DE102009038268A1

DE102009038268A1 - Drehstrommotor vom Permanentmagnet-Typ

Info

Publication number: DE102009038268A1
Application number: DE102009038268A
Authority: DE
Inventors: Satoru Akutsu; Hideya Nishikawa; Yoshihito Asao; Masatsugu Nakano
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2009-08-20
Publication date: 2010-10-07
Anticipated expiration: 2029-08-21
Also published as: FR2943860A1; DE102009038268B4; JP2010226935A; US20100244611A1; US8680731B2; JP4698745B2; FR2943860B1

Abstract

Ein Drehstrommotor vom Permanentmagnet-Typ schließt einen Stator, der Zähne aufweist, die in einer Umfangsrichtung davon angeordnet sind, und um welche Ankerwicklungen mehrfacher Phasen gewickelt sind, und einen Rotor ein, der mehrfache Permanentmagnete aufweist, die so angeordnet sind, dass die Pole der Permanentmagnete abwechselnd unterschiedlich in der Umfangsrichtung davon sind, wobei höhere harmonische Wellen in einer unbelasteten induzierten Spannungswellenform enthalten sind. Eine (6p-1)-te höhere harmonische Welle und eine (6p+1)-te höhere harmonische Welle (p stellt eine positive Ganzzahl dar) sind, wenn ein elektrischer Winkel von 360° als eine Grundwelle in der unbelasteten induzierten Spannungswellenform eingestellt ist, im Wesentlichen zueinander in Amplitude und Phase übereinstimmend ausgeführt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Drehstrommotor vom Permanentmagnet-Typ, und betrifft beispielsweise einen Motor, der in einer elektrischen Servolenkung für ein Fahrzeug verwendet wird.
2. Beschreibung des verwandten Sachstands
20 ist ein schematisches Diagramm, das eine herkömmliche elektrische Servolenkung für ein Fahrzeug zeigt. In 20 ist die elektrische Servolenkung mit einer Steuersäule 31 zum Übertragen einer Lenkkraft von einem Lenkrad 30 versehen. Ein Schneckengetriebe 32 ist mit der Steuersäule 31 verbunden und überträgt den Ausgang (Drehmoment, Drehgeschwindigkeit) eines Permanentmagnetmotors 34, der von einem Controller 33 getrieben wird, während die Drehrichtung bezüglich der vertikalen Richtung geändert wird, und verlangsamt den Motor gleichzeitig, um das Hilfsdrehmoment zu erhöhen. Ein Bezugszeichen 35 stellt eine Lenkstangenverbindung dar, und diese kann die Lenkkraft übertragen und kann auch die Drehrichtung ändern. Ein Bezugszeichen 36 stellt ein Lenkrad dar. Das Lenkgetriebe 36 verlangsamt die Drehung der Steuersäule 31 und konvertiert die Drehung, die die Linearbewegung eines Trägers 37 betrifft, um einen erforderlichen Versatz zu erhalten. Die Linearbewegung des Trägers 37 bewegt Räder (nicht gezeigt), um dadurch eine Wende (eine Änderung einer Fahrtrichtung) eines Fahrzeugs, etc. zu ermöglichen.
In der Servolenkung, wie sie obenstehend beschrieben ist, wird eine Pulsierung eines Drehmoments, das in dem Permanentmagnetmotor 34 auftritt, auf das Lenkrad 30 über das Schneckengetriebe 32 und die Steuersäule 31 übertragen. Dementsprechend ist es, wenn der Motor 34 eine große Drehmomentpulsation erzeugt, unmöglich, ein sanftes Lenkgefühl zu erhalten.
Die Drehmomentpulsation ist gleichbedeutend mit einem Phänomen, dass das Drehmoment nicht auf einen festen Wert aufgrund der Wirkung der Harmonischen der magnetomotorischen Kraft auf einer Rotorseite eingestellt werden kann, und das Drehmoment variiert in Übereinstimmung mit dem Winkel des Rotors in dem Zustand, in dem ein Stromfluss durch eine Ankerwicklung bewirkt wird. Beispielsweise tritt eine Ungleichmäßigkeit eines Drehmoments auch dann auf, wenn die Wellenform eines Stroms, der durch die Ankerwicklung fließt, eine Sinuswelle ist.
Um eine derartige Drehmomentpulsation zu verringern, ist bisher vorgeschlagen, den Rotor einem Schräglauf zu unterwerfen. Beispielsweise ist ein Verfahren zum Verhindern einer allmählichen Abnahme einer Drehmoment-Ripplekonstante vorgeschlagen worden, die durch die Zunahme eines Verdrehwinkels herbeigeführt wird (siehe beispielsweise die JP-A-8-126279 ), oder ein Verfahren zum Spezifizierung eines Verdrehwinkels, um die Ungleichmäßigkeit eines Drehmoments in dem Zustand zu verringern, in dem ein Stromfluss durch eine Ankerspule bewirkt wird (siehe beispielsweise die JP-A-11-69679 ).
Beidem herkömmlichen Drehstrommotor vom Permanentmagnet-Typ ist der Verdrehwinkel nicht in Anbetracht von sowohl einer Amplitude als auch einer Phase der fünften und siebten höheren harmonischen Wellen der nicht belasteten induzierten Spannung eingestellt worden, und somit kann die Wirkung der höheren Harmonischen der magnetomotorischen Kraft auf der Rotorseite nicht ausreichend unterdrückt werden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist deswegen eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Aufbau einer Drehstrommaschine vom Permanentmagnet-Typ bereitzustellen, die eine geringe Drehmomentpulsation auch dann aufweist, wenn höhere Harmonische der magnetomotorischen Kraft existieren und höhere harmonische Wellen in den unbelasteten induzierten Spannungen wie in dem Fall eines Drehstrommotors vom Permanentmagnet-Typ unter Verwendung eines radialen anisotropen Ringmagnets enthalten sind.
Um die obige Aufgabe zu lösen, sind gemäß der vorliegenden Erfindung in einem Drehstrommotor vom Permanentmagnet-Typ, der einen Stator, der Zähne aufweist, die in der Umfangsrichtung davon angeordnet sind, und um welche Ankerwicklungen mehrfacher Phasen gewickelt sind, und einen Rotor einschließt, der mehrfache Permanentmagnete aufweist, die so angeordnet sind, dass die Pole der Permanentmagnete abwechselnd unterschiedlich in der Umfangsrichtung davon sind, wobei höhere harmonische Wellen in der unbelasteten induzierten Spannungswellenform enthalten sind, fünfte und siebte höhere harmonische Wellen, wenn ein elektrischer Winkel von 360° als eine Grundwelle in der unbelasteten induzierten Spannungswellenform eingestellt ist, zusammenfallend zueinander in Amplitude und Phase ausgeführt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann, auch wenn Harmonische der magnetomotorischen Kraft vorhanden sind und höhere harmonische Komponenten in der unbelasteten induzierten Spannung, wie in dem Fall eines Drehstrommotors vom Permanentmagnet-Typ unter Verwendung eines radialen anisotropen Ringmagneten enthalten sind, die Drehmomentpulsation in hohem Maße verringert werden.
Die voranstehende und andere Aufgaben, Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung offensichtlich, wenn diese in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen genommen wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Längsschnittansicht, die einen Drehstrommotor vom Permanentmagnet-Typ, der in der vorliegenden Erfindung zu implementieren ist, zeigt;
2 eine Wellenform einer magnetischen Flussdichte auf der Oberfläche eines Permanentmagneten des in 1 gezeigten Drehstrommotors vom Permanentmagnet-Typ;
3 die Amplitude der fünften und siebten höheren harmonischen Wellen einer unbelasteten induzierten Spannung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu einem herkömmlichen Beispiel;
4 die Phasen der fünften und siebten höheren harmonischen Wellen der unbelasteten indizierten Spannung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu dem herkömmlichen Beispiel;
5 ein Diagramm, das eine Drehmomentpulsation des Drehstrommotors vom Permanentmagnet-Typ gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu dem herkömmlichen Beispiel zeigt;
