JP2010200460A - Permanent magnet type rotary electric machine and electric power steering device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、複数の永久磁石が回転子に設けられている永久磁石型回転電機、及びそれを用いた電動パワーステアリング装置に関するものである。 The present invention relates to a permanent magnet type rotating electric machine in which a plurality of permanent magnets are provided on a rotor, and an electric power steering apparatus using the same.
近年、永久磁石型モータ等の永久磁石型回転電機のコスト低減及び小型化が求められている。これらの要求を満たすモータ駆動方法には、モータの角度検出装置を不要とするセンサレス駆動方式がある。センサレス駆動方式をモータの低速域及び高速域の両方で行うには、モータの突極性が必要である。 In recent years, there has been a demand for cost reduction and miniaturization of permanent magnet type rotating electrical machines such as permanent magnet type motors. A motor driving method that satisfies these requirements includes a sensorless driving method that eliminates the need for a motor angle detection device. In order to perform the sensorless driving method in both the low speed range and the high speed range of the motor, the saliency of the motor is required.
突極性が大きいモータとしては埋込磁石型モータが挙げられるが、埋込磁石型モータは、コギングトルクやトルクリップル等も大きいため、操舵性フィーリングが良好であることが要求される電動パワーステアリング装置等には適していない。このため、突極性が小さいが、コギングトルクやトルクリップルが小さく操舵性フィーリングが良好な表面磁石型モータにおいて、突極性を向上するような構造が求められている。 An example of a motor having a large saliency is an embedded magnet type motor. However, since an embedded magnet type motor has a large cogging torque, torque ripple, etc., electric power steering is required to have a good steering feeling. It is not suitable for equipment. For this reason, there is a demand for a structure that improves saliency in a surface magnet type motor that has low saliency but low cogging torque and torque ripple and good steering feel.
例えば、従来の永久磁石型回転電機では、角度検出のために、回転子の周囲に非磁性体層が設けられている。また、この非磁性体層は、回転子のN極とS極とを区分する極間を中心として、回転子の正、逆回転方向にそれぞれ電気角80〜100度の角度区間で形成されている(例えば、特許文献1参照)。 For example, in a conventional permanent magnet type rotating electrical machine, a nonmagnetic material layer is provided around the rotor for angle detection. In addition, the nonmagnetic layer is formed in angular sections of electrical angles of 80 to 100 degrees in the forward and reverse rotation directions of the rotor around the pole that separates the N pole and the S pole of the rotor. (For example, refer to Patent Document 1).
また、他の従来の永久磁石型回転電機では、角度検出のために、導電材製又は磁性材製の筒状部材が回転子の外周部に嵌合されている(例えば、特許文献2参照)。 In another conventional permanent magnet type rotating electrical machine, a cylindrical member made of a conductive material or a magnetic material is fitted to the outer peripheral portion of the rotor for angle detection (see, for example, Patent Document 2). .
しかし、上記のような従来の永久磁石型回転電機では、回転子位置によるインピーダンスの変化が小さく、突極性を十分に大きくすることができなかった。 However, in the conventional permanent magnet type rotating electrical machine as described above, the change in impedance due to the rotor position is small, and the saliency cannot be sufficiently increased.
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、インピーダンスの回転子位置依存性を大きくすることができ、センサレス駆動に適した永久磁石型回転電機、及びそれを用いた電動パワーステアリング装置を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and can increase the rotor position dependency of impedance, and uses a permanent magnet type rotating electrical machine suitable for sensorless driving, and the same. An object is to obtain an electric power steering device.
この発明に係る永久磁石型回転電機は、固定子鉄心と、固定子鉄心に設けられた電機子巻線部とを有する固定子、及び回転子鉄心と、回転子鉄心に設けられた複数の永久磁石とを有する回転子を備え、回転子には、閉じた回路である導通回路部が設けられており、導通回路部は、回転子の軸方向に沿って設けられた複数の軸方向導体部と、軸方向導体部間を接続する複数の接続導体部とを有しており、導通回路部を構成する導体は、その長さ方向に垂直な断面を見たとき複数の分割導体に分割されている。 A permanent magnet type rotating electrical machine according to the present invention includes a stator having a stator core and an armature winding provided on the stator core, and a plurality of permanent cores provided on the rotor core and the rotor core. A rotor having a magnet, and the rotor is provided with a conduction circuit portion that is a closed circuit, and the conduction circuit portion includes a plurality of axial conductor portions provided along the axial direction of the rotor. And a plurality of connecting conductors connecting between the axial conductors, and the conductor constituting the conductive circuit part is divided into a plurality of divided conductors when a cross section perpendicular to the length direction is viewed. ing.
この発明の永久磁石型回転電機は、電機子巻線に高周波電流を注入することにより、軸方向導体部に流れる誘導電流のため、d軸インピーダンスとq軸インピーダンスとに有意差が生じ、突極性が大きくなる。また、導体が複数の分割導体に分割されているため、表皮効果の影響を受けにくくなり、突極性がさらに大きくなる。これにより、レゾルバやエンコーダ等を用いないセンサレス駆動が可能となる。 In the permanent magnet type rotating electric machine according to the present invention, by injecting a high-frequency current into the armature winding, a significant difference occurs between the d-axis impedance and the q-axis impedance due to the induced current flowing in the axial conductor portion, and the saliency Becomes larger. Further, since the conductor is divided into a plurality of divided conductors, it is less susceptible to the skin effect, and the saliency is further increased. Thereby, sensorless driving without using a resolver, an encoder, or the like is possible.
