DE102006020965B3

DE102006020965B3 - Electric motor-operated servo-steering mechanism for motor vehicle, has rotor formed of core with rotor teeth and slots, where rotor teeth and slots are specially designed for adjustment of rotor to stator field during motor operation

Info

Publication number: DE102006020965B3
Application number: DE200610020965
Authority: DE
Inventors: Hans Hermann Rottmerhusen; Robert Rottmerhusen; Silvia Rottmerhusen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-05-05
Filing date: 2006-05-05
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2026-05-06

Abstract

The mechanism has a stator (1), and a rotor (2) with rotor teeth (3, 3`, 3``) and permanent magnets (4) in a manifold arrangement. An electronic control device is connected with a power source for commutation of coil windings of an electric motor, where the electric motor is a permanent magnet-excited motor. The rotor is formed of a core with the rotor teeth and slots (8) with the permanent magnets. The rotor teeth and the slots are specially designed for an adjustment of the rotor to stator field during motor operation.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektromotorische Hilfskraftlenkung für ein Kraftfahrzeug mit einer Abschaltung des Elektromotors im Fehlerfall, gemäß dem Patentanspruch 1.The The invention relates to an electromotive power steering system for a Motor vehicle with a shutdown of the electric motor in case of failure, according to the claim 1.

Bei Kraftfahrzeugen werden bereits Elektromotoren als Lenkhilfe eingesetzt.at Motor vehicles are already used electric motors as power steering.

Elektromotorische Antriebe als Lenkhilfe benötigen ein sehr hohes Anlauf- und Drehmoment bei jeder Läuferstellung und in beide Drehrichtungen.electromotive Need drives as power steering a very high starting and torque at each runner position and in both directions.

Permanentmagneterregte Motoren verfügen über solche Voraussetzungen.Permanent magnet Engines have such Requirements.

DE 101 24 436 A1 beschreibt eine elektromotorische Hilfskraftlenkung, die einen Elektromotor und eine elektronische Steuereinrichtung zur Kommutierung des Elektromotors enthält. Der Motor ist ein Synchronmotor mit permanentmagneterregtem Rotor. Am Rotor befindet sich zusätzlich zu den Permanentmagneten eine Felderregerwicklung, die im Fehlerfall so bestromt wird, daß sie einen den Magnetfluß der Permanentmagnetpole entgegengerichteten Magnetfluß erzeugt. Durch diese Maßnahme wird im Fehlerfall das durch einen Kurzschluß des Synchronmotors hervorgerufene Bremsmoment reduziert bzw. verhindert. DE 101 24 436 A1 describes an electric motor power steering system which includes an electric motor and an electronic control device for commutation of the electric motor. The motor is a synchronous motor with a permanent magnet excited rotor. On the rotor, in addition to the permanent magnets, there is a field exciter winding, which is energized in the event of a fault such that it generates a magnetic flux opposing the magnetic flux of the permanent magnet poles. By this measure, caused by a short circuit of the synchronous motor braking torque is reduced or prevented in the event of a fault.

US 6 194 849 B1 zeigt ebenfalls eine elektromotorische Hilfskraftlenkung mit einem Permanentmagneten bestückten Motor. Bei dieser wird in einem Fehlerfall ein Schalter an der Ständerwicklung des Elektromotors geöffnet, so daß in der Ständerwicklung kein Strom mehr fließen kann, und der Elektromotor kein störendes Gegenmoment erzeugt. US Pat. No. 6,194,849 B1 also shows an electric motor power steering with a permanent magnet equipped motor. In this case, a switch on the stator winding of the electric motor is opened in the event of a fault, so that no current can flow in the stator winding, and the electric motor generates no disturbing counter-torque.

DE 198 41 710 A1 zeigt eine elektromotorische Hilfskraftlenkung mit einem Elektromotor und einer elektronischen Steuer einrichtung zur Kommutierung des Elektromotors. Eine Fehlererfassungseinheit, die unter anderen die Signale eines an der Lenksäule befindlichen Drehmomentsensors auswertet, schaltet je nach Art und Schwere des Falles in einen ersten Fehlermodus, bei dem die Unterstützungswirkung des Elektromotors in etwa halbiert wird, oder in einem zweiten Modus, bei dem der Elektromotor abgeschaltet wird. DE 198 41 710 A1 shows an electric motor power steering system with an electric motor and an electronic control device for commutation of the electric motor. An error detection unit that inter alia evaluates the signals of a torque sensor located on the steering column, depending on the nature and severity of the case in a first error mode in which the assisting effect of the electric motor is approximately halved, or in a second mode in which the electric motor is switched off.

Elektromotoren für eine Hilfskraftlenkung müssen von einer niedrigen bis zu einer hohen Drehzahl bei anliegender Last flexibel steuerbar und überlastbar sein, und zur Erzielung einer hohen Leistungsaufnahme und einer hohen Drehzahl des permanentmagnetisch erregten Elektromotors ist es von Vorteil, wenn die Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete des Läufers nicht senkrecht zum Luftspalt des Elektromotors ausgerichtet ist. Für eine solche Ausrichtung der Permanentmagnete zum Luftspalt des Motors sind bereits eine Anzahl von Lösungsvorschlägen bekannt.electric motors for one Power steering must from a low to a high speed when the engine is on Load flexibly controllable and overloadable be, and to achieve a high power consumption and a high speed of the permanent magnetically excited electric motor it is advantageous if the magnetization direction of the permanent magnets of the runner is not aligned perpendicular to the air gap of the electric motor. For such Orientation of the permanent magnets to the air gap of the engine are already a number of possible solutions known.

