JP2010531130A - １２個のステータ歯と１０個のロータ極とを有する同期モータ - Google Patents

Abstract

本発明は、例えば同期機械である電気機械（１）に関しており、この電気機械は、１２個のステータ歯（２）を有するステータ装置（３）と、１０個のロータ極（４）を有するロータ（６）とを有しており、上記のロータ極（４）は、空隙（９）によって分離されており、上記のロータ極（４）は、正弦波極として構成されている。

Description

本発明は、殊に電動パワーステアリングで使用される１２個のステータ歯および１０個のロータ極を有する同期モータに関する。

従来の技術
自動車での使用に対して電気機械的に支援を行うステアリングシステム用の電気駆動装置において、シャフトに形成される駆動トルクの変動は極めて小さくなければならない。このような駆動装置としてふつう永久磁石励磁式の電子整流同期モータが使用される。それは、このような同期モータは、その出力密度、効率および可制御性により、上記の適用に有利だからである。しかしながら電子整流同期モータでは高調波によっていわゆる高調波トルクが発生し、これによってトルクの大きな変動が発生することがある。このため、この高調波が可能な限り低減されるか、またはこの高調波がトルク経過に与える影響が小さくなるように、上記の駆動装置を構成しなければならないのである。

さらにこのような同期機械では、負荷がかかった場合にのみトルク変動が発生するのではなく、ステータ巻線に電流が流れていない場合にも発生する。このようなトルク変動はコギングトルクと称される。同期モータにおけるコギングトルクを低減するために慣用されている手法では、極数に対するステータスロット数の比を選択して、最小公倍数が可能な限り大きくなるようにする。これは例えば、コイルを細かく分散させることによって達成可能である（例えばｑ＝２ないしは極および相当たり２つのスロット）。しかしながら小型電動モータではスペースが狭いために、細かく分散させたコイルを可動子にはめ込んで、高周波成分の少ない適切な空隙磁場を形成できないことが多い。したがって殊に上記のような同期モータにおいてサイズが小さい場合、空隙における相応の高調波を考慮に入れなければならない。しかしながら上記の高調波は、これが高調波トルクを形成しないかまたはわずかにしか形成しないようにしたい。このため、小型の同期機械ではBruchlochコイル（極および極棒当たりのスロット数）に移行することが多い。これは、例えば、ステータにおいてステータ歯が９個ありかつロータ極が８個あるか、ないしはステータにおいてステータ歯が１８個ありかつロータ極が８個ある同期モータにおいて得られる。

別の重要な要求は、電動モータの信頼性をより一層高めることである。電気励磁式機械とは異なり、永久磁石においては磁場を遮断することはできない。これは、例えばコイルにおける短絡などの障害が生じた場合、大きな制動トルクになることがあり、ステアリングシステムに使用している場合にはこれらの制動トルクがハンドルのロックに結び付き得る。したがって、障害の確率が低くまた障害の場合にも制動トルクの小さい電動モータを利用できるようにすることが望ましいのである。

発明の開示
したがって本発明の課題は、簡単に組み立てることができ、負荷トルクが小さく、トルクリップルが小さく、さらにその構成に起因して信頼性の高い同期モータを提供することである。

上記の課題は、請求項１に記載した同期モータにより解決される。

本発明の有利な実施形態は従属請求項には記載されている。

ここでは１つの側面によれば、電気機械、殊に同期機械が設けられる。この電気機械には、１２個のステータ歯を有するステータ装置と、１０個のロータ極を有するロータが含まれており、ここでこれらのロータ極は空隙によって分離されており、ロータ極は正弦波極（Sinuspole）として構成されている。

１２個のステータ歯および１０個のロータ極を有する電気機械をロータ極構成と組み合わせて構成することの利点は、正弦波極を有しない電気機械に比べて負荷トルクおよび高調波トルクを格段に低減できることである。

さらに極間の接線空隙は、半径方向に外側に向かって拡げることができる。

別の実施形態によれば、各ロータ極に永久磁石が取り付けられており、この永久磁石のＮ極Ｓ極方向は半径方向に延びており、互いに隣接する永久磁石の極性は逆向きである。

さらにロータ極を２次極装置に構成することができ、ここで１つ置きのロータ極に永久磁石が形成されており、そのＮ極Ｓ極方向は半径方向に延びており、これらの永久磁石の極性の向きは同じである。

