双马达驱动组件的制作方法

本发明涉及一种双马达驱动组件，特别但不排他地适用于车辆的手轮致动器组件。

背景技术：

1、电动马达被广泛用于机动车辆应用中并在机动车辆应用中越来越常见。例如，已知提供一种电动动力辅助转向系统，其中，电动马达设备向转向系统的一部分施加辅助转矩，以使驾驶员更容易转动车辆的方向盘。辅助转矩的量值根据控制算法来确定，该控制算法接收一个或多个参数(比如通过驾驶员转动方向盘向转向柱施加的转矩、车辆速度等)作为输入。

2、电动马达在机动车辆应用中的使用的另一个示例是线控转向系统。在正常使用期间，这些系统与驾驶员握持的手轮和转向车轮没有直接的机械连接，其中传感器检测驾驶员对手轮的移动，并且马达响应于传感器的输出被驱动以产生使车轮转向的力。这些系统依靠传感器将方向盘处的用户输入数据转发到控制单元，这些控制单元将用户输入数据与其他信息(比如车辆速度和横摆速率)相结合，以将控制信号递送到物理致动车辆的转向齿条的主马达。控制单元还用于过滤掉来自前车轮的不需要的反馈，并向方向盘处的次级电动马达提供响应信号。次级马达响应于方向盘处的特定用户输入而为驾驶员提供适当的阻力和反馈，以模仿常规转向系统的感觉。

3、在线控转向系统中，第二组件的一部分的失灵或故障可能导致车辆无法转向。因此，期望提供具有用于提供至少暂时的故障安全操作的结构的第二组件。us 2006/0042858a1公开了包括转向组件的转向设备，该转向组件包括手轮致动器。手轮致动器包括用于支撑方向盘的转向轴、传动机构和两个马达，这两个马达各自用于向转向轴提供转矩。

4、gb 2579374 a公开了一种用于与线控转向手轮致动器一起使用的转向柱组件。该组件利用类似的双马达驱动系统，该双马达驱动系统包括第一马达和第二马达，该第一马达和该第二马达各自具有驱动相应输出传动机构的输出。每个输出传动机构驱动第一传动机构，该第一传动机构连接到方向盘的轴并被配置成使方向盘的轴旋转，以向驾驶员提供路感的感觉。双马达驱动系统用于通过同时驱动两个马达以向转向轴施加相反的转矩来减少传动机构咯咯声。具有两个马达还在系统中提供一些冗余。

5、典型地，这些应用使用永磁体同步马达(pmsm)，因为它们具有令人印象深刻的转矩密度和动态响应时间。由于成本和封装约束，pmsm通常设计为具有限定一组齿的开槽定子，具有包括用作一组永磁体的磁硬材料的转子。因此，永磁体可以形成转子的一部分，并且定子包括被线圈包围的磁软材料，但是相反的配置也是可能的。

6、这种类型马达的一个重要问题是转矩脉动。转矩脉动描述了转子旋转时马达输出转矩的周期性变化。这种类型马达的另一个问题是齿槽转矩，该齿槽转矩可能对转矩脉动有重要贡献。齿槽转矩是由于马达的每个循环期间硬磁材料与软磁材料之间的波动相互作用而产生的。这种波动相互作用是转子和定子之间的气隙的变化的结果，这与定子的开槽结构相关联。

7、齿槽转矩导致输出转矩的不期望的波动，并且由于这种影响仅取决于转子和定子的相对移动，因此它可能导致有动力马达和无动力马达两者的移动问题。在线控转向手轮致动器中，齿槽转矩更容易观察到，其中低回转速度意味着马达的转动惯量无法使转矩波动平稳。

8、减轻单个马达内的齿槽转矩的影响的一种方式是选择定子槽或永磁体磁极的数量，使得定子槽的数量除以转子磁极的数量是非整数数。这确保了一部分槽不会与磁体边缘对齐，这减少了齿槽转矩。虽然这种方法显着减少了齿槽转矩，但其代价给定电流下的转矩能力降低。

9、用于减少单个马达的齿槽转矩并推广到减少转矩脉动的另一种方法是使转子相对于定子倾斜，或者相反地使定子相对于转子倾斜。因此，定子槽与永磁体边缘之间的过渡不平行，这使得旋转期间的过渡更平滑。

10、转矩脉动经常被分析并表示为傅立叶级数。经常选择倾斜角来抵消显性的齿槽转矩谐波。对于没有制造缺陷的马达，这典型地是由转子的磁极与定子齿数的最小公倍数产生的齿槽转矩。例如，具有8个转子磁极和12个定子齿的马达，转子的每次回转，齿槽转矩将变化24次。选择15度的倾斜角(360/24)将使由转子磁极与定子槽的组合产生的转矩的基本变化平滑。然而，虽然显著减少了齿槽转矩并因此减少了转矩脉动，但这种方法降低了马达的能力。采用这种方法也仅解决了由马达内的磁极和槽的组合产生的转矩脉动，而不是由马达通电时存在的电流产生的转矩脉动。