6 eine perspektivische Ansicht, die einen Rotor des Drehstrommotors vom Permanentmagnet-Typ gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 eine perspektivische Ansicht, die einen Statoreisenkern des Drehstrommotors vom Permanentmagnet-Typ gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
8 ein Diagramm, das die Amplitude der fünften und siebten höheren harmonischen Wellen der unbelasteten induzierten Spannung des Drehstrommotors vom Permanentmagnet-Typ gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 ein Diagramm, das die Phasen der fünften und siebten höheren harmonischen Wellen der unbelasteten induzierten Spannung des Drehstrommotors vom Permanentmagnet-Typ gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
10 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einem Verdrehwinkel und einer Drehmomentpulsation (Drehmoment-Ripple) in der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
11 eine Querschnittsansicht, die einen Drehstrommotor vom Permanentmagnet-Typ zeigt, der eine Polanzahl von 6 und eine Schlitzanzahl von 9 aufweist, in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
12 eine Querschnittsansicht, die einen Drehstrommotor vom Permanentmagnet-Typ zeigt, der eine Polanzahl von 10 und eine Schlitzanzahl von 12 aufweist, in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
13 eine Querschnittsansicht, die einen Drehstrommotor vom Permanentmagnet-Typ zeigt, der eine Polanzahl von 14 und eine Schlitzanzahl von 12 aufweist, in der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
14 ein Beispiel eines Rotors, bei welchem die Querschnittsform des Permanentmagneten auf eine Bogenträger-Form eingestellt ist, in einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
15 ein weiteres Beispiel des Rotors, bei welchem die Querschnittsform des Permanentmagneten auf eine Bogenträger-Form eingestellt ist, in der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
16 einen Graphen, der ein Messergebnis der magnetischen Flussdichte der Oberfläche des Bogenträger-Permanentmagneten 3 in der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
17 einen Graphen, der ein Frequenzanalyseergebnis des Bogenträger-Permanentmagneten 3 in der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
18 einen Graphen, der ein Phasenanalyseergebnis des Bogenträger-Permanentmagneten 3 in der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
19 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen einem d-Achsenstrom und einer Drehmomentpulsation eines Drehstrommotors vom Permanent-Typ in einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
20 ein schematisches Diagramm, das eine elektrische Servolenkung für ein Fahrzeug zeigt, das den Drehstrommotor vom Permanentmagnet-Typ gemäß der vorliegenden Erfindung einsetzt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bevorzugte Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung werden beschrieben werden.
Erste Ausführungsform
1 ist eine Querschnittsansicht, die einen Drehstrommotor vom Permanentmagnet-Typ zeigt, der in der vorliegenden Erfindung zu implementieren ist. Ein Statoreisenkern 1 ist durch ein Laminieren elektromagnetischer Stahlplatten aufgebaut, und Zähne 1a, die radial von dem ringförmigen Eisenkern vorstehen, sind auf dem ringförmigen Eisenkern in einem gleichen Intervall angeordnet. In 1 ist die Anzahl der Zähne auf 12 eingestellt. Überdies ist eine Ankerwicklung 2 um jeden Zahn 1a gewickelt.
Die Ankerwicklung 2 umfasst drei Phasenwicklungen, und wenn diese Wicklungen als U-Phase, V-Phase und W-Phase definiert werden, wird die Anordnung des Ankers eingestellt wie U1, V1, W1, U2, V2, W2, U3, V3, W3, U4, V4 und W4, wie an den Wurzeln der Zähne 1a der 1 angezeigt. Hier stellen die Buchstaben die jeweiligen Phasen dar, und die Zahlen sind zweckdienlich zugeordnet, um die Ankerwicklungen zu unterscheiden, deren Anordnungen unterschiedlich sind, obwohl sie die gleiche Phase aufweisen. U1, U2, U3, U4 können zueinander parallel oder in Reihe oder in einer Kombinationsweise paralleler und serieller Verbindungen verbunden sein. Überdies sind die Ankerwicklungen 2 jeder Phase miteinander über eine Y-Drahtverbindung oder eine Digitaldrahtverbindung verbunden. Ein Strom, der in einer Sinuswelle in Übereinstimmung mit der Position des Rotors variiert, fließt durch die Ankerwicklungen 2.
Der Rotor 5 umfasst den Permanentmagneten und den Rotoreisenkern 4, und der Permanentmagnet 3 wird so magnetisiert, dass N-Pole und S-Pole abwechselnd in der Umfangsrichtung davon angeordnet sind. In 1 ist die Anzahl von Polen auf 8 eingestellt. Überdies ist der Permanentmagnet 3 ein ringförmiger Magnet, und ferner ist er ein sogenannter radialer anisotroper Ringmagnet, in welchem die Orientierung in der radialen Richtung ausgerichtet ist. Der Rotoreisenkern 4 kann durch ein Laminieren elektromagnetischer Stahlplatten oder durch einen aggregierten Eisenkern aufgebaut sein.
2 ist ein Graph, der durch ein Messen der Verteilung der magnetischen Flussdichte eines Oberflächenabschnitts in dem Zustand erhalten wird, in dem der Rotor des Drehstrommotors vom Permanentmagnet-Typ, der in 1 gezeigt ist, aus einem Stator herausgenommen ist, und somit kein magnetisches Material um den Rotor herum vorhanden ist, d. h. in dem Zustand, in dem der Rotor magnetisch freigegeben ist. Die Abszissenachse stellt einen Winkel in Einheiten eines elektrischen Winkels dar, und die Koordinatenachse stellt eine Radialrichtungskomponente der magnetischen Dichte dar. In dem radial anisotropen Ringmagneten zeigt der Graph eine Wellenform nahe einer rechteckigen Wellenform, eher als eine Sinuswellenform, wie in 2 gezeigt, und somit enthält diese viele höhere harmonische der magnetomotorischen Kraft des Rotors. Diese höheren Harmonischen der magnetomotorischen Kraft verursachen die Drehmomentpulsation.
Die höheren Harmonischen der magnetomotorischen Kraft, die in 2 gezeigt sind, erscheinen als die höher harmonischen Komponenten der unbelasteten induzierten Spannung. 3 zeigt den Vergleich zwischen der vorliegenden Erfindung und dem herkömmlichen Beispiel, wenn die fünften und siebten höheren harmonischen Wellen aus den höheren harmonischen Wellen der unbelasteten induzierten Spannung auf dem gleichen Pegel variiert werden. Hier bedeutet die unbelastete induzierte Spannung eine sogenannte Inter-Line-Spannung, die zwischen der U-Phase und der V-Phase, zwischen der V-Phase und der W-Phase, oder zwischen der W-Phase und der U-Phase gemessen wird. In einem herkömmlichen Beispiel 1 der 3 ist die Amplitude der fünften höheren harmonischen Welle geringfügig größer als die Amplitude der siebten höheren harmonischen Welle. In einem herkömmlichen Beispiel 2 ist die Amplitude der fünften höheren harmonischen Welle im Wesentlichen gleich Null, und die Amplitude der siebten höheren harmonischen Welle ist im Wesentlichen gleich jener des herkömmlichen Beispiels 1. Andererseits sind in der vorliegenden Erfindung die fünften und siebten höheren harmonischen Wellen eingestellt, im Wesentlichen zueinander in der Amplitude gleich zu sein, ähnlich wie in dem herkömmlichen Beispiel 1.
4 zeigt die Phasen der fünften und siebten höheren harmonischen Wellen von den höheren harmonischen Wellen der unbelasteten induzierten Spannung. Hier wird die Definition der Phase beschrieben werden. Denn die Grundwelle der unbelasteten induzierten Spannung (Inter-Line-Spannung) und die fünften und siebten höheren harmonischen Wellen, die durch die folgende Gleichung dargestellt werden, stellen α5 und α7 die Phasen der fünften und siebten höheren harmonischen Wellen jeweils dar.
[Gleichung 1]

