CN104521119B - 永磁体同步马达和伺服转向装置 - Google Patents

永磁体同步马达和伺服转向装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种永磁体同步马达，特别是三相电马达，其具有：定子，在定子中布置有其间带有定子槽的定子齿，其中，分别在定子齿上设置有至少一个由导电材料制成的绕组；转子，其具有永磁体，永磁体呈辐条状地沿径向布置在转子中，其中，同步马达以预设的而且受限制的最大制动力矩、基于转子的预设的直径‑长度比、转子极数以及所述定子槽的数目来构造。本发明还涉及一种电伺服转向装置。

Description

永磁体同步马达和伺服转向装置
技术领域
本发明涉及一种永磁体同步马达，特别是三相电马达。本发明还涉及一种机动车的电伺服转向装置。
背景技术
这样的永磁体同步马达例如用在机动车的驱动装置中，特别是用在伺服转向系统等中。
图1示意地示出用于机动车的普遍公知的伺服转向装置100的结构和工作原理。这里所示出的伺服转向装置包括：转向传动件101、带有未详细绘出的转向轮的转向轴102以及具有控制单元104的伺服驱动装置103。转向杆107与转向传动件101借助小齿轮105而处于相互配合中。转向传动件101在这里具有齿杆(仅象征性地由双箭头示出)，所述齿杆与小齿轮105相连接。小齿轮105与转向轮借助转向轴102能转动地联接。转向杆107与机动车的能转向的轮106保持相互配合
伺服驱动装置103例如装备有三相电马达并且带有控制单元104地在这里装设在转向轮与转向传动件101之间。伺服驱动装置103用作转向过程中的辅助机制，方式为：该伺服驱动装置与齿杆相配合。为此，伺服驱动装置103可以装设在转向柱上。
当前用作伺服驱动装置103的马达可以是无电刷的马达，例如永磁体同步马达或非同步马达。永磁体同步马达例如具有：具备定子槽的定子，在定子槽中布置有绕组；以及具备永磁体的转子。永磁体例如由稀土材料制造并且呈辐条状地布置在转子中。
这样的马达至少必须满足如下两条要求：1)效率和2)安全性。与效率相关地，诸如功率密度、最大输出转矩、转矩波动或者说波动性以及停转力矩或脉冲式力矩的参数是重要的。与安全性相关地，主要是(一个)相短接时最大制动力矩这个参数是关键的，并且例如当一个相完全短接时必须被限制为大约0.6Nm的数值。
如WO 2002/060740和EP 1028047B1所示，给出针对上述问题的示例或解决方案。
(特别是在尽可能小的结构体积、低重量、所用零件的低数目以及同时还有高效率的方面)针对在机动车中的使用条件而提高的要求以及上面提到的参数使得始终存在如下需求：提供相应改善的永磁体同步马达。
发明内容
基于上述背景，本发明的目的在于：给出一种改善的永磁体同步马达。
根据本发明，所述目的通过一种具有权利要求1的特征的永磁体同步马达或/和一种具有权利要求10的特征的伺服转向装置来实现。
相应地设置有：
-永磁体同步马达、特别是三相电马达，其具有：定子，在定子中布置有其间带有定子槽的定子齿，其中，分别在定子齿上设置有至少一个由导电材料制成的绕组；具备永磁体的转子，所述永磁体呈辐条状地沿径向布置在转子中，其中，同步马达以预设的而且受限制的最大制动力矩(基于转子的预设的直径-长度比、转子极数及定子槽数目)来构造。
-机动车的伺服转向装置，其具有根据本发明的永磁体同步马达。
本发明所基于的构思在于：永磁体同步马达的最大制动力矩能够事先基于转子的事先确定的直径-长度比、转子极数及定子槽数目来确定。由此，这样的永磁体同步马达的优点在于非常低的停转力矩，这一优点与高功率密度同时还有低力矩波动性和高容错性相关联。
另一优点在于，根据本发明的永磁体同步马达具有比传统永磁体同步马达相对更低的制动力矩，其可以低至40％。
相比于传统的永磁体同步马达，根据本发明的永磁体同步马达还具有下列优点：
提高的效率(约10％)；
降低约40％的制动力矩；
降低的停转力矩；
降低的力矩波动性；
无需继电器；
可以应用三角形接线方式；
简单的定子结构。
转子的事先确定的直径-长度比表示的是定子直径与定子长度的商数。由此，简单的几何参数(其能被容易地掌控或者说控制)对于最大制动力矩的确定起决定作用。
