KR20080074089A - 차량 조향휠의 전자기계식 부스터 - Google Patents

차량 조향휠의 전자기계식 부스터 Download PDF

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KR20080074089A
KR20080074089A KR1020087006418A KR20087006418A KR20080074089A KR 20080074089 A KR20080074089 A KR 20080074089A KR 1020087006418 A KR1020087006418 A KR 1020087006418A KR 20087006418 A KR20087006418 A KR 20087006418A KR 20080074089 A KR20080074089 A KR 20080074089A
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오칼리도 아카쉰노 어버세스보 "카르스키 자보다 에레크트로닉스 이즈드리"
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Abstract

본 발명은 차량 제어수단에 관한 것이다. 전기모터의 고정자는 n표시 극들로 이루어진 자기코어와 영구자석의 형태로 구현된 n-2극들로 이루어진 회전자를 구비한다. 고정자의 3상권선은, 하나의 극에 하나의 영역이 할당되는 식으로 6개의 동등한 교번위상영역에 위치되어 각 위상영역에서 하나의 위상에 복수 개 속하는 코일들을 구비한다. 조향휠 부스터 몸체는, 소자를 감지하는 토크센서의 형태로 구현된 토션바의 도움으로 상호연결되고 그 다른 단부에 의해 조향휠과 조향기구에 연결되는 입력축과 출력축을 구비한다. 전기모터의 회전자는 출력축에 장착된다. 또한, 본 발명의 기구는, 제어가능한 고정자 권선의 전원공급원, 회전자위치센서 그리고, 그 입력측에 의해 토크의 출력측과 회전자위치센서들에 연결되고 또한 그 출력측에 의해 전원공급원의 제어입력측에 연결되는 제어유닛으로 이루어진다. 본 발명은 외부의 교란토크가 조향휠에 전달되는 것을 배제하고 전기모터와 조향휠 부스터의 생산성을 개선하고 이들의 유용한 특성을 증진하는 것을 가능하게 한다.
모터, 조향휠, 일렉트로메카니컬 부스터, 전자기계식 부스터, 회전자, 토션, 토크센서, 3상권선, 위상영역, 위상차, 입력축, 출력축, 고정자, 영구자석, 회전자위치센서

Description

차량 조향휠의 전자기계식 부스터{CAR STEERING WHEEL ELECTROMECHANICAL BOOSTER}
본 발명은 차량구동수단에 관한 것으로, 특히, 저속시의 조작 그리고 차량 정차상태에서의 휠회전의 경우에 조향휠의 조작력의 저감을 달성하기 위해 이용되는 것에 관한 것이다.
조향휠 토크센서(torque sensor), 차속센서, 상기 센서들에 연결되는 제어유닛 그리고, 제어유닛으로부터의 신호에 따라 제어가능하고 감속기(speed reduction device)를 통해 출력축(output shaft)에 연결되는 전기모터로 이루어지는 차량 조향휠의 전자기계식 부스터(car steering wheel electromechanical booster)가 알려져 있다(러시아연방 특허 RU 2158692호, 국제분류: B 62 D 5/04, 2000년).
이러한 기구의 전기모터는, 고정자(stator) 상에 12개의 톱니와, 회전자 상에 8개의 톱니를 갖는 3상 기기(three-phase machine)로서, 전기모터의 자기장계(magnetic system)는 회전자와 고정자 톱니의 상대적인 편향(slanting)에 의해 형성되며, 공기갭(air gap)에 대한 고정자 및 회전자의 최대편향(crown slanting) 및 폭은, 회전자에 대해 상호 관련성을 가지고 정해진 톱니 피치(tooth pitch)로서 선택된다.
공지된 기구의 문제점은 다음과 같다:
- 축 상의 전자기적(electromagnetic) 토크 맥동(pulsation);
- 큰 치수 및 하중;
- 구조를 복잡하게 하는, 조향휠 부스터 안의 감속기구의 존재;
- 증대되는 하중 및 크기들의 값
- 조향휠 부스터의 고장발생시 조향휠의 자동잠김(self-locking)의 가능성에 기인한 차량안전운행 저해.
