CN101154839A - 无刷电动机 - Google Patents

Abstract

一种无刷电动机(6)，是10极12槽的电动机，具有：包含10个永久磁铁(651a)～(651j)的转子(65)、包含筒状轭部(615)及12个齿部(突极)(611a)～(611l)的定子(61)。通过将该齿部的周方向长度(齿宽)设定成：转子外径除以槽数所得到的数值再乘以π/2后的数值的近似值以上、最好是设定成该近似值，则该齿部的周方向的长度(齿宽)大致等于或大于相邻齿部之间(空隙的)距离的近似值，从而能充分地抑制齿槽转矩。

Description

无刷电动机

技术领域

本发明涉及具有用来形成磁场的永久磁铁的无刷电动机，更详细的是涉及在对车辆的转向机构施加转向辅助力的电动转向机构上使用的无刷电动机。

背景技术

以往所使用的电动转向装置是响应驾驶者施加于车把(方向盘)的转向转矩而驱动无刷电动机等电动机，由此来对转向机构施加转向辅助力。

通常使用于这种电动转向装置的无刷电动机往往是永久磁铁电动机，具备设有线圈的定子和设有永久磁铁的转子。已知在该永久磁铁电动机上会产生齿槽转矩。这是由于，通常在未给定子线圈通电的状态下，磁吸力会作用于该线圈的铁芯与转子的各磁极之间。

该齿槽转矩会导致电动转向装置的转向感降低，以往为了降低齿槽转矩曾经有过各种设计。例如，通过适当地选择设于定子的突极(齿部)的数量(该数量与突极间的空隙的数量相等，以下也称作“槽数”)及永久磁铁的数量来降低齿槽转矩。

又例如，电动转向装置往往使用8极9槽(极数是8，槽数是9)的电动机(参考专利文献1)、或10极12槽的电动机。这些电动机能以较低的成本来制造，能做成内置于电动转向装置的小型构造。

【专利文献1】

日本特开2001-275325号公报

可是，为了进一步降低齿槽转矩，需要对突极(齿部)的形状或大小等进行设计，尤其是，突极(齿部)的宽度是从永久磁铁的极部产生的磁通所通过的磁通路的宽度，因此如果该宽度太小，就不能抑制齿槽转矩。

发明内容

本发明的目的是要提供一种无刷电动机及具备该无刷电动机的电动转向装置，可通过适当设定齿宽来抑制齿槽转矩。

本发明第1方案的无刷电动机具备：圆环状的定子、配置于该定子的内侧而可相对于该定子自由旋转的转子，其特征为：

上述定子包含：以分别向着上述转子延伸的状态而沿着圆周方向隔着相等间隔配设的相同大小的多个齿部、

结合着上述多个齿部的圆环状的轭部；

上述转子包含：在周方向形成多个极部的永久磁铁，

上述多个齿部中的一个沿周方向的宽度设定成：上述转子的外径除以上述多个齿部的数量所得到的数值再乘以π/2后的数值的近似值以上。

第2方案是在第1方案中，上述多个齿部中的一个沿周方向的宽度设定成：上述转子的外径除以上述多个齿部的数量所得到的数值再乘以π/2后的数值的近似值。

第3方案是在第1方案中，上述多个齿部是12个，上述永久磁铁形成10个极部。

第4方案是在第1方案中，上述多个齿部的数量大于上述永久磁铁所形成的极数，

上述轭部在向着上述转子的方向上的厚度是上述多个齿部中的一个沿周方向的宽度的45％以上。

第5方案是在第1方案中，上述多个齿部的数量小于上述永久磁铁所形成的极数，

上述轭部在向着上述转子的方向上的厚度是上述多个齿部中的一个沿周方向的宽度的35％以上。

第6方案是具有第1方案所记载的无刷电动机，

上述无刷电动机响应为了使车辆转向而进行的操作装置的操作而受到驱动，由此对该车辆的转向机构施加转向辅助力。

发明效果

采用上述第1方案，齿部沿着周方向的宽度设定成：转子的外径除以齿部的数量所得到的数值再乘以π/2后的数值的近似值以上，所以齿部沿周方向的宽度大致大于相邻齿部间的(空隙的)距离的近似值。从而能充分地抑制齿槽转矩。

采用上述第2方案，齿部沿着周方向的宽度设定成：转子的外径除以齿部的数量所得到的数值再乘以π/2后的数值的近似值，所以齿部沿周方向的宽度大致等于相邻的齿部间的(空隙的)距离的近似值。从而最能抑制齿槽转矩。

