DE10115082A1 - Elektrische Servolenkvorrichtung - Google Patents
Elektrische ServolenkvorrichtungInfo
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Abstract
Es ist eine elektrische Servolenkvorrichtung (10) offenbart, welche einen Elektromotor (80) umfasst, der ein geringeres "Haken" aufweist, um dadurch ein komfortables Lenkgefühl bereitzustellen. Der Elektromotor umfasst einen ringförmigen äußeren Stator (85) und einen inneren Rotor (86), welcher innerhalb des äußeren Stators angeordnet ist. Der äußere Stator weist in Umfangsrichtung angeordnete Statorwicklungen (94a bis 94i) mit neun, oder einem Vielfachen von neun, Polen auf. Der innere Rotor weist in Umfangsrichtung angeordnete Permanentmagnete (94a bis 94h) mit acht Polen auf. Die Permanentmagnete sind in radialer Richtung magnetisiert und weisen in Umfangsrichtung alternierend angeordnete N- und S-Pole auf. Drei Pole oder ein Vielfaches von drei Polen der Statorwicklungen sind in Reihe geschaltet und durch elektrischen Drei-Phasen-Strom angetrieben.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Servolenkvorrichtung für
Kraftfahrzeuge im Allgemeinen und eine elektrische Servolenkvorrichtung
zur Ausübung eines Unterstützungsmoments auf ein Lenksystem des
Kraftfahrzeugs im Besonderen.
In den letzten Jahren wurden elektrische Servolenkvorrichtungen in Kraft
fahrzeugen im Hinblick darauf weit verbreitet eingesetzt, eine Lenklast
eines Lenkrads zu erleichtern, um dadurch ein komfortables Lenkgefühl
bereitzustellen. Die elektrische Servolenkvorrichtung dieser Art, von wel
cher ein typisches Beispiel in der japanischen Patentoffenlegungsschrift
Nr. HEI-9-30432 mit dem Titel "Elektrische Servolenkvorrichtung" offenbart ist,
umfasst üblicherweise einen Elektromotor zur Ausübung eines Unterstüt
zungsmoments, entsprechend einem Lenkmoment, auf ein Lenksystem.
Bei der offenbarten, elektrischen Servolenkvorrichtung wird ein Lenkmo
ment, welches durch Drehung eines Lenkrads erzeugt wird, auf eine Ritzel
welle eines Zahnstangen-und-Ritzel-Mechanismus übertragen. Ein Elek
tromotor erzeugt ein Unterstützungsmoment, entsprechend einem Lenkmo
ment, welches durch eine Reibkupplung und einen Schneckenradmecha
nismus auf die Ritzelwelle übertragen werden soll, um lenkbare Räder zu
lenken. Ein Rotor des Elektromotors ist durch den Schneckenradmecha
nismus in konstanter Antriebsverbindung mit der Ritzelwelle gehalten.
Wenn ein auf das Lenkrad ausgeübtes Lenkmoment klein ist, erzeugt der
Elektromotor bei der so angeordneten, elektrischen Servolenkvorrichtung
kein Unterstützungsmoment, und die lenkbaren Räder werden lediglich mit
einem Lenkmoment gelenkt. Wenn ein Lenkmoment ein gegebenes Niveau
überschreitet, erzeugt der Elektromotor ein Unterstützungsmoment, wel
ches dem Lenkmoment derart hinzugefügt werden soll, dass die lenkbaren
Räder durch das kombinierte Lenk- und Unterstützungsmoment gelenkt
werden können. Falls der Elektromotor aufgrund eines niedrigen Lenkmo
ments in einem Haltezustand gehalten ist, wird das Lenkmoment sowohl
zum Lenken der lenkbaren Räder als auch zum Drehen eines Rotors des
Elektromotors genutzt.
Wenn das Kraftfahrzeug linear bei einer hohen Geschwindigkeit fährt, ist
ein Lenkwinkel des Lenkrads relativ klein, und die lenkbaren Räder weisen
einen kleinen, gelenkten Winkel auf, bei welchem Reifenlaufabschnitte
lediglich geringförmig verformt sind. Somit treffen die Reifen auf einen
geringen Reibwiderstand (im Folgenden als "Fahrbahnreaktionskraft" be
zeichnet), welcher zwischen den Reifen und einer Fahrbahnfläche entsteht.
Wenn die Fahrbahnreaktionskraft abnimmt, nimmt das Lenkmoment des
Lenkrads ab, was dazu führt, dass kein Unterstützungsmoment benötigt
wird.
Beim Lenken der lenkbaren Räder durch ein Moment, welches lediglich aus
einem Drehen des Lenkrads um einen kleinen Winkel in einem Bereich nahe
der Neutralposition des Lenkrads resultiert, ist es wünschenswert, dass
jenes Moment im Wesentlichen in der Größe konstant gehalten wird, da
dies ein verbessertes Lenkgefühl bereitstellen wird.
Wenn aufgrund bestimmter Faktoren Schwankungen im Lenkmoment
größer sind als jene einer Fahrbahnreaktionskraft, ist es für einen Fahrzeug
führer schwierig, die Schwankungen des Lenkmoments von den Schwan
kungen der Fahrbahnreaktionskraft zu unterscheiden. Ein Vorhandensein
der großen Lenkmoment-Schwankungen hat eine nachteilige Wirkung auf
die Gleichmäßigkeit des Lenkens beim Drehen des Lenkrads, um eine
geringfügige Kursänderung auszuführen. Ein Angehen dieser Art von nach
teiliger Wirkung stellt eine verbesserte Lenkbarkeit des Kraftfahrzeugs
bereit.
Ein Hauptfaktor, warum Schwankungen im Lenkmoment dann zunehmen,
wenn das Lenkrad nahe der Neutralstellung gedreht wird und die lenkbaren
Räder lediglich mit dem Lenkmoment gelenkt werden, wird von einer be
stimmten Struktur des mit der Ritzelwelle gekoppelten Elektromotors abge
leitet.
Wie in der japanischen Patentoffenlegungsschrift HEI-9-30432 offenbart
ist, umfasst der Elektromotor der elektrischen Servolenkvorrichtung einen
Bürsten-DC-Motor. Ein derartiger Elektromotor ist typischerweise gebildet
aus einem ringförmigen Stator, welcher aus einer Mehrzahl von Permanent
magneten gebildet ist, die in Umfangsrichtung in einem Gehäuse angeord
net sind, sowie aus einem Rotor, welcher in dem Stator angeordnet ist und
Ankerwindungen aufweist.
Wenn die Ankerwindungen unerregt sind, tritt zwischen jeweiligen Magnet
polen des Stators und jeweiligen Kernen der Ankerwindungen im Allgemei
nen ein "Haken" (cogging) auf. Das "Haken" wird durch ein Quadrat eines
Kehrwertes des Getriebereduktionsverhältnisses eines Schneckenradmecha
nismus multipliziert, und das multiplizierte "Haken" wird dann als Schwan
kungen über die Ritzelwelle zum Lenkrad übertragen. Das Lenkmoment
weist somit Schwankungen auf.
Ein typisches Beispiel eines Elektromotors zur Reduzierung eines "Hakens"
ist aus dem japanischen Patent Nr. 2,967,340 mit dem Titel "Permanent
magnet-Synchronmotor" bekannt.
Der vorgenannte Synchronmotor ist ein sogenannter Außenrotor-Synchron
motor, welcher ein auf eine Drehwelle montiertes, ringförmiges Joch (ent
sprechend einem äußeren Rotor) und einen in dem Joch angeordneten,
stationären Ankerkern umfasst. Der Ankerkern umfasst neun radial an
geordnete, ausgeprägte Pole, von denen jeder eine Windung aufweist. An
einem Innenumfang weist das Joch acht in Umfangsrichtung angeordnete
Magnetpole auf. Somit ist der Elektromotor ein Synchronmotor mit neun
ausgeprägten Polen und acht Permanentmagneten.