DE 197 23 302 A1 beschreibt eine derartige Lösung. Der Läufer ist mit einem reluktanzunterstützten Permanentmagnetsystem ausgebildet, wobei die Anordnung der Permanentmagnete im Läufer eine Sammleranordnung ist. Der Läufer besteht aus einem geblechten Kern, der Läuferzähne und dazwischen liegende Nuten aufweist, und in den Nuten sind Permanentmagnete angeordnet, die tangential so magnetisiert sind, daß immer zwei Pole gleicher Polarität auf einen Läuferzahn wirken, wobei die Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete parallel zum Luftspalt des Motors ausgerichtet ist. DE 197 23 302 A1 describes such a solution. The rotor is formed with a reluctance-supported permanent magnet system, wherein the arrangement of the permanent magnets in the rotor is a collector arrangement. The rotor consists of a laminated core, the rotor teeth and grooves located therebetween, and in the grooves permanent magnets are arranged, which are magnetized tangentially so that always two poles of the same polarity act on a rotor tooth, the magnetization direction of the permanent magnets parallel to the air gap of Motors is aligned.

US 6 847 149 B2 beschreibt einen Elektromotor, bei dem die Permanentmagnete 3 des Läufers 2 in Sammleranordnung längs der Welle des Läufers in einer jeweils senkrecht zur Welle verlaufenden Nut angeordnet sind, wobei die Breite der Nutöffnung zum Luftspalt die halbe Breite eines Ständerzahns beträgt. Die Nuten des Läufers werden durch Kernglieder (Läuferzähne 11; 12) gebildet, und diese Kernglieder sind einzeln durch entsprechende Vorrichtungen mit der Welle des Läufers drehfest verbunden. Die Ständerzähne besitzen zum Luftspalt eine spezielle ausgebildete Polfläche. US Pat. No. 6,847,149 B2 describes an electric motor in which the permanent magnets 3 of the runner 2 arranged in a collector assembly along the shaft of the rotor in a respective groove extending perpendicular to the shaft, wherein the width of the slot opening to the air gap is half the width of a stator tooth. The grooves of the runner become by Kernglieder (runner teeth 11 ; 12 ), and these core members are individually rotatably connected by respective devices with the shaft of the rotor. The stator teeth have a special trained pole face to the air gap.

Ein Läufer der hier beschriebenen Art ist für einen Elektromotor mit einem kleinen Durchmesser, und im besonderen für eine Hilfskraftlenkung zu aufwendig und zu kostenintensiv.One runner The type described here is for one Electric motor with a small diameter, and in particular for a power steering system too expensive and too expensive.

US 6 097 126 A beschreibt einen bürstenlosen Gleichstrommotor, der einen permanentmagnetisch erregten Reluktanzläufer einer besonderen Art beinhaltet. Zwischen den überkreuz angeordneten Läuferelementen 9; 10 ist ein Permanentmagnet 12 angeordnet, 2, 3, der an den Läuferelementen 9; 10 am Luftspalt zum Ständer die in 1 gezeigte Polbildung erzeugt. Die Schaltfolge der Wicklungsstränge erfolgt in bekannter Weise eines Reluktanzmotors, indem bei Beginn eines Läuferschrittes die auflaufende Kante der jeweiligen Läuferzähne in Bezug zur Drehrichtung des Läufers jeweils zur auflaufenden Kante des ersten Ständerzahns der jeweils nebeneinander liegenden ungleichnamigen Polfelder bildenden Ständerzähne ausgerichtet ist. US Pat. No. 6,097,126 describes a brushless DC motor incorporating a permanent magnetically excited reluctance rotor of a particular type. Between the crossed rotor elements 9 ; 10 is a permanent magnet 12 disposed 2 . 3 that is attached to the runner elements 9 ; 10 at the air gap to the stand the in 1 shown Polbildung generated. The switching sequence of the winding strands takes place in a known manner of a reluctance motor by at the beginning of a rotor step, the leading edge of the respective rotor teeth in relation to the direction of rotation of the rotor is aligned in each case to the leading edge of the first stator tooth of each adjacent unlike pole fields forming stator teeth.

Ein solcher ausgebildeter Elektromotor findet bei einer Hilfskraftlenkung keine Anwendung.One Such trained electric motor takes place in a power steering system no use.