所介绍的永磁体同步马达优选适合于机动车伺服转向装置的驱动装置。但也可以考虑其他驱动装置中的其他应用，例如电驻停制动器。
本发明的有利的构造方案和改进方案由从属权利要求以及由结合附图中的图画的说明来得出。
永磁体同步马达具有9个或12个定子槽。转子的转子极数优选为6、8、10或14。在此，可以应用定子的常见标准设计。
已经令人惊讶地发现：转子的事先确定的直径-长度比、转子极数及定子槽数目根据下表相关地示出：
转子可以在另一实施方案中具有至少一个转子组，其中，转子组数与转子长度的相关性根据下表示出：
转子长度L(mm) 转子组数209-n
L≤20 1
20≤L≤40 1或2
40≤L≤60 2或3
60≤L≤100 3或4
此外，当转子数大于1时，转子组彼此间绕转子轴线扭转错开一交叉角地布置。在此，所述交叉角可以与转子的直径-长度比根据下表建立关联：
在另一实施方式中，定子具有呈三角形接线方式的三相绕组。这是有利的，因为一方面可以取消用于在短接时分隔一个相的所谓的星形继电器。另一方面，由此使得绕组的制造变得容易。
而定子也可以具有呈星形接线方案的三相绕组。在此情形下，也可以取消用于在短接时分隔一个相的所谓的星形继电器。
在另一实施方式中，转子的永磁体可以包括铁素体磁体或/和稀土材料。在此情况下，基于事先能够确定的直径-长度比和其他参数，可行的是：永磁体能够以低功率级使用，这使得根据本发明的永磁体同步马达的成本显著降低。
本发明的上面的构造方案和改进方案能够以任意方式相互组合。
附图说明
下面借助于在附图的示意图中示出的实施例详细阐述本发明。在此：
图1示出根据现有技术的伺服转向装置的示意图；
图2示出根据本发明的永磁体同步马达的实施例的示意俯视图；
图3示出根据图2的根据本发明的永磁体同步马达的转子的示意透视图；
图4示出根据图2的根据本发明的永磁体同步马达的转子的示意部分侧视图；
图5至图6示出根据图2的本发明的永磁体同步马达的绕组的接线图；以及
图7示出与根据图2的本发明的永磁体同步马达的转子的直径-长度比相关的制动力矩的图线示意图。
附图应当表达出对本发明实施方式的进一步理解。附图阐释了实施方式并且用于与说明书一起解释本发明的原理和方案。其他实施方式和多个所提到的优点与附图相关地获得。图中的元件不一定彼此忠实于比例地示出。
在附图的图画中，相同的、功能相同的而且起相同作用的元件、特征和部件只要没有区别地实施的话，就相应地设有相同的附图标记。
具体实施方式
在图2中示出根据本发明的永磁体同步马达200的实施例的示意俯视图。
图2中的永磁体同步马达200具有：定子201，该定子具有定子槽202，在该定子槽中布置有绕组(未示出)；以及转子208，该转子具有转子芯203和永磁体204，所述永磁体在这里沿电马达的径向在转子208的内部呈辐条状地布置在转子芯203的分段之间。转子208位于定子201内部。转子芯203的分段和永磁体204固定在转子体206上，具备转子轴线207的转子轴206穿过该转子体延伸。具备转子轴线207的转子轴206在这里垂直于图页平面地竖立。转子208位于定子201内部并且与该定子具有共同的转子轴线，也就是转子208和定子201是同轴的。永磁体204以如下方式布置：总是同名磁极相对而置，也就是北极N与北极N相对置，并且南极S与南极S相对置。
定子201构造有12个定子槽202和12个定子极，并且可以平直地或倾斜地构造。也就是说，定子槽202呈直线式地平行于转子轴线207地延伸或者相对于该转子轴线倾斜地延伸。相应地，转子208在这里是极数为10的转子，也就是该转子具有十个永磁体204。永磁体204可以是铁素体磁体或/和例如具有稀土材料。
图3示出根据图2的永磁体同步马达200的转子208的实施例的示意透视图。
在转子轴206上，在这里装设有两个转子组209。永磁体204沿径向呈辐条状地布置在相应的转子芯203的分段之间。转子芯203和永磁体204以未详细示出的方式与转子体205相连接，所述转子体固定在转子轴206上。
转子208具有作为转子直径D给出的外直径。转子沿平行于转子轴线207的纵向具有标示为转子长度L的纵向尺寸。对于转子长度L在这里可以理解为转子组209沿转子轴线207方向的总长度。两个转子组209彼此间绕转子轴线207扭转错开一交叉角γ地布置在转子轴206上。
