專利名稱：無刷電機(jī)及無刷電機(jī)的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
0001
本發(fā)明涉及無刷電機(jī)(brushless motor)和無刷電機(jī)的控制方法， 尤其涉及適用于電動轉(zhuǎn)向助力(power steering )裝置用的無刷電機(jī)的 有效技術(shù)。
背景技術(shù)：
0002
為了輔助汽車等的操縱力，近年來許多車輛都安裝了所謂的轉(zhuǎn)向 助力裝置。作為這樣的轉(zhuǎn)向助力裝置，近年，基于發(fā)動機(jī)(engine) 負(fù)栽降低和重量減輕等的觀點(diǎn)，越來越多的車輛搭載了電動式動力操 縱裝置(所謂的電動轉(zhuǎn)向助力裝置，以下簡稱為EPS)。作為這樣的 EPS的動力源，大多使用傳統(tǒng)的帶電刷(brush)的電機(jī)(motor)， 但近年來，由于維護(hù)(maintenance)性優(yōu)良且能夠以小型機(jī)獲得高 轉(zhuǎn)矩(torque)，無刷電機(jī)的使用增多。0003
這樣的EPS用電機(jī)，為了提高駕駛者的操作感，降低工作噪聲已 成為大的i果題。 一般地說，轉(zhuǎn)矩變動(轉(zhuǎn)矩脈動(torque ripple)和 工作噪聲之間存在密切關(guān) 系，對于EPS用電機(jī)(尤其是無刷電機(jī))， 在通電方法上研究了各種降低轉(zhuǎn)矩脈動的方法。例如，用能夠平滑通 電的正弦波驅(qū)動取代矩形波驅(qū)動等，就是公知的工作噪聲對策。但是， 在正弦波驅(qū)動的情況下，為了降低轉(zhuǎn)矩脈動，必須將電機(jī)側(cè)的感應(yīng)電 壓波形設(shè)定為正弦波形狀。因而，正弦波驅(qū)動電機(jī)中，通過偏斜(skew ) 或磁鐵(magnet)的偏心，使感應(yīng)電壓波形成為正弦波波形，以此作 為應(yīng)對。0004
但是，若在轉(zhuǎn)子(rotor)上加偏斜，感應(yīng)電壓的l次分量也會減 少。因而，實(shí)際上傳統(tǒng)的正弦波驅(qū)動電機(jī)的輸出功率多少會受到一些 損失。因而，為改善這樣的電機(jī)輸出功率的降低，開發(fā)了降低輸出功 率損失的方法，就是使感應(yīng)電壓包含諧波，通過流過消除諧波分量的 電流來減小偏斜角的角度。另外，例如，專利文獻(xiàn)l中提出，通過將各 相的感應(yīng)電壓調(diào)整到奇數(shù)次諧波重疊而成的梯形波上來抑制轉(zhuǎn)矩脈 動，同時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的提高。因而，通過感應(yīng)電壓調(diào)整手段，在基波即 正弦波形狀的感應(yīng)電壓上重疊3次諧波，將各相的感應(yīng)電壓調(diào)整為大致 為梯形狀的無急劇變化敵平坦擴(kuò)展到波形形狀。從而，各相感應(yīng)電壓 對于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度的特性曲線和橫軸(旋轉(zhuǎn)角度)包圍的部分的形狀， 比只有基波的特性曲線時(shí)平坦而成為擴(kuò)大的形狀，使電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩 相應(yīng)增加。
專利文獻(xiàn)1特開2006 - 174692號公報(bào)
專利文獻(xiàn)2特開2004 - 274963號^^才艮
0005
但是，如前所述，在感應(yīng)電壓上重疊諧波，將各相的感應(yīng)電壓設(shè) 成梯形波形狀時(shí)，為了使各相的相電流成為正弦波形，難以抑制峰值 (peak)電流。因而存在這才羊的問題，為了限制流入無刷電機(jī)的電流 值，相應(yīng)地抑制了電機(jī)輸出功率
發(fā)明內(nèi)容
0006
本發(fā)明的目的在于提供可實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)矩、高旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)得無刷電機(jī)和 無刷電機(jī)的控制方法，其中，采用一邊抑制峰值電流、 一邊將各相的 感應(yīng)電壓設(shè)為梯形波形狀的驅(qū)動方式。0007
