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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen bürstenlosen
Motor, insbesondere einen bürstenlosen Motor mit einem
niedrigen Drehmomentbrummen und hoher Leistungsabgabe, mit exzellenter
Steuerbarkeit.
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Hintergrund
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Konventionellerweise
ist zum Verbessern der Ruhe eines bürstenlosen Motors eines
Steuerverfahrens zum Glätten des Umschaltens der Energetisierung
durch Sinuswellenantrieb, um somit ein Drehmomentbrummen zu reduzieren,
bekannt. Beim Sinuswellenantrieb wird ein Strom mit einem sich in Sinuswellenform ändernden
Stromwert einem Motor zugeführt, dessen induzierte Spannung
eine sinusförmige Wellenform aufweist. Als Ergebnis weist
der Sinuswellen-angetriebene Motor ein kleines Drehmomentbrummen
im Vergleich zu einem gattungsgemäßen 120-Grad-Rechteckwellen-angetriebenen
Motor auf. Darüber hinaus ist als ein Verfahren zur Verminderung
des Drehmomentbrummens allgemein eine schiefe Struktur zum Neigen
von Rotormagnetpolen oder dergleichen in Bezug auf die Achsenrichtung bekannt.
In einem Motor, der die schiefe Struktur verwendet, werden Oberschwingungskomponenten
der induzierten Spannungswellenform vermindert. Somit kann eine
induzierte Spannungswellenform zu einer glatten sinusförmigen Wellenform
verändert werden. Entsprechend werden die Effekte der Minderung
des Drehmomentbrummens zum Zeitpunkt des Sinuswellenantriebs weiter
verbessert.
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Bei
einem Motor, der die Schiefenstruktur aufweist, wird jedoch eine
Basiskomponente der induzierten Spannung bei Reduktion der Oberschwingungskomponenten
reduziert, falls der Schiefenwinkel vergrößert
wird. Die Größenordnung eines Drehmomentes hängt
vollständig von der Basiskomponente ab, weil das Abgabedrehmoment
des Motors ungefähr gleich einem Produkt der induzierten
Spannung und des Motorstroms ist. Daher, falls der Schiefenwinkel
vergrößert wird, um das Drehmomentbrummen zu reduzieren,
wird das Motordrehmoment reduziert, womit eine Spannungsverwendungseffizienz
verringert wird. Falls andererseits Motorspezifikationen mit dem
kleinen Schiefenwinkel gesetzt sind, um die Reduktion bei der induzierten
Spannung zu mindern, um so das Motordrehmoment sicherzustellen,
gibt es das Problem des vergrößerten Drehmomentbrummens,
weil die Oberschwingungskomponenten entsprechend steigen.
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Daher
ist in den letzten Jahren zur gleichzeitigen Verbesserung der Spannungsverwendungseffizienz
und Minderung des Drehmomentbrummens ein Steuerverfahren vorgeschlagen
worden, um den Motorantriebsstrom zu veranlassen, die Oberschwingungskomponenten
zu enthalten, um so die Oberschwingungskomponenten der induzierten
Spannung aufzuheben. Entsprechend dem Steuerverfahren ist die Basiskomponente
beim kleinen Schiefenwinkel sichergestellt, während die
induzierte Spannung durch die Oberschwingungskomponenten des Motorantriebsstroms
zur sinüsförmigen Wellenform verändert
wird. Als Ergebnis wird verbesserte Leistungsabgabe des Motors realisiert,
während das Drehmomentbrummen reduziert ist.
Patentdokument
1:
JP 2006-174692
A
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Offenbarung der Erfindung
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Durch die Erfindung zu lösende
Probleme
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Im
Steuerverfahren zum Veranlassen der Motorantriebsstromes, die Oberschwingungskomponenten
zu enthalten, wie oben beschrieben, ist es jedoch notwendig, einen
Steuerzyklus gemäß den Oberschwingungskomponenten
zu setzen. Daher gibt es bei einem Steuermodus, bei dem eine große Anzahl
von Oberschwingungskomponenten höherer Ordnung mit einer
kurzen Wellenlänge enthalten sind, das Problem, dass der
Steuerzyklus extrem kurz eingestellt werden muss. Als Ergebnis ist
die Steuerung extrem schwierig. Zusätzlich gibt es Probleme
damit, dass dem Steuersystem eine Last auferlegt wird und die Kosten
dafür entsprechend hoch werden.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen bürstenlosen
Motor bereitzustellen, der ein niedriges Drehmomentbrummen und gleichzeitig eine
hohe Leistungsabgabe realisiert, der einfach gesteuert werden kann.
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Mittel zum Lösen
der Probleme
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Ein
bürstenloser Motor gemäß der vorliegenden
Erfindung beinhaltet: einen Stator mit 2n (n ist eine positive Ganzzahl)
Schlitzen; und einen Rotor mit 3n Magnetpolen, wobei der bürstenlose
Motor durch einen 3-Phasen-Antriebsstrom drehend angetrieben wird,
bei dem ein Inhaltsverhältnis der in einer induzierten
Spannung des bürstenlosen Motors enthaltenen fünften
Oberschwingungskomponente in Bezug auf eine Basiswelle in einem
Bereich von 4,5% bis 6,5% liegt.