Da die in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. HEI-9-30432 offen
barte elektrische Servolenkvorrichtung in einem engen Raum des Kraftfahr
zeugs angeordnet werden soll, sollte sie so klein wie möglich sein. Der
Elektromotor sollte ebenfalls so klein wie möglich sein. Jedoch muss der
Elektromotor derart konstruiert sein, dass er eine hohe Leistungsausgabe
zum Einsatz an der Servolenkvorrichtung aufweist. Im Gegensatz dazu
weist der in dem japanischen Patent Nr. 2,967,340 offenbarte Elektromo
tor ein Problem dahingehend auf, dass das Joch im Durchmesser unver
meidbar groß wird, da Permanentmagnete mit einer großen Anzahl von
Windungen verwendet werden, welche durch ein Joch umgeben sind, was
somit eine Verkleinerung des Elektromotors begrenzt.
Da bei der in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 9-30432 offenbarten,
elektrischen Servolenkvorrichtung ein Unterstützungsmoment in Antwort
auf ein Lenkmoment des Lenkrads häufig in geeigneten Maßen erzeugt
wird, sollte darüber hinaus der Rotor des Elektromotors eine so geringe
Trägheit wie möglich aufweisen. Da in diesem Fall die Trägheit des Rotors
zu dem Lenkrad mit einer Kraft übertragen wird, welche gleich einem Wert
ist, der dem Quadrat des Kehrwerts des Getriebereduktionsverhältnisses
des Schneckenradgetriebes proportional ist, liefert ein Absenken der Träg
heit des Rotors ein komfortables Lenkgefühl. Im Gegensatz dazu hat bei
dem im japanischen Patent Nr. 2,967,340 offenbarten Synchronmotor das
Joch aufgrund der inhärenten Struktur des Synchronmotors vom Perma
nentmagnettyp einen großen Durchmesser, was so eine Verringerung der
Trägheit des Rotors begrenzt.
Im Hinblick auf die Schwierigkeiten, auf die man bei der Verringerung der
Größe und der Trägheit des Elektromotors trifft, kann der vorgenannte
Permanentmagnet-Synchronmotor somit nicht so verwendet werden, wie
er ist.
Der Elektromotor des üblichen Typs umfasst die Ankerwindungen verteilt
und in mehr als zwei Schlitze gewickelt, wobei ein relativ großer Abschnitt
der Ankerwindungen keinen Beitrag zur Bildung eines effektiven Magnet
flusses aufweist, mit resultierenden erhöhten Kupferverlusten. Folglich
sollte der Elektromotor einer weiteren beträchtlichen Forschung und Ent
wicklung bedürfen, um eine erhöhte Leistungsausgabe bereitzustellen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische
Servolenkvorrichtung von geringer Größe bereitzustellen, welche ein kom
fortables Lenkgefühl durch Minimierung von Momentenschwankungen
bereitstellen kann, die durch einen unerregten Elektromotor während einer
Linearfahrt eines den Elektromotor verwendenden Kraftfahrzeugs hervor
gerufen werden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrische
Servolenkvorrichtung bereitzustellen, bei welcher ein Elektromotor eine
erhöhte Leistungsausgabe erzeugt, um eine verbesserte Lenkbarkeit bereit
zustellen.
Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist eine elektrische
Servolenkvorrichtung vorgesehen, welche einen Elektromotor zur Ausübung
eines Lenkunterstützungsmoments entsprechend einem Lenkmoment auf
ein Lenksystem enthält, wobei der Elektromotor umfasst: einen ringförmi
gen äußeren Stator mit in Umfangsrichtung angeordneten Statorwicklungen
mit neun oder einem Vielfachen von neun Polen; und einen inneren Rotor,
welcher innerhalb des äußeren Stators angeordnet ist und in Umfangs
richtung angeordnete Permanentmagnete aufweist, mit acht Polen; wobei
die Statorwicklungen derart verbunden sind, dass sie durch elektrischen
Strom mit drei Phasen angetrieben werden können.
Das kleinste gemeinsame Vielfache von neun Polen der Statorwindungen
und acht Polen der Permanentmagnete beträgt 72, was relativ groß ist. Im
Allgemeinen nimmt ein "Haken" (magnetische Anziehung) des Elektromo
tors ab, je größer das kleinste gemeinsame Vielfache wird.
In einer bevorzugten Form umfasst der äußere Stator neun, oder ein Vielfa
ches von neun, ausgeprägte Pole, welche bei einer gleichen Teilung in
radialer Richtung angeordnet sind. Die ausgeprägten Pole weisen jeweils
Statorwicklungen um sich herumgewickelt auf, wobei drei, oder ein Vielfa
ches von drei, Pole der Statorwicklungen in Reihe geschaltet sind, um drei
Phasen bereitzustellen. Wenn jeder der neun, oder des Vielfachen von
neun, ausgeprägten Pole durch die Statorwicklungen umwickelt ist, wird es
möglich, ein Überlappen der neun, oder des Vielfachen von neun, Stator
wicklungen zu verhindern. Dies führt zu dem Vorteil, dass der Elektromotor
eine reduzierte Anzahl von Wicklungsabschnitten aufweist, welche nicht
zur Bildung von effektivem Magnetfluss beitragen, wodurch Kupferverluste
reduziert werden und somit eine Abnahme der Leistungsabgabe vermieden
wird.
Wünschenswerterweise umfasst jede der drei Phasen jene drei, oder ein
Vielfaches von drei, Pole der in Reihe geschalteten Statorwicklungen,
welche nicht einander benachbart angeordnet sind. Somit bleibt eine wech
selseitige Induktion der Statorwicklungen, welche nicht einander benach
bart angeordnet sind, auf einem kleinen Wert.
Jede der drei Phasen kann jene drei, oder ein Vielfaches von drei, Pole der
in Reihe geschalteten Statorwicklungen umfassen, welche einander be
nachbart angeordnet sind.
Es ist bevorzugt, dass die acht Pole der Permanentmagnete in radialer
Richtung derart magnetisiert sind, dass N- und S-Pole in Umfangsrichtung
alternierend angeordnet sind.
Bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
werden lediglich als Beispiel unten ausführlicher mit Bezugnahme auf die
beiliegenden Zeichnungen erläutert werden, in welchen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer elektrischen Servolenkvor
richtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist;
Fig. 2 eine schematische Ansicht ist, welche ein grundlegendes
Prinzip eines in Fig. 1 gezeigten Lenkmomentsensors darstellt;
Fig. 3 eine Ansicht ist, welche eine Beispielanordnung eines in Fig.
1 gezeigten Lenksystems darstellt;
Fig. 4 eine Querschnittsansicht entlang Linie 4-4 von Fig. 3 ist;
Fig. 5 eine Querschnittsansicht entlang Linie 5-5 von Fig. 4 ist,
welche einen Elektromotor, einen Drehmomentbegrenzer und einen Getrie
bereduktionsmechanismus darstellt;
Fig. 6 eine Querschnittsansicht entlang Linie 6-6 von Fig. 5 ist,
welche den Elektromotor darstellt;
Fig. 7 eine vergrößerte Teilquerschnittsansicht des in Fig. 6 ge
zeigten Elektromotors ist, welche einen äußeren Stator und einen inneren
Rotor darstellt;
Fig. 8 eine perspektivische Explosionsansicht ist, die die gesamte
Anordnung des Elektromotors darstellt;
Fig. 9A und 9B schematische Ansichten sind, welche jeweils
einen Verdrahtungsanschluss von in Fig. 6 gezeigten, um ausgeprägte
Pole herumgewickelten Statorwicklungen und eine äquivalente Schaltung
des Elektromotors darstellen;
Fig. 10 ein Graph ist, welcher eine Beziehung zwischen der Anzahl
von Polen der Statorwicklungen und der Anzahl von Polen von Permanent
magneten in Bezug auf die ruhige Lenkbewegung eines Lenkrads zeigt; und
Fig. 11 eine schematische Darstellung einer modifizierten Form der
Statorwicklungen des Elektromotors gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
Die folgende Beschreibung ist lediglich beispielgebender Natur und ist
keineswegs dazu gedacht, die Erfindung, ihre Anwendung oder Verwen
dungen zu begrenzen.
Unter anfänglicher Bezugnahme auf Fig. 1 umfasst eine elektrische Servo
lenkvorrichtung 10 ein Lenksystem 23, welches zwischen ein Lenkrad 11
eines Kraftfahrzeugs und Vorderrädern 21, 21 des Kraftfahrzeugs gekop
pelt ist, sowie einen Lenkungsunterstützungsmechanismus 24, welcher
konstruiert ist, um ein Lenkungsunterstützungsmoment auf das Lenksystem
23 auszuüben.
