永磁体型电动机及电动助力转向装置的制作五分时时彩方法

文档序号:21281267发布日期:2020-06-27 00:23
永磁体型电动机及电动助力转向装置的制作五分时时彩方法

本申请是申请日为“2013年7月22日”、申请号为“201380078438.5”、题为“永磁体型电动机及电动助力转向装置”的申请的分案申请。

本发明涉及包括多重由多个绕组构成的多相定子绕组的被称为所谓多相多重化永磁体型电动机的永磁体型电动机、及包括该永磁体型电动机的车辆用的电动助力转向装置。



背景技术:

包括多相多重化定子绕组的永磁体型电动机是众所周知的,其具有如下特征:通过以不同相位驱动多相多重化的定子绕组,从而降低转矩脉动,还利用多相绕组的多重化来提高故障保护功能。因此,这种永磁体型电动机例如用作为汽车等车辆的电动助力转向装置中的电动机。

专利文献1所公开的现有的多相多重化永磁体型电动机包括多重由多个绕组构成的多相定子绕组,各绕组具有在转子与定子之间的间隙中不共用磁路的结构。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:日本专利特开平7-264822号公报



技术实现要素:

发明所要解决的技术问题

专利文献1所公开的现有的多相多重化永磁体型电动机中,电枢绕组具有集中卷绕于齿部的集中卷绕结构,因此,其为短节距卷绕,绕组系数较低,其结果是,永磁体的使用量变多,具有导致高成本的问题。

另一方面,在分布卷绕的结构中进行多相多重化、且多重化的绕组彼此共用磁路的多相多重化永磁体型电动机的情况下,绕组彼此的磁耦合变大,具有控制性下降的问题。特别是在转子铁心的一部分存在于比永磁体的最大外径与最小内径的中间的直径要靠近定子的一侧的结构中,电感变大,因此,虽然可有效发挥弱磁通控制效果,但另一方面,绕组彼此的磁耦合变大的问题变得显著。

本发明是为了解决现有的多相多重化永磁体型电动机中的上述问题而完成的,其目的在于提供一种可降低不同组的电枢绕组彼此的磁耦合、提高控制性的永磁体型电动机。

此外,本发明的目的在于提供一种包括可降低多相多重化的定子绕组中不同组的电枢绕组彼此的磁耦合、提高控制性的永磁体型电动机的电动助力转向装置。

解决技术问题的技术方案

本发明的永磁体型电动机包括:

转子,该转子具有固定于电动机轴的转子铁心、和固定于所述转子铁心的永磁体;

定子,该定子具有定子铁心,该定子铁心具有收纳电枢绕组的多个插槽和多个齿部,该定子铁心内周面隔着磁性气隙与所述转子的外周面相对,该永磁体型电动机的特征在于,

所述电枢绕组由多组的多相绕组构成,

所述多组的多相绕组中,各个组的每一组由独立的逆变器供电,

所述转子铁心的一部分存在于比所述永磁体的最大外径与最小内径的中间的直径要靠近所述定子的一侧,

所述多个齿部分别具有凸缘部,

所述凸缘部的侧面部朝所述定子铁心的周向突出,与设置于相邻的所述齿部的凸缘部的侧面部相对,

在设所述凸缘部的侧面部处的所述定子铁心的径向高度为h,所述磁性气隙的长度为g时,

1≤h/g≤2的关系成立,且

在设相邻的所述凸缘部相对的面的周向距离为a时,

a/g≥0.2的关系。

此外,本发明的电动助力转向装置的特征在于,装载有所述永磁体型电动机,利用所述永磁体型电动机产生对驾驶员的转向进行辅助的转矩,

所述永磁体型电动机配置成其轴向与驱动车辆的转向轮的齿条轴的延伸方向平行。

发明效果

根据本发明的永磁体型电动机,能起到如下效果:可降低不同组的电枢绕组彼此的磁耦合,提高控制性,并可有效发挥弱磁通控制的效果。

此外,根据本发明的电动助力转向装置,具有如下效果:可大幅降低转矩脉动,且可降低磁耦合,因此,也可适用于大型车辆,可降低车辆的燃耗。

具有提高控制性并可使装置紧凑化的效果。

附图说明

图1是本发明实施方式1的电动助力转向装置中的电动驱动装置的说明图。

图2是本发明实施方式1的永磁体型电动机和ecu的电路的说明图。

图3是本发明实施方式1的永磁体型电动机的横向剖视图。

图4是本发明实施方式1的永磁体型电动机的电枢绕组的等效电路的说明图。

图5是本发明实施方式1的永磁体型电动机的q轴电路结构的说明图。

图6是将本发明实施方式1的永磁体型电动机的定子铁心放大表示的横向剖视图。

图7是说明本发明实施方式1的永磁体型电动机的第1电枢绕组和第2电枢绕组的磁耦合的说明图。

图8是本发明实施方式1的永磁体型电动机的nt(速度-转矩)特性的说明图。

图9是将本发明实施方式1的永磁体型电动机的变形例1的定子铁心放大表示的横向剖视图。

图10是将本发明实施方式1的永磁体型电动机的变形例2的定子铁心放大表示的横向剖视图。

图11是本发明实施方式2的永磁体型电动机的横向剖视图。

图12是本发明实施方式3的永磁体型电动机的横向剖视图。

图13是本发明实施方式4的永磁体型电动机的横向剖视图。

图14是包括本发明实施方式1的永磁体型电动机的电动助力转向装置的说明图。

具体实施方式

实施方式1

图14是包括本发明实施方式1的永磁体型电动机的电动助力转向装置的说明图。图14中,汽车等车辆的驾驶员对方向盘(未图示)进行转向,驾驶员的转向转矩经由方向轴(未图示)传递到转向轴1。此时,转矩传感器2检测出的转向转矩转换成电信号,通过电缆(未图示)经由连接器3传递到ecu(electroniccontrolunit:电控制单元)4。ecu4包括控制基板和用于驱动后述的本发明实施方式1的永磁体型电动机5的逆变器电路(未图示)。另外,以下的说明中,有时也将永磁体型电动机5简称为电动机。

另一方面,车速等车辆信息转换成电信号,经由第2连接器6传递到ecu4。ecu4根据上述转向转矩和车速等车辆信息,计算需要的辅助转矩,通过逆变器向电动机5提供电流。电动机5以其轴向与箭头a所示的齿条轴的移动方向平行的朝向进行配置。此外,从电池、发电机经由电源连接器7向ecu4供电。