본 발명의 조향휠의 전자기계식 부스터(steering wheel electromechanical booster)에 대해 가장 유사한 것은, 몸체부와; 몸체부에 위치되며, 소자를 감지하는 토크센서의 형태로 구현되고 또한 그 다른 쪽 단부에 의해 조향휠 및 조향기구(steering mechanism)가 연결되는 토션바(torsion bar)의 도움으로 상호연결되는 입력축(input shaft) 및 출력축(output shaft)과; n표시 극(n pronounced pole)들을 갖는 자기코어(magnet core)와, 한 영역이 하나의 극에 할당되는 식으로 6개의 동일한 교번위상영역(alternating phase area)에 위치되고 각 위상영역에서 하나의 위상에 복수개 속하는 코일들로 형성되는 3상권선(three-phase winding)으로 이루어진 고정자(stator)와, 영구자석의 형태로 구현되고 n-2극을 가지며 상기 출력축에 장착되는 회전자(rotor)로 이루어지는 전기모터와; 상기 전기모터의 고정자의 3상권선의 제어가능한 전원공급원(supplying source)과; 전기모터의 회전자위치센서와; 제어유닛;을 구비하며, 이 제어유닛의 입력측이, 토크센서 및 전기모터 회전자위치센서의 출력측에 연결되되, 그 출력측이 상기 전원공급원의 입력제어를 위해 연결되는 구조로 된 조향휠의 전자기계식 부스터이다.(러시아 연방 특허2181091호, 국제분류: B 62 D 5/04, 2002년)
이러한 공지의 기구에서, 위상 영역들에서 하나의 위상에 속하는, 전기모터 고정자 3상 권선의 코일들은 직렬구조형태(series aiding configuration)로 연결된다.
공지의 기구들의 문제점은 다음과 같다:
- 전기모터의 회전자 및 고정자 상의 쇼크댐퍼구성(shock damper contour)의 부재(不在)로 인한 취약한 내부댐핑. 이것은 차도(車道)의 부분에서의 휠로의 급격한 노출(acute exposure)시에 조향휠로의 토크전달을 방해하게 된다.
- 전기모터 고정자의 제작과 최적의 기계특성 습득에 대한 부족한 기술적 효율성.
이러한 문제점은, 낮은 전원주파수(frequencies of supplying)와 낮은 전압 상태에서 전기모터의 고정자 권선이 적은 위상코일(phase coil) 회전(turn)수와 큰 횡단면(cross-section)을 갖기 때문이다. 이것이 슬롯 통로로의 누적을 심화시킨다.
조향휠의 고토크 직구동(high-torque direct-drive)형 전자기계식 부스터를 위한 전기모터는 최대 전자기 하중(electromagnetic load)에 대해 주어진 치수에서 최대 모멘트(moment)를 가져야 한다.
전기모터의 주어진 치수와 주어진 자기유도(magnetic induction)에 있어서의 기계적 특성(예를 들면, 비작업 스트로크(nonworking stroke) 및 단락(short circuit)의 지점(point))의 형태는 위상 회전수에 의해 결정된다.
직렬(in series)(공지의 조향휠 전기부스터에서 일어남)로 연결된 적은 위상회전수에서는, 선택을 할 때 회전수 변동의 큰 이산성(discretisation)으로 인해, 세부 사항들로부터 최적의 기계특성을 획득한다.
본 발명이 지향된 문제해결방안은, 기구 제작에 있고, 여기에는 외부의 방해 모멘트가 조향휠에 전달되는 것을 배제하고, 또한 전기모터 고정자 및 조향휠 부스터의 제조상의 기술적 효율을 전반적으로 향상하게 하며, 또한 유효한 품질향상이 포함되어 있다.
청구된 발명에 있어서, 본 발명의 기술적 성과는, 몸체부와; 몸체부에 위치되며, 소자를 감지하는 토크(torque) 센서의 형태로 구현되고 또한 그 다른 쪽 단부에 의해 조향휠 및 조향기구(steering mechanism)가 연결되는 토션바(torsion bar)의 보조로 상호연결(interconnect)되는 입력축(input shaft) 및 출력축(output shaft)과; n표시 극(n pronounced pole)들을 갖는 자기코어(magnet core)와, 하나의 영역이 하나의 극에 할당되는 식으로 6개의 동일한 교번위상영역(alternating phase area)에 위치되고 각 위상영역에서 하나의 위상에 복수개로 속하는 코일들로 형성된 3상권선(three-phase winding)으로 이루어지는 고정자(stator) 및, 영구자석의 형태로 구현되고 n-2극을 가지며 상기 출력축에 장착되는 회전자(rotor)로 이루어지는 전기모터와; 상기 전기모터의 고정자의 3상권선의 제어가능한 전원공급원(supplying source)과; 전기모터의 회전자위치센서와; 제어유닛;을 구비하며, 이 제어유닛의 입력측이, 토크센서 및 전기모터 회전자위치센서의 출력측에 연결되되, 그 출력측이 상기 전원공급원의 입력제어를 위해 연결되는 조향휠의 전자기계식 부스터로서, 본 발명에 따라, 위상영역에서 하나의 위상에 속하는 전기모터 고정자의 3상권선의 코일들이 병렬구조형태(parallel aiding configuration)로 연결되는 조향휠의 전자기계식 부스터(steering wheel electromechanical booster)의 발명을 통해 얻어진다.
