JP2002142484A

JP2002142484A - ウォータポンプの駆動装置

Info

Publication number: JP2002142484A
Application number: JP2000337752A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Shinohara; 剛篠原; Masami Hirata; 雅己平田; Kyoichi Okada; 恭一岡田; Isao Kishimoto; 功岸本; Kazuo Nagatake; 和夫長竹
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-11-06
Filing date: 2000-11-06
Publication date: 2002-05-17

Abstract

(57)【要約】【課題】ノイズの多い環境下でも安定動作が可能であ
って且つ設置位置の自由度が大きいウォータポンプの駆
動装置を提供する。【解決手段】位置検出回路１９において、冷却水を循
環させるウォータポンプ内に設けられたブラシレスモー
タ１４の端子電圧Ｖｕ〜Ｖｗと基準電圧Ｖｃとを比較し
て位置信号Ｐｕ〜Ｐｗを検出し、それに基づいてインバ
ータ回路１８に対して駆動信号Ｄup〜Ｄwnを出力する。
また、位置信号Ｐｕ〜Ｐｗに基づいて回転速度を検出
し、その検出回転速度と指令回転速度とに基づいて降圧
チョッパ回路１７のトランジスタ２４に対する制御信号
Ｄchのデューティ比を制御する。これにより、直流母線
２６、２７間の直流電圧Ｖdcが変化してＰＡＭ制御が行
われ、ブラシレスモータ１４の回転速度つまり冷却水の
流量が制御される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、エンジン冷却装置
に用いられるモータ駆動方式のウォータポンプの駆動装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば車両のエンジン冷却装置にあって
は、従来からエンジンの動力によりウォータポンプの羽
根車を回転駆動して循環経路内に冷却水を強制循環させ
るものが提供されている。しかし、エンジンの動力を用
いると冷却水の流量調整が難しいため、冷却の過不足が
生じるなどの不都合があった。そこで、これに替えてウ
ォータポンプの羽根車をモータにより駆動することが行
われている。

【０００３】こうしたモータ駆動方式によれば、モータ
の回転数を制御することにより冷却水の流量を正確に調
整することが可能となり、例えば冷却水温度やエンジン
温度等を検出することによりエンジンの冷却を最適に行
えるようになる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ウォータポ
ンプが設置される車両のエンジンルームにはバッテリ、
スタータ、発電機等が設置されており、これらの機器に
は連続してあるいは断続的に大きな電流が流れている。
このため、エンジンルーム内はノイズが多い環境となっ
ている。そこで、モータの回転速度検出信号などを伝送
する信号配線にノイズが混入することがないように、従
来の駆動装置はウォータポンプの極近くに設置されるよ
うになっていた。

【０００５】しかし、ウォータポンプの駆動装置の設置
位置がこのように制限されると、狭いエンジンルーム内
において他の機器を設置する際の妨げとなる場合があっ
た。また、ウォータポンプが設置される車両のエンジン
ルーム内特にエンジン付近は、温度変化が大きく且つ高
温となる環境である。このため、ウォータポンプに接近
して設置される駆動装置も高温になり易かった。これに
対処するため、従来の駆動装置は、高温になっても確実
に動作するように、動作温度範囲の広い部品を採用した
り放熱対策を追加して施したりする必要があり、コスト
の上昇を招いていた。

【０００６】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、ノイズの多い環境下でも安定動作が可
能であって且つ設置位置の自由度が大きいウォータポン
プの駆動装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載したウォータポンプの駆動装置は、
エンジン冷却装置に用いられるモータ駆動方式のウォー
タポンプの駆動装置であって、モータはブラシレスモー
タにより構成され、そのブラシレスモータをセンサレス
駆動するように構成されていることを特徴とする。

【０００８】この構成によれば、駆動装置がブラシレス
モータの回転数を可変制御することにより、エンジン冷
却装置の冷却水の流量を調整することができるので、例
えばエンジンや冷却水の温度状態などに応じてエンジン
を最適な状態に冷却することができる。

