KR100712964B1 - 파워 스티어링 시스템 - Google Patents

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Abstract

브러쉬레스형의 전기모터(12)가 낮은 제동토크를 제공토록 구성되고 배열되는 것으로 기술되어 있다. 또한 이러한 모터가 사용되는 파워 스티어링 시스템이 기술되어 있다. 우선구성에 있어서, 모터(12)는 내부 영구자석으로 구성된다. 고장시 낮은 제동토크를 발생하는 모터를 제공하는 이점은 모터에 대하여 장애조건에서도 운전자가 차량의 조향핸들(3)을 용이하게 회전시킬 수 있도록 하는 것이다. 이로써 모터의 장애방지수단의 필요성을 없앤다.

Description

파워 스티어링 시스템 {IMPROVEMENTS RELATING TO ELECTRICAL POWER ASSISTED STEERING SYSTEMS}
도 1은 본 발명에 따른 파워 스티어링 시스템을 보인 개략 구성도.
도 2는 도 1에서 보인 모터의 단면도.
도 3은 도 2에서 보인 모터의 상권선 배열도.
도 4는 통상적인 표면부착형 자석모터의 속도 S에 대한 제동토크 T와 동일한 속도축에 대한 전류 I의 그래프.
도 5는 매입형 자속모터에 대한 유사한 그래프.
도 6은 종래기술의 통상적인 표면부착형 자석모터를 보인 단면도.
도면의 주요부분에 대한 부호설명
2 … 스티어링축 12 … 모터
300 … 회전자 301 … 영구자석
400 … 고정자
본 발명은 차량용의 파워 스티어링 시스템에 사용되는 것으로 모터 구동신호 에 응답하여 스티어링축의 일부에 보조토크를 가할 수 있게 되어 있는 브러쉬레스형의 전기모터에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 언급된 종류의 파워 스티어링 시스템에 관한 것이다.
공지의 파워 스티어링 시스템에 있어서, 스티어링축의 제 1 부분이 조향핸들에 연결되고, 스티어링축의 제 2 부분은 적어도 하나의 조향가능한 바퀴에 연결되며, 토크감지기가 차량의 운전자에 의하여 스티어링축의 제 1 부분에 가하여진 토크를 나타내는 출력신호를 발생할 수 있도록 되어 있고, 제어수단이 모터 구동신호를 발생하기 위하여 출력신호를 처리할 수 있도록 되어 있다.
스티어링축의 제 1 및 제 2 부분은 단일축의 각 부분일 수 있거나 별도의 축으로 구성될 수 있다.
상기 언급된 종류의 파워 스티어링 시스템의 목적은 운전자가 조향핸들을 보다 용이하게 회전시킬 수 있도록 모터가 스티어링축의 제 2 부분에 보조토크를 가하도록 하는 것이다. 전형적으로 모터는 모터 구동신호가 모터로부터 요구된 토크에 비례하도록 펄스폭 변조방식을 이용하여 제어된다.
본원 출원인의 역국 특허출원 GB 9619175와 같은 종래기술에 있어서, 모터는 모터 상권선이 브릿지에 연결된 전기회로에 의하여 구동되는 직류 브러쉬레스 모터로 구성된다. 각 상(相)은 포지티브 및 네거티브(접지선) 급전선 사이의 브릿지의 독립된 암에 연결된다. 각 상부 스위칭장치가 상권선과 포지티브 급전선 사이의 각 암에 직렬로 연결되고, 각 하부 스위칭장치는 상권선과 네거티브(접지선) 급전선 사이의 각 암에 연결된다. 이와 같이 3-상 모터의 경우, 브릿지는 3개의 암을 가지 고 이들 각각은 상부 및 하부 스위칭장치로 구성된다. 이러한 모터는 모터가 회전될 수 있도록 공지의 방법으로 안의 상부 및 하부 스위칭장치를 펄스폭 변조하여 제어될 수 있다.
