DE102010043970A1 - Electric machine for a steering drive - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (1), insbesondere zum Einsatz in einem Lenksystem eines Kraftfahrzeugs, umfassend: – eine erste Teilmaschine mit einem an einer Welle angeordneten ersten Teilrotor (61), der in radialer Richtung der Welle einem ersten Teilstator (31) gegenüber liegend angeordnet ist; – eine zweite Teilmaschine mit einem an der Welle angeordneten zweiten Teilrotor (62), der in radialer Richtung der Welle einem zweiten Teilstator (32) gegenüber liegend angeordnet ist; – eine um die Drehachse der Welle gewickelte Erregerwicklung (10, 14), die dazu dient, ein Magnetfeld in einem durch die Teilrotoren (61, 62) gebildeten Rotor zu erzeugen, wobei die Erregerwicklung (10, 14) zwischen den Teilmaschinen angeordnet ist.The invention relates to an electrical machine (1), in particular for use in a steering system of a motor vehicle, comprising: a first sub-machine with a first sub-rotor (61) arranged on a shaft and facing a first sub-stator (31) in the radial direction of the shaft is arranged lying down; - A second partial machine with a second partial rotor (62) which is arranged on the shaft and which is arranged opposite a second partial stator (32) in the radial direction of the shaft; - An excitation winding (10, 14) wound around the axis of rotation of the shaft, which is used to generate a magnetic field in a rotor formed by the partial rotors (61, 62), the excitation winding (10, 14) being arranged between the sub-machines.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Maschinen zum Einsatz in Lenkantrieben, insbesondere elektrische Maschinen, die als hybriderregte Homopolarmaschinen ausgebildet sind.The present invention relates to electrical machines for use in steering drives, in particular electrical machines, which are designed as hybrid-excited homopolar machines.
Stand der TechnikState of the art
Moderne Kraftfahrzeuge weisen eine Lenkkraftunterstützung auf, die üblicherweise in Form eines mit dem Lenkgestänge gekoppelten Elektromotors ausgebildet ist. Bei derartigen elektrisch unterstützten Lenkungen wird das vom Fahrer auf die Lenkstange ausgeübte Moment durch einen Elektromotor verstärkt. Dabei ist es üblich, den Elektromotor über ein Getriebe starr mit dem Lenkgestänge zu koppeln.Modern motor vehicles have a power steering, which is usually designed in the form of an electric motor coupled to the steering linkage. In such electrically assisted steering the moment exerted by the driver on the handlebar is amplified by an electric motor. It is customary to couple the electric motor via a gearbox rigid with the steering linkage.
Im Betrieb treten bei elektrischen Maschinen durch Oberwellen so genannte Oberwellenmomente auf, die zu starken rotorlageabhängigen Schwankungen des Drehmoments führen können. Diese Schwankungen können daher am Lenkrad für den Fahrer spürbar sein. Derartige Momentschwankungen des Elektromotors treten konstruktionsbedingt auf. Das elektromagnetische Design der elektrischen Maschinen für eine Lenkunterstützung muss somit so gestaltet werden, dass diese Oberwellen möglichst vermieden werden oder zumindest in ihrer Auswirkung auf den Drehmomentverlauf reduziert sind.In operation, so-called harmonic torques occur in electric machines due to harmonics, which can lead to strong fluctuations in the torque dependent on the rotor position. These fluctuations can therefore be felt on the steering wheel for the driver. Such torque fluctuations of the electric motor occur due to the design. The electromagnetic design of the electric machines for steering assistance must therefore be designed so that these harmonics are avoided or at least reduced in their effect on the torque curve.