Das Lenksystem 23 umfasst eine mit dem Lenkrad 11 gekoppelte Lenk
welle 12, ein erstes und ein zweites Universalgelenk 13, 13 und eine
Ritzelwelle 232, welche mit der Lenkwelle 12 über das erste und das
zweite Universalgelenk 13, 13 gekoppelt ist, und es bildet einen Zahn
stangen-und-Ritzel-Mechanismus 31. Der Zahnstangen-und-Ritzel-Lenkme
chanismus 31 umfasst einen Zahnstangenschaft 34, welcher an seinen
beiden distalen Enden mit den Vorderrädern 21, 21 über Kugelgelenke 36,
36 und Spurstangen 37, 37 verbunden ist. Der Zahnstangen-und-Ritzel-
Mechanismus 31 ist gebildet aus der Ritzelwelle 32, deren unteres, distales
Ende mit einem Ritzel 33 ausgebildet ist, und dem Zahnstangenschaft 34,
welcher mit einer mit Zähnen versehenen Zahnstange 35 ausgebildet ist.
Der Lenkungsunterstützungsmechanismus 24 umfasst einen Lenkmoment
sensor 70, welcher sehr nahe an der Ritzelwelle 32 angeordnet ist, um ein
darauf durch Drehung des Lenkrads 11 ausgeübtes Lenkmoment zu erfas
sen und um ein das erfasste Lenkmoment repräsentierendes Lenkmoment
signal zu erzeugen, eine Steuer/Regeleinrichtung 78, um in Antwort auf das
Lenkmomentsignal ein Steuer/Regelsignal zu erzeugen, sowie einen Elek
tromotor 80, um in Antwort auf das Steuer/Regelsignal ein dem Lenkmo
ment entsprechendes Unterstützungsmoment zu erzeugen. Das erzeugte
Unterstützungsmoment wird durch einen Drehmomentbegrenzer 110 und
einen Getriebereduktionsmechanismus 120 auf die Ritzelwelle 32 über
tragen.
Die so angeordnete, elektrische Servotenkvorrichtung 10 ermöglicht ein
Lenken der Straßenräder 21, 21 durch ein zusammengesetztes Moment,
welches gebildet ist aus einem durch Drehung des Lenkrads 11 erzeugten
Lenkmoment und einem Lenkungsunterstützungsmoment des Elektromotors
80.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, welche ein Grundprinzip eines
Betriebs des in Fig. 1 gezeigten Lenkmomentsensors 70 veranschaulicht.
Der Lenkmomentsensor 70 umfasst einen magnetostriktiven Drehmoment
sensor, welcher eine elektrische Spule aufweist, um eine magnetische
Verzerrung zu erfassen, die durch ein Lenkmoment hervorgerufen wird, das
in der Ritzelwelle 32 erzeugt wird, welche aus metallischem Werkstoff, wie
z. B. Eisenstahl, hergestellt ist, der die magnetostriktive Eigenschaft auf
weist, die auf das darauf ausgeübte Lenkmoment anspricht, sowie um
mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln. Der magneto
striktive Drehmomentsensor umfasst einen bekannten Sensor, wie er
beispielsweise in der japanischen Patentoffenlegungsschrift
Nr. HEI-6-221940 mit dem Titel "Drehmomentsensor vom magnetostriktiven Typ"
offenbart ist. Der Lenkmomentsensor 70 wird unten ausführlich beschrie
ben werden.
Der Lenkmomentsensor 70 umfasst eine Erregerspule 71, welche in einem
im Wesentlichen 8er-förmigen Profil ausgebildet ist, und eine Erfassungs
spule 72, welche in einem im Wesentlichen 8er-förmigen Profil ausgebildet
und in der gleichen Größe wie die Erregerspule 71 bemessen ist. Die Erre
gerspule 71 und die Erfassungsspule 72 kreuzen einander in konzentrischer
Beziehung unter einem im Wesentlichen rechten Winkel, wodurch sie einen
Satz von Magnetköpfen 73 bilden, welche sehr nahe an einem Außen
umfang der Ritzelwelle 32 angeordnet sind. Im Besonderen wird die in dem
8er-förmigen Profil ausgebildete Erregerspule 71 an dem Außenumfang der
Ritzelwelle 32 angebracht, und die in 8er-förmigem Profil ausgebildete
Erfassungsspule 72 wird an der Erregerspule 71 bei einem 90° in Phase
verschobenen Winkel überlappt. Während dieses Montagevorgangs wird
der lineare Abschnitt des 8er-förmigen Profils der Erregerspule 71 am
Außenumfang der Ritzelwelle 32 im Wesentlichen parallel zum Außen
umfang der Ritzelwelle 32 oder im Wesentlichen parallel zu einer Läng
sachse der Ritzelwelle 32 angeordnet. Bezugszeichen 74 bezeichnet eine
Erregerspannungsquelle zum Anlegen einer Erregerspannung an die Erreger
spule 71. Bezugszeichen 75 bezeichnet einen Spannungsverstärker.
Die Erregerspannungsquelle 74 ist derart angeordnet, dass sie eine Erreger
spannung bei einer hohen Frequenz von etwa 20 bis 100 kHz an die Erre
gerspule 71 liefert. Die Erfassungsspule 72 erzeugt eine Ausgangsspan
nung bei der gleichen Ausgangsfrequenz wie die Erregerspannung, welche
in Antwort auf den magnetostriktiven Effekt schwankt, welcher in der
Ritzelwelle 32 in Antwort auf das durch das Lenkrad ausgeübte Lenkmo
ment erzeugt wird.
Die Ausgangsspannung kann abhängig von der Richtung des auf die Ritzel
welle 32 ausgeübten Lenkmoments zwei Polaritäten aufweisen, d. h. die
gleiche Phase oder die entgegengesetzte Phase bezüglich der Erregerspan
nung. Die Amplitude der Ausgangsspannung ist proportional zur Größe des
Lenkmoments. Durch Verwendung der Phase der Erregerspannung als eine
Referenz, um die Ausgangsspannung synchron mit der Erregerspannung
gleichzurichten, ist es somit möglich, sowohl die Amplitude als auch die
Richtung des Lenkmoments in einer sehr zuverlässigen Art und Weise zu
erfassen. Die Ausgangsspannung wird an den Spannungsverstärker 75
angelegt und dort verstärkt, wobei das Lenkmomenterfassungssignal
erzeugt wird. Die Steuer/Regeleinrichtung 78 spricht auf das Lenkmoment
erfassungssignal an und erzeugt das Fahrerunterstützungsmoment-Steuer/-
regelsignal.
Als nächstes wird auf Fig. 3 Bezug genommen, welche, teilweise im
Schnitt, die elektrische Servolenkvorrichtung 10 gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt. Der Zahnstangenschaft 34 der elektrischen Servolenkvor
richtung 10 ist axial in einem Gehäuse 41, welches in einer Seiten- oder
Breitenrichtung (d. h. Rechts-und-Links-Richtung in Fig. 3) des Kraftfahr
zeugs verläuft, zur Gleitbewegung darin angeordnet.
Der Zahnstangenschaft 34 besitzt entgegengesetzte, distale Enden, welche
mit jeweiligen Kugelgelenken 36, 36 gekoppelt sind, die mit der rechten
bzw. der linken Spurstange 37, 37 verbunden sind. Das Gehäuse 41 be
sitzt zwei Träger 42, 42, welche an dem nicht gezeigten Fahrzeugkörper
anzubringen sind. Bezugszeichen 44, 44 bezeichnen Schmutzdichtungs-
Schutzmanschetten.
Fig. 4 zeigt eine längsgeschnittene Struktur der elektrischen Servolenkvor
richtung 10.
Das Gehäuse 41 der elektrischen Servolenkvorrichtung 10 enthält den
Zahnstangen-und-Ritzel-Mechanismus 31, den Lenkmomentsensor 70, den
Drehmomentbegrenzer 110 (siehe Fig. 5) und den Reduktionsgetriebeme
chanismus 120, wobei eine obere Öffnung des Gehäuses 71 mit einem
Deckel 45 abgedeckt ist. In Fig. 4 ist der Lenkmomentsensor 70 als in
dem Deckel 45 eingebaut gezeigt; jedoch kann er direkt in das Gehäuse 41
eingebaut sein. Das Gehäuse 41 und der Deckel 45 sind durch Befesti
gungsbolzen 53 miteinander gekoppelt.
