CN101416372A - 电动机及用于该电动机的电力供应控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动机及用于该电动机的电力供应控制装置。在定子(20)的环形体(21)内，在位于偶数个定子磁极(22)之间的交替的极间磁路部分(23)中设置有永磁体(24)，从而产生沿环形体(21)的周向指向的磁场。线圈(25)绕着未设置有永磁体(24)的交替的极间磁路部分(23)卷绕，从而产生与永磁体(24)所产生的磁场相反的磁场。当电力未供应到线圈(25)时，由永磁体(24)形成环形磁路，从而，磁通量不会泄漏到转子。当电力供应到线圈(25)时，永磁体(24)的磁场的磁通量和线圈(25)的磁场的磁通量彼此结合并从定子磁极(22)流到转子(30)的转子磁极(32)，从而获得强大的吸力。

Description

电动机及用于该电动机的电力供应控制装置

技术领域

【1】本发明涉及使用由永磁体产生的吸引力的电动机，还涉及用于该电动机的电力供应控制装置。

背景技术

【2】在使得车辆的转向轮转动的电动转向系统中，例如面装式永磁电动机(SPM电动机)用作驱动单元。近些年来，对于更有效和更高功率电动转向系统的需求也在日益增长。然而，如果电动机产生更高功率，那么电动机损失扭矩、定位转矩以及电动机惯性(系统惯性)将随着电动机产生的功率的增长而成比例地增长。因而，驾驶员感受到的操纵感降低。

【3】尽管电动机转矩中的波动影响了操纵感，这种转矩波动还是能够通过控制以反馈方式供应到电动机的电流而得到控制。然而，因为当电力未供应到电动机时不能执行反馈控制，所以当电力未供应到电动机时出现的电动机损失转矩可能造成操纵感降低，例如驾驶员的方向盘无意中转动。在电力未供应到电动机时，同样可能产生定位转矩。因此，定位转矩还造成操纵感降低，因为当电力未供应到电动机时不能执行反馈控制。此外，这种电动机损失转矩和定位转矩随着电动机的输出而成比例地增加。这妨碍了电动机效率和电动机输出功率的提高。

【4】此外，高功率电动机需要在转子和定子中具有大量磁路。这增加了转子的体积和转动惯量。因此，在电动转向系统中，执行补偿控制以减小由于这种惯性造成的转矩波动。然而，由于电动机的时间常数或者传感器的性能，不能执行完全的补偿。在此情况下，当惯性小时，对此波动的补偿足以使得驾驶员感受到转矩波动。然而，如果惯性大时，惯性将会影响操纵感。

【5】日本专利申请文献No.2004-236369(JP-A-2004-236369)描述了一种开关磁阻电动机(SR电动机)，该开关磁阻电动机产生高功率并且减小定位转矩。在JP-A-2004-236369所描述的电动机中，在定子的围绕转子的内表面上沿着周向设置有多个凸极部分，线圈绕着所述凸极部分卷绕并且所述凸极部分向内延伸，并且永磁体埋在线圈绕其卷绕的凸极部分中。当电力供应到线圈时，由于线圈产生的磁通量和永磁体产生的磁通量所合成的磁通量，转子收到强烈的磁性吸力的吸引。从而，获得高转矩。为了减小定位转矩，采用下列结构。在该结构中，永磁体埋在凸极部分中靠近该凸极部分的背朝转子转动方向的侧部的位置处，并且永磁体的磁极面朝向凸极部分的内部。

【6】然而，即使具有JP-A-2004-236369所描述的结构，由于设置在转子的凸极部分处的永磁体，定子和转子之间还是存在贯通磁通量。因此，定位转矩不合适地减小。因而，即使这种电动机用在电动转向系统中，操纵感还是未得到改善。

发明内容

【7】本发明抑制由于当电力未供应到电动机时出现的定位转矩等的转矩波动。

【8】本发明的第一方面涉及一种电动机，其包括定子，该定子具有形成磁路的中空圆环形体，其中，偶数个定子磁极以有规律的间隔沿该环形体的周向设置，并且所述定子磁极从所述环形体的内面沿径向向内突出。电动机还包括转子，该转子与所述定子同轴地设置，形成磁路，其中，所述转子具有转子磁极，所述转子磁极从所述转子的外面沿径向向外突出，并且当所述转子在预定的转动位置时，所述转子磁极面朝所述定子磁极。所述电动机还包括：永磁体，其设置在位于连续的定子磁极之间的偶数个极间磁路部分内的交替的极间磁路部分中，从而产生沿周向指向的磁场；和线圈，其绕着其余的未设置有永磁体的交替的极间磁路部分卷绕，从而产生与永磁体所产生的磁场相反的磁场。

【9】根据本发明的第一方面，在所述环形体的内面上形成偶数个定子磁极，并且永磁体和线圈交替地设置在位于连续的定子磁极之间的极间磁路部分处。极间磁路部分的数目等于定子磁极的数目。在这些极间磁路部分之间，在交替的极间磁路部分中设置有永磁体，并且线圈绕着未设置有永磁体的极间磁路卷绕。永磁体设置为产生沿着所述环形体的周向指向的磁场。线圈绕着极间磁路部分卷绕，使得当电力供应到所述线圈时，该磁场与永磁体所产生的磁场相反。例如，如果有两个定子磁极，则形成两个极间磁路部分。在此情况下，永磁体设置在其中一个极间磁路部分中，线圈绕着另一个极间磁路部分卷绕。如果定子磁极的数目是四个或更多，永磁体设置在交替的极间磁路部分中。永磁体设置为使得永磁体所产生的磁场沿同一方向指向。