Bei Ausfall des Elektromotors aufgrund eines Fehlers im Elektromotor muss es dem Fahrer weiterhin möglich sein, das Fahrzeug zu lenken, auch wenn die Unterstützung des Elektromotors vollständig ausfällt. Insbesondere ist es notwendig, dass bei Ausfall des Elektromotors keine größeren Momentenschwankungen des durch den Elektromotor bewirkten Widerstandsmoments (Rastmomente und Bremsmomente) an dem Lenkgestänge auftreten. Hierdurch ergeben sich besonders hohe Anforderungen an die Kopplung des Elektromotors mit dem Lenkgestänge sowie an den Elektromotor selbst.In the event of a failure of the electric motor due to a fault in the electric motor, the driver must still be able to steer the vehicle, even if the assistance of the electric motor fails completely. In particular, it is necessary that in case of failure of the electric motor, no major torque fluctuations of the force caused by the electric motor resistance torque (cogging torques and braking torques) occur on the steering linkage. This results in particularly high demands on the coupling of the electric motor with the steering linkage and to the electric motor itself.
Elektronisch kommutierte Synchronmaschinen mit Seltene-Erden-Magneten vorzugsweise aus Neodym-Eisen-Bor-Legierungen, haben sich aufgrund von Leistungsdichte, Wirkungsgrad und Regelmöglichkeit für diese Anwendungen durchgesetzt. Jedoch kommt es bei diesen Maschinen nicht nur zu Drehmomentschwankungen im Betrieb bei bestromter Statorwicklung, sondern es treten auch Rastmomente bei unbestromter Statorwicklung auf.Electronically commutated rare earth magnet synchronous machines, preferably of neodymium-iron-boron alloys, have become established for these applications because of their power density, efficiency and control capability. However, these machines not only cause torque fluctuations during operation when the stator winding is energized, but also cogging torques occur when the stator winding is de-energized.
Zwar ist es möglich, durch ein Wicklungsschema bzw. eine Gestaltung der Polschuhkontur ein sinusförmiges Luftspaltfeld in den elektrischen Maschinen zu erzeugen, wodurch die Rastmomente im unbestromten Fall und Drehmomentschwankungen im bestromten Fall reduziert sind, dies ist jedoch bei Elektromotoren mit geringen Abmessungen aufgrund der Platzverhältnisse und der Herstellungskosten nur mit erhöhtem Aufwand möglich. Daher muss man bei elektrischen Maschinen mit geringen Abmessungen mit entsprechenden Oberwellen im Luftspalt rechnen und die Drehmomentenschwankungen in Kauf nehmen. Es wird daher versucht, die elektrischen Maschinen für die Lenkantriebe so zu gestalten, dass die Oberwellen möglichst ohne Wirkung auf das in die Lenkung übertragene Drehmoment bleiben.Although it is possible to produce a sinusoidal air gap field in the electric machines by a winding scheme or a design of Polschuhkontur, whereby the cogging moments are reduced in the energized case and torque fluctuations in the energized case, but this is in electric motors with small dimensions due to space and the production costs only possible with increased effort. Therefore, one has to reckon with small diameter electrical machines with corresponding harmonics in the air gap and take the torque fluctuations in purchasing. It is therefore trying to make the electrical machinery for the steering drives so that the harmonics remain as possible without effect on the transmitted torque in the steering.
Eine weitere wesentliche Anforderung besteht darin, Störungen, die in der elektrischen Maschine auftreten, so zu beherrschen, dass keine merklichen Bremsmomente in dem Lenkgestänge auftreten. Um im Fehlerfall, insbesondere bei Kurzschlüssen oder Durchlegieren von Schaltern, die Bremsmomente der elektrischen Maschine und damit auch die am Lenkrad gering zu halten, werden heute so genannte Sternpunktauftrennungen vorgesehen. Mithilfe eines Sternpunktrelais, das mechanisch oder elektronisch ausgebildet sein kann, kann im Fehlerfall der Sternpunkt der Maschine aufgetrennt werden. Dies ist beispielsweise aus der Druckschrift
Eine einfachere Lösung zur Trennung von Maschine und Umrichterelektronik stellen Phasentrenner dar, die eine Auftrennung der Verbindung zwischen Umrichter und elektrischer Maschine im Fehlerfall bewirken. Hiermit lassen sich jedoch nur Fehler der Umrichterelektronik berücksichtigen. Kurzschlüsse in der elektrischen Maschine selbst können hiermit nicht behoben bzw. beeinflusst werden. Daher wird für derartige Systeme gefordert, dass diese eigensicher aufgebaut sind.A simpler solution for separating the machine from the converter electronics is to use phase separators that interrupt the connection between the inverter and the electrical machine in the event of a fault. However, this only allows for errors in the converter electronics. Short circuits in the electrical machine itself can not be remedied or influenced hereby. Therefore, such systems are required to be intrinsically safe.
