CN102647133B - 三相交流电动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及三相交流电动机。该电动机由于端子间阻抗不平衡，所以为各相电压呈不平衡的V形连接的电动机。在该电动机中，检测端子间电压、Y相的电流(Iy)和Z相的电流(Iz)，计算自感的电压分量、互感的电压分量以及由绕组电阻引起的压降分量，求出绕组的感应电压分量。利用该感应电压分量，检测转子的旋转位置(θr)，来控制电动机的电压、电流。

Description

三相交流电动机

技术领域

本发明涉及搭载在汽车、卡车等中的包含控制电路的三相交流电动机。

背景技术

三相交流电压、三相交流电流的电动机被广泛应用于汽车、工业、家电等。并且，为了满足电动机系统的低成本化、小型化和高可靠性的要求，研究出一种不使用编码器的所谓的无传感器速度控制和无传感器位置控制等的电动机，并已经将其产品化。

图30示出以往的、无传感器控制的电动机结构(参照日本特开平7-115789号公报、国际公开第96/05650号)。参照符号2E表示直流电源，参照符号451、452表示流过U相电流Iu的晶体管，参照符号453、454是流过V相电流Iv的晶体管，参照符号455、456表示流过W相电流Iw的晶体管。参照符号457、458、459、45A、45B、45C表示与所述各晶体管反向并联连接的二极管。参照符号45D表示电动机的U相绕组，参照符号45E表示V相绕组，参照符号45F表示W相绕组。参照符号45N表示将所述三相的绕组Y形连接时接点，并且是电位中性点。

参照符号45H表示用于检测U相绕组45D的端子电压的低通滤波器。在利用晶体管通过脉宽调制PWM来控制电动机的电压、电流的情况下，需要除去重叠在端子电压中的高次谐波分量，因而使用了低通滤波器45H。同样地，参照符号45J表示用于检测V相绕组45E的端子电压的低通滤波器。同样地，参照符号45K表示用于检测W相绕组45F的端子电压的低通滤波器。利用这些低通滤波器45H、45J、45K来检测三相各端子电压的基波电压分量。将这些低通滤波器45H、45J、45K的输出向控制部45L输出，检测转子旋转位置信息，由此控制电动机的三相交流电压、三相交流电流。

在上述的图30所示的方法中，由于使用了低通滤波器，所以响应有延迟。因此，在需要急加减速的用途中，由于需要时间上的高速响应，因此存在问题。

另外，在转子停止的情况下、或者在低速旋转的情况下，各绕组的感应电压小，难以检测出转子旋转位置θre。因此，存在不适合于低速旋转下的无传感器控制的一面。此外，在低速旋转中的位置检测困难的情况下，一般使用下述方法：从停止状态到能够进行无传感器位置检测的某种程度的中速旋转速度为止，提高三相电流的频率从低速逐渐到中速的旋转速度以同步运转的方式起动。

作为另一种方法，还存在所谓扩展感应电压方式的从低速旋转到高速旋转为止，能够以快速的响应速度检测转子旋转位置θre的方法等，但需要进行在旋转坐标系中的计算等高精度的计算、需要具有某程度的处理能力的个人计算机，从而存在成本的问题、控制电路部的尺寸的问题等。另外，还由于是利用了根据转子的旋转方向而电感值不同的位置检测方法，所以在转子表面配置均匀的永久磁铁的表面磁铁型转子的情况下，即使是扩展感应电压方式也难以实现低速旋转的转子位置检测。

另外，还存在一种所谓的120°导通方式的无刷电动机的驱动方法。

120°导通方式是对U、V、W相的3相中的2相通电后，依次改变导通相来使电动机旋转的方法。也使用该驱动方法中的特有的无传感器位置检测方法。由于未对3相中的1相通电流，所以利用未通电的相的高次谐波电压少的情况，来检测上述中性点45N为零伏的相位的方法。该无传感器位置检测方法构成简单，能够作出低成本的电动机系统。

但是该方法在绕组的电感大的情况下，存在相电流的切换时所产生的所谓尖峰电压的时间宽度大，无传感器位置检测的时间的检测余量降低的问题。另外，当然不能应用于150°导通方式、180°导通方式、正弦波导通方式等驱动方式。因此，存在低噪声化的限制等问题。

另外，在将以往的三相绕组平衡作为前提的各种无传感器位置检测方法如果在不平衡绕组中会产生各种的问题。

发明内容

本发明是根据上述情况而提出的，其目在于，提供一种在不平衡的V型连接的绕组构成中进行无传感器控制的电动机。

第1方式的电动机的构成为，在三相交流电动机中，将作为电动机的输入的端子或者导线设为X端子、Y端子、Z端子，并具有：配置在上述X端子与Y端子之间的U相绕组WU；配置在上述Z端子与X端子之间的W相绕组WW；检测上述U相绕组WU的U相电压Vu的电压检测单元DVut；检测流过上述U相绕组WU的电流Iy的电流检测单元DIy；检测流过上述W相绕组WW的电流Iz的电流检测单元DIz；计算上述U相绕组WU的感应电压分量Vur的计算单元CVur；以上述计算单元CVur的输出Vur为基础，检测转子的旋转位置θre的位置检测单元POSu，使用上述U相绕组WU的感应电压分量Vur检测转子的旋转位置θre的信息来进行控制。

根据该构成，可以得到即使三相电动机的各绕组的内部阻抗不同，也能够准确地检测出各绕组的感应电压分量，并能够进行无传感器控制的电动机。

第2方式的电动机构成为，在第1方式中，上述计算单元CVur构成为还可以使用U相绕组WU的电阻值Ru计算U相绕组WU的感应电压分量Vur，以进行控制。根据该构成，由于还计算了基于绕组电阻的压降，特别是由于绕组电阻使压降的比率大的小型的电动机中，能够进行更准确的无传感器控制。

第3方式的电动机构成为，在三相交流电动机中，将作为电动机的输入的端子或者导线设为X端子、Y端子、Z端子，并具有：配置在上述X端子与Y端子之间的U相绕组WU；配置在上述Z端子与X端子之间的W相绕组WW；检测上述U相绕组WU的U相电压Vu的电压检测单元DVu；检测流过上述U相绕组WU的电流Iy的电流检测单元Dly；检测上述W相绕组WW的W相电压Vw的电压检测单元DVw；检测流过上述W相绕组WW的电流Iz的电流检测单元DIz；计算上述U相绕组WU的感应电压分量Vur的计算单元CVur；计算上述W相绕组WW的感应电压分量Vwr的计算单元CVwr；以上述计算单元CVur的输出Vur为基础检测转子的旋转位置θre的位置检测单元POSu；以上述计算单元CVwr的输出Vwr为基础检测转子的旋转位置θre的位置检测单元POSw，利用上述U相绕组WU的感应电压分量Vur和上述W相绕组WW的感应电压分量Vwr来检测转子的旋转位置θre的信息，以进行控制。

根据该构成，可以使用二相或者三相的感应电压分量进行无传感器控制，因此能够制作出高精度和高响应性的电动机。

第4方式的电动机构成为，在第3方式中，上述计算单元CVur构成为还使用U相绕组WU的电阻值Ru计算U相绕组WU的感应电压分量Vur，上述计算单元CVwr还使用W相绕组WW的电阻值Rw计算W相绕组WW的感应电压分量Vwr，来进行控制。根据该构成，在在第3方式中还计算由绕组的电阻引起的压降，所以特别是在由绕组电阻引起的压降的比率大的小型的电动机中，能够进行更准确的无传感器控制。

第5方式的电动机构成为，在第3方式中，根据与U相绕组WU相关的信息和与Z相绕组WZ相关的信息，求出V相的感应电压分量Vvr，并利用该感应电压分量Vvr检测转子的旋转位置θre的信息来进行控制。根据该构成，由于能够利用二相或三相的感应电压分量进行无传感器控制，因此能够实现高精度和响应性均被提高的电动机。

第6的方式的电动机构成为，在第1或者第3方式中，利用包括MOSFET等功率元件的半导体元件的键合引线或者导线端子的电阻值，检测在电动机中流过的电流分量，来进行控制。根据该构成，可以使用键合引线等构成电流检测所使用的分流电阻的功能，因此能够实现小型化、低成本化的电动机。

第7的方式的电动机构成为，在第1或者第3方式中，通过测量或估计求出电动机绕组WAA的温度，计算在某个温度下在电阻值Raa的电动机绕组WAA中流过电流Iaa所产生的电阻压降分量VaaR，来进行控制。根据该构成，由于能够考虑了由于电动机绕组的电流通过所产生的压降的温度变化，所以能够提高无传感器位置检测的检测精度。

