CN103812250A - 汽车用电动致动器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种汽车用电动致动器。在现有的专利文献中，提案有用于切断电动机的相电流的结构，但由于未考虑对电动机内的相短路的对策，因此不仅不能实现转向助力而且不能消除因相短路电流产生制动转矩。为了解决上述问题，在本发明中，为了实现适合机电一体型的控制电路的小型化而使逆变器为一个，构成由在电动机内部独立的两个三相绕组构成的电动机，在各个独立的三相绕组的中性点配置电动机继电器。

Description

汽车用电动致动器

技术领域

本发明涉及电动助力转向电动机中使用的中性点开关的连接结构。

背景技术

作为本技术领域的背景技术具有专利文献1。该公报中，在一个电动机中利用匝数不同的两个系统的绕组和两个独立的逆变器驱动的结构中，在三相绕组的输入侧配置有两个系统的独立的6个继电器。此外，具有专利文献2。该公报中，公开了由匝数相同的两个系统的绕组和两个逆变器构成的、在三相绕组的输入侧配置有6个独立的继电器的结构。此外，专利文献3中，公开了在与专利文献2同等的结构中，在一个齿中具备第一系统的绕组和第二系统的绕组的结构。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2012-90383号公报

专利文献2：日本特开2011-45212号公报

专利文献3：日本特开2003-40123号公报

发明内容

发明想要解决的技术问题

以上，专利文献中均为由两个独立的三相逆变器构成，此外电动机继电器配置在电动机的输入侧的结构。为此，必须配置两组逆变器，所以控制电路部增大，在机电一体型的电动助力转向电动机中难以采用。此外，因为电动机继电器配置于电动机的三相绕组的输入侧，在发生电动机内部的相短路的情况下，即使将电动机继电器切断，在电动机内部也产生短路电路，驾驶员使转向动作的情况下，因电动机内部的短路电流使转向动作变得迟钝，可能使驾驶员感到不协调。

用于解决技术问题的技术方案

为了解决上述课题，在本发明中，将在电动机内部连接的三相绕组分为多个三相绕组群，配置将三相绕组的连接切断的切换单元，以使各个群作为独立的三相绕组发挥功能。

发明效果

本发明中，即使任一个群中发生了相短路的情况下，也能够利用切换单元切断发生不良的绕组群，所以能够使用剩余的正常的绕组群继续动作。

附图说明

图1是机电一体型电动助力转向电动机的立体图。

图2是仅为电动机部的立体图。

图3是电动机部的轴方向截面图。

图4是8极-12槽结构的相配置的说明图。

图5是8极-12槽结构且将电动机继电器配置于中性点的电路结构图。

图6是8极-12槽和10极-12槽的相配置说明图。

图7是8极-12槽的电动机结构图。

图8是10极-12槽的电动机结构图。

图9是电动机的相短路检测结构的一例的说明图。

图10是说明相短路检测的状况的说明图。

图11是直到检测出相短路为止的流程图

图12是表示用于相短路检测的其它检测方法的结构图。

图13是发生相短路时的时序图。

图14是三角形接线时的电动机结构图。

附图标记说明

1 机电一体EPS电动机

100 电动机部

200 控制部

201 连接器

2 轴

3 齿轮

4 定子铁芯

5 转子铁芯

6 磁铁

7 磁铁罩

8 R轴承

9 F轴承

10 轴承罩

11Y1 电动机继电器

11Y2 电动机继电器

12 同步分解器转子（resolver rotor）

13u U相端子

13v V相端子

13w W相端子

16 电源端子

17 铝制外壳

18 端子基板

30 线圈

31 线轴

C1、C2 电流检测器

CT1、CT2 三相电流检测器

具体实施方式

以下，用图1至图14说明实施例。

【实施例1】

本实施例中，对于电动助力转向电动机的电动机与控制部由一体结构构成的机电一体型电动助力转向（简称EPS）电动机结构进行说明。

本实施例的电动机是将由U相、V相和W相构成的多个线圈连接而构成一个三相绕组的电动致动器，三相绕组由使U相、V相和W相连接而成的多个绕组群并联连接的电路构成。

绕组群的各相的绕组彼此连接的连接部，具有能够使各绕组群独立地从其它绕组群切断的切换单元。即使用该切换单元，将某一个绕组群从其它绕组群切断，因为剩余的绕组群维持并联连接，所以利用剩余的绕组群构成一个三相绕组。

