DE60302116T2

DE60302116T2 - Bürstenloser Motor

Info

Publication number: DE60302116T2
Application number: DE60302116T
Authority: DE
Inventors: Takao Minami-ku Hasumi
Original assignee: Daido Steel Co Ltd
Current assignee: Daido Steel Co Ltd
Priority date: 2002-08-08
Filing date: 2003-08-08
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2023-08-09
Also published as: EP1389821A1; US6972503B2; EP1389821B1; US20040084985A1; DE60302116D1

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung betrifft einen bürstenlosen Motor und insbesondere einen bürstenlosen Motor, der für einen Motor, z.B. einen EPS-(Electric Power Assist Steering/elektrische Servolenkung)-Motor, oder ähnliches, geeignet ist, von dem eine extrem niedrige Rastmomentcharakteristik oder eine extrem niedrige Drehmomentwelligkeit gefordert wird.
In den letzten Jahren wird die elektrische Servolenkung (nachstehend mit "EPS" abgekürzt) mit Interesse als die Servolenkung wahrgenommen, die beim Auto usw., verwendet wird. Da es mit der EPS möglich ist auf die Pumpe und die Rohrleitung zu verzichten, die für die hydraulische Servolenkung notwendig sind, und die Energie nicht verbraucht wird, abgesehen vom kraftunterstützenden Vorgang, kann die EPS weitgehend zur Verbesserung des Treibstoffverbrauchs beitragen. Folglich ist eine derartige EPS vorteilhaft, um die Vereinfachung des Mechanismus und die Gewichtsreduzierung des Fahrzeugs zu erreichen.
14 zeigt ein Beispiel der EPS im Stand der Technik. In dieser EPS ist ein Motor 104 derart an einem Verbindungsabschnitt zwischen einer Säule 102, die ein Lenkrad 101 drehbar trägt, und einer Zwischenwelle 103 bereit gestellt, dass ein Abtrieb des Motors 104 den Lenkvorgang durch eine Kraft unterstützt, die auf eine Fahrzeuggeschwindigkeit reagiert. In einer derartigen EPS wird normalerweise eine Drehkraft des Motors direkt als eine Unterstützungskraft des Lenkvorgangs verwendet. Daher kommt der Fahrer über das Lenkrad indirekt in Kontakt mit der Drehachse des Motors und somit ist ein Einfluss eines Verhaltens des Motors auf das Lenkgefühl groß.
In derartigen EPS ist es vorzuziehen, dass die Drehmomentwelligkeit des Motors kleiner als 1 % oder weniger unterdrückt werden sollte, um sich nicht auf das Lenkgefühl auszuwirken (siehe zum Beispiel das Journal of the Japan Society of Mechanical Engineers 2002.1, Band 105, Nr. 998, Seite 58).
Dann wird im Stand der Technik, aufgrund derartiger Vorteile, dass die Drehmomentwelligkeit klein ist und die Drehmomentkontrolle leicht ausgeführt wird, der Gleichstrommotor mit der Bürste hauptsächlich als EPS-Antriebsquelle verwendet. Da der EPS-Motor jedoch in der Nähe des Fahrersitzes angeordnet ist, wird das Geräusch, das vom Motor erzeugt wird, zu einem Problem, wenn ein derartiger Motor mit der Bürste verwendet wird.
Ferner ist von verschiedenen Eigenschaften in Verbindung mit dem Verhalten des Motors besonders das Rastmoment von der Laufruhe des Vorgangs bei der Ruhestellung des Lenkrads betroffen, d.h. die lineare Stabilität des Fahrzeuges. Daher kann behauptet werden, dass diese wichtige Eigenschaft unbedingt erreicht werden muss.
Dann ist es ebenfalls notwendig, das Rastmoment in gewissem Maße zu reduzieren, indem die schräg laminierte Kernstruktur eingesetzt wird, der Dauermagnet schräg magnetisiert wird, oder ähnliches.
Wie die Maßnahme zum Unterdrücken der Drehmomentwelligkeit und zum Reduzieren des Rastmoments, kann die Maßnahme zum Anwenden der Schräge an den Motor in Betracht gezogen werden (siehe zum Beispiel die japanische Patentschrift JP-A-10-178766).
Zum Beispiel kann das Rastmoment in gewissem Maße reduziert werden, indem die schräg laminierte Kernstruktur eingesetzt wird, der Dauermagnet schräg magnetisiert wird, oder ähnliches.
Das Ausmaß der Reduzierung im Rastmoment, das vom EPS-Motor gefordert ist, ist jedoch sehr groß (zum Beispiel, 1 % oder weniger von der Nennleistung). Somit ist es schwierig, das Rastmoment ausreichend durch Anwenden der Schräge an den Motor zu reduzieren.
Dadurch befindet sich diese Maßnahme in einer derartigen Schwierigkeit, dass die Drehmomentwelligkeit nicht ausreichend reduziert werden kann, wenn der Schrägwinkel festgelegt ist, um das Rastmoment zu reduzieren, während das Rastmoment in diesem Fall nicht ausreichend reduziert werden kann, wenn der Schrägwinkel festgelegt ist, um die Drehmomentwelligkeit zu reduzieren.
Um das Rastmoment vom bürstenlosen Motor ausreichend zu reduzieren wird demzufolge vorgeschlagen, dass zum Beispiel eine magnetomotorische Kraft vom Dauermagneten geändert werden sollte (siehe japanische Patentschriften JP-A-9-140104, JP-A-2000-134893, usw.). Es wird zum Beispiel vorgeschlagen, dass das Rastmoment reduziert werden sollte, indem eine Wellenform von einem Magnetisierungsstrom geregelt wird, der an den Dauermagneten angelegt wird (nachstehend als "Magnetisierungswellenform" bezeichnet).
