電動機及使用該電動機的轉向系統的製作方法
2023-10-18 03:55:44
專利名稱：電動機及使用該電動機的轉向系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電動機，以及使用該電動機的、通常用於機動車輛內的一種轉向系統。
背景技術：
近年來的轉向系統，已發展出一種所謂「線轉向(steer-by-wire)系統」，它是這樣一種類型，即，與機動車輛的轉向機構機械分離的可轉向輪子的角方位是由與轉向機構的轉向角度相關的致動器所控制。
如未審查但已公開的日本第2002-37112號專利申請所描述的，在此類型的轉向系統中，有一種具有兩個致動器，其構造成可提供失效保護(fail-safe)能力，以應付致動器發生的不正常狀況。
但是，前述已有轉向系統有這樣的問題，即設置兩個致動器會不必要地增加製造成本，且轉向系統的整體構造變大。
發明內容
因此，本發明的主要目的在於提供一種改進的電動機，以及具有失效保護能力、能降低成本和減小尺寸的一種轉向系統。
簡言之，本發明提供一種電動機，它包括一轉子，可相對其一軸線而轉動；一定子，其內同軸地容納該轉子，並具有多個齒，這些齒沿圓周方向配置於該定子的一內表面上，且徑向朝內突出；以及，供兩系統用的繞組，其分別卷繞在這些齒的周圍，且由供該兩系統用的多向交流電流激勵。這些繞組包括用於該兩系統中的每一系統內的每一相的、且極性相反的一正磁極繞組和一負磁極繞組。該電動機還包括位置傳感器裝置，用於檢測該轉子相對於該定子的旋轉位置，藉此，依據來自位置傳感器裝置的檢測信號，通過改變激勵電流的相而旋轉驅動該轉子，該激勵電流施加於該兩系統中的每一系統內的每一相的繞組。
在前述結構的電動機中，通常藉由激勵兩系統的繞組而轉動轉子。但若系統其中任一系統遭遇麻煩時，則能以僅激勵另一系統的繞組而轉動轉子。因此，能防止電動機在兩系統中任一系統發生問題的同時停止，所以能通過使用單個電動機來實現失效保護能力。再者，相較於使用兩臺電動機的已有技術的構造，本發明的結構能減少所用零件的數目，因此能降低成本和縮小尺寸。
結合附圖參閱本發明的優選實施例，將可了解本發明的前述和其它目的及許多伴隨的優點。各附圖中類似的標號表示相同或對應的零件，其中圖1是本發明第一實施例的電動機的剖視圖；圖2是一方框圖，表示本發明第二實施例的轉向系統的結構；圖3是結合入本發明第二實施例的轉向系統中的電動機的剖視圖；及圖4是電動機的一種變化型式的剖視圖。
具體實施例方式
(第一實施例)以下將參考圖1描述本發明第一實施例的一種電動機。圖1表示一種三相交流無刷電動機(以下簡稱為電動機)10，作為本發明電動機的一個例子。設於電動機10內的一轉子51，其圓周表面上固定地設置多個永久磁鐵52。這些永久磁鐵52以例如14極配置，其中N極和S極在14個角位置交錯配置，並將轉子51的圓周分割成規則間隔。
設於電動機10內的一定子11，在其內表面上沿圓周方向設置多個(例如12個)徑向朝內突出的齒12。電線同心地卷繞在每一齒12的周圍，以使繞組20U-20W、20u-20w、30U-30W、和30u-30w一一地設置於齒12上。
這些繞組是由第一系統內的繞組20U-20W、20u-20w和第二系統內的繞組30U-30W、30u-30w所組成，其中繞組20U-20W、20u-20w是由一第一三相交流電源(未示)所激勵，繞組30U-30W、30u-30w是由一第二三相交流電源(未示)所激勵。該兩系統中的每一系統的每一相的繞組配對成正磁極繞組和負磁極繞組(例如20V和20v)，所以該電動機10總共設有例如12組繞組。對應於此，在各角位置分別設有12個齒，其將定子11的圓周分割成規則間隔。再者，如圖1所示，定子11的圓周區域被平分成兩區域S1和S2，且第一系統的正磁極繞組20U-20W和第一系統的負磁極繞組20u-20w分別卷繞在其中一區域S1的六個齒12周圍，而第二系統的正磁極繞組30U-30W和第二系統的負磁極繞組30u-30w分別卷繞在另一區域S2的另六個齒12周圍。