Das Gehäuse 41 weist ein oberes und ein unteres Lager 51 und 52 auf, um
einen zentralen Abschnitt bzw. einen unteren Endabschnitt der Ritzelwelle
32 drehbar zu lagern. Bezugszeichen 60 bezeichnet eine Zahnstangenfüh
rung, während Bezugszeichen 54 einen Rückhaltering bezeichnet.
Ein unterer Abschnitt der Ritzelwelle 32 weist ein Ritzel 33 auf, wobei ein
distales Ende der Ritzelwelle 32 mit einem Gewindeabschnitt 55 ausgebil
det ist, während ein oberer Abschnitt der Ritzelwelle 32 von dem Deckel
45 nach außen verläuft. Eine Mutter 56 ist auf den Gewindeabschnitt 55
geschraubt, wodurch eine axiale bzw. longitudinale Bewegung der Ritzel
welle 32 begrenzt wird. Bezugszeichen 57 bezeichnet eine Hutmutter.
Bezugszeichen 58 bezeichnet eine Öldichtung. Mit Bezugszeichen 59 wird
ein Abstandselement bezeichnet.
Die Zahnstangenführung 60 umfasst ein Führungselement 61 und einen
Einstellbolzen 63. Das Führungselement 61 ist derart angeordnet, dass es
den Zahnstangenschaft 34 in einer der auf dem Zahnstangenschaft 34
ausgebildeten Zahnstange 35 entgegengesetzten Richtung spannt. Der
Einstellbolzen 63 dient zur Einstellung der Spannkraft einer Feder 62,
welche das Führungselement 61 mit einer vorbestimmten Kraft zum Zahn
stangenschaft 34 hin spannt. Mit der so angeordneten Zahnstangenführung
60 wird die Position des Einstellbolzens 63 relativ zum Gehäuse 41 derart
eingestellt, dass das Führungselement 61 zum Zahnstangenschaft 34 hin
mit einer geeigneten Spannkraft gespannt wird, um zu bewirken, dass das
Führungselement 61 auf die Zahnstange 35 Druck ausübt, welche folglich
zum Ritzel 33 hin gespannt wird. Bezugszeichen 64 bezeichnet ein bogen
förmiges Leistenelement, während Bezugszeichen 65 eine Gegenmutter
bezeichnet.
Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht, welche eine Beziehung zwischen dem
Elektromotor 80, dem Drehmomentbegrenzer 110 und dem Reduktions
getriebemechanismus 120 veranschaulicht.
Eine Seitenöffnung des Gehäuses 41 ist mit einem Deckel 81 abgedeckt,
welcher mit Befestigungsbolzen an Ort und Stelle festgelegt ist. Der Elek
tromotor 80 weist ein Motorgehäuse 82 auf, welches fest an dem Deckel
81 angebracht ist. Das Motorgehäuse 82 weist ein hohles, zylindrisches
Element auf, welches mit einer Bodenwand ausgebildet ist. Ein erster
ringförmiger, äußerer Stator 83 ist an dem Motorgehäuse 82 angebracht.
Ein zweiter ringförmiger, äußerer Stator 84 ist an dem ersten ringförmigen,
äußeren Stator 83 angebracht. Ein zylindrischer innerer Rotor 86 ist dreh
bar in dem zweiten ringförmigen, äußeren Stator 84 angeordnet. Der innere
Rotor 86 besitzt eine Motorwelle (d. h. eine Ausgangswelle) 87. Ein hinteres
Ende der Motorwelle 87 trägt einen Phasenerfassungssensor 101 zur
Erfassung der Phase des inneren Rotors 86. Der Elektromotor 80 ist ein
bürstenloser Innenrotor-DC-Motor. Der erste und der zweite äußere Stator
83 und 84 bilden den äußeren Stator 85.
Ein vorderer Abschnitt der Motorwelle 87 verläuft in dem Gehäuse 41. Die
Motorwelle 87 ist mit dem Deckel 81 und dem Motorgehäuse 82 durch
Lager 88, 89 drehbar gelagert.
Der Phasenerfassungssensor 101 umfasst einen geschichteten Kernrotor
102, welcher fest mit dem hinteren distalen Ende der Motorwelle 87 ver
bunden ist, und ein Erfassungselement 103 (welches aus seiner kombinier
ten Erregerspule und Erfassungsspule aufgebaut ist), um die Phase des
Kernrotors 102 magnetisch zu erfassen. Bezugszeichen 106 bezeichnet
eine Abdeckung.
Der Drehmomentbegrenzer 101 umfasst ein inneres Element 111 zum
Eingriff mit der Motorwelle 87 durch eine Keilwellenverbindung sowie ein
tassenförmiges äußeres Element 112, welches mit der Schneckenwelle
121 durch Keilwellenverbindung gekoppelt ist. Das innere Element 111 ist
mit einer zwischen einem Außenumfang des inneren Elements 111 und
einen Innenumfang des äußeren Elements 112 hervorgerufenen, resultieren
den Reibung im Eingriff mit dem äußeren Element 112 gehalten, um eine
Antriebsverbindung bereitzustellen.
Wenn der Drehmomentbegrenzer 110 auf ein größeres Moment trifft,
welches eine gegebene Reibkraft übersteigt, tritt zwischen dem Außen
umfang des inneren Elements 111 und dem Innenumfang des äußeren
Elements 112 Schlupf auf. Wenn dies eintritt, ist die Größe eines vom
Elektromotor 80 auf den Reduktionsgetriebemechanismus 120 ausgeübten
Lenkungsunterstützungsmoments begrenzt, um einen Schutz vor einem
Überdrehmoment bereitzustellen. Folglich ist der Elektromotor 80 vor einer
übermäßigen Überlast geschützt, wodurch verhindert wird, dass eine
übermäßige Überlast auf die Lastseite ausgeübt wird. Bezugszeichen 113
bezeichnet eine Tellerfeder, während Bezugszeichen 114 eine Mutter
bezeichnet. Durch Bezugszeichen 115 wird ein Rückhaltering bezeichnet.
Der Reduktionsgetriebemechanismus 120 dient als eine Drehmoment-
Zuführeinheit, welche das Lenkungsunterstützungsmoment, das durch den
Elektromotor 80 erzeugt wird, zur Ritzelwelle 32 überträgt und einen Sch
neckengetriebemechanismus umfasst. Im Besonderen umfasst die Getriebe
reduktionseinheit 120 eine Schneckenwelle 121, welche mit der Motor
welle 87 des Elektromotors 80 über den Drehmomentbegrenzer 110 gekop
pelt ist, eine Schnecke 121, welche an einem Außenumfang der Schnec
kenwelle 121 ausgebildet ist, sowie ein Schneckenrad 123 (im Folgenden
lediglich als Rad bezeichnet), welches mit dem Drehmomentbegrenzer 32
gekoppelt ist.
Ein Voreilwinkel zwischen der Schnecke 122 und dem Rad 123 ist derart
konstruiert, dass er geringfügig größer als jener eines Reibwinkels ist. Dies
ist so aufgrund der Tatsache, dass das durch die Ritzelwelle 32 erzeugte
Lenkmoment der Motorwelle 87 des Elektromotors 80 während eines
ausgeschalteten (unerregten) Zustands des Elektromotors 80 gestattet,
über das Rad 123 die Schnecke 122, die Schneckenwelle 121 und den
Drehmomentbegrenzer 110 zu drehen.
Die Schneckenwelle 121 ist auf der Motorwelle 87 in konzentrischer Bezie
hung ausgerichtet und ist mit einem ersten und einem zweiten Lager 124,
125 in dem Gehäuse 41 gelagert. Das erste Lager 124, welches der Motor
welle 87 am nächsten ist, ist fest in dem Gehäuse 41 gelagert und kann
sich nicht in axialer Richtung bewegen. Das zweite Lager 125, das von der
Motorwelle 87 am fernsten liegt, ist in das Gehäuse 41 derart eingepasst,
dass es der Schneckenwelle 121 gestattet, sich relativ zum Gehäuse 41 in
der axialen Richtung zu bewegen.