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird in einem bürstenlosen Motor
mit einer 2P3S × n Struktur das Inhaltsverhältnis
der in der induzierten Spannung enthaltenen fünften Oberschwingungskomponente
im Bereich 4,5% bis 6,5% in Bezug auf die Basiswelle eingestellt.
Als Ergebnis werden ein Drehmoment und eine Rotationsgeschwindigkeit
effektiv für den Sinuswellenantrieb vergrößert.
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Beim
bürstenlosen Motor kann ein Schiefenwinkel entweder des
Rotors oder des Stators in einem Bereich von 36° ≤ θschief ≤ 57° bezüglich
des elektrischen Winkels eingestellt werden, und ein Verhältnis
W einer Umfangsweite Wm jedes der die magnetischen Pole formenden
Magnete auf eine Länge Wp einer zwischen Endpunkten eines
Bogens mit einem zentralen Winkel θp = 360°/Polanzahl
3n gebildeten Sehne, wobei der Bogen in einem inneren Durchmesserkreis
jedes Magneten enthalten ist, kann in einem Bereich von 0,76 < W = Wm/Wp < 0,86 eingestellt
werden. Als Ergebnis kann im bürstenlosen Motor mit der
2P3S × n Struktur das Inhaltsverhältnis der in
der induzierten Spannung des bürstenlosen Motors enthaltenen
fünften Oberschwingungskomponente im Bereich von 4,5% bis
6,5% in Bezug auf die Basiswelle eingestellt werden.
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Darüber
hinaus kann der bürstenlose Motor eine 6-Pol-9-Schlitz-Struktur
mit einer Anzahl von Magnetpolen gleich sechs (n = 3) und eine Anzahl von
Schlitzen gleich neun aufweisen und kann als eine Antriebsquelle
für eine elektrische Servolenkung verwendet werden. Im
Falle eines bürstenlosen Motors gemäß der
vorliegenden Erfindung werden ein niedriges Drehmomentbrummen und
eine hohe Leistungsabgabe gleichzeitig realisiert. Zusätzlich
ist die Steuerung einfach. Daher ist der bürstenlose Motor gemäß der
vorliegenden Erfindung insbesondere als ein Motor für eine
elektrische Servolenkung nützlich, welche eine ernsthafte
Anforderung bezüglich Drehmomentbrummen hat und daher erfordert,
hinsichtlich Größe reduziert zu werden und eine
höhere Leistungsabgabe aufzuweisen.
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Effekte der Erfindung
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Der
bürstenlose Motor gemäß der vorliegenden
Erfindung ist ein sogenannter bürstenloser Motor mit 2P3S × n
Struktur, bei dem das Inhaltverhältnis der in der induzierten
Spannung enthaltenen fünften Oberschwingungskomponente
im Bereich von 4,5% bis 6,5% in Bezug auf die Basiswelle eingestellt
ist. Als Ergebnis können ein Drehmoment und eine Rotationsgeschwindigkeit
für den Sinuswellenantrieb effektiv vergrößert
werden.
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Darüber
hinaus kann durch Einstellen des Schiefenwinkels des Rotors im Bereich
von 36° ≤ θschief ≤ 57° bezüglich
des elektrischen Winkels und Einstellen des Verhältnisses
W der Umfangsweite Wm jedes der die Magnetpole bildenden Magnete
zur Länge Wp der zwischen Endpunkten des Bogens mit dem
Zentrumswinkel θp = 360°/Polanzahl 3n gebildeten
Sehne, die im Innendurchmesserzirkel des Magneten enthalten ist,
auf 0,76 < W =
Wm/Wp < 0,86 das
Inhaltsverhältnis der in der induzierten Spannung des bürstenlosen
Motors enthaltenen fünften Oberschwingungskomponente im
Bereich von 4,5% bis 6,5% in Bezug auf die Basiswelle in dem bürstenlosen
Motor mit 2P3S × n Struktur eingestellt werden. Als Ergebnis
können das niedrige Drehmomentbrummen und die hohe Leistungsabgabe
simultan realisiert werden. Zusätzlich kann ein Steuerzyklus
im Vergleich zu konventionellen Motoren lang gemacht werden. Daher
kann die Antriebssteuerung für den Motor erleichtert werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine Schnittansicht eines bürstenlosen Motors, der eine
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
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2 ist
eine erläuternde Ansicht, die eine Struktur eines im in 1 illustrierten
Motors enthaltenen Stators illustriert.
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3 ist
eine erläuternde Ansicht für einen Schiefenwinkel
eines Rotors.
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4 ist
eine erläuternde Ansicht, die eine Form eines im in 1 illustrierten
Motor enthaltenen Magneten illustriert.
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5 ist
ein Graph, der eine Beziehung zwischen einem Inhaltsverhältnis
der in einer induzierten Spannung enthaltenen fünften Oberschwingungskomponente
und einer Rate der Drehmomentsteigerung und einer Rate der Rotationsgeschwindigkeitssteigerung
für Sinuswellenantrieb illustriert.
