ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ РУЛЯ АВТОМОБИЛЯ
CAR STEERING WHEEL ELECTROMECHANICAL BOOSTER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к автомобилестроению.
Уровень техники
Известны электромеханические усилители руля, содержащие корпус и расположенные в нем два соосных вала (входной и выходной), m-фазный электродвигатель с возбуждением от тангенциально намагниченных постоянных магнитов, магнитопровод статора встроен в корпус усилителя, магнитопровод статора выполнен с явно выраженными полюсами, расположенными в 2m равных чередующихся фазных зонах, с числом полюсов 2mk, где k=1…n - число полюсов в фазной зоне, на которых размещены катушки - по одной на полюс, в каждой зоне размещены несколько включенных последовательно-согласно или параллельно-согласно катушек, магнитопровод ротора расположен на выходном валу, выполнен безобмоточным многополюсным, числа полюсов на статоре и на роторе отличаются на два, датчик положения ротора, датчик момента, выполненный в виде торсиона и измерителя угла скручивания торсиона, торсион расположен внутри полости, образованной входным и выходным валом (RU 2181091, В62D 5/04, 2000 и RU 2278797, В62D 5/04, H02К 21/16, 2006).
Недостатком этих электромеханических усилителей руля является относительная сложность конструкции и нетехнологичность изготовления из-за кучно расположенных на роторе постоянных магнитов, что обуславливает сложность выполнения сборочных операций при сборке ротора и статора в единый конструктивный узел. Кроме этого упомянутые выше усилители руля имеют недостаточно высокие энергетические показатели в связи с тем, что рабочий магнитный поток от магнитного поля от обмоток статора замыкается через постоянные магниты системы возбуждения, имеющие низкую магнитную проницаемость (следовательно, и низкую проводимость магнитному потоку) и имеющие значительную толщину, по крайней мере, отличающуюся от длины воздушного зазора на порядок в большую сторону. Последнее определяется технологией изготовления магнитов и конструктивной необходимостью. Например, при длине воздушного зазора 0,15-0,25 мм толщина магнита должна быть в пределах 2,5-4,0 мм.
В приведенных выше усилителях полюсное деление полюсов ротора и статора различно. Это обстоятельство приводит к появлению высших гармонических составляющих магнитной проводимости в рабочем зазоре и ухудшению энергетических показателей.
Сравнительно малое количество явно выраженных полюсов на статоре и роторе обуславливает значительную величину пульсирующего момента, вызванного действием поля постоянных магнитов возбуждения при обесточенных обмотках статора, что приводит к повышению усилия на рулевом колесе, создает неудобства водителю при пользовании этими усилителями, т.е. приводит к ухудшению эргономических характеристик.
Сущность изобретения
Наиболее близким по существу к предлагаемому изобретению - прототипом предлагаемому техническому решению - является электромеханический усилитель руля автомобиля, описанный в RU 2278797, В62D 5/04, Н02К 21/16. Целью предлагаемого технического решения является улучшение технологичности изготовления, улучшение энергетических показателей и эргономических характеристик электромеханического усилителя руля автомобиля.
К улучшению технологичности изготовления приводит размещение постоянных магнитов системы возбуждения на статоре электродвигателя между полюсными наконечниками, которые прилегают к полюсным наконечникам полюсами одноименной полярности, полюсные наконечники на полюсах установлены через немагнитный зазор, соизмеряемый воздушному зазору. Такое размещение магнитов приводит также к возможности увеличения проводимости магнитной цепи замыкания магнитного потока для поля от обмоток статора, что в конечном итоге приводит к улучшению энергетических показателей.
Улучшению энергетических показателей способствует также выполнение ширины явно выраженных полюсов на статоре и роторе и полюсных делений между полюсами ротора и статора в пределах одной фазной зоны равными, смещением полюсных делений между полюсами смежных фазных зон статора на 1/3 полюсного деления ротора.