本發(fā)明的無刷電機(jī)由具有多相電樞線圏的定子(stator )和具有永 久磁鐵且在上述定子的內(nèi)側(cè)或外側(cè)可自由旋轉(zhuǎn)地設(shè)置的轉(zhuǎn)子構(gòu)成，其特征在于，上述電樞線圏的不同的2相間的相間感應(yīng)電壓波形大致為梯 形。
0008
本發(fā)明的無刷電機(jī)中，通過將相間感應(yīng)電壓波形大致設(shè)為梯形， 相電流也成為梯形波形，與具有同樣的相電流峰值的正弦波相電流比 較，貢獻(xiàn)于電機(jī)轉(zhuǎn)矩的l次分量的電流峰值變大。因而，與各相的感應(yīng) 電壓設(shè)為梯形波形、相電流成為正弦波的電機(jī)比較，電機(jī)轉(zhuǎn)矩增大， 輸出功率得到提高。0009
上述無刷電機(jī)中，上述相間感應(yīng)電壓波形可通過在l次基波上重疊 除3的倍數(shù)的高次分量以外的奇數(shù)次的高次分量而形成。另外，上述相 間感應(yīng)電壓波形也可通過在1次基波上重疊5次分量和7次分量而形成。 這種情況下，相對于l次基波的電壓峰值q的5次分量和7次分量的電壓 峰值015、 (X7的合計(jì)含有率X ( =(a5 + a7) / )優(yōu)選設(shè)定在0.01^X;^0.1 的范圍，更優(yōu)選設(shè)定在0.025X^).09的范圍。通過將含有率X設(shè)定在這 樣的范圍內(nèi)，能夠一邊抑制相電流峰值， 一邊提高l次分量電流峰值。 另外，若為正弦波相電流，可一邊將峰值電流抑制為同值， 一邊增大 電機(jī)轉(zhuǎn)速。0010
另一方面，本發(fā)明的無刷電機(jī)的控制方法是由具有多相電樞線圏 的定子和具有永久磁鐵且在上述定子的內(nèi)側(cè)或外側(cè)自由旋轉(zhuǎn)地配置的 轉(zhuǎn)子構(gòu)成的無刷電機(jī)的控制方法，其特征在于，上述電樞線圏中的不
同的2相間的相間感應(yīng)電壓的波形大致設(shè)為梯形。0011
本發(fā)明的無刷電機(jī)的控制方法中，通過將相間感應(yīng)電壓的波形大 致設(shè)為梯形，相電流也成為梯形波形，與具有同樣的相電流峰值的正 弦波相電流比較，貢獻(xiàn)于電機(jī)轉(zhuǎn)矩的l次分量的電流峰值變大。因而， 與各相的感應(yīng)電壓設(shè)為梯形波形、相電流成為正弦波的電機(jī)比較，電 機(jī)轉(zhuǎn)矩增大，輸出功率得到提高。0012
在上述無刷電機(jī)的控制方法中，可知上述相間感應(yīng)電壓的l次基波 上重疊除了3的倍數(shù)的高次分量以外的奇數(shù)次的高次分量，這時(shí)，可在 上述相間感應(yīng)電壓的1次基波上重疊5次分量和7次分量。另外，相對于 l次基波的電壓峰值on的5次分量和7次分量的電壓峰值as、 a7的合計(jì)含 有率X(-(as + a7) /ai，)優(yōu)選設(shè)定在0.01^^0.1的范圍，更優(yōu)選 設(shè)定在0.025X^0.09的范圍。0013
本發(fā)明的無刷電機(jī)是由具有多相電樞線圏的定子和具有永久磁鐵 且在定子的內(nèi)側(cè)或外側(cè)自由旋轉(zhuǎn)地配置的轉(zhuǎn)子構(gòu)成的無刷電機(jī)，由于 將電樞線圏的不同的2相間的相間感應(yīng)電壓波形大致設(shè)為梯形，能夠使 電樞線圏的相電流設(shè)為梯形波形。因而，與具有同樣的相電流峰值的 正弦波相電流比較，貢獻(xiàn)于電機(jī)轉(zhuǎn)矩的l次分量的電流峰值能夠加大， 使電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)一步增大，能夠提高電機(jī)輸出功率。0014
本發(fā)明的無刷電機(jī)控制方法是由具有多相電樞線圏的定子和具有 永久磁鐵且在定子的內(nèi)側(cè)或外側(cè)自由旋轉(zhuǎn)地配置的轉(zhuǎn)子構(gòu)成的無刷電 機(jī)的控制方法，由于電樞線圈中的不同的2相間的相間感應(yīng)電壓的波形 大致設(shè)為梯形，能夠?qū)㈦姌芯€圈的相電流設(shè)為梯形波形。因而，與具 有同樣的相電流峰值的正弦波相電流比較，貢獻(xiàn)于電機(jī)轉(zhuǎn)矩的l次分量 的電流峰值可以加大，使電機(jī)轉(zhuǎn)矩進(jìn)一步增大，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)輸出功 率的提高。


0015
圖l是表示使用本發(fā)明的無刷電機(jī)的電動轉(zhuǎn)向助力裝置的結(jié)構(gòu)的 截面圖。
