JP2012517209A - 同期機 - Google Patents

Abstract

本発明は電気機器（１）に関し、当該電気機器（１）は、１４極のロータ極（１８）を有するロータ（４）と、１２個のステータ歯（３）を有するステータ（２）とを有し、前記ロータ（４）は中心軸を中心として回転可能に設けられており、前記ステータ歯（３）は前記中心軸を基準として半径方向に、前記ステータ（２）から前記ロータ（４）の方向に突出しており、各ステータ歯（３）は１つのステータコイル（９）によって包囲されており、該ステータコイル（９）はそれぞれ１つの前記ステータ歯（３）のみを包囲する。

Description

本発明は、殊に電動パワーステアリングで使用される１２個のステータ歯および１４個のロータ極を有する電気機器に関する。

先行技術
電気機械的アシストを備えた、自動車用の操舵系に使用される電動アクチュエータでは、シャフトに発生する駆動トルクの変動が可能な限り小さくなる必要がある。このような用途では通常、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、この永久磁石励磁式の電子整流同期モータは、出力密度、効率および制御可能範囲の点で有利であるからだ。

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。このため、この高調波が可能な限り低減されるか、またはこの高調波がトルク特性経過に与える影響が可能な限り小さくなるように、上記の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称される。とりわけ小型の機器の場合には、スペースの関係上、理想的な正弦波のエアギャップ磁界を発生させるために、細かく分布した巻線を電機子に設けることができないからである。それゆえ小型の機器の場合には、エアギャップに相応の高調波が発生することを勘案しなければならない。それゆえ、この高調波がトルクに可能な限り影響しないように機器を構成するのが有利である。

さらに、このような電気機器のフェール確率が低減し、不具合の場合、たとえば巻線に短絡が発生した場合に発生する制動トルクが比較的小さく抑えられることも望まれている。これらが発生する理由は、永久磁石励磁式の機器の場合には電磁励磁式の機器とは異なり、磁界を遮断することができないことである。１２個のステータ歯を有しロータ極が８極である電気機器が従来公知であるが、このような電気機器は、妨害の無い通常の動作で十分なトルク品質を保証することができない。

さらに、１８個のステータ歯を有しロータ極が８極である電気機器が公知である。しかし、このような電気機器は、分布巻を有するという欠点を持つ。この分布巻では、異なる相のコイル巻線が巻線端部において交差し、異なる相のコイル側面がステータスロット内に来るからである。それゆえ、巻線端部やスロットにおいて、異なる相同士が短絡を発生させることがある。

さらに、１２個のステータ歯を有しロータ極が１０極である電気機器が公知である。この電気機器では、１２個のステータ歯を有しロータ極が８極である電気機器と比較してコギングトルクを小さくできるが、１２個のステータ歯を有しロータ極が１０極である電気機器で実現できるトルク品質は、１８個のステータ歯を有しロータ極が８極である電気機器と比較して小さい。

１２個のステータ歯を有しロータ極が８極または１２極である電気機器は、コギングトルクを小さくするために大抵は歯先面（Zahnkopf）を有する。この歯先面により、コイル巻線をステータ歯に装着するのが困難になり、通常は、コイル巻線の高い導体占積率を実現できるようにするためには、ステータのコンパクトな構成ではステータを分割しなければならない。このように分割されたステータにより、寸法の公差に起因して非対称性が生じ、不所望のコギングトルクが発生してしまう。

本発明の課題は、コギングトルクが小さく、トルクリプルが小さく、対称性からの偏差から影響を受けにくい電気機器を実現することである。

発明の概要
前記課題は、請求項１に記載の電気機器によって解決される。

従属請求項に、別の有利な実施形態が記載されている。

本発明の第１の側面において電気機器を開示する。本発明の電気機器は、中心軸を中心として回転可能に設けられ１４極のロータ極を有するロータと、ステータとを有する。このステータは、該中心軸を基準として半径方向に該ステータから前記ロータの方向に突出する１２個のステータ歯を有する。各ステータ歯は最大１つのステータコイルによって包囲されており、該ステータコイルは、該ステータコイルに対応するステータ歯のみを包囲する。

１２個のステータ歯と１４極のロータ極とを有する電気機器のトポロジーを使用した場合、非常に小さいコギングトルクと、小さいトルクリプルとが確認された。このようなトポロジーによって、巻線を集中巻として設けることができ、これによって、ステータコイルが交差してこの交差場所において短絡が発生するのを回避することができる。このことにより、確実性の上昇が保証される。