电动机5产生的转矩由内置有传动带(未图示)和滚珠丝杠(未图示)的齿轮箱8减速,产生使位于外壳9内部的齿条轴(未图示)朝箭头a的方向移动的推力,对驾驶员的转向力进行辅助。齿条轴朝箭头a的方向移动,从而车辆左右的连杆10、11移动,轮胎转向而可使车辆转动。驾驶员由电动机5的转矩辅助,能以较少的转向力使车辆转动。另外,车辆左右的齿条防尘套(rackboot)12、13设置成防止异物侵入到电动助力转向装置内。此外,电动机5和ecu4一体固定,构成电动驱动装置100。

接着,对上述电动驱动装置100进行说明。图1是本发明实施方式1的电动助力转向装置中的电动驱动装置的说明图。图1所示的电动驱动装置100具有将本发明实施方式1的电动机5和ecu4一体固定的结构。图1中,首先,对永磁体型电动机5进行说明。电动机5具有将电磁钢板层叠构成的定子铁心14、收纳于定子铁心14的后述插槽的电枢绕组15、及固定定子铁心14的框架16。框架16的轴向的一端部由螺栓18、19固定于电动机外壳17。

在电动机外壳17固定有第1轴承20。在形成于框架16的轴向的另一端部的壁部21的內周部固定有第2轴承22。壁部21与框架16一体形成,但也可以分开形成。在电动机轴23通过压入而固定有将电磁钢板层叠构成的转子铁心24。电动机轴23经由第1轴承20和第2轴承22旋转自如地被电动机外壳17和框架16所支承。

在电动机轴23的一个轴方向端部即输出轴侧压入有滑轮26。滑轮26起到将电动机5的驱动力传递到电动助力转向装置的传动带(未图示)的作用。在电动机轴23的另一轴向端部固定有传感器用永磁体25。在上述转子铁心24固定有永磁体26。另外,图1中,示出了永磁体26固定于转子铁心24表面的示例,但也可以是埋入转子铁心24中的结构。对于这种结构,详细情况将在后面阐述。

接着,对ecu4进行说明。在ecu4中设置有接收来自上述转矩传感器2的信号的第1连接器3、接收车速等车辆信息的第2连接器6、及供电用的电源连接器7。此外,在ecu4设置有用于驱动电动机的后述的第1逆变器电路和第2逆变器电路。第1逆变器电路具有由mos-fet等构成的6个第1开关元件组281。第2逆变器电路具有由mos-fet等构成的6个第2开关元件组282。

第1及第2开关元件组281、282中的各开关元件考虑例如将裸芯片安装于dbc(directbondedcopper:直接键合铜)基板的结构、利用树脂将裸芯片进行模塑而形成模块的结构。各开关元件因用于电动机驱动的电流流过而发热。因而,各开关元件采用经由粘接剂、绝缘片材等与散热器29接触而散热的结构。

在第1及第2逆变器电路中,除上述开关元件以外,还设置有平滑电容器、噪声去除用线圈、电源继电器及将它们电连接的汇流条等,但图1中进行了省略。汇流条与树脂一体成形,形成中间构件30。此外,与中间构件30相邻地设置有控制基板31。该控制基板31基于从第1及第2连接器3、6接收到的信息,向第1及第2开关元件组281、282发送控制信号,以适当驱动电动机5。

控制信号通过将控制基板31与第1及第2开关元件组281、282的各开关元件之间电连接的连接构件(未图示)进行传输。该连接构件由引线接合、压入配合、焊料等固定于半导体元件、控制基板31。由上述半导体元件构成的第1及第2逆变器电路和控制基板31被ecu壳体32所覆盖。ecu壳体32可以由树脂形成,也可以由铝等金属形成,或者,也可以是将树脂和铝等金属组合形成的结构。控制基板31配置为沿着电动机5的与电动机轴23的轴向正交的面。

在加热器29的与电动机5相对的侧面配置有传感器部33。传感器部33具有磁传感器34、传感器基板35、传感器连接构件36及传感器支承构件37,安装有磁传感器34的传感器基板35通过螺钉(未图示)固定于散热器29。

磁传感器34与电动机轴23的轴心配置在同轴上,且配置在与传感器用永磁体25相对应的位置,检测传感器用永磁体25产生的磁场,并检测出该磁场的方向,从而检测电动机5的转子的旋转角度。传感器连接构件36由传感器支承构件37支承,将传感器部33的传感器基板35和控制基板31电连接。该连接可以是压入配合,也可以是焊料。另外,传感器连接构件36需要贯通散热器29和中间构件30,因此,在散热器29和中间构件30中设置有供传感器连接构件36贯通的贯通孔(未图示)。此外,虽未图示,但中间构件30为设置有对传感器连接构件36进行定位的引导件的结构。

图1中,在散热器29设置有凹部38,以增大在传感器部33的传感器基板35所安装的磁传感器34与散热器29的表面、即凹部38的底面之间的距离。散热器29通过螺钉、冷缩配合等固定于电动机5的框架16。这样,散热器29固定于电动机5的框架16,从而可将散热器29的热量传递到框架16。

ecu4根据传感器部33检测出的电动机5的转子的旋转角度,将适当的驱动电流提供给电动机5的电枢绕组15。

另外,图1中示出了磁传感器34安装于与控制基板31不同的传感器基板35的示例,但也可以采用安装于控制基板31的结构,形成检测从传感器用永磁体25经由散热器29泄漏的磁通的结构。此外,也可以采用将中间构件30和控制基板31的位置关系配置成与图1相反的结构。此外,图1中示出了应用磁传感器34的结构以作为检测转子位置的传感器部的结构,但当然也可以由旋转变压器构成。

接着,对ecu4中的逆变器部的电路结构进行说明。图2是本发明实施方式1的电动机和ecu的电路的说明图。另外,图2中,对于电动机5,简单起见,仅示出电枢绕组。电动机5的电枢绕组15包括:由第一u相绕组u1、第一v相绕组v1、第一w相绕组w1构成的第1电枢绕组39;及由第二u相绕组u2、第二v相绕组v2、第二w相绕组w2构成的第2电枢绕组40。图2中,第1及第2电枢绕组39、40示出为y接线,但也可以为δ接线。

