JP5264027B2 - 電力支援ステアリング・システムに関する改良 - Google Patents

Description

この発明は、排他的ではないが車両用電力支援ステアリング・システムにおいて特に使用されるブラシレス形式の電気モータの改良に関し、モータは支援トルクをモータ駆動信号に応答してステアリング軸の一部に供給するために設けられる。この発明は、説明された種類の電力支援ステアリング・システムに関する。

一つの知られた電力支援ステアリング・システムにおいて、軸の第1の部分はステアリング・ホイールと動作的に接続され、軸の第2の部分は少なくとも一つの操縦可能なホイールに動作的に接続され、トルクセンサは車両のドライバにより軸の第1の部分に供給されるトルクを表す出力信号を生じるために設けられ、そして制御手段はモータ駆動信号を生じるために出力信号を処理するために設けられている。

軸の第1と第２の部分は単一の軸の各部分を含むことができ、または個別の軸を含むことができる。
説明された種類の電力支援ステアリング・システムの目的は、ドライバがステアリング・ホイールを回転することを容易にする、軸の第2の部分にモータが支援トルクを供給することである。典型的には、モータは、モータから要求されるトルクに比例するモータ駆動信号によりパルス幅変調方式を使用して制御される。

先行技術において、出願人の先行出願GB９６１９１７５のように、モータは電気回路により駆動される直流ブラシレス・モータを含み、そのモータの相巻線はブリッジに接続されている。各相は正および負（またはグランド）供給ライン間のブリッジの個別のアームに接続されている。各頂部スイッチング装置は、相巻線と正の電源間の各アームに直列に接続され、そして各底部スイッチング装置は相巻線と負（グランド）供給ラインの間の各アームに接続されている。このため、３相モータに対し、ブリッジは３アームを有し、各アームは頂部と底部スイッチング装置を有する。モータは、周知の方法でアーム中の頂部と底部スイッチング装置をパルス幅変調することにより制御されモータに回転を惹起する。

発明が解決しようとする課題

【発明が解決しようとする課題】
ブラシレス永久磁石モータにおける問題は故障モードが存在し、モータ相巻線が共に短絡して少なくとも２つの相の周りにループを形成する。もし２つの頂部そして／または２つの底部スイッチング装置が停止しまたは閉状態に故障して電気回路の周りに閉鎖経路を形成するならば、これは典型的に生じる。

このような故障モードにおいて、モータは発電機として動作し、そしてその相巻線内で回転子を回転させる試みは運動に逆らう制動力を誘導するであろう。ステアリング・システムにおいて、これは非常に好ましくなく、最悪の場合には、制動力はドライバにより軸の第2の部分の手動の回転を妨げるほど十分に高くなる。

GB９６１９１７５において開示された電気モータは添付図面の図６に示される。弓型セクションの複数の表面配置の永久磁石を運ぶ回転子１００が含まれる。磁石１０１は、ほぼ０．３ｍｍから０．５ｍｍの非磁性スリーブ（図示されていない）の側の位置され、回転子磁石と固定子２００の間の空隙１０２内に適合している。磁束はこの空隙および非磁気スリーブを通過して固定子と回転子磁石上の磁極間に磁気回路を完成する。

非磁気スリーブの存在のために、固定子と回転子間の隙間は比較的大きく、ステアリング・システムにおいて高レベルの制動トルクを有する低リアクタンスのモータとなる。

幾つかの方法によりこの問題を克服することが提案されてきた。最初に、モータと軸の間にクラッチを設けることが知られている。これは、モータは出力軸を手動で回す試みを阻止しないようにモータ故障の場合に解放される。

代わりに、スター形式にモータ相巻線を接続しそしてスター点に１以上の絶縁スイッチを設けることが知られている。故障の場合に、絶縁スイッチは開放され、閉ループを形成することは不可能になる。しかし、絶縁スイッチの故障は閉ループの形成を許容することを可能にする。

