CN109075633B - 马达和电动助力转向装置 - Google Patents

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Abstract

实施方式的马达(10)具有：转子(30)，其具有转子铁芯(31)和沿着转子铁芯(31)的外周设置的多个永久磁铁(32)；以及定子(20)，其具有多个绕组(21)。多个永久磁铁(32)分别具有：第1面(221)，其与转子铁芯(31)的外周接触；以及第2面(222)，其在转子(30)的径向(210)上位于比第1面(221)靠外侧的位置，与定子(20)对置。在从与转子(30)的旋转轴线方向平行的方向观察转子(30)时的俯视中，第1面(221)具有直线形状部分，第2面(222)具有与第1面(221)的直线形状部分平行的直线形状部分，第2面(222)的直线形状部分的长度(L2)为第1面(221)的直线形状部分的长度(L1)的20％以上并且不到85％。

Description

马达和电动助力转向装置
技术领域
本发明涉及马达和电动助力转向装置。
背景技术
近年来，针对无刷DC马达和交流同步马达等电动马达(以下，简记作“马达”)，安静性和低振动性的要求提高。特别地，针对电动助力转向装置用的马达，为了提高转向感，进一步要求高安静性和低振动性。
一般情况下，马达具有转子和定子。例如，在日本特许第4155152号公报中，在转子中，沿着其圆周方向排列有多个永久磁铁。定子具有多个绕组。在马达驱动时，由于定子的励磁而对定子和转子施加径向方向的振动力，从而产生振动和噪声。作为这样的振动和噪声的对策，公知有通过在提供给马达的电流上叠加高次谐波分量来抑制振动的方法。
对马达的低振动化要求进一步的改善。
发明内容
本发明的实施方式提供能够降低振动的马达。
本发明的例示的马达具有：转子，其具有转子铁芯和沿着所述转子铁芯的外周设置的多个永久磁铁；以及定子，其具有多个绕组。多个所述永久磁铁分别具有：第1面，其与所述转子铁芯的外周部接触；以及第2面，其在所述转子的径向上位于比所述第1面靠外侧的位置，与所述定子对置。在从与所述转子的旋转轴线方向平行的方向观察所述转子时的俯视中，所述第1面具有直线形状部分，所述第2面具有与所述第1面的直线形状部分平行的直线形状部分，所述第2面的直线形状部分的长度为所述第1面的直线形状部分的长度的20％以上并且不到85％。
多个永久磁铁分别具有：侧面，其沿着转子的径向延伸；以及连接部分，其将第2面与侧面连接起来。在俯视中，连接部分具有相对于第2面和侧面分别倾斜的直线形状部分。
多个永久磁铁分别具有：侧面，其沿着转子的径向延伸；以及连接部分，其将第2面与所述侧面连接起来。在俯视中，连接部分具有曲线形状部分。
在定子中具有构成于相邻的齿之间的12个槽，在这些槽中配置有绕组。转子具有10个磁极。
第2面的直线形状部分的长度为第1面的直线形状部分的长度的20％以上并且不到60％。
马达还具有向多个绕组提供电流的电力转换装置。电流包含基波分量和高次谐波分量，该高次谐波分量具有基波分量的频率的整数倍的频率。
高次谐波分量是具有所述基波分量的频率的3倍的频率的3次谐波分量。
电力转换装置基于永久磁铁的磁通的3次分量和提供给绕组的电流的3次分量来对作用于定子所具备的齿的径向方向的力的6次分量进行控制。
电力转换装置基于提供给绕组的电流的3次分量和永久磁铁的磁通的3次分量来对根据提供给绕组的电流的基波分量与永久磁铁的磁通之间的关系而产生的扭矩波动进行控制。
多个绕组包含n相绕组，其中，n是3以上的整数。马达还具有向n相绕组提供电流的电力转换装置。电力转换装置具有：第1逆变器，其与各相绕组的一端连接；以及第2逆变器，其与各相绕组的另一端连接。
在本发明的例示的实施方式中，电动助力转向装置具有上述的马达。
根据本发明的实施方式，能够降低马达的振动。而且，由于电动助力转向装置具有上述的马达，因此能够提高转向感。
由以下的本发明优选实施方式的详细说明，参照附图，可以更清楚地理解本发明的上述及其他特征、要素、步骤、特点和优点。
附图说明
图1是示出例示的实施方式的马达的构造的示意图。
图2是示出例示的实施方式的电力转换装置的电路结构的示意图。
图3是示出例示的实施方式的具有电力转换装置的马达的框图。
图4是示出对按照例示的实施方式的三相通电控制来控制电力转换装置时在马达的U相、V相以及W相的各绕组中流动的电流值进行描绘而得到的电流波形的图。
图5是示出在例示的实施方式的基波分量上叠加高次谐波分量而得到的驱动电流的图。
图6是示出例示的实施方式的马达所具备的定子和转子的俯视图。