【10】因此，当电力未供应到线圈时，磁通量由于永磁体所产生的磁场而沿着环形磁体的周向流动，并且磁通量不会从定子磁极朝向转子泄漏。当电力供应到线圈时，在绕其卷绕有线圈的极间磁路部分中产生与永磁体所产生的磁场相反的磁场。因此，永磁体所产生的磁场的磁通量以及线圈所产生的磁场的磁通量彼此结合，并从定子磁极流向转子的转子磁极。即，永磁体所产生的磁场被线圈所产生的相反的磁场所推回。于是，产生从极间磁路部分经过定子磁极、转子磁极、转子磁体、相邻的转子磁极、相邻的定子磁极到极间磁路部分的磁通量的流动。类似地，线圈所产生的磁场被永磁体所产生的磁场推回。于是，产生从极间磁路部分经过定子磁极、转子磁极、转子磁体、相邻的转子磁极、相邻的定子磁极到极间磁路部分的磁通量的流动。

【11】因此，当电力未供应到线圈时，磁极之间(定子磁极和转子磁极之间)的磁通量的流动受到抑制，这防止产生定位转矩和损失转矩。从而，根据本发明的第一方面，当电力未供应到线圈时，可以抑制转矩波动。

【12】在本发明的第一方面中，所述转子可相对于转子的转轴对称。由此结构，可以防止沿垂直于转轴的方向指向的力变得不平衡，从而，减小噪音和振动。

【13】在本发明的第一方面中，所述定子和转子可以是软磁体。这提高了电动机的效率(从电动机输出的能量与输入到电动机中的能量的比值)。

【14】在本发明的第一方面中，每个定子和转子都可通过堆叠多个磁性钢片所形成，每个磁性钢片都厚达1毫米。由此结构，可以合适地减小涡流损失和滞后损失。因而，电动机实现高效率。

【15】在本发明的第一方面中，当定子磁极和转子磁极彼此面对并且定子磁极和转子磁极的中心线重合时，定子磁极和转子磁极之间的气隙的长度将会随着定子磁极和转子磁极的中心线之间的距离的增加而增加。在此情况下，定子磁极和转子磁极的彼此面对的端面可以是形成虚拟圆柱面的一部分的弧面，所述虚拟圆柱面包括定子磁极和转子磁极中的一者的端面，所述虚拟圆柱面的轴线可相对于转轴的中心沿径向偏移，使得气隙在周向上的长度随着中心线之间的距离的增加而增加。

【16】由此结构，相对于转子移动的量，转矩适当地和平滑地变化。转子磁极和定子磁极随着转子的转动而彼此靠近和彼此原理。当转子磁极和定子磁极在彼此相对的同时朝向彼此运动时，转矩的变化增加。因而，形成具有较小转矩波动的电动机。

【17】在本发明的第一方面中，沿径向向内凹入的凹槽可在形成定子磁极的位置处形成于定子的环形体的外面中。

【18】由此结构，当永磁体所产生的磁场被线圈所产生的磁场推回时，凹槽引导磁通量朝向定子磁极流动。因此，当电力供应到线圈时，磁通量被合适地传递到转子，这使得在磁极之间可以有效地产生吸力。此外，环形体的重量得以减小。

【19】在本发明的第一方面中，在绕其卷绕有线圈的极间磁路部分处的环形体的半径可以大于在其中设置有永磁体的极间磁路部分处的环形体的半径。

【20】由此结构，当电力供应到线圈时，更易于引导永磁体的沿环形体的周向流动的磁通量朝向定子磁极，因为在设置有永磁体的极间磁路部分以及绕其卷绕有线圈的极间磁路部分之间环形体的半径不同。因而，当电力供应到线圈时，可以合适地朝向转子引导磁通量，这使得可以在磁极之间有效地产生吸力。此外，得以确保在环形体内侧上用于卷绕线圈的更大的空间，因为在绕其卷绕有线圈的极间磁路部分处的环形体的半径大于在设置有永磁体的极间磁路部分处的环形体的半径。这减小了铜损。

【21】本发明的第二方面涉及一种组合电动机，该组合电动机包括至少三个基本模块，每个基本模块都是由根据本发明的第一方面的电动机所形成。根据本发明的第二方面，在该处定子磁极和转子磁极朝向彼此的转动位置处每个基本模块之间相差一个大致相等的相位差。

【22】由此结构，可以恒定地产生转矩而不论转子的转动角度和转动角速度。即，当电动机仅由一个基本模块形成时，如果转子停止在某一转动角处，电动机可能不能启动。然而，在这些基本模块之间的磁极的相位在转子转动的方向上彼此偏移，使得吸力能够平均地(以有规律的转动角度间隔)产生。因此，不会出现这种不便。从而，组合电动机能够有效地应用于系统作为电动转向系统，在该电动转向系统中，电动机转矩是必需的，即使在电动机的转动角速度为零——即电动机停止时也是如此。

【23】在本发明的第二方面中，所述至少三个基本模块可以沿转轴延伸的方向彼此连接，并且在连续的基本模块之间保持有气隙。

【24】由此结构，可以防止磁通量在基本模块之间泄漏，这减小了转矩波动。

【25】本发明的第三方面涉及一种电力供应控制装置，其对供应到根据本发明第二方面的组合电动机的电力进行控制。该电力供应控制装置包括：转动角传感器，其检测转子的转动角；以及电力供应装置，其用于根据所述转动角传感器测得的转动角在每个基本模块的相位差等于由下列等式表示的电角度——为360°/n的电角度时将电力供应到所述基本模块的线圈。这里，“n”表示基本模块的数目，360°的电角度相当于将360°的机械角度除以一个基本模块的磁极数目“m”所得到的值。

