CN101728884A - 电机 - Google Patents

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CN101728884A CN200910207249A CN200910207249A CN101728884A CN 101728884 A CN101728884 A CN 101728884A CN 200910207249 A CN200910207249 A CN 200910207249A CN 200910207249 A CN200910207249 A CN 200910207249A CN 101728884 A CN101728884 A CN 101728884A
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Abstract

本发明提供一种电机(40)，包括圆周方向等间隔配置的12个定子齿(52)。将形成于第奇数个的定子齿(52)的绕组(S1、S3、S5、S7、S9、S11)进行星形联结从而形成三相的第一绕组组(Sa)，并且将形成于第偶数个的定子齿(52)的绕组(S2、S4、S6、S8、S10、S12)进行三角形联结从而形成三相的第二绕组组(Sb)，并将上述第一绕组组(Sa)与上述第二绕组组(Sb)并联连接。

Description

电机
技术领域
本发明涉及电机。
背景技术
作为在电动式动力转向装置中辅助转向的电机，例如，已知有下述日本特开2007-221961所示的电机。该电机为三相十极十二齿的电机，在其电枢中在同一齿上以集中卷绕方式分别卷绕两个绕组，该两个绕组流通U/V/W三相交流的互不同相的电流。
由此，使次数低于电枢磁通势(绕组磁通势)的同步成分的空间5次成分的低次数成分的磁通势矢量分散，从而使其合成矢量降低。通过这样降低电枢磁通势中低次数成分的合成矢量，从而降低了磁场磁极的涡流损耗。
图8是相关技术涉及的电机的周向剖视图。另外，在图8及后述的图2、图7中，为了便于说明，对气隙等进行了夸张表示。然而，当为了谋求三相无刷电机的小型化/高效化而采用集中卷绕方式来卷绕绕组时，由于绕组的磁通势分布以相位差为π/3(rad)阶段式变化，因此产生由绕组磁通势的高次谐波引起的电角度6次成分的转矩脉动。
在采用集中卷绕方式的三相无刷电机中，存在降低上述6次成分的转矩脉动的课题，在上述日本特开2007-221961所示的电机中，通过上述那样使各相的磁通势矢量分散，从而与以集中卷绕方式在一个齿上卷绕一个绕组的情况(参照图8)相比较，能够降低绕组磁通势的6次成分的转矩脉动。
然而，由于在各齿上以集中卷绕方式分别卷绕两个绕组，因此与采用集中卷绕方式卷绕一个绕组的情况比较，存在因生产性恶化而使制造成本增加的问题。另外，由于每个齿从绕组引出的引线的根数增加到两倍，因此除作业性恶化以外绕组的占空系数也恶化，成为电机小型化的障碍。
发明内容
本发明提供一种能够降低6次成分的转矩脉动的电机。
在本发明的一个实施方式涉及的电机中，包括：电枢，其具有在电机的圆周方向等间隔的12n个(n为自然数)齿，并在这些各齿上分别集中卷绕绕组而形成；和磁极数为2n、10n以及14n中任意一个的转子，将形成于第奇数个的上述齿的绕组进行星形联结从而形成三相的第一绕组组，并且将形成于第偶数个的上述齿的绕组进行三角形联结从而形成三相的第二绕组组，并将上述第一绕组组与上述第二绕组组并联连接。
在以上方式的电机中，在在圆周方向等间隔地配置的12n个齿上，将形成于第奇数个的齿的绕组进行星形联结而形成三相的第一绕组组，并且将形成于第偶数个的齿的绕组进行三角形联结形成三相的第二绕组组，并将第一绕组组与第二绕组组并联连接。
