CN107888005B - 电驱动设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电驱动设备。用于电动转向系统的电驱动设备包括：电动机(1)，该电动机具有电动机外壳(2)以及带有驱动端部(7)的电动机轴(6)；电子控制单元(10)，该电子控制单元与所述电动机轴(6)共轴布置，控制所述电动机(1)的驱动，包括配电板(20)以及控制板(70)；以及散热片(40；40')，该散热片吸收和消散由所述配电板(20)产生的热，所述电动机(1)、所述散热片(40；40')、所述配电板(20)和所述控制板(70)以被提到的顺序相对于所述驱动端部(7)布置，其中，所述配电板(20)覆盖所述电动机外壳(2)的横截面。

Description

电驱动设备
本申请是申请日为2014年7月2日，申请号为201480038723.9(PCT/EP2014/064058)，发明名称为“电驱动设备”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种用于自动车辆的电动转向系统的电驱动设备。
背景技术
本领域中公知一种自动车辆的电动转向(EPS)系统，其辅助于移动自动车辆的方向盘。辅助移动方向盘由EPS系统组成，该系统输送机械转矩至自动车辆的转向柱。为了能够生成输送转矩，EPS系统包括电驱动设备，所述设备包括生成机械转矩的电动机。电动机通常为三相交流电(AC)电动机，但是电驱动设备由来自车辆的直流电DC供电，因此需要将所述直流电转换为三相交流电，此外进一步需要控制电动机的驱动，因此电驱动设备需要靠近电动机的电子控制单元。
EP2549627A1公开了用于EPS系统的电驱动设备，其包括电动机，电动机具有：电动机外壳；定子，其布置于电动机外壳的内部并且提供多个相位；转子，其相对于定子可旋转地布置；以及电动机轴，其与转子一起旋转并且具有从电动机外壳突出的电动机的输出转矩的驱动端部。该设备还包括电子控制单元以及散热片，电子控制单元在电动机之后并且控制电动机的驱动，并且包括配电板以及控制板，配电板向电动机供给电流，控制板电连接至配电板并且通过配电板控制电动机的驱动，散热片吸收和消散由配电板生成的热。散热片、配电板和控制板以提到的顺序布置在电动机之后。
JP2002345211A公开了一种用于电动转向系统的电驱动设备。
发明内容
如下所述，本发明的目的是提供一种如下所述的用于EPS系统的电驱动设备。
本发明的电驱动设备包括电动机，电动机具有电动机外壳、定子、转子以及电动机轴，定子布置于电动机外壳的内部并提供多个相位，转子相对于定子以可旋转的方式布置，电动机轴与转子一起旋转并且具有从电动机外壳突出的电动机的输出转矩的驱动端部。设备还包括电子控制单元以及散热片，电子控制单元控制电动机的驱动并且包括配电板以及控制板，配电板向电动机供给电流，控制板电连接至配电板并且通过配电板控制电动机的驱动，散热片吸收和消散由配电板生成的热。散热片、配电板和控制板以提到的顺序布置在电动机之后。在所述电驱动设备中，配电板覆盖电动机外壳的横截面。
因为配电板布置成以便覆盖电动机外壳的横截面，其允许布置所述配电板的不同元件，使得它们以单个部件更好地分布并且面向散热片。因此一方面因为配电板以单个部件覆盖较大表面，所以电驱动设备的部件的数量降低。另一方面，改善了热消散因此改善了电驱动设备的热效率，因为生成热的电动机朝向电动机外壳沿周向排放所述热，并且到达散热片的热主要来自位于所述散热片上的配电板。因为通过当配电板的元件布置在横截面上时覆盖电动机外壳的所述横截面而获得了较小的配电板，所以进一步获得了电驱动设备的更紧凑设计。
鉴于附图和本发明的详细描述，本发明的这些和其他优势以及特征将变得明显。
附图说明
图1示出了本发明的电驱动设备的实施例的立体图。
图2示出了图1的设备的平面图。
图3示出了根据图2的设备的线Ill-Ill的纵向截面图。
图4示出了图1的设备的主要部分的分解图。
图5示出了图1的设备的散热片的实施例的第二部分的外侧的立体图。
图6示出了具有第二实施例的散热片的图1的设备的纵向截面图。
图7示出了图6的设备的主要部分的分解图。
图8示出了图6的设备的散热片的详细视图。
图9示出了图1的设备的配电板的实施例的上侧的立体图。
图10示出了图9的配电板的实施例的下侧的立体图。