Gemäß der vom Erfinder der vorliegenden Erfindung ausgeführten Simulation, wird herausgefunden, dass es für die vorstehenden Vorschläge schwierig ist, das Rastmoment in dem Maße zu reduzieren, wie es von dem EPS-Motor gefordert wird.
Die vorliegende Erfindung ist in Hinblick auf derartige Probleme im Stand der Technik realisiert, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen bürstenlosen Motor bereit zu stellen, in dem das Rastmoment beträchtlich reduziert werden kann.
Diese Aufgabe wird für EPS durch die Verwendung des bürstenlosen Motors gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die Ansprüche definieren die Erfindung im Allgemeinen.
Die Erfindung beruht auf der detaillierten Analyse durch den Erfinder der Magnetisierungswellenform, die das Rastmoment minimiert. Somit wird die theoretische oder tatsächliche Richtlinie, die die optimale Magnetisierungswellenform gibt, die das Rastmoment minimieren kann, durch verschiedene Statorformen noch nicht geprüft. Wenn demgemäß der bürstenlose Motor an den Motor, z.B. den EPS-Motor, angewandt ist, von dem die extrem hohe Rastmomentcharakteristik gefordert wird, muss der Suchvorgang nach der optimalen Magnetisierungswellenform in verschiedenen Statorformen des Motors nebenbei ausgeführt werden, um das Rastmoment in einem ausreichenden Maße zu reduzieren. Dadurch ergibt sich das Problem, dass ein derartiger Vorgang die Kosten erhöht, wenn zum Beispiel der bürstenlose Motor an den EPS-Motor angewandt wird.
Gemäß einem Vorteil der vorliegenden Erfindung kann durch einen bürstenlosen Motor, in dem sowohl das Rastmoment, als auch die Drehmomentwelligkeit stark reduziert werden können, eine extrem ruhige Drehleistung erhalten werden, so dass eine Drehung sowohl zum Zeitpunkt ohne Spannungsversorgung, als auch zum Zeitpunkt mit Spannungsversorgung extrem ruhig gemacht werden kann.
Gemäß einem weiteren erfindungsgemäßen Vorteil im bürstenlosen Motor, der einen so genannten Dauermagneten einsetzt, wird herausgefunden, dass, wenn ein Neigungswinkel der trapezförmigen Magnetisierung vergrößert ist, das Rastmoment reduziert ist und ebenfalls eine Wellenform vom Rastmoment verformt ist, so dass eine Periode einer Wellenform vom Rastmoment durch die trapezförmige Magnetisierung mit einem bestimmten Neigungswinkel beinahe die Hälfte einer Periode einer Wellenform vom Rastmoment wird, durch die rechtwinklige Magnetisierung ohne Neigung oder die trapezförmige Magnetisierung mit jeglichem Neigungswinkel mit Ausnahme des vorgenannten bestimmten Neigungswinkels und, als ein Ergebnis kann das Rastmoment in einem Maße reduziert werden, das vom EPS-Motor gefordert wird.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist ein bürstenloser Motor bereit gestellt, in dem ein Dauermagnet durch eine trapezförmige Magnetisierung magnetisiert ist, und die trapezförmige Magnetisierung ist derart angewandt, dass eine Erzeugungsperiode eines Rastmoments auf beinahe die Hälfte der Erzeugungsperiode des Rastmoments festgelegt ist, das erzeugt ist, wenn der Dauermagnet, an dem eine rechtwinklige Magnetisierung angewandt ist, verwendet wird.
Im bürstenlosen Motor der vorliegenden Erfindung ist die Magnetisierung vorzugsweise derart angewandt, dass ein Spitzenwert einer Wellenform des Rastmoments im Wesentlichen gegenseitig übereinstimmt.
Ferner wird im bürstenlosen Motor der vorliegenden Erfindung zugleich eine Schrägmagnetisierung angewandt. In einem derartigen Fall wird vorzugsweise ein Schrägwinkel innerhalb eines Bereichs von +/–5 % von einem Bezugswinkel festgelegt.
Gemäß der Verwendung eines bürstenlosen Motors für EPS der Erfindung, wird ein Dauermagnet als ein Rotor verwendet, eine Magnetisierung des Dauermagneten ist angewandt, um eine trapezförmige Magnetisierung zu bilden, und in der trapezförmigen Magnetisierung ist wie folgt ein geneigter Magnetisierungs-Bereich festgelegt. α = β × r × θT, 0,375 ≤ r ≤ 0,550wobei

α:: der geneigte Magnetisierungs-Bereich ist,
θ_T:: 360 Grad/(das kleinste gemeinsame Vielfache der Nutzahl und der Magnetpolzahl) ist,
β:: die Konstante ist, die durch Teilen des kleinsten gemeinsamen Vielfachen M der Magnetpolzahl n_p und der Nutzahl n_s durch zwei mal die Nutzahl n_s (β:β = M/2n_s) abgeleitet ist, und
r:: die Rastmomentbezugszahl ist.

In einer Ausführungsform des bürstenlosen Motors, wie er in der vorliegenden Erfindung verwendet ist, wird ein Dauermagnet als ein Rotor verwendet und eine Motorantriebsstromwellenform ist eine sinusförmig Welle, und eine Magnetisierung des Dauermagneten ist anhand einer Kombination aus einer trapezförmigen Magnetisierung und einer Schrägmagnetisierung angewandt.