采用上述第3方案，能够抑制例如电动转向装置等一般广泛使用的10极12槽的无刷电动机的齿槽转矩。

采用上述第4方案，在齿数大于永久磁铁的极数的场合，轭部的向着转子的方向上的厚度是沿着齿部周方向的宽度的45％以上，从而能抑制齿槽转矩，且抑制输出转矩降低。

采用上述第5方案，在齿数小于永久磁铁的极数的场合，轭部的向着转子的方向上的厚度是沿着齿部周方向的宽度的35％以上，从而能抑制齿槽转矩，且抑制输出转矩降低。

采用上述第6方案，能提供一种电动转向装置，具备能达到与上述第1方案同样效果的无刷电动机。

附图说明

图1是将本发明的一种实施方式的电动转向装置的构造与相关的车辆构造一并显示的概略图。

图2是相对于上述实施方式的无刷电动机的旋转轴的垂直剖面图。

图3是将上述实施方式的无刷电动机的轭部及齿部的主要部分放大显示的图。

图4显示上述实施方式的齿宽发生从5mm到8mm的数值变化时的齿槽转矩数值。

图5显示上述实施方式的轭部宽度对齿宽的比率变化时的输出转矩率。

图6显示上述实施方式的变形例的8极9槽的无刷电动机在轭部宽度对齿宽的比率变化时的输出转矩率。

图7显示上述实施方式的变形例的14极12槽的无刷电动机在轭部宽度对齿宽的比率变化时的输出转矩率。

图8显示上述实施方式的变形例的10极9槽的无刷电动机在轭部宽度对齿宽的比率变化时的输出转矩率。

【符号说明】

2：转向角感应器(转向角度检测装置)

3：转矩感应器

4：车速感应器(车速检测装置)

5：电子控制单元(ECU)

6：无刷电动机

61：定子

65：转子

66：电动机轴

611a～611l：齿部

612a～612l：线圈

615：轭部

651a～651j：永久磁铁

Wa：气隙

Ws：尖端宽度

Wt：齿宽

Wy：轭部宽度

具体实施方式

以下参照附图针对本发明的一种实施方式加以说明。

<1.整体构造>

图1是将本发明一实施方式的电动转向装置的构造与相关的车辆构造一并显示的概略图。该电动转向装置具有：一端固定在作为转向用操作装置的车把(方向盘)100上的转向轴102；与该转向轴102的另一端连接的齿条齿轮机构104；对表示车把100的旋转位置的转向角进行检测的转向角感应器2；对由于车把100的操作而施加在转向轴102上的转向转矩进行检测的转矩感应器3；产生转向辅助力、以减轻车把操作(转向操作)过程中驾驶者的负担的无刷电动机6；将该转向辅助力传递到转向轴102的减速齿轮7；以及经由点火开关9而从车载电池8接受电源供给、并根据来自转向角感应器2、转矩感应器3、车速感应器4的感应器信号来控制无刷电动机6的驱动的电子控制单元(ECU)5。

在搭载该电动转向装置的车辆上，当驾驶者操作车把100时，由于该操作而产成的转向转矩便被转矩感应器3检测出，同时转向角被转向角感应器2检测出，在检测出的转向转矩及方向角和用车速感应器4检测出的车速的基础上，通过ECU5来驱动无刷电动机6。由此使无刷电动机6产生转向辅助力，该转向辅助力经由减速齿轮7施加到转向轴102上，从而减轻转向操作时驾驶者的负担。也就是说，由于操车把作而施加的转向转矩与无刷电动机6产生的转向辅助力所造成的转矩的总和作为输出转矩而经由转向轴102施加到齿条齿轮机构104。由此，当齿轮轴旋转时，其旋转运动便被齿条齿轮机构104转换成齿条轴的往复运动。齿条轴的两端经由以横拉杆(tie rod)及关节臂(knuckle)构成的连接构件106而连接到车轮108，车轮108响应齿条轴的往复运动而改变方向。

<2.无刷电动机的构造>

图2是相对于无刷电动机6的旋转轴的垂直剖面图。如图2所示，该无刷电动机6具有：绕着旋转轴、即电动机轴66旋转的转子65，以及隔着狭窄间隙(气隙)而围绕该转子65设置的定子61。

定子61包含：筒状的轭部615、从该轭部615的内周面向电动机轴66突出的12个齿部(突极)611a～611l。在该齿部611a～611l上卷绕着对应的线圈612a～612l，通过让预定的电流流到该线圈，使定子61在其周方向具有12极。

