JP2010517506A - １８／８同期モータ - Google Patents

Abstract

本発明は、１８個のステータ歯（２）を有するステータ（３）を備えた同期モータであって、前記ステータ歯（２）を包囲するステータコイル（７）が設けられており、ロータ（５）に８個の磁極磁石（６）が配置されており、前記ステータコイル（７）はそれぞれ少なくとも２つのステータ歯（２）を包囲する同期モータに関する。

Description

本発明は、ロータ極数が８でありステータ歯数が１８である１８／８同期モータに関し、とりわけ電動パワーステアリングで使用するための１８／８同期モータに関する。

自動車において使用するための電気機械的な支援を行うステアリングシステム用の電気駆動装置では、シャフトで生成される駆動トルクの変動幅が非常に小さい必要がある。通常はこのような駆動装置として、永久磁石励磁式の電子整流同期モータが使用される。というのも、このような電子整流同期モータの出力密度、効率および可制御性の理由から、このような同期モータはこの用途に有利であるからだ。しかし、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。それゆえ、このような高調波が可能な限り低減されるか、またはこのような高調波がトルク特性経過に与える影響が小さくなるように、このような駆動装置を構成しなければならない。さらにこのような同期機では、負荷が存在する場合にのみトルク変動が発生するのではなく、ステータ巻線が無通電状態である場合でも発生する。このようなトルク変動はコギングトルクとも称される。

同期モータにおいてコギングトルクを低減するために慣用されている手法は、最小公倍数が可能な限り大きくなるようにステータスロット数対極数の比を選択する手法である。このことはたとえば、ステータのステータ歯数が９でありロータ極数が８である同期モータで実現される。その際には、１回転あたりのコギング箇所は７２箇所になり、コギングトルクの振幅は小さくなる。

しかし、このような同期モータは対称性のずれに対して非常に敏感に応答する。すなわち、小さなずれだけでもすでに著しいコギングトルクおよびトルク変動が発生する。

さらに動作時には、著しく大きな半径方向力の波動が形成され、ノイズ形成が増幅されてしまう。製造公差に起因して、構造上絶対的な対称性を実現することはできず、公差を低減すると製造の手間が著しく大きくなってしまう。

本発明の課題は、コギングトルクおよびトルクリプルを小さく維持しながら、対称性のずれに対する感度が小さくなり半径方向力の波動が格段に低減される同期機を提供することである。

前記課題は、請求項１に記載の同期モータにより解決される。

従属請求項に、本発明の別の有利な実施形態が記載されている。

１つの側面によれば、同期モータはステータ歯数が１８であるステータを有するように構成されており、ステータ歯はステータコイルによって包囲される。８個の磁極磁石がロータに配置されており、ステータコイルはそれぞれ少なくとも２つのステータ歯を包囲する。

本発明の同期モータの１８／８構成は、構造上の対称性からのずれに対して耐性が比較的高い永久磁石励磁式の同期モータの９／８構成の利点と、半径方向力の波動が格段に低減される利点とを結びつけるものである。このことは、９／８構成に関してステータ歯の数を２倍にし、各ステータコイルを該ステータ歯のうち少なくとも２つのステータ歯に巻回することによって実現される。

有利には、同期機の各ステータ歯が少なくとも２つのステータコイルによって包囲され、該ステータコイルはそれぞれ、相応のステータ歯の両側に隣接するステータ歯も包囲する。とりわけ、１つのステータ歯を包囲するステータコイルは、相互に逆の巻回方向を有することができる。このことにより、ステータ歯のうち１つに巻回されたステータコイルによって発生する半径方向力の成分が少なくとも部分的に相殺される。このことによって、同期モータの動作時に発生する半径方向力の波動を低減することができる。

また、相互に隣接する３つのステータ歯対を包囲するそれぞれ３つのステータコイルを直列接続して３要素グループを構成し、駆動制御端子を介して１つの共通の相によって駆動制御できるように構成することができる。

有利には、ステータにおいてそれぞれ相互に１２０°ずらされた３要素グループが３つの相端子を介して駆動制御されるように構成され、それぞれ１つの部分スター結線体で接続される。

別の実施形態では、部分スター結線体は２つのインバータに接続されているか、または１つの共通のインバータに接続されている。

有利には、ステータにおいてそれぞれ相互に１２０°ずらされた３要素グループが３つの相端子を介して駆動制御されるように構成され、それぞれ１つの部分デルタ結線体で接続される。

