关于油泵电机控制器的防护设计与研究

胡小辉，潘 磊，刘小兵

（深圳南方德尔汽车电子有限公司，广东深圳 518109）

0 引言

目前变速箱行业趋势是希望将变速箱油泵集成装配在变速箱内部，使变速箱模块化，节省整车装配时间和装配空间。现有的变速箱油泵基本装配在变速箱外部，油泵用控制器一般由塑胶壳体加密封圈进行防护密封，能够满足IP6k9k的防护等级，其偶尔接触油液可能不会有影响，但是其很难在高温和油液中进行长时间工作，高温和油液会将密封圈及控制器上的电子元器件腐蚀失效，这类控制器不能够使油泵集成装配在变速箱内部。

通过结构方案设计、材料选型到最后产品验证等经过几个阶段，确认了该种防护方式能够长时间在高温变速箱内部工作的控制器；控制器防护用的外壳采用耐油、耐高温的PPA（聚肽酰胺树脂）材料，灌封胶采用耐高温、耐油性的环氧树脂，两者有很好的粘接性，两者组合后将控制器包裹，对其起到防护作用。其能够承受变速箱内部的高温、油液（140 ℃）的长期浸泡而不影响其功能，使变速箱油泵能够装配到变速箱内部，使变速箱产品模块化，节省整车装配时间和整车布置空间，是今后变速箱零部件集成化的一种趋势。

1 油泵控制器技术要求

变速箱内部充满高温油液，温度达到140 ℃以上，这就要求变速箱内的产品能够满足长时间高温耐油的性能，且不影响控制器各电子元器件性能以及连接器的电气性能［1］。

1.1 温度冲击试验

变速箱内部环境温度从-40 ～140 ℃不断地变化，这就要求油泵控制器以及控制器的防护结构能够满足-40 ～140 ℃的温度冲击试验，温度转换时间10 s，进行230 个循环，试验过后检测控制器外观、性能以及连接器的绝缘耐压性能是否符合要求。

1.2 油液兼容性能

变速箱内部环境充满齿轮油，齿轮油具有一定的腐蚀性、渗透性等特点，一般的外壳防护材料长时间在油液中容易腐蚀。采用耐温性、耐油性好的工程塑料和灌封胶水来解决控制器油液兼容性问题，需要进行1 000 h以上，温度140 ℃的油液兼容性实验，实验过程后检测产品外观，并测试控制器性能、防护材料性能。

2 控制器结构设计

油泵电机控制器需要与外部进行通信，众所周知需要采用塑胶的连接器，以满足连接器绝缘性的要求，因此将连接器和装配控制器PCB 的壳体集成一体，都采用塑胶进行注塑，将连接器的pin针和装配PCB 部分注塑一体，这样节省整个控制器的空间，该结构示意图如图1 所示。连接器的pin针直接连通PCB 的焊接引脚，用耐压绝缘性强的工程塑胶进行注塑，通过将控制器的PCB板放置于塑胶壳体上的容纳槽内后，再用耐温、耐油性的环氧灌封胶包覆住PCB及其元器件进行密封，具有良好的密封性，且利用塑胶和环氧灌封胶具有耐油、耐高温、高导热系数的特性，可确保该角度传感器能长时间在高温和油液中工作，且该控制器由于全部浸泡在变速箱油液中，控制器的热量可以通过灌封胶的导热性传递到油液，润滑油将热量带走，这样整个控制器的结构方案设计完成［2］。

图1 控制器结构图

3 控制器防护材料选择与验证

该电机控制器需要承受长期的耐高温、耐油液浸泡的性能要求，因此在外壳防护材料以及灌封胶材料的选择上尤为重要。

3.1 外壳材料的选择与验证

该电机控制器，是为了适应高温、长期浸泡油液的变速箱环境而开发的，因此对于控制器的外壳防护材料的选择非常关键；根据经验所知，常用的汽车行业工程塑胶材料有：PBT（聚对苯二甲酸丁二醇酯）、PA66（聚酰胺66）、PPS（聚苯硫醚）、PPA（改性聚对苯二酰对苯二胺）等。PBT（聚对苯二甲酸丁二醇酯）材料的电气性能优良，常作为产品端连接器材料，但是其耐温性能欠佳，且易水解，不宜使用在潮湿的环境中；PA66 为尼龙66 材料，有优良的电气性能和耐温性能，韧性高，因此常作为带卡扣类连接器材料，其缺点是易吸水及高温变形，尺寸稳定性较差；PPS 材质被称为塑料钢，有很强的机械性能、耐温、耐水性能优越，常作为水泵叶轮、电机壳等泵类壳体材料，其缺点是价格昂贵，且韧性差，作为产品外壳容易碰撞开裂；PPA 材料有优良的耐候性、耐水性能，具有PA66的优点，同时弥补了其缺点。