图2所示的ecu4中,简单起见,仅示出逆变器的功率电路部。直流电压从电池等电源43经由噪声去除用的线圈44提供给ecu4。ecu4包括第1逆变器电路41、及第2逆变器电路42这2组逆变器电路。第1逆变器电路41由电源43经由线圈44和第1电源继电器45提供有直流电压,向第1电枢绕组39提供3相电流。第2逆变器电路42由电源43经由线圈44和第2电源继电器46提供有直流电压,向第2电枢绕组40提供3相电流。另外,图2中示出为电源43存在于ecu4的内部,但实际上,电源43由车载电池等ecu4外部的电源经由连接器进行供电。

第1及第2电源继电器45、46分别由2个mos-fet构成,故障时等使mos-fet断开,以防止过大电流分别流过逆变器电路41、42的方式进行动作。另外,图2中,按照电源43、线圈44、第1电源继电器45及第2电源继电器46的顺序连接,但当然也可以在比线圈44要靠近电源43的位置连接第1电源继电器45及第2电源继电器46。

第1平滑电容器47连接到第1逆变器电路41的输入端子间,第2平滑电容器48连接到第2逆变器电路42的输入端子间。另外,图2中,第1及第2平滑电容器47、48分别由1个电容器构成,但当然也可以将多个电容器并联连接而构成。

第1及第2逆变器电路41、42由分别利用6个mos-fet的3相桥式电路构成。第1逆变器电路41包括将mos-fet11和mos-fet12串联连接的第1臂部、将mos-fet13和mos-fet14串联连接的第2臂部、及将mos-fet15和mos-fet16串联连接的第3臂部,将上述第1~第3臂部并联连接。在分别位于第1~第3臂部下侧的mos-fet12、mos-fet14、mos-fet16的gnd(接地电位)侧分别逐个连接有分流电阻49、50、51。

同样,第2逆变器电路42包括将mos-fet21和mos-fet22串联连接的第1臂部、将mos-fet23和mos-fet24串联连接的第2臂部、及将mos-fet25和mos-fet26串联连接的第3臂部,将上述第1~第3臂部并联连接。在分别位于第1~第3臂部下侧的mos-fet22、mos-fet24、mos-fet26的gnd(接地电位)侧分别逐个连接有分流电阻52、53、54。

上述各分流电阻49~54用于检测电流值。另外,虽然示出了对第1及第2逆变器电路41、42分别设置3个分流电阻的示例,但也可以对第1及第2逆变器电路41、42分别设置2个分流电阻,并且即使是1个分流电阻也能检测电流,因此,当然也可以采用这种结构。

从第1逆变器电路41向电动机5侧提供电流时,如图2所示,从mos-fet11和mos-fet12的串联连接部经由汇流条等向电动机5的第1电枢绕组39的u1相提供,从mos-fet13和mos-fet14的串联连接部经由汇流条等向电动机5的第1电枢绕组39的v1相提供,从mos-fet15和mos-fet16的串联连接部经由汇流条等向电动机5的第1电枢绕组39的w1相提供。

从第2逆变器电路42向电动机5侧提供电流时,如图2所示,从mos-fet21和mos-fet22的串联连接部经由汇流条等向电动机5的第2电枢绕组40的u2相提供,从mos-fet23和mos-fet24的串联连接部经由汇流条等向电动机5的第2电枢绕组40的v2相提供,从mos-fet25和mos-fet26的串联连接部经由汇流条等向电动机5的第2电枢绕组40的w2相提供。

图2中,虽未示出在ecu4中产生某种故障时将电动机5和第1及第2逆变器电路41、42电切断的电动机继电器,但在设置电动机继电器时,考虑设置在第1及第2电枢绕组39、40的中性点n1、n2的情况、及设置在电动机5与第1及第2逆变器电路41、42之间的情况。

第1及第2逆变器电路41、42根据由电动机5所包括的旋转角度传感器55检测出的电动机5的转子的旋转角度,从控制电路(未图示)向各mos-fet发送信号,从而对这些mos-fet进行开关,向第1及第2电枢绕组39、40提供所希望的3相电流。另外,对旋转角度传感器50使用例如磁传感器。具体而言,利用将永磁体和gmr(giantmagnetoresistiveeffect:巨磁电阻效应)传感器或amr(anisotropicmagnetoresistance:各向异性磁电阻)传感器组合后的结构、旋转变压器等。

接着,详细说明本发明实施方式1的永磁体型电动机。图3是本发明实施方式1的永磁体型电动机的横向剖视图。图1~图3中,设置有具有与转子502的外周面隔着空隙相对的内周面的定子501。定子501具有由上述第1电枢绕组39和第2电枢绕组40构成的电枢绕组15、及定子铁心14。定子铁心14包括由电磁钢板等磁性体构成的环状的铁心后端140和从铁心后端140朝径向内侧延伸的齿部141。

在设置在相邻的齿部141间的插槽142收纳有电枢绕组15。虽未图示,但在电枢绕组15和定子铁心14之间插入有绝缘纸等以确保电绝缘。齿部141全部设置有48个,因此,插槽142也有48个。在1个插槽142收纳有电枢绕组15的线圈。

如上所述,第1电枢绕组39由u1相、v1相、w1相这3相构成,第2电枢绕组40由u2相、v2相、w2相这3相构成。关于绕组的配置,如图5所示,从第1个插槽(1)起依次为u1、u2、w1、w2、v1、v2,从第7个插槽(7)之后也按照u1、u2、w1、w2、v1、v2的顺序配置,直至第48个插槽(48)为止按照同样的顺序配置。即,第1电枢绕组39和第2电枢绕组40配置在相邻的插槽142。

但是,第1个插槽(1)的u1相和第7个插槽(7)的u1相以电流的方向彼此相反的方式配置电枢绕组。即,具有从第1个插槽(1)卷绕至第7个插槽(7)的分布卷绕的结构。因此,电枢绕组跨过总计6个齿部进行配置。这相当于电角度180度,短节距绕组系数为“1”,因此,可有效利用永磁体26产生的磁通,获得小型高转矩的电动机,可减少永磁体26的量,因此,与绕组系数较小的电动机相比,具有可实现低成本化的效果。

