CN103229398B

CN103229398B - 旋转电机

Info

Publication number: CN103229398B
Application number: CN201080070385.9A
Authority: CN
Inventors: 前田直秀; 藤田畅彦
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-12-10
Filing date: 2010-12-10
Publication date: 2016-03-30
Anticipated expiration: 2030-12-10
Also published as: JPWO2012077227A1; EP2651016A1; WO2012077227A1; US20130197821A1; EP2651016A4; CN103229398A; JP5705238B2; US9696178B2; EP2651016B1

Abstract

一种旋转电机，包括：外壳；同轴地固定在以能旋转的方式支承于外壳的转轴上的转子；以围绕转子的方式固定于外壳的定子；固定于转轴的集电环；电刷；将电刷朝集电环施力的施力元件；获取与电刷的温度相关的信息的温度信息获取元件；获取与转轴的旋转角度相关的信息的旋转信息获取元件；以及磨损量运算部，该磨损量运算部根据包含温度信息获取元件的输出信息在内的温度信息获取所述电刷的温度，并将包含磨损量函数的基于电刷的温度确定的值与转子的转速在内的值的积，在从刚开始使用电刷之后起到当前为止的时间中进行积分，以运算出电刷的总磨损量，其中，所述磨损量函数将电刷的温度作为变量，并被定义为电刷的单位滑动距离的磨损量。

Description

旋转电机

技术领域

本发明涉及一种例如装设于汽车等的发电电动机等旋转电机。

背景技术

例如，发电机等旋转电机包括：具有电枢绕组的定子；具有励磁绕组的转子；以及能在设于励磁绕组的端部的集电环上滑动地压接配置并用于将来自电池的励磁电流供给至励磁绕组的电刷。

当电刷被磨损而将电刷与集电环的通电切断时，停止从电池朝励磁绕组的供电，旋转电机不能运转。在该情况下，为了使旋转电机再开始运转，必须更换电刷。

当装设旋转电机的装置运转时，若旋转电机不能运转，则装置自身可能会发生故障。特别地，在旋转电机装设于车辆的情况下，当因电刷的磨损而使旋转电机停止运转时，有时也会对车辆造成严重的损伤。

因此，将根据与预想的旋转电机的使用时间相对应的电刷的磨损量而导出的电刷的寿命相对于旋转电机的性能保证期间设定得足够长，以避免产生因电刷磨损而引起的旋转电机的异常运转停止。

然而，为了延长电刷的寿命，需增大电刷的长度，但若使电刷的长度增大，则会使旋转电机大型化而导致成本增加。

鉴于上述问题，提出了包括推算出电刷的磨损量来通知电刷的更换时期到来的装置的各种旋转电机。

现有的车用发电机的电刷磨损检测装置包括：对经由发电机的电刷而流至发电机的励磁绕组的电流值进行检测的电流检测电路；对发电机的输出电压值进行检测的输出电压检测电路；以及根据电流检测电路检测出的电流值或输出电压检测电路检测出的输出电压值来判断电刷的磨损状态的电刷磨损判断电路(例如参照专利文献1)。

电刷包括成对的电刷(＋)和电刷(－)，一对电刷分别被螺旋弹簧施力而被按压于集电环。

现有的车用发电机的电刷磨损检测装置在发动机开始旋转时对流至励磁绕组的初始励磁电流进行检测，并根据该初始励磁电流来判断电刷的磨损状态。

在现有的车用发电机的电刷磨损检测装置中，能根据电刷磨损判断电路的判断结果警示电刷已达到磨损极限，因此，能在电刷与集电环的通电被切断之前更换电刷，从而避免了因电刷磨损而引起的现有的车用发电机的异常运转停止。

另外，现有的旋转电动机的电刷监视装置包括：电流对应磨损量运算元件，该电流对应磨损量运算元件根据电流对磨损量的特性，求出与电枢电流检测值或和电枢电流相关的物理检测值相对应的电刷磨损量；以及转速对应磨损量运算元件，该转速对应磨损量运算元件根据转速对磨损量的特性，求出与电枢转速检测值或和电枢转速相关的物理检测量相对应的电刷磨损量，当将由上述运算元件运算出的电刷磨损量累积相加后获得的累积磨损量超过磨损极限时，发出警告(例如参照专利文献2)。

在现有的旋转电动机的电刷监视装置中，当累积磨损量超过磨损极限时，发出警告，因此，能在电刷与集电环的通电被切断之前更换电刷，从而避免了因电刷磨损而引起的现有的旋转电动机的异常运转停止。

另外，现有的伺服电动机的电刷磨损管理装置包括：对带电刷伺服电动机的启动次数进行计数的启动次数计数器；以及对带电刷伺服电动机的运转时间进行计数的运转时间计数器，不仅只考虑启动次数计数器及运转时间计数器中的一方，也考虑另一方来算出电刷的磨损量，当由算出的电刷的磨损量判断出电刷已达到寿命时，发出警告(例如专利文献3)。

在现有的伺服电动机的电刷磨损管理装置中，当判断为电刷已达到寿命时，发出警告，因此，能在电刷与集电环的通电被切断之前更换电刷，从而避免了因电刷磨损而引起的现有的伺服电动机的异常运转停止。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2005－168214号公报

专利文献2：日本专利特开平6－141513号公报

专利文献3：日本专利特开昭62－155744号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

电刷的磨损进度因电刷的温度而不同，主要是电刷的温度越高，则因集电环与电刷的摩擦而使电刷越容易磨损，这点是众所周知的。

专利文献1所记载的现有的旋转电动机的电刷监视装置根据电流检测电路检测出的电流值或输出电压检测电路检测出的输出电压值来判断电刷的磨损状态，因此，当算出电刷的磨损量时，不能完全反映出因电刷的温度变动而引起的电刷的磨损进度的变动，因而不能求出准确的电刷的磨损量。另外，由于是在每次启动发动机时判断电刷的磨损量，因此，在发动机启动之后，不能在发动机运转过程中判断电刷的磨损量，因此，在发动机运转过程中即便电刷达到了磨损极限，也不警告，在现有的旋转电机连续持续运转较长时间的情况下，可能会因电刷的故障而使运转停止。

