CN110654452A - 电路板、电动动力转向用电子控制单元、电动动力转向装置 - Google Patents

电路板、电动动力转向用电子控制单元、电动动力转向装置 Download PDF

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CN110654452A CN201910565242.8A CN201910565242A CN110654452A CN 110654452 A CN110654452 A CN 110654452A CN 201910565242 A CN201910565242 A CN 201910565242A CN 110654452 A CN110654452 A CN 110654452A
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Abstract

本发明提供一种电路板、电动动力转向用电子控制单元、电动动力转向装置。一种马达驱动用的电路板，其配置成该电路板的一面侧与马达的轴向的一侧对置，并且在该电路板的另一面侧安装马达驱动用的功率元件和控制元件。而且，在规定方向上所述控制元件被配置于比所述功率元件靠外侧的位置，经由按所述功率元件设置于所述电路板的金属制贯穿部件从该电路板的一面侧向另一面侧进行热传导，将该传导的热向外部散热体进行散热。

Description

电路板、电动动力转向用电子控制单元、电动动力转向装置
技术领域
本发明涉及一种电路板，特别是涉及电动动力转向装置的电子控制单元所使用的马达驱动用的电路板。
背景技术
在汽车等车辆中搭载有电动动力转向装置，该电动动力转向装置具有对驾驶员的转向手柄操作产生辅助转矩的电动马达、和该电动马达的控制装置等。对于电动动力转向装置，随着装置整体小型化的趋势，构成电子控制单元的电路板尺寸的小型化、最小化尤为重要。同时，从控制装置等产生的热的散热也尤为重要。
日本国公开公报特开2016-036245号公报公开了如下驱动装置：在基板的与马达侧相反一侧的面即电子部件安装面上安装电子部件，在马达侧的面即发热元件安装面上安装的SW元件(开关元件)等夹着通过马达的轴中心的直线而配置成线对称，各相的马达线以W相、V相、U相的顺序配置成关于轴中心点对称，并经由散热凝胶以能够散热的状态与框架部件的ECU侧端面抵接。
使用了日本国公开公报特开2016-036245号公报的驱动装置的电动动力转向装置采用了双变换方式，夹着通过马达的轴中心的直线将安装于发热元件安装面的多个SW元件配置成线对称来降低阻抗，将马达线配置成关于轴中心点对称，由此，降低了各相的配线长度的偏差以及阻抗的偏差。
此外，在日本国公开公报特开2016-036245号公报中，微计算机的安装面与安装SW元件的面为相反的面，无法有效地活用基板的安装面积，除了生产上的安装效率降低之外，还存在无法高效地对发热元件产生的热进行散热这样的问题。
发明内容
本发明是鉴于上述课题而完成的发明，其目的在于提供一种电路板，能够在电路板上确保控制元件与功率元件的安装面积，提升这些部件的安装效率，并且能够实现高效的散热。
作为达成上述的目的、解决上述的课题的一手段而具有以下的结构。即，本发明例示的第一实施方式是一种马达驱动用的电路板，所述电路板被配置成使该电路板的一面侧与马达的轴向的一侧对置，并且在该电路板的另一面侧安装马达驱动用的功率元件和控制元件。而且，在规定方向上所述控制元件被配置于比所述功率元件靠外侧的位置，其特征在于，经由按所述功率元件设置于所述电路板的金属制贯穿部件从该电路板的一面侧向另一面侧进行热传导，将该传导的热向外部散热体进行散热。
本发明例示的第二实施方式是一种与电动马达形成为一体的电动动力转向用电子控制单元，其特征在于，将上述本发明例示的第一实施方式的电路板作为所述电子控制单元的电路板。
本发明例示的第三实施方式是一种电动动力转向装置，其辅助车辆等的驾驶员的手柄操作，其特征在于，具有：转矩传感器，其检测基于所述手柄操作的转矩；上述本发明例示的第二实施方式涉及的电动动力转向用电子控制单元；以及电动马达，其基于由所述转矩传感器检测出的转矩而被所述电动动力转向用电子控制单元驱动。
根据本发明例示的实施方式，即使将控制元件与功率元件安装于电路板的同一面，也可以确保它们的安装面积，可以提升生产上的部件在基板上的安装效率。
