CN101939896A - 无刷电动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种2P3S×n结构的无刷电动机，将磁铁(16a～16c)的周向的宽度Wm、与由磁铁(16a～16c)的内径圆(C2)中的中心角θp＝360°/极数3n的圆弧形成的弦的长度Wp的比W设定为0.76＜W＝Wm/Wp＜0.86。由此，在2P3S×n结构的无刷电动机中，偏斜角为电气角36°≤θskew≤57°，并且无刷电动机的感应电压中含有的5次高次谐波成分相对于基本波的含有率为4.5％～6.5％。

Description

无刷电动机

技术领域

本发明涉及无刷电动机，尤其是涉及低转矩波动、高输出且控制性优良的无刷电动机。

背景技术

以往，为了提高无刷电动机的肃静性能，已知有通过正弦波驱动而顺利地进行通电的切换并降低转矩波动的控制方式。在正弦波驱动中，相对于感应电压波形成为正弦波形的电动机，供给电流值以正弦波状变化的电流。由此，与通常的120°矩形波驱动的电动机相比，正弦波驱动电动机的转矩波动变小。而且，作为降低转矩波动的方法，已知有使转子磁极等沿轴向倾斜的偏斜结构。在采用了偏斜结构的电动机中，由于感应电压波形的高次谐波成分减少，因此能够将感应电压波形形成为平滑的正弦波形。因此，进一步提高了正弦波驱动时的转矩波动降低效果。

然而，在偏斜结构的电动机中，在增大偏斜角时，感应电压的基本波成分也与高次谐波成分一起下降。由于电动机的输出转矩大致成为感应电压与电动机电流的积，因此转矩的大小主要依赖于基本波成分。因此，在为了减少转矩波动而增大偏斜角时，电动机转矩减少，电压利用率变低。另一方面，在为了确保电动机转矩而减小偏斜并形成为抑制感应电压降低的电动机规格时，高次谐波成分相应增加，从而会产生转矩波动增大的问题。

因此，近年来，为了同时实现电压利用率提高和转矩波动降低，提出有使电动机驱动电流中含有高次谐波成分以消除感应电压的高次谐波成分的控制方式。在该控制方式中，以小角度的偏斜确保基本波成分，并通过电动机驱动电流的高次谐波成分将感应电压形成为正弦波波形，从而抑制转矩波动并实现电动机的输出提高。

专利文献1：日本特开2006-174692号公报

然而，在如上所述的在电动机驱动电流中包含高次谐波成分的控制方式中，需要按照高次谐波成分设定控制周期。因此，在含有较多波长短的高次谐波成分的控制方式中，存在必须使控制周期非常短的问题。因此，非常难以控制，而且，相应也会产生对控制***施加负担或增加成本的问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种同时满足低转矩波动、高输出且能够容易控制的无刷电动机。

本发明的无刷电动机具备具有2n个(n为正整数)槽的定子和具有3n个磁极的转子，通过三相的驱动电流进行旋转驱动，其特征在于，所述无刷电动机的感应电压中含有的5次高次谐波成分相对于基本波的含有率为4.5％～6.5％。

在本发明中，对2P3S×n结构的无刷电动机而言，通过将感应电压的5次高次谐波成分的含有率相对于基本波设定为4.5％～6.5％，能够相对于正弦波驱动有效地增大转矩或转速。

在所述无刷电动机中，也可以将所述转子或所述定子的偏斜角以电气角设定为36°≤θskew≤57°，并且将形成所述磁极的磁铁的周向的宽度Wm、与由所述磁铁的内径圆中的中心角θp＝360°/极数3n的圆弧形成的弦的长度Wp的比W设定为0.76＜W＝Wm/Wp＜0.86。由此，就2P3S×n结构的无刷电动机而言，能够将无刷电动机的感应电压中含有的5次高次谐波成分相对于基本波的含有率设定为4.5％～6.5％。

另外，所述无刷电动机也可以形成为具有6个(n＝3)所述磁极和9个所述槽的6极9槽结构，也可以将所述无刷电动机用作为电动助力转向装置的驱动源。在本发明的无刷电动机的情况下，可同时满足低转矩波动、高输出，而且控制容易，因此作为对转矩波动的要求严格且需要小型、高输出化的电动助力转向装置用的电动机特别有用。