在专利文献2所记载的现有的旋转电动机的电刷监视装置中，分别求出基于电枢电流的电刷磨损量和基于电枢转速的电刷磨损量并将它们加在一起。

如上所述，电刷的磨损进度被电刷的温度左右。即，电刷相对于集电环的单位滑动距离的磨损量为电刷温度的函数。此外，将基于电刷温度的电刷的单位滑动距离的磨损量和电刷相对于集电环的滑动距离的积进行积分后获得的值为电刷的总磨损量。

此时，基于电枢转速的电刷的温度变化和基于电枢电流的电刷的温度变化彼此相关。

因此，在分别求出基于电枢电流的电刷磨损量和基于电枢转速的电刷磨损量并将它们加在一起来运算出电刷的总磨损量的现有的旋转电动机的电刷监视装置中，无法准确地反映出伴随着电刷的温度变化而产生的电刷的磨损量的变化量，因而不能准确地求出电刷的磨损量。

在专利文献3所记载的现有的伺服电动机的电刷磨损管理装置中，根据现有的伺服电动机的启动次数和运转时间求出电刷的磨损量。

例如，现有的伺服电动机能进行加工台等的定位控制、直线方向或圆弧的修正控制。若现有的伺服电动机设置于稳定的温度条件下，则能大致准确地求出电刷的磨损量。然而，若现有的伺服电动机设置于不稳定的温度条件下，则在算出电刷的磨损量时，无法完全地反映出伴随着电刷的温度变化而产生的电刷磨损的进行速度的变动，从而不能求出准确的电刷的磨损量。

本发明为解决上述技术问题而作，其目的在于获得一种无论在与转轴之间传递转矩的内燃机是否运转都能运算出电刷的磨损量、且能准确地反映电刷的温度变化而高精度地运算出电刷的磨损量的旋转电机。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明的旋转电机包括：外壳；转子，该转子具有励磁绕组并同轴地固定于转轴，该转轴以能旋转的方式支承于外壳；定子，该定子具有电枢绕组，并以围绕转子的方式固定于外壳；集电环，该集电环固定于转轴7；电刷，该电刷配置于与集电环接触的位置；施力元件，该施力元件将电刷朝集电环施力；温度信息获取元件，该温度信息获取元件获取与电刷的温度相关的信息；旋转信息获取元件，该旋转信息获取元件获取与转轴的旋转角度相关的信息；以及磨损量运算部，该磨损量运算部根据包含温度信息获取元件的输出信息在内的温度信息获取电刷的温度，并将磨损量函数的基于电刷的温度确定的值与转子的转速的积，在从刚开始使用电刷之后起到当前为止的时间中进行积分，基于该积分后获得的值运算出电刷的总磨损量，其中，上述磨损量函数将电刷的温度作为变量，并被定义为电刷的单位滑动距离的磨损量。

发明效果

根据本发明的旋转电机，磨损量运算部根据包含温度信息获取元件的输出信息在内的温度信息获取电刷的温度，根据将基于电刷的温度确定的磨损量函数的值与转子的转速的积在从刚开始使用电刷之后起至当前为止的时间中进行积分后获得的值，来运算出电刷的总磨损量，因此，尽管处于旋转电机的系统运转过程中，也能实时运算出电刷的磨损，且能准确地反映电刷的温度变化，从而能准确地运算出电刷的磨损量。

附图说明

图1是本发明实施方式一的发电电动机的剖视图。

图2是本发明实施方式一的发电电动机的电刷及温度计的主要部分剖视图。

图3是表示本发明实施方式一的发电电动机的系统结构图。

图4是说明本发明实施方式一的发电电动机的电刷磨损量计算的流程图。

图5是本发明实施方式三的发电电动机的剖视图。

图6是表示本发明实施方式五的发电电动机的系统结构图。

图7是表示本发明实施方式六的发电电动机的系统结构图。

具体实施方式

以下，参照附图，对用于实施本发明的最佳实施方式进行说明。

实施方式一

图1是本发明实施方式一的发电电动机的剖视图，图2是本发明实施方式一的发电电动机的电刷及温度计的主要部分剖视图。

在图1中，作为旋转电机的发电电动机1A具有旋转电机主体2和一体安装于旋转电机主体2的控制单元40。

旋转电机主体2包括：外壳3，该外壳3由使用螺栓9而一体化的支架4A、4B构成；转轴7，该转轴7的两端从外壳3延伸出并被支承于外壳3的轴承5、6支承成能绕轴自由旋转；转子10，该转子10在外壳3内同轴地固定于转轴7，并与转轴7一起旋转；定子15，该定子15以围绕转子10的外周侧的方式固定于外壳3的内周面；旋转传感器28，该旋转传感器28安装于转轴7的一端，并作为获取与转轴7(转子10)的旋转角度相关的信息的旋转信息获取元件；以及带轮8，该带轮8固定于转轴7的另一端并经由未图示的皮带与发动机等内燃机连接，上述带轮8用于将转轴7的转矩传递至内燃机或将内燃机的转矩传递至转轴7。

旋转传感器28例如能使用分解器等。

另外，旋转电机主体2包括：风扇18a、18b，该风扇18a、18b安装于转子10的转轴7的轴向上的两侧面；以及集电环21，该集电环21在转子10的转轴7的轴向上的一侧固定于转轴7，并朝转子10供电。此外，旋转电机主体2包括：电刷单元23，该电刷单元23具有配置于与集电环21的外周面接触的位置的一对电刷24及将一对电刷24朝集电环21进行施力的作为施力元件的一对弹簧26；温度计29a，该温度计29a如图2所示埋设于电刷24，以作为获取与电刷24的温度相关的信息的温度信息获取元件；以及电流检测元件(未图示)，该电流检测元件作为对在电刷24中流动的电流进行测定、换言之对励磁电流进行测定的电流信息获取元件。

