CN205319912U - 电机直接驱动的电动转向装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种电机直接驱动的电动转向装置，包括电机、驱动器，所述的电机的中间连有扭杆结构，该电机由定子和转子组成，所述的电机的相数至少为两相，每相间呈轴向等均分布；所述的定子由导磁体、线圈组成，线圈环形绕制在导磁体所开设的槽中，所述的转子由永磁体组和转子支架组成，永磁体组固定在转子支架上，该永磁体组嵌入于导磁体上，并与线圈呈相对应分布；所述的线圈之间的引出线引于驱动器上；本实用新型的有益效果为：简化EPS系统，扩大EPS系统的驱动能力服务；同设计应用于功率驱动的电机，可以实现极高功率密度的电机。

Description

电机直接驱动的电动转向装置

技术领域

本实用新型属于电动转向装置技术领域，尤其涉及一种电机直接驱动的电动转向装置。

背景技术

现有的管柱式EPS系统，多采用伺服电机经过涡轮蜗杆减速的结构，系统结构复杂，同时由于大传动比的传动系统的存在，在控制性能上也带来了不利的影响，如电机的转动惯量被放大后对操作手感的明显的不利影响，相比液压助力系统路感迟钝，未能达到操控高要求车辆所需；另一方面从转向系统的本质安全性要求，当助力系统功能失效时，基本转向功能不能消失，由于减速机构的存在，当助力力矩大以后，逆传动变得越来越困难，因此目前电动助力转向系统难以在大扭矩系统上实现，目前仅仅能够在轿车、SUV等车辆上使用，未能在要求大扭矩的商用车上使用。

首先是存在磨损、弹性变形、摩擦和反向间隙等缺陷，系统稳定保持性差；其次是经过传动机构后，电机发射到方向盘上的的等效惯量大，路面振动信息被抑制，方向盘操作上路感弱；增加的机构，导致制造难度大、成本高。采用直接驱动方式能够有效地解决上述问题。

电机直接驱动的EPS系统如专利CN101365615B提供了一个直接驱动的方案，使用多极永磁电机进行转向助力驱动。

CN101365615B提供的助力方案，受制于材料的性能极限和产品的体积限制，提供的最大扭矩受到限制，当最大电流超过55A12V时扭矩为28.5NM，仅能够满足A级车辆的转向助力需要。虽然通过增加电机的体积和驱动电流来增加扭矩，但在实际车辆上，其电流和体积的限制已经接近设计极限。作为对比，现有的常规的涡轮蜗杆减速结构EPS系统当助力扭矩为35NM时，电流小于35A12V，当助力扭矩为75NM时，电流为80A，存在一定的差距。因此限制了其在车辆系统上的广泛应用，尤其在需要大助力扭矩驱动的车辆上。

根据永磁电机的驱动原理，电机的扭矩提高通过提高工作磁场强度，或加大电机的结构，或在一定范围内提高电机的工作电流，或者提高每周的输出功率。

这几个措施中，提高工作磁场强度需要增加永磁体的使用量或者使用高性能的永磁体，而高性能永磁体的价格高，从而将明显提高电机的成本。CN101365615B采用了永磁磁路并联结构的凸极设计，电机的工作磁通已受限于导磁材料的饱和点，增加永磁体所增加的磁场强度绝大部分消耗于饱和的磁路中，对电机提高性能已极为有限。

增大电机结构显然可以提高电机的输出扭矩，但显然同样也会带来电机的结构外形增加及电机的重量增加，由此带来电机的成本的增加，同时系统的外形是受限车辆内部的布局，设计上总是希望越小越好。

定子的工作电流的增加，受制于导线的电阻率和电机外形的限制，同时电机确定的情况下，铜损是与电机的电流平方成正比。EPS系统可以短时工作在极高的铜损状态下，设计中最高功率时铜损达到了75％，再通过电流增加的扭矩提高已经很有限了，并且系统电耗同样是在受到限制的。

