CN101365615B - 汽车转向盘机电式助力器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种汽车控制装置。电动机的定子上设置有带有n个突出磁极的磁心，带有n-2个磁极的转子被设计为永磁体的形式。定子的三相绕组中设置有一些线圈，它们被按照一定的方式布置在六个相位交错的相等区域内，使得每个相位区都被指定为一个磁极，且处于各个相位区中的多个线圈属于同一相位。处于相位区内的、属于同一相的绕组线圈被按照并联组配的构造连接起来。转向盘助力器的本体上设置有输入轴和输出轴，它们借助于扭力杆相互连接起来，其中的扭力杆被设计为力矩传感器感测元件的形式，输入轴和输出轴与转向盘相联接，并利用另一端与转向机构相联接。电动机转子被安装在输出轴上。本发明的装置还包括：可控制的电源，其用于向定子绕组供电；转子位置传感器；以及控制单元，该控制单元的输入端口与力矩传感器以及电动机转子位置传感器的输出端口相连接，其输出端口与供电电源的控制输入端口相连。本发明消除了外界扰动力矩向转向盘的传递，并能改善电动机和转向盘助力器的可制造性，并提高了装置的使用性能。

Description

汽车转向盘机电式助力器
技术领域
本发明涉及一种汽车控制装置，其可被用来实现转向盘作用力的减小，尤其是在低速情况下操纵转向盘时、以及当汽车处于静止状态时转动转向盘的情况下，使用该装置来减小转向盘力。
背景技术
现有技术中存在这样的汽车转向盘机电式助力器(参见文献RU2158692，其国际分类号B62D 5/04，文献日期为2000年)：其包括转向盘力矩传感器、汽车车速传感器、以及与所述传感器和电动机相连的控制单元，其中的电动机响应于控制单元发出的信号而受到控制，且通过减速装置与输出轴相连接。
该助力器中的电动机是三相电机，且定子齿的数目等于12，转子齿的数目等于8，但该电动机的磁路系统被制成使得转子齿与定子齿存在相对的偏斜，定子齿和转子齿相对于气隙的齿顶斜度和宽度被选定为与转子的齿距具有确定的关系。
现有装置存在如下的缺点：
-转轴上的电磁力矩存在脉动；
-尺寸大、重量重；
-在转向盘助力器中设置了减速装置，其增加了结构的复杂性；
-重量数值和尺寸数值都被增大了；
-由于在转向盘助力器发生故障时转向盘可能出现自锁，所以汽车的操控性能受到损害。
本发明所提出转向盘机电式助力器最接近的现有技术是一种转向盘机电式助力器(参见文献RU 2181091，其国际分类号B62D 5/04，文献日期为2002年)，其包括：本体，在该本体内设置了输入轴和输出轴，输入轴与输出轴借助于扭力杆相互连接起来，其中的扭力杆被设计为力矩传感器感测元件的形式，输入轴和输出轴与转向盘相联接，并利用另一端与转向机构相联接；电动机，其包括带有磁心和三相绕组的定子，其中的磁心具有n个突显的磁极，而绕组则是通过线圈实现的，这些线圈被按照一定的方式布置在六个相位交错的相等区域内，使得每个相位区都被指定为一个磁极，且处于各个相位区中的多个线圈属于同一相位，电动机还包括带有n-2个磁极的转子，该转子被设计成永久磁体的形式，该转子被安装在输出轴上；可控制的电源，其用于向电动机定子的三相绕组供电；传感器，其用于检测电动机转子的位置；以及控制单元，该控制单元的输入端口与力矩传感器以及电动机转子位置传感器的输出端口相连接，但其输出端口与所述供电电源的控制输入端口相连。
在这种现有的装置中，电动机定子三相绕组中处于相位区内的、属于同一相的线圈被按照串联组配的构造连接起来。
该现有装置存在如下的缺点：
-由于电动机转子和定子的回路(contour)缺乏能缓冲冲击的设计，所以内部的缓冲能力差。这导致如下情况的出现：在部分路面上，当车轮受到急剧的作用力时，传递到转向盘上的力矩存在扰动；
-在电动机定子制造方面的技术效能很差，且在获得最佳机械细节特性方面的效能也很差。
产生上述缺陷的前提条件是：在供电频率低且供电电压低的情况下，电动机定子绕组相位线圈的匝数少，但横截面大。将这样的线圈布置在狭窄开口中会进一步加剧上述缺陷。
用于高扭矩直接驱动的转向盘机电式助力器的电动机应当在给定的尺寸下、在最大的电磁负荷下具有最大的转矩。
在电动机尺寸给定的情况下、在磁感应给定的情况下，机械特性的形式(即不工作行程的位置点以及短路点位置)是由相位线匝的数目决定的。
在相位线匝数目少且串联连接的情况(现有的转向盘电动助力器即存在这样的情况)下，由于取决于所选择的设计而使得匝数的变化存在很大的离散性，所以，在获得最佳的机械特性方面出现了很多的特色性的细节设计。