控制单元40包括：三个电源电路模块50A；励磁电路模块50B；散热器30，该散热器30安装有电源电路模块50A及励磁电路模块50B，并支承于外壳3；以及控制基板60，该控制基板60具有由后述电路控制部及磨损量运算部构成的控制部。

另外，控制部由CPU、RAM及存储有各种控制程序的ROM等构成，可实现电路控制部及磨损量运算部的各种功能。

各电源电路模块50A具有将供给至定子15的电流导通或断开的开关元件(未图示)。

另外，励磁电路模块50B具有将供给至转子10的电流导通或断开的开关元件(未图示)。

电路控制部输出电源电路模块50A及励磁电路模块50B的开关元件的控制信号，以控制电源电路模块50A及励磁电路模块50B。

外壳3呈在轴向两端的中央部形成有使内外连通的孔的大致中空的圆柱状。此外，轴承5、6同轴地安装于外壳3内，以支承转轴7。

转子10包括：励磁绕组11，该励磁绕组11通电以产生磁通；以及一对磁极铁心体(polecorebody)12，这一对磁极铁心体12被设成将励磁绕组11覆盖，并利用励磁绕组11中产生的磁通形成磁极。一对磁极铁心体12例如是铁制的，在各磁极铁心体12中，例如八个爪状磁极在周向上等角间距地沿轴向突设于外周缘，这一对磁极铁心体12以爪状磁极啮合的方式相对地固定于转轴7。

定子15包括：定子铁心16；以及卷绕安装于定子铁心16的电枢绕组17。电枢绕组17由三相交流绕组构成，该三相交流绕组通过Y形连接构成。

散热器30包括平板环状的基座板31及从基座板31的背面延伸出的多个冷却翅片32。从基座板31的周向的局部范围延伸出的冷却翅片32的长度比其它冷却翅片32的长度短。此外，散热器30在使冷却翅片32朝向转子10的轴向一侧的风扇18a、并使基座板31的轴心与转轴7的轴心一致以供转轴7的一端侧插通的状态下固定于外壳3内。此外，电源电路模块50A及励磁电路模块50B安装于基座板31的表面。

另外，控制基板60和电源电路模块50A及励磁电路模块50B经由中转基板65及连接器67而连接在一起。藉此，控制基板60的电路控制部能将控制信号输出至电源电路模块50A及励磁电路模块50B。

另外，构成电枢绕组17的各三相交流绕组的引出线92的端部经由中转基座91及连接端子90与电源电路模块50A电连接。

另外，电刷24和励磁电路模块50B经由未图示的连接端子而电连接。

电刷单元23包括：箱状的刷握25，该刷握25的一面开口，并在与该开口面正交的方向上具有规定的纵深；电刷24，该电刷24分别以使一端部从刷握25的开口延伸出并朝纵深方向延伸的方式彼此平行地收纳于刷握25；以及弹簧26，该弹簧26作为将电刷24的另一端部朝从刷握25延伸出的方向进行施力的施力元件。

电刷24是以石墨和铜为主要材料而被制作出的。

另外，弹簧26压缩设置于刷握25的底部和电刷24之间。

电刷单元23利用通过将冷却翅片32从基座板31延伸出的延伸部缩短而确保的空间进行配置。此时，电刷单元23配置成使刷握25的开口部朝向集电环21、并以使从刷握25的开口部延伸出的电刷24的端部与集电环21接触的方式将刷握25固定于外壳3。藉此，电刷24因弹簧26的施力而按压于集电环21，电刷24的一端部在加压状态下与集电环21抵接。

另外，通风口3a形成于外壳3的外周部的大致位于散热器30、电刷单元23及一个风扇18a的外侧的规定部位。通风口3a中的远离风扇18a的一侧为吸气部，距风扇18a较近的一侧为排气部。从吸气部吸入的空气在夺取散热器30的热量并流过冷却翅片31之后，被引导至风扇18a的中心侧，接着，沿着风扇18a的表面被引导至风扇18a的外周部并被从排气部排出。

另外，在控制单元40中，设有用于与未图示的外部控制装置进行通信的连接器79。外部控制装置具有输送电源电路模块50A及励磁电路模块50B的控制指令的功能。此外，在外部控制装置的信号输出电缆的端部设有未图示的连接器，该连接器与连接器79嵌合，从而能在外部控制装置与控制基板60之间进行信号的发送与接收。

接着，参照附图来说明发电电动机1A的系统结构。

图3是表示本发明实施方式一的发电电动机的系统结构图。

在图3中，发电电动机1A的系统包括：电枢绕组17，该电枢绕组17由被Y形连接的三相交流绕组构成；励磁绕组11；以及控制部61，该控制部61包括电路控制部62和磨损量运算部63，并组装于控制基板60，其中上述电路控制部62输出用于控制电枢绕组17和励磁绕组11的电流的控制信号，上述磨损量运算部63运算出电刷24的磨损量。

另外，发电电动机1A的系统包括：逆变器单元100，该逆变器单元100与电枢绕组17连接，并根据从电路控制部62输出的控制信号朝电枢绕组17供电或将电枢绕组17的输出电流整流；励磁电路部110，该励磁电路部110根据来自电路控制部62的控制信号朝励磁绕组11供电；以及电池120，该电池120被经由逆变器单元100从电枢绕组17供给来的电力充电。

此外，发电电动机1A的系统包括对在未图示的电刷中流动的电流进行检测、换言之对流动至励磁绕组11的电流进行检测的电流检测元件13。

逆变器单元100构成为将三个电源电路部101并联连接，该电源电路部101具有构成电源电路模块50A的开关元件103及二极管104。

各电源电路部101由上桥臂102a及下桥臂102b构成。

此外，上桥臂102a及下桥臂102b各自是通过将构成电源电路模块50A的开关元件103及二极管104并联连接而构成的。

上桥臂103a和下桥臂103b以开关元件103串联的方式连接。此时，上桥臂103a与电池120的高电位侧连接，下桥臂103b与电池120的低电位侧连接。

各电源电路部101的上桥臂103a及下桥臂103b的连接部(中间电位端子)与电枢绕组17的各相绕组的线圈端部经由配线而连接。另外，用于控制开关的导通/断开的开关元件103的端子与电路控制部62电连接。