CN101365615B中通过提高提高电机的集中绕组的极数，可以增加电机的输出扭矩，但电机极数的增加的同时电机受到电机结构的限制，由于空间需要同时容纳励磁导线和定子磁路，两者在有限的空间的需求上是相互竞争，不能够无限的增加。同时电机极数增加后每极的电流驱动效率下降，每极的漏电感比例增加，所能够获得的扭矩增加存在极限，在设计例中的定子极已经为优化后的结果。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种电机直接驱动的电动转向装置，实现一个电机直接驱动EPS系统，可以提供的驱动扭矩范围能够满足商用车使用，依据规格的不同，比如从30NM到150NM，同时保持结构和成本和电耗上的可用性。

本实用新型的目的是通过如下技术方案来完成的，包括电机、驱动器，所述的电机的中间连有扭杆结构，该电机由定子和转子组成，所述的电机的相数至少为两相，每相间呈轴向等均分布；所述的定子由导磁体、线圈组成，线圈环形绕制在导磁体所开设的槽中，所述的转子由永磁体组和转子支架组成，永磁体组固定在转子支架上，该永磁体组嵌入于导磁体上，并与线圈呈相对应分布；所述的线圈之间的引出线引于驱动器上。

作为优选，所述的永磁体组由钕铁硼材料或高矫顽力高磁能积的磁性材料制作而成，并沿轴向方向磁化，磁极交替分布；该永磁体组由第一磁体和第二磁体组成，并按交替分布呈环形结构闭合而成，且第一磁体和第二磁体的磁化方向分别相反。

作为优选，所述的导磁体由导磁材料叠片或由导磁粉体压制而成的高导磁性导磁体和辅助导磁体组成，其中高导磁性导磁体为：第一导磁体、第二导磁体、第五导磁体，辅助导磁体为：第三导磁体、第四导磁体；所述的第三导磁体、第四导磁体复合于第二导磁体、第五导磁体上。

本实用新型的有益效果为：简化EPS系统，扩大EPS系统的驱动能力服务；同设计应用于功率驱动的电机，可以实现极高功率密度的电机。

附图说明

图1是本实用新型的电机主视剖面结构示意图。

图2是本实用新型的电机俯视剖面结构示意图。

图3是本实用新型的转子剖面结构示意图。

图4是本实用新型的导磁体剖面结构示意图。

附图中的标号分别为：10、扭杆结构；11、转子支架；12、永磁体组；13、导磁体；14、线圈；15、第一线圈绕组；16、第二线圈绕组；17、第三线圈绕组；21、第一磁体；22、第二磁体；31、引出线；41、第一导磁体；42、第二导磁体；43、第三导磁体；44、第四导磁体；45、第五导磁体。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型做详细的介绍：如附图1至4所示，本实用新型包括电机、驱动器，所述的电机的中间连有扭杆结构10，该电机由定子和转子组成，所述的电机的相数至少为两相，每相间呈轴向等均分布；所述的定子由导磁体13、线圈14组成，线圈14环形绕制在导磁体13所开设的槽中，所述的转子由永磁体组12和转子支架11组成，永磁体组12固定在转子支架11上，该永磁体组12嵌入于导磁体13上，并与线圈14呈相对应分布；所述的线圈14之间的引出线31引于驱动器上。

所述的永磁体组12由钕铁硼材料或高矫顽力高磁能积的磁性材料制作而成，并沿轴向方向磁化，磁极交替分布；该永磁体组12由第一磁体21和第二磁体22组成，并按交替分布呈环形结构闭合而成，且第一磁体21和第二磁体22的磁化方向分别相反。

所述的导磁体13由导磁材料叠片或由导磁粉体压制而成的高导磁性导磁体和辅助导磁体组成，其中高导磁性导磁体为：第一导磁体41、第二导磁体42、第五导磁体45，辅助导磁体为：第三导磁体43、第四导磁体44；所述的第三导磁体43、第四导磁体44复合于第二导磁体42、第五导磁体45上。

如同通常的结构，电机的中间有输出轴和输入轴及连接两者的扭杆结构10构成，通过传感器可以检测到扭杆的形变，从而知道输入输出轴之间的扭矩值，轴由相应的轴承(图中未显示)支撑，保持自身及电机转子与定子之间的相对位置关系。