Das zweite Lager 125 ist zwangsweise mit einer scheibenförmigen Tel
lerfeder 126, welche mit einem endseitigen Ende einer äußeren Bahn des
zweiten Lagers 125 in Kontakt gehalten ist, zur Motorwelle 87 hin ge
spannt. Die Spannkraft der scheibenförmigen Tellerfeder 126 wird durch
einen Einstellbolzen 127 eingestellt. Bei einer derartigen Struktur wird die
Spannkraft mit dem Einstellbolzen 128 und der scheibenförmigen Tellerfe
der 126 bestimmt, um einen gegebenen Vordruck zwischen dem ersten
und dem zweiten Lager 124, 125 bereitzustellen, was in der axialen Rich
tung kein Spiel, ein sogenanntes Lagerspiel, lässt. Weiterhin kann eine
axiale Position der Schnecke 122 derart eingestellt werden, dass die
Schnecke 122 und das Rad 123 in einem Kämmzustand gehalten werden,
um eine geeignete Reibeigenschaft zu erhalten, während das Lagerspiel
verhindert wird. Aufgrund der Spannkraft der Tellerfeder 126 ist es weiter
hin möglich, eine thermische Ausdehnung der Schneckenwelle 121 in der
axialen Richtung zu absorbieren. Bezugszeichen 128 bezeichnet eine Ge
genmutter, und Bezugszeichen 129 bezeichnet einen Rückhaltering.
Eine ausführliche Struktur des Elektromotors 80 wird unten mit Bezug
nahme auf Fig. 6 bis 8 beschrieben.
In Fig. 6 umfasst der zweite äußere Stator 84 ein magnetisches Material
mit neun ausgeprägten Polen 92a bis 92i, welche von einem hohlen Zylin
derabsschnitt aus an Stellen mit äquidistantem Abstand radial verlaufen.
Diese ausgeprägten Pole 92a bis 92i weisen jeweils Statorwicklungen 93a
bis 93i auf. Jeder dieser ausgeprägten Pole 92a bis 92i umfasst einen
Stapel dünner, magnetischer Platten.
Der innere Rotor 86 ist derart aufgebaut, dass er einen Rotorkörper auf
weist, welcher acht Permanentmagnete 94a bis 94h umfasst, welche in
Umfangsrichtung angeordnet sind. Jeder dieser Permanentmagnete 92a bis
92h weist eine Bogengestalt auf, wobei N- und S-Pole in einer radialen
Richtung und weiterhin in einer Umfangsrichtung abwechselnd angeordnet
sind.
In Fig. 7 ist der erste äußere Stator 83 mit einem Positionierstift 95 an
einem festen Ort in der Umfangsrichtung relativ zum Motorgehäuse 82
angeordnet. Ein Innenumfang des ersten äußeren Stators 83 ist mit einer
Mehrzahl von in äquidistantem Abstand angeordneten Ausnehmungen 83a
ausgebildet, um jeweilige radiale Enden der mehreren ausgeprägten Pole
92a bis 92i aufzunehmen. Diese mehreren Ausnehmungen 83a verlaufen in
einer axialen Richtung. Folglich ist der zweite äußere Stator 84 relativ zum
ersten äußeren Stator 83 in einer Umfangsrichtung an einem festen Ort
angeordnet. Als Folge sind die jeweiligen ausgeprägten Pole 92a bis 92i
präzise in korrekten Positionen relativ zu der Anbringungsposition des
Phasenerfassungssensors 101 (siehe Fig. 5) angeordnet.
Jede der Statorwicklungen 93a bis 93i ist um eine zylindrische Spule 96
gewickelt, deren Boden mit einem ringförmigen Flansch 96a ausgebildet
ist. Eine Rückhalteplatte 97 ist an einem radialen Ende einer jeden zylin
drischen Spule 96 presseingepasst. Jede der Spulen 96, die so mit den
jeweiligen Statorwicklungen 93a bis 93i versehen sind, wird in jeden der
Statorpole 92a bis 92i eingeführt. Auf diese Weise sind die Statorwick
lungen 93a bis 93i an den jeweiligen ausgeprägten Polen 92a bis 92i
ausgebildet.
Zwischen einem Innenumfang des zylindrischen Abschnitts 91 des zweiten
äußeren Stators 84 und einem Außenumfang des inneren Rotors 86 ist ein
kleiner Luftspalt 98 definiert.
Eine Montagefolge des Elektromotors 80 wird unten mit Bezugnahme auf
Fig. 8 beschrieben. In einem ersten Schritt werden einzelne Spulen 96, die
die jeweiligen Statorwicklungen 93a bis 93i an sich aufweisen, jeweils auf
jeden der ausgeprägten Pole 92a bis 92i eingesetzt. In einem nachfolgen
den Schritt wird der zweite äußere Stator 84 in den ersten äußeren Stator
83 eingesetzt, was zu einer Montage des ringförmigen äußeren Stators 85
führt, welcher die neun Statorwicklungen 93a bis 93i aufweist, die in der
Umfangsrichtung angeordnet sind. In einem nächsten Schritt wird der
äußere Stator 85 in das Motorgehäuse 82 eingeführt, wodurch der äußere
Stator 85 in das Motorgehäuse 82 montiert wird.
Fig. 9A und 9B zeigen ein typisches Verdrahtungsmuster gemäß der
vorliegenden Erfindung.
Wie in Fig. 9A gezeigt ist, sind drei benachbarte Statorverdrahtungen
93a, 93b, 93c, welche um die jeweiligen Statorpole 92a, 92b, 92c gewic
kelt sind, in Reihe geschaltet, um eine einzelne Phase zu bilden, welche
einen Teil von drei Phasen (U-Phase, V-Phase und W-Phase) bildet.
Genauer ist die U-Phase gebildet mit den drei benachbarten in Reihe ge
schalteten Statorwicklungen 93a, 93b, 93c, die V-Phase ist gebildet mit
drei benachbarten in Reihe geschalteten Statorwicklungen 93d, 93e, 93f
und die W-Phase ist gebildet aus drei benachbarten in Reihe geschalteten
Statorwicklungen 93g, 93h, 931. Die Statorwicklungen 93a bis 93i sind in
derselben Richtung gewickelt, wie in Fig. 9A zu sehen ist.
Ein Eingangsanschluss der U-Phasenstatorwicklung trägt ein Bezugszeichen
Uo, und ein Ausgangsanschluss trägt ein Bezugszeichen No. Ähnlich trägt
ein Eingangsanschluss der V-Phasenstatorwicklung ein Bezugszeichen Vo,
und ein Ausgangsanschluss trägt ein Bezugszeichen No. Ein Eingangs
anschluss der W-Phasenstatorwicklung trägt ein Bezugszeichen Wo, und ein
Ausgangsanschluss trägt ein Bezugszeichen No.
Es wird nun aus der vorangehenden Beschreibung verstanden werden, dass
die Statorwicklungen des Elektromotors 80 aus konzentrierten Statorwick
lungen gebildet sind, wobei die Statorwicklungen 93a bis 93i um die jewei
ligen neun ausgeprägten Pole 92a bis 92i gewickelt sind, welche radial
verlaufen und voneinander in der Umfangsrichtung mit äquidistantem
Abstand angeordnet sind. Als Folge sind die neun Statorwicklungen 93a
bis 93i nicht miteinander gegenseitig überlappt.
Folglich sind die Statorwicklungen des Elektromotors 80 derart angeordnet,
dass keine Statorwicklung über mehreren Schlitzen liegt, wie bei verteilten
Statorwicklungen, welche in mehr als zwei Schlitzen umwickelt sind. Da
der Elektromotor 80 eine geringere Anzahl von Statorwicklungsabschnitten
aufweist, welche nicht zur Bildung eines effektiven magnetischen Flusses
beitragen, ist der Kupferverlust merklich verringert, was die Leistungs
ausgabe derart erhöht, dass bewirkt wird, dass der Elektromotor 80 eine
hohe mechanische Leistung erzeugt.
