CN105141099A - 交替极无刷永磁电机及基于该电机的电子助力转向系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交替极无刷永磁电机，用于电子助力转向系统中，该电机包括：呈中空筒体状的定子铁芯，其内壁开有槽，定子绕组放置在对应的定子槽内；呈中空筒体状的转子铁芯，同轴套设在定子筒体的中心通孔中，其外表面开有多个槽，且槽数为电机运行磁场极数的一半；以及多个磁钢，其分别一一对应放置在转子铁心的各槽内，且相邻槽的磁钢极性相同，使得转子磁钢只存在单一极性，形成凸极结构，从而能够实现降低永磁用量的同时保持电机的输出转矩。本发明还公开了相应的电子助力转向系统。本发明的装置对永磁电机的转子结构进行了优化改进，降低了电机转子的永磁体用量并且可省去助力转向系统的位置传感器。

Description

交替极无刷永磁电机及基于该电机的电子助力转向系统

技术领域

本发明属于助力转向系统技术领域，更具体地，涉及一种用于助力转向系统中的无刷永磁电机及基于该电机的电子助力转向系统。

背景技术

助力转向系统是现代汽车的重要组成部分，其主要作用是驾驶员在操纵方向盘进行转向时，转矩传感器检测到转向盘的转向以及转矩的大小，通过中央处理器的信号分析及处理，向电动机控制器发出指令，来控制电动机输出相应大小和方向的转向助力转矩，从而产生辅助动力。

目前，汽车的动力转向系统普遍采用的是液压助力转向系统，可以说，经过了十几年的发展，液压转向技术相对要成熟许多，但是，从整个转向系统的发展趋势看，随着人们对汽车环保、节能和安全性要求的提高，电子助力转向系统(EPS)以其诸多的技术绝对优势取代液压助力转向是大势所趋。

作为核心执行单元，驱动电机类型决定整个EPS的控制框架，其性能优劣也直接影响整个助力系统，所以选择驱动电机类型是EPS系统设计的最重要环节，目前EPS产品类别也正是根据驱动电机的不同分为有刷EPS和无刷EPS。

得益于成熟的加工工艺和简单的控制方式，目前的EPS多采用有刷直流永磁电机。在各大整车厂的新一代轿车产品内，基于有刷直流永磁电机的EPS已基本取代了传统的液压助力转向系统。但由于此电机为有刷结构，碳刷及换向片在电机转动时会产生火花、碳粉，造成组件损坏，需定期更换碳刷，增加维护费用，此外，有刷直流永磁电机换向过程，还会产生电磁干扰。

EPS无刷化已经成为EPS的发展趋势。现有无刷EPS驱动电机多采用转子表贴磁钢式永磁电机，这主要归因于转子表贴磁钢式永磁电机结构简单、转矩平滑，加工制造工艺成熟，在工业界各个领域具有广泛的应用实例。

如图1所示，现有的一种典型的无刷永磁电机由一个定子和一个转子组成，其中，定子绕组结构型式与传统三相感应电机相同，定子铁心1呈中空筒体状，其内壁开有槽，定子绕组放置在槽内；转子铁心2同轴套设在定子筒体的中心通孔中，转子铁芯2表贴永磁磁钢，相邻的磁钢极性相反，表现为磁体的N极与S极沿转子的外表面交替排布。

基于现有的无刷永磁电机的EPS如图2所示，其由中央处理器(ECU),电磁离合器，无刷永磁驱动电机，位置传感器，扭矩传感器和机械减速机构组成，系统工作过程是：ECU根据位置传感器、车速传感器和转矩传感器的检测信号，调节助力电流的大小、相位和频率来控制电动机的力矩大小和方向，然后该输出力矩通过减速机构作用到齿轮上，最终作用到转向器，实现助力转向。

现有的用于电子助力转向系统中的无刷永磁电机尽管可以通过外电路实现电子换相，省去有刷直流电机所需的电刷和换向器，从而避免换向火花、碳刷产生的粉尘等问题，但是，由于其转子磁场的N极与S极均由永磁体构成，永磁体用量较大，尤其是稀土永磁体用量较大，造成成本高、对环境产生影响等缺陷。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种交替极无刷永磁电机及基于该电机的电子助力转向系统，其目的在于通过对永磁电机的转子结构进行优化改进，从而降低电机转子的永磁体用量并且省去系统的位置传感器。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种交替极无刷永磁电机，用于电子助力转向系统中，该电机包括：