DE 10 2004 030 459 B3 zeigt eine elektromotorische Hilfskraftlenkung für ein Kraftfahrzeug mit einem Ständer 4 und einem Läufer 8 mit Läuferzähnen 9 und einer mit einer Stromquelle verbindbaren elektronischen Steuereinrichtung 15 zur Kommutierung der Wicklungsstränge des Elektromotors, wobei der Elektromotor ein Motor ist, dessen Läufer aus Läuferzähnen 9 und Nuten gebildet ist, und die Nutöffnung im Bereich des Luftspaltes zum Ständer 4 mindestens die halbe Breite eines Stän derzahns 7 beträgt, wobei bei einem Fehlerfall an den Halbbrücken 12 die Stromquelle über eine Sicherung 17 oder über einen Schalter 16 getrennt wird. DE 10 2004 030 459 B3 shows an electric motor power steering system for a motor vehicle with a stand 4 and a runner 8th with runner teeth 9 and an electronic control device connectable to a power source 15 for commutation of the winding phases of the electric motor, wherein the electric motor is a motor whose rotor is made of rotor teeth 9 and grooves, and the groove opening in the region of the air gap to the stator 4 at least half the width of a standing tooth 7 is, wherein in case of failure at the half bridges 12 the power source via a fuse 17 or via a switch 16 is disconnected.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen elektronisch kommutierten Elektromotor für eine Hilfskraftlenkung zu schaffen, der bei anliegender Last flexibel steuerbar und überlastbar ist, und in Bezug zur Baugröße ein verhältnismäßig hohes Drehmoment und entsprechende Drehzahlen erzielt, wobei die Drehmomentwelligkeit sowie die Erwärmung des Elektromotors gering sein soll.Of the Invention is based on an electronically commutated the task Electric motor for To provide a power steering system, which is flexible when applied load controllable and overloadable is, and in relation to the size of a relatively high Torque and corresponding speeds achieved, with the torque ripple as well as the warming of the Electric motor should be low.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung sind den übrigen Ansprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.These The object is solved by the features of independent claim 1. advantageous Design features of the invention are the remaining claims and to take the description.

Durch den speziellen Aufbau des Ständers und des Läufers des Elektromotors bestehen die Vorteile darin, daß ein besonders weicher Übergang der Läuferschritte von dem einen Läufer-, schritt zum nächsten Läuferschritt erzielt wird, und somit die Drehmomentwelligkeit und die Geräuschentwicklung des Elektromotors reduziert ist, wobei das Drehmoment am Anfang und am Ende eines Läuferschrittes annährend gleich ist, und die Leistungsaufnahme sowie die effektive Leistungsabgabe deutlich erhöht ist, und der Elektromotor hoch belastbar ist.By the special construction of the stand and of the runner the electric motor, the advantages are that a particular smooth transition the runner steps from the one runner, step to the next runners step is achieved, and thus the torque ripple and the noise of the Electric motor is reduced, with the torque at the beginning and almost equal at the end of a run step is, and the power consumption as well as the effective power output clearly increased is, and the electric motor is highly resilient.

Außerdem ist durch den speziellen Aufbau des Läufers die Erwärmung des Ständers verringert, da bei einer hohen Drehzahl des Läufers hochfrequentierte starke Wechselfelder im Ständer reduziert sind.Besides that is due to the special structure of the rotor, the heating of the stand reduced, since at a high speed of the rotor highly frequented strong Alternating fields in the stand are reduced.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.The Invention will be explained below with reference to the drawing.

Dabei zeigt:there shows:

1 u. 2 in axialer Draufsicht eine Darstellung vom Ständer und Läufer des Elektromotors, 1 u. 2 in axial plan view of a representation of the stator and rotor of the electric motor,

3 u. 4 in axialer Draufsicht eine alternative Darstellung vom Ständer und Läufer des Elektromotors, 3 u. 4 in axial plan view an alternative representation of the stator and rotor of the electric motor,

5 in axialer Draufsicht eine weitere alternative Darstellung vom Ständer und Läufer des Elektromotors, 5 in axial plan view, another alternative representation of the stator and rotor of the electric motor,

6 eine Schaltungsanordnung der elektronischen Steuereinrichtung zur Kommutierung der Wicklungsstränge des Elektromotors. 6 a circuit arrangement of the electronic control device for commutation of the winding strands of the electric motor.

1 zeigt in axialer Draufsicht eine Ansicht des Elektromotors als Innenläufer mit Wicklungssträngen am Ständer 1 und einen Läufer 2 mit Läuferzähnen 3 und Permanentmagneten 4. Der Ständer besitzt bei einer zweipoligen Auslegung der Wicklungsstränge sechs zum Läufer gerichtete Ständerzähne 5, wobei die Wicklungsstränge jeweils zwei Spulen beinhalten, und die Spulen 6 der Wicklungsstränge umgreifen jeweils einen Ständerzahn 5. Die Wicklungsstränge sind während des Motorbetriebes derart an eine Stromquelle gelegt, daß die am Ständer sich gegenüber liegenden Ständerzähne jeweils gleichnamige Pole, und zwei nebeneinander liegende Ständerzähne jeweils ungleichnamige Pole zueinander bilden. Diese Polbildung ist am Ständer mit N, S gekennzeichnet. 1 shows in axial plan view of a view of the electric motor as an internal rotor with winding strands on the stator 1 and a runner 2 with runner teeth 3 and permanent magnets 4 , The stator has in a two-pole design of the winding strands six directed to the rotor stator teeth 5 , wherein the winding strands each include two coils, and the coils 6 The winding strands each encompass a stator tooth 5 , The winding strands are placed during operation of the motor to a power source such that the stand on the stator opposite each pole of the same name, and two adjacent stator teeth each form unlike poles to each other. This Polbildung is marked on the stand with N, S.

