电动机驱动装置的制造方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及对例如电动助力转向装置等中使用的多重绕组电动机进行驱动的电 动机驱动装置。
【背景技术】
[0002] 在无刷电动机中，已知有如下方法：通过将各相的感应电压调整成使奇数次谐波 与基本波重叠得到的梯形波，从而与仅为基本波的情况相比，提高输出及效率。 专利文献1中，提出有如下方法：通过将各相的感应电压调整成奇数次谐波重叠的梯 形波，从而提高转矩。 该文献中，利用感应电压调整单元，将3次谐波与作为基本波的正弦波形状的感应电 压重叠，将各相的感应电压调整成梯形状的波形。 由此，由相对于转子旋转角度的各相的感应电压的特性曲线和横轴（旋转角度）包围 的部分的形状呈与仅基本波的特性曲线的情况相比更平坦且扩大了的形状，因此，电动机 产生的转矩增加。 专利文献2中，通过使电动机的感应电压为包含3次谐波的形状，从而降低振动、噪音， 并且与正弦波的情况相比提高电动机的输出。 现有技术文献 专利文献
[0003] 专利文献1 :日本专利特开2006-174692 专利文献2 :日本专利特开2011-61998
【发明内容】
发明所要解决的技术问题
[0004] 在专利文献1中，作为感应电压波形，使用相对于基本波包含奇数次谐波的梯形 波，但对于3相电动机的除3次以外的谐波分量所引起的转矩脉动，根本没有阐述任何对 策。 专利文献2中，作为感应电压波形，使用至少包含3次谐波的梯形波形状，但3次谐波 的感应电压成为循环电流产生的原因，除此以外，一般而言，难以使电动机的感应电压中相 对于基本波仅包含3次谐波，对于在产生其它谐波分量的情况下产生的转矩脉动没有任何 对策。
[0005] 本发明是以解决上述问题为课题，其目的在于提供一种电动机驱动装置，在抑制 无刷电动机等的多重绕组电动机中的转矩脉动、噪音、振动的状态下，有效提高电动机的转 矩、无负荷驱动时的最大转速、高旋转时的输出。 解决技术问题的技术方案
[0006] 本发明所涉及的电动机驱动装置包括： 将按照多个绕组组的每一绕组组具有多相绕组的电枢绕组卷绕于电枢铁心的多重绕 组电动机； 对所述多个绕组组施加电压的电压施加单元；以及 计算对所述多个绕组组的电压指令并基于所述电压指令来控制所述电压控制单元的 控制单元， 所述控制单元控制所述电压施加单元，使得因所述多重绕组电动机旋转而在所述多个 绕组组中产生的感应电压具有梯形状的波形，且所述多个绕组组间的所述电压的相位差为 降低由所述感应电压产生的转矩脉动的值。 发明效果
[0007] 根据本发明，可起到如下以往没有的显著效果：在抑制无刷电动机等的多重绕组 电动机中的转矩脉动、噪音、振动的状态下，有效提高电动机的转矩、无负荷驱动时的最大 转速、高旋转时的输出。
【附图说明】
[0008] 图1是表示本发明的实施方式1的无刷电动机的一例的剖视图。 图2是表示本发明的实施方式1的电动机驱动装置的方框结构图。 图3是表示本发明的实施方式1的无刷电动机的电枢线圈的卷绕例的剖视图。 图4是表示本发明的实施方式1的无刷电动机的电枢绕组的连接方法的说明图。 图5是表示本发明的实施方式1的无刷电动机的励磁极的单极部分的结构的局部放大 图。 图6是表示本发明的实施方式1的感应电压波形的一例的说明图。 图7是表示本发明的实施方式1中相对于感应电压的基本波分量的振幅的5次谐波施 加率变化的情况下，感应电压的基本波峰值相对于感应电压峰值的比例的曲线图。 图8是表示本发明的实施方式1中感应电压的5次谐波分量与基本波分量的相位差变 化的情况下，感应电压的基本波峰值相对于感应电压峰值的比例的曲线图。 图9是表示在本发明的实施方式1的无刷电动机中励磁极的磁体厚度、感应电压的5 次谐波分量与基本波分量的相位差、及5次谐波施加率的关系的曲线图。 图10是表示本发明的实施方式1中相对于感应电压的基本波分量的5次及7次谐波 施加率之和的比例变化的情况下，感应电压的基本波峰值相对于感应电压峰值的比例的曲 线图。 图11是表示本发明的实施方式1中感应电压的5次及7次谐波分量与基本波分量的 相位差变化的情况下，感应电压的基本波峰值相对于感应电压峰值的比例的曲线图。 图12是表示本发明的实施方式1的无刷电动机的励磁极的其它示例的局部放大图。 图13是表示本发明的实施方式1的励磁极的磁体厚度与产生单位转矩所需的磁体量 的关系的曲线图。 图14是表示本发明的实施方式1中的励磁极的磁体厚度比和齿槽转矩的振幅的曲线 图。 图15是表示本发明的实施方式1中的励磁极的磁体厚度比和转矩脉动分量的振幅的 曲线图。 