CN112421912A - 一种马达和一种线控转向驾驶盘致动器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电磁马达，包括：内定子，其包括多个定子齿，每个定子齿由一匝或多匝电线包围；控制器，其产生一组电流，该电流施加到内定子的相绕组以产生围绕内定子间隔开的磁极的图案，所述磁极之间的间隔大于所述内定子的相邻定子齿之间的间隔；外定子，其与内定子同心并且包括一组交替的磁极，相邻磁极之间的间隔小于由控制器产生的第一阵列的磁极的间隔；以及中间转子部件，其位于两个定子之间并且包括极片阵列，其中，转子的极片成形在两个定子之间作用的磁通，并且由此在使用中，控制器布置成通过围绕扭矩发生器的轴线移动内定子的磁极图案来控制施加到转子的扭矩。本发明还涉及一种用于车辆的线控转向的转向系统的驾驶盘致动器组件。

Description

一种马达和一种线控转向驾驶盘致动器

技术领域

在一个方面，本发明涉及电动马达，该电动马达特别是但不仅仅适合用作反馈扭矩发生器。在另一方面，本发明涉及一种线控转向驾驶盘致动器，其包括用于机动车辆的反馈扭矩发生器。

背景技术

已知反馈扭矩发生器用于一系列应用中。一种这样的应用是线控转向的转向系统。在传统系统中，例如图1所示的系统，驾驶盘1通过机械连接装置连接到车辆的一个或多个可转向车轮(未示出)。在该示例中，该连接装置包括转向柱轴2，该转向柱轴的一端连接到方向盘的轴套(boss)3，另一端连接到驱动转向齿条5的齿条齿轮齿轮箱4。这种机械连接装置为驾驶员提供了关于轮胎与路面之间界面发生的情况的一些重要反馈，以帮助他们控制车辆。

在线控转向的转向系统中，如图2所示，在车轮(未示出)和驾驶盘11之间没有直接的机械连接。因此，必须在驾驶盘上施加某种形式的人造转向感受以给予驾驶员一些关于轮胎/道路界面发生的情况的指示，并模拟当车辆越过道路上的隆起或洞时产生的力。

因此，在线控转向系统中，已知提供一种向方向盘提供扭矩的反馈扭矩发生器12。车轮的运动由诸如马达13的致动器实现，该马达通过齿条齿轮齿轮箱15驱动转向齿条14。施加到驾驶盘的扭矩的大小和方向通过电子控制单元(ECU16)控制，所述电子控制单元接收来自安装在车辆上的一系列传感器(未示出)的信号，所述一系列传感器测量参数，例如车辆速度、车辆的不同车轮的相对转速、车辆的侧倾角和驾驶盘的位置等等。ECU 16还控制致使车轮转向的马达的功能。

反馈扭矩可以通过各种方式被施加到方向盘，例如通过电动马达或通过布置弹簧、阻尼器和制动器。这可以用于允许驾驶员感觉到车轮撞击石头或洞，或者当轮胎在低摩擦路面(例如，潮湿或结冰的路面)上行驶时减轻方向盘上的感觉。

本说明书中的术语方向盘应该被广义地解释为包括以下两者：具有驾驶员可以抓握的、由毂支撑的大致圆形的连续或不连续轮圈的传统方向盘；以及由毂支撑的能够围绕圆形路径旋转的一对相对的手抓握部，类似于飞机中常用的横舵柄(yoke)的装置。例如，手抓握部和毂可以形成W、M或U形构造。在每种情况下，通过将毂连接到反馈扭矩的发生器，反馈扭矩通常通过毂施加到驾驶员所抓持的部分。

在线控转向应用中，反馈扭矩发生器必须在低速时提供相对高水平的扭矩，并且为了使用电动马达以成本有效的方式实现这一点，已经提出通过减速齿轮箱将驾驶盘连接到电动马达，其中该马达的旋转速度以齿轮箱的齿轮比所设定的量大于方向盘的旋转速度。齿轮箱的使用允许相对低成本的马达在低速下提供所需的扭矩。然而，由于需要提供单独的马达和齿轮箱，这种布置是复杂且本质上庞大的。