发明效果

本发明的无刷电动机是所谓的2P3S×n结构的无刷电动机，通过将感应电压的5次高次谐波成分的含有率相对于基本波设定为4.5％～6.5％，能够相对于正弦波驱动有效地增大转矩或转速。

另外，通过将转子的偏斜角以电气角设定为36°≤θskew≤57°，并且将形成磁极的磁铁的周向的宽度Wm、与由磁铁的内径圆中的中心角θp＝360°/极数3n的圆弧形成的弦的长度Wp的比W设定为0.76＜W＝Wm/Wp＜0.86，就2P3S×n结构的无刷电动机而言，能够将无刷电动机的感应电压中含有的5次高次谐波成分相对于基本波的含有率设定为4.5％～6.5％。由此，能够同时满足低转矩波动、高输出，并且与现有技术相比能够延长控制周期，电动机的驱动控制变得容易。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的无刷电动机的剖视图。

图2是示出图1的电动机中的定子的结构的说明图。

图3是转子的偏斜角的说明图。

图4是示出图1的电动机中的磁铁的形状的说明图。

图5是示出感应电压中的5次高次谐波成分的含有率与相对于正弦波驱动的转矩增加率及转速增加率的关系的图表。

图6是示出6极9槽的电动机中的偏斜角(机械角)与5次高次谐波成分相对于全高次谐波成分的含有率的关系的图表。

图7是示出以磁铁形状(比W＝Wm/Wp)为参数而调查了6极9槽的电动机中的偏斜角(机械角)与感应电压中的5次高次谐波成分的含有率的关系的结果的图表。

图8是示出6极9槽的电动机中的比W与感应电压中的基本波减少率的关系的图表。

图9是示出将偏斜配置在定子侧的电动机的定子结构的说明图。

符号说明：

1无刷电动机

2定子

3转子

4壳体

5定子铁心

5a齿

5b槽

6线圈

6a端部

7母线单元

8托架

9分割铁心

11绝缘体

12供电用端子

13转子轴

14a、14b轴承

15a～15c转子铁心

16a～16c磁铁

16out外周面

16in  内周面

17a～17c磁铁支架

18磁铁罩

21求解仪

22转子(求解仪转子)

23定子(求解仪定子)

24求解仪支架

25求解仪托架

26肋

27阴螺纹部

28安装螺钉

θskew偏斜角

θstep步距角

M1～M3磁铁中心点

L连结磁铁中心点的线

O转子旋转中心

P1、P2直线L与转子铁心端部的交点

C1圆弧

C2磁铁内径圆

T最外径位置

W比

Wm磁铁宽度

Wp  由磁铁内径圆中的中心角θp＝360°/极数的圆弧形成的弦的长度

W Wm与Wp的比(＝Wm/Wp)

具体实施方式

以下，基于附图，详细说明本发明的实施例。图1是本发明的一实施例的无刷电动机的剖视图。如图1所示，无刷电动机1(以下简称为电动机1)是在外侧配置有定子2、在内侧配置有转子3的内转子型的无刷电动机。电动机1例如被用作为转向柱助力式的电动助力转向装置(EPS)的动力源，对机动车的转向轴施加动作辅助力。电动机1安装在设置于转向轴的减速机构部上。电动机1的旋转通过该减速机构部被减速而传递给转向轴。

定子2包括：有底圆筒形状的壳体4；定子铁心5；卷绕在定子铁心5上的定子线圈6(以下简称为线圈6)及安装在定子铁心5上的母线单元(端子单元)7。壳体4利用铁等形成为有底圆筒状。在壳体4的开口部上通过未图示的固定螺钉安装有铝压铸件制的托架8。

如图2所示，定子铁心5形成为沿周向聚集多个(在此为9个)分割铁心9的结构。9个齿5a朝径向内侧突出设置在定子铁心5上。在定子铁心5的前端上形成有2n个槽5b(在此为两个)，实现基于模拟槽效果的齿槽效应减少。分割铁心9层叠由电磁钢板构成的铁心片而形成。在分割铁心9的周围安装有合成树脂制的绝缘体11。