Für einen eigensicheren Motor werden meistens Ansätze verfolgt, die eine Topologie mit einer Statorwicklung ohne Überlappung der einzelnen Spulen verwenden, also einen Aufbau, bei dem sich die Statorwicklungen nicht überkreuzen. Dies trifft beispielsweise auf eine 3/2-Topologie zu, bei der einem Polpaar im Läufer drei Statornuten gegenüber stehen. Typische Ausführungen solcher elektrischer Maschinen sind die 9/6- oder die 12/8-Varianten (9 bzw. 12 Statorzähne zu 6 bzw. 8 Läuferpolen). Diese Topologien haben jedoch den Nachteil, dass sie sehr ausgeprägte Drehmomentschwankungen bzw. Rastmomente im unbestromten Zustand aufweisen. Um diese zu reduzieren, müssen teure Zusatzmaßnahmen ergriffen werden, was die Leistungsdichte des Motors reduziert und aufwändig in der Herstellung ist. Insbesondere bei der Topologie von zwölf Statorzähnen und acht Rotorpolen ist es bisher nicht gelungen, einen Antrieb mit ausreichender Drehmomentqualität, d. h. mit geringen Rastmomenten und Oberwellenmomenten im normalen ungestörten Betrieb, zu erreichen.For an intrinsically safe motor approaches are mostly pursued that use a topology with a stator winding without overlapping the individual coils, so a structure in which the stator windings do not cross. This applies, for example, to a 3/2 topology in which a pole pair in the rotor faces three stator slots. Typical versions of such electrical machines are the 9/6 or the 12/8 versions (9 or 12 stator teeth to 6 or 8 rotor poles). However, these topologies have the disadvantage that they have very pronounced torque fluctuations or cogging moments in the de-energized state. To reduce this, expensive additional measures have to be taken, which reduces the power density of the Motors is reduced and expensive to manufacture. In particular, in the topology of twelve stator teeth and eight rotor poles, it has not been possible to achieve a drive with sufficient torque quality, ie with low cogging torques and harmonics in normal undisturbed operation.
Auch durch davon abweichende Rotortopologien, wie beispielsweise eine 18/8-Topologie mit 18 Statornuten bzw. Statorzähnen und acht Läuferpolen, können zwar sehr geringe Drehmomentschwankungen erreicht werden, diese weisen jedoch den Nachteil auf, dass die Maschine eine verteilte Wicklung besitzt. Dabei kreuzen sich im Wickekopf die Spulen verschiedener Phasen und auch in den Nuten liegen teilweise Spulenseiten unterschiedlicher Phasen. Dies erhöht die Gefahr des Auftretens von Kurzschlüssen zwischen verschiedenen Phasen, die zu unzulässig hohen Bremsmomenten führen können. Auch dies ist bei sicherheitskritischen Lenkantrieben in jedem Fall zu vermeiden. Daher eignet sich die 18/8-Topologie nur in Kombination mit einer Sternpunktauftrennung, die zu einem deutlich erhöhten Herstellungsaufwand führt.Even if deviating rotor topologies, such as a 18/8 topology with 18 stator slots or stator teeth and eight rotor poles, very small torque fluctuations can be achieved, but these have the disadvantage that the machine has a distributed winding. In this case, the coils of different phases intersect in the bead head, and partially coil sides of different phases are also located in the slots. This increases the risk of the occurrence of short circuits between different phases, which can lead to unacceptably high braking torques. Again, this is to be avoided in safety-critical steering drives in any case. Therefore, the 18/8 topology is only suitable in combination with a star point separation, which leads to a significantly increased production cost.