위상영역에서의 코일의 병렬연결은 고정자 권선에 누전차단 경로(short-closed contour)를 형성함으로써, 인접코일에서의 기전력(electromotive force, EMF)은 위상이 변경된다. 차량 휠로부터 교란(disturbance)이 유입되면, 출력축에 위치되는 모터의 회전자는 이러한 교란을 해소하기 위해 작용하기 시작하며, 이로써, 전류가 권선의 경로상에 나타난다. 이러한 전류들로 인해 형성된 감쇠토크(damping torque)는 유입된 교란을 제거한다.
그러므로, 이러한 경로는 동기기(synchronous machine)에서의 감쇠 그리드(damping grid)와 유사한 것이다.
조향휠 부스터 몸체로서 전기모터의 자기코어를 사용함으로써 조향휠의 전자기계식 부스터의 제조시에 그 구조와 기술을 간략화할 수 있다.
출력축의 공동(hollow) 내 또는 입력축의 공동 내에 모멘트 토션센서의 위치결정에 의해 조향휠의 전자기계식 부스터의 치수를 줄일 수 있다.
코일의 병렬연결은 코일에서의 회전수 증가를 유도한다. 이것에 의해 그 회전수선택을 더 적절하게 실행할 수 있고 이로써 전자기 모멘트가 증가된다.
도 1은 본 발명의 조향휠의 전자기계식 부스터의 단면도이고,
도 2는 조향휠의 전자기계식 부스터에 사용되는 전기모터의 횡단면도이며,
도 3은 코일 극(coil pole)의 연결에 대한 개념도이다.
이하, 청구된 발명을 다음의 기재 및 도면을 통해 설명한다.
차량의 조향휠의 전자기계식 부스터는, 몸체(1), 모멘트센서(5)의 소자를 감지하여 조향휠에 걸린 모멘트를 측정하고, 이에 대응하는 출력신호를 형성하는 토션(torsion)(4)을 통해 서로 연결된 입력축(2) 및 출력축(3), 전기모터(6), 이 전기모터의 3상 고정자 권선에 전원을 공급하는 제어가능한 공급원(도시하지 않음), 상기 전기모터의 회전자위치센서(7) 그리고 제어유닛(도시하지 않음)을 포함한다.
제어유닛의 입력측은 모멘트센서(5)와 전기모터의 회전자위치센서(7)의 출력측에 연결되되, 그 출력측은 상기 전원공급원의 입력을 제어하도록 연결된다.
전기모터(6)는, 자기코어(8)를 갖고 조향휠 부스터의 출력축(3)에 장착되는 고정자로 이루어진다.
전기모터(6)는 3상 모터이다. 고정자(10)는 표시 극(11)들로 이루어지는데, 각 극 상에 하나씩 코일(12)이 위치된다.
회전자(9)는 다중 극(multi-pole) 회전자이고 또한 영구자석(13)으로부터 활성화되도록 이루어져 있다. 고정자 극(11)의 개수는 회전자 극의 개수와 2배로 상이하다.
회전자 위치센서(7)는 3개의 홀센서(HALL sensor)들로 이루어지는데, 120 el.정도 서로에 대해 이동되고 또한 영구자석(13)에 의해 형성되는 회전자(9)의 누설자속(leakage flux)들에 대해 회전자 각위치(angular position)를 고정한다.
시작점(A)(B)(C) 및 끝점(X)(Y)(Z)을 갖는 고정자(10)코일은 6개의 위상영역에 위치된다. 각 위상영역에는 다수의 코일이 있고, 그 코일들은 병렬구조형태로 연결되어 하나의 위상에 속하게 된다.