图11示出了图1的设备的控制板的实施例的上侧的立体图。
图12示出了图11的控制板的实施例的下侧的立体图。
具体实施方式
图1示出了本发明的电驱动设备的实施例的立体图，图2示出了图1的设备的平面图，图3示出了根据图2的设备的线III-III的纵向截面图，图4示出了图1的设备的主要部分的分解图，图5示出了图1的设备的散热片的实施例的第二部分的外侧的立体图。
本发明的电驱动设备100应用于自动车辆的电动转向(EPS)系统。所述设备100包括电动机1，电动机1布置于由铝制成的电动机外壳2的内部。电动机1是EPS系统的电源，在该实施例中所述电动机1是三相无刷交流电(AC)电动机。所述电动机1基本上包括：定子3，其布置于电动机外壳2的内部；转子5，其相对于其中的定子3可旋转地布置；以及电动机轴6，其与转子5以整体方式一起旋转，所述电动机轴6包括从电动机外壳2突出的电动机1的输出转矩的驱动端部7。
转子5是具有多个电极的永磁式转子，定子3包括多个突出电极，多个突出电极围绕转子5面向转子5的永磁体布置。定子3包括多个绕组，多个绕组布置于定子3的电极周围，三个相位4(U，V，W)连接至这些绕组，所述三个相位具有从电动机外壳2突出的端子。
在设备100的该实施例中，电动机外壳2具有大致圆筒形状。其包括侧壁102以及端部105，同时盖106形成在实际电动机外壳2中，电动机轴6的驱动端部7在实际电动机外壳2中突出。设备100被EPS系统使用以提供辅助于移动自动车辆的方向盘，所述辅助由EPS系统组成，EPS系统输送来自自动车辆的转向柱的机械转矩。为了生成输送转矩，EPS系统包括具有电动机1的电驱动设备100。该电动机1生成机械转矩并且通过电动机轴6的驱动端部7输送该机械转矩。该驱动端部7联接至EPS系统的减速齿轮(附图中未示出)，其进而连接至车辆的转向柱。因此，当车辆驾驶员操作方向盘时，在转向柱中产生由转矩传感器(附图中未示出)检测的机械转矩。检测到的转矩作为信号被发送至设备100，设备100依靠电动机1生成机械转矩，所述转矩被传递至EPS系统的减速齿轮，并且该EPS系统将其传递至车辆的转向柱，辅助驾驶员移动方向盘。
为了以受控方式执行这些操作，设备100还包括电子控制单元10，其利用电流供应控制电动机1的驱动。电子控制单元10包括：配电板20，其具有供给电流以驱动电动机1的半导体开关元件23、25、27；以及控制板70，其电连接至配电板20从而通过配电板20控制电动机1的驱动。设备100还包括由高导热铝制成的散热片40、40'，散热片40、40'通过半导体开关元件23、25、27吸收以及消散主要由配电板20生成的热。此外，电驱动设备100包括盖子50，盖子50在靠着电动机外壳2的端部101的一个端部53处覆盖并且封闭电子控制单元10。因此设备100的组件是由电动机外壳2和盖子50形成的紧凑单元，电动机1、散热片40、40'、配电板20和控制板70以提到的顺序相对于电动机轴6的驱动端部7布置。位于散热片40、40'之后的配电板20覆盖电动机外壳2的横截面。在文献EP2549627A1中，配电板包含仅局部覆盖电动机的横截面的半导体开关元件，而本发明的设备100覆盖所有或者大部分的所述横截面。这允许布置配电板的不同元件，使得它们更好地以单部件分布并且面向散热片。
在该实施例中，散热片40、40'是大致柱形部件，其在端部101处作为电动机外壳2的盖子，因此其是所述外壳2的另一元件。在设备100的该实施例中，散热片40、40’包括以大致均匀的方式分布的大致平面的外侧47、49，外侧47、49面向以及邻近配电板20。散热片40、40'布置在所述电动机外壳2的端部101，在外壳2的盖106的对置侧上，因而封闭电动机外壳2的圆筒形状。作为电动机外壳2的闭合盖的散热片40、40’包括位于电动机外壳2的内部的内侧46、64。散热片40、40’不从电动机外壳2突出或者稍微突出。
电动机轴6的定位端部8反向于所述电动机轴6的驱动端部7，因此低于散热片40、40’的内侧46、64，电动机轴6的定位端部8位于电动机外壳2的端部101处以及电动机外壳2的内部。