在定子501的内侧空间部设置有在转子铁心24的表面包括永磁体26的转子502。永磁体26在转子502的周向上等间隔并排设置有8个,成为8极的结构。相邻的永磁体26的极性彼此相反。此外,在转子铁心24上设置有8个突起部241,在突起部241与永磁体26之间设置有用于降低泄漏磁通的非磁性间隙。该突起部241具有减小电动机5的定子501与转子502之间的气隙的效果,电感变大。其结果是,弱磁通控制容易发挥效果,具有可提高高速旋转时的转矩的效果。

转子铁心24通过层叠电磁钢板等而构成,电磁钢板彼此通过铆接部243进行连结。在转子铁心24的中央部贯通有电动机轴23。此外,在转子铁心24设置有8个孔部242。通过设置这种孔部242,从而具有实现转子铁心24的轻量化、降低惯性的效果。

接着,说明在本发明实施方式1的永磁体型电动机中可降低转矩脉动的理由。如图3所示,电动机5的定子铁心14的插槽142的数量为“48”,极数为“8”,因此,插槽间距为电角度[360度/48×4=30度]。此外,由于在相邻的插槽收纳有第1电枢绕组39和第2电枢绕组40,因此,u1相和u2相的相位彼此错开电角度30度。v1相和v2相、w1相和w2相的相位彼此也错开电角度30度。

因此,在第1电枢绕组39和第2电枢绕组40中通电有相位彼此错开电角度30度的3相交流电流的情况下,因第1电枢绕组39的磁动势而产生的电角度6次的转矩脉动和因第2电枢绕组40的磁动势而产生的电角度6次的转矩脉动的相位反转,电角度6次的转矩脉动被抵消。为了使第1电枢绕组39和第2电枢绕组40中流过相位不同的电流,可设置图2所示的上述第1及第2逆变器电路41、42这2个逆变器电路,分别进行独立的控制来实现。另外,只要第1电枢绕组39和第2电枢绕组40的电流的相位差为20度~40度附近,就可获得同样的效果。

图3中,转子502包括形成于转子铁心24的突起部241,设定突起部241的高度,使得转子铁心24的外周面、即突起部241的外周面位于比永磁体26的最大外径与最小内径的中间的直径要靠近定子501的一侧。在这种结构中,利用转子铁心24的磁阻的变化,可获得磁阻转矩。在产生磁阻转矩的电动机中,d轴电感较大,因此,弱磁通控制有效地起作用,高速旋转下的转矩得到提高。

然而,如图3那样第1电枢绕组39和第2电枢绕组40收纳在彼此相邻的插槽中的电动机中,在比永磁体26的最大外径与最小内径的中间的直径要靠近定子501的一侧设置有转子铁心24的情况下,与其它情况相比,第1电枢绕组39和第2电枢绕组40的磁耦合显著。这是由于,靠近定子501的转子铁心24具有降低第1电枢绕组39和第2电枢绕组40之间的磁阻的作用。

图4是本发明实施方式1的永磁体型电动机的电枢绕组的等效电路的说明图。图4中,vu为电枢绕组的各端子电压,iu为电枢电流,r为电阻,ve为感应电压,lm为泄漏电感,m为互感,后缀的“1”表示1次侧,后缀的“2”表示2次侧。n相当于变压器中的匝数比。另外,上述值中,特别是lm和m与通常的电动机控制中使用的值不同,表示并联配置的多重二相间的电感。一般,多重多相绕组交流电动机中,并联的绕组的匝数相同,因此[n=1]。v1相与v2相、w1相与w2相、u1相与v2相、u1相与w2相、v1相与u2相、v1相与w2相、w1相与u2相、w1相与v2相的等效电路也与图4相同,因此,在三相平衡的情况下,即使从包括u相、v相、w相的三相向转子的dq轴进行坐标转换,该dq轴下的等效电路也与图4所示的等效电路相同。

图5是本发明实施方式1的永磁体型电动机的q轴的电路结构的说明图,以框图形式表示向转子dq轴进行了坐标转换时的q轴的等效电路。图5中,vq1和vq2分别为第1电枢绕组和第2电枢绕组的q轴电压,iq1和iq2分别为第1电枢绕组和第2电枢绕组的q轴电流,lq1和lq2分别为第1电枢绕组和第2电枢绕组的自感的q轴分量,ra1和ra2为第1电枢绕组和第2电枢绕组的电阻分量,mq12和mq21为第1电枢绕组和第2电枢绕组间的互感的q轴分量。s表示拉普拉斯变换的微分算子。vq12和vq21分别为因第1电枢绕组和第2电枢绕组间的互感而与第1电枢绕组和第2电枢绕组重叠的干扰电压。另外,图5示出转子q轴上的等效电路,但转子d轴上的等效电路也为同样的结构。

干扰电压与电流的控制响应频率即微分值s成比例,因此,在电动机控制中越是将电流控制成高速,干扰电压越大,从而难以实现抵消高响应频率下的转矩脉动的电动机控制。

接着,说明本发明实施方式1中的干扰电压的影响。此处,从图5可知,在上述那样具有多重化的电枢绕组的多重多相绕组交流电动机中,干扰电压彼此作用,对电流控制系统作为干扰值iq1′、iq2′起作用。根据图5的q轴的等效电路的框图,干扰值iq1′、iq2′表示为下述式(1)、式(2)那样。

[数学式1]

[数学式2]

此处,iq1和iq2为第1电枢绕组和第2电枢绕组各自的q轴电流,ra1和ra2为第1电枢绕组和第2电枢绕组各自的电阻值,lq1和lq2为第1电枢绕组和第2电枢绕组各自的自感的q轴分量,mq12和mq21为表示第1电枢绕组和第2电枢绕组的干涉的互感的q轴分量。

在电流控制的频率变高的情况下,拉普拉斯变换的微分算子s变大,此外,根据式(1)、式(2)可知,干扰值基本依赖于磁耦合mq12/lq1或磁耦合mq21/lq2。在同一磁耦合变大的情况下,干扰值变大,电流控制系统的干扰变大时,无法提高电流控制系统的响应,电动机的控制性下降。另外,实施方式1的情况下的电枢中,第1电枢绕组和第2电枢绕组为对称结构,因此,可认为[mq12/lq1≈mq21/lq2]。因此,之后,对于磁耦合,设为mq12/lq1来进行说明。

