CN102991567A

CN102991567A - 电动动力转向***

Info

Publication number: CN102991567A
Application number: CN2012103236534A
Authority: CN
Inventors: 元田晴晃
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2012-09-04
Publication date: 2013-03-27
Also published as: US20130062137A1

Abstract

一种电动动力转向***包括：电机，容纳在具有圆柱部分的电机壳体中，且提供转向辅助力至转向轴；控制单元，其控制电机且具有位于沿电机壳体的轴向方向和电机的输出轴相对的侧面上的ECU壳体；电力转换电路，容纳在ECU壳体中且具有用于控制电机的驱动的半导体开关；和控制电路，容纳在ECU壳体中且控制半导体开关。该电动动力转向***还包括导电部件，其电连接半导体开关的输出端子和电机的输入端子。导电部件的金属板的一部分邻接电机壳体或ECU壳体的内表面。

Description

电动动力转向***

技术领域

本发明涉及一种电动动力转向***，其包括产生转向辅助扭矩的电机和控制电机的控制单元。

背景技术

用于车辆的电动动力转向***被配置为使得，检测由驾驶者转向盘操作转动的转向轴的转动扭矩和转动方向，且基于这些检测到的值驱动电机沿和转向轴的转动方向相同的方向旋转，继而产生转向辅助扭矩。电动动力转向***设置有控制单元（ECU：电子控制单元），以控制该电机。

作为相关现有技术电动动力转向***的控制单元的示例，其公开于日本专利临时公开No.2010-269693中（此后称作“JP2010-269693”）。如在JP2010-269693中的图1中示出的，在JP2010-269693中公开的电动动力转向***包括输出辅助扭矩的电机101、用于降低电机101的旋转速度且包括涡轮114和蜗杆轮115的减速齿轮112、和控制电机101的驱动的驱动器120。控制器120包括半导体开关元件121、电路板122、导电板123、和罩部件124。在JP2010-269693中，通过将控制器120布置在电机101和减速齿轮112之间，实现了电动动力转向***的尺寸减小。

然而，在JP2010-269693中，电机101的电枢绕组109的端部部分被焊接至连接端子110，且连接端子110被连接至电路板122。在另一方面，作为产生热量的元件的半导体开关元件121被通过导电板123连接至电路板122，且半导体开关元件121被通过用于散热的散热器129固定至罩部件124的内表面。

由于该构造，在电机101的电枢绕组109中产生的热量被通过连接端子110、电路板122和导电板123传输至半导体开关121。即，电枢绕组109的热量被传导至半导体开关元件121。因此，从电枢绕组109传导至半导体开关元件121的热量和由半导体开关元件121产生的热量被加和，该加和后的热量继而被通过散热器129和罩部件12传导至齿轮箱113，且从齿轮箱113的外表面散热至大气。

由于电枢绕组109的热量被通过发热元件的半导体开关元件121传导至齿轮箱113，半导体开关元件121和电机101的散热没有被充分地进行。

此外，由于来自电枢绕组109的热量从齿轮箱113散出，该齿轮箱成为半导体元件121的散热部分，需要齿轮箱113的大的热质量，且齿轮箱113可能尺寸增加。

发明内容

因此本发明的目的是提供一种电动动力转向***，其能够充分地进行控制单元和电机的散热。

根据本发明的一个方面，一种电动动力转向***包括：电机，容纳在具有圆柱部分的电机壳体中，且提供转向辅助力至转向轴；控制单元，其控制电机且具有位于沿电机壳体的轴向方向和电机的输出轴相对的侧面上的ECU壳体；电力转换电路，容纳在ECU壳体中且具有用于控制电机的驱动的半导体开关；和控制电路，容纳在ECU壳体中且控制半导体开关；和导电部件，其电连接半导体开关的输出端子和电机的输入端子，且导电部件的金属板的一部分邻接电机壳体或ECU壳体的内表面。

