永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電的制造方法
【專利摘要】得到一種永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其能夠在無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)時(shí)高精度地檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置。該永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)具有：轉(zhuǎn)子，其上等間隔地配置有多個(gè)磁極；以及定子，其具有多個(gè)齒及電樞繞組，向電樞繞組施加與用于產(chǎn)生扭矩的電壓的頻率及振幅不同的高頻電壓，使用測(cè)定出的高頻電流的電流軌跡而推定轉(zhuǎn)子的磁極位置，在對(duì)測(cè)定出的高頻電流進(jìn)行了dq變換的情況下，dq軸上的電流軌跡成為橢圓形狀，并且，橢圓的長(zhǎng)軸相對(duì)于負(fù)載電流及轉(zhuǎn)子位置的角度變動(dòng)幅度形成為能夠得到規(guī)定的位置推定分辨率。
【專利說(shuō)明】永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種無(wú)需傳感器即可檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置的(能夠進(jìn)行無(wú)旋轉(zhuǎn)傳感器驅(qū)動(dòng)的)永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，針對(duì)永磁鐵型電動(dòng)機(jī)等永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，要求提高可靠性、降低成本及小型化。因此，為了響應(yīng)上述要求，開發(fā)了一種無(wú)旋轉(zhuǎn)傳感器驅(qū)動(dòng)技術(shù)，其不需要光學(xué)式編碼器和解析器等電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)檢測(cè)裝置。
[0003]作為永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的無(wú)旋轉(zhuǎn)傳感器驅(qū)動(dòng)方式的一種,提出了一種高頻重疊方式，其即使在電動(dòng)機(jī)不旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下也能夠推定電動(dòng)機(jī)的磁極位置(例如，參照專利文獻(xiàn)I)。在高頻重疊方式中，向電動(dòng)機(jī)的電樞繞組施加與用于產(chǎn)生扭矩的電壓不同的高頻電壓，利用由于電動(dòng)機(jī)的電感的轉(zhuǎn)子位置依賴性(凸極性)而引起的d軸電流和q軸電流的差，執(zhí)行轉(zhuǎn)子的位置檢測(cè)。
[0004]另外，作為適用于高頻重疊方式的電動(dòng)機(jī)，即作為使用了電動(dòng)機(jī)電感的轉(zhuǎn)子位置依賴性(凸極性)的無(wú)旋轉(zhuǎn)傳感器驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)機(jī)，使用具有凸極性的嵌入磁鐵型電動(dòng)機(jī)(例如，參照專利文獻(xiàn)2)。在該嵌入磁鐵型電動(dòng)機(jī)中，通過將永磁鐵埋設(shè)在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)，使定子鐵心形成為一體結(jié)構(gòu)，并形成為開口(opening)形狀,從而能夠檢測(cè)電源接通時(shí)的初始磁極位置。
[0005]專利文獻(xiàn)1:國(guó)際公開2009/040965號(hào)
[0006]專利文獻(xiàn)2:日本特開2004 - 056871號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]在專利文獻(xiàn)I所示的高頻重疊方式中，假設(shè)永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)具有理想的電感分布，即d軸電流及q軸電流描繪出的橢圓軌跡不因負(fù)載或轉(zhuǎn)子位置而變化，并執(zhí)行轉(zhuǎn)子的位置檢測(cè)。然而，由于實(shí)際的永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)不具有理想的電感分布，因此，存在磁極位置的推定誤差大，無(wú)法高精度地執(zhí)行定位控制的問題。