已经令人惊讶地表明：转子208在与永磁体204(例如作为铁素体永磁体)相组合下的几何尺寸的一定比例以及转子208和定子201的其他参数对于限制永磁体同步马达200的最大制动力矩起关键作用。这种几何比例是转子直径D与转子长度L之间的直径-长度比DLV，即无量纲的商数：
DLV＝D/L (1)
其他参数是定子的极数或齿数、转子208的转子极数210-n(参见图7)以及转子组209(自一转子组数209-n起大于1)的交叉角γ。对此在后面还要详细探讨。
具备相应的、基于其他参数的边界条件的一定的直径-长度比DLV实现了如下的永磁体同步马达200，其凭借出于低功率级的永磁体204具有高功率。此外，在一个相短接的情况下获得了低制动转矩。
图4示出根据图2的本发明的永磁体同步马达200的转子208的示意部分侧视图。
转子208可以具有一个转子组209或者多于在这里所示的两个的转子组209。在这里，多个转子组209以相应的转子组数209-1、209-2...209-n示出。转子组209彼此间具有交叉角γ，并且沿转子208的轴向布置在转子轴线207上。
定子201可以实施有两种不同的绕组类型。为此，图5和图6示出根据图2的本发明的永磁体同步马达200的的绕组的接线图。
在图5中示出常见的星形接线方案300，具有接线点U、V、W以及中点或者说中性点301。而定子也可以设有根据图6的三角形接线方案302。这种三角形接线方案在这里提供如下优点：仅需要三个接线部U、V、W，这是因为取消了星形接线方案300的星连接端301或者说星连接部。此外，三角形接线方案302的绕组根据定子201的类型而定地在制造技术上更为简单或/和更为快速地实现。
在根据现有技术的永磁体同步马达中，对于星形接线方案300的情况，需要所谓的星形继电器(未示出，但容易想到)，这种星形继电器在星形绕组的一个相在中性点301处短接的情形下，实现了对相应被短接的相的中断，以便对短接情形下的制动力矩加以限制或阻碍。在根据本发明的永磁体同步马达200中，不需要这样的继电器，这是因为基于特定的直径-长度比DLV结合其他参数，一个相的短接仅能够使永磁体同步马达200产生受限制的制动力矩。出于这个原因，也可以实施根据图6的三角形接线方案302，这是因为这种三角形接线方案在不带继电器的情况下在现有技术中是不能应用的，或者需要较高的耗费来设置用于分隔被短接的相的继电器。
图7与根据图2的根据本发明的永磁体同步马达200的转子208的直径-长度比DLV相关地示出根据本发明的永磁体同步马达200的制动力矩的图线图示。
在纵坐标上，标绘出永磁体同步马达200的一个相的制动力矩MBT，以Nm计。横坐标示出转子208的直径-长度比DLV的数值。最大制动力矩MBTMAX(在这里为0.6Nm的可靠数值)作为呈点状的相对于横坐标的平行线绘出。最大制动力矩MBTMAX表示如下的制动力矩，在该制动力矩下，装备有作为伺服马达的永磁体同步马达200的伺服转向装置例如在一个相短接时还未被阻动或者说还能行使功能。
绘出四个不同的曲线，这些曲线代表转子208的不同的转子极数210-n。这四个曲线与最大制动力矩MBTMAX的平行于横坐标的呈点状的直线相交。通过所述交点的相应的平行于纵坐标的平行线在横坐标上分别示出转子208的所对应的直径-长度比DLV1...4。
已经发现的是：具有如下的转子208(即其具有根据图2和图3那样呈辐条状布置的永磁体204)的永磁体同步马达200的最佳直径-长度比DLV与转子极数210-n、转子直径D和转子长度L相关。
于是，例如转子208的最佳的直径-长度比DLV在转子极数210-6(n＝6)为六个转子极并且定子201具有9个定子槽202时，大于数值DLV1＝1.63。
最佳的直径-长度比DLV与参数转子极数210-n的相关性在下表1中总览示出。
表1：DLV与参数转子极数210-n
于是，通过实验结果可以看到：根据本发明的永磁体同步马达200以小于最大制动力矩MBTMAX的制动力矩提供了相比传统马达更大的安全性，方式为：在可能的故障情形下，例如伺服转向时，转向不会被过高的制动力矩阻止。
除了直径-长度比DLV，还须遵循下列参数。其他参数是小转子组的
转子组数209-n。这在表2中得到阐明。
编号 转子长度L(mm) 转子组数209-n
1 L≤20 1
2 20≤L≤40 1或2