브러쉬레스 영구자석 모터가 갖는 문제점은 모터 상권선이 단락되어 적어도 두 상이 단락루프를 형성하는 고장모드가 존재하는 것이다. 이는 전형적으로 두 상부 와/또는 두 하부장치가 달라붙거나 그렇지 않으면 폐쇄상태의 장애를 보여 전기회로의 폐회로를 형성하는 경우 일어난다.
이러한 고장모드에서 모터는 발전기와 같이 작용할 것이며, 그 권선내에서 회전자가 회전되게 함으로서 운동을 저지하는 제동력을 유도할 것이다. 스티어링 시스템에 있어서, 최악의 경우 제동력이 현저히 높아서 운전자에 의한 스티어링축의 제 2 부분의 수동회전이 방지되는 경우 매우 바람직하지 않다.
상기 특허문헌 GB 9619175에 기술된 전기모터가 도면의 도 6에 도시되어 있다. 이는 원호단면인 다수의 표면부착형 영구자석이 착설된 회전자(100)룰 포함한다. 자석은 회전자 자석과 고정자(200) 사이의 에어갭(102) 내에 착설되는 약 0.3㎜∼0.5㎜의 비자성체 슬리이브(도시하지 않았음)에 의하여 고정된다. 자속은 이러한 에어갭과 비자성체 슬리이브를 통과하여 고정자 자극과 회전자 자석 사이에 자기회로를 완성한다.
비자성체 슬리이브가 사용되므로 고정자와 회전자 사이의 갭은 비교적 커서 모터의 리액턴스가 낮고 제동토크가 매우 높게 되는 결과를 가져온다.
이러한 문제점을 극복하기 위한 여러가지 방법이 제안된 바 있다. 첫째로, 모터와 출력축 사이에 클러치를 제공하는 것이 알려져 있다. 이는 모터의 장애가 있는 경우 분리되어 모터가 출력축을 수동으로 회전시키도록 하는데 방해하지 않도록 할 것이다.
또한, 모터 상권선을 별모양, 즉 성형연결 구성으로 연결하고 성형연결 구성의 연결점에 하나 이상의 절연 스위치를 제공하는 것이 알려져 있다. 고장의 경우에 있어서, 절연 스위치가 개방되어 루프의 폐쇄가 이루어지지 않도록 한다. 그러나, 이러한 절연 스위치도 고장을 일으켜 루프의 폐쇄가 이루어질 가능성이 있다.
본 발명의 목적은 파워 스티어링 시스템에서 모터의 제동력에 관련된 문제점을 개선하는데 있다.
제 1 관점에 따라서, 본 발명은 고장의 경우 낮은 제동토크를 발생하도록 구성되고 배열된 브러쉬레스 형태의 전기모터를 제공한다.
낮은 제동토크라 함은 표준형의 표면부착형 자석모터를 이용하여 발생되는 것보다 낮음을 의미한다. 예를 들어, 피크 모터 제동토크에 의한 스티어링 컬럼에서 보인 피크 제동토크는 70Nm 이하, 또는 30Nm 이하 또는 20Nm 이하일 수 있다. 이러한 낮은 토크는 비록 제동토크가 조향핸들을 통하여 느껴진다 하여도 운전자가 이를 간단히 극복할 수 있도록 한다.
낮은 제동토크는 높은 리액턴스를 갖는 모터를 제공함으로서 얻을 수 있다. 예를 들어, 모터의 임피던스는 100mHenry 이상, 좋기로는 적어도 130mHenry 이상이다.
모터는 스티어링축을 구동시키는 동안에 적어도 50Nm, 좋기로는 적어도 100Nm 또는 그 이상의 피크토크를 제공할 수 있도록 되어 있다.
특별히 유리한 구성에 있어서, 모터는 회전자 구조내에 매입된 다수의 영구자석을 갖는 내부 영구자석 모터로 구성될 수 있다.