图7是例示的实施方式的转子所具备的永久磁铁的俯视图。
图8是例示的实施方式的转子所具备的永久磁铁的立体图。
图9是示出例示的实施方式的块形状的磁铁坯料的俯视图。
图10是示出例示的实施方式的齿槽扭矩和成本与长度L2相对于长度L1的比率之间的关系的图。
图11是现有的永久磁铁的俯视图。
图12是示出例示的实施方式的转子所具备的永久磁铁的变形例的俯视图。
图13是示出例示的实施方式的电动助力转向装置的示意图。
具体实施方式
在对本发明的实施方式进行说明之前，对作为本发明的基础的本申请发明人员的见解进行说明。
如上所述，当在提供给马达的电流上叠加有高次谐波分量的情况下，根据转子和定子的构造，有可能导致从绕组产生的磁通紊乱，高次的电流成为噪声从而扭矩波动等恶化。
为了降低扭矩波动和齿槽扭矩，例如，在表面磁铁型马达(Surface PermanentMagnet Motor)中，有时使永久磁铁的外表面(径向外侧的面)弯曲，从而在俯视时呈大致圆弧形状。一般情况下，转子用的永久磁铁是通过对块形状的磁铁坯料进行切削而成型的。在成型圆弧形状的磁铁时，存在如下课题：从坯料切下来的量变多，从而磁铁的加工费变高。此外，切削的量多的话，则结果为磁铁的体积变小，因此存在如下课题：从磁铁产生的磁通的量变小，在马达驱动时产生的扭矩也变小。
为了降低振动和扭矩波动，考虑了通过将转子用的永久磁铁的形状设置得复杂而使永久磁铁的磁通中包含高次谐波分量。但是，存在如下课题：永久磁铁的形状越复杂，加工越困难，伴随着加工的费用增加越多。
期望低成本并且在驱动电流叠加有高次的电流的情况下也不容易产生振动和扭矩波动等的磁铁形状。
以下，一边参照附图一边对本发明的马达和电动助力转向装置的实施方式进行详细说明。但是，有时省略过度详细的说明。例如，有时省略已熟知的事项的详细说明和对实质上相同的结构的重复说明。这是为了避免以下的说明不必要地冗长、使本领域技术人员易于理解。
在本说明书中，以具有三相(U相、V相、W相)绕组的三相马达为例对本发明的实施方式进行说明。但是，例如具有四相和五相等n相(n是3以上的整数)绕组的n相马达也属于本发明的范畴。
(实施方式1)
图1是示出本实施方式的马达10的构造的图。图1示出了沿着中心轴线11切断时的马达10的内部。
马达10是机电一体型马达。马达10例如搭载于汽车而用作电动助力转向装置用马达。在该情况下，马达10产生电动助力转向装置的驱动力。
马达10具有定子20、转子30、外壳12、分隔壁14、轴承15以及轴承16。定子20也被称作电枢。中心轴线11是转子30的旋转轴线。
外壳12是具有底的大致圆筒状的壳体，将定子20、轴承15以及转子30收纳于内部。对轴承15进行保持的凹部13位于外壳12的底的中央。分隔壁14是将外壳12的上部的开口封闭的板状的部件。分隔壁14在其中央部对轴承16进行保持。
定子20呈环状，具有层叠体22和绕组21。层叠体22也被称作层叠环状铁芯。绕组也被称作线圈。定子20根据驱动电流而产生磁通。层叠体22由将多个钢板在沿着中心轴线11的方向(图1的Z方向)上层叠而成的层叠钢板构成。层叠体22包含环状的层叠铁芯背部24和多个层叠齿(齿)23。层叠铁芯背部24固定于外壳12的内壁。
绕组21由铜等导电性材料构成，典型地，该绕组21分别安装于层叠体22的多个层叠齿23。
转子30具有轴33、转子铁芯31以及沿着转子铁芯31的外周设置的多个永久磁铁32。转子铁芯31例如由铁等磁性材料构成，具有筒状的形状。在本实施方式中，转子铁芯31由将多个钢板在沿着中心轴线11的方向(图1的Z方向)上层叠而成的层叠钢板构成。多个永久磁铁32设置为N极与S极在转子铁芯31的周向上交替出现。轴33固定于转子铁芯31的中心，沿着中心轴线11而在上下方向(Z方向)上延伸。另外，本说明书中的上下左右方向是指在观察图1所示的马达10时的上下左右方向，为了易于理解地说明实施方式而使用这些方向进行说明。勿需赘言，本说明书中的上下左右方向与马达10搭载于实际的产品(汽车等)的状态下的上下左右方向不是必须一致。
轴承15和16将转子30的轴33支承为能够旋转。轴承15和16例如是隔着球体使外圈和内圈相对旋转的球轴承。图1例示了球轴承。
在马达10中，在向定子20的绕组21通驱动电流时，在层叠体22的多个层叠齿23中产生径向的磁通。通过多个层叠齿23与永久磁铁32之间的磁通的作用而在周向上产生扭矩，转子30相对于定子20旋转。当转子30旋转时，例如在电动助力转向装置中产生驱动力。
在轴33的分隔壁14侧的端部固定有永久磁铁41。永久磁铁41能够与转子30一同旋转。在分隔壁14的上部配置有基板50。在基板50上搭载有电力转换装置100。分隔壁14将马达10内部的收纳定子20和转子30的空间与收纳基板50的空间隔开。