Der Läufer 2 ist als ein permanentmagneterregter Reluktanz-Läufer ausgebildet. Die Läuferzähne 3 des Läufers 2 bilden zum Ständer die Polflächen 7 des PM erregten Läufers, wobei die Permanentmagnete 4 in Sammleranordnung längs der Welle des Läufers in einer jeweils senkrecht zur Welle verlaufenden Nut 8 angeordnet sind, und die jeweils zum Läuferzahn 3 weisende Polfläche der Permanentmagnete besitzen eine gleichnamige Polbildung zueinander, die am Luftspalt die Polfelder zum Ständer bilden. Die Breite der Nuten 8 des Läufers 2 entspricht der Höhe der Permanentmagnete 4, wobei die Nutöffnung 9 der Nuten 8 kleiner gehalten sein kann wie die Höhe der Permanentmagnete, und die Läuferzähne 3 Nasen 10 zur Nutöffnung aufweisen, um ein Herausschleudern der Permanentmagnete aus den Nuten zu verhindern. Zur Erzielung eines hohen Wirkungsgrades des Motors, beträgt vorzugsweise die Breite der Nutöffnung 9 der Nuten 8 des Läufers mindestens die halbe Breite eines Ständerzahns 5. Die Permanentmagnetbreite in der Richtung zur Welle wird bestimmt durch die zum Luftspalt gerichtete gewünschte Feldstärke, je breiter die Permanentmagnete ausgelegt sind, und je geringer der Zwischenraum der Permanentmagnete zueinander im Bereich der Welle gestaltet ist, desto höher ist die zum Luftspalt gerichtete Feldstärke an den Läuferzähnen. Die Läuferzähne 3 sind zusammenhängend an der Welle 11 des Läufers 2 angeordnet, und werden vorzugsweise aus aufgestapelten Blechen gebildet, somit besteht der Läuferkörper aus einem Blechlamellenpaket.The runner 2 is designed as a permanent-magnet-excited reluctance rotor. The runner teeth 3 of the runner 2 form the poles to the stand 7 of the PM excited rotor, with the permanent magnets 4 in a collector arrangement along the shaft of the rotor in a respective groove extending perpendicular to the shaft 8th are arranged, and each to the rotor tooth 3 pointing pole face of the permanent magnets have a poling of the same name to each other, which form the polar fields to the stator at the air gap. The width of the grooves 8th of the runner 2 corresponds to the height of the permanent magnets 4 , wherein the groove opening 9 the grooves 8th can be kept smaller than the height of the permanent magnets, and the rotor teeth 3 nose 10 for slot opening to prevent ejection of the permanent magnets from the grooves. To achieve a high efficiency of the motor, preferably the width of the slot opening 9 the grooves 8th of the rotor at least half the width of a stator tooth 5 , The permanent magnet width in the direction of the shaft is determined by the desired field strength directed towards the air gap, the wider the permanent magnets are designed, and the smaller the spacing of the permanent magnets relative to one another in the region of the shaft, the higher the field strength directed to the air gap on the rotor teeth , The runner teeth 3 are connected to the wave 11 of the runner 2 arranged, and are preferably formed from stacked sheets, thus the rotor body consists of a lamination stack.

1 zeigt die Läuferstellung, bei der ein Läuferschritt vorzugsweise beendet wird, hierbei befindet sich der ablaufende Läuferzahn 3' jeweils mutig zu den nebeneinander liegenden ungleichnamigen Polfeldern des Ständers, und der nachfolgende auflaufende Läuferzahn 3'' befindet sich mit der auflaufenden Kante 12 in Bezug zur Drehrichtung des Läufers jeweils an der Kante 13 des ersten Ständerzahns der jeweiligen zwei Ständerzähne bildenden ungleichnamigen nebeneinander liegenden Polfeldern. 1 shows the rotor position, in which a runner step is preferably completed, here is the expiring rotor tooth 3 ' in each case brave to the adjacent unlike Polfeldern the stand, and the subsequent auflaufende rotor tooth 3 '' is located with the leading edge 12 in relation to the direction of rotation of the runner at the edge 13 of the first stator tooth of the respective two stator teeth forming unlike adjacent poles countries.

Die Läuferschritte werden durch Umpolung der Wicklungsstränge beendet.The runners steps are terminated by reversing the polarity of the winding strands.

2 zeigt den beendeten Läuferschritt durch Umpolung der Wicklungsstränge, wobei gleichzeitig der nächste Läuferschritt eingeleitet ist. Die auflaufende Kante 12 des Läuferzahns 3'' befindet sich nun jeweils in Bezug zur Drehrichtung des Läufers an der auflaufenden Kante 13' des zweiten Ständerzahns der jeweiligen zwei Ständerzähne bildenden ungleichnamigen nebeneinander liegenden Polfeldern. 2 shows the completed runner step by reversing the polarity of the winding strands, at the same time the next run step is initiated. The leading edge 12 of the runner tooth 3 '' is now in each case in relation to the direction of rotation of the rotor at the leading edge 13 ' of the second stator tooth of the respective two stator teeth forming unlike adjacent Polfeldern.

