DE112012001251T5

DE112012001251T5 - Drehende elektrische Maschine des Permanentmagnettyps

Info

Publication number: DE112012001251T5
Application number: DE112012001251T
Authority: DE
Inventors: Masato Ito; Shinichi Yamaguchi; Eigo Totoki; Daisuke Nishijima; Toshinori Tanaka
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-03-15
Filing date: 2012-01-18
Publication date: 2013-12-05
Also published as: CN103444053B; TW201238212A; TWI462435B; US20140001908A1; KR101506417B1; WO2012124372A1; KR20130127532A; US9537380B2; JPWO2012124372A1; JP5329005B2; CN103444053A

Abstract

Um eine drehende elektrische Maschine des Permanentmagnettyps zu erlangen, die in der Lage ist, eine Position eines Rotors während eines sensorlosen Antriebs hochgenau zu erfassen, wird eine drehende elektrische Maschine des Permanentmagnettyps bereitgestellt, die einen Rotor, der mehrere in einem gleichen Abstand angeordnete Magnetpole umfasst, und einen Stator aufweist, der mehrere Zähne und mehrere Ankerwicklungen umfasst. Eine Hochfrequenzspannung, die sich in Frequenz und Amplitude von Spannungen zum Erzeugen eines Drehmoments unterscheidet, wird an die Ankerwicklungen angelegt. Eine Magnetpolposition des Rotors wird geschätzt, indem eine Stromtrajektorie eines gemessenen Hochfrequenzstroms verwendet wird. Wenn eine dq-Transformation auf den gemessenen Hochfrequenzstrom angewendet wird, bildet eine Stromtrajektorie eine Ellipse auf einer d- und q-Achse. Winkeländerungsbereiche einer Hauptachse der Ellipse im Hinblick auf einen Laststrom und eine Rotorposition werden so eingestellt, dass eine vorbestimmte Positionsschätzungsauflösung erlangt wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine drehende elektrische Maschine des Permanentmagnettyps, die in der Lage ist, eine Position eines Rotor auf eine sensorlose Weise zu erfassen (zu einem drehsensorlosen Antrieb in der Lage ist).
Technischer Hintergrund
In den letzten Jahren wurden eine Zunahme bei der Zuverlässigkeit, eine Abnahme bei den Kosten und eine Verkleinerung für eine drehende elektrische Maschine des Permanentmagnettyps wie etwa einen Permanentmagnetmotor gefordert. Um diese Forderungen zu erfüllen, wurden drehsensorlose Antriebstechnologien entwickelt, die in der Lage sind, ohne eine Dreherfassungsvorrichtung wie etwa einen optischen Drehgeber (Encoder) oder einen Drehmelder (Resolver) auszukommen.
Als eines von drehsensorlosen Antriebsverfahren für die drehende elektrische Maschine des Permanentmagnettyps wird ein Hochfrequenzüberlagerungsverfahren vorgeschlagen, das eine Schätzung von Magnetpolpositionen eines Motors selbst dann ermöglicht, wenn sich der Motor nicht dreht (siehe zum Beispiel Patentschrift 1). Das Hochfrequenzüberlagerungsverfahren bringt es mit sich, eine von Spannungen unabhängige Hochfrequenzspannung anzulegen, um ein Drehmoment an Ankerwicklungen des Motors zu erzeugen, und eine durch eine Abhängigkeit (Salienz oder Ausgeprägtheit) der Induktanz des Motors von einer Rotorposition verursachte Differenz zwischen einem d-Achsen-Strom und einem q-Achsen-Strom zu verwenden, um die Position des Rotors zu erfassen.
Darüber hinaus wird als der Motor, der auf das Hochfrequenzüberlagerungsverfahren angewendet wird, nämlich als der Motor für den drehsensorlosen Antrieb, der die Abhängigkeit (Salienz) der Induktanz des Motors von der Rotorposition verwendet, ein Innenmagnetmotor verwendet, der über die Salienz verfügt (siehe zum Beispiel Patentschrift 2). Beim Innenmagnetmotor sind Permanentmagnete in einen Rotoreisenkern eingebettet, und ein Statoreisenkern ist einstückig strukturiert und hat eine Öffnungsform, wodurch eine Erfassung einer anfänglichen Magnetpolposition ermöglich wird, wenn eine Energieversorgung eingeschaltet wird.
Anführungsliste
Patentliteratur

[PS 1] WO 2009/040965 A1
[PS 2] JP 2004-056871 A

Zusammenfassung der Erfindung
Technische Probleme
Das in der Patentschrift 1 offenbarte Hochfrequenzüberlagerungsverfahren bringt es mit sich, die Erfassung der Position des Rotors unter der Annahme durchzuführen, dass die drehende elektrische Maschine des Permanentmagnettyps eine ideale Induktanzverteilung hat, sich speziell eine elliptische Trajektorie, die durch den d-Achsen-Strom und den q-Achsen-Strom gezogen wird, nicht abhängig von einer Last und der Rotorposition verändert.
Jedoch hat eine tatsächliche drehende elektrische Maschine des Permanentmagnettyps nicht die ideale Induktanzverteilung, ist somit groß beim Schätzfehler der Magnetpolposition, und hat ein derartiges Problem, dass die Positionsregelung nicht hochgenau durchgeführt werden kann.