如图3所示,第1电枢绕组39和第2电枢绕组40收纳在彼此相邻的插槽142中的电动机中,在比永磁体26的最大外径与最小内径的中间的直径要靠近定子501的一侧设置有转子铁心24的周面的情况下,与其它情况相比,第1电枢绕组39和第2电枢绕组40的磁耦合mq12/lq1变大,存在电动机的控制性下降的问题。

图6是将本发明实施方式1的永磁体型电动机的定子铁心放大表示的横向剖视图。图6中,定子501具备具有铁心后端140、齿部141和插槽142的定子铁心14、及收纳在插槽142内的电枢绕组15。在电枢绕组15与定子铁心14之间设置有绝缘纸等以确保电绝缘,但在图6中进行了省略。在齿部141的前端设置有凸缘部56。图6中,设齿部141最细部分的宽度为w,相邻凸缘部56的距离为a,定子铁心24的相邻凸缘部56相对的面的径向高度为h来表示。在相邻凸缘部56相对的面的径向内侧设置有曲面部r1。高度h设为除曲面部r1以外的区域的高度。若是eps用的电动机,则曲面部r1设定为0.2[mm]~0.4[mm]左右。

转子502构成为配置有转子铁心24和在转子铁心表面的永磁体26,在永磁体26两侧设置有突起部241。突起部241朝定子501的内周面侧突出,但其高度突出至比永磁体26的最大外径rout与最小内径rin的中间的直径要靠近定子501的一侧。为了防止永磁体26的飞散,有时也利用sus、铝等非磁性金属制管来覆盖转子502的整个外周面,但图6中进行了省略。转子502的外周面与定子501的内周面之间的磁性气隙长度为g。在利用金属制管来覆盖转子502的外周面的情况下,磁性气隙长度g中包含该金属制管的厚度。

图6中,构成为定子铁心14的相邻凸缘部56相对的面的径向高度h和磁性气隙长度g满足[1≤h/g≤2]的关系。此外,构成为定子铁心的相邻凸缘部56相对的面的周向距离a和磁性气隙长度g满足[a/g≥0.2]的关系。

通过采用这种结构,相邻凸缘部56之间的泄漏磁通增加,因此,电感lq1增加。另一方面,为了使磁通与不同组的电枢绕组15交链,必须2次通过相邻凸缘部56相对的面,但设为[a/g≥0.2],因此,可减小交链磁通。这可获得mq12变小的效果。作为其结果,可减小mq12/lq1,因此,可提高电动机的控制性。这即为至此之前难以兼顾的电感增加产生的弱磁通控制的效果与磁耦合降低可得到兼顾。

图7是说明本发明实施方式1的永磁体型电动机的第1电枢绕组和第2电枢绕组的磁耦合的说明图。图7(a)表示相邻凸缘部56相对的面的径向高度h、磁性气隙长度g、电动机的转矩、磁耦合的关系,横轴表示h/g,纵轴表示转矩和磁耦合。关于转矩,利用设[h/g=0.83]时的转矩为100[%]的百分比值来表示,关于磁耦合,示出mq12/lq1[%]。通过设为[h/g≤2],可减低向相邻齿部141的泄漏磁通,因此,转矩的下降仅为0.5[%]以下。另一方面,通过设为[1≤h/g],磁耦合mq12/lq1为69[%]以下的值,可提高控制的频率响应,具有可获得电动助力转向装置(eps)的电动机控制所需的频率响应的效果。

另一方面,图7(b)是表示定子铁心14的齿部141中的相邻凸缘部56相对的面的周向距离a和转子502与定子501之间的磁性气隙长度g和磁耦合的关系的图。横轴表示a/g,纵轴表示磁耦合mq12/lq1。通过设为[a/g≥0.2],磁耦合mq12/lq1为69[%]以下的值,可提高控制的频率响应,具有可获得电动助力转向的电动机控制所需的频率响应的效果。

图8是本发明实施方式1的永磁体型电动机的nt(速度-转矩)特性的说明图,表示电动机的转速n和转矩t的关系,横轴表示电动机的转速n[r/min],纵轴表示转矩t[nm]。对额定转矩相同的2种电动机(1)和电动机(2)进行比较表示。额定转矩为t1=t2。后缀的“1”表示是电动机(1),后缀的“2”表示是电动机(2)。

图8中,曲线c1为电动机(1)的特性,是在比永磁体26的最大外径与最小内径的中间的直径要靠近定子501的一侧未设置有转子铁心24的表面磁体型电动机的示例。曲线c2为电动机(2)的特性,是在比永磁体26的最大外径与最小内径的中间的直径要靠近定子501的一侧设置有转子铁心24的情况,即本发明实施方式1的永磁体型电动机的情况。

像电动机(2)那样在比永磁体26的最大外径与最小内径的中间的直径要靠近定子501的一侧设置有转子铁心24的情况下,电感较大,弱磁通控制的效果得到发挥,因此,高速旋转时的转矩得到提高(曲线c2)。若利用无负载转速进行比较,则为n01<n02。另一方面,额定转速n1和n2基本一致。由此可知,电动机(2)与电动机(1)相比,额定输出基本相等,高速旋转区域的转矩大幅提高。像现有技术那样在比永磁体26的最大外径与最小内径的中间的直径要靠近定子501的一侧设置有转子铁心24的情况下,不同电枢绕组的组彼此的磁耦合较大,控制性下降,但根据本发明实施方式1的结构,能降低磁耦合。

实施方式1的变形例1

图9是将本发明实施方式1的永磁体型电动机的变形例1的定子铁心放大表示的横向剖视图。图9所示的永磁体型电动机中,构成为定子铁心14的齿部141中的相邻凸缘部56相对的面的径向高度h和磁性气隙长度g满足[1≤h/g≤2]的关系。

此外,构成为定子铁心14的齿部141中的相邻凸缘部56相对的面的周向距离a和磁性气隙长度g满足[a/g≥0.2]的关系。在相邻凸缘部56相对的面的径向内侧设置有曲面部r1,并在径向外侧设置有曲面部r2。高度h设为除曲面部r1、r2以外的区域的高度。

若是eps用的电动机,则曲面部r1、r2设定为0.2[mm]~0.4[mm]左右。通过采用这种结构,当然可获得图6的说明中阐述的效果,进一步地,通过设置曲面部r1、r2,还具有可使相邻的凸缘部的曲面部r1、r2间的磁阻增加、磁耦合降低的效果。此外,通过在径向内侧和外侧双方设置有曲面部r1、r2,还具有使金属模具中的电磁钢板的冲压变得容易、延长金属模具的寿命的效果。