定子铁芯，呈中空筒体状，其内壁开有槽，定子绕组放置在对应的定子槽内；

转子铁芯，呈中空筒体状，同轴套设在定子筒体的中心通孔中，其外表面开有多个槽，且槽数为电机运行磁场极数的一半；以及

多个磁钢，其分别一一对应放置在转子铁芯的各槽内，且相邻槽的磁钢极性相同，使得转子中的磁钢只存在单一极性，形成凸极结构，从而能够实现降低永磁用量同时保持电机的输出转矩。

作为本发明的改进，所述转子磁钢均为N极或S极。

作为本发明的改进，所述转子的另一极性由磁钢之间的铁磁极靴代替。

作为本发明的改进，所述铁磁极靴为硅钢。

按照本发明的另一方面，提供了一种具有上述交替极无刷永磁电机的电子助力转向系统。

按照本发明的又一方面，提供一种基于无刷永磁电机的电子助力转向系统，其包括中央处理器(ECU)，电磁离合器，上述无刷永磁驱动电机，扭矩传感器和减速机构，其中，在转动方向时，所述，扭矩传感器检测到的转矩信息、车速传感器检测的车速信息、以及位置信息输入所述中央处理器(ECU)，其根据上述信息调节助力电流的大小、相位和频率以控制所述无刷永磁驱动电机的输出力矩大小和方向，该输出力矩通过所述减速机构作用到转向器上，实现电子助力转向。

作为本发明的改进，所述位置信息通过位置传感器检测得到。

作为本发明的改进，所述位置信息通过利用所述无刷永磁驱动电机转子的凸极特性获取转子位置从而得到。

作为本发明的改进，所述转子位置具体通过高频谐波注入的方法获取。

此时包括上述交替极无刷永磁电机的电子助力转向系统中不具有位置传感器，而是利用电机转子的凸极特性，如高频谐波注入的方法获取转子位置，除了无须位置传感器外，其工作原理与上述有传感器的电子助力换向系统完全相同。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于仅仅由磁钢构成转子磁场的N极(或S极)，另一极的位置为硅钢片，而硅钢片的磁阻较小，使得电机的空载气隙磁场变化小，且该结构具有凸极效应，因此能够取得下列有益效果：

1)相比于现有的无刷永磁EPS用驱动电机，本发明采用的交替极无刷永磁电机可在保证性能不变甚至提高的前提下，大幅减少永磁体的使用量，降低系统成本。

2)本发明中的交替极无刷永磁电机转子具有明显的凸极效应，可采用如高频谐波注入等多种控制方法，较为准确地实现无位置传感器下的全速度范围转子位置检测。

附图说明

图1是现有表贴式永磁电机示意图；

图2是现有无刷EPS系统框图；

图3是按照本发明优选实施例所构建的交替极无刷永磁电机的结构示意图；

图4是基于本发明优选实施例的交替极无刷永磁电机的EPS系统框图(含位置传感器)；

图5是基于本发明优选实施例所构建的交替极无刷永磁电机的EPS系统框图(无位置传感器)；

图6是三种形式的助力转向系统结构示意图；

图7是传统以及本发明优选实施例所构建的交替极的永磁电机的空载磁场分布；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1为电机定子铁心；2为电机转子铁心；3为磁钢；4为中央处理器(ECU)；5为转矩传感器；6为位置传感器；7为永磁无刷电机；8为离合器；9为减速机构；10为齿轮齿条转向器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明装置同时适用于转向轴助力式、齿轮助力式、齿条助力式等各型式EPS，本实施例中以转向轴助力式EPS为例进行介绍。

如图3所示，按照本发明一个优选实施例所构建的一种交替极无刷永磁电机包括定子(由定子铁心1与定子绕组组成)和转子铁心2以及磁钢3，其中，定子绕组结构型式与传统三相感应电机相同，其呈中空筒体状，其内壁开有槽，定子绕组放置在槽中，转子铁心2同轴套设在定子筒体的中心通孔中，转子铁心2外表面开有槽，槽数为电机工作磁场极数的一半，磁钢3放置在槽内，相邻磁钢的极性相同。

其中，转子磁钢只有N极或S极，磁钢用量仅为传统永磁电机的一半，相邻两磁钢之间是铁磁(如硅钢)极靴如图3所示。

如图7所示，与传统的永磁电机相比，交替极永磁电机的磁场分布是类似的，只是在交替极永磁电机中，其中一种磁极由铁磁极靴代替，又因为铁磁介质的磁导率较高，整个永磁体磁路磁阻较小，所以虽然交替极永磁电机节省大量的磁钢，但其气隙磁场并没未因此被消弱。图7是传统永磁和交替极永磁电机的空载磁场分布图。

此外，交替极永磁电机转子是显著的凸极结构，这种结构一方面使得交替极永磁电机同时具有永磁和磁阻转矩两种转矩成分，可以通过适当地控制，充分利用磁阻转矩进一步降低永磁体用量，另一方面极有利于采用无位置传感器控制技术实现全速度范围转子位置检测。

