DE112017002075T5

DE112017002075T5 - Motor und elektrische servolenkvorrichtung

Info

Publication number: DE112017002075T5
Application number: DE112017002075.1T
Authority: DE
Inventors: Hiromitsu OHASHI
Original assignee: Nidec Corp
Current assignee: Nidec Corp
Priority date: 2016-04-19
Filing date: 2017-04-19
Publication date: 2019-01-24
Also published as: CN109075633A; CN109075633B; JPWO2017183656A1; WO2017183656A1; US10998782B2; US20200303976A1; JP6915612B2

Abstract

Ein Motor 10, der zu einem Ausführungsbeispiel gehört, ist mit folgendem ausgerüstet: einem Rotor 30 mit einem Rotorkern 31 und mehreren Permanentmagneten 32, die entlang des Außenumfangs des Rotorkerns 31 angeordnet sind; und einem Stator 20 mit mehreren Wicklungen 21. Jeder der mehreren Permanentmagneten 32 weist folgende Merkmale auf: eine erste Oberfläche 221, die in Kontakt mit dem Außenumfang des Rotorkerns 31 steht; und eine zweite Oberfläche 222, die in einer Radialrichtung 210 des Rotors 30 außerhalb der ersten Oberfläche 221 positioniert ist und dem Stator 20 zugewandt ist. Bei Draufsicht des Rotors 30 bei Betrachtung aus einer Richtung parallel zu der Drehachsenrichtung des Rotors 30 weist die erste Oberfläche 221 einen linearen Teil auf und die zweite Oberfläche 222 weist einen linearen Teil auf, der parallel zu dem linearen Teil der ersten Oberfläche 221 ist, wobei eine Länge L2 des linearen Teils der zweiten Oberfläche 222 20% oder mehr und weniger als 85% einer Länge L1 des linearen Teils der ersten Oberfläche 221 beträgt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Motor und auf eine elektrische Servolenkvorrichtung.
HINTERGRUNDTECHNIK
In den letzten Jahren steigen die Anforderungen an Ruhe und wenig Vibrationen für Elektromotoren, wie beispielsweise bürstenlose Gleichstrommotoren und synchrone Wechselstrommotoren (im Folgenden einfach als „Motor“ bezeichnet). Insbesondere muss ein Motor für eine elektrische Servolenkvorrichtung eine Eigenschaft großer Ruhe und eine Eigenschaft geringer Vibration besitzen, um das Lenkgefühl zu verbessern.
Im Allgemeinen weist ein Motor einen Rotor und einen Stator auf. Eine Mehrzahl von Permanentmagneten ist an dem Rotor in der Umfangsrichtung desselben angeordnet. Der Stator weist eine Mehrzahl von Wicklungen auf. Wenn der Motor angetrieben wird, wird durch Anregung des Stators eine radiale Anregungskraft auf den Stator und den Rotor ausgeübt und Vibration und Geräusche werden erzeugt. Als Gegenmaßnahme gegen derartige Vibration und Geräusche ist ein Verfahren zum Unterdrücken von Vibration durch Überlagern eines Stroms, der einem Motor zugeführt wird, durch eine Harmonische-Komponente bekannt (siehe beispielsweise Patentliteratur 1).
REFERENZLISTE
PATENTLITERATUR
Patentliteratur 1: JP 4155152 B1
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
Eine weitere Verbesserung für weniger Vibrationen des Motors wird benötigt.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung stellen einen Motor bereit, der in der Lage ist, Vibrationen zu reduzieren.
LÖSUNGEN FÜR DIE PROBLEME
Ein exemplarischer Motor der vorliegenden Offenbarung beinhaltet einen Rotor mit einem Rotorkern und einer Mehrzahl von Permanentmagneten, die entlang eines Außenumfangs des Rotorkerns vorgesehen sind, und einen Stator mit einer Mehrzahl von Wicklungen. Jeder der Mehrzahl von Permanentmagneten weist eine erste Fläche, die in Kontakt mit einem Außenumfangsabschnitt des Rotorkerns steht, und eine zweite Fläche auf, die sich in der Radialrichtung des Rotors außerhalb der ersten Fläche befindet und dem Stator zugewandt ist. In einer Draufsicht bei Betrachtung des Rotors aus einer Richtung parallel zu einer Drehachsenrichtung des Rotors weist die erste Fläche einen linearen Abschnitt auf, die zweite Fläche weist einen linearen Abschnitt auf, der parallel ist zu dem linearen Abschnitt der ersten Fläche, und die Länge des linearen Abschnitts der zweiten Fläche beträgt 20% oder mehr und weniger als 85% der Länge des linearen Abschnitts der ersten Fläche.
VORTEILHAFTE AUSWIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Gemäß den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung kann die Vibration des Motors reduziert werden.
Figurenliste

1 ist ein schematisches Diagramm, das eine Struktur eines Motors gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel darstellt.
2 ist ein schematisches Diagramm, das eine Schaltungskonfiguration einer Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß dem exemplarischen Ausführungsbeispiel darstellt.
3 ist ein Blockdiagramm, das einen Motor darstellt, der die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß dem exemplarischen Ausführungsbeispiel aufweist.
4 ist ein Diagramm, das einen Stromsignalverlauf, der erhalten wird durch Auftragen von Stromwerten eines Stroms, der durch die U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasenwicklungen des Motors fließt, wenn die Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der Dreiphasenenergieversorgungssteuerung gesteuert wird, gemäß dem exemplarischen Ausführungsbeispiel darstellt.
5 ist ein Diagramm, das einen Antriebsstrom darstellt, der erhalten wird durch Überlagern einer Grundkomponente durch eine Harmonische-Komponente gemäß dem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
6 ist eine Draufsicht eines Stators und eines Rotors des Motors gemäß dem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
7 ist eine Draufsicht eines Permanentmagneten des Rotors gemäß dem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
8 ist eine perspektivische Ansicht eines Permanentmagneten des Rotors gemäß dem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
9 ist eine Draufsicht eines blockförmigen Magnetmaterials gemäß dem exemplarischen Ausführungsbeispiel.
10 ist ein Diagramm, das das Rastmoment und die Kosten relativ zu dem Verhältnis der Länge L2 zu der Länge L1 gemäß dem exemplarischen Ausführungsbeispiel darstellt.
11 ist eine Draufsicht eines herkömmlichen Permanentmagneten.
12 ist eine Draufsicht, die eine Modifizierung des Permanentmagneten des Rotors gemäß dem exemplarischen Ausführungsbeispiel darstellt.
13 ist eine schematische Ansicht einer elektrischen Servolenkvorrichtung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Bevor die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung beschrieben werden, wird das Wissen der vorliegenden Erfinder, das die Basis der vorliegenden Offenbarung bildet, erläutert.
Wie oben beschrieben wurde, kann, wenn ein Strom, der einem Motor zugeführt wird, durch eine Harmonische-Komponente überlagert wird, abhängig von der Struktur eines Rotors und eines Stators der Magnetfluss, der aus der Wicklung erzeugt wird, gestört werden, wodurch der Strom hoher Ordnung zu Rauschen werden kann und sich die Drehmomentwelligkeit usw. verschlechtern kann.
Um die Drehmomentwelligkeit und das Rastmoment für beispielsweise einen Oberflächen-Permanentmagnet-Motor zu reduzieren, ist die Außenoberfläche (radial äußere Oberfläche) des Permanentmagneten so gekrümmt, dass sie in Draufsicht eine im Wesentlichen bogenartige Form besitzt. Im Allgemeinen ist ein Permanentmagnet für einen Rotor durch Schneiden eines blockförmigen Magnetmaterials gebildet. Zu dem Zeitpunkt des Formens eines bogenförmigen Magneten besteht dahin gehend ein Problem, dass die aus dem Material auszuschabende Menge ansteigt und die Verarbeitungskosten des Magneten ansteigen. Ferner wird, wenn die Ausschabmenge zunimmt, das Volumen des Magneten reduziert. Folglich besteht dahin gehend ein Problem, dass die Menge an Magnetfluss, die aus dem Magneten erzeugt wird, abnimmt und das Drehmoment, das zu dem Zeitpunkt des Antreibens des Motors erzeugt wird, ebenso abnimmt.
Um Vibration und Drehmomentwelligkeit zu reduzieren, ist es vorstellbar, den Magnetfluss des Permanentmagneten Harmonische-Komponenten beinhalten zu lassen, indem die Form des Permanentmagneten für den Rotor verkompliziert wird. Mit komplizierter werdender Form des Permanentmagneten jedoch wird die Verarbeitung schwierig und die Kosten, die der Verarbeitung zugeordnet sind, steigen.