根据本发明的另一个方面，一种电动动力转向***包括：电机，容纳在具有圆柱部分的电机壳体中，且提供转向辅助力至转向轴；控制单元，其控制电机且具有位于沿电机壳体的轴向方向和电机的输出轴相对的侧面上的ECU壳体；电力转换电路，容纳在ECU壳体中且具有用于控制电机的驱动的半导体开关；和控制电路，容纳在ECU壳体中且控制半导体开关；导电部件，其电连接半导体开关的输出端子和电机的输入端子；和电机继电器，其包括半导体元件且施加电力至电机或停止电力；且导电部件的金属板的一部分邻接电机壳体的内表面，且电机继电器安装在导电部件上。

本发明的其他目标和特征将参照附图从下文的描述中被了解。

附图说明

图1是示出了本发明的电动动力转向***的关键部分的透视图，其中保持部件被移除。

图2是示出了本发明的电动动力转向***的该关键部分的透视图。

图3是电动动力转向***的剖视图。

图4是电动动力转向***的该关键部分的放大的剖视图。

图5是示出了电动动力转向***的外观的透视图。

图6A和6B是说明电动动力转向***中的热量传导状态（热量的传导方向和热量的传导量）的视图。图6A是相关现有技术的电动动力转向***的情形，图6B是本发明的情形。

图7A和7B是示出了电动动力转向***中每一个元件或构件的温度变化的视图。图7A是相关现有技术电动动力转向***的情形，图7B是本发明的情形。

图8是示出了电机的悬臂结构的视图(示出电机固定且支撑在仅一侧）。

具体实施方式

根据本发明，在电机的电枢绕组中产生的热量被从电枢绕组的输入端子通过导电部件和绝缘层传导至电机壳体或ECU壳体，且从壳体的外侧散热至大气。

根据本发明，在电机继电器中产生的热量也被通过导电部件传导至电机壳体，且从电机壳体的外侧散热至大气。

现在将参照附图说明本发明的电动动力转向***的实施例。

[构造]

图5中示出了车辆的转向前轮的转向机构。小齿轮（未示出）设置在转向轴1的下端部处，该转向轴连接至转向盘（未示出），且小齿轮接合沿车辆的左右方向延伸的齿条(未示出）。用于将前轮沿左右方向转向的连杆（tierod）2被分别连接至齿条的两个端部。齿条由齿条壳体3覆盖。在齿条壳体3和每一个连杆2之间，设置有橡胶套管（弹性套管）4。

电动动力转向***6被提供以在转向盘的转动操作时通过提供扭矩来辅助驾驶员的转向努力。即，电动动力转向***6包括检测转向轴1的转动方向和转动扭矩的扭矩传感器5、基于扭矩传感器5的检测值提供扭矩辅助力至转向轴1的电机7、和控制电机7的控制单元（ECU）8。

如图3所示，电机7容纳在具有圆柱部分的电机壳体7a、7b中。电机壳体7a和电机壳体7b沿轴向方向堆叠，且通过内六角螺钉7f结合在一起。分区壁（或隔板）7g形成在电机壳体7a中，而分区壁（或隔板）7h形成在电机壳体7b中。分区壁7g、7h分别设置有轴承7i、7j，且电机7的输出轴7c由这些轴承7i、7j旋转地支撑。输出轴7c在其上端部处设置有小齿轮7d。小齿轮7d通过图5中示出的齿轮9的一部分连接至转向轴1。该齿轮9的齿轮壳体9和齿条壳体3一体形成。

控制单元8具有ECU壳体8a、电力转换电路（或电力变换器电路）26和控制单元10。

ECU壳体8a位于沿电机壳体7a、7b的轴向方向和电机7的输出轴7c相对的侧面上。在电机壳体7a和ECU壳体8a之间设置有O形环28。ECU壳体8a还用作ECU热沉，以冷却后述的MOSFET 12。在ECU壳体8a中，设置有分区壁29以将ECU壳体8a的内部沿轴向方向分成两侧。在图3中，电力转换室30限定在分区壁29的上部侧上，而控制室31限定为从分区壁29的下部侧上的ECU壳体8a的内部至电机壳体7a的内部。

电力转换室30在其中容纳电力转换电路26。通过在第一金属电路板11上安装MOSFET 12（其作为半导体开关以控制电机7的驱动）来配置电力转换电路26。标号32是铝电容器。

