RU72928U1

RU72928U1 - ELECTROMECHANICAL POWER STEERING VEHICLE

Info

Publication number: RU72928U1
Application number: RU2007147979/22U
Authority: RU
Inventors: Александр Ананьевич Тойдеряков; Георг Васильевич Соловьев; Валерий Алексеевич Нестерин; Сергей Александрович Гусев
Original assignee: Закрытое акционерное общество "ЗЭиМ-Лайн"
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2008-05-10

Abstract

Предлагаемое решение относится к средствам управления автомобилем и может быть использовано для осуществления снижения усилия на руле. С целью повышения точности измерения крутящего момента, повышения, эксплуатационной надежности и качества работы электромеханического усилителя руля, в электромеханическом усилителе руля содержащем два соосных вала, датчик момента, выполненный в виде упругого элемента, связывающего валы, и измерителя угла скручивания упругого элемента, датчик положения ротора, бесконтактный электродвигатель, состоящий из магнитопровода статора с зубцами, сосредоточенной трехфазной обмотки с катушками, и магнитопровода ротора, имеющего трапециевидные пазы с постоянными магнитами и тонкие насыщающиеся перемычки, разделенные от выходного вала втулкой, блок управления электродвигателем, измеритель угла скручивания упругого элемента выполнен в виде входного и выходного вращающихся трансформаторов с неподвижными и вращающимися обмотками на каркасах, и электронного преобразователя, обмотки трансформаторов расположены в продольных пазах на внешних цилиндрических поверхностях электронепроводящих каркасов, катушки статора располагаются в в фазных зонах группами последовательно-согласно и одиночными. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.The proposed solution relates to vehicle controls and can be used to reduce steering wheel forces. In order to improve the accuracy of torque measurement, improve operational reliability and the quality of the electromechanical power steering, in the electromechanical power steering containing two coaxial shafts, a torque sensor made in the form of an elastic element connecting the shafts and a torsion angle meter of the elastic element, rotor position sensor , non-contact electric motor, consisting of a stator magnetic circuit with teeth, a concentrated three-phase winding with coils, and a rotor magnetic circuit having a trapezoid grooves with permanent magnets and thin saturable jumpers separated from the output shaft by a sleeve, an electric motor control unit, a torsion angle meter of the elastic element is made in the form of input and output rotating transformers with fixed and rotating windings on the frames, and an electronic converter, transformer windings are located in longitudinal grooves on the outer cylindrical surfaces of the electrically conductive frames, the stator coils are located in phase zones in series with to pulley and a single. 2 s.p. f-ly, 2 ill.

Description

Предлагаемое решение относится к средствам управления автомобилем и может быть использовано для осуществления снижения усилия на руле, в частности, при маневрах на малых скоростях и повороте колес на неподвижном автомобиле.The proposed solution relates to vehicle controls and can be used to reduce the steering force, in particular, when maneuvering at low speeds and turning the wheels on a stationary car.

Известен электромеханический усилитель руля автомобиля, содержащий датчик момента на руле, датчик скорости автомобиля, блок управления электродвигателем, соединенный с указанными датчиками, а также управляемый по сигналам от блока управления электродвигатель, связанный с выходным валом через редуктор (RU 2158692, В62D 5/04, 10.11.2000). Электродвигатель в этом устройстве является трехфазным, а магнитная система электродвигателя выполнена со взаимным скосом зубцов ротора и статора, причем скос и ширина коронки зубцов статора и ротора по воздушному зазору выбраны в определенных соотношениях от зубцового шага по ротору.Known electromechanical power steering of a car, comprising a torque sensor on the steering wheel, a vehicle speed sensor, an electric motor control unit connected to said sensors, and also an electric motor controlled by signals from the control unit and connected to the output shaft via a gearbox (RU 2158692, B62D 5/04, 10.11.2000). The electric motor in this device is three-phase, and the magnetic motor system is made with mutual beveling of the teeth of the rotor and stator, and the bevel and width of the crown of the teeth of the stator and rotor in the air gap are selected in certain proportions from the tooth step in the rotor.