V(ω) = V1sin(ωt) + V5sin(5ωt + α5) + V7sin(7ωt + α7)

In der Gleichung 1 hier stellt ω eine elektrische Winkelfrequenz dar, t stellt die Zeit dar, V1 stellt die Amplitude der Grundwelle dar, V5 stellt die Amplitude der fünften höheren harmonischen Welle dar, und V7 stellt die Amplitude der siebten höheren harmonischen Welle dar.
Beidem herkömmlichen Beispiel 1 und dem herkömmlichen Beispiel 2 der 4 ist die Phase der fünften höheren harmonischen Welle im Wesentlichen gleich Null, jedoch ist die Phase der siebten höheren harmonischen Welle ungefähr gleich 180°, d. h. dass die betreffende Phase im Wesentlichen invertiert ist. Andererseits sind in der vorliegenden Erfindung die Phasen der fünften und siebten höheren harmonischen Wellen ungefähr gleich 180°, d. h. die Phasen davon sind im Wesentlichen miteinander übereinstimmend. 5 zeigt Messergebnisse von Komponenten sechster Ordnung der Drehmomentpulsation für diese drei Arten von Drehstrommotoren vom Permanentmagnet-Typ. Es ist aus 5 offensichtlich, dass die vorliegende Erfindung die Drehmomentpulsation auf ungefähr ein Drittel von jener des herkömmlichen Beispiels 1 und auf ungefähr eine Hälfte jener des herkömmlichen Beispiels 2 verringern kann.
Dementsprechend ist bestätigt worden, dass auch im Fall eines radialen anisotropen Ringmagneten, der viele Harmonische der magnetomotorischen Kraft des Rotors enthält, die Komponente sechster Ordnung der Drehmomentpulsation in hohem Maße verringert werden kann, wenn die fünften und siebten höheren harmonischen Wellen von den höheren harmonischen Wellen einer unbelasteten induzierten Spannung identisch zueinander in Amplitude und Phase eingestellt werden, auch wenn die unbelastete induzierte Spannung höhere harmonische Wellen enthält. Diese sind in sowohl der JP-A-8-126279 als auch der JP-A-11-69679 nicht beschrieben. In der JP-A-11-69679 ist beschrieben, dass die Quadratwurzel der Summe von Quadraten der fünften und siebten höheren harmonischen Wellen minimiert wird. Jedoch kann dieser Aufbau nicht notwendigerweise die fünften und siebten höheren harmonischen Wellen zueinander in Amplitude und Phase zusammenfallend ausführen, so dass die Drehmomentpulsation nicht ausreichend verringert werden kann.
Als nächstes wird das Prinzip beschrieben werden, das die Wirkungen der zwei höheren harmonischen Wellen voneinander versetzt sind und somit die Drehmomentpulsation in hohem Maße verringert werden kann, indem die beiden höheren harmonischen Wellen zueinander in Amplitude und Phase zusammenfallend ausgeführt werden, wie obenstehend erwähnt. Der verlinkte Fluss der U-Phasenwicklung des Motors, wenn die Grundwelle der fünften und siebten höheren harmonischen Wellen betrachtet wird, wird durch die folgende Gleichung 2 dargestellt.
[Gleichung 2]

