CN105634225A - 直流无刷电机及使用其的电动助力转向系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直流无刷电机，包括第一子电机和第二子电机，其所述第一子电机和第二子电机具有各自独立的定子和共同的转子，所述第一子电机的定子包括若干齿和绕组，第二子电机的定子包括若干齿和绕组，所述第一子电机的齿和第二子电机的齿在径向上交错排布或在轴向上并列排布，所述第一子电机和第二子电机被设定为共同作为一台电机运行以输出正常功率，但其中一台电机发生故障时，另一台子电机独立运行以提高直流无刷电机的可靠性和安全性。本发明还提供一种使用该直流无刷电机的电动助力转向系统。

Description

直流无刷电机及使用其的电动助力转向系统

【技术领域】

本发明涉及电机领域，更具体地，涉及一种直流无刷电机及使用该直流无刷电机的电动助力转向系统。

【背景技术】

直流无刷电机包括具有绕组的定子、具有永磁体的转子以及用于给定子供电的控制器。现有的一种直流无刷电机的定子通常包括一个定子铁心，缠绕于定子铁心上的绕组。所述绕组包括m相绕组，每相绕组包括多个并联支路。当所述绕组的其中一个支路断开时，会造成该相绕组与其他相绕组的不平衡，导致电机转矩波动大，电机振动大。特别是方向盘的助力转向系统的直流无刷电机发生故障时，如果驾驶员转动方向盘，甚至可能造成线圈短路，产生短路电流，进而产生制动力矩，阻碍转动方向盘转动，因此，这种现有的直流无刷电机存在极大的安全隐患。

因此，亟需一种改善方案。

【发明内容】

因此，本发明提出一种直流无刷电机，包括第一子电机和第二子电机，所述第一子电机和第二子电机具有各自独立的定子和共同的转子，所述第一子电机的定子包括若干齿和绕组，第二子电机的定子包括若干齿和绕组，所述第一子电机和第二子电机可以共同作为一台电机运行，也可以分别独立运行，所述第一子电机的齿和第二子电机的齿在径向上交错排布或在轴向上并列排布。

其中，所述直流无刷电机为两相电机，其转子极数Np和定子槽数Ns均为偶数，且满足关系式：或者，所述无刷直流为三相电机，其转子极数Np和定子槽数Ns满足关系式：其中，Np为偶数，Ns＝6k,k＝1,2,3...。

较佳地，所述第一子电机的齿和第二子电机的齿在径向上均匀交错排布。比如，所述直流无刷电机的定子槽数为12，第一子电机和第二子电机分别包括6个齿，所述6个齿分为两U相齿、两V相齿和两W相齿，相同相位的两个齿之间呈180°对称分布；或者，相同相位的两个齿之间均间隔90°。

可选地，所述第一子电机的齿和第二子电机的齿在径向上呈非均匀交错排布。比如：所述直流无刷电机的定子槽数为12，第一子电机和第二子电机分别包括6个齿，所述6个齿分为两U相齿、两V相齿和两W相齿，所述两U相齿之间间隔180°，两V相齿之间间隔180°，两W相齿之间间隔90°；或者，所述两U相齿之间间隔180°，两V相齿之间间隔90°，两W相齿之间间隔90°。

可选地，所述第一子电机的齿在周向上依次相邻大致构成半圆环形，所述第二子电机的齿在周向上依次相邻并大致构成半圆环形。

可选地，所述第一子电机包括6个齿，其中U相齿、V相齿和W相齿分别为2个，第二子电机也包括6个齿，其中U相齿、V相齿和W相齿分别为2个，所述直流无刷电机的定子的槽数为12。

可选地，所述第一子电机包括相互间隔的第一组齿和第二组齿，所述第一组齿中的若干齿依次相邻，所述第二组齿的若干齿依次相邻，所述第二子电机包括相互间隔的第三组齿和第四组齿，所述第三组齿中的若干齿依次相邻，所述第四组齿中的若干齿也依次相邻。