此外，在将上述的电路板与电动马达形成为一体的电动动力转向用电子控制单元中，可以进行有效的散热，因此，包括电动马达在内的热容量设计变得容易。
并且，由于具有上述的电子控制单元，因此在进行车辆的转向时，特别是与行驶时相比需要基于动力转向的辅助力的手柄的打死时，能够有效地进行散热。因此能够避免电动动力转向装置中的过热造成的电气马达的动作中止，可以继续所需的辅助。
由以下的本发明优选实施方式的详细说明，参照附图，可以更清楚地理解本发明的上述及其他特征、要素、步骤、特点和优点。
附图说明
图1是具有实施方式的电动动力转向装置的转向系统的概略结构。
图2是与实施方式的电子控制单元一体化的电动动力转向装置的分解立体图。
图3是俯视观察控制单元的表面侧的外观图。
图4是俯视观察控制单元的背面侧的外观图。
图5是示意性地表示从与轴向垂直的方向观察电动马达的本体、与装载于电动马达的轴向反输出侧的控制单元的情形的图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明有关的实施方式进行详细说明。
图1是具有本发明的实施方式的电动动力转向装置的转向系统的概略结构。转向系统1具有：作为转向部件的转向手柄2、与手柄2连接的旋转轴3、小齿轮6、齿条轴7以及电动动力转向装置10等。
电动动力转向装置10由电子控制单元(Electronic Control Unit：ECU)20、电动马达15等构成。在旋转轴3上设置有对操作手柄2时的转向转矩进行检测的转矩传感器9，检测出的转向转矩被发送给电子控制单元20。
旋转轴3与设置于其末端的小齿轮6啮合。通过小齿轮6，旋转轴3的旋转运动被变换为齿条轴7的直线运动，以与齿条轴7的位移量对应的角度，来操纵设置于该齿条轴7两端的一对车轮5a、5b。
电子控制单元20根据从转矩传感器9取得的转向转矩、来自车速传感器(未图示)的车速等的信号，从电动马达15输出用于辅助手柄2的转向的辅助转矩，并经由减速齿轮4传递至旋转轴3。即，通过电动马达15所产生的转矩来协助旋转轴3的旋转，由此，辅助驾驶员的手柄操作。
图2是搭载本发明的实施方式的电动动力转向用电子控制单元、并与该电子控制单元一体化的电动动力转向装置的分解立体图。图2所示的电动动力转向装置10在被马达罩14覆盖的电动马达(无刷马达)15的轴向(在图2中通过单点划线表示)的上部配置有散热片13，在散热片13的上部，在电动马达15的轴向反输出侧(轴向上的输出侧的相反侧)载置有控制单元20，控制单元20通过螺钉等固定于散热片13。
散热片13是轴承保持架并且还是从保持的控制单元20产生的热的散热用部件，例如通过对铝压铸件进行成型而形成。通过将电动马达的轴承保持架用作外部散热体，能够削减电动动力转向用电子控制单元的部件数量。
控制单元20的上部通过金属制或树脂制的单元罩12而被覆盖。外部连接器16是供给到电动马达15的电源、针对控制单元20的控制信号等的连接用端子，通过连接器壳而被覆盖，被固定于散热片13。
在图2所示的电动动力转向装置10中，在控制单元20处于被散热片13保持的状态时，维持这样的位置关系：在控制单元20的基板背面的与基板表面上搭载有发热部件的区域对应的散热区域(散热部)27、同呈平面状设置于散热片13的上部的受热区域(受热部)29隔着一定间隔的空隙而对置。
在上述的空隙中填充有散热脂等散热材料，由此，控制单元20的发热部件所产生的热传导至在散热区域27配置的电路板图案等，并从该电路板图案等向散热片13散热。
基板上的散热区域27与散热片上的受热区域29具有大致相同的形状和面积，但是在考虑了散热效果和效率时，希望将受热区域29的面积设定得比散热区域27大。此外，对于受热区域29，还考虑根据基板上的散热区域27的形状来设计受热区域29，可以按照散热区域27的形状来形成受热区域29。
另外，电动动力转向装置始终进行动作，在无法高效地对进行转向的操纵时的来自电动动力转向装置的控制部的发热进行散热时，实施过热保护。因此，为了避免辅助手柄的转向这样的电动动力转向装置原本的目的没有达成的不良，在控制单元中对于从电路板上的功率元件等发热部件进行散热尤为重要。
接下来，对本实施方式的电动动力转向用电子控制单元中的电路板上的部件配置与散热结构进行详细说明。
图3是俯视观察控制单元20的表面(单元罩12侧)的外观图，图4是俯视观察控制单元20的背面(电动马达15侧)的外观图。这里，为了容易理解控制单元20的表面区域与背面区域的对应，图4是从表面侧(图3)透视观察背面时的图。