另外，励磁电路部110是通过将构成励磁电路模块50B的开关元件103与二极管104串联连接而构成的。此外，开关元件103与电池120的高电位侧连接，二极管104与电池120的低电位侧连接。另外，串联连接的电流检测元件13及励磁绕组11与二极管104并联连接。用于控制开关的导通/断开的开关元件103的端子与电路控制部62电连接。

根据电源电路部101及励磁电路部110的开关元件103的导通/断开来切换从定子15及转子10朝电池120的电力供给或从电池120朝定子15及转子10的电力供给的导通/断开。

即，电源电路部101进行电池120与定子15的电枢绕组17之间的通电的导通/断开，励磁电路部110进行电池120与转子10的励磁绕组11之间的通电的导通/断开。

另外，虽未详细图示，但电流检测元件13与控制部61连接，磨损量运算部63能根据电流检测元件13的输出识别出励磁电流的大小。

另外，在电池120中内置有用于检测输出电压(输入输出端子间的电压)的未图示的输出电压获取元件，电池120的输出电压信息输出用的端子与控制部61连接。此外，磨损量运算部63能识别出电池120的输出电压。

另外，温度计29a与磨损量运算部63电连接，朝磨损量运算部63输入温度计29a的信息。磨损量运算部63将温度计29a的输出直接识别为电刷24的温度。

另外，旋转传感器28与磨损量运算部63电连接，朝磨损量运算部63输入与转轴7的旋转角度相关的信息。此外，磨损量运算部63能根据转轴7的旋转角度的时间变化运算出转轴7的转速，换言之能运算出转子10的转速。

另外，外部控制装置130与控制部61连接成能通信。

在如上所述构成的发电电动机1A中，兼具电动机和发电机这两者的功能。

首先，对作为电动机的动作进行说明。当未图示的发动机启动时，直流电被从电池120供给至逆变器单元100。从外部控制装置130接收到指令的电路控制部62控制各逆变器单元100的开关元件103导通/断开，将从电池120输入至逆变器单元100的直流电流转换成三相交流电流并供给至电枢绕组17。

另外，在供给有基于电路控制部62的控制信号的电流的励磁绕组11的周围会产生旋转磁场，以使转子10(参照图1)旋转。转子10的旋转力从带轮8(参照图1)经由未图示的皮带而传递至发动机，以启动发动机。

接着，对作为发电机的动作进行说明。

电路控制部62根据来自外部控制装置130的指令进行构成励磁电路部110的开关元件103的开关控制，以使基于电池120的输出的励磁电流流动。

当启动发动机时，发动机的旋转力经由未图示的曲柄轴、皮带及带轮8而传递至转轴7。藉此，转子10旋转，在电枢绕组17中感应出三相交流电压。

另外，电路控制部62读取各相间电压，例如，在超过电池120的额定电压的情况下，进行开关元件103的控制，以将电源电路部101的开关元件103切换成断开。

藉此，电枢绕组17中感应出的三相交流电被转换(整流)成直流电，利用该直流电对电池120进行充电。

如上所述，在发电电动机1A中，运转时需使励磁电流流动以对转子10进行励磁，因此，电池120始终经由电刷24及集电环21朝励磁绕组11供给励磁电流。因此，电刷24的温度因励磁电流而升高。此时，电刷24的温度越高，则构成电刷24的石墨、铜的粒子越是容易剥离，因此，与集电环21接触的电刷24的表面的石墨、铜的粒子的脱离量增多。

发电电动机1A根据电刷24的温度和转子10的转速来计算电刷24的磨损量。

此处，电刷24相对于集电环21的单位滑动距离的磨损量因电刷24的温度而变动，这已是众所周知的。

表示电刷24相对于集电环的单位滑动距离的磨损量(单位滑动磨损量)的函数(磨损量函数)f(θ)定义为电刷24的温度θ的函数并存储于磨损量运算部63。

当将集电环21的直径设为D，并将时间t内的转速(r/min)设为N(t)时，电刷24相对于集电环21的合计滑动距离L由以下数学式1表示。

(数学式1)

L=∑πDN(t)

数学式1相当于将πDN(t)在从0至当前的时间为止的时间t中进行积分获得的值。

另外，在将各时间的电刷24的温度表示为θ(t)时，电刷24的总磨损量F由以下的数学式2表示。

(数学式2)

F=∑f(θ(t))πDN(t)

这样，电刷24的总磨损量F是将包含磨损量函数的基于电刷24的温度确定的值和认定电刷24的温度时的转子10的转速在内的积，在从刚开始使用电刷24之后起到当前为止的时间t中进行积分而运算出的。

此外，磨损量运算部63构成为能根据数学式2运算出电刷24的总磨损量F。

磨损量运算部63把握实时测定出的电刷24的温度，并采用基于电刷24的温度的单位滑动磨损量，从而运算出电刷24的总磨损量。因此，在运算出的电刷24的总磨损量F中恰当地反映出了电刷2的温度变化，由磨损量运算部63运算出的总磨损量F是相对于实际的电刷24的磨损量误差较少的准确值。

接着，参照附图，对磨损量运算部63运算电刷24的总磨损量F的运算动作进行说明。

图4是说明本发明实施方式一的发电电动机的磨损量运算部对电刷的磨损量的运算动作的流程图。

另外，在图4中，为了便于说明，将步骤101～步骤106记载为S101～S106。

作为初始状态，设定为发电电动机1A采用新的发电电动机。即，假设电刷24单元的电刷24未被磨损，在磨损量运算部63内的存储区域中，总磨损量Fn的初始值被存储为0。

在图4的步骤101中，磨损量运算部63读取所输入的温度计29a的输出、旋转传感器28的输出等各种输出。

在步骤102中，磨损量运算部63朝磨损量函数f(θ(t))输入温度计29a的输出值，以计算出与温度计29a的输出相对应的、换言之根据当前的电刷24的温度确定的磨损量函数的值(单位滑动磨损量)。