【26】由此结构，电力被供应到所述基本模块达一段时间，在此期间，所述转子转动过预定转动角，并且电力在每个基本模块都不同的时间时被供应到基本模块的线圈。这使得可以在顺时针方向或逆时针方向合适地转动电动机。

【27】根据本发明的第四方面，根据本发明的第二方面的组合电动机在使得车辆的转向轮转动的电动转向系统用作驱动单元。由此设置，操纵感得以改善，因为当电力未供应到线圈是转矩波动相当小的电动机用在电动转向系统中。

附图说明

【28】从参照附图对示例实施例进行的下面描述中，可以明白本发明的前述和其它目的、特征和优点，其中相同或相应的部分将由相同的附图标记表示，其中：

图1是根据本发明的实施例的基本模块的横截面图，这通过沿所述基本模块将其径向切开而获得；

图2A和2B是示出基本模块中磁通量分布的视图；

图3是示意性地示出电动机的视图；

图4A到4C是示出基本模块之间相位差的视图；

图5A和5B是示出转矩特性相对于电动机的转动角的视图；

图6A和6B是示出定子磁极和转子磁极之间位置关系的视图；

图7是示意性地示出电力供应控制装置的视图；

图8是示意性地示出根据本发明的实施例的改进实例的电力供应控制装置的视图；

图9是示出当转子沿顺时针方向转动时电力被供应到每个基本模块的时间期间的正时曲线图；

图10是示出当转子沿逆时针方向转动时电力被供应到每个基本模块的时间期间的正时曲线图；

图11是示出供应到根据本发明的实施例的改进实例的电动机的波形的视图；

图12是示出根据本发明的实施例的改进实例的磁极之间的气隙的形状的视图；

图13A到13C是示出根据本发明的实施例的改进实例的磁极的端部肩台部分的形状的视图；

图14A和14B是示出根据本发明的实施例的改进实例的环形体中形成凹槽的视图；

图15是根据本发明的实施例的改进实例的环形体的部分放大视图；

图16是根据本发明的实施例的改进实例的基本模块的横截面视图，这通过沿所述基本模块将其径向切开而获得；以及

图17是示意性地示出电动转向系统的视图。

具体实施方式

【29】此后，将参照附图描述根据本发明的实施例的电动机和用于该电动机的电力供应控制装置。如图3所示，通过将三个基本模块10(第一基本模块10A、第二基本模块10B和第三基本模块10C：这些基本模块将被总称为基本模块10)沿轴向彼此连接而形成根据本发明的实施例的电动机1。电动机1用作电动转向系统的驱动单元，这将在稍后详细描述。首先，将描述基本模块10。图1示出形成根据本发明的实施例的电动机1的基本模块10。基本模块10包括固定到电动机壳11的定子20以及设置在定子20中从而可将轴12用作转轴转动的转子30。

【30】定子20由中空圆环形体21形成，所述环形体具有四个一体模制的定子磁极22a、22b、22c和22d。定子磁极22a、22b、22c和22d沿环形体21的周向以有规律的间距形成于环形体21的内面上。定子磁极22a、22b、22c和22d沿环形体21的径向从环形体21的内面向内突出。在定子20中，能够形成磁路。在本发明的实施例中，定子20通过沿轴向重叠多个磁性钢片而形成中空的圆柱形状，每个磁性钢片都被压成预定形状(每个磁性钢片由软磁材料制成，并且厚达1毫米)。每个定子磁极22a、22b、22c和22d形成为齿形。定子磁极22a、22b、22c和22d以有规律的间隔设置，使得其端部定位于与环形体21同轴的虚拟圆柱面上。

【31】永磁体24ab和24cd紧紧地埋在环形体21中。永磁体24ab埋在定子磁极之间的环形磁路部分23ab(此后，称之为“极间磁路部分23ab”)中，该环形磁路部分23ab是环形体21在定子磁极22a和定子磁极22b之间的一部分。永磁体24cd埋在定子磁极之间的环形磁路部分23cd(此后，称之为“极间磁路部分23cd”)中，该环形磁路部分23cd是环形体21在定子磁极22c和定子磁极22d之间的一部分。这两个永磁体24ab和24cd指向为使得产生沿着环形体21周向的相同方向的磁场。即，两个永磁体24ab和24cd设置为永磁体24ab的南极和永磁体24cd的北极在环形体的磁路上彼此相对。在本发明的实施例中，这两个永磁体24ab和24cd设置为使得产生图1中的沿逆时针方向指向的磁场。线圈25ad和25bc绕定子磁极之间的环形磁路部分卷绕，所述环形磁路部分中既未埋有永磁体24ab，也未埋有永磁体24cd。线圈25ad绕定子磁极之间的环形磁路部分23ad(此后，称之为“极间磁路部分23ad”)卷绕，该环形磁路部分23ad是环形体21在定子磁极22a和定子磁极22d之间的一部分。线圈25bc绕定子磁极之间的环形磁路部分23bc(此后，称之为“极间磁路部分23bc”)卷绕，该环形磁路部分23bc是环形体21在定子磁极22b和定子磁极22c之间的一部分。两个线圈25ad和25bc分别绕极间磁路部分23ad和23bc卷绕，使得在电力供应到线圈25ad和25bc时，产生与永磁体24ab和24cd所产生的磁场相反的磁场。在本发明的实施例中，线圈25ad和25bc分别绕极间磁路部分23ad和23bc卷绕，使得产生在图1中沿顺时针方向指向的磁场。下面将描述线圈25ad和25bc的电力控制电路。

