专利名称：电动机及使用该电动机的转向系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电动机，以及使用该电动机的、通常用于机动车辆内的一种转向系统。
背景技术：
近年来的转向系统，已发展出一种所谓“线转向(steer-by-wire)系统”，它是这样一种类型，即，与机动车辆的转向机构机械分离的可转向轮子的角方位是由与转向机构的转向角度相关的致动器所控制。
如未审查但已公开的日本第2002-37112号专利申请所描述的，在此类型的转向系统中，有一种具有两个致动器，其构造成可提供失效保护(fail-safe)能力，以应付致动器发生的不正常状况。
但是，前述已有转向系统有这样的问题，即设置两个致动器会不必要地增加制造成本，且转向系统的整体构造变大。
发明内容
因此，本发明的主要目的在于提供一种改进的电动机，以及具有失效保护能力、能降低成本和减小尺寸的一种转向系统。
简言之，本发明提供一种电动机，它包括一转子，可相对其一轴线而转动；一定子，其内同轴地容纳该转子，并具有多个齿，这些齿沿圆周方向配置于该定子的一内表面上，且径向朝内突出；以及，供两系统用的绕组，其分别卷绕在这些齿的周围，且由供该两系统用的多向交流电流激励。这些绕组包括用于该两系统中的每一系统内的每一相的、且极性相反的一正磁极绕组和一负磁极绕组。该电动机还包括位置传感器装置，用于检测该转子相对于该定子的旋转位置，藉此，依据来自位置传感器装置的检测信号，通过改变激励电流的相而旋转驱动该转子，该激励电流施加于该两系统中的每一系统内的每一相的绕组。
在前述结构的电动机中，通常藉由激励两系统的绕组而转动转子。但若系统其中任一系统遭遇麻烦时，则能以仅激励另一系统的绕组而转动转子。因此，能防止电动机在两系统中任一系统发生问题的同时停止，所以能通过使用单个电动机来实现失效保护能力。再者，相较于使用两台电动机的已有技术的构造，本发明的结构能减少所用零件的数目，因此能降低成本和缩小尺寸。
结合附图参阅本发明的优选实施例，将可了解本发明的前述和其它目的及许多伴随的优点。各附图中类似的标号表示相同或对应的零件，其中图1是本发明第一实施例的电动机的剖视图；图2是一方框图，表示本发明第二实施例的转向系统的结构；图3是结合入本发明第二实施例的转向系统中的电动机的剖视图；及图4是电动机的一种变化型式的剖视图。
具体实施例方式
(第一实施例)以下将参考图1描述本发明第一实施例的一种电动机。图1表示一种三相交流无刷电动机(以下简称为电动机)10，作为本发明电动机的一个例子。设于电动机10内的一转子51，其圆周表面上固定地设置多个永久磁铁52。这些永久磁铁52以例如14极配置，其中N极和S极在14个角位置交错配置，并将转子51的圆周分割成规则间隔。
设于电动机10内的一定子11，在其内表面上沿圆周方向设置多个(例如12个)径向朝内突出的齿12。电线同心地卷绕在每一齿12的周围，以使绕组20U-20W、20u-20w、30U-30W、和30u-30w一一地设置于齿12上。
这些绕组是由第一系统内的绕组20U-20W、20u-20w和第二系统内的绕组30U-30W、30u-30w所组成，其中绕组20U-20W、20u-20w是由一第一三相交流电源(未示)所激励，绕组30U-30W、30u-30w是由一第二三相交流电源(未示)所激励。该两系统中的每一系统的每一相的绕组配对成正磁极绕组和负磁极绕组(例如20V和20v)，所以该电动机10总共设有例如12组绕组。对应于此，在各角位置分别设有12个齿，其将定子11的圆周分割成规则间隔。再者，如图1所示，定子11的圆周区域被平分成两区域S1和S2，且第一系统的正磁极绕组20U-20W和第一系统的负磁极绕组20u-20w分别卷绕在其中一区域S1的六个齿12周围，而第二系统的正磁极绕组30U-30W和第二系统的负磁极绕组30u-30w分别卷绕在另一区域S2的另六个齿12周围。