控制室31在其中容纳有控制电路10。控制电路10控制MOSFET 12等，且通过将电子元件或构件安装在印刷板13上构成，该印刷板13被设置在位于电机壳体7a和ECU壳体8a之间的边界位置处。

标号27是连接至电池（未示出）的连接器。电力继而被经由该连接器27供应至电力转换电路26和控制电路10。

控制室31设置有散热机构，以将在电机7的电枢绕组7e中产生的热量从电机壳体7a的外表面散出。

图4是图3中示出的散热机构的局部的放大剖视图。图4中的每一个构件也由图1中的透视图示出。如图所示，半导体开关MOSFET 12的输出端子14u、14v、14w和电机7的输入端子16u、16v、16w被作为载流部件（或导电部件）电连接至第二金属电路板15。此处，导电部件指的是其中绝缘层形成在金属板上且构成电路的配线部分形成在绝缘层上的部件。第一金属电路板11和第二金属电路板15两者都通过在铝板上形成绝缘层且在绝缘层上印刷铜箔配线图案而被构成。

如从图1清晰可见，MOSFET 12的输出端子14u、14v、14w连接至第二金属电路板15的一侧（上侧部），而电机7的输入端子16u、16v、16w连接至第二金属板15的另一侧（下侧部）。这些输入和输出端子的每一个都电连接至位于第二金属电路板15上的配线图案。

两个电机继电器18u、18v被安装在第二金属电路板15上。这些电机继电器18u、18v包括施加电力或停止电力的半导体元件。

下面，将说明电机继电器18u、18v的电连接。电机继电器18u通过第二金属电路板15上的配线图案连接在作为半导体开关的MOSFET 12的输出端子14u和电机7的输入端子16u之间。在另一方面，电机继电器18v通过第二金属电路板15上的配线图案连接在作为半导体开关的MOSFET 12的输出端子14v和电机7的输入端子16v之间。作为半导体开关的MOSFET 12的输出端子14W和电机7的输入端子16w被直接连接，而没有电机继电器的干涉。

关于其上安装有电机继电器18（18u、18v）的第二金属电路板15，第二金属电路板15被保持为第二金属电路板15的铝板的一部分（表面）压靠在电机壳体7a的内表面上。更具体地，为了将第二金属电路板15的铝板的表面压靠在电机壳体7a的内表面上，设置有保持部件19，如图2所示。保持部件19是一部件，其中三个沿水平方向延伸的连接金属件（或连接夹）20u、20v、20（如图1所示）被作为绝缘材料的树脂模制或覆盖。

如图2所示，保持部件19形成为沿轴向方向延伸的板状形状。保持部件19在其一侧上具有两个突起部19a以确保用于下述分解器信号端子25的配线空间，而在其另一侧上具有两个凹陷部分19b，其中安装有电机继电器18u、18v。此外，保持部件19在其下部部分处具有沿水平方向突起的固定座19c。通过将螺钉21***形成在固定座19c处的相应固定孔中并将螺钉21拧在电机壳体7a的分区壁7g上，保持部件19被固定至电机壳体7a。通过该固定，第二金属电路板15被压靠在电机壳体7a的内表面上，其中第二金属电路板15被夹在保持部件19和电机壳体7a之间。

电机7的电枢绕组7e的端部部分23u、23v、23w延伸至输出轴7c的小齿轮7d沿轴向方向的相对侧，且穿透分区壁7g。电枢绕组7e的这些端部部分23u、23v、23w继而被焊接至相应的树脂模制连接夹20u、20v、20w的一个侧部边沿（在径向向内侧处）。此外，在径向向外侧，三个树脂模制连接夹20u、20v、20w的其他侧部边沿分别通过螺钉（或螺栓）22a和螺母22b连接至电机7的输入端子16u、16v、16w的下端部。此处，为了能够从电机壳体7a的外部拧螺钉22a，在电机壳体7a中形成穿透电机壳体7a的作业开口（或三个作业开口）7k（参见图3）。

在图1至4中，标号24是分解器。标号24a是固定至电机7的输出轴7c的转子，且标号24b是固定至分区壁7g且检测转子24a的旋转速度的定子。为了将由分解器24检测到的输出轴7c的旋转速度的信号发送至控制电路10，连接分解器24和印刷板13的六个分解器端子25被沿轴向方向布置。