【32】在环形体21中，永磁体24ab和24cd与线圈25ad和25bc交替地设置。永磁体24ab、永磁体24ab、线圈25ad和线圈25bc分别设置在极间磁路部分23ab、23cd、23ad和23bc处。极间磁路部分23ab、23bc、23cd和23ad形成四个磁极22a、22b、22c和22d之间的磁路。此后，当不必区分两个永磁体24ab和24cd时，这两个永磁体将被总称为永磁体24。同样，当不必区分两个线圈25ad和25bc时，这两个线圈将总称为线圈25。当不必区分四个极间磁路部分23ab、23cd、23ad和23bc时，这些极间磁路部分将被总称为极间磁路部分23。同样，不必区分四个磁极22a、22b、22c和22d时，这些磁极将被总称为磁极22。

【33】磁极22的数目不限于四个。定子20可设置有任意偶数个定子磁极22。此外，在环形体21中，永磁体24埋在这些偶数个极间磁路部分23中的位于连续的定子磁极22之间的交替的极间磁路部分23中，使得产生沿周向指向的磁场。此外，线圈25绕着未设置有永磁体24的交替的极间磁路部分23卷绕，使得产生与永磁体24所产生的磁场相反的磁场。在此情况下，如果定子磁极22是两个，永磁体24将埋在其中一个极间磁路部分23中，而线圈25将绕着另一个极间磁路部分23卷绕。钕基磁铁可用作永磁体24。永磁体24的磁力设定为仅通过两个永磁体24的磁力，在环形体21中获得90％或以上的饱和磁通量。

【34】转子30由圆柱形的中心磁路部分31形成，其具有四个一体模制的转子磁极32a、32b、32c和32d。中心磁路部分31固定到轴12，轴12以可转动的方式配合到电动机壳11。转子磁极32a、32b、32c和32d沿周向以有规律的间隔形成于中心磁路部分31的外面上。转子磁极32a、32b、32c和32d从中心磁路部分31的外面沿径向向外突出。转子30相对于转轴对称，并与定子20同轴。与定子20中一样，转子30中也能形成磁路。在本发明的实施例中，转子30通过沿轴向重叠多个磁性钢片而形成，每个磁性钢片都被压成预定形状(每个磁性钢片由软磁材料制成，并且厚达1毫米)。此后，当不必区分四个转子磁极32a、32b、32c和32d时，这些转子磁极将被总称为转子磁极32。每个转子磁极32a、32b、32c和32d都形成为齿形。转子磁极32的数目与定子磁极22的数目相等。当转子30位于预定转动角时，这些转子磁极32朝向定子磁极22。

【35】在基本模块20中，在定子磁极22和转子磁极32之间保持有具有预定长度的气隙。在包括具有外径达100毫米的定子20的基本模块10中，气隙的平均长度可位于从0.2毫米到1.5毫米的范围内。

【36】接下来，将描述基本模块10的操作原理。图2A和2B示出了磁学分析的结果。图2A示出当电力未供应到线圈25时的磁通量分布。图2B示出当电力供应到线圈25时的磁通量分布。图2A和2B示出了在包括磁极的基本模块10中的磁学分析的结果，这些磁极的尺寸与图1中示出的基本模块10的磁极的尺寸略微不同。然而，在图1中示出的基本模块10中能够获得大体相同的结果。如图2A所示，当电力未供应到线圈25时，永磁体24所产生的磁场形成环形磁路，磁通量沿着环形体21的周向流动而经过该环形磁路。因此，磁通量不会从定子磁极22朝向转子23泄漏。从而，在此情况下几乎不产生电动机损失转矩和定位转矩。

【37】当电力同时供应到两个线圈25时，如图2B所示，在绕其卷绕有线圈25的极间磁路部分23中产生与永磁体24所产生的磁场相反的磁场。接着，已经沿着环形体21的周向流动的永磁体24的磁通量的方向发生改变。从而，由永磁体24所产生的磁场的磁通量和由线圈所产生的磁场的磁通量彼此结合，然后从定子磁极22流动到转子30的转子磁极32。即，永磁体24ab所产生的磁场被沿永磁体24ab所产生的磁场的方向与该永磁体24ab相邻的线圈25ad所产生的相反的磁场推回。然后，产生从极间磁路部分23ab经过定子磁极22a、转子磁极32a、转子中心磁路部分31、转子磁极32b和定子磁极22b到极间磁路部分23ab的磁通量的流动。同样，永磁体24cd所产生的磁场被沿永磁体24cd所产生的磁场的方向与该永磁体24cd相邻的线圈25bc所产生的相反的磁场推回。然后，产生从极间磁路部分23cd经过定子磁极22c、转子磁极32c、转子中心磁路部分31、转子磁极32d和定子磁极22d到极间磁路部分23cd的磁通量的流动。

【38】线圈25ad所产生的磁场被沿线圈25ad所产生的磁场的方向与该线圈25ad相邻的永磁体24ab所产生的相反的磁场推回。然后，产生从极间磁路部分23ad经过定子磁极22a、转子磁极32a、转子中心磁路部分31、转子磁极32d和定子磁极22d到极间磁路部分23ad的磁通量的流动。同样，线圈25bc所产生的磁场被沿线圈25bc所产生的磁场的方向与该线圈25bc相邻的永磁体24cd所产生的相反的磁场推回。然后，产生从极间磁路部分23bc经过定子磁极22c、转子磁极32c、转子中心磁路部分31、转子磁极32b和定子磁极22b到极间磁路部分23bc的磁通量的流动。

