如果对由交流等的频率信号驱动的AC电机大致进行划分，则具有 同步(synchronous)电机和感应(induction)电机两种。同步电机是转子 采用永久磁铁和铁等强磁性体的层压铁芯，并且以与电源频率所确定的 旋转磁场的速度相同的旋转速度旋转的电机。
根据转子的不同，有使用永久磁铁的磁铁型和卷绕了线圈的绕组型、 使用了铁等强磁性体的电抗型。其中，磁铁型的转子的永久磁铁被定子 的旋转磁场吸引着旋转。另一方面，感应电机是在鼠笼型的转子上使导 线根据电磁感应作用产生不同磁场而旋转的电机。
在这种电机中，也存在不旋转而呈直线状运动，或者在平面中自由 运动的电机。这种电机被广泛地称为线性电机，将产生磁极的线圈排列 成直线状，通过依次切换流过的电流，使放置在其上的永久磁铁和强磁 性体移动。被配置成直线状的线圈组是定子，转子是扁平的并在其上面 滑动，所以相当于滑动器。
作为所述磁铁型的同步电机，例如有日本特开平8-51745号公报 (专利文献1)记载的小型同步电机。该小型同步电机具有专利文献1的 图1所示的结构，即，具有：卷绕了励磁线圈7的定子铁芯6；以及转子 3，其具有在内部内置了磁铁1并在圆周面上以相等间隔排列了NS极的 转子铁芯2。

但是，本申请的发明者新发现在向现有技术所说明的电机的线圈提 供矩形波时，电机的运转效率大幅降低。因此，本发明的目的在于提供 一种通过控制提供给电机线圈的励磁信号而使运转效率良好的电机。并 且，本发明的另一目的在于提供一种产生转矩特性也良好的电机。本发 明的目的还在于提供这种电机的驱动电路。另外，本发明提供一种电机 的运转效率良好的电机的驱动控制方法。本发明的目的还在于提供使用 了该电机的各种驱动体。
为了达到上述目的，本发明的电机的特征在于，包括以下结构：具 有多个线圈组和一永久磁铁，以及驱动电路，所述线圈组具有多个线圈、 并被从驱动电路供给励磁信号以便励磁为交替的异极，所述永久磁铁具 有被配置为使多个磁极要素交替地成为异极的结构，所述驱动电路构成 为向所述线圈组提供具有规定的频率的励磁信号，利用所述线圈组和所 述永久磁铁之间的磁性吸引和磁性排斥，使所述线圈组和所述永久磁铁 相对移动，所述驱动电路构成为把相当于根据所述线圈组和所述永久磁 铁之间的相对移动而产生在所述线圈的反电动势的图形的波形信号提供 给所述线圈组，所述驱动电路构成为具有：检测所述永久磁铁的磁性变 化的霍尔元件传感器，所述霍尔元件传感器用于输出对应于所述磁性变 化的模拟波形的波形信号；窗口比较器、多路调制器和用于控制磁滞电 平的可变电位器；其中，向所述窗口比较器提供所述霍尔元件传感器的 输出值，将霍尔元件传感器的输出值与磁滞电平的上下限值进行比较以 形成H电平信号和L电平信号，通过所述多路调制器的开闭控制将所述H 电平信号和L电平信号作为所述线圈组的驱动信号输出；并且在所述电 机的旋转速度达到规定值以上时，该驱动电路把该霍尔元件传感器的输 出直接提供给所述线圈组；或者，所述驱动电路构成为具有：检测所述 永久磁铁的磁性变化的霍尔元件传感器，所述霍尔元件传感器用于输出 对应于所述磁性变化的模拟波形的波形信号；和PWM转换部，所述PWM 转换部将所述霍尔元件传感器的模拟输出值与基本波进行比较，并控制 提供给所述线圈组的矩形波的占空比。
在本发明的实施方式中，所述霍尔元件传感器检测所述永久磁铁的 磁性变化，该霍尔元件传感器形成对应于所述磁性变化的波形、例如正 弦波状的输出或三角波，该驱动电路把该霍尔元件传感器的输出直接提 供给所述线圈组。作为所述线圈组，具有多个相，并且按照每个相配置 霍尔元件传感器。使所述多个相的线圈组之间的线圈配置相互偏移，而 且所述多个相之间的霍尔元件传感器的配置也偏移。在向所述驱动电路 提供电源时，确定所述多个相的线圈组的线圈位置的偏移量，以使来自 所述霍尔元件的输出提供给所述多相的线圈组后，所述永久磁铁旋转。 在形成为环状的所述多个线圈相之间配置有由所述永久磁铁构成的转 子。在电机起动时，所述驱动电路向所述各相线圈提供矩形波，在电机 稳定动作时，向所述各相线圈提供所述反电动势波形。