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6 ist
ein Graph, der eine Beziehung zwischen einem Schiefenwinkel (hinsichtlich
des mechanischen Winkels) und dem Inhaltsverhältnis der fünften
Oberschwingungskomponente zu allen Oberschwingungskomponenten illustriert,
der bei einem Motor mit sechs Polen und neun Schlitzen beobachtet
wird.
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7 ist
ein Graph, der das Ergebnis von Recherchen zu einer Beziehung zwischen
dem Schiefenwinkel (bezüglich des mechanischen Winkels)
und dem Inhaltsverhältnis der in der induzierten Spannung
enthaltenen Oberschwingungskomponente illustriert, welche unter
Verwendung der Magnetform (dem Verhältnis W = Wm/Wp) als
einem Parameter durchgeführt werden, die beim Motor mit
sechs Polen und neun Schlitzen beobachtet wird.
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8 ist
ein Graph, der eine Beziehung zwischen dem Verhältnis W
und einer Reduktionsrate einer in der induzierten Spannung enthaltenen
Basiswelle illustriert, die im Motor mit sechs Polen und neun Schlitzen
beobachtet wird.
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9 ist
eine erläuternde Ansicht, die eine Struktur des Stators
des Motors illustriert, in dem der Stator schief ausgeführt
ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bürstenloser
Motor
- 2
- Stator
- 3
- Rotor
- 4
- Gehäuse
- 5
- Statorkern
- 5a
- Zähne
- 5b
- Rille
- 6
- Spule
- 6a
- Endteil
- 7
- Bus-Schienen-Einheit
- 8
- Klammer
- 9
- Kernsegment
- 11
- Isolator
- 12
- Stromversorgungsanschluss
- 13
- Rotorwelle
- 14a,
14b
- Lagerung
- 15a–15c
- Rotorkern
- 16a–16c
- Magnet
- 16out
- Äußere
Umfangsoberfläche
- 16in
- Innere
Umfangsoberfläche
- 17a–17c
- Magnethalter
- 18
- Magnetabdeckung
- 21
- Drehmelder
- 22
- Rotor
(Drehmelderrotor)
- 23
- Stator
(Drehmelderrotor)
- 24
- Drehmelderhalter
- 25
- Drehmelderklammer
- 26
- Rippe
- 27
- Mutter
- 28
- Halteschraube
- θschief
- Schiefenwinkel
- θschritt
- Schrittwinkel
- M1–M3
- Zentrum
des Magneten
- L
- Zentren
der Magneten verbindende Linie
- O
- Zentrum
der Rotation des Rotors
- P1,
P2
- Schnittpunkt
von Linie L mit Rotorkern-Endteil
- C1
- Bogen
- C2
- Magnet-Innendurchmesserkreis
- T
- Äußerste
Durchmesserposition
- W
- Verhältnis
- Wm
- Magnetweite
- Wp
- Länge
der zwischen Endpunkten des Bogens mit Zentralwinkel θp
= 360°/Polanzahl im Magnet-Innendurchmesserkreis gebildeten
Sehne
- W
- Verhältnis
von Wm zu Wp (= Wm/Wp)
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Bester Modus zum Ausführen
der Erfindung
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Nachfolgend
wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung detailliert
beschrieben, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen. 1 ist
eine Schnittansicht eines bürstenlosen Motors gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 illustriert,
ist ein bürstenloser Motor 1 (nachfolgend als ”Motor 1” bezeichnet)
ein Innen-Rotortyp, der einen außen angeordneten Statur 2 und
einen innen angeordneten Rotor 3 aufweist. Beispielsweise
kann der Motor 1 als eine Energiequelle einer elektrischen
Servolenkungs-(EPS, electric power-steering)Vorrichtung von Säulen-Unterstützungstyp
verwendet werden. Der Motor 1 kann eine Hilfs-Antriebskraft
an eine Lenksäule eines Fahrzeugs anlegen. Der Motor 1 ist
an einem Geschwindigkeits-Reduktionsmechanismus befestigt, der mit
der Lenksäule gekoppelt ist. Der geschwindigkeitsreduzierende
Mechanismus reduziert die Drehgeschwindigkeit des Motors 1 und überträgt
die Drehung auf die Lenksäule.
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Der
Statur 2 enthält ein Gehäuse 4,
das eine mit Boden versehene hohle Zylinderform aufweist, einen
Statorkern 5, Statorspulen 6 (nachfolgend als ”Spulen 6” bezeichnet),
die um den Statorkern 5 gewickelt sind, und einer Bus-Schienen-Einheit
(Anschlusseinheit) 7, die am Statorkern 5 angebracht
ist. Das Gehäuse 4 ist ein mit Boden versehener
Hohlzylinder, der aus Eisen oder dergleichen gemacht ist. Das Gehäuse 4 hat Öffnungen.
In die Öffnungen sind aus Druckguss-Aluminium gefertigte
Klammern 8 eingepasst. Die Halter 8 sind am Gehäuse 4 mit
Befestigungsschrauben (nicht gezeigt) gesichert.