Selbst in dem Fall, in dem die Kosten gering sind und ein Antriebsstrom durch den Strom hoher Ordnung überlagert wird, ist eine Magnetform erforderlich, die kaum Vibrationen und Drehmomentwelligkeiten erzeugt.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele eines Motors und einer elektrischen Servolenkvorrichtung der vorliegenden Offenbarung Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben. Eine mehr als notwendig detaillierte Erläuterung jedoch kann weggelassen werden. Eine detaillierte Erläuterung bereits bekannter Sachverhalte beispielsweise und eine redundante Erläuterung von im Wesentlichen der gleichen Konfiguration beispielsweise kann weggelassen werden. Dies soll die unnötige Redundanz der folgenden Beschreibung vermeiden und ein Verständnis für Fachleute auf diesem Gebiet erleichtern.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung der vorliegenden Beschreibung wird ein Dreiphasenmotor mit Wicklungen dreier Phasen (U-Phase, V-Phase, W-Phase) als Beispiel beschrieben. Ein n-Phasenmotor mit n Phasenwicklungen (wobei n eine Ganzzahl gleich 3 oder mehr ist), wie beispielsweise vier Phasen und fünf Phasen, liegt ebenso innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Offenbarung.
Erstes Ausführungsbeispiel
1 ist eine Ansicht, die eine Struktur eines Motors 10 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel darstellt. 1 zeigt das Innere des Motors 10 bei einem Schnitt entlang der Mittelachse 11.
Der Motor 10 ist ein mechanisch und elektrisch integrierter Motor. Der Motor 10 ist an beispielsweise einem Automobil angebracht und wird als ein Motor für eine elektrische Servolenkvorrichtung verwendet. In diesem Fall erzeugt der Motor 10 die Antriebskraft der elektrischen Servolenkvorrichtung.
Der Motor 10 beinhaltet einen Stator 20, einen Rotor 30, ein Gehäuse 12, eine Unterteilungswand 14, ein Lager 15 und ein Lager 16. Der Stator 20 wird auch Anker genannt. Die Mittelachse 11 ist eine Drehachse des Rotors 30.
Das Gehäuse 12 ist ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse mit einer Unterseite und bringt den Stator 20, das Lager 15 und den Rotor 30 darin unter. Eine Ausnehmung 13 zum Halten des Lagers 15 befindet sich in der Mitte der Unterseite des Gehäuses 12. Die Unterteilungswand 14 ist ein plattenförmiges Bauteil, das die obere Öffnung des Gehäuses 12 schließt. Die Unterteilungswand 14 hält das Lager 16 an dessen Mittelabschnitt.
Der Stator 20 ist ringförmig und weist einen laminierten Körper 22 und eine Wicklung 21 auf. Der laminierte Körper 22 wird auch laminierter Ringkern genannt. Die Wicklung wird auch Spule genannt. Der Stator 20 erzeugt einen Magnetfluss gemäß dem Antriebsstrom. Der laminierte Körper 22 ist gebildet durch eine laminierte Stahlplatte, bei der eine Mehrzahl von Stahlplatten in der Richtung entlang der Mittelachse 11 (Z-Richtung in 1) laminiert ist. Der laminierte Körper 22 beinhaltet eine ringförmige laminierte Kernrückseite 24 und eine Mehrzahl laminierter Zähne 23. Die laminierte Kernrückseite 24 ist an der Innenwand des Gehäuses 12 fixiert.
Die Wicklung 21 besteht aus einem leitfähigen Material, wie z. B. Kupfer, und ist üblicherweise an der Mehrzahl laminierter Zähne 23 des laminierten Körpers 22 angebracht.
Der Rotor 30 beinhaltet einen Rotorkern 31, eine Mehrzahl von Permanentmagneten 32, die entlang des Außenumfangs des Rotorkerns 31 vorgesehen sind, und eine Welle 33. Der Rotorkern 31 ist aus einem magnetischen Material, wie beispielsweise Eisen, hergestellt und besitzt eine zylindrische Form. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht der Rotorkern 31 aus einer laminierten Stahlplatte, bei der eine Mehrzahl von Stahlplatten in der Richtung entlang der Mittelachse 11 (Z-Richtung in 1) laminiert ist. Die Mehrzahl von Permanentmagneten 32 ist so vorgesehen, dass der N-Pol und der S-Pol in der Umfangsrichtung des Rotorkerns 31 abwechselnd erscheinen. Die Welle 33 ist an der Mitte des Rotorkerns 31 fixiert und erstreckt sich in der Vertikalrichtung (Z-Richtung) entlang der Mittelachse 11. Es wird darauf hingewiesen, dass in dieser Beschreibung die Aufwärts-, Abwärts-, Links- und Rechts-Richtung die Aufwärts-, Abwärts-, Links- und Rechts-Richtung bei Betrachtung des Motors 10 sind, der in 1 gezeigt ist. Um die Ausführungsbeispiele in einer leicht verständlichen Weise zu erläutern, werden zur Erläuterung diese Richtungen verwendet. Natürlich stimmen die Aufwärts-, Abwärts-, Links- und Rechts-Richtung in dieser Beschreibung nicht notwendigerweise mit der Aufwärts-, Abwärts-, Links- und Rechts-Richtung in einem Zustand überein, in dem der Motor 10 an einem tatsächlichen Produkt (wie z. B. einem Automobil) angebracht ist.
Die Lager 15 und 16 tragen die Welle 33 des Rotors 30 drehbar. Die Lager 15 und 16 sind beispielsweise Kugellager, die den äußeren Ring und den inneren Ring relativ über Kugelkörper drehen. 1 stellt ein Kugellager dar.
In dem Motor 10 wird, wenn der Antriebsstrom der Wicklung 21 des Stators 20 zugeführt wird, ein Magnetfluss in der Radialrichtung in der Mehrzahl laminierter Zähne 23 des laminierten Körpers 22 erzeugt. Ein Drehmoment wird in der Umfangsrichtung durch die Wirkung des Magnetflusses zwischen der Mehrzahl laminierter Zähne 23 und der Mehrzahl von Permanentmagneten 32 erzeugt und der Rotor 30 dreht sich in Bezug auf den Stator 20. Wenn sich der Rotor 30 dreht, wird eine Antriebskraft beispielsweise in der elektrischen Servolenkvorrichtung erzeugt.
Ein Permanentmagnet 41 ist an der Seite der Unterteilungswand 14 an dem Ende der Welle 33 fixiert. Der Permanentmagnet 41 ist zusammen mit dem Rotor 30 drehbar. An dem oberen Teil der Unterteilungswand 14 ist ein Substrat 50 angeordnet. Eine Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 ist an dem Substrat 50 angebracht. Die Unterteilungswand 14 trennt den Raum, in dem der Stator 20 und der Rotor 30 innerhalb des Motors 10 untergebracht sind, von dem Raum, in dem das Substrat 50 untergebracht ist.
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 wandelt elektrische Leistung von einer Leistungsquelle in elektrische Leistung um, die der Wicklung 21 des Stators 20 zugeführt werden soll. Das Substrat 50 ist mit einem Anschluss 52 eines Inverters versehen, der in der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 beinhaltet ist. Ein elektrischer Draht 51 ist mit dem Anschluss 52 verbunden. Der elektrische Draht 51 ist beispielsweise ein Ende der Wicklung 21. Der elektrische Draht 51 und die Wicklung 21 können separate Bauteile sein. Die elektrische Leistung, die aus der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 ausgegeben wird, wird der Wicklung 21 über den elektrischen Draht 51 zugeführt. Details der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 werden später beschrieben.
Ein Magnetsensor 40 ist auf dem Substrat 50 vorgesehen. Der Magnetsensor 40 ist an einer Position gegenüber von dem Permanentmagneten 41 angeordnet, der an der Welle 33 fixiert ist. Der Magnetsensor 40 ist an der Mittelachse 11 der Welle 33 angeordnet. Der Magnetsensor 40 ist beispielsweise ein Element mit Magnetowiderstandseffekt oder ein Hall-Element. Der Magnetsensor 40 erfasst ein Magnetfeld, das von dem Permanentmagneten 41 erzeugt wird, der sich zusammen mit der Welle 33 dreht, wodurch es möglich ist, den Drehwinkel des Rotors 30 zu erfassen.
Der Motor 10 ist mit verschiedenen Steuervorrichtungen außerhalb des Motors 10 und einer Batterie oder dergleichen über eine Mehrzahl von Anschlüssen 17 verbunden. Die Mehrzahl von Anschlüssen 17 beinhaltet einen Leistungsversorgungsanschluss, dem elektrische Leistung von einer externen Leistungsversorgung zugeführt wird, und einen Signalanschluss zum Senden und Empfangen von Daten zu und von einem externen Bauelement.