图5中示出的齿轮9、控制单元8、电机7的结构被示出在图8中。如在图8中可见，电机7仅在其一侧上被固定且支撑。即，电机壳体7b的输出轴7c侧处的一个端部被通过螺栓（或多个螺栓，未示出）结合至形成转向机构的齿轮9的齿轮壳体，于是电机7具有悬臂结构。悬臂结构中的电机7的重心位置（重心的位置）被定位为靠近齿轮9和电机壳体7b结合部分33。具有悬臂结构的电机7的自由端部侧(控制单元8侧）沿垂直和水平方向的全部方向摆动或振动，如图8中的箭头所示。

[操作]

下面，将说明电动动力转向***的操作。

当转向轴1被通过驾驶者转向盘操作沿一定的转向方向操作且转动时，扭矩传感器5检测转向轴1的转动方向和转动扭矩。控制电路10基于检测值计算电机7的驱动操作量，然后电机7由电力转换电路26的MOSFET 12基于该计算值驱动。电机7的输出轴7c旋转，以沿和转向轴1的操作方向相同的方向驱动或转动转向轴1，且输出轴7c的该旋转被作为转向辅助扭矩通过图5中示出的齿轮9从小齿轮7d传输至转向轴1。

根据该实施例，在电机7的电枢绕组7e中产生的热量被通过连接夹20u、20v、20w从电枢绕组7e的端部部分23u、23v、23w传导至输入端子16u、16v、16w，且还通过第二金属电路板15和绝缘层从输入端子16u、16v、16w传导至电机壳体7a。热量继而从电机壳体7a的外侧（外表面）散热进入大气，且还通过电机壳体7b从电机壳体7a传导至齿轮9，如图8中的虚线所示。

不止是在电枢绕组7e中产生的热量，在半导体元件的电机继电器18u、18v中产生的热量也通过第二金属电路板15传输至电机壳体7a。和在电枢绕组7e中产生的热量的散热一样，该热量从电机壳体7a的外侧（外表面）散热进入大气，且还通过电机壳体7b从电机壳体7a传输至齿轮9，如图8中的虚线所示。

在另一方面，在MOSFET 12中产生的热量被通过第一金属电路板11传导至ECU壳体8a，然后从ECU壳体8a的外侧（外表面）散热进入大气中。

在电动动力转向***中，在电机7的电枢绕组7e中产生的热量被通过输入端子16u、16v、16w和第二金属电路板15传导至电机壳体7a，并从电机壳体7a的外侧(外表面）散热进入大气，或还通过电机壳体7b从电机壳体7a传导至壳体9。电机7的散热效率因此增加。此外，在电机7的电枢绕组7e中产生的热量通过输出端子14u、14v、14w至作为半导体开关的MOSFET12的传导被抑制。

在电动动力转向***中，在半导体元件的电机继电器18u、18v中产生的热量被通过第二金属电路板15传导至电机壳体7a，且从电机壳体7a的外侧（外表面）散发进入大气，或也通过电机壳体7b从电机壳体7a传导至齿轮9。电机继电器18u、18v的散热效率因此增加。此外，电机继电器18u、18v被从控制单元8分立开，且固定至第二金属电路板15，且第二金属电路板15被容纳在电机壳体7a中。这因此降低了控制单元8的热量产生量。

此外，由于电机继电器18u、18v由半导体元件配置，和机械继电器相比，热量被容易地传导至第二金属电路板15和电机壳体7a，在机械继电器中热量结构性地倾向于累积，而热量也难于传导至MOSFET 12。因此，控制单元8的温度增加被抑制。

此外，通常电机继电器18u、18v被容纳在ECU壳体8a中。但是，在本实施例中，电机继电器18u、18v被容纳在电机壳体7a中。因此，尽管电机7沿轴向方向尺寸增加，控制单元8沿径向方向尺寸可减小。

在电动动力转向***中，在电机7的电枢绕组7e中产生的热量被传导至电机壳体7a的同时，在MOSFET 12中产生的热量被传导至ECU壳体8a，随后这些热量分别从不同的壳体的外侧散发进入大气。这导致了散热的高效率。换句话说，由于热量传导至不同的壳体且从不同的壳体散发，可在不增加壳体的热质量的情形下实现恰当的散热。