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Wie
in 2 illustriert, enthält der Statorkern 5 eine
Mehrzahl von Kernsegmenten 9 (in dieser Ausführungsform
neun Segmente), die in einer Umfangsrichtung angeordnet sind. Der
Statorkern 5 weist neun Zähne 5a auf,
die im Inneren in die radiale Richtung vorragen. Das distale Ende
des Statorkerns 5weist 2n Rillen 5b auf
(zwei Rillen bei dieser Ausführungsform). Die Rillen 5b sind
dafür ausgelegt, ein Zahnungsdrehmoment zu reduzieren,
das von Pseudo-Schlitz-Effekten herrührt. Jedes Kernsegment 9 wird
durch Stapeln von Kernstücken hergestellt, die aus elektromagnetischen
Stahlplatten gefertigt sind. Ein Isolator 11, der aus synthetischem
Polymer hergestellt ist, umgibt die Kernsegmente 9.
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Die
Spulen 6 sind um den Isolator 11 gewickelt. Ein
Endteil 6a der Spule 6 ist an einem Ende des Statorkerns 5 geführt.
Die Bus-Bar-Einheit 7 ist an einem Ende des Statorkerns 5 gesichert.
Aus Kupfer gefertigte Busschienen werden in das Gehäuse
der Busschieneneinheit 7 eingeführt, die aus synthetischem
Polymer gefertigt ist. Von der Umfangsoberfläche der Busschieneneinheit 7 ragen
eine Mehrzahl von Stromversorgungsanschlüssen 12 in
radialer Richtung vor. Der Endteil 6a jeder Spule wird
zum Zeitpunkt der Befestigung der Busschieneneinheit 7 mit
den Stromversorgungsanschlüssen 12 verschweißt.
Die Busschieneneinheit 7 hat so viele Busschienen wie die
Anzahl von Phasen des Motors 1 beträgt (bei dieser
Ausführungsform sind drei Busschienen für die
U-, V-, bzw. W-Phasen vorgesehen). Jede Spule 6 ist elektrisch
mit dem Stromversorgungsanschluss 12 für die assoziierte
Phase verbunden. Der Statorkern 5 ist an einem Gehäuse 4 aufgepresst
fixiert, nachdem die Busschieneneinheit 7 befestigt worden
ist.
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Der
Rotor 3 wird in den Stator 2 eingeführt. Der
Rotor 3 weist eine Rotorwelle 13 auf. Die Rotorwelle 13 kann
frei drehen, gestützt durch die Lager 14a und 14b.
Die Lager 14a und 14b werden am zentralen Teil
des Bodens des Gehäuses 4 bzw. dem zentralen Teil
der Klammer 8 befestigt. Auf der Rotorwelle 13 sind
hohle zylindrische Rotorkerne 15a bis 15c gesichert.
An den äußeren Umfangsoberflächen der
Rotorkerne 15a bis 15c sind Segment-Typ-Magnete
(Permanentmagnete) 16abis 16c befestigt. Im Motor 1 sind
die Magnete 16a bis 16c in sechs Reihen und drei
Säulen längs der Umfangsrichtung angeordnet. Das
heißt, der Motor 1 weist eine Sechs-Pol-, Neun-Schlitz-Struktur
auf (nachfolgend als ”6P9S” bezeichnet). Eine
Magnetabdeckung 18, die ein Hohlzylinder mit Boden ist,
wird vorgesehen, welche die Magnete 16a bis 16c umgibt.
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Jeder
der Magnete 16a bis 16c des Motors 1 ist
in einer Form ausgebildet, so dass eine äußere Umfangsoberfläche 16out in
Bezug auf eine innere Umfangsoberfläche 16in exzentrisch
ist. Spezifisch ist ein Zentrum der äußeren Umfangsoberfläche 16out des
Magneten nicht konzentrisch zu einem, eine äußerste
Durchmesserposition T der äußeren Umfangsoberfläche 16out passierenden
Bogen C1. Die äußere Umfangsoberfläche 16out ist
eine Umfangsoberfläche mit einem kleineren Radius als demjenigen
der inneren Umfangsoberfläche 16in. Durch Ausbilden
der äußeren Umfangsoberfläche 16out des
Magneten exzentrisch wie oben beschrieben, kann eine Zahnung reduziert
werden.
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Die
Magnethalter 17a bis 17c, die aus synthetischem
Polymer gemacht sind, werden an den Außenseiten der Magneten 16a bis 16c befestigt.
Die Magnete 16a bis 16c werden an den äußeren
Umfängen der Rotorkerne 15a bis 15c angebracht,
gehalten durch die Magnethalter 17a bis 17c. Im
Motor 1 sind die Magnete 16a bis 16c in 3 Säulen
in Achsenrichtung angeordnet, während sie durch die Magnethalter 17a bis 17c gehalten
werden. Die Magnete 16a bis 16c jeder Säule
werden gegenüber der Radialrichtung um einen vorbestimmten
Schrittwinkel (schritt versetzt. Somit weist der Rotor 3 des
Motors 1 eine Schiefenstruktur auf, in der die drei Magnete 16a bis 16c aufeinander
gestapelt sind.