具体来说，线圈612a～612l四个一组，共三组，适当地(例如以Y配线等配线方式)连接在未图示的三相电源上，受到U相、V相、W相的电力驱动。该三相电源通过输出脉冲宽度调变(PWM)信号来控制无刷电动机6的旋转，上述输出脉冲宽度调变(PWM)信号可以是对与上述各相对应的脉冲宽度进行了控制后的电压信号。这种结构是众所周知的，在此省略详细说明。

转子65通过在其周方向配置10个永久磁铁651a～651j，成为在周方向具有10极的状态。这些永久磁铁651a～651j是在径向(垂直于旋转轴的方向)磁化的稀土类钕类磁铁，沿周方向以N极与S极交互的方式排列。

本无刷电动机6是10极12槽的电动机，而一般的8极12槽的电动机的极数与槽数之比为2∶3，已知本发明的无刷电动机与上述一般的电动机相比，可将齿槽转矩抑制得更低。

图3是将无刷电动机上的轭部及齿部的主要部分放大显示的图。如图3所示，例如在齿部611a卷绕有线圈612a。更详细地说，是在底部具有颚部的筒状线轴上卷绕线圈612a，并将线圈压板压入到该线轴的前端部分，通过将卷绕有线圈612a的线轴插入到齿部611a，而成为将线圈612a卷绕于齿部611a的状态。以这种方式将线圈612a～612l卷绕到齿部611a～611l。这种集中卷绕的方式称作突极卷绕方式。采用这种不是在多个槽部分别进行卷绕而是集中进行卷绕的方式，几乎不存在不形成有效磁通的线圈部分，因此能减少铜的损耗，结果可得到适用于电动转向装置的高输出无刷电动机。

<3.齿宽等的计算方法>

如图3所示，将沿着各齿部611a～611l的周方向的中央附近的长度(宽度)作为齿宽Wt，将齿部611a～611l之中邻接的两个端部(与转子65互为相对的尖端部分，以下称作“尖端部”)最接近的位置的间隔作为尖端宽度Ws，将该端部与转子65间的间隔作为气隙Wa，将轭部615的直径方向长度(厚度)作为轭部宽度Wy，在此基础上研究用于抑制齿槽转矩的最佳齿宽的计算方法。

本实施方式的无刷电动机6的定子61的外径是80mm，转子65的外径是50mm，各永久磁铁651a～651j的直径方向长度(厚度)是3mm，气隙Wa是0.5mm，相电阻是25mΩ以下。而尖端宽度Ws即使是0.25mm左右也能毫无问题地工作，不过最好是0.5mm以上的近似值。在将尖端宽度Ws较宽地设定成0.5mm以上时，与将其较窄地设定成0.25mm左右的情况相比，能将齿槽转矩的大小及其变动宽度抑制得较小。

图4显示齿宽Wt在5mm到8mm的范围内变化时的齿槽转矩数值。该齿槽转矩值是作为众所周知的仿真结果得到的数值，在市售的仿真软件中输入计算所需的数值即可容易地得到。不过，如后所述，输出转矩值会因轭部宽度Wy对齿宽Wt的比例而发生变化，因此这里是将轭部宽度Wy与齿宽Wt设定成同一值。也就是说，轭部宽度Wy也会变化成与上述那样变化的齿宽Wt相同的数值。

如图4所示，当将齿宽Wt设定成约6.5mm时，齿槽转矩数值最小。该设定值与转子外径50mm除以槽数12所得到的数值再乘以π/2后的数值大致相等。这意味着，齿宽Wt和相邻的齿部611a～611l之间的距离(该距离是不包括尖端部在内的、在齿部间形成的空隙的宽度，以下称作“齿部间空隙宽度”)在与转子65的外周大致相接的位置上大致相等。

更精确地说，考虑到气隙Wa，由于齿宽Wt及齿部间空隙宽度的(12个)总和稍大于转子65的外周长度，所以齿槽转矩数值最小时的齿宽Wt稍大于转子外径除以槽数再乘以π/2后的数值。

至于将齿宽Wt时设定为这种值时齿槽转矩数值最小的原因，由于齿槽转矩的产生机构极其复杂，因此未必能找出明确的原因，但可考虑以下的因素。

即，12个齿部611a～611l与10个永久磁铁651a～651j之间每当电动机轴66旋转一次就会分别有一次最接近。从该最接近状态的一个齿部(例如齿部611a)和一个永久磁铁(例如永久磁铁651a)来考虑，当齿部611a的周方向中心位置对准永久磁铁651a的周方向中心位置时，来自永久磁铁651a的磁通最顺畅地涵盖齿部611a。因此，如果仅着眼于与这些齿部611a及永久磁铁651a间的关系，则在它们之间得到的磁吸力最大(此时转矩最小)。