[0008]另外，為了實(shí)現(xiàn)不需要光學(xué)式編碼器和解析器等電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)檢測(cè)裝置的無(wú)旋轉(zhuǎn)傳感器驅(qū)動(dòng)技術(shù)，不僅在電源接通時(shí)，在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)時(shí)(電動(dòng)機(jī)負(fù)載電流流過的有負(fù)載時(shí))也必須執(zhí)行轉(zhuǎn)子的位置檢測(cè)。
[0009]與其相對(duì)，如專利文獻(xiàn)2所示，在定子鐵心形成為一體結(jié)構(gòu)的情況下，鐵心內(nèi)部的磁飽和狀態(tài)易于隨電動(dòng)機(jī)的負(fù)載電流而變化。因此，電動(dòng)機(jī)的電感的大小隨負(fù)載電流變化，導(dǎo)致無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)時(shí)的位置檢測(cè)誤差的增大或失調(diào)等，也存在無(wú)法適用于定位控制的問題。
[0010]本發(fā)明就是為了解決上述課題而提出的，其目的在于得到一種永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其能夠在無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)時(shí)高精度地檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置。
[0011]本發(fā)明所涉及的永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)具有:轉(zhuǎn)子，其上等間隔地配置有多個(gè)磁極；以及定子，其具有多個(gè)齒及電樞繞組，向電樞繞組施加與用于產(chǎn)生扭矩的電壓的頻率及振幅不同的高頻電壓，使用測(cè)定出的高頻電流的電流軌跡而推定轉(zhuǎn)子的磁極位置，在將測(cè)定出的高頻電流進(jìn)行了 dq變換的情況下，dq軸上的電流軌跡成為橢圓形狀，并且，橢圓的長(zhǎng)軸相對(duì)于負(fù)載電流及轉(zhuǎn)子位置的角度變動(dòng)幅度形成為能夠得到規(guī)定的位置推定分辨率。
[0012]發(fā)明的效果
[0013]根據(jù)本發(fā)明所涉及的永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī),在對(duì)施加有高頻電壓時(shí)測(cè)定出的高頻電流進(jìn)行了 dq變換的情況下，dq軸上的電流軌跡成為橢圓形狀，并且，橢圓的長(zhǎng)軸相對(duì)于負(fù)載電流及轉(zhuǎn)子位置的角度變動(dòng)幅度形成為能夠得到規(guī)定的位置推定分辨率。
[0014]因此，能夠得到一種永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其能夠在無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)時(shí)高精度地檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1是表示通常的永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)時(shí)的磁極位置的檢測(cè)方法的說(shuō)明圖。
[0016]圖2是表示與永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置相對(duì)的理想電感分布的說(shuō)明圖。
[0017]圖3是表示在向具有理想電感分布的永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)施加了重疊有高頻電壓的驅(qū)動(dòng)電壓的情況下，dq軸上的電流軌跡的說(shuō)明圖。
[0018]圖4是表示與實(shí)際的永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置相對(duì)的實(shí)際電感分布的說(shuō)明圖。
[0019]圖5是表示在向具有實(shí)際的電感分布的永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)施加了重疊有高頻電壓的驅(qū)動(dòng)電壓的情況下，dq軸上的電流軌跡的說(shuō)明圖。
[0020]圖6是表示在向具有實(shí)際的電感分布的永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)施加了重疊有高頻電壓的驅(qū)動(dòng)電壓的情況下的dq軸上的電流軌跡中，實(shí)施了與dq軸電流的直流量相對(duì)應(yīng)的偏差(offset)處理后的電流軌跡的說(shuō)明圖。
