CN101527487A - 无刷马达 - Google Patents

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Abstract

本发明的无刷马达具备具有2n个磁极的转子和具有3n个切槽的定子，其中由沿轴向配置成3列的瓦形磁铁形成转子磁极。将邻接列的同极性磁铁配置于在圆周方向上错开的位置，形成3层层积的步进扭斜结构。瓦形磁铁的扭斜角θskew设定为电角度60～75°。瓦形磁铁的中心角θm设定为46.8°～52.7°。

Description

无刷马达
技术领域
本发明涉及具有扭斜结构的无刷马达，尤其涉及具有由瓦形磁铁形成的步进扭斜结构的无刷马达。
背景技术
以往，在无刷马达中，作为使顿振或力矩波动减小的机构，在轴向上使转子磁极等倾斜的扭斜结构广为人知。在扭斜结构的无刷马达中，作为磁极用的磁铁，一般使用环形磁铁。在使用了环形磁铁的马达中，通过在磁铁自身上进行扭斜磁化，使得顿振或力矩波动降低。
另一方面，例如在电动动力转向装置用的无刷马达等中，出于小型化、高输出化的要求，作为转子磁铁，能够磁化成高磁通密度的瓦形磁铁的使用正在增加。然而，瓦形磁铁(直角磁场型)在制造方法方面却无法进行扭斜磁化。因而，在使用了瓦形磁铁的马达中，为了实现扭斜结构，进行通过层积磁铁而实施的所谓的步进扭斜。
在步进扭斜结构的马达中，由于使各层的顿振波形相抵来降低顿振，所以瓦形磁铁在轴向上配置偶数层(通常为2层)。在专利文献1中，示出了磁铁配置了2层的旋转电机。在专利文献1的旋转电机中，各层的磁铁在圆周方向上每隔规定角度地偏移配置。由此，转子的磁极沿着轴向阶段性地偏移，形成2层层积结构的步进扭斜。
然而，在步进扭斜结构的马达中，由于实际上在组装状态或物性值、加工精度等方面存在误差，所以，对于2层层积的步进扭斜，存在不太能改善顿振的问题。尤其是在少极少切槽结构的马达的场合，由于极与切槽的最小公倍数小，所以各种误差所造成的影响大，难以降低顿振。因而，磁铁形状或组装精度变得非常严格，存在稳定性差的问题。
例如在6极9切槽结构的马达的场合，转子的制造精度的偏差所产生的顿振波形为9次(相当于马达一个旋转)。而且，定子的偏差所产生的顿振波形为6次(同上)。因此，顿振的基本波为18次(同上：9与6的最小公倍数)。另一方面，组装失衡所产生的顿振波形为各次数的偶数倍，由于该偏差，各次数的整数倍算到顿振中。尤其是层积所产生的转子的制造精度的偏差对顿振的影响大，若层积误差所形成的36次成分变大的话，则即使是理论扭斜角(360°/极、切槽的最小公倍数)也无法降低顿振。
另外，为了降低顿振或力矩波动，必须扩大磁铁宽度、增大扭斜角以减少感应电压的高谐波成分，此时，存在邻接的各层的磁极(异极)重叠的危险。若异极彼此的磁铁重叠的话，则会造成磁通短路，无法获得对马达旋转驱动有效的磁通。因而，还存在无法增大扭斜角而无法充分改善顿振等、或者有效磁通减少而输出降低的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供相对组装精度或扭斜角的偏差的稳定性优异、与现有的由环形磁铁形成的转子扭斜结构的马达相比能够提高输出的无刷马达。
本发明的无刷马达具备沿圆周方向具有2n(n为正整数)个磁极的转子和具有3n个切槽的定子；其特征在于，所述转子的所述磁极由沿轴向配置成3列的瓦形磁铁形成，而且，具有邻接列的磁铁配置于在圆周方向上偏移的位置的步进扭斜结构；所述瓦形磁铁的扭斜角θskew设定为电角度60～75°。
