CN103444053A - 永磁铁式旋转电机 - Google Patents

Abstract

得到一种永磁铁式旋转电机，其能够在无传感器驱动时高精度地检测转子的位置。该永磁铁式旋转电机具有：转子，其上等间隔地配置有多个磁极；以及定子，其具有多个齿及电枢绕组，向电枢绕组施加与用于产生扭矩的电压的频率及振幅不同的高频电压，使用测定出的高频电流的电流轨迹而推定转子的磁极位置，在对测定出的高频电流进行了dq变换的情况下，dq轴上的电流轨迹成为椭圆形状，并且，椭圆的长轴相对于负载电流及转子位置的角度变动幅度形成为能够得到规定的位置推定分辨率。

Description

永磁铁式旋转电机

技术领域

本发明涉及一种无需传感器即可检测转子的位置的（能够进行无旋转传感器驱动的）永磁铁式旋转电机。

背景技术

近年来，针对永磁铁型电动机等永磁铁式旋转电机，要求提高可靠性、降低成本及小型化。因此，为了响应上述要求，开发了一种无旋转传感器驱动技术，其不需要光学式编码器和解析器等电动机旋转检测装置。

作为永磁铁式旋转电机的无旋转传感器驱动方式的一种，提出了一种高频重叠方式，其即使在电动机不旋转的状态下也能够推定电动机的磁极位置（例如，参照专利文献1）。在高频重叠方式中，向电动机的电枢绕组施加与用于产生扭矩的电压不同的高频电压，利用由于电动机的电感的转子位置依赖性（凸极性）而引起的d轴电流和q轴电流的差，执行转子的位置检测。

另外，作为适用于高频重叠方式的电动机，即作为使用了电动机电感的转子位置依赖性（凸极性）的无旋转传感器驱动用电动机，使用具有凸极性的嵌入磁铁型电动机（例如，参照专利文献2）。在该嵌入磁铁型电动机中，通过将永磁铁埋设在转子铁心内，使定子铁心形成为一体结构，并形成为开口（opening）形状，从而能够检测电源接通时的初始磁极位置。

专利文献1：国际公开2009/040965号

专利文献2：日本特开2004－056871号公报

发明内容

在专利文献1所示的高频重叠方式中，假设永磁铁式旋转电机具有理想的电感分布，即d轴电流及q轴电流描绘出的椭圆轨迹不因负载或转子位置而变化，并执行转子的位置检测。然而，由于实际的永磁铁式旋转电机不具有理想的电感分布，因此，存在磁极位置的推定误差大，无法高精度地执行定位控制的问题。

另外，为了实现不需要光学式编码器和解析器等电动机旋转检测装置的无旋转传感器驱动技术，不仅在电源接通时，在电动机驱动时（电动机负载电流流过的有负载时）也必须执行转子的位置检测。

与其相对，如专利文献2所示，在定子铁心形成为一体结构的情况下，铁心内部的磁饱和状态易于随电动机的负载电流而变化。因此，电动机的电感的大小随负载电流变化，导致无传感器驱动时的位置检测误差的增大或失调等，也存在无法适用于定位控制的问题。

本发明就是为了解决上述课题而提出的，其目的在于得到一种永磁铁式旋转电机，其能够在无传感器驱动时高精度地检测转子的位置。

本发明所涉及的永磁铁式旋转电机具有：转子，其上等间隔地配置有多个磁极；以及定子，其具有多个齿及电枢绕组，向电枢绕组施加与用于产生扭矩的电压的频率及振幅不同的高频电压，使用测定出的高频电流的电流轨迹而推定转子的磁极位置，在将测定出的高频电流进行了dq变换的情况下，dq轴上的电流轨迹成为椭圆形状，并且，椭圆的长轴相对于负载电流及转子位置的角度变动幅度形成为能够得到规定的位置推定分辨率。

