Электромеханический усилитель руля автомобиля и электродвигатель для усилителя руля

Группа изобретений относится к средствам управления автомобилем и может быть использована для осуществления снижения усилия на руле. Статор электродвигателя выполнен с магнитопроводом, имеющим n явно выраженных полюсов, а ротор - с n-2 полюсами в виде постоянных магнитов. Трехфазная обмотка статора выполнена 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. Катушки обмотки в фазных зонах, принадлежащих одной фазе, включены параллельно - согласно. В корпусе усилителя руля расположены входной и выходной валы, соединенные между собой посредством торсиона, являющегося чувствительным элементом датчика момента, и связанные другими концами соответственно с рулем и рулевым механизмом. На выходном валу установлен ротор электродвигателя. Предусмотрены управляемый источник питания обмотки статора, датчик положения ротора и блок управления. Входы последнего соединены с выходами датчика момента и датчика положения ротора, а выход подключен к управляющему входу упомянутого источника питания. Группа изобретений позволяет повысить технологичность изготовления электродвигателя и усилителя руля в целом и улучшить их потребительские свойства. В результате имеет место повышение безопасности и комфортности управления автомобилем. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Группа изобретений относится к средствам управления автомобилем и может быть использована для осуществления снижения усилия на руле, в частности, при маневрах на малых скоростях и повороте колес на неподвижном автомобиле.

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, В 62 D 5/04, 10.11.2000). Электродвигатель в этом устройстве является трехфазным с числом зубцов на статоре - 12, на роторе - 8, 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.

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.

Наиболее близким к предложенному электромеханическому усилителю руля автомобиля является усилитель руля, содержащий корпус, в котором расположены входной и выходной валы, соединенные между собой посредством торсиона, являющегося чувствительным элементом датчика момента, и связанные другими концами соответственно с рулем и рулевым механизмом, электродвигатель, ротор которого установлен на выходном валу, управляемый источник питания трехфазной обмотки статора электродвигателя, датчик положения ротора электродвигателя и 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, В 62 D 5/4, 10.04.2002).

Наиболее близким к предложенному электродвигателю является 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 (RU 2181091, В 62 D 5/04, 10.04.2002).

Недостатки известных усилителя руля и электродвигателя проявляются:

- в слабом внутреннем демпфировании из-за отсутствия демпферных контуров на роторе и на статоре электродвигателя, что может привести к передаче возмущающего момента на руль при резких воздействиях со стороны дороги на колеса;

- в низкой технологичности изготовления статорной обмотки электродвигателя и сложности получения оптимальной механической характеристики.

Данные недостатки обусловлены тем, что при низких частотах питания и при низких напряжениях статорная обмотка электродвигателя имеет малое число витков и большое сечение, что затрудняет ее укладку в пазы. Электродвигатель для высокомоментного безредукторного электромеханического усилителя руля должен проектироваться с получением максимального момента в заданных габаритах с максимальными электромагнитными нагрузками. При заданных габаритах электродвигателя и магнитном потоке вид механической характеристики (точки холостого хода и короткого замыкания) определяется числом витков фазы. При малом числе последовательно включенных витков фазы (что имеет место в известном электродвигателе известного электроусилителя руля) возникают сложности в получении оптимальной механической характеристики из-за большой дискретности изменения числа витков при их подборе.

Задача заявленной группы изобретений заключается в исключении передачи на руль постороннего возмущающего момента, а также в повышении технологичности изготовления электродвигателя и усилителя руля в целом и улучшении их потребительских свойств.

Техническим результатом является повышение безопасности и комфортности управления автомобилем.

Поставленная задача решается тем, что в электродвигателе, содержащем 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, катушки трехфазной обмотки статора электродвигателя в фазных зонах, принадлежащих одной фазе, включены параллельно-согласно.

Поставленная задача решается также тем, что в электромеханическом усилителе руля автомобиля, содержащем корпус, в котором расположены входной и выходной валы, соединенные между собой посредством торсиона, являющегося чувствительным элементом датчика момента, и связанные другими концами соответственно с рулем и рулевым механизмом, электродвигатель, ротор которого установлен на выходном валу, управляемый источник питания трехфазной обмотки статора электродвигателя, датчик положения ротора электродвигателя и блок управления, входы которого соединены с выходами датчика момента и датчика положения ротора электродвигателя, а выход подключен к управляющему входу упомянутого источника питания, электродвигатель выполнен с указанными выше признаками.

В дальнейшем группа изобретений поясняется конкретным примером выполнения со ссылкой на чертежи, на которых показаны:

Фиг.1 - предложенный электромеханический усилитель руля, в разрезе;

Фиг.2 - поперечное сечение предложенного электродвигателя;

Фиг.3 - схема включения катушек полюсов.

В состав электромеханического усилителя руля автомобиля входят корпус 1 (фиг.1), входной 2 и выходной 3 валы, соединенные между собой посредством торсиона 4, который является чувствительным элементом датчика 5 момента, измеряющего приложенный к рулю момент и формирующего соответствующие выходные сигналы. Имеются также электродвигатель 6, ротор которого установлен на выходном валу 3, управляемый источник питания трехфазной обмотки статора электродвигателя (на фиг.1 не показан), датчик 7 положения ротора электродвигателя и блок управления (на фиг.1 не показан). Входы блока управления соединены с выходами датчика 5 момента и датчика 7 положения ротора электродвигателя 6, а выход подключен к управляющему входу упомянутого источника питания.