"매입" 이라는 용어는 자석의 표면이 회전자 구조의 주면과 일치하거나 이 주면의 아래에 놓이는 것을 의미한다. 주면의 아래에 매입되는 경우, 자석은 회전자의 연속적인 평활표면을 제공할 수 있도록 투자성의 커버로 덮일 것이다.
좋기로는 자석이 회전자 구조내에 완전히 매입되어 회전자의 외주면이 실질적으로 연속되게 하는 것이 좋다. 따라서, 자석은 그 전체가 회전자 구조내에 수용된다.
매입형 자석모터를 제공함으로서 표면부착형 자석모터에서 요구되었던 비자성체의 고정 슬리이브가 필요없게 되어 고정자와 회전자 사이의 에어갭의 크기가 감소될 수 있다. 이는 모터가 높은 임피던스를 갖게 되고 고장의 발생시 제동토크가 낮아지는 결과를 가져온다.
통상적인 표면취부형 모터에 대한 내부 영구자석 모터의 잇점은 자석을 고정시키는 고정 슬리이브를 더 이상 필요로하지 않는다는 점이다. 이는 자석을 고정자에 보다 근접하게 배치될 수 있도록 하고 제동토크 피크값을 감소시키는 모터 리액턴스의 값을 최대화한다.
각 자석은 회전자 표면 아래에서 회전자의 슬로트 내에 삽입되는 것이 좋다. 자석은 회전자의 슬로트 내에 삽입되는 평면상의 상하측 면을 갖는 평면 사각형의 바아형태로 되어 있는 자석으로 구성된다. 회전자는 단일체의 구조를 가질 수 있다. 평면상의 자석은 원호형의 자석보다 값이 싸고 제작도 용이하다.
이러한 구성은 고정 슬리이브의 필요성을 배제하고, 효과적으로 자석의 변부를 고정자에 보다 근접시켜 이들 사이의 공간을 줄일 수 있도록 한다.
회전자는 강철 또는 다른 적당한 금속물질로 되어 있다. 이는 고정자 자극과 회전자 자석 사이의 개선된 자속결합이 이루어질 수 있도록 한다.
물론, 낮은 제동토크를 제공하고 본 발명의 범위에 속하는 다른 형태의 모터가 이용될 수 있다.
회전자는 중공형이고 회전자를 모터의 출력축에 결합시킬 수 있도록 하는 축부재가 회전자를 관통하도록 할 수 있다. 또한 출력축은 회전자와 일체로 구성될 수 있다.
고정자 자극과 회전자의 외면 사이의 간극은 0.5㎜ 이하, 이상적으로는 0.3㎜ 이하가 좋다. 제동토크를 줄이기 위하여 이는 설계상의 허용범위 내에서 가능한 한 작아야 한다. 이를 위하여, 자석을 가능한 한 고정자 자극에 근접배치하는 것이 기계적으로 가능하므로 회전자의 주면에 근접하게 형성되는 것이 좋다.
모터는 3상의 것이 좋으나 적어도 둘 이상의 상으로 구성될 수 있다.
모터 상은 각각 직렬 또는 병렬로 연결된 다수의 상권선으로 구성된다. 각 상은 델타(Δ)형 또는 와이(Y)형으로 연결될 수 있다.
본 발명의 제 2 관점에 따라서, 본 발명은 상기 언급된 종류의 파워 스티어링 시스템을 제공하는 바, 모터가 회전자 내에 매입된 다수의 영구자석과 회전자의 둘레에 동심원상으로 배열되어 고정자에 제공된 다수의 상권선을 갖는 내부 영구자 석 모터로 구성된다.
제 3 관점에 따라서, 본 발명은 모터에 의하여 구동되는 출력축으로 구성되는 기계적인 시스템이 제공되는 바, 모터가 회전자의 표면 아래 적어도 부분적으로 매입되는 다수의 자석을 갖는 회전자로 구성되는 내부 영구자석 모터로 구성된다.