圖2是表示圖1的電動轉(zhuǎn)向助力裝置中使用的無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)的 剖面圖。圖3是表示圖2的無刷電機(jī)的定子鐵芯(stator core)的結(jié)構(gòu)的說 明圖。
圖4是表示圖2的無刷電機(jī)的接線狀態(tài)的說明圖。
圖5是表示本發(fā)明的無刷電機(jī)的相間感應(yīng)電壓的構(gòu)成(圖5 (a)) 和表示(a)情況下的相電流的說明圖(圖5 (b))。
圖6是表示正弦波相電流和梯形波相電流(5次、7次分量重疊) 的波形的說明圖。
圖7是表示正弦波相電流和梯形波相電流(5次、7次分量重疊) 下的電機(jī)轉(zhuǎn)矩、相電流的峰值、l次分量電流的峰值的表。
圖8是表示輔助槽的有無導(dǎo)致的5次、7次諧波分量的含有率的曲 線圖 (graph )。
圖9是表示6P9S的電機(jī)中的偏斜角和5次、7次的合成偏斜系數(shù)之 間的關(guān)系的曲線圖。
圖10是表示相電流峰值設(shè)為100A時(shí)相對于l次基波的電壓峰值o^ 的5次、7次諧波的電壓峰值as、 a7的合計(jì)含有率X (= (a5 + a7) / on ) 和l次分量電流峰值之間的關(guān)系的曲線圖。
圖ll是表示相電流峰值設(shè)為相同時(shí)的X和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系的曲線圖。
圖12是表示對于同一轉(zhuǎn)矩的感應(yīng)電壓波形的波峰值的曲線圖。 圖13是表示施加電壓設(shè)為相同時(shí)的X和電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系的曲 線圖。
附圖標(biāo)記說明
0016
1 電動轉(zhuǎn)向助力(power steering )裝置
2 轉(zhuǎn)向軸(steering shaft)
3 電機(jī)(motor)
4 轉(zhuǎn)向輪(steering wheeD
5 轉(zhuǎn)向齒輪箱(steering gear box )
6 拉桿(tie rod)7車輪
8 助力電機(jī)(assist motor)
9 減速4幾構(gòu)部
11 轉(zhuǎn)矩傳感器(torque sensor)
12控制裝置
20 輔助槽
21 定子(stator)
22 轉(zhuǎn)子(rotor)
23 軸殼(housing )
24 定子鐵芯(stator core)
25 線圏
26 軛鐵部
27 齒(teeth )
28 槽(slot)
29 電源布線
30 托架(bracket)
31 旋轉(zhuǎn)軸
32 轉(zhuǎn)子鐵芯(rotor core )
33 磁鐵(magnet)
34 磁鐵座(magnet holder)
35 軸承(bearing )
36 軸承(bearing)
37 花鍵(spline )部
41 解角器(resolver)
42 解角器定子(resolver stator)
43 解角器轉(zhuǎn)子(resolver rotor)
44 線圏(coil) A l次基波
B 5次諧波C 7次諧波 D 疊加波
Eu 單相感應(yīng)電壓(U相) Euv相間感應(yīng)電壓(U-V相) Ev 感應(yīng)電壓 Ke 感應(yīng)電壓常數(shù)
具體實(shí)施方式
0017
以下，參照附圖就本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明。圖l是表示使用本 發(fā)明的無刷電才幾(brushless motor)的電動轉(zhuǎn)向助力(power steering) 裝置的結(jié)構(gòu)的剖面圖。圖l的電動轉(zhuǎn)向助力裝置(EPS) l形成為在轉(zhuǎn) 向軸(steering shaft) 2上賦予動作助力的轉(zhuǎn)向柱助力(column assist) 式的結(jié)構(gòu)，基于本發(fā)明的控制方法的電機(jī)(motor ) 3作為動力源使用。0018
轉(zhuǎn)向軸2上裝有轉(zhuǎn)向輪(steering wheel) 4。轉(zhuǎn)向輪4的操縱力經(jīng) 由轉(zhuǎn)向齒輪箱(steering gear box )5內(nèi)所設(shè)的未圖示的小齒輪(pinion ) 和齒條(rack)軸傳遞到拉桿(tie rod) 6。在拉桿6的兩端上連接是 車輪7。拉桿6隨著轉(zhuǎn)向輪4的操作而動作，經(jīng)由未圖示的轉(zhuǎn)向節(jié)臂