Улучшение эргономических характеристик достигается выполнением активной зоны электродвигателя зубчатыми поверхностями, что позволяет уменьшить пульсацию момента, тем самым уменьшить усилие на рулевом колесе автомобиля при обесточенных обмотках статора усилителя.
Перечень фигур, чертежей и иных материалов
На фиг.1 изображен поперечный разрез электродвигателя предлагаемого усилителя руля автомобиля.
На фиг.2 приведен разрез активной зоны электродвигателя электромеханического усилителя руля с равными ширинами полюсов на статоре и роторе, а также с равными полюсными делениями между полюсами ротора и статора в пределах фазных зон.
На фиг.3 приведена активная зона электродвигателя с равномерным расположением по окружности полюсов ротора и статора с равными ширинами полюсов.
На фиг.4 изображена активная зона электродвигателя с зубчатыми поверхностями ротора и статора.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Предлагаемый электромеханический усилитель руля по своей конструкции аналогичен прототипу, за исключением отличительной части, описанной выше.
немаг
На фиг.1 приведен поперечный разрез электродвигателя (остальные конструктивные элементы электромеханического руля не показаны). Статор 1 электродвигателя, являющийся корпусом усилителя, выполнен из магнитомягкого материала явнополюсным с числом полюсов Nmk=12, где N=1…n, количество зон полюсов фазы; N=2, k=2, m=3, на каждом полюсе которого размещена катушка 2; эти катушки, включенные параллельно-согласно составляют фазную обмотку статора. Фазная обмотка локализована в равномерно расположенных по расточке статора N зонах. При трехфазной обмотке статора таких зон будет шесть, как показано на фиг.1; зоны разноименных фаз сдвинуты относительно друг друга на 120 эл. градуса. На полюсах статора через немагнитный зазор длиной δ установлены полюсные наконечники 3. К этим полюсным наконечникам с боковых сторон примыкают радиально расположенные постоянные магниты 4 системы возбуждения. Магниты намагничены в тангенциальном направлении и к полюсным наконечникам примыкают полюсами одноименной полярности. Ротор электродвигателя 5 выполнен безобмоточным явнополюсным с числом полюсов N(mk+1)=14 и установлен на валу 6. Количество полюсов на роторе четное и отличается от количества полюсов на статоре на два.
р
немаг
р
немаг
пост
Система возбуждения, состоящая из тангенциально намагниченных постоянных магнитов, образует магнитное поле, магнитный поток которого распределяется на две части: одна часть которого замыкается через полюсные наконечники, воздушный зазор, полюса и спинку ротора; вторая часть - через полюсные наконечники, немагнитный зазор между наконечниками и полюсами статора, полюса статора и спинку статора. Соотношение длин рабочего воздушного δ и немагнитного δ зазоров определяет величины указанных магнитных потоков. Конкретные значения длин зазоров определяются исходя из соображений максимального использования энергии постоянных магнитов. Очевидно, что длины воздушного зазора δ и немагнитного зазора δ должны быть соизмеримыми, одного порядка, и их соотношение должно выбираться из соображений сосредоточения большей части магнитного потока системы возбуждения Ф в воздушном зазоре. В приведенном на фиг.1 случае ширина полюсных наконечников больше ширины полюсов на статоре, что обуславливает большую проводимость для магнитного потока через воздушный зазор по сравнению с немагнитным зазором даже при их равенстве.
раб
пост
раб
пост
раб
При подключении катушек обмотки статора к источнику питания магнитные поля от постоянных магнитов системы возбуждения и поля от обмоток статора будут складываться, образуя результирующее магнитное поле. Ротор будет занимать такое положение, при котором проводимость для наибольшего значения результирующего магнитного потока максимальна. Как показано на фиг.1, в этом случае магнитный поток от поля обмотки статора Ф и большая часть магнитного потока поля возбуждения Ф в воздушном зазоре, полюсах и спинке ротора направлены согласно и складываются. В немагнитном зазоре, полюсах статора и в спинке статора Ф направлен встречно малой части потока Ф, и, следовательно, они вычитаются. Взаимодействие полей возбуждения и обмоток статора в воздушном зазоре обуславливает появление вращающего момента ротора, и его значение тем больше, чем больше значения магнитных потоков. Так как магнитная проводимость для магнитного потока поля обмотки статора Ф в предлагаемом электродвигателе усилителя руля значительно больше, чем в известном, при значительно низких значениях тока потребления достигается требуемый момент вращения выходного вала усилителя. Таким образом энергетические показатели предлагаемого усилителя руля автомобиля лучше, чем у известного технического решения.