发明的效果

根据本发明所涉及的永磁铁式旋转电机，在对施加有高频电压时测定出的高频电流进行了dq变换的情况下，dq轴上的电流轨迹成为椭圆形状，并且，椭圆的长轴相对于负载电流及转子位置的角度变动幅度形成为能够得到规定的位置推定分辨率。

因此，能够得到一种永磁铁式旋转电机，其能够在无传感器驱动时高精度地检测转子的位置。

附图说明

图1是表示通常的永磁铁式旋转电机的无传感器驱动时的磁极位置的检测方法的说明图。

图2是表示与永磁铁式旋转电机的转子位置相对的理想电感分布的说明图。

图3是表示在向具有理想电感分布的永磁铁式旋转电机施加了重叠有高频电压的驱动电压的情况下，dq轴上的电流轨迹的说明图。

图4是表示与实际的永磁铁式旋转电机的转子位置相对的实际电感分布的说明图。

图5是表示在向具有实际的电感分布的永磁铁式旋转电机施加了重叠有高频电压的驱动电压的情况下，dq轴上的电流轨迹的说明图。

图6是表示在向具有实际的电感分布的永磁铁式旋转电机施加了重叠有高频电压的驱动电压的情况下的dq轴上的电流轨迹中，实施了与dq轴电流的直流量相对应的偏差（offset）处理后的电流轨迹的说明图。

图7是表示将转子及定子形状设为参数，通过磁场解析，执行向永磁铁式旋转电机的无旋转传感器驱动中应用的研究而得的结果的代表例的说明图。

图8是表示本发明的实施方式1所涉及的永磁铁式旋转电机的结构的剖视图。

图9是表示本发明的实施方式1所涉及的永磁铁式旋转电机中的槽开口比、和电流轨迹椭圆的无负载时的长轴与有负载时的长轴的相位差的关系的说明图。

图10是表示本发明的实施方式1所涉及的永磁铁式旋转电机中的槽开口比、与电流轨迹的椭圆的长轴和短轴的比相当的旋转电机的凸极比以及电流轨迹椭圆的长轴相对于转子位置的变动的关系的说明图。

图11是表示本发明的实施方式1所涉及的永磁铁式旋转电机中的齿宽比、与电流轨迹的椭圆的长轴和短轴的比相当的旋转电机的凸极比以及电流轨迹椭圆的长轴相对于转子位置的变动的关系的说明图。

图12是表示本发明的实施方式2所涉及的永磁铁式旋转电机的构造的剖视图。

具体实施方式

下面，使用附图，对本发明所涉及的永磁铁式旋转电机的优选实施方式进行说明，在各图中，对相同或相等的部分标注相同标号而进行说明。

实施方式1

首先，参照图1，对永磁铁式旋转电机的无传感器驱动时的磁极位置的检测方法进行说明。图1是表示通常的永磁铁式旋转电机的磁极位置的检测方法的说明图。在图1中，向永磁铁式旋转电机施加重叠有磁极位置检测用高频电压的驱动电压，通过对测定出的各相电流的电流波形进行处理，从而推定磁极位置。

然后，在图2中示出与永磁铁式旋转电机的转子位置相对的理想电感分布。在图2中，理想的电感分布是在电角度360度内具有2次振动成分的理想的正弦波形状，是即使负载电流的大小变化，也不会产生相位差或畸变的形状。因此，相对于高频电压施加时的转子位置的电流波形也成为在电角度360度内具有2次振动成分的理想的正弦波形状。

在此，如果在向具有图2所示的理想电感分布的永磁铁式旋转电机施加了重叠有磁极位置检测用高频电压的驱动电压的情况下，将测定出的电流向dq轴进行坐标变换，则电流轨迹如图3所示。即，由于电流轨迹对应于电感的转子位置的变动而变化，因此相对于dq轴描绘出椭圆轨迹。此外，在图3中，椭圆的长轴与短轴的比表示凸极比。