11、本发明寻求改进与常规马达组件相关联的问题，同时使得能够在有倾斜和无倾斜的情况下使用一系列不同的马达拓扑结构。

技术实现思路

1、根据本发明的第一方面，一种双马达驱动组件包括壳体、相对于壳体可旋转地安装的轴、连接到轴并被配置成与轴一起旋转的第一传动机构、以及第一马达和第二马达，该第一马达和该第二马达各自具有驱动相应输出传动机构的输出，输出传动机构与第一传动机构啮合，其中每个马达包括永磁体马达，该永磁体马达具有相同数量的磁极和定子，使得每个马达在该马达的完整机械回转内产生相同图案的齿槽转矩，并且其特征在于，第一马达相对于第二马达的相对定相是固定的，由此，当轴被旋转时，由第一马达施加到轴的齿槽转矩的影响至少部分地被由第二马达施加到轴的齿槽转矩的影响抵消。

2、通过两个马达的相对定相，我们意指对于轴的任何位置，两个马达的机械角度都不相同。例如，定子可以相对于彼此偏移非零机械度数，或者转子彼此偏移非零度数，或者转子和定子两者均彼此偏移非零度数。因此，在马达中的第一马达定位在机械零度处的情况下，第二转子将处于机械非零度位置。从另一种角度来看，如果马达具有在转子相对于定子可以采用的0到360度的完整角度范围内变化的转矩脉动和齿槽转矩的图案，则两个马达可以在这些图案对准时相位对准，并且在这些图案未对准时具有相对相位差、相移。图案未对准的量可以表示为以度或弧度为单位的角度。

3、该组件可以包括用于两个马达的公共壳体。定子或转子或两者之间的偏移可以通过将两个马达的定子以适当的取向固定到壳体中来实现。可以选择两个马达的取向以提供马达之间的相对相位差。以这种方式，两个马达中的每个马达可以基本相似，从而在转子中的每个转子和它们相应的输出传动机构之间具有相同的角度关系。如此，两个转子可以连接到轴，使得它们具有相同的角度电气位置(即，随着第一传动机构在第一平面中旋转时，当第一转子的北极在第一平面中对准时，第二转子的对应北极也在第一平面中对准)。

4、替代性地，马达可以固定至壳体，使得两个定子在没有相对相位差的情况下对准，并且转子以非零相对相位差接合传动轮。以这种方式，两个马达中的每个马达在转子中的每个转子和它们相应的输出传动机构之间具有不同的角度关系。

5、优选地，两个马达中的每个马达的转子和定子在拓扑结构上是相同的。通过这个我们的意思是它们具有相同数量的转子磁体或磁极，以及相同数量的定子磁体或磁极。这有利于减少组件的材料清单，并简化两个马达的控制和驱动电路的设计。

6、双马达驱动组件可以形成车辆的手轮致动器组件的一部分，其中轴包括固定部分，由此轴可以固定到方向盘或轭部。

7、在双马达组件的设计期间，可以根据马达拓扑结构来选择马达之间的相对定相。可以根据以下马达参数来选择相移：

8、转子磁极数，即马达中磁体的数量；

9、每一个机械旋转的特定波形的循环次数；

10、马达倾斜角；

11、如果马达是步进倾斜的，则磁体的每一步的倾斜角。

12、在具有安装到转子的永磁体的马达的一种布置中，马达相移可以由以下等式确定：

13、nperiod＝npq/hcf{q,np}

14、其中

15、np是磁极数

16、q是定子槽数

17、nperiod是一个机械循环中重复齿槽循环的次数；

18、以及

19、θsk＝(2/np)*(2π/q)并且(θss＝θsk/ns)(ns可以称为共享相同输出的定子或马达的数量)

20、其中：

21、θss是每一步的倾斜角，

22、ns是转子圆盘(puck)或步斜角(step skew)的数量，并且

23、θsk是整个转子的总斜角

24、从上面的等式可以得出：

25、mech.deg.per cogging cycle(每个齿槽循环的机械度)＝360/nperiod

26、并且由此可以确定两个马达之间的相对相移＝mech.deg.per cogging cycle/2

27、**(θss＝θsk/ns)(ns可以指共享相同输出的定子或马达的数量)并且(θss可以用作定子之间的移位角度)

28、**θsk＝(2/np)*(2π/q)

29、当两个马达均包括永磁体马达，其中转子具有六个永磁体并且定子具有典型地布置为三组相位a、b和c的9个线圈绕组，即所谓的9：6马达时，两个马达之间的相对相移可以设置为每个齿槽循环10机械度，即20机械度，因为：

30、nperiod＝npq/hcf{q，np}＝9*6/3＝18

31、mech.deg.per cogging cycle＝360/nperiod＝360/18＝20°mech.deg.

32、stator shift req.＝mech.deg.per cogging cycle/2＝20/2＝10°mech.required

33、θsk＝θsk＝(2/np)*(2π/q)＝2*360/(9*6)＝20°mech.

34、θss＝θsk/ns＝20°/2＝10°mech.

