JP2017046415A - ブラシ付きｄｃモータ、車両 - Google Patents

Abstract

【課題】ブラシに直接接触することなく、ブラシの温度を高精度に測定することができるブラシ付きＤＣモータを提供する。
【解決手段】ブラシ付きＤＣモータは、ロータと、ロータに設けられた整流子の外周側に、該整流子に接触可能に配置されたブラシと、ブラシを収容するブラシホルダと、ブラシにピグテル線を介して電気的に接続されたバスバーの電流通過端子部と、バスバーの電流通過端子部に設けられ、バスバー全体の平均電流密度よりも大きい電流密度となるように構成された発熱部と、発熱部の温度を検出する温度検出部と、温度検出部により検出されたブラシの温度が規定温度以上の場合、バスバーに供給される駆動電流を制限する制御部を有する。
【選択図】図５

Description

本発明は、ブラシ付きＤＣモータ、車両に関するものである。

ロータに設けられた巻線に整流子（コンミテータ）が接続され、整流子に接触するブラシを介して電流を巻線に給電し、ロータに回転力を発生させてロータを回転駆動するブラシ付きＤＣモータが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１５４５８４号公報

しかしながら、ブラシ付きＤＣモータは、モータ動作時、整流子に接触するブラシ部分が摩擦や通電により高温となる場合がある。ブラシに温度センサを接触させてブラシの温度を直接測定しようとしても、ブラシ付きＤＣモータがブラシをブラシホルダに収容した構造を有する場合には、ブラシの温度を直接測定することは困難である。

ところで、車両などの装置にブラシ付きＤＣモータを搭載する場合、装置によっては、モータ動作時のモータの上限温度（例えば、２３０℃程度）を規定していることがある。しかしながら、上述したブラシ付きＤＣモータでは、ブラシ温度を直接測定することが困難であり、適切に温度制御を行うことができない。

本発明のブラシ付きＤＣモータは、以下の構成を少なくとも具備するものである。
ロータを有するブラシ付きＤＣモータであって、
ロータに設けられた整流子の外周側に、該整流子に接触可能に配置されたブラシと、
前記ブラシを収容するブラシホルダと、
前記ブラシにピグテル線を介して電気的に接続されたバスバーの電流通過端子部と、
前記バスバーの電流通過端子部に設けられ、前記バスバー全体の平均電流密度よりも大きい電流密度となるように構成された発熱部と、
前記発熱部の温度を検出する温度検出部と、を有することを特徴とする。

本発明の車両は、上記本発明のブラシ付きＤＣモータを有することを特徴とする。

本発明のブラシ付きＤＣモータは、ブラシに直接接触することなく、ブラシの温度を高精度に測定することができる。また、本発明のブラシ付きＤＣモータは、ブラシが規定の上限温度以上となった場合、駆動電流を抑制してブラシの温度上昇を抑制することができる。
また、本発明によれば、上記本発明のブラシ付きＤＣモータを有する車両を提供することができる。

本発明の実施形態に係るブラシ付きＤＣモータの一例を示す概念図、（ａ）はブラシ付きＤＣモータの部分断面斜視図、（ｂ）はブラシ付きＤＣモータに内蔵されているコイルの一例を示す斜視図、（ｃ）はブラシ付きＤＣモータに内蔵されている電機子の一例を示す斜視図。 本発明の実施形態に係るブラシ付きＤＣモータの一例を示す断面図。 図２に示したブラシ付きＤＣモータのカーボンブラシを収容するブラシホルダ、バスバー、ピグテル線などの一例を示す平面図。 カーボンブラシを収容するブラシホルダなどの一例を示す斜視図。 カーボンブラシ、ピグテル線、バスバーの電流通過端子部、温度検出部、及び制御部などの一例を示す斜視図。 図５に示したピグテル線、バスバーの電流通過端子部、温度検出部、及び制御部などの一例を示す斜視図。 本発明の実施形態に係るブラシ付きＤＣモータを有する車両の一例を示す模式図。

本発明の実施形態に係るブラシ付きＤＣモータは、ロータと、ロータに設けられた整流子の外周側に、該整流子に接触可能に配置されたカーボンブラシと、カーボンブラシを収容するブラシホルダと、カーボンブラシにピグテル線を介して電気的に接続されたバスバーの電流通過端子部と、バスバーの電流通過端子部に設けられ、バスバー全体の平均電流密度よりも大きい電流密度となるように構成された発熱部と、発熱部の温度を検出する温度検出部と、を有する。
また、ブラシ付きＤＣモータは制御部を有し、温度検出部により検出されたブラシの温度が規定温度以上の場合、制御部は、バスバーに供給される駆動電流を制限する、その旨を報知するなどの処理を行う。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。本発明の実施形態は図示の内容を含むが、これのみに限定されるものではない。なお、以後の各図の説明で、既に説明した部位と共通する部分は同一符号を付して重複説明を一部省略する。