Als Nächstes werden die Details der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 beschrieben.
2 ist ein schematisches Diagramm, das eine Schaltungskonfiguration der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel darstellt.
Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 beinhaltet einen ersten Inverter 110 und einen zweiten Inverter 140. Ferner beinhaltet die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 eine Steuerschaltung 300, die in 3 gezeigt ist.
Als Wicklungen 21 (1) sind eine U-Phasenwicklung M1, eine V-Phasenwicklung M2 und eine W-Phasenwicklung M3 um den Stator 20 gewickelt. Die Wicklung jeder Phase ist mit dem ersten Inverter 110 und dem zweiten Inverter 140 verbunden. Insbesondere ist der erste Inverter 110 mit einem Ende jeder Phasenwicklung verbunden und der zweite Inverter 140 ist mit dem anderen Ende jeder Phasenwicklung verbunden. Bei der vorliegenden Beschreibung bedeutet „Verbindung“ zwischen Komponenten in der elektrischen Schaltung hauptsächlich eine elektrische Verbindung.
Der erste Inverter 110 weist Anschlüsse U_L, V_L und W_L, die jeder Phase entsprechen, als Anschluss 52 (1) auf. Der zweite Inverter 140 weist Anschlüsse U_R, V_R und W_R, die jeder Phase entsprechen, als Anschluss 52 auf. Der Anschluss U_L des ersten Inverters 110 ist mit einem Ende der U-Phasenwicklung M1 verbunden, der Anschluss V_L ist mit einem Ende der V-Phasenwicklung M2 verbunden und der Anschluss W_L ist mit einem Ende der W-Phasenwicklung M3 verbunden. Ähnlich wie bei dem ersten Inverter 110 ist der Anschluss U_R des zweiten Inverters 140 mit dem anderen Ende der U-Phasenwicklung M1 verbunden, der Anschluss V_R ist mit dem anderen Ende der V-Phasenwicklung M2 verbunden und der Anschluss W_R ist mit dem anderen Ende der W-Phasenwicklung M3 verbunden. Eine derartige Verbindung unterscheidet sich von der sogenannten Sternverbindung und Deltaverbindung.
In der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 sind der erste Inverter 110 und der zweite Inverter 140 mit einer Leistungsversorgung 101 und Masse GND verbunden. Der Motor 10 mit der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 kann über beispielsweise den Anschluss 17 (1) mit einer externen Leistungsversorgung verbunden sein.
In der vorliegenden Beschreibung kann der erste Inverter 110 in einigen Fällen als eine „Brückenschaltung L“ bezeichnet werden. Außerdem kann der zweite Inverter 140 in einigen Fällen als eine „Brückenschaltung R“ bezeichnet werden. Sowohl der erste Inverter 110 als auch der zweite Inverter 140 beinhaltet drei Schenkel mit einem Niedrigseite-Schaltelement und einem Hochseite-Schaltelement. Die Mehrzahl von Schaltelementen, die diese Schenkel bilden, bildet eine Mehrzahl von H-Brücken zwischen dem ersten Inverter 110 und dem zweiten Inverter 140 über Wicklungen.
Der erste Inverter 110 beinhaltet eine Brückenschaltung, die aus drei Schenkeln besteht. Schaltelemente 111L, 112L und 113L, die in 2 gezeigt sind, sind Niedrigseite-Schaltelemente und Schaltelemente 111H, 112H und 113H sind Hochseite-Schaltelemente. Als Schaltelement kann beispielsweise ein Feldeffekttransistor (üblicherweise MOSFET) oder ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) verwendet werden. In der Beschreibung der vorliegenden Anmeldung wird ein Beispiel einer Verwendung eines FET als Schaltelement eines Inverters beschrieben, wobei in der folgenden Beschreibung das Schaltelement als ein FET bezeichnet werden kann. Beispielsweise wird das Schaltelement 111L als FET 111L bezeichnet.
Ähnlich wie bei dem ersten Inverter 110 beinhaltet der zweite Inverter 140 eine Brückenschaltung, die aus drei Schenkeln besteht. Die FETs 141L, 142L und 143L, die in 2 gezeigt sind, sind Niedrigseite-Schaltelemente und die FETs 141H, 142H und 143H sind Hochseite-Schaltelemente. Jeder FET des ersten und zweiten Inverters 110, 140 kann durch beispielsweise eine Mikrosteuerung oder einen zweckgebundenen Treiber gesteuert werden.
Die Leistungsversorgung 101 (2) erzeugt eine vorbestimmte Leistungsversorgungsspannung. Leistung wird dem ersten und zweiten Inverter 110, 140 von der Leistungsversorgung 101 zugeführt. Beispielsweise wird eine Gleichstrom-Leistungsversorgung als Leistungsversorgung 101 verwendet. Die Leistungsversorgung 101 könnte jedoch ein Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler, ein Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler oder eine Batterie (Speicherbatterie) sein. Die Leistungsversorgung 101 könnte eine einzelne Leistungsversorgung sein, die sich der erste und der zweite Inverter 110, 140 teilen, oder könnte mit einer ersten Leistungsversorgung für den ersten Inverter 110 und einer zweiten Leistungsversorgung für den zweiten Inverter 140 versehen sein.
3 ist ein schematisches Diagramm, das eine Blockkonfiguration des Motors 10 mit der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 darstellt. Die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 beinhaltet die Steuerschaltung 300.
Die Steuerschaltung 300 beinhaltet beispielsweise eine Leistungsversorgungsschaltung 310, einen Winkelsensor 320, eine Eingangsschaltung 330, eine Mikrosteuerung 340, eine Treiberschaltung 350 und einen ROM 360. Bei diesem Beispiel ist der Winkelsensor 320 der Magnetsensor 40 (1). Die Steuerschaltung 300 steuert die Drehung des Motors 10 durch Steuern des Gesamtbetriebs der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100. Insbesondere kann die Steuerschaltung 300 eine Geschlossene-Schleife-Steuerung durch Steuern einer Rotorposition, einer Drehgeschwindigkeit, eines Stroms und dergleichen, die anvisiert werden, implementiert sein. Die Steuerschaltung 300 kann einen Drehmomentsensor beinhalten. In diesem Fall kann die Steuerschaltung 300 das Ziel-Motor-Drehmoment steuern.
Die Leistungsversorgungsschaltung 310 erzeugt die Gleichstromspannungen (beispielsweise 3V und 5V), die für jeden Block in der Schaltung nötig sind. Der Winkelsensor 320 ist beispielsweise ein Element mit Magnetowiderstandseffekt, ein Resolver oder eine Hall-IC. Der Winkelsensor 320 erfasst einen Drehwinkel des Rotors 30 (im Folgenden als „Drehsignal“ bezeichnet) und gibt das Drehsignal an die Mikrosteuerung 340 aus. Ein Stromsensor 170 weist einen Nebenschlusswiderstand auf, der beispielsweise zwischen das Niedrigseite-Schaltelement des Inverters und die GND geschaltet ist. Der Stromsensor 170 erfasst einen Strom, der durch jeweilige Wicklungen der U-Phase, der V-Phase und der W-Phase fließt. Die Eingangsschaltung 330 empfängt den Motorstromwert (im Folgenden als „tatsächlicher Stromwert“ bezeichnet), der durch den Stromsensor 170 erfasst wird, wandelt den Pegel des tatsächlichen Stromwerts wie nötig in den Eingangspegel der Mikrosteuerung 340 um und gibt den tatsächlichen Stromwert an die Mikrosteuerung 340 aus.
Die Mikrosteuerung 340 steuert den Schaltvorgang (Einschalten oder Ausschalten) jedes FET des ersten Inverters 110 und des zweiten Inverters 140. Die Mikrosteuerung 340 stellt den Zielstromwert gemäß dem tatsächlichen Stromwert und dem Drehsignal des Rotors usw. ein, um ein PWM-Signal zu erzeugen, und gibt dieses an die Treiberschaltung 350 aus.
Die Treiberschaltung 350 ist üblicherweise ein Gate-Treiber. Die Treiberschaltung 350 erzeugt ein Steuersignal (Gate-Steuersignal) zum Steuern des Schaltvorgangs jedes FET in dem ersten und dem zweiten Inverter 110, 140 gemäß dem PWM-Signal und liefert ein Steuersignal an das Gate jedes FET. Es wird darauf hingewiesen, dass die Mikrosteuerung 340 die Funktion der Treiberschaltung 350 besitzen kann. In diesem Fall ist die Steuerschaltung 300 unter Umständen nicht mit der Treiberschaltung 350 versehen.