更具体地说，如图1所示，在第一系统中，V相位的负磁极绕组20v和正磁极绕组20V、U相位的正磁极绕组20U和负磁极绕组20u、及W相位的负磁极绕组20w和正磁极绕组20W，是从区域S1内最左边的齿12依顺时钟方向的顺序配置。另一方面，在第二系统中，V相位的正磁极绕组30V和负磁极绕组30v、U相位的负磁极绕组30u和正磁极绕组30U、及W相位的正磁极绕组30W和负磁极绕组30w，是从另一区域S2内最右边的齿12依顺时钟方向的顺序配置。依此方式，在本实施例中，每一系统的每一相的正磁极绕组和负磁极绕组(例如20U和20u)是缠绕在彼此相邻的两齿12、12周围。再者，三相中的每一相的负磁极绕组和正磁极绕组(例如20u和20U)是设置成卷绕方向相反，且相互串联连接。因此，每一相的负磁绕组和正磁极绕组具有彼此相反的极性。
定子11固定有一位置传感器50，用以检测转子51的旋转位置。位置传感器50例如由一光学元件构成，且配置成面对可与转子51一体旋转的一旋转缝隙盘(未示)。更具体地说，位置传感器50设置于对称地分割齿12、12的一条线(图1中L2表示)上，所述齿12、12分别被第一系统中U相的正磁极绕组20U和负磁极绕组20u卷绕。再者，旋转缝隙盘上形成多个缝隙，当转子旋转时，对横过位置传感器50的缝隙的数目进行计数。当旋转缝隙盘上的一基准点面对位置传感器50时，该位置便被设定为转子51的原点，而转子51的旋转角度是指所检测到距离原点的旋转角度。
下面将描述上述构造的实施例的操作。本实施例中的电动机10通常能以激励两系统中的绕组20U-20W、20u-20w、30U-30W、和30u-30w而转动转子51，但当两系统其中任一系统发生异常状况时，则能以激励另一系统的绕组，例如20U-20W、20u-20w(或30U-30W、30u-30w)而转动转子51。因此，该电动机10能防止在两系统中任一系统不正常的同时停止，所以能以单个电动机10实现失效保护能力。相较于前述具有两台电动机的已有技术的构造，本实施例的构造减少所用零件的数目，因此能降低成本和缩小尺寸。
此外，每一系统的每一相的正磁极绕组和负磁极绕组分别缠绕在相邻的两个彼此相邻的齿12、12周围，因此，在转子51由激励两系统的全部绕组20U-20W、20u-20w、30U-30W和30u-30w而转动的情况下，或在转子51由激励任一系统的绕组、例如20U-20W、20u-20w(或30U-30W、30u-30w)而转动的情况下，相邻绕组被当作极性相反的一组而激励，因而转子51不会改变其相对于位置传感器50的旋转位置。结果，当由激励两系统的全部绕组20U-20W、20u-20w、30U-30W和30u-30w而转动转子，转换至由激励任一系统的绕组、例如20U-20W、20u-20w(或30U-30W、30u-30w)而转动转子时会产生的转矩脉动，就可被抑制，所以电动机10能平顺地驱动。
(第二实施例)其次，将参考图2、3描述本发明的第二实施例，图2表示本发明一转向系统60的整体结构。该转向系统60是一种所谓“线转向系统”，其中，一转向机构31与可转向的轮子40、40在机械上相分离。本发明的电动机42装入转向系统60内，以使可转向轮子40、40转向。下文将只描述与前述第一实施例不同的结构，与第一实施例结构相同的第二实施例的构件由相同的标号表示，以避免对其重复描述。
本实施例的转向系统60的转向机构31固定于转向轴32的一端，该转向轴32可旋转地支承于一反作用致动器33内，使得当转动转向机构31时，就产生反作用力。来自轴向力传感器35和车速传感器36的检测信号输入到用以控制反作用致动器33所产生的反作用力的一反作用电子控制单元(ECU)。轴向力传感器35检测作用在联杆41上的轴向力，该联杆41延伸于可转向轮子40之间。作用在联杆41上的轴向力依据机动车辆所行经的路面状态而改变。因此，反作用电子控制单元34将一依轴向力传感器35的检测信号而变的一控制信号输出至驱动电路33K，所以可依路面状态而给予转向机构31一反作用力。再者，反作用电子控制单元34将依车速传感器36的检测信号而变的控制信号输出至驱动电路33K，所以转向系统31被控制成在高速行进时较重，在低速行进时较轻。
在反作用致动器33和转向轴32之间，附接有一转向角度传感器37，以检测转向机构31的转向角度。还设有一转向电子控制单元45，来自转向角度传感器37的检测信号输入该转向电子控制单元45。转向电子控制单元45依转向机构31的转向角度而驱动电动机42，使可转向轮子40、40被转向到一个与转向机构31的转向角度对应的角方位。