Durch diese Anordnung der Schaltvorgänge der Läuferschritte ist das Drehmoment am Anfang und am Ende eines Läuferschrittes annähernd gleich.By this arrangement of the switching operations of runners steps the torque is approximately equal at the beginning and at the end of a run step.

Eine Läuferumdrehung kann sowohl mit zwölf Läuferschritten als auch mit sechs Läuferschritten erfolgen, indem ein Läuferschritt die Wegstrecke der Breite eines halben Ständerzahns entspricht, oder die Wegstrecke entspricht der Breite eines Ständerzahns plus jeweils der Weite einer Nutöffnung.A runner revolution can be with twelve runners steps as well as with six runner steps done by a runner step the distance corresponds to the width of half a stator tooth, or the distance corresponds to the width of a stator tooth plus each of the Width of a slot opening.

Oft steht für einen Elektromotor lediglich nur ein eingeschränkter Raum zur Verfügung. Um nun mit dem Läufer eines elektronisch kommutierten Elektromotors ein ausreichendes Drehmoment während des Anlaufs und in den niedrigen Drehzahlen zu erzielen, ist ein solcher Elektromotor entsprechend auszulegen.Often stands for an electric motor only a limited space available. Around now with the runner an electronically commutated electric motor sufficient Torque during of startup and low revs is one to design such electric motor accordingly.

In 3 und 4 ist ein solcher Elektromotor dargestellt.In 3 and 4 is shown such an electric motor.

Das Blechpaket 14 des Ständers ist so gehalten, daß der Läufer 15 einen verhältnismäßig großen Durchmesser aufweist, hierfür sind die Ständerzähne derart gestaltet, daß die Ständerzähne lange schmale Polhörner 16 besitzen, und der Rückschluß 17 am Blechpaket 14 des Ständers ist auch sehr schmal ausgelegt, so daß jeweils zur Aufnahme der Spule am Ständerzahn ein hierfür erforderlicher Raum zur Verfügung steht. Der Fluß der Magnetfelder, der nicht über den Rückschluß 17 des Blechpakets 14 aufgenommen werden kann, wird durch den Eisenzylinder 18 des Ständers aufgenommen. Dieser Eisenzylinder 18 besitzt bei einer Anflanschung des Elektromotors an einem Getriebe Lagerschilde.The laminated core 14 the stand is held so that the runner 15 has a relatively large diameter, this is the stator teeth designed such that the stator teeth long narrow Polhörner 16 own, and the inference 17 on the laminated core 14 The stand is also designed to be very narrow, so that in each case a space required for receiving the coil on the stator tooth is available. The flux of the magnetic fields, which does not have the inference 17 of the laminated core 14 can be absorbed by the iron cylinder 18 of the stand. This iron cylinder 18 has at a flanging of the electric motor to a gearbox end shields.

Eine derartige Auslegung des Blechpakets des Ständers ist dadurch ermöglicht, daß die Spulen der Wicklungsstränge lediglich jeweils einen Ständerzahn umschlingen, und diese Spulen vorzugsweise maschinell eingespult werden.A Such a design of the laminated core of the stator is made possible by that the Coils of the winding strands only one stator tooth each wrap around, and these coils preferably mechanically wound become.

Zur Erzielung einer hohen Drehzahl und einer geringen Polfühligkeit, ist das Volumen der Permanentmagnete entsprechend reduziert. Damit der Zwischenraum und somit die zum Luftspalt gerichteten Nutöffnungen 19 des Läufers 15 von der einen Polfläche zu den benachbarten Polflächen, der zum Luftspalt gerichteten Polfläche 20 der Läuferzähne 21, mindestens die halbe Breite eines Ständerzahns 5 aufweist, ist der Abstand der Permanentmagnete 22 zu den Ständerzähnen 5 entsprechend vergrößert, und die Läuferzähne 21 sind jeweils mit einer zu den Permanentmagneten 22 bildende Nase 23 entsprechend abgeschrägt, wodurch die Weite der Nutöffnung 19 am Luftspalt mindestens auf die halbe Breite eines Ständerzahns vergrößert ist, und hiermit eine Verminderung des Wirkungsgrades des Elektromotors, durch die Anordnung von Permanentmagneten mit einer geringen Höhe, verhindert wird. Die zu den Permanentmagneten Nase bildende Abschrägung 24 der Läuferzähne 21 ist in der 3 geradlinig ausgelegt.To achieve a high speed and a low Polfühligkeit, the volume of the permanent magnets is reduced accordingly. So that the gap and thus the directed to the air gap groove openings 19 of the runner 15 from the one pole face to the adjacent pole faces, the pole face directed towards the air gap 20 the runner teeth 21 , at least half the width of a stator tooth 5 has, the distance between the permanent magnets 22 to the stator teeth 5 correspondingly enlarged, and the rotor teeth 21 are each with one of the permanent magnets 22 forming nose 23 Beveled accordingly, reducing the width of the slot opening 19 is increased at the air gap at least half the width of a stator tooth, and thus a reduction in the efficiency of the electric motor, by the arrangement of permanent magnets with a low height, is prevented. The chamfer forming the permanent magnets nose 24 the runner teeth 21 is in the 3 designed in a straight line.

