交替極無刷永磁電機及基于該電機的電子助力轉向系統的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于助力轉向系統技術領域，更具體地，涉及一種用于助力轉向系統中的無刷永磁電機及基于該電機的電子助力轉向系統。
【背景技術】
[0002]助力轉向系統是現代汽車的重要組成部分，其主要作用是駕駛員在操縱方向盤進行轉向時，轉矩傳感器檢測到轉向盤的轉向以及轉矩的大小，通過中央處理器的信號分析及處理，向電動機控制器發出指令，來控制電動機輸出相應大小和方向的轉向助力轉矩，從而產生輔助動力。
[0003]目前，汽車的動力轉向系統普遍采用的是液壓助力轉向系統，可以說，經過了十幾年的發展，液壓轉向技術相對要成熟許多，但是，從整個轉向系統的發展趨勢看，隨著人們對汽車環保、節能和安全性要求的提高，電子助力轉向系統(EPS)以其諸多的技術絕對優勢取代液壓助力轉向是大勢所趨。
[0004]作為核心執行單元，驅動電機類型決定整個EPS的控制框架，其性能優劣也直接影響整個助力系統，所以選擇驅動電機類型是EPS系統設計的最重要環節，目前EPS產品類別也正是根據驅動電機的不同分為有刷EPS和無刷EPS。
[0005]得益于成熟的加工工藝和簡單的控制方式，目前的EPS多采用有刷直流永磁電機。在各大整車廠的新一代轎車產品內，基于有刷直流永磁電機的EPS已基本取代了傳統的液壓助力轉向系統。但由于此電機為有刷結構，碳刷及換向片在電機轉動時會產生火花、碳粉，造成組件損壞，需定期更換碳刷，增加維護費用，此外，有刷直流永磁電機換向過程，還會產生電磁干擾。
[0006]EPS無刷化已經成為EPS的發展趨勢。現有無刷EPS驅動電機多采用轉子表貼磁鋼式永磁電機，這主要歸因于轉子表貼磁鋼式永磁電機結構簡單、轉矩平滑，加工制造工藝成熟，在工業界各個領域具有廣泛的應用實例。
[0007]如圖1所示，現有的一種典型的無刷永磁電機由一個定子和一個轉子組成，其中，定子繞組結構型式與傳統三相感應電機相同，定子鐵心1呈中空筒體狀，其內壁開有槽，定子繞組放置在槽內；轉子鐵心2同軸套設在定子筒體的中心通孔中，轉子鐵芯2表貼永磁磁鋼，相鄰的磁鋼極性相反，表現為磁體的N極與S極沿轉子的外表面交替排布。
[0008]基于現有的無刷永磁電機的EPS如圖2所示，其由中央處理器(E⑶)，電磁離合器，無刷永磁驅動電機，位置傳感器，扭矩傳感器和機械減速機構組成，系統工作過程是:ECU根據位置傳感器、車速傳感器和轉矩傳感器的檢測信號，調節助力電流的大小、相位和頻率來控制電動機的力矩大小和方向，然后該輸出力矩通過減速機構作用到齒輪上，最終作用到轉向器，實現助力轉向。
[0009]現有的用于電子助力轉向系統中的無刷永磁電機盡管可以通過外電路實現電子換相，省去有刷直流電機所需的電刷和換向器，從而避免換向火花、碳刷產生的粉塵等問題，但是，由于其轉子磁場的N極與S極均由永磁體構成，永磁體用量較大，尤其是稀土永磁體用量較大，造成成本高、對環境產生影響等缺陷。
【實用新型內容】
[0010]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本實用新型提供了一種交替極無刷永磁電機及基于該電機的電子助力轉向系統，其目的在于通過對永磁電機的轉子結構進行優化改進，從而降低電機轉子的永磁體用量并且省去系統的位置傳感器。
[0011]為實現上述目的，按照本實用新型的一個方面，提供了一種交替極無刷永磁電機，用于電子助力轉向系統中，該電機包括:
[0012]定子鐵芯，呈中空筒體狀，其內壁開有槽，定子繞組放置在對應的定子槽內；
[0013]轉子鐵芯，呈中空筒體狀，同軸套設在定子筒體的中心通孔中，其外表面開有多個槽，且槽數為電機運行磁場極數的一半；以及
[0014]多個磁鋼，其分別一一對應放置在轉子鐵芯的各槽內，且相鄰槽的磁鋼極性相同，使得轉子中的磁鋼只存在單一極性，形成凸極結構，從而能夠實現降低永磁用量同時保持電機的輸出轉矩。
[0015]作為本實用新型的改進，所述轉子磁鋼均為N極或S極。
[0016]作為本實用新型的改進，所述轉子的另一極性由磁鋼之間的鐵磁極靴代替。
[0017]作為本實用新型的改進，所述鐵磁極靴為硅鋼。
[0018]按照本實用新型的另一方面，提供了一種具有上述交替極無刷永磁電機的電子助力轉向系統。
[0019]按照本實用新型的又一方面，提供一種基于無刷永磁電機的電子助力轉向系統，其包括中央處理器(ECU)，電磁離合器，上述無刷永磁驅動電機，扭矩傳感器和減速機構，其中，在轉動方向時，所述，扭矩傳感器檢測到的轉矩信息、車速傳感器檢測的車速信息、以及位置信息輸入所述中央處理器(ECU)，其根據上述信息調節助力電流的大小、相位和頻率以控制所述無刷永磁驅動電機的輸出力矩大小和方向，該輸出力矩通過所述減速機構作用到轉向器上，實現電子助力轉向。
[0020]作為本實用新型的改進，所述位置信息通過位置傳感器檢測得到。
[0021]作為本實用新型的改進，所述位置信息通過利用所述無刷永磁驅動電機轉子的凸極特性獲取轉子位置從而得到。
[0022]作為本實用新型的改進，所述轉子位置具體通過高頻諧波注入的方法獲取。
[0023]此時包括上述交替極無刷永磁電機的電子助力轉向系統中不具有位置傳感器，而是利用電機轉子的凸極特性，如高頻諧波注入的方法獲取轉子位置，除了無須位置傳感器夕卜，其工作原理與上述有傳感器的電子助力換向系統完全相同。
[0024]總體而言，通過本實用新型所構思的以上技術方案與現有技術相比，由于僅僅由磁鋼構成轉子磁場的N極(或S極)，另一極的位置為硅鋼片，而硅鋼片的磁阻較小，使得電機的空載氣隙磁場變化小，且該結構具有凸極效應，因此能夠取得下列有益效果:
[0025]1)相比于現有的無刷永磁EPS用驅動電機，本實用新型采用的交替極無刷永磁電機可在保證性能不變甚至提高的前提下，大幅減少永磁體的使用量，降低系統成本。
[0026]2)本實用新型中的交替極無刷永磁電機轉子具有明顯的凸極效應，可采用如高頻諧波注入等多種控制方法，較為準確地實現無位置傳感器下的全速度范圍轉子位置檢測。
【附圖說明】
[0027]圖1是現有表貼式永磁電機示意圖；
[0028]圖2是現有無刷EPS系統框圖；
[0029]圖3是按照本實用新型優選實施例所構建的交替極無刷永磁電機的結構示意圖；
[0030]圖4是基于本實用新型優選實施例的交替極無刷永磁電機的EPS系統框圖(含位置傳感器)；
[0031]圖5是基于本實用新型優選實施例所構建的交替極無刷永磁電機的EPS系統框圖(無位置傳感器)；
[0032]圖6是三種形式的助力轉向系統結構示意圖；