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Gebiet der
Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
einen Antriebsmotor, der beispielsweise in einem Elektrofahrzeug
verwendet wird, und betrifft insbesondere ein Steuerverfahren für Drehmoment-Oberwellen
des Motors, der einen Innen-Permanentmagneten aufweist, und ein
dieses Verfahren nutzendes Steuergerät.
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Hintergrund
der Erfindung
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Für
einen Motor mit Permanentmagneten, die auf eine Läufer-Oberfläche geklebt
sind (nachstehend als „Oberflächen-Permanentmagnet-Motor" bezeichnet), wird
ein herkömmliches
Verfahren zum Verringern von Drehmoment-Oberwellen wie folgt beschrieben.
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Wenn der Motor noch nicht eingeschaltet
ist, wird die Form der Permanentmagneten, die auf die Oberfläche des
Läufers
geklebt werden sollen, oder die Form des Ständerblechpakets so modifiziert, dass
die Wellenform einer induzierten Spannung, die an Ständerwicklungen
auftritt, eine Sinuswelle sein kann, wenn der Läufer mit Mitteln von außen gedreht wird.
Dann wird ein Antriebssinusstrom an die Wicklungen angelegt, wodurch
die Drehmoment-Oberwellen verringert werden.
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17 ist
eine Schnittansicht des Oberflächen-Permanentmagnet-Motors,
der das vorgenannte Verfahren zur Verringerung von Drehmoment-Oberwellen
verwendet.
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In 17 geht
eine Welle 24 durch den Mittelpunkt eines Läuferblechpakets 21,
das geschichtete Stahlbleche aufweist, und ist am Mittelpunkt des Läuferblechpakets 21 befestigt.
Permanentmagnete 22 sind beispielsweise mit Klebstoff an
der Oberfläche
des Läuferblechpakets 21 angeklebt.
Ein Permanentmagnet ist so gestaltet, dass er an seinem Innen- und
Außendurchmesser
konvex nach außen
gebogen ist und die Radialbreite am Mittelpunkt größer als die
Breite an den beiden Enden ist. Der Oberflächen-Permanentmagnet-Läufer 20 weist die
vorgenannten Elemente auf, d. h. das Läuferblechpaket 21,
die Magnete 22 und die Welle 24.
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Ein Ständer 11 hat eine Vielzahl
von Zähnen 12,
und die Zähne
sind mit Wicklungen (nicht dargestellt) versehen. Der Läufer 20 zeigt
zum Ständer 11 mit
einem Luftspalt mit einem geringen Abstand dazwischen.
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Wenn der Magnetfluss, der von den
Magneten 22 erzeugt wird, zu den Zähnen 12 des Ständers 11 fließt, ändert sich
der Betrag des Magnetflusses aufgrund des vorgenannten Aufbaus des
Läufers mäßig, sodass
die Wellenform der induzierten Spannung, die in den Wicklungen entsteht,
näherungsweise
durch eine Sinuswelle wiedergegeben werden kann. Dann wird ein Sinusstrom
an die vorgenannten Wicklungen angelegt, sodass die Drehmoment-Oberwellen
verringert werden können.
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Wenn jedoch dieser Motortyp mit einer
hohen Drehzahl gedreht wird, zerstreuen sich die auf die Läufer-Oberfläche geklebten
Magneten 22 durch die Zentrifugalkraft, sodass Maßnahmen,
wie etwa das Verkleiden des. Läufers 20 mit
einem Rohr aus nichtrostendem Stahl, erforderlich sind.
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Bei einem Reluktanzmotor ohne Permanentmagnete
wird ein Strommuster, das die Ausbreitung des entstandenen Drehmoments
verengen kann, für den
in die Wicklungen eingespeisten Strom festgelegt, und dann wird
das Drehmoment aufgrund des Musters des eingespeisten Stroms gesteuert.
Dieses Verfahren ist in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung
Nr. H02-206389 beschrieben.
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Diese Arten von Motoren werden tatsächlich in
großer
Anzahl gebaut, aber aufgrund des fehlenden Magneten erzeugen sie
manchmal kein ausreichendes Drehmoment.
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Um diese Probleme zu überwinden,
ist vor kurzem ein Motor mit Innen-Permanentmagneten marktfähig gemacht
worden. Bei diesem Motor sind die Permanentmagnete im Inneren des
Läuferblechpakets
angeordnet, wodurch ein hoher Wirkungsgrad und ein hohes Drehmoment
realisiert werden.
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5 ist
eine Schnittansicht, die den Aufbau des Motors mit Innen-Permanentmagneten
zeigt, und 6 stellt
das von dieser Motorart erzeugte Drehmoment dar, wobei die x-Achse
die Stromphase angibt, die den Ständerwicklungen zugeführt wird, und
die y-Achse die Größe des Drehmoments
angibt. In 6 stellt
eine Kurve 51 ein von den Magneten erzeugtes Drehmoment
(nachstehend als „Magnet-Drehmoment" bezeichnet) dar,
eine Kurve 52 stellt ein synchrones Drehmoment dar, und
eine Kurve 53 stellt ein kombiniertes Drehmoment dieser
beiden Drehmomente dar.
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Bei dem in 5 gezeigten Aufbau besteht die folgende
Beziehung: Ld < Lq,wobei
Ld die Induktivität
entlang der Richtung „d" und Lq die Induktivität an der
Grenze der Läuferpole
ist.