さらに、部分デルタ結線体を２つのインバータに接続するか、または１つの共通のインバータに接続することもできる。

別の実施形態では、８つのステータ歯の第１の部分システムのステータコイルと、該８つのステータ歯に対向する８つの別のステータ歯の第２のシステムのステータコイルとが相互に重ねられずに配置され、第１の部分システムのステータコイルおよび第２の部分システムのステータコイルは、３つのステータ歯を包囲するステータコイルを包含する。

とりわけ、部分システムのうちいずれか１つの部分システムのステータコイルを、相互に隣接するステータ歯対に配置され直列接続された３つのステータコイルの３要素グループと、３つのステータ歯に巻回する巻数が１倍であるそれぞれ１つのステータコイルと、直列接続された２つのステータ歯に巻回する巻数が２倍であるそれぞれ１つのステータコイルとを有する２つの２要素グループとで配置することができる。

また、別個の部分スター結線体または別個の部分デルタ結線体で各部分システムのステータコイルの３要素グループと２つの２要素グループとを相互に結線し、それぞれを１つの共通のインバータによって、または相互に別個のインバータによって３相駆動制御するように構成することもできる。

以下で、添付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。

本発明の実施形態による１８／８同期モータの断面図である。 異なる相に関するステータコイルの概観図である。 図面に示された構成で結線される６つのコイルグループを示す図である。 本発明による同期モータのステータコイルの結線を示す。 本発明による同期モータのステータコイルの別の結線を示す。 本発明による同期モータのステータコイルの別の結線を示す。 本発明による同期モータのステータコイルの別の結線を示す。 ２つのコイル構成体が相互に別個に同期モータの各半分に配置された、図４〜７の同期モータの可能な構成を示す。

図１には、本発明の１つの実施形態による同期モータ１の断面が示されている。同期モータ１は１８個のステータ歯と８個の磁極とによって構成され、このような同期モータを以下では１８／８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、該ステータ歯の各歯先４は共通の中心点を向いており、該ステータ歯の各中心軸は、有利には円形のステータ２を包囲する中心点を中心とする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５も設けられており、該ロータ５の回転軸は中心点に相応する。ロータ５は８つの磁極磁石６（永久磁石）を有し、これらの磁極磁石は周面に均等に分布されて配置されている。相互に隣接する磁極磁石６の極性は相互に逆であり、同じ方向のそれぞれ２つの磁極磁石がロータ軸に関して相互に対向する。

ロータの磁極磁石６は、表面磁石として設けることも、該ロータ５の表面の切欠内に埋め込まれた埋込磁石として設けることもできる。ロータに埋め込まれた磁石を使用するのが有利である。というのも、たとえば平坦な表面を有する簡単かつ低コストの磁石形状を使用し、バンデージや腐食防止なしで簡単なロータ構造を実現できるからである。

ステータ歯２はステータコイル７によって包囲されており、このステータコイル７はそれぞれ２つのステータ歯を包囲する。概観しやすくするため、図１には１つのステータコイル７のみが示されている。ステータコイル７は１８個設けられており、それぞれ２つの隣接するステータ歯２を包囲するステータ３のステータコイル７は、それぞれ１つのステータ歯２だけ相互にずらされて配置されている。１次の半径方向力の波動を低減ないしは消去するためには、ストランドの３つのステータコイルもロータ周面上で１８０°ずらすかないしは鏡像になるように設ける。このようにすると、このようなモータで発生するコギングトルクが、９／８同期モータのコギングトルクより有意に大きくなることはない。

このような同期モータは、９／８同期モータと対照的に鏡面対称的な構造を有し、２つの隣接するステータ歯の相互間の間隔によって決定されるスロット数は２倍になるので、装置全体は、製造公差に起因する対称性ずれに対して比較的脆弱でなくなる。公差に対する脆弱性がこのように比較的低くなることにより、磁石をロータのポケットに収容することができるようになる。このことにより、簡単なロータ構成が実現され、低コストの角石形磁石を使用できるようになる。

図２に、１８個のステータ歯７に巻回されたステータコイル７がより概観的に示されている。ステータ歯２は展開されて、相互に隣接して１列に示されている。より概観しやすくするため、異なる相に所属するステータコイル７を相互に分離して上下に図示している。

図２では各相が、ロータ５に関して相互に対向する３つの隣接するステータ歯対に巻回された６つのステータコイルを駆動制御し、それぞれ３つのステータコイル７から成るそれぞれ２つの対向する３要素グループが１つの相によって駆動制御されるのが理解できる。ステータコイル７の各３要素グループの中間のステータコイル７は、外側のステータコイル７に対して逆の極性（方向）で駆動制御される。