Darüber hinaus muss, um die drehsensorlose Antriebstechnologie zu realisieren, die in der Lage ist, ohne eine Dreherfassungsvorrichtung für einen Motor wie etwa den optischen Drehgeber oder den Drehmelder auszukommen, die Positionserfassung für einen Rotor nicht nur dann durchgeführt werden, wenn die Energieversorgung eingeschaltet wird, sondern auch, wenn der Motor angetrieben wird (in einem Lastzustand, in dem ein Motorlaststrom zugeführt wird).
Ist hingegen, wie in der Patentschrift 2 offenbart, der Statoreisenkern einstückig strukturiert, neigt ein Zustand magnetischer Sättigung im Inneren des Eisenkerns dazu, sich abhängig vom Laststrom des Motors zu verändern. Deshalb besteht auch ein derartiges Problem, dass eine Größenordnung der Induktanz des Motors sich anhängig vom Laststrom verändert, was eine Vergrößerung beim Positionserfassungsfehler oder einen Ausstieg während des sensorlosen Antriebs bewirkt und die Struktur nicht auf die Positionierungsregelung angewendet werden kann.
Die vorliegende Erfindung ist dazu angedacht, die vorstehend erwähnten Probleme zu lösen, und hat als ein Ziel, eine drehende elektrische Maschine des Permanentmagnettyps zu erlangen, die in der Lage ist, eine Position eines Rotors während eines sensorlosen Antriebs hochgenau zu erfassen.
Lösung für die Probleme
Eine drehende elektrische Maschine des Permanentmagnettyps gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen Rotor auf, der mehrere in einem gleichen Abstand angeordnete Magnetpole umfasst, und einen Stator, der mehrere Zähne und mehrere Ankerwicklungen umfasst. Eine Hochfrequenzspannung, die sich in Frequenz und Amplitude von Spannungen zum Erzeugen eines Drehmoments unterscheidet, wird an die Ankerwicklungen angelegt. Eine Magnetpolposition des Rotors wird geschätzt, indem eine Stromtrajektorie eines gemessenen Hochfrequenzstroms verwendet wird. Wenn eine dq-Transformation auf den gemessenen Hochfrequenzstrom angewendet wird, bildet eine Stromtrajektorie eine Ellipse auf einer d- und q-Achse. Winkeländerungsbereiche einer Hauptachse der Ellipse im Hinblick auf einen Laststrom und eine Rotorposition werden so eingestellt, dass eine vorbestimmte Positionsschätzungsauflösung erlangt wird.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Wenn bei der drehenden elektrischen Maschine des Permanentmagnettyps gemäß der vorliegenden Erfindung die dq-Transformation auf den Hochfrequenzstrom angewendet wird, der gemessen wird, wenn die Hochfrequenzspannung angelegt wird, bildet die Stromtrajektorie die Ellipse auf der d- und q-Achse, und die Winkeländerungsbereiche der Hauptachse der Ellipse im Hinblick auf den Laststrom und die Rotorposition werden so eingestellt, dass die vorbestimmte Positionsschätzungsauflösung erlangt wird.
Dementsprechend ist es möglich, die drehende elektrische Maschine des Permanentmagnettyps zu erlangen, die in der Lage ist, die Position des Rotors während des sensorlosen Antriebs hochgenau zu erfassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein erläuterndes Schema, das ein Erfassungsverfahren für Magnetpolpositionen während eines sensorlosen Antriebs einer allgemeinen drehenden elektrischen Maschine des Permanentmagnettyps darstellt.
2 ist ein erläuterndes Schema, das eine ideale Induktanzverteilung im Hinblick auf eine Rotorposition einer drehenden elektrischen Maschine des Permanentmagnettyps zeigt.
3 ist ein erläuterndes Schema, das eine Stromtrajektorie auf einer d- und q-Achse zeigt, wenn eine mit einer Hochfrequenzspannung überlagerte Antriebsspannung an eine drehende elektrische Maschine des Permanentmagnettyps mit der idealen Induktanzverteilung angelegt wird.
4 ist ein erläuterndes Schema, das eine tatsächliche Induktanzverteilung im Hinblick auf die Rotorposition einer tatsächlichen drehenden elektrischen Maschine des Permanentmagnettyps zeigt.
5 ist ein erläuterndes Schema, das eine Stromtrajektorie auf einer d- und q-Achse zeigt, wenn die Antriebsspannungen, denen eine Hochfrequenzspannung überlagert ist, an die drehende elektrische Maschine des Permanentmagnettyps mit der tatsächlichen Induktanzverteilung angelegt werden.
6 ist ein erläuterndes Schema, das eine Stromtrajektorie nach einer Versatzverarbeitung für DC-Komponenten eines d-Achsen-Stroms darstellt, und ein q-Achsen-Strom auf die Stromtrajektorie an der d- und q-Achse angelegt wird, wenn die Antriebsspannungen, denen die Hochfrequenzspannung überlagert ist, an die drehende elektrische Maschine des Permanentmagnettyps mit der tatsächlichen Induktanzverteilung angelegt werden.
7 ist ein erläuterndes Schema, das ein repräsentatives Beispiel eines Untersuchungsergebnisses einer Anwendung einer drehenden elektrischen Maschine des Permanentmagnettyps auf einen drehsensorlosen Antrieb mittels einer Magnetfeldanalyse darstellt, wobei Formen eines Rotors und eines Stators als Parameter verwendet werden.