Der ROM 360 ist beispielsweise ein beschreibbarer Speicher, ein wiederbeschreibbarer Speicher oder ein Nur-Lese-Speicher. Der ROM 360 speichert ein Steuerprogramm, das eine Befehlsgruppe zum Bewirken dessen beinhaltet, dass die Mikrosteuerung 340 die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 steuert. Beispielsweise wird das Steuerprogramm einmal zum Zeitpunkt des Hochfahrens in dem RAM (nicht gezeigt) entwickelt.
Die Steuerschaltung 300 treibt den Motor 10 durch Durchführen einer Dreiphasen-Energieversorgungssteuerung unter Verwendung sowohl des ersten als auch des zweiten Inverters 110, 140. Insbesondere führt die Steuerschaltung 300 eine Dreiphasen-Energieversorgungssteuerung durch Schalt-Steuern des FET des ersten Inverters 110 und des FET des zweiten Inverters 140 mit entgegengesetzten Phasen (Phasendifferenz ist = 180°) durch. Unter Berücksichtigung der H-Brücke mit den FETs 111L, 111H, 141L und 141H beispielsweise, ist, wenn der FET 111L eingeschaltet ist, der FET 141L ausgeschaltet, und wenn der FET 111L ausgeschaltet ist, ist der FET 141L eingeschaltet. Ähnlich ist, wenn der FET 111H eingeschaltet ist, der FET 141H ausgeschaltet, und wenn der FET 111H ausgeschaltet ist, ist der FET 141H eingeschaltet. Der Strom, der aus der Leistungsversorgung 101 ausgegeben wird, fließt durch das Hochseiten-Schaltelement, die Wicklung und das Niedrigseiten-Schaltelement zu der GND. Die Verbindung der Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 kann als offene Verbindung bezeichnet werden.
Hier wird der Weg des Stroms, der durch die U-Phasenwicklung M1 fließt, beschrieben. Wenn der FET 111H und der FET 141L eingeschaltet sind und der FET 141H und der FET 111L ausgeschaltet sind, fließt der Strom in der Reihenfolge der Leistungsversorgung 101, des FET 111H, der Wicklung M1, des FET 141L und der GND. Wenn der FET 141H und der FET 111L eingeschaltet sind und der FET 111H und der FET 141L ausgeschaltet sind, fließt der Strom in der Reihenfolge der Leistungsversorgung 101, des FET 141H, der Wicklung M1, des FET 111L und der GND.
Es wird darauf hingewiesen, dass ein Teil des Stroms, der von dem FET 111H zu der Wicklung M1 fließt, zu dem FET 141H fließen könnte. Dies bedeutet, dass der Strom, der von dem FET 111H zu der Wicklung M1 fließt, sich in einigen Fällen verzweigen und zu dem FET 141L und dem FET 141H fließen könnte. Beispielsweise kann, wenn der Motor 110 sich mit niedriger Geschwindigkeit dreht, das Verhältnis des Stroms, der in den FET 141H fließt, in dem Strom, der von dem FET 111H zu der Wicklung M1 fließt, verglichen mit dem Fall einer Drehung mit hoher Geschwindigkeit zunehmen.
Ähnlich kann ein Teil des Stroms, der von dem FET 141H zu der Wicklung M1 fließt, zu dem FET 111H fließen. Beispielsweise kann, wenn sich der Motor 10 mit niedriger Geschwindigkeit dreht, das Verhältnis des Stroms, der in den FET 111H fließt, in dem Strom, der von dem FET 141H zu der Wicklung M1 fließt, verglichen mit dem Fall einer Hochgeschwindigkeitsdrehung zunehmen.
Als Nächstes wird der Weg des Stroms, der durch die V-Phasenwicklung M2 fließt, beschrieben. Wenn der FET 112H und der FET 142L eingeschaltet sind und der FET 142H und der FET 112L ausgeschaltet sind, fließt der Strom in der Reihenfolge der Leistungsversorgung 101, des FET 112H, der Wicklung M2, des FET 142L und der GND. Wenn der FET 142H und der FET 112L eingeschaltet sind und der FET 112H und der FET 142L ausgeschaltet sind, fließt der Strom in der Reihenfolge der Leistungsversorgung 101, des FET 142H, der Wicklung M2, des FET 112L und der GND.
Es wird angemerkt, dass ein Teil des Stroms, der von dem FET 112H zu der Wicklung M2 fließt, zu dem FET 142H fließen kann. Beispielsweise kann, wenn sich der Motor 10 mit niedriger Geschwindigkeit dreht, das Verhältnis des Stroms, der in den FET 142H fließt, in dem Strom, der von dem FET 112H zu der Wicklung M2 fließt, verglichen mit dem Fall einer Hochgeschwindigkeitsdrehung zunehmen.
Ähnlich kann ein Teil des Stroms, der von dem FET 142H zu der Wicklung M2 fließt, zu dem FET 112H fließen. Beispielsweise kann, wenn sich der Motor 10 mit niedriger Geschwindigkeit dreht, das Verhältnis des Stroms, der in den FET 112H fließt, in dem Strom, der von dem FET 142H zu der Wicklung M2 fließt, verglichen mit dem Fall einer Hochgeschwindigkeitsdrehung zunehmen.
Als Nächstes wird der Weg des Stroms, der durch die W-Phasenwicklung M3 fließt, beschrieben. Wenn der FET 113H und der FET 143L eingeschaltet sind und der FET 143H und der FET 113L ausgeschaltet sind, fließt der Strom in der Reihenfolge der Leistungsversorgung 101, des FET 113H, der Wicklung M3, des FET 143L und der GND. Wenn der FET 143H und der FET 113L eingeschaltet sind und der FET 113H und der FET 143L ausgeschaltet sind, fließt der Strom in der Reihenfolge der Leistungsversorgung 101, des FET 143H, der Wicklung M3, des FET 113L und der GND.
Es wird angemerkt, dass ein Teil des Stroms, der von dem FET 113H zu der Wicklung M3 fließt, in einigen Fällen zu dem FET 143H fließen kann. Wenn sich beispielsweise der Motor 10 mit niedriger Geschwindigkeit dreht, kann das Verhältnis des Stroms, der in den FET 143H fließt, in dem Strom, der von dem FET 113H zu der Wicklung M3 fließt, verglichen mit dem Fall einer Hochgeschwindigkeitsdrehung zunehmen.
Ähnlich kann ein Teil des Stroms, der von dem FET 143H zu der Wicklung M3 fließt, in einigen Fällen zu dem FET 113H fließen. Beispielsweise kann, wenn sich der Motor 10 mit niedriger Geschwindigkeit dreht, das Verhältnis des Stroms, der in den FET 113H fließt, in dem Strom, der von dem FET 143H zu der Wicklung M3 fließt, verglichen mit dem Fall einer Hochgeschwindigkeitsdrehung zunehmen.
4 stellt einen Strom-Signalverlauf (Sinuswelle) dar, der erhalten wird durch Auftragen von Stromwerten, die durch die jeweiligen Wicklungen der U-Phase, der V-Phase und der W-Phase fließen, wenn die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 gemäß der dreiphasigen Energieversorgungssteuerung gesteuert wird. 4 zeigt die Grundkomponenten der Ströme, die durch die jeweiligen Wicklungen der U-Phase, V-Phase und W-Phase fließen. Die horizontale Achse zeigt den Phasenwinkel des Motors (Grad) und die vertikale Achse zeigt den Stromwert (A). Bei dem Strom-Signalverlauf aus 4 ist der Stromwert für jeden Phasenwinkel von 30° aufgetragen. I_pk stellt den maximalen Stromwert (Spitzenstromwert) jeder Phase dar. Die Steuerschaltung 300 steuert den Schaltvorgang jedes FET der Brückenschaltungen L und R, beispielsweise durch eine PWM-Steuerung.