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3 ist
ein Diagramm, das den Schiefenwinkel des Rotors 3 beschreibt.
Wie in 3 illustriert, schneidet in der Schrittschiefenstruktur
die die Zentren M1 bis M3 der Magnete 16a bis 16c (sowohl in
Umfangsrichtung als auch Axialrichtung) verbindende Line L die Endteile
der Magnete 16a und 16c an Punkten P1 bzw. P2.
Der Zentrumswinkel zum Zentrum O der Rotation zwischen den Punkten
P1 und P2 ist der magnetische Schiefenwinkel θschief. Daher
ist der Schrittwinkel θschritt zwischen den Magneten 16a und 16b ein
Zentrumswinkel zwischen den Punkten M1 und M2 zum Zentrum O der
Drehung und ist der Schrittwinkel θschritt. zwischen den Magneten 16b und 16c ein
Zentrumswinkel zwischen den Punkten M2 und M3 zum Zentrum O der
Rotation. Darüber hinaus sind die Zentrumswinkel zwischen
den Punkten M1 und P1 beziehungsweise M3 und P2 die Hälfte
des Schrittwinkel θschritt (θschritt/2). Daher
ist der Schiefenwinkel θschief θschritt × (Anzahl
gestapelter Magnete – 1) + (θschritt/2) × 2
= θschritt × Anzahl von gestapelten Magneten.
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Ein
Rotor (Drehmelderrotor) 22 des als Mittel zum Detektieren
eines Rotationswinkels verwendeten Drehmelders 21 ist am
Ende des Magnethalters 17a angebracht. Andererseits ist
ein Statur (Drehmelderstator) 23 des Drehmelders 21 in
einen aus Metall gefertigten Drehmelderhalter 24 eingepresst und
in einer aus synthetischem Polymer gefertigten Drehmelderklammer 25 gehalten.
Der Drehmelderhalter 24 ist ein Hohlzylinder mit Boden.
Der Drehmelderhalter 24 ist an der Endteil-Außenumfangsoberfläche
einer Rippe 26 leicht eingepresst, die auf den zentralen
Teil der Klammer 8 vorgesehen ist. Eine aus Metall gefertigte
Mutter 27 wird in den Drehmelderhalter 25 und
der Halter 8 eingeführt. Eine Halteschraube 28 wird
in die Mutter 27 von außerhalb des Halters 8 eingeschraubt.
Der Drehmelderhalter 24 wird dadurch im Halter 8 gesichert.
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Hier
enthält eine induzierte Spannung des Motors mit einer Struktur
mit einem Ganzzahlvielfachen von 2P3S (der Motor 1 hat
2P3S × 3 = 6P9S) Oberschwingungskomponenten einer ungeradzahligen
Anzahl gleich oder größer als fünfter
Ordnung. Von all den darin enthaltenen ungeradzahligen Ordnungsoberschwingungskomponenten
ist die fünfte Nummer Komponente die größte.
In einem Fall von 2P3S × n wird keine dritte Oberschwingungskomponente
erzeugt, aufgrund eines Kurzabstandfaktors Kp = cos{n·(1 – β)·Π/2}
= 0 (wobei n eine Ordnung ist und β Spulenabstand/Polabstand;
in einem Fall von 2P3S, β = 2/3 und wenn n = 3 ist cos
gleich Null). Wenn nur die fünfte Oberschwingungskomponente einer
Basiskomponente enthalten ist, hat eine leistungsinduzierte Spannung
ungefähr eine Trapezwellenform. Zu diesem Zeitpunkt, falls
der Motorantriebsstrom dazu gebracht wird, eine Trapezwellenform
aufzuweisen, kann das Drehmomentbrummen näher an Null herangebracht
werden. Zusätzlich kann ein Spitzenstromwert des Trapezwellenstroms reduziert
werden, da ein Kuppenwert des Trapezwellenstroms im Vergleich mit
demjenigen eines Sinuswellenstromes vermindert werden kann. Andererseits
kann in einem Fall desselben Spitzenstromwerts bei der Trapezwelle
ein größerer Strombetrag dazu gebracht werden,
zu fließen, als bei der Sinuswelle. Somit kann durch Einstellen
der induzierten Spannung darauf, zu enthalten: die Basiswelle +
die Oberschwingungskomponente, die Motorleistungsabgabe gesteigert
werden, während das Drehmomentbrummen reduziert wird.
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Andererseits
hat der Motor 1 die Schiefenstruktur wie oben beschrieben.
Um sowohl die Verbesserung der Spannungsverwendungseffizienz als auch
die Reduktion des Drehmomentbrummens zu realisieren, wird der die
Oberschwingungskomponente enthaltende Motorantriebsstrom gleich
zum Motor 1 geführt. Wie oben beschrieben, wird
jedoch, falls eine große Anzahl von höheren Ordnungs-Oberschwingungskomponenten
enthalten ist, der Steuerzyklus extrem kurz, und macht dadurch eine
Steuerung schwierig durchzuführen. Somit fokussieren die Erfinder
der vorliegenden Erfindung die Aufmerksamkeit auf die oben erwähnten
Charakteristika des 2P3S × n Struktur-Motors und untersuchen
eine Konfiguration zum Beschränken der Oberschwingungskomponenten
auf die fünfte Komponente soweit als möglich und
Reduzieren der Komponenten anderer Ordnungen.