并且，由于在具有理想电感分布的永磁铁式旋转电机中电感分布不会随负载电流而产生相位差或畸变，因此在负载电流流过时，描绘出沿作为驱动电流方向的q轴方向移动后的椭圆轨迹。但是，在与驱动电流相对应而对q轴电流实施偏差处理后，在无负载时及有负载时，电流轨迹均为相同的椭圆轨迹。

此外，如上所述，由于实际的永磁铁式旋转电机不具有理想的电感分布，因此磁极位置的推定误差大，无法高精度地执行定位控制。因此，在图4中示出针对实际的永磁铁式旋转电机的转子位置进行调查而得到的实际的电感分布。

由图4可知，关于实际的电感分布，由于在电感分布中包含高频成分（畸变成分），因此成为与理想的正弦波形状不同的形状，并且，电感分布的振幅的大小随通电电流的大小而减少，并产生相位差。

并且，如果在与永磁铁式旋转电机的转子位置相对的电感分布成为如图4所示的情况下，将测定出的高频电流向dq轴进行坐标变换，则电流轨迹如图5所示。即，由于高频电流的电流轨迹对应于电感的变动而变化，因此，相对于dq轴描绘出椭圆轨迹。

另外，为了着重于由负载电流引起的椭圆形状的变化，在图6中示出了与驱动电流相对应而实施偏差处理后的电流轨迹。由图6可知，在实际的永磁铁式旋转电机中，由于电感的非正弦波化，即使在无负载时椭圆也发生倾斜（椭圆的长轴旋转），并且，在有负载时椭圆的倾斜进一步变化。由此，在实际的永磁铁式旋转电机中，磁极位置推定时的误差大，无法高精度地执行定位控制。

在此，在向电枢绕组施加与用于产生扭矩的电压的频率和振幅不同的高频电压，使用高频电流的电流轨迹推定转子的磁极位置的永磁铁式旋转电机中，为了高精度地推定磁极位置，并执行高精度的定位控制，电感分布必须形成为理想的正弦波分布而与负载电流和转子位置无关。

然而，由于实际的电感分布不是正弦波形状，并由于负载而产生相位差，因此，难以使电感分布形成为完全的正弦波形状。因此，在本发明的实施方式1中，基于上述的无传感器驱动理论，实现了无旋转传感器驱动所需的电动机性能条件（电流响应条件）的明确化。

即，实施了永磁铁式旋转电机的磁场解析及无旋转传感器驱动的模拟后，获知作为无旋转传感器驱动所需的电流响应条件，必须同时满足以下1至3的各条件。

具体来说，在向电枢绕组施加与用于产生扭矩的电压的频率和振幅不同的高频电压，将测定出的高频电流进行了dq变换的情况下，必须满足：dq轴上的电流轨迹成为椭圆形状（条件1）；减少椭圆的长轴相对于负载电流的角度变动幅度以得到规定的位置推定分辨率（条件2）；以及减少椭圆的长轴相对于转子位置的角度变动幅度以得到规定的位置推定分辨率（条件3）。

首先，对于条件1（高频电流的dq轴上的电流轨迹成为椭圆形状），其依赖于所使用的电流传感器的性能，如果考虑到通常的传感器的误差为±3%左右，则必须将椭圆的长轴与短轴的比（电动机的凸极比）设定为大于或等于6%。

在此，如果椭圆的长轴与短轴的比（电动机的凸极比）小于或等于5%，则在最差的情况下，可能使dq轴的电流差被传感器的误差掩盖，无法执行位置推定。此外，电流轨迹形成为椭圆形状，是指电感分布具有基本波成分，与永磁铁式旋转电机具有凸极性这一情况相对应。

然后，对于条件2（减少椭圆的长轴相对于负载电流的角度变动幅度），实施了永磁铁式旋转电机的磁场解析及无旋转传感器驱动的模拟后获知，负载电流的角度变动幅度与电动机的磁极对数成正比，与磁极位置检测的分辨率及电动机的扭矩脉动率成反比。