Da der bürstenlose Motor der vorliegenden Erfindung wie weiter oben beschrieben gebaut ist, können die Drehmomentwelligkeit und das Rastmoment in dem Maße reduziert werden, das an den EPS-Motor anwendbar ist.
Da der bürstenlose Motor der vorliegenden Erfindung wie weiter oben beschrieben gebaut ist, können sowohl das Rastmoment, als auch die Drehmomentwelligkeit stark reduziert werden. Daher kann die extrem ruhige Drehleistung erhalten werden und die Drehung kann zum Zeitpunkt ohne Spannungsversorgung ebenfalls extrem ruhig gemacht werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 eine schematische Querschnittdarstellung, die einen bürstenlosen Motor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 eine Schemadarstellung, die Details eines Rotors von diesem Motor zeigt und die eine Art einer trapezförmigen Magnetisierung zeigt.
3 ein Graph, der ein Verhältnis zwischen einer zirkumferentiellen Position und einer Intensität von Magnetisierung in einem Magnetpol des Rotors zeigt.
4 eine Schemadarstellung, die Details des Rotors von diesem Motor zeigt und die eine Art einer Schrägmagnetisierung zeigt.
5 ein Schaltbild, das ein Beispiel eines Antriebskreises zeigt, der an den bürstenlosen Motor der vorliegenden Erfindung anwendbar ist.
6 ein Graph, der eine Flächenmagnetflussdichteverteilung im 6-Pol/9-Nut-Motor in jeweiligen Ausführungsformen zeigt.
7 ein Graph, der Rastmomentcharakteristiken desselben zeigt.
8 ein Graph, der ein Verhältnis zwischen einem mechanischen Drehwinkel und dem Rastmoment im 12-Pol/9-Nut-Motor in jeweiligen Ausführungsformen zeigt.
9 ein Graph, der ein Verhältnis zwischen einem Schrägwinkel und einem maximalen Rastmoment in demselben Motor in jeweiligen Ausführungsformen zeigt.
10 ein Graph, der ein Verhältnis zwischen einem geneigten Magnetisierungs-Bereich und einem relativen Oberwellengehalt in einer induzierten Spannung im vorliegenden Motor zeigt.
11 ein Graph, der ein Verhältnis zwischen einem Schrägwinkel und dem relativen Oberwellengehalt in der induzierten Spannung in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
12 ein Graph, der ein Verhältnis zwischen dem geneigten Magnetisierungs-Bereich und einem maximalen Rastmoment im vorliegenden Motor zeigt.
13 ein Graph, der ein Verhältnis zwischen dem Schrägwinkel und dem maximalen Rastmoment in der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
14 eine Schemadarstellung, die eine schematische EPS-Konfiguration im Stand der Technik zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung wird anhand der Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht nur auf derartige Ausführungsformen beschränkt.
Eine schematische Konfiguration eines bürstenlosen Motors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in den 1, 2 und 3 gezeigt.
Eine Querschnittdarstellung des bürstenlosen Motors (der nachstehend einfach als "Motor" bezeichnet wird) wird in 1 gezeigt. Dieser Motor A ist ein Außenrotormotor, der einen Rotor 1 aufweist, der gebaut ist aus einem zylindrischen Dauermagneten und einem Stator 2, der in einem Hohlabschnitt 1a angeordnet ist.
Der Stator 2 wird durch das Laminieren einer Stahlplatte mit einer vorbestimmten geformten notwendigen Zahl von Blechen, oder durch Magnetpulverkern gebaut. Dieser Stator hat ein zylindrisches Statorjoch 2a, neun Statorhälse 2b, 2b, ... die radikal an einer äußeren peripheren Fläche des Statorjochs 2a in der zirkumferentiellen Richtung mit einem vorbestimmten Intervall, z.B. an einer Steigung von 40, bereit gestellt sind, und Statorzähne 2c, 2c, ... die an jeweiligen oberen Enden der Statorhälse 2b, 2b, ... gebildet sind. Antriebsspulen 2d, 2d, 2d, ..., sind jeweils um die Statorhälse 2b, 2b, ... gewickelt.
Die Antriebsspulen 2d, die als Einzelstatorwicklungen bezeichnet werden, bestehen aus Dreiphasen-Antriebsspulen, d.h. U-Phase-Antriebsspulen 2dU, V-Phase-Antriebsspulen 2dV, und W-Phase-Antriebsspulen 2dW. Diese Antriebsspulen sind derart in 1 im Uhrzeigersinn um die Statorhälse 2b, 2b, ... gewickelt, dass sich die V-Phase-Antriebsspule 2dV neben der U-Phase-Antriebsspule 2dU, die W-Phase-Antriebsspule 2dW neben der V-Phase-Antriebsspule 2dV, und die U-Phase-Antriebsspule 2dU neben der W-Phase-Antriebsspule 2dW befindet.
Der Rotor 1 wird näher in 2 gezeigt. Wie in 2 gezeigt wird, ist der Rotor 1 auf eine derartige Weise gebaut, dass jeweilige Magnetpole 11, die aus dem N Pol und dem S Pol bestehen, die jeweils wie ein Streifen mit gleicher Breite gebildet sind, alternativ in der zirkumferentiellen Richtung angeordnet sind. Dieser Rotor 1 ist gebildet durch das Formen verschiedener Dauermagneten einschließlich dem Ferritmagnet, dem Alnicomagnet, dem Sm-Co-Magnet, dem seltenen Erden-Fe-Magnet, usw. in einen zylindrischen Körper.
