CN108093665A

CN108093665A - 无刷电动机及搭载无刷电动机的电动助力转向装置和车辆

Info

Publication number: CN108093665A
Application number: CN201580024177.8A
Authority: CN
Inventors: 和田利昌
Original assignee: NSK Ltd
Current assignee: NSK Ltd
Priority date: 2015-08-10
Filing date: 2015-08-10
Publication date: 2018-05-29
Anticipated expiration: 2035-08-10
Also published as: BR112016026356A2; KR20180039540A; EP3157143A1; WO2017026023A1; CN108093665B; US20180141583A1; KR102048432B1; US10315686B2; EP3157143A4

Abstract

提供一种无刷电动机及搭载无刷电动机的电动助力转向装置和车辆，该无刷电动机重量轻并且制造也容易，还具备也包含电动机母线端子和ECU端子的安装在内的一体型结构的端子连接机构。无刷电动机具备用于插入电动机母线端子和ECU端子，并且用螺栓和螺母来进行连接的螺母一体型的端子连接机构。

Description

无刷电动机及搭载无刷电动机的电动助力转向装置和车辆

技术领域

本发明涉及一种无刷电动机以及搭载了该无刷电动机的电动助力转向装置和车辆，该无刷电动机具备用于插入电动机母线端子和ECU端子并且进行连接的螺母一体型的端子连接机构。被搭载在车辆上的电动助力转向装置是用来通过至少基于转向扭矩运算出的电流指令值来对车辆的转向系统施加由电动机(例如，无刷电动机)产生的辅助力的，并且通过由电桥电路构成的逆变器来对其进行驱动控制。

背景技术

作为在驱动单元中搭载了无刷电动机的装置，有电动助力转向装置(EPS)。电动助力转向装置利用电动机的旋转力对车辆的转向机构施加转向辅助力(辅助力)，其将由逆变器所供给的电力来控制的电动机的驱动力通过诸如齿轮等传送机构向转向轴或齿条轴施加转向辅助力。为了准确地产生转向辅助力的扭矩，这样的现有的电动助力转向装置进行电动机电流的反馈控制。反馈控制调整电动机外加电压，以便使转向辅助指令值(电流指令值)与电动机电流检测值之间的差变小，电动机外加电压的调整通常用调整PWM(脉冲宽度调制)控制的占空比(Duty)来进行。作为电动机，通常使用耐用性强、可维修性优异以及噪音少的无刷电动机。

如图1所示，对电动助力转向装置的一般结构进行说明。转向盘(方向盘)1的柱轴(转向轴或方向盘轴)2经过减速装置内的减速齿轮3、万向节4a和4b、齿轮齿条机构5、转向横拉杆6a和6b，再通过轮毂单元7a和7b，与转向车轮8L和8R连接。另外，在柱轴2上设有用于检测出转向盘1的转向扭矩的扭矩传感器10和用于检测出转向角θ的转向角传感器14，对转向盘1的转向力进行辅助的电动机20通过减速齿轮3与柱轴2连接。电池13对用于控制电动助力转向装置的控制单元(ECU)30进行供电，同时，经过点火开关11，点火信号被输入到控制单元30。控制单元30基于由扭矩传感器10检测出的转向扭矩Th和由车速传感器12检测出的车速Vel，进行作为辅助(转向辅助)指令的电流指令值的运算，通过对电流指令值实施补偿等而得到的电压控制指令值Vref，来控制供给EPS用电动机20的电流。

此外，转向角传感器14不是必须的，可以不设置转向角传感器14。还有，也可以通过与电动机20连接的诸如分解器等旋转传感器来获得转向角。

另外，收发车辆的各种信息的CAN(Controller Area Network，控制器局域网络)40被连接到控制单元30，车速Vel也能够从CAN40处获得。此外，收发CAN40以外的通信、模拟/数字信号、电波等的非CAN41也被连接到控制单元30。

