分体式电磁耦合离合器及以其作动力的电控液压转向系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种分体式电磁耦合离合器及以其作动力的电控液压转向系统，属于电机及汽车转向控制领域。分体式电磁耦合离合器包括主电机和副电机，主电机固定在固定端上，主电机和副电机通过转子转轴同轴连接。主电机相当于一个双转子电机，副电机为直流永磁无刷电机。主电机的内转子和副电机的转子通过转子转轴连接，形成共轴转子。电控液压转向系统包括发动机、转向油泵，在发动机和转向油泵之间连接有分体式电磁耦合离合器，其输入端与发动机连接，输出端与转向油泵连接，分体式电磁耦合离合器上连接输出控制模块。本发明解决了液压转向系统高能耗、固定助力特性和高速时转向路感差的问题；改善了车辆的燃油经济性、操纵稳定性和行驶安全性。
【专利说明】分体式电磁耦合离合器及以其作动力的电控液压转向系统
【技术领域】
[0001]本发明属于电机及汽车转向控制领域，涉及一种分体式电磁耦合离合器和用分体式电磁稱合离合器作动力传输的电控液压转向系统。
【背景技术】
[0002]近年来，随着我国国民经济和高等级公路网的快速发展，作为长途公路客运和物流运输主力装备的重型车辆的产销规模也快速增长，重型车辆的节能、安全、环保问题日益受到重视。传统重型车辆的助力转向采用的是液压系统，该系统利用发动机驱动的转向油泵产生压力油，转向油泵与车辆液压转向齿轮相连接。由于发动机通过皮带直接驱动转向油泵，只要发动机正在运行，它也连续不断地运行；由于液压油一直循环地通过转向齿轮，导致连续不断的损耗。重型车辆在较高车速下行驶时，由于转向油泵转速不能随车速变化而变化导致路感明显减弱，直接危害车辆的操纵稳定性和行驶安全性。
[0003]一种获得转向助力随车速可变的方案是利用电液比例阀，改善了重型车辆高速行驶的转向操纵性，但未能解决转向系统的高能耗问题。这种方案可以利用旁通比例阀和步进电机旁通阀来获得随车速可变的助力；这种方案还可以利用组合电磁阀来调节旁通流量，进而可根据车速变化控制电磁阀的组合方式以改变液压助力。上述新方案都是从控制液压回路旁通流量的角度实现转向助力可变，从而改善车辆高速工况的转向路感，但在车辆运行的大部分时间内，转向油泵一直处于高速转动状态，液压系统的溢流损失和节流损失无法避免，因此不能降低转向系统的能耗。
[0004]另外一种获得按需提供助力的方案是利用磁流变液联轴器，把它集成在附属驱动和液压助力转向泵之间，从而提供一种方法来直接控制由发动机驱动的转向油泵转速。磁流变液联轴器通过控制由驱动轴传递给助力转向泵的转矩来提供连续可调的转速。这个方案的主要缺点是会产生转差功率，转差功率在联轴器内产生热量损耗，从而导致整个系统的效率不高。
[0005]综上可知，目前国内外针对乘用车和轻型商用车的液压转向系统已开展了大量研究工作，而针对重型车辆液压转向系统的研究还很少，已成功应用于乘用车和轻型商用车的多种新型转向系统不能满足重型车辆的使用要求，国内外针对重型车辆所研究开发的新型转向系统只解决了高速工况的转向路感差的问题，转向系统的高能耗问题尚未解决。因此，必须采用新的技术路线探求适合重型车辆特点并能有机协调转向操纵性与节能要求的新型转向系统的理论方法和技术方案。
【发明内容】
[0006]本发明针对现有技术存在的上述问题，提供一种基于改进型电磁转差离合器的分体式电磁耦合离合器，采用这种分体式电磁耦合离合器可以明显改善重型车辆的燃油经济性、操纵稳定性和行驶安全性。与传统的电磁转差离合器系统相比，分体式电磁稱合离合器的效率得到了明显地改善，并且同时可以获得随发动机转速可变的助力特性，从而提高了车辆的操纵稳定性和行驶安全性。