３つの相に所属するこれらのステータコイルグループは、スター結線またはデルタ結線で相互に接続することができる。スター結線の場合には、端子Ｘ，ＹおよびＺが相互に接続され、３つの相電圧が端子Ｕ，ＶおよびＷに相応に印加される。デルタ結線の場合にも同様に、端子Ｘと端子Ｖとを接続し、端子Ｙと端子Ｗとを接続し、端子Ｚと端子Ｕとを接続し、このように形成されたノードは、同期モータの相電圧に対する相応の端子を形成する。

以下で、ステータコイルの結線の別の実施例を説明する。この実施例では、図２に示されたステータコイルの３要素グループそれぞれを別個に考察する。図３に、異なる結線手法を以下で説明するために、異なる端子の参照符号をＵ１，Ｖ１，Ｗ１，Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２，Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２と定義する。

図３で実施されているステータコイルの配置に基づいて、ステータコイルグループを図４に示されたように、２つの部分中性点Ｓ１，Ｓ２を有するスター結線で相互に接続することができる。その際には基本的に、相互に１２０°ずらされたステータコイル７の３つの３要素グループを、第１の共通の部分中性点Ｓ１によるスター結線で、異なる相に接続して第１の部分システム１０を構成し、相互に１２０°ずらされたステータコイル７の３要素グループを、共通の第２の部分中性点Ｓ２を介して相互に接続し、第２の部分システム１１を構成する。部分システム１０，１１は、ロータ周縁上で相互に１８０°ずらされるか、またはロータに対して鏡像になるように配置される。駆動制御は、相応の相端子に印加される３つの共通の相電圧Ｕ，Ｖ，Ｗによって行われ、ステータコイル７の相互に対向する２つの３要素グループは同一の相電圧によって駆動制御される。

図５の実施形態では、すべての３要素グループが共通の中性点で相互に接続されるが、相互に別個の２つのインバータ（図示されていない）によって、それぞれ３つの相電圧Ｕ，Ｖ，ＷないしはＵ′，Ｖ′，Ｗ′によって駆動制御される。この構成は実質的に、図４と同様の構成に相応するので、ステータコイルの３つの隣接する３要素グループは、第１のインバータによって相応の相端子で供給される３つの相電圧Ｕ，Ｖ，Ｗによって駆動制御され、これらに対向するステータコイルの３つの３要素グループは、第２のインバータの相応の３つの相電圧Ｕ′，Ｖ′，Ｗ′によって駆動制御される。

図６には図５の実施形態の発展形態が示されている。これらの図の相違点は、共通の中性点が分割されており、２つの部分中性点Ｓ１，Ｓ２を有する２つの部分システム１０，１１が設けられており、それぞれ１つのインバータが前記部分システム１０，１１の各１つを駆動制御することである。

図７の実施形態は基本的に、図６の実施形態の等価図を示す。この実施形態では、ステータコイル７の３つの３要素グループの相互に独立した回路は、部分スター結線として接続されているのではなく、部分デルタ結線として接続されている。図７にも、相互に完全に別個の２つの部分システム１０，１１が構成されており、これらは同期モータ１のステータ３において相互に対向する。

さらに、相互に電気的に分離された個々のシステム間で短絡が発生するのが十分に回避されるのを保証するために、前記部分システム１０，１１のうちいずれかに所属する３要素グループのステータコイル７を相互に空間的に完全に分離することができる。上記の実施形態では、両部分システムのステータコイル７は共通のステータ歯２を包囲することにより、両部分システム間が短絡時に接続され、より大きな制動トルクを発生させることができる。

図８に示されているように、図４，５，６および７に示されそれぞれステータコイル７を有する部分システム１０，１１が相互に完全に分離され、該部分システム１０，１１のうち一方のステータコイル７が、他方の部分システム１０，１１のステータコイル７のうちいずれか１つのステータ歯２と同じステータ歯２を包囲することがなくなるように、ステータコイル７を設けることができる。このことは、両部分システムを空間的に同期モータのそれぞれ半分に配置することによって実現される。このことは、３つのステータ歯２を包囲するステータコイル７と、巻数が変化したステータコイルとを設けることによって実現される。