另一方面，电动机42的定子11被固定地装配于环绕联杆41的圆筒状壳体43(示于图2)内部。如图3所示，电动机42的转子44呈圆筒状，联杆41通过转子44的中心。联杆41的由圆筒状壳体43所环绕的部分和转子44之间，设置一滚珠螺杆机构(未示)，用以将转子44的转动转换成联杆41对应的轴向运动。因此，藉由电动机42的运转来改变可转向轮子40、40的方向。
如上所述，利用本实施例的转向系统60，因为与机动车辆的转向机构31机械上分离的可转向轮子40、40的角方位是由本发明的电动机42控制定位，所以能实现失效保护能力，且能降低转向系统的成本并缩小尺寸。
(其它实施例或变型)本发明并不限于前述实施例，而是包含以下例示的属于本发明范围内的其它实施例和变型。而且，本发明可做不脱离其主旨的各种变化而实施。
(1)虽然在前述第一和第二实施例中，第一系统的绕组20U-20W、20u-20w和第二系统的绕组30U-30W、30u-30w被分类并分别设置于由定子11圆周区域被平分而成的区域S1和S2内，但第一和第二系统的每一系统内的这些绕组也可以分散设置在两个区域S1和S2内。更具体地说，如图4所示，以位置传感器50作为基准，这些绕组可依顺时钟方向按下列顺序配置第一系统中的U相的负磁极绕组20u，第二系统的w相的负磁极绕组30w和正磁极绕组30W，第一系统的V相的正磁极绕组20V和负磁极绕组20v，第二系统的U相的负磁极绕组30u和正磁极绕组30U，第一系统的W相的正磁极绕组20W和负磁极绕组20w，第二系统的V相的负磁极绕组30v和正磁极绕组30V，以及第一系统的U相的正磁极绕组20U。
(2)虽然前述第一和第二实施例中的每一电动机10、42都设有一位置传感器50，但亦可设置两个位置传感器。在此变型的情况下，可以提供一种配置，即当任一位置传感器遭遇问题时，每一系统内的绕组依据来自另一位置传感器的信号而受激励。此种配置可于发生该种问题时，避免电动机10或42同时停止。
前述实施例的各种特征和许多可获致的优点概括如下在图1所示的第一实施例的电动机10中，通常藉由激励两系统的绕组20U-20W、20u-20w、30U-30W和30u-30w而转动转子51。但若两系统其中任一系统发生问题时，则能以仅激励另一系统的绕组20U-20W、20u-20w(或30U-30W、30u-30w)而转动转子51。因此，该电动机能防止电动机在其中任一系统发生问题的同时停止，所以能以单个电动机10实现失效保护能力。再者，相较于使用两台电动机的已有技术的构造，第一实施例的构造能减少所用零件的数目，因此能降低成本和缩小尺寸。分别示于图3和4的第二实施例和其它实施例中的电动机42和10，也都能获得与第一实施例大致相同的功效和优点。
另外，在图1所示的第一实施例的电动机10中，两系统中任一系统的每一相(例如U相)的正磁极绕组(例如20U)和负磁极绕组(例如20u)，分别缠绕在设于定子11上的多个齿12中的相邻两齿12、12周围。因此，在转子51由激励两系统的全部绕组20U-20W、20u-20w、30U-30W和30u-30w而转动的情况下，或在转子51由激励任一系统的绕组、例如20U-20W、20u-20w(或30U-30W、30u-30w)而转动的情况下，相邻绕组作为一组且磁性吸引转子51，藉此转动该转子。在两情况中的任一情况，位置传感器50能精确地检测转子51相对于这些绕组的位置。结果，当由激励两系统的全部绕组20U-20W、20u-20w、30U-30W和30u-30w而转动转子，转换至由只激励任一系统的绕组、例如20U-20W、20u-20w(或30U-30W、30u-30w)而转动转子时会产生的转矩脉动，就可被抑制，使得电动机10能平顺地驱动。
在作为另一实施例或变型而描述的电动机10中，设有两个位置传感器。因此，若任一位置传感器遭遇问题时，基于来自另一位置传感器的检测信号，能检测出转子51的旋转位置，因而能防止电动机10在其中一个位置传感器发生问题的同时停止。
