FR2714773A1 - Electronically switched permanent magnet synchronous motor for motor vehicle electric power assisted steering system - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un moteur synchrone à aimants permanents. The present invention relates to a synchronous motor with permanent magnets.
L'invention concerne plus particulièrement un moteur synchrone destiné à être intégré à un dispositif d'assistance électrique d'une direction de véhicule automobile. The invention relates more particularly to a synchronous motor intended to be integrated into an electrical assistance device for a motor vehicle steering.
On connaît différentes conceptions d'un dispositif d'assistance électrique pour une direction de véhicule automobile qui comportent en général un moteur électrique à commutation électromécanique associé à un embrayage et à un motoréducteur, un circuit électronique de pilotage de l'alimentation en courant du moteur et un circuit électronique de commande qui prend notamment en compte un paramètre représentatif du couple appliqué par le conducteur au volant et qui est mesuré par un capteur de couple. There are known different designs of an electric assistance device for a motor vehicle steering which generally comprise an electric motor with electromechanical switching associated with a clutch and with a geared motor, an electronic circuit for controlling the current supply of the motor. and an electronic control circuit which takes into account in particular a parameter representative of the torque applied by the driver to the steering wheel and which is measured by a torque sensor.
Une direction assistée électrique est avantageuse par rapport à un dispositif à assistance hydraulique dans la mesure où la consommation moyenne est faible car le circuit d'assistance ne consomme de l'énergie que lorsque le conducteur sollicite la direction, et d'autre part, il est particulièrement aisé de réaliser un contrôle de l'effort d'assistance, par exemple en fonction de la vitesse de roulage du véhicule, à l'aide du circuit électronique de commande auquel on peut transmettre différents paramètres représentatifs du roulage du véhicule. An electric power steering is advantageous compared to a hydraulic assistance device insofar as the average consumption is low since the assistance circuit consumes energy only when the driver requests the steering, and on the other hand, it It is particularly easy to carry out a control of the assistance effort, for example as a function of the vehicle running speed, using the electronic control circuit to which various parameters representative of the running of the vehicle can be transmitted.
La conception du moteur électrique d'assistance utilisé dans une direction assistée électrique est déterminante pour son bon fonctionnement et pour le confort d'utilisation du véhicule. The design of the electric assistance motor used in an electric power steering is decisive for its proper functioning and for the comfort of use of the vehicle.
Cette conception est en effet déterminante dans le cas d'un moteur à commutation électronique car il est alors primordial de minimiser les ondulations du couple d'assistance fourni par le moteur qui sont ressenties au volant par le conducteur, et notamment lorsque le quotient du couple d'assistance fourni par le couple appliqué au volant par le conducteur augmente. This design is indeed decisive in the case of an electronically commutated engine because it is then essential to minimize the ripples of the assistance torque supplied by the engine which are felt at the wheel by the driver, and in particular when the torque quotient assistance provided by the torque applied to the steering wheel by the driver increases.
I1 est donc nécessaire que le moteur électrique et son circuit électronique de pilotage ne produise pas d'ondulations du couple d'assistance. It is therefore necessary that the electric motor and its electronic control circuit not produce undulations of the assistance torque.
Lorsqu'il est fait appel à un moteur à commutation électronique, et afin de résoudre ce problème, il est généralement proposé d'utiliser un moteur à répartition d'induction sinusoïdale et à encoches inclinées alimenté par un onduleur délivrant des courants de forme sinusol- dale. Pour produire de tels courants, il faut disposer d'un codeur angulaire de la position du rotor présentant une très grande définition et donc très coûteux. When an electronically commutated motor is used, and in order to solve this problem, it is generally proposed to use a sinusoidal induction distribution motor with inclined notches supplied by an inverter delivering currents of sinusol form. dale. To produce such currents, it is necessary to have an angular encoder of the position of the rotor having a very high definition and therefore very expensive.
La présente invention a pour but de proposer une nouvelle conception d'un moteur synchrone à aimants permanents et à commutation électronique qui soit d'un coût réduit et qui remédie aux inconvénients qui viennent d'être mentionnés. The object of the present invention is to propose a new design of a synchronous motor with permanent magnets and with electronic commutation which is of a reduced cost and which overcomes the disadvantages which have just been mentioned.