[0007]本发明通过以下技术方案来实现:
分体式电磁耦合离合器，包括主电机和副电机，主电机固定在固定端上，主电机和副电机通过转子转轴同轴连接。
[0008]主电机相当于一个双转子电机，包括外转子、内转子和转子转轴，外转子通过与其固定连接的凸缘部件以及连接于凸缘部件和转子转轴之间的轴承与内转子形成可共同绕转子转轴旋转的结构，内转子上设置有内转子绕组，外转子上设有与所述内转子绕组相匹配的外转子绕组。
[0009]副电机为直流永磁无刷电机,包括壳体、定子、转子和转子转轴，定子固定在壳体上，壳体固定不动，转子与转子转轴固定连接，并与定子保持同心，转子上设有永磁体，定子上设有与永磁体相匹配的定子绕组，主电机的内转子和副电机的转子通过转子转轴连接，形成共轴转子。
[0010]作为本发明的进一步改进，所述共轴转子为分体式结构，即所述转子转轴包括主转子转轴和副转子转轴，转子通过键连接与副转子转轴连接在一起共同旋转，副转子转轴与壳体通过轴承连接，副转子转轴可以相对壳体旋转，主转子转轴与副转子转轴通过联轴器机械连接，形成分段式结构的转子转轴。
[0011]作为本发明的进一步改进，所述共轴转子为一体式结构，即所述转子转轴为主、副电机共用的一体式的转轴，内转子通过键连接与转轴连接在一起共同旋转，转子通过键连接与转轴连接在一起共同旋转，转轴通过轴承与壳体相连，并可以相对壳体旋转。
[0012]作为本发明的进一步改进，所述外转子的内圆周面沿轴向开有外转子齿槽，所述外转子绕组设置于外转子齿槽内，所述内转子为隐极式内转子或凸极式内转子，所述隐极式内转子的外圆周面沿轴向开有内转子齿槽，内转子绕组设置于内转子齿槽内，所述的内转子绕组和外转子形成沿径向的磁通结构，所述凸极式内转子的外圆周面沿轴向设有凸出的磁极，内转子绕组集中置放于凸出的磁极上。
[0013]作为本发明的进一步改进，所述定子的内圆周面沿轴向开有定子齿槽，所述定子绕组设置于定子齿槽内，所述转子上的永磁体和定子形成沿径向的磁通结构。
[0014]作为本发明的进一步改进，所述内转子可以做成4极的结构也可以根据相应的工作需求做成6极的或者更多极的结构。
[0015]以上述分体式电磁I禹合离合器作动力的电控液压转向系统，包括发动机、转向油、转阀、转向器、动力缸和转向盘，在发动机和转向油泵之间连接有所述分体式电磁耦合离合器，分体式电磁耦合离合器的输入端通过皮带轮和皮带与发动机连接，输出端与转向油泵连接，在所述分体式电磁耦合离合器上还连接有输出控制模块。
[0016]进一步，所述输出控制模块包括用于检测外转子转速的第一传感器、用于检测共轴转子转速的第二传感器，与外转子绕组相连的第一逆变器，与定子绕组相连的第二逆变器，蓄电池和控制内转子绕组与定子绕组的电机控制单元，电机控制单元接收来自第一传感器和第二传感器的转速信号，同时接收车速、转向盘转角、转向盘转矩、制动踏板位置等信号，产生合适的电流提供给内转子绕组和合适的电压提供给定子绕组，从而提供可变的转向油泵转速和可变的转向助力。
[0017]本发明的有益效果是: 本发明分体式电磁耦合离合器对于传统的液压助力转向有很好的兼容性，因为只要把该系统集成在发动机和转向油泵之间，再把诸如车速、转向盘转角、转向盘转矩、制动踏板位置等等信号输入给电机控制单元，用于产生通给励磁线圈的电流和定子绕组的电压，从而改变转向油泵转速，达到改善重型车辆的燃油经济性、操纵稳定性和行驶安全性的目的。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是分体式电磁耦合离合器在液压助力转向中的布置示意图；
图2是分体式电磁耦合离合器原理示意图；
图3是具有分段式转轴的分体式电磁耦合离合器的结构示意图；