【０００９】ブラシレスモータを回転駆動するには、ロ
ータの磁極位置を検出する必要がある。本構成において
は温度変化に対して磁極検出特性が大きく変化するホー
ルＩＣ等の位置検出手段を用いることなく、例えばブラ
シレスモータの端子電圧に基づいてロータの磁極位置を
検出するセンサレス駆動方式を採用した。これにより、
ブラシレスモータの温度変化等にかかわらず確実な磁極
位置検出が可能となって、ブラシレスモータ（つまりウ
ォータポンプ）の安定駆動が可能となる。

【００１０】また、センサレス駆動にすることで、ブラ
シレスモータとその駆動装置との間に位置信号を送るた
めの信号線が不要となるので、駆動装置とブラシレスモ
ータとの距離が離れていても、外来ノイズ等の影響を受
けにくくなり、駆動装置はウォータポンプをより安定し
て駆動できる。これにより、駆動装置をウォータポンプ
から離れた温度の低い環境下に配置することが可能とな
り、低温度仕様の部品を採用することができ低コスト化
を図れる。

【００１１】請求項２に記載したウォータポンプの駆動
装置は、ブラシレスモータをＰＡＭ（Pulse Amplitude
Modulation）制御方式で駆動するように構成されている
ことを特徴とする。この構成によれば、駆動装置は、出
力電圧の振幅を制御することによりブラシレスモータへ
の印加電圧を可変する。このＰＡＭ制御方式を採用する
ことにより、例えばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）
制御方式を採用した場合に比べて駆動装置から放射され
る高周波ノイズが減少し、この高周波ノイズによる他の
制御機器の誤動作の発生を防止できる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明を車両に搭載された
エンジン冷却装置に適用した一実施例について図面を参
照しながら説明する。図２は、車両の動力発生部および
動力伝達部の概略的構成を示した図である。この図２に
おいて、車両１（ここでは自動車）にはエンジン２が搭
載されており、このエンジン２は、変速機３および差動
ギヤ４を介して後側ホイール５、５の車軸６、６を駆動
するようになっている。本実施例では、車両１の前側ホ
イール７、７の車軸８、８は非駆動である。

【００１３】エンジン２に対しては、図３に示すような
水冷式のエンジン冷却装置９が設けられている。この図
３において、エンジン２のシリンダヘッド２ａおよびシ
リンダブロック２ｂの内部にはウォータジャケット（図
示せず）が形成されており、そのウォータジャケット内
を冷却水が通過するようになっている。ウォータジャケ
ットの出口は、アッパホース１０を介してラジエータ１
１の上部入口に接続され、そのラジエータ１１の下部出
口は、ウォータポンプ１２およびロアホース１３を介し
てウォータジャケットの入口に接続されている。これに
より冷却水の循環経路が形成されている。

【００１４】ウォータポンプ１２は、この循環経路に冷
却水を強制循環させるもので、具体的には図示しない
が、そのケーシング内にはポンプ室と三相のブラシレス
モータ１４（図１参照）が収容されたモータ室とが形成
されている。ポンプ室には、ブラシレスモータ１４によ
り駆動される羽根車が設けられており、その羽根車が回
転駆動されると、その回転速度に応じた流量の冷却水が
上記循環経路内を循環するようになっている。

【００１５】図１に翻って、車両１には、鉛蓄電池等の
バッテリ１５（例えば定格電圧３６Ｖのもの）と、この
バッテリ１５からの直流電圧を交流電圧に変換して前記
ブラシレスモータ１４に印加する駆動装置１６とが搭載
されている。なお、駆動装置１６は、ウォータポンプ１
２に接近して設置する必要はなく、例えば車両１のエン
ジンルーム内であって比較的温度変化が小さく高温にな
りにくい位置に設置されている。

【００１６】さて、ウォータポンプ１２の駆動装置１６
の電気的構成について図１を参照しながら説明する。駆
動装置１６は、降圧チョッパ回路１７、インバータ回路
１８、位置検出回路１９、制御回路２０、ベースドライ
ブ回路２１、２２、制御電源回路２３から構成されてい
る。