(knuckle arm )等使車輪7左右轉(zhuǎn)向。
0019
EPS1中，在轉(zhuǎn)向軸2上具有操縱力輔助機(jī)構(gòu)即助力電機(jī)(assist motor)部8。助力電機(jī)部8上與電機(jī)3—起具有減速機(jī)構(gòu)部9和轉(zhuǎn)矩傳 感器(torque sensor) 11。減速機(jī)構(gòu)部9上配有未圖示的蝸桿和蝸輪
(worm wheel)。電機(jī)3的旋轉(zhuǎn)通過該減速機(jī)構(gòu)部9減速后傳遞給轉(zhuǎn)向 軸2。電機(jī)3和轉(zhuǎn)矩傳感器11均與控制裝置(ECU) 12連接。
0020
轉(zhuǎn)向輪4被操作，轉(zhuǎn)向軸2—旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩傳感器ll就工作。ECU12 根據(jù)轉(zhuǎn)矩傳感器11的檢出轉(zhuǎn)矩向電機(jī)3提供適當(dāng)?shù)墓β?。電機(jī)3—轉(zhuǎn)動，其旋轉(zhuǎn)就經(jīng)由減速機(jī)構(gòu)部9傳遞到轉(zhuǎn)向軸2，被賦予操縱輔助力。轉(zhuǎn)向 軸2由該操縱輔助力和手動操縱力轉(zhuǎn)動，通過轉(zhuǎn)向齒輪箱5內(nèi)的齒條-齒輪才幾構(gòu)(rack - and - pinion )將該:旋轉(zhuǎn)運(yùn)動變換成齒條軸的直線運(yùn) 動，實(shí)現(xiàn)車輪7的轉(zhuǎn)向動作。0021
圖2是表示電機(jī)3的結(jié)構(gòu)的剖面圖。如圖2所示，電機(jī)3是內(nèi)轉(zhuǎn)子 (inner-rotor)型的無刷電機(jī)，其定子(stator) 21設(shè)在外側(cè)，轉(zhuǎn)子 (rotor) 22設(shè)在內(nèi)側(cè)。定子21由軸殼(housing ) 23、固定在軸殼23 的內(nèi)周側(cè)的定子鐵芯(stator core) 24和巻裝在定子鐵芯24上的線圈 25構(gòu)成。軸殼23用鐵等形成為有底筒狀。軸殼23的開口部上裝有合成 樹脂制的托架(bracket) 30。定子鐵芯24具有多層鋼板層疊的結(jié)構(gòu)。 在定子鐵芯24的內(nèi)周側(cè)，突出地具有多個(gè)齒(teeth)。0022
圖3是表示定子鐵芯24的結(jié)構(gòu)的說明圖。定子鐵芯24由環(huán)(ring) 狀的軛鐵部26和從輒鐵部26向內(nèi)側(cè)方向突出形成的齒(teeth) 27和構(gòu) 成。齒27具有9個(gè)。各齒27之間形成槽(slot) 28 (9個(gè))，電機(jī)3形成 為9槽結(jié)構(gòu)。在各齒27的頂端部形成有輔助槽20。在各齒27上以集中繞 組方式巻裝有線圈25。線圈25被收納在各槽28內(nèi)。線圈25經(jīng)由電源布 線29連接到電池(battery)(未圖示)。線圏25被供給含有諧波分量 的梯形波形狀的相電流(U、 V、 W)。0023
轉(zhuǎn)子22配置在定子21的內(nèi)側(cè)，轉(zhuǎn)子鐵芯(rotor core) 32、磁鐵 (magnet) 33與旋轉(zhuǎn)軸31同軸地裝配。在旋轉(zhuǎn)軸31的外周，裝有由多 層鋼板重疊的圓筒形狀的轉(zhuǎn)子鐵芯32。在轉(zhuǎn)子鐵芯32的外周，配置有 分段型(segment type)的磁鐵33。磁鐵33安裝在固定于旋轉(zhuǎn)軸31的 磁鐵座(magnet holder) 34上，沿圓周方向配置6個(gè)。即，該電機(jī)3具 有6極9槽結(jié)構(gòu)。0024
旋轉(zhuǎn)軸31的一個(gè)端部由在軸殼23的底部壓入的軸承(bearing) 35自由旋轉(zhuǎn)地支持。旋轉(zhuǎn)軸31的另一端部由托架30上安裝的軸承36自由 旋轉(zhuǎn)地支持。旋轉(zhuǎn)軸31的端部(圖2中左端部)上形成有花鍵(spline) 部37。旋轉(zhuǎn)軸31通過花鍵部37上安裝的未圖示的接頭(joint)構(gòu)件與 減速才幾構(gòu)部9的蝸桿( worm)軸連接。蝸桿軸上形成有蟲咼桿。蟲咼桿在 減速才幾構(gòu)部9中與固定于轉(zhuǎn)向軸2的蝸輪(worm wheel)嚙合。0025