同期モータの各半分に配置された各部分システムは、相互に隣接して配置された８つのステータ歯２に３つのステータコイルグループを有する。その際には、３つのステータコイルグループのうち中間のステータコイルグループの構成は、上記の実施形態による３要素グループに相応し、この中間のステータコイルグループは、相互に隣接して配置された８つのステータ歯２のうち中間の６つのステータ歯に配置されている。相互に隣接して配置された８つのステータ歯２に対して外側の２つのステータコイルグループは、それぞれ２つのステータコイル７のみを有する。これら２つのステータコイルのうち１つの巻数は、３要素グループのステータコイルの２倍であり、２つのステータ歯２を包囲する。相応の他のステータコイル７の巻数は１倍であり、３つのステータ歯２を包囲する。それぞれ３つのステータ歯２を包囲する２つのステータコイル７は相互に隣接して、オーバーラップせずに、中間の３要素グループのステータ歯２に配置されている。このようにして、ステータ歯２間の各スロットに設けられる巻線ワイヤの数が同数になる。

別の実施形態では１８／８同期モータは、１８個のステータコイルがそれぞれ別個に結線される９相機としても構成することができる。この場合、相互に対向するステータコイルを１相で動作させることができる。

上記の実施形態による同期モータの動作時のコギングトルクは格段に低減され、該同期モータによって生成される半径方向力の波動は格段に小さくなる。それゆえこのような同期モータは、自動車用のステアリングシステムで使用するのに適している。

Claims (12)

1. １８個のステータ歯（２）を有するステータ（３）を備えた同期モータであって、
   前記ステータ歯（２）を包囲するステータコイル（７）が設けられており、
   ロータ（５）に８個の磁極磁石（６）が配置されている同期モータにおいて、
   前記ステータコイル（７）はそれぞれ少なくとも２つのステータ歯（２）を包囲することを特徴とする、同期モータ。
2. 前記ステータ歯（２）はそれぞれ、少なくとも２つのステータコイル（７）によって包囲されており、該ステータコイル（７）は、相応のステータ歯（２）の両側に隣接するステータ歯（２）も包囲する、請求項１記載の同期モータ。
3. 相互に隣接する３つのステータ歯対をそれぞれ包囲する３つのステータコイル（７）が直列接続されて３要素グループを構成し、１つの共通の相を介して駆動制御されるように構成されている、請求項１または２記載の同期モータ。
4. 相互にそれぞれ１２０°ずらされた３要素グループが３つの相端子を介して駆動制御され、それぞれ部分スター結線体を構成するように接続されている、請求項３記載の同期モータ。
5. 前記部分スター結線体は２つのインバータに接続されているか、または１つの共通のインバータに接続されている、請求項４記載の同期モータ。
6. 相互にそれぞれ１２０°ずらされた３要素グループが３つの相端子を介して駆動制御され、それぞれ部分デルタ結線体を構成するように接続されている、請求項３記載の同期モータ。
7. 前記部分デルタ結線体は２つのインバータに接続されているか、または１つの共通のインバータに接続されている、請求項６記載の同期モータ。
8. ８つのステータ歯（２）の第１の部分システム（１０）のステータコイル（７）と、該８つのステータ歯（２）に対向する８個の別のステータ歯（２）の第２の部分システムのステータコイル（７）とが、相互に完全に分離されて配置されており、
   前記第１の部分システムおよび前記第２の部分システムのステータコイル（７）は、３つのステータ歯（２）を包囲する少なくとも１つのステータコイル（７）を含む、請求項１記載の同期モータ。
9. 部分システムのうちいずれか１つの部分システムのステータコイル（７）を、相互に隣接するステータ歯対に配置され相互に直列接続された３つのステータコイル（７）の３要素グループと、３つのステータ歯（２）に１倍の巻数で巻回されたそれぞれ１つのステータコイル（７）と、直列接続された２つのステータ歯（２）に２倍の巻数で巻回されたそれぞれ１つのステータコイル（７）とを有する２つの２要素グループとで配置されている、請求項８記載の同期モータ。
10. 別個の部分スター結線体または別個の部分デルタ結線体において各部分システムのステータコイル（７）の３要素グループと２つの２要素グループとが相互に結線され、それぞれを１つの共通のインバータによって、または相互に別個のインバータによって３相駆動制御されるように構成されている、請求項９記載の同期モータ。
11. 前記磁極磁石（６）は、ロータ（５）に配置されたポケット内に埋め込まれている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の同期モータ。
12. 請求項１から１１までのいずれか１項記載の同期モータを自動車のステアリングシステムにおいて使用する方法。

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