因此该电机控制器首先计划采用PPA材料作为防护外壳，并同时对这几款常用材料进行冷热冲击、油液兼容性、绝缘耐压等的测试，实验完成后通过检测材料的强度来判定材料性能是否下降，如图2和表1所示；几种不同工程塑料在经过冷热冲击（-40 ～140 ℃）、高温（140 ℃）、变速箱油1 000 h 的浸泡后，测试控制器壳体上连接器卡扣的断裂强度以及连接器的绝缘耐压性能，实验后得出PPA材料的强度最高，绝缘耐压性能都合格，且其和实验前对比几乎没有变化，因此最终采用PPA加玻纤的材料作为该控制器塑胶外壳［3-4］。

图2 测试外壳卡扣断裂强度

表1 不同工程塑料测试数据

3.2 灌封胶的选型与验证

该油泵电机控制器，为了适应高温、长期浸泡油液的变速箱环境，采用灌封胶对PCBA 进行密封，在选择灌封胶的时候，需要考虑胶水的耐高温性、耐油性能。选择几款行业类常用的灌封胶水进行冷热冲击（-40 ～140 ℃）、高温（140 ℃）、油液1 000 h的浸泡实验验证，实验完成后观察产品外观，并且测试控制器的电气性能是否符合要求，来判断哪款胶水满足该控制器要求。

行业常用灌封胶水有有机硅胶和环氧胶。有机硅胶常作为各种需要防水密封灌胶产品，其耐温性能好，市场应用广泛，但是耐介质腐蚀性能较差；环氧胶也常作为密封灌胶产品出现在行业内，其胶水固化后硬度较大，耐介质腐蚀性能好，但是能够满足140 ℃长时间高温环境的环氧胶并不多，且由于其硬度较大，可能在灌封的时候会有内应力存在，对控制器的元器件具有破坏作用。因此在胶水的选型上，需要特别注意胶水的这些性能，并进行测试。

首先准备好几款待实验胶水，将其分布对控制器进行灌封，然后分组分别进行-40 ～140 ℃的冷热冲击、140 ℃、1 000 h 的油液兼容性测试的耐久实验，实验后对控制器进行电气性能测试，检验控制器元器件是否有被胶水内应力损伤，最终判断哪款胶水最适合该控制器。实验后发现，有机硅胶在冷热冲击实验中表现良好，但是在油液兼容性实验后，胶水有腐蚀、渗透、膨胀现象，如图3 所示，显然不符合实验要求；环氧胶在进行冷热冲击实验后，有几款胶水都出现开裂现象，如图4 所示，最终只有2款环氧胶实验合格。最后采用2款实验合格的胶水，对控制器的传感器芯片进行磁场强度测试、检测电机转速测试、绝缘耐压等的测试，所有测试都符合要求，再对其进行工艺性验证，再结合成本，选择一款双组份环氧胶作为最终的灌封胶水，如图5、表2所示［5-7］。

图3 有机硅胶膨胀

图4 个别环氧胶开裂

图5 个别环氧胶验证合格

表2 实验后测试控制器性能

4 结束语

经过从结构设计、材料的选型、灌封胶的选型、产品实验验证等阶段，要使电机控制器能够在变速箱内部环境中长时间工作，且要满足耐温、耐油等的性能，需要选择耐温、耐腐蚀性强的工程塑胶及灌封胶水，在胶水的选型上，需要重点关注胶水在高温下是否会对控制器元器件产品损伤，胶水的玻璃化转变温度尽量选低一点的，且胶水推荐采用双组份环氧胶，双组份环氧胶的点胶工艺性比单组份胶水更容易得到实现，且双组份胶水成本一般较低。

本文通过对该油泵电机控制器的防护设计与研究，为行业内提供了参考价值，使更多的油泵电机控制器和其他传感器能够装配到变速箱内部，使变速箱产品模块化，节省整车装配时间和整车布置空间，提高了产品竞争力。