电力转换装置100将来自电源的电力转换为提供给定子20的绕组21的电力。在基板50上设置有电力转换装置100所具备的逆变器的端子52。端子52连接有电线51。电线51例如是绕组21的端部。电线51与绕组21也可以是单独的部件。从电力转换装置100输出的电力经由电线51提供给绕组21。电力转换装置100的详细内容在后文描述。
在基板50上设置有磁传感器40。磁传感器40配置在与固定于轴33的永久磁铁41对置的位置。磁传感器40配置在轴33的中心轴线11上。磁传感器40例如是磁阻效应元件或者霍尔元件。磁传感器40检测从与轴33一同旋转的永久磁铁41产生的磁场，由此能够检测转子30的旋转角。
马达10经由多个端子17而与马达10外部的各种控制装置和电池等连接。多个端子17包含从外部的电源提供电力的电源端子以及用于与外部设备进行数据的发送和接收的信号端子等。
接下来，对电力转换装置100的详细内容进行说明。
图2示意性地示出了本实施方式的电力转换装置100的电路结构。
电力转换装置100具有第1逆变器110和第2逆变器140。此外，电力转换装置100具有图3所示的控制电路300。
在定子20上卷绕有U相绕组M1、V相绕组M2以及W相绕组M3作为绕组21(图1)。各相绕组与第1逆变器110和第2逆变器140连接。具体说明的话，各相绕组的一端与第1逆变器110连接，各相绕组的另一端与第2逆变器140连接。在本申请说明书中，电路内的部件彼此之间的“连接”主要是指电连接。
第1逆变器110具有与各相对应的端子U_L、V_L以及W_L作为端子52(图1)。第2逆变器140具有与各相对应的端子U_R、V_R以及W_R作为端子52。第1逆变器110的端子U_L与U相绕组M1的一端连接，端子V_L与V相绕组M2的一端连接，端子W_L与W相绕组M3的一端连接。与第1逆变器110同样地，第2逆变器140的端子U_R与U相绕组M1的另一端连接，端子V_R与V相绕组M2的另一端连接，端子W_R与W相绕组M3的另一端连接。这样的接线与所谓的星形接线和三角形接线不同。
在电力转换装置100中，第1逆变器110和第2逆变器140与电源101和GND连接。具有电力转换装置100的马达10例如能够经由端子17(图1)而与外部的电源连接。
在本说明书中，有时将第1逆变器110记作“桥电路L”。此外，有时将第2逆变器140记作“桥电路R”。第1逆变器110和第2逆变器140分别具有3个包含低边开关元件和高边开关元件在内的桥臂。构成这些桥臂的多个开关元件经由绕组而在第1逆变器110与第2逆变器140之间构成了多个H桥。
第1逆变器110包含由3个桥臂构成的桥电路。图2所示的开关元件111L、112L以及113L是低边开关元件，开关元件111H、112H以及113H是高边开关元件。作为开关元件，例如能够使用场效应晶体管(典型地是MOSFET)或者绝缘栅双极晶体管(IGBT)。在本申请说明书中，对使用FET作为逆变器的开关元件的例子进行说明，在以下的说明中，有时将开关元件记作FET。例如，开关元件111L被记作FET 111L。
与第1逆变器110同样地，第2逆变器140包含由3个桥臂构成的桥电路。图2所示的FET 141L、142L以及143L是低边开关元件，FET 141H、142H以及143H是高边开关元件。第1和第2逆变器110、140的各FET例如能够由微控制器或者专用驱动器来控制。
电源101(图2)生成规定的电源电压。从电源101向第1和第2逆变器110、140提供电力。作为电源101，例如使用直流电源。但是，电源101也可以是AC-DC变换器或者DC-DC变换器，也可以是电池(蓄电池)。电源101可以是对第1和第2逆变器110、140共用的单一电源，也可以具有第1逆变器110用的第1电源和第2逆变器140用的第2电源。
图3示意性地示出了具有电力转换装置100的马达10的块结构。电力转换装置100具有控制电路300。
控制电路300例如具有电源电路310、角度传感器320、输入电路330、微控制器340、驱动电路350以及ROM 360。在该例中，角度传感器320是磁传感器40(图1)。控制电路300通过控制电力转换装置100的整体的动作来控制马达10的旋转。具体而言，控制电路300能够通过控制作为目的的转子的位置、转速以及电流等而实现闭环控制。控制电路300也可以具有扭矩传感器。在该情况下，控制电路300能够控制作为目的的马达扭矩。