ϕu(θ) = ϕ1cosθ + ϕ5cos(5θ + α5) + ϕ7cos(7θ + α7)

Hier stellt ϕu den verlinkten Fluss der U-Phasenwicklung dar, ϕ1 stellt die Amplitude der Grundwelle des verlinkten Flusses dar, ϕ5 stellt die Amplitude der fünften höheren harmonischen Welle des verlinkten Flusses dar, ϕ7 stellt die Amplitude der siebten höheren harmonischen Welle des verlinkten Flusses dar, α5 stellt die Phase der fünften höheren harmonischen Welle des verlinkten Flusses dar, α7 stellt die Phase der siebten höheren harmonischen Welle des verlinkten Flusses dar, und θ stellt den Rotationswinkel (elektrischen Winkel) des Motors dar.
Wenn die Drehgeschwindigkeit des Motors (die Winkelgeschwindigkeit des Motorwinkels), die durch ω dargestellt wird, die Anzahl von Polpaaren durch P dargestellt wird, und die Zeit durch t dargestellt wird, ist die folgende Gleichung erfüllt:
[Gleichung 3]

θ = Pωt

Die induzierte Spannung eu entspricht einem Zeitdifferenzwert des verlinkten Flusses, und somit wird aus den Gleichungen 2 und 3 die folgende Gleichung erhalten.
[Gleichung 4]

eu = –Pωϕ1sinθ – 5Pωϕ5cos(5θ + α5) – 7Pωϕ7cos(7θ + α7)

Bezüglich des Stroms, wenn Ströme iu, iv, iw der UVW-Phasen für id = 0 unter Verwendung von iq dargestellt werden, werden die folgenden Gleichungen erhalten. [Gleichung 5]
Es sei darauf hingewiesen, dass der verlinkte Fluss ϕv und die induzierte Spannung ev der V-Phase durch ein Verzögern der Phasen der Gleichungen 2, 4 um 2π/3 erhalten werden, der verlinkte Fluss ϕw und die induzierte Spannung ew der W-Phase durch ein Vorrücken der Phasen der Gleichungen 2, 4 um 2π/3 erhalten werden, und θ – 2π/3 und θ + 2π/3 durch θ für die V-Phase und die W-Phase jeweils ersetzt werden. Wenn die Gleichungen 2, 4, 5 in die folgende Gleichung des Drehmoments T des Motors eingesetzt werden,
[Gleichung 6]

ωT = eu·iu + ev·iv + ew·iw
wird die folgende Gleichung betreffend der Drehmomentpulsation erhalten.

Der erste Ausdruck auf der rechten Seite der Gleichung 7 stellt die Drehmomentpulsation sechster Ordnung des elektrischen Winkels dar, und der zweite Ausdruck auf der rechten Seite stellt das mittlere Drehmoment dar. Dementsprechend entspricht die Bedingung, dass die Drehmomentpulsation gleich Null ist, der Bedingung, dass der erste Ausdruck auf der rechten Seite gleich Null ist, und somit ist die folgende Gleichung 8 erfüllt.
[Gleichung 8]

–5ϕ5cos(6θ + α5) + 7ϕ7cos(6θ + α7) = 0

Wenn die Gleichung 8 erfüllt ist, gilt 5ϕ₅ = 7ϕ₇, α5 = α7. Deswegen entspricht aus der Gleichung 4 diese Bedingung dem Fall, bei dem die fünften und siebten höheren harmonischen Wellen der induzierten Spannung zueinander in Amplitude und Phase übereinstimmen sind. Dementsprechend sind, wenn die beiden höheren harmonischen Wellen zueinander in Amplitude und Phase übereinstimmend ausgeführt werden, die Wirkungen der beiden höheren harmonischen Wellen zueinander versetzt, und somit wird die Drehmomentpulsation in hohem Maße verringert. Überdies wird in diesem Fall gefunden, dass auch dann, wenn die fünften und siebten höheren harmonischen Wellen in der induzierten Spannung enthalten sind, die Komponente sechster Ordnung der Drehmomentpulsation in hohem Maße verringert werden kann.
Aus der Gleichung 7 wird für ein Verhältnis Tr der Amplitude der Drehmomentpulsation die folgende Gleichung erhalten. [Gleichung 9]
Es ist zweckmäßig, dass das Drehmoment-Ripple gleich 5% oder weniger in der elektrischen Servolenkung ist, um ein ausgezeichnetes Lenkgefühl zu erhalten, und es beträgt in bevorzugter Weise 1% oder weniger. Dementsprechend ist die folgende Gleichung vorzuziehen. [Gleichung 10]
Überdies ist die folgende Gleichung vorzuziehen. [Gleichung 11]
Wenn die fünften und siebten höheren harmonischen Wellen zueinander in der Phase zusammenfallend sind, kann die Gleichung 9 durch ein Ersetzen der Phasen durch die Amplitude V1, V5, V7 der induzierten Spannung wie folgt umgeschrieben werden. [Gleichung 12]
Dementsprechend ist die folgende Gleichung vorzuziehen, und [Gleichung 13]
die folgende Gleichung ist weiter vorzuziehen. [Gleichung 14]
Andererseits wird, wenn die fünften und siebten höheren harmonischen Wellen zueinander in der Amplitude übereinstimmend sind, um die Wirkungen der fünften und siebten höheren harmonischen Wellen versetzt zueinander auszuführen, zumindest die folgende Gleichung erfüllt:
[Gleichung 15]