第8的方式的电动机构成为，将U相绕组WU和V相绕组WV和W相绕组WW进行Y形连接，并具有：检测V相绕组WV的V相电压Vv的电压检测单元DVv；检测V相绕组WV的电流Iv的电流检测单元Dlv；计算V相绕组WV的感应电压分量Vvr的计算单元CVvr2；和以上述计算单元CVvr2的输出Vvr为基础检测转子的旋转位置θre的位置检测单元POSv，使用上述V相绕组WV的感应电压分量Vvr来检测转子的旋转位置θre的信息，以控制U相、V相、W相的电压和电流。根据该构成，能够制作出在将三个的绕组Y形连接的三相交流电动机中，通过检测相电压来进行无传感器位置检测的电动机。

第9的方式的电动机构成为，将U相绕组WU和V相绕组WV和W相绕组WW进行Y形连接，并具有：检测串联连接的U相绕组WU与W相绕组WW的两端的端子间电压Vuw的电压检测单元DVuw2；检测V相绕组WV的电流Iv的电流检测单元Div；检测W相绕组WW的电流Iw的电流检测单元DIw；计算U相绕组WU的感应电压分量Vur与W相绕组WW的感应电压分量Vwr之差Vuwr的计算单元CVuwr2；以上述计算单元CVuwr2的输出Vuwr为基础检测转子的旋转位置θre的位置检测单元POSuw2，并使用上述U相绕组WU与W相绕组WW的感应电压分量Vuwr检测转子的旋转位置θre的信息，以控制U相、V相、W相的电压和电流。根据该构成，能够制作出在将三个的绕组进行Y形连接的三相交流电动机中，检测端子间电压以进行无传感器位置检测的电动机。

第10的方式的电动机构成为，在第1、第3、第8或者第9的方式中，各相的正电流或者负电流的通电电角度幅度为电角度145°到180°的范围。根据该构成，能够制作出通过使各相的电压、电流的通电电角度幅度在145°以上的各种值，使电压、电流的波形更接近正弦波，减少高次谐波，得到在简单的无传感器位置检测中进行低噪声的运转的电动机。

第11的方式的电动机构成为，在第1、第3，第8或者第9的方式中，使各相的电流的波形形状大致为正弦波的电流控制。根据该构成，能够制作出通过进行大致正弦波电流、电压的电动机运转，得到在简单的无传感器位置检测中进行低噪声的运转的电动机。

附图说明

图1是本发明的一实施例的电动机的纵剖面图。

图2是将转子表面的磁铁的圆周方向形状展开为直线状的图。

图3是将图1的定子的各相磁极与转子对置的面的圆周方向形状展开为直线状的图。

图4是将图3的定子的各相磁极形状变形后的例子。

图5是将图3的定子的各相磁极形状变形后的例子。

图6的(a)是表示图1的线圈的纵形状的主视图，(b)是表示图1的线圈的横形状的侧面图。

图7是将图1的各相的线圈的圆周方向形状展开为直线状的图。

图8是将图7所示的线圈中的、配置在同一槽中的2个线圈统一成一个线圈形状的展开图。

图9是对三相的△形连接的电动机，以三相的电压向量Vu、Vv、Vw为基础，进行通电三相的电流Iu、Iv、Iw等的图。

图10是表示在图1、图8所示的电动机构成中，V形连接的绕组和供给三相电流的逆变器的图。

图11表示图1、图8所示的电动机构成的电压向量、电流向量、转矩的关系的例子的图。

图12是表示图10所示的V形连接的绕组的等价电路的图。

图13是表示根据V形连接的绕组检测转子旋转位置θre的电路构成的图。

图14是表示根据三相的感应电压分量进行转子旋转位置θre的区域判断的关系的图。

图15是表示在图1、图8、图13所示的构成中，进行120°通电的仿真结果。

图16是表示包含图1、图10的构成的速度控制系统的概要的图。

图17表示构成图13所示的要素的运算放大器的变形例子，其(a)表示加减运算器，其(b)表示微分器的例子。

图18是表示从电动机的起动开始就进行速度控制的控制例子的流程图。

图19是表示半导体的集成电路元件的剖面以及内部连接所使用的键合引线等的图。

图20是表示利用恒流电路测量电动机绕组的电阻值以及分流电阻的电阻值的构成例子的图。

图21是表示通过检测三相电动机的Y形连接的相电压来进行无传感器位置检测的构成例。

图22是三相交流、4极、集中缠绕绕组构成的电动机的纵剖面图。

图23是图22所示的电动机的横剖面图。

图24是表示Y形连接的三相电动机的相电压、相电流、端子间电压的关系的图。

图25是Y形连接的三相电动机的等价电路。

图26是通过检测三相电动机的Y形连接的端子间电压来进行无传感器位置检测的构成例子。

图27是在图1、图8、图13所示的构成中，进行150°通电的仿真结果。

图28是在图1、图8、图13所示的构成中，进行180°通电的仿真结果。

图29是在图1、图8、图13所示的构成中，进行正弦波电流控制的仿真结果。

图30是以往的无传感器位置检测的构成例子。

具体实施方式

利用下面的实施例对实施本发明的最佳方式详细地进行说明。

本发明所示的具有三相不平衡绕组的三相交流电动机的例子是上述日本特开平7-115789号公报中所示的电动机，该电动机具有2个环状绕组。其中，具有三相不平衡的绕组的电动机的无传感器控制，由于迄今为止没有与那样不平衡的绕组的电动机相关的尝试，因此据发明者所知，其不是公知技术。

因此，在本发明中，提出一种包含控制电路，简单且低成本的电动机系统。另外，还提出一种被使用贴近日常生活的各种的风扇等的用途中注重安静，极其肃静的电动机构成。

图1至图11表示本发明的对象、即具有三相不平衡的绕组的三相交流电动机的构成例子。

图1是表示其示意性的构成的纵剖面图的例子。参照符号Q11表示转子轴，参照符号Q12表示安装在转子表面的N极永久磁铁以及S极永久磁铁，参照符号Q13表示U相定子磁极，参照符号Q14表示V相定子磁极，参照符号Q15表示W相定子磁极，参照符号Q1A表示定子磁路的背轭(back yoke)部，参照符号Q16表示圆周方向上为环形状的U相绕组，参照符号Q17与Q18表示V相绕组，参照符号Q19表示W相绕组，参照符号Q1B表示电动机壳体，参照符号QIC表示轴承。

图2是将上述永久磁铁Q12的圆周方向的表面形状展开为直线后的图，将圆周方向在纸面上表示为水平方向，并赋予机械角度。参照符号Q21表示N极永久磁铁，参照符号Q22表示S极永久磁铁，为8极转子的例子。

图3是将与图1所示的转子的永久磁铁对置的U、V、W各相定子磁极的圆周方向形状展开为直线状后的图。u相定子磁极Q13、V相定子磁极Q14、W相定子磁极Q15被配置成相互具有机械角30°的相位差，电角度120°的相位差。

与转子的永久磁铁对置的各相定子磁极的形状可以为各种变形。例如还可以如图4所示那样，为长方形的形状。参照符号Q31表示U相定子磁极，参照符号Q32表示V相定子磁极，参照符号Q33表示W相定子磁极。还可以对图4的各定子磁极形状施加变形。

另外，如图5所示，还可以使各相定子磁极的形状为梯形与菱形的组合。参照符号Q41表示U相定子磁极，参照符号Q42表示V相定子磁极，参照符号Q43表示W相定子磁极。各相定子磁极形状的面积相同，相对的相位差为电角度120°。该情况下，通过各定子磁极的磁通的伴随着转子旋转角θre变化的值与图4的为矩形形状的情况相比，更近似正弦波形状，具有降低转矩波动的效果。

图6是图1所示的各相环状形状的绕组，该图(a)为主视图，该图(b)为侧视图。Q16表示环状形状的绕组，U为U相绕组的一端，N为另一端。

图7是将图1以及图6所示的环状形状的各相绕组的圆周方向形状展开为直线状后的图。

在此，图1所示的绕组Q16与Q17是在同一槽中平行卷绕的绕组，可以统一成一个环状绕组。具体而言，可以将图7的负U相绕组Q16与正V相绕组Q17的卷线等价替换为图8的绕组Q71。其中，在绕组Q71中流过的电流是将在U相绕组Q16与V相绕组Q17中流过的电流相加后的值的电流。

此时，图7与图8所对应槽中流动的电流值相同，故电磁上而言完全等价。如图8所示那样，将绕组统一的方式在可使绕组简单化的方面有利。另外，在U相绕组Q16中流过的负的U相电流(-Iu)与在V相绕组Q17中流过的正的V相电流Iv的相位差为电角度60°，故在绕组Q71中流过的它们的和(-Iu+Iv)的电流有效值为统一前的电流有效值的0.866倍，在绕组的焦耳热换算中为平方，故为0.75倍，降低了25％的发热。