以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1による永久磁石型モータの断面図であり、10極12スロットの表面磁石型モータを示している。図において、固定子1は、円筒状の固定子鉄心2と複数の電機子巻線部3とを有している。固定子鉄心2には、径方向内側へ突出する複数のティース部2aが周方向に等間隔をおいて設けられている。隣接するティース部2a間には、それぞれスロット部2bが設けられている。電機子巻線部3は、ティース部2aに巻回されている。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view of a permanent magnet type motor according to
固定子1の内側には、回転可能な回転子4が挿入されている。回転子4は、回転軸5と、回転軸5に固定された円筒状の回転子鉄心6と、周方向に互いに等間隔をおいて回転子鉄心6の外周面に固定された複数(この例では10個)の永久磁石7と、永久磁石7の周囲を囲むように回転子鉄心6の外周面に固定された複数の導通回路部8とを有している。
A
回転子4の回転方向を図の反時計回りとすると、巻線配置は、反時計回りにU+、U−、V−、V+、W+、W−、U−、U+、V+、V−、W−、W+となる。但し、U+、U−はU相巻線、V+、V−はV相巻線、W+、W−はW相巻線をそれぞれ表し、+、−は巻線の巻回方向が逆であることを意味している。
If the rotation direction of the
図2は図1の回転子4を示す斜視図、図3は図2の1組の永久磁石7と導通回路部8とを拡大して示す斜視図、図4は図3の導通回路部8のみを示す斜視図である。各導通回路部8は、回転子4の軸方向に沿って(軸方向に平行又はほぼ平行に)設けられた一対の軸方向導体部8a,8bと、軸方向導体部8a,8bの両端部間を接続する一対の接続導体部8c,8dとを有している。即ち、軸方向導体部8a,8bと接続導体部8c,8dとにより、閉じた回路である導通回路部8が構成されている。
2 is a perspective view showing the
永久磁石7は、導通回路部8の中央の矩形の開口部に挿通され、導通回路部8よりも径方向外側へ突出している。軸方向導体部8a,8bは、永久磁石7の両側面に接している。接続導体部8c,8dは、永久磁石7の軸方向両端面に接している。即ち、軸方向導体部8a,8b及び接続導体部8c,8dは、各永久磁石7を個々に囲むように配置されている。
The
また、導通回路部8は、複数枚(この例では2枚)の導体板を回転子4の径方向(導通回路部8の厚さ方向)に積層して構成されている。即ち、導通回路部8を構成する導体は、その長さ方向に垂直な断面を見たとき、複数の分割導体に分割されている。さらに、導通回路部8は、例えば銅又はアルミニウム等により構成されている。
The
次に、回転センサなしで回転角度の検出が可能となる原理について説明する。図5は図1の永久磁石型モータの要部を直線状に展開して示す説明図であり、2通りの回転子位置d、qを示している。また、高周波電圧印加時の電機子電流により発生する磁束の基本波成分の波形を、固定子1と回転子4との間に示している。
Next, the principle that enables the rotation angle to be detected without a rotation sensor will be described. FIG. 5 is an explanatory view showing the main part of the permanent magnet type motor of FIG. 1 expanded linearly, and shows two rotor positions d and q. The waveform of the fundamental wave component of the magnetic flux generated by the armature current when the high frequency voltage is applied is shown between the
回転角度の検出には、突極性を用いる。ここで、突極性とは、インピーダンスの回転子位置に対する依存性を意味している。また、ここでのインピーダンスとは、例えば、電機子巻線部3の線間のインピーダンスを意味しており、このようなインピーダンスを以下では単にインピーダンスと呼ぶ。
For detecting the rotation angle, saliency is used. Here, the saliency means the dependency of impedance on the rotor position. Moreover, the impedance here means the impedance between the lines of the
図5において、回転子位置に対するインピーダンスの差異が最も大きい回転子位置dとqとを比較する。まず、回転子位置がdの場合には、電機子電流により発生する磁束が、例えば、軸方向導体部8a,8b間に鎖交し、軸方向導体部8a,8bに誘導電流が流れる。そして、その誘導電流により、電機子電流によって発生する磁束が打ち消され、インピーダンスが小さくなる。
In FIG. 5, the rotor positions d and q having the largest impedance difference with respect to the rotor position are compared. First, when the rotor position is d, the magnetic flux generated by the armature current is linked, for example, between the
一方、回転子位置がqの場合には、電機子電流により発生する磁束のうち、例えば、軸方向導体部8a,8b間に鎖交する分が互いに打ち消すため、軸方向導体部8a,8bに誘導電流が流れず、インピーダンスも変化しない。このように、回転子4の位置によってインピーダンスに差異(有意差)が生じる現象を利用して、回転子4の位置検出が可能となる。
On the other hand, when the rotor position is q, the magnetic flux generated by the armature current cancels, for example, the interlinkage between the
図6は図1の永久磁石型モータにおける回転子4の回転角度とインピーダンスとの関係を示すグラフであり、突極性を示したものである。図6において、横軸は回転子4の角度(電気角)、縦軸はインピーダンスをそれぞれ示している。図6では、インピーダンスの変化の周期は、電気角180度である。これは、対となる軸方向導体部8a,8bが電気角180度間隔に配置されているため可能となっている。
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the rotation angle of the
図7は無負荷時に図1の電機子巻線部3に高周波電圧を印加した場合に電機子巻線部3に流れる電流をdq変換した電流ベクトルの軌跡を示す説明図、図8は負荷があるときに図1の電機子巻線部3に高周波電圧を印加した場合に電機子巻線部3に流れる電流をdq変換した電流ベクトルの軌跡を示す説明図である。なお、これら図7、図8においては、d軸電流を横軸、q軸電流を縦軸としている。また、モータはU相、V相、W相の3相モータとし、印加する高周波電圧は各線間電圧に振幅が同じで位相が2π/3[rad]ずつずらされた電圧とする。
7 is an explanatory diagram showing a locus of a current vector obtained by dq conversion of the current flowing through the
導通回路部8を配置しない従来のモータの電流ベクトルの軌跡は、図7、図8に示すように、d軸及びq軸のインピーダンスが回転子位置に依存しない(即ち、突極性が殆どない)ため、真円又はほぼ真円となる。
As shown in FIGS. 7 and 8, the locus of the current vector of the conventional motor in which the
一方、導通回路部8を配置したモータの電流ベクトルの軌跡は、図7、図8に示すように、楕円状となる。これは、導通回路部8を配置することにより、d軸及びq軸のインピーダンスが回転子位置に依存し、電流が変化するためである。また、負荷時に磁気飽和した場合には、図8に示すように、楕円が傾くことがある。しかしながら、このような場合でも、負荷電流と長軸方向の傾きとから位置検出が可能である。