在椭圆的倾斜角度随负载电流变化的情况下，通过控制而执行与变动量相对应的校正。例如，在无负载时和额定负载时的椭圆的倾斜角度的变化量的差为L度的情况下，椭圆的倾斜的校正量Δθ为Δθ=L×q轴电流。

另一方面，在永磁铁式旋转电机中，即使流过正弦波电流，由于存在感应电压的高次谐波成分，因此产生扭矩脉动。因此，即使负载扭矩恒定，但在具有扭矩脉动的情况下，为了执行速度恒定控制，会在q轴电流上叠加用于补偿扭矩脉动量的电流成分。

例如，在具有脉动幅度B（±B/2）的扭矩脉动的永磁铁式旋转电机的情况下，在速度恒定控制时q轴电流也具有±B/2的变动，由此产生位置误差。因此，必须进行设定以将该位置误差限定在磁极位置检测分辨率A的范围内，该条件能够由下式（1）表示。

H×B/2≤360/A×磁极对数 （1）

因此，用于得到作为目标的磁极位置检测分辨率A的无负载时及额定负载时的椭圆倾斜的变动幅度H必须成为由下式（2）表示的值。

H≤360/A×磁极对数/B/2=360/A/B×磁极数 （2）

此外，上述说明是以与q轴电流的大小成正比而执行校正为前提的，但在控制增益的大小也存在影响，无法将控制增益设为足够大的情况下，无法执行校正，有时即使在公式（2）的变动幅度H下也无法得到作为目标的磁极位置检测分辨率。发明者根据至此的研究结果，得出在通常的校正增益下必须使无负载时及额定负载时的椭圆倾斜的变动幅度为小于或等于式（2）的大约1/3。

下面，对于条件3（减少椭圆的长轴相对于转子位置的角度变动幅度），实施了永磁铁式旋转电机的磁场解析及无旋转传感器驱动的模拟后获知，转子位置的角度变动幅度与电动机的磁极对数成正比，与磁极位置检测的分辨率成反比。如果将电流轨迹椭圆的长轴相对于转子位置的变动幅度设为S度，则下式（3）成立。

A≤360/S/2×磁极对数 （3）

因此，为了得到作为目标的磁极位置检测分辨率A，电流轨迹椭圆的长轴相对于转子位置的变动幅度S必须成为由下式（4）表示的值。

S≤360×2×磁极对数/A=360/A×磁极数 （4）

上述的说明是适用于无旋转传感器驱动的电动机电流响应条件，但如果将无旋转传感器驱动下的目标分辨率设为大于或等于200脉冲/每转，将电动机的扭矩脉动幅度设为0.1（10%），将磁极对数设为5，则具体的电流响应条件如下所示。即，必须将电动机设计为，无负载时及额定负载时的椭圆倾斜的变动幅度H为H≤360/200/0.1×5/3=小于或等于30度，且电流轨迹椭圆的长轴相对于转子位置的变动幅度S为S≤360/200×5=小于或等于9度。

在此，在永磁铁式旋转电机的设计中，虽然针对以高扭矩化、减少齿槽扭矩（cogging torque）及扭矩脉动为目的的磁性结构进行了大量的研究，但对于通过使电感分布进一步接近正弦波，而减少由于负载电流或转子位置引起的变动的磁性结构几乎没有进行过研究。

特别地，电感分布由于磁饱和或伴随于槽的高次谐波成分的产生而成为非正弦波形状，因此，用于优化电感分布的磁性结构是未知的。因此，对于同时满足上述所有条件1至3的、适用于无旋转传感器驱动的永磁铁式旋转电机，通过磁场解析对转子及定子形状进行了研究。在图7中示出了磁场解析结果的代表例。