Наличие в известном усилителе руля редуктора усложняет конструкцию и увеличивает массогабаритные показатели, а также снижает безопасность управления автомобилем из-за возможности заклинивания руля при отказе усилителя руля. Реактивный индукторный двигатель имеет пульсации электромагнитного момента на валу и обладает большими габаритами и весом.The presence in the known power steering gearbox complicates the design and increases overall dimensions, and also reduces the safety of driving due to the possibility of jamming of the steering wheel in case of failure of the power steering. A jet induction motor has pulsations of electromagnetic moment on the shaft and has large dimensions and weight.

Известен усилитель руля, содержащий корпус, расположенные в нем два соосных вала, входной и выходной, датчик момента, выполненный в виде торсиона и измерителя угла скручивания торсиона, датчик положения ротора, состоящий из трех датчиков Холла, закрепленных на подшипниковом щите и работающих от полей рассеяния магнитных полей ротора, электродвигатель, содержащий статор с магнитопроводом, имеющим n явно выраженных полюсов, и трехфазной обмоткой, выполненной с катушками, размещенными в шести равных чередующихся фазных зонах по одной катушке на полюс и по несколько катушек, принадлежащих одной фазе, в каждой фазной зоне, и ротор с n-2 полюсами, выполненными в виде постоянных магнитов, причем катушки трехфазной обмотки статора электродвигателя в фазных зонах, принадлежащих одной фазе, включены последовательно-согласно, управляемый источник питания трехфазной обмотки статора электродвигателя, блок управления, входы которого соединены с выходами датчика момента и датчика положения ротора электродвигателя, а выход подключен к управляющему входу упомянутого источника питания (RU 2181091, В62D 5/4, 10.04.2002).Known power steering, comprising a housing, located in it two coaxial shafts, input and output, a torque sensor made in the form of a torsion bar and a torsion angle meter, a rotor position sensor, consisting of three Hall sensors mounted on a bearing shield and working from scattering fields rotor magnetic fields, an electric motor containing a stator with a magnetic circuit having n distinct poles and a three-phase winding made with coils placed in six equal alternating phase zones of one coil f per pole and several coils belonging to one phase in each phase zone, and a rotor with n-2 poles made in the form of permanent magnets, and the coils of the three-phase stator winding of the electric motor in the phase zones belonging to one phase are connected in series according to a controlled power source of a three-phase winding of a stator of an electric motor, a control unit whose inputs are connected to the outputs of a torque sensor and a position sensor of a rotor of an electric motor, and the output is connected to a control input of said power source (RU 2181091, B62D 5/4, 04/10/2002).

Недостатком усилителя руля является относительно низкий электромагнитный момент и как следствие снижение качества работы электромеханического усилителя руля.The disadvantage of the power steering is the relatively low electromagnetic moment and, as a consequence, a decrease in the quality of the electromechanical power steering.