とりわけ、ステータ歯のうち少なくとも１つが、ロータに対向する端部において接線方向に拡幅部分を有さないように構成することができる。このようなトポロジーにより、歯先面の幅を拡大することなく電気機器のステータ歯を形成することができ、コイル巻線を事前に作製してステータ歯に嵌めることができるようになる。このことにより、電気機器の製造が格段に簡略化される。

有利には、電気機器を集中巻で構成する。このことにより、異なる相のコイル巻線が交差するのを回避することができる。

各ステータコイルがそれぞれ１つのステータ歯を包囲するように、ステータコイルを設けることができる。

とりわけ、ロータ極の一部またはすべてに永久磁石を設けることができる。

１つの実施形態では、各永久磁石をそれぞれロータ極のうち１つのロータ極の内部または外側に設け、該永久磁石の各磁極がそれぞれ半径方向を向くように該永久磁石を配置することができる。

すべてのロータ極の内部または外側に永久磁石を設けるか、または、コンシクエントポール構成（Folgepolanordnung）になるように、１つおきのロータ極にのみ永久磁石を設けることができる。

さらに、各永久磁石をそれぞれ２つのロータ極間のポケットに配置し、該永久磁石の各磁極が接線方向を向くように該永久磁石を配置することもできる。

１つの実施形態では、隣接するロータ極間すべてに永久磁石を設けるか、または、コンシクエントポール型の構成になるように１つおきのポケットにのみ永久磁石を設けることができる。

１つの実施形態では、ステータに対向するロータ極の外側面の曲率が、該外側面とロータの中心軸との間の間隔によって決定される円曲率より大きくなるように形成される。

さらに、ロータ極の外側面はリヒター輪郭（Richterkontur）または円形の輪郭を有することができる。ロータ極の外側面の輪郭の半径は、該外側面とロータの中心軸との間の間隔より小さい。

１つの実施形態では、各ステータ歯ごとにステータコイルが設けられ、それぞれ隣接する２つのステータコイルが相互に直列接続されてステータコイル対を成し、各ステータコイル対と、該ステータコイル対に対向する別のステータコイル対とが１つの相に対して設けられている。

さらに、１相に対応するステータコイル対を相互に直列接続するかまたは並列接続し、１つの中性点を有するスター結線を成すように結線するか、またはデルタ結線を成すように結線することができる。

さらに、各１相に対応するステータコイル対のうちそれぞれ１つのステータコイル対を、それぞれ固有の中性点を有するスター結線を成すように結線することもできる。

本発明の別の側面では、上記の電気機器を自動車の操舵系に使用することを開示する。

以下、図面に基づいて電気機器の実施形態を詳細に説明する。

１２個のステータ歯を有しロータ極が１４極である、埋込磁石型の電気機器を示す。 スポークマグネットとリヒター（Richter）による正弦磁極とを有する電気機器を示す。 コンシクエントポール型の電気機器を示す。 スポークマグネットを有するコンシクエントポール型の電気機器を示す。 ステータコイルが設けられたステータ歯をロータの中心軸から見たときの平面図である。 ステータコイルが設けられたステータ歯をロータの中心軸から見たときの平面図と、複数の中性点を有するスター結線の場合の回路図である。 ステータコイルが設けられたステータ歯をロータの中心軸から見たときの平面図と、２つの別個の３相システムを形成するデルタ結線の場合の回路図である。 ステータコイルが設けられたステータ歯をロータの中心軸から見たときの平面図と、１つの中性点を有するスター結線の場合の回路図である。 ステータコイルが設けられたステータ歯をロータの中心軸から見たときの平面図と、１つの中性点を有するスター結線の場合の回路図である。 ステータコイルが設けられたステータ歯をロータの中心軸から見たときの平面図と、デルタ結線の場合の回路図である。

実施形態の説明
図１に電気機器１の断面を示す。この電気機器はステータ２を有し、該ステータ２は、中心軸Ｍを中心として回転するロータ４を包囲している。図中の実施例では、電気機器は同期機として構成されている。

ステータ２は１２個のステータ歯３を有し、該ステータ歯３は該ステータ２のステータ本体から半径方向に突出し、ロータ４の方向に内側に向いている。つまり、ステータ歯３は電気機器１の中心軸Ｍの方向を向いている。ステータ歯３相互間の接線方向の間隔は等間隔であり、すなわちステータ歯３相互間のシフト角は等間隔であり、ステータ歯３はステータ本体の内側に配置されている。

