JP2008503384A - 電動パワーステアリング - Google Patents

Abstract

電動機として電子的に転流される特別な種類のリラクタンスモータまたは直巻電動機が使用される自動車用電動パワーステアリングを提供する。電子制御装置および電動機のエラー状態を認識するために十分な機構が回路装置１５に設けられ、電動機はリレイ１６によって、または安全装置１７の下流でサイリスタ１８を使用して電源に短絡することによって電動機が電源から切り離される。
【選択図】図６

Description

本発明はエラー状態で電動機を切り離す自動車用の電動パワーステアリングに関する。

自動車では電動機が支援用にまたはサーボ制御の主駆動装置としてますます頻繁に使用される。
このような電動駆動装置は両回転方向に非常に高い始動・回転トルクを必要とする。電子転流ＰＭモータはこのような条件をもっている。

しかし励起したＰＭモータは欠点があり、電動機の電子制御装置にエラーがあると、電動機はエラーが起きた電子制御装置を介して短絡し、それで自動車の操舵方向に反して作用するので、電動機を電源から分離しても操舵の際に制動トルクが及ぼされる。そのため危険となるので、自動車はこれ以上決められたとおりの操舵はできない。この危険を回避するために適切な装置が設けられる。しかし、この装置には安全に関し特有の問題がある。

特許文献１には電動機と電動機に転流させる電子制御装置を含んだ電動パワーステアリングが記載される。電動機は回転子が永久励磁された同期電動機である。同期電動機の回転子には永久磁石の他に界磁巻線があり、この界磁巻線にはエラー状態で永久磁極の磁束に反対方向の磁束が生じるように電流が流れる。この処置によってエラー状態において同期電動機の短絡によって引き起こされた制動トルクが減少あるいは阻止される。

特許文献２にはＰＭモータを装備した電動パワーステアリングが同様に示される。この場合、エラー状態で電動機の固定子巻線のスイッチが開くので、電動機にはこれ以上電流が流れることはなく、電動機には妨害となる逆トルクが発生しない。

エラー状態ではステアリングギアの結合器を使用して永久励磁回転子を備えた従来の同期電動機を分離することも公知である。
特許文献３には電動機と電動機に転流させる電子制御装置を備えた電動パワーステアリングが示される。とりわけステアリングシャフトにあるトルクセンサの信号を利用するエラー検出ユニットにより状態の種類および重大さに応じて、電動機の支援作用がほぼ２等分される第１のエラーモード、または電動機のスイッチが切られる第２のモードに切り替えられる。

特許文献４にはトルクセンサ付きの電動パワーステアリングが示され、そのセンサ信号はエラー状態を認識するために利用される。エラー状態では電動機のトルク信号は最小値に下がる。

特許文献５には同様にトルクセンサ付きの電動パワーステアリングが示され、そのセンサ信号はエラー状態を認識するために利用される。エラー状態では電動機のスイッチが切られる。
ＤＥ１０１２４４３６Ａ１ ＵＳ６１９４８４９Ｂ１ ＤＥ１９８４１７１０Ａ１ ＵＳ５５１７４１５ ＵＳ２００２／０１７３８９０Ａ１

本発明の課題は、パワーステアリング用の電動機に両回転方向で高いトルクと始動トルクをもたせ、また電動機あるいは電動機の電子制御装置にエラー状態のための保護装置を備える電動パワーステアリングを提案することにある。

この課題は特許請求の範囲の請求項１および２に記載された特徴によって解決される。発明のさらなる実施形態は従属請求項に記載される。

発明による解決手段によると、特別の電動機に回転子のいずれの回転姿勢においても両回転方向に非常に高いトルクおよび始動トルクが発生する自動車用の電動パワーステアリングが創作されるという長所がある。また電動機の電子制御装置には適切な装置が備わり、電子制御装置または電動機にエラー状態があるとパワーステアリングの電動機は電源から分離されるという長所がある。

さらにエラー状態の際に電動機を電源から分離した後、電動機は発電機として作動せず、また電動機には永久磁石が装着されていないので電動機の回転子自体も制動トルクに影響を及ぼさないという長所がある。

以下、図面に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１は固定子４に界磁巻線１，２，３と回転軸６に８極の回転子５とを備えたリラクタンスモータを軸方向から見た図を示す。固定子は巻線１，２，３の配置が４極の場合、回転子５に向かう１２の固定子歯７と、巻線を含むそれぞれａ，ｂ，ｃ，ｄを付した４つのコイルとで構成される。巻線のコイルはそれぞれ３つの固定子歯７に巻回される。コイルのコイル側と隣接するコイルのコイル側との間に共通の溝ができるように、巻線の４つのコイルは互いに隣り合って固定子に配置される。