在本发明中，通过以2P3S×n结构的马达采用3层层积扭斜结构，而且将扭斜角设定为电角度60～75°，对于少极少切槽的无刷马达，能够在抑制顿振或力矩波动的同时，进行比转子扭斜的马达高的输出化。
在所述无刷马达中，所述瓦形磁铁的中心角θm可以为(140×n-1)°≤θm≤(159×n-1)°。由此，各列的磁铁在圆周方向上不会重叠配置，抑制了磁通的短路，能够防止因有效磁通的减少造成输出降低。而且，所述无刷马达由于能够良好平衡地满足低顿振、低力矩波动、高输出，所以，优选作为电动动力转向的驱动源。因此，通过将所述无刷马达作为电动动力转向的驱动源使用，不会导致操纵感觉的不良化，能够使电动动力转向装置实现小型、轻量化。
附图说明
图1是作为本发明的一个实施例的无刷马达的剖视图。
图2是表示图1的马达的定子的构成的说明图。
图3是表示图1的马达的转子的构成的说明图。
图4是图3的箭头X方向的侧视图(局部剖视)。
图5是关于转子侧的扭斜角的说明图。
图6是表示扭斜角与感应电压5次高谐波成分的关系的说明图。
图7是表示扭斜角与感应电压高谐波成分的关系的说明图。
图8的(a)是表示磁铁的中心角θm的说明图，(b)是表示2P3S×n结构的马达中3列的磁铁不重叠的条件的表，(c)是表示关于(b)的条件的极数和切槽的倍数n与磁铁角度的最大值以及最小值的关系的曲线图。
图9是表示扭斜角与感应电压5次高谐波成分的含有率的关系的说明图。
图10是表示扭斜角与感应电压1次高谐波成分的含有率的关系的说明图。
具体实施方式
下面，基于附图详细说明本发明的实施例。图1是作为本发明的一个实施例的无刷马达的剖视图。如图1所示那样，无刷马达1(以下简称为马达1)是在外侧配置定子2、在内侧配置转子3的内转子型的无刷马达。马达1例如作为柱助力式的电动动力转向装置(EPS)的动力源使用，对汽车的转向轴施加动作辅助力。马达1安装在设于转向轴的减速机构部上。马达1的旋转通过该减速机构部减速传递至转向轴。
定子2由有底圆筒形状的壳体4、定子铁芯5、卷绕安装在定子铁芯5上的定子线圈6(以下简称为线圈6)以及安装在定子铁芯5上的母线单元(端子单元)7构成。壳体4由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所示那样，定子铁芯5是将多个(在此为9个)的分割铁芯9聚集在圆周方向上的构成。在定子铁芯5上朝向径向内侧突出设置有9个齿5a。在定子铁芯5的末端形成有2n个槽5b(在此为2个)，根据疑似切槽效果来实现顿振的减小。分割铁芯9通过层积由电磁钢板构成的铁芯片而形成。在分割铁芯9的周围安装合成树脂制的绝缘体11。
在绝缘体11的外侧卷绕安装线圈6。在定子铁芯5的一端侧拉出线圈6的端部6a。在定子铁芯5的一端侧安装母线单元7。在母线单元7的合成树脂制的本体部内插入成型有铜制的母线。在母线单元7的周围沿径向突出设有多个供电用端子12。在安装母线单元7时，线圈端部6a与该供电用端子12焊接。在母线单元7中，母线设有与马达1的相位数对应的个数(在此为与U相、V相、W相相当的三个)。各线圈6同与其相位对应的供电用端子12电连接。定子铁芯5在安装了母线单元7之后被压入固定在壳体4内。
在定子2的内侧插入有转子3。图3是表示转子3的构成的说明图，图4是图3的箭头X方向的侧视图(局部剖视)。转子3具有转子轴13。转子轴13通过轴承14a、14b旋转自如地受到支承。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。在转子轴13上固定有圆筒形状的转子铁芯15(15a～15c)。在转子铁芯15a～15c的外周上安装有瓦形的磁铁(永久磁铁)16(16a～16c)。在马达1中，磁铁16a～16c沿着圆周方向配置6个×3列。也就是说，马达1为6极9切槽(以下简记为6P9S)的构成。在磁铁16a～16c的外侧安装有有底圆筒形状的磁铁罩18。另外，图3示出的是拆下了磁铁罩18的状态的转子3的构成。