图16是表示本发明的实施方式1的无刷电动机中抵消转矩脉动的说明图。 图17是表示本发明的实施方式1的无刷电动机的励磁极的其它示例的局部放大图。 图18是表示本发明的实施方式1中图17的励磁极的磁体厚度比与磁阻转矩的大小的 关系的曲线图。 图19是表示本发明的实施方式2的无刷电动机的一例的剖视图。 图20是表示本发明的实施方式2的无刷电动机的励磁极的单极部分的结构的局部放 大图。 图21是表示在本发明的实施方式2中的励磁极的外径比、感应电压的5次谐波分量与 基本波分量的相位差、及5次谐波施加率的关系的曲线图。 图22是表示本发明的实施方式2的无刷电动机的励磁极的其它示例的局部放大图。 图23是表示本发明的实施方式2的励磁极的外径比与产生单位转矩所需的磁体量的 关系的曲线图。 图24是表示本发明的实施方式2中的励磁极的外径比与齿槽转矩的振幅的关系的曲 线图。 图25是表示本发明的实施方式2中的励磁极的外径比与转矩脉动分量的振幅的关系 的曲线图。 图26是表示本发明的实施方式2中的励磁极的外径比与磁阻转矩的大小的关系的曲 线图。 图27是表示本发明的实施方式2中的励磁极的外径比与电感的d轴分量的大小的关 系的曲线图。 图28是表示本发明的实施方式3的电动机驱动装置的方框结构图。 图29是表示本发明的实施方式4的电动机驱动装置的方框结构图。 图30是表示本发明的实施方式4的三相电压指令及其线间电压的波形图。 图31是表示本发明的实施方式4中相对于感应电压的基本波分量的5次及7次谐波 振幅和变化的情况下，感应电压的基本波分量从100 %起增加的情况的曲线图。 图32是表示本发明的实施方式4中相对于感应电压的基本波分量的5次及7次谐波 振幅和变化的情况下，将5次谐波分量和7次谐波分量重叠后的高频重叠量的曲线图。 图33是表示本发明的实施方式4中相对于感应电压的基本波分量的5次及7次谐波 的相位变化的情况下，感应电压的基本波分量从100 %起增加的情况的曲线图。 图34是表示本发明的实施方式5的电动机驱动装置的方框结构图。 图35是表示本发明的实施方式6的电动机驱动装置的方框结构图。 图36是表示本发明的实施方式8的电动机驱动装置的方框结构图。 图37是表示本发明的实施方式9的电压施加单元的方框结构图。 图38是表示本发明的实施方式9中的第1三相电压指令和接通/关断信号的关系的 说明图。 图39是表示本发明的实施方式9中的第2三相电压指令和接通/关断信号的关系的 说明图。 图40是表示本发明的实施方式9中的载波三角波与电压指令中包含的7次谐波电压 的关系的说明图。 图41是表示本发明的实施方式9中提高载波三角波的频率的情况下载波三角波与电 压指令中包含的7次谐波电压的关系的说明图。 图42是表示本发明的实施方式9中改变载波三角波的频率的情况下逆变器输出电压 的频率解析结果的曲线图。 图43是表示本发明的实施方式10中电压指令中包含的5次谐波分量的时间波形的一 例的波形图。 图44是表示本发明的实施方式10中图43的5次谐波分量V5'的频率解析结果的曲 线图。 图45是表示本发明的实施方式10中相对于5次谐波分量的振幅的分割数与图43的 5次谐波分量V5'中包含的15次谐波分量的振幅的关系的曲线图。 图46是表示本发明的实施方式10中电压指令中包含的7次谐波分量的时间波形的一 例的波形图。 图47是表示本发明的实施方式10中图46的7次谐波分量V7'的频率解析结果的曲 线图。 图48是表示本发明的实施方式10中相对于7次谐波分量的振幅的分割数与图46的 7次谐波分量V7'中包含的21次谐波分量的振幅的关系的曲线图。 图49是表示本发明的实施方式11的电动助力转向装置的简要结构图。
【具体实施方式】
[0009] 下面，基于【附图说明】本发明的各实施方式。 实施方式1 图1是表示本发明的实施方式1的无刷电动机的结构的剖视图，图2是表示本发明的 实施方式1的电动机驱动装置的方框图。
[0010] 图1中，作为多重绕组电动机的无刷电动机301的电枢由具有电枢绕组的电枢铁 心310构成，励磁极由具有多个永磁体314的励磁极铁心313构成。 无刷电动机301的电枢绕组具有形成未电连接的两个3相绕组群的第1绕组组311和 第2绕组组312,电枢绕组的绕组组间未电连接，且在本实施方式的无刷电动机301中，在 设励磁极的N极和S极的对在励磁极周向上所占的角度为电气角360°时，第2绕组组312 相对于第1绕组组311具有30°的相位差。 此外，在设励磁极的N极和S极的对在励磁极周向上所占的角度为电气角360°时，成 为绕组的线圈间距为180°的整节距绕组。