При предложенном способе размещения магнитов системы возбуждения облегчается процесс сборки электродвигателя: сначала производится размещение обмоток на полюсах, установка полюсных наконечников, сборка «статор-ротор», только после этого устанавливаются постоянные магниты по местам их локализации. Это упрощает выполнение операций с постоянными магнитами, сокращает время сборки и не требует затрат на изготовление дорогостоящего специального технологического оборудования для обеспечения сборки магнитных систем.
п
На фиг.2 приведен электромеханический усилитель руля автомобиля, явно выраженные полюса статора и ротора электродвигателя которого выполнены равной ширины в, полюса статора в пределах фазной зоны имеют равное полюсное деление с полюсами ротора τ. Смежные полюса (граничащие с полюсами другой фазы) разных фаз сдвинуты относительно друг друга на расстояние, кратное 1/3 полюсному делению ротора (4/3τ). Такое размещение полюсов приводит к изменению проводимости воздушного зазора для магнитных потоков при повороте ротора относительно статора по гармонической зависимости от максимального до минимального значения. Это обстоятельство приводит к уменьшению высших гармонических составляющих вращающего момента и способствует улучшению энергетических показателей.
п
На фиг.3 приведен электромеханический усилитель руля автомобиля, явно выраженные полюса статора и ротора электродвигателя которого расположены равномерно по окружности, выполнены равной ширины в, полюсное деление статора отличается от полюсного деления ротора τ на 1/3 значения полюсного деления ротора, смежные катушки одноименных фаз включены встречно-последовательно или встречно-параллельно, число полюсов на статоре отличается от числа полюсов на роторе на число пар полюсов фаз. В приведенной конструкции число пар полюсов фаз равно четырем. Следовательно, число полюсов на роторе принято равным 16. Рабочие процессы в электродвигателе усилителя руля аналогичны описанным выше. Это конструктивное решение является одним из вариантов, позволяющим достичь поставленной цели.
z
На фиг.4 приведен вариант выполнения электродвигателя электромеханического усилителя руля автомобиля с зубчатыми поверхностями активных частей: обращенные к друг другу поверхности ротора и статора выполнены зубчатыми с одинаковой шириной зубцов в и равными зубцовыми делениями τ. Полюса статора в пределах фазной зоны выполнены с равным полюсным делением, кратным зубцовому делению, смежные полюса разных фаз сдвинуты относительно друг друга на расстояние, кратное 1/3 зубцовому делению.
При повороте ротора относительно статора периодически, пропорционально частоте перемещения ротора относительно друг друга происходит перераспределение магнитного потока системы возбуждения между полюсами разных фаз. Это перераспределение пропорционально разности проводимости воздушного зазора под полюсами разных фаз. В случае выполнения поверхностей полюсов статора и ротора гладкими разность проводимости воздушного зазора для потока системы возбуждения пропорциональна 1/3 ширины полюсного деления. При выполнении поверхностей полюсов зубчатыми разность проводимости воздушного зазора пропорциональна 1/3 зубцового шага. Из изложенного следует, что разность проводимости потоку возбуждения во втором случае значительно меньше, чем в случае выполнения полюсов гладкими. Таким образом выполнением поверхности полюсов статора и ротора зубчатыми достигается уменьшение пульсации магнитного потока системы возбуждения в воздушном зазоре. Данное обстоятельство приводит к уменьшению усилий при повороте руля при обесточенных обмотках на статоре и улучшению эргономических характеристик электромеханического усилителя руля автомобиля.