On the other hand, the locus of the current vector of the motor in which the
このように、永久磁石7の周囲に導通回路部8を配置することにより、モータに高周波電圧を印加したときの突極性を大きくすることができ、モータのセンサレス駆動が可能となる。
Thus, by arranging the
次に、突極性とセンサレス駆動の精度との相関性について説明する。センサレス駆動における位置推定の精度は、高周波電圧印加時のd軸電流Idhとq軸電流Iqhとの差ΔIhが大きい程良い。Idh及びIqhの大きさは、図7、図8で示したように、それぞれ楕円の長軸、短軸の長さの半分である。このため、ΔIhは以下の式(1)で表すことができる。また、モータの突極性を評価するため、突極性の指標を以下の式(2)で定義した。 Next, the correlation between the saliency and the accuracy of sensorless driving will be described. The accuracy of position estimation in sensorless driving is better as the difference ΔIh between the d-axis current Idh and the q-axis current Iqh when a high-frequency voltage is applied is larger. The magnitudes of Idh and Iqh are half the lengths of the major and minor axes of the ellipse, respectively, as shown in FIGS. Therefore, ΔIh can be expressed by the following formula (1). Further, in order to evaluate the saliency of the motor, the saliency index was defined by the following formula (2).
ΔIhは、高周波電圧と突極性の指標(高周波電圧印加時のd軸インダクタンスLdhの逆数とq軸インダクタンスLqhの逆数との差)と周波数の逆数との積に比例するので、ΔIhが同じであるなら、突極性が高い方が高周波電流(又は高周波電圧Vh)は小さく抑えることができる。また、モータの騒音は高周波電流が大きい程大きいので、突極性が高い方が小さい電流で位置推定の精度が確保でき、騒音を小さく抑えることができる。 ΔIh is proportional to the product of the index of high frequency voltage and saliency (the difference between the reciprocal of d-axis inductance Ldh and the reciprocal of q-axis inductance Lqh when a high-frequency voltage is applied) and the reciprocal of frequency, so ΔIh is the same. If so, the higher the saliency, the smaller the high-frequency current (or high-frequency voltage Vh) can be suppressed. Further, since the noise of the motor is larger as the high frequency current is larger, the higher the saliency is, the smaller current can secure the accuracy of position estimation, and the noise can be suppressed small.
ここで、実施の形態1の導通回路部8は、単線(1本の導体の線)や単数の導体ではなく、回転子4の径方向に分割された複数の分割導体(素線や導体板)で構成されている。このような導通回路部8の分割数は3つ以上でもよく、また等分割でなくてもよい。
Here, the
また、分割導体同士は互いに直接接触させても、互いに離れさせてもよい。さらに、分割導体を互いに離れさせる場合、分割導体間には空気層を介在させても薄い絶縁物層を介在させてもよい。 The divided conductors may be in direct contact with each other or may be separated from each other. Further, when the divided conductors are separated from each other, an air layer or a thin insulating layer may be interposed between the divided conductors.
各分割導体の厚みが所定の表皮深さより薄くなるよう導体を分割すると、電流が導体の表面に集中しないため、表皮効果の影響をあまり受けず、高周波電圧印加時の導体に流れる誘導電流が小さくならない。そのため、突極性を維持でき、センサレス駆動が可能となる。 If the conductors are divided so that the thickness of each divided conductor is thinner than the predetermined skin depth, the current is not concentrated on the surface of the conductor, so it is less affected by the skin effect and the induced current flowing through the conductor when applying high-frequency voltage is small. Don't be. Therefore, saliency can be maintained and sensorless driving is possible.
次に、表皮効果を考慮した導体の抵抗について説明する。渦電流が大きいと、回転子位置が図5のdの場合、キャンセルする磁束が増え、高周波電圧印加時のd軸インダクタンスLdhは小さくなる。一方、上述したように、高周波電圧印加時のq軸インダクタンスLqhは殆ど変わらない。 Next, the resistance of the conductor in consideration of the skin effect will be described. When the eddy current is large, when the rotor position is d in FIG. 5, the magnetic flux to be canceled increases, and the d-axis inductance Ldh when the high frequency voltage is applied becomes small. On the other hand, as described above, the q-axis inductance Lqh at the time of applying a high-frequency voltage hardly changes.
突極性はLdhの逆数とLqhの逆数との差が大きい程高いため、回転子位置が図5のdの場合の渦電流が大きいと、突極性は高くなる。また、導体の等価的な抵抗が小さい方が渦電流が大きいため、突極性は高くなる。従って、突極性を高めるには、高周波において表皮効果の影響を小さくする必要がある。 Since the saliency increases as the difference between the reciprocal of Ldh and the reciprocal of Lqh increases, the saliency increases when the eddy current is large when the rotor position is d in FIG. Moreover, since the eddy current is larger when the equivalent resistance of the conductor is smaller, the saliency is higher. Therefore, to increase the saliency, it is necessary to reduce the influence of the skin effect at high frequencies.