【００１７】降圧チョッパ回路１７は、バッテリ１５と
インバータ回路１８との間に介在している。すなわち、
バッテリ１５の正側端子はＰＮＰ型のトランジスタ２４
のエミッタ・コレクタ間とリアクトル２５とを直列に介
して正側の直流母線２６に接続されており、バッテリ１
５の負側端子は負側の直流母線２７に接続されている。
トランジスタ２４のコレクタと直流母線２７との間に
は、直流母線２７側をアノードとしてダイオード２８が
接続されており、直流母線２６と２７との間には平滑用
のコンデンサ２９が接続されている。トランジスタ２４
のベースには、制御回路２０からベースドライブ回路２
２を介して制御信号Ｄchが与えられるようになってい
る。

【００１８】インバータ回路１８は、直流母線２６と２
７との間に６個のスイッチング素子例えばトランジスタ
３０〜３５が三相ブリッジ接続されて構成されており、
それぞれのコレクタ・エミッタ間には、エミッタ側をア
ノードとして還流ダイオード３６〜４１が接続されてい
る。

【００１９】前記ウォータポンプ１２の羽根車を駆動す
るブラシレスモータ１４は、例えばＹ結線されたステー
タコイル１４ｕ、１４ｖ、１４ｗを有するステータと永
久磁石形のロータとを備えている。そして、インバータ
回路１８の出力端子４２ｕ、４２ｖ、４２ｗは、それぞ
れステータコイル１４ｕ、１４ｖ、１４ｗの各一端子に
接続されている。このブラシレスモータ１４は、ホール
ＩＣやホール素子など直接ロータの磁極位置（以下、ロ
ータ位置と称す）を検出する位置検出手段を備えていな
いため、位置検出手段を備えたものに比べ小型化および
構造の簡単化が図られている。

【００２０】位置検出回路１９は、ブラシレスモータ１
４のロータ位置を検出するための回路である。直流母線
２６と２７との間には抵抗４３と４４とが直列に接続さ
れており、これら抵抗４３と４４との共通接続点には、
降圧チョッパ回路１７が出力する直流電圧Ｖdc（直流母
線２６と２７との間の電圧）を所定分圧比（一例として
１／２）で分圧した基準電圧Ｖｃが生成されるようにな
っている。

【００２１】コンパレータ４５、４６、４７は、それぞ
れＵ相の端子電圧Ｖｕ、Ｖ相の端子電圧Ｖｖ、Ｗ相の端
子電圧Ｖｗと前記基準電圧Ｖｃとを比較し、Ｈレベルま
たはＬレベルを有する位置信号Ｐｕ、Ｐｖ、Ｐｗを出力
するようになっている。この場合、コンパレータ４５、
４６、４７の反転入力端子が抵抗４３と４４との共通接
続点に接続されている。

【００２２】制御回路２０は、これら位置信号Ｐｕ、Ｐ
ｖ、Ｐｗに基づいて１２０°通電方式による転流制御を
行うとともに、検出回転速度と外部から入力される回転
速度指令信号Ｆｓとに基づいてＰＡＭ（Pulse Amplitud
e Modulation）制御を行って、駆動信号Ｄup〜Ｄwnを出
力するようになっている。これら駆動信号Ｄup〜Ｄwn
は、それぞれベースドライブ回路２１を介してトランジ
スタ３０〜３５のベースに与えられるようになってい
る。

【００２３】制御電源回路２３は、例えば外部から供給
される１２Ｖの直流電圧を入力として制御電圧を生成
し、この制御電圧を位置検出回路１９、制御回路２０お
よびベースドライブ回路２１、２２に対して与えるよう
になっている。なお、位置検出回路１９と制御回路２０
とは、ブラシレスモータ駆動用の専用ＩＣにより構成さ
れている。

【００２４】次に、本実施例の作用について図４も参照
しながら説明する。エンジン冷却装置９（図３参照）
は、エンジン２や冷却水の温度、エンジン２の動作状態
等を検出し、それらに基づいてウォータポンプ１２によ
る冷却水の流量制御を行っている。すなわち、エンジン
冷却装置９は、エンジンの冷却状態を最適にするため
に、ウォータポンプ１２の駆動装置１６に対して所望す
る流量を得るための回転速度指令信号Ｆｓを出力する。