驱动的电机由具有多相的电机驱动，电机是相数可以是图1示的3相，也可以是其他的2相更多的如4、5相以上的相数，随着相数的增加，结构复杂性上会增加，轴向尺寸会增加，但同时可以带来的驱动的平顺性的增加，同时由于相间相互的磁路耦合关系较弱，相互之间可以作为冗余备份，整个系统的故障后降级运行的可靠性可以增加，机系统的可靠性能够得到提高。

本例中选用了比较典型的三相驱动方式。

每一相占有一个线圈绕组位置，图1示中第一线圈绕组15、第二线圈绕组16、第三线圈绕组17分别为三相绕组。

导磁体13在驱动转子的部位分成多个极，从制造方便，各个相之间的极可以在同一角度上，相间的角度差可以由转子的角度相差来体现。显然，由于相之间没有强的驱动磁路的耦合要求，因此特定的要求情况下也可以各相间的定子之间错移相位角，转子保持同相位角，或者转子、定子同时错移一定的相位角。

比如当电机的极对数为P时，电机的相数为n，各个相之间的相位角差为：

360/(P×n)

如示例图2中的极对数为18，当电机为三相时，各相间的相位角差为6.667度

应用中为了提高磁场强度和改善磁场形态，第一磁体21和第二磁体22之间可以增加水平方向磁化的磁体，构成halbach结构的永磁体，永磁体组12对外表现的磁场强度更大，永磁场的漏磁通更小，显然电机可提供的扭矩也更大。

每一相的线圈14分别环形绕制在导磁体13的槽中。线圈14之间可以以星形、三角或其他方式连接出线，由驱动器驱动。正常时当电机运行时，电流通过线圈的总的合成磁场电流等于0，电机定子在轴向上总体对外不表现出磁场。

各相线圈14的引出线31可以从定子的非关键导磁处引出，如图中的第三导磁体43处。

圆环型的集中线圈具有最高的励磁效率，即同样长度的导线可以提供出最大的磁场强度和磁通量。这样可以保证在最小电阻损耗情况下产生出相同的磁场，或在同样损耗的情况下提供出最大能量的磁场。

第一导磁体41、第二导磁体42、第五导磁体45为高导磁性能材料的导磁体13，可以有高导磁性的矽钢片冲裁叠片成相应的形状，也可以由粉末导磁体压制而成。构成的磁路具有高的饱和磁通和低的导磁损耗；

第三导磁体43、第四导磁体44为辅助导磁体，通过增加导磁截面，分担第二导磁体42、第五导磁体45的部分磁通，由导磁材料叠片或由导磁粉体压制而成。第三导磁体43、第四导磁体44同时承担提高定子轴向结构刚度的要求。第三导磁体43外层的导磁体间需要高磁阻区，可以空或填充非导磁材料。

与定子多极的结构结合，相对通常的电机，可以同时实现多极的结构，同时保持最高的导线效率，及电机结构的简单。

电机的极数的增加，相当于同时并联工作的电机数量在增加，显然可以同比例的提高电机的输出扭矩值，这在EPS等的低速大扭矩驱动要求上是相符合。

当然，极数的增加也是有限制的，转子上交替分布的的永磁体会因为空间的漏磁，对定子的有效作用会随着磁极周期的增加而逐步减弱，其中磁体之间的空间漏磁，是主要因素，采用Halbach结构，可以一定程度上减缓此效应，但总的趋势是仍然不能改变，同时永磁体的结构将复杂。小的定转子工作气息可以减小此漏磁效应。

另一方面，转子的气息漏磁也是可以利用的，为了保证电机的反电势为正弦特性，以便能够方便的提供平稳的驱动扭矩，永磁磁极的漏磁在一定宽度的磁极下可以使输出磁场更接近正弦，使不可避免的漏磁发挥一些正面的效应。