8 ist eine Querschnittsansicht, die eine Struktur einer drehenden elektrischen Maschine des Permanentmagnettyps gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
9 ist ein erläuterndes Schema, das eine Beziehung zwischen einem Schlitzöffnungsverhältnis und einer Phasenverschiebung zwischen einer Hauptachse in einem lastfreien Zustand und einer Hauptachse in einem Lastzustand mit einer Stromtrajektorienellipse bei der drehenden elektrischen Maschine des Permanentmagnettyps gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
10 ist ein erläuterndes Schema, das eine Beziehung zwischen dem Schlitzöffnungsverhältnis und einem Salienzverhältnis der drehenden elektrischen Maschine, das einem Verhältnis einer Nebenachse zur Hauptachse der Ellipse der Stromtrajektorie entspricht, und eine Beziehung zwischen dem Schlitzöffnungsverhältnis und einer Veränderung der Hauptachse der Stromtrajektorienellipse im Hinblick auf die Rotorposition bei der drehenden elektrischen Maschine des Permanentmagnettyps gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
11 ist ein erläuterndes Schema, das eine Beziehung zwischen einem Zahnbreitenverhältnis und dem Salienzverhältnis der drehenden elektrischen Maschine, das dem Verhältnis der Nebenachse zur Hauptachse der Ellipse der Stromtrajektorie entspricht, und eine Beziehung zwischen dem Zahnbreitenverhältnis und der Veränderung der Hauptachse der Stromtrajektorienellipse im Hinblick auf die Rotorposition bei der drehenden elektrischen Maschine des Permanentmagnettyps gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
12 ist eine Querschnittsansicht, die eine Struktur einer drehenden elektrischen Maschine des Permanentmagnettyps gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Beschreibung der Ausführungsformen
Nun erfolgt eine Beschreibung einer drehenden elektrischen Maschine des Permanentmagnettyps gemäß bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen, in denen dieselben oder entsprechende Komponenten mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind.
Erste Ausführungsform
Nun erfolgt mit Bezug auf 1 eine Beschreibung eines Erfassungsverfahres für Magnetpolpositionen einer drehenden elektrischen Maschine des Permanentmagnettyps während eines sensorlosen Antriebs. 1 ist ein allgemeines, erläuterndes Schema, welches das Erfassungsverfahren für die Magnetpolpositionen der drehenden elektrischen Maschine des Permanentmagnettyps darstellt. In 1 wird zur Erfassung der Magnetpolpositionen eine Antriebsspannung, der eine Hochfrequenzspannung überlagert ist, an die drehende elektrische Maschine des Permanentmagnettyps angelegt, und Magnetpolpositionen werden geschätzt, indem eine Stromwellenform eines in jeder der Phasen gemessenen Stroms verarbeitet wird.
2 zeigt dann eine ideale Induktanzverteilung im Hinblick auf eine Rotorposition der drehenden elektrischen Maschine des Permanentmagnettyps. In 2 hat die ideale Induktanzverteilung eine ideale Sinuswellenform mit zwei Schwingungskomponenten über 360 Grad, und besitzt eine Form, in der weder eine Phasenverschiebung noch eine Verzerrung auftritt, selbst wenn sich eine Größenordnung eines Laststroms verändert. Deshalb ist auch eine Stromwellenform im Hinblick auf die Rotorposition, wenn die Hochfrequenzspannung angelegt wird, eine ideale Sinuswellenform mit den zwei Schwingungskomponenten über 360 Grad.
Wenn dabei die Antriebsspannungen zum Erfassen von Magnetpolpositionen, denen die Hochfrequenzspannung überlagert ist, an die drehende elektrische Maschine des Permanentmagnettyps mit der idealen Induktanzverteilung wie in 2 gezeigt angelegt wird und der gemessene Strom in Bezug auf die d- und q-Achse in Koordinaten umgesetzt wird, wird eine in 3 gezeigte Stromtrajektorie erlangt. Mit anderen Worten verändert sich die Stromtrajektorie in Abhängigkeit von einer Veränderung bei der Induktanz im Hinblick auf die Rotorposition und bildet somit eine elliptische Trajektorie im Hinblick auf die d- und q-Achse. Es wäre anzumerken, dass in 3 eine Verhältnis der Nebenachse zur Hauptachse der Ellipse ein Salienzverhältnis darstellt.
Ferner tritt in der drehenden elektrischen Maschine des Permanentmagnettyps mit der idealen Induktanzverteilung aufgrund des Laststroms weder die Phasenverschiebung noch die Verzerrung in der Induktanzverteilung auf, und somit wird, wenn der Laststrom zugeführt wird, eine elliptische Trajektorie gezogen, die in der q-Achsenrichtung verschoben ist, bei der es sich um eine Antriebsstromrichtung handelt. Nachdem die Versatzverarbeitung für den dem Antriebsstrom entsprechenden q-Achsen-Strom angewendet wurde, sind die Stromtrajektorien sowohl in einem lastfreien Zustand als auch einem Lastzustand dieselben elliptischen Trajektorien.
Anzumerken ist, dass, wie vorstehend beschrieben, eine tatsächliche drehende elektrische Maschine des Permanentmagnettyps keine ideale Induktanzverteilung hat und deshalb so groß beim Schätzungsfehler der Magnetpolposition ist, dass eine Positionierungsregelung nicht hochgenau ausgeführt werden kann. 4 zeigt dann eine tatsächliche Induktanzverteilung, die als ein Ergebnis einer Untersuchung der Rotorposition der tatsächlichen drehenden elektrischen Maschine des Permanentmagnettyps erlangt wurde.