Wie in 3 gezeigt wird, ist im Magnetpol 11 des Rotors 1, eine Intensität der Magnetisierung festgelegt, um sich wie eine trapezförmige Form von einem Ende (D1) zum anderen Ende (D2) in der zirkumferentiellen Richtung zu ändern. Mit anderen Worten wird ein Abschnitt P, in dem eine Intensität der Magnetisierung (magnetomotorische Kraft) linear geändert ist innerhalb eines vorbestimmten Bereichsabschnitts von einer Grenzlinie D zwischen angrenzenden Magnetpolen 11 an beiden Seiten (nachstehend als "geneigter Magnetisierungs-Abschnitt" bezeichnet) dem Magnetpol 11 des Rotors 1 bereit gestellt.
Zu diesem Zeitpunkt, in einem Verhältnis zwischen einem Bereich, in dem der geneigte Magnetisierungs-Abschnitt P, der durch eine folgende Gleichung (1) gegeben ist, bereit gestellt ist (die durch einen Winkel α um die Zentralachse I des Rotors 1 dargestellt ist, und die nachstehend als "geneigter Magnetisierungs-Bereich" bezeichnet wird), und 360 Grad/(das kleinste gemeinsame Vielfache der Nutzahl und der Magnetpolzahl) θ_T, wird durch eine unabhängige Untersuchung, die vom Erfinder der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird, herausgefunden, dass das Rastmoment des Motors A deutlich reduziert werden kann, wenn eine Rastmomentbezugszahl r auf einen Wert innerhalb eines Bereiches festgelegt ist, der durch eine folgende Ungleichung (1) gegeben ist. α = β × r × θT, (1) wobei

β:: eine Konstante ist, die abgeleitet ist durch das Teilen des kleinsten gemeinsamen Vielfachen M der Magnetpolzahl n_p und der Nutzahl n_s durch zwei mal die Nutzahl n_s (β: β = M/2ns), und das Vielfache davon.

0,375 ≤ r ≤ 0,550 (2)

Mit anderen Worten, wenn der geneigte Magnetisierungs-Bereich α derart festgelegt ist, dass die Rastmomentbezugszahl r auf einen Wert von 0,375 oder mehr und 0,550 oder weniger in der vorstehenden Gleichung (1) festgelegt ist, kann das Rastmoment des Motors A deutlich in verschiedenen bürstenlosen Motoren reduziert werden, die die Magnetpolzahl n_p, die Nutzahl n_s, und 360 Grad/(das kleinste gemeinsame Vielfache der Nutzahl und der Magnetpolzahl) θ_τ, aufweisen, und dies in einem derartigen Maße, dass ein derartiger Motor zum Beispiel als der EPS-Motor angewandt werden kann. Noch vorteilhafter ist die Rastmomentbezugszahl 0,375 oder mehr und 0,425 oder weniger.
Mit anderen Worten kann das Rastmoment von 1 % oder weniger vom Nenndrehmoment (bei 0,1 % in den Ausführungsformen 1 und 2), das von einem EPS-Motor gefordert wird, leicht erreicht werden.
Da der Motor A wie der bürstenlose Motor gebaut ist, ist ebenfalls die Stille leicht zu erreichen, die vom EPS-Motor gefordert ist, der in der Nähe vom Fahrersitz angeordnet ist.
In diesem Fall zeigt in der vorstehenden Ungleichung (1) ein Produkt R (= r × β) von der Rastmomentbezugszahl r und der Konstante β eine Rate des geneigten Magnetisierungs-Bereiches α auf 360 Grad/(das kleinste gemeinsame Vielfache der Nutzahl und der Magnetpolzahl) θ_τ an. Daher wird dieses Produkt R in der vorliegenden Spezifizierung eine geneigte Magnetisierungs-Bereichsrate genannt.
Wenn hier, in dem Fall, in dem der Motor der Motor des Typs 6-Pol/9-Nut ist, der geneigte Magnetisierungs-Bereich α in der trapezförmigen Magnetisierung auf 15 Grad innerhalb des Bereichs festgelegt ist, der die vorstehenden Ausdrücke (1) (2) erfüllt, kann eine Rastmoment-Erzeugungsperiode um die Hälfte einer Rastmoment-Erzeugungsperiode reduziert werden, die erhalten ist, wenn der geneigte Magnetisierungs-Bereich α auf 0 Grad festgelegt ist, d.h. in der rechtwinkligen Magnetisierung, und ebenfalls ein Spitzenwert im wesentlichen gegenseitig übereinstimmt, wie in den weiter unten beschriebenen Ausführungsformen 1 und 2 gezeigt wird.