发明内容
本发明所要解决的问题在于设计一种装置，在该装置中，消除了向转向盘传递外界扰动力矩的情况，并能提高在制造电动机定子以及整个转向盘助力器方面的技术性效能，且能改善助力器的可用质量。
在本发明中，通过设计一种转向盘机电式助力器而实现了上述效果，该助力器包括：本体，在该本体内设置了输入轴和输出轴，输入轴与输出轴借助于扭力杆相互连接起来，其中的扭力杆被设计为力矩传感器感测元件的形式，输入轴和输出轴与转向盘相联接，并利用另一端与转向机构相联接；电动机，其包括带有磁心和三相绕组的定子，其中的磁心具有n个突显的磁极，而绕组则是由线圈实现的，这些线圈被按照一定的方式布置在六个相位交错的相等区域内，使得每个相位区都被指定为一个磁极，且处于各个相位区中的多个线圈属于同一相位，电动机还包括带有n-2个磁极的转子，该转子被设计成永久磁体的形式，该转子被安装在输出轴上；可控制的电源，其用于向电动机定子的三相绕组供电；传感器，其用于检测电动机转子的位置；以及控制单元，该控制单元的输入端口与力矩传感器以及电动机转子位置传感器的输出端口相连接，但其输出端口与所述供电电源的控制输入端口相连，其中，根据本发明，电动机定子三相绕组中处于相位区内的、属于同一相的线圈被按照并联组配的构造连接起来。
将相位区中的线圈并联起来能使得定子绕组中形成短闭合回路，与此相关，邻近线圈的电动势(EMF)成为了相位互反的电动势。在从汽车车轮传入扰动作用的情况下，位于输出轴上的电动机将开始消除掉该扰动作用，由此在绕组的回路中产生出电流。由这些电流形成的阻尼力矩将消除掉所进入的扰动作用。
因而，这些回路类似于同步电动机中的阻尼栅条(damping grid)。
利用电动机的磁心作为转向盘助力器的本体能简化转向盘机电式助力器的结构，并使其制造技术变得简单。
位于中空输入轴或中空输出轴内部的扭力力矩传感器的定位方式能减小转向盘机电式助力器的尺寸。
对线圈的并联将导致线圈中匝数的增加。这反过来将使得线圈的数目选择更为优化，并能增大电磁力矩。
附图说明
下文将借助于详细描述和附图对本发明的实质内容进行介绍，在附图中：
图1中的剖面图表示了本发明的转向盘机电式助力器；
图2是电动机的横截面图，该电动机被用在转向盘机电式助力器中；以及
图3中的示意图表示了线圈极性的连接关系。
具体实施方式
汽车转向盘机电式助力器是由如下部件构成的：本体1；输入轴2和输出轴3，它们借助于扭力杆4相互连接起来，扭力杆4是力矩传感器5的感测元件，其对施加到转向盘上的力矩进行测量，并形成对应的输出信号；电动机6；可控制的电源(图中未示出)，其用于向电动机的三相定子绕组供送电力；电动机的转子位置传感器7；以及控制单元(图中未示出)。
控制单元的输入端口与电动机力矩传感器5和转子位置传感器7的输出端口相连，但其输入端口与所述电源的控制输入端口相连。
电动机6包括带有磁心8的定子和转子9，该电动机被安装在转向盘助力器的输出轴3上。
电动机6是三相电动机。定子10被制成带有突现的磁极11，线圈12被逐个地布置在各个磁极上。
转子9是多极转子，其被制成由永磁体13进行磁化。定子磁极11的数目与转子磁极的数目相差2。
转子位置传感器7是由三个Hall(霍尔)效应传感器构成的，这三个传感器相互之间错移开120度，并能确定转子相对于转子9漏磁通的转角位置，其中的漏磁通是由永磁体13产生的。
定子10的线圈具有引线端A、B、C和末端X、Y、Z，这些线圈被布置在六个相位区中。在每个相位区中都有多个线圈，这些线圈被按照并联组配的构造连接起来，且属于同一相位。
定子磁心8可被用作转向盘助力器的本体(其可与本体1重合到一起)。这样的设计形式取决于制造该结构时的技术可行性。
力矩传感器5的扭力杆4可被定位在中空输出轴3或中空输入轴2的内部中。
这样来布置扭力杆能允许将输入轴和输出轴以花键的形式接合起来，并带有一定的游隙，该游隙等于扭力杆旋紧的角度数值。
设置一定的安全措施是必须的，以防止向输入轴施加过大的力矩，这会将扭力杆扭断。对扭力杆不同定位形式的选择是由转向盘机电式助力器的结构特殊性决定的。
本发明的转向盘机电式助力器的工作过程如下。
在力矩传感器5产生信号的前提下，电动机6的控制单元发出电力控制信号，该信号被施加到电动机6的绕组上，以为转向机构提供所需的补偿力矩。与此相随，绕组12上信号数值的形成考虑到了转子位置传感器7的信号。
在电动机6的控制单元中，根据设定的信号来消除正弦形式的电流，当该电流在定子10的绕组12中流过时，产生出电磁力矩，该力矩立即就施加到了转向盘助力器的输入轴3上。