Наиболее близким к предложенному электромеханическому усилителю руля автомобиля является усилитель руля, содержащий корпус, расположенные в нем два соосных вала, входной и выходной, датчик момента, выполненный в виде упругой муфты, состоящей из двух, соединенных упругими элементами полумуфт с кольцевыми постоянными магнитами, датчик положения ротора в виде датчиков Холла, расположенных с внешней стороны цилиндрической поверхности кольцевых магнитов муфты, бесконтактный электродвигатель, состоящий из магнитопровода статора с зубцами с сосредоточенной многофазной обмоткой такой, что на каждом зубце статора располагается одна катушка одной фазы многофазной обмотки и магнитопровода ротора расположенного на выходном валу усилителя руля и жестко закрепленного через немагнитную втулку и имеющего трапециевидные пазы с постоянными магнитами, сужающимися к наружной цилиндрической поверхности ротора, образуя многополюсную магнитную систему с полюсами чередующейся полярности. С внутренней стороны магнитопровода ротора пазы имеют тонкие насыщающиеся перемычки, разделенные от выходного вала втулкой, блок управления электродвигателем (RU 65010, B62D 5/4, 27.07.2007).Closest to the proposed electromechanical power steering of a car is a power steering, comprising a housing, two coaxial shafts located therein, an input and an output, a torque sensor made in the form of an elastic coupling, consisting of two half-couplings with annular permanent magnets connected by elastic elements, a position sensor rotor in the form of Hall sensors located on the outer side of the cylindrical surface of the ring magnets of the coupling, a non-contact electric motor consisting of a stator magnetic circuit with teeth with a concentrated multiphase winding such that on each stator tooth there is one coil of one phase of the multiphase winding and rotor magnetic circuit located on the output shaft of the power steering and rigidly fixed through a non-magnetic sleeve and having trapezoidal grooves with permanent magnets tapering to the outer cylindrical surface of the rotor, forming a multipole magnetic system with poles of alternating polarity. On the inner side of the rotor magnetic circuit, the grooves have thin saturable jumpers separated from the output shaft by a sleeve, an electric motor control unit (RU 65010, B62D 5/4, 07/27/2007).

Недостатком усилителя руля, принятого за прототип, является относительно низкие точность измерения момента и устойчивость работы при возникновении вибрации на валу электродвигателя.The disadvantage of the power steering adopted for the prototype is the relatively low accuracy of measuring the moment and the stability of the work when vibration occurs on the shaft of the electric motor.

Технический результат предлагаемого решения - повышение точности измерения крутящего момента и создание устройства устойчивого к биениям, не зависящего от вибраций на валу электродвигателя, т.е. повышение эксплуатационной надежности и повышение качества работы электромеханического усилителя руля.The technical result of the proposed solution is to increase the accuracy of measuring torque and creating a device resistant to beats, not depending on vibrations on the motor shaft, i.e. improving operational reliability and improving the quality of the electromechanical power steering.

Указанный технический результат достигается тем, что в электромеханическом усилителе руля, содержащем корпус, расположенные в нем два соосных вала, входной и выходной, датчик момента, выполненный в виде упругого элемента, связывающего валы, и измерителя угла скручивания упругого элемента, датчик положения ротора, бесконтактный электродвигатель, состоящий из магнитопровода статора с зубцами, имеющим n явно выраженных полюсов, сосредоточенной трехфазной обмотки, выполненной с катушками, и магнитопровода ротора, расположенного на выходном валу усилителя руля и жестко закрепленного через немагнитную втулку, и имеющего трапециевидные пазы с постоянными магнитами, сужающимися к наружной The specified technical result is achieved by the fact that in the electromechanical power steering, comprising a housing, two coaxial shafts located therein, an input and an output, a torque sensor made in the form of an elastic element connecting the shafts and a torsion angle meter of the elastic element, a rotor position sensor, non-contact an electric motor consisting of a stator magnetic circuit with teeth having n distinct poles, a concentrated three-phase winding made with coils, and a rotor magnetic circuit located at the output m to the power steering shaft and rigidly fixed through a non-magnetic sleeve, and having trapezoidal grooves with permanent magnets, tapering to the outer

цилиндрической поверхности ротора, такие, что с внутренней стороны магнитопровода ротора имеют тонкие насыщающиеся перемычки, разделенные от выходного вала втулкой, блок управления электродвигателем, измеритель угла скручивания упругого элемента выполнен в виде входного и выходного вращающихся трансформаторов, каждый из которых состоит из статорных и роторных обмоток на электроизоляционных каркасах, и электронного преобразователя, катушки статора располагаются в трех фазных зонах и в каждой фазной зоне по четыре группы, где две группы из двух последовательно-согласно соединенных катушек и другие две группы из отдельно расположенных одиночных катушек, числа полюсов статора и ротора бесконтактного электродвигателя отличаются на четыре. Обмотки вращающихся трансформаторов расположены в продольных пазах на внешних цилиндрических поверхностях электроизоляционных каркасовthe cylindrical surface of the rotor, such that on the inside of the rotor magnetic circuit there are thin saturable jumpers separated from the output shaft by a sleeve, the motor control unit, the torsion angle meter of the elastic element is made in the form of input and output rotating transformers, each of which consists of stator and rotor windings on electrical insulating frames, and an electronic converter, the stator coils are located in three phase zones and in each phase zone there are four groups, where two groups Py of two sequentially-connected coils and the other two groups of separately located single coils, the number of poles of the stator and rotor of a contactless motor differ by four. The windings of rotating transformers are located in longitudinal grooves on the outer cylindrical surfaces of the insulating frames