电源电路310生成电路内的各块所需的DC电压(例如3V、5V)。角度传感器320例如是磁阻效应元件、旋转变压器或者霍尔IC。角度传感器320检测转子30的旋转角(以下，记作“旋转信号”)，并将旋转信号输出给微控制器340。电流传感器170例如具有连接在逆变器的低边开关元件与GND之间的分流电阻。电流传感器170检测在U相、V相以及W相的各相绕组中流动的电流。输入电路330接受由电流传感器170检测到的马达电流值(以下，记作“实际电流值”)，根据需要将实际电流值的电平转换为微控制器340的输入电平而将实际电流值输出给微控制器340。
微控制器340控制第1逆变器110和第2逆变器140的各FET的开关动作(导通或者切断)。微控制器340根据实际电流值和转子的旋转信号等而设定目标电流值并生成PWM信号，并且将其输出给驱动电路350。
驱动电路350典型地是栅极驱动器。驱动电路350根据PWM信号而生成对第1和第2逆变器110、140中的各FET的开关动作进行控制的控制信号(栅极控制信号)，并将控制信号提供给各FET的栅极。另外，微控制器340也可以具有驱动电路350的功能。在该情况下，控制电路300可以不具备驱动电路350。
ROM 360例如是可写存储器、可重写存储器或者只读存储器。ROM 360保存有包含用于使微控制器340控制电力转换装置100的命令组在内的控制程序。例如，控制程序在启动时在RAM(未图示)中临时展开。
控制电路300通过使用第1和第2逆变器110、140双方进行三相通电控制来驱动马达10。具体而言，控制电路300以彼此相反的相位(相位差＝180°)对第1逆变器110的FET和第2逆变器140的FET进行开关控制，从而进行三相通电控制。例如，关注包含FET 111L、111H、141L以及141H在内的H桥，当FET 111L接通时，FET 141L断开，当FET 111L断开时，FET141L接通。与此同样地，当FET 111H接通时，FET 141H断开，当FET 111H断开时，FET 141H接通。从电源101输出的电流通过高边开关元件、绕组、低边开关元件而流向GND。电力转换装置100的接线有时被称作开放式接线。
这里，对在U相绕组M1中流动的电流的路径进行说明。当FET 111H和FET 141L接通、FET 141H和FET 111L断开时，电流依次流过电源101、FET 111H、绕组M1、FET 141L、GND。当FET 141H和FET 111L接通、FET 111H和FET 141L断开时，电流依次流过电源101、FET141H、绕组M1、FET 111L、GND。
另外，从FET 111H流向了绕组M1的电流的一部分有时会向FET 141H流动。即，从FET 111H流向了绕组M1的电流有时分支而向FET 141L和FET 141H流动。例如，在马达10低速旋转时，相比于高速旋转时，从FET 111H流向了绕组M1的电流向FET 141H流动的比例有时会增大。
同样地，从FET 141H流向了绕组M1的电流的一部分有时会向FET 111H流动。例如，在马达10低速旋转时，相比于高速旋转时，从FET 141H流向了绕组M1的电流向FET 111H流动的比例有时会增大。
接下来，对在V相绕组M2中流动的电流的路径进行说明。当FET 112H和FET 142L接通、FET 142H和FET 112L断开时，电流依次流过电源101、FET 112H、绕组M2、FET 142L、GND。当FET 142H和FET 112L接通、FET 112H和FET 142L断开时，电流依次流过电源101、FET142H、绕组M2、FET 112L、GND。
另外，从FET 112H流向了绕组M2的电流的一部分有时会向FET 142H流动。例如，在马达10低速旋转时，相比于高速旋转时，从FET 112H流向了绕组M2的电流向FET 142H流动的比例有时会增大。
同样地，从FET 142H流向了绕组M2的电流的一部分有时会向FET 112H流动。例如，在马达10低速旋转时，相比于高速旋转时，从FET 142H流向了绕组M2的电流向FET 112H流动的比例有时会增大。
接下来，对在W相绕组M3中流动的电流的路径进行说明。当FET 113H和FET 143L接通、FET 143H和FET 113L断开时，电流依次流过电源101、FET 113H、绕组M3、FET 143L、GND。当FET 143H和FET 113L接通、FET 113H和FET 143L断开时，电流依次流过电源101、FET143H、绕组M3、FET 113L、GND。