Dans ce but, l'invention propose un moteur synchrone à aimants permanents et à commutation électronique du type comportant un stator dans lequel sont formées des encoches réparties angulairement de manière régulière autour de l'axe du stator et qui reçoivent des bobinages statoriques, et un rotor comportant des aimants permanents, caractérisé en ce que le quotient du nombre d'encoches NE divisé par le nombre d'aimants NA et par le nombre de phases NP du courant d'alimentation du moteur est un nombre fractionnaire NF. To this end, the invention proposes a synchronous motor with permanent magnets and with electronic switching of the type comprising a stator in which are formed notches distributed angularly in a regular manner around the axis of the stator and which receive stator windings, and a rotor comprising permanent magnets, characterized in that the quotient of the number of notches NE divided by the number of magnets NA and by the number of phases NP of the motor supply current is a fractional number NF.
Selon d'autres caractéristiques de l'invention
- le nombre d'aimants NA est un nombre pair qui n'est pas un multiple du nombre de phases NP et le nombre d'encoches NE est un nombre impair et un multiple du nombre de phases NP
- certaines des encoches du stator sont vides et ne comportent pas de bobinages statoriques
- le nombre d'encoches vides NEV est un multiple du nombre de phases NP
- le nombre de phases NP est égal à 3
- le nombre d'aimants NA est égal à 4
- le nombre d'encoches NE est égal à 21
- le nombre d'encoches vides NEV est égal à 9
- la section d'ouverture de chaque encoche vide est égale à la section d'ouverture de chaque encoche remplie d'un bobinage statorique ;
- chaque aimant s'détend angulairement sur un angle égal à 360 divisés par le nombre de pôles NA et diminué d'un angle sensiblement égal à 180 divisé par le plus petit multiple commun du nombre de phases NP et du nombre de pôles NA ; et
- le moteur est alimenté par un onduleur délivrant des courants de forme rectangulaire.According to other features of the invention
- the number of magnets NA is an even number which is not a multiple of the number of phases NP and the number of notches NE is an odd number and a multiple of the number of phases NP
- some of the stator's notches are empty and do not have stator windings
- the number of empty NEV notches is a multiple of the number of NP phases
- the number of NP phases is equal to 3
- the number of magnets NA is equal to 4
- the number of NE notches is equal to 21
- the number of empty NEV notches is equal to 9
- the opening section of each empty notch is equal to the opening section of each notch filled with a stator winding;
each magnet extends angularly over an angle equal to 360 divided by the number of poles NA and reduced by an angle substantially equal to 180 divided by the smallest common multiple of the number of phases NP and the number of poles NA; and
- the motor is supplied by an inverter delivering currents of rectangular shape.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels
- La figure 1 est une vue schématique en section par un plan perpendiculaire à l'axe du rotor d'un premier exemple de réalisation d'un moteur électrique triphasé réalisé conformément aux enseignements de l'invention ;
- la figure 2 est un schéma illustrant le circuit d'alimentation et de commutation électronique du moteur triphasé illustré sur la figure 1 ;
- la figure 3 est un diagramme illustrant notamment la valeur du couple du moteur et des courants d'alimentation de chacune des phases
- la figure 4 est une vue similaire à celle de la figure 1 illustrant un mode de réalisation préféré d'un moteur électrique conforme aux enseignements de l'invention
- la figure 5 est un schéma développé illustrant les bobinages statoriques du moteur illustré sur la figure 4.Other characteristics and advantages of the invention will appear on reading the detailed description which follows for the understanding of which reference will be made to the accompanying drawings in which
- Figure 1 is a schematic sectional view through a plane perpendicular to the axis of the rotor of a first embodiment of a three-phase electric motor produced in accordance with the teachings of the invention;
- Figure 2 is a diagram illustrating the power supply and electronic switching circuit of the three-phase motor illustrated in Figure 1;
- Figure 3 is a diagram illustrating in particular the value of the motor torque and the supply currents of each of the phases
- Figure 4 is a view similar to that of Figure 1 illustrating a preferred embodiment of an electric motor according to the teachings of the invention
FIG. 5 is a developed diagram illustrating the stator windings of the motor illustrated in FIG. 4.
Le moteur M schématisé sur la figure 1 est pour l'essentiel constitué par un stator S qui est par exemple formé de tôles découpées et empilées qui délimitent des encoches statoriques Ei. The motor M shown diagrammatically in FIG. 1 is essentially constituted by a stator S which is for example formed from cut and stacked sheets which delimit stator notches Ei.
Dans le mode de réalisation illustré sur la figure 1, le stator S comporte 21 encoches El à E21 qui sont réparties angulairement de manière régulière autour de l'axe X-X commun au stator S et au rotor R du moteur M. In the embodiment illustrated in FIG. 1, the stator S has 21 notches El to E21 which are angularly distributed regularly around the axis X-X common to the stator S and to the rotor R of the motor M.