图4是具有一体式转轴的分体式电磁耦合离合器的结构示意图；
图5是具有隐极式磁极的主电机的结构示意图；
图6是具有凸极式磁极的主电机的结构示意图；
图7是具有表面凸出式永磁体的副电机的结构示意图；
图8是具有表面嵌入式永磁体的副电机的结构示意图；
图中:1、发动机；2、皮带轮；3、皮带；4、外转子；041、外转子绕组；042、外转子齿槽；043、外转子铁心；5、共轴转子；051、内转子；0511、内转子绕组；0512、内转子齿槽；0513、内转子铁心；0514、主转子转轴；052、转子；0521、永磁体；0522、转子铁心；0523、副转子转轴；053、联轴器;054、转轴;6、定子;061、定子绕组;062、定子齿槽;063、定子铁心;7、壳体；8、转向油泵；9、第二传感器；10、输出控制模块；101、第二逆变器；102、电机控制单元；103、蓄电池；104、第一逆变器；11、第一传感器；12、轴承；13、固定端；14、第一凸缘部件；15、紧固螺栓；16、第二凸缘部件；21、主电机；22、副电机。
【具体实施方式】
[0019]以下是本发明的具体实施例，并结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
[0020]如图1、2所示为把分体式电磁耦合离合器运用到液压助力转向中具体实施例，分体式电磁稱合离合器的主电机21通过皮带3与发动机I输出轴上的皮带轮2相连,主电机21和副电机22机械连接，副电机22与液压泵8机械相连。外转子绕组041通过电刷引出并连接到第一逆变器104上，第一逆变器104同时与蓄电池103与电机控制单元102电气连接，电机控制单元102输出电流给内转子绕组0511，并与第二逆变器101电气连接，第二逆变器101与定子绕组061相连。电机控制单元102接收来自第一传感器11和第二传感器9的转速信号，同时接收车速、转向盘转角、转向盘转矩、制动踏板位置等等信号，产生合适的电流提供给内转子绕组0511和定子绕组061，从而可以提供可变的转向油泵转速和可变的转向助力。
[0021]如图3所示，具有分段式转轴的分体式电磁耦合离合器包括主、副电机两个电机，主电机21包括外转子4、内转子051和第一凸缘部件14、第二凸缘部件16。外转子4通过第一凸缘部件14和第二凸缘部件16与内转子051形成同心可旋转的结构，外转子和凸缘部件通过紧固螺栓15相连，通过轴承12，外转子4和内转子051可以相对旋转并且保持在同心的状态，并且主电机21固定在固定端13上，内转子051通过键连接与内转子转轴0514连接在一起共同旋转。副电机22包括壳体7、定子6和转子052，定子6固定在壳体7上并保持固定不动，转子052与定子6保持同心，转子052上装置有永磁体0521，转子052通过键连接与转子转轴0523连接在一起共同旋转，转子转轴0523通过轴承12与壳体7可以相对旋转，内转子转轴0514与转子转轴0523通过联轴器053机械连接在一起，从而形成分段式结构的转轴。
[0022]如图4所示，具有一体式转轴的分体式电磁耦合离合器包括主、副电机两个电机，主电机21包括壳体7、外转子4、内转子051、第一凸缘部件14、第二凸缘部件16和转轴054。外转子4通过第一凸缘部件14和第二凸缘部件16与内转子051形成同心可旋转的结构，通过轴承12，外转子4和内转子051可以相对旋转并且保持在同心的状态，并且主电机21固定在壳体7上，内转子051通过键连接与转轴054连接在一起共同旋转。副电机包括壳体7、定子6和转子052，定子6固定在壳体7上并保持固定不动，转子052与定子保持同心，转子052上装置有永磁体0521，转子052通过键连接与转轴054连接在一起共同旋转，转轴054通过轴承12与壳体7可以相对旋转。转轴054为主、副电机共用，并做成一体式结构。