【００２５】駆動装置１６の制御回路２０は、この回転
速度指令信号Ｆｓを入力し、位置信号Ｐｕ、Ｐｖ、Ｐｗ
から検出されたブラシレスモータ１４の検出回転速度
と、回転速度指令信号Ｆｓによる指令回転速度との差分
（速度偏差）に基づいて指令直流電圧を得る。

【００２６】制御回路２０は、この指令直流電圧に基づ
いて、降圧チョッパ回路１７のトランジスタ２４のベー
スに対しＨレベルとＬレベルとが所定周波数で繰り返さ
れる制御信号Ｄchを出力し、直流電圧Ｖdcの制御を行
う。図４は、降圧チョッパ回路１７の各部の電圧波形を
示している。各波形は、上から順に制御信号Ｄch、トラ
ンジスタ２４のコレクタ電圧、直流電圧Ｖdcを示してい
る。降圧チョッパ回路１７の降圧動作は以下の通りであ
る。

【００２７】すなわち、制御信号ＤchがＬレベルになる
と、トランジスタ２４がオンとなり、バッテリ１５から
トランジスタ２４およびリアクトル２５を介してコンデ
ンサ２９に充電電流が流れる。この場合、トランジスタ
２４のコレクタ電圧は、ほぼバッテリ電圧に等しくな
る。これに対し、制御信号ＤchがＨレベルになると、ト
ランジスタ２４がオフ、ダイオード２８がオンとなり、
ダイオード２８、リアクトル２５およびコンデンサ２９
からなる閉回路に還流電流が流れる。この場合、トラン
ジスタ２４のコレクタ電圧はほぼ０Ｖになる。

【００２８】制御信号Ｄchの周波数は十分に高く設定さ
れているので、直流母線２６と２７との間にはリプル分
の小さい直流電圧Ｖdcが得られる。この直流電圧Ｖdc
は、制御信号Ｄchのデューティ比が大きいほど高くな
り、デューティ比が０％の場合に０Ｖ、デューティ比が
５０％の場合にほぼバッテリ電圧の１／２（１８Ｖ）、
デューティ比が１００％の場合にほぼバッテリ電圧（３
６Ｖ）になる。

【００２９】一方、制御回路２０は、位置信号Ｐｕ、Ｐ
ｖ、Ｐｗに基づいて１２０°通電方式によるインバータ
回路１８の転流制御を行う。その結果、駆動回路１６の
出力端子４２ｕ、４２ｖ、４２ｗからブラシレスモータ
１４のステータコイル１４ｕ、１４ｖ、１４ｗに対し
て、ＰＡＭ制御された矩形波状の三相交流電圧が与えら
れ、ブラシレスモータ１４（つまりウォータポンプ１２
の羽根車）は回転速度指令信号Ｆｓに従った回転速度で
回転するようになる。

【００３０】以上述べた本実施例によれば、以下の効果
が得られる。駆動装置１６は、ウォータポンプ１２の羽
根車に直結されたブラシレスモータ１４をセンサレス駆
動するので、ブラシレスモータ１４内部にロータ位置を
検出するための位置検出手段を付加する必要がない。こ
のため、ブラシレスモータ１４を小型化できる。

【００３１】ウォータポンプ１２は、エンジンルーム内
に設置されしかもその内部を冷却水が通過するために高
温になり易い。このような環境下でホールＩＣやホール
素子などの位置検出手段を用いると、位置検出信号の振
幅が低下してしまう。従って、これら位置検出手段を備
えた従来の駆動装置にあっては、動作が不安定になる場
合があった。これに対して、本実施例の駆動装置１６
は、このような温度依存性の大きい位置検出手段を用い
ていないので、ウォータポンプ１２の温度状態にかかわ
らず、当該ウォータポンプ１２を安定して駆動すること
ができる。

【００３２】また、センサレス駆動にしたことで、ウォ
ータポンプ１２と駆動装置１６との間に上記位置信号Ｐ
ｕ、Ｐｖ、Ｐｗを送るための信号線が不要となる。この
ため、ウォータポンプ１２と駆動装置１６との距離が離
れていても、外来ノイズの影響を受けにくくなり、ノイ
ズの混入による駆動装置１６の誤動作を防止することが
できる。