图6示出了具有散热片40的第二实施例的图1的设备100的纵向截面图，图7示出了图6的设备100的主要部分的分解图，图8示出了图6的设备的散热片40的详细视图。在该实施例中，散热片40具有包括两个部分的大致柱形形状。第一部分48支撑在电动机外壳2中，其内侧46包括支撑器件42。这些支撑器件42包括壳体43，壳体43大致布置于第一部分48的中心，壳体43朝向电动机外壳2的外部开口，并且其中装配有支撑电动机轴6的定位端部8的轴承110。散热片40的第二部分45布置在第一部分48上，覆盖壳体43，并且在中心具有贯通孔41，贯通孔41具有的直径小于壳体43的开口。因而散热片40包括外侧47，外侧47是第一部分48的自由外表面。第一部分48由高导热材料(诸如铝)制成，第二部分45是由压制钢制成的金属部分，其已经经过防腐蚀处理，诸如电泳。
图3、图4和图5的散热片40'的实施例示出了所述散热片40'如何还具有大致柱形形状并且包括两个部分。第一部分68支撑在电动机外壳2中，电动机外壳2的内侧64包括支撑器件62。这些支撑器件62包括壳体63，壳体63大致布置在第一部分68的中心，壳体63朝向电动机外壳2的外部开口，并且其中装配有支撑电动机轴6的定位端部8的轴承110。散热片40的第二部分65布置在第一部分68上，覆盖第一部分68的整个表面，并且覆盖壳体63，并且在中心具有贯通孔61，贯通孔61具有的直径小于壳体63的开口。因而散热片40'包括外侧49，外侧49是第二部分65的自由外表面。第一部分68和第二部分65均由高导热材料(诸如铝)制成。
在散热片40、40’的实施例中，电动机轴6的驱动端部7收纳在布置于电动机外壳2的盖106的支撑器件中的另一轴承中。一旦第一部分48、68组装在所述电动机外壳2，轴承110从电动机外壳2的外部收纳在壳体43、63中。散热片40、40’包括第二部分45、65，第二部分45、65覆盖壳体43、63的孔，界定孔41、61，孔41、61的直径小于壳体43、63的孔，防止进入壳体43、63，因而完成配电板20的消散表面。因而轴承110从外部组装在散热片40、40’的壳体43、63中，并且接下来第二部分45、65组装在散热片40、40’中。因此，当组装电动机轴6时，定位端部8位于散热片40、40’的壳体43、63的内部并且大致齐平于散热片40、40’的外侧47、49。电动机轴6的定位端部8包括磁体9，配电板20包括磁性传感器30，磁性传感器30在面向散热片40、40’的下侧21上并且大致在中心，磁性传感器30通过贯通孔41、61面向磁体9。
一旦散热片40、40’组装在电动机外壳2中，接下来配电板20和控制板70被组装，以提到的顺序以大致平行方式布置，从而获得设备100的更紧凑的结构，在其长度中占据较小空间。
图9示出了图1的设备100的配电板20的实施例的上侧31的立体图，图10示出了图9的配电板20的实施例的下侧21的立体图。因为配电板20事实上覆盖电动机外壳的整个横截面2以及因为其面向以及邻近散热片40、40’，所以其允许在比现有技术的配电板更大的表面上布置不同的半导体开关元件、过滤元件以及测量元件，因此允许均匀地以及以较小体积分布所有元件。
配电板20是印刷电路板(PCB)，其形成在优选由玻璃纤维(诸如包括四层或者六层的FR材料)制成的绝缘基底上，并且螺接至散热片40、40’，配电板20和散热片40、40’定位成非常靠近彼此，距离为大约0.5mm和大约2.5mm之间。从外部向电动机1供给电流的半导体开关元件23、25、27组装在配电板20的下侧21，面向散热片40、40’，并且它们相对于散热片40、40’以最近距离定位。当配电板20组装在散热片40、40’上时，半导体开关元件23、25、27搁置在散热片40、40’的外侧47、49的支撑表面22上。支撑表面22是由电绝缘及高导热材料制成的表面，并且其能够是弹性垫或者在外侧47、49上被用作粘结浆料，附接至散热片40、40’。因而，不存在电子干扰，半导体开关元件23、25、27通过支撑表面22将生成的热传递至散热片40、40’。三个分流器29还组装在配电板20的下侧21，为每个相位4(U，V，W)设置一个分流器，所述分流器是电阻负载，电流通过该分流器被分流。因为分流器29的电阻负载公知为具有精度，所以所述分流器29用来确定流经该负载的电流的强度，因此用于测量电动机1的相位4(U，V，W)中的电流。