在托架30內(nèi)收容有軸承36和檢測轉(zhuǎn)子22的旋轉(zhuǎn)的解角器 (resolver) 41。解角器41由固定于托架30側(cè)的解角器定子(resolver stator) 42和固定于轉(zhuǎn)子22側(cè)的解角器轉(zhuǎn)子(resolver rotor ) 43構(gòu)成。 解角器定子42上裝有線圈(coil) 44，具有勵(lì)磁線圏和檢出線圏。在解 角器定子42的內(nèi)側(cè)，配置固定于磁鐵座34的左端部的解角器轉(zhuǎn)子43。 解角器轉(zhuǎn)子43由金屬板層疊而構(gòu)成，在三個(gè)方向形成凸部。0026
旋轉(zhuǎn)軸31—旋轉(zhuǎn)，解角器轉(zhuǎn)子43就也在解角器定子42內(nèi)旋轉(zhuǎn)。解 角器定子42的勵(lì)磁線團(tuán)上被賦予高頻信號，凸部的接近/離開使得從檢 出線圏輸出功率的信號的相位變化。通過比較該檢出信號和基準(zhǔn)信號， 檢出轉(zhuǎn)子22的旋轉(zhuǎn)位置。然后，根據(jù)轉(zhuǎn)子22的旋轉(zhuǎn)位置適當(dāng)?shù)厍袚Q供 給線圏25的電流，將轉(zhuǎn)子22旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。0027
這樣的EPS1中， 一經(jīng)操作轉(zhuǎn)向輪4而帶動轉(zhuǎn)向軸2旋轉(zhuǎn)，齒條軸就 在對應(yīng)于該旋轉(zhuǎn)的方向移動而進(jìn)行轉(zhuǎn)向操作。通過該操作，轉(zhuǎn)矩傳感 器11工作，根據(jù)該檢出轉(zhuǎn)矩，未圖示的電池經(jīng)由電源布線29向線圏25 供電。線圏25—得到供電，電機(jī)3就開動，旋轉(zhuǎn)軸31和蝸桿軸旋轉(zhuǎn)。蝸 桿軸的旋轉(zhuǎn)，經(jīng)由蝸輪傳遞給轉(zhuǎn)向軸2，給操縱力以輔助。0028
這里，EPS1工作時(shí)， 一邊抑制轉(zhuǎn)矩變動， 一邊為了更加提高電機(jī) 輸出功率，在電機(jī)3中進(jìn)行使相間的感應(yīng)電壓波形成為梯形波的調(diào)整。 圖4是表示電機(jī)3的接線狀態(tài)的說明圖，圖5是表示本發(fā)明電機(jī)3的相間 感應(yīng)電壓的構(gòu)成(圖5 (a))和(a)的情況下的相電流(圖5 (b))的說明圖。如圖4所示，電機(jī)3是3相星形(star)接線，相間感應(yīng)電壓 是線圏25中的不同的2相間的電位差。例如，相間感應(yīng)電壓Euv就是U 相線圏的單相感應(yīng)電壓Eu和V相線圏的單相感應(yīng)電壓Ev之差Eu - Ev 構(gòu)成的電壓。再有，專利文獻(xiàn)l中調(diào)整為梯形波的是各相的單相感應(yīng)電 壓(例如，這里說的Eu)。0029
該電機(jī)3中，這樣的相間感應(yīng)電壓是在1次基波上重疊5次和7次的 諧波而形成的梯形波形。如圖5所示，在正弦波形的1次基波A上重疊5 次諧波B和7次諧波C,形成圖中D所示得大致梯形的疊加波。這樣， 將相間感應(yīng)電壓調(diào)整為梯形波，如圖5(b)所示，相電流也成為梯形 波形。圖6是表示正弦波相電流和梯形波相電流(5次、7次分量重疊) 的波形的說明圖，圖7的表中示出兩電流中的電機(jī)轉(zhuǎn)矩、相電流的峰值
(peak)值和l次分量電流的峰值。依據(jù)發(fā)明人的實(shí)驗(yàn)，梯形波相電流 中，如圖7的表所示，盡管相電流峰值同為100A，轉(zhuǎn)矩增大了0.2Nm 大(正弦波相電流提高4% )。
0030
這里，相電流中對轉(zhuǎn)矩有貢獻(xiàn)的是正弦波形的l次分量，正弦波相 電流中，相電流峰值和1次分量電流峰值均為100A。與此相比，梯形 波相電流是在正弦波形的1次分量上重疊5次和7次分量的形狀，因而， 使用峰值為103.6A的1次分量，將相電流峰值控制為100A。即，重疊 了5次、7次分量的梯形波(圖6的P)中，電流波形成為富士山形(大 致為圓錐梯形的錐狀(Konide:德語)(成層)火山(composite volcano ) 的剖面狀)，相電流總體的峰值下降。但是，重疊了5次、7次分量的 梯形波中，對轉(zhuǎn)矩發(fā)生有貢獻(xiàn)的具有較高峰值大l次分量(圖6的Q) 已隱蔽。因而，跟具有同樣的相電流峰值(這里是100A)的正弦波相 電流(圖6的R)相比，能夠通過將l次分量電流峰值加大
(100A—103.6A)來使電機(jī)轉(zhuǎn)矩增大，使輸出功率提高。
0031
再有，感應(yīng)電壓的諧波分量，通過極和槽的組合，所含的分量基本確定。例如，若為集中繞組，則容易算出由作為線圈系數(shù)之一的短