In 4 umfasst die tatsächliche Induktanzverteilung die Hochfrequenzkomponente (Klirrkomponente), und somit ist klar, dass die tatsächliche Induktanzverteilung eine andere Form als die ideale Sinuswellenform hat, und die Amplitude der Induktanzverteilung in Abhängigkeit von der Größenordnung des zugeführten Stroms abnimmt, wodurch die Phasenverschiebung verursacht wird.
Wenn darüber hinaus die Induktanzverteilung im Hinblick auf die Rotorposition der drehenden elektrischen Maschine des Permanentmagnettyps wie in 4 gezeigt generiert und der gemessene Hochfrequenzstrom in Bezug auf die d- und q-Achse in Koordinaten umgesetzt wird, wird die wie in 5 gezeigte Stromtrajektorie generiert. Mit anderen Worten verändert sich die Stromtrajektorie des Hochfrequenzstroms in Abhängigkeit von einer Veränderung bei der Induktanz und bildet daher eine elliptischen Trajektorie im Hinblick auf die d- und q-Achse.
Darüber hinaus zeigt 6 eine Stromtrajektorie nach der dem Antriebstrom entsprechenden Versatzbearbeitung, um sich auf die vom Laststrom herrührende Veränderung bei der elliptischen Form zu konzentrieren. Aus 6 lässt sich verstehen, dass die Induktanz bei der tatsächlichen drehenden elektrischen Maschine des Permanentmagnettyps keine Sinuswellenform hat, die Ellipse selbst im lastfreien Zustand gekippt ist (sich die Hauptachse der Ellipse dreht), und der Gradient der Ellipse sich im Lastzustand weiter verändert. Im Ergebnis ist ein Fehler groß, wenn die Magnetpolpositionen bei der tatsächlichen drehenden elektrischen Maschine des Permanentmagnettyps geschätzt werden, und die Positionierungsregelung kann nicht hochgenau durchgeführt werden.
Dabei muss in einer drehenden elektrischen Maschine des Permanentmagnettyps, bei der die Hochfrequenzspannung, die sich in Frequenz und Amplitude von den Spannungen zum Erzeugen des Drehmoments unterscheidet, an die Ankerwicklungen angelegt wird, um Magnetpolpositionen des Rotors unter Verwendung der Stromtrajektorie des Hochfrequenzstroms zu messen, um die Magnetpolpositionen zum Ausführen der hochgenauen Positionierungsregelung hochgenau zu schätzen, die Induktanzverteilung die ideale sinusförmige Verteilung unabhängig von dem Laststrom und der Rotorposition sein.
Jedoch hat die tatsächliche Induktanzverteilung keine Sinuswellenform, und die Phasenverschiebung tritt durch eine Last auf, und somit ist es schwierig, die Induktanzverteilung in der perfekten Sinuswellenform zu generieren. Deshalb wurden gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung basierend auf der vorstehend erwähnten sensorlosen Antriebstheorie, Motorleistungsbedingungen (Stromansprechbedingungen) dargelegt, die für den drehsensorlosen Antrieb erforderlich sind.
Mit anderen Worten stellte sich als Ergebnis einer Magnetfeldanalyse für die drehende elektrische Maschine des Permanentmagnettyps und eine Simulation für den drehsensorlosen Antrieb heraus, dass die folgenden Bedingungen 1 bis 3 als zum drehsensorlosen Antrieb erforderliche Stromansprechbedingungen gleichzeitig erfüllt werden müssen.
Speziell, wenn eine Hochfrequenzspannung, die sich in Frequenz und Amplitude von den Spannungen zum Erzeugen eines Drehmoments unterscheidet, an die Ankerwicklungen angelegt und der gemessene Hochfrequenzstrom dq-umgesetzt wird, hat die Stromtrajektorie die elliptische Form auf der d- und q-Achse (Bedingung 1), ein Winkeländerungsbereich der Hauptachse der Ellipse im Hinblick auf den Laststrom ist so reduziert, dass eine vorbestimmte Positionsschätzungsauflösung erreicht wird (Bedingung 2), und ein Winkeländerungsbereich der Hauptachse der Ellipse im Hinblick auf die Rotorposition ist so reduziert, dass die vorbestimmte Positionsschätzungsauflösung erreicht wird (Bedingung 3).
Zuerst hängt die Bedingung 1 (die Stromtrajektorie des Hochfrequenzstroms auf der d- und q-Achse hat eine elliptische Form) von einer Leistung eines zu verwendenden Stromsensors ab, aber unter Berücksichtigung, dass ein Fehler eines normalen Sensors ca. ±3% beträgt, muss ein Verhältnis der Nebenachse zur Hauptachse der Ellipse (Salienzverhältnis des Motors) gleich oder mehr als 6% betragen.
Wenn dabei das Verhältnis der Nebenachse zur Hauptachse der Ellipse (Salienzverhältnis des Motors) 5% oder im schlimmsten Fall weniger beträgt, wird eine Differenz beim Strom auf der d- und q-Achse in einem Fehler unauffällig und die Positionsschätzung kann nicht ausgeführt werden. Die Stromtrajektorie in der elliptischen Form auszubilden bedeutet, dass die Induktanzverteilung eine Grundwellenkomponente enthält und einer solchen Bedingung entspricht, dass die drehende elektrische Maschine des Permanentmagnettyps über Salienz verfügt.