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Dann
sind als Ergebnis verschiedener Experimente die folgenden Schlüsse
gezogen worden.
- (1) Wenn das Inhaltsverhältnis
der in der induzierten Spannung enthaltenen fünften Oberschwingungskomponente
in Bezug auf die Basiswelle im Bereich von 4,5% bis 6,5% eingestellt
wird, steigen ein Drehmoment und eine Rotationsgeschwindigkeit effektiv
für den Sinuswellenantrieb.
- (2) Wenn der Schiefenwinkel auf: 36° ≤ θschief ≤ 57° im
elektrischen Winkel eingestellt wird, wird das Inhaltsverhältnis
der fünften Oberschwingungskomponente zu allen harmonischen
Komponenten groß (90%). Der Bereich 36° ≤ θschief ≤ 57° bezüglich
des elektrischen Winkels entspricht dem Bereich 12° ≤ θschief ≤ 19° bezüglich
des mechanischen Winkels im 6P9S-Motor. Wenn darüberhinaus
die Magnete zu stapeln sind, wird ein Wert durch Teilen des oben
erwähnten Wertes durch den Schrittwinkel in jeder Stufe
erhalten (elektrischer Winkel 36°/Anzahl gestapelter Magneten ≤ θschritt) ≤ 57°/Anzahl
gestapelter Magneten).
- (3) Unter der Annahme, dass eine Form jedes der Magneten 16a bis 16c eingestellt
ist, zu erfüllen: 0,76 < W
= Wm/Wp < 0,86,
ist das Inhaltsverhältnis der fünften Oberschwingungskomponente
im Bereich von 4,5% bis 6,5% (Wm: Magnetbreite, Wp: Länge
einer Sehne P-P (siehe 4), spezifisch eine Länge
einer zwischen Endpunkten eines Bogens mit einem Zentrumswinkel θp
= 360°/Polanzahl (60° im Falle von sechs Polen)
gebildeten Sehne, die in einem Magnet-Innendurchmesserkreis C2 enthalten
ist). Obwohl der Magnet 16a in 4 illustriert
ist, hat jeder der Magnete 16b und 16c eine ähnliche
Struktur.
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Nachfolgend
wird jedes der oben beschriebenen (1) bis (3) basierend auf den
Ergebnissen von Experimenten beschrieben. Zuerst ist bezüglich
(1) 5 ein Graph, der die Beziehung zwischen dem Inhaltverhältnis
der fünften Oberschwingungskomponente und der Rate des
Drehmomentanstiegs und der Rate des Rotationsgeschwindigkeitsanstiegs
in Bezug auf den Sinuswellenantrieb illustriert. Wie in 5 illustriert,
wird, wenn die fünfte Oberschwingungskomponente steigt,
wird das Drehmoment und die Rotationsgeschwindigkeit größer.
Nichtsdestotrotz, wenn Drehmoment und Rotationsgeschwindigkeit bestimmte
Werte übersteigen, beginnen die Raten, mit denen sie anwachsen,
kleiner zu werden. Darüber hinaus unterscheiden sich die
Drehmomentsteigerungsrate und die Rotationsgeschwindigkeits-Steigerungsrate
voneinander und daher erzielt die erstere eine Maximalsteigerung
von etwa 5% und die letztere eine Maximalsteigerung von etwa 6,5%. Die
Erfinder sehen daher die Bereiche, in denen die beiden Steigerungsraten
sichergestellt werden können, bei 3% oder mehr, als effektiv
an. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung bestimmen entsprechend,
dass der Inhalt der fünften Oberschwingungskomponente am
besten 4,5% bis 6,5% sein sollte, wie in (1) beschrieben.
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Als
Nächstes ist bezüglich (2) 6 ein Graph,
der die Beziehung zwischen einem Schiefenwinkel (mechanischem Winkel)
und dem Inhaltsverhältnis der fünften Oberschwingungskomponente
zu allen Oberschwingungskomponenten illustriert, der in einem 6P9S-Struktur-Motor
beobachtet wird. Wie 6 illustriert, wenn der Schiefenwinkel
größer wird, wird der Inhalt der fünften
Oberschwingungskomponente größer. Wenn der Schiefenwinkel
jedoch 18° übersteigt, beginnt der Inhalt der
fünften Oberschwingungskomponente abzusinken. Wenn der
Schiefenwinkel 22° übersteigt, nimmt der Inhalt der
fünften Oberschwingungskomponente scharf ab. Unter der
Annahme, dass der effektive Bereich des Inhalts der fünften
Oberschwingungskomponente 90% oder mehr beträgt, wie in
(2) beschrieben, sollte der Schiefenwinkel θschief (mechanische
Winkel) sein: 12° ≤ θschief (mechanischer
Winkel) ≤ 19° bei einer 6P9S-Struktur. In einem
Motor der 2P3S × n Struktur bestimmten die Erfinder nämlich,
dass der Schiefenwinkel (elektrische Winkel) θschief vorzugsweise
36° ≤ θschief (elektrischer Winkel) ≤ 57° beträgt. 6illustriert
die Ergebnisse der Recherche zu Motoren, die sich in der Magnetbreite
und Exzentrizität der inneren und äußeren
Durchmesser unterscheiden. Die Beziehung zwischen dem Schiefenwinkel
und dem Verhältnis der fünften Oberschwingungskomponente
ist für Magnete verschiedener Konfigurationen ähnlich.