在图3所示的控制单元20的电路板22的表面23上安装有：控制电动动力转向装置的控制元件(微处理器)31；由FET 1～FET 6构成的FET桥接电路；对马达进行驱动电流的通电的开关FET(FET 9～FET 11)，马达驱动电流用的电解电容C1～C3、控制用电源元件(电源IC)35、控制电源用电容C11～C13、以及电流传感器等各种传感器等(未图示)。
控制单元20在其电路板22的表面23上，大致分为：安装控制电动动力转向装置的信号处理用部件、电流传感器等各种传感器这样的控制系统器件的区域(也称为控制部区域23a)；和安装由由FET 1～FET 6构成的FET桥接电路、对马达进行驱动电流的通电的开关FET(FET 9～FET 11)、电解电容C1～C3等的区域(也称为功率部区域23b)。
通过分为控制部区域23a和功率部区域23b，控制单元20的控制系统器件不仅搭载于基板表面23的控制部区域23a，如图4所示，在基板的背面25的控制部区域25a也搭载有马达驱动FET控制用的元件(IC)即预驱动元件33等。其结果为，由于可以将一张电路板的控制系统相关的部件安装于基板的表面与背面两个面，因此可以在区域有限的基板上提升设计的自由度。
在控制单元20的电源输入侧配置有电动马达15等的驱动电源的正极电位和负极电位的输入端子即外部连接端子26、和由并联连接的三个电解电容C1～C3与线圈56构成的噪音滤波器。噪音滤波器吸收供给到控制单元20的电源所包含的噪音等，使电源电压平滑。线圈56例如是由两个线圈等构成的共模线圈。
控制单元20还具有：在来自电池的电源电压产生了异常时等作为能够阻断电力的半导体继电器而发挥功能的FET 7、8；以及由对电动马达15接通驱动电流(3相交流电流)的6个FET 1～FET 6构成的3相变换电路(FET桥接电路)等。
构成FET桥接电路的6个FET 1～FET 6例如通过来自由微计算机、预驱动器等构成的控制电路(未图示)的信号来驱动其栅极，进行接通或断开。通过该接通或断开控制而生成的U、V、W各相的电流是经由由三个端子U、V、W构成的输出端子部57供给到电动马达15的驱动电流。
FET 1与FET 2连接在正极的电源线与负极电位线(GND)之间，生成流经电动马达15的U绕组的U相电流。FET9作为能够阻断U相电流的半导体继电器而发挥功能。此外，FET3与FET4连接在正极的电源线与负极电位(GND)线之间，生成流经电动马达15的V绕组的V相电流，FET10是阻断V相电流的半导体继电器。
同样地，FET5与FET6连接在正极的电源线与负极电位(GND)线之间，生成流经电动马达15的W绕组的W相电流，FET11是能够阻断W相电流的半导体继电器。
另外，虽然省略图示，但是在电路板22的表面23上，配置有转矩接口电路、授受车辆的各种信息的CAN电路等。此外，电路板22可以是两面基板、多层基板中的任一种。
如图3所示，关于控制单元20的电路板22，局部切掉其板端而形成的贯穿孔H1、和在板端的附近部位打孔而形成的贯穿孔H2、H3配置于关于马达中心轴线对称的位置。这些贯穿孔H1～H3用于将控制单元20装载于电动马达15上时的定位，将控制单元20固定于电动马达15时的定位变得容易。
接下来，对控制单元20中的部件的配置结构进行说明。
在电动动力转向装置10中，当在电动马达15的轴向反输出侧载置控制单元20时，在图3和图4中通过标号P来表示图2的单点划线(马达中心轴线)与控制单元20的电路板22的交点。这里，为了方便，将该交点称为马达中心轴线。
这里，如图3所示在控制单元20中，想定以马达中心轴线P为中心沿马达的径向扩展的同心圆状的两个区域A、B。区域A是由虚线41、42围绕的区域，区域B是由虚线42、43围绕的区域。
区域A位于比区域B靠径向内侧的位置，在功率部23b的区域A处配置有发热量多的FET桥接电路和开关FET。此外，区域B位于比区域A靠径向外侧的位置，在控制部23a的区域B处配置有电动动力转向装置的控制元件31。
并且，在功率部23b侧的区域B中，如图3所示配置有供给到电动马达15的U、V、W的各相电流的输出端子部57。此外，如图4所示，在基板背面25上的、与基板表面23的控制部23a侧的区域B对应的区域中，配置有预驱动元件33。