【39】因此，在基本模块10中，通过有效地使用永磁体24和线圈25的磁力，高量级的磁通量在磁极之间(在定子磁极22和转子磁极32之间)经过。这使得即使紧凑的基本模块10也能够产生大的吸力。此外，因为既没有永磁体也没有线圈安装到转子30，所以惯性远低于DC无刷电动机、SPM电动机或IPM电动机(一种嵌入式磁性同步电动机)的惯性。转子30具有偶数个转子磁极32，这些转子磁极以有规律的间隔设置并相对于轴12对称。因此，能够使得沿着垂直于轴12的方向指向的合力为零。这抑制了噪音和振动。此外，当转子30转动时，在磁极之间的所有部分的有规律的间隔处产生吸力。而且，因为转子30和定子20由软磁材料制成，电动机效率得以提高。在本发明的实施例中，沿周向观察时，每个定子磁极22和每个转子磁极32的端部都是两边对称的。因此，吸力的大小是相对于定子磁极22的中心两边对称的，从而，无论电动机是沿顺时针方向还是沿逆时针方向转动，都能得到同样的结果。因此，基本模块10适合作为在横向操纵车轮的电动转向系统中使用的电动机。

【40】因为磁极之间的气隙的长度大于或等于0.2毫米，所以可以防止在电力未供应到线圈25时磁通量朝向转子30泄漏。这最小化了环形体21的横截面。而且，因为气隙的长度小于或等于1.5毫米，所以合适地改变吸力和产生足够大小的吸力之间的平衡得以最优地保持，这使得当微笑的电流流经线圈25时，易于控制磁通量的大小。

【41】形成基本模块10的软磁体通过重叠多个电磁钢片而形成，每个电磁钢片厚达1毫米。因此，可以合适地减小涡流损失和滞后损失。因而，电动机实现高效率。

【42】因为将钕基磁铁用作埋在环形体21中的永磁体24，所以获得强磁力，从而基本模块10的尺寸可以减小。在基本模块10中，永磁体24的磁通量的流动方向由供应到线圈25的电力改变为朝向转子磁极32的方向。因此，环形体21和用在磁通量饱和点附近。线圈25所能有效产生的磁通量的强度与永磁体24的磁力成正比。因而，定子20的尺寸与通过将2乘以磁力的平方(2×(磁力的平方)所获得的值成反比。因此，通过使用产生强磁力的钕基磁铁，减小了基本模块10的尺寸。即使供应到线圈的电流小，也能产生对转子30的磁力。

【43】接下来，将描述根据本发明的实施例的电动机1，其中三个基本模块10彼此连接。如图3所示，通过使得第一基本模块10A、第二基本模块10B和第三基本模块10C沿轴线彼此连接——即通过将各个基本模块10的转子30固定到用作由三个基本模块10共用的转轴的轴12而形成电动机1。在本发明的实施例中，在电动机1中使用三个基本模块10。然而，基本模块10的数目不限于三个。当电动机1用在电动转向系统中时，基本模块10的数目可以增加。

【44】如图4A、4B和4C所示，各个基本模块10的转子30以转子30的转子磁极32保持对齐的方式固定到轴12。同时，基本模块10的定子20以定子20之间的定子磁极33的位置沿转子30转动的方向彼此偏移30°的机械角度的方式固定到电动机壳11。即，定子磁极22的相位沿转子30转动的方向彼此偏移，使得在转子30转动时，基本模块10(以有规律的转动角间隔)产生均匀的吸力。该相位差是通过将360°除以一个基本模块的磁极的数目以及基本模块的数目的乘积得到的值(360°/(一个基本模块的磁极的数目×基本模块的数目))。在本发明的实施例中，因为每个基本模块具有四个磁极，有三个基本模块，基本模块10之间的相位差是30°。相位差设定为当转子30转动时产生均匀的吸力，即磁极之间的吸力在整个基本模块10中以预定的转动角间隔产生。因此，基本模块10之间的定子磁极的位置无需彼此以有规律的间隔偏移。在基本模块10之间的转子30的相位可以彼此偏移。可选地，在基本模块10之间的定子20和转子30的相位都可以彼此偏移。

【45】提供基本模块10，使得定子磁极22和转子磁极32之间的相对相位彼此以有规律的间隔偏移，使得可以恒定地产生转矩，而与转子30的转动角和转动角速度无关。即，当电动机仅由一个基本模块10形成时，如果转子30停止在某一转动角处，电动机可能不能启动。然而，在基本模块10之间的磁极的相位沿着转子30转动的方向彼此偏移，从而产生均匀的吸力。因此，不会产生这种不便。从而，作为电动转向系统，即使电动机的转动角速度为零，即，即使电动机停止，也能产生转矩。

【46】如图3所示，气隙G被保持在连续的基本模块10之间。气隙G防止磁通量在基本模块10之间泄漏。因而，减小转矩波动。

【47】检测转子30的转动角(机械角度)的转动角传感器14配合到电动机1的轴12。如图7所示，对供应到基本模块10的线圈的电力进行控制的电力供应控制装置40连接到电动机1。电力供应控制装置40包括电动机控制器41和开关部分42，电动机控制器41主要由微型计算机形成并计算电动机控制量(供应到电动机的电力的量)，开关部分根据来自于电动机控制器41的控制信号将电力从电力供应单元B供应到线圈25。电动机控制器41从操纵转矩传感器58接收转矩信号Tr并从车速传感器(未示出)接收车速信号V，并计算与电动转向系统所需的辅助转矩相对应的目标电力供应量，其中该操纵转矩传感器58检测如图17中示出的驾驶员的方向盘51的转向转矩。电动机控制器41还根据来自于转动角传感器14的转动角θ确定将电力供应到线圈25的时间期间。开关部分42包括设置在基本模块10的线圈25和电力供应单元B之间的开关元件S1、S2和S3。例如MOS-FET(金属氧化物场效应晶体管)用作开关元件S1、S2和S3。除了开关部分42，还可形成包括六个开关元件S1、S2、S3、S4、S5和S6的开关部分43，如图8所示。