[0021]圖7是表示將轉(zhuǎn)子及定子形狀設(shè)為參數(shù)，通過磁場(chǎng)解析，執(zhí)行向永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的無(wú)旋轉(zhuǎn)傳感器驅(qū)動(dòng)中應(yīng)用的研究而得的結(jié)果的代表例的說(shuō)明圖。
[0022]圖8是表示本發(fā)明的實(shí)施方式I所涉及的永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)的剖視圖。
[0023]圖9是表示本發(fā)明的實(shí)施方式I所涉及的永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)中的槽開口比、和電流軌跡橢圓的無(wú)負(fù)載時(shí)的長(zhǎng)軸與有負(fù)載時(shí)的長(zhǎng)軸的相位差的關(guān)系的說(shuō)明圖。
[0024]圖10是表示本發(fā)明的實(shí)施方式I所涉及的永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)中的槽開口比、與電流軌跡的橢圓的長(zhǎng)軸和短軸的比相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)的凸極比以及電流軌跡橢圓的長(zhǎng)軸相對(duì)于轉(zhuǎn)子位置的變動(dòng)的關(guān)系的說(shuō)明圖。
[0025]圖11是表示本發(fā)明的實(shí)施方式I所涉及的永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)中的齒寬比、與電流軌跡的橢圓的長(zhǎng)軸和短軸的比相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)的凸極比以及電流軌跡橢圓的長(zhǎng)軸相對(duì)于轉(zhuǎn)子位置的變動(dòng)的關(guān)系的說(shuō)明圖。
[0026]圖12是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2所涉及的永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的構(gòu)造的剖視圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0027]下面，使用附圖，對(duì)本發(fā)明所涉及的永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明，在各圖中，對(duì)相同或相等的部分標(biāo)注相同標(biāo)號(hào)而進(jìn)行說(shuō)明。
[0028]實(shí)施方式I
[0029]首先，參照?qǐng)D1，對(duì)永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)時(shí)的磁極位置的檢測(cè)方法進(jìn)行說(shuō)明。圖1是表示通常的永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的磁極位置的檢測(cè)方法的說(shuō)明圖。在圖1中，向永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)施加重疊有磁極位置檢測(cè)用高頻電壓的驅(qū)動(dòng)電壓，通過對(duì)測(cè)定出的各相電流的電流波形進(jìn)行處理，從而推定磁極位置。
[0030]然后，在圖2中示出與永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置相對(duì)的理想電感分布。在圖
2中，理想的電感分布是在電角度360度內(nèi)具有2次振動(dòng)成分的理想的正弦波形狀，是即使負(fù)載電流的大小變化，也不會(huì)產(chǎn)生相位差或畸變的形狀。因此，相對(duì)于高頻電壓施加時(shí)的轉(zhuǎn)子位置的電流波形也成為在電角度360度內(nèi)具有2次振動(dòng)成分的理想的正弦波形狀。
[0031]在此，如果在向具有圖2所示的理想電感分布的永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)施加了重疊有磁極位置檢測(cè)用高頻電壓的驅(qū)動(dòng)電壓的情況下，將測(cè)定出的電流向dq軸進(jìn)行坐標(biāo)變換，則電流軌跡如圖3所示。S卩，由于電流軌跡對(duì)應(yīng)于電感的轉(zhuǎn)子位置的變動(dòng)而變化，因此相對(duì)于dq軸描繪出橢圓軌跡。此外，在圖3中，橢圓的長(zhǎng)軸與短軸的比表示凸極比。