これに対して、導体を表皮深さより薄くなるよう分割すると、導体の等価的な抵抗が直流抵抗とほぼ同じとなる。このため、突極性を高めるには、導体を分割することが有用であると考えられる。 On the other hand, when the conductor is divided so as to be thinner than the skin depth, the equivalent resistance of the conductor becomes almost the same as the DC resistance. For this reason, it is considered useful to divide the conductor to increase the saliency.
そこで、導体の分割によって、高周波電圧印加時にどの程度表皮効果の影響を低減できるかを、各周波数での導体の等価的な抵抗を計算することにより説明する。但し、電流が偏り流れる部分が導体の表面全体ではなく、片側のみの場合とする。また、電流の偏り方については後で述べる。さらに、導体の断面の形状は1mmの正方形とし、導体の材料は銅とする。 Therefore, how much the influence of the skin effect can be reduced by applying the high-frequency voltage by dividing the conductor will be described by calculating the equivalent resistance of the conductor at each frequency. However, the part where the current flows unevenly is not the entire surface of the conductor but only one side. The method of current bias will be described later. Furthermore, the cross-sectional shape of the conductor is a 1 mm square, and the conductor material is copper.
図9は導体抵抗の周波数依存性を示すグラフであり、横軸に周波数、縦軸に断面積の比(導体全体の断面積/電流が流れる部分の断面積)を示している。この断面積の比は、抵抗の比(表皮効果を考慮した抵抗/直流抵抗)と同じと考えることができ、この値が1に近い程、表皮効果の影響が小さく、突極性を高く維持できる。計算では、電流が流れる部分の断面積は、表皮深さまで電流が流れるものとした。導体の等価的な抵抗は、表皮効果の影響を受けるまでは直流抵抗と同じであり、表皮効果の影響を受けると直流抵抗より大きくなる。 FIG. 9 is a graph showing the frequency dependence of the conductor resistance, where the horizontal axis indicates the frequency and the vertical axis indicates the ratio of the cross-sectional area (cross-sectional area of the entire conductor / cross-sectional area of the portion where current flows). This cross-sectional area ratio can be considered to be the same as the resistance ratio (resistance considering the skin effect / DC resistance). The closer this value is to 1, the less the influence of the skin effect is, and the higher the saliency can be maintained. . In the calculation, the cross-sectional area of the portion where the current flows is assumed to flow up to the skin depth. The equivalent resistance of the conductor is the same as the DC resistance until it is affected by the skin effect, and becomes larger than the DC resistance when affected by the skin effect.
表皮深さδ[m]は以下の式で求まる。
但し、feは前記導体に流れる渦電流の周波数[Hz]、σは導電率[S/m]、μは透磁率[H/m]とする。 Here, fe is the frequency [Hz] of the eddy current flowing through the conductor, σ is the conductivity [S / m], and μ is the magnetic permeability [H / m].
モータの電機子巻線部3に注入する高周波電流の周波数fhと上記のfeとは、モータが回転するため厳密には同じではない。しかし、fhに対して、モータを駆動するための電流の周波数fd[Hz]が十分小さいため、モータの電機子巻線に注入する高周波電流の周波数fhと上記のfeとは同じと考えることができる。そこで式(3)は次式に近似することができる。
図9は、σ=5.90×107S/m、μ=1.26×10−6H/mとして求めた。また、導体の厚みがb[m](図4参照)の場合、印加する高周波電圧の周波数が以下の式で求まる周波数f1[Hz]以上であれば、導体を分割することで表皮効果の影響を効果的に低減できる。
図9において、導体は分割無、2分割、3分割の3通りとした。横軸の点は1kHz,3kHz,5kHz,10kHz,30kHz,50kHzである。 In FIG. 9, there are three conductors: no division, two divisions, and three divisions. The points on the horizontal axis are 1 kHz, 3 kHz, 5 kHz, 10 kHz, 30 kHz, and 50 kHz.
分割無では、5kHz付近で等価的な抵抗が増加しはじめる。一方、2分割では、10kHz付近まで等価的な抵抗が直流抵抗と同じであり、表皮効果の影響を受けない。さらに、3分割では、30kHz付近まで等価的な抵抗が直流抵抗と同じであり、表皮効果の影響を受けない。 Without division, the equivalent resistance starts to increase around 5 kHz. On the other hand, in the case of two divisions, the equivalent resistance up to around 10 kHz is the same as the DC resistance, and is not affected by the skin effect. Further, in the three divisions, the equivalent resistance up to about 30 kHz is the same as the direct current resistance and is not affected by the skin effect.
次に、電流の偏り方について述べる。導体に直接電圧を印加する場合と、固定子が発生する磁束の一部が導体に鎖交することにより導体に誘導電流が流れる場合とでは、電流の偏り方が異なる。即ち、前者では導体の表面全体に電流が偏り、後者では主に導体の固定子に近い側に偏る。そのため、上記の抵抗の計算の条件は、片側のみに電流が偏る場合とした。 Next, how the current is biased will be described. The method of biasing the current differs between when the voltage is directly applied to the conductor and when the induced current flows through the conductor because a part of the magnetic flux generated by the stator is linked to the conductor. That is, in the former, the current is biased over the entire surface of the conductor, and in the latter, the current is biased mainly to the side closer to the stator of the conductor. Therefore, the condition for calculating the above resistance is that the current is biased to only one side.