可选地，所述第一子电机的第一组齿和第二组齿分别包括三个齿，所述三个齿分别为U相齿、V相齿和W相齿；所述第二子电机的第一组齿和第二组齿分别包括三个齿，所述三个齿分别为U相齿、V相齿和W相齿。

可选地，所述第一子电机的齿和第二子电机的齿在径向上呈非均匀交错排布。

可选地，所述直流无刷电机的定子槽数为12，第一子电机和第二子电机分别包括6个齿，所述6个齿分为两U相齿、两V相齿和两W相齿，所述两U相齿之间间隔180°，两V相齿之间间隔180°，两W相齿之间间隔90°。

可选地，所述直流无刷电机的定子槽数为12，第一子电机和第二子电机分别包括6个齿，所述6个齿分为两U相齿、两V相齿和两W相齿，所述两U相齿之间间隔180°，两V相齿之间间隔90°，两W相齿之间间隔90°。

较佳地，所述第二子电机的转矩的n阶次谐波的波形相对第一子电机的转矩的n阶次谐波的波形平移(2k+1)/2个周期，其中k＝0,±1,±2,±3...。

较佳地，对第二子电机相对第一子电机的位置定义一标准位置，当第二子电机位于该标准位置时，第二子电机工作产生的转矩波动和第一子电机产生的转矩波动相同，所述第二子电机相对该标准位置沿圆周方向旋转一角度Δθ。所述角度其中，k＝0,±1,±2,±3...，n为所要改善的谐波的阶次，m为直流无刷电机的相数。

较佳地，所述第一子电机和第二子电机由一台控制器控制。

可选地，所述第一子电机和第二子电机由两台控制器分别控制，所述两子电机的电流具有一相位差，从而使得所述第二子电机的转矩的n阶次谐波的波形相对第一子电机的转矩的n阶次谐波的波形平移(2k+1)/2个周期，其中k＝0,±1,±2,±3...。

本发明还提供一种使用上述直流无刷电机的电动助力转向系统。

由于本发明的第一子电机和第二子电机被设定为共同作为一台电机运行以输出正常功率，但其中一台电机发生故障时，另一台子电机独立运行，从而直流无刷电机的可靠性和安全性得到有效提高。

【附图说明】

图1是本发明直流无刷电机的立体图。

图2为本发明一实施例的直流无刷电机的定子示意图。

图3a和图3b分别为图2所示直流无刷电机的第一子电机和第二子电机的绕组电路连接示意图。

图4为本发明另一实施例的直流无刷电机的第一子电机和第二子电机的定子示意图。

图5为本发明又一实施例的直流无刷电机的第一子电机和第二子电机的定子示意图。

图6为本发明又一实施例的直流无刷电机的第一子电机和第二子电机的定子示意图。

图7为本发明又一实施例的直流无刷电机的第一子电机和第二子电机的定子示意图。

图8为本发明又一实施例的直流无刷电机的第一子电机和第二子电机的定子示意图。图9为本发明另一实施例的直流无刷电机的定子示意图。

图10表示了本发明直流无刷电机由一个控制器控制的实施例。

图11表示了本发明直流无刷电机由两个控制器控制的实施例。

图12a和图12b分别表示了图2所示直流无刷电机的第一子电机和第二子电机的转矩的一次谐波的波形图。图12c所示为图12a和图12b所示的转矩波形的合成波形图。

图13a和图13b分别表示了另一实施例的直流无刷电机的第一子电机和第二子电机的转矩的一次谐波的波形图。图13c所示为图13a和图13b所示的转矩波形的合成波形图。