ロータ４は中心軸Ｍを中心として回転するように設けられており、永久磁石６を有する。前記永久磁石６はロータ極８を成し、該永久磁石６の磁極方向が半径方向になるように該永久磁石６は配置されている。隣接する永久磁石６の磁極方向は逆である。図中のロータ４のロータ極８の極数は１４である。永久磁石６は、図１の実施形態に示されているように、ロータ極８の内部に設けられ半径方向に外側でロータ極８の材料によって覆われた埋込永久磁石６とすることができる。択一的に永久磁石６を、ロータ４の外側面の凹部に埋め込まれた表面磁石とすることもできる。このような表面磁石では、永久磁石６の各磁極は半径方向に外側に露出されている。ロータ４に埋め込まれた永久磁石６を使用するのが有利である理由は、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ことである。

ステータ歯３はステータコイル９によって包囲されており、このステータコイル９はそれぞれ１つのステータ歯３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９のみを示している。ステータコイル９を各ステータ歯３ごとに設けることにより、ステータコイル９のコイル巻線が相互に交差するのを回避することができる。このことによって、ステータコイル９間で短絡が生じる危険を低減することができる。というのも、２つのステータ歯３間の１つのスロット内に位置するコイル側面は２つだけであるからだ。

各ステータ歯３の内側端部は終端部を有する。この終端部は歯先面５とも称される。歯先面５は、ロータ４内部に配置された永久磁石６によって吸収される磁束の大部分ないしは可能な限り大きな割合が通る面を実現するために設けられる。図中の実施例では、電気機器１のステータ歯３の歯先面５の幅は拡大されていない。したがって、コイル巻線９をステータ歯３に簡単に装着することができる。換言するとステータ歯３は、ステータ本体から突出する円柱形ないしは直方体形の突出部分として形成されている。

択一的または付加的に、ロータ極８における磁束密度分布が可能な限り正弦波形になるようにロータ極８に外側輪郭を設けることにより、ステータ歯において磁束の飽和が発生するのを回避しながら磁束を可能な限り大きく選択できるようにすることができる。ロータ極８をいわゆる正弦磁極として形成することができる。このような正弦磁極によって、磁極エッジにおいてエアギャップが拡幅される。リヒターによれば、ロータ外半径を表す数式は以下の通りになる：

上記数式では、Ｒは空間角度φ（磁極形状輪郭）での半径に相当し、ｐは極対数に相当し、φは空間角度に相当し、Ｒ_１はステータ半径（インナロータの場合には内径、その逆）に相当し、δ_０は極中央における最小エアギャップに相当する。これにより、ロータ４の外側面は波状になり、一般的には、各ロータ極８の突起が最大になる領域が、半径方向に延在するロータ極８の中心軸に相当する。

簡略化するために、リヒターの上記数式の代わりに、１／ｃｏｓ（ｐ φ）によるエアギャップの拡幅に対応する関数を使用することができる。当分野では、両数式間の相違はごく僅かである。エアギャップのこのような輪郭により、極歯車によって近似される正弦波形のエアギャップ磁界が生成され、無負荷動作時のコギングトルクが格段に低減し、負荷が存在する場合の高調波トルクが格段に低減する。

択一的に、磁極形状の輪郭を、輪郭半径が一定である弧輪郭に相当する外側輪郭によって近似することもできる。その際には、輪郭半径はロータ４の外側面の半径より小さくされ、２つの隣接するロータ極８間にギャップが形成される。

さらに、コンシクエントトゥース構成（Folgezahnanordnung）では、１つおきのステータ歯３にのみ相応のコイル巻線９を設けることもできる。この構成の利点は、２つのステータ歯３間に形成されたスロット内に同時に２つのコイル側面が位置することがないことである。コンシクエントトゥース構成では、ステータコイル９が設けられていないステータ歯３を通る磁束は、ステータコイル９が設けられた隣接するステータ歯３の磁束還流に相当する。

ステータ２の１つおきのステータ歯にのみ巻線が設けられているコンシクエントトゥース構成では、この巻線が設けられたステータ歯は主歯と称され、巻線が設けられた主歯の（中心軸Ｍに対して接線方向の）歯幅と、主歯に隣接し巻線が設けられていない補助歯または中間歯の歯幅とは異なるように形成することができる。とりわけ、巻線が設けられた主歯の歯幅は３０〜５０°であり、補助歯の歯幅は、１０〜３０°の角度領域に相当する。とりわけ、主歯の歯幅は４０°の角度領域に相当し、補助歯の歯幅は２０°の角度領域に相当することができる。

図２に別の同期モータを示す。この同期モータでは、埋込永久磁石６の代わりに、永久磁石はスポークマグネットとして形成されている。各スポークマグネットはロータ４の各２つの隣接するロータ極８間のポケット１２内に設けられており、それぞれ２つの隣接するポケット１２内の永久磁石６の接線方向の極性が相互に実質的に逆方向になるように、該永久磁石６は配置されている。スポークマグネット構成でも、ロータ極８の磁極形状輪郭は、正弦輪郭または弧輪郭に相当するように形成することができる。