[0032]并且，由于在具有理想電感分布的永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)中電感分布不會(huì)隨負(fù)載電流而產(chǎn)生相位差或畸變，因此在負(fù)載電流流過時(shí)，描繪出沿作為驅(qū)動(dòng)電流方向的q軸方向移動(dòng)后的橢圓軌跡。但是，在與驅(qū)動(dòng)電流相對(duì)應(yīng)而對(duì)q軸電流實(shí)施偏差處理后，在無(wú)負(fù)載時(shí)及有負(fù)載時(shí)，電流軌跡均為相同的橢圓軌跡。
[0033]此外，如上所述，由于實(shí)際的永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)不具有理想的電感分布，因此磁極位置的推定誤差大，無(wú)法高精度地執(zhí)行定位控制。因此，在圖4中示出針對(duì)實(shí)際的永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行調(diào)查而得到的實(shí)際的電感分布。
[0034]由圖4可知，關(guān)于實(shí)際的電感分布，由于在電感分布中包含高頻成分(畸變成分)，因此成為與理想的正弦波形狀不同的形狀，并且，電感分布的振幅的大小隨通電電流的大小而減少，并產(chǎn)生相位差。
[0035]并且，如果在與永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置相對(duì)的電感分布成為如圖4所示的情況下，將測(cè)定出的高頻電流向dq軸進(jìn)行坐標(biāo)變換，則電流軌跡如圖5所示。S卩，由于高頻電流的電流軌跡對(duì)應(yīng)于電感的變動(dòng)而變化，因此，相對(duì)于dq軸描繪出橢圓軌跡。
[0036]另外，為了著重于由負(fù)載電流引起的橢圓形狀的變化，在圖6中示出了與驅(qū)動(dòng)電流相對(duì)應(yīng)而實(shí)施偏差處理后的電流軌跡。由圖6可知，在實(shí)際的永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，由于電感的非正弦波化，即使在無(wú)負(fù)載時(shí)橢圓也發(fā)生傾斜(橢圓的長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn))，并且，在有負(fù)載時(shí)橢圓的傾斜進(jìn)一步變化。由此，在實(shí)際的永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，磁極位置推定時(shí)的誤差大，無(wú)法高精度地執(zhí)行定位控制。
[0037]在此，在向電樞繞組施加與用于產(chǎn)生扭矩的電壓的頻率和振幅不同的高頻電壓，使用高頻電流的電流軌跡推定轉(zhuǎn)子的磁極位置的永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，為了高精度地推定磁極位置，并執(zhí)行高精度的定位控制，電感分布必須形成為理想的正弦波分布而與負(fù)載電流和轉(zhuǎn)子位置無(wú)關(guān)。
[0038]然而，由于實(shí)際的電感分布不是正弦波形狀，并由于負(fù)載而產(chǎn)生相位差，因此，難以使電感分布形成為完全的正弦波形狀。因此，在本發(fā)明的實(shí)施方式I中，基于上述的無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)理論，實(shí)現(xiàn)了無(wú)旋轉(zhuǎn)傳感器驅(qū)動(dòng)所需的電動(dòng)機(jī)性能條件(電流響應(yīng)條件)的明確化。
[0039]S卩，實(shí)施了永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的磁場(chǎng)解析及無(wú)旋轉(zhuǎn)傳感器驅(qū)動(dòng)的模擬后，獲知作為無(wú)旋轉(zhuǎn)傳感器驅(qū)動(dòng)所需的電流響應(yīng)條件，必須同時(shí)滿足以下I至3的各條件。
[0040]具體來(lái)說(shuō)，在向電樞繞組施加與用于產(chǎn)生扭矩的電壓的頻率和振幅不同的高頻電壓，將測(cè)定出的高頻電流進(jìn)行了 dq變換的情況下，必須滿足:dq軸上的電流軌跡成為橢圓形狀(條件I);減少橢圓的長(zhǎng)軸相對(duì)于負(fù)載電流的角度變動(dòng)幅度以得到規(guī)定的位置推定分辨率(條件2);以及減少橢圓的長(zhǎng)軸相對(duì)于轉(zhuǎn)子位置的角度變動(dòng)幅度以得到規(guī)定的位置推定分辨率(條件3)。
[0041]首先，對(duì)于條件I (高頻電流的dq軸上的電流軌跡成為橢圓形狀)，其依賴于所使用的電流傳感器的性能，如果考慮到通常的傳感器的誤差為±3%左右，則必須將橢圓的長(zhǎng)軸與短軸的比(電動(dòng)機(jī)的凸極比)設(shè)定為大于或等于6%。