節(jié)距繞組系數(shù)Kp (下式)包含的次數(shù)分量。
Kp叫cos (n. (l-P) .Tt/2) I (n:次數(shù)，P:線圈節(jié)距(pitch) /極 節(jié)距)
電機(jī)3中，為了將相間感應(yīng)電壓調(diào)整為梯形波，用集中繞組構(gòu)成線 圍25，同時(shí)采用星形接線。而且，之后將轉(zhuǎn)子22的磁極數(shù)P和定子21 的槽數(shù)S設(shè)為2P3S的整數(shù)倍(6P9S)。0032
本發(fā)明中，為了容易取得5次諧波和7次諧波，采用6P9S并在齒27 的頂端設(shè)置輔助槽20。通過設(shè)置輔助槽20，能夠使相間感應(yīng)電壓含有 多的5次、7次諧波。另外，形成輔助槽時(shí)不需要改變線圏節(jié)距，因此 安裝線圈的操作容易。圖8是表示因輔助槽的有無導(dǎo)致的5次、7次諧波 分量的含有率差異的曲線圖。如圖8所示，在設(shè)有輔助槽的情況下，可 提高約50%的5次、7次諧波分量的含有率，能夠高效率地獲得5次、7 次的諧波分量。0033
另外，使5次、7次諧波分量減小則依賴于偏斜(skew)角，從作 為線圈系數(shù)之一的偏斜系數(shù)求出。這時(shí)，對于第v次諧波分量的偏斜系
數(shù)KSV由下式給出。
Ksv-sin (vy/2) / (vy/2) (y:偏斜角)
利用該偏斜系數(shù)Ksv，可用下式表示5次、7次諧波的含有量。 諧波含有量-KxKsvxp
(K:修正系數(shù))
(P:無偏斜的狀態(tài)下，通過輔助槽20調(diào)整的諧波分量的含有量)
再有，僅將KSV和j3相乘得到的乘積，并不是通過輔助槽和偏斜來 含有諧波分量時(shí)的實(shí)際諧波含有量(Ksvxp是理論值)，因此在計(jì)算出 X值時(shí)使用修正系數(shù)K。修正系數(shù)K的值表示理論值和實(shí)際諧波含有量 之間的關(guān)系，通過實(shí)驗(yàn)求出。
0034圖9是表示6P9S的電機(jī)中的偏斜角和5次、7次的合成偏斜系數(shù)之 間的關(guān)系的曲線圖。在6P9S結(jié)構(gòu)的情況下，極和槽的最小公倍數(shù)是18， 若偏斜角大于20。，則5次和7次的合成次數(shù)就減少，偏斜的效果弱化。 因此，為了有效地調(diào)整5次、7次諧波分量，偏斜角最好在0〈偏斜角 ￡360° /極數(shù)和槽的最小公倍數(shù)的范圍內(nèi)設(shè)定。0035
另一方面，使相間感應(yīng)電壓波形成為梯形波的關(guān)系式，可表示為 下式，通過適當(dāng)改變式中的系數(shù)w、 a3、 a5、 a7...，可改變疊加波的波 形。
E=A (cosine + a3sin30 + a5sin5 ( 0 + 180 ) + a7sin7e +…) 這時(shí)，各系數(shù)w、 a3、 a5、 a7…表示各次的電壓峰值。圖10是表示 相電流峰值設(shè)為100A時(shí)，相對于l次基波的電壓峰值w的5次、7次諧 波的電壓峰值as、 a7的合計(jì)含有率X (= (a5 + a7) /a,)和l次分量電 流峰值之間的關(guān)系的曲線圖。0036
圖10中，X-O時(shí)，若只有l(wèi)次基波或l次+ 3次(若將3的倍數(shù)次的 諧波重疊，則成為正弦波而不成為梯形波)，則成為與l次基波相同的 電流峰值(100A:圖10的(a))。另外，圖10中X-0.12時(shí)，通過5次
+ 7次，梯形波頂上部分的凹凸變大，相電流峰值和l次分量電流峰值 會成為相同(圖10的(c))。而且，若X成為0.12以上的值，相電流 峰值就比l次分量電流峰值高，就不能一邊抑制相電流峰值， 一邊又提 高l次分量電流峰值。
0037
即，5次、7次諧波的含有率X過高或過低，l次分量電流峰值變小， 這是不理想的。根據(jù)發(fā)明人的實(shí)驗(yàn)獲知，含有率X為0.045附近時(shí)1次分 量電流峰值成為最大，l次分量電流峰值，與將相間感應(yīng)電壓波形設(shè)為 正弦波時(shí)相比比成為最大(圖10的(b))。另外，還判明若將含有 率X設(shè)定為0.015X^0.1 (圖10的框S)，則1次分量電流峰值增大約1% 以上，若設(shè)定成0.025X^0.09和(圖10的框T)，則相電流峰值增大約2%以上。根據(jù)該結(jié)果，含有率X優(yōu)選0.01^X^0.1的范圍，更優(yōu)選 0.025X50.09的范圍。通過這樣的設(shè)定，能夠一邊將相電流峰值抑制成 與相間感應(yīng)電壓波形為正弦波時(shí)同值， 一邊使l次分量電流峰值提高約