发明内容

本发明的第一方面的目的是提供一种适合于用作反馈扭矩发生器的某些应用的马达，所述马达改善现有技术发生器中将电动马达连接到齿轮箱的限制。

根据第一方面，本发明提供一种电磁马达，包括：

内定子，其包括多个定子齿，每个定子齿由一匝或多匝电线包围，

控制器，其产生一组电流，所述电流施加到内定子的相绕组以产生围绕内定子的间隔开的磁极图案，磁极之间的间隔大于内定子的相邻齿之间的间隔，

外定子，其与内定子同心并且包括交替的一组磁极，相邻磁极之间的间隔小于由控制器产生的第一阵列的磁极的间隔，以及

中间转子部件，其位于内定子和外定子之间并且包括极片阵列，其中转子的极片形成在内定子和外定子之间起作用的磁通，并且

由此在使用中，控制器布置成通过围绕扭矩发生器的轴线移动内定子的磁极图案来控制施加到转子的扭矩。

在本发明中，控制器在内定子处产生移动的磁通图案，该移动的磁通图案与来自外定子的固定的磁通图案相互作用(该来自外定子的固定的磁通图案由转子的极片成形)，从而使扭矩被施加到转子上。转子将沿着跟随内定子的固定磁极图案的旋转的方向旋转，但是以减小的速度旋转，使得致动器中存在一些固有的传动装置，以允许致动器提供在转子低速旋转时的相对高的扭矩并且提供相对高的力密度。

内定子可以被供应电流，该电流产生包括两个磁极的可移动图案，并且外定子可以具有多于两个磁极，并且极片可以成形来自第二磁极的磁极的磁通，以在来自第一固定部分的磁通与来自第二固定部分的磁通相遇的区域中产生两个磁极。

可移动图案可以是简单地围绕内定子的轴线运动的恒定图案。例如，在有两个磁极的情况下，所述两个磁极可以始终均匀地间隔开，但是两个磁极的位置将在控制器的控制下运动。

在一种可行的布置中，外定子可以由22对磁体所产生的44个磁极组成，并且转子可以由26个极片组成，并且控制器可以在内定子上产生四对磁极对，每对磁极对包括一个北极和一个南极。在本发明的范围内可以提供其他数量的磁极和极片。

可以使用其他数量的磁极和磁极片，目的是使磁极片将来自第二固定部分的磁通的强烈的、理想地为第一的谐波(harmonic)耦合到由第一固定部分的绕组和齿产生的匹配的磁极图案。

内定子可以限定四对磁极，第二固定部分可以限定多于四对磁极，并且极片可以成形来自第二磁极的磁极的磁通以在来自外定子部分的磁通与来自内定子的磁通相遇的区域中产生四对磁极。

可以使用其他数量的磁极和磁极片，目的是使磁极片将来自第二固定部分的磁通的强烈的、理想地为第一的谐波耦合到由第一固定部分的绕组和齿产生的匹配的磁极图案。

转子的极片可包括含铁金属极片，最优选为钢极片。极片可以由非铁载体支撑。例如，极片可以固定在载体上或埋在载体内。与现有技术的线性致动器不同，极片不需要是磁体，因为极片的功能仅仅是在两个定子之间的气隙中成形来自第二固定部分的磁通。

外定子可包括永磁体阵列，每个磁体限定第二固定部分的一个磁极。磁体可以以交替地南北的模式布置，以在第二固定部分和输出构件之间的气隙中产生交替的北极和南极磁极。

在替代方案中，外定子可包括电磁体阵列。每个电磁体可以包括齿，围绕该齿缠绕一段形成线圈的导线。可以从控制器向线圈提供电流，该电流产生限定第二固定部分的磁极的固定的非移动的磁通图案。

单个控制器可以驱动两个定子的绕组，尽管当然，不同的电流模式将被施加到每个定子的线圈，因为一个定子需要移动的DC场而另一个定子需要固定的DC场。

根据第二方面，本发明提供了一种用于车辆的线控转向的转向系统的驾驶盘致动器组件，该组件包括：方向盘，其具有可围绕方向盘的旋转轴线旋转的至少一个手抓握部分，该手抓握部分可以由驾驶员抓握，方向盘具有支撑手抓握部分的毂；和

反馈扭矩发生器，其包括根据本发明第一方面的电磁马达，其中马达的转子直接或间接地固定到方向盘的毂并与其一起旋转，并且定子固定到车身的固定部分从而使得定子不能相对于车身旋转。

