JP2015175290A

JP2015175290A - 電動ポンプ

Info

Publication number: JP2015175290A
Application number: JP2014052255A
Authority: JP
Inventors: 佳彦湊; Yoshihiko Minato
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2015-10-05
Anticipated expiration: 2034-03-14
Also published as: CN104912793A; US20150263653A1; JP6277796B2; DE102015003195A1; CN104912793B; DE102015003195B4; US9401670B2

Abstract

【課題】モータの大きさを変更することなく、低温時においても必要な吐出能力を発揮可能な電動ポンプを提供する。【解決手段】電動ポンプは、作動流体を汲み上げて吐出するポンプ本体と、ポンプ本体を駆動するセンサレスブラシレス方式のモータと、ポンプ本体から必要吐出量の作動流体を吐出するために、モータに対して定電流制御と定電圧制御とを行うと共に、所定温度において所定モータ印加電圧のときに定電流制御から定電圧制御に切り替える制御部とを備えている。電動ポンプは、作動流体の温度が所定温度未満であるとき、制御部がモータに対して、所定モータ印加電圧より高いモータ印加電圧で定電流制御から定電圧制御に切り換えることにより、ポンプ本体から必要吐出量の作動流体を吐出する。【選択図】図３

Description

本発明は、センサレスブラシレス方式のモータで駆動される電動ポンプに関する。

近年、地球の環境問題に配慮し、自動車等の車両には、交差点等での短時間停止時にエンジンをストップし、排気ガスの排出やガソリンの消費を抑制するアイドリングストップ機能が搭載されているものがある。アイドリングストップ機能の作動時にはエンジンが作動していないが、その場合でもトランスミッションの油圧保持は必要であるため、エンジンが作動していなくても駆動可能でオイル（作動流体の一例）を供給できる電動ポンプを使用して油圧保持を実現している。

電動ポンプはエンジンルームに配置されるため、高温でも確実に作動することが求められる。そのため、電動ポンプは、ブラシと整流子からなる機械的な接触部分、及びホール素子等の磁極センサを有しないセンサレスブラシレス方式のモータ（以下、単に「モータ」とも称する）により駆動されることが多い。センサレスブラシレス方式のモータは、ステータに巻回されたコイルに誘起される誘起電圧を利用してロータの回転位置を検出し、それに基づいて得られた磁極位置情報から３相巻線の各相への通電を切り換える。

特許文献１においては、センサレス駆動回路を用いてＰＷＭ信号で駆動するブラシレスＤＣモータを用いた電動流体ポンプ装置が開示されている。当該電動流体ポンプ装置においては、電流制御によりブラシレスＤＣモータを駆動しつつ、モータの回転数が所定の回転数以下になった時、電流制御から回転数制御に切り替える制御装置を備えている。これにより、モータの回転数が所定の回転数より大きい場合には、電流制御によりモータが制御される。また、モータの負荷変動が生じた際に、電流制御の影響でモータ印加電圧が下がり回転数が下がるような場合にはモータの制御が回転数制御に切り替わる。モータの制御が所定の回転数以下になった場合に回転数制御に切り替わることにより、コイルに発生する誘起電圧の低下が抑制され、モータの脱調が防止される。

特開２００４−１６６４３６号公報

最近、低温時（概ね０℃以下）においても必要な量のオイルをトランスミッションに供給することが電動ポンプに求められるようになってきている。オイルは低温では粘度が高いため、常温時と同じモータ電圧を印加してモータ制御を行うと、オイルの粘度増大に伴う負荷増大により、モータ回転数が低下する。このため、電動ポンプからのオイルの吐出量が不足し、必要な量のオイルをトランスミッションに供給することができない。さらに、モータの回転数の低下によりコイルに発生する誘起電圧も低下するため、ロータの回転位置を検出することができなくなったときには、モータが脱調するという問題があった。この問題は、特許文献１に記載の電動流体ポンプ装置においても起こりうるものである。同じモータ電圧を印加して、低温時においてモータの回転数を所定値以上にするには、モータのサイズを大きくして大きなトルクを発生させる必要があり、スペース、重量、コストの観点から見て非効率であった。このように、センサレスブラシレス方式のモータを用いた電動ポンプには、更なる改善の余地があった。