Wie es in 4 gezeigt wird, ist der Magnetpol 11 des Rotors 1 ferner gebildet, um eine Schräge an einem vorbestimmten Winkel θ_s zu haben. Dieser Winkel (der nachstehend ebenfalls als "Schrägwinkel" bezeichnet wird) θ_s ist festgelegt, um ferner das Rastmoment unter der Bedingung zu reduzieren, dass der geneigte Magnetisierungs-Bereich α festgelegt ist, um die vorstehenden Ausdrücke (1) (2) zu erfüllen. Insbesondere der Schrägwinkel θ_s, der anhand 1/2 eines Winkels festgelegt ist, der erhalten ist durch das Teilen von 360 Grad durch das kleinste gemeinsame Vielfache M der Polzahl des Stators 2 und der Polzahl des Rotors 1 (der nachstehend als ein "Bezugswinkel" bezeichnet wird). Insbesondere der Schrägwinkel θ_s ist als ein Winkel innerhalb eines Bereiches festgelegt, dessen obere Grenze und untere Grenze auf +/–5 % des Bezugswinkels festgelegt sind. Der Grund, aus dem hier die obere Grenze und die untere Grenze wie weiter oben festgelegt sind, ist, dass der optimale Schrägwinkel, an dem der Schrägmagnetisierungseffekt wie der Effekt von der Mittelung der Magnetisierung in der Höhenrichtung vergrößert ist, aufgrund der magnetischen Kraftlinienstreuung der oberen und unteren Enden des Magneten und der magnetischen Kraftverteilung des Magneten selbst geändert ist, und daher eine derartige Schwankung innerhalb dieses Bereiches gedeckt sein muss. Eine derartige Schwankung in diesem Bereich ist jedoch in allen bestehenden Magneten, die im Handel verfügbar sind, vorhanden.
Ferner kann die Schräge sowohl dem Magnetpol 11, als auch den Zahnabschnitten 2c bereit gestellt sein.
5 zeigt ein Beispiel eines Schaltbilds von einem Antriebskreis des Motors A. Dieser Antriebskreis B ist als ein Antriebskreis für einen bürstenlosen Dreiphasen-(U, V, W)-Motor gebaut, der den Motor A durch so genannten sinusähnlichen Strom antreibt.
Im Motor A in der derartigen Ausführungsform ist der geneigte Magnetisierungs-Abschnitt P an beiden Enden des Magnetpols 11 vom Rotor 1 im vorbestimmten Bereich bereit gestellt, um sowohl die Drehmomentwelligkeit, als auch das Rastmoment zu reduzieren, und die Schrägmagnetisierung ist ebenfalls an den Rotor 1 (Dauermagnet) am vorbestimmten Winkel θ_s angewandt, um das Rastmoment zu reduzieren, während die Drehmomentwelligkeit unterdrückt wird.
Wenn der Motor A an die EPS (Elektrische Servolenkung) angewandt ist, können als ein Ergebnis die Drehmomentwelligkeit und das Rastmoment ausreichend reduziert werden und daher kann der Einfluss der Drehmomentwelligkeit und des Rastmoments auf das Lenkgefühl ausreichend beseitigt werden, wie es in der später beschriebenen Ausführungsform 3 gezeigt wird.
Mit anderen Worten überschreitet im herkömmlichen bürstenlosen Motor, dessen Anwendung als EPS-Motor in Betracht gezogen wird, die Drehmomentwelligkeit normalerweise um 7 % und das Rastmoment überschreitet um 2 % (Verhältnisse zum Nenndrehmoment). Demgegenüber können im Motor A in der Ausführungsform leicht die Drehmomentwelligkeit und das Rastmoment von 1 % oder weniger erreicht werden, was für die Anwendung an der EPS ausreicht.
Daher kann der Einfluss der Drehmomentwelligkeit entspannt werden, obgleich die Sonderregelung, wie die Widerstandsregelung, durch die die Stromwellenform eingegeben wird, um zum Beispiel die Drehmomentwelligkeit aufzuheben, nicht in der Antriebsregelung des Motors A aufgenommen ist. (In diesem Fall ist es tatsächlich schwierig, den Einfluss der Drehmomentwelligkeit ausreichend durch die Widerstandsregelung, oder ähnlichem, aufzuheben).
Da der Motor A wie der bürstenlose Motor gebaut ist, ist es darüber hinaus einfach, die Stille zu erreichen, die vom EPS-Motor gefordert ist, der in der Nähe vom Fahrersitz angeordnet ist.
Gemäß eines Beispiels, das keinen Bestandteil der Erfindung bildet, ist ein Bereich α, in dem der geneigte Magnetisierungs-Abschnitt P bereit gestellt ist (durch einen Winkel um die Zentralachse I des Rotor 1 dargestellt, und nachstehend als "Geneigter Magnetisierungs-Bereich" bezeichnet) auf einen Winkel festgelegt, der sich innerhalb eines Bereiches befindet, der durch eine folgende Ungleichung (3) gegeben ist. E < α < F (3)Wobei

E:: (Winkel zwischen den Zähnen)/2, und
F:: 360 Grad/{(Polzahl des Stators) × 2}.

Als ein Ergebnis kann die harmonische Teilschwingung der induzierten Spannung reduziert werden und die Wellenform nähert sich einer idealen sinusförmigen Welle, so dass die Drehmomentwelligkeit ausreichend reduziert werden kann. Das heißt, dies beruht auf der Tatsache, dass die Drehmomentwelligkeit am kleinsten wird, wenn sich sowohl der Antriebsstrom, als auch die induzierte Spannung des Motors A der sinusförmigen Wellenform nähert.
Der α Wert, der erhalten wird, wenn ein relativer Oberwellengehalt γ (siehe nachstehend beschriebene Ausführungsformen) reduziert ist, wird hier hauptsächlich in dem Bereich geändert, der durch die Ungleichung (3) in Antwort auf die Form des Stators 2 gegeben ist.