另外，从FET 113H流向了绕组M3的电流的一部分有时会向FET 143H流动。例如，在马达10低速旋转时，相比于高速旋转时，从FET 113H流向了绕组M3的电流向FET 143H流动的比例有时会增大。
同样地，从FET 143H流向了绕组M3的电流的一部分有时会向FET 113H流动。例如，在马达10低速旋转时，相比于高速旋转时，从FET 143H流向了绕组M3的电流向FET 113H流动的比例有时会增大。
图4例示了对按照三相通电控制来控制电力转换装置100时在U相、V相以及W相的各绕组中流动的电流值进行描绘而得到的电流波形(正弦波)。图4示出了在U相、V相以及W相的各绕组中流动的电流的基波分量。横轴表示马达电角度(度)，纵轴表示电流值(A)。在图4的电流波形中，每30°电角度地描绘电流值。Ipk表示各相的最大电流值(峰电流值)。控制电路300例如通过PWM控制而对桥电路L和R的各FET的开关动作进行控制。
表1按照图4的正弦波中的每个电角度而示出了在各逆变器的端子中流动的电流值。具体而言，表1示出了在第1逆变器110(桥电路L)的端子U_L、V_L以及W_L中流动的每30°电角度的电流值以及在第2逆变器140(桥电路R)的端子U_R、V_R以及W_R中流动的每30°电角度的电流值。这里，对于桥电路L而言，将从桥电路L的端子流向桥电路R的端子的电流方向定义为正方向。图4所示的电流的朝向遵循该定义。此外，对于桥电路R而言，将从桥电路R的端子流向桥电路L的端子的电流方向定义为正方向。因此，桥电路L的电流与桥电路R的电流之间的相位差为180°。在表1中，电流值I1的大小为[(3)1/2/2]＊Ipk，电流值I2的大小为Ipk/2。
表1
Figure GDA0001833320310000101
在电角度为0°时，在U相绕组M1中没有电流流动。在V相绕组M2中，从桥电路R向桥电路L流有大小为I1的电流，在W相绕组M3中，从桥电路L向桥电路R流有大小为I1的电流。
在电角度为30°时，在U相绕组M1中，从桥电路L向桥电路R流有大小为I2的电流，在V相绕组M2中，从桥电路R向桥电路L流有大小为Ipk的电流，在W相绕组M3中，从桥电路L向桥电路R流有大小为I2的电流。
在电角度为60°时，在U相绕组M1中，从桥电路L向桥电路R流有大小为I1的电流，在V相绕组M2中，从桥电路R向桥电路L流有大小为I1的电流。在W相绕组M3中没有电流流动。
在电角度为90°时，在U相绕组M1中，从桥电路L向桥电路R流有大小为Ipk的电流，在V相绕组M2中，从桥电路R向桥电路L流有大小为I2的电流，在W相绕组M3中，从桥电路R向桥电路L流有大小为I2的电流。
在电角度为120°时，在U相绕组M1中，从桥电路L向桥电路R流有大小为I1的电流，在W相绕组M3中，从桥电路R向桥电路L流有大小为I1的电流。在V相绕组M2中没有电流流动。
在电角度为150°时，在U相绕组M1中，从桥电路L向桥电路R流有大小为I2的电流，在V相绕组M2中，从桥电路L向桥电路R流有大小为I2的电流，在W相绕组M3中，从桥电路R向桥电路L流有大小为Ipk的电流。
在电角度为180°时，在U相绕组M1中没有电流流动。在V相绕组M2中，从桥电路L向桥电路R流有大小为I1的电流，在W相绕组M3中，从桥电路R向桥电路L流有大小为I1的电流。
在电角度为210°时，在U相绕组M1中，从桥电路R向桥电路L流有大小为I2的电流，在V相绕组M2中，从桥电路L向桥电路R流有大小为Ipk的电流，在W相绕组M3中，从桥电路R向桥电路L流有大小为I2的电流。
在电角度为240°时，在U相绕组M1中，从桥电路R向桥电路L流有大小为I1的电流，在V相绕组M2中，从桥电路L向桥电路R流有大小为I1的电流。在W相绕组M3中没有电流流动。
在电角度为270°时，在U相绕组M1中，从桥电路R向桥电路L流有大小为Ipk的电流，在V相绕组M2中，从桥电路L向桥电路R流有大小为I2的电流，在W相绕组M3中，从桥电路L向桥电路R流有大小为I2的电流。
在电角度为300°时，在U相绕组M1中，从桥电路R向桥电路L流有大小为I1的电流，在W相绕组M3中，从桥电路L向桥电路R流有大小为I1的电流。在V相绕组M2中没有电流流动。
在电角度为330°时，在U相绕组M1中，从桥电路R向桥电路L流有大小为I2的电流，在V相绕组M2中，从桥电路R向桥电路L流有大小为I2的电流，在W相绕组M3中，从桥电路L向桥电路R流有大小为Ipk的电流。
在本实施方式中，在分别提供给U相绕组M1、V相绕组M2以及W相绕组M3的电流上叠加高次谐波分量。图5是示出在基波分量上叠加有高次谐波分量的驱动电流的图。图5的横轴表示马达电角度(度)，纵轴表示电流值(A)。