|cos(6θ + α5) – cos(6θ + α7)| ≤ 1

Da jedweder Wert als θ genommen wird, muss die folgende Gleichung erfüllt sein:
[Gleichung 16]

|α5 – α7| ≤ π3

Überdies gilt, wenn die folgende Gleichung erfüllt ist,
[Gleichung 17]

|α5 – α7| ≤ π6

[Gleichung 18]

cos(6θ + α5) – cos(6θ + α7)| ≤ 2 – √3 ≈ 0,268

Das heißt, es kann eine Wirkung erhalten werden, dass die ursprünglichen Wirkungen der fünften und siebten höheren harmonischen Wellen auf 26,8% verringert werden können.
Beispielsweise kann in Erwägung gezogen werden, eine Verdrehung als eine Einrichtung zum Ändern der Amplitude und der Phase der fünften und siebten höheren harmonischen Wellen zu verwenden. 6 zeigt den Rotoreisenkern, welcher einer Rotorverdrehung unterworfen ist. Diese kann implementiert werden, indem der radiale anisotrope Ringmagnet 3 einer Verdrehungsmagnetisierung unterworfen wird. 7 zeigt ein Beispiel, bei welchem der Statoreisenkern 1 ausgelegt ist, eine Verdrehungsstruktur aufzuweisen. Um die Struktur auf einfache Weise verständlich zu machen, ist nur eine halbe Anzahl von Zähnen 1a von zwanzig Zähnen in 7 veranschaulicht. Eine derartige Struktur kann durch ein Laminieren elektromagnetischer Stahlplatten implementiert werden, während der Winkel allmählich versetzt wird. Sowohl der Rotor als auch der Stator können einer Verdrehung unterworfen werden.
Wenn der ringförmige Magnet des Rotors einer Verdrehungsmagnetisierung unterworfen wird, wird die Anzahl von Teilen verglichen mit einem Fall verringert, wo jeder magnetische Pol durch einen einzelnen Segmentmagneten aufgebaut ist, so dass eine Wirkung vorhanden ist, dass die Massenherstellung noch besser ausgeführt werden kann. Wenn der Statoreisenkern einer Verdrehung unterworfen wird, ist es nicht notwendig, den Rotor einer Verdrehung zu unterwerfen, und somit besteht, wenn ein Segmentmagnet verwendet wird, eine Wirkung, dass es nicht nötig ist, eine komplizierte Form auszulegen, welche einer Verdrehung unterworfen wird. Wenn sowohl der Rotor als auch der Stator einer Verdrehung unterworfen werden, besteht eine Wirkung, dass die gleiche Wirkung auch dann erhalten werden kann, wenn die Verdrehwinkel davon klein sind.
8 ist ein Diagramm, das die Amplitude höherer harmonischer Wellen der unbelasteten induzierten Spannung bezüglich des Verdrehwinkels zeigt. In dem Fall der fünften höheren harmonischen Welle ist die Amplitude zwischen 70° und 75° minimal. Andererseits ist in dem Fall der siebten höheren harmonischen Welle die Amplitude zwischen 70° und 80° maximal, sie ist jedoch im Wesentlichen gleich einem festen Wert, ungeachtet des Verdrehwinkels im Vergleich zu der fünften höheren harmonischen Welle. Die fünften und siebten höheren harmonischen Wellen sind zueinander in der Amplitude an zwei Punkten zusammenfallend, d. h. an einem Verdrehwinkel A und an einem Verdrehwinkel B.
9 zeigt die Phasen höherer harmonischer Wellen der unbelasteten induzierten Spannung bezüglich des Verdrehwinkels. Bei dem Verdrehwinkel A ist die Differenz in der Phase zwischen den fünften und siebten harmonischen Wellen ungefähr gleich 180°, jedoch sind die Phasen der fünften und siebten höheren harmonischen Wellen bei dem Verdrehwinkel B im Wesentlichen miteinander übereinstimmend.
10 zeigt die Beziehung zwischen dem Verdrehwinkel und der Komponente sechster Ordnung des elektrischen Winkels der Drehmomentpulsation. Aus 10 wird gefunden, dass die Drehmomentpulsation bei dem Verdrehwinkel A groß ist, jedoch kann die Drehmomentpulsation in hohem Maße in der Nähe des Verdrehwinkels B verringert werden. In diesem Fall ist die Drehmomentpulsation in der Nähe von 80° in dem Verdrehwinkel ein Minimum. Jedoch beschränkt dies nicht tatsächliche Fälle. Wenn die fünften und siebten höheren harmonischen Wellen der unbelasteten induzierten Spannung so ausgelegt sind, zueinander in Amplitude und Phase übereinstimmend zu sein, kann die Drehmomentpulsation in hohem Maße ungeachtet der Größe der fünften und siebten höheren harmonischen Wellen verringert werden, die in den höheren Harmonischen der magnetomotorischen Kraft des Rotors enthalten sind.
Die obige Beschreibung ist nur bezüglich der fünften und siebten höheren harmonischen Wellen ausgeführt. Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsform beschränkt. Wenn der Motor so ausgelegt ist, dass die Wirkungen der elften und dreizehnten höheren harmonischen Wellen voneinander versetzt sind, kann die zwölfte höhere harmonische Welle des elektrischen Winkels der Drehmomentpulsation verringert werden.
Im Allgemeinen können, wenn der Motor so ausgelegt ist, dass die Wirkungen der (6p – 1)-ten und der (6p + 1)-ten höheren harmonischen Wellen voneinander versetzt sind, die 6p-te höhere harmonischen Wellenkomponente des elektrischen Winkels der Drehmomentpulsation in hohem Maße verringert werden. Hier stellt p eine positive Ganzzahl dar. Beispielsweise kann der Motor so ausgelegt werden, dass die (6p – 1)-te höhere harmonische Welle und die (6p + 1)-te höhere harmonische Welle der unbelasteten induzierten Spannung zueinander in Amplitude und Phase übereinstimmend sind.
Zweite Ausführungsform
In der ersten Ausführungsform ist die vorliegende Erfindung angewandt auf den Motor, bei welchem die Anzahl von Polen auf 8 eingestellt ist, und die Anzahl von Zähnen, d. h. die Anzahl von Schlitzen, auf 12 eingestellt ist. In der zweiten Ausführungsform wird die Erfindung gleichermaßen auf andere Beispiele angewandt. 11 zeigt ein Beispiel, bei welchem die vorliegende Erfindung auf einen Motor angewandt wird, der sechs Pole und neun Schlitze aufweist, 12 zeigt ein Beispiel, bei welchem die vorliegende Erfindung angewandt wird auf einen Motor, der zehn Pole und 12 Schlitze aufweist, und 13 zeigt ein Beispiel, bei welchem die vorliegende Erfindung angewandt wird auf einen Motor, der 14 Pole und 12 Schlitze aufweist.