电动助力转向装置的电动机20的动力传送机构示例和电动机20与控制单元(ECU)30的连接示例如图2所示那样。

如图2所示，电动机20的输出轴21向电动机机壳22的外侧延伸，形成电动机磁轭(モータヨーク)的电动机机壳22由用于容纳具备转子等的电动机本体的有底并略呈圆筒形的外壳本体23和被安装在外壳本体23的开口一侧的电动机安装部24构成。电动机安装部24整体被形成为板状，通过其中央部的贯通孔将输出轴21插通在电动机安装部24的外侧。另外，也可以将电动机安装部24形成为法兰状。

动力传动机构50具有由蜗轮51和蜗杆52构成的蜗轮减速机构，并且具备用于连接蜗轮减速机构和输出轴21的连接部53。蜗轮51被形成在与输出轴21同轴的蜗杆轴51A的中间部分，并且与蜗杆52啮合。与蜗杆52一体化地一起旋转的柱轴2的上部(转向盘)一侧输出轴2A与蜗杆52的轴心连接。通过蜗轮减速机构，电动机20的旋转，即，输出轴21的旋转被减速，然后被传送到上部一侧输出轴2A。

减速机构一侧的电动机安装部54的内部空间被形成为朝着电动机20一侧(开口一侧)扩开的喇叭形，通过用螺栓将电动机安装部54固定在电动机20一侧的电动机安装部24，以便堵塞电动机安装部54的开口。在如图2所示那样的将电动机20安装在电动机安装部54上的状态，连接部53和输出轴21都位于电动机安装部54的内部空间的轴心。另外，在将电动机安装部24形成为法兰状的情况下，与此对应，也将电动机安装部54形成为法兰状。

还有，电动机20和控制单元(ECU)30被分开并通过引线31被布线，或者，电动机20和ECU基板被分开并通过引线31被布线。控制单元(ECU)30通过引线31对电动机20进行驱动控制。

在这样的电动助力转向装置中，不仅需要实现包括电动机在内的整体的轻量化和小型化，同时还强烈需要提高电动机的组装性和轴精度。

作为用于简化从外部电源到电动机的电源供给结构以便不但可以确保各个电源供给构件之间的绝缘，而且还可以削减各个部件的组装作业量的电动机机壳，例如有日本特开2008-160988号公报(专利文献1)所公开的发明。如图3和图4所示，专利文献1所公开的电动机用绝缘机壳60在电源供给构件61至64在板厚方向互相隔开间隔并被绝缘层叠配置(絶縁積層配置された)的状态下，通过嵌件成型(インサートモールド成型)被一体化地形成为机壳本体65，将电源供给构件61至63的電源端子61A至63A当作连接器端子的电源连接器66被一体成型在机壳本体65。还有，在电源供给构件61至64处分别设有向外凸出的线圈端子67。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2008-160988号公报

专利文献2：日本特开2008-220161号公报

发明内容

发明要解决的技术问题

但是，专利文献1所公开的电动机用绝缘机壳仅仅是将电源连接器作为连接器端子设置在机壳本体上，并没有考虑与诸如ECU等外部装置的连接性，所以根本解决不了实现电动机整体的小型化并提高组装性和轴精度的技术问题。

另一方面，例如，日本特开2008-220161号公报(专利文献2)公开了一种电动机装置，该电动机装置易于进行控制装置的安装和交换，并且控制装置的负荷或安装负荷不会加到连接器端子上。也就是说，如图5所示，双方互相被插入到一个方向并被引导，同时阻止垂直于该插入方向的方向的移动的引导联结部72和被引导联结部82被分别形成在电动机70的电动机机壳71和控制装置80的机壳81上。通过在垂直于插入引导方向的方向上支承控制装置机壳81和电动机机壳71，或者，使控制装置机壳81和电动机机壳71达到接合对向位置，以便传感器连接器83电连接到传感器电路连接器73以及电路一侧电动机绕组用端子84电连接到电动机一侧电动机绕组用端子74，并且，通过诸如用螺丝固定的方法等固定方法将电动机机壳71和控制装置机壳81固定成一体。

但是，因为专利文献2所公开的电动机装置不是将电动机母线和控制装置连接用端子连成一体的装置，所以外观形状大，从而需要实现在连接了诸如ECU等外部装置的状态时的更进一步的小型化和简易化。