根据该实施例，由于第二金属电路板15被压靠在电机壳体7a的内表面上，第二金属电路板15和电机壳体7a被牢固地附接，因此热量被从第二金属电路板15高效地传输至电机壳体7a。此外，由于能够抑制在位于MOSFET12的输出端子14u、14v、14w和第二金属电路板15之间的连接部（焊接连接部）处的由车辆震动造成的应力的产生，增加了连接部的可靠性。

在电动动力转向***中，由于第二金属电路板15和电机壳体7a被牢固地附接，热量从第二金属电路板15高效地传导至电机壳体7a，且在电机7的电枢绕组7e中产生的热量高效地从电机壳体7a的外侧（外表面）散发进入大气。而且，在电机继电器18u、18v中产生的热量从电机壳体7a的外侧（外表面）高效地散发进入大气，或也通过电机壳体7b从电机壳体7a传导至齿轮9。

此外，由于第二金属电路板15被通过由保持部件19将第二金属电路板15压靠在电机壳体7a上而保持，第二金属电路板15被牢固地固定至电机壳体7a，并由此增加第二金属电路板15的牢固性（固定的可靠性和可作业性）。

在电动动力转向***中，由于电机继电器18u、18v由半导体元件配置，在半导体元件中产生的热量被通过第二金属电路板15传导至电机壳体7a，且从电机壳体7a的外侧（外表面）散发进入大气，或也通过电机壳体7b从电机壳体7a传导至齿轮9。因此，散热效率较热量结易于构性地累积的机械继电器而言要高，这抑制了电机壳体7a中的温度增加。

根据该实施例，如图8所示，电机继电器18u、18v设置且定位在电机壳体7a中，该电机壳体相较于ECU壳体8a定位在更靠近电机壳体7b和转向机构的齿轮9的壳体的结合部分33的位置处。因此，电机7的重心位置靠近结合部分33，且包括悬臂结构的电机7较不易于摆动或振动。

在电动动力转向***中，电机继电器18u、18v固定至的第二金属电路板15未被容纳在ECU壳体8a中，而是容纳在电机壳体7a中。因此，由于电机继电器18u、18v定位在更靠近具有悬臂结构的电机7的结合部分33的位置处，电机继电器18u、18v靠近电机7的重心位置G（图8中示出），且电机7的摆动运动或振动可被抑制。

此处，热传导状态，即，在电机7的电枢绕组7e中产生以及在作为半导体开关的MOSFET 12中产生的热量的传导方向和传导量，被示出在图6A和6B。图6A是相关现有技术电动动力转向***的情形。图6B是本实施例的情形。

如箭头（a）和（b）所示，在相关现有技术电动动力转向***和本实施例之间，在MOSFET 12中产生的热量通过第一金属电路板11至ECU壳体（ECU热沉）8a的传导上并没有大的区别。但是，关于在电机的电枢绕组中产生的热量，在相关现有技术电动动力转向***的情形中，如由图6A中的箭头（c）、（d）和（e）所示，电机的电枢绕组的大部分热量通过ECU总线端子和电机继电器流至MOSFET。而且，在电机继电器中产生的热量如箭头（e）所示流向MOSFET。一部分剩余热量被通过电机壳体传导至齿轮，如箭头（f）和（g）所示。此外，如箭头（h）所示，热量从温度变高的电机壳体传导至温度低的ECU壳体（ECU热沉）。

与此形成对比，在图6B中示出的本实施例的情形中，如箭头（i）和（j）所示，在电机7的电枢绕组7e中产生和在MOSFET 12中产生的热量两者的部分都被传导至设置在它们中间的第二金属电路板15，且从第二金属电路板15继续传导，如箭头（k）和（l）所示，至电机壳体7a、7b和ECU壳体（ECU热沉）8a。电机继电器18u、18v和电枢绕组7e中产生的热量的剩余部分被通过电机壳体7a、7b传导至齿轮9，如箭头（m）和（n）所示。如箭头（o）所示，热量从温度变高的ECU壳体（ECU热沉）8a传导至电机壳体7a、7b。