例如，在具有第一绕组组(U、V、W相)及第二绕组组(X、Y、Z相)的10极12槽的电机中，当以从轴向一侧观察各绕组在逆时针方向等间隔地成为U+、X-、V-、Y+、W+、Z-、U-、X+、V+、Y-、W-、Z+的方式联结时，Z+和Z-、W+和W-、Y+和Y-、V+和V-、X+和X-以U+和U-为基准从轴向一侧观察，被卷绕在顺时针方向的电角度为5π/6、5π/3、π/2(5π/2)、4π/3(10π/3)、π/6(25π/6)的位置(参照图2)。即，X/Y/Z相分别被卷绕在相对于U/V/W相的电角度θ为π/6的位置(参照图4)。另外，[+]和[-]表示相互反方向地被卷绕。
将这样构成的第一绕组组和第二绕组组并联连接(连接U相-X相、V相-Y相、W相-Z相)，当三相的正弦电流在两个绕组组中流动时，第二绕组组相对于第一绕组组的电流相位为π/6(rad)，即错开半个周期。因此，在第一绕组组中产生的6次成分的转矩脉动，被在第二绕组组中产生的6次成分的转矩脉动抵消。因此，可以降低6次成分的转矩脉动。
另外，由于第一绕组组中的磁通势矢量与第二绕组组中的磁通势矢量错开π/6(rad)而分散，因此可以产生相关技术的一倍的12个磁通势矢量。由此，可以更有效地利用励磁体等转子的磁通，因此能够增大可输出的转矩。
在上述方式的电机中，第一绕组组的匝数也可以小于第二绕组组的匝数。由于第一绕组组为星形联结，第二绕组组为三角形联结，因此当将两绕组组并联连接时，在匝数比相同的情况下，在第一绕组组中流过的电流大于第二绕组组的电流，且两绕组组中产生的磁通势之差增大。因此，例如通过将第一绕组组的匝数与第二绕组组的匝数的匝数比设为1∶√3，使第一绕组组的匝数小于第二绕组组的匝数，可以减小由两个绕组组的电流差引起的磁通势之差。
另外，在上述方式的电机中，例如也可以将第二绕组组的线径与第一绕组组的线径的线径比设为0.76∶1，使第二绕组组的线径小于第一绕组组的线径。由此，第一绕组组与第二绕组组的电阻比为1∶3。在该电阻比的情况下，第一绕组组和第二绕组组通过星形-三角形变换成为等价电路，并成为√3∶1的理想的电流比率。
在电动式动力转向装置中，上述方式的电机可以产生与转向状态相应的助力来辅助转向。由此，可以实现取得能够降低6次成分的转矩脉动等的作用/效果的电动式动力转向装置。因此，通过采用这样的电机，可以获得转矩脉动被抑制到较小的良好的转向感觉。
附图说明
下面参照附图对本发明的实施方式进行详细说明，其中，详细地说明本发明的特征、优点和技术上产业上的意义。其中，用数字等表示各要素。
图1A是表示本发明的第一实施方式涉及的电动式动力转向装置的整体构成例的构成图。
图1B是表示ECU等的构成例的电路框图。
图2是本发明的第一实施方式涉及的电机的周向剖视图。
图3是本发明的第一实施方式涉及的电机的联线图。
图4是表示本发明的第一实施方式涉及的电机的各相的磁通势矢量的矢量图。
图5是表示与本发明的第一实施方式涉及的电机以及现有技术涉及的电机的电角度相应的输出转矩T的曲线图。
图6A、图6B是表示本发明的第一实施方式涉及的电机以及现有技术涉及的电机的转矩脉动的频率成分的曲线图。
图7是本发明的第二实施方式涉及的电机的周向剖视图。
图8是相关技术涉及的电机的周向剖视图。
具体实施方式
[16]以下，参照附图说明本发明的第一实施方式。首先，基于图1A说明采用第一实施方式涉及的电机40的电动式动力转向装置20的构成。图1A是表示本发明的第一实施方式涉及的电动式动力转向装置的整体构成例的构成图，图1B是表示ECU30等的构成例的电路框图。