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In der Regel wird das Drehmoment
T des Motors durch folgende Gleichung angegeben: T
= Pn{ψa·I·cos β + 0,5(Lq – Ld)I2·sin
2β},wobei
Pn die Anzahl der Läuferpolpaare
ist, ψa
der Verbindungs-Magnetfluss zwischen dem Läufer und dem Ständer ist,
I der Wicklungsstrom des Ständers ist
und β der
Leitungsphasenwinkel (Phasenwinkel) ist.
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In der vorstehenden Gleichung stellt
der erste Term ein Magnet-Drehmoment dar und der zweite Term stellt
ein synchrones Drehmoment dar. Da in der vorstehenden Gleichung
Ld < Lq gilt, wird
die Phase des Wicklungsstroms I so gesteuert, dass sie in Bezug
zu der Phase der in jeder Phase erzeugten Induktionsspannung fortschreitet,
wobei β > 0 realisiert wird
und ein synchrones Drehmoment entsteht. Auf diese Weise kann bei
dem vorgenannten Aufbau durch Einstellen von β auf einen vorgegebenen Wert ein
größeres Drehmoment
bei gleichem Strompegel als in dem Fall erzeugt werden, dass nur
das Magnet-Drehmoment vorliegt. Wenn der Motor mit den vorgenannten
Innen-Permanentmagneten von dem in 18 gezeigten
Sinusstrom angetrieben wird, entsteht die in 19 gezeigte Drehmoment-Oberwelle. Diese
Drehmoment-Oberwelle entsteht durch Kombination des Magnet-Drehmoments und des synchronen
Drehmoments.
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An sich ist es bei dem Motor mit
Innen-Permanentmagneten schwierig, die Drehmoment-Oberwellen zu
verringern, da das Drehmoment durch Kombination des Magnet-Drehmoments
und des synchronen Drehmoments erzeugt wird, obwohl der Ständerwicklungsstrom
sinuswellenförmig
ist.
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Die vorstehende Darstellung kann
wie folgt zusammengefasst werden: Der herkömmliche Oberflächen-Permanentmagnet-Motor
erzeugt ein Drehmoment nur aufgrund der Permanentmagnete, weshalb
die Form der Magnete so modifiziert ist, dass die Wellenform der
in den Ständerwicklungen
erzeugten Induktionsspannung näherungsweise
eine Sinuswelle ist und der Sinusstrom in die Wicklungen eingespeist
wird, wodurch die Drehmoment-Oberwellen verringert werden. Bei dem
Motor mit Innen-Permanentmagneten hingegen ist die Wellenform der
in den Ständerwicklungen
erzeugten Induktionsspannung näherungsweise
eine Sinuswelle und der Sinusstrom wird in die Wicklungen eingespeist,
und das entstandene Drehmoment ist eine Kombination aus Magnet-Drehmoment
und synchronem Drehmoment. Daher kann auch dann, wenn die durch
die Permanentmagnete bedingte Drehmoment-Oberwellen-Komponente verringert
werden kann, die andere Komponente, die durch das synchrone Drehmoment
bedingt ist, nicht verringert werden.
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Verwiesen sei auf EP-B-0564608, das
die Kompensation der Drehmoment-Oberwellen
in einem Permanentmagnet-Elektromotor beschreibt. Ein Eingangssteuerstrom-Befehlssignal wird
entsprechend einer Anzahl von Kompensationsfaktoren, die in einem
Speicher gespeichert sind und jeder von einer Anzahl von Wellen-Winkelpositionen
entsprechen, so modifiziert, dass ein Steuersignal so bereitgestellt
wird, dass ein Wechselrichter jede der Anzahl von Phasen eines Permanentmagnet-Längsfeldmotors
so antreibt, dass der Motor ein oberwellenfreies Drehmoment-Ausgangssignal
erzeugt. Die in dem Speicher gespeicherten Kompensationswerte werden
entsprechend der Quelle der Drehmoment-Oberwellen, wie etwa Schwingungen,
Lastbetrieb, Geräusche
und Abweichungen im Motor-Aufbau, identifiziert und bestimmt.
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Kurze Darstellung
der Erfindung
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Die Erfindung ist in den Ansprüchen definiert.
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Ein Vorzug der vorliegenden Erfindung
besteht darin, dass sie die vorgenannten Probleme angehen kann und
ein Verfahren zum Steuern von Drehmoment-Oberwellen und ein dieses
Verfahren nutzendes Steuergerät
zur Realisierung eines Innen-Permanentmagnet-Motors
mit geringen Drehmoment-Oberwellen bereitstellen kann.