更具體地說，如圖1所示，在第一系統中，V相位的負磁極繞組20v和正磁極繞組20V、U相位的正磁極繞組20U和負磁極繞組20u、及W相位的負磁極繞組20w和正磁極繞組20W，是從區域S1內最左邊的齒12依順時鐘方向的順序配置。另一方面，在第二系統中，V相位的正磁極繞組30V和負磁極繞組30v、U相位的負磁極繞組30u和正磁極繞組30U、及W相位的正磁極繞組30W和負磁極繞組30w，是從另一區域S2內最右邊的齒12依順時鐘方向的順序配置。依此方式，在本實施例中，每一系統的每一相的正磁極繞組和負磁極繞組(例如20U和20u)是纏繞在彼此相鄰的兩齒12、12周圍。再者，三相中的每一相的負磁極繞組和正磁極繞組(例如20u和20U)是設置成卷繞方向相反，且相互串聯連接。因此，每一相的負磁繞組和正磁極繞組具有彼此相反的極性。
定子11固定有一位置傳感器50，用以檢測轉子51的旋轉位置。位置傳感器50例如由一光學元件構成，且配置成面對可與轉子51一體旋轉的一旋轉縫隙盤(未示)。更具體地說，位置傳感器50設置於對稱地分割齒12、12的一條線(圖1中L2表示)上，所述齒12、12分別被第一系統中U相的正磁極繞組20U和負磁極繞組20u卷繞。再者，旋轉縫隙盤上形成多個縫隙，當轉子旋轉時，對橫過位置傳感器50的縫隙的數目進行計數。當旋轉縫隙盤上的一基準點面對位置傳感器50時，該位置便被設定為轉子51的原點，而轉子51的旋轉角度是指所檢測到距離原點的旋轉角度。
下面將描述上述構造的實施例的操作。本實施例中的電動機10通常能以激勵兩系統中的繞組20U-20W、20u-20w、30U-30W、和30u-30w而轉動轉子51，但當兩系統其中任一系統發生異常狀況時，則能以激勵另一系統的繞組，例如20U-20W、20u-20w(或30U-30W、30u-30w)而轉動轉子51。因此，該電動機10能防止在兩系統中任一系統不正常的同時停止，所以能以單個電動機10實現失效保護能力。相較於前述具有兩臺電動機的已有技術的構造，本實施例的構造減少所用零件的數目，因此能降低成本和縮小尺寸。
此外，每一系統的每一相的正磁極繞組和負磁極繞組分別纏繞在相鄰的兩個彼此相鄰的齒12、12周圍，因此，在轉子51由激勵兩系統的全部繞組20U-20W、20u-20w、30U-30W和30u-30w而轉動的情況下，或在轉子51由激勵任一系統的繞組、例如20U-20W、20u-20w(或30U-30W、30u-30w)而轉動的情況下，相鄰繞組被當作極性相反的一組而激勵，因而轉子51不會改變其相對於位置傳感器50的旋轉位置。結果，當由激勵兩系統的全部繞組20U-20W、20u-20w、30U-30W和30u-30w而轉動轉子，轉換至由激勵任一系統的繞組、例如20U-20W、20u-20w(或30U-30W、30u-30w)而轉動轉子時會產生的轉矩脈動，就可被抑制，所以電動機10能平順地驅動。
(第二實施例)其次，將參考圖2、3描述本發明的第二實施例，圖2表示本發明一轉向系統60的整體結構。該轉向系統60是一種所謂「線轉向系統」，其中，一轉向機構31與可轉向的輪子40、40在機械上相分離。本發明的電動機42裝入轉向系統60內，以使可轉向輪子40、40轉向。下文將只描述與前述第一實施例不同的結構，與第一實施例結構相同的第二實施例的構件由相同的標號表示，以避免對其重複描述。
本實施例的轉向系統60的轉向機構31固定於轉向軸32的一端，該轉向軸32可旋轉地支承於一反作用致動器33內，使得當轉動轉向機構31時，就產生反作用力。來自軸向力傳感器35和車速傳感器36的檢測信號輸入到用以控制反作用致動器33所產生的反作用力的一反作用電子控制單元(ECU)。軸向力傳感器35檢測作用在聯杆41上的軸向力，該聯杆41延伸於可轉向輪子40之間。作用在聯杆41上的軸向力依據機動車輛所行經的路面狀態而改變。因此，反作用電子控制單元34將一依軸向力傳感器35的檢測信號而變的一控制信號輸出至驅動電路33K，所以可依路面狀態而給予轉向機構31一反作用力。再者，反作用電子控制單元34將依車速傳感器36的檢測信號而變的控制信號輸出至驅動電路33K，所以轉向系統31被控制成在高速行進時較重，在低速行進時較輕。