[17]电动式动力转向装置20，主要由转向盘21、转向轴22、小齿轮输入轴23、转向盘转角传感器24、减速器27、齿轮齿条机构28、拉杆29、ECU30、电机旋转角传感器33、电机40等构成。
[18]如图1A所示，转向轴22的一端与转向盘21连接，该转向轴22的另一端连接转向盘转角传感器24的输入侧。另外齿轮齿条机构28的小齿轮输入轴23的一端与该转向盘转角传感器24的输出侧连接。转向盘转角传感器24，由省略图示的扭杆和隔着该扭杆被安装在扭杆两端的两个分解器构成，且构成为，通过利用这两个分解器来检测在以扭杆的一端为输入、另一端为输出的输入输出间产生的扭杆的扭转量等，就能够检测出转向盘21的转向转矩和转向角。
[19]构成为，在连接于转向盘转角传感器24的输出侧的小齿轮输入轴23的中途，连结有减速器27，能够借助于该减速器27将从电机40输出的助力传递到小齿轮输入轴23。
[20]即，虽然在附图中未表示，然而作为动力传递机构的减速器27构成为，能够使安装于电机40的输出轴的电机齿轮与减速器27的减速齿轮相互啮合，电机40的输出轴旋转时减速器27的减速齿轮以规定的减速比旋转，由此，能够将电机40的驱动力(助力)传递至小齿轮输入轴23。
在电机40中安装有能够检测该电机40的旋转角的电机旋转角传感器33，基于该电机旋转角和转向盘转角传感器24的转向转矩、转向角等，由ECU30进行电机40的驱动控制。
另一方面，在该小齿轮输入轴23的另一端，形成有小齿轮，该小齿轮能够与构成齿轮齿条机构28的省略图示的齿条轴的齿条槽啮合。在该齿轮齿条机构28中，能够将小齿轮输入轴23的旋转运动转变为齿条轴的直线运动，另外，在该齿条轴的两端连结有拉杆29，此外，转向轮FR、FL经由省略图示的转向节等与该拉杆29的端部连结。由此，当小齿轮输入轴23旋转时，可以借助于齿轮齿条机构28、拉杆29等使转向轮FR、FL的实际转向角改变，因此能够进行基于小齿轮输入轴23的旋转量及旋转方向的转向轮FR、FL的转向。
ECU(Electronic Control Unit)30的构成主要包括：MPU(MicroProcessor Unit)31，其具备A/D变换器(Analog-Digital Converter)等外围LSI(Large-scale integration)和存储器等；输入输出接口I/F32，其能够输入输出转向盘转角传感器24和电机旋转角传感器33等的各种传感器信息(转向转矩信号、转向角信号、电机旋转角信号)等；以及电机驱动电路35，其能够基于从MPU31输出的电机电流指令，将PWM(Pulse Width Modulation)控制的电机电流供给到电机40。另外，构成为，图1B所示的符号37，是能够检测出实际流到电机40的电机电流的电流传感器37，由该电流传感器37检测出的与电机电流相关的传感器信息，能够作为电机电流信号经由输入输出接口I/F32被输入到MPU31。
利用这样的构成，在电动式动力转向装置20中，由转向盘转角传感器24检测出转向盘21的转向状态，并由ECU30进行控制，以使与该转向状态相应的电机指令电流输出到电机40。由此，电动式动力转向装置20，通过利用电机40产生与该转向状态相应的助力，能够对驾驶员操作的转向盘21的转向进行辅助。
在此，利用图2和图3对第一实施方式涉及的电机40的构成进行详细地说明。图2是本发明的第一实施方式涉及的电机40的周向剖视图。图3是本发明的第一实施方式涉及的电机40的联线图。
如图2所示，电机40是三相十极十二槽的无刷电机，主要具备：固定于外壳(省略图示)内周面的定子(电枢)50，和配置于定子50的内侧作为励磁体发挥功能的转子(旋转体)60等。