并且，本发明的交流电动电机的驱动系统的特征在于，该电机具有 多个线圈组和一永久磁铁的组合，所述线圈组具有多个线圈，所述永久 磁铁被配置为使多个磁极要素交替地成为异极，其特征在于，向所述线 圈组提供具有规定的频率的励磁信号，利用所述线圈组和所述永久磁铁 之间的磁性吸引和磁性排斥，使所述线圈组和所述永久磁铁相对移动， 把相当于根据所述线圈组和所述永久磁铁之间的相对移动而产生的反电 动势的图形的所述励磁信号提供给所述线圈组，并且，所述驱动系统构 成为具有：检测所述永久磁铁的磁性变化的霍尔元件传感器，所述霍尔 元件传感器用于输出对应于所述磁性变化的模拟波形的波形信号；窗口 比较器、多路调制器和用于控制磁滞电平的可变电位器；其中，向所述 窗口比较器提供所述霍尔元件传感器的输出值，将霍尔元件传感器的输 出值与磁滞电平的上下限值进行比较以形成H电平信号和L电平信号， 通过所述多路调制器的开闭控制将所述H电平信号和L电平信号作为所 述线圈组的驱动信号输出；并且在所述电机的旋转速度达到规定值以上 时，该驱动电路把该霍尔元件传感器的输出直接提供给所述线圈组；或 者所述驱动系统构成为具有：检测所述永久磁铁的磁性变化的霍尔元件 传感器，所述霍尔元件传感器用于输出对应于所述磁性变化的模拟波形 的波形信号；和PWM转换部，所述PWM转换部将所述霍尔元件传感器的 模拟输出值与基本波进行比较，并控制提供给所述线圈组的矩形波的占 空比。
附图说明
图1表示本发明的磁性体结构的示意图和动作原理。
图2表示承接图1的动作原理。
图3(1)是串联连接了多个线圈的线圈组的等效电路图，(2)是并 联连接时的等效电路图。
图4是向线圈组提供励磁信号的驱动电路的方框图。
图5是电机的分解立体图。
图6是为了说明本发明的原理而向线圈提供矩形波时的特性图。
图7是表示线圈产生反电动势的状态的原理图。
图8是为了说明本发明的原理而向线圈提供与反电动势的正弦波形 大致相同的波形作为驱动波形时的特性图。
图9是用于向线圈提供来自霍尔元件传感器的正弦波形的驱动电路 的方框图。
图10是表示图9中的驱动电路的波形控制状态的各个波形图。
图11是驱动电路中可以进行磁滞控制的驱动电路方框图。
图12是表示其波形控制状态的各个波形图。
图13是表示直接向PWM转换控制部提供各相线圈的检测波形的状 态的、驱动电路的功能方框图。
图14是表示其PWM控制动作的波形图。
图15是表示永久磁铁(转子)的其他示例的转子俯视图。
图16是表示把该转子用于电机时各相传感器产生的三角波输出波 形图。

图1和图2表示本发明的电机的动作原理。该电机具有在第1线圈 组(A相线圈)10和第2线圈组(B相线圈)12之间设有第3永久磁铁 14的结构。这些线圈和永久磁铁可以构成为环状(圆弧状、圆状)或直 线状的任一种。在它们形成为环状时，永久磁铁或线圈相的任一个发挥 转子的作用，在它们形成为直线状时，任一个成为滑动器。
第1线圈组10具有以规定间隔、优选均等间隔顺序排列可以交替地 励磁为异极的线圈16的结构。图5表示该第1线圈组的等效电路图。根 据图1和图2，如后面所述，两相的励磁线圈在起动旋转中(2π)始终使 所有线圈以前述的极性交替励磁。因此，能够以较高的转矩驱动转子和 滑动器等被驱动单元旋转。
如图3(1)所示，交替励磁为异极的多个电磁线圈16(磁性单位) 以相等间隔串联连接。符号18A是表示对该磁性线圈施加频率脉冲信号 的驱动电路的模块。在从该驱动电路向电磁线圈16流过用于使线圈励磁 的励磁信号时，预先设定各个线圈使其励磁，从而使相邻线圈之间磁极 的方向交替变化。如图3(2)所示，电磁线圈16也可以并联连接。该线 圈的结构对A、B相线圈是相同的。