在反作用致動器33和轉向軸32之間，附接有一轉向角度傳感器37，以檢測轉向機構31的轉向角度。還設有一轉向電子控制單元45，來自轉向角度傳感器37的檢測信號輸入該轉向電子控制單元45。轉向電子控制單元45依轉向機構31的轉向角度而驅動電動機42，使可轉向輪子40、40被轉向到一個與轉向機構31的轉向角度對應的角方位。
另一方面，電動機42的定子11被固定地裝配於環繞聯杆41的圓筒狀殼體43(示於圖2)內部。如圖3所示，電動機42的轉子44呈圓筒狀，聯杆41通過轉子44的中心。聯杆41的由圓筒狀殼體43所環繞的部分和轉子44之間，設置一滾珠螺杆機構(未示)，用以將轉子44的轉動轉換成聯杆41對應的軸向運動。因此，藉由電動機42的運轉來改變可轉向輪子40、40的方向。
如上所述，利用本實施例的轉向系統60，因為與機動車輛的轉向機構31機械上分離的可轉向輪子40、40的角方位是由本發明的電動機42控制定位，所以能實現失效保護能力，且能降低轉向系統的成本並縮小尺寸。
(其它實施例或變型)本發明並不限於前述實施例，而是包含以下例示的屬於本發明範圍內的其它實施例和變型。而且，本發明可做不脫離其主旨的各種變化而實施。
(1)雖然在前述第一和第二實施例中，第一系統的繞組20U-20W、20u-20w和第二系統的繞組30U-30W、30u-30w被分類並分別設置於由定子11圓周區域被平分而成的區域S1和S2內，但第一和第二系統的每一系統內的這些繞組也可以分散設置在兩個區域S1和S2內。更具體地說，如圖4所示，以位置傳感器50作為基準，這些繞組可依順時鐘方向按下列順序配置第一系統中的U相的負磁極繞組20u，第二系統的w相的負磁極繞組30w和正磁極繞組30W，第一系統的V相的正磁極繞組20V和負磁極繞組20v，第二系統的U相的負磁極繞組30u和正磁極繞組30U，第一系統的W相的正磁極繞組20W和負磁極繞組20w，第二系統的V相的負磁極繞組30v和正磁極繞組30V，以及第一系統的U相的正磁極繞組20U。
(2)雖然前述第一和第二實施例中的每一電動機10、42都設有一位置傳感器50，但亦可設置兩個位置傳感器。在此變型的情況下，可以提供一種配置，即當任一位置傳感器遭遇問題時，每一系統內的繞組依據來自另一位置傳感器的信號而受激勵。此種配置可於發生該種問題時，避免電動機10或42同時停止。
前述實施例的各種特徵和許多可獲致的優點概括如下在圖1所示的第一實施例的電動機10中，通常藉由激勵兩系統的繞組20U-20W、20u-20w、30U-30W和30u-30w而轉動轉子51。但若兩系統其中任一系統發生問題時，則能以僅激勵另一系統的繞組20U-20W、20u-20w(或30U-30W、30u-30w)而轉動轉子51。因此，該電動機能防止電動機在其中任一系統發生問題的同時停止，所以能以單個電動機10實現失效保護能力。再者，相較於使用兩臺電動機的已有技術的構造，第一實施例的構造能減少所用零件的數目，因此能降低成本和縮小尺寸。分別示於圖3和4的第二實施例和其它實施例中的電動機42和10，也都能獲得與第一實施例大致相同的功效和優點。
另外，在圖1所示的第一實施例的電動機10中，兩系統中任一系統的每一相(例如U相)的正磁極繞組(例如20U)和負磁極繞組(例如20u)，分別纏繞在設於定子11上的多個齒12中的相鄰兩齒12、12周圍。因此，在轉子51由激勵兩系統的全部繞組20U-20W、20u-20w、30U-30W和30u-30w而轉動的情況下，或在轉子51由激勵任一系統的繞組、例如20U-20W、20u-20w(或30U-30W、30u-30w)而轉動的情況下，相鄰繞組作為一組且磁性吸引轉子51，藉此轉動該轉子。在兩情況中的任一情況，位置傳感器50能精確地檢測轉子51相對於這些繞組的位置。結果，當由激勵兩系統的全部繞組20U-20W、20u-20w、30U-30W和30u-30w而轉動轉子，轉換至由只激勵任一系統的繞組、例如20U-20W、20u-20w(或30U-30W、30u-30w)而轉動轉子時會產生的轉矩脈動，就可被抑制，使得電動機10能平順地驅動。
在作為另一實施例或變型而描述的電動機10中，設有兩個位置傳感器。因此，若任一位置傳感器遭遇問題時，基於來自另一位置傳感器的檢測信號，能檢測出轉子51的旋轉位置，因而能防止電動機10在其中一個位置傳感器發生問題的同時停止。