定子50，具备：10极12槽用的可分割的定子铁芯51，用于构成在圆周方向等间隔配置的12个定子齿52；和采用集中卷绕方式卷绕于各定子齿52的12个绕组S1～S12。各绕组S1～S12被配置成，沿着轴向观察时为顺时针方向等间隔的S1、S2、S3、...、S12(参照图2)。
如图3所示，各绕组S1～S12，与省略图示的母线连接，将形成于第奇数个的定子齿52的绕组S1、S3、S5、S7、S9、S11进行星形联结来形成三相的第一绕组组(U、V、W相)Sa，并且，将形成于第偶数个的定子齿52的绕组S2、S4、S6、S8、S10、S12进行三角形联结来形成三相的第二绕组组(X、Y、Z相)Sb，并将第一绕组组Sa与第二绕组组Sb并联连接。
在此，为了减小由第一绕组组Sa与第二绕组组Sb的电流差引起的磁通势之差，而将形成第一绕组组Sa的绕组S1、S3、S5、S7、S9、S11的匝数，与形成第二绕组组Sb的绕组S2、S4、S6、S8、S10、S12的匝数的匝数比，设定为1∶√3。另外，两个绕组组Sa、Sb的匝数比不限于1∶√3，例如也可以设定为接近1∶√3等使第一绕组组Sa的匝数小于第二绕组组Sb的匝数。
更详细而言，在第一绕组组Sa中，将绕组S1、S7相互并联连接作为U相绕组(U+、U-)发挥功能，将绕组S5、S11相互并联连接作为V相绕组(V+、V-)发挥功能，将绕组S3、S9相互并联连接作为W相绕组(W+、W-)发挥功能。另外，在第二绕组组Sb中，将绕组S6、S12相互并联连接作为X相绕组(X+、X-)发挥功能，将绕组S4、S10相互并联连接作为Y相绕组(Y+、Y-)发挥功能，将绕组S2，S8相互并联连接作为Z相绕组(Z+、Z-)发挥功能。
通过这样将每相的两个绕组(例如，绕组S1、S7)相互并联连接，与将两个绕组相互串联连接的情况相比较，联线处理变得容易，并且由于以更细的线径进行卷绕因而提高了绕组的占空系数。另外，在U相绕组中，U+和U-表示相互以反方向被卷绕，在其他相的绕组中的[+]和[-]也表示相互以反方向被卷绕。
转子60，以与定子铁芯51的内周面构成一定距离(气隙)的方式被配置在定子50的内侧。该转子60，具备：可旋转地被省略图示的轴承支撑的轴61；不能相对旋转地被固定于该轴61的转子磁轭62；在转子磁轭62的外周面在周向上等间隔地交替配置N极和S极的10个永磁铁63。
接下来，利用附图对上述那样构成的电机40的电气特性进行说明。图4是表示本发明的第一实施方式涉及的电机40中各相的磁通势矢量的矢量图。图5是表示与本发明的第一实施方式涉及的电机40以及相关技术涉及的电机的电角度θ相应的输出转矩T的曲线图。图6A、6B是表示本发明的第一实施方式涉及的电机40以及相关技术涉及的电机的转矩脉动的频率成分的曲线图。
如图2所示，从永磁铁63的N极到相邻的S极的角度与电角度θ为π(rad)相当。于是，以U相(绕组S1、S7)为基准沿着轴方向观察时，Z相(绕组S2、S8)被卷绕在顺时针方向的电角度θ为5π/6的位置。另外，以U相(绕组S1、S7)为基准沿着轴方向观察时，W相(绕组S3、S9)被卷绕在顺时针方向的电角度θ为5π/3的位置，以U相(绕组S1、S7)为基准沿着轴方向观察时，Y相(绕组S4、S10)被卷绕在顺时针方向的电角度θ为π/2(5π/2)的位置。另外，以U相(绕组S1、S7)为基准沿着轴方向观察时，V相(绕组S5、S11)被卷绕在顺时针方向的电角度θ为4π/3(10π/3)的位置，以U相(绕组S1、S7)为基准沿着轴方向观察时，X相(绕组S6、S12)被卷绕在顺时针方向的电角度θ为π/6(25π/6)的位置。