磁石が立てられた電気機器、すなわちスポークマグネットを有する電気機器の利点は、磁石の磁束を磁極に集中させ、エアギャップをわたる磁極磁束をより増大させて生成できることである。このことにより、サイズが等しく、永久磁石によって生成される磁束が等しい場合、生成されるトルクをより大きくすることができる。

図３に、ロータ４のコンシクエントポール構成を示す。この構成では、１つおきのロータ極にのみ埋込永久磁石６が設けられており、永久磁石６によって形成された２つのロータ極８間のロータ極８は、永久磁石６なしで形成されている。このようなコンシクエントポール構成では、永久磁石６の半径方向の磁極方向は等しい。

図４に、スポークマグネットがコンシクエントポール構成の電気機器を示す。この実施形態は図２に相当するが、すべてのポケット１２に永久磁石６が設けられているわけではない点が異なる。図４に示された実施例では、１つおきのポケット１２にのみ永久磁石６が設けられている。機械的安定性を上昇させるためには、永久磁石６が設けられていないポケット１２に、磁気的に活性でない材料を充填するのが有利である。さらに、この永久磁石６が設けられていないポケット１２を、別の構造部分のために使用することもできる。

上記では、インナロータ型の電気機器に基づいて本発明を説明したが、本発明の原理は、アウタロータ型の電気機器にも適用することができる。

上述のように、ステータコイル９を集中巻線として形成し、異なる相の導体間の短絡を構造的に排除することができる。このことはとりわけ、同じスロットに設けられ相互に隣接するステータコイル９のコイル側面間に十分な絶縁間隔が保証されているか、または、両コイル側面間に絶縁エレメントが設けられる場合に当てはまる。

図５は、電気機器１の内側に円形に配置された１２個のステータ歯３を、中心軸Ｍから半径方向に外側に向かって見たときの平面図である。図中の巻線は、３相同期モータのステータコイル９である。したがって、各１相に対して４つのステータコイル９が設けられている。各１相のステータコイル９のうち２つのステータコイル９が、相互に隣接するステータ歯３に設けられ、他の２つのステータコイル９は、前記２つのステータコイル９に対向するステータ２のステータ歯３に配置されるように、各相のステータコイル９は配置される。図中の実施例ではこのことは、番号１，２，７および８のステータ歯３に設けられたステータコイル９が１相に対応しており、番号３，４，９および１０のステータ歯３に設けられたステータコイル９が１相に対応しており、番号５，６，１１および１２のステータ歯３に設けられたステータコイル９が１相に対応することを意味する。

同一の相に対して設けられ隣接するステータコイル９から成るステータコイル対のステータコイル９の巻線方向は相互に逆方向である。さらに、最初の６つのステータ歯３ １〜６に設けられた１相のステータコイル９の巻線方向は、各２つの相互に隣接するステータコイル９間では同一方向であり、隣接するステータ歯３ ７〜１２に設けられた１相の各２つのステータコイル９の巻線方向は、前記ステータ歯３ １〜６のステータコイル９の巻線方向と逆である。換言すると、ロータ４において相互に対向する、１相の２つのステータコイル９の巻線方向は相互に逆である。

図６に、ステータ歯３の平面図にステータコイル９の結線を概略的に示している。ここでは、ステータコイル９はスター結線で相互に接続されており、各ステータコイル対の２つのステータコイル９は直列接続されており、これら直列接続されたステータ歯３ １〜６のステータコイル９は、第１の中性点ＳＴ１を介してスター結線を成すように相互に接続されており、ステータ歯３ ７〜１２のステータコイル対のステータコイル９は、第２の中性点ＳＴ２を介して相互に接続されている。さらに、第１の中性点ＳＴ１に接続されたステータコイル対と、第２の中性点ＳＴ２に接続されたステータコイル対とは、相互に別個に第１の相端子ｕ１，ｖ１，ｗ１ないしはｕ２，ｖ２，ｗ２を介して駆動制御される。

図７に、ステータ歯３の平面図で、２つの別個のデルタ結線を成すようにステータコイル対が結線された択一的な構成を概略的に示す。すなわちここでは、ステータ歯３ １〜６のステータコイル対が１つのデルタ結線を成すように接続されており、ステータ歯３ ７〜１２のステータコイル対が、前記デルタ結線から電気的に分離されたデルタ結線を成すように接続される。さらに、最初の第１のデルタ結線のステータコイル対と、別の第２のデルタ結線のステータコイル対とは、相互に別個に、第１の相端子ｕ１，ｖ１，ｗ１ないしはｕ２，ｖ２，ｗ２を介して駆動制御される。