В дальнейшем предлагаемое решение поясняется конкретным примером выполнения со ссылкой на чертежи, на которых показаны: фиг.1 - электромеханический усилитель руля в разрезе; фиг.2 - схема включения катушек полюсов.In the future, the proposed solution is illustrated by a specific example of execution with reference to the drawings, which show: FIG. 1 - sectional view of an electromechanical power steering; figure 2 is a diagram of the inclusion of coil poles.

Электромеханический усилитель руля автомобиля, содержит корпус 1, расположенные в нем два соосных вала, входной 2 и выходной 3, датчик момента 4, датчик положения ротора 5, бесконтактный электродвигатель 6 и блок управления 7 электродвигателем. Датчик момента 4 выполнен в виде упругого элемента 8, связывающего валы 2, 3, и измерителя угла скручивания упругого элемента, состоящего из входного 9 и выходного 10 вращающихся трансформаторов, электронного преобразователя 11 для питания обмоток входного вращающегося трансформатора 9 и обработки сигналов выходного вращающегося трансформатора 10, выполненной в виде печатной платы. Входной вращающийся трансформатор 9 состоит из статорных обмоток 12 на электроизоляционном каркасе 13, расположенном на корпусе 1 усилителя руля и роторных обмоток 14 на электроизоляционном каркасе 13, расположенном на упругом элементе 8 связанном с входным валом 2, причем все обмотки соосные и симметричные относительно общей оси. Выходной вращающийся трансформатор 10 состоит из статорных обмоток 15 на электроизоляционном каркасе 13, расположенном на корпусе усилителя руля и роторных обмоток 16 на электроизоляционном каркасе 13, расположенном на упругом элементе 3 связанной с выходным валом 3, причем все обмотки соосные и симметричные относительно общей оси. Обмотки вращающихся трансформаторов размещены в продольных пазах на внешних цилиндрических поверхностях электроизоляционных каркасов 13. Статорные обмотки 12, 15 входного 9 и выходного 10 вращающихся трансформаторов с каркасами 13 жестко соосно соединены друг с другом посредством печатной платы 11 и расположены по разные ее стороны.The electromechanical power steering of a car contains a housing 1, two coaxial shafts located therein, input 2 and output 3, a torque sensor 4, a rotor 5 position sensor, a non-contact electric motor 6 and an electric motor control unit 7. The torque sensor 4 is made in the form of an elastic element 8, connecting shafts 2, 3, and a torsion angle meter of an elastic element consisting of input 9 and output 10 of rotary transformers, an electronic converter 11 for powering the windings of the input rotating transformer 9 and processing the signals of the output rotating transformer 10 made in the form of a printed circuit board. The input rotary transformer 9 consists of stator windings 12 on an electrical insulating frame 13 located on the housing 1 of the power steering and rotor windings 14 on an electrical insulating frame 13 located on an elastic element 8 connected to the input shaft 2, and all windings are coaxial and symmetrical with respect to the common axis. The output rotary transformer 10 consists of stator windings 15 on an electrical insulating frame 13 located on the power steering housing and rotor windings 16 on an electrical insulating frame 13 located on an elastic element 3 connected to the output shaft 3, all windings being coaxial and symmetrical with respect to the common axis. The windings of rotating transformers are placed in longitudinal grooves on the outer cylindrical surfaces of the insulating frames 13. The stator windings 12, 15 of the input 9 and output 10 of the rotating transformers with frames 13 are rigidly coaxially connected to each other by means of a printed circuit board 11 and are located on its different sides.