Dann stellte sich, was die Bedingung 2 (Reduktion des Winkeländerungsbereichs der Hauptachse der Ellipse im Hinblick auf den Laststrom) betrifft, als Ergebnis der Magnetfeldanalyse für die drehende elektrische Maschine des Permanentmagnettyps und die Simulation für den drehsensorlosen Antrieb heraus, dass der Winkeländerungsbereich durch den Laststrom proportional zur Anzahl von Polpaaren des Motors und umgekehrt proportional zur Auflösung der Magnetpolpositionserfassung und einer Drehmomentwelligkeitsquote des Motors ist.
Wenn der Gradientenwinkel der Ellipse durch den Laststrom verändert wird, erfolgt eine der Veränderung entsprechende Korrektur mittels einer Regelung. Beträgt beispielsweise eine Differenz beim Veränderungsbetrag des Gradientenwinkels der Ellipse zwischen dem lastfreien Zustand und dem Nennlastzustand L Grad, wird der Korrekturbetrag Δθ des Gradienten der Ellipse als Δθ = L × q-Achsenstrom dargestellt.
Andererseits verursacht an der drehenden elektrischen Maschine des Permanentmagnettyps, selbst wenn der sinusförmige Strom zugeführt wird, das Vorhandensein einer harmonischen Komponente einer induzierten Spannung die Entstehung einer Drehmomentwelligkeit. Deshalb wird, selbst wenn ein Lastdrehmoment konstant ist, wenn eine Drehmomentwelligkeit besteht, eine Stromkomponente zum Ausgleichen der Drehmomentwelligkeitskomponente dem q-Achsen-Strom überlagert, um eine Drehzahlkonstanthaltung durchzuführen.
Beispielweise hat bei einer drehenden elektrischen Maschine des Permanentmagnettyps, die eine Drehmomentwelligkeit mit einer Welligkeitsbreite B (±B/2) aufweist, der q-Achsen-Strom auch die Veränderung von ±B/2 während der Drehzahlkonstanthaltung, was zu einem Positionsfehler führt. Deshalb muss der Positionsfehler so angesetzt werden, dass er in den Bereich einer Magnetpolpositionserfassungsauflösung A fällt, und eine Bedingung zum Ansetzen kann durch Gleichung (1) dargestellt werden. H × B/2 ≤ 360/A × Anzahl von Polpaaren (1)
Somit muss ein zum Erlangen der Zielmagnetpolpositionserfassungsauflösung A erforderlicher Änderungsbereich H des Gradienten der Ellipse zwischen dem lastfreien Zustand und dem Nennlastzustand einen Wert haben, der durch Gleichung (2) dargestellt ist. H ≤ 360/A × Anzahl von Polpaaren/B/2 = 360/A/B × Anzahl von Polpaaren (2)
Die obige Beschreibung setzt voraus, dass die Korrektur in Proportion zur Größenordnung des q-Achsen-Stroms durchgeführt wird. Jedoch hat auch die Größenordnung einer Regelverstärkung einen Einfluss auf die Korrektur, und wenn die Regelverstärkung nicht ausreichend erhöht werden kann, kann die Korrektur nicht ausgeführt werden. Im Ergebnis bestand ein Fall, in dem die Zielmagnetpolpositionserfassungsauflösung in dem die Gleichung (2) erfüllenden Änderungsbereich H nicht erhalten werden konnte. Gemäß einem Ergebnis einer vergangenen Untersuchung durch die Erfinder der vorliegenden Erfindung muss der Änderungsbereich des Gradienten der Ellipse zwischen dem lastfreien Zustand und dem Nennlastzustand für eine generelle Korrekturverstärkung ungefähr gleich oder weniger als 1/3 von Gleichung (2) sein.
Dann hat sich, was die Bedingung 3 (Reduktion des Winkeländerungsbereichs der Hauptachse der Ellipse im Hinblick auf die Rotorposition) betrifft, als Ergebnis der Magnetfeldanalyse für die drehende elektrische Maschine des Permanentmagnettyps und die Simulation für den drehsensorlosen Antrieb herausgestellt, dass der Winkeländerungsbereich der Rotorposition proportional zur Anzahl von Polpaaren des Motors und umgekehrt proportional zur Auflösung der Magnetpolpositionserfassung ist. Wenn der Änderungsbereich der Hauptachse der Stromtrajektorienellipse im Hinblick auf die Rotorposition S Grad beträgt, wird Gleichung (3) erfüllt. A ≤ 360/S/2 × Anzahl von Polpaaren (3)
Somit muss, um die Zielmagnetpolpositionserfassungsauflösung A zu erlangen, der Änderungsbereich S der Hauptachse der Stromtrajektorienellipse im Hinblick auf die Rotorposition einen Wert haben, der durch Gleichung (4) dargestellt wird. S ≤ 360/2 × Anzahl von Polpaaren/A = 360/A × Anzahl von Polpaaren (4)
Es wurden Stromansprechbedingungen des Motors beschrieben, die sich zum drehsensorlosen Antrieb eignen, und wenn die Zielauflösung des drehsensorlosen Antriebs gleich oder mehr als 200 Impulse/Umdrehung, der Drehmomentwelligkeitsbereich des Motors 0,1 (10%) und die Anzahl von Polpaaren 5 beträgt, werden spezifische Stromansprechbedingungen wie nachstehend beschrieben dargestellt. Mit anderen Worten muss der Motor so konzipiert sein, dass der Änderungsbereich H des Gradienten der Ellipse zwischen dem lastfreien Zustand und dem Nennlastzustand H ≤ 360/200/0,1 × 5/3 = 30 Grad erfüllt, und der Änderungsbereich S der Hauptachse der Stromtrajektorienellipse im Hinblick auf die Rotorposition S ≤ 360/200 × 5 = 9 Grad erfüllt.