Weiterhin sind auch Topologien mit zwölf Statorzähnen und zehn Rotorpolen, beispielsweise aus
Eine weitere Möglichkeit zur Senkung des Rastmoments besteht darin, eine Schrägung entweder im Stator oder im Läufer vorzusehen. Bei einer Schrägung weicht der Verlauf des Rotorpols in Bewegungsrichtung der relativen Bewegung zwischen dem Stator und dem Rotor von der achsparallelen Richtung ab. Da eine echte Schrägung schwierig zu realisieren ist, werden üblicherweise Staffelungen des Rotors bzw. des Stators vorgesehen, wie beispielsweise aus der
Im Gegensatz zu elektrisch erregten Maschinen ist es bei elektrischen Maschinen, deren Erregerfeld durch Permanentmagneten erzeugt wird, nicht möglich, das magnetische Feld abzuschalten. Dies kann im Fehlerfall, wie beispielsweise bei Kurzschlüssen in der Wicklung, zu erheblichen Bremsmomenten führen, die bei einem Einsatz für Lenkantriebe nicht zulässig sind. Überschreitet das Bremsmoment im Fehlerfall einen bestimmten Betrag, so kommt dies einem Blockieren der Lenkung gleich. Daher ist es für Lenkantriebe erforderlich, elektrische Maschinen einzusetzen, die eine geringe Ausfallwahrscheinlichkeit besitzen und im Fehlerfall nur geringe Bremsmomente bewirken.In contrast to electrically excited machines, it is not possible to switch off the magnetic field in electrical machines whose excitation field is generated by permanent magnets. In the event of a fault, such as in the event of short circuits in the winding, this can lead to considerable braking torques which are not permissible when used for steering drives. If the braking torque exceeds a certain amount in the event of a fault, then this is the same as blocking the steering. Therefore, it is necessary for steering drives to use electrical machines that have a low probability of failure and cause only minor braking torques in case of failure.
Als elektrische Maschinen, die im stromlosen Zustand keinerlei Rastmomente ausüben, sind Homopolarmaschinen bekannt. Diese elektrischen Maschinen stellen jedoch nur eine geringe Leistungsdichte und somit nur ein geringes Drehmoment für den Einsatz einer Lenkunterstützung zur Verfügung. Daher ist bereits aus dem Stand der Technik die Kombination einer Homopolarmaschine mit zusätzlichen Permanentmagneten im Läufer bekannt. So ist aus der Druckschrift
In der Druckschrift
Die Druckschrift
Aus den Druckschriften
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Lenkantrieb für die Lenkung eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung zu stellen, der eine ausreichend hohe Leistungsdichte aufweist, der im Fehlerfall nur ein geringes Bremsmoment ausübt und der mit einem geringen Aufwand aufgebaut werden kann.It is an object of the present invention to provide a steering drive for the steering of a motor vehicle, which has a sufficiently high power density, which exerts only a small braking torque in the event of a fault and which can be constructed with little effort.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Diese Aufgabe wird durch die elektrische Maschine gemäß Anspruch 1 sowie durch das Lenksystem gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.This object is achieved by the electric machine according to claim 1 and by the steering system according to the independent claim.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further advantageous embodiments are specified in the dependent claims.
Gemäß einem ersten Aspekt ist eine elektrische Maschine, insbesondere zum Einsatz in einem Lenksystem eines Kraftfahrzeugs, vorgesehen. Die elektrische Maschine umfasst:
- – eine erste Teilmaschine mit einem an einer Welle angeordneten ersten Teilrotor, der in radialer Richtung der Welle einem ersten Teilstator gegenüber liegend angeordnet ist;
- – eine zweite Teilmaschine mit einem an der Welle angeordneten zweiten Teilrotor, der in radialer Richtung der Welle einem zweiten Teilstator gegenüber liegend angeordnet ist;
- – eine um die Drehachse der Welle gewickelte Erregerwicklung, die dazu dient, ein Magnetfeld in einem durch die Teilrotoren gebildeten Rotor zu erzeugen,
die Erregerwicklung zwischen den Teilmaschinen angeordnet ist.According to a first aspect is an electrical machine, in particular for use in a Steering system of a motor vehicle, provided. The electric machine includes:
- - A first sub-machine with a shaft disposed on a first part rotor, which is arranged in the radial direction of the shaft to a first part stator opposite;
- - A second sub-machine with a shaft arranged on the second part of the rotor, which is arranged in the radial direction of the shaft to a second part of stator opposite;
- A field winding wound about the axis of rotation of the shaft and serving to generate a magnetic field in a rotor formed by the sub-rotors,
the excitation winding is arranged between the sub-machines.