永磁体组12极数的增加，从对驱动的要求表现为电机的驱动电流的频率提高，同时为了保证驱动电流的一致，对应的驱动电压的提高。当然，也可以通过绕组的匝数调整，改变电机的定子的电感，从而匹配电机的电压要求。

一个设计例为：

电机的外径为：120mm，

电机高度为：85mm，

电机中心孔为：25mm，(可供系统安装扭杆和输入输出轴用)

定子外径为：110mm

定子内径为：53mm

电机极数为：22

转子厚：4mm

三相的环形转子的内径为：90mm

转子的有效作用外径为：110mm

电机的最大扭矩：45NM

最大扭矩时电机电流67.5A

电机有效结构重3.5Kg

电机具有基本相等的交直轴电感，细节上通过永磁体的外形控制和充磁磁场的控制，可以实现接近的极下磁场分布，为电机的扭矩平顺控制提供基础。

上述电机的每一相均具有独立的驱动能力，只是单独驱动时存在死区和驱动力的波动，当有两相时即可以实现连续的转向驱动，只是转矩的平顺性会比设计相数时低，这在系统故障降级运行时是可以接受的。当有三相或更多相时，随着相数的增加，对故障的冗余能力同时增加。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：

通过改进电机的结构，提高来电机的驱动力矩，达到充分满足直接驱动的要求。

电机具有简单的结构，制造成本低。

相对于常规的蜗杆减速机结构的EPS系统，能够适应更大规格的EPS系统驱动，同时因为转子具有极小的转动惯量，可以得到灵敏的路感反馈效果，从根本上实现接近HPS的优秀操作手感。

通过增加电机的外径和高度，电机提供的扭矩可以与电机的体积同比例增加，显然电机可以实现更大扭矩的驱动能力，用于常规减速机构所不能驱动的大扭矩EPS系统上。

相对于CN101365615B设计，电机结构简单，极下磁场由梯形的单一形式，改进为正弦或梯形等形式，控制实现的扭矩波动更小，改进此设计所固有的低速转矩的平顺性缺点。本电机具有更高的驱动效率。同样或更小的电流即可以实现更大的扭矩输出。

电机相间耦合极小，相与相间可以实现相互冗余备份，对安全性要求极高的车辆转向系统提供高可靠的驱动功能。

本实用新型不局限于上述实施方式，不论在其形状或材料构成上作任何变化，凡是采用本实用新型所提供的结构设计，都是本实用新型的一种变形，均应认为在本实用新型保护范围之内。

Claims (3)

1.一种电机直接驱动的电动转向装置，包括电机、驱动器，其特征在于：所述的电机的中间连有扭杆结构(10)，该电机由定子和转子组成，所述的电机的相数至少为两相，每相间呈轴向等均分布；所述的定子由导磁体(13)、线圈(14)组成，线圈(14)环形绕制在导磁体(13)所开设的槽中，所述的转子由永磁体组(12)和转子支架(11)组成，永磁体组(12)固定在转子支架(11)上，该永磁体组(12)嵌入于导磁体(13)上，并与线圈(14)呈相对应分布；所述的线圈(14)之间的引出线(31)引于驱动器上。

2.根据权利要求1所述的电机直接驱动的电动转向装置，其特征在于：所述的永磁体组(12)由钕铁硼材料或高矫顽力高磁能积的磁性材料制作而成，并沿轴向方向磁化，磁极交替分布；该永磁体组(12)由第一磁体(21)和第二磁体(22)组成，并按交替分布呈环形结构闭合而成，且第一磁体(21)和第二磁体(22)的磁化方向分别相反。

3.根据权利要求1所述的电机直接驱动的电动转向装置，其特征在于：所述的导磁体(13)由导磁材料叠片或由导磁粉体压制而成的高导磁性导磁体和辅助导磁体组成，其中高导磁性导磁体为：第一导磁体(41)、第二导磁体(42)、第五导磁体(45)，辅助导磁体为：第三导磁体(43)、第四导磁体(44)；所述的第三导磁体(43)、第四导磁体(44)复合于第二导磁体(42)、第五导磁体(45)上。