以上のように、実施の形態1の永久磁石型モータでは、永久磁石7の周囲に導通回路部8が設けられており、かつ各分割導体の厚みが表皮深さより薄くなるように導通回路部8が分割されているので、高周波電圧印加時の表皮効果による抵抗の増加を抑制でき、突極性を維持することができる。このため、インピーダンスの回転子位置依存性を大きくすることができ、センサレス駆動に適した永久磁石型モータを得ることができる。
As described above, in the permanent magnet type motor of the first embodiment, the
ここで、実際にセンサレス駆動を行うためのコントローラの一例について説明する。図10は図1の永久磁石型モータをセンサレス駆動するためのコントローラを示す概略の構成図である。図において、永久磁石型モータ11には、コントローラ12が接続されている。コントローラ12は、電源13に接続されている。電源13は、例えばバッテリのような直流電源で構成されている。
Here, an example of a controller for actually performing sensorless driving will be described. FIG. 10 is a schematic configuration diagram showing a controller for driving the permanent magnet type motor of FIG. 1 sensorlessly. In the figure, a
コントローラ12は、インバータ14、電機子電流測定部15及び回転角度検出部16を有している。インバータ14は、永久磁石型モータ11を駆動するために永久磁石型モータ11に電流を供給する。また、インバータ14は、回転角度検出のために例えば数百Hzから数十kHzの高周波の電流を重畳して永久磁石型モータ11に注入する。
The
電機子電流測定部15は、電機子電流を測定する機能を有し、例えばホールCTやシャント抵抗などで構成されている。ホールCT等のセンサを用いるのは、永久磁石型モータ11の駆動開始直後等に電機子電流が直流に近いため、直流から高周波の交流まで計測する必要があるためである。図10では3相の電流を測定する構成としているが、2相でもよいし、電源側の1相の電流を測定する構成としてもよい。
The armature
電機子電流測定部15によって測定された電流値は、回転角度検出部16に入力される。回転角度検出部16は、入力された電流値に基づいて演算処理を行い、回転角度推定値θを求める。このとき、回転角度検出部16は、例えば、図7、図8で示した楕円軌道の長軸方向を求めることで回転角度の推定を行う。回転角度検出部16で推定した回転角度推定値θは、インバータ14によりモータ駆動用の電流を適切に供給するために利用される。
The current value measured by the armature
このようなコントローラ12では、レゾルバやエンコーダ等の回転角度検出装置を別途設けることなく、回転角度検出が可能となる。なお、電機子電流測定部15は、永久磁石型モータ11のトルク制御時に電流値を把握する必要があるため、レゾルバやエンコーダ等で回転角度を検出する従来の構成においても設けられている。また、回転角度検出部16は、従来の構成でも設けられるマイクロコンピュータやASICの内部で構成することができる。
Such a
従って、実施の形態1のコントローラ12によれば、従来よりも少ない部品点数で回転角度の検出を行うことが可能となり、従来よりも安価で小型の構成によるモータ駆動が実現できる。また、実施の形態1の永久磁石型モータ11は、突極性が大きいため、高周波の電流の大きさが同じ場合のΔIhが大きくなり、回転角度の検出の精度が高くなる。このため、回転角度の検出精度が低いことが原因で発生するトルクリップルも低減することができる。
Therefore, according to the
なお、上記の例では、永久磁石7が導通回路部8よりも径方向外側へ突出しており、導通回路部8が永久磁石7に接しているが、永久磁石7が導通回路部8よりも径方向外側へ突出しない場合や、導通回路部8が永久磁石7に接していない場合も、同様の効果が得られる。
In the above example, the
実施の形態2.
実施の形態1では、突極性を向上するための手段として、導体の分割方法を説明したが、実施の形態2では分割の方向等について詳しく説明する。但し、導体をモータの径方向に分割する構成は実施の形態1で説明済みのため割愛する。
In the first embodiment, the conductor dividing method has been described as a means for improving the saliency. In the second embodiment, the dividing direction and the like will be described in detail. However, since the structure which divides | segments a conductor to the radial direction of a motor has been demonstrated in
図11はこの発明の実施の形態2による永久磁石型モータの断面図、図12は図11の導通回路部8の第1例を示す平面図、図13は図12の導通回路部8を示す正面図である。図において、導通回路部8の軸方向導体部8a,8bは、各分割導体の厚みが表皮深さより薄くなるよう回転子4の周方向に3つに分割されている。これに伴って、接続導体部8c,8dは、回転子4の軸方向に3つに分割されている。分割導体は、互いに離れて配置されている。また、分割の方法は等分割に限らない。他の構成は、実施の形態1と同様である。
11 is a cross-sectional view of a permanent magnet type motor according to
このように、軸方向導体部8a,8bを回転子4の周方向に分割した場合でも、高周波電圧印加時の表皮効果を低減することができる。従って、図12のように分割された導通回路部8を永久磁石7の周囲に配置することによっても、突極性が向上し、センサレス駆動が可能となり、従来よりも安価で小型の構成でのモータ駆動が実現できる。また、導通回路部8の導体を分割することにより、導体の表面積が増えるため、放熱が容易である。
Thus, even when the
図14は図11の導通回路部8の第2例を示す正面図であり、平面図は図12と同様である。第2例では、導通回路部8は、回転子4の径方向に3つに分割されている。また、軸方向導体部8a,8bは回転子4の周方向に3つに分割され、接続導体部8c,8dは回転子4の軸方向に3つに分割されている。また、分割の方法は等分割に限らない。さらに、分割された導体は、絶縁性の接着剤で互いに接着されている。
FIG. 14 is a front view showing a second example of the
このように、導体の分割方法において、軸方向導体部8a,8bを回転子4の周方向に分割し、接続導体部8c,8dを回転子4の軸方向に分割し、導通回路部8の導体を軸方向に分割することにより、軸方向導体部8a,8bを回転子4の周方向に分割し、接続導体部8c,8dを回転子4の軸方向に分割した場合、又は、導通回路部8を導体の軸方向に分割した場合よりも、さらに表皮効果を低減でき、これにより突極性を維持することができ、センサレス駆動をより効率的に実施できる。
As described above, in the conductor dividing method, the
実施の形態3.