Dabei werden bei der Auslegung der drehenden elektrischen Maschine des Permanentmagnettyps, während Magnetstrukturen sorgfältig untersucht werden, die das Drehmoment erhöhen und ein Rastmoment und die Drehmomentwelligkeit senken sollen, Magnetstrukturen zum Reduzieren der durch den Laststrom und die Rotorposition verursachten Veränderungen, indem bewirkt wird, dass die Induktanzverteilung näher an der Sinuswellenform liegt, kaum untersucht.
Insbesondere wird die Induktanzverteilung aufgrund einer Entstehung höherer harmonischer Wellenkomponenten, die durch magnetische Sättigung und die Schlitze entstehen, zu einer nicht sinusförmigen Wellenform und so war eine Magnetstruktur zum Optimieren der Induktanzverteilung unbekannt. Also wurde eine drehende elektrische Maschine des Permanentmagnettyps, die gleichzeitig alle Bedingungen 1 bis 3 erfüllt und sich zum drehsensorlosen Antrieb eignet, im Hinblick auf die Formen des Rotors und des Stators mittels der Magnetanalyse untersucht. 7 stellt ein repräsentatives Beispiel eines Ergebnisses der Magnetanalyse dar.
Aus 7 wird klar, dass eine IPM-Struktur gewählt werden muss, um die Bedingung 1 zu erfüllen. Hingegen wird klar, dass eine SPM-Struktur mit 10 Polen und 12 Schlitzen gewählt werden kann, um die Bedingungen 2 und 3 zu erfüllen. Jedoch kann die SPM-Struktur nicht die in Bedingung 1 definierte Salienz sicherstellen, und kann somit nicht auf den drehsensorlosen Antrieb angewendet werden.
Dann konzentrierte man sich zusätzlich zur Rotorstruktur und den Anzahlen von Polen und Schlitzen auf ein Schlitzöffnungsverhältnis, und es wurde eine Magnetfeldanalyse durchgeführt. Als Ergebnis stellte sich heraus, dass eine drehende elektrische Maschine des Permanentmagnettyps, die gleichzeitig alle Bedingungen 1 bis 3 erfüllt, die IPM-Struktur, 10 Pole, 12 Schlitze und eine Schlitzöffnungsverhältnis von gleich oder mehr als 0,6 haben muss. Nun erfolgt eine detaillierte Beschreibung einer Struktur der drehenden elektrischen Maschine des Permanentmagnettyps gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 ist eine Querschnittsansicht, die eine Struktur der drehenden elektrischen Maschine des Permanentmagnettyps gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In 8 umfasst die drehende elektrische Maschine des Permanentmagnettyps einen Stator 10 und einen Rotor 20. Der Stator 10 umfasst einen Statoreisenkern 11 und Ankerwicklungen 12, und der Rotor 20 umfasst einen Rotoreisenkern 21 und Permanentmagnete 22. Dabei sind die Permanentmagnete 22 in 10 Öffnungen eingesteckt, die innerhalb einer Außenumfangsfläche des Rotoreisenkerns 21 in der Umfangsrichtung in einem gleichen Abstand vorgesehen sind.
Der Statoreisenkern 11 mit zylindrischen Zähnen, an denen Ankerwicklungen 12 zum Erzeugen von drehenden Magnetfeldern zum Drehen des Rotors 20 vorgesehen sind, ist in der Umfangsrichtung in N Statorblöcke unterteilt. Dabei ist, wenn ein Spalt in der Umfangsrichtung zwischen umfänglich benachbarten distalen Enden des Statoreisenkerns 11 als La dargestellt ist, eine Größe des Zahns in der Umfangsrichtung als Lb dargestellt ist, und eine Innendurchmesserabmessung des Statoreisenkerns 11 als D dargestellt ist, der Spalt La in der Umfangsrichtung zwischen den distalen Enden des Statoreisenkerns 11 so eingestellt, dass Gleichung (5) erfüllt wird. 0,6 < La/(πD/N – Lb) < 1,0 (5)
Dabei zeigt 9 eine Beziehung, die durch die Magnetfeldanalyse zwischen dem Schlitzöffnungsverhältnis und einer Phasenverschiebung (Phasenverschiebung bei Induktanz) zwischen der Hauptachse in dem lastfreien Zustand und der Hauptachse im Lastzustand der Stromtrajektorienellipse berechnet wird. Darüber hinaus zeigt 10 eine berechnete Beziehung zwischen dem Schlitzöffnungsverhältnis und dem Salienzverhältnis der drehenden elektrischen Maschine, die einer Beziehung der Nebenachse zur Hauptachse der Ellipse der Stromtrajektorie entspricht, und eine berechnete Beziehung zwischen dem Schlitzöffnungsverhältnis und der Veränderung der Hauptachse der Stromtrajektorienellipse im Hinblick auf die Rotorposition. Es wäre anzumerken, dass es sich bei dem Schlitzöffnungsverhältnis um einen durch Gleichung (6) dargestellten Wert handelt. La/(πD/N – Lb) (6)
Aus 9 und 10 wird klar, dass ein optimales Schlitzöffnungsverhältnis gleich oder mehr als 0,6 beträgt, um die Phasenverschiebung zwischen der Hauptachse im lastfreien Zustand und der Hauptachse im Lastzustand der Stromtrajektorienellipse zu reduzieren, und um die Veränderung der Hauptachse der Stromtrajektorienellipse im Hinblick auf die Rotorposition zu reduzieren, während das Verhältnis der Nebenachse zur Hauptachse der Ellipse der Stromtrajektorie gleich oder mehr als 1,06 betragen soll. Und zwar deswegen, weil ein Schlitzstreufluss reduziert werden kann, indem das Schlitzöffnungsverhältnis erhöht wird, und somit eine durch den Laststrom und die Rotorposition verursachte Veränderung beim Zustand einer magnetischen Sättigung im Inneren des Statoreisenkerns 11 eingeschränkt werden kann.