図１、図２に示したように、本発明の実施形態に係るブラシ付きＤＣモータ１は、ロータ１１、ヨーク１２、コイル１３、及び制御部９などを有する。ブラシ付きＤＣモータ１の各構成要素は、略円筒形状のハウジングＨ内に収容されている。尚、本実施形態では、ブラシ付きＤＣモータとして誘導モータを説明する。

ロータ１１（アーマチャ）は、回転軸１１１（シャフト）、コイル１１２、及び整流子１１３などを有する。
回転軸１１１は、ハウジングＨのブラケットＢに設けられた軸受部材１４と、エンドブラケットＥＢに設けられた軸受部材１５により回転自在に軸支されている。また、本実施形態では、ロータ１１の中央部にコイル１１２などが設けられている。このコイル１１２には、回転軸１１１に設けられた整流子１１３が電気的に接続されている。

円筒形状のハウジングＨの内周側には、ハウジングＨに固定された複数のコイル１３とヨーク１２が周方向に等間隔に設けられている。モータ駆動時、各コイル１３に電流を所定のタイミングで印加することで磁場が発生する。

ブラシ付きＤＣモータ１のブラケットＢ内には、ブラシホルダユニットＢＨＵが配置されている。
図３〜図６に示すように、ブラシホルダユニットＢＨＵは、ブラシ１６、ブラシホルダＢＨ、バスバーＢＢ、ピグテル線Ｐ、などを有する。ブラシホルダユニットＢＨＵの中心部には、ロータの回転軸を回転自在に貫入する孔部ＢＵＨが形成されている。

ブラシ１６は、孔部ＢＵＨの周囲に複数個（本実施形態では６個）が放射状に配置され、ブラシホルダＢＨ内に移動自在に収容されている。また、ブラシ１６は、ロータに設けられた整流子に接触するように付勢部（不図示）により付勢されている。本実施形態では、ブラシ１６はカーボン製のブラシ（カーボンブラシ）であり、略直方体に形成されている。

バスバーＢＢは、定電流源からの電流を複数のブラシ１６に共通して供給する金属部材である。本実施形態では、バスバーＢＢは、ＧＮＤ側バスバーＢＢＧと電流印加側バスバーＢＢＡを有し、各バスバー（ＢＢＧ，ＢＢＡ）が重ね合わせて配置されている。図４〜図６に示すように、各バスバー（ＢＢＧ，ＢＢＡ）の外周部付近からブラシ１６側に向けて屈曲した複数の電流通過端子部ＢＢＴが立設されている。

電流通過端子部ＢＢＴとカーボンブラシ１６の間には、電流通過端子部ＢＢＴとカーボンブラシ１６を電気的に接続するピグテル線Ｐが設けられている。ピグテル線Ｐは柔軟性を有し、カーボンブラシ１６の動きに追従するように形成されている。ピグテル線Ｐは銅などの金属材料により形成されている。

外部の定電流源（不図示）からバスバーＢＢに電流が印加された場合、バスバーＢＢの電流通過端子部ＢＢＴからピグテル線Ｐを介してカーボンブラシ１６に電流が流れるようにモータが構成されている。

本実施形態では、複数の電流通過端子部ＢＢＴのうち少なくとも１つに発熱部７が形成されている。発熱部７は、電流印加時に、バスバー全体の平均電流密度よりも大きい電流密度となるように構成されている。詳細には、発熱部７は、バスバー全体の平均電流密度の１．５以上２倍以下の平均電流密度となるように構成されている。これにより、モータを駆動させる電流を印加した際に、後述する所望の発電量が得られる。

尚、許容電流密度は、モータや、モータを搭載する装置により規定される。許容電流密度は、例えば、１０〜２５Ａ／ｍｍ²程度である。また、印加電流は一定（例えば、通常時２０Ａ程度）である。

発熱部７では、電流通過端子部ＢＢＴの電流の流れる部分が比較的小さい断面積に形成されているので、高電流密度となる。
本発明の一実施形態では、発熱部７は３ｍｍ×５ｍｍ程度の断面積であり、従来の電流通過端子部ＢＢＴでは３ｍｍ×１０ｍｍ程度の断面積である。つまり、発熱部７は、従来比１／２程度の断面積となっている。