上記問題に鑑み、本発明は、モータの大きさを変更することなく、低温時においても必要な吐出能力を発揮可能な電動ポンプを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る電動ポンプの特徴構成は、作動流体を汲み上げて吐出するポンプ本体と、前記ポンプ本体を駆動するセンサレスブラシレス方式のモータと、前記ポンプ本体から必要吐出量の作動流体を吐出するために、前記モータに対して定電流制御と定電圧制御とを行うと共に、所定温度において所定モータ印加電圧のときに前記定電流制御から前記定電圧制御に切り替える制御部とを備え、作動流体の温度が前記所定温度未満であるとき、前記制御部が前記モータに対して、前記所定モータ印加電圧より高いモータ印加電圧で前記定電流制御から前記定電圧制御に切り換えることにより、前記ポンプ本体から前記必要吐出量の作動流体を吐出する点にある。

このような特徴構成とすれば、作動流体の温度が所定温度未満に低下して粘度が高くなったとしても、制御部がモータに対して、所定モータ印加電圧より高いモータ印加電圧で定電流制御から定電圧制御に切り換えてモータの出力を高めるように制御することで、ポンプ本体はトランスミッションで必要とされる量のオイルを吐出することができる。

本発明に係る電動ポンプにおいては、前記モータ印加電圧は、作動流体の温度と前記モータ印加電圧との関係を記したマップに基づいて定められると好適である。

このような構成とすれば、モータ印加電圧をその都度計算等により求める必要がなく、迅速な制御が可能になる。

電動ポンプとモータ制御装置の概略構成を表すブロック図である。常温時に電動ポンプが有するポンプ特性と、オイル供給先で求められるオイルの負荷特性を表すグラフである。低温時に電動ポンプが有するポンプ特性と、オイル供給先で求められるオイルの負荷特性を表すグラフである。オイルの温度に対する、定電流制御から最低出力制御に切り替える時のモータ印加電圧の変化を表すグラフである。定電流制御から最低出力制御に切り替える時のモータ印加電圧を高くする制御手順を表すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１に示すように、電動ポンプ１は、不図示のシャフトで直結されたセンサレスブラシレス方式のモータ（以下、単に「モータ」と称する）２と、モータ２により駆動されるオイルポンプ４を備えている。オイルポンプ４はポンプ本体の一例である。オイルポンプ４の構造は公知のものと同等なので、詳細な説明は省略する。モータ２は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１０により制御されて駆動し、これによりオイルポンプ４を作動させる。

ＥＣＵ１０は、モータ２を駆動するＰＷＭ信号を出力するインバータ１２と、インバータ１２を制御するインバータ駆動部１４と、インバータ駆動部１４に制御指令を出すトルク制御部１６と、Ｉ／Ｆ（インターフェース）１８とを有する。トルク制御部１６は、モータ印加電圧に関する情報を出力し、インバータ駆動部１４、インバータ１２を介してモータ２を制御する。モータ２の回転中は、インバータ１２やインバータ駆動部１４からトルク制御部１６へそれぞれモータ２の駆動情報（コイルへの通電電流値、回転数等）がフィードバックされる。なお、ＥＣＵ１０は、電動ポンプ１とは別に構成されていてもよいし、一体的に構成されていてもよい。

電動ポンプ１において、オイルポンプ４はモータ２の駆動により、作動流体の一例であるオイルを汲み上げて吐出する。この時のオイルの吐出量とその吐出時の油圧（以下、単に「油圧」と称する）との関係は、モータ２の回転数とその回転数発生時のトルクとの関係に対応する。図２に示すＬ１１はオイルポンプ４から吐出されるオイルの油圧と吐出量の関係（以下、「ポンプ特性」と称する）を表す。Ｌ１１の（ａ）の範囲は、モータ２にはフィードバック制御がなされていない範囲であり、油圧が増大するに従いオイルの吐出量は減少する。すなわち、油圧がゼロのときモータ２の回転数は最大となってオイルの吐出量も最大となる。油圧が増大するとオイルの吐出に際して抵抗が生じ、吐出量は減少する。すなわち、モータ２の回転数は低下する。Ｌ１１（ａ）の範囲では、ＰＷＭ信号のデューティ比は一定であり、例えば１００％である。以下、出力されるＰＷＭ信号のデューティ比の大小をモータ印加電圧の大小として表現する。Ｌ１１（ａ）の範囲では、油圧の増大に伴い、モータ２の負荷が大きくなって回転数が低下することによりオイルの吐出量が低下する。このとき、モータ印加電圧は一定のまま、モータ２のコイルを流れる電流は増加する。電流が所定値に達すると、トルク制御部１６は、モータ２の制御を定電流制御に切り替え、モータ電流を一定に維持したままモータ印加電圧を下げる制御を行う。定電流制御が実行されているのは、Ｌ１１の（ｂ）の範囲である。モータ２で定電流制御が実行されると、モータ電流が一定のままモータ２の回転数が低下する、すなわち、油圧を一定に保った状態でオイルの吐出量が低下する。