由图7可知，为了满足条件1，必须选定IPM结构。另一方面，可知为了满足条件2及条件3，只要在SPM结构中选定10极12槽结构即可。然而，在SPM结构中，由于无法确保条件1的凸极性，因此，无法适用于无旋转传感器驱动。

因此，在转子结构及磁极槽数量的基础上，还着眼于槽开口比，执行了磁场解析。其结果，可知能够同时满足所有条件1至3的永磁铁式旋转电机必须是IPM构造，形成为10极12槽，槽开口宽度比为大于或等于0.6。下面，对本发明的实施方式1所涉及的永磁铁式旋转电机的结构进行详细说明。

图8是表示本发明的实施方式1所涉及的永磁铁式旋转电机的构造的剖视图。在图8中，该永磁铁式旋转电机具有定子10及转子20。定子10具有定子铁心11及电枢绕组12，转子20具有转子铁心21及永磁铁22。在此，永磁铁22插入至与转子铁心21的外周面相比位于内侧并沿周向等间隔设置的10个孔中。

在圆筒形状且具有齿的定子铁心11上设有电枢绕组12，该电枢绕组12产生用于使转子20旋转的旋转磁场，该定子铁心11沿周向分割为N个定子模块。此时，如果将周向相邻的定子铁心11的前端部间的周向间隙设为La，将齿的周向的大小设为Lb，将定子铁心11的内径尺寸设为D，则定子铁心11的前端部间的周向间隙La设定为满足下式（5）。

0.6＜La/（πD/N－Lb）＜1.0 （5）

在此，在图9中示出了通过磁场解析，对槽开口比、电流轨迹椭圆的无负载时的长轴和有负载时的长轴的相位差（电感的相位差）的关系进行计算而得到的结果。另外，在图10中示出了对槽开口比、与电流轨迹的椭圆的长轴和短轴之比相当的旋转电机的凸极比以及电流轨迹椭圆的长轴相对于转子位置的变动的关系进行计算而得到的结果。此外，槽开口比为通过下式（6）表示的值。

La/（πD/N－Lb） （6）

由图9、10可知，为了确保电流轨迹的椭圆的长轴和短轴的比为大于或等于1.06，且减少电流轨迹椭圆的无负载时的长轴和有负载时的长轴的相位差，并减少电流轨迹椭圆的长轴相对于转子位置的变动，优选槽开口比为大于或等于0.6。其原因在于，能够通过增大槽开口比，从而减少槽漏磁通，能够抑制由于负载电流、转子位置引起的定子铁心11内部的磁饱和状态的变化。

在此，将槽开口比的下限值设为0.6，如果槽开口比设得更大，则电流轨迹的椭圆的长轴和短轴的比增大，能够减少电流轨迹椭圆的无负载时的长轴和有负载时的长轴的相位差，并减少电流轨迹椭圆的长轴相对于转子位置的变动。因此，可知槽开口比越接近1.0，越是适用于无旋转传感器驱动的电动机。

并且，如果将定子铁心11的内径尺寸设为D，将定子模块的周向分割数量设为N，则齿周向的大小Lb设定为满足下式（7）。

0.57＜Lb/（πD/N） （7）

在此，在图11中示出了通过磁场解析，对齿宽比、与电流轨迹的椭圆的长轴和短轴的比相当的旋转电机的凸极比以及电流轨迹椭圆的长轴相对于转子位置的变动的关系进行计算而得到的结果。此外，槽开口比为通过下式（8）表示的值。

Lb/（πD/N） （8）

由图11可知，即使齿宽比变化，电流轨迹椭圆的长轴相对于转子位置的变动也几乎不发生变化，但电流轨迹椭圆的长轴和短轴的比在齿宽比为小于或等于0.57处急剧增加。其原因在于，能够通过减小齿宽比，从而抑制由于负载电流、转子位置引起的定子铁心11内部的磁饱和的状态变化，齿宽比越是尽可能地小，越能够成为适用于无旋转传感器驱动的电动机。