这样在控制单元20中，在基板22的外侧(径向外侧)将控制元件31配置于远离发热量多的FET(也称为功率元件)的位置。并且，控制元件31配置于远离作为大电流的U、V、W的各相电流的输出端子部57的位置。
换言之，控制元件31在图3的y方向上夹着马达中心轴线P而配置于与功率元件和输出端子部57对称的位置的、与这些功率元件等分离的位置。因此，从马达的径向外侧依次配置控制元件31、功率元件以及其他元件(电容等)，控制元件31在同一电路板上配置于不易传递功率元件等所产生的热的位置。
并且，如图3所示，控制元件31使其角部位于电路板22的外缘侧，同时，以与功率元件等其他部件不同的角度进行配置。
更具体来说，在俯视观察电路板22时，功率元件等分别沿着x方向与y方向配置其一个边部与另一个边部，而控制元件31在电路板22中的具有曲率的缘部的附近，相对于x方向(或y方向)旋转规定角度θ(例如45°)地配置。
此外，如图4所示，在控制单元20的基板背面25上，预驱动元件33也与控制元件31一样相对于x方向(或y方向)旋转规定角度θ(例如45°)地配置。
这样，在电路板22的具有曲率的部位将控制元件31和预驱动元件33旋转规定角度地配置，由此，例如与在图3中如虚线45所示的无旋转的状态(沿着x方向和y方向的状态)相比，能够使控制元件31与预驱动元件33配置成更接近基板的端部。此外，能够使元件周边区域的死空间最小，能够有效地活用基板上的安装面积。该情况下，也可以在通过使死空间最小而产生的基板表面的空置区域中安装预驱动元件33。
从控制单元20的电路板22中的散热的观点出发，例如，特别是根据发热量多的FET桥接电路、开关FET的安装位置，埋入有作为贯穿电路板22的传热部件(热传导部件)的、具有规定直径的硬币形状的铜嵌体。具体来说，如图4所示，分别在FET 1～FET 11的正下方配置有铜嵌体IL1～IL11。经由这些铜嵌体，向电路板22的背面25侧对FET1～FET11产生的热进行散热。
在上述的示例中，在电路板22上，在从马达中心轴线P沿马达的径向扩展的方向的最外部侧配置控制元件31，但是也可以规定马达的中心轴线方向上的控制元件31的配置。
图5示意性地表示从与轴向垂直的方向观察电动马达15的本体、与载置于该电动马达15的轴向反输出侧的控制单元20的情形。
这里，在将电动马达15的重心设为G时，在将从重心G到控制单元20上的点p1(配置有控制元件31的位置)的距离L1、与从重心G到点p2(例如，在单一点划线所表示的马达中心轴线的附近的、配置有功率元件的位置)的距离L2进行对比时，控制元件31配置成更接近基板的端部，因此存在L1＞L2的关系。
这样，通过将控制元件31配置于最远离电动马达15的重心G的位置，即在电动马达15的中心轴线方向上将控制元件31配置成，使得距电动马达15的重心G的间隔距离比功率元件距电动马达15的重心G的间隔距离长，由此，可以在控制元件31处避免来自功率元件的发热的影响。这对于在图5中省略了图示的、配置于基板背面的预驱动元件也适用。
本实施方式的电动动力转向装置中，如图4等所示，将供给到电动马达15的U、V、W的各相电流的输出端子部57配置于功率部25b侧。通过这样，可以缩短从3相变换电路等到电动马达15的配线距离，可以伴随着电源路径的图案长度变短造成的电阻低值化实现电力损失的减低。
另外，图3、图4等所示的电路板中的发热部件(FET等)、铜嵌体、电源图案、以及地线(GND)图案的配置个数、配置位置、面积等是一例，可以根据电动动力转向装置的规格而适当变更。
像以上说明那样，在本实施方式的电动动力转向用电子控制单元中，将基板区域分为控制部区域与功率部区域两部分，并且与功率元件等相比，将控制元件从马达中心轴线配置于马达的径向外侧。
通过这样，可以在基板上分离FET等功率元件(高发热部件)与控制元件等非发热部件(低发热部件)，在将功率元件等与控制元件安装于电路板的同一面时，可以确保与各元件的电气特性对应的安装面积，并且可以实现生产上的部件的安装效率的提升。此外，能够将来自控制元件本身的发热高效地释放到配置于电动马达的轴向上部的散热片。
并且，在电路板的具有曲率的部位将控制元件与预驱动元件旋转规定角度地配置，由此，在排除在基板上产生的死空间的同时确保了控制元件本身的安装面积，从而可以提升生产上的安装效率。
此外，由于可以在同一电路板上将控制系统有关的部件安装于基板的两面，因此可以通过尺寸的小型化而在区域有限的电路板上提升设计的自由度。