Tabelle 1 zeigt die Stromwerte eines Stroms, der zu den Anschlüssen jedes Inverters fließt, bei jedem Phasenwinkel in der Sinuswelle aus 4. Insbesondere zeigt Tabelle 1 speziell die Stromwerte eines Stroms, der durch die Anschlüsse U_L, V_L und W_L des ersten Inverters 110 (Brückenschaltung L) fließt, bei jedem Phasenwinkel von 30° und die Stromwerte eines Stroms, der durch die Anschlüsse U_R, V_R und W_R des zweiten Inverters 140 (Brückenschaltung R) fließt, bei jedem Phasenwinkel von 30°. Hier ist für die Brückenschaltung L die Richtung eines Stroms, der von den Anschlüssen der Brückenschaltung L zu den Anschlüssen der Brückenschaltung R fließt, als eine positive Richtung definiert. Die Richtung des Stroms, der in 4 gezeigt ist, folgt dieser Definition. Für die Brückenschaltung R ist die Richtung eines Stroms, der von den Anschlüssen der Brückenschaltung R zu den Anschlüssen der Brückenschaltung L fließt, als positive Richtung definiert. Deshalb beträgt die Phasendifferenz zwischen dem Strom der Brückenschaltung L und dem Strom der Brückenschaltung R 180°. In Tabelle 1 beträgt der Betrag des Stromwerts I₁ [(3)^1/2/2] * I_pk und der Betrag des Stromwerts I₂ beträgt I_pk/2. [Tabelle 1]

		Phasenwinkel [Grad]
		0 (360)	30	60	90	120	150	180	210	240	270	300	330
Brückenschaltung L	U_L Phase	0	I₂	I₁	Ipk	I₁	I₂	0	-I₂	-I₁	-Ipk	-I₁	-I₂
	V_L Phase	-I₁	-Ipk	-I₁	-I₂	0	I₂	I₁	I_pk	I₁	I₂	0	-I₂
	W_L Phase	I₁	I₂	0	-I₂	-I₁	-Ipk	-I₁	-I₂	0	I₂	I₁	I_pk
Brückenschaltung R	U_R Phase	0	-I₂	-I₁	-Ipk	-I₁	-I₂	0	I₂	I₁	Ipk	I₁	I₂
	V_R Phase	I₁	I_pk	I₁	I₂	0	-I₂	-I₁	-Ipk	-I₁	-I₂	0	I₂
	W_R Phase	-I₁	-I₂	0	I₂	I₁	Ipk	I₁	I₂	0	-I₂	-I₁	-Ipk

Bei einem Phasenwinkel von 0° fließt kein Strom durch die U-Phasenwicklung M1. Ein Strom mit einem Betrag I₁ fließt in der V-Phasenwicklung M2 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L und ein Strom mit einem Betrag I₁ fließt in der W-Phasenwicklung M3 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R.
Bei einem Phasenwinkel von 30° fließt ein Strom mit einem Betrag I₂ in der U-Phasenwicklung M1 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R, ein Strom mit einem Betrag I_pk fließt in der V-Phasenwicklung M2 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L und ein Strom mit einem Betrag I₂ fließt in der W-Phasenwicklung M3 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R.
Bei einem Phasenwinkel von 60° fließt ein Strom mit einem Betrag I₁ in der U-Phasenwicklung M1 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R und ein Strom mit einem Betrag I₁ fließt in der V-Phasenwicklung M2 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L. Durch die W-Phasenwicklung M3 fließt kein Strom.
Bei einem Phasenwinkel von 90° fließt ein Strom mit einem Betrag I_pk in der U-Phasenwicklung M1 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R, ein Strom mit einem Betrag I₂ fließt in der V-Phasenwicklung M2 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L und ein Strom mit einem Betrag I₂ fließt in der W-Phasenwicklung M3 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L.
Bei einem Phasenwinkel von 120° fließt ein Strom mit einem Betrag I₁ in der U-Phasenwicklung M1 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R und ein Strom mit einem Betrag I₁ fließt in der W-Phasenwicklung M3 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L. Durch die V-Phasenwicklung M2 fließt kein Strom.
Bei einem Phasenwinkel von 150° fließt ein Strom mit einem Betrag I₂ in der U-Phasenwicklung M1 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R, ein Strom mit einem Betrag I₂ fließt in der V-Phasenwicklung M2 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R und ein Strom mit einem Betrag I_pk fließt in der W-Phasenwicklung M3 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L.
Bei einem Phasenwinkel von 180° fließt durch die U-Phasenwicklung M1 kein Strom. Ein Strom mit einem Betrag I₁ fließt in der V-Phasenwicklung M2 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R und ein Strom mit einem Betrag I₁ fließt in der W-Phasenwicklung M3 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L.
Bei einem Phasenwinkel von 210° fließt ein Strom mit einem Betrag I₂ in der U-Phasenwicklung M1 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L, ein Strom mit einem Betrag I_pk fließt in der V-Phasenwicklung M2 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R und ein Strom mit einem Betrag I₂ fließt in der W-Phasenwicklung M3 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L.
Bei einem Phasenwinkel von 240° fließt ein Strom mit einem Betrag I₁ in der U-Phasenwicklung M1 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L und ein Strom mit einem Betrag I₁ fließt in der V-Phasenwicklung M2 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R. Durch die W-Phasenwicklung M3 fließt kein Strom.
Bei einem Phasenwinkel von 270° fließt ein Strom mit einem Betrag I_pk in der U-Phasenwicklung M1 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L, ein Strom mit einem Betrag I₂ fließt in der V-Phasenwicklung M2 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R und ein Strom mit einem Betrag I₂ fließt in der W-Phasenwicklung M3 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R.
Bei einem Phasenwinkel von 300° fließt ein Strom mit einem Betrag I₁ in der U-Phasenwicklung M1 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L und ein Strom mit einem Betrag I₁ fließt in der W-Phasenwicklung M3 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R. Durch die V-Phasenwicklung M2 fließt kein Strom.
Bei einem Phasenwinkel von 330° fließt ein Strom mit einem Betrag I₂ in der U-Phasenwicklung M1 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L, ein Strom mit einem Betrag I₂ fließt in der V-Phasenwicklung M2 von der Brückenschaltung R zu der Brückenschaltung L und ein Strom mit einem Betrag I_pk fließt in der W-Phasenwicklung M3 von der Brückenschaltung L zu der Brückenschaltung R.
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Harmonische-Komponente über die Ströme gelagert, die jeder der U-Phasenwicklung M1, der V-Phasenwicklung M2 und der W-Phasenwicklung M3 zugeführt werden. 5 ist ein Diagramm, das einen Antriebsstrom darstellt, der erhalten wird durch Überlagern der Grundkomponente durch die Harmonische-Komponente. In 5 stellt die horizontale Achse den Phasenwinkel des Motors (Grad) dar und die vertikale Achse stellt den Stromwert (A) dar.
Eine Harmonische-Komponente 253 besitzt eine Frequenz, die ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz einer Grundkomponente 251 des Stroms ist. Bei dem in 5 gezeigten Beispiel ist die Harmonische-Komponente 253 eine Harmonische-Komponente dritter Ordnung mit einer Frequenz, die dreimal die Frequenz der Grundkomponente 251 ist. Die Steuerschaltung 300 führt jeder der U-Phasenwicklung M1, der V-Phasenwicklung M2 und der W-Phasenwicklung M3 einen Antriebsstrom 250 zu, der erhalten wird durch Überlagern der Grundkomponente 251 durch die Harmonische-Komponente 253. Die Steuerschaltung 300 steuert den Schaltvorgang jedes der FETs der Brückenschaltungen L und R durch die PWM-Steuerung, sodass ein Antriebsstrom, wie er beispielsweise in 5 gezeigt ist, erhalten werden kann.
Als Nächstes wird die Form des Permanentmagneten 32 für den Rotor 30 beschrieben, die Vibration und Drehmomentwelligkeit wirksam reduziert.
6 ist eine Draufsicht, die ein Beispiel des Stators 20 und des Rotors 30 des Motors 10 darstellt. Bei diesem Beispiel weist der Stator 20 zwölf laminierte Zähne 23 auf. Der Rotor 30 weist zehn Permanentmagnete 32 auf. Anders ausgedrückt weist bei diesem Beispiel der Stator 20 zwölf Rillen (Schlitze) 25 auf, die zwischen benachbarten laminierten Zähnen 23 gebildet sind und in denen die Wicklungen 21 angeordnet sind. Die Anzahl von Polen in dem Rotor 30 beträgt 10. Eine Struktur mit einer derartigen Anzahl von Rillen und Polen könnte in einigen Fällen als 12S10P (12 Schlitze, 10 Pole) bezeichnet werden. Bei diesem Beispiel ist der Motor 10 ein dreiphasiger Motor mit Wicklungen dreier Phasen (U-Phase, V-Phase, W-Phase). Den zwölf laminierten Zähnen 23 sind die U-Phase, V-Phase und W-Phase in der Reihenfolge U, U, V, V, W, W, U, U, V, V, W und W zugeordnet.