同样，图7的绕组Q18、Q19也可以替换为图8的绕组Q72，因而简单化。在图8的绕组的情况下，图1的电动机是绕组为2个的三相交流电动机。

图10示出与三相交流逆变器连接的例子。在绕组Q71的一端45E中流过电流(-Iu+Iv)，在绕组Q72的一端45F中流过电流(-Iv+Iw)，在绕组Q71与绕组Q72的接点45G流过电流(-Iw+Iu)。三相电流Iu、Iv、Iw为相位相互差120°且振幅相同的正弦波时，上述(-Iu+Iv)和(-Iv+Iw)和(-Iw+Iu)为相位相互差120°且振幅相同的正弦波。这里，451、452、453、454、455、456为构成三相逆变器的晶体管。457、458、459、45A、45B、45C为与上述各晶体管反向并联连接的二极管。

如上述那样，图1以及图8所示的电动机由于绕组为环状形状的简单构成的绕组，所以绕组制作容易，且可期待绕组层叠系数的提高。并且，与以往的具有线圈末端(coil end)的电动机相比，具有能够将转子轴向的长度缩短，小型化的特点。

接下来，为了说明图1所示的电动机的绕组Q71、Q72的连接关系与基于逆变器的驱动方法，将一般的三相三角形(delta)连接的电压、电流的关系表示在图9。601为在U相绕组产生的U相电压向量Vu，流过U相电流Iu。602为在V相的绕组产生的V相的电压向量Vv，流过V相电流Iv。603为在W相的绕组产生的W相的电压向量Vw，流过W相电流Iw。由逆变器向三角形连接的各接点分别流入下述的电流。

Ix＝Iu-Iw    (1)

Iy＝Iv-Iu    (2)

Iz＝Iw-Iv    (3)

图10是表示由三相逆变器向图1、图8所示的电动机的U相绕组Q71、W相绕组Q72施加电压、电流的构成的图。逆变器为与图30相同的构成。45G表示X端子，参照符号45E表示Y端子，参照符号45F表示Z端子。在X端子45G与Y端子45E之间连接上述绕组Q71。在Z端子45F与X端子45G之间连接上述绕组Q72。在X端子45G流过X相电流Ix＝Iu-Iw，在Y端子45E流过Y相电流Iy＝Iv-Iu，在Z端子45F流过Z相电流Iz＝Iw-Iv的电流。由于在图1、图8所示的电动机中为省略了V相绕组的构成，所以如与图9和图10比较所示那样，V相电流Iv与U相绕组Q71和W相绕组Q72串联地流过。由于Vv＝-Vu-Vw，所以图10的V相电流Iv与图9的V相电流Iv在原理上为相同功能。

这样，图1所示电动机可以通过2个绕组Q71、Q72，构成所谓的V形连接。虽然是三相的不平衡的2个绕组，但在原理上可以构成三相交流电动机。

图11是表示图1、图8、图10所示的各相电压Vu、Vv、Vw与各相的电流Iu、Iv、Iw合成后的各相电流Ix、Iy、Iz以及转矩Ta、Tb的向量图。在此，将电压向量Vu与电流向量Iu用相同的箭头表示。同样，参照符号Vv与Iv，参照符号Vw与Iw也用相同的箭头表示。另外，绕组电阻、绕组电感可忽略不计。图11的转矩Ta表示图10所示的绕组Q71生成的转矩，是以电压(-Vu)流过(2)式的电流Iy＝Iv-Iu，计算它们的乘积而得到的。图11的转矩Tb表示图10所示的绕组Q72生成的转矩，是以电压Vw流过(3)式的电流Iz＝Iw-Iv，并计算它们的乘积而得到的。转矩Ta与Tb在向量上为正交，它们的和为恒定。因此，即使转子旋转，转矩之和也为恒定值。

以上，对使用2个绕组的不平衡的三相交流电动机的电磁关系进行了说明。由于通过2个环状绕组构成，所以尤其在小型的电动机中能够格外提高绕组层叠系数，且能够提高效率。由于没有线圈末端，所以能够大幅度缩短转子轴向的长度，从而能够小型化。在汽车的辅机所使用的小型的电动机中，定子的磁回路可通过对电磁钢板进行冲压、折弯以及挤压而容易地制作。另外，通过灵活运用定子磁极的形状的自如性，使用廉价的铁氧体磁铁作为转子永久磁铁，在技术上是容易的。因此，由于元件构成简单且部件件数少，因此能够实现低成本化。可期待作为今后的量产用小型电动机。但是，还未确立这样的构成的电动机的无传感器位置检测技术。以下示出了适用于这些电动机的无传感器位置检测的技术。

将图8、图10、图11所示的U相绕组Q71以及W相绕组Q72的等价电路表示在图12。参照符号Vur表示U相绕组的感应电压分量，参照符号Vwr表示W相绕组的感应电压分量。在此，R为绕组电阻，Ls为自感，Lm为互感。在Y相端子流过Iy＝Iv-Iu的电流。在Z相的端子流过Iz＝Iw-Iv的电流。将U相绕组电压设为Vu，将W相绕组电压设为Vw。

尤其，在图1所示的电动机为表面磁铁形的转子的情况下，为下述的电压方程式。

Vu＝Vur-Iy·R-Ls·(dIy/dt)

    -Lm·(dIz/dt)                    (4)

Vw＝Vwr+Iz·R+Ls·(dIz/dt)

    +Lm·(dIy/dt)                    (5)

由于该电动机为使用2个绕组驱动的不平衡的三相交流电动机，所以为特有的电压方程式。其中，还可以改变各电压、各电流等的定义，将等价的内容以不同的形式表现。

若求两相感应电压分量Vur、Vwr，则为下面的式子。

Vur＝Vu+Iy·R+Ls·(dIy/dt)

     +Lm·(dIz/dt)                  (6)

Vwr＝Vw-Iz·R-Ls·(dIz/dt)

     -Lm·(dIy/dt)                  (7)

通过检测各控制变量的值Vu、Vw、Iy、Iz，能够求出各电压分量Vur、Vwr。并且，可以利用这些感应电压分量求出转子的电角度的旋转位置θre。

图13是表示(6)式、(7)式等所示的三相交流电动机的无传感器位置检测的电路的例子的图。该电路可以利用模拟电路的要素构成，可以利用数字电路的要素构成，还可以利用使用个人计算机的软件构成。

在该图13中，参照符号NB1表示用于检测Y相电流Iy的分流电阻。参照符号NB2表示用于检测Z相电流Iz的分流电阻。这些分流电阻NB1、NB2通常不配置在绕组的附近，而是配置在逆变器等控制电路的附近来使用。参照符号351表示X端子，352表示Y端子，354表示Z端子。参照符号353表示Y相电流检测用的分流电阻NB1的另一端，355表示Z相电流检测用的分流电阻NB2的另一端。

参照符号NB3表示U相电压Vu的检测单元，其输出为U相电压检测值Vus。NB4表示W相电压Vw的检测单元，其输出为W相电压检测值Vws。参照符号NB5表示Y相电流Iy的检测单元，其输出为Y相电流检测值Iys。参照符号NB6表示Z相电流Iz的检测单元，其输出为Z相电流检测值Izs。参照符号NB7表示微分器，其获取Y相电流检测值Iys的微分值(dIy/dt)。参照符号NB8表示微分器，其获取Z相电流检测值Izs的微分值(dIz/dt)。

参照符号NB9是计算U相的感应电压Vur的运算器，其进行(6)式所示的计算，即、与作为电动机参数的R、Ls、Lm的比例计算和加减计算。具体而言，如(6)式那样，将对U相电压检测值Vus与Y相电流检测值Iys乘以电阻值R后的值(Iy·R)、对Y相电流检测值Iys的微分值乘自感Ls后的值Ls·(dIy/dt)和对Z相电流检测值Izs的微分值乘互感Lm后的值Lm·(dIz/dt)分别相加。运算器NB9的输出NBH为U相感应电压分量Vur。

参照符号NBA表示计算W相的感应电压Vur的运算器，其进行(7)式所示的运算，即、与作为电动机参数的R、Ls、Lm的比例计算与加减运算。具体而言，如(7)式那样，将对W相电压检测值Vws与Z相电流检测值的负的值(-Izs)乘以电阻值R后的值(-Iz·R)、对Z相电流检测值的负的值(-Izs)的微分值乘自感Ls后的值Ls·(-dlz/dt)、和对Y相电流检测值的负的值(-Iys)的微分值乘互感Lm后的值Lm·(-dIy/dt)分别相加。运算器NBA的输出NBJ为W相的感应电压分量Vwr。

