JP2005168214A - 車両用発電機のブラシ摩耗検出装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 発電機(12)の界磁巻線(2)の端部に設けられたスリップリング(30)に摺動可能に圧接配置され、バッテリ(4)からの励磁電流を界磁巻線(2)に供給するためのブラシ(9、10)と、ブラシを介して発電機(12)の界磁巻線(2)に流れる電流値を検出する電流検出回路(47)と、発電機(12)の出力電圧値を検出する出力電圧検出回路(45)と、電流検出回路(47)が検出する電流値あるいは出力電圧検出回路(45)が検出する出力電圧値に基づいてブラシの摩耗状態を判定するブラシ摩耗判定回路(48)を備える。
【選択図】図2
Description
図11に示した従来のブラシ摩耗検出回路の動作について説明する。
キースイッチ105が閉成されると、バッテリ104からはキースイッチ105、ブラシ(+)109、界磁巻線(回転子巻線とも称す)102、ブラシ(−)110、および発電制御装置108を介して励磁電流が流れ、その電流により界磁巻線102は直流励磁されることになる。(第一の制御モード)
その結果、PL(パイロットランプ)106に流れる電流は減少され、点灯状態にあったPL(パイロットランプ)106は消灯し、車両運転者は発電機が発電状態にあることを知り得る。
ここで、界磁巻線102に電流を供給するブラシ(+)109およびブラシ(−)110の何れかが磨耗限界に近づき、励磁電流供給が停止した場合、発電も停止される。
そして、ブラシ(+)109もしくはブラシ(−)110が磨耗により所定の位置まで移動すると、受光器114は投光器113からの光を受光し、光電変換動作することによって、ブラシの磨耗限界を検知する。
図12は、従来のブラシ摩耗検出回路に用いられる給電部材としてのブラシの保持状態を示す図であり、例えば、ブラシ(+)109はコイルバネ126などで図示しない被給電部に押し付けられており、給電を保ちながら、それ自体の磨耗で全体が移動する構成となっている。
なお、ブラシホルダ125は、投光器113、受光器114、コイルバネ126などが配置されており、その内部の空間部において、ブラシ109を圧接した状態で移動自在に保持する。
これにより、通常は投光器113と受光器114との間にブラシが介在し、受光器114は受光しないが、磨耗限界が近づくに伴い受光器114は投光器113からの光を除々に受光するようになる。なお、図12は受光時の状態を示している。
そして、この定電圧は、無安定マルチバイブレータ112の動作電源となる。
一方この無安定マルチバイブレータ112の入力として、中性点111からダイオード109、抵抗124を介してトランジスタ116をオン状態にしていた電流が抵抗123を介して流れ込むことになる。
トランジスタ116は、無安定マルチバイブレータ112のローレベル、ハイレベルに応じてオン(ON)、オフ(OFF)状態となり、さらに、トランジスタ117がオン、オフ状態となり、PL(パイロットランプ)106はトランジスタ117がオン状態の間のみ点灯する。
従って、ブラシ(+)109もしくはブラシ(−)110が磨耗限界に近づいたときに無安定マルチバイブレータ112が低周波発振動作し、PL(パイロットランプ)106が周期点滅状態、つまり、磨耗限界検知表示状態となる。
また、実開昭57−44404号公報に示されたブラシの摩耗検出装置では、投光器および受光器で構成される検知器は必要とないが、直接ブラシに磨耗限界を検知するための検出電極を埋め込む必要があるので、やはり複雑な加工を施さねばならない。
また、上述した従来の装置では、通常はブラシの磨耗に伴い、削られたブラシの屑が発生し、蓄積する。
このため、これらの屑や蓄積物が、ブラシ近傍に設置される検知機器あるいは素子に対して、ブラシ磨耗限界時における動作信頼性低下の要因となっていた。
さらに、ブラシの削り屑やその蓄積物に起因するブラシ磨耗限界の検知信頼性の低下を回避できる高信頼度な車両用発電機のブラシ摩耗検出装置を提供することを目的とする。
上記回転数検出回路が検出する回転数に基づいて上記ブラシの摩耗状態を判定するブラシ摩耗判定回路とを備えたものである。
その結果、給電機構部近傍やブラシ自体にブラシ磨耗限界を検知するための検知素子を設置する必要がなく、検知素子を設置するための加工が不要である生産性に優れた低価格な車両用発電機のブラシ摩耗検出装置を提供することができる。
また、ブラシの近傍にブラシの磨耗限界を検知するための検知素子を配置していないので、ブラシの削り屑やその蓄積物に起因するブラシ磨耗限界の検知信頼性の低下を回避できる高信頼度な車両用発電機のブラシ摩耗検出装置を提供することを目的とする。
なお、各図間において、同一符号は同一あるいは相当のものを表す。
実施の形態1.