別の１実施形態によれば、ロータ内に配置される永久磁石は、殊にポケットに設けることができ、そのＮ極Ｓ極方向は円周方向に延在している。殊に隣接して配置される永久磁石は、互いに逆向きの極性方向を有する。

さらに２つずつロータ極間に複数の永久磁石のうちの１つを収容するポケットを設けることができ、ここで１つ置きのポケットだけにそれぞれ永久磁石を取り付ける。

上記のステータ歯は、２次歯配置構成に相応して巻回することができ、１つ置きのステータ歯だけがステータコイルを有する。

さらに各ステータ歯にはステータコイルを取り付けることができ、ここではステータコイルは、２つずつ直列接続されたステータコイルを有するグループにまとめることができ、ステータコイルのグループは１つまたは複数のステー結線に接続される。殊に上記のステータコイルのグループは、ステータコイルの３つずつのグループを有する２つのスター結線に接続され、ステータコイルの相応する３つのグループは、３つの相電圧に対する端子に接続される。

択一的には各ステータ歯にステータコイルを取り付けることができ、ここでステータコイルは、２つずつ直列接続されたステータコイルを有するグループにまとめることができ、ステータコイルのグループは、１つまたは複数の三角結線に接続される。殊に上記のステータコイルのグループは、ステータコイルの３つずつのグループを有する２つの三角結線に接続され、これらの三角結線の各三角結線の相応するステータコイルの３つのグループは、３つの相電圧に対する端子に接続されている。

本発明の第１実施形態による１２／１０同期モータの断面図である。 本発明の別の実施形態による１２／１０同期モータのロータの断面図である。 本発明のさらに別の実施形態による１２／１０同期モータのロータの断面図である。 本発明のさらに別の実施形態による１２／１０同期モータのロータの断面図である。 本発明のさらに別の実施形態による１２／１０同期モータのロータの断面図である。 別の実施形態によるステータ装置の断面図である。 本発明による１２／１０同期モータのステータコイルにおける接続の１実施形態を示す図である。 本発明による１２／１０同期モータのステータコイルにおける接続の別の１実施形態を示す図である。 本発明による１２／１０同期モータのステータコイルにおける接続のさらに別の１実施形態を示す図である。 本発明による１２／１０同期モータのステータコイルにおける接続のさらに別の１実施形態を示す図である。 本発明による１２／１０同期モータのステータコイルにおける接続のさらに別の１実施形態を示す図である。 本発明による１２／１０同期モータのステータコイルにおける接続のさらに別の１実施形態を示す図である。

以下では添付の図面に基づいて本発明の有利な実施形態を詳細に説明する。

図７〜１２は、上記の実施形態による１２／１０同期モータのステータコイルの種々異なる接続の選択肢を示している。

実施例の説明
以下の実施形態において同じ参照記号は、同一または類似した機能を有するエレメントに対応している。

図１には、本発明の１実施形態による同期モータ１の断面図が示されている。同期モータ１は１２個のステータ歯２と１０個のロータ極４とによって構成され、このような同期モータを以下では１２／１０同期モータと称する。ステータ歯２はステータ３に配置されており、このステータ歯の各歯先５は共通の中心点を向いており、これらのステータ歯の各中心軸は、有利にはリング形のステータ３によって取り囲まれる中心点を中心として半径の方向に延在する。またステータ歯２はステータ３の内側に均等に、すなわち相互に等しい間隔（オフセット角）で配置されている。ステータ３の内側にはさらにロータ６も設けられており、このロータ６の回転軸は有利には上記の中心点に相応する。ロータ６には１０個の極磁石７（永久磁石）が円周に均等に分散されて配置されており、これらの磁石の極方向は、実質的にロータ６の半径方向に延びている。互いに隣り合う極磁石７は、半径方向に互いに逆の極性を有しており、同じ向き２つずつの極磁石が、ロータ軸に関して互いに対向している。