Eine Idee der obigen elektrischen Maschine für Lenkantriebe besteht darin, dass diese als hybriderregte Homopolarmaschine ausgebildet ist und eine geringe Drehmomentwelligkeit und geringe Rastmomente aufweist und so für den Einsatz für Lenkantriebe geeignet ist. Weiterhin hat die obige hybriderregte Homopolarmaschine den Vorteil, dass die Erregerspule im Inneren der elektrischen Maschine angeordnet ist, wodurch die elektrische Maschine mit einem reduzierten Durchmesser ausgebildet werden kann. Dadurch wird die Windungslänge der Erregerspule reduziert, wodurch der Leistungsbedarf zum Erzeugen des Erregermagnetfelds reduziert ist. Weiterhin kann die Geometrie der elektrischen Maschine durch die im inneren angeordnete Erregerspule verkleinert werden, so dass die elektrische Maschine entweder mit kleinerem Außendurchmesser oder mit größerem Rotordurchmesser aufgebaut werden kann.An idea of the above electric machine for steering drives is that this is designed as a hybrid homopolar engine and has a low torque ripple and low cogging torque and is thus suitable for use in steering drives. Furthermore, the above hybrid excited homopolar engine has the advantage that the exciting coil is disposed inside the electric machine, whereby the electric machine can be formed with a reduced diameter. As a result, the winding length of the excitation coil is reduced, whereby the power requirement for generating the exciting magnetic field is reduced. Furthermore, the geometry of the electric machine can be reduced by the excitation coil arranged in the interior, so that the electric machine can be constructed either with a smaller outer diameter or with a larger rotor diameter.
Die Maschine weist als Vorteil gegenüber einer rein permanentmagneterregten Maschinen auf, dass im Fehlerfall (z. B. Kurzschlüsse in der Maschine) das magnetische Feld durch die zusätzliche elektrische Erregung reduziert werden kann. Hierdurch ist es möglich die im Fehlerfall auftretenden Bremsmomente zu reduzieren und unter eine kritische Grenze zu bringen. Im Fehlerfall muss der Fahrer in der Lage sein, die volle Lenkkraft aufbringen zu können, und die starr angekuppelte elektrische Maschine darf keine Bremsmomente erzeugen, die zu einer Blockierung der Lenkung führt. Auch muss es dem Fahrer möglich sein, die Lenkkraft inklusive der maximal auftretenden Bremsmomente aufzubringen. Durch die obige Topologie einer elektrischen Maschine kann das maximal auftretende Bremsmoment im Fehlerfall begrenzt werden und gleichzeitig ein geringer Bauraum erreicht werden.The machine has the advantage over a purely permanent magnet excited machine that in the event of a fault (eg short circuits in the machine) the magnetic field can be reduced by the additional electrical excitation. This makes it possible to reduce the braking torque occurring in the event of a fault and bring it below a critical limit. In the event of a fault, the driver must be able to apply the full steering force, and the rigidly connected electric machine must not generate any braking torques that will block the steering. Also, it must be possible for the driver to apply the steering force including the maximum braking torque occurring. By the above topology of an electric machine, the maximum occurring braking torque can be limited in case of failure and at the same time a small space can be achieved.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Teilrotoren jeweils Permanentmagneten aufweisen, die so angeordnet sind, dass sich das durch die Permanentmagneten hervorgerufene Magnetfeld dem durch die Erregerwicklung erzeugten Magnetfeld in mindestens einem der Rotorpole additiv oder subtraktiv überlagert.Furthermore, it can be provided that the partial rotors each have permanent magnets which are arranged such that the magnetic field caused by the permanent magnet is superimposed additively or subtractively on the magnetic field generated by the exciter winding in at least one of the rotor poles.