因此，本发明是鉴于上述情况而完成的，本发明的目的在于提供一种无刷电动机以及搭载了该无刷电动机的电动助力转向装置和车辆，该无刷电动机使其外观形状变得小型化，并且重量轻且制造也容易，并且具备也包含电动机母线端子以及ECU端子的安装在内的一体型结构的端子连接机构。

解决技术问题的手段

本发明涉及一种无刷电动机，本发明的上述目的可以通过下述这样实现，即：具备用于插入电动机母线端子和ECU端子，并且用螺栓和螺母来进行连接的螺母一体型的端子连接机构。

还有，本发明的上述目的还可以通过下述这样更有效地实现，即：所述端子连接机构被设置在电动机盖的侧面并成为托架保持件一体型，并且具有既可以安装端子盖也可以拆卸所述端子盖的结构；或，通过插入螺栓以便使所述电动机母线端子和所述ECU端子合为一体；或，在所述电动机母线端子和所述ECU端子处设有用来与所述螺栓联结的螺孔或圆孔；或，所述端子连接机构具有用于插入所述电动机母线端子的呈细长形的第一狭缝和用于插入所述ECU端子的呈细长形的第二狭缝，并且所述第一狭缝和所述第二狭缝被设置成方向相反；或，所述第一狭缝和所述第二狭缝均为这样的结构，即，为在电动机轴方向具有自由度的细长孔，并且在电动机径向方向具有自由度且宽度较宽，还可以吸收端子尺寸的偏差；或，所述电动机盖是由铝素材、锌合金、镁合金或金属板素材制造而成的，并且为通过安装所述电动机盖来保持转子轴承的结构。

还有，本发明的上述目的还可以通过下述这样更有效地实现，即：一种电动助力转向装置以及搭载了该电动助力转向装置的车辆，该电动助力转向装置通过上述无刷电动机来对其进行驱动控制，并且通过至少基于转向扭矩运算出的电流指令值来对车辆的转向系统施加辅助力。

发明的效果

根据本发明的无刷电动机，因为具备铝制、锌合金制或镁合金制的电动机机壳，并具有用于插入电动机母线端子和ECU端子，并且用螺栓和螺母来进行连接的螺母一体型的端子连接机构，所以既可以实现轻量小型化并提高组装性，同时又可以容易且可靠地进行与诸如ECU等外部装置的连接。

通过将上述无刷电动机应用到电动助力转向装置中，可以实现轻量、小型和高可靠性的电动助力转向装置。还有，通过将这样的电动助力转向装置搭载在车辆上，可以实现车辆的轻量化。