另外，铁心由于通过冲裁加工而产生加工应变或残留应力，因此磁特性劣化。因此，在本发明的实施方式1中，通过沿周向分割定子铁心11，使定子10的分割部中的磁特性也劣化，从而能够使铁心稳定地磁饱和。由此，能够抑制由于负载电流、转子位置引起的定子铁心11内部的磁饱和状态的变化。

如上所述，通过使铁心稳定地形成磁饱和，从而能够抑制定子铁心11内部的磁饱和状态的变化，减少电流轨迹椭圆的无负载时的长轴和有负载时的长轴的相位差，并减少电流轨迹椭圆的长轴相对于转子位置的变动。

另外，如果将永磁铁式旋转电机的磁极数量设为P，将槽数量设为N，则将P及N设定为P/（P和N的最大公约数）为奇数。由此，能够减少电流轨迹椭圆的长轴相对于转子位置的变动。另外，作为永磁铁式旋转电机的故障原因，可以举出轴承的电蚀，但能够通过如上所述设定P及N，从而避免轴上的电压的产生，成为更适用于无旋转传感器驱动的电动机。另外，能够减少电感的位置依赖性。

如上所述，根据实施方式1，在对施加了高频电压时测定出的高频电流进行了dq变换的情况下，dq轴上的电流轨迹成为椭圆形状，并且，椭圆的长轴相对于负载电流及转子位置的角度变动幅度形成为能够得到规定的位置推定分辨率。

因此，能够得到一种永磁铁式旋转电机，其能够在无传感器驱动时高精度地检测转子的位置。

实施方式2

图12是表示本发明的实施方式2所涉及的永磁铁式旋转电机的结构的剖视图。在图12中，如果将转子20的外半径设为R0，将转子20表面的曲率半径设为R1，则将R0及R1设定为R0＞R1。

由此，能够减少转子20的磁动势高频磁通，能够减少电流轨迹椭圆的长轴相对于转子位置的变动。在本发明的实施方式2中，与实施方式1的R0=R1的转子形状相比较，电流轨迹椭圆的长轴相对于转子位置的变动能够减少大约75%。另外，能够进一步减少电感的位置依赖性。

根据上述实施方式1、2所示的永磁铁式旋转电机，即使不使用光学式编码器和解析器等电动机旋转检测装置，也能够推定磁极位置。因此，能够削减部件数量、减少故障因素，从而实现高可靠性及低成本化。此外，也能够同时使用光学式编码器和解析器。

标号的说明

10定子，11定子铁心，12电枢绕组，20转子，21转子铁心，22永磁铁。

Claims (4)

1.一种永磁铁式旋转电机，其具有：

转子，其上等间隔地配置有多个磁极；以及

定子，其具有多个齿及电枢绕组，

所述转子具有永磁铁，该永磁铁插入至与转子铁心的外周面相比位于内侧并沿周向等间隔设置的P个孔中，

所述定子构成为，将圆筒形状且具有N个齿的定子铁心沿周向分割为N个定子模块，在该定子铁心上设置有产生用于使所述转子旋转的旋转磁场的所述电枢绕组，

在将沿周向相邻的所述定子铁心的前端部间的周向间隙设为La，将所述齿的周向的大小设为Lb，将所述定子铁心的内径尺寸设为D的情况下，设定为0.6＜La/（πD/N－Lb）＜1.0，并且，P及N设定为P/（P和N的最大公约数）为奇数。

2.根据权利要求1所述的永磁铁式旋转电机，其中，

所述定子的齿的周向的大小Lb设定为0.57＜Lb/（πD/N）。

3.根据权利要求1或2所述的永磁铁式旋转电机，其中，

在将所述转子的外半径设为R0，将所述转子表面的曲率半径设为R1的情况下，R0及R1设定为R0＞R1。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的永磁铁式旋转电机，其中，

在执行定位控制时不使用旋转检测装置。

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