図1は、実施の形態1による車両用交流発電機(以下、車両用発電機と略す)のブラシ摩耗検出装置の電気回路構成を示す図である。
図1において、1は電機子巻線(固定子巻線)、2は界磁巻線(回転子巻線)、3は三相全波整流器、4はバッテリ、5はキースイッチ、6はPL(パイロットランプ)、9はブラシ(+)、10はブラシ(−)、11は中性点である。
これらは、それぞれ図11に示した電機子巻線(固定子巻線)101、界磁巻線(回転子巻線)102、三相全波整流器103、バッテリ104、キースイッチ105、PL(パイロットランプ)106、ブラシ(+)109、ブラシ(−)110、中性点111と同等の機能を有する。
なお、12は、電機子巻線(固定子巻線)1および界磁巻線(回転子巻線)2等で構成される発電機である。
図2は、集積回路40の内部構成を示すと共に、集積回路40の動作を説明するための図である。
また、図1あるいは図2において、51は車両用発電機の励磁電流を断続制御するための開閉素子であるトランジスタ、52は車両用発電機が無発電や過電圧状態になった場合などの故障時にPL(パイロットランプ、以下単にPLと称す)6を点灯させ、またブラシ磨耗限界時にはPL6を点滅させるパワートランジスタである。
なお、抵抗53は検出電流を制限するための抵抗、抵抗54は集積回路40内の電源回路42に電力供給を行うに際に電源回路42が破損しないように電流制限するための抵抗、抵抗55はキースイッチ5を介してバッテリ4から電力供給を行う際に電流制限をするための抵抗、ダイオード56は一般にフライホールダイオードと呼ばれるものである。
図3に示すように、給電機構部は、一対のブラシ(+)9およびブラシ(−)10と、これらにそれぞれ荷重を付加するコイルバネ20、コイルバネ21で構成されている。
そして、給電機構部のブラシ(+)9およびブラシ(−)10は、被給電部としてのスリップリング30に対して常に接触圧力が加えられ、給電回路が構成されている。
なお、図3において、長い方のブラシ(即ち、ブラシ10)はブラシが初期状態のときの大きさ、他方の短い方のブラシ(即ち、ブラシ9)はブラシが磨耗限界直前の大きさを示している。
理解し易いようにブラシの長さを変えて示しているが、通常の使用状態では一対のブラシ9およびブラシ(−)10の磨耗状態が大きく異なる事はほとんどなく、ほぼ同じ大きさである。
スリップリング30とブラシ(+)9またはブラシ(−)10との接触圧力は、主にコイルバネ20、21の荷重、つまり弾性力であり、この弾性力はいわゆるフックの法則に従う。
そのためブラシ(+)9のように磨耗すると、コイルバネ20が伸びて弾性力が低下し、スリップリング30とブラシ(+)9との接触圧力も低下する。
一般に二つの導体の接触面を通じて電流を流す場合、接触面を拡大して考えるといくつかの小さな接触面の集合であり、この接触する個所の面積や数は接触圧力とともに増大し、図4〔改定電気材料(コロナ社発行)p64,図3・3より〕に示すように、荷重(接触圧力)の増加に伴い、接触抵抗は小さくなる。
また、図5〔改定電気材料(コロナ社発行)p64,図3・4より〕に示すように、接触させる導体の材質が異なると接触抵抗が異なる。
本実施例の形態による車両用発電機のブラシ摩耗検出装置は、ブラシ磨耗限界到達時のスリップリングとブラシの接触抵抗の影響による励磁電流の低下を判定して、ブラシ磨耗限界の警報を行うものである。
このときの状態を無発電警報状態と言う。
このとき、電源回路42も動作し、集積回路40の全ての回路に電圧を供給する。(なお図2では電源回路42からの電圧供給を示す矢印→は発振回路43以外への記載以外は省略している)
したがって、発振回路43が発振状態となり、この発振回路43からの入力によって、電圧制御回路44は発振回路43の周期と同期した一定の導通率でトランジスタ51を導通させる。
このときの状態を初期励磁状態(第一の制御状態)と言う。