Электронный преобразователь 11 выполняет функции питания обмоток входного вращающегося трансформатора «sin-cos» напряжением и обработки сигналов выходного вращающегося трансформатора с целью получения информации о вращающем моменте. Каркасы 13 с роторными 14, 16 обмотками входного 9 и выходного 10 вращающихся трансформаторов расположены концентрически внутри каркасов 13 с статорными обмотками 12, 15 на упругом элементе 8, связанном соответственно с входным 2 и выходным 3 валами.The electronic Converter 11 performs the functions of powering the windings of the input rotary transformer sin-cos voltage and processing the signals of the output rotary transformer in order to obtain information about the torque. Frames 13 with rotor 14, 16 windings of input 9 and output 10 of rotary transformers are concentrically inside the frames 13 with stator windings 12, 15 on an elastic element 8 connected respectively to input 2 and output 3 shafts.

Бесконтактный электродвигатель 6, состоит из магнитопровода статора 17 с зубцами, имеющим n явно выраженных полюсов, сосредоточенной трехфазной обмотки 18, выполненной с катушками и на каждом зубце статора располагается одна катушка, и магнитопровода ротора 19, расположенного на выходном валу 3 усилителя руля, жестко закрепленного через немагнитную втулку и имеющего трапециевидные пазы с постоянными магнитами 20, сужающимися к наружной цилиндрической поверхности ротора, образуя многополюсную магнитную систему с полюсами чередующейся полярности. С внутренней стороны магнитопровода ротора 19 пазы имеют тонкие насыщающиеся перемычки, разделенные от выходного вала 3 втулкой из немагнитного материала для уменьшения потоков рассеивания магнитного поля, созданного постоянными магнитами 20.The non-contact electric motor 6 consists of a stator magnetic circuit 17 with teeth having n distinct poles, a concentrated three-phase winding 18 made with coils and one coil is located on each stator tooth, and a rotor magnetic circuit 19 located on the output shaft 3 of the power steering, rigidly fixed through a non-magnetic sleeve and having a trapezoidal grooves with permanent magnets 20, tapering to the outer cylindrical surface of the rotor, forming a multi-pole magnetic system with poles of an alternating field Nost. On the inner side of the rotor magnetic circuit 19, the grooves have thin saturable jumpers separated from the output shaft 3 by a sleeve of non-magnetic material to reduce the fluxes of the magnetic field created by the permanent magnets 20.

Число полюсов статора отличается от числа полюсов ротора на четыре.The number of stator poles differs from the number of rotor poles by four.

Катушки статора (фиг.2) располагаются в трех фазных зонах и в каждой фазной зоне по четыре группы, где две группы из двух последовательно-согласно соединенных катушек и другие две группы из отдельно расположенных одиночных катушек.The stator coils (figure 2) are located in three phase zones and in each phase zone there are four groups, where two groups of two coils connected in series according to each other and the other two groups of separately located single coils.

Предлагаемый электродвигатель для электромеханического усилителя руля работает следующим образом.The proposed motor for an electromechanical power steering works as follows.