从该驱动电路18A向电磁线圈16施加具有用于以规定周期交替切换 所提供的励磁电流的极性方向的频率的信号时，如图1和图2所示，在A 相线圈组10上形成与转子14面对的一侧的极性按照N极→S极→N极 交替变化的磁性图形。在频率信号变为逆极性时，第1磁性体的第3磁 性体侧的极性产生按照S极→N极→S极交替变化的磁性图形。结果，A 相线圈组10表现的励磁图形周期性地变化。
B相线圈组的结构与A相线圈组相同，但B相线圈组的电磁线圈18 相对A相线圈组的16错开位置地排列，这一点不同。即，进行偏置配置， 使A相线圈组的线圈排列间距与B相线圈组的排列间距具有规定的间距 差(角度差)。该间距差优选为永久磁铁14相对于线圈16、18对应励磁 电流的频率的1周期(2π)而移动的角度的(1圈)，例如π/6(π/(2×M)： M为永久磁铁(N+S)的设定数，M＝3)。
下面对永久磁铁进行说明。如图1和图2所示，由永久磁铁构成的 转子14配置在二相的线圈组之间，交替地具有逆极性的多个永久磁铁20 (被涂黑部分)以规定间隔、优选等间隔排列成线状(圆弧状)。所谓圆 弧状除完整的圆、椭圆等封闭的环以外，也包括不特定的环状结构、半 圆、扇型。
A相线圈组10和B相线圈组12隔开相等距离配置，在A相线圈组 和B相线圈组中间配置有第3磁性体14。永久磁铁20的永久磁铁的排 列间距与A相线圈组10和B相线圈组12的磁性线圈的排列间距几乎相 同。
下面，使用图1和图2说明在第1磁性体10和第2磁性体12之间 配置有前述的第3磁性体14的磁性体结构的动作。根据前述的励磁电路 (图3中的18。将在后面说明。)，在某个瞬间，在A相线圈和B相线圈 的电磁线圈16、18产生图1(1)所示的励磁图形。
此时，在A相线圈组10的面对永久磁铁14侧的表面的各个线圈16 按照→S→N→S→N→S→的图形产生磁极，在B相线圈组12的面对永久 磁铁14侧的表面的线圈18按照→N→S→N→S→N→的图形产生磁极。 永久磁铁和各相线圈的磁性关系如图所示，在同极之间产生排斥力，在 异极之间产生吸引力。
在下一个瞬间，如(2)所示，通过驱动电路18A施加给A相线圈 的脉冲波的极性反转时，在(1)的A相线圈组10的线圈16产生的磁极 和永久磁铁20的磁极之间产生排斥力，另一方面，为了在B相线圈组 12的线圈18产生的磁极和永久磁铁20的表面磁极之间产生吸引力，如 图1(1)～图2(5)所示，永久磁铁14依次向图示右方向移动。
向B相线圈组12的线圈18施加相位与A相线圈的励磁电流发生偏 移的脉冲波，如图2(6)～(8)所示，B相线圈组12的线圈18的磁极 和永久磁铁20的表面磁极排斥，使永久磁铁14继续向右方向移动。(1)～ (8)表示转子14进行对应于π的旋转的情况，(9)以后表示同样进行对 应于剩余的π→2π的旋转。这样，通过向A相线圈组和B相线圈组提供 相位偏移的规定频率的驱动电流(电压)信号，而使转子旋转。
另外，如果使A相线圈组、B相线圈组和永久磁铁形成为圆弧状， 则图1所示的磁性结构成为构成旋转电机的结构，如果使它们形成为直 线状，则该磁性结构成为构成线性电机的结构。除壳体、转子等的永久 磁铁和电磁线圈之外的部分，利用作为非磁性体的树脂(包括碳系列)、 陶瓷系列实现轻量化，不使用轭铁而形成为磁回路的开放状态，从而不 会产生铁损，可以实现功率重量比良好的旋转驱动体。
根据该结构，由于永久磁铁可以从A相线圈和B线线圈接受磁力而 动作，因而永久磁铁产生的转矩变大，转矩/重量平衡良好，因此能够提 供以高转矩驱动的小型轻量电机。
图4是表示用于向A相线圈组的磁性体的电磁线圈16和B相线圈 组的电磁线圈18施加励磁电流的驱动电路18A的一例的方框图。该驱动 电路构成为分别向A相电磁线圈16和B相电磁线圈18提供所控制的脉 冲频率信号。符号30表示石英振荡器，符号31表示M-PLL电路31， 该电路用于将该振荡频率信号进行M分频以产生基准脉冲信号。
符号34表示产生与由永久磁铁构成的转子14的旋转速度相对应的 位置检测信号的传感器(例如，后面所述的检测永久磁铁的磁场变化的 霍尔元件传感器)。符号34A表示向A相电磁线圈的驱动电路提供检测 信号的A相侧传感器，符号34B表示向B相电磁线圈的驱动电路提供检 测信号的B相侧传感器。