本発明の目的は、電力支援ステアリング・システムにおけるモータの制動力の問題を改善することである。

課題を解決するための手段

第１の面によると、本発明は、故障の場合に低い制動トルクを生じるように構成されそして整列されたブラシレス型の電気モータを備えている。

低い制動トルクは、標準の表面に設けられた磁石モータを使用して生成された制動トルクより少ないことを意味している。例えば、ピークのモータ制動トルクによりステアリング柱に見られるピークの制動トルクは７０Ｎｍより少ないかまたはおそらく３０Ｎｍより少ないかまたは２０Ｎｍより少ないであろう。この低トルクは、制動トルクがステアリング・ホイールを介して供給されるけれど、ドライバにより容易に克服され得る。

低制動トルクは高リアクタンスを持ったモータを設けることにより達成できる。例えば、モータのインピーダンスは１００ｍヘンリーよりも大きく、または好ましくは少なくとも１３０ｍヘンリーよりも大きくすることができる。

モータは少なくとも５０Ｎｍまたは好ましくは少なくとも１００Ｎｍまたはそれ以上、運転中にステアリング軸にピークトルクを与えるために設けられる。
モータは、ひとつの特に有益な整列において、回転子構造内に埋設されている複数の永久磁石を有する内部永久磁石モータを含む。

「埋設」は、磁石が回転子構造の周辺のレベルにまたは下のいずれかにあることを意味する。周辺のレベルより下にある時、磁石は磁気的または磁気的な影響を受けやすいカバーにより覆われ、回転子へ連続した平滑な表面を与える。

好ましくは磁石は回転子構造内に全体に埋設されて回転子は実質的に連続した外部周辺の表面を与える。そこで磁石は全体的に回転子構造内に包含される。
埋設磁石モータを設けることにより、表面搭載磁石モータ用に要求される非磁気保持スリーブは削除されることができ、回転子と固定子の間の空隙の大きさを減少する。これはより高インピーダンスそしてこのため故障が生じた時により低い制動トルクを有するモータに結果的になる。

従来の表面搭載モータを超える内部永久磁石モータの利点は、磁石を場所に保持する保持スリーブを設ける必要はないことである。これは、磁石を固定子により密着して位置付けることができ、制動トルクピーク値を減少するモータ・リアクタンスの値を最大にする。

好ましくは、各磁石は回転子表面の下の回転子におけるスロット内に収納される。磁石は、回転子中のスロット内に収納される平坦な上側および下側表面を有する直線の平らな棒を含むことができる。回転子はユニタリ構造をもつ。平らな磁石は弓状磁石より安価であり、製造が容易である。

この整列は保持スリーブの必要を排除し、固定子により密接に磁石のエッジを有効に配置し、このためその間の空間を減少する。
好ましくは、回転子は、鋼鉄である。これは、固定子磁極と回転子磁石の間の改善された磁束漏れを与える。

もちろん、他の型のモータが低制動トルクを与えそして本発明の範囲内にあるために使用できる。
回転子は中空でも良く、このため車軸は回転子を貫通でき出力軸に回転子を取付ける。代わりに、出力軸は回転子の一部として形成できる。

好ましくは固定子磁極と回転子の外部表面の間の隙間は０．５ｍｍより少なくまたは理想的には０．３ｍｍより少ない。制動トルクを最小化するために、隙間は設計公差内においてできるだけ小さく保たれるべきである。この目的に対し、固定子磁極にできるだけ密接に磁石を配置することを機械的に実現可能にするように、スロットは回転子の周辺に好ましくは密接して設けられる。

モータは、三相が好ましいが、少なくとも２相またはそれ以上の相を含むことができる。
モータ相はそれぞれ直列または並列に接続された多くの相巻線を含むことができる。各相はデルタまたはY形式で互いに接続できる。

第２の面によると、本発明は、説明された種類の電力支援ステアリング・システムを提供し、モータは回転子構造内に埋設されている複数の永久磁石と回転子構造の周りに同心的に配列された固定子上に設けられた多くの相巻線を有する内部永久磁石モータを含む。