Ferner ist, wie es in 4 gezeigt wird, der Magnetpol 11 des Rotors 1 gebildet, um eine Schräge eines vorbestimmten Winkels θ_s aufzuweisen. Dieser Winkel (der nachstehend ebenfalls als "Schrägwinkel" bezeichnet wird) θ_s ist derart anhand eines vorbestimmten Standards festgelegt, dass das Rastmoment hauptsächlich reduziert ist, unter der Bedingung, dass der geneigte Magnetisierungs-Bereich α festgelegt ist, um die weiter oben stehende Ungleichung (3) zu erfüllen. Mit anderen Worten ist der Schrägwinkel θ_s anhand eines Winkels festgelegt, der abgeleitet ist durch das Teilen von 360 Grad durch das kleinste gemeinsame Vielfache M der Polzahl des Stators 2 und der Polzahl des Rotors 1 (nachstehend als "Bezugswinkel" bezeichnet). Insbesondere der Schrägwinkel θ_s ist auf den Winkel in dem Bereich festgelegt, der jeweils +/–15 % vom Bezugswinkel als eine obere Grenze und eine untere Grenze aufweist.
In diesem Fall kann, anstelle der Bereitstellung der Schräge für Magnetpol 11, die Schräge dem Zahnabschnitt 2c des Stators 2 bereit gestellt werden. Die Schräge kann darüber hinaus dem Magnetpol 11 und dem Zahnabschnitt 2c bereit gestellt werden. Zusätzlich kann der Schrägwinkel θ_s anhand eines Winkels festlegt sein, der ein integrales Vielfaches vom Bezugswinkel ist.
5 zeigt ein Beispiel eines Antriebskreises des Motors A. Dieser Antriebskreis B ist wie ein bürstenloser Dreiphasen-(U, V, W)-Motorantriebskreis gebaut, der den Motor A durch einen sinusähnlichen Strom antreibt, um die Drehmomentwelligkeit im Motor A ausreichend zu reduzieren.
Auf diese Weise wird im Motor A der vorliegenden Ausführungsform der geneigte Magnetisierungs-Abschnitt P im vorbestimmten Bereich α an beiden Enden des Magnetpols 11 des Rotors 1 bereit gestellt, um die Drehmomentwelligkeit zu reduzieren, und die Schrägmagnetisierung ist ebenfalls an den Rotor 1 (Dauermagnet) mit dem vorbestimmten Winkel θ_s angewandt, um das Rastmoment zu reduzieren.
Unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen werden die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert.
(Ausführungsform 1)
Im bürstenlosen 6-PoL/9-Nut-Motor (θ_τ = 20 Grad, β = 2, nachstehend als "Erstbeispiel-Motor" bezeichnet), dessen Rotor (Magnet) 1 einen Innendurchmesser: Φ 32, einen Außendurchmesser: Φ 38, und ein Nd-Fe-B-Magnet des radial orientierten Typs hat, wenn die geneigte Magnetisierungs-Bereichsrate R des Magnetpols 11 (hier R = 2r) auf verschieden Werte festgelegt ist, d.h. 0 % (Bezugsbeispiel 1), 25 % (Vergleichsbeispiel 1), 50 % (Vergleichsbeispiel 2) und 75 % (Ausführungsform 1), zeigt 6 Simulationsergebnisse einer Flächenmagnetflussdichteverteilung (eine berechnete Position ist Φ 38,4). 7 zeigt die Rastmomentcharakteristiken im Vergleichsbeispiel 1 und im Beispiel 1. In diesem Fall ist die Schrägmagnetisierung nicht an den Motor der Ausführungsform 1 angewandt.
In 6 zeigt eine Abszisse einen Winkel (Grad) um die Zentralachse I an, indem ein Ende D1 (siehe 2) des Magnetpols 11 als ein Basispunkt verwendet wird, während eine Ordinate eine Flächenmagnetflussdichte des Magnetpols 11 an einer entsprechenden Winkelposition anzeigt. In 7 zeigt eine Abszisse einen Drehwinkel des Rotors 1 an, während eine Ordinate das Rastmoment an einer entsprechenden Winkelposition anzeigt.
Wie es in 7 gezeigt wird, wenn die geneigte Magnetisierungs-Bereichsrate R auf 25 % festgelegt ist (Vergleichsbeispiel 1), d.h. der geneigte Magnetisierungs-Bereich α ist auf den vollkommen ungeeigneten Wert festgelegt, ist das Rastmoment von 230 mN·m maximal im Motor der Ausführungsform 1 jeweils in Vor-Rückdrehungsrichtungen erzeugt.
Demgegenüber ist im Motor der Ausführungsform 1, wenn die Rastmomentbezugszahl r auf 75 % festgelegt ist, die die Bedingung erfüllt, die durch die vorstehende Ungleichung (2) (Ausführungsform 1) gegeben ist, der geneigte Magnetisierungs-Bereich α angemessen festgelegt. Demzufolge ist es ersichtlich, dass das Rastmoment deutlich unterdrückt ist und der Spitzenwert im Wesentlichen gegenseitig übereinstimmt.
Als Ergebnis kann gesagt werden, dass, wenn der geneigte Magnetisierungs-Bereich α festgelegt ist, um die Bedingung zu erfüllen, die durch die vorstehende Ungleichung (2) gegeben ist, das Rastmoment in einem derartigen Maße unterdrückt werden kann, dass dieser Motor der Ausführungsform 1 als der EPS-Motor angewandt werden kann.