此外，在步骤103中，磨损量运算部63根据单位滑动磨损量f(θ(t))和转轴7的当前的转速N(t)(r/min)计算出单位时间的电刷24的磨损量f(θ(t))×πDN(t)。

此外，在步骤104中，磨损量运算部63将计算出的单位时间的电刷24的磨损量加上当前的Fn的值后获得的结果作为新的Fn。即，进行Fn＝Fn＋f(θ(t))×πDN(t)的运算。另外，该计算每经过单位时间就连续地进行。

接着，在步骤105中，磨损量运算部63对Fn的值是否比电刷24的极限磨损量Flim大进行判断。

另外，电刷24的极限磨损量Flim并不是指失去电刷24的功能的意思，而是设定为电刷24更换时期到来的目标值。

在步骤105中，当磨损量运算部63判断为Fn没有比Flim大时，返回至步骤102，当判断为Fn比Flim大时，朝外部控制装置130发出警告(步骤106)。

详细而言，虽未图示，但在装设有发电电动机1A的车辆等产品上设有用于通知电刷24的磨损达到磨损极限的通知元件。当外部控制装置130接收到Fn＞Flim的警告时，控制通知元件，以发出电刷24达到磨损极限的警告。

根据该实施方式一的发电电动机1A，磨损量运算部63将包含被定义为电刷的单位滑动距离的磨损量的磨损量函数的基于电刷24的温度确定出的值和转子10的转速在内的积，在从刚开始使用电刷24之后起至当前为止的时间中进行积分，以运算出电刷24的总磨损量。

因此，根据发电电动机1A，能在系统运转中实时地运算出电刷24的磨损，且为了运算出电刷24的磨损量，可准确地反映出电刷24的温度变化。藉此，可准确地运算出电刷24的总磨损量，并能在恰当的时期警示电刷24的总磨损量已达到极限磨损量。即，能避免使发电电动机不必要地损伤。

实施方式二

该实施方式二的发电电动机的结构与实施方式一相同。

对磨损量运算部63运算电刷24的总磨损量的运算动作进行说明。

为了计算出电刷24的总磨损量，除了温度计29a测定出的温度τ(t)、转速N(t)之外，磨损量运算部63还根据励磁电流If(t)来进行计算。

此处，利用温度计29a测定出温度的电刷24的部位远离电刷24相对于集电环21的滑动面。因此，温度计29a测定出的温度并不能实时反映出磨损的电刷24的滑动面的实际温度，在磨损的电刷24的滑动面的实际温度与温度计29a测定出的温度之间会产生温度差。

能根据励磁电流的大小将温度计29a测定的温度与电刷24的滑动面的实际温度之间的温度差朝变小的方向进行修正，与仅使用温度计29a进行测定的情况相比，能进一步准确地推算出电刷24的滑动面的温度。

磨损量运算部63根据由温度计29a测定出的温度τ(t)和励磁电流If(t)来运算出电刷24的滑动面在时间t的温度θ(t)。即，将磨损量函数f(θ(t))定义为由温度计29a测定出的温度τ(t)和励磁电流If(t)的函数，通过由以下的数学式3算出电刷24的总磨损量F，能进一步准确地进行电刷24的总磨损量的计算。

(数学式3)

F=∑f(θ(τ(t),If(t))πDN(t)

这相当于将包含基于温度计29a的输出及旋转传感器28的输出确定的磨损量函数的值和转子10的转速在内的值的积，在从电刷开始运转起到当前为止的时间中进行积分，来运算出电刷24的总磨损量。

根据该实施方式二，磨损量运算部63还根据励磁电流If的大小，将温度计29a测定出的温度τ与电刷24的滑动面的实际温度之间的温度差朝变小的方向进行修正。因此，在实施方式二的发电电动机中，与将温度计29a的温度看作为电刷24的滑动面的温度的情况相比，能进一步准确地推算出电刷24的总磨损量。因此，根据该实施方式二的发电电动机，能在更进一步恰当的时刻警示电刷24的总磨损量已达到极限磨损量，从而能避免使发电电动机不必要地损伤。

另外，在以上的说明中，对使用由作为电流信息获取元件的电流检测元件13直接检测出的励磁电流If来计算出电刷24的总磨损量的情况进行了说明，但也可不利用电流检测元件13检测出励磁电流If，而是由磨损量运算部63通过运算来求出励磁电流。即，磨损量运算部63也可兼作电流信息获取元件。

磨损量运算部63根据电池120的输出电压和以下说明的励磁电路部110的占空比来进行计算。电路控制部62使励磁电路部110内的开关元件103周期性地导通/断开，以将励磁电流控制成规定的电流。励磁电路部110的占空比定义为开关元件103处于导通的时间相对于将开关元件103导通/断开的周期的比例。

藉此，能根据电池120的输出电压和励磁电路部110的占空比运算出施加于电刷24的电压。

能根据电刷24的长度和温度运算出电刷24的电阻值。能根据至此为止的电刷2的总磨损量运算出电刷24的长度，因此，磨损量运算部63能运算出电刷24的电阻值，以运算出励磁电流。

与上述相同地，磨损量运算部63根据将这样导出的励磁电流代入作为磨损量函数f的变量的励磁电流的值后的单位滑动磨损量，运算出电刷24的总磨损量，从而能准确地推算电刷24的总磨损量。

实施方式三

图5是表示本发明实施方式三的发电电动机的剖视图。

另外，在图5中，对于与上述实施方式一相同的部分标注相同的符号并省略其说明。

在图5中，除了省略温度计29a，并将温度计29b安装于刷握25的外表面之外，发电电动机1B采用与发电电动机1A相同的结构。

首先，电刷24的磨损量如上所述与电刷24的温度有较深的关系。若励磁电流、转子10的转速稳定，则由于发电电动机1B的结构是众所周知的，因此，能推算出安装于刷握25的温度计29b测定出的温度与电刷24的滑动面的实际温度之间的相关关系。另一方面，温度计29b配置于与电刷24不同的部位，因此，温度计29b测定出的温度并不能实时反映电刷24的滑动面的实际温度，在磨损的电刷24的滑动面的实际温度与温度计29b测定出的温度之间会产生温度差。