参照符号NBB表示滤波器，其除去噪声等高次谐波分量。在用于检测各相绕组的感应电压的理论的观点上并不需要滤波器。输出为U、V、W相的三相感应电压分量Vur、Vvr、Vwr。此外，在滤波器NBB中，由于将平衡三相交流电压中的2相交流电压Vur、Vwr作为输入，所以也可以将V相感应电压分量Vur计算为(-Vur-Vwr)并输出。将这些三相感应电压分量的例子在表示在图14。图14的横轴为以电角度表示的转子旋转位置θre。

参照符号NBC表示用比较器比较三相感应电压分量Vur、Vvr、Vwr的正负后输出信号NBD、NBE、NBF，它们如图14的Pu、Pv、Pw所示那样，向逻辑信号变换。利用这些逻辑信号Pu、Pv、Pw，可以识别Puvw所示的转子旋转位置θre的每60度的区域A1、A2、A3、A4、A5、A6。并且，利用三相感应电压分量Vur、Vvr、Vwr，可以进行更细致的区域判定。或者，更详细的转子旋转位置θre的检测也可以利用公知的三角函数的运算等，较容易地进行。

图15是在图10的构成中，以所谓的120°导通方式控制电动机时的各部的电压、电流的仿真结果的例子。横轴为以电角度表示的转子旋转位置θre。将图10的直流电压源2E的负侧设为0伏时的45G、45E、45F的电位为图15的Vx、Vy、Vz。其结果，施加在U相绕组Q71的电压以及施加在W相绕组Q72的电压为图15的Vu、Vw。并且，Iy＝Iv-Iu、Iz＝Iw-Iv为Y相电流和Z相电流。

(6)式所示的U相绕组的自感Ls的电压分量为(Ls·dIy/dt)，互感的电压分量为(Lm·dlz/dt)。(7)式所示的W相绕组的自感Ls的电压分量为(Ls·dlz/dt)，互感的电压分量为(Lm·dly/dt)。利用这些电压、电流并根据(6)式、(7)式计算的三相感应电压分量为图15的Vur、Vvr、Vwr。其中，Vvr被得到为(-Vur-Vwr)。以上，如表示仿真结果的例子那样，能够从复杂的形状的电压信号、电流信号中检测出三相正弦波形状的感应电压分量Vur、Vvr、Vwr。

图16是表示进行旋转速度控制的电动机控制系统整体的概要的图。图16的例子不是对三相交流电动机的电压以及电流进行严格控制的系统，而是利用比较小型的电动机，构成控制简单且低成本的电动机系统的例子。

参照符号NC9表示控制对象的电动机。在图16中，该电动机NC9以外的部分表示电动机的电路部CRB。

U相绕组Q71、W相绕组Q72、Y相电流检测用的分流电阻NB1，以及Z相电流检测用的分流电阻NB2与图13的相同。进行图13的其他检测以及运算的部分为无传感器位置检测单元NCB。NCE为电流信息，NCC为转子旋转位置θre等位置信息。NCD为速度检测单元，其输出ωre为转子的旋转速度信号。

参照符号ωrc表示速度指令，使用加减运算器NC1求出其与转子旋转速度ωre的差量后，向电流控制单元NC3输出。电压控制单元NC5将电流控制单元NC3的输出、即电流振幅指令NC4和上述位置信息NCC作为输入，并输出U相电压指令NC6以及W相电压指令NC7。

其中，上述位置信息NCC为图14的各信号等，基于这些信息如图15的Vx、Vy、Vz所示那样，向电动机的各端子施加电压来取得转子旋转位置信息，并控制施加时机和施加区间。

参照符号NC8为包含功率晶体管的功率转换器，其控制电动机的电压与电流。利用作为NC8之一的所述电流信息NCE，进行向电动机的绕组流过过大电流的情况下的电流限制，来进行功率晶体管以及电动机绕组的过电流保护。尤其在汽车的辅机用的小型电动机的控制中电池电源电压为12伏左右的低电压，与200伏系的电动机控制相比，其为低电压大电流电动机，对过电流保护的控制法存在不同之处。

接下来，对图13所示的各检测单元、各运算单元的具体的实现方法的例子进行说明。图17为运算放大器的例子，使用这些运算放大器构成图13的运算。图17的(a)为加减运算器，参照符号1N1为输入信号之一，将其电位设为V1，参照符号IN2表示输入信号之一，将其电位设为V2，参照符号VSG为公共电位VC，参照符号RR1为电阻器，将其电阻值设为RV1，参照符号RR2表示电阻器，将其电阻值设为RV2，若参照符号OUT1的输出电位为VO，则它们的关系为下式。

(V0-VC)＝{(V1-VC)-(V2-VC)}×RV2/RV1    (8)

       ＝(V1-V2)×RV2/RV1              (9)

并且，如果公共电位VC为零伏，则为下式。

V0＝(V1-V2)×RV2/RV1                   (10)

该(10)式为进行加减(V1-V2)和放大(RV2/RV1)的加减运算放大器。因此，可以使用于检测单元NB3、NB4、NB5、NB6等。另外，图17的(a)也可通过并联地附加输入电阻RR1来取得多输入。上述运算器NB9、NBA为4输入的加减运算器，因此可以应用图17的(a)构成。

上述滤波器NBB为低通滤波器，因此例如可以通过安装与图17的(a)的电阻器RR2并联连接的电容器来构成。上述比较器NBC可以通过将电阻器RR2设为较大的值的电阻值来实现。

图17的(b)为微分器，IN3为输入信号，将其电位设为V3，CC1为电容器，将其值设为CV1，RR4为电阻器，将其电阻值设为RV4，若OUT2的输出电位为VO，则它们的关系为次式。

(V0-VC)＝-CV1×RV4×d(V3-VC)/dt    (11)

并且，若公共电位VC为零伏，则为下式的微分器。

V0＝-CV1×RV4×d(V3)/dt            (12)

因此，可以应用于上述微分器NB7、NB8。如以上所示那样，图13的各电路可以利用运算放大器来构成。

另外，图13的各构成要素还可以通过运算放大器和数字逻辑电路构成。或者、可以利用AD转换器将模拟电压信号转换为数字信号后，通过数字逻辑电路来构成。或者，还可以构成为将模拟电压信号使用AD转换器转换为数字信号后，使用微型计算机利用其软件进行控制。这样，将图13所示的各功能具体化的硬件可以有多种选择。

如图16的例子所示那样，表示了不必对电动机NC9安装转子旋转位置检测用的编码器，就能够进行速度控制的例子。但是，在起动时，转子不旋转，上述的各相感应电压分量为Vur、Vvr、Vwr，若使用图13的方法，则无法检测出转子旋转位置θre。而在该方法的情况下，在某旋转速度以下，强制性地流过各相电流，从而利用同步电动机的同步特性起动。虽然难以作为多用于旋转速度接近零的伺服电动机使用，但例如在作为风扇等使用中，可使用特定的特殊方法起动，其大半运转时间可以通过无传感器控制，高效地驱动电动机。

图18是将由电动机的电路部CRB所执行的、运转顺序的例子用流程图表示的图。该运转顺序被用于作为风扇等使用的情况。

如图18所示，通过起动来开始电动机运转，在步骤421中判定是否完成“在起动位置的定位”。在未完成“在起动位置的定位”的情况下，执行步骤422的“在起动位置的定位”。在起动位置的定位例如为，使各相电流为特定的恒流，来使转子定位于同步位置的动作。

在执行步骤422的“在起动位置的定位”后，进入步骤423的起动。在步骤421中为完成“在起动位置的定位”的情况下，进入步骤423的起动。

在步骤423的起动中判定是否为“起动开始”的状态，如果是“起动开始”的状态，则进行步骤424的起动动作。起动动作例如借助进行在起动位置的定位的电流而从静止状态逐渐加速，以使得逆变器的频率上升，并利用电动机的同步转矩使转速上升。在步骤423中不是“起动开始”的状态，而是已经以某个旋转速度进行旋转的情况下，进入到下一步骤425。

在步骤425中，判定是否为规定转速Nmin以上，并且是否能够利用上述的各相感应电压分量Vur、Vvr、Vwr检测出转子的旋转位置θre。在无法检测到转子旋转位置、或者在规定转速Nmin以下的情况下，返回步骤421，继续起动动作。在规定转速Nmin以上的情况下，进入步骤426。

在步骤426中进行无传感器位置检测，进行图16所示那样的速度控制。即、按照速度指令ωrc，控制转子的旋转速度ωre。在图18中示出在风扇等的用途中的运转顺序的例子，在旋转结束的指令到来为止继续该速度控制。

在步骤427中进行“旋转结束”的判定。在不是“旋转结束”的情况下，返回步骤421，继续速度控制。在有“旋转结束”的指令的情况下，进入步骤428，切断电动机各相的电流后，结束。