曲面部设置在径向内侧和外侧中的任一方的情况下,均能获得可使相邻凸缘部的曲面部间的磁阻增加、磁耦合降低的效果。

实施方式1的变形例2

图10是将本发明实施方式1的永磁体型电动机的变形例2的定子铁心放大表示的横向剖视图。图8所示的变形例2中,构成为设在凸缘部56的径向外侧处齿部141最细的部分中的齿部141的宽度为w,转子铁心24的最大外径为rout,插槽数为ns时,下述的式(3)成立。

0.4×2π(rout+g+h)/ns

≤w≤0.5×2π(rout+g+h)/ns·····式(3)

例如,设利用钕铁硼类稀土类磁体作为永磁体26的电动机的空隙磁通密度为0.8t时,式(3)成立的条件下磁通全部通过齿部141的情况下,齿部141最细的部分的磁通密度的最大值约为1.6t~2.0t左右。由此,可缓和齿部141最细部分的磁饱和,从而提高额定转矩。此外,因磁饱和得到缓和而使得自感变大,因此,mq12/lq1变小,可获得控制性提高的效果。

在设齿部141最细部分中的插槽142的周向宽度为s1时,w≤s1。这意味插槽宽度为齿部宽度以上,可确保插槽截面积较大。其结果是,也可确保电枢绕组的截面积较大,具有能减低铜损、提高电动机的输出的效果。

根据上述式(3)、s1+w=2π(rout+g+h)/ns的关系,对于s1,可写成

0.5×2π(rout+g+h)/ns

≤s1≤0.6×2π(rout+g+h)/ns·····式(4)

若是该结构,则如上所述,齿部141最细部分的磁通密度的最大值约为1.6t~2.0t左右。由此,可缓和齿部141最细部分的磁饱和,从而提高额定转矩。

此外,因磁饱和得到缓和而使得自感变大,因此,mq12/lq1变小,可获得控制性提高的效果。此外,如图10所示,构成为插槽的周向宽度随着朝径向外侧而变大,在铁心后端附近,插槽宽度成为最大值s2。通过采用这种结构,可降低泄漏到相邻齿部141间的泄漏磁通,具有可提高电动机的转矩、且可降低永磁体的使用量的效果。此外,与插槽142的宽度固定的结构相比,可确保插槽截面积较大,因此,还具有如下效果:也可确保电枢绕组15的截面积较大,可降低铜损,且可提高电动机的输出。

至此为止对具有第1电枢绕组39和第2电枢绕组40这2个电枢绕组的示例进行了阐述,但即使是具有3个以上电枢绕组的多重绕组,也可获得同样的效果。

若将上述实施方式1的永磁体型电动机装载于电动助力转向装置,则可大幅降低6次的转矩脉动。虽然具有在电动机的高输出化的同时磁耦合增加、电动机的控制性下降的问题,但由于能降低磁耦合,因此,电动助力转向装置也能应用到大型车辆中,具有可降低燃耗的效果。特别是,这种电动机即使在大输出时也为低振动、低噪音,因此,可适用于大输出的用途中使用的配置成朝向与齿条轴的移动方向平行的电动助力转向装置。

实施方式2

实施方式1中,对在转子铁心的表面配置有永磁体的结构进行了阐述,但实施方式2中,采用将永磁体埋入到转子铁心中的永磁体型电动机(ipm)。

图11是本发明实施方式2的永磁体型电动机的横向剖视图。图11中,定子501具有与图3的实施方式1的情况相同的结构。

转子502与图3的情况不同,平板形状的永磁体26埋入到转子铁心24所形成的永磁体用孔部57中而配置。永磁体用孔部57在转子铁心24的外周面附近沿周向等间隔地形成有8个,在各永磁体用孔部57中分别埋入1个永磁体26。沿周向彼此相邻的永磁体26配置成极性为相反方向。

此外,在比永磁体26要靠近定子501的一侧的转子铁心24设置有狭缝58。图11中,对于各磁极配置有5个狭缝。狭缝58填充有空气或树脂等非磁性体。狭缝58倾斜配置,以使得磁通朝向磁极中心。由此,电动机的转矩增加,可获得小型高输出的电动机。在转子铁心24上设置有孔部242。通过设置孔部242,可实现轻量化,并降低惯性。转子铁心24通过将电磁钢板等层叠而构成,电磁钢板彼此通过铆接部243进行连结。在转子铁心24的中央贯通有电动机轴23。

这样,在永磁体埋入型的情况下,转子铁心24存在于定子铁心14附近,因此,定子铁心14与转子铁心24之间的磁阻变小,其结果是,第1电枢绕组39和第2电枢绕组40的磁耦合有变大的趋势,但通过采用实施方式2中阐述的结构,磁耦合变小,具有控制性提高的效果。此外,由于可使用磁阻转矩,因此可降低永磁体26的使用量。此外,电感较大,因此,可发挥弱磁通控制的效果,从而还可获得提高高速旋转时的转矩的效果。

实施方式3

图12是本发明实施方式3的永磁体型电动机的横向剖视图,称为轮辐(spoke)型ipm。图12中,定子501具有与图3的实施方式1的情况相同的结构。图12中,定子501具有与图3的实施方式1的情况相同的结构。转子502具有与上述图3、图11的情况不同的结构。转子502设置有作为转轴的电动机轴23、和在该电动机轴23外侧的转子铁心24。

永磁体26为其径向长度比周向长度要长的形状,该永磁体26在周向上等间隔地排列8个而配置。关于永磁体26的磁化方向,沿使得图12所示的n和s分别成为n极、s极的方向磁化。即,以相邻永磁体26的相对面彼此为同极的方式进行磁化。通过采用这种磁化方向,使磁通集中于转子铁心24,具有提高磁通密度的效果。在相邻永磁体26间存在转子铁心24。该转子铁心24的与定子501的内周面相对的面即外周面形成为曲面状。关于该曲面的形状,形成凸形状曲面61,使得在相邻永磁体20间的中间地点处与定子501之间的空隙长度变短。

利用这种形状,可使得在定子501的内周面与转子502的外周面之间的气隙中产生的磁通密度的波形变得平滑,因此,可减小齿槽转矩、转矩脉动。此外,以与永磁体26的内径侧端面相接触的方式设置有非磁性部59。该非磁性部59也可以为空气,也可以填充树脂,也可以插入不锈钢、铝之类的非磁性金属。通过这样设置非磁性部59,可降低永磁体26的泄漏磁通。