(Ausführungsform 2)
Im bürstenlosen 12-Pol/9-Nut-Motor (θ_τ = 10 Grad, β = 2, der nachstehend als der Motor der Ausführungsform 2 bezeichnet wird), dessen Rotor (Magnet) 1 einen Innendurchmesser: Φ 32, einen Außendurchmesser: Φ 38, ein Nd-Fe-B-Magnet des radial orientierten Typs hat, zeigt 8 ein Verhältnis zwischen dem mechanischen Drehwinkel und dem Rastmoment, während der geneigte Magnetisierungs-Bereich α des Magnetpols 11 als ein Parameter verwendet wird.
In 8 ist in der Ausführungsform 2 der geneigte Magnetisierungs-Bereich α auf 8,0 Grad festgelegt (die geneigte Magnetisierungs-Bereichsrate R = 80,0 %, die Rastmomentbezugszahl r = 40 %). Im Vergleichsbeispiel 3 ist der geneigte Magnetisierungs-Bereich α auf 7,0 Grad festgelegt (die geneigte Magnetisierungs-Bereichsrate R = 70,0 %, die Rastmomentbezugszahl r = 35 %).
Im Vergleichsbeispiel 4 ist der geneigte Magnetisierungs-Bereich α auf 11,2 Grad festgelegt (die geneigte Magnetisierungs-Bereichsrate R = 112,0 %, die Rastmomentbezugszahl r = 56,0 %). Im Bezugsbeispiel 2 ist der geneigte Magnetisierungs-Bereich α auf 0 Grad festgelegt (sowohl die geneigte Magnetisierungs- Bereichsrate R, als auch die Rastmomentbezugszahl r sind 0 %).
Wie es 8 zeigt, wird im Motor der Ausführungsform 2 herausgefunden, dass die Wellenform des Rastmoments verformt ist, wenn der geneigte Magnetisierungs-Bereich α vergrößert ist, und ebenfalls im Beispiel 2, in dem der geneigte Magnetisierungs-Bereich α auf 8,0 Grad festgelegt ist, hat das Rastmoment den Mindestwert, die Periode ist auf beinahe die Hälfte der Periode im Bezugsbeispiel 2 reduziert, in dem der geneigte Magnetisierungs-Bereich α auf 0 Grad festgelegt ist, und der Spitzenwert stimmt im Wesentlichen gegenseitig überein. Im Vergleichsbeispiel 3 und im Vergleichsbeispiel 4, in dem die Bedingung, die durch die vorstehende Ungleichung (2) gegeben ist, nicht erfüllt ist, wird darüber hinaus herausgefunden, dass das Rastmoment vergrößert ist.
9 zeigt ein Verhältnis zwischen dem Schrägwinkel und dem maximalen Rastmoment im Motor der Ausführungsform 2.
Wie es 9 zeigt, wird im Motor der Ausführungsform 2, in Beispiel 2, Vergleichsbeispiel 3 bis Vergleichsbeispiel 4, und Bezugsbeispiel 2 allesamt herausgefunden, dass das maximale Rastmoment an einem Winkel gleich Null wird, der durch das Teilen von 360 Grad durch das kleinste gemeinsame Vielfache 36 der Polzahl und der Nutzahl erhalten wird, d.h. 10 Grad (theoretischer Winkel). In der Ausführungsform 2 wird ferner herausgefunden, dass das maximale Rastmoment an einem Winkel minimiert ist, der die Hälfte des theoretischen Winkels ist, d.h. 5 Grad.
(Ausführungsformen 3 bis 5)
Wenn eine trapezförmige Welle, wie die Magnetisierungs-Wellenform eines Magnetrotors an den 6-Pol/9-Nut-Motor des bürstenlosen Typs (nachstehend als Motor der Ausführungsform bezeichnet, und das vorstehende kleinste gemeinsame Vielfache M ist 18) angewandt ist, zeigt 10 ein Verhältnis zwischen dem geneigten Magnetisierungs-Bereich α und dem relativen Oberwellengehalt γ (5. Oberwelle) in der induzierten Spannung in gemessenen Ergebnissen. Hier wird der Fall gezeigt, in dem der Schrägwinkel θ_s auf 10 Grad festgelegt ist.
Wenn eine Motorantriebsstromwellenform eine sinusförmige Welle ist, ist es im Allgemeinen möglich, eine Drehmomentwelligkeit durch Antreiben eines Motors zu reduzieren, indem eine Komponente einer relativen Oberwelle der induzierten Spannung reduziert wird.
Wie in dieser Ausführungsform wird die Drehmomentwelligkeit klein, da die 3. Oberwelle durch Dreiphasenantreiben aufgehoben ist, wenn die 5. Oberwelle, deren Amplitude die breiteste ist, niedrig ist.
Wenn der geneigte Magnetisierungs-Bereich α auf die jeweiligen Werte von 10 Grad (Ausführungsform 3), 12,5 Grad (Ausführungsform 4), und 15 Grad (Ausführungsform 5) festgelegt ist, zeigt 11 ein Verhältnis zwischen dem Schrägwinkel θ_s und dem relativen Oberwellengehalt γ.
Ferner zeigt 11 als Vergleichsbeispiel 5 gemeinsam den Fall, in dem keine Neigung der Magnetisierung angewandt ist.
12 zeigt ein Verhältnis zwischen dem geneigten Magnetisierungs-Bereich α und dem maximalen Rastmoment. Hier wird der Fall gezeigt, in dem keine Schrägmagnetisierung angewandt ist.
Wenn der geneigte Magnetisierungs-Bereich α auf die jeweiligen werte von 12,5 Grad (Ausführungsform 4), 15 Grad (Ausführungsform 5), und 17,5 Grad (Ausführungsform 6) festgelegt ist, zeigt 13 ein Verhältnis zwischen dem Schrägwinkel θ_s und dem maximalen Rastmoment.