Insbesondere können die Permanentmagneten in den Teilrotoren in einer Folgepolanordnung angeordnet sein.In particular, the permanent magnets in the sub-rotors can be arranged in a follower pole arrangement.
Die Teilstatoren können jeweils Statorzähne aufweisen, die so in Richtung des zugeordneten Teilrotors ausgerichtet sind, dass zwischen den Statorzähnen und den Rotorpolen ein Luftspalt ausgebildet ist.The partial stators may each have stator teeth, which are aligned in the direction of the associated partial rotor, that an air gap is formed between the stator teeth and the rotor poles.
Gemäß einer Ausführungsform können die Teilstatoren über einen magnetischen Rückschluss, insbesondere in Form eines Gehäuses, miteinander verbunden sein.According to one embodiment, the partial stators can be connected to one another via a magnetic return path, in particular in the form of a housing.
Weiterhin kann die Erregerwicklung in eine Ausnehmung des durch die Teilrotoren gebildeten Rotors hineinragen oder vollständig darin aufgenommen sein und von einer oder beiden Teilstatoren, insbesondere mit Hilfe einer Halterung, gehalten sein.Furthermore, the excitation winding can protrude into a recess of the rotor formed by the partial rotors or be completely accommodated therein and be held by one or both partial stators, in particular by means of a holder.
Es kann vorgesehen sein, dass die Erregerwicklung über eine elektrische Verbindung mit mindestens einem der Teilstatoren verbunden ist, um die Erregerwicklung mit elektrischer Energie zu versorgen.It can be provided that the excitation winding is connected via an electrical connection with at least one of the partial stators in order to supply the excitation winding with electrical energy.
Weiterhin kann zwischen den Teilstatoren ein magnetischer Rückschluss, insbesondere in Form eines Verbindungselementes, zum Verbinden der Teilstatoren angeordnet sein.Furthermore, a magnetic conclusion, in particular in the form of a connecting element, be arranged for connecting the part stators between the part stators.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Lenksystem mit der obigen elektrischen Maschine vorgesehen, die mit einer Lenkstange verbunden ist.According to another aspect, there is provided a steering system with the above electric machine connected to a handlebar.
Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Preferred embodiments of the present invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it:
Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments
Die
Die Homopolarmaschine
Im vorliegenden Fall weist die Homopolarmaschine
Wie insbesondere aus den
Weiterhin ist der Rotor
Die beiden Teilrotoren
Die Erregerspule
Die Erregerspule
Grundsätzlich sind auch andere Topologien der Homopolarmaschine
Ein Nachteil der außerhalb der Statorwicklung angeordneten Erregerspule
In
Um den magnetischen Rückschluss zu gewährleisten, ist ein Verbindungselement
In
Dadurch ist es möglich, dass die beiden Teilstatoren
Da die Erregerspule
Die Rotorwelle
An einem bezüglich des Wellenabschnitts
Anschließend wird der zweite Teilrotor
Gemäß einer Ausführungsform kann sich selbstverständlich die Anzahl der Rotorpole der Teilrotoren voneinander unterscheiden. Auch bei getrennt bewickelten Teilstatoren ist es grundsätzlich möglich, diese mit unterschiedlicher Anzahl von Statorzähnen auszubilden.Of course, according to one embodiment, the number of rotor poles of the sub-rotors may differ from each other. Even with separately wound part stators, it is basically possible to form them with different numbers of stator teeth.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Rotorpole keine zylindrische Mantelfläche aufweisen, sondern als Sinuspole ausgebildet sind bzw. zu den Polkanten hin mit einer Luftspaltaufweitung versehen sind. Dies ist in
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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