通过采用这样的结构，即使多个绕组群中的任一个发生不良的情况下，也能够使发生不良的绕组群独立地从其它绕组群切断，所以能够利用剩余的绕组群继续后续动作。

图1是对本实施例的电动助力转向电动机的结构进一步具体说明的实施例的一例。机电一体EPS电动机1由电动机部100和控制部200构成。在控制部200设置连接器201，供给电源。控制部200中安装有用于驱动电动机的逆变器和控制基板。电动机部100是从控制部200供给三相的驱动电源的结构。虽然未图示，但在电动机部100的右侧设置有能够输出电动机的转矩的输出轴。

用图2详细说明电动机部100的结构。图2表示除去之前说明的图1的控制部200后的结构。电动机部100在铝制外壳17的内部，由用于构成电动机的定子、转子、线圈构成（未图示）。与控制部200的电连接点是与三相绕组连接的U相端子13u、V相端子13v、W相端子13w和继电器驱动用的电源端子16。继电器驱动用的电源端子16准备两个，使得能够对两个继电器独立地进行开闭控制。该信号因为电流容量较小而作为负侧本体接地。端子基板18由树脂成型构成，在该树脂基板的上部安装有两个电动机继电器11Y1和电动机继电器11Y2。此外，在端子基板18的中心部对电动机用轴2压入磁极检测用的同步分解器转子12。

用图3说明电动机部100的截面结构。在铝制外壳17中通过热套固定定子铁芯4。在该定子铁芯4中在树脂线轴31上卷绕有线圈30。在定子铁芯4的内周部以轴2为基准设置有转子铁芯5，在该转子铁芯5的外周部配置有磁铁6，且在磁铁6的外周部设置有磁铁罩7。磁铁罩7由非磁性体的材料构成。在轴2的轴承中，配置在输出轴侧的F轴承9由铝制外壳17保持。此外，在输出轴的前端设置有用于动力传递的齿轮3。在与输出相反一侧的轴承设置有R轴承8，R轴承8的外圈由轴承罩10保持。该轴承罩10与端子基板18在同一个螺孔中螺合（未图示）固定于铝制外壳17。在端子基板18上，如上所述，设置有用于与控制部200电连接的三相端子即U相端子13u～W相端子13w。此外，设置有用于使三相绕组的中性点电开关的两个电动机继电器11Y1和11Y2、以及用于控制这些电动机继电器的继电器电源端子。这些继电器置换为半导体开关也具有同样的效果。

图4表示8极-12槽结构的相配置。8极-12槽的相邻的齿的电相位为120度，所以U相旁边是V相或W相。该图中，顺时针地定义V相。其结果，能够以机械角90度构成一组三相绕组，所以作为三相绕组，具有对于一相使4个线圈串联连接、两串联两并联、四并联这三种连接方法。例如，该结构的情况下U相线圈的旁边是V相线圈，其相反侧是W相线圈，因此在发生线圈间的接触的情况下发生相短路。

接着，用图5说明电动机内部的相短路的可能性。首先，对于结构进行说明。该电动机结构表示在之前所示的8极-12槽结构且为一相四并联结构的绕组连接中，在三相的中性点配置有一个电动机继电器11Y的结构。该电动机继电器由用于使电连接接通-断开的接点11S和进行其控制的励磁绕组11X构成。该励磁绕组的控制构成为与继电器控制部CON电连接，能够进行接通-断开动作。此外，电动机的三相绕组与逆变器INV连接。继电器控制部CON和逆变器INV被收纳于控制部200中。此外，这些的控制部200与蓄电池Bt连接。

在三相绕组中例如U相绕组的情况下，因为与V相绕组或W相绕组电连接而发生相短路。关于发生的机制，能够考虑相间的间隙混入了异物的情况、因电线彼此的摩擦导致产生机械损伤、因绝缘覆盖的劣化导致等，而发生频率是相当低的值。但是，一旦发生相短路，在控制中变得无法控制，所以需要将相短路部切断。该电动机继电器11Y是常开，通常为断开。在电动助力的情况下使其接通而动作。因此，恒常流过电流而发生损失，所以冷却是重要的。如图4所示，U相线圈与V、W相线圈彼此相邻，所以存在发生相短路的可能性。图5所示的点划线表示该相短路。U相线圈与V相线圈发生相短路的情况下，转向动作时在实线的箭头所示的环路中经由中性点流过短路电流。W相中也是同样的。当发生该相短路时，使转向动作的情况下因电动机的反电动势，在短路部中流过短路电流，产生阻碍转向动作的力。为了不产生该短路电流，能够通过将电动机继电器11Y切断而实现。但是，将电动机继电器11Y切断则不能进行电动机动作，不能进行转向助力，驾驶员会对转向动作感到不便。于是，本实施例中，采用在电动机内部构成独立的两个电动机，在各个电动机的中性点设置电动机继电器的结构。根据该结构，用一个逆变器实现适合机电一体型的控制电路的小型化。