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Weiterhin
ist bezüglich (3) 7 ein Graph, der
das Recherchenergebnis einer Beziehung zwischen dem Schiefenwinkel
(bezüglich mechanischem Winkel) und dem Inhaltsverhältnis
der in der induzierten Spannung im 6P9S-Motor enthaltenen fünften
Oberschwingungskomponente illustriert, die unter Verwendung der
Magnetform (dem Verhältnis W = Wm/Wp) als einem Parameter
durchgeführt wird. Wie in 7 illustriert,
wenn das Verhältnis W sinkt, steigt das Inhaltsverhältnis
der fünften Oberschwingungskomponente. Durch Einstellen
von W < 0,86 kann
das Inhaltsverhältnis der fünften Oberschwingungskomponente
auf 4,5% gesetzt werden, während der Schiefenwinkel (mechanische
Winkel) im Bereich: 12° ≤ θschief (mechanischer
Winkel) ≤ 19° liegt. Dieses Ergebnis kann nicht
nur mit dem 6P9S-Strukturmotor erhalten werden, sondern auch bei
anderen 2P3S × n Motoren, wenn der Schiefenwinkel (elektrische
Winkel) im Bereich von: 36° ≤ θschief
(elektrischer Winkel) ≤ 57° eingestellt wird.
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Andererseits
ist 8 ein Graph, der eine Beziehung zwischen dem Verhältnis
W und einer Minderungsrate der Basiswelle in der induzierten Spannung
illustriert, die im 6P9S-Motor beobachtet wird. Wie in 7 illustriert,
wenn das Verhältnis W gleich 0,76 wird, ist die Basiswelle
in der induzierten Spannung plötzlich reduziert, um das
Ausgabedrehmoment des Motors beachtlich zu verringern. Daher wird
für die Verhältnis W die Schlussfolgerung gezogen,
dass 0,76 < W =
Wm/Wp < 0,86 bevorzugt
ist, wie in (3) beschrieben, aus den in 7 und 7 illustrierten
Ergebnissen. Im Motor 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung ist jeder der Magnete 16abis 16c so
ausgebildet, dass er die Beziehung:
0,76 < W = Wm/Wp < 0,86 erfüllt. Als Ergebnis
ist der Motor 1 ein bürstenloser Motor, der die
obigen Bedingungen (1) und (2) erfüllt.
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Der
zur vorliegenden Erfindung führende Prozess wird wie folgt
zusammengefasst. Spezifisch wird beim die Schiefenstruktur annehmenden
bürstenlosen 2P3S × n-Motor zuerst der Schiefenwinkel vermindert,
um die Verminderung der Basiskomponente zu unterdrücken,
um das Drehmoment sicherzustellen. Wenn der Schiefenwinkel klein
wird, wird das Inhaltsverhältnis der in der induzierten
Spannung enthaltenen Oberschwingungskomponente groß. Falls
der Sinuswellenantrieb in diesem Zustand durchgeführt wird,
wird das Drehmomentbrummen unvorteilhaft groß. Daher wird
die Oberschwingungskomponente dem Motorantriebsstrom überlagert,
um die in der induzierten Spannung enthaltene Oberschwingungskomponente
aufzuheben, um das Drehmomentbrummen zu reduzieren. Wenn jedoch
die Oberschwingungskomponenten höherer Ordnung enthalten
sind, wird die Steuerbarkeit degradiert. Somit ist die in der induzierten
Spannung zu enthaltende Oberschwingungskomponente auf die fünfte Komponente
beschränkt, welche die induzierte Spannung dazu bringt,
die Trapezwellenform aufzuweisen und daher effektiv bei der Verbesserung
der Abgabe und Reduktion des Drehmomentbrummens ist.
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Nach
Beschränken der dem Motorantriebsstrom zu überlagernden
harmonischen Komponente auf die fünfte harmonische Komponente
wird das Inhaltsverhältnis der fünften harmonischen
Komponente innerhalb des Bereichs eingestellt, der dem Drehmoment
und der Rotationsgeschwindigkeit gestattet, gesteigert zu werden.
Der Wert des Inhaltsverhältnisses ist (1) 4,5% bis 6,5%.
Darüber hinaus wird der Schiefenwinkel so eingestellt,
dass das Inhaltsverhältnis der fünften Oberschwingungskomponente
zu allen Oberschwingungskomponenten groß wird. Der Wert
des Schiefenwinkels ist (2) 36° ≤ θschief ≤ 57° bezüglich
des elektrischen Winkels. Andererseits machen verschiedene von den
vorliegenden Erfindern durchgeführte Experimente klar,
dass die Beziehung zwischen dem Schiefenwinkel und dem Mehrheitsverhältnis
der fünften Oberschwingungskomponente, die in der induzierten
Spannung enthalten ist, abhängig von der Magnetform sich ändert.