此外，在需要迅速减速的情况下，还可以按照产生负转矩的方式进行速度控制。另外，即使在上述的规定转速Nmin以下需要迅速减速的情况下，也与起动时的加速同样地，可以流过强制的电流来利用同步转矩迅速减速。上述的强制的电流是指使图10的逆变器输出的三相电流以某振幅且同步转速下通电，使该电流的频率降低，产生同步转矩，来控制电动机的速度的方法。该强制的速度控制可以在无法进行无传感器位置检测的起动以及停止时使用。但是，由于此时功率因数低，所以电动机效率降低。利用该强制的电流产生同步转矩来进行转速控制的方法是极其一般的被使用的方法。

此外，如图13、图15等所示那样，能够进行图1、图10等所示的电动机的无传感器位置检测。并且，能够利用上述区域信号A1、A2、A3、A4、A5、A6等进行该电动机的电压、电流控制。在上述的无传感器位置检测中，即使图10所示的功率晶体管进行基于脉冲宽度调制PWM的电压的导通/截止控制时，也能够连续准确地检测三相的感应电压分量Vur、Vvr、Vwr。因此，如后面所示，能够应用于三相交流电动机的所谓的120°导通方式的电动机控制、150°导通方式的电动机控制、180°导通方式的电动机控制或者三相正弦波电流驱动方式的电动机控制等各种方式。

接下来，对上述实施例中的、与本发明的特征相关的各种方式进行说明。

首先，说明第1方式。

在图13及其说明中，示出了检测U相的感应电压Vur、W相的感应电压Vwr，来检测转子的旋转位置信息的方法。是不使用编码器等位置检测器的所谓的无传感器位置检测。在无传感器位置检测中也有各种需求，例如需要提高位置检测分辨率的用途、注重无传感器位置检测的响应速度的用途、成本优先的用途、追求可靠性的用途等。这里，在风扇等的旋转速度控制中，虽然需要旋转速度的增减，但多为需要进行急剧的加减速的必要性低之类的用途。在这样的情况下，仅利用U相的感应电压Vur的单相电压检测就能够充分地进行速度控制。

在仅检测U相的感应电压Vur的情况下，在图13的检测电路中，不需要W相用的NB4和NBA，并能够简化NBB与NBC的W相部分。并且，还能够小型化、低成本化。

另外，由于在高效率电动机中将绕组电阻设计得较小，所以绕组电阻R为较小的值，在无传感器位置检测的计算中可以被忽略不计。在这样的情况下，在运算器NB9的U相的感应电压的计算中，能够省略绕组电阻的压降(IY·R)的计算。

接下来，说明第2方式。

在小型的电动机中，例如在电动机效率为50％到80％左右的电动机中，绕组电阻R的压降(IY·R)变大。在该情况下，求出绕组电阻的压降(IY·R)并通过进行U相的感应电压的计算，能够检测更准确的U相的感应电压Vur。并且，能够检测更准确的转子旋转位置。

接下来，说明第3～第5方式。

以某种程度要求无传感器位置检测的响应速度，并且，位置检测分辨率也被要求为某种程度的情况下，适用图13及其说明所示的二相无传感器位置检测或者三相无传感器位置检测。其中，如果能够检测U相的感应电压Vur和W相的感应电压Vwr，则V相的感应电压能够以Vvr＝-Vur-Vwr求得，从而能够实现三相感应电压检测。另外，由于在高效率电动机中绕组电阻被设计得较小，所以绕组电阻R为较小的值，在无传感器位置检测的计算中可以忽略不计。

在小型的电动机中，例如在电动机效率为50％到80％左右的电动机中，绕组电阻R的压降(IY·R)变大。该情况下，计算各相绕组电阻的压降量，通过进行三相各相的感应电压的计算，能够进行更准确的无传感器位置检测。因此，加减速运转也能够被更快速地进行。

其中，根据图14所示的各相感应电压分量Vur、Vvr、Vwr的值，如Puvw所示那样，将电角度360°的范围分为每个电角度为60°的区域A1、A2、A3、A4、A5、A6来进行区域检测，并且还能够进行高分辨率的位置检测。如周知那样，在理论上和数学上，根据Vur、Vvr、Vwr的值能够进行无限大的分辨率的位置检测。在实际中，由于电流、电压的检测误差、电动机的不完全性、噪声等为有限的分辨率的无传感器位置检测。

接下来，对第6方式进行说明。

作为电流检测用的分流电阻，图19表示了利用驱动电路用的集成元件LS I的键合引线或者导线端子的电阻值的方法，并进行说明。小型电动机的驱动电路不断高集成化，控制电路与功率晶体管的全部集成在一个半导体晶片中的情景也在增加。在该情况下，存在从半导体元件向电动机直接布线，省略以往使用的印刷电路基板的情况。在这样的使用方法的情况下，电流检测用中存在分流电阻的大小和其发热量的问题。

在图19中，参照符号NE5表示包括MOSFET等控制电动机电流的功率晶体管的集成电路。参照符号NE3表示半导体的芯片、NE4表示键合引线、NE2表示与集成电路NE5的外部电连接用的导线端子。参照符号NE1表示树脂等封装体。

在此，电动机的电流是通过键合引线NE4和导线端子NE2进行供给的，因此可以将它们作为检测电动机的电流值的分流电阻来使用。具体而言，可以将键合引线NE4或者导线端子NE2例如代替图13的分流电阻NB1来使用。

作为分流电阻器所要求的特性，有放热特性、电阻值精度、电阻值的温度变化特性。对于放热特性，通常由于电阻值被设计得非常小，因此不存在发热的问题。相反，存在检测电压小的问题，但可以通过在其附近设置差分放大器来解决。对于电阻值精度，也存在允许其偏差、或者分别独立地测量电阻值的方法。对于电阻值的温度变化特性，可以测量电阻值的变化、或者测量附近的温度来进行温度补偿。此外，键合引线NE4的功能为电连接，还可置换为其他的电连接体。

接下来，对第7的方式进行说明。

考虑由于电动机绕组的电流所引起的压降。如图13所示那样，上述的检测出的电流值Iy、Iz用于由电动机绕组的电流所引起的压降(IY·R)、(Iz·R)的计算。对于电动机绕组，通常使用铜线，铜的温度系数约0.4％/℃，因此当100℃的温度变化时，电阻值变化40％。尤其是，在100W以下的小型电动机中，绕组电阻的压降分量大，为了在图13的构成中提高无传感器位置检测的精度，需要提高电动机绕组的电阻值的精度。

图20示出测量电动机绕组的电阻值的例子。NL1表示电动机的绕组，NL2表示电流检测用的分流电阻，Ia表示电动机电流。

现在，作为例子考虑电动机不连续使用，而经常停止的用途。即，存在电动机电流Ia为零时之类的用途。在这样的时刻，使晶体管NL3与低电流电路NL4动作，并通过流过电流Iss来测量电动机绕组的两端电压Vss，能够测量绕组电阻的值(Vss/Iss)。同时，同样地还能够测量分流电阻器NL2的电阻值。其中，VM为正侧的电源电压，VL为负侧的电源电压。

这样，能够准确地计算由电动机绕组的电流引起的压降(IY·R)、(IZ·R)。

此外，通常，因(6)、(7)式的电感而导致的电压分量对电动机的温度的影响小。而且，相反还能够根据绕组的电阻值的变化来测量、估计绕组温度，并能够用于电动机的异常检测、保护。

作为其他的降低温度影响的方法，即使在连续使用电动机的情况下，也能够测量电动机的电阻值。例如，电动机在旋转中的数msec间，电动机电流Ia为零。并且，在该短时间内使电流Iss改变，并测量其间的绕组电压。此时，利用Iss的多个电流值，能够除去表示比较缓慢的时间变化的感应电压分量。即使将电动机电流Ia切断极短时间，在多数的用途中也不存在问题。

另外，电动机的电流值的检测还可以利用功率元件、即MOSFET的电流镜电路来进行。对于此时的检测电流值的偏差、温度变化，也可以通过基于传感器部的偏差测量、传感器部的温度特性的修正等高精度化。另外，由于绕组的感应电压分量与转速成正比，所以能够进行转子的旋转速度检测。在该情况下，考虑永久磁铁的温度特性，能够修正并检测。尤其，该方法是在小型电动机的量产中，将控制电路部与电力变换部高集成化到一个芯片中，小型化、低成本化的情况下，由于不需要外加的分流电阻等，所有是有效的电流检测方法。