Chacune des 21 encoches Ei présente une section d'ouverture O en direction de l'entrefer (voir l'encoche
El) identique, de même la profondeur radiale PR (voir l'encoche E3) est identique pour toutes les encoches Ei.Each of the 21 notches Ei has an opening section O in the direction of the air gap (see the notch
El) identical, likewise the radial depth PR (see notch E3) is identical for all the notches Ei.
Le rotor R est un rotor à aimants permanents Ai en forme de tuiles aimantées radialement qui, dans le cas d'un moteur à 4 pôles illustré sur la figure 1, sont au nombre de 4 aimants Al à A4. The rotor R is a rotor with permanent magnets Ai in the form of radially magnetized tiles which, in the case of a 4-pole motor illustrated in FIG. 1, are 4 in number A1 to A4.
Le moteur illustré sur la figure 1 est un moteur triphasé, c'est-à-dire que le nombre de phases NP d'alimentation des bobinages statoriques contenus dans certaines des encoches Ei, est égal à 3. The motor illustrated in FIG. 1 is a three-phase motor, that is to say that the number of phases NP supplying the stator windings contained in some of the notches Ei, is equal to 3.
On a illustré de manière conventionnelle sur la figure 1 les bobinages associés à chacune des trois phases (phase 1, phase 2 et phase 3) contenus dans certaines des encoches Ei. The coils associated with each of the three phases (phase 1, phase 2 and phase 3) contained in some of the notches Ei have been illustrated in a conventional manner in FIG. 1.
Par exemple, des bobinages associés à la phase 2 sont contenus dans les encoches E4, E9, E15 et E20. For example, windings associated with phase 2 are contained in the notches E4, E9, E15 and E20.
Par contre, conformément à un aspect de l'invention, les encoches E3, E5, E7, E10, E12, E14, E17, E19 et E21 sont dépourvues de tout bobinage statorique. On the other hand, in accordance with one aspect of the invention, the notches E3, E5, E7, E10, E12, E14, E17, E19 and E21 are devoid of any stator winding.
Le nombre total d'encoches NE est égal à 21 et le nombre d'encoches vides NEV est donc égal à 9. The total number of NE notches is 21 and the number of empty NEV notches is therefore 9.
Sur le circuit d'alimentation illustré sur la figure 2, on reconnaît un dispositif onduleur 30 qui transforme le courant d'alimentation continu provenant d'une source 32 en trois courants I1, I2 et 13 qui sont des courants de forme rectangulaire dont chacun alimente une phase phl, ph2 et ph3 des bobinages du stator S du moteur M. On the supply circuit illustrated in FIG. 2, there is an inverter device 30 which transforms the direct supply current from a source 32 into three currents I1, I2 and 13 which are currents of rectangular shape each of which supplies a phase phl, ph2 and ph3 of the windings of the stator S of the motor M.
Enfin, le circuit comporte un module électronique de commande 34 qui agit sur l'onduleur de tension 30 de maniére à contrôler l'amplitude des courants dans le moteur. Finally, the circuit includes an electronic control module 34 which acts on the voltage inverter 30 so as to control the amplitude of the currents in the motor.
Grâce à ce type d'alimentation, et dans le cas d'une machine triphasée, chaque phase du moteur est alimentée par un courant constant pendant 120 électriques, comme cela est illustré sur la figure 3, et il se produit une commutation du courant délivré par l'onduleur, d'une phase à l'autre, tous les 60 électriques. Thanks to this type of supply, and in the case of a three-phase machine, each phase of the motor is supplied with a constant current for 120 electrics, as illustrated in FIG. 3, and there is a switching of the delivered current by the inverter, from one phase to another, all 60 electric.
Pour réaliser le pilotage du moteur, il suffit donc de connaître la position du rotor R seulement aux instants de commutation du courant, c'est-à-dire six fois par période électrique. To control the motor, it is therefore sufficient to know the position of the rotor R only at the instants of switching the current, that is to say six times per electrical period.
Ce principe retenu dans le cadre de l'invention permet donc d'utiliser un capteur de position du rotor particulièrement simple et peu coûteux, qui est par exemple constitué de trois détecteurs, tels que des sondes de Hall ou des phototransistors, qui fonctionnent en tout ou rien. This principle adopted in the context of the invention therefore makes it possible to use a particularly simple and inexpensive rotor position sensor, which for example consists of three detectors, such as Hall probes or phototransistors, which work in all or nothing.