ステータ歯２はステータコイル８によって包囲されており、これは図示の実施例において１つずつのステータ歯２を取り巻いている（図示の実施例ではわかり易くするため１つのステータコイルだけを示している）。このことの利点は、２つまたはそれ以上のステータ歯２を包囲するステータコイル８を有する従来技術から公知の実施例とは異なり、交差するコイル素線を回避できることであり、これによって短絡に対する確率を低減し、ひいては信頼性を高めることができる。わかりやすくするため、図１にはただ１つのステータコイル８だけが示されている。

ロータ６の極磁石７は、ロータ６に埋め込まれている。すなわちいわゆる埋め込み式磁石が構成されている。実質的に円筒状をしているロータ６の外周面には、ロータ極と、ロータ極４間の空隙９とが設けられており、これらの空隙は、この空隙の深さを区切るウェブから出発して、半径方向に見て外側に向かって拡がっており、いわゆる正弦波極を形成している。正弦波極は電動モータの磁石極であり、ここでは正弦波状の空隙誘導が生じる。このような正弦波極は、例えばRudolf Richter著の"Elektrische Maschinen"，第１巻、第170頁以下、Julius-Springer-Verlag 1924にすでに記載されている。磁心空隙における輪郭、すなわち２つの極の間の空隙は、精確な方程式には従い得ないため、永久磁石６の間のこの領域は、機械的な観点に相応して形成すべきである。このため、例えば、正弦波状極構造によって得られる輪郭が各ロータ極４にわたって続くのは所定の幅までだけである。この間隙が実施されるのは、極の間の所定の深さまでだけである。それはこの間隙がこの領域において空隙磁場に大きな影響を与えないからである。この領域において間隙は機械的な観点にしたがって構成される。

埋め込み式永久磁石において空隙を拡げることにより、半径方向に見て永久磁石の外側でその極にわたってロータ６の材料は、ロータ６の外径の円周線よりも大きく曲げられることになり、ロータ６の複数の極４の間に、拡がった空隙が形成される。空隙に対するこの輪郭により、回転子を通る近似的に正弦波状の空隙磁場が得られ、これによって空転時の負荷トルクおよび負荷時の高調波トルクを大きく低減することができる。有利には上記の空隙の拡がりの輪郭に対して、１／cos(Ｐ−φ)と示すことのできる近似関数を使用する。Ｐは極対の数であり、φは、極４の中心線から出発した空間的な角度である（この近似方程式のより精確な説明は、刊行物DE 103 14 763に示されている。）。

図２には、本発明の別の実施形態による同期モータ用のロータ６の断面が示されている。ロータ６は、２次極配置構成（Folgepolanordnung）で形成されており、同じ向きの永久磁石７を５個だけ有する。ここで１つ置きのロータ極４だけに永久磁石７が取り付けられている。永久磁石７が設けられていないロータ極４は、隣接する同じ向きの複数の永久磁石７により、ロータ６の材料による磁気ヨークに起因して形成される。これによって図２の同期モータにおいて、５個の主極および５個の２次極を有するロータ装置が得られる。このような２次極配置構成は有利にも１２／１０同期モータにおいて使用可能である。それは、このような同期モータにより、次数２分の１（１／２＝０．５）（波長＝２倍のロータ基本波＝４倍の極分割）のまたはその奇数倍の分数調波のステータ波が形成されないからである。２次極配置構成が可能であることにより、殊に構造的に小さいモータにおいて取り付けコストを低減し、また比較的高価な永久磁石を節約することができる。

図３の実施形態には、本発明の別の実施形態による同期モータに対するロータの断面が示されている。ここでは永久磁石６が台形ポケット１０に配置されており、これによって隣接する２次極の力線による主極の力線の影響を低減することができる。台形ポケット１０は、半径方向に内側に向かって先細りに構成されている。使用される永久磁石７は、例えば平行６面体またはパンの塊状に構成されているため、それぞれの台形ポケット１０の壁と、相応する永久磁石７との間に自由空間が形成され、この自由空間により、逆行する磁束が所定の間隔で永久磁石の横を通り過ぎるように案内される。逆に上記のポケットを内側に向かって拡げることも可能である。これにより、ポケットをさらに外側に向かって極の方に移動させ、磁石を空隙のより一層近くに配置することができる。