Durch Verwendung des zuvor erwähnten elektrischen Motors 80 mit gerin
gerem Kupferverlust und hoher Leistungsausgabe in der elektrischen Servo
lenkvorrichtung 10 (siehe Fig. 1), weist die elektrische Servolenkvorrich
tung verschiedene Vorteile auf. Im Allgemeinen, unter Bedingungen, bei
welchen die Drehzahl des Motors niedrig ist, wobei das Kraftfahrzeug sich
in seinem Haltezustand befindet, wie z. B. in einem Fall, in welchem das
Kraftfahrzeug in einer Garage abgestellt wird, erzeugt ein elektrischer
Strom-Generator, welcher durch den Motor angetrieben wird, eine niedrige
Leistungsausgabe. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, zu bewirken,
dass der Elektromotor 80 ein Lenkungsunterstützungsmoment bei schnel
lem Ansprechen und in einer sehr zuverlässigen Art und Weise, wie in Fig.
1 gezeigt, erzeugt, selbst wenn eine Leistungsabgabe des elektrischen
Strom-Generators niedrig ist. Folglich kann das Wesen des Ansprechens
auf die Lenkung für die Räder 21, 21 deutlich verbessert werden, beson
ders wenn ein schnelles Drehen des Lenkrads benötigt wird, was somit die
Lenkbarkeit verbessert.
Fig. 9B zeigt einen elektrischen Anschlussplan, welcher den Elektromotor
80 darstellt, der in einem Y-Anschluss (Sternanschluss) ausgebildet ist,
indem die jeweiligen Neutralanschlüsse No der U-Phasen-, V-Phasen- und
W-Phasenstatorwicklungen miteinander verbunden werden und die Ein
gangsanschlüsse Uo, Vo und Wo der U-Phasen-, V-Phasen- und W-Phasen
wicklungen mit jeweiligen Ausgangsanschlüssen einer Drei-Phasen-Strom
versorgung 99 verbunden werden. Auf diese Art und Weise sind die jewei
ligen Statorwicklungen 93a bis 93i des Elektromotors 80 mit elektrischem
Drei-Phasen-Strom verbunden und werden durch diesen angetrieben.
Der Elektromotor 80 wird in einer Folge gesteuert/geregelt, z. B. in einem
Pulsbreiten-Modulationsmodus, um Pulsspannungen an die jeweiligen
Anschlüsse Uo, Vo und Wo von der Drei-Phasen-Stromversorgung 99 aus
anzulegen. Die Pulsbreite einer jeden Pulsspannung wird in Antwort auf die
Steuer/Regelsignale gesteuert/geregelt, welche von der in Fig. 1 gezeigten
Steuer/Regeleinrichtung 78 geliefert werden, was bewirkt, dass der Elek
tromotor 80 als Antwort auf ein Lenkmoment ein gewünschtes Lenkungs
unterstützungsmoment erzeugt.
Hier wird der Grund, warum der in der elektrischen Servolenkvorrichtung
10 verwendete Elektromotor 80 aus dem äußeren Stator 85 mit den Stator
wicklungen 93a bis 93i und dem inneren Rotor 86 mit den Permanentma
gneten 94a bis 94h mit acht Polen aufgebaut ist, ausführlich unter Be
zugnahme auf Fig. 1 und Fig. 6 und 10 beschrieben.
Wie zuvor unter Bezugnahme auf Fig. 6 diskutiert wurde, umfasst der
Elektromotor 80 den bürstenlosen DC-Motor, bei welchem der Stator die
ausgeprägten Pole 92a bis 92i und die Statorwicklungen 93a bis 93i auf
weist, und der Rotor 86 die Permanentmagnete 94a bis 94h aufweist.
Im Allgemeinen, wenn das Kraftfahrzeug während eines Ausschaltzustands
der Statorwicklungen 93a bis 93i des Elektromotors 80 linear verfährt, tritt
ein Hakproblem (magnetische Anziehung) zwischen jedem der ausgepräg
ten Pole 92a bis 92i und jedem der Permanentmagneten 94a bis 94h auf.
Das "Haken" wird auf einen Wert verstärkt, welcher gleich einem Produkt
multipliziert mit dem Quadrat des Kehrwerts eines Reduktionsverhältnisses
im Reduktionsgetriebemechanismus 120 ist, und wird als verstärkte
Schwankungen durch die Ritzelwelle 32 zum Lenkrad 11 übertragen. Somit
neigt das Lenkmoment zu Schwankungen. Bei der in Fig. 1 gezeigten
elektrischen Servolenkvorrichtung 10 muss dann, wenn das Kraftfahrzeug
in einer Vorwärtsrichtung während eines ausgeschalteten Zustands des
Elektromotors 80 geradeaus fährt, das Vorhandensein der Schwankungen
im Lenkmoment, welche durch eine Hak-Wirkung des Elektromotors 80
hervorgerufen werden, minimiert werden, um ein komfortables Lenkgefühl
zu erhalten. Zu diesem Zweck muss die Hak-Wirkung wünschenswerter
weise verringert werden. Die Anzahl an Hak-Ereignissen, welche pro jeder
Umdrehung des Rotors 86 erzeugt werden, ist gleich einem Wert, der dem
kleinsten gemeinsamen Vielfachen zwischen der Anzahl der ausgeprägten
Pole 92a bis 92i (die Anzahl der Pole, die durch die Statorwicklungen 93a
bis 93i definiert sind) und der Anzahl der Permanentmagnete 94a bis 94h
entspricht. Es wurde jedoch gefunden, dass die Hak-Wirkung verringert
wird, wenn das kleinste gemeinsame Vielfache ansteigt. Um im Hinblick
auf eine Verringerung der Hak-Wirkung das kleinste gemeinsame Vielfache
zu erhöhen, ist es eine gute Praxis, die Anzahl der Permanentmagnetpole
94a bis 94h und die Anzahl der Pole der Statorwicklungen 93a bis 93i zu
erhöhen.
Da die elektrische Servolenkvorrichtung 10 in einem engen Raum im Kraft
fahrzeug eingebaut sein sollte, sollte die elektrische Servolenkvorrichtung
10 eine geringe Baugröße aufweisen. Zu diesem Zweck sollte auch der
Elektromotor 80 klein sein. Darüber hinaus sollte der Elektromotor 80 der
elektrischen Servolenkvorrichtung 10 eine hohe Leistungsausgabe auf
weisen. Beispielsweise wird in einer aktuellen Anwendung der Elektromotor
mit einem Durchmesser von etwa 50 bis 70 mm verwendet und wird mit
elektrischem Strom von etwa 30 bis 40 Ampere versorgt. Da der Elek
tromotor 80 somit eine kleine Größe aufweist, kann eine große Anzahl von
Statorwicklungen 93a bis 93i wünschenswerterweise an einem Bereich
außerhalb des Rotors 86 angeordnet sein.
Da der Elektromotor 80 der bürstenlose DC-Motor ist, ist es üblich, die
Statorwicklungen 93a bis 93i mit dem elektrischen Drei-Phasen-Strom
anzutreiben. Der zweite äußere Stator 84 kann drei Pole oder die Anzahl
von Polstücken gleich dem Vielfachen von drei aufweisen.
Da die elektrische Servolenkvorrichtung 10 das Lenkungsunterstützungs
moment in Abhängigkeit von dem durch das Lenkrad ausgeübten Lenkmo
ment häufig und in geeigneter Weise bereitstellt, muss zusätzlich die Träg
heit des Rotors 86 des Elektromotors 80 auf ein so kleines Niveau wie
möglich reduziert werden. Eine Verringerung von Trägheit liefert ein verbes
sertes komfortables Lenkgefühl. Um die Trägheit des Rotors 86 zu ver
ringern, kann der Rotor 86 leicht und von kleinem Durchmesser sein.
Rückblickend muss, um den Elektromotor 80 in der elektrischen Servolenk
vorrichtung 10 zu verwenden, eine erste Bedingung erfüllt sein, die elek
trische Servolenkvorrichtung 10, von geringer Größe sein zu lassen, um
den begrenzten Bauraum im Kraftfahrzeug zu überwinden, und weiterhin
muss eine zweite Bedingung erfüllt sein, den Rotor 86, der die Permanent
magnete aufweist, im Hinblick auf eine Verringerung der Trägheit im Au
ßendurchmesser reduziert sein zu lassen, während man den Stator, der die
Statorwindungen aufweist, den äußeren Stator 85 bilden läßt.