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Bei einer Ausführungsform soll dieses Verfahren
durch (1) Messen der im Motor erzeugten Drehmoment-Oberwellen; (2)
Transformieren der gemessenen Drehmoment-Oberwellen in Drehmoment-Kompensations-Wellenformen
nach dem Drehmoment-Oberwellen-Kompensationsmuster,
das im letzten Absatz von Anspruch 1 oder 2 definiert ist; (3) Multiplizieren
der Drehmoment-Kompensations-Wellenformen mit dem Grundstrom, sodass
der Drehmoment-Oberwellen-Steuerstrom entsteht; und (4) Einspeisen
des Drehmoment-Oberwellen-Steuerstroms in die Vielzahl von Phasenwicklungen,
wodurch der Motor angetrieben wird; die Oberwellen steuern. Die bei
dem vorgenannten Verfahren entstehenden Drehmoment-Oberwellen werden
anschließend
mit Drehmoment-Oberwellen-Feststellungsmitteln
festgestellt, wodurch eine Rückkopplungsregelung
zum Antreiben des Motors durchgeführt wird. Der Drehmoment-Oberwellen-Steuerstrom
wird in Abhängigkeit
von den im laufenden Motor erzeugten Drehmoment-Oberwellen eingespeist,
wodurch die Drehmoment-Oberwellen in Reaktion auf einen Fahrzustand des
Motors verringert werden.
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Es gibt ein bevorzugtes Verfahren
zum Steuern der Drehmoment-Oberwellen, und zwar wird zusätzlich zu
den vorgenannten Schritten ein Drehzahlgeber vorgesehen und aufgrund
der ermittelten Drehzahl wird der Motor im unteren Drehzahlbereich mit
dem Drehmoment-Oberwellen-Steuerstrom angetrieben, der der vorstehend
beschriebenen Drehmoment-Oberwellen-Kompensation unterzogen worden
ist, während
der Motor im oberen Drehzahlbereich mit dem Grundstrom, nämlich dem
Speisestrom, der eine Rechteck- oder
Sinuswellenform hat, angetrieben wird. Somit ist für einen
Gegenstand mit einer hohen Masse und einem großen Trägheitsmoment, wie beispielsweise
ein Elektrofahrzeug, dieses Steuerverfahren für seinen Antriebsmotor vorteilhaft, d.
h. die Drehmoment-Oberwellen sind in seinem unteren Drehzahlbereich
gering, und das herkömmliche Antriebsverfahren
für den
Motor kann in seinem höheren
Drehzahlbereich verwendet werden, wo das Trägheitsmoment groß ist.
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Es gibt noch ein weiteres bevorzugtes
Verfahren zum Steuern der Drehmoment-Oberwellen. Auch bei diesem Verfahren
ist ein Drehzahlgeber vorgesehen und aufgrund der ermittelten Drehzahl
wird der Motor im unteren Drehzahlbereich mit dem Drehmoment-Oberwellen-Steuerstrom
angetrieben, der der vorstehend beschriebenen Drehmoment-Oberwellen-Kompensation
unterzogen worden ist, während
der Motor im oberen Drehzahlbereich mit einem Drehmoment-Oberwellen-Steuerstrom
angetrieben wird, der einer Drehmoment-Oberwellen-Kompensation unterzogen
worden ist, die einen kleineren Kompensationswert als den verwendet,
der im unteren Drehzahlbereich verwendet wird. Mit diesem Verfahren
kann eine optimale Steuerung in Reaktion auf das Trägheitsmoment
eines Gegenstands realisiert werden.
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Ein erfindungsgemäßes Elektrofahrzeug wird mit
dem Motor mit Innen-Permanentmagneten angetrieben.
Der Motor wird mit dem vorstehenden Verfahren so gesteuert, dass
das Drehmoment so kompensiert wird, dass die Drehmoment-Oberwellen im
unteren Drehzahlbereich, wo das Trägheitsmoment so klein ist,
dass die Oberwellen Schwingungen hervorrufen, gering sind, während im
oberen Drehzahlbereich die Drehmoment-Kompensation abgeschwächt wird,
da das Trägheitsmoment
des Elektrofahrzeugs groß ist.
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Wie vorstehend beschrieben, kann
der Motor mit Innen-Permanentmagneten erfindungsgemäß mit einem
niedrigen Drehmoment-Oberwellen-Niveau angetrieben werden, und dadurch
können
ein Motorsteuerverfahren und ein Motor-Steuergerät mit einer hohen Leistungsfähigkeit
zur Verfügung
gestellt werden.
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Außerdem kann, wenn das Drehmoment-Oberwellen-Steuerverfahren
für einen
Motor mit Innen-Permanentmagneten, der in einem Elektrofahrzeug
eingesetzt wird, gewählt
wird, das Elektrofahrzeug mit geringeren Drehmoment-Oberwellen und
einem hohen Wirkungsgrad betrieben werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein Blockdiagramm, das ein Steuerverfahren für die Drehmoment-Oberwellen zeigt,
die in einem Motor mit Innen-Permanentmagneten entstehen, der in
der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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2 ist
ein Blockdiagramm, das ein Steuerverfahren für die Drehmoment-Oberwellen zeigt,
die in einem Motor mit Innen-Permanentmagneten entstehen, der bei
der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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3 ist
ein Blockdiagramm, das ein Steuerverfahren für die Drehmoment-Oberwellen zeigt,
die in einem Motor mit Innen-Permanentmagneten entstehen, der bei
der dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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4 ist
ein Blockdiagramm, das ein Steuerverfahren für die Drehmoment-Oberwellen zeigt,
die in einem Motor mit Innen-Permanentmagneten entstehen, der bei
der vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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5 ist
eine Schnittansicht des Motors mit Innen-Permanentmagneten.
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6 zeigt
ein Drehmoment, das in dem Motor mit Innen-Permanentmagneten entsteht.