图14是本发明另一实施例的直流无刷电机的定子示意图。

图15是本发明再一实施例的直流无刷电机的定子示意图。

图16为使用本发明电机的一电动助力转向系统的示意图。

【具体实施方式】

本发明直流无刷电机包括两台子电机。所述两台子电机具有共同的转子和相互独立的定子。所述两台子电机具有相互独立的输入端子。电机正常工作时，所述两台子电机共同作为一台电机运行。当其中一台子电机发生故障时，另一台子电机可以独立运行以确保电机的可靠性和安全性。本发明的电机尤其适用于方向盘电动助力转向系统，但并不限定于此应用领域。

请参阅图1和图2，本实施例的电机10包括外壳12、收容于外壳内的第一子电机20和第二子电机30。第一子电机20和第二子电机30共用一个转子40。第一子电机20包括若干齿以及分别缠绕于齿上的若干线圈。第二子电机30包括若干齿以及分别缠绕于齿上的若干线圈。第一子电机20的齿和第二子电机30的齿在电机10周向上交替排列共同构成电机10的定子。

本实施例中，第一子电机20和第二子电机30均为三相电机。第一子电机20的齿和线圈被分成对应的U相、V相和W相齿和线圈。具体地，第一子电机20具有U相齿T_U1和T_U2、V相齿T_V1和T_V2、W相齿T_W1和T_W2，以及对应的U相线圈C_U1,C_U2、V相线圈C_V1,C_V2、W相线圈C_W1,C_W2。同样地，第二子电机30的齿和线圈也被分成对应的U相、V相和W相齿和线圈。具体地，第二子电机30具有U相齿T’_U1和T’_U2、V相齿T’_V1和T’_V2、W相齿T’_W1和T’_W2，以及对应的U相线圈C’_U1,C’_U2、V相线圈C’_V1,C’_V2、W相线圈C’_W1,C’_W2。

第一子电机20中相同相位的齿呈180°对称分布。第二子电机30中相同相位的齿也呈180°对称分布。第一子电机20的齿和第二子电机30的齿呈单齿交替排列，即每一第一子电机20的齿位于第二子电机30两相邻的齿之间，每一第二子电机30的齿位于第一子电机20两相邻的齿之间。

请参阅图3，第一子电机具有三个输入端子，即U1、V1、W1。第二子电机也具有三个输入端子，即U2、V2、W2。第一子电机20的输入端子和第二子电机30的输入端子相互独立。因此，第一子电机20和第二子电机30可以共同作为一台电机10工作，也可以分别单独运行。因此，在电机10正常工作时，第一子电机20和第二子电机30同时运行。当其中一台子电机发生故障，如某一线圈短路时，控制器会切断该子电机的供电，使该子电机停止工作，此时，由于还有另一子电机继续工作，可以在一定程度上继续驱动负载。此外，由于发生故障的子电机被切断供电，停止工作，避免了该故障子电机运行产生大的转矩波动，以及制动力矩。

上述实施例中，第一子电机20的相同相位的齿间隔180°分布，第二子电机3相同相位的齿也间隔180°。图4所示的可替换方案中，第一子电机的相同相位的齿均间隔90°设置，第二子电机的相同相位的齿也均间隔90°设置。

图5所示的替换方案中，第一子电机的两U相齿之间间隔180°，两V相齿之间间隔180°，两W相齿之间间隔90°。第二子电机的两U相齿之间间隔180°，两V相齿之间间隔180°，两W相齿之间间隔90°。

图6所示的替换方案中，第一子电机的两U相齿之间间隔180°，两V相齿之间间隔90°，两W相齿之间间隔90°。第二子电机的两U相齿之间间隔180°，两V相齿之间间隔90°，两W相齿之间间隔90°。

图7所示的替换方案中，第一子电机的六个齿依次相邻设置；第二子电机的六个齿也依次相邻设置。第一子电机的两U相齿之间间隔90°；两V相齿之间间隔90°；两W相齿之间也间隔90°。第二子电机的两U相齿之间间隔90°；两V相齿之间间隔90°；两W相齿之间也间隔90°。