図８に、ステータ歯３の平面図で、ステータ歯３のステータコイル対が共通のスター結線を成すように結線された構成を概略的に示す。ここでは、各ステータコイル対は並列接続されており、各ステータコイル対は共通の中性点ＳＴに接続され、同じ相に対して設けられたステータコイル対は相互に並列接続されており、同じ相端子ｕ，ｖ，ｗを介して駆動制御される。ステータコイル対のステータコイル９を並列接続する代わりに、各ステータコイル対を直列接続することもできる。

図９に、ステータ歯３の平面図で、ステータコイル９がスター結線を成すように結線された別の構成を概略的に示す。ここでは、１相に対して設けられたステータコイル対が直列接続されており、各１相の２つのステータコイル対の直列接続体は共通のスター結線ＳＴに接続され、スター結線を形成する。

図１０に、ステータ歯３の平面図で、ステータコイル対がデルタ結線の形態で結線された構成を概略的に示す。ここでは、１相に対して設けられたステータコイル対は相互に直列接続されている。また、ステータコイル対をそれぞれ相互に並列接続することもできる。

Claims (13)

1. １４極のロータ極（８）を有するロータ（４）と、１２個のステータ歯（３）を有するステータ（２）とを備える電気機器（１）であって、
   前記ロータ（４）は、中心軸を中心として回転可能に設けられており、
   前記ステータ歯（３）は、前記中心軸を基準として半径方向に、前記ステータ（２）から前記ロータ（４）の方向に突出しており、
   各ステータ歯（３）は最大１つのステータコイル（９）によって包囲されており、各ステータコイル（９）は、該当のステータ歯のみを包囲することを特徴とする、電気機器（１）。
2. 前記ステータ歯（３）のうち少なくとも１つは、前記ロータ（４）に対向する端部において、接線方向に拡幅する拡幅部分を有さない、請求項１記載の電気機器（１）。
3. 前記ロータ極（８）の一部または全部に、永久磁石（６）が設けられている、請求項１または２記載の電気機器。
4. 前記各永久磁石（６）は、前記ロータ極（８）のうち１つのロータ極（８）の内部または表面に設けられており、
   前記永久磁石（６）の各磁極方向が半径方向になるように、該永久磁石（６）は配置されている、請求項３記載の電気機器。
5. 前記各ロータ極（８）の内部または表面に永久磁石（６）が設けられているか、
   または、
   コンシクエントポール構成を成すように、１つおきの前記ロータ極（８）にのみ前記永久磁石（６）が設けられている、請求項４記載の電気機器。
6. 各２つの前記ロータ極（８）間の各ポケット内に前記永久磁石（６）が配置されており、
   前記永久磁石（６）の各磁極方向が接線方向になるように、該永久磁石（６）は配置されている、請求項３記載の電気機器。
7. すべての前記ロータ極（８）において、隣接するロータ極（８）間に前記永久磁石（６）が配置されているか、
   または、
   該永久磁石（６）はコンシクエントポール構成を成すように前記ポケットに１つおきにのみ配置されている、請求項６記載の電気機器。
8. 前記ステータ（２）に対向する、前記ロータ極（８）の外側面の曲率は、該外側面と前記ロータ（４）の中心軸との間の間隔によって決定される円曲率より大きい、請求項１から７までのいずれか１項記載の電気機器。
9. 前記ロータ極（８）の外側面はリヒター輪郭または円形の輪郭を有し、
   前記ロータ極（８）の外側面の輪郭は、該ロータ極（８）の外側面と前記ロータ（４）の中心軸との間の間隔より小さい半径を有する、請求項８記載の電気機器。
10. 前記各ステータ歯（３）にステータコイル（９）が装着されており、
    それぞれ２つの隣接する前記ステータコイル（９）が相互に直列接続されてステータコイル対を成し、
    前記ステータコイル対は、該ステータコイル対に対向するステータコイル対とともに１相に割り当てられている、請求項１から９までのいずれか１項記載の電気機器。
11. １相に割り当てられた前記ステータコイル対は相互に直列接続されるかまたは並列接続されており、１つの中性点を有するスター結線を成すように結線されるか、またはデルタ結線を成すように結線されている、請求項１０記載の電気機器。
12. 各１相に割り当てられた前記ステータコイル対のうち各１つのステータコイル対が接続され、固有の中性点を有するスター結線を成す、請求項１０記載の電気機器。
13. 自動車の操舵系における、請求項１から１２までのいずれか１項記載の電気機器の使用。

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