回転子巻線2が図示しないエンジン回転により回転駆動されれば、三相星型結線の電機子巻線(固定子巻線)1には電圧が誘起される。
その1相からの出力が出力電圧検出回路45に入力される。そしてこの出力電圧(即ち、出力電圧検出回路45に入力される電圧)が所定の閾値以上になると、出力電圧検出回路45は電圧制御回路44、PL駆動制御回路46、ブラシ磨耗判定回路48に信号を出力する。
このとき、電圧制御回路44は、発電機12の発電電圧と目標電圧との比較によって、初期励磁状態からトランジスタ51を開閉制御する第二の制御に切り替える。
本実施の形態では、ブラシ磨耗限界の検出は、発電機12が無発電状態から発電状態に達するまでの初期励磁状態の場合に行われる。
電流検出回路47が測定するトランジスタ51のコレクタ電流は、バッテリ4からブラシ(+)9、界磁巻線(回転子巻線)2、ブラシ(−)10を介して供給される初期励磁電流である。
そのため、ブラシが磨耗してコイルバネ20あるいはコイルバネ21の荷重が低下し、ブラシ(+)9、ブラシ(−)10とスリップリング30の接触抵抗が大きくなると励磁電流、つまりトランジスタ51のコレクタ電流も減少するのは前述のとおりである。
このとき、発電機は発電を開始していいないため、無発電状態としてPL6は点灯したままであるが、ブラシ磨耗判定回路48が一度オン動作すると、その動作を持続させる機能を有することで、エンジン回転開始後に車両運転者に警報すべく、PL6を点滅させる。
以上の動作により、車両運転者にブラシの磨耗限界を警報することが可能となる。
また、図7は、PL駆動制御回路46の内部回路の構成と入力される信号を示したものであり、図8は、キースイッチ5の状態(オン/オフ)、発電機の状態(発電/無発電)、ブラシの状態(磨耗限界到達/未到達)とPL(パイロットランプ)6の点灯/消灯状態の関係を示したものである。
図6に基づいて、本実施の形態による車両用発電機のブラシ摩耗検出装置の動作を説明する。
出力電圧検出回路45が出力しないため、PL駆動制御回路46が出力し、パワートランジスタ52がオンとなり、PL(パイロットランプ)6が点灯すると共に、電圧制御回路44は第一の制御動作状態(初期励磁状態)となるべく出力する。(ステップS103)
次に、ブラシ摩耗判定回路48によってブラシが摩耗限界に到達したか否かを判定(ステップS104)し、ブラシが摩耗限界に到達していなければブラシ摩耗判定回路48は出力せず、ステップS105に移行し、ブラシが摩耗限界に到達しておれば、ブラシ摩耗判定回路48は出力する。(ステップS109)
発電機12が発電を開始していなければ、即ち、発電機12が無発電の状態であれば、ブラシ摩耗判定回路48の出力に関係なく、ステップS102およびステップS103の動作が維持される。
発電機12が発電を開始すれば、その出力電圧は上昇し、出力電圧検出回路45が出力する。(ステップS106、ステップS111)
ブラシが摩耗限界未到達で発電機12が発電状態のときは、ブラシ摩耗判定回路48が出力しないので、PL駆動制御回路46は出力を停止し、PL(パイロットランプ)6は消灯する。さらに、第二の制御動作となるべく、電圧制御回路44が出力する。(ステップS107)
ステップS108およびステップS113は、エンジン回転が回転停止しているか否かの分岐ステップである。
ステップS108においてエンジン回転が回転停止していなければ、ステップS107の動作を維持し、また、ステップS113においてエンジン回転が回転停止していなければ、ステップS112の動作を維持する。
ステップS108あるいはステップS113においてエンジン回転が回転停止しておれば、ブラシ摩耗判定回路48の出力に関係なく、ステップS102へ戻る。
また、ブラシの近傍にブラシの磨耗限界を検知するための検知素子を配置していないので、ブラシの削り屑やその蓄積物に起因するブラシ磨耗限界の検知信頼性の低下を回避できる高信頼度な車両用発電機のブラシ摩耗検出装置を提供できる。