在相邻永磁体26间的转子铁心24与设置成包围电动机轴23外周的转子铁心24之间设置有连结部60。该连结部60具有将转子铁心24和电动机轴23机械连结的作用。在相邻永磁体26间的转子铁心24上设置有孔部242。通过设孔部242为空气,可获得降低转子502的重量和降低惯性的效果。

在永磁体埋入型的情况下,转子铁心24存在于定子铁心14附近,因此,定子铁心14与转子铁心24之间的磁阻变小,其结果是,第1电枢绕组39和第2电枢绕组40的磁耦合有变大的趋势,但通过采用实施方式3的结构,第1电枢绕组39和第2电枢绕组40的磁耦合变小,具有控制性提高的效果。此外,由于可使用磁阻转矩,因此可降低永磁体26的使用量。此外,电感较大,可发挥弱磁通控制的效果,从而还可获得提高高速旋转时的转矩的效果。

实施方式4

图13是本发明实施方式4的永磁体型电动机的横向剖视图,是称为所谓交替极(consequentpole)型的永磁体型电动机。图13中,定子501具有与图3的实施方式1的情况相同的结构。转子502具有与上述图3、图11、图12不同的结构。转子502设置有作为转轴的电动机轴23、和在该电动机轴23外侧的转子铁心24。在转子铁心24的表面配置有永磁体26,该永磁体26沿周向等间隔地配置有4个。

关于永磁体26的磁化方向,以径向外侧成为n极、径向内侧成为s极的方式进行磁化,相邻永磁体26间的转子铁心24的突极部62虚拟地起到作为s极的作用。即,作为与8极相同的电动机进行动作。该类型的电动机是一般称为交替极型的电动机。转子铁心24的孔部242和铆接部243与图3、图11说明的一样。

这样,在交替极型电动机中,转子铁心24存在于定子铁心14附近,因此,定子铁心14与转子铁心之间的磁阻变小,其结果是,第1电枢绕组39和第2电枢绕组40的磁耦合有变大的趋势,但通过采用实施方式4中阐述的结构,磁耦合变小,具有控制性提高的效果。此外,具有降低永磁体26的元器件数而产生的降低成本的效果。电感较大,可发挥弱磁通控制的效果,从而还可获得提高高速旋转时的转矩的效果。此外,虽然图13中示出了永磁体26配置在转子铁心24表面的示例,但即使是如图11所示那样永磁体26埋入转子铁心24的结构的交替极型,当然也可获得同样的效果。

另外,本发明可以在其发明范围内对各实施方式进行自由组合,或者对各实施方式适当地进行变形、省略。

上述本发明的各实施方式的永磁体型电动机是下述发明具体化之后的结果。

(1)一种永磁体型电动机,包括:转子,该转子具有固定于电动机轴的转子铁心、和固定于所述转子铁心的永磁体;

定子,该定子具有定子铁心,该定子铁心具有收纳电枢绕组的多个插槽和多个齿部,该定子铁心内周面隔着磁性气隙与所述转子的外周面相对,该永磁体型电动机的特征在于,

所述电枢绕组由多组的多相绕组构成,

所述多组的多相绕组中,各个组的每一组由独立的逆变器供电,

所述转子铁心的一部分存在于比所述永磁体的最大外径与最小内径的中间的直径要靠近所述定子的一侧,

所述多个齿部分别具有凸缘部,

所述凸缘部的侧面部朝所述定子铁心的周向突出,与设置于相邻的所述齿部的凸缘部的侧面部相对,

在设所述凸缘部的侧面部处的所述定子铁心的径向高度为h,所述磁性气隙的长度为g时,

1≤h/g≤2的关系成立,且

在设相邻的所述凸缘部相对的面的周向距离为a时,满足

a/g≥0.2的关系。

根据上述(1)记载的永磁体型电动机,具有可降低不同组的电枢绕组彼此的磁耦合,提高电动机的控制性的效果。同时,可有效发挥弱磁通控制的效果。

(2)如上述(1)所述的永磁体型电动机,其特征在于,所述电枢绕组由包括第1电枢绕组和第2电枢绕组的2组3相电枢绕组构成,

所述第1电枢绕组由第1逆变器电路提供电流,

所述第2电枢绕组由第2逆变器电路提供电流,

所述第1电枢绕组包括u1相绕组、v1相绕组、w1相绕组,

所述第2电枢绕组包括u2相绕组、v2相绕组、w2相绕组,

所述u1相绕组和所述u2相绕组收纳于彼此相邻的所述插槽,

所述v1相绕组和所述v2相绕组收纳于彼此相邻的所述插槽,

所述w1相绕组和所述w2相绕组收纳于彼此相邻的所述插槽,

所述第1电枢绕组和所述第2电枢绕组中流过的各电流彼此具有电角度20度以上40度以下的相位差。

根据上述(2)记载的永磁体型电动机,具有可兼顾电角度6次的转矩脉动的大幅降低和磁耦合的降低的效果。

(3)如上述(1)或(2)所述的永磁体型电动机,其特征在于,所述凸缘部的侧面部在位于所述定子的径向内侧的部位和位于径向外侧的部分中的任一方具有曲面部。

根据上述(3)记载的永磁体型电动机,通过设置曲面部,具有可增加相邻凸缘部的r部间的磁阻,降低磁耦合的效果。

(4)如上述(1)或(2)所述的永磁体型电动机,其特征在于,所述凸缘部的侧面部在位于所述定子的径向内侧的部位和位于径向外侧的部位都具有曲面部。

根据上述(4)记载的永磁体型电动机,通过设置曲面部,具有可增加相邻凸缘部的曲面部间的磁阻,降低磁耦合的效果。此外,通过在径向内侧和外侧双方设置曲面部,还具有金属模具的冲压变得容易、金属模具的寿命延长的效果。

(5)如上述(4)所述的永磁体型电动机,其特征在于,分别设置于相邻的齿部且彼此相对的所述凸缘部的所述侧面部构成为彼此平行。

根据上述(5)记载的永磁体型电动机,通过设置曲面部,具有可增加相邻凸缘部的曲面部间的磁阻,降低磁耦合的效果。此外,通过在径向内侧和外侧双方设置曲面部,还具有金属模具的冲压变得容易、金属模具的寿命延长的效果。此外,凸缘部相对的面彼此平行,因此,在该部分的磁阻变得均匀。磁通通过该面泄漏到相邻的齿部,因此,可降低mq12/lq1,其结果是具有提高电动机的控制性的效果。