Wie in 4 dargestellt, kann vorzugsweise sowohl die zum Luftspalt gerichtete Polfläche 20' der Läuferzähne 21, als auch die Nase bildende Abschrägung 24' variabel bogenförmig ausgelegt sein. Diese Auslegung besitzt den Vorteil, daß ein besonders weicher Übergang der Läuferschritte von dem einen Läuferschritt zum nächsten Läuferschritt erzielt werden kann, und somit auch die Drehmomentwelligkeit und die Geräuschentwicklung des Elektromotors weiter reduzierbar ist. Die Nuten 25 zur Aufnahme der Permanentmagnete 22 sind vorzugsweise am Nutengrund 26 halbkreisförmig ausgebildet. Durch eine solche Ausbildung der Nuten des Läufers, können die zuvor magnetisierten Permanentmagnete 22 sicher in die Nuten 25 kleberfrei eingepreßt werden. An den Stirnseiten des Läufers können Auswuchtscheiben angeordnet sein, die vorzugsweise zur Kühlung der Ständerwicklung mit Lüfterflügel versehen sind.As in 4 may preferably be both the pole face directed towards the air gap 20 ' the runner teeth 21 , as well as the nose-forming bevel 24 ' be designed variably arcuate. This design has the advantage that a particularly smooth transition of the rotor steps can be achieved by the one rotor step to the next rotor step, and thus the torque ripple and the noise of the electric motor is further reduced. The grooves 25 for receiving the permanent magnets 22 are preferably at the bottom of the groove 26 semicircular. By such a design of the grooves of the rotor, the previously magnetized permanent magnets 22 safely in the grooves 25 be pressed adhesive-free. Balancing disks may be arranged on the end faces of the rotor and are preferably provided with fan blades for cooling the stator winding.

1 bis 4 zeigen einen Elektromotor, bei dem der Ständer sechs Ständerzähne aufweist und an jedem Ständerzahn ist eine Spule angeordnet, wobei der Läufer vierpolig ausgelegt ist. Für sehr hohe Drehzahlen kann der Läufer auch zweipolig ausgelegt sein. 1 to 4 show an electric motor in which the stator has six stator teeth and on each stator tooth, a coil is arranged, wherein the rotor is designed four-pole. For very high speeds, the rotor can also be designed with two poles.

5 zeigt einen Elektromotor, bei dem der Ständer sechs Ständerzähne aufweist, und der Läufer ist zweipolig ausgelegt. Die Spulen der dreisträngigen Ständerwicklung umgreifen hier jeweils zwei Ständerzähne, mit einer durch N, S dargestellten Polbildung am Ständer. Die Läuferzähne 27 sind hier jeweils mit einer zu den Permanentmagneten 22' bildende Nase 23 derart abgeschrägt, daß die Weite der Nutöffnung 19' der Nuten 25' des Läufers 28 am Luftspalt mindestens um die Breite eines Ständerzahns vergrößert ist. Bei Beginn eines Läuferschrittes ist die auflaufende Kante 12' der Läuferzähne 27 vorzugsweise in Bezug zur Drehrichtung des Läufers jeweils zur auflaufenden Kante 29 des jeweils ersten Ständerzahns der jeweiligen Polfelder am Ständer ausgerichtet. Eine Läuferumdrehung kann hier sowohl mit sechs Läuferschritten, als auch mit drei Läuferschritten erfolgen, indem ein Läuferschritt jeweils die Wegstrecke der Breite eines Ständerzahns entspricht, oder die Wegstrecke entspricht der Breite von jeweils zwei Ständerzähnen. Zur Gewichtreduzierung des Läufers können die Läuferzähne mit Aussparungen 30 versehen werden, diese Aussparungen bewirken auch eine geringere Erwärmung des Läufers. 5 shows an electric motor in which the stator has six stator teeth, and the rotor is designed bipolar. The coils of the three-stranded stator winding here encompass two stator teeth each, with a pole formation represented by N, S on the stator. The runner teeth 27 Here are each one with the permanent magnet 22 ' forming nose 23 bevelled so that the width of the slot opening 19 ' the grooves 25 ' of the runner 28 is increased at the air gap at least the width of a stator tooth. At the beginning of a run step is the leading edge 12 ' the runner teeth 27 preferably in relation to the direction of rotation of the rotor in each case to the leading edge 29 of the respective first stator tooth of the respective pole fields aligned on the stator. A rotor rotation can take place here both with six rotor steps, as well as with three rotor steps, in that a rotor step corresponds in each case to the distance of the width of a stator tooth, or the distance corresponds to the width of two stator teeth in each case. To reduce the weight of the rotor, the rotor teeth with recesses 30 be provided, these recesses also cause less heating of the rotor.