来自该传感器34A、B的检测信号分别输出给用于向各相线圈组提 供励磁电流的驱动器32。符号33表示CPU，向M-PLL电路31和驱动 器32输出规定的控制信号。所述驱动器32构成为直接地向电磁线圈提 供来自传感器的检测信号，或者对来自传感器的检测信号进行PWM控 制，并提供给电磁线圈。符号31A表示用于向驱动器提供PWM控制用 的基准波的控制部。A相线圈组用的磁性传感器34A和B相线圈组用的 磁性传感器34B如前面所述，设置相位差以分别检测永久磁铁的磁场， 但也可以根据需要进行检测信号的相位控制，并提供给驱动器32。符号 35表示传感器相位控制部。
图5是电机的立体图，(1)表示该电机的立体图，(2)表示转子的 概要俯视图，(3)表示其侧视图，(4)表示A相电磁线圈组，(5)表示 B相电磁线圈组。所赋予的符号与前述图中对应的构成部分相同。
该电机具有相当于定子的一对A相线圈组10和B相线圈组12，并 且具有构成转子的前述永久磁铁14，在A相线圈组和B相线圈组之间配 置有转子14并使其以轴37为中心自由旋转。旋转轴37被压入位于转子 中心的旋转轴用开口孔中，以使转子和旋转轴一起旋转。如图5的(2)、 (4)、(5)所示，在转子上沿圆周方向均等地设有6个永久磁极要素20， 并且永久磁极要素的极性交替地相反配置，在定子上沿圆周方向均等地 设有6个电磁线圈。
A相传感器34A和B相传感器34B错开相位地(相当于π/6的距离) 设在A相线圈组的壳体内面侧壁上。A相传感器34A和B相传感器34B 的相位彼此错开，以便对提供给A相线圈16的频率信号和提供给B相 线圈18的频率信号设定规定的相位差。
作为传感器，可以根据伴随永久磁铁的运动的磁极变化来检测永久 磁铁的位置，优选利用了霍尔效应的霍尔元件。通过使用该传感器，在 把从永久磁铁的S极到下一个S极设为2π时，无论永久磁铁位于哪个位 置，都能够利用霍尔元件检测永久磁铁的位置。
下面，说明本发明的原理。
图6(1)表示向线圈提供矩形波时的线圈两端的电位变化。(2)表 示线圈两端的反电动势波形。(3)表示线圈两端的消耗电流波形。图7 是用于说明位于两相线圈组之间的永久磁铁沿图示右方向运动时在线圈 中产生的反电动势的原理图。
反电动势(V)利用Bh*Cl*P定义，Bh[T]表示水平磁通密度(线圈 中心部)，Cl(m)表示线圈长度，P[m/s]表示线圈的移动速度。在A相 线圈16中产生利用8-1表示的正弦波状的反电动势波形，在B相线圈 18中产生利用8-2表示的、具有基于A相线圈组的排列和B相线圈组 的排列之间的相位差的相位差的正弦波用反电动势波形。
图6(3)的TT部区域的两端电压表示施加电压和反电动势之差， 由于电位差较大，所以电流变大。为此，虽然电机的产生转矩变大，但 电机的效率降低。效率(η)利用η＝(机械输出/输入电压)*100(％) 来定义。
另一方面，图8(1)表示向线圈两端施加与反电动势波形相同的正 弦波系列信号(供给电压波形)时的线圈两端的电压波形。(2)表示线 圈的消耗电压波形。在(2)的区域TT中示出的线圈两端电压，由于供 给电压波形和反电动势波形之差，只产生波形失真，线圈两端的消耗电 流波形通过比较图6(2)的纵轴刻度和图8(2)的纵轴刻度可知，属于 非常小的电流值。因此，前述的效率被大幅改善。通过改善波形失真， 效率进一步提高。模拟输出式的霍尔元件可以输出相当于反电动势波形 的波形。这样，通过以与反电动势的波形相同的波形使线圈励磁，与以 矩形波使线圈励磁时相比，效率提高2-3倍。因此，在把该电机应用于 负荷时，在重视负荷的动作起动和急剧加速时的起动转矩的情况下，向 线圈提供矩形波形，在电机稳定动作时，向线圈提供正弦波，从而可以 一并实现驱动特性和效率。