また、トランジスタ51のコレクタ電流および第一の制御時のトランジスタ51の一定開閉時間を決める発振回路43の発振周波数は、温度によって変化する。
そのため、温度センサなどを設け、温度変化に伴う電流値の変化に対して電流検出回路47の閾値を変更させることにより、ブラシ磨耗判定回路48の動作信頼性が向上する効果が得られる。
また、ブラシ磨耗限界位置に接触抵抗の大きい材質を埋め込む、またはスリップリング30との接触面積が小さくなる形状のブラシを用いることによって、トランジスタ51のコレクタ電流の低下を顕著にする効果が得られる。
さらに、本実施の形態では、制御部の断続制御素子にバイポーラトランジスタを用いているが、MOSFETを用いてもよい。
図9は、実施の形態2による車両用発電機のブラシ摩耗検出装置に用いられる集積回路40aの内部構成を示すと共に、集積回路40aの動作を説明するための図である。
なお、本実施の形態による車両用発電機のブラシ摩耗検出装置の電気回路構成は、図1における集積回路40を集積回路40aに置き換えたものである。
前述の実施の形態1による車両用発電機のブラシ摩耗検出装置では、トランジスタ51のコレクタ電流を検出する電流検出回路47が設けられていたが、本実施の形態では、これに代わり、回転子巻線2の回転数を検出する回転検出回路49が設けられていることを特徴とする。
キースイッチ5(図1参照)が閉じられ、初期励磁状態により発電機12が発電可能状態となる経緯は実施の形態1の場合と同じである。
次に、発電機12は発電を開始し、出力電圧の1相分が出力電圧検出回路45に入力されるようになるが、この時、本実施の形態では、同時に発電機の回転数が回転数検出回路49にも入力される。
本実施の形態では、ブラシの磨耗限界の検出は第一の制御手段から第二の制御手段に切り替わるときの回転子巻線2の回転数を測定することで行われる。
ブラシの磨耗に伴うコイルバネ20、21(図3参照)の荷重の低下により、スリップリング30との接触抵抗が増大するので、回転子巻線2に流れる励磁電流が減少し、発電機12の発電も低下する。
そのため、出力電圧の1相分が出力電圧検出回路45の閾値に達するためには、より高い回転数が必要となる。
このオン動作は保持機能が働くので、発電機12が無発電時は、PL6は点灯したままであるが、エンジン回転開始後に車両運転者に警報すべくPL6を点滅させるなる経緯は実施の形態1の場合と同じである。
以上の動作により車両運転者にブラシの磨耗限界を警報することが可能となる。
なお、PL駆動制御回路46の内部回路の構成と入力される信号は前掲の図7に示されたものと同じであり、キースイッチ5の状態(オン/オフ)、発電機の状態(発電/無発電)、ブラシの状態(磨耗限界到達/未到達)とPL(パイロットランプ)6の点灯/消灯状態の関係も図8に示したものと同じである。
図10に基づいて本実施の形態による車両用発電機のブラシ摩耗検出装置の動作を説明する。
出力電圧検出回路45が出力しないため、PL駆動制御回路46が出力し、パワートランジスタ52がオンとなり、PL6が点灯すると共に、電圧制御回路44は第一の制御動作状態(初期励磁状態)となるべく出力する。(ステップS203)
ステップS204は、エンジン回転が始動した否かによって分岐するステップであり、エンジン回転が始動していなければ、ステップ202およびステップ203の動作が維持される。
エンジン回転が始動しておれば、エンジン回転の上昇に伴い出力電圧が上昇し、出力電圧検出回路45が出力する。(ステップS205)
そして、ブラシが摩耗限界到達後および発電機12が発電開始の状態のとき、出力電圧検出回路45が出力しないため、PL駆動制御回路46が出力停止となり、パワートランジスタ52はオンせず、PL6は消灯する。さらに、第二の制御動作となるべく、電圧制御回路44が出力する。(ステップS208)