Durch die Kombination des speziellen Aufbaus des Läufers und der speziellen Anordnung der Spulen der Wicklungsstränge am Ständer und das Zusammenwirken dieser Kombination durch die Steuerung des Drehfeldes am Ständer mittels einer elektronischen Steuereinrichtung und der Ausrichtung der Läuferpole zum Ständerfeld, wird bei jeder Läuferstellung ein annähernd gleiches Drehmoment erzielt, und die effektive Leistungsabgabe ist vergleichsweise deutlich erhöht, wobei der Elektromotor hoch belastbar ist, ohne daß hierbei die Gefahr einer Entmagnetisierung der Permanentmagnete besteht. Außerdem ist durch den speziellen Aufbau des Läufers die Erwärmung des Ständers deutlich verringert, da die Magnetfelder der Permanentmagneten am Läufer sich nur teilweise über den Ständer schließen, und somit bei einer hohen Drehzahl des Läufers hochfrequentierte starke Wechselfelder im Ständer vermieden werden.By the combination of the special construction of the runner and the special arrangement the coils of the winding strands on the stand and the interaction of this combination by the control of the Rotating field on the stand by means of an electronic control device and the alignment the runner poles to the stator field, is at every runner position an approximate achieved the same torque, and the effective power output is comparatively significantly increased, wherein the electric motor is highly resilient, without this the danger of demagnetization of the permanent magnets exists. Besides that is due to the special structure of the rotor, the heating of the stand significantly reduced, since the magnetic fields of the permanent magnets on the rotor itself only partially over the stand close, and thus at a high speed of the runner highly frequented strong Alternating fields in the stand avoided become.

Zur Anlegung der Wicklungsstränge an eine Stromquelle ist dem Elektromotor eine Ansteuerelektronik zugeordnet.to Application of the winding strands to a power source, the electric motor is a control electronics assigned.

6 zeigt eine Schaltungsanordnung der elektronischen Steuereinrichtung zur Kommutierung der Wicklungsstränge. Die Wicklungsstränge sind jeweils mit dem einen Ende an einer transi storbestückten Halbbrücke 31 angeschlossen und mit dem anderen Ende in Stern geschaltet, und den Transistoren 32; 32' ist eine Steuereinheit 33 zugeordnet. 6 shows a circuit arrangement of the electronic control device for commutation of the winding strands. The winding strands are each with one end to a transi storbestückten half-bridge 31 connected and starred at the other end, and the transistors 32 ; 32 ' is a control unit 33 assigned.

Damit ein Fehlerfall an den Halbbrücken der elektronischen Steuereinrichtung oder im Motor schnell erkannt wird, kann ein Meßshunt jeweils zwischen den Halbbrücken und den Wicklungssträngen geschaltet sein, oder an den Halbbrücken befindet sich jeweils ein Potentialabgriff. Liegt ein Fehlerfall an den Halbbrücken 31 vor, so kann die Stromquelle über eine Sicherung 34 oder über einen Schalter 35 getrennt werden, und gleichzeitig werden zwei Wicklungsstränge durch Schaltglieder 36; 37 von der jeweiligen Halbbrücke getrennt.So that a fault is detected quickly at the half-bridges of the electronic control device or in the motor, a measuring shunt can be connected in each case between the half-bridges and the winding strands, or there is a potential tap at the half bridges. If there is an error at the half bridges 31 before, so can the power source via a fuse 34 or via a switch 35 be disconnected, and at the same time two winding strands by switching elements 36 ; 37 separated from the respective half bridge.

Durch diese Maßnahme kann der Motor nicht als Generator wirken, und somit kann nach Ausfall der Hilfskraftlenkung das Fahrzeug noch ordnungsgemäß gelenkt werden.By This measure The engine can not act as a generator, and thus can after failure of the Power steering the vehicle is still properly steered.

Während der Schaltung von Halbschritten des Läufers über die Wicklungsstränge des Ständers, bei denen eine Läuferumdrehung zwölf Schritte nach 1 bis 4 und sechs Schritte nach 5 beträgt, wird jeweils ein Transistor einer Halbbrücke 31 geschaltet, und während der Schaltung von Vollschritten des Läufers, bei denen eine Läuferumdrehung sechs Schritte nach 1 bis 4 und drei Schritte nach 5 beträgt, werden jeweils beide Transistoren einer Halbbrücke geschaltet.During the circuit of half steps of the rotor over the winding strands of the stator, in which a rotor rotation twelve steps after 1 to 4 and six steps behind 5 is, in each case a transistor of a half-bridge 31 switched, and during the circuit of full steps of the rotor, in which one rotor turn six steps after 1 to 4 and three steps behind 5 is, in each case both transistors of a half-bridge are switched.

Die Erkennung der Läuferstellung kann mit den bekannten Mitteln erfolgen, oder die Ermittlung des Schaltzeitpunktes der Wicklungsstränge wird elektronisch ermittelt und erfolgt somit sensorlos.The Detection of runner position can be done with the known means, or the determination of the Switching time of the winding strands is determined electronically and thus takes place sensorless.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann der Elektromotor auch eine andere Polpaarzahl, und somit eine andere Anzahl von Ständerzähnen und Läuferzähnen besitzen, und die Bemaßung der Permanentmagnete eine andere sein.at the illustrated embodiment can the electric motor also a different number of pole pairs, and thus another Number of stator teeth and Have runner teeth, and the dimensioning of Permanent magnets be another.