[0042]在此，如果橢圓的長(zhǎng)軸與短軸的比(電動(dòng)機(jī)的凸極比)小于或等于5%，則在最差的情況下，可能使dq軸的電流差被傳感器的誤差掩蓋，無(wú)法執(zhí)行位置推定。此外，電流軌跡形成為橢圓形狀，是指電感分布具有基本波成分，與永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)具有凸極性這一情況相對(duì)應(yīng)。
[0043]然后，對(duì)于條件2 (減少橢圓的長(zhǎng)軸相對(duì)于負(fù)載電流的角度變動(dòng)幅度)，實(shí)施了永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的磁場(chǎng)解析及無(wú)旋轉(zhuǎn)傳感器驅(qū)動(dòng)的模擬后獲知，負(fù)載電流的角度變動(dòng)幅度與電動(dòng)機(jī)的磁極 對(duì)數(shù)成正比，與磁極位置檢測(cè)的分辨率及電動(dòng)機(jī)的扭矩脈動(dòng)率成反比。
[0044]在橢圓的傾斜角度隨負(fù)載電流變化的情況下，通過控制而執(zhí)行與變動(dòng)量相對(duì)應(yīng)的校正。例如，在無(wú)負(fù)載時(shí)和額定負(fù)載時(shí)的橢圓的傾斜角度的變化量的差為L(zhǎng)度的情況下，橢圓的傾斜的校正量Λ Θ為Λ Θ =LXq軸電流。
[0045]另一方面，在永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，即使流過正弦波電流，由于存在感應(yīng)電壓的高次諧波成分，因此產(chǎn)生扭矩脈動(dòng)。因此，即使負(fù)載扭矩恒定，但在具有扭矩脈動(dòng)的情況下，為了執(zhí)行速度恒定控制，會(huì)在q軸電流上疊加用于補(bǔ)償扭矩脈動(dòng)量的電流成分。
[0046]例如，在具有脈動(dòng)幅度B ( 土B/2)的扭矩脈動(dòng)的永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的情況下，在速度恒定控制時(shí)q軸電流也具有土B/2的變動(dòng)，由此產(chǎn)生位置誤差。因此，必須進(jìn)行設(shè)定以將該位置誤差限定在磁極位置檢測(cè)分辨率A的范圍內(nèi)，該條件能夠由下式(I)表示。
[0047]HXB/2 ≤ 360/AX 磁極對(duì)數(shù)(I)
[0048]因此，用于得到作為目標(biāo)的磁極位置檢測(cè)分辨率A的無(wú)負(fù)載時(shí)及額定負(fù)載時(shí)的橢圓傾斜的變動(dòng)幅度H必須成為由下式(2)表示的值。
[0049]H ≤360/AX 磁極對(duì)數(shù) /B/2=360/A/BX 磁極數(shù)(2)
[0050]此外，上述說(shuō)明是以與q軸電流的大小成正比而執(zhí)行校正為前提的，但在控制增益的大小也存在影響，無(wú)法將控制增益設(shè)為足夠大的情況下，無(wú)法執(zhí)行校正，有時(shí)即使在公式(2)的變動(dòng)幅度H下也無(wú)法得到作為目標(biāo)的磁極位置檢測(cè)分辨率。
【發(fā)明者】根據(jù)至此的研究結(jié)果，得出在通常的校正增益下必須使無(wú)負(fù)載時(shí)及額定負(fù)載時(shí)的橢圓傾斜的變動(dòng)幅度為小于或等于式(2)的大約1/3。
[0051]下面，對(duì)于條件3 (減少橢圓的長(zhǎng)軸相對(duì)于轉(zhuǎn)子位置的角度變動(dòng)幅度)，實(shí)施了永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的磁場(chǎng)解析及無(wú)旋轉(zhuǎn)傳感器驅(qū)動(dòng)的模擬后獲知，轉(zhuǎn)子位置的角度變動(dòng)幅度與電動(dòng)機(jī)的磁極對(duì)數(shù)成正比，與磁極位置檢測(cè)的分辨率成反比。如果將電流軌跡橢圓的長(zhǎng)軸相對(duì)于轉(zhuǎn)子位置的變動(dòng)幅度設(shè)為S度，則下式(3)成立。
[0052]A ( 360/S/2X 磁極對(duì)數(shù)(3)
[0053]因此，為了得到作為目標(biāo)的磁極位置檢測(cè)分辨率A，電流軌跡橢圓的長(zhǎng)軸相對(duì)于轉(zhuǎn)子位置的變動(dòng)幅度S必須成為由下式(4)表示的值。
[0054]S ≥ 360 X 2 X 磁極對(duì)數(shù) /A=360/A X 磁極數(shù)(4 )