高次谐波分量253具有电流的基波分量251的频率的整数倍的频率。在图5所示的例子中，高次谐波分量253是具有基波分量251的频率的3倍的频率的3次谐波分量。控制电路300将在基波分量251上叠加高次谐波分量253而得到的驱动电流250分别提供给U相绕组M1、V相绕组M2以及W相绕组M3。控制电路300例如通过PWM控制对桥电路L和R的各FET的开关动作进行控制以获得图5所示那样的驱动电流。
接下来，对有效地降低振动和扭矩波动的转子30用的永久磁铁32的形状进行说明。
图6是示出马达10所具备的定子20和转子30的一例的俯视图。在该例中，定子20具有12个层叠齿23。转子30具有10个永久磁铁32。换言之，在该例中，在定子20中具有12个构成于相邻的层叠齿23之间的槽(齿隙)25，该槽25供绕组21配置。转子30中的极数为10。具有这样的数量的槽和磁极的构造有时被称为12S10P(12槽10极)。在该例中，马达10是具有三相(U相、V相、W相)绕组的三相马达。针对12个层叠齿23，例如按照U、U、V、V、W、W、U、U、V、V、W、W的顺序来分配U相、V相、W相。
在从与转子30的旋转轴线方向平行的方向观察转子30时的俯视中，转子铁芯31的外形是多边形。在该例中，俯视时的转子铁芯31的外形是十边形。转子铁芯31的外周部具有多个侧面34。在该例中，转子铁芯31的外周部具有10个侧面34。10个侧面34在转子铁芯31的周向上相邻配置而构成转子铁芯31的外侧面。在俯视时，各侧面34具有直线形状。
在各个侧面34上配置有永久磁铁32。永久磁铁32例如借助粘接剂等而固定于侧面34。各永久磁铁32与各层叠齿23在径向上对置。另外，永久磁铁32也可以使用磁铁保持架等部件而被保持于转子铁芯31，也可以通过其他的方法来进行固定。
图7是设置于转子铁芯31的永久磁铁32的俯视图。图7示出了从与转子30的旋转轴线方向平行的方向观察转子30时的俯视中的永久磁铁32。图8是示出永久磁铁32的立体图。为了易于理解地对永久磁铁32的形状进行说明，在图8中，以透视永久磁铁32的内部的方式进行图示。
永久磁铁32具有与转子铁芯31的侧面34(图6)接触的第1面221、在转子30的径向210上位于比第1面221靠外侧的位置的第2面222以及沿着径向210延伸的侧面223。
第1面221是固定在转子铁芯31的侧面34上的永久磁铁32的内周侧的面。第2面222是与定子20的层叠齿23对置的永久磁铁32的外周侧的面。第2面222位于在径向上与第1面221为相反侧的位置。
如图7所示，在俯视时，第1面221和第2面222分别具有直线形状。第1面221的直线形状部分与第2面222的直线形状部分彼此平行。第2面222的直线形状部分的长度L2小于第1面221的直线形状部分的长度L1。
在俯视时，永久磁铁32的侧面223从第1面221的周向两端向径向外侧延伸。永久磁铁32具有将侧面223和第2面222连接起来的连接部分224。连接部分224具有相对于第2面222和侧面223分别倾斜的直线形状部分。
转子用的永久磁铁32例如是通过对块形状的磁铁坯料进行切削而成型的。关于本实施方式的永久磁铁32，通过对块形状的磁铁坯料进行倒角而成型出具有连接部分224的永久磁铁32。图9是示出块形状的磁铁坯料32a的俯视图。在该例中，磁铁坯料32a呈长方体形状。通过对图9所示的磁铁坯料32a的虚线部分进行倒角而得到图7所示那样的具有连接部分224的永久磁铁32。
在从图7所示那样的形状的永久磁铁32产生的磁通中包含高次谐波分量。在从永久磁铁32产生的磁通中例如包含3次谐波分量。
接下来，对电力转换装置100分别提供给U相绕组M1、V相绕组M2以及W相绕组M3的驱动电流进行说明。如上所述，电力转换装置100生成在基波分量上叠加有高次谐波分量的驱动电流。
如下述的式(1)所示，作用于定子20的各层叠齿23的径向力Fr能够用各交链磁通Ψ的平方来表示。径向力Fr是作用于层叠齿的径向方向的振动力。这里，μ0是磁导率，N是匝数，S是在各层叠齿中磁通交链的面积。角标u、v、w分别表示U相、V相、W相。
[数学式1]
Figure GDA0001833320310000131
交链磁通Ψ用永久磁铁32的磁通分量Ψm与电流分量Ψi之和来表示，因此表示为式(2)。这里，L是自感，M是互感。
[数学式2]
Figure GDA0001833320310000132
控制电路300能够使用永久磁铁32的磁通的3次分量和驱动电流的3次分量来控制径向力的6次分量(＝3+3)。例如，以使径向力的6次分量最小的方式确定电流的3次分量。