接下来，对第8方式进行说明。

图21表示了具有平衡的三相绕组的三相交流电动机的无传感器位置检测的构成例子。三相绕组为Y形连接的例子。参照符号NBK表示三相交流电动机的U相绕组，NBL表示V相绕组，NBM表示W相绕组。参照符号NBN表示U相端子，且将U相端子的电位设为Vuu，施加在U相绕组NBK的电压为Vu，流过电流Iu。参照符号352表示V相端子，并将V相端子的电位设为Vvv，施加到V相绕组NBL的电压为Vv，流过电流Iv。参照符号354表示W相端子，将W相端子的电位设为Vww，施加在W相绕组NBM的电压为Vw，流过电流Iw。

Y形连接的三相交流电动机的具体的例子可以将具有图1所示的环状绕组的构成的电动机应用于三相绕组化的构成的电动机。另外，还可以应用于在小型电动机中被广泛使用的集中缠绕的三相交流电动机。

图22表示集中缠绕的三相交流电动机的纵剖面图，图23表示图22所示的电动机的横剖面图，4极的电动机例子。

图22的参照符号511表示转子输出轴，519表示转子表面的永久磁铁，512表示转子的背轭。514表示定子铁芯，515表示定子绕组的线圈末端部。参照符号516表示电动机壳，513表示轴承。

作为三相交流电动机的横剖面图的图23为作为纵剖面图的图22的剖面AA-AA的剖面图。参照符号TBU1与TBU2表示U相的定子磁极，参照符号WBU1与WBU2通过U相的集中缠绕的绕组串联连接。参照符号TBV1与TBV2为V相的定子磁极，参照符号WBV1与WBV2通过V相的集中缠绕的绕组串联连接。参照符号TBW1与TBW2为W相的定子磁极，WBW1与WBW2通过W相的集中缠绕的绕组串联连接。这些定子的三相绕组如图21的NBK、NBL、NBM所示为Y形连接。

接下来，对这些Y形连接的三相交流电动机的电压方程式进行说明。特别是，在图21所示的电动机为表面磁铁形的转子的情况下，为下述的电压方程式。

Vu＝Vur+Iu·R+Ls·(dIu/dt)

-Lm·(dIv/dt)-Lm·(dIw/dt)    (13)

Vv＝Vvr+Iv·R+Ls·(dIv/dt)

-Lm·(dIu/dt)-Lm·(dIw/dt)    (14)

Vw＝Vwr+Iw·R+Ls·(dIw/dt)

-Lm·(dIu/dt)-Lm·(dIv/dt)    (15)

在此，各相绕组的电阻值为R，各相绕组的自感为Ls，各相绕组的互感为Lm，U相绕组的感应电压分量为Vur，V相绕组的感应电压分量为Vvr，W相绕组的感应电压分量为Vwr。其中，对(13)、(14)、(15)式的各互感Lm的各值，一般地分别为不同值，但特别是在表面磁铁形的转子的情况下，几乎可以作为同一值来处理。

另外，若将U相端子NBN相对W相端子354的电压设为Vuw，将V相端子353相对U相端子NBN的电压设为Vvu，将W相端子354相对V相端子353的电压设为Vwv，则满足下述式的关系。

Vuw＝Vu-Vw    (16)

Vvu＝Vv-Vu    (17)

Vwv＝Vw-Vv    (18)

另外，三相电动机的各相并不局限于正弦波电压以及正弦波电流，成下述式的关系。

Iu+Iv+Iw＝0       (19)

Vuw+Vvu+Vwv＝0    (20)

将(13)、(14)、(15)式变形，代入(19)式则为下式。

Vur＝Vu-Iu·R-Ls·(dIu/dt)

     +Lm·(dIv/dt)+Lm·(dIw/dt)

     ＝Vu-Iu·R-(Ls+Lm)·(dIu/dt)  (21)

Vvr＝Vv-Iv·R-(Ls+Lm)·(dIv/dt)    (22)

Vwr＝Vw-Iw·R-(Ls+Lm)·(dIw/dt)    (23)

在图21的无传感器位置检测中，根据(22)、(23)式，求出V相绕组的感应电压分量Vvr、W相绕组的感应电压分量Vwr，然后，将U相绕组的感应电压分量Vur利用下式推定计算，利用三相感应电压分量检测转子旋转位置。

Vur+Vvr+Vwr＝0    (24)

图21的参照符号NB3表示V相的电压检测单元，与图13为相同的构成、作用，其根据V相绕组NBL的两端电位检查V相电压Vv。参照符号NB4表示W相的电压检测单元，其根据参照符号W相绕组NBM的两端电位检测W相电压Vw。参照符号NB5表示V相的电流检测单元，根据分流电阻NB1的两端电位检查V相电流Iv。参照符号NB6表示W相的电流检测单元，其根据分流电阻NB2的两端电位检查W相电流Iw。NB7为微分器，其取得V相电流检测值Ivs的微分值(dlv/dt)。参照符号NB8表示微分器，其取得W相电流检测值Iws的微分值(dIw/dt)。此外，图13与图21所示NB3、NB4、NB5、NB6、NB7、NB8的各构成为相同的功能。

图21的参照符号NBQ表示计算V相的感应电压Vvr的运算器，其进行(22)式所示的计算、即与电动机参数R、Ls、Lm之间的比例计算和加减计算。具体而已如(22)式那样，将对V相电压检测值Vvs与V相电流检测值的负的值(-Ivs)乘以电阻值R后的值(-Iv·R)、对V相电流检测值的负的值(-Ivs)的微分值乘以自感Ls后的值Ls·(-dlv/dt)、和对V相电流检测值的负的值(-Ivs)的微分值乘以互感Lm后的值Lm·(-dlv/dt)分别进行加法计算。运算器NBQ的输出NBS为V相的感应电压分量Vvr。

图21的参照符号NBR表示计算W相的感应电压Vwr的运算器，其进行(23)式所示的计算，即、与电动机参数R、Ls、Lm之间的比例计算和加减计算。具体而言如(23)式的那样，将对W相电压检测值Vws与W相电流检测值的负的值(-Iws)乘以电阻值R后的值(-Iw·R)、对W相电流检测值的负的值(-Iws)的微分值乘以自感Ls后的值Ls·(-dlw/dt)、和对W相电流检测值的负的值(-Iws)的微分值乘以互感Lm后的值Lm·(-dlw/dt)分别进行加法运算。运算器NBA的输出NBT表示W相的感应电压分量Vwr。

图21的滤波器NBB以及比较器NBC的功能与图13的各个为相同的功能。它们的输出NBD、NBE、NBF为图14的Pu、Pv、Pw所示那样的逻辑信号。与图13的情况同样，可以检测转子的旋转位置。

利用图21及其说明，示出了检测V相的感应电压Vvr和W相的感应电压Vwr，来检测转子的旋转位置信息的方法。是不使用编码器等位置检测器的、所谓的无传感器位置检测。即使是无传感器位置检测也有各种需求，例如需要提高位置检测分辨率的用途、注重无传感器位置检测的响应速度的用途、成本优先的用途、要求可靠性的用途等。

这里，在风扇等旋转速度控制中，虽然需要旋转速度的增减但进行急剧的加减速的必要性低这样的用途较多。在这样的情况下，仅进行V相的感应电压Vvr的单相电压检测就能够进行充分的速度控制。

在仅检测V相的感应电压Vvr的情况下，在图21的检测电路中，不需要W相用的NB4、NB6、NB8和NBR，并能够简化NBB与NBC的W相部分。而且，能够实现小型化、低成本化。

另外，由于在高效率电动机中将绕组电阻设计得较小，绕组电阻R为较小的值，在无传感器位置检测的计算中可以忽略不计。在这样的情况下，在运算器NBQ的U相的感应电压的计算中，能够省略绕组电阻的压降(IvR)的计算。

接下来，图26表示了具有平衡的Y形连接的三相绕组的三相交流电动机的无传感器位置检测的其他构成例子，并进行说明。

图26的情况下，是不检测Y形连接的中性点NBP的电位，检测转子旋转位置的方法。通常，将电动机与电动机的控制电路分开配置的情况较多，在控制电路侧能够容易地检测电动机的端子间电压。但是，为了检测中性点NBP的电位，为了该检测需要追加一根从电动机到控制装置的布线，并且增加了成本上和物理上的负担。作为该对应，在图26中示出了不使用中性点NBP的电位，而通过检测Y形连接的端子间电压来检测转子旋转位置的方法。

图24的向量图表示了具有Y形连接的三相绕组的三相交流电动机的端子间电压Vuw、Vvu、Vwv以及相电压Vu、Vv、Vw以及相电流Iu、Iv、Iw的关系。在图25表示了U相绕组WU的电阻值、自感Ls、互感Lm、U相感应电压Vur、以及V相绕组WV的电阻值、自感Ls、互感Lm、V相感应电压Vvr、以及W相绕组WW的电阻值、自感Ls、互感Lm、W相感应电压Vwr等的等价电路。

图25的各相之间的感应电压分量Vuwr、Vvur、Vwvr为下面式子。

Vuwr＝Vur-Vwr    (25)