以上述为基础，对磨损量运算部63进行的电刷24的磨损量的运算动作进行说明。

不仅考虑温度计29b测定出的温度与电刷24的滑动面的实际温度之间的相关关系，通过考虑励磁电流和转速，能实时推算出电刷24的温度。

当将由温度计29b测定出的温度设为τ(t)，并将励磁电流设为If(t)时，能将电刷24的温度θ表示为θ(τ(t)、励磁电流If(t)、N(t))，以作为温度τ、励磁电流If、转速N的函数。即，磨损量函数(θ(t))是将温度τ(t)、励磁电流If(t)及转速N(t)设为变量的函数。

另外，对于电刷24的温度θ，加入对温度计29b测定出的温度与电刷24的滑动面的温度之间的相关关系进行补偿的系数。

磨损量运算部63能运算出被根据依次输入的温度τ(t)、励磁电流If(t)、转速N(t)的信息实时预测的电刷24的温度θ(t)，并根据基于电刷24的温度θ(t)的磨损量函数f(θ(t))和转速N(t)，基于以下的数学式4运算出电刷24的总磨损量F。

(数学式4)

F=∑f(θ(τ(t),If(t),N(t))πDN(t)

另外，磨损量运算部63与上述使用图4的流程图进行说明的情况相同地求出电刷24的总磨损量Fn，判断电刷24的总磨损量是否达到了极限磨损量，并根据判断结果判断是否发出警报。

因此，磨损量运算部63将求出的电刷24的总磨损量Fn和极限磨损量Flim进行比较，当判断为Fn比Flim大时，朝外部控制装置130发出警告。

根据该实施方式三，根据设于处于电刷24外部的发电电动机1B的规定部位的温度计29b测定出的温度、励磁电流、转子10的转速推算出电刷24的温度，并将包含基于推算出的电刷24的温度的定义电刷24的单位滑动距离的磨损量的磨损量函数和转子的转速在内的值的积，在从上述电刷24开始运转起至当前为止的时间中进行积分，以运算出电刷24的总磨损量。

磨损量运算部63能准确地反映由温度计29b的输出、励磁电流、转子10的转速预测出的电刷24的温度并运算出电刷24的磨损量，因此，能准确地运算出电刷24的磨损量。藉此，能在恰当的时刻警示电刷24的磨损量已达到极限磨损量。

另外，在如发电电动机1A那样，用温度计29a直接测定电刷24的温度的情况下，需将温度计29b埋设于电刷24等。在发电电动机1A的动作过程中，始终有励磁电路流至电刷24，因此，电刷24的温度非常高。需使用在测定范围中具有非常高的温度的温度计29a，因此，需要使用价格高的温度计。另外，温度计29a安装于电刷24的内部，因此，在尺寸上限制较多，将温度计组装到电刷24的制造工序变得复杂。

另一方面，在发电电动机1B中，采用了将温度计29b设于处于电刷24外部的刷握25的结构，因此，与将温度计直接安装于电刷24的结构相比，对温度计29b所要求的测定温度降低，因此，能用价格便宜的温度计29b进行应对，从而能削减制造成本。

另外，因温度计29b安装于刷握25，由温度计29b测定出的温度相对于电刷29b的温度变化不会延迟太多，能实时反映，因此，能减小根据温度计29b的输出求出电刷24的温度时的误差。

另外，在该实施方式三中，对温度计29b设于刷握25的外表面的情况进行了说明，但即便温度计29b设于电刷24以外的发电电动机1B的构成零件的任一规定部位，也能获得与上述相同的效果。

例如，温度计也可安装于容易热损伤且需热保护的零件。在该情况下，能用一个温度计进行用于零件的过热保护的温度测定和用于推算电刷24的磨损量的温度测定，从而能削减发电电动机1B整体的成本。

另外，也可将温度计29b安装于外壳3，以能检测从通风口3a的吸气部侧吸入的空气的温度。吸入的空气的温度大多与发电电动机的各零件的温度关联较大，温度计29b不仅能用于运算电刷24的磨损量，也能用于各种零件的过热保护等。因此，能将一个温度计29b用于使发电电动机具有多种功能，从而能抑制成本，并能实现发电电动机的功能性的提高。

另外，在该实施方式三中，对利用将温度计29a的测定温度、励磁电流及转子10的转速设为变量的函数来定义磨损量函数的情况进行了说明，但例如也可将温度计29a的测定温度和转子10的转速这两个参数设为变量。在该情况下，磨损量运算部63只要将包含基于温度计29a的输出及旋转传感器28的输出确定的磨损量函数的值和转子10的转速在内的值的积，在从刚开始使用电刷24之后起到当前为止的时间中进行积分，来运算出电刷24的总磨损量即可。

不过，通过在磨损量函数的变量中增加励磁电流，能进一步高精度地运算出电刷24的总磨损量。

实施方式四

本发明实施方式四的发电电动机的结构构成为与发电电动机1A相同。

接着，对发电电动机的磨损量运算部63进行的电刷24的磨损量的运算进行说明。

此处，各电刷24与集电环21之间的电阻因电刷24与集电环21的接触面间的压力而变化，电刷24与集电环21的接触面间的压力较高，会使电刷24与集电环21之间的电阻变小。因此，电刷24越短，则弹簧26越伸长，弹簧26的施力越降低，因此，电刷24与集电环21的接触面间的压力降低，从而使电刷24与集电环21之间的电阻变大。

磨损量运算部63采用以下结构：使用电池120的输出电压和励磁电路的占空比来运算出施加于电刷24的电压，并由算出的电压和电流检测元件13检测出的励磁电流运算出电刷24的电阻值。以下，在该方法中，将由磨损量运算部63运算出的电刷24的电阻值设为电量换算电阻值。