第３の面によると、本発明は、モータにより駆動される出力軸を含む機械的システムを含み、モータは、回転子の表面の下に少なくとも部分的に埋設された複数の磁石を有する回転子を含む内部永久磁石モータを含む。

システムはひとつの配列において、電力支援ステアリング・システムを含むことができ、これにより出力軸はステアリング軸に動作的に接続される。代わりに、もし何らかの他の直接駆動機械システムを含むならば、モータ故障中に制動トルクを最小化することが望ましい。

図面に従って、本発明の一実施形態が、単に例示により述べられるであろう。
添付図面の図１に示される電力支援ステアリング・システム１は、車両用のステアリング・ホイール３に接続されたある長さのステアリング・コラム軸２の形式に出力軸を含む。トルクセンサ４は、ステアリング・ホイールが回転されるときにドライバによりステアリング・コラム軸の第１の部分に供給されるトルクを測定するために設けられている。センサは、電気ワイヤ５により制御ユニット６に供給される出力信号を生じる。ステアリング・コラム覆い８に設けられる車両起動スイッチ７からの信号はワイヤ９により制御ユニットに供給され、電力支援組立体が動作するとき（起動部は電力支援組立体の一部を形成していないが）に関係する指示器を与える。

制御ユニット６は、ワイヤ１０によりバッテリ１１または他の電源に接続された電気回路を含む。
制御ユニットはトルクセンサからの出力信号を処理し、ギアボックス１３を介してステアリング・コラム軸２の第２の部分に接続されている低制動トルク電気モータ１２から要求されるトルクに比例するモータ駆動信号を生成する。

使用において、モータはモータ駆動信号に応答して駆動され、軸２に支援トルクを提供する。
モータは図２の概略形式で示されている。これはモータの断面を例示している。

例により見えるように、モータ１２は内部の永久磁石モータを含む。回転子３００は６つの平坦な直線の永久磁石３０１が埋設される回転子体を含む。磁石は回転子３００の周辺に等しく離間しそして交互の北そして南の磁極を持つ。磁石３０１はスロット３０２内に置かれ、回転子構造は磁石を囲み回転子の外側に実質的に滑らかな周辺の表面を提供する。

回転子は、図示されるように、９つの磁極を有する円柱状固定子４００内に軸方向に整列されている。各磁極４０１は多くのコイルのワイヤを含む相巻きを行う。固定子４００の内部は、唯一の小さい空隙が存在するように回転子構造の外部表面に相補的である。

モータは三相装置を含み、各相は便宜上それぞれＡ、Ｂ、Cとラベルされている。図３に示されるように、３つの巻線（極当りひとつ）は直列に接続されて単一の相を形成し、そして相は３つのアーム・ブリッジに接続されてモータを駆動する。

低制動トルクをモータに与えることは、インピーダンスを最大化することにより達成され、代わってモータリアクタンスのレベルを最大にすることにより製造される。これは埋設磁石モータにおいて達成される。

図４は、全三相を共に短絡することにより、図６に示されるような三相の従来の表面搭載磁石設計のためのモータ速度に対するモータ制動トルクのプロットである。図６に例示されるような従来の表面搭載磁石モータは、モータ１２は、回転子１００の表面にスリーブ１０２のような適切な手段により設けられた永久磁石１０１を有する回転子１００を含む。磁石は回転子表面の周りに等しく離間されそして交互の北および南の極性を持つ。回転子１００は、磁石１０２の方向へ突出した磁極片を有する円柱状固定子２００と軸方向に整列している。各磁極片は多くのコイルのワイヤを含む相巻きを備えている。２．７５Ｎｍのピークのモータトルクは測定され、これはモータとステアリング・コラム間の１９．３：１のギヤ比により５３Ｎｍのピークの制動トルクへ変換する。