Электродвигатель 6 состоит из статора с магнитопроводом 8 и ротора 9 (фиг.2), установленного, как уже указывалось, на выходном валу 3 усилителя руля.

Электродвигатель 6 является трехфазным. Статор 10 выполнен с явно выраженными полюсами 11, на которых расположены катушки 12 по одной на полюс. Ротор 9 выполнен многополюсным с возбуждением от постоянных магнитов 13. Число полюсов статора 11 отличаются от числа полюсов ротора на два.

Датчик положения ротора 7 состоит из 3-х датчиков Холла, смещенных друг относительно друга на 120 эл. градусов и фиксирующих угловое положение ротора по магнитным потокам рассеяния ротора 9, созданных постоянными магнитами 13.

Катушки статора 10, имеющие начала А, В и С и концы X, Y и Z (фиг.3) размещены в шести фазных зонах. В каждой фазной зоне располагаются несколько включенных параллельно - согласно катушек, принадлежащих одной фазе.

Магнитопровод статора 8 является корпусом (совмещен с корпусом 1) усилителя руля.

Торсион 4 датчика 5 момента может быть расположен внутри полого выходного вала 3 или полого входного вала 2.

Предложенный электромеханический усилитель руля и его электродвигатель 6 работают следующим образом.

При появлении сигнала на датчике 5 момента блок управления электродвигателем 6 вырабатывает силовой управляющий сигнал, приложенный к обмоткам электродвигателя 6, для создания на рулевом механизме требуемого компенсирующего момента. При этом величина сигнала на обмотке 12 формируется с учетом сигналов датчика 7 положения ротора. В блоке управления электродвигателем 6 в соответствии с сигналом задания формируется ток синусоидальной формы, который, протекая по обмоткам 12 статора 10, создает электромагнитный момент, приложенный непосредственно к выходному валу 3 усилителя руля.

Применение зубцовой обмотки 12 с включением катушек в фазной зоне параллельно - согласно позволяет упростить конструкцию электродвигателя 6, а также улучшить массогабаритные показатели электродвигателя 6 и усилителя руля в целом за счет более точного подбора числа витков фазы. Например, выполнить обмотку с числом витков в катушке, равном 5,3 в двигателе с тремя последовательно включенными катушками в фазной зоне, в принципе невозможно, а при их параллельном включении можно выполнить число витков в катушке, равное 16, что эквивалентно 5,3 при последовательном включении.

В параллельно включенных катушках в фазной зоне при вращении ротора 9 наводятся разные по величине электродвижущие силы, что приводит к появлению уравнительного тока в обмотке 12. По этой причине в обычных машинах такое включение в принципе не применяется. Двигатель же электромеханического усилителя руля работает при весьма низких частотах вращения (до 2 об/с). На указанных низких частотах вращения наводимая в обмотках ЭДС невелика, а уравнительный ток в номинальных режимах мал, поскольку приложенное напряжение в основном уравновешивается падением напряжения на активном сопротивлении обмотки 12 статора 10. В переходных режимах при резких воздействиях со стороны колес на вал ротора 9 мгновенные значения ЭДС в катушках резко возрастают, что приводит к появлению значительных уравнительных токов в катушках фазных зон, которые создают противодействующие моменты, способствующие гашению возмущений со стороны колес.

Таким образом, подключение катушек статора 10 электродвигателя 6 в каждой фазной зоне, принадлежащей одной фазе, параллельно - согласно выгодно отличает данную группу изобретений от наиболее близких аналогов, так как позволяет исключить передачу на руль постороннего возмущающего момента, существенно повысить технологичность изготовления электродвигателя и усилителя руля в целом и улучшить их потребительские свойства. В конечном счете с применением данной группы изобретений имеет место повышение безопасности и комфортности управления автомобилем.

1. 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, отличающийся тем, что катушки трехфазной обмотки статора электродвигателя в фазных зонах, принадлежащих одной фазе, включены параллельно-согласно.

2. Электромеханический усилитель руля автомобиля, содержащий корпус, в котором расположены входной и выходной валы, соединенные между собой посредством торсиона, являющегося чувствительным элементом датчика момента, и связанные другими концами соответственно с рулем и рулевым механизмом, электродвигатель, ротор которого установлен на выходном валу, управляемый источник питания трехфазной обмотки статора электродвигателя, датчик положения ротора электродвигателя и блок управления, входы которого соединены с выходами датчика момента и датчика положения ротора электродвигателя, а выход подключен к управляющему входу упомянутого источника питания, отличающийся тем, что электродвигатель выполнен по по п.1 формулы.

3. Электромеханический усилитель руля автомобиля по п.2, в котором магнитопровод статора электродвигателя является корпусом усилителя руля.

4. Электромеханический усилитель руля автомобиля по п.2 или 3, в котором торсион датчика момента расположен внутри полого выходного вала.

5. Электромеханический усилитель руля автомобиля по п.2 или 3, в котором торсион датчика момента расположен внутри полого входного вала.