图9是利用模拟方式传感器(霍尔元件传感器)直接驱动驱动器的 驱动电路的方框图。即，该传感器如后面的图10(1)所示，由于产生最 接近反电动势波形的正弦波状的输出波，所以通过向线圈直接提供来自 该传感器的输出，可以使电机以最大效率运转。符号100表示传感器输 出的放大器。101表示转子的正转或反转控制电路。通过强制反转提供给 A相或B相的来自传感器的检测波形的极性，可以控制转子的旋转方向。 93表示提供给该控制电路的指令信号的形成部。来自A相传感器34A的 检测信号被放大后提供给A相线圈。来自B相传感器34B的检测信号被 放大后提供给B相线圈。
图10表示驱动电路中的波形控制状态，(1)表示来自A相传感器的 模拟输出波形(正弦波形)。(2)表示来自B相传感器的输出波形。如前 面所述，两个传感器被配置成具有相位差，所以相位偏移。(3)表示提 供给A相线圈的A1相驱动波形(图3中的端子A1→A2的方向的电压 波形)，(4)表示提供给A相线圈的A2相驱动波形(图3中的端子A2 →A1的方向)。(5)表示提供给B相线圈的B1相驱动波形，(6)表示 B2相驱动波形。(7)表示A相线圈组之间的两端(A1-A2间)波形， (8)表示B相线圈组之间的两端(B1-B2间)波形。传感器的正弦波 输出波形提供给各个相的线圈组。
图11是用于把来自传感器的模拟输出转换为矩形波并提供给线圈组 的驱动电路的方框图。如前面所述，在需要使电机以较高转矩运转时， 向线圈提供矩形波是有意义的。利用未图示的旋转速度传感器检测电机 的旋转速度，在电机的旋转速度达到规定值以上时(稳定驱动时)，驱动 电路将传感器的模拟输出值代替矩形波直接提供给线圈组。
在图11中，121表示磁滞控制用的可变电位器(volume)，符号120 表示窗口比较器，符号122表示多路调制器。向窗口比较器提供前述的 各相传感器的输出值，比较传感器输出和磁滞电平的上下限值，形成H 电平信号和L电平信号，其通过多路调制器的开闭控制，作为A1相的驱 动信号或A2相的驱动信号输出。B1相线圈、B2相线圈的驱动也相同。 符号123表示转子的正转或反转的旋转方向控制部。
图12表示图11中所示的驱动电路的波形控制状态的各个波形图， (1)表示A相传感器的正弦波输出波形，(2)表示B相传感器的输出 波形。(3)表示作为A1相驱动信号提供给A相线圈组的频率矩形波形， (4)表示作为A1相驱动信号提供给A相线圈组的矩形波形。(5)和(6) 表示提供给B相线圈组的矩形波形。(7)表示A相线圈组两端的电压波 形，(8)表示B相线圈组两端的电压波形。在图12中，磁滞调制用电位 器也可以通过数字模拟转换器由外部CPU等进行控制。通过使磁滞电平 可变，来变更矩形波的占空比，可以实现电机特性的转矩控制。例如， 在电机起动时把磁滞电平设为最小，牺牲效率，以转矩优先来驱动电机， 而在电机稳定动作时，把磁滞电平设为最大，以高效率优先来驱动电机。
图13是表示如下情况的驱动电路的方框图：传感器的输出被提供给 PWM转换部140，将传感器的模拟输出值与未图示的基本波进行比较， 并控制提供给各相线圈的矩形波的占空比(PWM控制)。即，如图14所 示，各相传感器(1)和(2)的输出被进行占空比控制，如(3)和(4) 所示，成为提供给各相线圈组的两端电压。
图15表示多个永久磁极要素150接合为一体的永久磁铁(转子)14 的俯视图。在图1和2中，转子的各个永久磁极要素之间由非磁性体形 成，而在该实施方式中，转子不经过各个永久磁极要素150之间的中间 区域，永久磁极要素彼此紧挨着。152表示转子的旋转轴，154表示转子。 在该转子的圆周缘部连续排列有多个永久磁极要素。图15所示的结构， 如图16所示，产生三角波的反电动势。因此，如果使各相线圈组用传感 器的检测信号形成为三角波，并将其提供给各相线圈，则可以使电机以 最大效率运转。
如上所述，其他方式的电动电机也同样，效率(工作/功率比)不是 电动电机的固有特性，使用与电动电机所产生的反电动势的波形相同的 波形，使电机的线圈励磁，从而能够以高效率驱动电机自身。即，根据 本发明，可以实现高效率的电机的驱动系统和驱动方法。