在该实施例中，半导体开关元件是用于逆变器24的每个相位4(U，V，W)的两个半导体开关元件23，逆变器24形成允许将输入直流电DC转换为三相交流电AC的电路。所述半导体开关元件23为电动机1供电，其通过所述散热片40、40’的贯通孔与从电动机外壳2通过散热片40、40’突出的相位4的端子连接，半导体开关元件23直接布置在相位4的端子上。半导体开关元件25用于电动机1的三相继电器26的每个相位4(U，V，W)，当存在不利条件时三相继电器26允许保护电动机1的电流供给，还有由外部电源V(其为车辆的电池，并且供给直流电DC)供给的两个电源继电器28的两个半导体开关元件27。当发生断开、短路、过高温度或者电压冲击时，所述电源继电器28保护电动机1以及保护逆变器24的电路的部件。
配电板20还在面向散热片40、40’的侧21上包括温度传感器ST，温度传感器ST布置成靠近逆变器24的半导体开关元件23和电动机1的相位继电器26的半导体开关元件25，因为它们是最重要的发热器，因此它们那里的温度可能最高。如果温度传感器ST检测出温度超过限定的阈值温度，那么其发送信号，该信号由布置在控制电动机1的驱动的控制板70中的微处理器73获取。该微处理器73切换至保护模式并且首先降低由电动机1生成的机械转矩，降低电动机1供给的电流的强度，因而降低辅助移动车辆的方向盘的水平。如果温度不稳定，其能够完全停止对车辆的方向盘的移动辅助。
电动机1的相位继电器26和电源继电器28是固态继电器。固态继电器具有长的服务寿命并且当暴露于吹动和振动时比机械继电器更可靠。它们在尺寸上较小，需要较少的控制功率并且具有非常短的响应时间。负载被切换而不弹回以及不生成切换噪声。由于电磁体辐射通常由机械继电器的线圈或者火花生成，因此相邻部件在切换期间不中断。相位继电器26的半导体开关元件25、电源继电器28的半导体开关元件27和逆变器24的半导体开关元件23是平面的MOSFET晶体管，这允许它们在配电板20和散热片40、40’之间占据最小空间。这些晶体管具有的截止温度在大约105℃和大约110℃之间。
配电板20在面向散热片40、40’的侧21上大致在中心具有磁性传感器30，所述传感器是霍尔效应位置传感器。该传感器使用霍尔效应确定位置。如果电流流经霍尔传感器并且接近相对于传感器竖直地流动的磁场，则传感器产生的输出电压与磁场的强度以及电流的强度的乘积成比例。电动机轴6的定位端部8具有磁体9，在该实施例中其是封闭在塑料部分中且产生磁场的双电极式永久钕磁体。磁体9产生的该磁场由磁性传感器30感测，所述传感器30产生电压，该电压作为对应于所产生的磁场的方向的信号被发送。该信号被发送至微处理器73，使得电子控制单元10始终知道电动机轴6的位置，因而知道转子5的永磁体的电极的位置。因此，根据车辆的情形(即，停止或者移动)以及其速度，微处理器73能够决定如何驱动设备100的电动机1。因为磁体9布置于电动机轴6的定位端部8中，以及因为磁性传感器30布置在配电板20中，它们通过贯通孔41、61面向彼此，并且所述配电板20和散热片40、40’非常靠近，所以获得较短的电动机轴6，这有助于设备100的更紧凑的设计。
配电板20包括上侧31，上侧31面向控制板70，扼流线圈32组装在所述侧31上。该扼流线圈32基本由位于铁氧体上的两个绕组构成，允许保护电子装备免受高频干扰，特别是通过消散以及分散高频电流。在电子控制单元10的电路中，扼流线圈32电连接在外部电源V和电源继电器28之间。包括线圈34和两个电容器35的功率过滤器33还组装在配电板20的一侧31上。该功率过滤器33允许阻止释放(blocking emission)，从而抑制在设备100外部以及设备100内部所产生的噪声，例如由电动机1产生的噪声。功率过滤器33电连接在电源继电器28和逆变器24之间。用于驱动具有电子部件的电路的一系列驱动电路还组装在配电板20的一侧31上。因此其包括逆变器24的驱动电路36、电动机1的相位继电器26的驱动电路37以及电源继电器28的驱动电路38。连接器79a允许将配电板20和控制板70相连以及允许发送信号，还组装在配电板20的所述上侧31上。
为了能够并行于并且在配电板20之后组装控制板70，以及为了防止组装在所述配电板20的一侧31上的部件物理地干涉控制板70的下侧72的部件，配电板20和控制板70由三个间隔件71间隔开。