附图说明

图1是表示电动助力转向装置的概要的结构图。

图2是表示电动助力转向装置的电动机与减速装置的连接机构示例和与控制单元(ECU)的连接示例的图。

图3是表示作为现有技术的电动机用绝缘机壳的一个示例的立体图。

图4是表示电源供给构件的结构的立体图。

图5是表示作为现有技术的电动机装置的结构例的立体图。

图6是表示本发明的电动机机壳的结构例的立体图。

图7是本发明的无刷电动机的组装展开图。

图8是表示将定子组件和转子组件安装进本发明的无刷电动机的电动机机壳的状态和电动机盖的详细结构的一个示例的组装展开图。

图9是表示将盖本体和端子连接机构安装到电动机本体上的样子的组装展开图。

图10是表示将盖构件安装到已经安装了盖本体的电动机本体上的样子的组装展开图。

图11是表示将端子盖安装到电动机本体上的样子的组装展开图。

图12是本发明的无刷电动机的外观立体图。

图13是本发明的无刷电动机的剖视结构图。

图14是表示电动助力转向装置的电动机与减速装置的连接机构示例和与控制单元(ECU)的连接示例的图。

图15是表示将ECU安装到本发明的无刷电动机上的状态的正视图和侧视图。

图16是表示将ECU安装到本发明的无刷电动机(没有端子盖)上的样子的立体图。

图17是表示将ECU安装到本发明的无刷电动机上的样子的俯视立体图。

图18是表示将ECU安装到本发明的无刷电动机上的样子的底视立体图。

图19是表示ECU端子与电动机母线端子的连接示例的结构图。

图20是表示本发明的端子连接机构的结构示例的俯视图和正视图。

图21是沿表示连接了端子的状态的图20中的线X-X的剖视图。

图22是沿表示基于螺栓的电动机母线端子与ECU端子的结合结构的图20中的线Y-Y的剖视图。

具体实施方式

本发明的无刷电动机具备铝制、锌合金制或镁合金制的电动机机壳，并且具备被设置在电动机盖的侧面的用于插入电动机母线端子和ECU端子，并且用螺栓和螺母来进行连接的螺母一体型的端子连接机构。因此，既可以实现电动机的轻量小型化并提高组装性，同时又可以容易且可靠地进行与诸如ECU等外部装置的连接。

下面，参照附图来说明本发明的实施方式。尽管下面对铝压铸进行说明，但同样可以将本发明应用在锌合金压铸和镁合金压铸中。

图6示出了本发明的无刷电动机100的电动机机壳110的结构。如图6所示，机壳本体113为圆筒形的形状，底部为具有电动机输出轴在中央部凸出的开口的平面结构，底部还被用来当作电动机前端盖(モータ前面カバー)(终板(エンドプレート))。在机壳本体113的上端部处(在附图上)设有朝向外侧凸出的ECU安装用法兰111，在下端部处(在附图上)一体化地设有朝向外侧凸出的电动机安装用法兰112。通过铝压铸，电动机机壳110被铸造成型为与ECU安装用法兰111和电动机安装用法兰112成为一体。

如图7所示，通过从一个方向通过压入(press fit)或热装(shrink fit)方式将电动机内部零部件安装进这样的电动机机壳110，来组装无刷电动机100。也就是说，首先通过压入或热装方式将定子组件(ASSY)120插入到电动机机壳110，接下来通过压入或热装方式将转子组件(ASSY)130插入到已经被固定在电动机机壳110中的定子组件120，最后安装由铝素材或金属板素材制造而成的电动机盖140，通过螺丝141等将其固定在定子组件120。此外，在定子组件120和电动机盖140处分别设有轴承(121、142)，轴承(121、142)保持转子组件130的轴(131、132)并使其旋转。

图8(B)示出了将定子组件120和转子组件130安装进电动机机壳110的状态，图8(A)示出了电动机盖140的详细结构。电动机盖140具备呈圆盘形的盖本体140A和盖构件140B，其中，盖本体140A在侧面(周缘部)具备端子连接机构150；盖构件140B在中央部具有轴承142，并在周缘部具有呈细长形的缺口141A。将盖构件140B安装在盖本体140A的话，则端子连接机构150正好从缺口143突出，就会变成如图7所示那样的电动机盖140的结构。

作为电动机线圈的绕组端子的呈长条形的电动机母线端子120U、120V和120W被朝向上方地垂直设置在定子组件120的上表面部(在附图上)上。在电动机母线端子120U、120V和120W处分别一体化地设有与螺栓相互螺纹配合的螺母(螺孔120Ua、120Va和120Wa)。还有，在电动机盖140的盖本体140A的周缘部处设有端子连接机构150，端子连接机构150由既与电动机母线端子120U、120V和120W结合，同时又与来自外部的ECU端子(210U、210V和210W)结合的呈长方体形状的绝缘体(托架保持件)构成。

图9是表示将盖本体140A和端子连接机构150安装到已经将定子组件120和转子组件130安装进电动机机壳110的电动机本体上的样子的组装展开图。如图9所示，托架保持件被一体化地与盖本体140A结合，为既可以安装端子盖150B也可以拆卸端子盖150B的结构。在端子盖150B的侧面处设有可使螺栓贯通的圆孔或螺孔。

还有，图10是表示将盖构件140B安装到已经安装了盖本体140A的电动机本体上的样子的组装展开图。如图10所示，通过螺丝141来安装盖构件140B。图11示出了将端子盖150B安装到电动机本体的端子连接机构150上的样子，图12是已经安装了端子盖150B的本发明的无刷电动机100的外观立体图。