한 구성에 있어서, 이 시스템은 출력축이 스티어링축에 연결된 파워 스티어링 시스템으로 구성된다. 또한, 이는 모터의 고장시 바람직하게 제동력을 최소화 하는 다른 기계적인 직접구동 시스템으로 구성될 수 있다.
본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.
도면의 도 1에서 보인 파워 스티어링 시스템(1)은 차량의 조향핸들(3)에 연결된 기다란 스티어링축(2)의 형태인 입력축으로 구성된다.
토크감지기(4)가 조향핸들을 회전시킬 때 운전자에 의하여 스티어링축의 제 1 부분에 가하여지는 토크를 측정할 수 있게 되어 있다. 감지기는 전기와이어(5)에 의하여 제어유니트(6)에 공급되는 출력신호를 발생한다. 스티어링축 덮개(8)에 구성된 차량 점화스위치(7)로부터의 출력신호가 파워 스티어링 시스템이 작동되어야 할 때(비록 점화스위치가 파워 스티어링 조립체의 일부를 구성하지 않는다 하여도)를 지시기에 제공토록 와이어(9)를 통하여 제어유니트에 공급된다.
제어유니트(6)는 배터리(11) 또는 기타 전원에 와이어(10)로 연결된 전기회로로 구성된다.
제어유니트는 변속기(13)를 통하여 스티어링축(2)의 제 2 부분에 연결된 저제동토크 모터(12)로부터 요구된 토크에 비례하는 모터 구동신호를 발생토록 토크감지기로부터의 출력신호를 처리한다.
실제로, 모터는 보조토크를 스티어링축(2)에 가하도록 모터 구동신호에 응답하여 구동된다.
모터가 도 2에 개략적으로 도시되어 있다. 이는 모터의 단면을 보인 것이다.
도시된 바와 같이, 예를 들어 모터(12)는 내부 영구자석 모터로 구성된다. 회전자(300)는 내부에 6개의 평면사각형 영구자석(301)이 매입된 회전자동체로 구성된다. 이러한 회전자(300)는 단일체의 구조를 가질 수 있다. 또한 회전자(300)는 중공형의 형태이고 회전자를 모터의 출력축에 결합시킬 수 있도록 하는 축부재가 관통될 수 있다. 자석은 회전자(300)의 둘레에 등간격을 두고 배열되어 있으며 교대로 N극과 S극을 갖는다. 영구자석(301)은 각 슬로트(302) 내에 배치되어 회전자 구조가 회전자의 외주면이 실질적으로 평활하도록 자석을 감싸고 있다.
회전자는 도시된 바와 같이, 9개의 자극을 갖는 원통형 고정자(400) 내에 축방향으로 정렬된다. 각 자극(401)은 다수의 와이어 코일로 구성되는 상권선을 재가한다. 고정자(400)의 내부는 회전자 구조의 외면에 대하여 보상적인 구성을 가지므로 작은 에어갭만이 존재한다.
모터는 3상 장치로 구성되며 각 상은 편의상 각각 A, B, C의 부호를 붙였다. 도 3에서 보인 바와 같이, 3개의 권선(각 자극에 대하여 하나씩)은 직렬로 연결되어 단상을 이루며, 상은 모터를 구동시킬 수 있도록 3개의 암 브릿지에 연결될 수 있다.
저제동토크를 갖는 모터를 제공함으로서 임피던스를 최대화할 수 있으며, 이는 모터의 리액턴스를 최대화 함으로서 발생된다. 이는 매입형 자석모터에서 성취 된다.
도 4는 도 6에서 보인 바와 같이, 3상 모두가 단락된 통상적인 3상 표면부착형 모터구성에 대하여 모터속도에 대한 모터 제동토크의 그래프를 보인 것이다. 도 6에서 보인 바와 같은 통상적인 표면부착형 자석모터는 슬리이브(102)와 같은 적당한 수단에 의하여 영구자석(101)이 표면에 부착된 회전자(100)로 구성되게 구성된다. 자석은 회전자 표면의 둘레에 등간격을 두고 배열되어 있으며 교대로 N극과 S극을 갖는다. 회전자는 자석을 향하여 돌출된 자극편을 갖는 원통형 고정자(200)에 축방향으로 정렬되고, 상기 자극편은 다수의 와이어 코일로 구성되는 상권선을 재가한다. 피크 모터토크는 2.75Nm으로 측정되었으며, 이는 모터와 스티어링 컬럼 사이의 16.5:1의 변속비에 의하여 53Nm의 피크 제동토크로 전환된다.