11 zeigt den Motor, der sechs Pole und neun Schlitze aufweist. Bezüglich eines Drehstrommotors vom Permanentmagnet-Typ, bei welchem die Beziehung zwischen der Polanzahl m des Magneten und der Schlitzanzahl n des Stators 2:3 erfüllt, wie in dem Fall des Motors, der in 11 gezeigt ist, besteht die Neigung, eine große magnetomotorische Kraft bei höheren Harmonischen auf der Grundlage der Ankerwicklung und eine große Drehmomentpulsation aufzuweisen. Jedoch kann die Drehmomentpulsation in hohem Maße verringert werden, wie obenstehend beschrieben, indem die fünften und siebten höheren harmonischen Wellen der unbelasteten induzierten Spannung im Wesentlichen übereinstimmend zueinander in Amplitude und Phase ausgeführt werden, wie in dem Fall der vorliegenden Erfindung.
In dem Beispiel, bei welchem die Beziehung zwischen der Polanzahl m und der Schlitzanzahl n des Stators 10:12 ist, wie in dem Fall des Motors, der zehn Pole und 12 Schlitze, gezeigt in 12, aufweist, sind die Ankerwicklungen in der Reihenfolge U1+, U1–, V1–, V1+, W1+, W1–, U2–, U2+, V2+, V2–, W2–, W2+ angeordnet. Hier stellt + und – dar, dass die Wicklungsrichtungen davon zueinander entgegengesetzt sind. Mit der obigen Anordnung der Wicklungen ist die Wirkung der magnetomotorischen Kraft bei der höheren harmonischen Welle kleiner, verglichen mit dem Beispiel, bei welchem die Beziehung zwischen der Polanzahl m und der Schlitzanzahl n des Stators 2:3 ist, und somit wird die Drehmomentpulsation abgesenkt. Jedoch kann gemäß dem Aufbau, bei dem die fünften und siebten höheren harmonischen Wellen im Wesentlichen zueinander in Amplitude und Phase übereinstimmend sind, wie in dem Fall der vorliegenden Erfindung, die Drehmomentpulsation in hohem Maße verringert werden.
In dem Beispiel, bei welchem die Beziehung zwischen der Polanzahl m und der Schlitzanzahl n des Stators 14:12 ist, wie in dem Fall des Motors, der 14 Pole und 12 Schlitze aufweist, gezeigt in 13, sind die Ankerwicklungen in der Reihenfolge U1+, U1–, W1+, W1–, V1+, V1–, U2–, U2+, W2–, W2+, V2–, V2+ angeordnet. Hier stellt + und – die Wicklungsrichtungen genau wie oben beschrieben dar. Mit der obigen Anordnung der Wicklungen ist die Wirkung der magnetomotorischen Kraft bei der höheren harmonischen Welle kleiner, verglichen mit dem Beispiel, bei welchem die Beziehung zwischen der Polanzahl m und der Statorschlitzanzahl n 2:3 ist, und somit ist die Drehmomentpulsation abgesenkt. Jedoch kann die Drehmomentpulsation weiter durch ein Aufbauen des Motors derart verringert werden, dass die fünften und siebten höheren harmonischen Wellen der unbelasteten induzierten Spannung im Wesentlichen zueinander in Amplitude und Phase übereinstimmend sind, wie in dem Fall der vorliegenden Erfindung.
Bezüglich der Verdrehung kann, soweit sie aus den Veranschaulichungen weggelassen ist, eine kontinuierlich variierende Verdrehungsstruktur, wie sie in 6 gezeigt ist, oder eine Stufenverdrehungsstruktur, die einen stufenweise variierenden Verdrehungswinkel aufweist, insoweit eingesetzt werden, wie der Motor so ausgelegt ist, dass die fünften und siebten höheren harmonischen Wellen der unbelasteten induzierten Spannung im Wesentlichen zueinander in Amplitude und Phase übereinstimmend sind.
Dritte Ausführungsform
In den ersten und zweiten Ausführungsformen ist der ringförmige Magnet einer Verdrehung unterworfen, um die Amplitude und Phase der höheren harmonischen Wellen zu variieren. Jedoch können die Amplitude und die Phase der höheren harmonischen Wellen auch durch ein Ändern der Querschnittsform des Segmentmagneten variiert werden. Beispielsweise kann eine ”Bogenträgerform”, bei welcher die Dicke des Kantenabschnitts in der Umfangsrichtung eingestellt ist, kleiner als die Dicke in dem Mittelabschnitt in der Umfangsrichtung zu sein, in Erwägung gezogen werden. Jedoch wird, wenn die Form des Magneten geändert wird, das Drehmoment um den Betrag verringert, der der verringerten Dicke an dem Kantenabschnitt entspricht, und somit weist der ringförmige Magnet, der eine konstante Dicke aufweist, ein höheres Drehmoment auf.
Die 14 und 15 zeigen ein Beispiel eines Rotors gemäß einer dritten Ausführungsform, bei welcher die Querschnittsform des Permanentmagneten auf die Bogenträgerform eingestellt ist. Permanentmagnete 3, die jeweils eine sogenannte Bogenträger-Querschnittsform aufweisen, bei welcher die Dicke an dem Kantenabschnitt in der Umfangsrichtung geringer ist als die Dicke in dem Mittenabschnitt in der Umfangsrichtung, sind auf der Oberfläche des Rotoreisenkerns 4 angeordnet. Die Permanentmagnete der 14 und 15 sind in der Querschnittsfläche unterschiedlich, und die Querschnittsform der 14 ist als eine Querschnittsform X definiert, und die Querschnittsform der 15 ist als eine Querschnittsform Y definiert.