在绝缘体11的外侧卷绕有线圈6。在定子铁心5的一端侧引出线圈6的端部6a。在定子铁心5的一端侧安装有母线单元7。在母线单元7的合成树脂制的主体部内嵌入成形有铜制的母线。多个供电用端子12沿径向突出设置在母线单元7的周围。在进行母线单元7的安装时，线圈端部6a与该供电用端子12焊接。在母线单元7中，母线设置有与电动机1的相数相对应的个数(在此，为U相、V相、W相三个)。各线圈6与对应于其相的供电用端子12电连接。定子铁心5在安装母线单元7后，压入并固定在壳体4内。

转子3***到定子2的内侧。转子3具有转子轴13。转子轴13由轴承14a、14b旋转自如地进行支承。轴承14a固定在壳体4的底部中央，轴承14b固定在托架8的中央部。转子轴13固定有圆筒形状的转子铁心15a～15c。在转子铁心15a～15c的外周上安装有扇形类型的磁铁(永久磁铁)16a～16c。在电动机1中，磁铁16a～16c沿周向配置成6个×3列。即，电动机1为6极9槽(以下简称为6P9S)结构。在磁铁16a～16c的外侧安装有有底圆筒形状的磁铁罩18。

电动机1的磁铁16a～16c的外周面16out形成为相对于内周面16in偏心的形状。即，磁铁外周面16out的中心与通过外周面16out的最外径位置T的圆弧C1不同心，而外周面16out成为半径比内周面16in小的圆周面。如此，通过偏心形成磁铁外周面16out实现齿槽效应的降低。

在磁铁16a～16c的外侧安装有合成树脂制的磁铁支架17a～17c。磁铁16a～16c以由磁铁支架17a～17c保持的形式安装在转子铁心15a～15c的外周。在电动机1中，磁铁16a～16c通过各磁铁支架17a～17c沿轴向配置3列。各列的磁铁16a～16c以沿径向各偏离规定步距角θstep的位置关系进行安装。即，电动机1的转子3成为磁铁16a～16c为三级层叠的偏斜结构。

图3是转子3侧的偏斜角的说明图。如图3所示，在阶跃偏斜结构中，在连结磁铁16a～16c的中心点M1～M3(周向和轴向)，使连结该M1～M3的线L与磁铁16a、16c的端部的交点为P1、P2时，P1、P2间的相对于旋转中心O的中心角成为磁铁偏斜角θskew。因此，磁铁16a、16b之间、磁铁16b、16c之间的步距角θstep分别成为M1、M2，M2、M3间的相对于旋转中心O的中心角。而且，M1、P1间、M3、P2间的中心角分别成为步距角θstep的一半(θstep/2)。因此，偏斜角θskew成为θstep×(级层叠数-1)+(θstep/2)×2＝θstep×级层叠数。

在磁铁支架17a的端部上安装有旋转角度检测机构、即求解仪21的转子(求解仪转子)22。相对于此，求解仪21的定子(求解仪定子)23被压入金属制的求解仪支架24内，由合成树脂制的求解仪托架25收容。求解仪支架24形成为有底圆筒形状，被轻压入设置于托架8的中央部的肋26的端部外周。金属制的阴螺纹部27嵌入到求解仪托架25和托架8。安装螺钉28从托架8的外侧拧入到阴螺纹部27。由此，求解仪支架24固定在托架8的内侧。

在此，在具有2P3S的整数倍的结构(电动机1为2P3S×3＝6P9S)的电动机的感应电压中包含5次以上的奇数次的高次谐波成分，其中5次成分包含最多。此外，在2P3S×n的情况下，由于短节距绕组系数成为Kp＝cos{n·(1-β)·π/2}＝0，因此不产生3次高次谐波(n：次数，β：线圈间距/极间距，在2P3S中β＝2/3，在n＝3时cos为0)。而且，在基本波中仅含有5次高次谐波成分时，线间感应电压成为大致梯形波。此时，在将电动机驱动电流形成为梯形波时，能够使转矩波动接近0。而且，梯形波电流与正弦波电流相比可抑制峰值，因此能够降低峰值电流值。另一方面，在相同峰值电流值的情况下，梯形波可以比正弦波流动更多的电流。因此，通过将感应电压调整为基本波+5次高次谐波，能够抑制转矩波动并能够增大电动机输出。