相反，当它们离得最远时，即，当齿部611a与相邻的齿部(例如齿部611b)之间的中间位置(等距离的位置)对准永久磁铁651a的周方向中心位置时，来自永久磁铁651a的磁通最难涵盖齿部611a。因此，如果仅着眼于与这些齿部611a及永久磁铁651a间的关系，则在它们之间得到的磁吸力最小(此时转矩最大)。

这种使上述磁吸力成为最大然后成为最小而后又成为最大的变化在每当电动机轴66旋转一次时就会连续反复产生，可是也不能说因为该变化就立即产生无刷电动机6的输出转矩的脉动、即齿槽转矩。也就是说，如果要问10个永久磁铁651a～651j各自的中心位置到达对应的齿部611a～611l或邻接齿部间的空隙中的任一个沿着周方向的哪个位置，那么上述永久磁铁的中心位置就是按照各自在周方向的排列顺序而将相邻齿部的中心位置间在周方向的长度分成10等分后各自错开1分距离的位置。于是，当如本实施方式那样使齿宽Wt与齿部间空隙宽度大致相等时，10个永久磁铁651a～651j中的一半、即5个永久磁铁各自的中心位置与齿部611a～611l对应，剩下的一半、即另外5个永久磁铁各自的中心位置与邻接齿部间的空隙对应，这种状态以各自交替更换的方式而始终保持着。因此，即使在各个永久磁铁与对应的齿部之间得到的转矩(磁吸力)发生变化，它们的转矩总和也几乎没有变化，从而可以说，采用本实施方式时齿槽转矩几乎很少产生或至少不会很大。

从上述观点考虑，齿槽转矩在齿宽Wt与齿部间空隙宽度大致相等时会变得最小，而如图4所示，在齿宽Wt大于齿部间空隙宽度时，与齿宽Wt小于齿部间空隙宽度的场合相比，齿槽转矩较小。这时因为，在齿宽Wt大于齿部间空隙宽度时，来自永久磁铁的磁通顺畅地涵盖齿部的状态会持续较久，所以齿槽转矩不会很大，而在齿宽Wt小于齿部间空隙宽度时，来自永久磁铁的磁通顺畅地涵盖齿部的状态持续较短，所以齿槽转矩较大。

从而，为了抑制无刷电动机6的齿槽转矩，最好将齿宽Wt设定成转子外径除以槽数再乘以π/2后的数值的近似值以上，且最好将齿宽Wt设定为上述近似值。

以下参考图5说明轭部宽度Wy对齿宽Wt的比率如何使无刷电动机6的输出转矩值变化。图5表示使轭部宽度Wy对齿宽Wt的比率变化时的输出转矩率。输出转矩率是表示输出转矩对最大输出转矩的比率的数值。

如图5所示，当轭部宽度Wy对齿宽Wt的比率是100％近似值时，输出转矩率为100％，当轭部宽度Wy对齿宽Wt的比率是45％近似值时，输出转矩率为98％左右，所以在轭部宽度Wy对齿宽Wt的比率成为45％之前，转矩率的降低几乎可以忽略。可是，当小于该比率时，输出转矩率便急剧降低。从而，为了抑制无刷电动机6的输出转矩降低，最好使轭部宽度Wy对齿宽Wt的比率在45％近似值以上。

<4.效果>

采用上述实施方式，通过将齿宽Wt设定成转子外径除以槽数所得到的数值再乘以π/2后的数值的近似值以上、最好是将齿宽Wt设定为该近似值，能提供能抑制齿槽转矩的无刷电动机及具备该电动机的电动转向装置。

<5.变形例>

<5.1主要变形例>

如上所述，本实施方式的无刷电动机6是10极12槽，如图5所示，最好轭部宽度Wy对齿宽Wt的比率是45％近似值以上，这一点基本上适用于所有的槽数多于极数的无刷电动机。以下，参照图6来加以说明。

图6表示8极9槽的无刷电动机在使轭部宽度Wy对齿宽Wt的比率变化时的输出转矩率。如该图6所示，当轭部宽度Wy对齿宽Wt的比率是100％近似值时，输出转矩率为100％，当轭部宽度Wy对齿宽Wt的比率是45％近似值时，输出转矩率为98％左右，所以在轭部宽度Wy对齿宽Wt的比率成为45％之前，转矩率的降低几乎可以忽略。可是，当小于该比率时，输出转矩率就会比图5所示的急剧降低。从而，为了抑制无刷电动机6的输出转矩降低，最好轭部宽度Wy对齿宽Wt的比率在45％近似值以上。这个结论与本实施方式的无刷电动机6相同。并且，这一点基本适用于具有实用的极数及槽数的无刷电动机中所有的槽数多于极数的无刷电动机。