При возникновении момента на входном валу 2 упругий элемент 8 скручивается на угол, пропорциональный величине момента и роторные обмотки 16 выходного вращающегося трансформатора 10 смещаются в пределах упругой деформации упругого элемента 8. Этот угол является заданием на систему управления двигателем. На выходе статорных обмоток 15 выходного вращающегося трансформатора 10 появляются «sin-cos» напряжения, сдвинутые по фазе относительно «sin-cos» напряжений статорных обмоток 12 входного вращающегося трансформатора 9. При превышении заданного минимального момента на входном валу 2, блок управления 7 электродвигателем вырабатывает силовой управляющий сигнал, приложенный к обмоткам бесконтактного электродвигателя 6, для создания на рулевом механизме требуемого компенсирующего момента. В блоке управления 7 электродвигателем в соответствии с сигналом задания формируется ток When a moment occurs on the input shaft 2, the elastic element 8 is twisted by an angle proportional to the moment and the rotor windings 16 of the output rotary transformer 10 are shifted within the elastic deformation of the elastic element 8. This angle is the task for the engine control system. At the output of the stator windings 15 of the output rotary transformer 10, “sin-cos” voltages appear, which are out-of-phase relative to the “sin-cos” voltages of the stator windings 12 of the input rotary transformer 9. When the specified minimum torque on the input shaft 2 is exceeded, the motor control unit 7 generates a power control signal applied to the windings of the contactless motor 6 to create the required compensating moment on the steering mechanism. In the control unit 7 of the electric motor in accordance with the reference signal, a current is generated

синусоидальной формы, который, протекая по фазам обмотки 18 статора, взаимодействует с постоянными магнитами 20, расположенными в трапециевидных пазах ротора, создает электромагнитный момент, приложенный непосредственно к выходному валу 3 усилителя руля.sinusoidal shape, which, flowing through the phases of the stator winding 18, interacts with permanent magnets 20 located in the trapezoidal grooves of the rotor, creates an electromagnetic moment applied directly to the output shaft 3 of the power steering.

Применение зубцовой обмотки с включением катушек в фазных зонах группами последовательно-согласно и одиночными, а также выбор определенного соотношения между числами полюсов статора и ротора позволили повысить электромагнитный момент двигателя. Также, использование в конструкции датчика момента вращающихся трансформаторов позволило повысить точность измерения крутящего момента и создать устройство устойчивое к биениям, не зависящее от вибраций на валу электродвигателя, т.е. повысить эксплуатационную надежность и повысить качество работы электромеханического усилителя руля в целом.The use of a tooth winding with the inclusion of coils in phase zones in groups according to single and sequentially, as well as the choice of a certain ratio between the numbers of poles of the stator and rotor made it possible to increase the electromagnetic moment of the motor. Also, the use of rotating transformers in the torque sensor design made it possible to increase the accuracy of torque measurement and create a beating-resistant device that does not depend on vibrations on the motor shaft, i.e. to increase operational reliability and improve the quality of the electromechanical power steering as a whole.

Проведенные испытания показали применимость на автомобилях заявляемого устройства в модификациях электромеханического усилителя рулевого управления, таких как «ЭМУР-24», «ЭМУР-30», «ЭМУР-35».The tests showed the applicability of the inventive device in the modifications of the electromechanical power steering, such as "EMUR-24", "EMUR-30", "EMUR-35".

Claims

1. Electromechanical power steering, comprising a housing, two coaxial shafts located therein, an input and an output, a torque sensor made in the form of an elastic element connecting the input and output shafts, and a torsion angle meter of the elastic element, a rotor position sensor, a non-contact electric motor, consisting from a stator magnetic circuit with teeth having n distinct poles, a concentrated three-phase winding made with coils, and a rotor magnetic circuit located on the output shaft of the power steering and replicated through a non-magnetic sleeve, and having trapezoidal grooves with permanent magnets tapering to the outer cylindrical surface of the rotor, such that on the inside of the rotor magnetic circuit there are thin saturable jumpers separated from the output shaft by a sleeve, an electric motor control unit, characterized in that the torsion angle meter The elastic element is made in the form of input and output rotating transformers, each of which consists of stator and rotor windings on an insulating frame sah, and an electronic converter, the stator coils are located in three phase zones and in each phase zone there are four groups, where two groups of two coils are connected in series, according to the connected coils and the other two groups of separately located single coils.

2. The electromechanical power steering according to claim 1, characterized in that the windings of the rotating transformers are located in longitudinal grooves on the outer cylindrical surfaces of the insulating frames.

3. The electromechanical power steering according to claim 1, characterized in that the number of poles of the stator and rotor of the contactless motor differ by four.