次に、図15はこの発明の実施の形態3による永久磁石型モータの断面図、図16は図15の導通回路部8の第1例を拡大して示す断面図である。この例では、導通回路部8は、永久磁石7の周囲に配置された7本の素線(分割導体)9の束として構成されている。他の構成は、実施の形態1と同様である。
Next, FIG. 15 is a sectional view of a permanent magnet type motor according to
このような永久磁石型モータでは、各素線9が絶縁体で被覆されていないため、隣接する素線9同士は導通している。しかし、素線9間には接触抵抗があるため、断面積が素線9の断面積の合計と同じである単線を用いる場合よりも、表皮効果の影響は受けにくい。そのため、高周波電圧印加時に導通回路部8に流れる誘導電流が小さくならず、突極性を維持でき、センサレス駆動が可能となる。また、素線9を用いたため、曲げ易く加工が容易である。
In such a permanent magnet type motor, since each
なお、上記の例では7本の素線9を用いたが、導体の厚みが表皮深さよりも薄くなるのであれば素線9の数は特定しない。
また、上記の第1例に適した素線9としては、例えば軟銅線又は錫メッキ軟銅線を用いることができ、このような素線9を撚り合わせて導通回路部8を構成することができる。
In the above example, seven
Moreover, as the
図17は図15の導通回路部8の第2例を拡大して示す断面図である。第2例では、各素線9は、素線本体9aと、素線本体9aの外周に被覆された絶縁体9bとを有している。
FIG. 17 is an enlarged cross-sectional view showing a second example of the
このように、絶縁体9bを有する素線9を用いて導通回路部8を構成することにより、絶縁体9bで被覆していない素線9を用いる場合よりも、表皮効果の影響を受けにくくなる。このため、高周波電圧印加時に導通回路部8に流れる誘導電流が小さくならず、突極性を維持でき、センサレス駆動が可能となる。
In this way, by forming the
なお、上記の第2例に適した導体としては、エナメル線を束ねた線やリッツ線等がある。
また、上記の第1例、第2例に適した導体は、撚り合わせていなくても、撚り合わせた場合と同様の効果が得られる。
In addition, as a conductor suitable for said 2nd example, there exist the wire which bundled the enamel wire, the litz wire, etc.
Moreover, even if the conductor suitable for said 1st example and 2nd example is not twisted, the effect similar to the case where it twists is acquired.
ここで、一般に、表面磁石型モータは突極性が殆どないが、先の実施の形態1、2、3のような構成とすることで、一般の表面磁石型モータに比べ、突極性を大きくすることができる。また、これらの構成では、永久磁石7の周囲に分割していない導体を配置した場合よりも、表皮効果を低減できるため、突極性が大きくなる。さらに、一般に、表面磁石型モータは、コギングトルク、トルクリップルが小さく、導体を配置することによるコギングトルク、トルクリップルへの影響はない。従って、表面磁石型モータの本来の利点を生かすこともできる。
Here, in general, the surface magnet type motor has almost no saliency, but the configuration as in the first, second, and third embodiments makes the saliency greater than that of a general surface magnet type motor. be able to. Moreover, in these structures, since the skin effect can be reduced as compared with the case where a conductor that is not divided is arranged around the
実施の形態4.
上記実施の形態1〜3では、表面磁石型モータに対して回転子位置によるインピーダンスの変化を大きくすることのできる構成を説明した。これに対して、本実施の形態4では、埋込磁石型モータに対して同様の構成を適用する場合について説明する。
In the first to third embodiments, the configuration that can increase the change in impedance due to the rotor position with respect to the surface magnet type motor has been described. On the other hand, in the fourth embodiment, a case where a similar configuration is applied to an embedded magnet type motor will be described.
図18はこの発明の実施の形態4による永久磁石型モータを示す断面図であり、埋込磁石型モータを示している。この例では、永久磁石7が回転子鉄心6内に埋設されている。回転子鉄心6の外周面には、永久磁石7の埋込部の周囲を囲むように複数の回転子溝6aが設けられている。回転子溝6a内には、実施の形態3と同様に7本の素線9からなる導通回路部8が配置されている。他の構成は、実施の形態1と同様である。
FIG. 18 is a sectional view showing a permanent magnet type motor according to
このような埋込磁石型モータであっても、永久磁石7の埋込部の周囲に導通回路部8を配置することにより、突極性が向上し、センサレス駆動が可能となり、従来よりも安価で小型の構成でのモータ駆動が実現できる。
Even in such an embedded magnet type motor, by arranging the
また、埋込磁石型モータは表面磁石型モータよりも磁石保持が容易なため、ステンレス鋼等の非磁性体製の管等を回転子4の外周部に設けなくてよい。
さらに、埋込磁石型モータは、元来突極性があるため、表面磁石型モータに比べて、突極性をさらに向上させることができる。
In addition, since the embedded magnet type motor is easier to hold the magnet than the surface magnet type motor, it is not necessary to provide a tube made of a non-magnetic material such as stainless steel on the outer periphery of the
Furthermore, since the embedded magnet type motor originally has saliency, the saliency can be further improved as compared with the surface magnet type motor.
実施の形態5.