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7 zeigt,
wie die kompensierte Wellenform zum Steuern der Drehmoment-Oberwellen bei der
ersten Ausführungsform
zu berechnen ist.
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Die 8 bis 10 zeigen das Gleiche.
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11 zeigt
einen Rechteckstrom, der von der Grundstrom-Speiseschaltung bei
der ersten Ausführungsform
eingespeist wird.
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12 zeigt
eine Strom-Wellenform zur Steuerung der Drehmoment-Oberwellen bei
der ersten Ausführungsform.
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13 zeigt
ein Beispiel für
den Strom, der eine Rechteckwelle bildet.
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14 zeigt
ein Beispiel für
die Drehmoment-Oberwellen, die von dem Motor erzeugt werden, der
mit dem in 13 gezeigten
Rechteckstrom angetrieben wird.
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15 zeigt
ein Beispiel für
die Steuerstrom-Wellenform der Drehmoment-Oberwellen zur Verringerung der Drehmoment-Oberwellen
bei der ersten Ausführungsform.
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16 zeigt
ein Beispiel für
eine Drehmoment-Oberwellen-Wellenform, die in dem Motor entsteht,
der mit dem in 15 gezeigten
Steuerstrom angetrieben wird.
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17 ist
eine Schnittansicht eines herkömmlichen
Oberflächen-Permanentmagnet-Motors, der ebenfalls
die Drehmoment-Oberwellen verringert.
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18 ist
ein Sinusstrom.
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19 ist
eine Drehmoment-Oberwellen-Wellenform, die in dem Motor mit Innen-Permanentmagneten
entsteht, der mit dem in 18 gezeigten
Sinusstrom angetrieben wird.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Nachstehend werden Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
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Ausführungsform 1
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1 ist
ein Blockdiagramm, das ein Steuerverfahren für die Drehmoment-Oberwellen zeigt,
die in einem Motor mit Innen-Permanentmagneten entstehen, der bei
der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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5 ist
eine Schnittansicht des Motors mit Innen-Permanentmagneten. In 5 weist ein Ständer 30 folgende
Elemente auf: ein Ständerblechpaket 31 aus
geschichteten Stahlblechen, das aus einem von zwölf Flügeln mit Zähnen 32 und einem
entsprechenden Joch 33 besteht, das sich am Fuß der Zähne 32 befindet,
und Wicklungen, die an jedem Ständerblechpaket 31 vorgesehen
sind, wobei die einzelnen Ständerblechpakete
durch Laserschweißen
o. Ä. miteinander
so verbunden sind, dass ein Zylinder entsteht.
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Die zwölf Flügel mit Zähnen 32 sind jeweils mit
konzentrierten Wicklungen (nicht dargestellt) versehen. Eine Wicklung
ist, von dieser Wicklung aus gezählt,
mit der dritten, sechsten und neunten Wicklung so in Reihe verbunden,
dass eine U-Phasenwicklung entsteht. Eine weitere Wicklung neben
der vorgenannten Wicklung ist, von dieser weiteren Wicklung aus
gezählt,
ebenfalls mit der dritten, sechsten und neunten Wicklung so in Reihe
verbunden, dass eine V-Phasenwicklung entsteht. In der gleichen
Weise ist auch die restliche Wicklung so in Reihe verbunden, dass
eine W-Phasenwicklung entsteht. Diese U-, V- und W-Phasenwicklungen
stellen Dreiphasen-Ständerwicklungen
dar.
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Ein Läufer 40 ist koaxial
mit dem Ständer 30 und
hat die Form eines Zylinders. Die Außenfläche des Läufers 40 zeigt über einen
Luftspalt mit einem schmalen Abstand dazwischen zur Innenfläche des Ständers 30.
Der Läufer 40 wird
von einem Lager (nicht dargestellt) getragen, sodass sich der Läufer 40 auf
einer Welle 44 drehen kann. Außerdem sind im Läufer 40 acht
Spalte 42, die die Form des Buchstabens V haben, axial
in etwa gleichen Abständen entlang
der Drehrichtung eines Läuferblechpakets 41 gestanzt,
und die Spalte 42 nehmen Permanentmagnete 43 auf,
sodass acht Magnetpole entstehen. Die Permanentmagnete sind so in
die Spalte eingesetzt, dass abwechselnd ein Pol N und ein Pol S
der Reihe nach angeordnet sind. Der Permanentmagnet 43 kann
ein fester Magnet sein, der in den Spalt 42 eingesetzt
und mit Klebstoff befestigt wird, oder er kann ein Harzmagnet sein,
der in dem Spalt 42 geformt wird, bevor er magnetisiert
wird.
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An beiden Enden des Läuferblechpakets 41 ist
eine Kontaktplatte (nicht dargestellt) vorgesehen und mit Stiften
(nicht dargestellt) über
Löcher
(nicht dargestellt) axial so genietet, dass die Magnete 43 fest
in dem Läuferblechpaket 41 sitzen.
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Aufgrund des umlaufenden Magnetfelds zieht
der Läufer-Magnetpol
die Zähne 32 des
Ständers 30 an
oder stößt sie ab,
sodass der Läufer 40 gedreht
wird.