图6中，（a）表示作为电动助力转向广泛采用的2极3槽结构的8极-12槽结构的相配置，（b）表示10极-12槽/14极-12槽结构的相配置。如上所述，8极-12槽结构中相邻的相是其它相，所以为了机械地防止相短路，如图所示对各个槽均插入绝缘纸50～61是有效的。与此相比，10极-12槽中两个同相线圈20个连续地排列，所以各相的绝缘纸50～55成为一半的张数。但是，在槽间设置绝缘纸时会导致线圈的槽满率的降低、成本上升，所以需要尽可能减少使用数量。

图7表示使电动机绕组由两个并联电路构成的两种连接方法。（a）表示在电动机的机械结构中机械地分为左半部和右半部的结构。该结构能够机械地将电动机左右分割，所以可能发生相短路的部位是W4和U1以及W2和U3两处，因此绝缘纸能够减少为50和56。（b）的星形配置中星形接线（Y接线）内的相短路的可能性降低，但是产生了与另一方的星形接线的相短路的可能性。该情况下，因为短路通路变长，可以认为短路电流也增大。为了防止跨星形接线的相短路，各个槽之间需要绝缘纸。

图8中对于10极-12槽、14极-12槽的接线结构与图7同样地表示两种方式。（a）表示机械地分为两个电动机绕组的情况，（b）表示星形地配置各相绕组的情况。这些情况下，在机械地将电动机绕组左右分割的（a）的情况下绝缘纸也能够简化为2张，（b）在一个电动机驱动时电动机也能够均衡地旋转，但理想状况下需要6张绝缘纸。

图9中对于检测分为两个系统的电动机发生相短路时的方法的一例进行说明。电路结构表示图8中所示的（a）的左右分割方式。两个独立的星形接线的中性点是独立的，没有电连接。此外，配置能够同时测定同相的相电流的电流检测器C1和C2，能够监视各个星形接线的电动机电流。

例如，因为线圈U4和线圈V3彼此相邻地配置，所以在其界面发生相短路时，产生图9所示的点划线的短路电路。其结果，U相线圈和V相线圈的相电阻降低，产生三相的失衡。其结果是，发生电流检测器C2中流过的U相电流增加的现象。此外，两个星形接线的中性点电位也产生不均。因此，如果根据相电流的失衡或中性点电位的变动检测出相短路的发生，则能够检测出哪一个星形接线的电动机发生了相短路。

图10表示根据相电流的变化检测相短路的发生的时序图。表示了在各个电流检测器C1和C2中流过的电流。通常流过相同的电流，但发生相短路时，因为相电阻减小所以相电流增加。在控制电路侧恒定比较电流的大小，在电流变得失衡的情况下，判断电流值增大的一侧的电动机发生相短路，使电动机继电器11Y2断开。

图11表示该检测算法的流程图。检测是对各个星形接线中流过的电流进行比较，使电流检测器的电流增大的一方的电动机继电器断开。之后，对上级系统通知异常且对驾驶员报告异常。

以上的说明仅比较了电流值，实际上相位也发生变化，所以也能够将相电流的相位用于判定基准。

以上，说明了使用两个电流检测器的结构，以下用表示对各相各设置一个电流检测器的情况说明。图12表示中性点的电动机继电器具备电流检测器的结构。在各个电动机继电器11Y1的内部设置有三相的电流检测器，将各相中流过的电流相加。通常三相电流的相加结果总是零，在成为零以外的情况下进行动作，使继电器部断开。电动机继电器11Y2也是同样的。通过在各中性点配置上述结构的电动机继电器，检测出包括相短路的电动机异常，将来自逆变器的电流输入切断，并且将相短路时产生的反向电压的短路电路切断。

图13表示其时序图。三相的电流检测器CT2信号是将各相的电流相加的结果，通常基本为零，而发生相短路时相电流的合计值发生变动，所以在发生变动的情况下进行动作，使电动机继电器的励磁线圈断开。

如上所述，在电动助力转向系统中电动机的线圈发生异常，电动机助力停止时，不能进行转向动作，仅能通过人力动作，今后，高龄的驾驶员增加时，仅用人力的转向动作会对于驾驶失去舒适感。于是，在本实施例中，在机电一体地小型地设计的电动助力转向系统中，该系统使电动机绕组由多个独立的三相绕组构成，进而使它们成为星形连接地构成，在其中性点部分配置电动机继电器，进一步设置检测相电流的单元，根据该电流值的值或相位、进而根据中性点电位确定多个电动机中发生异常的电动机，通过将设置在该中性点的继电器电切断，能够利用能够正常动作的电动机继续电动助力。此外，通过将电动机继电器分为多个，每一个的体积减小，因此在机电一体型这样布局空间的限制较大的结构中，继电器的搭载布局的自由度提高。