Claims

Electromotive power steering for a motor vehicle, with a stand ( 1 ) and a runner ( 2 ; 15 ; 28 ) with runner teeth ( 3 ; 21 ; 27 ) and with permanent magnets ( 4 ; 22 ) in a collector assembly, and a connectable to a power source electronic control device for commutation of the winding strands of the electric motor, wherein the electric motor is a permanent magnet excited motor of a special kind, in the runner ( 2 ; 15 ; 28 ) of a laminated core with rotor teeth ( 3 ; 21 ; 27 ) and grooves ( 8th ; 25 ) with permanent magnets ( 4 ; 22 ) is formed, and the groove opening ( 9 ; 19 ) in the region of the air gap to the stator ( 1 ) at least half the width of a stator tooth ( 5 ), and that during the completion of a run step, the running rotor tooth ( 3 '; 21 ' ) in each case in the middle of the adjacent unlike pole fields of the stator ( 1 ), and the following running rotor tooth ( 3 ''; 21 '' ) in each case in relation to the direction of rotation of the runner ( 2 ; 15 ; 28 ) on the edge ( 13 ) of the first stator tooth of the respective two stator teeth forming unlike adjacent pole fields is, and by reversing the polarity of the winding strands, the next run step is initiated, the edge ( 12 ) of the respective running rotor tooth ( 3 ''; 21 '' ) now in relation to the direction of rotation of the runner ( 2 ; 15 ; 28 ) at the leading edge ( 13 ' ) of the second stator tooth of the respective two stator teeth forming unlike adjacent pole fields, and that in the event of an error at the half bridges ( 31 ), the Power source via a fuse ( 34 ) or via a switch ( 35 ) and at the same time two winding phases by switching elements ( 36 ; 37 ) from the respective half bridge ( 31 ) are separated.

Electromotive power steering system according to claim 1, characterized in that the runners steps the distance of the width of a half-tooth, or the distance the width of a stator tooth plus each of the width of a slot opening equivalent.

Electromotive power steering system according to Claims 1 and 2, characterized in that the spacing of the permanent magnets ( 22 ; 22 ' ) in relation to the rotor teeth ( 21 ; 27 ) to the stator teeth ( 5 ), and the rotor teeth ( 21 ; 27 ) with one in each case to the permanent magnets ( 22 ; 22 ' ) forming nose ( 23 ) are bevelled.

Electromotive power steering system according to Claims 1 to 3, characterized in that the pole face directed towards the air gap ( 20 ' ) of the rotor teeth ( 21 ) as well as the nose ( 23 ) forming bevel ( 24 ' ) may be designed variably arcuate.

Electromotive power steering system according to Claims 1 to 4, characterized in that the grooves ( 25 ) for receiving the permanent magnets ( 22 ; 22 ' ) at the bottom of the groove ( 26 ) are semicircular, and the magnetized permanent magnets ( 22 ; 22 ' ) into the grooves ( 25 ) of the runner ( 15 ) are adhesive-free pressed.

Electromotive power steering system according to Claims 1 to 5, characterized in that the stator teeth ( 5 ) Pole horns ( 16 ) and the inference ( 17 ) on the laminated core ( 14 ) of the stand ( 1 ) is designed narrow, wherein the flux of the magnetic fields of not on the inference ( 17 ), over an iron cylinder ( 18 ) of the stand ( 1 ) he follows.

Electromotive power steering system according to claim 1 to 6, characterized in that on the front sides of the rotor balancing discs are arranged, for cooling the stator winding provided with fan blades are.

Electromotive power steering system according to claim 1, characterized in that the rotor ( 28 ) is designed bipolar, wherein the width of the slot opening ( 19 ' ) of the grooves ( 25 ' ) of the runner ( 28 ) at the air gap at least the width of a stator tooth ( 5 ), and the coils ( 6 ) of the stator winding in each case encompass two stator teeth, each stator tooth being field-excited, and the leading edge (FIG. 12 ' ) of the rotor teeth ( 27 ) in relation to the direction of rotation of the runner ( 28 ) each to the leading edge ( 29 ) of the respective first stator tooth of the respective pole fields on the stator ( 1 ), wherein a rotor rotation can take place both with six rotor steps, as well as with three rotor steps, in which a rotor step corresponds in each case to the distance of the width of a stator tooth, or the distance to the width of two stator teeth.

Electromotive power steering system according to one of the claims, characterized in that at half steps of the rotor ( 28 ) the winding strands on the stand ( 1 ) each via one of the transistors ( 32 ; 32 ' ) of a half bridge ( 31 ) of the electronic control device are connected to a current source, and during the switching of full steps of the rotor ( 28 ) the winding strands each with two transistors ( 32 ; 32 ' ) of a half bridge ( 31 ).

Electromotive power steering system according to Claims 1 to 9, characterized in that in order to optimize the rotor ( 28 ) the rotor teeth ( 27 ) with a recess ( 30 ) or recesses are provided.