读者将理解，本发明的扭矩反馈致动器与方向盘共享共同的旋转轴线，使得扭矩反馈致动器与方向盘以相同的旋转速度围绕该共同的旋转轴线一起运动。

毂可以通过一短轴固定到反馈扭矩发生器的转子上，该短轴具有位于毂和转子的旋转轴线上的旋转轴线。短轴可以穿过定子或仅部分地延伸到定子内的区域中。

方向盘毂可包括轴套，该轴套装配在短轴的一端上。短轴上的花键可以接合轴套上的互补花键，以防止短轴和方向盘的相对旋转。

马达可以从方向盘轴向偏移。

短轴可以由至少一个、优选两个轴承组件支撑。轴承组件可以位于马达的最靠近驱动器的侧，或者可以位于马达的离马达最远的侧。一个轴承组件可位于马达的每一侧。

在两个或更多个轴承组件位于马达的最靠近驱动器的侧的情况下，支撑一个或多个柱开关(column switch)的护罩可包围短轴。

短轴可以固定到支架上，支架又固定到转子上。这种布置中的方向盘通过短轴然后通过壳体间接地连接到转子。短轴可以使用过盈配合、或通过将壳体焊接到短轴上、或使用粘合剂固定到支架上。短轴上的花键可以连接到支架的花键。或者，支架可以与短轴一体形成。

附图说明

现在仅通过举例的方式描述本发明的三个实施例，其中：

图1是典型的车辆转向系统的主要部件的概述；

图2是典型的现有技术的线控转向的转向系统的主要部件的概述；

图3是沿转子旋转轴线观察的根据本发明的马达的剖视图；

图4是驾驶盘致动器组件的一个实施例的截面图，该截面垂直穿过转子的旋转轴线，致动器组件落入本发明的第二方面的可用于车辆的线控转向系统的范围内；并且

图5(a)示出了仅由外定子磁体产生的磁通图案，并且图5(b)示出了成形的由转子磁极修改的磁通图案，该图案随着转子绕其轴线旋转而旋转。

具体实施方式

如图3所示，马达100包括环形内定子101，其包括十二个定子齿102，每个定子齿由一匝或多匝电线(未示出)缠绕。电线在三个相103中连接在一起，使得电流能够独立地通过每个相。

提供控制器104，其在使用中产生一组电流，该组电流施加到内定子的相绕组以沿着齿阵列产生磁极图案，磁极之间的间隔大于第一固定部分的相邻齿之间的间隔。在该示例中，施加电流波形，其产生具有四对磁极(四个北极和四个南极)的图案，在磁极之间具有相等的间隔。因此，磁极的数量小于定子齿的数量。重要的是，通过改变施加到绕组的电流，可以沿第一固定部分移动磁极的图案。齿102的绕组和一起使用的电流波形使得能够产生所需的磁极图案。

环形外定子105围绕内定子，两者之间具有气隙。两个定子共用一公共轴线，使外定子与内定子101同心。外定子105包括一组交替的磁极106，相邻磁极之间的间距小于由控制器创建的第一阵列的磁极的间距。在该示例中，存在围绕外定子105等距间隔的44个磁体。

在两个定子之间是环形转子107。该转子包括在北极和南极之间交替的极片阵列。极片由非铁载体支撑。在所示的示例中，存在26个极片。

两个定子之间的气隙中的极片的存在成形或变形来自外定子105的磁通图案。这可以通过比较图5(a)和图5(b)看出，在图5(a)中，内定子和转子两者都被移除，在图5(b)中，转子与外定子相互作用。可以看出，转子使磁通成形以形成类似于在外定子上仅具有四对北/南极将产生的磁通图案。重要的是，转子相对于外定子移动一小段距离将导致基本上相同形状的磁通图案，但该图案在转子的运动方向上移动。在伪直接驱动马达的背景下很好地理解这种成形的原因，并且在谢菲尔德大学的国际专利申请WO2007/125284中给出了详细的讨论，其中该概念用于旋转电动机器的设计。

读者将会意识到，来自外定子的永磁体的修改的磁通图案将与来自内定子的类似磁通图案相互作用，并且通过移动内定子的磁极图案，洛伦兹力将作用在转子上，使转子试图移动以将磁通图案重新调整到没有扭矩作用在转子上的位置。由于这引起转子的运动，来自第二固定部分的磁通的方式改变，这导致转子的移动比第一固定部分的磁极图案的移动慢得多。结果得到一种有利于为马达提供高的力密度的磁性传动装置。