図４には、磁石を配置したロータ装置の別の実施形態が示されている。永久磁石を配置して永久磁石７のＮ極およびＳ極を半径方向に延在させるのとは異なり、図４には、永久磁石７がいわゆるスポーク磁石として構成されている実施形態が示されており、これらの永久磁石の磁極は円周方向に配置されている。互いに向き合った極磁石は、極が同じである。永久磁石７は、配置したポケット１２内にある。配置された永久磁石７の間にあるロータ材料により、力線は外側に向かって案内され、正弦波極に相応して形成されたロータ６の外面により、配置された隣接する２つの永久磁石７の間のセグメントにおいて、ここでも同様に上記の利点を有する正弦波状の空隙磁場が得られる。永久磁石７をスポーク磁石として配置構成することにより、同期モータの磁極束およびトルク密度を上げることができる。スポーク磁石７として配置構成することにより、永久磁石７からロータ６のロータ極４へ至る磁場束を集結することができ、空隙にわたってより一層大きな磁極束を形成することができる。これにより、サイズが同じで永久磁石７の数が同じ場合に、より一層大きなトルクを形成することができる。

図５には、スポーク磁石７を使用した場合の２次極配置構成が示されており、ここではロータ６の１つ置きのポケット１２にスポーク永久磁石７が配置されており、これに対してそれらの間にあるポケット１２は空のままである。永久磁石７をスポーク配置する場合にも２次極配置構成が可能であり、ここでは主極および２次極が形成されるのではなく、ロータ極４が実質的に同じ力線経過を生じさせるのである。このようなロータ６の機械的な安定性を高めるため、取り付けられていないポケット１２に磁気的に非活性な材料を充填することが好適なことがあり得る。これらの空のポケット１２はさらに別の構造的な部分に利用可能である。

図６には同期モータのステータ配置構成が示されており、ここでは１つ置きのステータ歯２が巻回されていないため、６つのステータコイル８だけを設ければよい。このような配置構成は、上で説明した２次極配置構成に相応して２次歯配置構成と称されており、巻回されていないステータ歯２は、磁気ヨークによって、機能可能なステータ歯２を構成する。このようなステータ配置構成は、上で説明したすべてのロータ配置構成に使用可能である。

図７〜１２には、図１〜５に示した実施形態におけるステータコイル８の電気接続の種々異なる実施形態が示されている。ここで２つずつのステータコイル８は互いに直列接続され、有利にはステータにおいて互いに対向するステータコイルが互いに直列接続される。互いに直列接続された２つずつのステータコイル８は、駆動制御の際、半径方向に逆向きの磁束を発生する。すなわち、２つのステータコイル８のうちの一方の磁束の方向がロータ６の方向である場合、対応する他方のステータコイル８の磁束の方向はこの逆向き、つまりロータ６から離れる方向である。

すなわち、１２個のステータコイルは、直列接続されかつステータにおいて直径上で対向する２つずつのステータコイル８からなる６個のグループを形成する。ここでこれらのステータコイルは、３つの相Ｕ，Ｖ，Ｗを介して電気的に駆動制御される。ステータコイル８の２つずつのグループはここで１つの相に接続される。図7にはステータコイル８のグループをスター結線で接続することが示されている。すなわち、ステータコイル８の各グループは、一方の端子によって相Ｕ，Ｖ，Ｗのうちの１つの相に、また他方の端子によって共通のスター点Ｓに接続されているのである。

図８には三角結線における接続が示されており、ここではステータコイル８の２つずつのグループが互いに並列接続されており、相応する並列接続はその２つの節点により、別の並列接続の節点に接続されており、三角結線を形成している。各節点は相Ｕ，Ｖ，Ｗのうちの１つに接続されている。

図９に示したように、ステータコイル８のグループを別のスター点Ｓ１，Ｓ２を有するステータ結線に接続することも可能である。ここでステータコイル８の３つずつのグループは３つの相を介して駆動されかつ共通のスター点を有するため、相Ｕ，Ｖ，Ｗに互いに並列接続された２つのスター結線が並存するのである。

図１０〜１２にはステータコイル８の接続が示されており、これらは、２つの３相系によってそれぞれ作動される。

図１０には共通のスター点を有する接続が示されており、ここではステータコイル８の３つのグループがそれぞれ、別の３相駆動制御電圧Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１ないしはＵ２，Ｖ２，Ｗ２によって作動される。