马达扭矩Te用下述的式(3)来表示。这里，P是马达的输出，ω是角速度。
[数学式3]
Figure GDA0001833320310000141
式(3)的右边的
[数学式4]
Figure GDA0001833320310000142
是根据驱动电流的3次分量和永久磁铁32的磁通的3次分量而产生的6次分量。以使该6次分量为最小的方式确定电流的3次分量。
作为径向力，产生了2次、4次、6次、···等、电角度偶数次的分量(2n次的分量)。特别地，在与马达的固有频率的关系中，6次的径向力容易引起谐振，振动容易变大。通过以使径向力的6次分量为最小的方式确定电流的3次分量，能够降低马达10的振动。
控制电路300基于驱动电流的3次分量和永久磁铁32的磁通的3次分量来控制根据驱动电流的基波分量与永久磁铁32的磁通之间的关系而产生的扭矩波动。例如，以使根据驱动电流的3次分量与永久磁铁32的磁通之间的关系而产生的扭矩波动抵消根据驱动电流的基波分量与永久磁铁32的磁通之间的关系而产生的扭矩波动的方式确定电流的3次分量。例如，以使根据驱动电流的3次分量与永久磁铁32的磁通之间的关系而产生的扭矩波动的波形形成与根据驱动电流的基波分量与永久磁铁32的磁通之间的关系而产生的扭矩波动的波形相反的相位的方式确定电流的3次分量。
另外，驱动电流的基波分量与3次谐波分量彼此的相位可以不一致，可以彼此错开。例如，基波分量的相位与3次谐波分量的相位可以错开120度。
接下来，对永久磁铁32的第1面221(图7)的直线形状部分的长度L1与第2面222的直线形状部分的长度L2之间的关系进行说明。图10是示出齿槽扭矩和成本与长度L2相对于长度L1的比率之间的关系的模拟结果的图。图10的横轴表示比率，纵轴表示齿槽扭矩和成本。成本是指对块形状的磁铁坯料进行切削而成型出与比率对应的永久磁铁32所花费的成本。纵轴的成本示出了以现有的永久磁铁的加工成本为1(作为基准)时的加工成本。如后文使用图11进行描述的那样，现有的永久磁铁具有圆弧状的形状。
在用于电动助力转向装置的马达中，为了有效地降低振动，齿槽扭矩优选为0.015N·m以下。此外，在比率不到0.2的情况下，相比于现有的永久磁铁，减少加工成本的效果小。例如，在比率不到0.2的情况下，加工成本较高，为现有的永久磁铁的大约80％以上。考虑到这些要素，在本实施方式中，长度L2相对于长度L1的比率为0.2以上并且不到0.85。即，长度L2为长度L1的20％以上并且不到85％。通过将比率设为0.2以上并且不到0.85，得到了低成本并且在驱动电流叠加有高次的电流的情况下振动和扭矩波动等不容易产生的永久磁铁32。
为了更有效地降低振动，齿槽扭矩优选为不到0.005N·m。为了更有效地降低振动，长度L2相对于长度L1的比率优选为0.2以上并且不到0.6。
此外，当长度L2相对于长度L1的比率为0.5时，层叠齿的感应电压所包含的3次谐波分量为6.5％，5次分量和7次分量几乎为零。因此，通过将长度L2相对于长度L1的比率设为包含0.5及其前后的范围在内的0.4以上并且不到0.6，利用电流的3次谐波分量的扭矩波动控制变得容易，能够进一步提高降低振动的效果。
这里，对现有的永久磁铁32C的形状进行说明。图11是现有的永久磁铁32C的俯视图。永久磁铁32C具有作为固定在转子铁芯的外周部上的面的第1面221C以及与定子的层叠齿对置的第2面222C。在俯视时，在永久磁铁32C中，第2面222C呈弯曲形状，第1面221C与第2面222C不平行。第2面222C呈圆弧状。图11所示的永久磁铁32C的厚度T2大于本实施方式中的永久磁铁32的厚度T1(图7)。这里，永久磁铁的厚度是指永久磁铁的沿着径向的长度。在俯视时，永久磁铁32的第1面221的长度与永久磁铁32C的第1面221C的长度彼此相同。此外，永久磁铁32和永久磁铁32C的沿着转子的轴向的长度彼此相同。
在模拟结果中，具有本实施方式的永久磁铁32的马达10与具有现有的永久磁铁32C的马达相比，扭矩增加7％。这也意味着能够减小获得相同输出所需的永久磁铁的体积。具有永久磁铁32的马达10与具有现有的永久磁铁32C的马达相比，能够将齿槽扭矩和扭矩波动相同程度地抑制得较低。
此外，能够通过对块形状的磁铁坯料进行倒角而获得永久磁铁32。因此，能够容易地成型永久磁铁32。此外，由于能够减少磁铁坯料的研磨量，因此能够缩短加工时间。
在图7所示的例子中，永久磁铁32的连接部分224具有相对于第2面222和侧面223分别倾斜的直线形状部分。连接部分224的形状不限于直线形状。图12是示出永久磁铁32的变形例的俯视图。在图12所示的例子中，在俯视时，连接部分224具有曲线形状部分。即使在连接部分224具有曲线形状部分的情况下，通过满足上述的长度L1与长度L2的比率，也能够得到与上述同样的效果。