一方、ステップ206において、回転数が閾値以上であれば、ブラシ摩耗判定回路48aはブラシが摩耗限界に到達したものと判定し、ブラシ摩耗判定回路48aが出力(点滅点灯)する。(ステップS210)
ステップS209およびステップS212は、エンジン回転が回転停止しているか否かの分岐ステップである。
ステップS209においてエンジン回転が回転停止していなければ、ステップS208の動作を維持し、また、ステップS212においてエンジン回転が回転停止していなければ、ステップS211の動作を維持する。
ステップS209あるいはステップS212においてエンジン回転が回転停止しておれば、ブラシ摩耗判定回路48の出力に関係なく、ステップS202へ戻る。
また、第二の制御への切り替わりは回転数を閾値としてもよく、その場合に第一の制御から第二の制御に切り替わるときの出力電圧の1相分を出力電圧検出回路45により測定させ、ブラシ磨耗限界直前の第二の制御に切り替わる回転数での出力電圧を閾値とし、閾値以下の出力値を測定した場合においても、同等の効果が得られる。
さらに、実施の形態1の場合と同様に、動作信頼性の向上のために、温度センサ等を設けて、回転数検出回路および、出力電圧検出回路の閾値を変更してもよく、また、ブラシ磨耗限界位置に、接触抵抗の大きい材質を埋め込む、またはスリップリング30との接触面積が小さくなる形状のブラシを用いることによって、トランジスタ51のコレクタ電流の低下を顕著にする効果が得られる。
3 三相全波整流器 4 バッテリ
5 キースイッチ 6 PL(パイロットランプ)
9 ブラシ 10 ブラシ
11 中性点 12 発電機
20 コイルバネ 21 コイルバネ
30 スリップリング
40 集積回路 41 電源トリガ回路
42 電源回路 43 発信回路
44 電圧制御回路 45 出力電圧検出回路
46 PL駆動回路 47 電流検出回路
48 ブラシ摩耗判定回路 48a ブラシ摩耗検出回路
49 回転数検出回路
51 トランジスタ 52 パワートランジスタ
Claims (5)
- 発電機の界磁巻線の端部に設けられたスリップリングに摺動可能に圧接配置され、バッテリからの励磁電流を上記界磁巻線に供給するためのブラシと、
上記ブラシを介して発電機の上記界磁巻線に流れる電流値を検出する電流検出回路と、
上記発電機の出力電圧値を検出する出力電圧検出回路と、
上記電流検出回路が検出する電流値あるいは上記出力電圧検出回路が検出する出力電圧値に基づいて上記ブラシの摩耗状態を判定するブラシ摩耗判定回路とを備えたことを特徴とする車両用発電機のブラシ摩耗検出装置。 - 発電機の出力電圧が所定の目標値よりも大きいか否かにより上記界磁巻線に流れる電流を断続制御する電流断続制御手段を備え、
上記ブラシ摩耗判定回路は、上記電流検出回路が検出する断続電流の平均値に基づいて上記ブラシの摩耗状態を判定することを特徴とする請求項1に記載の車両用発電機のブラシ摩耗検出装置。 - 発電機の界磁巻線の端部に設けられたスリップリングに摺動可能に圧接配置され、バッテリからの励磁電流を上記界磁巻線に供給するためのブラシと、
上記発電機の回転数を検出する回転数検出回路と、
上記回転数検出回路が検出する回転数に基づいて上記ブラシの摩耗状態を判定するブラシ摩耗判定回路とを備えたことを特徴とする車両用発電機のブラシ摩耗検出装置。 - 上記ブラシは、磨耗限界部に接触抵抗の大きな材質が埋め込まれていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の車両用発電機のブラシ摩耗検出装置。
- 上記ブラシの磨耗限界部は、スリップリングとの接触面積が小さくなる形状となっていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の車両用発電機のブラシ摩耗検出装置。
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