另一方面，如上所述，该电动机1成为偏斜结构，但是为了实现电压利用率提高和转矩波动降低，也向电动机1供给包含高次谐波成分的电动机驱动电流。然而，如上所述，在含有较多高次谐波成分时，控制周期非常短、难以进行控制。因此，发明者们着眼于2P3S×n结构的电动机的所述特性，使高次谐波成分尽可能仅为5次成分，研究了减少其他次数成分的结构。并且，经过各种实验得到了如下的结论。

(1)在感应电压的5次高次谐波成分相对于基本波的含有率为4.5％～6.5％时，相对于正弦波驱动可有效地增大转矩或转速。

(2)在使偏斜角为电气角36°≤θskew≤57°时，5次高次谐波成分相对于全高次谐波成分的含有率变大(90％)。此外，电气角36°≤θskew≤57°相当于6P9S的电动机中的机械角12°≤θskew≤19°。而且，在层叠磁铁时，成为所述值除以各级的步距角度的值(电气角36°/磁铁层叠数≤θstep)≤57°/磁铁层叠数。

(3)在使磁铁16a～16c的形状为0.76＜W＝Wm/Wp＜0.86时，5次高次谐波成分的含有率成为4.5％～6.5％(Wm：磁铁宽度，Wp：弦P-P(参照图4)的长度，即，由磁铁内径圆C2中的中心角θp＝360°/极数(在6极时为60°)的圆弧形成的弦的长度)。此外，在图4中，虽然示出了磁铁16a，但是其他的磁铁16b、16c也成为同样的结构。

以下，基于试验结果分别说明所述(1)～(3)。首先，关于(1)，图5是示出5次高次谐波成分的含有率与相对于正弦波驱动的转矩增加率及转速增加率的关系的图表。如图5所示，随着5次高次谐波成分变大转矩或转速也增大，但是在超过某量时反而下降。而且，在转矩增加率和转速增加率的变化中存在差异，前者在约5％成为峰值，后者在约6.5％成为峰值。因此，考虑到两者能够确保3％以上的增加率的范围有效，如(1)所示，得出含有率优选为4.5％～6.5％的结论。

接下来，关于(2)，图6是示出6P9S的电动机中的偏斜角(机械角)与5次高次谐波成分相对于全高次谐波成分的含有率的关系的图表。如图6所示，随着偏斜角增大5次高次谐波成分的含有率也变大，但是在超过18°时降低，在超过22°时急剧减少。因此，考虑到5次高次谐波成分的含有率成为90％以上的范围有效，如(2)所示，在6P9S中，偏斜角(机械角)为12°≤θskew(机械角)≤19°，并且，在2P3S×n的电动机中，得到了偏斜角(电气角)优选为36°≤θskew(电气角)≤57°的结论。此外，图6是在改变了磁铁宽度或内外径的偏心量等的电动机中调查了所述关系而形成的，但是在两者的关系中不依赖于磁铁方式可得到同样的倾向。

此外，关于(3)，图7是示出以磁铁形状(比W＝Wm/Wp)为参数而调查了6P9S的电动机中的偏斜角(机械角)与感应电压中的5次高次谐波成分的含有率的关系的结果的图表。如图7所示，随着比W变小5次高次谐波成分的含有率变大。并且，在W＜0.86时，在偏斜角(机械角)为12°≤θskew(机械角)≤19°的范围内，能够使5次高次谐波成分的含有率为4.5％。这不仅在6P9S结构中，当将偏斜角(电气角)设定为36°≤θskew(电气角)≤57°时，在2P3S×n的电动机中也能得到同样的结果。

另一方面，图8是示出6P9S的电动机中的比W与感应电压中的基本波减少率的关系的图表。如图7所示，在比W为0.76时，感应电压中的基本波急剧减少，电动机的输出转矩显著下降。因此，关于比W，根据图7、7的结果，如(3)所示，得到了优选为0.76＜W＝Wm/Wp＜0.86的结论。在本发明的电动机1中，磁铁16a～16c形成为满足0.76＜W＝Wm/Wp＜0.86。由此，电动机1为满足所述(1)、(2)的条件的无刷电动机。