本実施の形態5では、電機子巻線部3が集中巻の場合について説明する。実施の形態1〜4では、10極12スロットのみについて説明したが、極数とスロット数との比率が以下に示すようになるモータにおいても上記の構成をとることができる。
In the fifth embodiment, a case where the
極数:スロット数=12n±2n:12n(但し、nは1以上の整数)
極数:スロット数=9n±n:9n(但し、nは1以上の整数)
極数:スロット数=3n±n:3n(但し、nは1以上の整数)
Number of poles: number of slots = 12n ± 2n: 12n (where n is an integer of 1 or more)
Number of poles: number of slots = 9n ± n: 9n (where n is an integer of 1 or more)
Number of poles: number of slots = 3n ± n: 3n (where n is an integer of 1 or more)
図19はこの発明の実施の形態5による永久磁石型モータの第1例を示す断面図であり、電機子巻線部3が集中巻の例を示している。図19の永久磁石型モータは、8極12スロットであり、回転子4の回転方向を反時計回りとすると、巻線配置は、反時計回りにU+、V+、W+の順に4回繰り返す配置となる。他の構成は、実施の形態3と同様である。
FIG. 19 is a cross-sectional view showing a first example of a permanent magnet type motor according to
このような集中巻の永久磁石型モータは、元々は突極性が小さいが、このような構成とすることにより、表皮効果を低減できるため、突極性が大きくなり、回転センサレス化が可能となる。 Such a concentrated-winding permanent magnet motor originally has a small saliency, but by adopting such a configuration, the skin effect can be reduced, so that the saliency is increased and the rotation sensor can be eliminated.
また、実施の形態1で用いた図1は、実施の形態5による永久磁石型モータの第2例を示した断面図にも相当し、10極12スロットで電機子巻線部3が集中巻の永久磁石型モータの例を示している。
FIG. 1 used in the first embodiment also corresponds to a cross-sectional view showing a second example of the permanent magnet type motor according to the fifth embodiment, and the
さらに、図20はこの発明の実施の形態5による永久磁石型モータの第3例を示す断面図であり、14極12スロットで電機子巻線部3が集中巻の永久磁石型モータの例を示している。
FIG. 20 is a cross-sectional view showing a third example of the permanent magnet type motor according to the fifth embodiment of the present invention. The example is a permanent magnet type motor having 14 poles and 12 slots and the
さらにまた、図21はこの発明の実施の形態5における永久磁石型回転電機の第4例を示す断面図であり、8極9スロットで電機子巻線部3が集中巻の永久磁石型モータの例を示している。
FIG. 21 is a cross-sectional view showing a fourth example of the permanent magnet type rotating electric machine according to the fifth embodiment of the present invention. The permanent magnet motor of the permanent magnet type motor having the 8-pole 9-slot
図20における14極12スロットの巻線配置は、回転子4の回転方向を反時計回りとすると、反時計回りにU+、U−、W−、W+、V+、V−、U−、U+、W+、W−、V−、V+となる。また、図21における8極9スロットの巻線配置は、回転子4の回転方向を反時計回りとすると、反時計回りにU+、U−、U+、V+、V−、V+、W+、W−、W+となる。
In the winding arrangement of 14 poles and 12 slots in FIG. 20, when the rotation direction of the
このような実施の形態5の第2例〜第4例の巻線配置であっても、第1例と同様の効果が得られる。 Even with the winding arrangements of the second to fourth examples of the fifth embodiment, the same effects as those of the first example can be obtained.
なお、実施の形態5では、電機子巻線部3が集中巻の場合について説明したが、分布巻の場合でも同様の効果を得ることができる。
In addition, although
実施の形態6.
次に、図22はこの発明の実施の形態6による永久磁石型モータの回転子4を示す斜視図である。図において、導通回路部8は、隣接する永久磁石7間に設けられた複数の軸方向導体部8eと、回転子4の軸方向両端部で全ての軸方向導体部8eの端部間を接続する一対の環状の接続導体部8f,8gとを有している。即ち、軸方向導体部8eと接続導体部8f,8gとにより、閉じた回路である導通回路部8が構成されている。また、導通回路部8を構成する導体は、図では省略したが、実施の形態1又は2に示したように複数に分割されている。
Next, FIG. 22 is a perspective view showing a
このような構成によっても、表皮効果を低減できるため、突極性を維持することができ、レゾルバやエンコーダ等の回転角度検出装置を用いることなく、モータを駆動できるようになる。 Even with such a configuration, the skin effect can be reduced, so that the saliency can be maintained, and the motor can be driven without using a rotation angle detection device such as a resolver or an encoder.
実施の形態7.