Dabei wird der untere Grenzwert des Schlitzöffnungsverhältnisses auf 0,6 eingestellt, aber ein sogar noch größeres Schlitzöffnungsverhältnis kann das Verhältnis der Nebenachse zur Hauptachse der Ellipse der Stromtrajektorie vergrößern, kann die Phasenverschiebung zwischen der Hauptachse im lastfreien Zustand und der Hauptachse im Lastzustand der Stromtrajektorienellipse reduzieren, und kann die Veränderung der Hauptachse zur Stromtrajektorienellipse im Hinblick auf die Rotorposition reduzieren. Wenn sich das Schlitzöffnungsverhältnis 1,0 nähert, wird der Motor deshalb geeigneter für den drehsensorlosen Antrieb.
Ferner wird die Größe Lb des Zahns in der Umfangsrichtung so angesetzt, dass Gleichung (7) erfüllt wird, wenn D die Innendurchmesserabmessung des Statoreisenkerns 11 und N die Anzahl an Teilungen in der Umfangsrichtung der Statorblöcke ist. 0,57 < Lb/(πD/N) (7)
Dabei zeigt 11 eine Beziehung zwischen dem Zahnbreitenverhältnis und dem Salienzverhältnis der drehenden elektrischen Maschine, die der Beziehung der Nebenachse zur Hauptachse der Ellipse der Stromtrajektorie entspricht, und eine Beziehung zwischen dem Zahnbreitenvehältnis und der Veränderung der Hauptachse der Stromtrajektorienellipse im Hinblick auf die Rotorposition, die durch die Magnetfeldanalyse berechnet werden. Es wäre anzumerken, dass das Schlitzöffnungsverhältnis so angesetzt wird, dass es einem durch Gleichung (8) dargestellten Wert entspricht. Lb/(πD/N) (8)
Aus 11 wird klar, dass selbst wenn sich das Zahnbreitenverhältnis ändert, sich die Veränderung der Hauptachse der Stromtrajektorienellipse im Hinblick auf die Rotorposition kaum ändert, aber das Verhältnis der Nebenachse zur Hauptachse der Ellipse der Stromtrajektorie an einem Punkt abrupt zunimmt, an dem das Zahnbreitenverhältnis gleich oder kleiner als 0,57 wird. Und zwar deshalb, weil die Reduktion beim Zahnbreitenverhältnis die durch den Laststrom und die Rotorposition verursachte Veränderung bei Zustand der magnetischen Sättigung im Inneren des Rotoreisenkerns 11 einschränken kann, und klar ist, dass, wenn das Zahnbreitenverhältnis kleiner wird, der Motor für den drehsensorlosen Antrieb geeigneter wird.
Außerdem entstehen durch ein Stanzen des Eisenkerns eine Bearbeitungsverformung und eine Restspannung, und somit werden Magneteigenschaften schlechter. Deshalb ist gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Statoreisenkern 11 in der Umfangsrichtung unterteilt, um auch die Magneteigenschaften an abgeteilten Abschnitten des Stators 10 zu vermindern, wodurch der Eisenkern stabil magnetisch gesättigt wird. Diese Auslegung kann auch die durch den Laststrom und die Rotorposition verursachte Veränderung beim Zustand der magnetischen Sättigung im Inneren des Statoreisenkerns 11 einschränken.
Wie vorstehend beschrieben, kann die stabile magnetische Sättigung des Eisenkerns die Veränderung beim Zustand der magnetischen Sättigung im Inneren des Statoreisenkerns 11 einschränken, kann die Phasenverschiebung zwischen der Hauptachse im lastfreien Zustand und der Hauptachse im Lastzustand der Stromtrajektorienellipse reduzieren, und kann die Veränderung der Hauptachse der Stromtrajektorienellipse im Hinblick auf die Rotorposition reduzieren.