[0011] 此外，如图2所示，对无刷电动机301的第1绕组组311、第2绕组组312施加电压 的电压施加器321、322产生ul'、vl'、wl'、u2'、v2、'w2<，以作为与各相对应的输 出电压，ul'、vl'、wl'与第1绕组组311的ul、vl、wl的端子连接，u2'、v2、'w2'与 第2绕组组312的u2、v2、u2的端子分别连接。 艮P，通过电压施加器321、322,对两个绕组组311、312的线间ul-vl、vl-wl、wl-ul、u2 -v2、v2 -w2、w2 -u2施加交流电压（电动机施加电压），驱动无刷电动机301。
[0012] 在图3中示出将具有这种6个相111、112、￥1、￥2、￥1、￥2的无刷电动机301的电枢 线圈卷绕的示例。 其中，图中的ul、u2、vl、v2、wl、w2表示各相的线圈，（+)、（-)表示卷绕方向。 此外，如图4所示，这些电枢线圈利用各自的绕组组以A或Y接线的方式进行3相连 接。 其中，如上所述，第1绕组组311(111、￥1、《1)与第2绕组组312(112、 ￥2、￥2)未电连接。
[0013] 此外，电压施加单元302由与各绕组组对应的电压施加器321、322构成，基于控制 单元303输出的电压指令vlu*、vlv*、vlw*、v2u*、v2v*、v2w*，利用逆变器等的电源，向无 刷电动机301提供电压。
[0014] 对控制单元303进行说明。 电压振幅指令运算器315基于无刷电动机301的所希望的速度《*，此处，以与成 比例的方式计算限制前的电压振幅指令V*。 另外，V*相当于线间电压振幅。 积分器316对速度指令w*进行积分，输出电压指令的相位0 1。 三相电压指令运算器317对于第1绕组组，基于V*和相位0 1，利用下式输出三相电压 指令vlu*、vlv*、vlw*〇 [数学式1] 数学式1
三相电压指令运算器318对于第2绕组组，基于限制后的电压振幅指令V*和电压指令 的相位0 2,进行同样的处理。 另外，0 1与02在电气角上具有30°的相位差。
[0015] 接下来，在图5中示出图1的无刷电动机301的励磁极的单极部分的放大图。 该无刷电动机301在励磁极铁心313的表面具有磁体粘贴面，在磁体粘贴面利用粘接 剂等粘贴永磁体314,设定成永磁体314的中心厚度为hl，永磁体314的端部厚度为h2。
[0016] 此处，对于图1的无刷电动机301，在电动机对每一磁极具有对称结构的情况下， 因励磁极旋转而在图2所示的电动机端子的线间ul-vl、vl-wl、wl-ul、u2 -v2、v2 - w2、w2 -u2产生的感应电压E由下式来表示。
[数学式2] 数学式2
上式中，感应电压E由基本波分量和2k+l次谐波分量之和来表示，该2k+l次谐波分量 具有基本波分量的2k+l次倍的频率分量，其中k设为1以上的整数。 此外，E^Em+dp表示各次数波形的峰值，0 (2k+1)e;表示各基本波分量与2k+l次谐波分 量之间的相位差。
[0017] 此处，若设感应电压峰值为EP，则从图6可知，EP为从外部向电压施加器321、322 的各相间施加的电压的时间轴上的最大值。 此处，电压施加器321、322的相间的耐压的最大值由电压施加器321、322使用的开关 元件、电路元件等来决定上限，若超过耐压，则有可能会导致电压施加器的故障，因此，若考 虑上述上限电压，则感应电压峰值EP优选较小。
[0018] 另一方面，无刷电动机301的转矩T由下式来表示。
[数学式3] 数学式3 T-Elp/?......式 2 其中，将《设为无刷电动机301的角速度。 如上式那样，无刷电动机301的转矩与感应电压E的基本波分量成比例，因此，为了抑 制感应电压峰值Ep并提高转矩的值，需要提高基本波峰值E1P与感应电压峰值EP的比率 E1P/EP〇
[0019] 此处，本实施方式中，对于感应电压E，如图6所示，施加由基本波分量、5次谐波分 量、及其它谐波分量之和表示的梯形波。 这种感应电压E由下式来表示。
[数学式4] 数学式4 E(t) =Elpsin(?t) +E5psin(5 ?t+ 0 5e) +Eother......式 3 此处，E1P、E5P为各次数波形的峰值，其它奇数次谐波分量之和，0 56为5次谐波 分量与基本波分量之间的相位差。
[0020] 接下来，考虑使E5P/E1P即相对于感应电压E的基本波分量的5次谐波施加率变化 的情况下E1P/EP的变化。 在图7中示出当感应出056为18〇°、E5P/E1P设定为0~15%的电