【００３３】そして、駆動装置１６をウォータポンプ１
２から離れた温度の低い位置に設置することが可能とな
るので、故障の発生率が低減し、低温度仕様の部品を採
用することができてコストの低減を図れる。また、駆動
装置１６の設置位置についての自由度が増すので、例え
ばエンジンルーム内において他の機器の妨げとならない
位置に駆動装置１６を設置できる。

【００３４】さらに、駆動装置１６は、ブラシレスモー
タ１４への交流印加電圧をＰＷＭ制御方式ではなくＰＡ
Ｍ制御方式により可変制御するので、駆動装置１６、ブ
ラシレスモータ１４あるいは両者間の接続ケーブルから
放射される高周波ノイズが減少する。これにより、高周
波ノイズによる他の制御機器の誤動作やラジオノイズ等
が低減される。

【００３５】なお、本発明は上記した実施例に限定され
るものではなく、以下のような変形あるいは拡大が可能
である。駆動装置１６は、位置検出回路１９において直
流電圧Ｖdcを分圧して得られる基準電圧Ｖｃと各相の端
子電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗとを比較して位置信号Ｐｕ、Ｐ
ｖ、Ｐｗを検出するように構成されているが、端子電圧
Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗあるいは各相の電流に基づいてロータ
位置を検出するものであれば他の検出方法を用いても良
い。

【００３６】駆動装置１６では、高周波ノイズの発生を
低減するためにＰＡＭ制御方式を採用したが、シールド
対策を施した場合あるいは他の機器への影響が小さい場
合にあってはＰＷＭ制御方式を採用しても良い。

【００３７】駆動装置１６は、降圧チョッパ回路１７を
用いて出力交流電圧の大きさを制御したが、バッテリ電
圧やブラシレスモータ１４の電圧仕様等に応じて、昇圧
チョッパ回路、昇降圧可能なチョッパ回路、スイッチン
グ電源回路などを用いても良い。位置検出回路１９と制
御回路２０とは、ブラシレスモータ駆動用の専用ＩＣに
より構成したが、マイクロコンピュータを主体として構
成しても良い。

【００３８】また、図３に示すエンジン冷却装置９は、
ウォータポンプ１２の一適用例を示したもので、他の形
態の冷却経路を備えたエンジン冷却装置についても適用
可能である。さらに、上記実施例では車両１（自動車）
に搭載されたウォータポンプ１２の駆動装置１６につい
て説明したが、車両に限らず一般にエンジン冷却装置に
用いられるモータ駆動方式のウォータポンプについても
同様に適用可能である。

【００３９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
のウォータポンプの駆動装置によれば、ウォータポンプ
のブラシレスモータをセンサレス駆動するので、ブラシ
レスモータとその駆動装置との間の信号線が不要となっ
て、外来ノイズ等の影響を受けにくくなり安定した駆動
が可能となる。また、駆動装置をウォータポンプから離
れた温度の低い環境下に配置することができるので、故
障しにくくなるとともに、低温度仕様の部品を採用する
ことでコストを低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す駆動装置の電気的構成
図

【図２】車両の動力発生部および動力伝達部を概略的に
示す構成図

【図３】エンジン冷却装置の模式的な構成図

【図４】降圧チョッパ回路の各部の電圧波形図

【符号の説明】

９はエンジン冷却装置、１２はウォータポンプ、１４は
ブラシレスモータ、１６は駆動装置を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岡田恭一神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地株式会社東芝生産技術センター内 (72)発明者岸本功神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地株式会社東芝生産技術センター内 (72)発明者長竹和夫神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地株式会社東芝生産技術センター内Ｆターム(参考） 5H560 AA10 BB04 BB12 DA12 DB12 DC13 EB01 RR10 SS02 SS03 SS04 UA02 XA04 XA11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】エンジン冷却装置に用いられるモータ駆
動方式のウォータポンプの駆動装置において、前記モータはブラシレスモータにより構成され、そのブラシレスモータをセンサレス駆動するように構成
されていることを特徴とするウォータポンプの駆動装
置。
【請求項２】ブラシレスモータをＰＡＭ（Pulse Ampl
itude Modulation）制御方式で駆動するように構成され
ていることを特徴とする請求項１記載のウォータポンプ
の駆動装置。