另外，在磨损量运算部63中存储有电刷24在制造时(使用前)的规定温度下的电阻值。电刷24的电阻值根据电刷24的温度而变动。即便在电刷24被磨损的情况下，也可由电刷24的总磨损量获知磨损后的电刷24的长度，因此，磨损量运算部63也能由使用前测定出的电刷24的电阻值运算出现状的电刷24放置在规定温度的环境时的电阻值。以下，将由电刷24的总磨损量和磨损前的电刷24的电阻值运算出的电阻值设为磨损量换算电阻值。

当磨损量运算部63计算电刷24的单位滑动距离的磨损量时，使磨损量函数反映电量换算电阻值与磨损量换算电阻值的比较结果，并运算出电刷24的总磨损量，从而能进一步准确地进行电刷24的单位滑动距离的磨损量的计算。

如上所述，根据该实施方式四的发电电动机，磨损量运算部63将根据至此为止的总磨损量和磨损前的规定温度下的电刷24的电阻值的信息运算出的磨损量换算电阻值与由电池120的输出电压和励磁电路部110的占空比运算出的电量换算电阻值进行比较，能高精度地推算出现状的电刷24的温度。

因此，该实施方式四的发电电动机与实施方式一的发电电动机相比，能进一步准确地进行电刷24的总磨损量的计算。藉此，能在进一步更恰当的时刻警示电刷24的磨损量已达到极限磨损量，从而能避免使发电电动机不必要地损伤。

实施方式五

图6是本发明实施方式五的发电电动机的系统结构图。

在图6中，对于与上述实施方式一相同或相当的部分标注相同符号并省略其说明。

在图6中，发电电动机1C具有用于对弹簧26的施力进行测定的作为施力检测元件的压力传感器35。

虽未详细图示，但压力传感器35例如安装于一端和电刷24抵接的弹簧26的另一端与刷握25之间，并对弹簧26的另一端按压刷握25的压力进行检测。

弹簧26的另一端对刷握25的施力相当于弹簧26的一端对电刷24的施力。

此外，压力传感器35与磨损量运算部63连接，磨损量运算部63能读取压力传感器35的输出。

接着，对发电电动机1C的磨损量运算部63进行的电刷24的磨损量的运算进行说明。

此处，将电刷24按压至集电环21的弹簧26的施力越大，则电刷24的磨损的进行速度越快。随着电刷24的磨损加剧，压缩设置的弹簧26伸长，因此，弹簧26的施力降低，电刷24的磨损的进行速度变慢。

因此，在磨损量运算部63中，将弹簧26的施力P(t)反映在电刷24的磨损量的计算中，以求出电刷24的总磨损量。即，将磨损量函数f作为由温度计29a测定出的温度τ(t)和弹簧26的作用力P(t)的函数来计算出电刷24的磨损量。

例如，预先定义表示因弹簧26的施力P(t)降低而产生的电刷24的磨损速度的缓慢化程度的系数p(t)。此时，能设定为磨损量函数f(θ(t)，P(t))＝f(θ(t))×p(t)。

此外，电刷24的总磨损量F由以下的数学式5表示。

(数学式5)

F=∑f(θ(t),P(t))πDN(t)

=∑f(θ(t)，P(t))πDN(t)

即，磨损量运算部63将包含根据包含压力传感器35的输出和温度计29a的输出在内的信息确定的磨损量函数的值与转子10的转速在内的值的积，在从刚开始使用电刷24之后起到当前为止的时间中进行积分，以运算出电刷24的总磨损量。

如上所述，为了运算出电刷24的总磨损量F，磨损量运算部63不仅考虑电刷24的温度，还考虑弹簧26的施力来进行运算，因此，运算出的电刷24的磨损量相对于实际的电刷24的磨损量误差较小。

因此，磨损量运算部63能在更恰当的时刻发出电刷24的磨损量已达到极限磨损量的警报，因此，能避免使发电电动机不必要地损伤。

另外，对施力检测元件是压力传感器35的情况进行了说明，但磨损量运算部63也可兼作施力检测元件。

即，在磨损量运算部63的ROM中存储有弹簧26的弹簧常数和初始状态的弹簧26的压缩量。

能由弹簧常数和弹簧26的压缩量运算出弹簧26的施力。弹簧26的压缩量根据电刷24的总磨损量而变化，但可由电刷24的总磨损量获知电刷24的长度的缩短量，因此，磨损量运算部63能运算出与电刷24的总磨损量相对应的弹簧26的压缩量。即，磨损量运算部63能实时地运算出弹簧26的施力。

如上所述，使用磨损量运算部63的通过计算运算出弹簧26的施力P(t)的功能作为施力检测元件，能获得与利用压力传感器35运算出弹簧26的施力P(t)相同的效果。

实施方式六

图7是本发明实施方式六的发电电动机的系统结构图。

在图7中，对于与上述实施方式一相同或相当的部分标注相同符号并省略其说明。

在图7中，发电电动机1D具有对在与弹簧21周围的大气相同环境下的大气的湿度进行测定的湿度计38。

其它结构与发电电动机1A相同。

根据大气中的水蒸气在集电环的表面及电刷24的滑动面上产生的水膜的状态，会使电刷24与集电环21之间的摩擦的大小发生变动。

当湿度变高时，水膜变厚，因此，电刷24与集电环21之间的摩擦变小，电刷24容易滑动，当湿度降低时，水膜变薄，因此，电刷24与集电环21之间的摩擦变大，电刷24不易滑动。

例如，在夏季与冬季之间湿度变化较大的日本，若使用发电电动机，则电刷24的磨损量在夏季与冬季会显著不同。

因此，在磨损量运算部63中，使湿度计38测定出的湿度H(t)反映在电刷24的磨损量的计算中，以求出电刷24的总磨损量。即，磨损量函数f设定为温度计29a输出的温度τ(t)和湿度计38输出的湿度H(t)为变量的函数。

例如，预先定义表示对应于湿度变化的电刷24的磨损速度的变化程度的系数h(t)。此时，能设定为磨损量函数f(θ(t)，H(t))＝f(θ(t))×h(t)。

此外，电刷24的总磨损量F由以下的数学式6表示。

(数学式6)

F=∑f(θ(t),H(t))πDN(t)

=∑f(θ(t))h(t)πDN(t)