Das Vorhandensein des inneren Rotors 86, welcher mit den N- und S-Polen
der Permanentmagnete 94a bis 94i ausgebildet ist, die in der Umfangs
richtung alternierend angeordnet sind, stellt im Wesentlichen die Anzahl
von zwei Polen oder die Anzahl von Polstücken bereit, welche dem Vielfa
chen von zwei äquivalent ist.
Wie zuvor oben erwähnt wurde, ist der Außendurchmesser des inneren
Rotors 86 bestimmt durch Berücksichtigung des begrenzten Bauraums des
Elektromotors 80 in der elektrischen Servolenkvorrichtung 10 und der
benötigten niedrigen Trägheit. Wenn jedoch der innere Rotor einen kleine
ren Durchmesser als gefordert aufweist, ist es schwierig, die Anzahl von
Polen der Permanentmagnete 94a bis 94h zu erhöhen. Um das komfortable
Lenkgefühl der elektrischen Servolenkvorrichtung 10 bereitzustellen, muss
ein anfänglich zulässiger Trägheitsbereich berücksichtigt werden, auf
welchen hin der Durchmesser des inneren Rotors vorzugsweise gerichtet
werden muss.
Wenn der Durchmesser des inneren Rotors 86 bestimmt ist, können die
Permanentmagnete 94a bis 94h, welche an dem Umfang des Innenrotors
86 angeordnet sind, mit einer derartigen Überlegung vorzugsweise acht
Pole aufweisen, um Herstellungskosten zu reduzieren. Obwohl die Anzahl
an Polen der Permanentmagnete 94a bis 94h auf mehr als acht erhöht
werden kann, bewirkt eine Zunahme der Anzahl der Permanentmagnete
unter Umständen eine Erhöhung der Herstellungskosten des Elektromotors
80. In der dargestellten bevorzugten Ausführungsform wurde der innere
Rotor 86 als Beispiel derart gezeigt, dass er die Permanentmagnete 94a bis
94h mit acht Polen aufweist.
Zusammengefasst wird gemäß der vorliegenden Erfindung der Durchmesser
des inneren Rotors 86 derart bestimmt, dass man erstens dem inneren
Rotor 86 im Hinblick auf eine Verbesserung des Hak-Verhaltens ermöglicht,
die Permanentmagnete 94a bis 94h mit acht Polen aufzuweisen, um da
durch das komfortable Lenkgefühl bereitzustellen, man zweitens dem Elek
tromotor 80 im Hinblick auf eine Übereinstimmung mit dem begrenzten
Bauraum des Kraftfahrzeugs ermöglicht, von geringer Größe zu sein, und
man drittens dem inneren Rotor ermöglicht, eine niedrige Trägheit in einem
Bereich aufzuweisen, welcher für ein Erhalten des komfortablen Lenkge
fühls zulässig ist.
Mit einem derartigen inneren Rotor 86, welcher bestimmt ist, die Perma
nentmagnete 94a bis 94h mit acht Polen aufzuweisen, ist der Stator derart
konstruiert, dass er neun Pole der Statorwicklungen 93a bis 93i aufweist
(d. h. neun ausgeprägte Pole 92a bis 92i oder neun Schlitze), um das klein
ste gemeinsame Vielfache zwischen der Anzahl von Polen der Permanent
magnete 94a bis 94h und der Anzahl der Statorwicklungen 93a bis 93i
vergleichsweise zu erhöhen. Als Folge beträgt das kleinste gemeinsame
Vielfache 72. Obwohl es möglich ist, dass die Statorwicklungen 93a bis 93i
mehr als neun Pole aufweisen, steht einer Zunahme der Anzahl von Polen
der Statorwicklungen eine nachteilige Wirkung auf die Herstellungskosten
gegenüber.
Nun wird im Folgenden die Beziehung zwischen der Anzahl von Polen der
Statorwicklungen 93a bis 93i des Elektromotors 80 und der Anzahl von
Polen der Permanentmagnete 94a bis 94h und die gleichmäßige Bewegung
des Lenkrads mit Bezugnahme auf einen Graph von Fig. 10 beschrieben.
Wenn der innere Rotor 86 weniger als sechs Pole aufweist und die Anzahl
von Polen der Statorwicklungen 93a bis 93i dem Vielfachen von drei ent
spricht und kleiner als fünfzehn ist, wird das kleinste gemeinsame Vielfache
zwischen der Anzahl von Polen der Permanentmagnete 94a bis 94h und die
Anzahl von Polen der Statorwicklungen 93a bis 93h relativ klein.
Wenn im Gegensatz dazu der innere Rotor 86 die acht Pole aufweist und
die Anzahl von Polen der Statorwicklungen dem Vielfachen von drei ent
spricht und kleiner als fünfzehn ist, wird das kleinste gemeinsame Vielfache
zwischen der Anzahl von Polen der Permanentmagnete 94a bis 94h und die
Anzahl von Polen der Statorwicklungen 93a bis 93h relativ groß. Genauer,
wenn der innere Rotor acht Pole aufweist und die Statorwicklungen 93a bis
93i neun Pole aufweisen, wird das kleinste gemeinsame Vielfache zu 72,
und es ist größer, als die andere Kombination. Wenn das kleinste gemein
same Vielfache zunimmt, nimmt die Hak-Wirkung ab. Als Folge nimmt die
Hak-Wirkung des Elektromotors 80, welche auf das Lenkrad ausgeübt wird,
ab, wodurch eine ruhige Lenkbewegung an dem Lenkrad 11 bereitgestellt
wird, wie in Fig. 10 zu sehen ist. Aus diesem Grund ist die elektrische
Servolenkvorrichtung 10 in der Lage, zu bewirken, dass das Lenkrad 11
dem Kraftfahrzeugführer ein komfortables Lenkgefühl bereitstellt.
Die obige Anordnung ist ein Hauptfaktor, warum der Elektromotor 80 der
elektrischen Servolenkvorrichtung 10 derart konstruiert ist, dass er den
äußeren Stator 85 einschließlich der neun Pole der Statorwicklungen 93a
bis 93i und den inneren Rotor 86 einschließlich der acht Pole der Perma
nentmagnete 94a bis 94h aufweist.
Eine modifizierte Form der Statorwicklungen 93a bis 93i wird unter Be
zugnahme auf Fig. 11A und 11B beschrieben.
In Fig. 11A ist zwischen den neun Statorwicklungen 93a bis 93i, welche
jeweils um die neun ausgeprägten Pole 92a bis 92i gewickelt sind, jede
Phase mit drei Polen gebildet, welche einander nicht gegenseitig benachbart
sind und welche in Reihe geschaltet sind, wodurch drei Phasen gebildet
werden (d. h. U-Phase, V-Phase und W-Phase).
Genauer sind drei Statorwicklungen 93a, 93c und 93e, welche einander
nicht gegenseitig benachbart sind, in Reihe geschaltet, um die U-Phase zu
bilden; drei Statorwicklungen 93d, 93f und 93h, welche einander nicht
gegenseitig benachbart sind, sind in Reihe geschaltet, um die V-Phase zu
bilden, und drei Statorwicklungen 93g, 93i und 93b, welche einander nicht
gegenseitig benachbart sind, sind in Reihe geschaltet, um die W-Phase zu
bilden. Folglich sind die U-, V- und W-Phasen einander gegenseitig über
lappt. Alle Statorwicklungen 93a bis 93i sind in der gleichen Richtung
gewickelt, wie in Fig. 11A zu sehen ist.
Fig. 11B zeigt, dass der Elektromotor 80 derart angeschlossen ist, dass er
den gleichen Y-Anschluss bildet, wie er in Fig. 9B gezeigt ist.
Mit einer derartigen modifizierten Form der Statorwicklungen des Elektromo
tors 80 ist die gegenseitige Induktion der Statorwicklungen 93a, 93c und
93e gering, da die Statorwicklungen 93a, 93c und 93e einander nicht
gegenseitig benachbart sind. Die Wirkungen sind die gleichen in den Stator
wicklungen 93d, 93f und 93h und den Statorwicklungen 93g, 93i und 93b,
wie jene der Statorwicklungen 93a, 93c und 93e. Folglich ist es möglich,
eine Verringerung des durch den Elektromotor 80 erzeugten Lenkungsunter
stützungsmoments zu verhindern.