在范示于图2的转向系统60中，可转向轮子40、40与机动车辆的转向机构31在机械上相分离，可转向轮子40、40的角方位是由上述结构的电动机42控制。所以，能以较低的成本和可靠的方式实现转向系统的失效保护能力。
尤其是，在图1或3所示的电动机10或42中，即使两系统中的任一系统碰到问题，电动机10或42仍以另一系统内的受激励的绕组20U-20W、20u-20w(或30U-30W、30u-30w)而继续运转。因为每一系统的绕组20U-20W、20u-20w(或30U-30W、30u-30w)被配置在定子11整个圆周区域被平分而成的半圆周区域S1或S2内，所以只被其中任一系统的绕组所操作的电动机10或42，其运转可通过电动机10或42所产生的输出转矩的改变、经由反作用致动器33而反映到转向感觉上的变化。因此，驾驶员可感觉到两系统其中之一的失效，而知道需要修理。
显然，基于以上教示，本发明还有很多可能的修改和变化，因此应理解，在所附权利要求书的范围内，本发明可以此处所具体描述者以外的方式实施。
权利要求
1.一种电动机，包括一转子，可相对其一轴线而转动；一定子，其内同轴地容纳所述转子，并具有多个齿，所述齿沿圆周方向配置于所述定子的一内表面上，且径向朝内突出；供两系统用的绕组，其分别卷绕在所述多个齿的周围，且由供所述两系统用的多向交流电流激励，所述绕组包括用于所述两系统中的每一系统内的每一相的、且极性相反的一正磁极绕组和一负磁极绕组；以及位置传感器装置，用于检测所述转子相对于所述定子的旋转位置；藉此，通过改变激励电流的相而旋转驱动所述转子，所述激励电流施加于所述两系统中的每一系统内的每一相的绕组。
2.如权利要求1所述的电动机，其特征在于，所述两系统中的每一系统内的每一相的所述正磁极绕组和所述负磁极绕组分别卷绕在所述定子上的所述多个齿中的相邻两齿的周围。
3.如权利要求2所述的电动机，其特征在于所述传感器装置包括两个位置传感器；以及当所述两个位置传感器其中之一遭遇问题时，所述两系统中的所述绕组根据来自另一位置传感器的位置信号而受激励。
4.一种转向系统，其中，一机动车辆的一转向机构与可转向轮子在机械上相分离，所述转向系统包括如权利要求1所限定的结构的一电动机；一转向角度传感器，用以检测所述转向机构的转向角度；以及一电子控制单元，其响应于所述转向角度传感器所检测到的所述转向角度，用以控制所述电动机的运转，从而控制所述可转向轮子的角方位。
5.一种转向系统，其中，一机动车辆的一转向机构与可转向轮子在机械上相分离，所述转向系统包括如权利要求2所限定的结构的一电动机；一转向角度传感器，用以检测所述转向机构的转向角度；以及一电子控制单元，其响应于所述转向角度传感器所检测到的所述转向角度，用以控制所述电动机的运转，从而控制所述可转向轮子的角方位。
6.一种转向系统，其中，一机动车辆的一转向机构与可转向轮子在机械上相分离，所述转向系统包括如权利要求3所限定的结构的一电动机；一转向角度传感器，用以检测所述转向机构的转向角度；以及一电子控制单元，其响应于所述转向角度传感器所检测到的所述转向角度，用以控制所述电动机的运转，从而控制所述可转向轮子的角方位。
7.如权利要求1所述的电动机，其特征在于，所述两系统其中之一系统内的所述绕组配置于环绕所述转子的圆周区域的一半内，而另一系统内的所述绕组配置于环绕所述转子的圆周区域的另一半内。
全文摘要
揭露了一种电动机，其中，两系统中之任一系统的每一相的正磁极绕组和负磁极绕组分别缠绕在沿周向布置在定子内表面并径向朝内突出的多个齿中的相邻两齿周围。因此，在转子由激励两系统的全部绕组而转动的情况下，或在转子由激励任一系统的绕组而转动的情况下，相邻绕组作为一组且磁性吸引转子，藉此转动该转子。在两情况中的任一情况，位置传感器能精确地检测转子相对于这些绕组的位置。结果，当由激励两系统的全部绕组而转动转子，转换至由只激励任一系统的绕组而转动转子时会产生的转矩脉动，就可被抑制，所以电动机能平顺地驱动。
文档编号H02K29/10GK1592046SQ200410068509
公开日2005年3月9日 申请日期2004年8月24日 优先权日2003年8月25日
发明者中村隆一 申请人:有限公司福倍思, 丰田工机株式会社, 光洋精工株式会社