Der Rotor 4 der 14, 15 ist von dem Stator (nicht gezeigt) abgenommen, um so einen Zustand einzustellen, bei welchem kein magnetisches Material um den Rotor 4 herum angeordnet ist (magnetisch freigegeben), und die magnetische Flussdichte der Oberfläche des Permanentmagneten 3 wird in dem obigen Zustand gemessen. 16 zeigt das Messergebnis der magnetischen Flussdichte. In 16 stellt die Abszissenachse die Winkelposition in der Umfangsrichtung hinsichtlich des Motorwinkels dar, und die Nahtenachse stellt die Radialrichtungskomponente der magnetischen Flussdichte dar. In den 14 und 15 sind insgesamt acht Permanentmagnete 3 so angeordnet, dass die benachbarten Permanentmagnete drei unterschiedliche Pole aufweisen. Jedoch sind zum besseren Verständnis nur Permanentmagnete, die zwei Polen entsprechen (d. h. dem Betrag des elektrischen Winkels von 360°) in 16 gezeigt. Es ist offenkundig, dass die Magnetform X und die Magnetform Y in der Wellenform in hohem Maße unterschiedlich sind. Überdies ist 17 ein Graph, der ein Frequenzanalyseergebnis zeigt. In den fünften und siebten höheren harmonischen Wellen ist die magnetische Dichte zwischen der Magnetform X und der Magnetform Y unterschiedlich, und die magnetische Dichte der Magnetform Y ist kleiner und gleich im Wesentlichen dem gleichen Pegel in den fünften und siebten höheren harmonischen Wellen.
18 zeigt die Phasen der fünften und siebten höheren harmonischen Wellen. In der Magnetform Y sind die Phasen der fünften und siebten höheren harmonischen Wellen zueinander übereinstimmend. Wie obenstehend beschrieben, variiert die magnetische Flussdichte der Oberfläche des Permanentmagneten in Übereinstimmung mit der Magnetform, und somit variieren die Amplitude und Phase jeder der fünften und siebten höheren harmonischen Wellen, die in dem verlinkt Fluss der Ankerwicklung enthalten sind. Folglich können die fünften und siebten höheren harmonischen Wellen der induzierten Spannung in Übereinstimmung mit der Magnetform variiert werden, um so im Wesentlichen zueinander identisch in Amplitude und Phase zu sein.
Überdies können durch ein Kombinieren der Struktur der Segmentmagnete, wie sie oben beschrieben ist, und der Verdrehung, wie sie in den ersten und zweiten Ausführungsformen beschrieben ist, die fünften und siebten höheren harmonischen Wellen der induzierten Spannung weiter exakt übereinstimmend zueinander in Amplitude und Phase ausgeführt werden, wodurch die Komponente sechster Ordnung der Drehmomentpulsation in hohem Maße verringert werden kann.
Vierte Ausführungsform
Wie obenstehend beschrieben, weist der Drehstrommotor vom Permanentmagnet-Typ, der den Aufbau aufweist, dass die fünften und siebten höheren harmonischen Wellen der unbelasteten induzierten Spannung im Wesentlichen zueinander übereinstimmend in Amplitude und Phase sind, eine Wirkung auf, dass die Komponente sechster Ordnung der Drehmomentpulsation verringert werden kann. Jedoch ist bekannt, dass die Drehmomentpulsation zunimmt, wenn das Drehmoment groß ist, d. h. der q-Achsenstrom groß ist. Dies liegt daran, dass die B-H-Charakteristik der elektromagnetischen Stahllatte, die den Statoreisenkern ausbildet, eine Nicht-Linearität aufweist, und somit ist die Nicht-Linearität insbesondere in einer Fläche, die eine hohe magnetische Flussdichte aufweist, bedeutsam. Deswegen nimmt, wenn der q-Achsenstrom zunimmt, die magnetische Flussdichte des Statoreisenkerns zu, und eine magnetische Sättigung, die die obige Nicht-Linearität herbeiführt, tritt auf, so dass die Raumharmonischen der magnetischen Dichte aufgrund der magnetischen Sättigung zunehmen. Diese Zunahme der Harmonischen verursacht eine Zunahme der Drehmomentpulsation.
Es kann in Erwägung gezogen werden, dass der Arbeitspunkt der B-H-Charakteristik des Statoreisenkerns verändert wird, um die Drehmomentpulsation, die durch die Nicht-Linearität herbeigeführt wird, zu verringern. Deswegen ist gefunden worden, dass die Drehmomentpulsation verringert werden kann, indem der q-Achsenstrom nicht-variiert ausgeführt wird und der d-Achsenstrom zugeführt wird. 19 ist ein charakteristisches Diagramm, das ein Messergebnis zeigt, das darstellt, wie die Drehmomentpulsation aufgrund dieses d-Achsenstroms variiert. Die Abszissenachse stellt den d-Achsenstrom dar, und die Ordinatenachse stellt die Komponente sechster Ordnung der Drehmomentpulsation dar. Es wurde gefunden, dass die Komponente sechster Ordnung der Drehmomentpulsation abnimmt, wenn der d-Achsenstrom zunimmt, und sie verschiebt sich zu einer Zunahme, wenn sie über den Minimalpunkt läuft. Aus diesem Ergebnis kann, wenn der d-Achsenstrom von 10% bis 30% des Sollstroms zugeführt wird, die Drehmomentpulsation sechster Ordnung auf im Wesentlichen eine Hälfte der Drehmomentpulsation verringert werden, wenn kein d-Achsenstrom vorhanden ist. Jedoch variiert der Wert des d-Achsenstroms, bei welchem die Drehmomentpulsation minimal ist, in Übereinstimmung mit der Größe des q-Achsenstroms, und somit kann die Größe des d-Achsenstroms in Übereinstimmung mit der Größe des q-Achsenstroms variiert werden.
Gemäß dieser Ausführungsform sind die fünften und siebten höheren harmonischen Wellen der unbelasteten induzierten Spannung im Wesentlichen in Amplitude und Phase zueinander übereinstimmend ausgeführt, und der d-Achsenstrom wird zugeführt, so dass eine Wirkung erhalten werden kann, dass die Drehmomentpulsation auch dann verringert werden kann, wenn der q-Achsenstrom zunimmt.
Verschiedene Modifikationen und Alternativen dieser Erfindung werden Fachleuten offenkundig sein, ohne von dem Umfang und Grundgedanken dieser Erfindung abzuweichen, und es ist zu verstehen, dass diese nicht auf die hierin offenbarten, veranschaulichten Ausführungsformen beschränkt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- JP 8-126279 A [0005, 0041]
- JP 11-69679 A [0005, 0041, 0041]