在磁铁16a～16c的外侧安装有合成树脂制的磁铁保持架17a～17c。如图4所示那样，磁铁16a～16c被保持在磁铁保持架17a～17c上，安装到转子铁芯15a～15c的外周上。在马达1中，磁铁16a～16c通过各磁铁保持架17a～17c在轴向上配置有3列。如图3所示那样，各列的磁铁16a～16c安装成这样的位置关系：邻接列的同极性磁铁在圆周方向上每隔规定的步距角θstep(邻接列的磁铁中心间角度)偏移错开。即，马达1的转子3成为磁铁16a～16c形成3层层积的步进扭斜结构。
图5是关于转子3侧的扭斜角的说明图。如图5所示那样，在步进扭斜结构中，当(同时在圆周方向、轴向)连结磁铁16a～16c的中心点C1～C3、设连结该C1～C3的线L与磁铁16a、15c的端部的交点为P1、P2时，P1、P2间的相对旋转中心O的中心角成为磁铁扭斜角。因此，磁铁16a、16b之间、磁铁16b、16c之间的步距角θstep分别成为C1、C2间、C2、C3间的相对旋转中心O的中心角。另外，C1、P1间、C3、P2间的中心角分别成为步距角θstep的一半(θstep/2)。因而，扭斜角θskew为θstep×(层积数-1)+(θstep/2)×2＝θstep×层积数。
在磁铁保持架17a的端部安装有作为旋转角度检测机构的分解器21的转子(分解器转子)22。相对于此，分解器21的定子(分解器定子)23被压入到金属制的分解器保持架24内，收纳于合成树脂制的分解器托架25。分解器保持架24形成为有底圆筒形状，被轻压入到设于托架8的中央部的肋26的端部外周。在分解器托架25和托架8上插入形成金属制的阴螺纹部27。在阴螺纹部27中从托架8的外侧拧入安装螺钉28。由此，分解器保持架24固定在托架8的内侧。
在此，在本发明的马达(6P9S)1中，设定成为扭斜角θskew＝步距角θstep×层数(层积数-1)＝20～25°(机械角，电角度的话为60～75°)。如上述那样，在6P9S的马达中，顿振为0的理论扭斜角为360°/极、切槽的最小公倍数，在马达1中，成为360°/18＝20°。图6是表示扭斜角与顿振力矩的关系的说明图。由图6可知，与2层层积的步进扭斜(以下简记为2层层积扭斜)相比，3层层积的步进扭斜(同样简记为3层层积扭斜)将顿振抑制得较小，降低为与转子扭斜大致相同的程度。另外，顿振以扭斜角20°作为极小值，在大概17°～24°的范围内，收纳在从极小值到20％以内的值。
而且，对于6P9S的马达，对力矩波动带来影响的感应电压高频波成分(主要是5次)变成极小的理论扭斜角为24°。图7是表示扭斜角与感应电压5次高谐波成分的关系的说明图。如图7所示那样，与2层层积扭斜相比，3层层积扭斜总的来讲感应电压5次高谐波成分较大，力矩波动也被抑制为与转子扭斜大致相同的程度。
另一方面，在马达1中，在将磁铁16a～16c设定为上述扭斜角(步距角)的场合，各列的磁铁配置成在圆周方向上不重叠。图8(a)是表示磁铁16a～16c的中心角θm(磁铁圆周方向长度(磁铁宽度)相对旋转中心O的中心角)的说明图，图8(b)是表示2P3S×n结构的马达中3列的磁铁不重叠的条件的表。由图8(b)可知，在6P9S的马达1中，需要将中心角θm设定在46.7°～53.0°之间。由图8(c)可知，在2P3S×n结构的马达中，一般来讲需要设定成(140×n-1)°≤θm≤(159×n-1)°。