图8所示的替换方案中，第一子电机的一组U、V、W相齿依次相邻设置；另一组U、V、W相齿也依次相邻设置，且所述两组齿间隔设置。第一子电机的两U相齿之间间隔180°；两V相齿之间间隔180°；两W相齿之间也间隔180°。第二子电机的一组U、V、W相齿依次相邻设置；另一组U、V、W相齿也依次相邻设置，且所述两组齿间隔设置。第二子电机的两U相齿之间间隔180°；两V相齿之间间隔180°；两W相齿之间也间隔180°。

上述实施例中，第一子电机和第二子电机的齿均是在圆周方向上交错设置。图9所示实施例的电机中，第一子电机和第二子电机在轴向上并排设置。第一子电机包括12个齿Tu1-Tu4,Tv1-Tv4,Tw1-Tw4和分别缠绕于所述齿上的12个线圈。第二子电机也包括12个齿Tu1-Tu4,Tv1-Tv4,Tw1-Tw4和分别缠绕于所述齿上的12个线圈。第一子电机和第二子电机共轴呈沿轴向上并列排布。

同时参阅图10和图11，本发明的电机的第一子电机和第二子电机可以由一台控制器50控制(如图10所示)。在这种情况下，控制器50的每一输出端子通过两个开关分别与第一子电机20和第二子电机30的相应的输入端子电连接。作为可替换方案，电机10的第一子电机20和第二子电机30也可以由两台控制器51、52分别控制(如图11所示)。在这种情况下，每台控制器51、52的输出端子分别与一台子电机的相应的输入端子连接。

虽然上述实施例仅以三相电机举例说明，但直流无刷电机只要满足下列关系式均可以实施本发明。

对于两相电机而言，需满足下列关系式，

其中，Np为转子极数，Ns为定子槽数，Np和Ns均为偶数。

对于三相电机而言，需满足下列关系式，

其中，Np为转子极数，其为偶数，Ns为定子槽数,Ns＝6k,k＝1,2,3...

在图1-7所示的实施例中，第一子电机和第二子电机的相同相位的线圈之间的机械角度差为90°的整数倍，因此其电角度差为机械角度*极对数，即360°的整数倍。因此，上述第一子电机和第二子电机的反电势波形完全相同，在一台控制器同时控制两台子电机共同作为一台电机工作的情况下，控制器供给两台子电机的电流完全相同，因此，两台子电机的转矩波形完全相同。图12a和图12b分别表示了第一子电机和第二子电机的转矩的一次谐波(即基波)的波形图，图12c所示为第一子电机和第二子电机的合成转矩的一次谐波的波形图，也即电机10的转矩的一次谐波的波形图。图12c显示电机10的转矩波动较大。

为了改善电机10的转矩的某阶次谐波的波形，降低电机10运行时的转矩波动，提高电机10运转时的平稳度，本发明提出了将第二子电机的转矩的该阶次的谐波相对第一子电机的转矩的该阶次的谐波平移(2k+1)/2个周期，其中，k＝0,±1,±2,±3...，从而使得两台子电机共同作为一台电机工作时，其转矩的该阶次的谐波叠加合成呈平直状，使转矩波动最小化，从而使电机10运转更为平稳。图13a和图13b分别表示了改进后的第一子电机和第二子电机的转矩的一次谐波(即基波)的波形图，图13c所示为第一子电机和第二子电机的合成转矩的一次谐波的波形图，也即改进后的电机10的转矩的一次谐波的波形图。从图13c可以看出，改进后的电机10的转矩的一次谐波呈平直状，转矩波动变小。

具体地，图14所示的实施例是基于图2所示电机的改进。如果将图2中第二子电机相对第一子电机的位置定义为标准位置，即使得第二子电机工作产生的转矩波动和第一子电机产生的转矩波动完全相同的位置，那么，本实施例的第二子电机的位置相对标准位置旋转一机械角度Δθ，从而使得第二子电机工作时产生的转矩的n次谐波相对第一子电机工作时产生的转矩的该阶次谐波平移(2k+1)/2个周期。具体地，