【48】接下来，将描述由电力供应控制装置40所执行的供应到电动机1的电力的控制。下面将描述将电力供应到每个基本模块10的线圈25的时间期间。下面将不提供根据用于电动转向系统的辅助转矩对电力供应量的控制的描述。下面的描述基于电力供应量保持恒定的假定而提供。

【49】图6A和6B解释了基本模块10中转子磁极32相对于定子磁极22的运动。第一基本模块10A的定子磁极22的中心线与下一转子磁极32的中心线下一次重合处的转动角是360°的电角度。因此，当一个基本模块10的磁极数目“m”时，将360°的机械角度除以“m”得到的值等于360°的电角度。在本发明的实施例中，90°的机械角度相当于360°的电角度。

【50】图9示出当转子30沿顺时针方向转动时电力供应到每个基本模块10的线圈25的期间。如图9所示，从电角度为180°直到电角度为360°的时间段期间，电力供应到第一基本模块10A的线圈25。电力开始供应到第二基本模块10B的线圈25的时间从电力开始供应到第一基本模块10A的时间偏移一个与用360°除以基本模块10的数目“n”得到的相位相等的电角度(360°/n)。在本发明的实施例中，因为基本模块10的数目“n”为三，电力开始供应到第二基本模块10B的线圈25的时间从电力开始供应到第一基本模块10A的线圈25的时间偏移一个120°的电角度。电力开始供应到第三基本模块10C的线圈25的时间从电力开始供应到第二基本模块10B的线圈25的时间偏移一个与第一基本模块10A和第二基本模块10B之间相同的相位差。这种到线圈25的电力供应优选地以矩形波的方式执行。

【51】图10示出当转子30沿顺时针方向转动时电力供应到每个基本模块10的线圈25的期间。从电角度为0°直到电角度为180°的时间段期间，电力供应到第一基本模块10A的线圈25。电力开始供应到第二基本模块10B的线圈25的时间从电力开始供应到第一基本模块10A的时间偏移一个与用360°除以基本模块10的数目“n”得到的相位相等的电角度(360°/n)。同样，电力开始供应到第三基本模块10C的线圈25的时间从电力开始供应到第二基本模块10B的线圈25的时间偏移一个与第一基本模块10A和第二基本模块10B之间相同的相位差。

【52】从而，供应到每个基本模块10的线圈的电力开始于达到预定的电动机转动角的预定时间，并且持续的时间段为直到达到另一预定电动机转动角时。从而，无论转子30沿顺时针方向还是沿逆时针方向转动，都会产生转矩。通过分别调节开关部分42的开关元件S1、S2和S3的占空比来对供应到基本模块10的线圈25的电流的大小进行控制。即，当电力基于电动机转动角以矩形波的方式供应到线圈时，开关元件S1、S2和S3以与以矩形波的方式供应到线圈25的电力的间隔相比极其短的间隔接通和断开。通过分别调节开关元件S1、S2和S3的占空比来改变供应到线圈25的电流值。

【53】电力可以以梯形波的方式供应到线圈25，如图11所示。即，每隔一个预定的时间段，电流值就在该时间段的每个开始和结束阶段以预定速率改变，在该时间段内电力供应到线圈25。在此情况下，供应到一个基本模块10的线圈的电流升高的时间段以及供应到另一个基本模块10的线圈的电流降低的时间段彼此重叠。从而，以下列方式增大供应到线圈的电流：其中表示电流的线是倾斜的，这种增大减小了磁通量中的变化。因此，电动机效率得以提高。

【54】图5A和5B示出了当电动机沿顺时针方向转动时基本模块10中产生的转矩相对于电动机转动角的过渡情形。图5A示出在第一基本模块10A中产生的转矩。图5B示出在模块10A、10B和10C中产生的转矩以及这些转矩合成的转矩。如图5B可见，通过将模块10A、10B和10C中产生的转矩加到一起，在任一电动机转动角都可以获得恒定的转矩。

【55】这里所描述的电动机1和电力供应控制装置40可在用于车辆的电动转向系统中用作驱动单元。如图17所示，电动转向系统将转向辅助转矩供应到转向机构50中，该转向机构包括由驾驶员转动的驾驶员的方向盘51、固定到驾驶员的方向盘51的转向轴52、沿车体的车辆宽度方向运动的齿条53、将转向轴52的转动转换成齿条53的运动的齿条齿轮机构54以及将齿条53的横向运动转换到相应车轮W的转向节臂55的转向横拉杆56。电动转向系统包括配合到转向轴52的减速齿轮57、与减速齿轮57啮合并将转矩供应到转向轴52的电动机1、检测供应到转向轴52的转向转矩的转向转矩传感器58以及对供应到电动机1的电力进行控制的电力供应控制装置40。

【56】如上所述，通过将电动机1用于电动转向系统，即使产生高功率，既不会产生损失转矩也不会产生滞后转矩，还使得电动机惯性保持较低。此外，使得多个基本模块10彼此结合，抑制了电动机1被驱动时的转矩波动。因而，通过所述电动转向系统，即使实现高功率输出和高效率，驾驶员感受到的操纵感也不会降低。