[0023]如图5、6所示，外转子4和内转子051组成的主电机。如图5所示，主电机的内转子做成隐极式内转子结构，由内转子绕组0511、内转子齿槽0512和内转子铁心0513组成，隐极式内转子做成圆柱形，气隙为均匀；图6所示的主电机的内转子做成凸极式内转子结构，由由内转子绕组0511和内转子铁心0513组成；主电机的外转子均是由外转子绕组041、外转子齿槽042和外转子铁心043组成。
[0024]如图7、8所示，定子6和转子052组成的副电机。如图7所示，副电机的转子052上的永磁体0521是表面凸出式，由永磁体0521和转子铁心0522组成；如图8所示，副电机的转子052上的永磁体0521是表面嵌入式，由永磁体0521和转子铁心0522组成；副电机的定子均是由定子绕组061、定子齿槽062、定子铁心063组成。外转子铁心043、内转子铁心0513的位置如图5和图6所示；转子铁心0522、定子铁心063的位置如图7和图8所
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[0025]本发明共分体式电磁耦合离合器的控制方法如下:
本发明分体式电磁I禹合离合器运行工况一，对于转向工况，主要分为发动机怠速转向工况和中高速转向工况。在发动机怠速转向工况下，主电机21的频率由发动机I转速和转向油泵8泵轴转速决定，这时电机控制单元102通过调节通给内转子绕组0511的励磁电流和通给定子绕组061的电压，使主电机21转矩和副电机22转矩共同作用产生足够的助力来满足转向助力的要求。在中高速转向工况下，电机控制单元102同样可以通过控制通给内转子绕组0511励磁电流和通给定子绕组061的电压产生足够的助力提供给转向油泵8，从而有良好的转向轻便性。
[0026]本发明分体式电磁耦合离合器运行工况二，在直线行驶的工况下，此时，我们应该减小转向油泵8的转速和转向助力，并使转向助力处于一个合适的位置，这样既可以大大地提高燃油经济性并且可以使转向系统有较好的路感，提高行驶安全性。为了达到上述的目的，我们通过电机控制单元102减小通给内转子绕组0511的励磁电流，使主电机21的电磁转矩不足以带动转向油泵8，此时，由于所需的助力较小，我们可以由主电机21和副电机22各自提供一半的转向助力，同时主电机21作为发电机使用，这样就可以达到上述目的。
[0027]综上所述，本发明一种分体式电磁耦合离合器，由共轴的主、副电机组成。主电机是一个改进型的电磁转差离合器，把传统的电磁转差离合器的电枢做成可以嵌放三相绕组的结构，并称之为外转子，同时外转子外圆周做成齿状，用于与发动机形成皮带轮传动，内转子做成隐极式磁极或者凸极式磁极。副电机为直流永磁无刷电机，定子装设三相绕组，转子上装置永磁体，永磁体有两种装置方式，一种是表面凸出式，一种是表面嵌入式。主、副电机的转轴通过联轴器连接在一起，或者两者的转轴做成一体式的。
[0028]本分体式电磁耦合离合器的主电机由内、外转子组成，外转子是输入轴，内转子是输出轴。副电机由定子和转子组成，转子作为输出轴。主电机的内转子和副电机的转子通过转轴机械刚性连接在一起作为整个系统的输出轴与转向油泵相连。在主电机中，内转子励磁线圈产生的磁力线从磁极的N极出发，穿过外转子和内转子之间的气隙，沿着外转子的磁轭到达磁极的S极对应的外转子部分，再穿过外转子和内转子之间的气隙，到达磁极的S极，再沿着转子的磁轭回到N极，形成一个闭合回路。在副电机中，转子上永磁体磁力线从永磁体N极出发，径向穿过定子和转子之间的气隙，沿着定子的磁轭到达另一相邻永磁体S体上方并径向穿过定子和转子之间的气隙到达该永磁体的S极，再从这一永磁体的N极出发沿转子的磁轭回到原来的永磁体的S极，形成一个闭合回路。通过控制励磁线圈的电流和定子绕组来控制整个系统的转速和转矩。