其中，k＝0,±1,±2,±3...，n为所要改善的谐波的阶次，m为电机10的相数，Np为转子极数。具体到3相，8极电机10，如果要改善电机10的转矩的一次谐波(即基波)的波形，则

图15所示实施例是基于图9所示电机的改进。如果将图9中第二子电机相对第一子电机的位置定义为标准位置，即使得第二子电机工作产生的转矩波动和第一子电机产生的转矩波动一致的位置，那么，本实施例的第二子电机的位置相对标准位置沿圆周方向旋转一机械角度Δθ。由于第二子电机的标准位置与第一子电机在轴向上对齐，因此，本实施例的方案也可以理解为将第二子电机相对第一子电机的位置沿圆周上旋转一角度Δθ。从而使得第二子电机工作时产生的转矩的n次谐波相对第一子电机工作时产生的转矩的该阶次谐波平移(2k+1)/2个周期。具体地，

其中，k＝0,±1,±2,±3...，n为所要改善的谐波的阶次，，m为电机10的相数，Np为转子极数。

事实上，图14和图15图15所示的实施例都是通过改变第二子电机的位置以改变第二子电机的反电势波形，从而调整第二子电机与第一子电机的合成转矩波形。然而，当第一子电机和第二子电机由两个控制器分别控制时，还可以通过控制使得两台子电机的电流出现(2k+1)/2个周期的相位差，同时保证两台子电机的反电势同相位，从而改善两子电机合成转矩的某阶次谐波，使电机运转更为平稳。

图16为使用本发明电机10的一电动助力转向系统60的示意图。电动助力转向系统10包括方向盘61，与方向盘61固定连接的转向柱62、与转向柱62同轴固定的转向齿轮63。电机10的转轴与一驱动齿轮16传动连接，用于输出电机10的扭矩。所述驱动齿轮16通过一转向齿条64与所述转向齿轮63传动连接。如此，当电机10工作时，驱动齿轮16通过转向齿条64驱动转向齿轮63转动，从而带动转向柱62旋转，进而带动方向盘61旋转，以辅助驾驶员操纵方向盘61。所述电动助力转向系统60还包括转向力矩传感器65和方向盘转角传感器66，用于感测方向盘61的转矩大小及转向等信号，并将所述信号传递至控制器50。控制器50根据所述信号向电机10发出相应指令，使电机10输出相应大小和方向的转向助力转矩，从而产生辅助动力。具体实施时，所述电机10和驱动齿轮16之间还可以设置一减速装置，用于增大输出扭矩。

对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (19)

1.一种直流无刷电机，包括第一子电机和第二子电机，其特征在于：所述第一子电机和第二子电机具有各自独立的定子和共同的转子，所述第一子电机的定子包括若干齿和绕组，第二子电机的定子包括若干齿和绕组，所述第一子电机的齿和第二子电机的齿在径向上交错排布或在轴向上并列排布，所述第一子电机和第二子电机被设定为共同作为一台电机运行以输出正常功率，但其中一台子电机发生故障时，另一台子电机可独立运行以提高所述直流无刷电机的可靠性和安全性。

2.如权利要求1所述的直流无刷电机，其特征在于，所述直流无刷电机为两相电机，其转子极数Np和定子槽数Ns均为偶数，且满足关系式： $\frac{Np}{Ns}=k-\frac{1}{2},k=1,2,3....$

3.如权利要求1所述的直流无刷电机，其特征在于，所述直流无刷电机为三相电机，其转子极数Np和定子槽数Ns满足关系式：其中，Np为偶数，Ns＝6k,k＝1,2,3...。

4.如权利要求1所述的直流无刷电机，其特征在于，所述第一子电机的齿和第二子电机的齿在径向上均匀交错排布。

5.如权利要求4所述的直流无刷电机，其特征在于，所述直流无刷电机的定子槽数为12，第一子电机和第二子电机分别包括6个齿，所述6个齿分为两U相齿、两V相齿和两W相齿，相同相位的两个齿之间呈180°对称分布。