고정자 자기코어(8)는 조향휠 부스터의 몸체(몸체(1)와 동일한 것으로 간주된다)로 사용된다. 이것을 달성하기는 제작 구조상의 기술적 가능성에 달려있다.
모멘트센서(5)의 토션(4)은 출력축(3)의 공동(hollow) 안 또는 입력축(2)의 공동 안에 위치된다.
이러한 토션의 위치는 입력축과 출력축이, 토션의 감기각(wind-up angle)값과 동일한 백플레이(back play)를 하면서, 스플라인 결합(splined joint)을 실행할 수 있게 한다.
입력축에, 토션을 파괴할 수 있는 과도한 모멘트가 가해지는 경우에 안전성을 제공할 필요가 있다. 토션의 위치결정의 하나 또는 또하나의 변수에 대한 선택은 조향휠의 전자기계식 부스터의 구조적인 특색에 의해 결정된다.
본 발명에 의한 조향휠의 전자기계식 부스터는 다음과 같이 작동한다.
모멘트센서(5) 상에 신호가 발생하면 전기모터(6)의 제어유닛은 전원제어신호를 생성하는데, 이는 전기모터(6)의 권선에 보내어져 조향기구 상에서 요구된 보상 모멘트(compensating moment)를 생성한다. 아울러, 상기 권선(12)상의 신호값은 회전자위치센서(7)의 신호를 고려하여 형성된다.
신호셋팅에 따라 전기모터(6)의 제어유닛에서 사인파형(sinus form)의 전류가 형성되는데, 이 전류는 고정자(10)의 권선(12)을 통과하면서 전자기 모멘트를 생성하여, 조향휠 부스터의 입력축(3)에 바로 인가된다.
권선(12)에 위상영역에서 병렬구조형태인 코일연결을 적용함으르써 전기모터(6) 제조기술을 단순화할수 있고 아울러 더 자세한 위상회전수의 선택을 통해 전체적으로 전기모터(6) 및 조향휠 부스터의 하중 및 치수값을 개선할 수 있게 된다.
본 발명에서, 코일의 병렬연결 및 권선의 동일 전압으로의 연결에 있어서, 직렬로 연결하면 코일의 수나 회전이 증가하지만, 와이어 단면 영역은 줄어든다. 권선을 조향휠의 전자기계식 부스터의 모터에서 더 작은 단면에 장착하는 것은 기술적으로 더 고도한 것이다.
모터의 하중 및 치수값은 주어진 치수에서 전자기 모멘트(electromagnetic moment)의 값에 의해 결정된다. 모멘트 값은, 전류율(current rate)의 곱(product), 회전수 그리고, 에어갭(air gap)에서의 유도(induction)에 비례한다.
에어갭에서의 최대 유도치(induction value)를 선택함에 있어서, 그리고 차량에 장착된 전력라인으로부터 소모된 최대 전류율로 부여된 값에 있어서, 모멘트값의 증가는 위상에서의 최적 회전수의 선택을 통해서만 얻어진다. 그러나, 회전수의 증가는 권선의 역기전력(counter-electromotive force)의 증가를 초래하고 그럼으로써, 권선에서의 전류율과 모멘트의 감소를 초래한다.
기계적 특성의 비작업 스트로크(nonworking stroke)의 한 지점(point)은 또 한 변동되는데, 그 값은 인가된 전압값에 비례하고 코일의 회전수와 자기 유동(magnetic flow)에 대해 반비례한다.
위상영역에서 직렬로 연결된 코일을 갖는 전기모터는 코일에서 적은 회전수를 갖고, 그러나 그럼으로써 그 수는 3, 4, 5 등등 크게 이산화되어 변동된다.
예를 들면, 구조적인 측면에서, 기술적으로 권선을, 위상영역에서 직렬로 연결된 3개의 코일을 갖는 모터에서 5.3인 코일에서의 회전수로 제작하는 것은 불가능한데, 그러나, 3개의 코일을 병렬연결하고 동일한 전압하에서 코일에서의 회전수는 3배로 늘어나
Figure 112008018947382-PCT00001
만큼 얻어진다.