도 5는 다른 성능면에서는 도 6의 모터와 유사한 매입형 영구자석모터에 대한 등가좌표를 보인 것이다. 모터는 동등한 성능인 도 6의 모터가 갖는 약 70mH의 임피던스에 비하여 50㎐의 주파수와 5볼트의 구동전압에서 135mH의 임피던스를 갖는다. 이 경우에 있어서, 29Nm인 조향핸들의 피크 제동토크와 동일한 1.5Nm의 피크 모터토크가 측정되었다. 이는 고속에서 표준설계 이상의 현저한 개선점을 제공한다.
본 발명은 내부 영구자석 모터와 같이 낮은 제동토크를 갖는 모터가 어떠한 모터의 고장모드중에 원치않는 제동력의 문제점을 해소할 수 있도록 제공된 파워 스티어링 시스템을 제공하는데 있음을 이해할 것이다. 어떤 경우에 있어서, 이는 모터의 고장하에 위험한 제동토크의 효과를 운전자가 경험하게 되는 것을 방지하도록 장애보호수단을 제공할 필요성을 완전히 배제한다.

Claims (26)

  1. 모터구동신호에 응답하여 스티어링축(2)의 일부에 보조토크를 가할 수 있게 된 모터(12)로 구성되고, 모터가 회전자의 둘레에 동심원상으로 배열된 고정자(400)에 배치되는 다상의 권선으로 구성되는 것에 있어서, 모터(12)가 회전자(300)내에 매입된 다수의 영구자석(301)을 갖는 내부 영구자석 모터로 구성되고, 각 영구자석(301)이 회전자 표면의 아래에서 회전자의 슬로트(302)내에 삽입됨을 특징으로 하는 파워 스티어링 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
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  11. 삭제
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  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 제1항에 있어서, 영구자석(301)이 회전자의 슬로트(302) 내에 삽입되는 평면상의 상하측 면을 갖는 평면사각형의 바아형태로 되어 있는 영구자석으로 구성됨을 특징으로 하는 파워 스티어링 시스템.
  19. 제1항 또는 제18항에 있어서, 모터의 피크 제동토크가 2Nm 이하임을 특징으로 하는 파워 스티어링 시스템.
  20. 제1항에 있어서, 모터가 100mHenry 이상의 임피던스를 가짐을 특징으로 하는 파워 스티어링 시스템.
  21. 제19항에 있어서, 모터(12)가 스티어링축을 구동시키는 동안에 적어도 50Nm 이상의 피크토크를 제공할 수 있게 되어 있음을 특징으로 하는 파워 스티어링 시스템.
  22. 제1항에 있어서, 회전자(300)가 단일체의 구조를 가짐을 특징으로 하는 파워 스티어링 시스템.
  23. 제1항에 있어서, 회전자(300)가 강철임을 특징으로 하는 파워 스티어링 시스템.
  24. 제1항에 있어서, 회전자(300)가 중공형이고 회전자를 모터의 출력축에 결합시킬 수 있도록 하는 축부재가 회전자를 관통할 수 있게 되어 있음을 특징으로 하는 파워 스티어링 시스템.
  25. 제1항에 있어서, 모터가 3상전기모터로 구성됨을 특징으로 하는 파워 스티어링 시스템.
  26. 제25항에 있어서, 모터의 상이 각각 직렬 또는 병렬로 연결된 다수의 상권선으로 구성됨을 특징으로 하는 파워 스티어링 시스템.
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