Comme on peut le voir sur la figure 2, le couple résultant CR délivré par le moteur, qui résulte de la juxtaposition des six courbes de couples délivrés chacun pour un groupement alimenté de deux phases, n'est constant que si ces couples sont de forme trapézoldale et présentent un plateau à couple constant d'une largeur au moins égale à 60 électriques. As can be seen in FIG. 2, the resulting torque CR delivered by the motor, which results from the juxtaposition of the six curves of torques each delivered for a group supplied with two phases, is constant only if these torques are of form trapezoidal and have a constant torque plate with a width of at least 60 electric.
Conformément aux enseignements de l'invention, le couple de détente, qui résulte de l'interaction entre les aimants et l'encochage de l'induit, est minimisé grâce à la caractéristique selon laquelle le quotient du nombre d'encoches NE par le nombre de phases NP et par le nombre d'aimants NA, (c'est-à-dire par le nombre de pôles du moteur) est un nombre fractionnaire NF. In accordance with the teachings of the invention, the trigger torque, which results from the interaction between the magnets and the notching of the armature, is minimized thanks to the characteristic according to which the quotient of the number of notches NE by the number of phases NP and by the number of magnets NA, (that is to say by the number of poles of the motor) is a fractional number NF.
En effet les variations de réluctance dues à la présence des encoches sont moins marquées car la périodicité des encoches n'est plus un multiple de la périodicité des aimants. Indeed the variations in reluctance due to the presence of the notches are less marked because the periodicity of the notches is no longer a multiple of the periodicity of the magnets.
De plus, bien que cette solution ne permette pas d'annuler complètement le couple de détente, comme c'est le cas avec une conception faisant appel à des encoches inclinées, l'ondulation résiduelle du couple est rejetée à des fréquences relativement élevées sans qu'il soit nécessaire d'augmenter le nombre d'encoches NE de manière importante et tout en conservant des encoches droites. In addition, although this solution does not make it possible to completely cancel the expansion torque, as is the case with a design using inclined notches, the residual ripple of the torque is rejected at relatively high frequencies without 'it is necessary to increase the number of NE notches significantly and while keeping straight notches.
Pour obtenir un plateau à couple constant de largeur suffisante, l'invention propose de concentrer le bobinage dans certaines encoches en n'utilisant q'une partie des encoches disponibles. To obtain a constant torque plate of sufficient width, the invention proposes to concentrate the winding in certain notches by using only part of the available notches.
Ainsi, la solution illustrée sur la figure 1, fait appel à un rotor comportant quatre aimants et à un stator à 21 encoches, soit NF = 1,75. Thus, the solution illustrated in FIG. 1 uses a rotor comprising four magnets and a stator with 21 notches, ie NF = 1.75.
Comme cela a été décrit précédemment, seules 12 encoches sont utilisées pour loger les bobinages et le nombre d'encoches vides NEV est donc égal à 9. As described above, only 12 notches are used to house the windings and the number of empty NEV notches is therefore equal to 9.
A partir de mesures réalisées sur un moteur d'essai conforme aux enseignements de l'invention, ou à partir d'un modèle basé sur le calcul du champ magnétique dans le moteur, on constate que les courbes de couple ont une forme trapézoïdale satisfaisante et présentent un chevauchement suffisant pour éviter les creux de couple lors d'une transition de phase à l'autre. From measurements carried out on a test engine in accordance with the teachings of the invention, or from a model based on the calculation of the magnetic field in the engine, it can be seen that the torque curves have a satisfactory trapezoidal shape and have sufficient overlap to avoid torque dips during a phase transition to another.
De plus, on peut également observer que le couple de détente est de faible amplitude, notamment inférieur à 1% du couple nominal du moteur, et son analyse harmonique montre que la fréquence de son fondamental est élevée car elle est égale à 84 fois la fréquence de rotation de la machine, 84 étant le plus petit multiple commun du nombre d'encoches NE = 21 et du nombre de pôles NA - 4. In addition, it can also be observed that the trigger torque is of low amplitude, in particular less than 1% of the nominal torque of the motor, and its harmonic analysis shows that the frequency of its fundamental sound is high because it is equal to 84 times the frequency of rotation of the machine, 84 being the smallest common multiple of the number of notches NE = 21 and the number of poles NA - 4.
D'une manière plus générale, pour des moteurs triphasés destinés à satisfaire l'application envisagée et selon le principe proposé, il faut de préférence choisir un nombre de pôles NA qui ne soit pas un multiple de trois et un nombre d'encoches NE qui soit un multiple de trois et un nombre impair. More generally, for three-phase motors intended to satisfy the envisaged application and according to the proposed principle, it is preferable to choose a number of poles NA which is not a multiple of three and a number of notches NE which a multiple of three and an odd number.