3 40≤L≤60 2或3
4 60≤L≤100 3或4
表2：转子长度和转子组数
对于小于20mm的有效的轴向转子长度L，转子组数209-n需要数值n＝1。另一示例(3)示出：对于转子长度L处于40mm至60mm范围内的情形，适用于转子组数209-n的数值n＝2或n＝3。
此外，适用的是：表1可以通过另一参数-交叉角γ而扩展为下表3。
表3：交叉角γ
可以看到的是：随着转子极数210-n的增加，直径-长度比DLV还有交叉角γ减小。
虽然本发明在前面已经结合优选实施例详细阐述，但是本发明并不限于所述实施例，而是能够以任意方式修改，而不偏离本发明的主题。
可以考虑的是：转子组数209-n具有一个大于所示实施方案中的情况的n。
根据本发明的永磁体同步马达200在机动车的伺服转向装置100(图1)中的使用不仅可以在转向传动件101上，也可以在转向轴102上、在小齿轮105上或也在其他位置上利用相应的联接件来实现。
根据本发明的永磁体同步马达200用于机动车中的驱动装置的用途以及在这里特别是用于机动车的伺服转向装置100的伺服驱动装置103的用途可以认为只是示例性的。而本发明能够有利地应用在任意的电驱动装置中。
前面提到的数量表达虽说是优选的并且有的从具体用途中得悉，但是这些数量表达也可以符合本领域技术人员的掌握和认知地或多或少加以改变。
附图标记列表
100 伺服转向装置
101 转向传动件
102 转向轴
103 伺服驱动装置
104 控制单元
105 小齿轮
106 轮
107 转向杆
200 永磁体同步马达
201 定子
202 定子槽
203 转子芯
204 永磁体
205 转子体
206 转子轴
207 转子轴线
208 转子
209 转子组
209-n 转子组数
210-n 转子极数
300 星形接线方案
301 中性点
302 三角形接线方案
DLV、DLV1...4 直径-长度比
D 转子直径
L 转子长度
MBT 制动力矩
N、S 磁体磁极
U、V、W 接线部
γ 交叉角

Claims (8)

1.一种永磁体同步马达(200)，具有：
定子(201)，在所述定子中布置有其间带有定子槽(202)的定子齿，其中，分别在定子齿上设置有至少一个由导电材料制成的绕组；
转子(208)，其具有永磁体(204)，所述永磁体呈辐条状地沿径向布置在所述转子(208)中，
其中，所述永磁体同步马达(200)基于所述转子(208)的预设的直径-长度比(DLV)、转子极数(210-n)以及所述定子槽(202)的数目以预设的而且受限制的最大制动力矩(MTMAX)来构造，
其中，所述转子(208)的预设的直径-长度比(DLV)、所述转子极数(210-n)以及所述定子槽(202)的数目对应下表地建立关联：
其中，转子极数和定子槽的数目的单位为个。
2.根据权利要求1所述的同步马达，其特征在于，所述转子(208)具有至少一个转子组(209)，其中，转子组数(209-n)与所述转子长度(L)对应下表相关：
转子长度(L) 转子组数(209-n) L≤20 1 20≤L≤40 1或2 40≤L≤60 2或3 60≤L≤100 3或4
其中，转子长度的单位为毫米，转子组数的单位为个。
3.根据权利要求2所述的同步马达，其特征在于，当转子组数(209-n)大于1时，所述转子组(209)彼此间绕转子轴线(207)扭转错开一交叉角(γ)地布置。
4.根据权利要求3所述的同步马达，其特征在于，所述交叉角(γ)与所述转子(208)的直径-长度比(DLV)根据下表建立关系：
其中，转子极数和定子槽的数目的单位为个，交叉角的单位为度。
5.根据权利要求1所述的同步马达，其特征在于，所述定子(201)具有呈三角形接线方案(300)的三相绕组。
6.根据权利要求1所述的同步马达，其特征在于，所述定子(201)具有呈星形接线方案(302)的三相绕组。
7.根据权利要求1所述的同步马达，其特征在于，所述转子(208)的所述永磁体(204)包括铁素体磁体或/和稀土材料。
8.一种机动车的电伺服转向装置(100)，所述电伺服转向装置具有至少一个根据权利要求1至7中任一项所述的永磁体同步马达(200)。
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