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In 1 hat
der Motor mit Innen-Permanentmagneten Dreiphasenwicklungen, und
zwar 6U, 6V und 6W, die durch Ströme mit unterschiedlichen
Phasen mit einem Phasenwinkel von jeweils 120° angetrieben werden. Wenn ein
Motor mit einem Grundstrom, z. B. einem Rechteckstrom, angetrieben
wird, entstehen in dem Motor Drehmoment-Oberwellen. Die Daten dieser Drehmoment-Oberwellen
werden in einem Drehmoment-Oberwellen-Speicher 1,
der einen Halbleiterspeicher aufweist, gespeichert. Der Speicher 1 gibt
Drehmoment-Oberwellen an eine Drehmoment-Kompensationswellen-Erzeugungsschaltung 2 aus.
Die Wellenerzeugungsschaltung 2 kompensiert die eingegebenen
Drehmoment-Oberwellen nach einem erstellten Drehmoment-Oberwellen-Kompensationsmuster
und gibt eine Drehmoment-Kompensationswelle aus. Eine Multiplikationsschaltung 4 empfängt die
Drehmoment-Kompensationswelle von der Wellenerzeugungsschaltung 2 sowie
den vorgenannten Grundstrom, d. h. den Rechteckstrom, von einer
Grundstrom-Speiseschaltung 3 und multipliziert diese beiden
Wellen miteinander, sodass ein Drehmoment-Oberwellen-Steuerstrom
entsteht, der einer Drehmoment-Oberwellen-Steuerstrom-Speiseschaltung 5 zugeführt wird.
Die Stromspeiseschaltung 5 speist einen Strom, der dem
Drehmoment-Oberwellen-Steuerstrom entspricht, in die vorgenannten
Dreiphasenwicklungen, d. h. 6U, 6V und 6W,
ein.
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Die Daten der Drehmoment-Oberwellen,
die im Drehmoment-Oberwellen-Speicher 1 gespeichert werden
sollen, können
die Daten der Drehmoment-Oberwellen sein, die, wie vorstehend dargelegt,
tatsächlich
in dem Motor entstehen, oder können
Daten sein, die über
eine numerische Analyse, wie etwa ein Finite-Elemente-Verfahren,
erhalten werden.
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7 zeigt
die Drehmoment-Oberwelle für den
Fall, dass der Motor mit Innen-Permanentmagneten
mit einem Rechteckstrom angetrieben wird. In 7 wird die Zeitspanne „0 – t1" als
ein Takt gezählt, und
die Wellenform darin wird wiederholt. Diese Wellenform wird im Drehmoment-Oberwellen-Speicher 1 gespeichert.
Die Drehmoment-Kompensationswellen-Erzeugungsschaltung 2 berechnet
die Drehmoment-Kompensationswellenform
aufgrund der gespeicherten Daten der Drehmoment-Oberwellen.
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Nachstehend wird ein Beispiel für die Berechnung
der Drehmoment-Kompensationswelle in der Wellenform-Erzeugungsschaltung 2 näher beschrieben.
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Die Drehmoment-Oberwellenform der
Zeitspanne „0 – t1" wird
mit dem Drehmoment T0 normalisiert, was
in 8 gezeigt ist. 9 zeigt eine Wellenform,
wo ein Vorzeichen (+, –)
umgekehrt wird, wenn die Wellenform in 8 größer als
0 ist, und wo die Größe verdoppelt
wird und das Vorzeichen umgekehrt wird, wenn die Wellenform in 8 kleiner als 0 ist. Die
Wellenform in 9 wird
als ein Takt der Drehmoment-Kompensationswellenform
verwendet.
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10 zeigt
eine Drehmoment-Kompensationswellenform Tm, wo die Wellenform je
Takt, die in 9 gezeigt
ist, eine vollständige
Wellenform darstellt, die dann mit 1 normalisiert wird. 11 zeigt eine Rechteckstrom-Wellenform,
die von der Grundstrom-Speiseschaltung 3 abgegriffen
wird, und der Multiplizierer 4 multipliziert den Rechteckstrom
mit der Drehmoment-Kompensationswellenform Tm, wodurch der in 12 gezeigte Drehmoment-Oberwellen-Steuerstrom
berechnet wird.
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Die Drehmoment-Oberwellen-Steuerstrom-Speiseschaltung 5,
die in 1 gezeigt ist, speist
den Drehmoment-Oberwellen-Steuerstrom in die Dreiphasenwicklungen 6U, 6V und 6W nacheinander
durch Verschieben der Phase jeweils um einen Phasenwinkel von 120° ein, wodurch
die Drehmoment-Oberwellen aufgehoben und verringert werden.
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Die tatsächlichen Daten, die bei der
ersten Ausführungsform
erhalten werden, sind in den Zeichnungen angegeben. Wenn der in 5 gezeigte Motor mit Innen-Permanentmagneten
mit dem in 13 gezeigten
Rechteckstrom angetrieben wird, entsteht die in 14 gezeigte Drehmoment-Oberwellenform.
Diese Drehmoment-Oberwellenform wird durch die vorstehende Berechnung
zur Drehmoment-Oberwellen-Steuerstrom-Wellenform in 15 modifiziert, und der Motor wird mit
der in 15 gezeigten modifizierten
Steuerstrom-Wellenform der Drehmoment-Oberwelle angetrieben. Dabei
entsteht die in 16 gezeigte
Drehmoment-Oberwellenform. Das beweist, dass die Drehmoment-Oberwellen
wesentlich geringer als die in 19 gezeigten
Drehmoment-Oberwellen
sind, die von einem herkömmlichen Motor
erzeugt werden.