Les machines à deux pôles posent des problèmes de réalisation du fait de la largeur angulaire de chaque pôle et les machines à huit pôles ne satisfont pas au critère d'un nombre réduit d'encoches NE, les moteurs à quatre pôles apparaissant ainsi les plus aptes à répondre aux problèmes posés. The machines with two poles pose problems of realization because of the angular width of each pole and the machines with eight poles do not meet the criterion of a reduced number of notches NE, the motors with four poles appearing thus the most suitable to respond to the problems posed.
La machine à 4 pôles, à 21 encoches statoriques et à 9 encoches vides apparaît alors comme un bon compromis entre les performances du moteur et ses contraintes de réalisation. The 4-pole machine, with 21 stator notches and 9 empty notches then appears to be a good compromise between the performance of the motor and its production constraints.
On a illustré sur la figure 4 une variante de réalisation du moteur. An alternative embodiment of the engine is illustrated in FIG. 4.
Il est en effet possible d'augmenter la section des encoches contenant des conducteurs de bobinage statorique au détriment des encoches vides. I1 est important de remarquer que, pour conserver un couple de détente de faible valeur, les encoches vides ne doivent pas être supprimées et qu'en outre il faut conserver
- les mêmes sections d'ouverture o pour toutes les encoches au niveau de l'entrefer entre le stator et les aimants du rotor R ; et
- des trajets de circulation du flux dans le circuit magnétique de l'induit qui sont comparables à ceux existant dans le moteur à encoches régulières illustré sur la figure 1.It is indeed possible to increase the section of the notches containing stator winding conductors to the detriment of the empty notches. It is important to note that, to keep a low-value trigger torque, the empty notches must not be removed and, moreover, it must be kept
- the same opening sections o for all the notches at the air gap between the stator and the magnets of the rotor R; and
- Paths for circulation of the flux in the magnetic circuit of the armature which are comparable to those existing in the motor with regular notches illustrated in FIG. 1.
Cette contrainte impose en particulier de ne pas modifier la profondeur radiale PR des encoches vides. This constraint requires in particular not to modify the radial depth PR of the empty notches.
La possibilité de changer la forme des encoches peut être mise à profit de deux manières. The possibility of changing the shape of the notches can be taken advantage of in two ways.
Elle peut permettre d'augmenter la section des encoches, ce qui fournit un accroissement du couple délivré par le moteur. Cet accroissement du couple est, pour un même diamètre d'alésage et pour un même produit égal à la charge linéique multipliée par la densité de courant (ctest-à-dire pour un même échauffement), égal à la racine carrée de l'accroissement de la section et peut être de l'ordre de 10 %. It can increase the section of the notches, which provides an increase in the torque delivered by the motor. This increase in torque is, for the same bore diameter and for the same product equal to the linear load multiplied by the current density (i.e. for the same heating), equal to the square root of the increase of the section and can be of the order of 10%.
Elle peut également permettre de réduire le diamètre extérieur du moteur pour un même diamètre d'alésage et une même section de cuivre de bobinage. It can also make it possible to reduce the outside diameter of the motor for the same bore diameter and the same copper winding section.
Cette réduction peut être évaluée sensiblement à 10 %, pour un même échauffement.This reduction can be evaluated substantially at 10%, for the same heating.
Sur la figure 5, qui illustre le schéma du bobinage, on peut voir que ce bobinage est réalisé au moyen de 6 bobines identiques au pas de 5 encoches. In FIG. 5, which illustrates the diagram of the winding, it can be seen that this winding is produced by means of 6 identical coils with a pitch of 5 notches.
De plus, et selon une autre caractéristique de l'invention, il est également possible de réduire l'amplitude du couple de détente en réduisant la largeur des aimants, c'est-à-dire l'angle sur lequel ils s'étendent, d'un angle correspondant sensiblement égal à 180' divisé par le plus petit multiple commun du nombre de phases NP et du nombre de pôles NA, ceci n'affectant que très faiblement la largeur du plateau de chacune des courbes de couple illustrées sur la figure 3. In addition, and according to another characteristic of the invention, it is also possible to reduce the amplitude of the expansion torque by reducing the width of the magnets, that is to say the angle over which they extend, of a corresponding angle substantially equal to 180 'divided by the smallest common multiple of the number of phases NP and the number of poles NA, this only very slightly affecting the width of the plate of each of the torque curves illustrated in the figure 3.
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| FR2714773B1 (en) | 1996-01-26 |
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