Wie es in 10 gezeigt wird, ist der relative Oberwellengehalt γ minimiert, wenn der Wert α auf 12,5 Grad festgelegt ist. Mit anderen Worten, wenn der geneigte Magnetisierungs-Bereich α auf 12,5 Grad festgelegt ist, nähert sich die induzierte Spannung weitmöglichst der sinusförmigen Welle und daher kann die Drehmomentwelligkeit minimiert werden.
Wie es 11 zeigt, wird darüber hinaus in allen Ausführungsformen 3, 4 und 5, da der relative Oberwellengehalt γ um den Schrägwinkel θ_s von 23 Grad bis 27 Grad minimiert werden kann, die Drehmomentwelligkeit an diesem Winkel minimal. In diesem Fall kann im Beispiel 4, in dem der Wert α auf 12,5 Grad festgelegt ist, die Drehmomentwelligkeit unter 1 % oder weniger in den Gesamtbereichen des Schrägwinkels θ_s von 10 Grad bis 40 Grad unterdrückt werden. Mit anderen Worten, wenn eine Breite α des geneigten Magnetisierungs-Abschnittes auf 12,5 Grad festgelegt ist, wird eine Abhängigkeit des relativen Oberwellengehalts γ von dem Schrägwinkel θ_s klein und es wird daher leicht, den relativen Oberwellengehalt γ zu unterdrücken.
Wie es in 12 gezeigt wird, ist der maximale Rastmoment minimiert, wenn der geneigte Magnetisierungs-Bereich α bei 15 Grad festgelegt ist (Ausführungsform 5 in 13).
Wie es in 13 gezeigt wird, ist der maximale Rastmoment in allen Ausführungsformen 4, 5 und 6 minimiert, wenn der Schrägwinkel θ_s auf 20 Grad (= 360 Grad ÷ M(= 18)) festgelegt ist.
Mit dem Vorstehenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die Ausführungsform erläutert. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht nur auf eine derartige Ausführungsform beschränkt, und es können zahlreiche Änderungen und Abweichungen vorgenommen werden. Es wird beispielsweise der so genannte 6-Pol/9-Nut-Motor in der Ausführungsform verwendet, aber die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist nicht auf den 6-Pol/9-Nut-Motor beschränkt und die vorliegende Erfindung kann bei verschiedenen bürstenlosen Motoren angewandt werden. Ferner wird der Außenrotormotor in der Ausführungsform verwendet, es kann aber auch der Innenrotormotor verwendet werden.
Wie weiter oben näher beschrieben wird, kann gemäß dem bürstenlosen Motor der vorliegenden Erfindung ein derart hervorragender Vorteil erhalten werden, dass das Rastmoment und die Drehmomentwelligkeit innerhalb eines Bereiches reduziert werden können, der an den EPS-Motor angewandt werden kann.
Ferner können gemäß dem bürstenlosen Motor der vorliegenden Erfindung derart hervorragende Vorteile erhalten werden, dass sowohl das Rastmoment, als auch die Drehmomentwelligkeit derart stark reduziert werden können, dass die extrem ruhige Drehleistung erhalten werden kann und dass die Drehung zum Zeitpunkt ohne Spannungsversorgung ebenfalls extrem ruhig erfolgen kann.

Claims

Verwendung eines bürstenlosen Motors (A) für elektrische Servolenkung (EPS), wobei der bürstenlose Motor (A) einen Stator (2) und einen Dauermagneten als Rotor (1) umfasst, wobei der Dauermagnet schräge Magnetpole (11) und eine zirkumferentiell trapezförmige radiale Magnetisierung aufweist, wobei die zirkumferentiell trapezförmige radiale Magnetisierung einen Abschnitt (P) aufweist, in dem sich eine Intensität der Magnetisierung linear zwischen angrenzenden Magnetpolen ändert, wobei der geneigte Magnetisierungs-Abschnitt (P) durch einen Winkel α dargestellt ist, der definiert wird durch α = β × r × θT, wobei θ_T: 360 Grad/(das kleinste gemeinsame Vielfache M der Nutzahl n_s und der Magnetpolzahl n_p) ist, β: die Konstante ist, die durch das Teilen des kleinsten gemeinsamen Vielfachen M der Magnetpolzahl n_p und der Nutzahl n_s durch zwei mal die Nutzahl n_s (β = M/2n_s) abgeleitet ist, und r: die Rastmomentbezugszahl ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rastmomentbezugszahl r wie folgt festgelegt wird: 0,375 ≤ r ≤ 0,550.
Verwendung des bürstenlosen Motors (A) gemäß Anspruch 1, wobei ein Schrägwinkel innerhalb eines Bereichs von ± 5 % von einem Bezugswinkel festgelegt ist, wobei der Bezugswinkel 1/2 eines Winkels beträgt, der erhalten wird, indem 360° durch das kleinste gemeinsame Vielfache M der Polzahl des Stators (2) und der Polzahl des Rotors (1) geteilt wird.
Verwendung des bürstenlosen Motors (A) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Motorantriebswellenform sinusförmig ist.
Verwendung des bürstenlosen Motors (A) gemäß Anspruch 3, der ferner einen Dreiphasenantriebskreis (B) verwendet.
Verwendung des bürstenlosen Motors (A) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rastmomentbezugszahl r 0,425 oder weniger ist.