本実施の形態7では、この発明による回転位置検出を電動パワーステアリング装置に適用する具体例について説明する。図23はこの発明の実施の形態7による電動パワーステアリング装置を示す概略の構成図である。
In the seventh embodiment, a specific example in which the rotational position detection according to the present invention is applied to an electric power steering apparatus will be described. FIG. 23 is a schematic configuration diagram showing an electric power steering apparatus according to
ステアリングホイール31には、ステアリングホイール31の操舵力を受けるコラムシャフト32が結合されている。コラムシャフト32には、ウォームギヤ33が接続されている。ステアリングホイール31の操舵力は、コラムシャフト32を介してウォームギヤ33に伝達される。
A
ウォームギヤ33は、モータ35のアシストトルクを操舵力に加える。このとき、ウォームギヤ33により、モータ35の回転の方向が直角に変えられるとともに、モータ35の回転が減速されて伝達される。
The
モータ35は、コントローラ34によって駆動制御される。ウォームギヤ33には、ハンドルジョイント36に接続されている。操舵力は、ウォームギヤ33からハンドルジョイント36に伝達され、その方向が変えられる。
The
ハンドルジョイント36には、ステアリングギヤ37が接続されている。ステアリングギヤ37は、ハンドルジョイント36の回転を減速しつつラック38の直線運動に変換する。このラック38の直線運動により車輪(図示せず)を動かし、車両の方向転換を可能とする。なお、図23では、ウォームギヤ33及びステアリングギヤ37の詳細な記載を省略し、それぞれのギヤボックスのみを示している。
A
このような電動パワーステアリング装置において、モータ35を適切に駆動するには、回転角度を検出する必要がある。そこで、従来のモータは、ホールセンサやレゾルバなどの回転角度検出装置を具備している。しかしながら、ホールセンサやレゾルバがあると、部品点数が増え、コストも増加する。また、モータ35のサイズも回転角度検出装置があるために大きくなってしまう。
In such an electric power steering apparatus, it is necessary to detect the rotation angle in order to drive the
これに対して、モータ35として、上述したような実施の形態1〜6に示したいずれかの永久磁石型モータを用いることで、回転角度検出装置がなくても、導体に流れる誘導電流によって発生するインピーダンスの違いを利用して、電機子電流を測定することにより、回転角度検出が可能となる。即ち、コントローラ34により、モータ35を駆動するための電圧に重畳して、例えば数百Hz〜数十kHzの高周波電圧をモータ35に印加し、それにより生じる高周波電流を計測することにより、回転角度検出が可能であり、回転センサレス駆動が可能となる。
On the other hand, by using any of the permanent magnet motors shown in the first to sixth embodiments as described above as the
また、実施の形態1〜6に示したいずれかの永久磁石型モータでは、導通回路部8の導体が分割されているため、導体が分割されていない場合に比べ、高周波電圧印加時の表皮効果の影響を低減でき、突極性が大きくなり、位置検出の精度が高められる。これにより、部品点数を減らすことができるとともに、コストを低減することができる。また、モータ35のサイズを小さくでき、軽量化することができる。さらに、信頼性の高い電動パワーステアリング装置を得ることができる。
Further, in any of the permanent magnet type motors shown in the first to sixth embodiments, the conductor of the
このような電動パワーステアリング装置では、モータ35にて発生するコギングトルクやトルクリップルがウォームギヤ33とコラムシャフト32を介して、ステアリングホイール31に伝達される。従って、モータ35が大きなコギングトルクやトルクリップルを発生する場合、滑らかなステアリング感覚を得ることができない。
In such an electric power steering apparatus, cogging torque and torque ripple generated by the
これに対して、特に実施の形態1〜3、5、6に示した表面磁石型のモータでは、コギングトルクやトルクリップルを小さく抑えつつ、回転センサレス駆動が可能となり、滑らかなステアリング感覚を得ることができる。 On the other hand, the surface magnet type motors shown in the first to third embodiments, particularly, the rotation sensorless driving can be achieved while suppressing the cogging torque and the torque ripple, thereby obtaining a smooth steering feeling. Can do.
また、実施の形態1で説明したように、高周波電流の振幅が小さくても位置検出の精度が確保できるため、騒音を低減することができる。従って、モータ35が車室内に配置され運転手とモータとの位置が近いコラム式への適用も有効である。
Further, as described in the first embodiment, since the position detection accuracy can be ensured even if the amplitude of the high-frequency current is small, noise can be reduced. Therefore, application to a column type in which the
1 固定子、2 固定子鉄心、3 電機子巻線部、4 回転子、6 回転子鉄心、7 永久磁石、8 導通回路部、8a,8b,8e 軸方向導体部、8c,8d,8f,8g 接続導体部、11 永久磁石型モータ、12,34 コントローラ、35 モータ。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
回転子鉄心と、前記回転子鉄心に設けられた複数の永久磁石とを有する回転子
を備えている永久磁石型回転電機において、
前記回転子には、閉じた回路である導通回路部が設けられており、
前記導通回路部は、前記回転子の軸方向に沿って設けられた複数の軸方向導体部と、前記軸方向導体部間を接続する複数の接続導体部とを有しており、
前記導通回路部を構成する導体は、その長さ方向に垂直な断面を見たとき複数の分割導体に分割されていることを特徴とする永久磁石型回転電機。 A stator having a stator core, an armature winding provided in the stator core, and a rotor having a rotor core and a plurality of permanent magnets provided in the rotor core. In the permanent magnet type rotating electrical machine,
The rotor is provided with a conduction circuit portion that is a closed circuit,
The conduction circuit portion includes a plurality of axial conductor portions provided along the axial direction of the rotor, and a plurality of connection conductor portions that connect the axial conductor portions.
The permanent magnet type rotating electrical machine is characterized in that the conductor constituting the conductive circuit portion is divided into a plurality of divided conductors when a cross section perpendicular to the length direction is viewed.
前記接続導体部は、前記回転子の軸方向両端部で全ての前記軸方向導体部の端部間を接続する一対の環状の導体であることを特徴とする請求項1記載の永久磁石型回転電機。 The axial conductor portions are respectively disposed between the adjacent permanent magnets,
2. The permanent magnet type rotation according to claim 1, wherein the connection conductor portion is a pair of annular conductors connecting between the end portions of all the axial conductor portions at both axial end portions of the rotor. Electric.
前記永久磁石型回転電機を永久磁石型モータとして駆動するとともに、前記永久磁石型モータを駆動するための電圧に高周波電圧を重畳して前記永久磁石型モータに印加するコントローラと
を備えたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。 The permanent magnet type rotating electrical machine according to any one of claims 1 to 8,
And a controller that drives the permanent magnet type rotating electrical machine as a permanent magnet type motor and superimposes a high frequency voltage on the voltage for driving the permanent magnet type motor and applies the high frequency voltage to the permanent magnet type motor. Electric power steering device.
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