[0029]在上述分体式电磁耦合离合器中，主电机外转子的内圆周面沿着轴向开有齿槽，在齿槽内设置有三相绕组，隐极式内转子的外圆周面上沿着轴向开有齿槽，上述励磁线圈就设置于齿槽内，凸极式内转子做成带有凸出的磁极，励磁线圈集中置放于凸出的磁极上。副电机定子的内圆周面沿着轴向开有齿槽，上述定子绕组设置于齿槽内，转子上装置有用于产生磁通的永磁体。
[0030]主电机相当于一个双转子电机，既作发电机也作电动机使用，双转子电机以转速差作为发电机的发电转速，同时又带动内转子以内转子转速运动。副电机主要用于把主电机产生的电能转化为机械能作用在转轴上，从而把主电机原来消耗掉的转差功率转化成电能并加在输出轴上，所以提高了整个系统的效率。同时，我们可以控制这部分电能，从而达到调速的目的。
[0031]分体式电磁耦合离合器还包括输出控制模块，输出控制模块在重型车辆需要转向时让转向油泵以较高的转速运行，从而可以提供较大的转向助力；输出控制模块在重型车辆直行时让转向油泵以较低的转速运行，在提供必需的液压力的同时让转向油泵在更低的压力条件下运行，所以大大地减少了液压泵的寄生损耗，提高了燃油经济性。由于当不需要转向助力时，泵会在更低的压力条件下工作，这段时间超过90%的时间，因而运用分体式电磁耦合离合器的电控液压转向系统增加了泵的寿命，这也是本发明的一大优势。
[0032]在这个电控液压转向系统中，上述输出控制模块包括检测输入端转速的第一传感器、检测输出端转速的第二传感器，与外转子绕组连接的电源电路，与励磁绕组和定子绕组连接的电机控制单元，上述第一传感器、第二传感器和电源电路均与电机控制单元连接，电机控制单元能接收第一传感器和第二传感器传输的电信号并进行分析处理，同时根据所要求的行驶工况，电机控制单元输出相应的电流控制上述的分体式电磁耦合离合器。
[0033]在上述用分体式电磁耦合离合器的电控液压转向系统中，所述的电源电路包括与外转子绕组相连的第一逆变器和与第一逆变器相连的蓄电池，电机控制单元通过第二逆变器和副电机定子绕组相连，同时直接与励磁绕组相连。当液压泵需要较大的转矩时，给励磁绕组提供较大的励磁电流同时给定子绕组通合适的电流，主、副电机两者产生的转矩合成为转向油泵所需的转矩。当转向油泵需要较小的转矩时，给励磁绕组提供较小的励磁电流，主、副电机共同提供转矩给转向油泵。通过改变通给定子绕组的电流，我们可以得到随车速可变的转向助力。
[0034]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.分体式电磁耦合离合器，其特征在于，包括主电机(21)和副电机(22)，主电机(21)固定在固定端(13)上,主电机(21)和副电机(22)通过转子转轴同轴连接； 主电机(21)相当于一个双转子电机，包括外转子(4)、内转子(051)和转子转轴，外转子(4)通过与其固定连接的凸缘部件(14)以及连接于凸缘部件和转子转轴之间的轴承(12)与内转子(051)形成可共同绕转子转轴旋转的结构，内转子(051)上设置有内转子绕组(0511)，外转子(4)上设有与所述内转子绕组(0511)相匹配的外转子绕组(041)； 副电机为直流永磁无刷电机，包括壳体(7 )、定子(6 )、转子(052 )和转子转轴,定子(6 )固定在壳体(7 )上，壳体(7 )固定不动，转子(052 )与转子转轴固定连接，并与定子(6 )保持同心，转子(052)上设有永磁体(0521)，定子(6)上设有与永磁体(0521)相匹配的定子绕组 (061)，主电机(21)的内转子(051)和副电机的转子(052)通过转子转轴连接，形成共轴转子(5)。