モータ２の回転数が低下すると、不図示のステータのコイルに発生する誘起電圧も小さくなる。モータ２は該誘起電圧により不図示のロータの回転位置を検出しているので、誘起電圧が所定値よりも小さくなると、ロータの回転位置の検出ができず、モータ２は脱調して停止してしまう。そのため、ロータの回転位置の検出ができる誘起電圧が得られる所定の回転数で、モータ２は定電流制御から再度定電圧制御に切り替えられる。図２において定電圧制御が実行されているのは、Ｌ１１の（ｃ）の範囲である。Ｌ１１（ｃ）の範囲においてもＬ１１（ａ）の範囲と同様、油圧が増大するに従い、モータ２の負荷が大きくなって回転数が低下するので、オイルの吐出量は減少する。Ｌ１１（ｃ）の範囲は、オイルの吐出量が、モータ２が脱調する回転数におけるオイルポンプ４の吐出量（不図示）に低下するまで続く。

図２において、Ｌ２１は、オイルの温度が例えば常温（以下、「温度Ｔ１」と称する）であるときに、不図示のトランスミッションで必要とされるオイルの油圧と流量の関係（以下、「負荷特性」と称する）を表している。また、オイルポンプ４には、オイルの温度に関わらず、所定量のオイルまで吐出できる能力を有することが求められる。図２においては、この所定量のオイルの吐出量をＬ３で示しており、以下これを「必要吐出量」と称する。

オイルポンプ４が常にトランスミッションに必要な量のオイルを供給するためには、オイルポンプ４がゼロから必要吐出量までの任意の吐出量のオイルを吐出するために必要な油圧の範囲（以下、単に「必要な油圧の範囲」と称する）において、常にＬ１１がＬ２１と同じかそれよりも上にあることが必要である。すなわち、必要な油圧の範囲において、負荷特性から必要とされるオイルの流量よりもポンプ特性によりオイルポンプ４から吐出されるオイルの吐出量が上回る必要がある。図２に示すように、温度Ｔ１においてはこの要件を充足しているので、オイルポンプ４は常にトランスミッションで必要な量のオイルを供給することができる。なお、負荷特性は、オイルの温度によって異なっており、トランスミッション側の仕様により予め決められている。オイルポンプ４が必要吐出量のオイルを吐出するときのモータ２の回転数は、脱調する回転数を大きく上回っているものとする。

図２に示すように、必要な油圧の範囲の最大油圧において定電流制御を行い、且つ、オイルポンプ４が必要吐出量のオイルを吐出するときのモータ印加電圧で定電流制御から定電圧制御へと切り替えることにより、最も効率よくモータ２の出力を制御することができる。

図３に、オイルの温度が温度Ｔ１よりも低温（以下、「温度Ｔ０」と称する）であるときのポンプ特性と負荷特性を表すグラフを示す。負荷特性を表すＬ２２において、Ｌ２１と比較して同じ油圧でのオイル流量が少なくなっているのは、温度Ｔ０においては温度Ｔ１時と比べてオイルの粘度が高くなるためである。破線で示すポンプ特性を示すＬ１１（図２のＬ１１と同じ）と温度Ｔ０での負荷特性を示すＬ２２に着目すると、必要吐出量を得るための油圧、すなわち必要な油圧の範囲における最大油圧では、ポンプ特性が負荷特性を下回っている。すなわち、モータ２の出力が不足しているので、オイルポンプ４は、必要な量のオイルを吐出することはできない。

実際には、ポンプ特性（Ｌ１１）が負荷特性（Ｌ２２）を上回っているときでも、オイルポンプ４から吐出されるオイルの吐出量が必要吐出量（Ｌ３）を下回る箇所があるので、この点からも、モータ２の出力が不足していることがわかる。

そこで、本実施形態においては、モータ２について定電流制御から定電圧制御への切り替えが行われる時のモータ印加電圧（以下、「切り替えモータ印加電圧」と称する）を高くしてモータ２の出力を高めることにより、トランスミッションに必要な量のオイルを供給している。モータ２において切り替えモータ印加電圧を高く設定したときのポンプ特性を図３のＬ１２に示す。具体的には、負荷特性（Ｌ２２）と必要吐出量（Ｌ３）とが交差するときの油圧において、オイルポンプ４が必要吐出量以上のオイルを吐出できるポンプ特性（Ｌ１２）を設定する。このような特性であれば、温度Ｔ０においても、オイルポンプ４は必要吐出量までの任意の吐出量のオイルを吐出することができる。