Vvur＝Vvr-Vur    (26)

Vwvr＝Vwr-Vvr    (27)

作为检测转子的旋转位置的方法，存在检测各相间的感应电压分量Vuwr、Vvur、Vwvr的方法和检测各相感应电压分量Vur、Vvr、Vwr的方法。后面将对两方法进行说明。其中，两组具有30°的相位差能够容易地修正。另外，各变量、各参数的关系，为(13)式到(24)式所示的关系。

三相端子间电压Vuw、Vvu、Vwv为图24、图25的关系，将(13)、(14)、(15)式代入(16)、(17)、(18)式后，成为变形的下式。

Vuw＝Vur+Iu·R+Ls·(dIu/dt)

     -Lm·(dIv/dt)-Lm·(dIw/dt)

     -(Vwr+Iw·R+Ls ·(dIw/dt)

     -Lm·(dIu/dt)-Lm·(dIv/dt)

   ＝Vur-Vwr+(Iu-Iw)·R

     +(Ls+Lm)·(d(Iu-Iw)/dt)    (28)

Vvu＝Vvr-Vur+(Iv-Iu)·R

     +(Ls+Lm)·(d(Iv-Iu)/dt)    (29)

Vwv＝Vwr-Vvr+(Iw-Iv)·R

     +(Ls+Lm)·(d(Iw-Iv)/dt)    (30)

三相的线间的感应电压分量Vuwr、Vvur、Vwvr根据(25)、(26)、(27)式和(28)、(29)、(30)则成为下式。

Vuwr＝Vuw-(Iu-Iw)·R

      -(Ls+Lm)·(d(Iu-Iw)/dt)    (31)

Vvur＝Vvu-(Iv-Iu)·R

      -(Ls+Lm)·(d(Iv-Iu)/dt)    (32)

Vwvr＝Vwv-(Iw-Iv)·R

      -(Ls+Lm)·(d(Iw-Iv)/dt)    (33)

另外，各相绕组的感应电压分量Vur、Vvr、Vwr根据(25)、(26)、(27)成为下式。

Vur＝(Vuwr-Vvur)/3    (34)

Vvr＝(Vvur-Vwvr)/3    (35)

Vwr＝(Vwvr-Vuwr)/3    (36)

其中，这里，假设三相的感应电压平衡，则为下式。

Vur+Vvr+Vwr＝0       (37)

Vuwr+Vvur+Vwvr＝0    (38)

接下来，对第9方式进行说明。

是检测U相与W相的相关的感应电压分量Vuwr，从而检测转子的旋转位置θre的方法。根据(31)式，能够在图26的构成中求出感应电压分量Vuwr。

图26的参照符号NB3表示电压检测单元，其检测相对于W相绕组NBM的端子354的U相绕组NBK的端子NBN的443所表示的端子间电压Vuw。图26的参照符号NB5表示V相的电流检测单元，其根据分流电阻NB1的两端电位检测V相电流Iv。参照符号NB6表示W相的电流检测单元，其根据分流电阻NB2的两端电位检测W相电流Iw。

参照符号442表示运算器，根据作为输入的Iv、Iw计算参照符号444表示的输出(Iu-Iw)。参照符号446表示输出(Iv-Iu)。参照符号NB7表示微分器，其输出上述电流值(Iu-Iw)的微分值(d(Iu-Iw)/dt)。

图26的参照符号NBQ表示运算器，为了求出U相与W相的相关的感应电压分量Vuwr，按照(31)式进行运算。即、进行与电动机参数的R、Ls、Lm之间的比例计算和加减计算。其输出449表示U相与W相的相关的感应电压分量Vuwr，用滤波器NBB除去高次谐波噪声，利用比较器NBC比较来取得逻辑信号NBD。该逻辑信号NBD相对图14的Pu，为(U-W)的相，因此其相位超前了电角度30°。

利用以上的说明，能够实现单相的无传感器位置检测。如风扇等的用途那样，在急剧加减速的需要较少，负载变动也较小的用途中，能够应用这样的单相的无传感器位置检测。检测电路较少即可，实现了低成本。但是，在需要电动机的急剧的加减速控制的用途、负载变动大的用途、或者追求高精度的速度控制的用途中，需要图14所示的三相无传感器位置检测。

对图26的剩余的检测单元、运算单元等进行说明。参照符号NB4表示电压检测单元，其检测相对于U相绕组NBK的端子NBN的V相绕组NBL的端子NBN的352所表示的端子间电压Vvu。参照符号NB8表示微分器，其输出上述电流值(Iv-Iu)的微分值(d(Iv-Iu)/dt)。参照符号NBR表示运算器，为了求出V相与U相的相关的感应电压分量Vvur，按照(32)式进行运算。即，进行与电动机参数的R、LS、Lm之间的比例计算和加减计算。其输出44A表示V相与U相的相关的感应电压分量Vuwr，使用滤波器NBB除去高次谐波噪声，并利用比较器NBC的比较来取得逻辑信号NBE。该逻辑信号NBE相对图14的Pv，为(V-u)相，相位超前了电角度30°。

此时，根据(38)式的关系，对于W相与V相的相关的感应电压分量Vuwr也能够同时求出其逻辑信号NBF，相对图14的Pw为(W-V)的相，因此相位超前了电角度30°。

如以上说明那样，利用图26的构成能够实现图14所示的三相的无传感器位置检测。三相的位置检测在原理上能够将位置检测分辨率无限大地提高，因此能够应对需要电动机的急剧的加减速控制的用途、负载变动大的用途或者追求高精度的速度控制的用途。其中，在图26中表示了求相关电压的方法，但根据(34)、(35)、(36)式的关系能够检测相电压，利用(13)、(14)、(15)式等，能够实现以相电压检测为基础的无传感器位置检测。而且，还能够对图26的各检测单元、各运算单元的构成进行变形。

接下来，对第10方式进行说明。

这里，图27表示了在图1、图8、图10、图13所示的电动机和其控制装置中，使三相各相的电压以电角度大约150°幅度的导通角度进行控制的仿真例子，为稳定旋转、稳定负载转矩的情况下的例子。图27的电位Vx、Vy、Vz为直流电压源2E的输出电压O伏、12伏时的逆变器输出的电位。图27的参照符号Vu表示施加在Q71的U相绕组的电压Vu＝(Vx-Vy)。图27的参照符号Vw表示施加在Q72的W相绕组的电压Vw＝(Vz-Vx)。在各相的通电区间内进行脉冲宽度调制PWM来进行控制。

图27的参照符号Iy、Iz分别表示Y相电流、Z相电流。Ls·dIy/dt、Lm·dIz/dt、Ls·dIz/dt、Lm·dly/dt为各个运算值。参照符号Vur、Vvr、Vwr表示三相感应电压分量，是通过图15的滤波器NBB的输出而得到的。施加的电位Vx、Vy、Vz是通过功率晶体管的导通、断开而控制的电压，检测的三相的感应电压分量Vur、Vvr、Vwr大致为正弦波状的电压，由此可知能够准确地检测到感应电压分量。

接下来，图28与图27类似，但其为使三相各相的电压大约为电角度180°的幅度的导通角度进行控制的仿真例子。通过视觉可以识别图28的电流Iy、Iz的波形与图27的各个的高次谐波分量不同。无论在哪一个电动机控制方法中，三相的感应电压分量Vur、Vvr、Vwr大致为正弦波状的电压，可实现准确的检测。

接下来，对第11方式进行说明。

在此，图29为与图27以及图28相同的仿真，但施加的电位Vx、Vy、Vz为以脉冲宽度调制PWM的正弦波状的电压，并通正弦波状的电流Iy、Iz的例子。若比较各图，各电压波形、各电流波形不同。但是，检测的三相的感应电压分量Vur、Vvr、Vwr大致为正弦波状的电压，能够实现准确的检测。

此外，在贴近生活场所所使用的各种风扇等的用途中较多要求极其肃静。一般而言，公知通过使三相电动机的电压、电流正弦波化，能够实现静肃静化。本发明的无传感器位置检测的方法能够应用在电动机的正弦波控制或者接近正弦波的控制中。

在以往的无传感器位置检测的方法中，存在仅在120°导通方式等特定的电动机控制方式的时可使用的无传感器位置检测的方法，该点与本发明的无传感器位置检测的方法不同。具体而言，图13所示的本发明的无传感器位置检测方法在图15所示的所谓120°导通方式中的电动机控制、图27所示的所谓150°导通方式中的电动机控制、图28所示的所谓180°导通方式中的电动机控制以及图29所示的所谓正弦波电压、电流导通方式中的电动机控制中，三相的感应电压分量Vur、Vvr、Vwr大致为正弦波状的电压，确认可实现准确的检测。在各种电动机的电压控制法、电流控制法中均能够应用本发明的无传感器位置检测。