(6)如上述(1)或(2)所述的永磁体型电动机,其特征在于,在设存在于比所述凸缘部更靠所述定子的径向外侧的位置且所述定子的周向宽度最小的所述齿部的部位的宽度为w,所述转子铁心的最大外径为rout,插槽数为ns时,所述齿部的宽度w满足

0.4×2π(rout+g+h)/ns

≤w≤0.5×2π(rout+g+h)/ns的关系。

根据上述(6)记载的永磁体型电动机,可缓和齿部最细部分的磁饱和,因此,自感变大,从而mq12/lq1变小,具有提高控制性的效果。

(7)如上述(1)或(2)所述的永磁体型电动机,其特征在于,在设存在于比所述凸缘部更靠所述定子的径向外侧的位置且所述定子的周向宽度最小的所述齿部的部位所对应的所述插槽的所述周向宽度为s1,所述转子铁心的最大外径为rout,插槽数为ns时,所述插槽的宽度s1满足

0.5×2π(rout+g+h)/ns

≤s1≤0.6×2π(rout+g+h)/ns的关系,且

所述插槽的周向宽度随着越是位于所述定子的径向外侧而逐渐变大,在所述插槽的底部或其附近达到最大。

根据上述(7)记载的永磁体型电动机,可确保插槽截面积较大,因此,还具有如下效果:也可确保电枢绕组的截面积较大,可降低铜损,且可提高电动机的输出。此外,在铁心后端附近插槽的周向宽度较大,因此,具有插槽间的磁阻变大、泄漏磁通变小的效果,还具有可提高电动机的转矩、可降低永磁体的使用量的效果。

(8)如上述(1)或(2)所述的永磁体型电动机,所述永磁体配置在与所述定子铁心相对的所述转子铁心的表面,

所述转子铁心具有设置在未配置有所述永磁体的部位的突起部,

在所述突起部与所述永磁体之间设置有空隙。

根据上述(8)记载的永磁体型电动机,突起部具有减小电动机的气隙的效果,电感变大。由此,弱磁通控制容易发挥效果,具有可提高高速旋转时的转矩的效果。另一方面,虽然存在由于具有转子铁心的突起部,因而不同组的电枢绕组彼此的磁耦合增加的问题,但根据本发明的结构,具有可降低磁耦合的效果。

(9)如上述(1)或(2)所述的永磁体型电动机,其特征在于,所述永磁体设置在所述转子铁心上设置的孔部。

根据上述(9)记载的永磁体型电动机,电感增加,从而可有效使用弱磁通控制,因此,获得提高高速旋转下的转矩的效果。由于无需用于防止永磁体飞散的保护管,因此,具有可实现低成本化的效果。另一方面,虽然存在由于在转子铁心与定子铁心之间的磁隙较小,因而不同组的电枢绕组彼此的磁耦合增加的问题,但根据本发明的结构,具有可降低磁耦合的效果。

(10)如(1)或(2)所述的永磁体型电动机,其特征在于,所述永磁体中,所述转子的径向长度形成得比周向长度要长,

所述永磁体的磁化方向为相邻的永磁体的相互相对的面彼此为同一极的方向,

在相邻的所述永磁体之间存在所述转子铁心,

所述转子铁心在与所述定子铁心相对的面具有曲面部,且具有设置在与所述永磁体的内径侧端面相接触的位置的非磁性部,

所述曲面部形成为凸形状,以使得在相邻的所述永磁体之间的中间部处所述空隙的长度比其它部分要短。

根据上述(10)记载的永磁体型电动机,通过集中永磁体的磁通,提高磁通密度,从而具有可提高转矩和实现电动机的小型化的效果。形成凸形状的曲面,可降低转矩脉动和齿槽转矩。通过在永磁体的内径侧设置有非磁性部,从而泄漏磁通变小,具有可提高转矩和实现电动机的小型化的效果。另一方面,虽然存在由于转子铁心与定子铁心之间的磁隙较小,因而不同组的电枢绕组彼此的磁耦合增加的问题,但根据本发明的结构,具有可降低磁耦合的效果。

(11)一种电动助力转向装置,其特征在于,该电动助力转向装置装载有上述(1)或(2)所述的永磁体型电动机,利用所述永磁体型电动机产生对驾驶员的转向进行辅助的转矩,

所述永磁体型电动机配置成其轴向与驱动车辆的转向轮的齿条轴的延伸方向平行。

根据上述(11)记载的电动助力转向装置,可大幅降低6次的转矩脉动。虽然具有在电动机的高输出化的同时磁耦合增加、电动机的控制性下降的问题,但由于能降低磁耦合,因此,电动助力转向装置也能应用到大型车辆中,具有可降低燃耗的效果。

工业上的实用性

本发明可用于包括永磁体的电动机及利用该电动机的电动助力转向领域,进而可用于汽车等车辆领域。

标号说明

100电动驱动装置、d1轴、2转矩传感器、

3第1连接器、4ecu、5永磁体型电动机、

6第2连接器、7电源连接器、8齿轮箱、

9外壳、10,11连杆、12,13齿条防尘套、

14定子铁心、15电枢绕组、16框架、

17电动机外壳、18,19螺栓、20第1轴承、

21壁部、22第2轴承、23电动机轴、

24转子铁心、242孔部、243铆接部、

25传感器用永磁体、26永磁体、27滑轮、

281第1开关元件组、282第2开关元件组、

29散热器、30中间构件、31控制基板、

32ecu壳体、33传感器部、34磁传感器、

35传感器基板、36传感器连接构件、37传感器支承构件、

38凹部、39第1电枢绕组、40第2电枢绕组、

41第1逆变器电路、42第2逆变器电路、43电源、

44线圈、45第1电源继电器、46第2电源继电器、

47第1平滑电容器、48第2平滑电容器、

49,50,51,52,53,54分流电阻、

55旋转角度传感器、501定子、502转子、

241突起部、140铁心后端、141齿部、

142插槽、56凸缘部、57永磁体用孔部、58狭缝、

60连结部、61凸形状曲面、62突极部。

再多了解一些
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