35、θss＝定子之间的移位角度

36、如果马达是具有典型地布置为四组相位a、b和c的12个定子绕组的12：8马达，并且转子具有8个永磁体，则马达之间的偏移可以设置为每个齿槽循环7.5机械度，即15机械度，因为：

37、nperiod＝npq/hcf{q，np}＝12*8/4＝24

38、mech.deg.per cogging cycle＝360/nperiod＝360/24＝15°mech.deg.

39、stator shift req.＝mech.deg.per cogging cycle/2＝15/2＝7.5°mech.required

40、θsk＝θsk＝(2/np)*(2π/q)＝2*360/(12*8)＝15°mech.

41、θss＝θsk/ns＝15°/2＝7.5°mech.

42、θss＝定子之间的移位角度

43、如果马达是具有典型地布置为四组相位a、b和c的12个定子绕组的12：10马达，并且转子具有10个永磁体，则马达之间的偏移可以设置为每个齿槽循环3机械度，即6机械度，因为：

44、nperiod＝npq/hcf{q，np}＝12*10/2＝6060thmech.order ripple

45、mech.deg.per cogging cycle＝360/nperiod＝360/60＝6°mech.deg.

46、stator shift req.(定子偏移需求)＝mech.deg.per cogging cycle/2＝6/2＝3°mech.required(机械需求)

47、θsk＝θsk＝(2/np)*(2π/q)＝2*360/(12*10)＝6°mech.

48、θss＝θsk/ns＝6°/2＝3°mech.

49、θss＝定子之间的移位角度

50、上述相移提供了输出轴处存在的总齿槽转矩的显著降低，因为每个马达产生的齿槽转矩部分抵消。

51、除了在两个马达均无动力的时间处轴被旋转时存在的齿槽转矩之外，还可以设置两个马达的相对相位，使得当电流流过马达绕组时出现的由第一马达施加到轴的转矩脉动至少部分地被流过另一马达的电流的影响抵消。

52、对于三相马达，已知转矩脉动的主要分量始终是6阶电气分量，并由以下表达式定义：

53、torque ripple order mech.(转矩脉动阶机械)＝6*np/2

54、mech.deg.per tripplecycle(机械度每tripplecycle)＝360/nperiod

55、stator shift req.＝mech.deg.per cogging cycle/2

56、通过应用这些等式，两个马达的相移最好地抵消转矩脉动的影响如下：

57、以9:6马达为例：

58、torque ripple order mech.＝6*6/2＝18

59、＝18th order mech.

60、mech.deg.per tripplecycle＝360/trippleorder mech＝360/18＝20°mech.

61、stator shift req.＝mech.deg.per tripplecycle/2＝20/2＝10°mech

62、以12:8马达为例：

63、torque ripple order mech.＝6*8/2＝24

64、＝24th order mech.(第24阶机械)

65、mech.deg.per tripplecycle＝360/trippleorder mech＝360/24＝15°mech.

66、stator shift req.＝mech.deg.per tripplecycle/2＝15/2＝7.5°mech

67、以12:10马达为例：

68、torque ripple order mech.＝6*10/2＝30

69、＝30th order mech.

70、mech.deg.per tripplecycle＝360/trippleorder mech＝360/30＝12°mech.

71、stator shift req.＝mech.deg.per tripplecycle/2＝12/2＝6°mech

72、申请人已经认识到，对于一些马达拓扑结构，用于抵消齿槽转矩和用于抵消马达转矩脉动的最佳角度不是相同的。然而，申请人已经认识到，可以通过适当的相移来提供对由于齿槽转矩或转矩脉动而存在的谐波中的一个或更多的优化量的抵消，并且对于双马达驱动组件的给定应用，最佳的将取决于哪种谐波最麻烦。

73、在9:6马达拓扑结构的情况下，用于减少马达电流引起的齿槽转矩和转矩脉动两者的最佳移位为10度。如此，提供具有10度相移的这种布置的两个马达是本发明的最优选的实施方式。

74、申请人还认识到，由于由于齿槽转矩和转矩脉动而存在的谐波的周期性性质，因此可以在几个不同的相位差处实现马达之间的相位差的相同益处。

75、相应地，对于9:6马达，优选的是将马达之间的相位差设置为10度加上m*20度，其中m是整数值或零，即10度、30度、50度、70度....等的相位差。

76、可以选择相位差以优化特定谐波的抵消，例如18阶谐波或36阶谐波。

77、优选地，第一传动机构包括蜗杆传动机构，并且输出传动机构中的每个输出传动机构包括蜗杆。

78、优选地，两个蜗杆的旋转轴线相对于彼此倾斜，并且两个蜗杆的旋转轴线优选地还垂直于第一传动机构的旋转轴线延伸。

79、这减小了组件的总体尺寸，这促进将其安装在车辆内相对有限的体积内。

80、优选地，马达位于壳体内。

81、在优选实施例中，除了它们的取向之外，马达基本上相同。另外，优选地，输出传动机构也基本上相同，使得从马达到轴的转矩倍增是相同的。