위상영역에서 병렬로 연결된 코일에서, 회전자(9)가 회전함에 따라 기전력이 유도되는데, 그 값에 대해 다양한 기전력이 있으며, 또한 이것이 권선(12)에서의 전류 균등화의 양상에 이르게 한다. 이러한 이유로 해서 통상적인 기계에서는 원칙적으로 이러한 연결이 사용되지 않는다. 그런데, 차량 조향휠의 전자기계식 부스터의 모터는 극저의 회전주파수(frequency of rotation)(초당 2회전까지)로 작동한다.
상술한 낮은 회전주파수에서 권선에 유도되는 기전력은 크지 않고 또한 정상상태에서 균등화전류는 적으며, 따라서 부가된 전압은 필수적으로, 고정자(10) 권선의 활성 저항(active resistance)일 때에 전압강하를 통해 균등화되어야 한다.
천이구간(transitional regime)에서는 휠부분 상의 회전자(9)축으로의 급격한 노출(exposure)의 경우에, 코일에서의 순간 기전력 값은 급격하게 증가하고, 그래서 이것이 위상영역의 코일에서의 중대한 전류 균등화의 양상에 이르게 되고, 반 작용 모멘트(counteractive moment)를 형성하여 휠의 부분에서 교란 제동(damping of disturbance)을 촉진한다.
따라서, 병렬구조형태에서 하나의 위상에 속하는 각 위상영역에서 전기모터(6)의 고정자(10)의 코일 연결은, 가장 유사한 기술로부터 본 발명을 유익하게 상이하게 하며, 따라서, 외부 교란 모멘트가 조향휠로 전이되는 것을 배재할 수 있고, 기본적으로 전반적인 전기모터의 고정자 제작 및 조향휠 부스터 제작시의 기술적인 효율을 개선함을 물론 유효한 질적 향상도 가능한다.
본 발명을 활용함으로써 차량 구동시의 안전과 편리함을 개선할 수 있다.
조향휠의 전자기계식 부스터의 견본품들이 제작되고 시험된 바 있다. 얻어진 결과에 따르면, 시제품과 대비한 바, 전기모터 코일에서의 회전수에 대한 더 적절한 선택이 가능해 짐으로써, 본 발명에 의한 조향휠의 전자기계식 부스터의 축 상에서의 최대 모멘트는 10% 향상되었다.

Claims (4)

  1. 몸체부(1)와; 몸체부에 위치되며, 소자를 감지하는 토크(torque)센서(5)의 형태로 구현되고 또한 그 다른 쪽 단부에 의해 조향휠 및 조향기구(steering mechanism)가 연결되는 토션바(torsion bar)(4)에 의해 상호연결(interconnect)되는 입력축(input shaft)(2) 및 출력축(output shaft)(3)과; n표시 극(n pronounced pole)(11)들을 갖는 자기코어(magnet core)(8)와, 하나의 영역이 하나의 극에 할당되는 식으로 6개의 동일한 교번위상영역(alternating phase area)에 위치되고 각 위상영역에서 하나의 위상에 복수개 속하는 코일(12)들로 형성된 3상권선(three-phase winding)으로 이루어지는 고정자(stator) 및, 영구자석(13)의 형태로 구현되고 n-2극을 가지며 상기 출력축에 장착되는 회전자(rotor)(9)로 이루어지는 전기모터와; 상기 전기모터의 고정자의 3상권선의 제어가능한 전원공급원(supplying source)과; 전기모터의 회전자위치센서(7)와; 제어유닛;을 구비하며, 이 제어유닛의 입력측이, 토크센서(5) 및 전기모터 회전자위치센서(7)의 출력측에 연결되되, 그 출력측이 상기 전원공급원의 입력제어를 위해 연결되는 구조로 된 조향휠의 전자기계식 부스터(steering wheel electromechanical booster)로서, 위상영역에서 하나의 위상에 속하는 전기모터(6) 고정자(10)의 3상권선(12)의 코일들이 병렬구조형태(parallel aiding configuration)로 연결되는 것을 특징으로 하는 조향휠의 전자기계식 부스터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기모터 고정자 자기코어(8)는 조향휠 부스터의 몸체(1)로 사용되는 것을 특징으로 하는 조향휠의 전자기계식 부스터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 모멘트(moment) 센서(5)의 토션(4)은 출력축의 공동(hollow) 내에 위치되는 것을 특징으로 하는 조향휠의 전자기계식 부스터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 모멘트 센서(5)의 토션(4)은 입력축의 공동 내에 위치되는 것을 특징으로 하는 조향휠의 전자기계식 부스터.
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