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Ausführungsform 2
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2 ist
ein Blockdiagramm, das ein Steuerverfahren für die Drehmoment-Oberwellen zeigt,
die in einem Motor mit Innen-Permanentmagneten entstehen, der bei
der zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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In 2 hat
der Motor mit Innen-Permanentmagneten Dreiphasenwicklungen 6U, 6V und 6W,
in die Ströme
mit einer Phasenverschiebung um einen Phasenwinkel von jeweils 120° eingespeist
werden, wodurch der Motor gedreht wird. Wenn dieser Motor mit dem
Grundstrom, z. B. einem Rechteckstrom, angetrieben wird, werden
die in dem Motor entstehenden Drehmoment-Oberwellen mit einem Drehmoment-Oberwellen-Detektor 9 ermittelt,
und die ermittelten Drehmoment-Oberwellen werden mit einer Drehmoment-Oberwellen-Messschaltung 7 gemessen.
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Die Drehmoment-Kompensationswellen-Erzeugungsschaltung 8 transformiert
die gemessenen Drehmoment-Oberwellen nach dem Drehmoment-Oberwellen-Kompensationsmuster
in Drehmoment-Kompensationswellen. Das Kompensationsmuster erzeugt
Drehmoment-Kompensationswellen, wobei die Differenz zwischen dem
Drehmoment-Messwert und dem Drehmoment-Bezugswert von dem Bezugswert
abgezogen wird, wenn der Drehmoment-Wert der gemessenen Drehmoment-Oberwellenform
größer als
der Drehmoment-Bezugswert ist, oder es erzeugt eine Drehmoment-Kompensationswelle,
bei der die absolute Differenz zwischen beiden verdoppelt und zu
dem Bezugswert addiert wird, wenn der Drehmoment-Wert der gemessenen
Drehmoment-Oberwellenform kleiner als der Drehmoment-Bezugswert
ist.
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Der Multiplizierer 4 multipliziert
die Drehmoment-Kompensationswellenform mit dem von der Grundstrom-Speiseschaltung 3 eingespeisten
Rechtecksfrom, um den Drehmoment-Oberwellen-Steuerstrom
zu erzeugen. Die Drehmoment-Oberwellen-Steuerstrom-Speiseschaltung 5 speist
einzelne Ströme,
die den so erhaltenen Drehmoment-Steuerströmen entsprechen,
in die Dreiphasenwicklungen 6U, 6V und 6W ein.
Außerdem
werden die dabei erzeugten Drehmoment-Oberwellen mit den Drehmoment-Oberwellen-Messmitteln 7 gemessen,
und das resultierende Messergebnis wird der Drehmoment-Kompensationswellenform-Erzeugungsschaltung 8 zugeführt. Dann
werden die vorgenannten Kompensationsschritte für die Rückkopplungsregelung wiederholt,
wodurch der Motor angetrieben wird.
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An sich wird der Motor mittels Rückkopplungsregelung
angetrieben, wodurch die Drehmoment-Oberwellen weiter unterdrückt werden,
sodass sie noch geringer als beider ersten Ausführungsform sind, wo der Drehmoment-Oberwellen-Steuerstrom aufgrund
der gespeicherten Daten der Drehmoment-Oberwellen eingespeist wird.
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Wenn der Ständer unter anderem mit einer konzentrierten
Wicklung versehen ist, nimmt das Muster der Drehmoment-Kompensationswellenform, die
in der Drehmoment-Kompensationswellenform-Erzeugungsschaltung 8 erzeugt
wird, vorzugsweise die nachstehend beschriebenen Formen an. In 7 wird der Drehmoment-Bezugswert
mit T0 festgelegt, und die Drehmoment-Kompensationswellenform
wird erzeugt, wobei, wie in 9 gezeigt,
die Differenz zwischen dem Drehmoment-Messwert und dem Drehmoment-Bezugswert von T0 abgezogen wird, wenn der Drehmoment-Wert
der Drehmoment-Oberwellenform
größer als
der Drehmoment-Bezugswert T0 ist. Wenn der
Drehmoment-Wert kleiner als der Drehmoment-Bezugswert T0 ist,
entsteht die durch die doppelte Differenz gebildete Drehmoment-Kompensationswellenform
von 9.
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Die Drehmoment-Kompensationswellenform-Erzeugungsschaltung 8 gibt
das Muster Tm der in 10 gezeigten
Drehmoment-Kompensationswellenform an den Multiplizierer 4 aus.
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Die Grundstrom-Speiseschaltung 3 gibt
den in 11 gezeigten
Rechteckstrom 1 an den Multiplizierer 4 aus, der
das Muster Tm mit dem Rechteckstrom 1 multipliziert, um
den Drehmoment-Oberwellen-Steuerstrom (I × Tm) an die Drehmoment-Oberwellen-Steuerstrom-Speiseschaltung 5 auszugeben. Die
Stromspeiseschaltung 5 speist Ströme in Reaktion auf den Drehmoment-Oberwellen-Steuerstrom
(I × Tm)
in die Dreiphasenwicklungen mit den Phasen U, V und W ein.