因此，总结形成本发明的过程，如下所示。即，首先在采用了偏斜结构的2p3s×n的无刷电动机中，减小偏斜角度以抑制基本波成分的减少、确保转矩。在偏斜角度变小时，感应电压的高次谐波成分含有率变高，在以该状态进行正弦波驱动时，转矩波动反而变大。因此，在电动机驱动电流中使高次谐波成分重叠，消除感应电压的高次谐波成分而实现转矩波动降低。然而，在含有高次谐波成分时，控制性变差。因此，感应电压成为梯形波形，在对于输出提高和转矩波动降低有效的5次成分中缩小高次谐波成分的含有对象。

在将向电动机驱动电流的重叠对象缩小为5次高次谐波成分后，在转矩或转速变高的范围内设定5次高次谐波成分的含有率。该值为(1)含有率4.5％～6.5％。而且，设定偏斜角，以使全高次谐波成分中的5次高次谐波成分的含有率变大。该值为(2)电气角36°≤θskew≤57°。另一方面，根据发明者们的各种实验可知，偏斜角与感应电压中的5次高次谐波成分的含有率的关系明显地根据磁铁形状而进行变化，在比W小于0.86时满足(1)、(2)的条件。而且可知，在比W为0.76以下时，感应电压中的基本波急剧减少，电动机的输出转矩显著下降，其结果是，得到(3)的条件。

如此，在本发明的无刷电动机中，通过供给含有高次谐波成分的电动机驱动电流，能够实现电压利用率的提高和转矩波动的减少，并能够提高电动机输出，从而能够提供效率良好的无刷电动机。而且，由于高次谐波成分被限定为5次成分，因此无需像含有较多的高次谐波成分的情况那样使控制周期非常短，可容易进行电动机的驱动控制。此外，控制***的负担也减轻，也能实现控制电路等的成本减少。

本发明并不局限于上述实施例，在不脱离其主旨的范围内能够进行各种变更的情况不言自明。

例如，在所述实施例中，示出了在转向柱助力式的EPS中使用的无刷电动机，但是本发明也能够适用于其它方式的EPS用电动机。而且，不仅EPS或各种车载电动部件用的电动机，本发明也能够广泛地适用于通常的无刷电动机。而且，在所述实施例中，示出了将本发明适用于使用了6个磁铁的6极9槽的无刷电动机的例子，但是电动机的磁铁或槽的结构并不局限于此，本发明也能够广泛适用于2极3槽的整数倍的结构的无刷电动机。

此外，本发明不仅能够适用于对转子3侧实施了偏斜的电动机，也能够适用于对定子2侧实施了偏斜的电动机。根据发明者们的实验，如图9所示，在使定子2侧偏斜的电动机中，也能得到与图6、7相同的关系。即，在电气角36°≤θskew≤57°时，全高次谐波成分中的5次高次谐波成分的含有率变大，在比W小于0.86时，满足(1)、(2)的条件，在比W在0.76以下时，感应电压中的基本波急剧减少。

Claims (4)

1.一种无刷电动机，具备具有2n(n为正整数)个磁极的转子和具有3n个槽的定子，其特征在于，所述无刷电动机的感应电压中含有的5次高次谐波成分相对于基本波的含有率为4.5％～6.5％。

2.根据权利要求1所述的无刷电动机，其特征在于，

所述转子或所述定子的偏斜角为电气角36°≤θskew≤57°，形成所述磁极的磁铁的周向的宽度Wm，与由所述磁铁的内径圆中的中心角θp＝360°/极数3n的圆弧形成的弦的长度Wp的比W为0.76＜W＝Wm/Wp＜0.86。

3.根据权利要求1所述的无刷电动机，其特征在于，

所述无刷电动机为具有6个(n＝3)所述磁极和9个所述槽的6极9槽结构。

4.根据权利要求1所述的无刷电动机，其特征在于，

所述无刷电动机是用作电动助力转向装置的驱动源的电动机。

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