磁铁62之间具有附加极613的永磁式旋转电机中，由于在各永磁铁62与转子轭架61之间设置了空隙612(614)，因而，减少了相邻的永磁铁之间的漏磁束，增加了与外转子60与定子50之间的气隙垂直相交的磁束。因而，能够不使在该永磁式旋转电机起发电机作用时的被动转矩增大并且使起起动机作用时的驱动转矩增大。
图11表示是本发明第二实施例的转子轭架61a的平面形状，图12是在永磁铁62a被插入转子轭架61a的开口部611a的状态下的局部放大图，与前述相同的符号表示相同或等同部分。
在本实施例中，转子轭架61a的开口部611a大致成梯形。截面成长方形的永磁铁62a被插入开口部611a内。结果，在沿永磁铁62a圆周方向的两侧上，形成了防止相邻永磁铁62a之间的漏磁束的空隙612a，在各永磁铁62a两端的定子侧上，也形成了限制圆周方向磁路的空隙614a，从而达到了与前述相同的效果。在本实施例中，与转向有关的永磁铁62a的宽度Wmg与附加极613的宽度Wsp之比Wmg∶Wsp也大致被设定为5∶1。
图13表示是本发明第三实施例的转子轭架61b的平面形状，图14是在永磁铁62b被插入转子轭架61b的开口部611b的状态下的局部放大图，与前述相同的符号表示相同或等同部分。
在本实施例中，转子轭架61b的开口部611b成异形鼓状。截面成鼓状的永磁铁62b被插入开口部611b内。结果，在沿永磁铁62b圆周方向的两侧上，形成了防止相邻永磁铁62b之间的漏磁束的空隙612b，在各永磁铁62b两端的定子侧上，也形成了限制圆周方向磁路的空隙614b，从而达到了与前述相同的效果。在本实施例中，与转向有关的永磁铁62b的宽度Wmg与附加极613的宽度Wsp之比Wmg∶Wsp也大致被设定为5∶1。
图15表示是本发明第四实施例的转子轭架61c的平面形状，图16是在永磁铁62c被插入转子轭架61c的开口部611c的状态下的局部放大图，与前述相同的符号表示相同或等同部分。
在本实施例中，转子轭架61c的开口部611c成在鼓形部两侧设置切口的异形。截面成鼓状的永磁铁62c被插入开口部611c内。结果，在沿永磁铁62c圆周方向的两侧上，形成了防止相邻永磁铁62c之间的漏磁束的空隙612c，在各永磁铁62c两端的定子侧上，也形成了限制圆周方向磁路的空隙614c，从而达到了与前述相同的效果。在本实施例中，与转向有关的永磁铁62c的宽度Wmg与附加极613的宽度Wsp之比Wmg∶Wsp也大致被设定为5∶1。
图17表示是本发明第五实施例的转子轭架61d的平面形状，图18是在永磁铁62d被插入转子轭架61d的开口部611d的状态下的局部放大图，与前述相同的符号表示相同或等同部分。
在本实施例中，转子轭架61d的开口部611d成异形鼓状。截面成鼓状的永磁铁62d被插入开口部611d内。结果，在沿永磁铁62d圆周方向的两侧上，形成了防止相邻永磁铁62d之间的漏磁束的空隙612d。
此外，与开口部611d不同地，在相当于各永磁铁62d的两端的转子轭架61d的内周部上，成切口状地形成了用于限制圆周方向的磁路空隙614d，因此，达到了与上述相同的效果。此外，在本实施例中，与转向有关的永磁铁62d的宽度Wmg与附加极613的宽度Wsp之比Wmg∶Wsp大约被设定为5∶1。
图19表示是本发明第六实施例的转子轭架61e的平面形状，图20是在永磁铁62e被插入转子轭架61e的开口部611e的状态下的局部放大图，与前述相同的符号表示相同或等同部分。
在本实施例中，转子轭架61e的开口部611e成异形鼓状。截面成鼓状的永磁铁62e被插入开口部611e内。结果，在沿永磁铁62e圆周方向的两侧上，形成了防止相邻永磁铁62e之间的漏磁束的空隙612e，在各永磁铁62e两端的定子侧上，也形成了限制圆周方向磁路的空隙614e，从而达到了与前述相同的效果。而在本实施例中，与转向有关的永磁铁62e的宽度Wmg与附加极613的宽度Wsp之比Wmg∶Wsp大约被设定为5∶1。