在这样的设定中，本发明的发明人研究了磁铁16a～16c的扭斜角与感应电压5次高谐波成分的关系。图9是表示两者的关系的说明图。如图9所示那样，根据发明人的实验，在磁铁中心角θm为46.7°的场合和为53.0°的场合，前者的高谐波含有率高。在图9中，考虑对力矩波动的影响，观察能够将高谐波含有率抑制为3％以下的区域的话，则扭斜角为20°至27°的程度。但是，当扭斜角达到25°以上时，高谐波含有率急剧增大。
即，根据上述的结果可知的是，在3层层积的场合，关于扭斜角优选以下区域。
(1)若从与顿振力矩的关系观察的话，则扭斜角20°是最理想值，可为17°～24°(图6)。
(2)若从与力矩波动的关系观察的话，则24°是最理想值，可为20°～25°(图7)。
(3)若从磁铁的重叠观察的话，则可为20°～25°(图9)。
因而，作为综合判断这些情况的结果，本发明的发明人确定，作为各条件平衡良好地整合的区域，将扭斜角θskew以机械角设定为20～25°(电角度的话则为60～75°)。因此，在3层层积扭斜结构的马达1中，步距角θstep设定为10～12.5°(机械角；电角度的话则为30～37.5°)。
然而，在3层层积扭斜的场合，与2层层积扭斜的场合相比，存在有助于力矩的感应电压的1次高谐波成分的含有率变小的倾向。图10是表示扭斜角与感应电压1次高谐波成分的含有率的关系的说明图。如图10所示那样，当扭斜角变大时，1次高谐波成分减少，马达力矩也减小。3层层积扭斜的马达的高谐波成分比2层层积扭斜的马达要少，相应地力矩也变小。然而，由图10可知，3层层积扭斜的马达的高谐波成分比转子扭斜的马达多，所以，与转子扭斜的马达相比能够进行更高的输出化。
这样，在本发明的马达1中，通过以6P9S马达采用3层层积扭斜结构，而且将扭斜角设定为20～25°(机械角)，对于少极少切槽的无刷马达来讲，能够在抑制顿振力矩或力矩波动的同时，比转子扭斜的马达进行更高的输出化。另外，相对于2层层积扭斜马达，虽然在输出方面稍有劣势，但在顿振力矩或力矩波动方面则能够获得与转子扭斜马达相同程度的降低效果。因此，在考虑了顿振力矩或力矩波动、输出的情况下，能够良好平衡地满足这些方面所追求的方式，能够获得稳定性优异的高输出的无刷马达。
本发明并不限于上述实施例，当然还能够在不脱离发明构思的范围内能够进行各种改变。
例如，在上述实施例中示出了使用于柱助力式的EPS的无刷马达，但本发明还能够适用于其他方式的EPS用马达。此外，不仅仅是EPS或各种车载电动产品用的马达，本发明还能够广泛地适用于一般的无刷马达。而且，在上述的实施例中，示出的是将本发明使用到了采用了6个磁铁的6极9切槽的无刷马达的例子，但马达的磁铁或切槽的构成并不限于此。此时，在2P3S的整数倍的马达中，扭斜角的设定为60～75°(电角度)。

Claims (3)

1.一种无刷马达，该无刷马达具备沿圆周方向具有2n个磁极的转子和具有3n个切槽的定子，其中n为正整数；其特征在于，
所述转子的所述磁极由沿轴向配置成3列的瓦形磁铁形成，而且，具有邻接列的磁铁配置于在圆周方向上偏移的位置的步进扭斜结构；
所述瓦形磁铁的扭斜角θskew设定为电角度60～75°。
2.如权利要求1所述的无刷马达，其特征在于，所述瓦形磁铁的中心角θm为(140×n-1)°≤θm≤(159×n-1)°。
3.如权利要求1所述的无刷马达，其特征在于，所述无刷马达是作为电动动力转向的驱动源使用的马达。
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