一方では、２つの巻線のコイルａ，ｂ，ｃ，ｄの界磁をそれぞれ２／３ずつ重ねることによって、回転子に向かう磁極がそれぞれ３つの固定子歯７毎に形成されるように巻線は電源に接続されるが、そのためにリラクタンスモータ用電子制御装置の標準の回路配置がリラクタンスモータに付設される。図１において巻線２，３は電源に接続され、磁極形成はＮおよびＳで特徴づけられる。他方では、回転子に向かう磁極がそれぞれ互いに同一極性を形成しそれぞれ隣接する２つの固定子歯に生じるように、巻線は電源に接続される。そのため、２つの巻線のコイルａ，ｂ，ｃ，ｄの界磁はそれぞれ１／３重ねられ、巻線はスター結線に保持される。そのため、リラクタンスモータに電子制御装置のブリッジ回路が付設される。巻線の電源に対するこのような接続においては、巻線の転流の間に回転磁界が固定子に形成される。

図２にリラクタンスモータの軸方向から見た図を示す。巻線１，２，３のコイルａ，ｂ，ｃ，ｄはそれぞれ２つの固定子歯に巻回され、巻線の１つのコイルから次のコイルまでの間隙はそれぞれ固定子歯の１つ分となり、巻線はスター結線で保持される。各固定子歯における回転子に向かう磁極形成はそれぞれの界磁極の中心の磁極形成で生じる。磁極形成はＮおよびＳで特徴づけられる。また巻線の転流の間は電子制御装置のブリッジ回路を使用して固定子に回転磁界が形成される。

固定子に巻線のコイルをこのように配置すると、コイルａ，ｂ，ｃ，ｄの重なりは生じず、１つの回転子ステップから次の回転子ステップに切り替える間にトルクがいずれの回転子歯にも一致し、図２に示す回転子姿勢になる。

それぞれの界磁極の中心の磁極形成にはＸを付すが、次の回転子ステップでは更新された中心の磁極形成Ｙに対応するそれぞれの極性がそれぞれの固定子歯に準備される。
固定子の巻線１，２，３のコイルａ，ｂ，ｃ，ｄと対応する配線のこのような配置によって回転子のいずれの回転姿勢でも高い始動トルクと均一なトルクが得られ、これによって電動機の静かな運転状態が達成できる。

固定子巻線のこのような配置はリラクタンスモータではそれぞれの固定子歯で非常に高いエネルギー密度を引き起こし、そのため回転子の高いトルクと高い始動トルクが達成され、したがってこのようなリラクタンスモータはパワーステアリングに使用すると有利になる。

図１および２により、リラクタンスモータの固定子における巻線の適切な配置の固定子構造も直巻電動機に使用すると有利になる。
図３および４にはこのような直巻電動機を示す。回転子８は４つの回転子歯９があり、そこに励磁巻線のコイル１０が配置され、励磁巻線のコイル１０はそれぞれ回転子歯に巻回される。励磁巻線は回転子８の回転軸１１に配置されたスリップリングに接続される。直巻電動機における巻線１，２，３のコイルａ，ｂ，ｃ，ｄ配置は図１および２のリラクタンスモータにおける巻線の配置に対応し、直巻電動機の巻線は常にスター結線で保持される。図３に示すように、巻線１，２，３のコイルａ，ｂ，ｃ，ｄはそれぞれ３つの固定子歯７に巻回される。この場合、コイルａ，ｂ，ｃ，ｄをそれぞれ１／３重ねて巻線２および３を電源に接続する際、図３に示す固定子の磁極が形成されるように巻線は電源に接続される。

図４では巻線１，２，３のコイルａ，ｂ，ｃ，ｄはそれぞれ２つの固定子歯７に巻回される。コイルの重なりはなく、回転子に対するそれぞれの磁極がいずれの固定子歯にも形成される。図３および４による直巻電動機の巻線は常にブリッジ回路を介して電流が流れるので、回転磁界が固定子に形成される。

図５は固定子４に界磁巻線１，２，３を有する別の直巻電動機を軸方向から見た図である。巻線のコイルはそれぞれ固定子歯７に巻回される。回転子８は図３および４による回転子に対応する。ここでも巻線はスター結線され、電子制御装置のブリッジ回路は巻線に割り当てられ、固定子に回転磁界が形成される。

特別の種類の直巻電動機は回転子回転のいずれの回転子姿勢でも高いトルクと高い始動トルクのほか均一なトルクも有する。以上述べてきた電動機は任意の磁極数対にすることもできる。

図６はリラクタンスモータおよび直巻電動機の巻線に転流させる電子制御装置の回路配置を示す。巻線１，２，３はそれぞれ一端がトランジスタを装備したハーフブリッジ１２に接続され、巻線の他の一端はスター結線される。直巻電動機の回転子の巻線１３はハーフブリッジの上流に接続される。エラー状態を電子制御装置のハーフブリッジまたは電動機に迅速に認識させるために、ハーフブリッジ１２と巻線１，２，３との間にそれぞれ測定分路が接続されるか、ハーフブリッジ１２にそれぞれ電位中間口出し１４が設けられる。電子制御装置または電動機のエラー状態を認識するためにステアリングシャフトに設けたトルクセンサからの信号情報も使用することが好ましい。制御ユニット１５によってハーフブリッジ１２または電動機にエラー状態が認識されると、リレイ１６を使用するか、またはヒューズ装置１７による電源の短絡によって、サイリスタ１８を使用して電動機は電源から切り離される。リラクタンスモータに対しては、ハーフブリッジの故障の場合、電源はハーフブリッジを介して直接短絡できるので、エラー状態の場合、電源の短絡はサイリスタによって行われブリッジ回路には必要ない。