即，由于X/Y/Z相相对于U/V/W相分别被卷绕在电角度θ为π/6的位置，因此当三相的正弦电流在两个绕组组Sa、Sb中流动时，第二绕组组Sb相对于第一绕组组Sa的电流相位为π/6(rad)，即错开半个周期。因此，如图4所示，由于第一绕组组Sa中的各相的磁通势矢量与第二绕组组Sb中的各相的磁通势矢量分别错开π/6(rad)而分散，因此可以产生是通常的一倍的12个磁通势矢量(参照图4)。另外，在图4中，将由各相中相互反方向卷绕的两个绕组生成的磁通势矢量表示为一个矢量，由于Y相的磁通势矢量Dy为0(零)，因此表示了五个磁通势矢量Du、Dw、Dx、Dv、Dz和一个合成矢量D。
于是通过这样分散磁通势矢量来增加其个数，可以更有效地利用转子50的磁通，因此如图5所示那样，相对于相关技术的采用星形联结的电机的输出转矩T2(图5所示的虚线)，或相关技术的采用三角形联结的电机的输出转矩T3(图5所示的细实线)，利用本第一实施方式的电机40能够增大可输出的输出转矩T1(图5所示的粗实线)。
另外，如图6A、图6B所示，在电角度6次、12次、18次、24次、30次的转矩脉动的频率分析中，将第一实施方式的电机40的转矩脉动的频率成分Tr1、相关技术的采用星形联结的电机的转矩脉动的频率成分Tr2，采用三角形联结的电机的转矩脉动的频率成分Tr3进行比较时，可知第一实施方式的电机40的电角度6次成分及其奇数倍的成分的转矩脉动被降低。
这是由于，当三相的正弦电流在两个绕组组Sa、Sb中流动时，电流相位错开半个周期(π/6)，因此在第一绕组组Sa中产生的6次成分的转矩脉动，与在第二绕组组Sb中产生的6次成分的转矩脉动相位错开π而被抵消，从而降低了6次成分的转矩脉动。同样，由于电角度18次成分和30次成分也被抵消，因此降低了转矩脉动。
如以上说明的那样，在第一实施方式的电机40中，在圆周方向等间隔地配置的12个定子齿52中，将形成于第奇数个的定子齿52的绕组S1、S3、S5、S7、S9、S11进行星形联结来形成三相的第一绕组组Sa，并且将形成于第偶数个的定子齿52的绕组S2、S4、S6、S8、S10、S12进行三角形联结来形成三相的第二绕组组Sb，并将第一绕组组Sa和第二绕组组Sb并联连接。
由此，如图4所示，由于X/Y/Z相分别被卷绕在相对于U/V/W相的电角度θ为π/6的位置，电流相位错开半个周期(π/6)，因此在第一绕组组Sa中产生的6次成分的转矩脉动，由于与在第二绕组组Sb中产生的6次成分的转矩脉动相位错开π而被抵消。从而可以降低6次成分的转矩脉动。同样，电角度18次成分和30次成分也被抵消，因而降低了转矩脉动。
另外，由于第一绕组组Sa中的磁通势矢量与第二绕组组Sb中的磁通势矢量错开π/6(rad)而分散，因此可以产生是关联技术的一倍的12个磁通势矢量。由此，可以更有效地利用转子50的磁通，因此能够增大可输出的输出转矩T。
另外，在本实施方式的电机40中，第一绕组组Sa的匝数与第二绕组组Sb的匝数的匝数比被设定为1∶√3。由此，可以减小由两个绕组组Sa、Sb的电流差引起的磁通势之差。
另外，在采用第一实施方式的电机40的电动式动力转向装置20中，可以实现得到能够降低6次成分的转矩脉动等的作用/效果的电动式动力转向装置。因此，通过采用这样的电机40，就可以获得转矩脉动被抑制到较小的良好的转向感觉。
另外，本发明不限定于上述第一实施方式，也可以如下所示进行具体化，在那种情况下，也能够获得与上述第一实施方式同等的作用/效果。