Die äußere Form des Rotorkerns 31 ist in Draufsicht, wenn der Rotor 30 aus einer Richtung parallel zu der Drehachsenrichtung des Rotors 30 betrachtet wird, ein Vieleck. Bei diesem Beispiel ist die äußere Form des Rotorkerns 31 bei Draufsicht ein Zehneck. Der Außenumfangsabschnitt des Rotorkerns 31 weist eine Mehrzahl von Seitenflächen 34 auf. Bei diesem Beispiel weist der Außenumfangsabschnitt des Rotorkerns 31 zehn Seitenflächen 34 auf. Die zehn Seitenflächen 34 sind in der Umfangsrichtung des Rotorkerns 31 benachbart zueinander angeordnet und bilden die Außenfläche des Rotorkerns 31. Bei Draufsicht weist jede Seitenfläche 34 eine lineare Form auf.
Ein Permanentmagnet 32 ist an jeder der Seitenflächen 34 angeordnet. Der Permanentmagnet 32 ist durch beispielsweise ein Haftmittel oder dergleichen an der Seitenfläche 34 fixiert. Jeder Permanentmagnet 32 ist jeweiligen laminierten Zähnen 23 in der Radialrichtung zugewandt. Es wird angemerkt, dass der Permanentmagnet 32 durch den Rotorkern 31 unter Verwendung eines Bauteils, wie beispielsweise einer Magnethalterung, gehalten werden kann oder durch ein anderes Verfahren fixiert sein kann.
7 ist eine Draufsicht des Permanentmagneten 32 des Rotorkerns 31. 7 stellt den Permanentmagneten 32 in der Draufsicht dar, wenn der Rotor 30 aus einer Richtung parallel zu der Drehachsenrichtung des Rotors 30 betrachtet wird. 8 ist eine perspektivische Ansicht des Permanentmagneten 32. In 8 ist das Innere des Permanentmagneten 32 transparent gezeigt, um die Form des Permanentmagneten 32 in leicht verständlicher Weise zu erläutern.
Der Permanentmagnet 32 weist eine erste Fläche 221, die die Seitenfläche 34 (6) des Rotorkerns 31 berührt, eine zweite Fläche 222, die sich in der Radialrichtung 210 des Rotors 30 außerhalb der ersten Fläche 221 befindet, und eine Seitenfläche 223 auf, die sich in der Radialrichtung 210 erstreckt.
Die erste Fläche 221 ist die Innenumfangsfläche des Permanentmagneten 32, sodass die Innenumfangsfläche an der Seitenfläche 34 des Rotorkerns 31 fixiert ist. Die zweite Fläche 222 ist die Außenumfangsfläche des Permanentmagneten 32, sodass die Außenumfangsfläche den laminierten Zähnen 23 des Stators 20 zugewandt ist. Die zweite Fläche 222 befindet sich in der Radialrichtung gegenüber der ersten Fläche 221.
Wie in 7 gezeigt ist, weist sowohl die erste Fläche 221 als auch die zweite Fläche 222 bei Draufsicht eine lineare Form auf. Der lineare Abschnitt der ersten Fläche 221 und der lineare Abschnitt der zweiten Fläche 222 sind parallel zueinander. Die Länge L2 des linearen Abschnitts der zweiten Fläche 222 ist kleiner als die Länge L1 des linearen Abschnitts der ersten Fläche 221.
Bei Draufsicht erstreckt sich die Seitenfläche 223 des Permanentmagneten 32 von beiden Umfangsenden der ersten Fläche 221 radial nach außen. Der Permanentmagnet 32 weist einen Verbindungsabschnitt 224 auf, der die Seitenfläche 223 und die zweite Fläche 222 verbindet. Der Verbindungsabschnitt 224 weist einen linearen Abschnitt auf, der in Bezug auf die zweite Fläche 222 und die Seitenfläche 223 geneigt ist.
Der Permanentmagnet 32 für den Rotor ist beispielsweise durch Ausschaben eines blockförmigen Magnetmaterials gebildet. Für den Permanentmagneten 32 des vorliegenden Ausführungsbeispiels ist das blockförmige Magnetmaterial abgeschrägt, um den Permanentmagneten 32 mit dem Verbindungsabschnitt 224 zu bilden. 9 ist eine Draufsicht eines blockförmigen Magnetmaterials 32a. Bei diesem Beispiel weist das Magnetmaterial 32a eine rechteckige Parallelepipedform auf. Durch Abschrägen des Abschnitts des Magnetmaterials 32a mit unterbrochener Linie, der in 9 gezeigt ist, wird der Permanentmagnet 32 mit dem Verbindungsabschnitt 224, wie er in 7 gezeigt ist, erhalten.
Der Magnetfluss, der aus dem Permanentmagnet 32 mit dieser Form, wie in 7 gezeigt ist, erzeugt wird, beinhaltet eine Harmonische-Komponente. Der Magnetfluss, der aus dem Permanentmagneten 32 erzeugt wird, beinhaltet beispielsweise eine Harmonische-Komponente dritter Ordnung.
Als Nächstes wird der Antriebsstrom, den die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 der U-Phasenwicklung M1, der V-Phasenwicklung M2 und der W-Phasenwicklung M3 zugeführt, beschrieben. Wie oben beschrieben wurde, erzeugt die Leistungsumwandlungsvorrichtung 100 einen Antriebsstrom, der erhalten wird durch Überlagern der Grundkomponente durch eine Harmonische-Komponente.
Die Radialkraft Fr, die auf jeden der laminierten Zähne 23 des Stators 20 wirkt, kann durch das Quadrat jedes Verknüpfungsflusses Ψ ausgedrückt werden, wie in der folgenden Gleichung (1) gezeigt ist. Die Radialkraft Fr ist eine radiale Anregungskraft, die auf die laminierten Zähne wirkt. Hier ist µ₀ die magnetische Durchlässigkeit, N ist die Anzahl von Windungen und S ist die Fläche, an der die Magnetflüsse alle der laminierten Zähne miteinander verknüpft. Die Anhängsel u, v und w stellen die U-Phase, die V-Phase bzw. die W-Phase dar.
[Math. 1] $[\begin{matrix} F_{r u} \\ F_{r v} \\ F_{r w} \end{matrix}] = \frac{1}{2 μ_{0} N^{2} S} [\begin{matrix} Ψ_{u}^{2} \\ Ψ_{v}^{2} \\ Ψ_{w}^{2} \end{matrix}]$
Da der Verknüpfungsfluss Ψ ausgedrückt ist durch die Summe der Magnetflusskomponente ψm des Permanentmagneten 32 und der Stromkomponente I, wird sie ausgedrückt durch die folgende Gleichung (2), wobei L die Eigeninduktivität ist und M die wechselseitige Induktivität.
[Math. 2] $[\begin{matrix} Ψ_{u} \\ Ψ_{v} \\ Ψ_{w} \end{matrix}] = [\begin{matrix} Ψ_{m u} \\ Ψ_{m v} \\ Ψ_{m w} \end{matrix}] = [\begin{matrix} Ψ_{i u} \\ Ψ_{i v} \\ Ψ_{i w} \end{matrix}] = [\begin{matrix} Ψ_{m u} \\ Ψ_{m v} \\ Ψ_{m w} \end{matrix}] + [\begin{matrix} L_{u} & M_{u v} & M_{w u} \\ M_{u v} & L_{v} & M_{v w} \\ M_{w u} & M_{v w} & L_{w} \end{matrix}] [\begin{matrix} i_{u} \\ i_{v} \\ _{i_{w}} \end{matrix}]$
Die Steuerschaltung 300 kann die Komponente dritter Ordnung (= 3 + 3) der Radialkraft durch Verwenden der Komponente dritter Ordnung des Magnetflusses des Permanentmagneten 32 und der Komponente dritter Ordnung des Antriebsstroms steuern. Beispielsweise wird die Komponente dritter Ordnung des Stroms so bestimmt, dass die Komponente sechster Ordnung der Radialkraft minimiert ist.
Das Motordrehmoment Te wird durch folgende Gleichung (3) ausgedrückt, wobei P die Ausgabe des Motors ist und ω die Winkelgeschwindigkeit ist.
[Math. 3] $T_{e} = \frac{P}{ω} {\frac{1}{2} {[i]}^{T} (\frac{d}{dt} [L]) [i] + {[i]}^{T} (\frac{d}{dt} [Ψ_{m}])}$
Auf der rechten Seite der Gleichung (3) ist ${[i]}^{T} (\frac{d}{dt} [Ψ_{m}])$
die Komponente sechster Ordnung, die aus der Komponente dritter Ordnung des Antriebsstroms und der Komponente dritter Ordnung des Magnetflusses des Permanentmagneten 32 erzeugt wird. Die Komponente dritter Ordnung des Stroms ist so bestimmt, dass die Komponente sechster Ordnung minimiert ist.