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Mit dem vorstehend beschriebenen
Verfahren zum Steuern von Drehmoment-Oberwellen können die in dem Motor mit Innen-Permanentmagneten und
in den konzentrierten Wicklungen am Ständer entstehenden Drehmoment-Oberwellen
wesentlich verringert werden.
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Ausführungsform 3
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3 ist
ein Blockdiagramm, das ein Steuerverfahren für die Drehmoment-Oberwellen zeigt,
die in einem Motor mit Innen-Permanentmagneten entstehen, der bei
der dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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In 3 weichen
folgende Punkte von 1 ab:
Es ist ein Drehzahlgeber 10 vorgesehen, der die Drehzahl
eines Motors 6 ermittelt, und aufgrund der ermittelten
Drehzahl wird im unteren Drehzahlbereich eine Kompensation durchgeführt, wodurch
der Motor mit einem Strom angetrieben wird, der von der Drehmoment-Oberwellen-Steuerstrom-Speiseschaltung 5 eingespeist
wird, während
im oberen Drehzahlbereich keine Kompensation erfolgt, wodurch der Motor
mit dem Grundstrom von der Grundstrom-Speiseschaltung 3 angetrieben
wird.
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Der vorgenannte Grundstrom kann ein Rechteckstrom
oder ein Sinusstrom sein.
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Wie vorstehend dargelegt, ist bei
der dritten Ausführungsform
der Drehzahlgeber 10 vorgesehen, und aufgrund der ermittelten
Drehzahl wird die Stromversorgung für den Motor 6 zur
Drehmoment-Oberwellen-Steuerstrom-Speiseschaltung 5 oder
zur Grundstrom-Speiseschaltung 3 geschaltet.
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Im unteren Drehzahlbereich hängt das
Muster der Drehmoment-Oberwellen weitgehend von der Form des Läufers und
Ständers
des Motors 6 ab. Daher sind die Muster der Kompensations-Stromwellenformen
zur Verringerung der Drehmoment-Oberwellen in der Drehmoment-Kompensationswellenform-Erzeugungsschaltung 2 tabellarisch
zusammengefasst, und die Wellenform kann bei Bedarf mit Hilfe dieser
Tabelle kompensiert werden. Der Multiplizierer 4 multipliziert
die kompensierte Wellenform mit dem Grundstrom und sendet das Ergebnis
der Multiplikation über
die Drehmoment-Oberwellen-Steuerstrom-Speiseschaltung 5 an den Motor 6. Im
oberen Drehzahlbereich hingegen wird der Grundstrom von der Grundstrom-Speiseschaltung 3 direkt
in den Motor 6 eingespeist.
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An sich wird im unteren Drehzahlbereich
der Motor mit dem Drehmoment-Oberwellen-Steuerstrom
angetrieben, der einer Drehmoment-Oberwellen-Kompensation unterzogen
wird, während
im oberen Drehzahlbereich der Motor mit dem Grundstrom, z. B. einem
Rechteckstrom oder einem Sinusstrom, ohne Drehmoment-Oberwellen-Kompensation
angetrieben werden kann. Daher sind die Drehmoment-Oberwellen im
unteren Drehzahlbereich, wo das Trägheitsmoment klein ist, gering,
und im oberen Drehzahlbereich, wo das Trägheitsmoment groß ist, steht
das herkömmliche
Motor-Steuerverfahren, das den Grundstrom verwendet, zur Verfügung.
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Da im oberen Drehzahlbereich keine
Kompensation erforderlich ist, kann der Motor Wirkungsgrad-orientiert
angetrieben werden und das herkömmliche
Motor-Steuerverfahren kann verwendet werden. Dadurch kann der Motor-Aufbau
vereinfacht werden und die Kosten können gesenkt werden.
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Der Grundstrom bei dieser Ausführungsform kann
ein Strom mit einer kombinierten Wellenform aus Rechteck- und Sinuswellen
sein.
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Die dritte Ausführungsform kann wie folgt modifiziert
werden: Im oberen Drehzahlbereich kann der Motor aufgrund der vom
Drehzahlgeber 10 ermittelten Drehzahl mit einem Drehmoment-Oberwellen-Steuerstrom
angetrieben werden, der mit einem Kompensationswert für die Drehmoment-Oberwellen kompensiert
ist, der kleiner als der im unteren Drehzahlbereich ist, wodurch
eine optimale Steuerung, die auf einen betreffenden Motor und das
Last-Trägheitsmoment
des betreffenden Motors reagiert, realisiert werden kann.
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Die vorgenannte optimale Steuerung
ist für einen
Gegenstand, der eine hohe Masse und ein großes Trägheitsmoment hat, wie etwa
für einen
Motor, der als Antriebsquelle für
ein Elektrofahrzeug verwendet wird, besonders effektiv.
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Bei Verwendung der vorgenannten Ausführungsform
zur Steuerung eines Antriebsmotors eines Elektrofahrzeugs sollten
zwei Vorteile erwähnt
werden: 1. Im unteren Drehzahlbereich (bis zu 500 U/min), wo das
Trägheitsmoment
klein ist, werden die Drehmoment-Oberwellen durch ausreichende Drehmoment-Oberwellen-Kompensation
auf einem niedrigen Niveau gehalten, da die Drehmoment-Oberwellen
Schwingungen hervorrufen. 2. Im oberen Drehzahlbereich (über 500
U/min), wo das Trägheitsmoment
des Fahrzeugs groß ist,
werden die Drehmoment-Oberwellen weniger kompensiert, sodass ein
Wirkungsgrad-orientierter Antrieb realisiert werden kann.