通过这样的组装工序，可以获得具有如图13所示的剖视结构的无刷电动机100，为端子连接机构150朝向外侧凸出的结构。电动机输出轴131从电动机机壳110的底面(前端盖)的开口凸出来。还有，转子组件130的轴131和轴132分别通过轴承142和轴承121被保持并可以进行旋转。

本发明的无刷电动机100在如图14所示的状态下通过电动机安装用法兰112被安装在减速装置(齿轮箱)上，同时，ECU200通过ECU安装用法兰111被安装在无刷电动机100上。通过ECU安装用法兰111和电动机安装用法兰112来进行的安装也可以通过螺栓、螺母和螺丝来进行。

图15通过正视图和侧视图来示出了将ECU200安装到无刷电动机100上的样子。如图15所示，ECU200通过被设置在ECU200的底面一侧(在附图上)上的端子台201和202与ECU安装用法兰111连接，并且通过端子连接机构150来进行电连接。

图16至图18示出了将ECU200安装到无刷电动机100上的样子。如图16至图18所示，ECU端子210U、210V和210W以及ECU安装用支柱201和202被垂直设置在ECU200的底面端部上。在将ECU200安装到无刷电动机100上的时候，使ECU安装用支柱201和202与电动机盖140的联结孔联结，同时，将ECU端子210U、210V和210W分别插入到端子连接机构150的所规定的位置并使它们进行联结。

图19示出了ECU端子210U、210V和210W与电动机母线端子120U、120V和120W之间的连接关系。图19(A)示出了螺母被结合在电动机母线端子120U、120V和120W的外侧的示例，图19(B)示出了螺母被结合在电动机母线端子120U、120V和120W的内侧的示例。在图19(A)和图19(B)所示出的示例中，用由导电性材料构成的螺栓夹紧设有螺孔或圆孔的ECU端子，并通过螺母使电动机母线端子与ECU端子结合。就这样，将ECU端子210U、210V和210W电连接到电动机母线端子120U、120V和120W，并且还使ECU端子210U、210V和210W以机械方式与电动机母线端子120U、120V和120W进行结合。

接下来，关于端子连接机构150的结构和端子的连接，参照图20和图21来详细说明其他的示例。

端子连接机构150为呈长方体形状的绝缘体(托架保持件)，在端子连接机构150处设有三个相的螺纹被螺纹加工于横方向并具有同一形状的螺母孔151U(内径R)、151V(内径R)和151W(内径R)。内径R与被设置在电动机母线端子120U、120V和120W处的螺孔120Ua、120Va和120Wa的内径相同。还有，在端子连接机构150处设有用来分别与从下方被插进来的电动机母线端子120U、120V和120W联结的呈矩形形状的电动机端子联结沟152U、152V和152W和用来分别与从上方被插进来的三个相的ECU端子联结的呈矩形形状的ECU端子联结沟153U、153V和153W，以便沿着上下方向分别垂直于螺母孔151U、151V和151W。电动机端子联结沟152U、152V和152W具有相同的形状，宽度均为LD，长度均为Ld。ECU端子联结沟153U、153V和153W具有相同的形状，宽度均为LU，长度均为Lu。电动机端子联结沟152U、152V和152W以及ECU端子联结沟153U、153V和153W的深度(高度)均为横穿过螺母孔151U、151V和151W的深度(高度)。

与电动机母线端子120U、120V和120W的尺寸相比，电动机端子联结沟152U、152V和152W的宽度LD和长度Ld均更有余量，因此可以吸收端子尺寸的偏差。还有，与ECU端子210U、210V和210W的尺寸相比，ECU端子联结沟153U、153V和153W的宽度LU和长度Lu均更有余量，因此可以吸收端子尺寸的偏差。所以可以顺利地进行电动机母线端子120U、120V和120W与电动机端子联结沟152U、152V和152W的联结以及ECU端子210U、210V和210W与ECU端子联结沟153U、153V和153W的联结。