【实施例2】

图14表示与图7、8中说明的在星形接线的中性点设置继电器的结构相对，在各相的连接点设置继电器的三角形接线（△接线）的电动机结构图。

对于图14的结构进行说明。三角形接线由两个独立的三相绕组构成。各相的U相、V相、W相的线圈使两个线圈串联连接。关于继电器，设置于U相与V相之间的是电动机继电器11△1u，设置在V相与W相之间的是电动机继电器11△1v，同样，设置在W相与U相之间的是电动机继电器11△1w。这些继电器通过由电信号（未图示）在励磁绕组中流过电流而进行接通、断开动作。在励磁绕组中不流过电流的情况下这些继电器的开关是开放的，各相的线圈是被切断的状态。另一方的三角形绕组也同样在各相的连接部分设置继电器。

关于该继电器用机械的继电器结构进行了说明，而使用半导体的继电器也具有同样的效果，所以根据电动机和控制电路的结构分开使用较好。此外，无论使用哪一个方式的继电器，从温度管理的观点出发，设置于控制电路侧容易管理。因此，从可靠性的方面出发，也优选配置在控制电路侧。

两个独立的三角形接线构成为将同相的继电器之间连接，使各相的绕组并联连接。此外，用于检测独立的两个三相接线的异常的电流检测器在三相绕组的某一个相设置一对电流传感器。该图的情况下，设置于与U相和V相的连接部分连接的继电器的配线部分。电流检测器C1和C2的功能是，因为是并联连接，所以通常流过大致相同的电流，当一侧的三相绕组发生内部短路的情况下，各个电流检测器中流过的电流值产生失衡，起到检测该时刻并切断异常电流的继电器的检测器的作用。当发生该异常时，通过将设置于三角形接线内的三个继电器同时切断，具有能够抑制由电动机的内部短路导致的短路电流产生制动转矩的效果。该图中，用使用6个继电器的结构说明，如果使用使多个继电器成为一个模块的结构，则能够以更少的继电器的数量控制电流的流动。

以上实施例以机电一体型的电动助力转向为例进行了说明，但也能够应用于控制电路和电动机分别构成的电动助力转向系统。此外，还能够应用于要求用于汽车的可靠性的、除转向方面的电动机以外的制动助力电动机或混合动力车用主电动机、电动车用的电动机等。

Claims (9)

1.一种将U相、V相和W相构成的多个线圈连接构成一个三相绕组的电动致动器，其特征在于：

所述三相绕组由使U相、V相和W相连接而成的多个绕组群并联连接的电路构成；

所述绕组群的各相的绕组彼此连接的连接部，具有能够使各绕组群独立地从其它绕组群切断的切换单元；

在通过所述切换单元将某一个绕组群从其它绕组群切断了的情况下，通过使剩余的绕组群并联地连接而构成一个三相绕组。

2.如权利要求1所述的电动致动器，其特征在于：

所述绕组群由星形接线构成，所述连接部是星形接线的中性点。

3.如权利要求1所述的电动致动器，其特征在于：

所述绕组群由三角形接线构成，所述连接部是U相、V相和W相彼此连接的部分。

4.如权利要求1所述的电动致动器，其特征在于：

所述绕组群，由邻近的最小限度的相的绕组单位构成，并且将各个绕组群串联或并联连接地构成。

5.如权利要求1所述的电动致动器，其特征在于：

在所述多个绕组群彼此的边界配置有电绝缘物。

6.一种电动致动器的控制方法，其对将所述绕组群并联连接的权利要求1所述的电动致动器进行控制，其特征在于：

以在不同的绕组群的同相绕组中流过的电流值的失衡为基点生成信号，基于该信号切断励磁绕组电流。

7.一种汽车用的电动致动器的控制方法，其对将所述绕组群并联连接的权利要求2所述的电动致动器进行控制，所述电动致动器的控制方法的特征在于：

以不同的绕组群的中性点电位的失衡为基点生成信号，基于该信号切断励磁绕组电流。

8.一种电动致动器的控制方法，其对将所述绕组群并联连接的权利要求1所述的电动致动器进行控制，所述电动致动器的控制方法的特征在于：

对各绕组群的三相绕组以相电流的合计值的失衡为基点生成信号，基于该信号断开励磁绕组电流。

9.一种电动致动器的控制方法，其对将所述绕组群并联连接的权利要求2所述的电动致动器进行控制，所述电动致动器的控制方法的特征在于：

所述切换单元的内部具有能够测定与中性点连接的各相的电流的功能，并且具有在该相电流的合计值不为零的情况下，截断所述切换单元的励磁线圈的电流的功能。

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