另外，在图21以及图26所示的、Y形连接的三相电动机的无传感器位置检测方法中，在各种电动机的电压控制法、电流控制法中，能够同样准确地取得各相的感应电压分量，能够实现无传感器位置检测以及电动机控制。

以上，能够将说明的电动机应用于各种的电动机。例如，能够应用于外转子电动机、轴向槽型的电动机、直线电动机，复合化的电动机等。还能够应用于多极化、多相化、二相电动机等。特别是在转子表面配置铁氧体磁铁的表面磁铁型的无刷电动机的情况下，铁氧体磁铁的比透磁率接近空气，各相的互感Lm的变动小，因此能够提高本发明的无传感器位置检测的精度。在小型电动机的区域中，铁氧体磁铁的表面磁铁型转子、稀土类磁铁的表面磁铁型电动机被广泛应用。

对于本发明的实施例所示的各检测单元、运算单元可以进行各种的的变更。例如，作为电流的检测单元示出了分流电阻的例子，但还可以使用霍尔元件的电流检测单元、使用磁电阻元件的电流检测单元、使用功率晶体管等的功率变换元件的压降的电流检测单元等。还能够实现使用功率晶体管的电流镜的效果的电流检测。另外，关于绕组电压的检测单元，还能够应用于绝缘型的电压检测单元。

另外，特别是，电动机的各电压决定于控制装置所进行的功率晶体管的导通、截止，因此在控制装置的运算部中具有电压信息。因此，也可以不进行电动机绕组的电压测量，而代替电压检测器，将向电动机的电压指令信息作为电压检测单元使用。

另外，在各检测单元、各运算单元中存在一些实现单元。作为一个方法为使用运算放大器利用模拟电压进行检测的方法。另外，还可以将模拟电压通过AD转换器进行数字信号化，并通过数字运算计算。例如，现场可编程逻辑门阵列FPGA等被广泛应用。另外，还能够使用个人计算机。还可以设为这些混在的系统。实现方法可根据成本、可靠性、生产数量、周边电路的情况等选择。

对于功率晶体管，可使用MOSFET、IGBT、SJFET、SiC等各种元件。逆变器的方式也可以进行各种变形。特别在小型的电动机中，在生产数量的多用途中控制电路和功率转换部被制作在一个芯片上的、所谓单芯片化的发展。能够使用各种的元件、方式。另外，对于电动机的控制不仅是速度控制还能够进行位置控制、转矩控制等。

(工业上的实用性)

使用本发明的无传感器位置检测方法进行控制的电动机可以做到构成较简单、低成本化以及即使高温也能使用的规格特性。

利用近年的高集成化技术能够进一步实现各检测单元、运算单元的低成本化。在批量生产小型电动机的情况下，能够高度集成地将各检测单元、运算单元、功率元件包括在内集成在一个半导体晶片中。并且，能够实现不使用微型计算机的简单的结构。其结果，能够实现低成本化、小型化、高可靠性化。

本发明是与使用以往的微型计算机的、使用以所谓旋转子坐标系的dq轴控制为基础的无传感器位置检测技术，在固定坐标系中控制实际的电动机电流、电压的方法不同的方法。在使用旋转子坐标系的dq轴控制的情况下，由于需要所述运算等，所以使用微型计算机的情况较多，在成本、温度使用环境等方面存在限制。

本发明对于无传感器位置检测的性能以及电动机的控制性能已经确认了充分的性能。其结果，能够应用于汽车用、家电用、工业用等各种用途。

Claims (11)

1.一种三相交流电动机，其中，

将作为该三相交流电动机的输入的端子或者导线设为X端子、Y端子、Z端子，

该三相交流电动机具有：

配置在上述X端子与Y端子之间的U相绕组WU；

配置在上述Z端子与X端子之间的W相绕组WW；

检测上述U相绕组WU的U相电压Vu的电压检测单元DVut；

检测流过上述U相绕组WU的电流Iy的电流检测单元DIy；

检测流过上述W相绕组WW的电流Iz的电流检测单元DIz；

计算上述U相绕组WU的感应电压分量Vur的计算单元CVur；及

以上述计算单元CVur的输出Vur为基础，检测转子的旋转位置θre的位置检测单元POSu，

使用上述U相绕组WU的感应电压分量Vur检测转子的旋转位置θre的信息，并根据该旋转位置θre的信息来控制该三相交流电动机的旋转。

2.根据权利要求1所述的三相交流电动机，其特征在于，

上述计算单元CVur构成为还使用U相绕组WU的电阻值Ru来计算U相绕组WU的感应电压分量Vur。

3.一种三相交流电动机，其中，

将作为三相交流电动机的输入的端子或者导线设为X端子、Y端子、Z端子，

该三相交流电动机具有：

配置在上述X端子与Y端子之间的U相绕组WU；

配置在上述Z端子与X端子之间的W相绕组WW；

检测上述U相绕组WU的U相电压Vu的电压检测单元DVu；

检测流过上述U相绕组WU的电流Iy的电流检测单元DIy；

检测上述W相绕组WW的W相电压Vw的电压检测单元DVw；

检测流过上述W相绕组WW的电流Iz的电流检测单元DIz；

计算上述U相绕组WU的感应电压分量Vur的计算单元CVur；

计算上述W相绕组WW的感应电压分量Vwr的计算单元CVwr；

以上述计算单元CVur的输出Vur为基础，检测转子的旋转位置θre的位置检测单元POSu；及

以上述计算单元CVwr的输出Vwr为基础，检测转子的旋转位置θre的位置检测单元POSw，

使用上述U相绕组WU的感应电压分量Vur和上述W相绕组WW的感应电压分量Vwr来检测转子的旋转位置θre的信息，控制该三相交流电动机的旋转。

4.根据权利要求3所述的三相交流电动机，其特征在于，

上述计算单元CVur构成为还使用U相绕组WU的电阻值Ru计算U相绕组WU的感应电压分量Vur，

上述计算单元CVwr构成为还使用W相绕组WW的电阻值Rw计算W相绕组WW的感应电压分量Vwr。

5.根据权利要求3所述的三相交流电动机，其特征在于，

根据与U相绕组WU相关的信息和与Z相绕组WZ相关的信息求出V相的感应电压分量Vvr，并利用该感应电压分量Vvr检测转子的旋转位置θre的信息，以控制该三相交流电动机的旋转。

6.根据权利要求1或者3所述的三相交流电动机，其特征在于，

利用包括MOSFET等功率元件的半导体元件的键合引线或者导线端子的电阻值，检测在该三相交流电动机中流过的电流分量，以控制该三相电动机的旋转。

7.根据权利要求1或者3所述的三相交流电动机，其特征在于，

通过测量或者估计来求得电动机绕组WAA的温度，计算在某个温度下具有电阻值Raa的电动机绕组WAA中所流过的电流Ia a所产生的电阻压降分量VaaR，以控制该三相交流电动机的旋转。

8.一种电动机，其中，

将U相绕组WU和V相绕组WV和W相绕组WW进行Y形连接，

该电动机具有：

检测V相绕组WV的V相电压Vv的电压检测单元DVv；

检测V相绕组WV的电流Iv的电流检测单元DIv；

计算V相绕组WV的感应电压分量Vvr的计算单元CVvr2；及

以上述计算单元CVvr2的输出Vvr为基础，检测转子的旋转位置θre的位置检测单元POSv，

使用上述V相绕组WV的感应电压分量Vvr检测转子的旋转位置θre的信息，以控制U相、V相、W相的电压和电流。

9.一种电动机，其中，

将U相绕组WU和V相绕组WV和W相绕组WW进行Y形连接，

该电动机具有：

检测将U相绕组WU和W相绕组WW串联连接起来的两端的端子间电压Vuw的电压检测单元DVuw2；

检测V相绕组WV的电流Iv的电流检测单元DIv；

检测W相绕组WW的电流Iw的电流检测单元DIw；

计算U相绕组WU的感应电压分量Vur与W相绕组WW的感应电压分量Vwr之差Vuwr的计算单元CVuwr2；及

以上述计算单元CVuwr2的输出Vuwr为基础，检测转子的旋转位置θre的位置检测单元POSuw2，

利用上述U相绕组WU与W相绕组WW的感应电压分量Vuwr检测转子的旋转位置θre的信息，以控制U相、V相、W相的电压和电流。

10.根据权利要求1、3、8和9中的任意一项所述的电动机，其特征在于，

该电动机的各相的正电流或者负电流的通电幅度为电角度145°到180°的范围。

11.根据权利要求1、3、8和9中的任意一项所述的电动机，其特征在于，

该电动机的各相电流的波形形状为正弦波电流。