図３に示すように、負荷特性（Ｌ２２）と必要吐出量（Ｌ３）との交差点をＬ１２が通るように定電圧制御を行うことにより、最も効率よくモータ２の出力を制御することができる。

このように、オイルが温度Ｔ１を下回るときであってオイルポンプ４が必要吐出量（Ｌ３）のオイルを吐出できない場合には、トルク制御部１６は、後述する油温センサ２０からＩ／Ｆ１８を経由して取得した油温情報に基づき、温度Ｔ１未満のときに切り替えモータ印加電圧が高くなるようにモータ２を制御してモータ２の出力を高める。オイルの温度が低いほど粘度が高いため、図４に示すように、オイルの温度が低くなるにつれて切り替えモータ印加電圧の値は高くなる。切り替えモータ印加電圧が高くなると、定電圧制御時のモータ２の出力（発生トルク）が大きくなるので、オイルの粘度が高くても、オイルポンプ４が必要吐出量のオイルを吐出できる回転数でモータ２を回転させることができる。なお、図４においては、オイルが温度Ｔ１から低下するにつれて切り替えモータ印加電圧が直線的に増加しているがこれは一例である。温度Ｔ１未満の各温度において、必要な油圧の範囲全体で負荷特性を上回るポンプ特性になるように最低モータ印加電圧が設定されれば、モータ印加電圧が直線的に増加しなくてもよい。

切り替えモータ印加電圧を高く設定する制御は以下のように行われる。図５にその制御手順を表すフローチャートを示す。図１に示すように、トランスミッションの内部及びその近傍には、トランスミッションに供給されるオイルの油温を検出する油温センサ２０が取り付けられている。Ｉ／Ｆ１８には油温センサ２０で検出された油温の情報が入力され、トルク制御部１６は、Ｉ／Ｆ１８を経由して油温センサ２０から常に油温情報を取得している（Ｓ５１）。トルク制御部１６は、電動ポンプ１の使用温度範囲の各油温における負荷特性と必要吐出量とに基づく切り替えモータ印加電圧の情報をテーブルとして保有している。トルク制御部１６は油温センサ２０から取得した油温が温度Ｔ１以上か未満かを判断する（Ｓ５２）。オイルが温度Ｔ１以上であれば切り替えモータ印加電圧を高くする制御は行われない。オイルが温度Ｔ１未満であれば、トルク制御部１６はテーブルに基づいて、切り替えモータ印加電圧の情報を読み出してインバータ駆動部１４へ出力する（Ｓ５３）。インバータ駆動部１４は、入力された切り替えモータ印加電圧で定電流制御から定電圧制御に切り替わるようにインバータ１２を制御することにより（Ｓ５４）、モータ２の最低出力は高くなる。

このように、電動ポンプ１の使用温度範囲におけるオイルの各温度に応じて、オイルポンプ４が必要吐出量のオイルを吐出できるような切り替えモータ印加電圧を設定することにより、オイルの温度が低下した時であっても、電動ポンプ１は常温時と同様に必要な量のオイルをトランスミッションに供給することができる。

上記実施形態においては、ＰＷＭ駆動のモータ２を用いて説明したが、これに限られるものではない。ＰＷＭ駆動のモータ２に代えて、他の任意の方法で駆動されるモータ２を使用してもよい。

本発明は、センサレスブラシレス方式のモータで駆動される電動ポンプに利用することが可能である。

１電動ポンプ
２モータ
４オイルポンプ（ポンプ本体）
１０ＥＣＵ（制御部）

Claims

作動流体を汲み上げて吐出するポンプ本体と、
前記ポンプ本体を駆動するセンサレスブラシレス方式のモータと、
前記ポンプ本体から必要吐出量の作動流体を吐出するために、前記モータに対して定電流制御と定電圧制御とを行うと共に、所定温度において所定モータ印加電圧のときに前記定電流制御から前記定電圧制御に切り替える制御部とを備え、
作動流体の温度が前記所定温度未満であるとき、前記制御部が前記モータに対して、前記所定モータ印加電圧より高いモータ印加電圧で前記定電流制御から前記定電圧制御に切り換えることにより、前記ポンプ本体から前記必要吐出量の作動流体を吐出する電動ポンプ。
前記モータ印加電圧は、作動流体の温度と前記モータ印加電圧との関係を記したマップに基づいて定められる請求項１に記載の電動ポンプ。