电动机母线端子120U、120V和120W从下方被插入到电动机端子联结沟152U、152V和152W，ECU端子210U、210V和210W从上方被插入到ECU端子联结沟153U、153V和153W，接下来，如图22所示，首先使由导电性材料构成的螺栓154U、154V和154W与电动机母线端子120U、120V和120W螺纹嵌合，然后，拧紧螺栓，使螺栓154U、154V和154W的前端部与ECU端子210U、210V和210W分别相接触并固定。因此，可以将ECU端子210U、210V和210W电连接到电动机母线端子120U、120V和120W，并且还以机械方式使ECU端子210U、210V和210W与电动机母线端子120U、120V和120W固定在一起。从而能够以小型轻量的结构使ECU200和无刷电动机100合为一体。

另外，在上述实施方式中，尽管电动机端子联结沟152U、152V和152W被设置在螺栓插入的前方一侧，ECU端子联结沟153U、153V和153W被设置在螺栓插入的后方一侧，但在本发明中，也可以将ECU端子联结沟153U、153V和153W设置在螺栓插入的前方一侧，并且还可以将电动机端子联结沟152U、152V和152W设置在螺栓插入的后方一侧。在这种情况下，在ECU端子210U、210V和210W处分别设有与螺栓相互螺纹配合的螺孔。

还有，尽管如上所述在本发明中，既可以将与螺栓相互螺纹配合的螺孔设置在电动机母线端子120U、120V和120W处，也可以将与螺栓相互螺纹配合的螺孔设置在ECU端子210U、210V和210W处，但在本发明中，还可以将具有相同内径的螺孔设置在电动机母线端子120U、120V和120W与ECU端子210U、210V和210W的双方，并且还可以使螺栓贯通电动机母线端子120U、120V和120W以及ECU端子210U、210V和210W并使它们互相结合。

标记说明

1 转向盘(方向盘)

2 柱轴(转向轴或方向盘轴)

10 扭矩传感器

12 车速传感器

14 转向角传感器

20 电动机

21 旋转传感器

30、200 控制单元(ECU)

40 CAN

100 无刷电动机

110 电动机机壳

111 ECU安装用法兰

112 电动机安装用法兰

120 定子组件(ASSY)

130 转子组件(ASSY)

140 电动机盖

150 端子连接机构

Claims

1.一种无刷电动机，其特征在于：

具备用于插入电动机母线端子和ECU端子，并且用螺栓和螺母来进行连接的螺母一体型的端子连接机构。

2.根据权利要求1所述的无刷电动机，其特征在于：所述端子连接机构被设置在电动机盖的侧面并成为托架保持件一体型，并且具有既可以安装端子盖也可以拆卸所述端子盖的结构。

3.根据权利要求1或2所述的无刷电动机，其特征在于：通过插入螺栓以便使所述电动机母线端子和所述ECU端子合为一体。

4.根据权利要求3所述的无刷电动机，其特征在于：在所述电动机母线端子和所述ECU端子处设有用来与所述螺栓联结的螺孔或圆孔。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的无刷电动机，其特征在于：所述端子连接机构具有用于插入所述电动机母线端子的呈细长形的第一狭缝和用于插入所述ECU端子的呈细长形的第二狭缝，并且所述第一狭缝和所述第二狭缝被设置成方向相反。

6.根据权利要求5所述的无刷电动机，其特征在于：所述第一狭缝和所述第二狭缝均为这样的结构，即，为在电动机轴方向具有自由度的细长孔，并且在电动机径向方向具有自由度且宽度较宽，还可以吸收端子尺寸的偏差。

7.根据权利要求1至6中任意一项所述的无刷电动机，其特征在于：所述电动机盖是由铝素材、锌合金、镁合金或金属板素材制造而成的，并且为通过安装所述电动机盖来保持转子轴承的结构。

8.一种电动助力转向装置，通过权利要求1至7中任意一项所述的无刷电动机来对其进行驱动控制，其特征在于：通过至少基于转向扭矩运算出的电流指令值来对车辆的转向系统施加辅助力。

9.一种车辆，其特征在于：通过插入螺栓以便搭载权利要求8所述的电动助力转向装置。