(实施方式2)
接下来，对实施方式的搭载有马达10的电动助力转向装置进行说明。图13是示出实施方式的电动助力转向装置500的示意图。
电动助力转向装置500搭载于汽车的车轮的转向机构。图13所示的电动助力转向装置500是通过液压来减轻转向力的装置。如图13所示，电动助力转向装置500具有马达10、转向轴514、油泵516以及控制阀517。
转向轴514将来自方向盘511的输入传递给具有车轮512的车轴513。油泵516使向车轴513传递基于液压的驱动力的动力缸515产生液压。控制阀517控制油泵516的油的动作。在电动助力转向装置500中，搭载有马达10作为油泵516的驱动源。
在图13所示的例子中，马达10产生的辅助力经由液压而传递给车轴513，但也可以不经由液压而传递给车轴513。电动助力转向装置500也可以是小齿轮辅助型、齿条辅助型以及转向柱辅助型等任意类型。
在具有马达10的电动助力转向装置500中，降低了因马达的动作而引起的振动和噪声。由此，能够提高转向感。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。上述的实施方式的说明是例示，不对本发明的技术进行限定。此外，也能够采用适当组合在上述实施方式中所说明的各结构要素而得到的实施方式。
本发明的实施方式能够广泛用于例如吸尘器、干燥机、吊扇、洗衣机、冰箱以及电动助力转向装置等具有各种马达的多样的设备。

Claims (9)

1.一种马达，其具有：
转子，其具有转子铁芯和沿着所述转子铁芯的外周设置的多个永久磁铁；
定子，其具有多个绕组；以及
电力转换装置，其向所述多个绕组提供电流，
所述多个永久磁铁分别具有：
第1面，其与所述转子铁芯的外周部接触；以及
第2面，其在所述转子的径向上位于比所述第1面靠外侧的位置，与所述定子对置，
所述电流包含基波分量和3次谐波分量，该3次谐波分量具有所述基波分量的频率的3倍的频率，
该马达的特征在于，
在从与所述转子的旋转轴线方向平行的方向观察所述转子时的俯视中，
所述第1面具有直线形状部分，
所述第2面具有与所述第1面的直线形状部分平行的直线形状部分，
所述第2面的直线形状部分的长度为所述第1面的直线形状部分的长度的20％以上并且不到85％，
所述电力转换装置基于所述永久磁铁的磁通的3次分量和提供给所述绕组的电流的3次分量来对作用于所述定子所具备的齿的径向方向的力的6次分量进行控制。
2.根据权利要求1所述的马达，其特征在于，
所述多个永久磁铁分别具有：
侧面，其沿着所述转子的径向延伸；以及
连接部分，其将所述第2面与所述侧面连接起来，
在所述俯视中，所述连接部分具有相对于所述第2面和所述侧面分别倾斜的直线形状部分。
3.根据权利要求1所述的马达，其特征在于，
所述多个永久磁铁分别具有：
侧面，其沿着所述转子的径向延伸；以及
连接部分，其将所述第2面与所述侧面连接起来，
在所述俯视中，所述连接部分具有曲线形状部分。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的马达，其特征在于，
在所述定子中具有构成于相邻的齿之间的12个槽，在这些槽中配置有所述绕组，所述转子具有10个磁极。
5.根据权利要求1所述的马达，其特征在于，
所述第2面的直线形状部分的长度为所述第1面的直线形状部分的长度的20％以上并且不到60％。
6.根据权利要求1至3、5中的任意一项所述的马达，其特征在于，
所述电力转换装置基于提供给所述绕组的电流的3次分量和所述永久磁铁的磁通的3次分量来对根据提供给所述绕组的电流的基波分量与所述永久磁铁的磁通之间的关系而产生的扭矩波动进行控制。
7.根据权利要求4所述的马达，其特征在于，
所述电力转换装置基于提供给所述绕组的电流的3次分量和所述永久磁铁的磁通的3次分量来对根据提供给所述绕组的电流的基波分量与所述永久磁铁的磁通之间的关系而产生的扭矩波动进行控制。
8.根据权利要求1所述的马达，其特征在于，
所述多个绕组包含n相绕组，其中，n是3以上的整数，
所述马达还具有向n相所述绕组提供电流的电力转换装置，
所述电力转换装置具有：
第1逆变器，其与各相所述绕组的一端连接；以及
第2逆变器，其与各相所述绕组的另一端连接。
9.一种电动助力转向装置，其特征在于，
该电动助力转向装置具有：
转向轴；以及
权利要求1至8中的任意一项所述的马达。
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