图11示出了图1的设备100的控制板70的实施例的上侧78的立体图，图12示出了图11的控制板70的实施例的下侧72的立体图。控制板70是形成在绝缘基底上的印刷电路板(PCB)，类似配电板20，其优选由玻璃纤维制成，板20和70依靠间隔件71间隔开。至少一个微处理器73从EPS系统的不同传感器接收信号，控制与车辆的通信，执行所有计算，发送信号至逆变器24、电源继电器28以及相位继电器26，并且管理EPS系统的状态，所述至少一个微处理器73组装在控制板70的与设备100的盖子50对置的上侧78上。控制板70的上侧78还包括监控设备74，监控设备74用于监控具有安全功能的SBC通信，诸如控制电源继电器28，以及用于控制消耗，执行监控车辆以及与车辆通信的功能。电源75也组装在所述上侧78上，电源75与外部电源V连接并且至少对微处理器73、位于车辆的转向柱中的转矩传感器以及微型再初始化器R供电，微型再初始化器R接收来自监控设备74的信号并且发送信号至微处理器73。连接器79b允许与配电板20的上侧31的连接器79a连接，允许在板之间发送信号，其也组装在控制板70的下侧72上。

Claims (7)

1.一种用于电动转向系统的电驱动设备，该设备包括：电动机(1)，该电动机具有电动机外壳(2)、定子(3)、转子(5)以及电动机轴(6)，所述定子(3)布置于所述电动机外壳(2)的内部并且提供多个相位(4)，所述转子(5)以能相对于所述定子(3)旋转的方式布置，所述电动机轴(6)与所述转子(5)一起旋转并且具有所述电动机(1)的输出转矩的驱动端部(7)，该驱动端部从所述电动机外壳(2)突出；电子控制单元(10)，该电子控制单元布置在所述电动机(1)之后，该电子控制单元控制所述电动机(1)的驱动并且包括配电板(20)和控制板(70)，该配电板(20)向所述电动机(1)供给电流，该控制板(70)电连接至所述配电板(20)并且通过所述配电板(20)控制所述电动机(1)的驱动；以及散热片(40；40')，该散热片吸收和消散由所述配电板(20)产生的热；所述散热片(40；40')、所述配电板(20)和所述控制板(70)以被提到的顺序布置在所述电动机(1)之后，所述配电板(20)覆盖所述电动机外壳(2)的横截面，
其中，所述散热片(40；40')包括面向且邻近所述配电板(20)的大致平面的外侧(47；49)，
其中，所述散热片(40；40')充当所述电动机外壳(2)的闭合盖，所述电动机轴(6)的与所述驱动端部(7)相对的定位端部(8)被收纳在所述电动机外壳(2)的内部，所述电动机轴(6)的所述定位端部(8)包括磁体(9)，并且所述散热片(40；40')包括贯通孔(41；61)，其特征在于，所述配电板(20)包括磁性传感器(30)，所述磁性传感器(30)通过所述贯通孔(41；61)面向所述磁体(9)，并且所述磁性传感器(30)布置在所述配电板(20)的下侧并位于中心处。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述散热片(40；40')包括内侧(46；64)，所述内侧(46；64)具有用于保持所述电动机轴(6)的所述定位端部(8)的支撑器件(42；62)，所述支撑器件(42；62)包括壳体(43；63)，在所述壳体(43；63)处装配有用于支撑所述电动机轴(6)的所述定位端部(8)的轴承(110)。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述散热片(40；40')不从所述电动机外壳(2)突出或者从所述电动机外壳稍微突出。
4.根据权利要求2或3所述的设备，其中，所述散热片(40；40')包括第一部分(48；68)和第二部分(45；65)，所述第一部分(48；68)包括所述轴承(110)的所述壳体(43；63)，所述第二部分(45；65)界定所述贯通孔(41；61)。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述散热片(40)的所述第一部分(48)包括所述外侧(47)。
6.根据权利要求4所述的设备，其中，所述散热片(40')的所述第二部分(65)包括所述外侧(49)。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，所述电动机外壳(2)具有大致圆筒形状，并且所述散热片(40；40')、所述配电板(20)和所述控制板(70)大致平行。
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