[0055]上述的說(shuō)明是適用于無(wú)旋轉(zhuǎn)傳感器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)電流響應(yīng)條件，但如果將無(wú)旋轉(zhuǎn)傳感器驅(qū)動(dòng)下的目標(biāo)分辨率設(shè)為大于或等于200脈沖/每轉(zhuǎn)，將電動(dòng)機(jī)的扭矩脈動(dòng)幅度設(shè)為0.1 (10%),將磁極對(duì)數(shù)設(shè)為5,則具體的電流響應(yīng)條件如下所示。即，必須將電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)為，無(wú)負(fù)載時(shí)及額定負(fù)載時(shí)的橢圓傾斜的變動(dòng)幅度HSHS 360/200/0.1X5/3=小于或等于30度，且電流軌跡橢圓的長(zhǎng)軸相對(duì)于轉(zhuǎn)子位置的變動(dòng)幅度SSSS 360/200X5=小于或等于9度。
[0056]在此，在永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的設(shè)計(jì)中，雖然針對(duì)以高扭矩化、減少齒槽扭矩(cogging torque)及扭矩脈動(dòng)為目的的磁性結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究，但對(duì)于通過使電感分布進(jìn)一步接近正弦波，而減少由于負(fù)載電流或轉(zhuǎn)子位置引起的變動(dòng)的磁性結(jié)構(gòu)幾乎沒有進(jìn)行過研究。
[0057]特別地，電感分布由于磁飽和或伴隨于槽的高次諧波成分的產(chǎn)生而成為非正弦波形狀，因此，用于優(yōu)化電感分布的磁性結(jié)構(gòu)是未知的。因此，對(duì)于同時(shí)滿足上述所有條件I至3的、適用于無(wú)旋轉(zhuǎn)傳感器驅(qū)動(dòng)的永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，通過磁場(chǎng)解析對(duì)轉(zhuǎn)子及定子形狀進(jìn)行了研究。在圖7中示出了磁場(chǎng)解析結(jié)果的代表例。
[0058]由圖7可知，為了滿足條件I,必須選定IPM結(jié)構(gòu)。另一方面,可知為了滿足條件2及條件3，只要在SPM結(jié)構(gòu)中選定.10極12槽結(jié)構(gòu)即可。然而，在SPM結(jié)構(gòu)中，由于無(wú)法確保條件I的凸極性，因此，無(wú)法適用于無(wú)旋轉(zhuǎn)傳感器驅(qū)動(dòng)。
[0059]因此，在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)及磁極槽數(shù)量的基礎(chǔ)上，還著眼于槽開口比，執(zhí)行了磁場(chǎng)解析。其結(jié)果，可知能夠同時(shí)滿足所有條件I至3的永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)必須是IPM構(gòu)造，形成為10極12槽，槽開口寬度比為大于或等于0.6。下面，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式I所涉及的永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0060]圖8是表示本發(fā)明的實(shí)施方式I所涉及的永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的構(gòu)造的剖視圖。在圖8中，該永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)具有定子10及轉(zhuǎn)子20。定子10具有定子鐵心11及電樞繞組12，轉(zhuǎn)子20具有轉(zhuǎn)子鐵心21及永磁鐵22。在此，永磁鐵22插入至與轉(zhuǎn)子鐵心21的外周面相比位于內(nèi)側(cè)并沿周向等間隔設(shè)置的10個(gè)孔中。
[0061]在圓筒形狀且具有齒的定子鐵心11上設(shè)有電樞繞組12，該電樞繞組12產(chǎn)生用于使轉(zhuǎn)子20旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，該定子鐵心11沿周向分割為N個(gè)定子模塊。此時(shí)，如果將周向相鄰的定子鐵心11的前端部間的周向間隙設(shè)為L(zhǎng)a，將齒的周向的大小設(shè)為L(zhǎng)b，將定子鐵心11的內(nèi)徑尺寸設(shè)為D，則定子鐵心11的前端部間的周向間隙La設(shè)定為滿足下式(5)。
[0062]0.6 < La/ ( π D/N — Lb) < 1.0 (5)
[0063]在此，在圖9中示出了通過磁場(chǎng)解析，對(duì)槽開口比、電流軌跡橢圓的無(wú)負(fù)載時(shí)的長(zhǎng)軸和有負(fù)載時(shí)的長(zhǎng)軸的相位差(電感的相位差)的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算而得到的結(jié)果。另外，在圖10中示出了對(duì)槽開口比、與電流軌跡的橢圓的長(zhǎng)軸和短軸之比相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)的凸極比以及電流軌跡橢圓的長(zhǎng)軸相對(duì)于轉(zhuǎn)子位置的變動(dòng)的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算而得到的結(jié)果。此外，槽開口比為通過下式(6)表示的值。