10/0以上。
0038
圖ll是表示將相電流峰值設(shè)為相同時(shí)的X和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系的曲 線圖。如圖ll所示，這里同樣是，含有率X在0.045附近轉(zhuǎn)矩成為最大， 0.01:^XS0.1時(shí)比X-0時(shí)轉(zhuǎn)矩提高約1。/。以上。另夕卜，若設(shè)為0.02^X^0.09， 則比X-0時(shí)轉(zhuǎn)矩提高約2。/。以上。即，通過將含有率X優(yōu)選為設(shè)定在 0.01SXS0.1的范圍或更優(yōu)選為設(shè)定在在0.02SX50.09的范圍，可使電機(jī) 轉(zhuǎn)矩提高約1%以上或約2%以上，能夠改善電機(jī)的輸出功率。0039
這樣，本發(fā)明的無刷電機(jī)中，通過將相間感應(yīng)電壓波形設(shè)成梯形 波，與具有同樣的相電流峰值的正弦波相電流比較，能夠加大l次分量 電流峰值，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的輸出功率的提高。另外，將相間感應(yīng)電壓波形 中的5次、7次諧波的含有率X設(shè)定成預(yù)定值，能夠使l次分量電流峰值 增大，若為正弦波相電流，則能夠用同一峰值電流獲得高轉(zhuǎn)矩，并能 相應(yīng)地提高電機(jī)的輸出功率。因此，與專利文獻(xiàn)l所述的在感應(yīng)電壓上 重疊諧波來使各相的感應(yīng)電壓成為梯形波形狀的方式(各相的相電流 成為正弦波形)相比，能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)輸出功率的提高。0040
但是，電機(jī)的轉(zhuǎn)速N可由下式給出，
N=V/Ke(V:施加電壓，Ke:感應(yīng)電壓常數(shù)(V/ rpm J 根據(jù)上式可知，若施加電壓一定，則Ke越小轉(zhuǎn)速就越高。圖12是表示 對于同一轉(zhuǎn)矩的感應(yīng)電壓波形的波峰值的曲線圖，橫軸是上述的X， 縱軸是感應(yīng)電壓(V/krpm)。在這種情況下，Ke成為感應(yīng)電壓波形 的波峰值，這里，X和Ke之間存在是相關(guān)關(guān)系。即，如圖12所示，5 次、7次諧波的含有率X過高或過低r感應(yīng)電壓常數(shù)Ke增大，這是不理 想的。根據(jù)發(fā)明人的實(shí)驗(yàn)，這種情況下，也是在含有率X為0.045附近感應(yīng)電壓常數(shù)Ke成為最小。另外，若i殳定為0.01^X^0.1,則感應(yīng)電壓 常數(shù)Ke減少約l。/。以上，若設(shè)定為0.025X50.09，和則感應(yīng)電壓常數(shù)Ke 減少約2%以上。因此，從轉(zhuǎn)速的觀點(diǎn)考慮，含有率X優(yōu)選為0.015X^0.1 的范圍，更優(yōu)選為0.02^X^).09的范圍。0041
圖13是表示將施加電壓設(shè)為相同時(shí)的X和電機(jī)轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲 線圖。如圖13所示，這里也是，含有率X在0.045附近時(shí)轉(zhuǎn)速成為最大， 0.01SXS0.1時(shí)比X-0時(shí)轉(zhuǎn)速增加約2.4 Q/q以上。另夕卜，若設(shè)定成 0.02^X^0.09，則比X-0時(shí)轉(zhuǎn)速提高約3.5。/。以上。即，含有率X優(yōu)選設(shè) 定在0.015X^).1的范圍或更優(yōu)選設(shè)定在0.02SX50.09的范圍，就能夠使 轉(zhuǎn)速提高約2.4%以上或約3.5以上。因此，若為正弦波相電流，就能夠 一邊將峰值電流控制為同值， 一邊使電機(jī)轉(zhuǎn)速增大。0042
當(dāng)然，本發(fā)明并不受上述實(shí)施例限定，在不脫離其要旨的范圍內(nèi) 可以有各種變更。
例如，上述的實(shí)施例中，集中繞組、星形接線和2P3S的整數(shù)倍的 結(jié)構(gòu)，定子斜槽(stator skew )或轉(zhuǎn)子斜槽(rotor skew )的角度調(diào)整， 通過輔助槽等將相間感應(yīng)電壓調(diào)整為梯形波，但是也可通過適當(dāng)變更 磁鐵33的形狀等來調(diào)整5次、7次分量的含有量，將相間感應(yīng)電壓設(shè)成 梯形波。實(shí)際上，優(yōu)選的方式是適當(dāng)組合這些條件，將相間感應(yīng)電壓 調(diào)整到理想的梯形波。0043