并且，通过将控制元件配置成：使马达的径向上的距马达中心轴线的间隔距离、以及轴向上的距马达的重心的间隔距离设定得比功率元件在径向上的距马达中心轴线的间隔距离、以及轴向上的距马达的重心的间隔距离长，由此，可以避免控制元件受来自功率元件等的发热的影响。
此外，通过作为金属制贯穿部件的铜嵌体，可以确保从电路板的一面侧向另一面侧的热传导路径，能够实现有效的传热、散热。此外，通过将电动马达的壳体用作外部散热体，从而能够实现电动动力转向用电子控制单元的部件数量的削减。
通过上述的结构，可以在与电动马达形成为一体的电动动力转向用电子控制单元中进行有效的散热，因此，包括电动马达在内的热容量设计变得容易。此外，在进行车辆的转向时，特别是与行驶时相比需要动力转向的助力的手柄的打死(旋转到底)时，由于能够有效地进行散热，因此能够避免电动动力转向装置中的过热造成的电气马达的动作中止，可以继续所需的辅助。

Claims (14)

1.一种电路板，用于马达驱动，
所述电路板被配置成使该电路板的一面侧与马达的轴向的一侧对置，并且在该电路板的另一面侧安装马达驱动用的功率元件和控制元件，而且，在规定方向上所述控制元件被配置于比所述功率元件靠外侧的位置，
其特征在于，
从该电路板的一面侧经由按所述功率元件设置于所述电路板的金属制贯穿部件向另一面侧传导热，将该传导的热向外部散热体进行散热。
2.根据权利要求1所述的电路板，其特征在于，
使所述电路板上的马达的径向为所述规定方向，在所述径向上，所述控制元件距所述电路板与马达的中心轴线之间的交点的间隔距离比所述功率元件距所述交点的间隔距离长。
3.根据权利要求1所述的电路板，其特征在于，
使马达的轴向为所述规定方向，在所述轴向上，所述控制元件距马达的重心的间隔距离比所述功率元件距所述马达的所述重心的间隔距离长。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的电路板，其特征在于，
所述控制元件、所述功率元件以及其他元件从马达的径向的外侧依次配置。
5.根据权利要求4所述的电路板，其特征在于，
所述电路板在俯视观察时具备带有曲率部分的形状，配置于该曲率部分的附近的所述控制元件的安装方向与所述功率元件及所述其他元件的安装方向不同。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的电路板，其特征在于，
所述电路板的另一面侧分为所述功率元件的安装区域和所述控制元件的安装区域。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的电路板，其特征在于，
在所述电路板的另一面侧配置有微处理器和电源电路，在该电路板的一面侧或另一面侧配置有预驱动电路。
8.根据权利要求7所述的电路板，其特征在于，
在所述电路板的另一面侧上与电路板的一面侧的所述预驱动电路的配置位置对应的位置，配置有所述微处理器。
9.根据权利要求7所述的电路板，其特征在于，
在所述电路板的一面侧的外部连接用连接器的附近配置有转矩接口电路和CAN电路，在该一面侧配置有所述预驱动电路。
10.根据权利要求2～9中任一项所述的电路板，其特征在于，
将局部切掉所述电路板的板端而形成的贯穿孔和在该板端附近打孔而形成的贯穿孔关于所述交点对称地配置，该贯穿孔用作所述电路板相对于马达的定位。
11.一种电动动力转向用电子控制单元，其与电动马达形成为一体，其特征在于，
将权利要求1～10中任一项所述的电路板作为所述电子控制单元的电路板。
12.根据权利要求11所述的电动动力转向用电子控制单元，其特征在于，
将所述电动马达的壳体用作所述外部散热体，从所述功率元件产生的热被传导至形成于该外部散热体的一部分的受热面而进行散热。
13.根据权利要求11所述的电动动力转向用电子控制单元，其特征在于，
在所述电路板的板端与所述功率元件之间的区域内，配置有生成所述电动马达的驱动用交流电源的三相桥接电路的输出端子。
14.一种电动动力转向装置，其辅助车辆等的驾驶员的手柄操作，其特征在于，具有：
转矩传感器，其检测基于所述手柄操作的转矩；
权利要求11～13中任一项所述的电动动力转向用电子控制单元；以及
电动马达，其基于由所述转矩传感器检测出的转矩而被所述电动动力转向用电子控制单元驱动。
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