2.根据权利要求1所述的分体式电磁耦合离合器，其特征在于，所述共轴转子(5)为分体式结构，即所述转子转轴包括主转子转轴(0514)和副转子转轴(0523 )，转子(052 )通过键连接与副转子转轴(0523)连接在一起共同旋转，副转子转轴(0523)与壳体(7)通过轴承(12)连接，副转子转轴(0523)可以相对壳体(7)旋转，主转子转轴(0514)与副转子转轴(0523)通过联轴器(053)机械连接，形成分段式结构的转子转轴。
3.根据权利要求1所述的分体式电磁耦合离合器，其特征在于，所述共轴转子(5)为一体式结构，即所述转子转轴为主、副电机共用的一体式的转轴(054)，内转子(051)通过键连接与转轴(054)连接在一起共同旋转，转子(052)通过键连接与转轴(054)连接在一起共同旋转，转轴(054)通过轴承(12)与壳体(7)相连，并可以相对壳体(7)旋转。
4.根据权利要求1或2或3所述的分体式电磁耦合离合器，其特征在于，所述外转子(4)的内圆周面沿轴向开有外转子齿槽(042)，所述外转子绕组(041)设置于外转子齿槽(042)内，所述内转子(051)为隐极式内转子或凸极式内转子，所述隐极式内转子的外圆周面沿轴向开有内转子齿槽(0512)，内转子绕组(0511)设置于内转子齿槽(0512)内，所述的内转子绕组(0511)和外转子(4)形成沿径向的磁通结构，所述凸极式内转子的外圆周面沿轴向设有凸出的磁极，内转子绕组(0511)集中置放于凸出的磁极上。
5.根据权利要求4所述的分体式电磁耦合离合器，所述定子(6)的内圆周面沿轴向开有定子齿槽(062)，所述定子绕组(061)设置于定子齿槽(062)内，所述转子(052)上的永磁体(0521)和定子(6)形成沿径向的磁通结构。
6.根据权利要求1或2或3所述的分体式电磁耦合离合器，其特征在于，所述内转子(051)可以做成4极的结构也可以根据相应的工作需求做成6极的或者更多极的结构。
7.以权利要求1至6中任意一项所述分体式电磁耦合离合器作动力的电控液压转向系统，包括发动机(I)、转向油泵(8)、转阀、转向器、动力缸和转向盘，其特征在于，在发动机(I)和转向油泵(8)之间连接有权利要求1至6中任意一项所述的分体式电磁耦合离合器，分体式电磁耦合离合器的输入端通过皮带轮(2)和皮带(3)与发动机(I)连接，输出端与转向油泵(8)连接，在所述分体式电磁耦合离合器上还连接有输出控制模块(10)。
8.根据权利要求7所述的以权利要求1至6中任意一项所述分体式电磁耦合离合器作动力的电控液压转向系统，其特征在于，所述输出控制模块(10)包括用于检测外转子(4)转速的第一传感器(11)、用于检测共轴转子(5)转速的第二传感器(9)，与外转子绕组(041)相连的第一逆变器(104)，与定子绕组(061)相连的第二逆变器(101)，蓄电池(103)和控制内转子绕组(0511)与定子绕组(061)的电机控制单元(102)，电机控制单元(102)接收来 自第一传感器(11)和第二传感器(9)的转速信号，同时接收车速、转向盘转角、转向盘转矩、制动踏板位置等信号，产生合适的电流提供给内转子绕组(0511)和合适的电压提供给定子绕组(061)，从而提供可变的转向油泵转速和可变的转向助力。
【文档编号】B62D5/04GK103633813SQ201310559212
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年11月12日 优先权日:2013年11月12日
【发明者】江浩斌, 徐哲, 唐斌, 赵回 申请人:江苏大学