(1)图7是本发明的第二实施方式涉及的电机的周向剖视图。本发明的第二实施方式涉及的电机，不限于作为无刷电机而被采用，例如也可以作为感应电机而被采用。具体而言，例如，如图7所示，感应电机40a，具备上述定子50和作为笼形旋转体的转子60a，该转子60a具有轴61和不能相对旋转地固定于该轴61的转子主体62a。转子主体62a是公知的笼形旋转子，其构成为沿着槽使多个导体(省略图示)贯穿，并且利用短路环(省略图示)将各导体轴向的两端全部短路。
即使是这样形成的感应电机40a，在第一绕组组Sa中产生的6次成分的转矩脉动，也由于与在第二绕组组Sb中产生的6次成分的转矩脉动相位错开π而被抵消，从而可以降低电角度6次成分及其奇数倍的成分的转矩脉动。
(2)上述电机40，不限于10极12槽的无刷电机，例如也可以是2极12槽或14极12槽的无刷电机，通过将使电角度θ错开π/6的星形联结的绕组组与三角形联结的绕组组并联连接，从而可以降低6次成分的转矩脉动，增大可输出的转矩。更一般而言，当n为自然数时，即使电机40是如下的无刷电机，即具备：定子(电枢)，其具有12n个齿，并在这些各齿上分别集中卷绕绕组而形成；和磁极数为2n、10n以及14n中任意一个的转子。通过将使电角度θ错开π/6的星形联结的绕组组与三角形联结的绕组组并联连接，电机40也具有上述效果，另外，即使在上述感应电机40a中，采用上述定子等也可以获得同样的作用/效果。
(3)在上述的定子50中，不限于将第一绕组组Sa和第二绕组组Sb的匝数比设定为1∶√3，也可以将第二绕组组Sb的线径与第一绕组组Sa的线径的线径比设为0.76∶1，来将第二绕组组Sb的线径设定为小于第一绕组组Sa的线径。由此，第一绕组组Sa与第二绕组组Sb的电阻比为1∶3。在该电阻比的情况下，第一绕组组Sa与第二绕组组Sb通过星形-三角形变换而成为等价的电路，并成为√3∶1的理想的电流比率。
(4)在上述各实施方式中，说明了将本发明的电机40用于电动式动力转向装置20的例子，然而不限于此，电机40也可以用于利用其驱动力的工作设备等一般设备中。

Claims (6)

1.一种电机，其特征在于，包括：
电枢(50)，其具有在上述电机的圆周方向等间隔的12n个(n为自然数)齿(52)，并在各齿(52) 上分别集中卷绕绕组(S1、S2、S3...、S12)而形成；
磁极数为2n、10n以及14n中任意一个的转子(60、60a)，
其中，将形成于第奇数个的上述齿(52)的绕组(S1、S3、S5、S7、S9、S11)进行星形联结从而形成三相的第一绕组组(Sa)，并且将形成于第偶数个的上述齿(52)的绕组(S2、S4、S6、S8、S10、S12)进行三角形联结从而形成三相的第二绕组组(Sb)，并将上述第一绕组组(Sa)与上述第二绕组(Sb)组并联连接。
2.根据权利要求1所述的电机，其中，
上述第一绕组组(Sa)的匝数小于上述第二绕组组(Sb)的匝数。
3.根据权利要求2所述的电机，其中，
上述第一绕组组(Sa)的匝数与上述第二绕组组(Sb)的匝数之比为大致1∶√3。
4.根据权利要求1所述的电机，其中，
上述第二绕组组(Sb)的线径小于上述第一绕组组(Sa)的线径。
5.根据权利要求4所述的电机，其中，
上述第二绕组组(Sa)的线径与上述第一绕组组(Sb)的线径之比为0.76∶1。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的电机，其中，
上述电机被用于包含检测转向状态的检测器(24)的电动式动力转向装置中，
上述电机产生与所检测出的转向状态相应的助力来辅助转向操作。
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