MOSFET 12的热量产生量大，且MOSFET 12在自身散热上有局限。因此，如果电机继电器18u、18v和电机7的电枢绕组7e中产生的热量被传导至MOSFET 12，则过量的热量累积在MOSFET 12中。此外，如果MOSFET12中累积的热量的量增加，则将执行电动动力转向***的故障安全功能。这降低了电机的驱动力，且逐渐降低了转向辅助力，并最终停止电机，这导致了沉重的转向操作。

在本实施例中，由于在电机继电器18u、18v和电机7的电枢绕组7e中产生的热量被通过第二金属电路板15传导至电机壳体7a、7b和ECU壳体（ECU热沉）8a，至MOSFET 12的热传导被抑制。这因此阻止执行电动动力转向的故障安全功能。

图7A和7B中示出了由作为半导体开关的MOSFET 12、电机7的电枢绕组7e、和电机继电器18u、18v中产生的热量导致的每一个元件或构件的时间和温度之间关系（温度变化）。图7A是相关现有技术电动动力转向***的示例。图7B是本实施例的示例。

在相关现有技术电动动力转向***和本实施例之间，在齿轮和电机壳体的温度（温度变化）上几乎没有区别。但是，关于MOSFET和电机的输入端子，本实施例中它们的温度低于相关现有技术电动动力转向***中的那些。

在本实施例中，尽管第二金属电路板15被用作载流部件（导电部件），可使用金属电路板之外的部件。此外，尽管第二金属电路板15被通过保持部件19压靠在电机壳体7a上，金属电路板可被使用螺栓直接压靠在电机壳体7a上。此外，尽管导电部件接触或邻接电机壳体7a的内表面，导电部件可接触或邻接ECU壳体8a的内表面。

2011年9月14日提交的日本专利申请No.2011-200058和2011年提交的日本专利申请No.2011-200059的全部内容被通过引用的方式合并于此。

尽管参照本发明的一些实施例在上文中对本发明进行了描述，本发明不限于上文中描述的实施例。本领域技术人员基于上述教导可产生对上述实施例的改动和变动。本发明的范围被参照所附权利要求所限定。

Claims

1.一种电动动力转向***，包括：

电机，容纳在具有圆柱部分的电机壳体中，且提供转向辅助力至转向轴；

控制单元，其控制电机，所述控制单元具有：

ECU壳体，位于沿电机壳体的轴向方向与电机的输出轴相对的侧面上；

电力转换电路，容纳在ECU壳体中且具有用于控制电机的驱动的半导体开关；和

控制电路，容纳在ECU壳体中且控制该半导体开关；和

导电部件，其电连接半导体开关的输出端子和电机的输入端子，以及导电部件的金属板的一部分邻接电机壳体或ECU壳体的内表面。

2.如权利要求1所述的电动动力转向***，其中：

导电部件邻接电机壳体的内表面。

3.如权利要求1所述的电动动力转向***，还包括：

保持部件，其由绝缘材料形成且保持导电部件，且其中金属电路板被用作导电部件，和

通过将保持部件固定至电机壳体或ECU壳体中的一个壳体，金属电路板被压靠在该一个壳体的内表面上，其中金属电路板被夹在保持部件和该一个壳体之间。

4.一种电动动力转向***，包括：

控制单元，其控制电机，所述控制单元具有：

控制电路，容纳在ECU壳体中且控制半导体开关；

导电部件，其电连接半导体开关的输出端子和电机的输入端子，和

电机继电器，其由半导体元件配置且施加电力至电机或停止该电力，以及

导电部件的金属板的一部分邻接电机壳体的内表面，且电机继电器安装在导电部件中。

5.如权利要求4所述的电动动力转向***，还包括：

保持部件，其由绝缘材料形成且保持所述导电部件，且其中金属电路板被用作所述导电部件，和

通过将保持部件固定至电机壳体，金属电路板被压靠在电机壳体的内表面上，其中金属电路板被夹在保持部件和电机壳体之间。

6.如权利要求4所述的电动动力转向***，其中：

电机具有悬臂结构，其中电机壳体的输出轴侧的一个端部被结合至转向机构。