6.如权利要求4所述的直流无刷电机，其特征在于，所述直流无刷电机的定子槽数为12，第一子电机和第二子电机分别包括6个齿，所述6个齿分为两U相齿、两V相齿和两W相齿，相同相位的两个齿之间均间隔90°。

7.如权利要求4所述的直流无刷电机，其特征在于，所述第一子电机的齿在周向上依次相邻大致构成半圆环形，所述第二子电机的齿在周向上依次相邻并大致构成半圆环形。

8.如权利要求7所述的直流无刷电机，其特征在于，所述第一子电机包括6个齿，其中U相齿、V相齿和W相齿分别为2个，第二子电机也包括6个齿，其中U相齿、V相齿和W相齿分别为2个，所述直流无刷电机的定子的槽数为12。

9.如权利要求4所述的直流无刷电机，其特征在于，所述第一子电机包括相互间隔的第一组齿和第二组齿，所述第一组齿中的若干齿依次相邻，所述第二组齿的若干齿依次相邻，所述第二子电机包括相互间隔的第三组齿和第四组齿，所述第三组齿中的若干齿依次相邻，所述第四组齿中的若干齿也依次相邻。

10.如权利要求9所述的直流无刷电机，其特征在于，所述第一子电机的第一组齿和第二组齿分别包括三个齿，所述三个齿分别为U相齿、V相齿和W相齿；所述第二子电机的第一组齿和第二组齿分别包括三个齿，所述三个齿分别为U相齿、V相齿和W相齿。

11.如权利要求1所述的直流无刷电机，其特征在于，所述第一子电机的齿和第二子电机的齿在径向上呈非均匀交错排布。

12.如权利要求11所述的直流无刷电机，其特征在于，所述直流无刷电机的定子槽数为12，第一子电机和第二子电机分别包括6个齿，所述6个齿分为两U相齿、两V相齿和两W相齿，所述两U相齿之间间隔180°，两V相齿之间间隔180°，两W相齿之间间隔90°。

13.如权利要求11所述的直流无刷电机，其特征在于，所述直流无刷电机的定子槽数为12，第一子电机和第二子电机分别包括6个齿，所述6个齿分为两U相齿、两V相齿和两W相齿，所述两U相齿之间间隔180°，两V相齿之间间隔90°，两W相齿之间间隔90°。

14.如权利要求1所述的直流无刷电机，其特征在于，所述第二子电机的转矩的n阶次谐波的波形相对第一子电机的转矩的n阶次谐波的波形平移(2k+1)/2个周期，其中k＝0,±1,±2,±3...。

15.如权利要求14所述的直流无刷电机，其特征在于，对第二子电机相对第一子电机的位置定义一标准位置，当第二子电机位于该标准位置时，第二子电机工作产生的转矩波动和第一子电机产生的转矩波动相同，所述第二子电机相对该标准位置沿圆周方向旋转一角度Δθ。

16.如权利要求15所述的直流无刷电机，其特征在于，所述角度其中，k＝0,±1,±2,±3...，n为所要改善的谐波的阶次，m为直流无刷电机的相数。

17.如权利要求1至16任意一项所述的直流无刷电机，其特征在于，所述第一子电机和第二子电机由一台控制器控制。

18.如权利要求1至16任意一项所述的直流无刷电机，其特征在于，所述第一子电机和第二子电机由两台控制器分别控制，所述两子电机的电流具有一相位差，从而使得所述第二子电机的转矩的n阶次谐波的波形相对第一子电机的转矩的n阶次谐波的波形平移(2k+1)/2个周期，其中k＝0,±1,±2,±3...。

19.一种电动助力转向系统，包括方向盘、与方向盘固定连接的转向柱、与转向柱固定连接的转向齿轮以及与转向齿轮传动连接的电机，其特征在于：所述电机为权利要求1至18任意一项所述的直流无刷电机。