[0064]La/ ( JiD/N - Lb) (6)
[0065]由圖9、10可知，為了確保電流軌跡的橢圓的長(zhǎng)軸和短軸的比為大于或等于1.06，且減少電流軌跡橢圓的無(wú)負(fù)載時(shí)的長(zhǎng)軸和有負(fù)載時(shí)的長(zhǎng)軸的相位差，并減少電流軌跡橢圓的長(zhǎng)軸相對(duì)于轉(zhuǎn)子位置的變動(dòng)，優(yōu)選槽開口比為大于或等于0.6。其原因在于，能夠通過增大槽開口比，從而減少槽漏磁通，能夠抑制由于負(fù)載電流、轉(zhuǎn)子位置引起的定子鐵心11內(nèi)部的磁飽和狀態(tài)的變化。
[0066]在此，將槽開口比的下限值設(shè)為0.6，如果槽開口比設(shè)得更大，則電流軌跡的橢圓的長(zhǎng)軸和短軸的比增大，能夠減少電流軌跡橢圓的無(wú)負(fù)載時(shí)的長(zhǎng)軸和有負(fù)載時(shí)的長(zhǎng)軸的相位差，并減少電流軌跡橢圓的長(zhǎng)軸相對(duì)于轉(zhuǎn)子位置的變動(dòng)。因此，可知槽開口比越接近1.0，越是適用于無(wú)旋轉(zhuǎn)傳感器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。
[0067]并且，如果將定子鐵心11的內(nèi)徑尺寸設(shè)為D，將定子模塊的周向分割數(shù)量設(shè)為N，則齒周向的大小Lb設(shè)定為滿足下式(7)。
[0068]0.57 < Lb/ ( JiD/N) (7)
[0069]在此，在圖11中示出了通過磁場(chǎng)解析，對(duì)齒寬比、與電流軌跡的橢圓的長(zhǎng)軸和短軸的比相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)的凸極比以及電流軌跡橢圓的長(zhǎng)軸相對(duì)于轉(zhuǎn)子位置的變動(dòng)的關(guān)系進(jìn)行計(jì)算而得到的結(jié)果。此外，槽開口比為通過下式(8 )表示的值。
[0070]Lb/ ( 31 D/N) (8)
[0071]由圖11可知，即使齒寬比變化，電流軌跡橢圓的長(zhǎng)軸相對(duì)于轉(zhuǎn)子位置的變動(dòng)也幾乎不發(fā)生變化，但電流軌跡橢圓的長(zhǎng)軸和短軸的比在齒寬比為小于或等于0.57處急劇增力口。其原因在于，能夠通過減小齒寬比，從而抑制由于負(fù)載電流、轉(zhuǎn)子位置引起的定子鐵心11內(nèi)部的磁飽和的狀態(tài)變化，齒寬比越是盡可能地小，越能夠成為適用于無(wú)旋轉(zhuǎn)傳感器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。
[0072]另外，鐵心由于通過沖裁加工而產(chǎn)生加工應(yīng)變或殘留應(yīng)力，因此磁特性劣化。因此，在本發(fā)明的實(shí)施方式I中，通過沿周向分割定子鐵心11，使定子10的分割部中的磁特性也劣化，從而能夠使鐵心穩(wěn)定地磁飽和。由此，能夠抑制由于負(fù)載電流、轉(zhuǎn)子位置引起的定子鐵心11內(nèi)部的磁飽和狀態(tài)的變化。
[0073]如上所述，通過使鐵心穩(wěn)定地形成磁飽和，從而能夠抑制定子鐵心11內(nèi)部的磁飽和狀態(tài)的變化，減少電流軌跡橢圓的無(wú)負(fù)載時(shí)的長(zhǎng)軸和有負(fù)載時(shí)的長(zhǎng)軸的相位差，并減少電流軌跡橢圓的長(zhǎng)軸相對(duì)于轉(zhuǎn)子位置的變動(dòng)。
[0074]另外，如果將永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的磁極數(shù)量設(shè)為P，將槽數(shù)量設(shè)為N，則將P及N設(shè)定為P/ (P和N的最大公約數(shù))為奇數(shù)。由此，能夠減少電流軌跡橢圓的長(zhǎng)軸相對(duì)于轉(zhuǎn)子位置的變動(dòng)。另外，作為永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的故障原因，可以舉出軸承的電蝕，但能夠通過如上所述設(shè)定P及N，從而避免軸上的電壓的產(chǎn)生，成為更適用于無(wú)旋轉(zhuǎn)傳感器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。另外，能夠減少電感的位置依賴性。