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Der Zustand der Drehmoment-Oberwellen-Kompensation
kann vor der Realisierung in Abhängigkeit
von der Größe des Trägheitsmoments
und der geforderten Leistung gewählt
werden.
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Ausführungsform 4
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4 ist
ein Blockdiagramm, das ein Steuerverfahren für die Drehmoment-Oberwellen zeigt,
die in einem Motor mit Innen-Permanentmagneten entstehen, der bei
der vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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In 4 weichen
folgende Punkte von der in 2 gezeigten
Ausführungsform
ab: Es ist ein Drehzahlgeber 10 vorgesehen, der die Drehzahl
eines Motors 6 ermittelt, und aufgrund der ermittelten Drehzahl
wird im unteren Drehzahlbereich eine Kompensation durchgeführt, wodurch
der Motor mit einem Strom angetrieben wird, der von der Drehmoment-Oberwellen-Steuerstrom-Speiseschaltung 5 eingespeist
wird, während
im oberen Drehzahlbereich keine Kompensation erfolgt, wodurch der
Motor mit dem Grundstrom von der Grundstrom-Speiseschaltung 3 angetrieben
wird.
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Wie vorstehend dargelegt, ist der
Drehzahlgeber 10 vorgesehen, und aufgrund der ermittelten Drehzahl
wird die Stromzufuhr für
den Motor zur Drehmoment-Oberwellen-Steuerstrom-Speiseschaltung 5 oder
zur Grundstrom-Speiseschaltung 3 geschaltet.
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Wie bei der zweiten Ausführungsform
wird der Motor im unteren Drehzahlbereich mit dem kompensierten
Drehmoment-Oberwellen-Steuerstrom mittels Rückkopplungsregelung angetrieben,
sodass die Drehmoment-Oberwellen effektiver als bei der ersten und
dritten Ausführungsform
unterdrückt
werden können,
wo der Drehmoment-Oberwellen-Steuerstrom aufgrund der gespeicherten
Daten der Drehmoment-Oberwellen eingespeist wird, um den Motor anzutreiben.
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Im oberen Drehzahlbereich wird der
Motor mit Rechteck- oder Sinusstrom angetrieben, der von der Grundstrom-Speiseschaltung
eingespeist wird.
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An sich wird der Motor im unteren
Drehzahlbereich, wo das Trägheitsmoment
klein ist, mit dem Drehmoment-Oberwellen-kompensierten Drehmoment-Oberwellen-Steuerstrom
angetrieben. Im oberen Drehzahlbereich, wo das Trägheitsmoment
groß ist,
kann der Motor unverändert
mit dem Grundstrom angetrieben werden, und außerdem kann ein Wirkungsgrad-orientierter
Antrieb realisiert werden.
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Die Elemente, die die in den 1, 2, 3 und 4 gezeigten Schaltungen umfassen,
können
nicht nur analoge, sondern auch digitale Schaltungen oder Software
sein, die einen Mikrorechner verwenden.
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Bei den vorgenannten Ausführungsformen wird
der Motor mit Innen-Permanentmagneten
als Motor mit konzentrierten Wicklungen beschrieben, und in der
Regel erzeugen konzentrierte Wicklungen größere Drehmoment-Oberwellen
als verteilte Wicklungen. Daher ist das erfindungsgemäße Steuerverfahren
für Drehmoment-Oberwellen
außerordentlich effektiv
für Motoren
mit konzentrierten Wicklungen. Wenn beispielsweise eine verteilte
Wicklung eine Dreiphasenwicklung ist, überspannt die U-Phasenwicklung
drei aneinander grenzende Zähne,
die V-Phasenwicklung überspannt
drei andere aneinander grenzende Zähne, die von der vorgenannten U-Phasenwicklung
um einen Zahn verschoben sind, und die W-Phasenwicklung überspannt
drei andere aneinander grenzende Zähne, die von der vorgenannten
V-Phasenwicklung um einen Zahn verschoben sind. Diese Art verteilte
Wicklung erzeugt in der Regel weniger Drehmoment-Oberwellen als
eine konzentrierte Wicklung, aber wenn das erfindungsgemäße Steuerverfahren
bei dem Motor mit verteilten Wicklungen angewendet wird, können die
Drehmoment-Oberwellen weiter unterdrückt werden.
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Das Drehmoment-Oberwellen-Steuerverfahren
für den
Motor mit Innen-Permanentmagneten und
das das erfindungsgemäße Steuerverfahren
verwendende Steuergerät
können
nicht nur für
Antriebsmotoren von Elektrofahrzeugen, sondern auch für hermetische
Motoren verwendet werden, die in einen Verdichter einer Klimaanlage
montiert sind, da sich das Belastungsmoment des hermetischen Motors stark ändert, und
so tragen das Steuerverfahren und das Steuergerät zur Verringerung der großen Drehmoment-Oberwellen bei, was
von hohem wirtschaftlichen Wert ist.