因交替极永磁电机与传统无刷永磁电机具有相同的工作原理，所以，基于交替极无刷永磁电机的EPS可以直接采用现有的系统框架如图4所示，但其转矩控制策略需进行适当修改，使驱动电机的磁阻转矩能被充分利用。该系统工作过程：ECU4根据位置传感器6、车速传感器(ECU的输入)和转矩传感器5的检测信号，调节助力电流的大小、相位和频率来控制电动机的力矩大小和方向，然后该输出力矩通过减速机构作用到齿轮上，最终作用到转向器，实现助力转向。

另一实施例中，基于交替极无刷永磁电机的EPS也可采用无位置传感器系统框架如图5所示。与现有无刷永磁EPS结构相比，该系统节省了位置传感器，但ECU4需要增加转子位置检测程序。考虑到用户转向操作是随机的，EPS频繁地进行启停操作，所以EPS对其驱动电机系统零速和低速时的性能要求较高。在零速和低速工况下，无位置传感器控制系统一般高频谐波注入的方法来检测转子位置，(也可采用其他方法检测转子位置)，高频谐波注入法的具体操作过程：高频小幅电压谐波附加在基波电压上，相应的高频电流将受到转子凸极效应的影响，然后从中提取转子位置的信息。该系统工作过程：ECU4通过无位置传感器控制技术获得转子位置信息，结合位置传感器、车速传感器和转矩传感器5的检测信号，调节助力电流的大小、相位和频率来控制电动机的力矩大小和方向，然后该输出力矩通过减速机构作用到齿轮上，最终作用到转向器，实现助力转向。

本发明电机中，首先，电机转子仅仅一半的磁极由永磁体构成，极大地降低了永磁体的用量，节省了成本，而且由于铁心的磁阻较小，气隙磁场削弱并不明显，加上凸极效应带来的磁阻转矩，电机的输出转矩可以维持基本不变；其次，由于电机具有凸极效应，从而可以通过某些方法，例如高频谐波注入确定转子位置，不需要位置传感器，从而进一步降低了成本。

本发明的基于交替极无刷永磁电机的EPS系统，与现有无刷永磁电机EPS系统相比，该系统具有性能更为优越、结构简单紧凑、永磁体用量低等优势。根据助力电机在EPS系统的布置位置的不同，电动助力转向分为转向轴助力式、齿轮助力式、齿条助力式如图6所示。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种交替极无刷永磁电机，用于电子助力转向系统中，该电机包括：

定子铁芯(1)，呈中空筒体状，其内壁开有槽，定子绕组放置在对应的定子槽内；

转子铁芯(2)，呈中空筒体状，其同轴套设在所述定子铁芯(1)筒体的中心通孔中，其外表面开有多个槽，且槽数为电机运行磁场极数的一半；以及

多个磁钢(3)，其分别一一对应放置在转子铁芯(2)的各槽内，且相邻槽的磁钢极性相同，使得转子上的磁钢只存在单一极性，从而形成凸极结构，实现降低永磁用量的同时保持电机的输出转矩。

2.根据权利要求1所述的一种交替极无刷永磁电机，其中，所述转子上的磁钢均为N极或S极。

3.根据权利要求1或2所述的一种交替极无刷永磁电机，其中，所述转子上的另一极性的磁体由各所述磁钢(3)之间的铁磁极靴形成。

4.根据权利要求3所述的一种交替极无刷永磁电机，其中，所述铁磁极靴为硅钢。

5.一种具有权利要求1-4中任一项所述的交替极无刷永磁电机的电子助力转向系统。

6.一种基于无刷永磁电机的电子助力转向系统，其包括中央处理器、权利要求1-4中任一项所述的无刷永磁电机、扭矩传感器和减速机构，其中，在转动方向时，检测到的位置信息、所述扭矩传感器检测到的转矩信息、以及车速传感器检测的车速信息均输入所述中央处理器中，并从而根据上述信息调节助力电流的大小、相位和频率以控制所述无刷永磁电机的输出力矩大小和方向，该输出力矩通过所述减速机构作用到转向器上，从而实现电子助力转向。

7.根据权利要求6所述的一种基于无刷永磁电机的电子助力转向系统，其中，所述位置信息通过位置传感器检测得到。

8.根据权利要求6所述的一种基于无刷永磁电机的电子助力转向系统，其中，所述位置信息通过利用所述无刷永磁电机转子的凸极特性获取转子位置从而得到。

9.根据权利要求8所述的一种基于无刷永磁电机的电子助力转向系统，其中，所述转子位置通过高频谐波注入的方式获取。