In der oben diskutierten, bevorzugten Ausführungsform kann der äußere
Stator 85 vorzugsweise in Umfangsrichtung angeordnete Statorwicklungen
93a mit neun Polen, oder der Anzahl des Vielfachen von neun (z. B. 18 Pole
oder 27 Pole), aufweisen. Beispielsweise ist jede Statorwicklung 93a an
jedem der neun Pole, oder der Anzahl des Vielfachen von neun, gewickelt,
wobei die Statorwicklungen mit 3 Polen, oder die Statorwicklungen mit der
Anzahl des Vielfachen von neun, in Reihe geschaltet sind, um jede Phase
von drei Phasen bereitzustellen.
Zusätzlich kann das Vorhandensein des Drehmomentbegrenzers 110 will
kürlich sein, und beispielsweise kann die Motorwelle 87 verlängert sein und
als die Schneckenwelle 121 dienen.
Darüber hinaus kann die Getriebereduktionseinheit 120 nicht auf den Sch
neckengetriebemechanismus begrenzt sein und beispielsweise kann sie
ebenso einen Kegelradgetriebemechanismus oder ein Stirnradgetriebe
umfassen.
Es wird nun aus der vorangehenden Beschreibung verstanden werden, dass
das kleinste gemeinsame Vielfache zwischen der Anzahl von Polen der
Statorwicklungen und der Anzahl von Polen der Permanentmagnete erhöht
sein kann, wodurch das Hak-Verhalten des Elektromotors verbessert wird,
da der Elektromotor, welcher in der die vorliegende Erfindung verkörpernden
elektrischen Servolenkvorrichtung eingesetzt werden soll, einen äußeren
Stator mit in Umfangsrichtung angeordneten Statorwicklungen mit neun
Polen, oder der Anzahl des Vielfachen von neun, und einen inneren Rotor,
welcher innerhalb des äußeren Stators angeordnet ist und in Umfangsrich
tung angeordnete Permanentmagnete mit acht Polen aufweist, umfasst. Als
Folge sind dann, wenn bei der elektrischen Servolenkvorrichtung das Lenk
rad bei einem geringfügigen Lenkwinkel von nahezu einer Neutralposition
gelenkt wird, um die Vorderräder lediglich mit dem Lenkmoment zu lenken,
wie in dem Fall, dass das Kraftfahrzeug in einer Vorwärtsrichtung während
des Ausschaltzustands des Elektromotors geradeaus fährt, die Schwankun
gen im Lenkmoment, welche durch ein "Haken" des Elektromotors ver
ursacht werden, abgedämpft [hier liegt offensichtlich ein Schreibfehler in
der englischen Fassung vor; es sollte "damped down" heißen - Anmerkung
des Übersetzers], wodurch ein komfortables gleichmäßiges Lenkgefühl im
Lenkrad bereitgestellt wird.
Da die Schwankungen im Lenkmoment aufgrund des "Hakens" des Elek
tromotors in einem kleinen Bereich bleiben, können die Hände des Fahrers
eine empfindliche Veränderung in einem Reaktionsgefühl fühlen, welches
durch das Lenkrad von der Fahrbahnoberfläche durch die Vorderräder
geliefert wird, wodurch es dem Fahrzeugführer ermöglicht wird, die exakte
Reaktion von der Straßenoberfläche durch das Lenkrad in einer sehr zuver
lässigen Art und Weise zu erfassen. Als Folge ist es möglich, eine weiter
verbesserte Lenkbarkeit zu erreichen. Darüber hinaus bleibt dann, wenn das
Lenkrad gelenkt wird, um einen Fahrtkurs um einen sehr geringen Betrag zu
verändern, die gleichmäßige Lenkbewegung des Lenkrads nahezu unver
ändert, mit einer sich daraus ergebenden verbesserten Lenkbarkeit.
Da der Elektromotor derart aufgebaut ist, dass er einen ringförmigen äuße
ren Stator und einen in dem äußeren Stator angeordneten inneren Rotor
aufweist, kann weiterhin die Trägheit des inneren Rotors minimiert sein,
was ein verbessertes Lenkgefühl am Lenkgriff bereitstellt. Das Vorhanden
sein einer kombinierten Struktur aus dem äußeren Stator und dem inneren
Rotor erlaubt weiterhin, dass der Elektromotor von geringer Größe ist, was
der gesamten Struktur der elektrischen Servolenkvorrichtung gestattet, von
geringer Baugröße zu sein, um für einen engen Bauraum im Kraftfahrzeug
geeignet zu sein.
Es ist eine elektrische Servolenkvorrichtung (10) offenbart, welche einen
Elektromotor (80) umfasst, der ein geringeres "Haken" aufweist, um da
durch ein komfortables Lenkgefühl bereitzustellen. Der Elektromotor um
fasst einen ringförmigen äußeren Stator (85) und einen inneren Rotor (86),
welcher innerhalb des äußeren Stators angeordnet ist. Der äußere Stator
weist in Umfangsrichtung angeordnete Statorwicklungen (94a bis 94i) mit
neun, oder einem Vielfachen von neun, Polen auf. Der innere Rotor weist in
Umfangsrichtung angeordnete Permanentmagnete (94a bis 94h) mit acht
Polen auf. Die Permanentmagnete sind in radialer Richtung magnetisiert und
weisen in Umfangsrichtung alternierend angeordnete N- und S-Pole auf.
Drei Pole, oder ein Vielfaches von drei Polen der Statorwicklungen sind in
Reihe geschaltet und durch elektrischen Drei-Phasen-Strom angetrieben.
Claims (5)
1. Elektrische Servolenkvorrichtung (10), welche einen Elektromotor
(80) umfasst, um ein einem Lenkmoment entsprechendes Lenkungs
unterstützungsmoment auf ein Lenksystem (23) auszuüben, wobei
der Elektromotor umfasst:
einen ringförmigen, äußeren Stator (85) mit neun, oder einem Vielfa chen von neun, Polen mit in Umfangsrichtung angeordneten Stator wicklungen (93a bis 93i); und
einen inneren Rotor (86) mit acht Polen, welcher innerhalb des äuße ren Stators angeordnet ist und in Umfangsrichtung angeordnete Permanentmagnete (94a bis 94h) aufweist;
wobei die Statorwicklungen derart verbunden sind, dass sie durch elektrischen Strom mit drei Phasen angetrieben werden können.
einen ringförmigen, äußeren Stator (85) mit neun, oder einem Vielfa chen von neun, Polen mit in Umfangsrichtung angeordneten Stator wicklungen (93a bis 93i); und
einen inneren Rotor (86) mit acht Polen, welcher innerhalb des äuße ren Stators angeordnet ist und in Umfangsrichtung angeordnete Permanentmagnete (94a bis 94h) aufweist;
wobei die Statorwicklungen derart verbunden sind, dass sie durch elektrischen Strom mit drei Phasen angetrieben werden können.
2. Elektrische Servolenkvorrichtung des Anspruchs 1, wobei der äußere
Stator (85) neun, oder ein Vielfaches von neun, ausgeprägte Pole
(92a bis 92i) umfasst, welche bei einer gleichen Teilung in radialer
Richtung angeordnet sind, wobei jeder der ausgeprägten Pole jeweils
eine der Statorwicklungen (93a bis 93i) um sich herumgewickelt
aufweist, wobei drei, oder ein Vielfaches von drei, Pole der Stator
wicklungen in Reihe geschaltet sind, um drei Phasen bereitzustellen.
3. Elektrische Servolenkvorrichtung des Anspruchs 2, wobei jede der
drei Phasen jene drei, oder ein Vielfaches von drei, Pole der in Reihe
geschalteten Statorwicklungen (93a bis 93i) umfasst, welche nicht
einander benachbart angeordnet sind.
4. Elektrische Servolenkvorrichtung des Anspruchs 2, wobei jede der
drei Phasen jene drei, oder ein Vielfaches von drei, Pole der in Reihe
geschalteten Statorwicklungen (93a bis 93i) umfasst, welche ein
ander benachbart angeordnet sind.
5. Elektrische Servolenkvorrichtung des Anspruchs 1, wobei die acht
Pole der Permanentmagnete (94a bis 94h) in radialer Richtung derart
magnetisiert sind, dass N- und S-Pole in Umfangsrichtung alternie
rend angeordnet sind.
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