即，磨损量运算部63将包含根据包含湿度计38的输出和温度计29a的输出在内的信息确定的磨损量函数的值与转子10的转速在内的值的积，在从刚开始使用电刷24之后到当前为止的时间中进行积分，以运算出电刷24的总磨损量F。

如上所述，为了运算出电刷24的总磨损量F，磨损量运算部63不仅考虑电刷24的温度，还考虑湿度来进行运算，因此，运算出的电刷24的总磨损量相对于实际的电刷24的总磨损量误差较小。

因此，磨损量运算部63能在进一步更恰当的时刻发出电刷24的磨损量已达到极限磨损量的警报，藉此，能避免使发电电动机不必要地损伤。

另外，在实施方式六中，对将磨损量函数f设定为变量中具有温度计29a测定出的温度τ及湿度计38测定出的湿度H(t)的函数进行了说明，但并不限于此，除了上述变量之外，也可与实施方式四相同地，使用变量中具有压力传感器35的测定压力P(t)的磨损量函数f和变量中具有转子10的转速N(t)的磨损量函数。

另外，在各实施方式中，对旋转电机是发电电动机的情况进行了说明，但旋转电机也可以是具有与发电电动机相同结构的电动机或发电机。

符号说明

Claims

1.一种旋转电机，其特征在于，包括：

外壳；

转子，该转子具有励磁绕组并同轴地固定于转轴，该转轴以能旋转的方式支承于所述外壳；

定子，该定子具有电枢绕组，并以围绕所述转子的方式固定于所述外壳；

集电环，该集电环固定于所述转轴；

电刷，该电刷配置于与所述集电环接触的位置；

施力元件，该施力元件将所述电刷朝所述集电环施力；

温度信息获取元件，该温度信息获取元件获取与所述电刷的温度相关的信息；

旋转信息获取元件，该旋转信息获取元件获取与所述转轴的旋转角度相关的信息；以及

磨损量运算部，该磨损量运算部根据包含所述温度信息获取元件的输出信息在内的温度信息获取所述电刷的温度，并将包含磨损量函数的基于所述电刷的温度确定的值与所述转子的转速在内的值的积，在从刚开始使用所述电刷之后起到当前为止的时间中进行积分，以运算出所述电刷的总磨损量，其中，所述磨损量函数将所述电刷的温度作为变量，并被定义为所述电刷的单位滑动距离的磨损量。

2.如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

所述磨损量函数被定义为变量中含有所述转子的转速的函数，

所述磨损量运算部将包含基于所述温度信息获取元件和所述旋转信息获取元件的输出确定的所述磨损量函数的值与所述转子的转速在内的值的积，在从刚开始使用所述电刷之后起至当前为止的时间中进行积分，以运算出所述电刷的总磨损量。

3.如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

所述旋转电机包括获取流至所述励磁绕组的励磁电流的信息的电流信息获取元件，

所述磨损量函数被定义为变量中含有所述励磁电流的函数，

所述磨损量运算部将包含基于所述温度信息获取元件和所述电流信息获取元件的输出确定的所述磨损量函数的值与所述转子的转速在内的值的积，在从刚开始使用所述电刷之后起至当前为止的时间中进行积分，以运算出所述电刷的总磨损量。

4.如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

所述磨损量函数被定义为将所述励磁电流及所述转子的转速作为变量的函数，

所述磨损量运算部将包含基于所述温度信息获取元件、所述电流信息获取元件及所述旋转信息获取元件的输出确定的所述磨损量函数的值与所述转子的转速在内的值的积，在从刚开始使用所述电刷之后起至当前为止的时间中进行积分，以运算出所述电刷的总磨损量。

5.如权利要求3或4所述的旋转电机，其特征在于，包括：

电池；

励磁电路部，该励磁电路部进行所述电池与所述励磁绕组之间的通电的导通/断开；

电源电路部，该电源电路部进行所述电池与所述电枢绕组之间的通电的导通/断开；以及

电路控制部，该电路控制部控制所述电源电路部及励磁电路部，

所述磨损量运算部兼用作所述电流信息获取元件，并根据所述电池的输出电压和励磁电路部的占空比获取所述励磁电流的大小信息。

6.如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

所述温度信息获取元件对所述电刷的外部的规定部位的温度进行测定。

7.如权利要求6所述的旋转电机，其特征在于，

所述旋转电机包括对所述电刷进行支承的刷握，

所述温度信息获取元件对所述刷握的温度进行测定。

8.如权利要求3或4所述的旋转电机，其特征在于，包括：

电池；

所述磨损量运算部根据所述电池的输出电压和励磁电路部的占空比运算出施加于所述电刷的电压，由运算出的所述电压和利用所述电流信息获取元件测定出的励磁电流运算出所述电刷的电阻值，以作为电量换算电阻值，并由所述电刷的总磨损量运算出所述电刷的当前的长度，根据磨损之前测定出的所述电刷的电阻值的信息运算出当前的所述电刷的电阻值，以作为磨损量换算电阻值，将所述电量换算电阻值与磨损量换算电阻值的比较结果反映在所述电刷的磨损量的计算中，以计算出所述电刷的总磨损量。

9.如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

所述旋转电机具有用于获取所述施力元件的施力的施力检测元件，

所述磨损量函数被定义为变量中含有所述施力检测元件获取的施力的函数，

所述磨损量运算部将包括基于包含所述施力检测元件的输出在内的信息确定的所述磨损量函数的值与所述转子的转速在内的值的积，在从刚开始使用所述电刷之后起至当前为止的时间中进行积分，以运算出所述电刷的总磨损量。

10.如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

所述旋转电机包括对与所述集电环周围的大气处于相同环境下的大气的湿度进行测定的湿度计，

所述磨损量函数被定义为变量中含有与所述集电环周围的大气处于相同环境下的大气的湿度的函数，

所述磨损量运算部将包括基于包含所述湿度计的输出信息在内的信息确定的所述磨损量函数的值与所述转子的转速在内的值的积，在从刚开始使用所述电刷之后起至当前为止的时间中进行积分，以运算出所述电刷的总磨损量。