Claims

Drehstrommotor vom Permanentmagnet-Typ, umfassend: einen Stator, der Zähne aufweist, die in der Umfangsrichtung davon angeordnet sind, und um welche Ankerwicklungen mehrfacher Phasen gewickelt sind; und einen Rotor, der mehrfache Permanentmagnete aufweist, die so angeordnet sind, dass die Pole der Permanentmagnete abwechselnd unterschiedlich in der Umfangsrichtung davon sind, wobei höhere harmonische Wellen in einer unbelasteten induzierten Spannungswellenform enthalten sind, wobei eine (6p – 1)-te höhere harmonische Welle und eine (6p + 1)-te höhere harmonische Welle (p stellt eine positive Ganzzahl dar), wenn ein elektrischer Winkel von 360° als eine Grundwelle in der unbelasteten induzierten Wellenform eingestellt ist, im Wesentlichen zueinander in Amplitude und Phase übereinstimmend ausgeführt sind.
Drehstrommotor vom Permanentmagnet-Typ nach Anspruch 1, wobei raumharmonische Komponenten der unbelasteten induzierten Spannung eine fünfte höhere harmonische Welle und eine siebte höhere harmonische Welle sind.
Drehstrommotor vom Permanentmagnet-Typ nach Anspruch 1, wobei die raumharmonischen Komponenten der unbelasteten induzierten Spannung eine elfte höhere harmonische Welle und eine dreizehnte höhere harmonische Welle sind.
Drehstrommotor vom Permanentmagnet-Typ nach Anspruch 1, wobei dann, wenn die unbelastete induzierte Spannungswellenform V(ωt) wie folgt durch die Grundwelle, die fünfte höhere harmonische Welle und die siebte höhere harmonische Welle dargestellt ist: V(ωt) = V1sin(ωt) + V5sin(5ωt + α5) + V7sin(7ωt + α7)(V1, V5, V7 stellen die Amplitude der Grundwelle, die Amplitude der fünften harmonischen Welle und die Amplitude der siebten höheren harmonischen Welle jeweils dar und sind reelle Zahlen, α5, α7 stellen die Phasen der siebten höheren harmonischen Wellen dar, ω stellt die elektrische Winkelfrequenz dar, und t stellt die Zeit dar), V5 und V7 und α5 und α7 jeweils so gesteuert werden, dass V5 und V7 im Wesentlichen zueinander gleich sind, und α5 und α7 im Wesentlichen zueinander gleich sind.
Drehstrommotor vom Permanentmagnet-Typ nach Anspruch 1, wobei ein Verdrehungswinkel auf zumindest entweder dem Rotor oder dem Stator so eingestellt ist, dass die (6p – 1)-te höhere harmonische Welle und die (6p + 1)-te höhere harmonische Welle (p stellt eine positive Ganzzahl dar) im Wesentlichen zueinander in Amplitude und Phase übereinstimmend ausgeführt sind.
Drehstrommotor vom Permanentmagnet-Typ nach Anspruch 1, wobei die Querschnittsform eines Segmentmagneten so geändert ist, dass die (6p – 1)-te höhere harmonische Welle und die (6p + 1)-te höhere harmonische Welle (p stellt eine positive Ganzzahl dar) im Wesentlichen zueinander in Amplitude oder in Phase übereinstimmend ausgeführt sind.
Drehstrommotor vom Permanentmagnet-Typ nach Anspruch 6, wobei die Querschnittsform des Segmentmagneten auf eine Bogenträger-Form eingestellt ist.
Drehstrommotor vom Permanentmagnet-Typ nach Anspruch 1, wobei der Rotor einen radialen anisotropen Ringmagneten umfasst.
Drehstrommotor vom Permanentmagnet-Typ nach Anspruch 8, wobei die Beziehung zwischen der Anzahl von Polen (m) des Magneten und die Anzahl von Schlitzen (n) des Stators 2:3 ist.
Drehstrommotor vom Permanentmagnet-Typ nach Anspruch 8, wobei die Beziehung zwischen der Anzahl von Polen (m) des Magneten und der Anzahl von Schlitzen (n) des Stators 10:12 ist.
Drehstrommotor vom Permanentmagnet-Typ nach Anspruch 8, wobei die Beziehung zwischen der Anzahl von Polen (m) des Magneten und der Anzahl von Schlitzen (n) des Stators 14:12 ist.
Drehstrommotor vom Permanentmagnet-Typ nach Anspruch 1, wobei ein Ankerstrom, der durch eine Ankerwicklung fließt, sowohl einen d-Achsenstrom als auch einen q-Achsenstrom enthält, die Größe des d-Achsenstroms auf einen Wert in dem Bereich von 10% bis 30% des q-Achsenstroms eingestellt ist, und der d-Achsenstrom gesteuert wird, um in Übereinstimmung mit der Größe des q-Achsenstroms zu variieren.