Außerdem werden, wenn P die Anzahl an Magnetpolen der drehenden elektrischen Maschine des Permanentmagnettyps und N die Anzahl an Schlitzen ist, P und N so angesetzt, dass P/(größter gemeinsamer Teiler von P und N) eine ungerade Zahl ist. Als Ergebnis kann die Veränderung der Hauptachse der Stromtrajektorienellipse im Hinblick auf die Rotorposition reduziert werden. Außerdem kann elektrolytische Korrosion eines Lagers als ein Fehlerfaktor der drehenden elektrischen Maschine des Permanentmagnettyps genannt werden, aber die oben erwähnte Einstellung von P und N kann das Entstehen einer Spannung an einer Welle verhindern, was den Motor für den drehsensorlosen Antrieb geeigneter macht. Außerdem kann die Positionsabhängigkeit der Induktanz reduziert werden.
Wie vorstehend beschrieben, bildet gemäß der ersten Ausführungsform in dem Fall, in dem der Hochfrequenzstrom, der gemessen wird, wenn die Hochfrequenzspannung anliegt, dq-umgesetzt wird, die Stromtrajektorie die elliptische Form auf der d- und q-Achse, und die Winkeländerungsbereiche der Hauptachse der Ellipse werden im Hinblick auf den Laststrom und die Rotorposition so eingestellt, dass die vorbestimmte Positionsschätzungsauflösung erlangt wird.
Deshalb kann eine drehende elektrische Maschine des Permanentmagnettyps bereitgestellt werden, an der die Position des Rotors während des sensorlosen Antriebs hochgenau erfasst werden kann.
Zweite Ausführungsform
12 ist eine Querschnittsansicht, die eine Struktur einer drehenden elektrischen Maschine des Permanentmagnettyps gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In 12 sind, wenn R0 ein Außenradius des Rotors 20 ist und R1 ein Krümmungsradius einer Oberfläche des Rotors 20 ist, R0 und R1 so eingestellt, dass R0 > R1 erfüllt ist.
Im Ergebnis kann eine magnetomotorische Kraft eines Hochfrequenzmagnetflusses des Rotors 20 reduziert werden, und kann die Veränderung der Hauptachse der Stromtrajektorienellipse im Hinblick auf die Rotorposition reduziert werden. Gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann im Vergleich zur Rotorform gemäß der ersten Ausführungsform, die das Verhältnis R0 = R1 hat, die Veränderung der Hauptachse der Stromtrajektorienellipse im Hinblick auf die Rotorposition um ca. 75% reduziert werden. Außerdem kann die Positionsabhängigkeit der Induktanz weiter reduziert werden.
Die drehenden elektrischen Maschinen des Permanentmagnettyps gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform ermöglichen die Schätzung der Magnetpolposition ohne eine Dreherfassungsvorrichtung für den Motor wie etwa den optischen Drehgeber oder den Drehmelder. Deshalb kann die Anzahl an Komponenten und Fehlerfaktoren reduziert werden. Im Ergebnis lassen sich eine hohe Zuverlässigkeit und niedrige Kosten erzielen. Es wäre anzumerken, dass der optische Drehgeber und der Drehmelder in Kombination verwendet werden können.
Bezugszeichenliste

10: Stator
11: Statoreisenkern
12: Ankerwicklung
20: Rotor
21: Rotoreisenkern
22: Permanentmagnet

Claims

Drehende elektrische Maschine des Permanentmagnettyps, Folgendes aufweisend: einen Rotor, der mehrere in einem gleichen Abstand angeordnete Magnetpole umfasst; und einen Stator, der mehrere Zähne und mehrere Ankerwicklungen umfasst, wobei: der Rotor Permanentmagnete umfasst, die in P Öffnungen eingesteckt sind, die innerhalb einer Außenumfangsfläche eines Rotoreisenkerns in der Umfangsrichtung in einem gleichen Abstand vorgesehen sind; der Stator einen Statoreisenkern mit N Zähnen und einer zylindrischen Form umfasst, an denen die mehreren Ankerwicklungen zum Erzeugen eines drehenden Magnetfelds, um den Rotor zu drehen, vorgesehen sind, wobei der Statoreisenkern in der Umfangsrichtung in N Statorblöcke unterteilt ist; und eine Einstellung so erfolgt, dass 0,6 < La/(πD/N – Lb) < 1,0 erfüllt ist, worin La ein Spalt in der Umfangsrichtung zwischen einander in der Umfangsrichtung benachbarten distalen Endabschnitten des Statoreisenkerns ist, Lb eine Größe jedes der mehreren Zähne in der Umfangsrichtung ist, und D eine Innendurchmesserabmessung des Statoreisenkerns ist, und P und N so eingestellt sind, dass P/(größter gemeinsamer Teiler von P und N) eine ungerade Zahl ist.
Drehende elektrische Maschine des Permanentmagnettyps nach Anspruch 1, wobei die Größe Lb jedes der mehreren Zähne des Stators in der Umfangsrichtung so eingestellt ist, dass 0,57 < Lb/(πD/N) erfüllt ist.
Drehende elektrische Maschine des Permanentmagnettyps nach Anspruch 1 oder 2, wobei R0 und R1 so eingestellt sind, dass R0 > R1 erfüllt ist, wobei R0 ein Außenradius des Rotors und R1 ein Krümmungsradius einer Oberfläche des Rotors ist.
Drehende elektrische Maschine des Permanentmagnettyps nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Positionierungsregelung ohne Verwendung einer Dreherfassungsvorrichtung durchgeführt wird.