相反，如果是槽数少于极数的无刷电动机，可抑制转矩降低的轭部宽度Wy对齿宽Wt的比率则是与上述不同的比率以上。以下参考图7及图8来说明。

图7表示14极12槽的无刷电动机在使轭部宽度Wy对齿宽Wt的比率变化时的输出转矩率。如该图7所示，当轭部宽度Wy对齿宽Wt的比率是100％近似值时，输出转矩率为100％，当轭部宽度Wy对齿宽Wt的比率是35％近似值时，输出转矩率为98％左右，所以在轭部宽度Wy对齿宽Wt的比率成为35％之前，转矩率的降低几乎可以忽略。可是，当小于该比率时，输出转矩率便急剧降低。因此为了抑制无刷电动机6的输出转矩降低，轭部宽度Wy对齿宽Wt的比率最好在35％近似值以上。

从其它例子也能导出同样的结论。图8表示10极9槽的无刷电动机在使轭部宽度Wy对齿宽Wt的比率变化时的输出转矩率。如该图8所示，当轭部宽度Wy对齿宽Wt的比率是100％近似值时，输出转矩率为100％，当轭部宽度Wy对齿宽Wt的比率是35％近似值时，输出转矩率为98.4％左右，所以在轭部宽度Wy对齿宽Wt的比率成为35％之前，转矩率的降低几乎可以忽略(更精确地说，在上述比率为32％左右时，输出转矩率为98％左右，所以在上述比率成为32％之前，转矩率的降低几乎可以忽略)。可是当小于该比率时，输出转矩率便急剧降低。因此为了抑制无刷电动机6的输出转矩降低，轭部宽度Wy对齿宽Wt的比率最好在35％近似值以上。

可见，如果是槽数小于极数的无刷电动机，可以抑制转矩降低的轭部宽度Wy对齿宽Wt的比率为35％近似值以上。

<5.2其它变形例>

在上述实施方式中是使用10极12槽的无刷电动机，但该无刷电动机的极数及槽数并没有特别限定，例如也可以使用14极12槽、14极15槽、或20极21槽等无刷电动机。而为了抑制齿槽转矩，最好极数∶槽数不是2∶3，一般最好是无刷电动机的极数与槽数的最大公约数较大的组合。

如果本实施方式的无刷电动机6的定子61的外径是80mm，转子65的外径是50mm，各永久磁铁651a～651j的直径方向长度(厚度)是3mm，定子61的外径是75mm～85mm左右，转子65的外径是45mm～50mm左右，各永久磁铁651a～651j的直径方向长度(厚度)为2.5mm～3.5mm左右，可得到与图4～图6所示同样的齿槽转矩数值或输出转矩率。另外，即使是与上述近似的值也可得到大致同样的数值。

Claims (6)

1.一种无刷电动机，具备：圆环状的定子、配置于该定子的内侧而可相对于该定子自由旋转的转子，其特征在于，

上述定子包含：

以分别向着上述转子延伸的状态而沿着圆周方向隔着相等间隔配设的相同大小的多个齿部、

结合着上述多个齿部的圆环状的轭部，

上述转子包含：在周方向形成多个极部的永久磁铁，

上述多个齿部中的一个沿周方向的宽度设定成：上述转子的外径除以上述多个齿部的数量所得到的数值再乘以π/2后的数值的近似值以上。

2.如权利要求1所述的无刷电动机，其特征在于，上述多个齿部中的一个沿周方向的宽度设定成：上述转子的外径除以上述多个齿部的数量所得到的数值再乘以π/2后的数值的近似值。

3.如权利要求1所述的无刷电动机，其特征在于，上述多个齿部是12个，上述永久磁铁形成10个极部。

4.如权利要求1所述的无刷电动机，其特征在于，上述多个齿部的数量大于上述永久磁铁所形成的极数，

上述轭部在向着上述转子的方向上的厚度是上述多个齿部中的一个沿周方向的宽度的45％以上。

5.如权利要求1所述的无刷电动机，其特征在于，上述多个齿部的数量小于上述永久磁铁所形成的极数，

上述轭部在向着上述转子的方向上的厚度是上述多个齿部中的一个沿周方向的宽度的35％以上。

6.一种电动转向装置，其特征在于，

具有权利要求1所述的无刷电动机，

上述无刷电动机响应为了使车辆转向而进行的操作装置的操作而受到驱动，由此对该车辆的转向机构施加转向辅助力。

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