【57】接下来，将描述基本模块10的结构的改进实例。首先，将描述基本模块10的转子磁极32和定子磁极22的端部形状的改进实例。图12示出根据本实施例的改进实例的转子磁极132和定子磁极122的端部形状。在改进实例中，在彼此面向对方的转子磁极132和定子磁极122之间保持的气隙沿周向的长度随着到磁极的中心线的距离的增加而增加。在改进实例中，定子磁极122的端面形成为弧面，所述弧面形成与转子30共用转动轴心O1并且半径为R1的虚拟圆柱面的一部分。同时，转子磁极132的端面形成为弧面，所述弧面形成轴心在中心O2并且半径为R2的虚拟圆柱面的一部分，该中心O2相对于转子30的转动轴心O1沿径向向外偏移距离δ。

【58】通过这种结构，与转子30移动的量相比，转矩缓慢并且平滑地变化。在转子30转动时转子磁极132和定子磁极122彼此靠近并且相互远离。当转子磁极132和定子磁极122彼此面向对方而相对运动时，转矩的变化减小。例如，如果通过使用图5中示出的转矩特性来表示转矩的变化，获得最大转矩的区域“t”能够形成为平坦的。因而，形成具有较小转矩波动的电动机。在改进实例中，转子磁极132的端面弯曲处的角度较大。可选地，定子磁极的端面弯曲处的角度可以较小。即，形成定子磁极的端面的弧面可以是虚拟圆柱面的一部分，该虚拟圆柱面的轴心在相对于转子30的转动轴心O1沿与定子磁极的距离增大的方向偏移的位置处。而且，定子磁极的端面也可做成平坦的。

【59】接下来，将描述基本模块10的转子磁极32和定子磁极22的端部肩台部分的形状的改进实例。图13A、13B和13C分别示出根据三个改进实例的转子磁极232、332和432。在图13A、13B和13C中，转子磁极232、332和432的端部是沿轴向从前部观察的。图13A中的转子磁极232通过切割每个端部肩台部分而形成，使得端部肩台部分的截面具有弧形。形成有弧面P1(形成半径为R的虚拟圆柱面的一部分的弧面)。弧面P1的半径R远小于形成转子磁极232的端面的中央部分的弧面(形成所述虚拟圆柱面的一部分的弧面)的半径。图13B中示出的转子磁极332通过斜切每个端部肩台部分使得形成斜面P2而形成。图13C中示出的转子磁极432通过将每个端部肩台部分斜切成两部分使得形成斜面P3和P4而形成。根据这些改进实例，可使得吸力相对于转子30的转动量的初始改变特性较为合适。

【60】例如，在图5A中的转矩特性中，在转矩增加区域“s”中转矩增加的速率可以通过调节磁极端部肩台部分的形状而调节。当多个基本模块10结合使用时，在转矩增加期间，产生转矩的时间段彼此重叠。因此，在本实施例的改进实例中，转子磁极32的每个端部肩台部分被切成预定形状。从而，获得合适的转矩特性，并且形成具有较小转矩波动的电动机。端部肩台部分的形状不限于这些改进实例中描述的那些形状。例如，端部肩台部分的形状可通过结合多个弧面、将端部肩台部分斜切成三个或多个部分或者既形成弧面又斜切端部肩台部分而形成。可选地，定子磁极22的端部肩台部分可以被切成预定形状。进一步可选地，转子磁极32和定子磁极22的端部肩台部分都可以被切成预定形状。

【61】接下来，将描述基本模块10中定子20的环形体21的改进实例。图14A和14B示出了根据改进实例的形成有定子磁极22的定子20的部分。图14A示出第一改进实例，图14B示出第二改进实例。在第一改进实例中，沿径向向内凹入的凹槽26在定子磁极22形成的位置处形成于环形体21的外面中。在第二改进实例中，沿径向向内凹入的凹槽27在定子磁极22形成的位置处形成于环形体21的外面中。在第一改进实例中，凹槽26是V形截面并且由两个斜面26a和26b限定的空间。在第二改进实例中，凹槽27是大体上为V形截面并且由两个弧面27a和27B(每个弧面都形成半径为R的虚拟圆柱面的一部分)限定的空间。在第一和第二改进实例中，每个凹槽26和27的中心可与定子磁极22的中心线重合。

【62】根据这些改进实例，当永磁体24所产生的磁场被线圈25所产生的磁场推回时，限定凹槽26的斜面26a和26b或者限定凹槽27的弧面27a和27B将磁通量的流动朝向定子磁极22引导。因此，当电力供应到线圈25时，能够使得磁通量合适地朝向转子流动。因而，磁极之间的吸力能够有效地产生。此外，环形体21的重量得以减轻。

【63】接下来，将参照图15和16描述基本模块10的环形体21的改进实例。环形体121的半径(内径和外径)在形成定子磁极22的边界处变化。环形体21在每个绕其分别卷绕有线圈25ad和25bc的极间磁路部分23ad和23bc处的外径R2大于在每个分别埋有永磁体24ab和24cd的极间磁路部分23ab和23cd处的外径R1。在此情况下，因为每个极间磁路部分23沿径向的宽度是相同的，所以环形体21在极间磁路部分23ad和23bc处的内径大于在极间磁路部分23ab和23cd处的内径。即，在环形体121中，在形成定子磁极22的边界处，环半径改变预定长度，该环半径是沿周向连接极间磁路部分23沿径向的中心的直线到转子的转轴之间的距离。