马达100可以用在线控转向系统的驾驶盘组件200中，并且落入本发明的第二方面的范围内的示例性实施例在图4中示出。

驾驶盘组件包括方向盘201，方向盘具有相对薄的大致圆形的边缘，该边缘限定了可围绕方向盘的旋转轴线旋转的手抓握部分。边缘可以由驾驶员的一只手或两只手以传统方式抓握，并且驾驶员可以围绕中心旋转轴线旋转方向盘。在本发明的范围内可以提供许多其他形式的驾驶盘，其中方向盘不需要具有圆形边缘。

方向盘201具有毂，该毂包括具有连接到边缘的第一端和连接到轴套203的第二端的单个碟形臂或轮辐。根据手抓握部的类型和所需的方向盘的刚性，可以提供多个轮辐，并且本发明不限于一种轮辐。轴套203位于方向盘201的旋转轴线上并支撑手抓握部分。轴套中的凹部具有一组径向向内的花键(未示出)，并被压在如图3所示的马达的转子107的端部上，所述转子具有一组互补的以传统方式径向向外突出的花键，以用于将方向盘固定到转向轴。花键确保方向盘201在旋转时将产生转子的相应旋转，且当转子旋转时将产生方向盘的相应旋转。反馈扭矩发生器是图3中所示的种类。

在使用中，当转子107旋转时，短轴旋转，这最终使方向盘201旋转。因此，向转子107施加扭矩可以被用来转动方向盘或施加部分地抵抗由驾驶员施加到方向盘的扭矩的扭矩，以模拟道路感受并且给予驾驶员对作用在车轮和转向系统的其他部件上的力的感觉。

还示出了角位置传感器202，该角位置传感器根据转子相对于定子的角位置确定方向盘的角位置。

Claims (10)

1.一种电磁马达，包括：

内定子，所述内定子包括多个定子齿，每个定子齿由一匝或多匝电线包围，

控制器，所述控制器产生一组电流，所述电流施加到内定子的相绕组以产生围绕内定子间隔开的磁极的图案，所述磁极之间的间隔大于所述内定子的相邻定子齿之间的间隔，

外定子，所述外定子与所述内定子同心并且包括一组交替的磁极，所述外定子的相邻磁极之间的间隔小于由所述控制器产生的第一阵列的磁极的间隔，以及

中间转子部件，所述中间转子部件位于所述内定子和外定子之间并且包括极片阵列，其中，转子的极片成形在所述内定子和外定子之间作用的磁通，并且

由此在使用中，所述控制器布置成通过围绕扭矩发生器的轴线移动所述内定子的磁极图案来控制施加到转子的扭矩。

2.如权利要求1所述的电磁马达，其中，所述内定子被供给电流，所述电流产生包括两个磁极的可动图案，所述外定子具有两个以上的磁极，并且所使用的极片成形来自第二磁极的磁极的磁通，以在来自第一固定部分的磁通与来自第二固定部分的磁通相遇的区域中产生两个磁极。

3.如权利要求1或2所述的电磁马达，其中，所述可动图案是恒定的图案。

4.如前述权利要求中任一项所述的电磁马达，其中，所述转子的极片包括含铁金属极片。

5.如前述权利要求中任一项所述的电磁马达，其中，所述外定子包括永磁体阵列，每个磁体限定所述第二固定部分的一个磁极。

6.如权利要求1至4中任一项所述的电磁马达，其中，所述外定子包括电磁体阵列。

7.一种用于车辆的线控转向的转向系统的驾驶盘致动器组件，该组件包括：

方向盘，所述方向盘具有能够围绕方向盘的旋转轴线旋转的至少一个手抓握部分，所述手抓握部分能够由驾驶员抓握，所述方向盘具有支撑所述手抓握部分的毂；和

反馈扭矩发生器，所述反馈扭矩发生器包括根据权利要求1至6中任一项所述的电磁马达，其中，所述马达的转子直接或间接地固定到所述方向盘的毂并与所述毂一起旋转，并且所述定子固定到车身的固定部分从而使得所述定子不能相对于车身旋转。

8.如权利要求7所述的驾驶盘致动器，其中，所述毂通过短轴固定到所述反馈扭矩发生器的转子，所述短轴具有位于所述毂和所述反馈扭矩发生器的转子的旋转轴线上的旋转轴线。

9.如权利要求8所述的驾驶盘致动器，其中，所述方向盘的毂包括轴套，所述轴套装配在所述短轴的一端上。

10.如权利要求7、8或9所述的驾驶盘致动器，其中，所述马达从所述方向盘轴向偏移。

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