以上提案してきたパワーステアリングの電動機駆動装置の場合、エラー状態で電源からの分離によってリラクタンスモータおよび直巻電動機は発電機として効果がなく、また回転子は永久磁石を備えていないのでこの電動機の回転子は制動トルクにも影響を及ぼさない。それに反して永久磁石を備えた回転子を有する電動機は、電動機を電源から分離しても制動トルクに影響を及ぼす。

ハーフブリッジまたは電動機のエラー状態を認識するためにトランジスタを使用するのが好ましく、その場合、トランジスタの作動性の自己認識はトランジスタに統合されるか、または作動性は制御ユニット１５で監視される。

軸方向から見たリラクタンスモータの固定子および回転子の図を示す。 軸方向から見た別のリラクタンスモータの固定子および回転子の図を示す。 軸方向から見た直巻電動機の固定子および回転子の図を示す。 軸方向から見た別の直巻電動機の固定子および回転子の図を示す。 軸方向から見たさらに別の直巻電動機の固定子および回転子の図を示す。 リラクタンスモータおよび直巻電動機に転流させる電子制御装置の回路配置を示す。

Claims (9)

1. 電動機の巻線に転流させる電子制御装置を備えた自動車用電動パワーステアリングであって、
   電動機はリラクタンスモータであり、固定子（４）の複数の固定子歯（７）に巻線（１，２，３）のコイル（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）がそれぞれ巻回され、
   巻線（１，２，３）は電動機運転の間は回転子（５）に対してそれぞれ中心磁極が形成されるように電源に接続され、
   電子制御装置および／またはリラクタンスモータのエラー状態を認識するためステアリングシャフトに設けられたトルクセンサの信号情報が使用され、この信号情報は電子制御装置の制御ユニット（１５）に導かれて利用され、
   エラー状態の場合はスイッチ（１６）を使用するか、または安全装置（１７）の下流でサイリスタ（１８）を使用して電源に短絡することによってリラクタンスモータが電源から分離される
   ことを特徴とする電動パワーステアリング。
2. 電動機の巻線に転流させるブリッジ回路を含む電子制御装置を備えた自動車用電動パワーステアリングであって、
   電動機は直巻電動機であり、固定子（４）の複数の固定子歯（７）または１つの固定子歯に巻線（１，２，３）のコイル（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）がそれぞれ巻回され、
   回転子（８）の巻線（１３）のコイル（１０）がそれぞれ回転子歯（９）に巻回され、
   巻線は電動機運転の間は回転子（８）に対してそれぞれ中心磁極が形成されるように電源に接続され、
   電子制御装置および直巻電動機のエラー状態を認識するためステアリングシャフトに設けられたトルクセンサの信号情報が使用され、この信号情報は電子制御装置の制御ユニット（１５）に導かれて利用され、
   エラー状態の場合はスイッチ（１６）を使用するか、または安全装置（１７）の下流でサイリスタ（１８）を使用して電源に短絡することによって直巻電動機が電源から分離される
   ことを特徴とする電動パワーステアリング。
3. 巻線（１，２，３）のコイル（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）はそれぞれ３つの固定子歯（７）に巻回され、巻線のコイルはそれぞれ固定子で互いに隣接配置されて巻線のコイルのコイル側と隣接コイルのコイル側にそれぞれ共通の溝が形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の電動パワーステアリング。
4. リラクタンスモータの巻線（１，２，３）は回転子に向かう磁極がそれぞれ３つの固定子歯（７）毎に形成されるように電源に接続され、リラクタンスモータの標準の回路配置が電子制御装置に付設されることを特徴とする請求項３に記載の電動パワーステアリング。
5. リラクタンスモータまたは直巻電動機の巻線（１，２，３）は回転子に向かう磁極がそれぞれ隣接する２つの固定子歯でそれぞれ同じ極性に形成されるように電源に接続され、電子制御装置の回路配置にはブリッジ回路が含まれて巻線はスター結線にされ、固定子に回転磁界が生成されることを特徴とする請求項３に記載の電動パワーステアリング。
6. 巻線（１，２，３）のコイル（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）はそれぞれ２つの固定子歯に巻回されて巻線はスター結線に保持され、回転子に向かう磁極はそれぞれ隣接する３つの固定子歯にそれぞれ同じ極性で形成され、また固定子には回転磁界が存在することを特徴とする請求項１または２に記載の電動パワーステアリング。
7. エラー状態を認識するためにハーフブリッジ回路にトランジスタが使用され、その場合、トランジスタの作動性の自己認識がトランジスタに統合されるか、またはトランジスタの作動性が制御ユニットで監視されることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の電動パワーステアリング。
8. エラー状態を認識するために電子制御装置の回路配置および電動機に測定分路が配置されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の電動パワーステアリング。
9. エラー状態を認識するために電子制御装置の回路配置および電動機に電位中間口出しが配置されることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の電動パワーステアリング。

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