Als Radialkraft werden Phasenwinkelkomponenten gerader Ordnung (Komponenten 2-nter Ordnung), wie zum Beispiel eine Komponente zweiter Ordnung, eine Komponente vierter Ordnung, eine Komponente sechster Ordnung usw., erzeugt. Insbesondere neigt die Radialkraft sechster Ordnung dazu, eine Resonanz und eine große Vibrationsmenge im Verhältnis zu der Eigenfrequenz des Motors zu bewirken. Die Vibration des Motors 10 kann durch Bestimmen der Komponente dritter Ordnung des Stroms reduziert werden, sodass die Komponente sechster Ordnung der Radialkraft minimiert ist.
Die Steuerschaltung 300 steuert die Drehmomentwelligkeit, die aus der Beziehung zwischen der Grundkomponente des Antriebsstroms und dem Magnetfluss des Permanentmagneten 32 erzeugt wird, basierend auf der Komponente dritter Ordnung des Antriebsstroms und der Komponente dritter Ordnung des Magnetflusses des Permanentmagneten 32. Die Komponente dritter Ordnung des Stroms wird so bestimmt, dass beispielsweise die Drehmomentwelligkeit, die aus der Beziehung zwischen der Komponente dritter Ordnung des Antriebsstroms und dem Magnetfluss des Permanentmagneten 32 erzeugt wird, die Drehmomentwelligkeit aufhebt, die aus der Beziehung zwischen der Grundkomponente des Antriebsstroms und dem Magnetfluss des Permanentmagneten 32 erzeugt wird. Die Komponente dritter Ordnung des Stroms wird so bestimmt, dass beispielsweise der Signalverlauf der Drehmomentwelligkeit, die erzeugt wird aus der Beziehung zwischen der Komponente dritter Ordnung des Antriebsstroms und dem Magnetfluss des Permanentmagneten 32, entgegengesetzt zu dem Signalverlauf der Drehmomentwelligkeit ist, die erzeugt wird aus der Beziehung zwischen der Grundkomponente des Antriebsstroms und dem Magnetfluss des Permanentmagneten 32.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Grundkomponente des Antriebsstroms und die Harmonische-Komponente dritter Ordnung nicht in Phase zueinander sein müssen oder voneinander verschoben sein können. Beispielsweise können die Phasen der Grundkomponente und der Harmonische-Komponente dritter Ordnung um 120° verschoben sein.
Als Nächstes wird die Beziehung zwischen der Länge L1 des linearen Abschnitts der ersten Fläche 221 (7) des Permanentmagneten 32 und der Länge L2 des linearen Abschnitts der zweiten Fläche 222 beschrieben. 10 ist ein Diagramm, das ein Ergebnis eines Simulierens des Rastmoments und die Kosten relativ zu dem Verhältnis der Länge L2 zu der Länge L1 darstellt. Die horizontale Achse aus 10 zeigt das Verhältnis und die vertikale Achse zeigt das Rastmoment und die Kosten. Die Kosten bedeuten die Kosten zum Schneiden eines blockförmigen Magnetmaterials, um den Permanentmagneten 32 gemäß dem Verhältnis zu bilden. Die Kosten der vertikalen Achse zeigen die Verarbeitungskosten an, wenn die Verarbeitungskosten des herkömmlichen Permanentmagneten auf 1 (Referenz) eingestellt sind. Der herkömmliche Permanentmagnet weist eine Kreisbogenform auf, wie später Bezug nehmend auf 11 beschrieben wird.
Um die Vibration des Motors, der für die elektrische Servolenkvorrichtung verwendet wird, wirksam zu reduzieren, beträgt das Rastmoment vorzugsweise 0,015 N·m oder weniger. Außerdem ist, wenn das Verhältnis kleiner als 0,2 ist, der Effekt des Reduzierens der Verarbeitungskosten verglichen mit den Verarbeitungskosten des herkömmlichen Permanentmagneten klein. Wenn beispielsweise das Verhältnis kleiner ist als 0,2, betragen die Verarbeitungskosten etwa 80 % oder mehr derjenigen des herkömmlichen Permanentmagneten. Angesichts dieser Faktoren beträgt bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das Verhältnis der Länge L2 zu der Länge L1 0,2 oder mehr und weniger als 0,85. Dies bedeutet, dass die Länge L2 20 % oder mehr und weniger als 85 % der Länge L1 beträgt. Durch Einstellen des Verhältnisses auf 0,2 oder mehr und weniger als 0,85 wird ein Permanentmagnet 32 erhalten, der geringe Kosten aufweist und der kaum die Vibration, die Drehmomentwelligkeit und dergleichen bewirkt, wenn der Antriebsstrom durch einen Strom hoher Ordnung überlagert wird.
Um die Vibration wirksamer zu reduzieren, ist ein Rastmoment von weniger als 0,005 N·m vorzuziehen. Um die Vibration wirksamer zu reduzieren, beträgt das Verhältnis der Länge L2 zu der Länge L1 vorzugsweise 0,2 oder mehr und weniger als 0,6.
Außerdem beträgt, wenn das Verhältnis der Länge L2 zu der Länge L1 0,5 beträgt, die Harmonische-Komponente dritter Ordnung, die in der induzierten Spannung der laminierten Zähne beinhaltet ist, 6,5% und die Komponente fünfter Ordnung und die Komponente siebter Ordnung betragen fast null. Deshalb wird durch Einstellen des Verhältnisses der Länge L2 zu der Länge L1 auf 0,4 oder mehr und weniger als 0,6, das den Bereich vor und nach 0,5 beinhaltet, die Drehmomentwelligkeitssteuerung unter Verwendung der Harmonische-Komponente dritter Ordnung des Stroms einfach, wodurch die Wirkung der Vibrationsreduzierung weiter verbessert werden kann.
Hier wird nun die Form eines herkömmlichen Permanentmagneten 32C beschrieben. 11 ist eine Draufsicht des herkömmlichen Permanentmagneten 32C. Der Permanentmagnet 32C weist eine erste Fläche 221C, die eine Fläche ist, die an dem Außenumfangsabschnitt des Rotorkerns fixiert ist, und eine zweite Fläche 222C auf, die den laminierten Zähnen des Stators zugewandt ist. In der Draufsicht weist für den Permanentmagneten 32C die zweite Fläche 222C eine gekrümmte Form auf und die erste Fläche 221C und die zweite Fläche 222C sind nicht parallel zueinander. Die zweite Fläche 222C besitzt eine Bogenform. Verglichen mit der Dicke T1 (7) des Permanentmagneten 32 bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Dicke T2 des Permanentmagneten 32C, der in 10 gezeigt ist, groß. Hier ist die Dicke des Permanentmagneten die Länge des Permanentmagneten in der Radialrichtung. Bei Draufsicht ist die Länge der ersten Fläche 221 des Permanentmagneten 32 gleich der Länge der ersten Fläche 221C des Permanentmagneten 32C. Außerdem sind die Längen des Permanentmagneten 32 und des Permanentmagneten 32C in der Axialrichtung des Rotors gleich.
Gemäß dem Simulationsergebnis wird das Drehmoment des Motors 10, der den Permanentmagneten 32 des vorliegenden Ausführungsbeispiels beinhaltet, verglichen mit demjenigen des Motors, der den herkömmlichen Permanentmagneten 32C aufweist, um 7% erhöht. Dies bedeutet auch, dass das Volumen der Permanentmagneten, das zum Erhalten der gleichen Ausgabe erforderlich ist, reduziert werden kann. Der Motor 10, der den Permanentmagneten 32 beinhaltet, kann das Rastmoment und die Drehmomentwelligkeit verglichen mit dem Motor, der den herkömmlichen Permanentmagneten 32C beinhaltet, auf den gleichen Pegel unterdrücken.
Ferner kann durch Abschrägen des blockförmigen Magnetmaterials der Permanentmagnet 32 erhalten werden. Deshalb ist es möglich, das Formen des Permanentmagneten 32 zu erleichtern. Zusätzlich kann, da die Poliermenge des Magnetmaterials reduziert werden kann, die Verarbeitungszeit verkürzt werden.