図５は、図６のモータに対し別の類似の性能の埋設永久磁石モータの等価なプロットである。モータは、等価性能の図６のモータに対してほぼ７０ｍＨと比較して、５０Ｈｚの周波数と５ボルト駆動電圧で１３５ｍHの等価インピーダンスを有する。この場合、１．５Ｎｍのピークのモータトルクは測定され、２９Ｎｍのステアリング・ホイールにおいてピークの制動トルクに等しい。これは、高速度における標準設計を超えて顕著な改善を与える。

発明の効果

本発明は電力支援ステアリング・システムの提供にあり、内部永久磁石モータのような、低制動トルクを持ったモータはモータ故障モード中に望ましくない制動力の問題を軽減するために設けられる。幾つかの場合には、故障保護を設ける必要性を完全に排除し、モータ故障のもとで危険な制動トルクの効果を経験するドライバを保護する。

本発明による電力支援ステアリング・システムの概略例示図である。 図１に示されるモータの断面図である。 図２のモータにおいて相巻線の整列を示す。 従来の表面搭載磁石モータ用の速度Sに対する制動トルクTのプロットと同一速度軸に対する電流Iのプロットである。 同様な埋設磁石モータ用の対応する対のプロットである。 先行技術の従来の表面搭載磁石モータの断面図である。

１ 電力支援ステアリング・システム
３ ステアリング・ホイール
４ トルクセンサ
５ 電気ワイヤ
６ 制御ユニット
７ 車両起動スイッチ
８ ステアリング・コラム覆い
９、１０ ワイヤ
１２ 電気モータ
１３ ギアボックス
３００ 回転子
３０１ 永久磁石
３０２ スロット
４００ 固定子

Claims (12)

1. モータ駆動信号に応答してステアリング軸（２）の部分へ支援トルクを供給するために設けられたモータ（１２）を含み、モータ（１２）は、回転子構造（３００）内に埋設された複数の永久磁石（３０１）および回転子構造と同心的に整列された固定子（４００）上に設けられた多くの相巻線を有する内部永久磁石モータを有し、各前記永久磁石は回転子表面の下の回転子中のスロット（３０２）内に収納される、
   電力支援ステアリング・システム。
   
2. 前記モータのピークの制動トルクは２Ｎｍより少ない、請求項１に記載の電力支援ステアリング・システム。
   
3. １００ｍヘンリーより大きい、または好ましくは少なくとも１３０ｍヘンリーより大きい前記モータのインピーダンスを有する、請求項１または２に記載の電力支援ステアリング・システム。
   
4. 前記モータは、少なくとも５０Ｎｍまたは好ましくは少なくとも１００Ｎｍまたはそれ以上、運転中にステアリング軸へピークトルクを与えるために設けられる、請求項１に記載の電力支援ステアリング・システム。
   
5. 前記永久磁石は、磁気的カバーまたは磁気的に影響し易いカバーにより覆われて回転子に連続した滑らかな表面を与える、請求項４に記載の電力支援ステアリング・システム。
   
6. 回転子（３００）は、固定子（４００）内に回転しそして前記滑らかな表面は実質的に連続した外側周辺表面を含む、請求項５に記載の電力支援ステアリング・システム。
   
7. 磁石（３０１）は、回転子中のスロット（３０２）内に収納される平坦な上側面および下側面を有する直線の平らな棒磁石を含む、請求項５または６に記載の電力支援ステアリング・システム。
   
8. 回転子（３００）はユニタリ構造を有する、請求項１から７のいずれかに記載の電力支援ステアリング・システム。
   
9. 回転子（３００）は鋼鉄である、請求項５、６または７に記載の電力支援ステアリング・システム。
   
10. 回転子（３００）は中空であり、これにより車軸は回転子を貫通して出力軸へ回転子を結合する、請求項１から９のいずれかに記載の電力支援ステアリング・システム。
    
11. 前記モータの相は三相である、請求項１から１０のいずれかに記載の電力支援ステアリング・システム。
    
12. モータの各相は直列または並列に接続された多くの相巻線を含む、請求項１１に記載の電力支援ステアリング・システム。

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