另外，上述的實(shí)施例中，以6極9槽的電機(jī)為例對電機(jī)3作了說明， 電機(jī)結(jié)構(gòu)并不受此限定，只有是2極3槽的整數(shù)倍的電機(jī)，本發(fā)明均可 適用。而且，上述的實(shí)施例中，用內(nèi)轉(zhuǎn)子型的無刷電機(jī)作為示例，但 是，本發(fā)明也同樣適用于轉(zhuǎn)子設(shè)在定子的外側(cè)定外轉(zhuǎn)子(outer rotor) 型的無刷電機(jī)。此外，上述的實(shí)施例中說明了將本發(fā)明的控制方法用 于轉(zhuǎn)向柱助力式EPS的電機(jī)的示例，但是，對于與齒條軸同軸地配置 電機(jī)的齒條助力(rack assist )式或在與齒條軸嚙合的主動齒輪(pinion gear)上賦予輔助力的小齒助力式EPS用電機(jī)也適用。
權(quán)利要求
1. 一種無刷電機(jī)，包括具有多相電樞線圈的定子和具有永久磁鐵且在所述定子的內(nèi)側(cè)或外側(cè)自由旋轉(zhuǎn)地配置的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述電樞線圈的不同的2相間的相間感應(yīng)電壓波形大致為梯形。
2. 權(quán)利要求l所述的無刷電機(jī)，其特征在于，所述相間感應(yīng)電壓 波形通過在1次基波上重疊除了3的倍數(shù)的高次分量以外的奇數(shù)次的高 次分量而形成。
3. 才又利要求2所述的無刷電機(jī)，其特征在于，所述相間感應(yīng)電壓 波形通過在1次基波上重疊5次分量和7次分量而形成。
4. 權(quán)利要求3所述的無刷電機(jī)，其特征在于，相對于l次基波的 電壓峰值o^的5次分量和7次分量的電壓峰值(X5、 a7的合計(jì)含有率X (=(a5 + a7) /aj在0.01^XS0.1的范圍內(nèi)。
5. 權(quán)利要求3所述的無刷電機(jī)，其特征在于，相對于l次基波的 電壓峰值q的5次分量和7次分量的電壓峰值as、 ot7的合計(jì)的含有率X(=(a5 + a7) /)在0.02^XS0.09的范圍內(nèi)。
6. —種無刷電機(jī)的控制方法，所述無刷電機(jī)包括具有多相電樞線 圏的定子和具有永久磁鐵且在所述定子的內(nèi)側(cè)或外側(cè)自由旋轉(zhuǎn)地配置 的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述電樞線圖中的不同的2相間的相間感應(yīng)電壓的波形大致為梯形。
7. 權(quán)利要求6所述的無刷電機(jī)的控制方法，其特征在于，在所述 相間感應(yīng)電壓的1次基波上重疊除了3的倍數(shù)的高次分量以外的奇數(shù)次 的高次分量。
8. 權(quán)利要求7所述的無刷電機(jī)的控制方法，其特征在于，在所述 相間感應(yīng)電壓的1次基波上重疊5次分量和7次分量。
9. 權(quán)利要求8所述的無刷電機(jī)的控制方法，其特征在于，相對于 l次基波的電壓峰值w的5次分量和7次分量的電壓峰值as、 ot7的合計(jì)含 有率X ( = (a5 + a7) /aj在0.0l5X50.1的范圍內(nèi)。
10.權(quán)利要求8所述的無刷電機(jī)的控制方法，相對于l次基波的電 壓峰值o^的5次分量和7次分量的電壓峰值as、 (X7的合計(jì)含有率X(-(a5 + a7) 在0.025X50.09的范圍內(nèi)。
全文摘要
包括具有多相電樞線圈的定子和具有永久磁鐵且在定子的內(nèi)側(cè)或外側(cè)自由旋轉(zhuǎn)地配置的轉(zhuǎn)子的無刷電機(jī)，電樞線圈的不同的2相間的相間感應(yīng)電壓波形通過在1次基波上重疊5次分量和7次分量而設(shè)置成梯形波。相對于1次基波的電壓峰值α₁的5次分量和7次分量的電壓峰值α₅、α₇的合計(jì)含有率X(＝(α₅+α₇)/α₁)優(yōu)選設(shè)定在0.01≤X≤0.1的范圍、更優(yōu)選設(shè)定在0.02≤X≤0.09的范圍。
文檔編號H02K21/16GK101536292SQ20078003840
公開日2009年9月16日 申請日期2007年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月16日
發(fā)明者大久保雅通 申請人:株式會社美姿把