在範示於圖2的轉向系統60中，可轉向輪子40、40與機動車輛的轉向機構31在機械上相分離，可轉向輪子40、40的角方位是由上述結構的電動機42控制。所以，能以較低的成本和可靠的方式實現轉向系統的失效保護能力。
尤其是，在圖1或3所示的電動機10或42中，即使兩系統中的任一系統碰到問題，電動機10或42仍以另一系統內的受激勵的繞組20U-20W、20u-20w(或30U-30W、30u-30w)而繼續運轉。因為每一系統的繞組20U-20W、20u-20w(或30U-30W、30u-30w)被配置在定子11整個圓周區域被平分而成的半圓周區域S1或S2內，所以只被其中任一系統的繞組所操作的電動機10或42，其運轉可通過電動機10或42所產生的輸出轉矩的改變、經由反作用致動器33而反映到轉向感覺上的變化。因此，駕駛員可感覺到兩系統其中之一的失效，而知道需要修理。
顯然，基於以上教示，本發明還有很多可能的修改和變化，因此應理解，在所附權利要求書的範圍內，本發明可以此處所具體描述者以外的方式實施。
權利要求
1.一種電動機，包括一轉子，可相對其一軸線而轉動；一定子，其內同軸地容納所述轉子，並具有多個齒，所述齒沿圓周方向配置於所述定子的一內表面上，且徑向朝內突出；供兩系統用的繞組，其分別卷繞在所述多個齒的周圍，且由供所述兩系統用的多向交流電流激勵，所述繞組包括用於所述兩系統中的每一系統內的每一相的、且極性相反的一正磁極繞組和一負磁極繞組；以及位置傳感器裝置，用於檢測所述轉子相對於所述定子的旋轉位置；藉此，通過改變激勵電流的相而旋轉驅動所述轉子，所述激勵電流施加於所述兩系統中的每一系統內的每一相的繞組。
2.如權利要求1所述的電動機，其特徵在於，所述兩系統中的每一系統內的每一相的所述正磁極繞組和所述負磁極繞組分別卷繞在所述定子上的所述多個齒中的相鄰兩齒的周圍。
3.如權利要求2所述的電動機，其特徵在於所述傳感器裝置包括兩個位置傳感器；以及當所述兩個位置傳感器其中之一遭遇問題時，所述兩系統中的所述繞組根據來自另一位置傳感器的位置信號而受激勵。
4.一種轉向系統，其中，一機動車輛的一轉向機構與可轉向輪子在機械上相分離，所述轉向系統包括如權利要求1所限定的結構的一電動機；一轉向角度傳感器，用以檢測所述轉向機構的轉向角度；以及一電子控制單元，其響應於所述轉向角度傳感器所檢測到的所述轉向角度，用以控制所述電動機的運轉，從而控制所述可轉向輪子的角方位。
5.一種轉向系統，其中，一機動車輛的一轉向機構與可轉向輪子在機械上相分離，所述轉向系統包括如權利要求2所限定的結構的一電動機；一轉向角度傳感器，用以檢測所述轉向機構的轉向角度；以及一電子控制單元，其響應於所述轉向角度傳感器所檢測到的所述轉向角度，用以控制所述電動機的運轉，從而控制所述可轉向輪子的角方位。
6.一種轉向系統，其中，一機動車輛的一轉向機構與可轉向輪子在機械上相分離，所述轉向系統包括如權利要求3所限定的結構的一電動機；一轉向角度傳感器，用以檢測所述轉向機構的轉向角度；以及一電子控制單元，其響應於所述轉向角度傳感器所檢測到的所述轉向角度，用以控制所述電動機的運轉，從而控制所述可轉向輪子的角方位。
7.如權利要求1所述的電動機，其特徵在於，所述兩系統其中之一系統內的所述繞組配置於環繞所述轉子的圓周區域的一半內，而另一系統內的所述繞組配置於環繞所述轉子的圓周區域的另一半內。
全文摘要
揭露了一種電動機，其中，兩系統中之任一系統的每一相的正磁極繞組和負磁極繞組分別纏繞在沿周向布置在定子內表面並徑向朝內突出的多個齒中的相鄰兩齒周圍。因此，在轉子由激勵兩系統的全部繞組而轉動的情況下，或在轉子由激勵任一系統的繞組而轉動的情況下，相鄰繞組作為一組且磁性吸引轉子，藉此轉動該轉子。在兩情況中的任一情況，位置傳感器能精確地檢測轉子相對於這些繞組的位置。結果，當由激勵兩系統的全部繞組而轉動轉子，轉換至由只激勵任一系統的繞組而轉動轉子時會產生的轉矩脈動，就可被抑制，所以電動機能平順地驅動。
文檔編號H02K29/10GK1592046SQ200410068509
公開日2005年3月9日 申請日期2004年8月24日 優先權日2003年8月25日
發明者中村隆一 申請人:有限公司福倍思, 豐田工機株式會社, 光洋精工株式會社