Es wurde gefunden, dass die Bedingungen (1) und (2) erfüllt sind,
wenn das Verhältnis W kleiner als 0,86 ist. Darüber
hinaus wurde gefunden, dass die in der induzierten Spannung enthaltene
Basiswelle plötzlich reduziert wird, um das Abgabedrehmoment
des Motors beachtlich zu verringern, wenn das Verhältnis
W gleich oder kleiner als 0,76 wird. Als Ergebnis wird die Bedingung
(3) erhalten.
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Wie
oben beschrieben, wird im bürstenlosen Motor gemäß der
vorliegenden Erfindung der Motorantriebsstrom, der die harmonische
Komponente enthält, zugeführt. Auf diese Weise
kann die Motorleistungsabgabe verbessert werden, während
die Spannungsverwendungseffizienz verbessert wird und das Drehmomentbrummen
reduziert wird. Somit kann der effiziente bürstenlose Motor
bereitgestellt werden. Darüber hinaus ist es nicht notwendig,
den Steuerzyklus extrem kurz einzustellen, wie in einem Fall, wenn
eine große Anzahl höherer Ordnungs-Oberschwingungskomponenten
enthalten sind, weil die Oberschwingungskomponente auf die fünfte
Komponente beschränkt ist. Somit wird die Antriebssteuerung
für den Motor vereinfacht. Weiterhin wird eine Belastung
des Steuersystems vermindert. Als Ergebnis sind auch die Kosten
einer Steuerschaltung oder dergleichen vermindert.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform
beschränkt. Selbstverständlich können
verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des
Schutzumfangs und Geists der Erfindung vorgenommen werden.
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Beispielsweise
ist die vorliegende Erfindung auf einen bürstenlosen Motor
jeglichen anderen Typs zur Verwendung in EPSs anwendbar, obwohl
die oben beschriebene Ausführungsform eine ist, die zur Verwendung
in EPSs des Säulenunterstützungstyps entworfen
ist. Zusätzlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf
Motoren zur Verwendung in EPSs und verschiedene elektrische Fahrzeugvorrichtungen
beschränkt. Stattdessen kann die vorliegende Erfindung
auf bürstenlose Motoren verschiedener Arten angewendet
werden. Die oben beschriebene Ausführungsform ist eine
6-Pol, 9-Schlitz des bürstenlosen Motors mit sechs Magneten.
Nichts desto Trotz ist weder die Anzahl von Magneten noch die Anzahl
von Schlitzen des Motors beschränkt. Die vorliegende Erfindung
ist breit auf einen bürstenlosen Motor mit einer Struktur
mit einem Ganzzahl-Mehrfachen von 2P3S anwendbar.
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Weiterhin
ist die vorliegende Erfindung nicht nur auf einen Motor anwendbar,
bei dem der Rotor 3 schief ausgeführt ist, sondern
auch auf einen Motor, bei dem der Stator 2 schief ausgeführt
ist. Gemäß durch die Erfinder der vorliegenden
Erfindung durchgeführten Experimenten werden selbst bei
einem Motor, bei dem der Stator 2 schief ausgeführt
ist, wie in 9 illustriert, ähnliche
Beziehungen wie jene in den 6 und 7 illustrierten
erhalten. Spezifisch, wenn der Schiefenwinkel im Bereich von 36° ≤ θschief ≤ 57° bezüglich
des elektrischen Winkels ist, wird das Inhaltsverhältnis
der in allen Oberschwingungskomponenten enthaltenen fünften
Oberschwingungskomponente groß. Wenn das Verhältnis kleiner
0,86 ist, sind die Bedingungen (1) und (2) erfüllt. Wenn
das Verhältnis W gleich oder kleiner 0,76 wird, wird die
in der induzierten Spannung enthaltene Basiswelle plötzlich
vermindert.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Es
wird ein bürstenloser Motor einer 2P3S × n Struktur
bereitgestellt, bei dem ein Verhältnis (W) einer Umfangsweite
(Wm) jedes der Magnete (16a bis 16c) zu einer
Länge (Wp) eines zwischen Endpunkten eines Bogens mit einem
Zentrumswinkel θp = 360°/Pol-Anzahl 3n gebildeten
Sehne, wobei der Bogen in einem Innendurchmesserkreis C2 jedes der Magneten
(16a bis 16c) enthalten ist, im Bereich von 0,76 < W = Wm/Wp < 0,86 liegt. Daher
kann im bürstenlosen Motor der 2P3S × n Struktur
ein Schiefenwinkel in einem Bereich von 36° ≤ θschief ≤ 57° bezüglich
dem elektrischen Winkel eingestellt werden, während ein
Inhaltsverhältnis einer in einer induzierten Spannung des
bürstenlosen Motors enthaltenen fünften Oberschwingungskomponente
in einem Bereich von 4,5% bis 6,5% in Bezug auf eine Basiswelle eingestellt
werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 2006-174692
A [0004]