【64】从而，环形体21到轴心的距离在分别设置有永磁体24ab和24cd的极间磁路部分23ab和23cd处以及绕其分别卷绕有线圈25ad和25bc的极间磁路部分23ad和23bc处不同。因此，当电力供应到线圈25时，更容易引导永磁体24的沿着环形体121的周向流动的磁通量朝向定子磁极22。因而，当电力供应到线圈25时，使得磁通量合适地朝向转子30流动，并且能够在磁极之间有效地产生吸力。此外，因为环形体21在每个绕其分别卷绕有线圈25ad和25bc的极间磁路部分23ad和23bc处的半径大于环形体21的在每个分别埋有永磁体24ab和24cd的极间磁路部分23ab和23cd处的半径，所以确保在环形体121的内侧具有用于线圈25的更大的空间。因为转子30设置在环形体121的内侧上，所以用于线圈25的空间严格受限。然而，根据改进实例，这种不便被最小化。

【65】尽管已经描述了根据本发明的实施例的电动机和用于该电动机的电力供应控制装置，应该理解的是，本发明绝不限于所述实施例。相反，本发明意图覆盖本发明范围内的多种改进和等同形式。

【66】例如，根据本发明的电动机和用于该电动机的电力供应控制装置用于电动转向系统中。然而，这种电动机和电力供应控制装置也可合适地用于其它设备中。而且，基本模块的数目和磁极的数目可根据具体应用而合适地选定。

Claims (14)

1、一种电动机，其包括：

定子，该定子具有形成磁路的中空圆环形体，其中，偶数个定子磁极以有规律的间隔沿该环形体的周向设置，并且所述定子磁极从所述环形体的内表面沿径向向内突出；和

转子，该转子与所述定子同轴地设置，形成磁路，其中，所述转子具有转子磁极，所述转子磁极从所述转子的外表面沿径向向外突出，并且当所述转子位于预定的转动位置时，所述转子磁极面向形成于所述定子上的所述定子磁极，其特征在于所述电动机包括：

永磁体，该永磁体设置在位于连续的定子磁极之间的偶数个极间磁路部分中交替的极间磁路部分中，从而产生沿所述环形体的周向指向的磁场；和

线圈，该线圈永磁体绕着其余的未设置永磁体的所述交替的极间磁路部分卷绕，从而产生与所述永磁体所产生的磁场相反的磁场。

2、如权利要求1所述的电动机，其中：

所述电动机相对于所述转子的转轴对称。

3、如权利要求1或2所述的电动机，其中：

所述定子和所述转子是软磁体。

4、如权利要求3所述的电动机，其中：

每个所述定子和所述转子分别通过堆叠多个磁性钢片形成，每个磁性钢片都厚达1毫米。

5、如权利要求1—4中任一项所述的电动机，其中：

当所述定子磁极和所述转子磁极彼此面对并且所述定子磁极和所述转子磁极的中心线重合时，所述定子磁极和所述转子磁极之间的气隙的长度随着离所述定子磁极和所述转子磁极的中心线沿周向的距离的增加而增加。

6、如权利要求5所述的电动机，其中：

所述定子磁极和所述转子磁极的彼此面对的端面是部分地形成虚拟圆柱面的弧面，并且其中

其表面包括所述定子磁极和所述转子磁极中的一者的端面的所述虚拟圆柱的轴线相对于所述转轴的中心沿径向偏移。

7、如权利要求1—6中任一项所述的电动机，其中：

沿径向向内凹入的凹槽在形成所述定子磁极的位置处形成于所述定子的所述环形体的外表面中。

8、如权利要求1—7中任一项所述的电动机，其中：

供所述线圈绕其卷绕的所述极间磁路部分处的所述环形体的半径大于在其中设置有所述永磁体的所述极间磁路部分处的所述环形体的半径。

9、如权利要求1—8中任一项所述的电动机，其中：

所述电动机在用于将转向力供应到车辆的转向轮的电动转向系统中用作驱动单元。

10、一种组合电动机，所述组合电动机包括：

至少三个基本模块，每个基本模块都是由如权利要求1—8中任一项所述的电动机所形成，其中

在所述定子磁极和所述转子磁极朝向彼此的转动位置处每个基本模块之间相差一个大致相等的相位差。

11、如权利要求10所述的组合电动机，其中：

所述至少三个基本模块沿转轴延伸的方向彼此连接，并且

在连续的所述基本模块之间保持有气隙。

12、一种电力供应控制装置，其对供应到如权利要求10或11中所述的组合电动机的电力进行控制，其特征在于，所述电力供应控制装置包括：

转动角传感器，其检测所述转子的转动角；以及

电力供应装置，其用于根据所述转动角传感器测得的转动角，在每个基本模块相差与由下述等式表示的电角度对应的相位差时，向所述基本模块的线圈供应电力，上述等式为360°/n的电角度，其中“n”表示所述基本模块的数目，360°的电角度对应于将360°的机械角度除以一个基本模块的磁极数目(m)所得到的值。

13、如权利要求10或11中所述的组合电动机，其中：

所述组合电动机将转向力供应到车辆的转向轮的电动转向系统的驱动单元。

14、一种电动机，其包括：

定子，该定子具有形成磁路的中空圆环形体，其中，偶数个定子磁极以有规律的间隔沿该环形体的周向设置，并且所述定子磁极从所述环形体的内面沿径向向内突出；和

转子，该转子与所述定子同轴地设置，形成磁路，其中，所述转子具有转子磁极，所述转子磁极从所述转子的外面沿径向向外突出，并且当所述转子在预定的转动位置时，所述转子磁极面朝形成于所述定子上的所述定子磁极，

永磁体，其设置在位于连续的定子磁极之间的偶数个极间磁路部分内的交替的极间磁路部分中，从而产生沿所述环形体的周向指向的磁场；和线圈，其绕着其余的未设置有永磁体的交替的极间磁路部分卷绕，从而产生与永磁体所产生的磁场相反的磁场。

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