[0075]如上所述，根據(jù)實(shí)施方式1，在對(duì)施加了高頻電壓時(shí)測(cè)定出的高頻電流進(jìn)行了 dq變換的情況下，dq軸上的電流軌跡成為橢圓形狀，并且，橢圓的長(zhǎng)軸相對(duì)于負(fù)載電流及轉(zhuǎn)子位置的角度變動(dòng)幅度形成為能夠得到規(guī)定的位置推定分辨率。
[0076]因此，能夠得到一種永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其能夠在無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)時(shí)高精度地檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置。
[0077]實(shí)施方式2
[0078]圖12是表示本發(fā)明的實(shí)施方式2所涉及的永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)的剖視圖。在圖12中，如果將轉(zhuǎn)子20的外半徑設(shè)為R0，將轉(zhuǎn)子20表面的曲率半徑設(shè)為R1，則將RO及Rl設(shè)定為RO > R1。
[0079]由此,能夠減少轉(zhuǎn)子20的磁動(dòng)勢(shì)高頻磁通,能夠減少電流軌跡橢圓的長(zhǎng)軸相對(duì)于轉(zhuǎn)子位置的變動(dòng)。在本發(fā)明的實(shí)施方式2中，與實(shí)施方式I的RO=Rl的轉(zhuǎn)子形狀相比較，電流軌跡橢圓的長(zhǎng)軸相對(duì)于轉(zhuǎn)子位置的變動(dòng)能夠減少大約75%。另外，能夠進(jìn)一步減少電感的位置依賴性。
[0080]根據(jù)上述實(shí)施方式1、2所示的永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，即使不使用光學(xué)式編碼器和解析器等電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)檢測(cè)裝置，也能夠推定磁極位置。因此，能夠削減部件數(shù)量、減少故障因素，從而實(shí)現(xiàn)高可靠性及低成本化。此外，也能夠同時(shí)使用光學(xué)式編碼器和解析器。
[0081]標(biāo)號(hào)的說(shuō)明
[0082]10定子，11定子鐵心，12電樞繞組，20轉(zhuǎn)子，21轉(zhuǎn)子鐵心，22永磁鐵。
【權(quán)利要求】
1.一種永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī),其具有: 轉(zhuǎn)子，其上等間隔地配置有多個(gè)磁極；以及 定子，其具有多個(gè)齒及電樞繞組， 所述轉(zhuǎn)子具有永磁鐵，該永磁鐵插入至與轉(zhuǎn)子鐵心的外周面相比位于內(nèi)側(cè)并沿周向等間隔設(shè)置的P個(gè)孔中， 所述定子構(gòu)成為，將圓筒形狀且具有N個(gè)齒的定子鐵心沿周向分割為N個(gè)定子模塊，在該定子鐵心上設(shè)置有產(chǎn)生用于使所述轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的所述電樞繞組， 在將沿周向相鄰的所述定子鐵心的前端部間的周向間隙設(shè)為L(zhǎng)a，將所述齒的周向的大小設(shè)為L(zhǎng)b，將所述定子鐵心的內(nèi)徑尺寸設(shè)為D的情況下，設(shè)定為0.6 < La/ ( π D/N — Lb)< 1.0,并且，P及N設(shè)定為P/ (P和N的最大公約數(shù))為奇數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中， 所述定子的齒的周向的大小Lb設(shè)定為0.57 < Lb/ ( jiD/N)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中， 在將所述轉(zhuǎn)子的外半徑設(shè)為R0，將所述轉(zhuǎn)子表面的曲率半徑設(shè)為Rl的情況下，RO及Rl設(shè)定為RO > R1。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的永磁鐵式旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中， 在執(zhí)行定位控制時(shí)不使用旋轉(zhuǎn)檢測(cè)裝置。
【文檔編號(hào)】H02K1/14GK103444053SQ201280013582
【公開日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2012年1月18日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月15日
【發(fā)明者】山口信一, 十時(shí)詠吾, 伊藤正人, 西島大輔, 田中敏則 申請(qǐng)人:三菱電機(jī)株式會(huì)社