図１１には１実施形態が示されており、ここではステータコイル８の３つのグループは、完全に互いに独立して構成される。すなわちステータコイル８の３つのグループは、共通のスター点Ｓ１を介して互いにスター結線に接続されており、第１の３相系の相電圧によって作動され、またステータコイル８の３つのグループを有する別のスター結線は、別の３相系の相電圧によって作動される。このような系をステータにおいて対称的な構造で設けることは有利である。

図１１の実施形態に類似して図１２の実施形態に示されているのは、三角結線における接続である。ここで２つのステータコイル８の３つずつのグループを有しかつ互いに独立して作動される２つの三角結線は、横並びに可能な限り対称にステータに設けられる。スター点を互いに別の２つまたはそれ以上のスター点に分けること、ないしは別個の駆動制御を有するステータコイル装置を設けることの利点は、故障の場合、すなわち短絡などが生じた際に、発生する制動トルクを低減できることである。

Claims (14)

1. 例えば同期機械である電気機械（１）において、
   該電気機械は、
   １２個のステータ歯（２）を有するステータ装置（３）と、
   １０個のロータ極（４）を有するロータ（６）とを有しており、
   前記のロータ極（４）は、空隙（９）によって分離されており、
   前記のロータ極（４）は、正弦波極として構成されていることを特徴とする
   電気機械（１）。
2. 前記の接線空隙（９）は、半径方向に外側に向かって拡がっている、
   請求項１に記載の電気機械。
3. 前記のロータ極（４）および空隙（９）によって形成される正弦波極に対する極輪郭は、1/cos(Ｐ−φ)の近似関数にしたがって形成される、
   請求項１または２に記載の電気機械。
4. 各ロータ極（４）に永久磁石が取り付けられており、
   当該永久磁石のＮ極Ｓ極方向は半径方向に延在しており、
   互いに隣接する永久磁石（７）の極性は逆向きである、
   請求項１から３までのいずれか１項に記載の電気機械。
5. ロータ極（４）は２次極配置構成で構成されており、
   １つ置きのロータ極（４）だけに永久磁石（７）が構成されており、
   当該永久磁石のＮ極Ｓ極方向は半径方向に延在しており、
   当該永久磁石（７）の極性は同じ向きである、
   請求項１から３までのいずれか１項に記載の電気機械。
6. ロータ（６）に配置された永久磁石（７）は、例えばポケットに設けられており、
   当該の永久磁石のＮ極Ｓ極方向は円周方向に延在している
   請求項１から３までのいずれか１項に記載の電気機械。
7. 隣接して配置された永久磁石（７）は、互いに逆の極性方向を有する、
   請求項６に記載の電気機械。
8. ２つのロータ極（４）の間に永久磁石（７）を収容するポケット（１２）が設けられており、
   １つの置きのポケット（１２）だけに永久磁石（７）が備え付けられている、
   請求項６に記載の電気機械。
9. 前記のステータ歯（２）は、２次歯配置構成に相応して巻回されており、
   １つの置きのステータ歯（２）だけがステータコイルを有する、
   請求項１から８までのいずれか１項に記載の電気機械。
10. 各ステータ歯（２）にステータコイル（８）が設けられており、
    当該ステータコイル（８）は、２つずつの直列接続されたステータコイル（８）を有するグループにまとめられている、
    請求項１から８までのいずれか１項に記載の電気機械。
11. 前記のステータコイル（８）のグループは１つまたは複数のスター結線で接続されている、
    請求項９または１０に記載の機械。
12. 前記のステータコイル（８）のグループは、ステータコイル（８）の３つずつのグループを有する２つのスター結線に接続され、
    相応する３つのステータコイル（８）のグループは、３つの相電圧に対する端子に接続されている、
    請求項９または１０に記載の電気機械。
13. 前記のステータコイル（８）のグループは１つまたは複数の三角結線に接続されている、
    請求項９または１０に記載の機械。
14. 前記のステータコイル（８）のグループは、ステータコイル（８）の３つずつのグループを有する２つの三角結線に接続され、
    当該の三角結線の各三角結線の相応するステータコイル（８）の３つのグループは、３つの相電圧に対する端子に接続されている、
    請求項１３に記載の電気機械。

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