Bei dem in 7 gezeigten Beispiel weist der Verbindungsabschnitt 224 des Permanentmagneten 32 einen linearen Abschnitt auf, der in Bezug auf die zweite Fläche 222 und die Seitenfläche 223 geneigt ist. Die Form des Verbindungsabschnitts 224 ist nicht auf die lineare Form eingeschränkt. 12 ist eine Draufsicht, die eine Modifizierung des Permanentmagneten 32 zeigt. Bei dem in 12 gezeigten Beispiel weist der Verbindungsabschnitt 224 bei Draufsicht einen gekrümmten Abschnitt auf. Selbst wenn der Verbindungsabschnitt 224 einen gekrümmten Abschnitt aufweist, kann der gleiche Effekt wie oben beschrieben erhalten werden, indem das oben beschriebene Verhältnis der Länge L1 zu der Länge L2 erfüllt wird.
Zweites Ausführungsbeispiel
Als nächstes wird eine elektrische Servolenkvorrichtung, die der Motor 10 anbringt, gemäß einem Ausführungsbeispiel beschrieben. 13 ist eine schematische Ansicht einer elektrischen Servolenkvorrichtung 500 gemäß dem Ausführungsbeispiel.
Die elektrische Servolenkvorrichtung 500 ist an einem Lenkmechanismus eines Rads eines Automobils angebracht. Die in 13 gezeigte elektrische Servolenkvorrichtung 500 reduziert die Lenkkraft durch hydraulischen Druck. Wie in 13 gezeigt ist, beinhaltet die elektrische Servolenkvorrichtung 500 einen Motor 10, eine Lenkwelle 514, eine Ölpumpe 516 und ein Steuerventil 517.
Die Lenkwelle 514 überträgt eine Eingabe von einem Lenkrad 511 auf eine Achse 513 mit einem Rad 512. Die Ölpumpe 516 erzeugt einen hydraulischen Druck in einem Leistungszylinder 515, der eine hydraulische Antriebskraft auf die Achse 513 überträgt. Das Steuerventil 517 steuert die Bewegung des Öls der Ölpumpe 516. In der elektrischen Servolenkvorrichtung 500 ist der Motor 10 als eine Antriebsquelle der Ölpumpe 516 angebracht.
Bei dem in 13 gezeigten Beispiel wird die Unterstützungskraft, die durch den Motor 10 erzeugt wird, über den hydraulischen Druck auf die Achse 513 übertragen. Die Kraft könnte ohne die Verwendung eines Öldrucks auf die Achse 513 übertragen werden. Die elektrische Servolenkvorrichtung 500 kann vom Ritzelunterstützungstyp, Zahnstangenunterstützungstyp, Säulenunterstützungstyp und dergleichen sein.
Bei der elektrischen Servolenkvorrichtung 500, die den Motor 10 beinhaltet, werden Vibration und Geräusche, die durch den Betrieb des Motors verursacht werden, reduziert. Dadurch kann das Lenkgefühl verbessert werden.
Die Ausführungsbeispiele gemäß der vorliegenden Offenbarung wurden oben beschrieben. Die obige Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist lediglich ein Beispiel und schränkt die Technik der vorliegenden Offenbarung nicht ein. Zusätzlich sind auch Ausführungsbeispiele möglich, bei denen die jeweiligen Komponenten, die bei den obigen Ausführungsbeispielen beschrieben wurden, geeignet kombiniert sind.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Ausführungseispiele der vorliegenden Offenbarung können in verschiedenen Vorrichtungen umfassend eingesetzt werden, einschließlich verschiedenen Motoren, wie z. B. einem Staubsauger, einem Föhn, einem Deckenventilator, einer Waschmaschine, einem Kühlschrank und einer elektrischen Servolenkvorrichtung.
Bezugszeichenliste

10: Motor
11: Mittelachse
20: Stator
21: Wicklung
22: laminierter Körper
23: laminierter Zahn
24: Kernrückseite
26: Übergang
30: Rotor
31: Rotorkern
32: Permanentmagnet
33: Welle
100: Leistungsumwandlungsvorrichtung
101: Leistungsversorgung
102: Spule
103: Kondensator
110: erster Inverter
140: zweiter Inverter
300: Steuerschaltung
310: Leistungsversorgungsschaltung
320: Winkelsensor
330: Eingangsschaltung
340: Mikrosteuerung
350: Treiberschaltung
351: Erfassungsschaltung
360: ROM
500: elektrische Servolenkvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 4155152 B1 [0004]

Claims

Ein Motor, der folgende Merkmale aufweist: einen Rotor mit einem Rotorkern und einer Mehrzahl von Permanentmagneten, die entlang eines Außenumfangs des Rotorkerns vorgesehen sind; und einen Stator mit einer Mehrzahl von Wicklungen, wobei: jeder der Mehrzahl von Permanentmagneten folgendes aufweist: eine erste Fläche, die in Kontakt mit einem Außenumfangsabschnitt des Rotorkerns steht, und eine zweite Fläche, die sich in einer Radialrichtung des Rotors außerhalb der ersten Fläche befindet und dem Stator zugewandt ist, und bei Draufsicht bei Betrachtung des Rotors aus einer Richtung parallel zu einer Drehachsenrichtung des Rotors: die erste Fläche einen linearen Abschnitt aufweist, die zweite Fläche einen linearen Abschnitt aufweist, der parallel zu dem linearen Abschnitt der ersten Fläche ist, und eine Länge des linearen Abschnitts der zweiten Fläche 20% oder mehr und weniger als 85% einer Länge des linearen Abschnitts der ersten Fläche beträgt.
Der Motor gemäß Anspruch 1, bei dem: jeder der Mehrzahl von Permanentmagneten folgendes aufweist: eine Seitenfläche, die sich in der Radialrichtung des Rotors erstreckt, und einen Verbindungsabschnitt, der die erste Fläche und die zweite Fläche verbindet, und bei Draufsicht der Verbindungsabschnitt einen linearen Abschnitt aufweist, der in Bezug auf die zweite Fläche und die Seitenfläche geneigt ist.
Der Motor gemäß Anspruch 1, bei dem: jeder der Mehrzahl von Permanentmagneten folgendes aufweist: eine erste Fläche, die sich in der Radialrichtung des Rotors erstreckt, und einen Verbindungsabschnitt, der die zweite Fläche und die Seitenfläche verbindet, und bei Draufsicht der Verbindungsabschnitt einen gekrümmten Abschnitt aufweist.
Der Motor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem: der Stator zwölf Rillen aufweist, die zwischen benachbarten Zähnen angeordnet sind und in denen die Mehrzahl von Wicklungen angeordnet ist, und der Rotor zehn Magnetpole aufweist.
Der Motor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Länge des linearen Abschnitts der zweiten Fläche 20% oder mehr und weniger als 60% der Länge des linearen Abschnitts der ersten Fläche beträgt.
Der Motor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, der ferner eine Leistungsumwandlungsvorrichtung aufweist, die einen Strom in die Mehrzahl von Wicklungen zuführt, wobei: der Strom eine Grundkomponente und eine Harmonische-Komponente mit einer Frequenz aufweist, die ein ganzzahliges Vielfaches einer Frequenz der Grundkomponente ist.
Der Motor gemäß Anspruch 6, bei dem die Harmonische-Komponente eine Harmonische-Komponente dritter Ordnung mit einer Frequenz ist, die drei Mal die Frequenz der Grundkomponente ist.
Der Motor gemäß Anspruch 6 oder 7, bei dem basierend auf einer Komponente dritter Ordnung eines Magnetflusses des Permanentmagneten und einer Komponente dritter Ordnung eines Stroms, der in die Mehrzahl von Wicklungen zugeführt wird, die Leistungsumwandlungsvorrichtung eine Komponente sechster Anordnung einer Radialkraft steuert, die auf die Zähne des Stators wirkt.
Der Motor gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem basierend auf der Komponente dritter Ordnung des Stroms, der in die Mehrzahl von Wicklungen zugeführt wird, und der Komponente dritter Ordnung des Magnetflusses des Permanentmagneten die Leistungsumwandlungsvorrichtung eine Drehmomentwelligkeit steuert, die aus einer Beziehung zwischen einer Grundkomponente des Stroms, der in die Mehrzahl von Wicklungen zugeführt wird, und dem Magnetfluss des Permanentmagneten erzeugt wird.
Der Motor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem: die Mehrzahl von Wicklungen n-Phasenwicklungen aufweist (n ist eine Ganzzahl gleich 3 oder mehr), der Motor ferner eine Leistungsumwandlungsvorrichtung aufweist, die den Strom in die n-Phasenwicklungen zuführt, und die Leistungsumwandlungsvorrichtung folgende Merkmale aufweist: einen ersten Inverter, der mit einem Ende jeder Phasenwicklung verbunden ist, und einen zweiten Inverter, der mit dem anderen Ende jeder Phasenwicklung verbunden ist.
Eine elektrische Servolenkvorrichtung mit dem Motor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.