通过更为精确地选择相位的匝数，采用同一相位区中线圈为并联结构的线圈12能简化电动机6的制造技术，并改善电动机6以及整个转向盘助力器的重量数值和尺寸。
在本发明中，在将线圈并联、且将绕组连接到相同电压(也就是说，与线圈串联连接电压相同)的情况下，线圈的匝数增加了，但导线的横截面积减小了。将横截面较小的绕组布置在转向盘机电式助力器的电动机中在技术上更为可行。
在大小给定的情况下，电动机的重量和尺寸数值是由电磁力矩的数据决定的。该力矩数值与电流率、匝数、以及气隙感应系数的乘积成比例。
在选择确定了气隙最大感应值、电流率最大数值(从车载电力线路获得)给定的情况下，力矩数值的增大仅能通过选择各相中线圈匝数的最优数值来达到。但增大线圈匝数会导致线圈反电动势的增大，因而，会导致电流率的减小和力矩的减小。
机械特性中不工作行程的位置点也会发生变化，该指标的数值与所施加的电压数值成正比，并与线圈中的匝数和磁通量成反比。
其线圈在各个相位区中串联连接的电动机的线圈匝数较少，但却因此使其匝数变化的离散度很大，达到3、4、5等级别。
例如，作为一个基本原理，制造如下的绕组将被不可能的：其线圈中的匝数等于5.3，该绕组位于具有三个线圈的电机中，且线圈在相位区中串联连接，但在将这三个线圈并联、且电压相等的情况下，线圈中的匝数将会被增加三倍，也就是说5.3×3≈16。
在处于同一相位区中的、并联连接的线圈中，在转子9转动时，会感生出电动势，该电动势的数值是可变化的，这会导致在绕组12中产生对等的抵消电流。为此原因，在普通的电动机中，原则上不采用这样的连接形式。但在转动频率非常低(达到2转/秒的程度)的情况下，汽车转向盘机电式助力器中的电动机却可工作。
在上述的低转动频率的情况下，在标定的模式下，绕组中感生出的电动势并不大，抵消电流也很小，这是因为：所施加的电压基本上被定子10的绕组12的有效阻抗所带来的电压降抵消掉了。
在过渡状态下，当转子9的转轴受到车轮部分的急剧作用时，线圈中电动势的瞬时数值将急剧增大，这将导致相位区的线圈中产生很大的抵消电流，这将产生出反向力矩，从而促进了对来自于车轮部分的扰动作用的缓冲。
因而，电动机6定子10中处于各个相位区内的、属于同一相的线圈被按照并联组配的构造连接起来，这使得本发明与最接近的现有技术相比具有有利的区别，原因在于：本发明能消除向转向盘传递的外界扰动力矩，显著地提高了在制造电动机定子以及整个转向盘助力器方面的技术性效能，且能改善助力器的可用质量。
采用本发明能提高驾驶汽车时的安全性和便利性。
制造并测试了转向盘机电式助力器的样品。所得到的结果表明：与原型相比，由于能更为优选地选择电动机线圈中的匝数，所以，本发明转向盘机电式助力器转轴上的最大力矩增大了10％。

Claims (4)

1.一种转向盘机电式助力器，其包括：本体(1)，在该本体内设置了输入轴(2)和输出轴(3)，输入轴与输出轴在一端借助于力矩传感器(5)的扭力杆(4)相互连接起来，其中的扭力杆被设计为所述力矩传感器(5)的感测元件的形式，输入轴和输出轴各自的另一端分别与转向盘和转向机构相联接；电动机(6)，其包括带有磁心(8)和三相绕组的定子(10)，其中的磁心具有n个突显的磁极(11)，而绕组则是通过线圈(12)实现的，这些线圈被按照一定的方式布置在六个相位交错的相等区域内，使得每个相位区都被指定为一个磁极，且处于各个相位区中的多个线圈属于同一相位，电动机还包括带有n-2个磁极的转子(9)，该转子被设计成永久磁体(13)的形式，与此相随，该转子(9)被安装在输出轴上；可控制的电源，其用于向电动机定子的三相绕组供电；电动机的转子位置传感器(7)，以及控制单元，该控制单元的输入端口与力矩传感器(5)以及电动机转子位置传感器(7)的输出端口相连接，但其输出端口与所述可控制的电源的控制输入端口相连，其特征在于：电动机(6)定子(10)三相绕组(12)中处于相位区内的、属于同一相的线圈被按照并联组配的构造连接起来。
2.根据权利要求1所述的转向盘机电式助力器，其特征在于：电动机定子的所述磁心(8)被用作转向盘助力器的本体(1)。
3.根据权利要求1所述的转向盘机电式助力器，其特征在于：力矩传感器(5)的所述扭力杆(4)被布置在中空的所述输出轴的内部。
4.根据权利要求1所述的转向盘机电式助力器，其特征在于：力矩传感器(5)的所述扭力杆(4)被布置在中空的所述输入轴的内部。
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