発熱部７の断面積は小さすぎると、モータ回転に必要な電流が流れなくなる。このため、発熱部７の断面積は、モータ回転に必要な電流が流れる断面積と同じ又はそれ以上の面積になるように規定されている。また、発熱部７の断面積は大きすぎると、発熱量が小さい。このため、発熱部７の断面積は、モータ動作時に、発熱部７とカーボンブラシ１６の温度差が小さくなるように、具体的には、５０〜７０℃程度となるように規定されている。

モータ駆動時、電流通過端子部ＢＢＴに高電流密度の電流が流れた場合、発熱部７は発熱する。また、モータ駆動時、発熱部７の温度は、カーボンブラシ１６の温度と略同じ又は僅かに小さい温度となる。発熱部７とカーボンブラシ１６の温度差は、５０〜７０℃程度である。比較例として、発熱部７を設けない電流通過端子部ＢＢＴ、カーボンブラシ１６の温度差は、約１００℃以上である。

また、発熱部７が設けられた電流通過端子部ＢＢＴには、発熱部７の温度を検出する温度検出部８が備えられている。温度検出部８は、サーミスタなどの温度センサであり、制御部９に電気的に接続されている。
温度検出部８は、発熱部７が設けられた全ての電流通過端子部ＢＢＴに備えられていてもよいし、いずれか１つに設けられていてもよい。

制御部９は、ブラシ付きＤＣモータの駆動やブラシの温度などを制御する。また、制御部９は、コンピュータなどで形成されており、制御プログラムを実行することにより本発明に係る機能を実現する。図５、図６に示したように、制御部９は、計測処理部９１、電流制御部９２、報知部９３などを有する。

計測処理部９１は、サーミスタなどの温度検出部８からの信号を受信して温度情報を取得する。また、計測処理部９１は、記憶部（不図示）に記憶されている、ブラシ温度と発熱部７の温度との対応テーブルを参照して、サーミスタなどの温度検出部８から受信した信号に基づいて、現在のブラシの温度を推定する処理を行う。

電流制御部９２は、温度検出部８により検出されたブラシ１６の温度が規定温度以上の場合、バスバーに供給される駆動電流を制限する処理を行う。電流制御部９２は、詳細には、駆動電流を通常駆動時の半分以下、通常の数％、０％（電流遮断）などにする所定の電流制限処理を行う。電流制御部９２は、ブラシの温度が規定温度未満の場合には、通常の駆動電流を印加するように制御を行う。

報知部９３は、温度検出部８により検出されたブラシ１６の温度が規定温度以上の場合、例えば、ＬＥＤなどの表示部、スピーカ、外部のコンピュータなどに、その旨を示す信号を出力する。表示部は、受信したその信号に応じて警告などの所定の表示、警告灯の点灯などを行う。スピーカは受信したその信号に応じて警告などを発音する。外部のコンピュータは、その旨を示す信号を受信した場合、所定の報知処理を行う。

次に、本発明の実施形態に係るブラシ付きＤＣモータ１を備えた車両１００を説明する。
図７に示す車両１００は、アクチュエータとしてブラシ付きＤＣモータ１を備えており、モータ１によって作動する駆動力伝達装置Ａを備えている。詳細には、駆動力伝達装置Ａは、駆動軸の駆動力を、被駆動軸に伝達する又は被駆動軸に伝達しないように切り替える機構を有し、モータ１の作動により、その切り替えが制御される。

図７に示した例では、駆動力伝達装置Ａがリアディファレンシャル装置２に近接して配備されている。この例では、エンジン１０１の駆動力は、変速機１０２を経由してフロントディファレンシャル装置１０３に伝達される。フロントディファレンシャル装置１０３は、駆動力を左右のフロントアクスルシャフト１０４に出力して、前輪１０５Ｌ，１０５Ｒを駆動する共に、プロペラシャフト１０６に出力する。プロペラシャフト１０６は、駆動力伝達装置Ａを介してリアディファレンシャル装置２に連結されており、駆動力伝達装置Ａが被駆動軸であるリアディファレンシャル装置２のピニオンシャフトに駆動力を伝達しない場合には、車両１００は前輪１０５Ｌ，１０５Ｒによる２ＷＤ走行を行う。そして、駆動力伝達装置Ａが被駆動軸であるリアディファレンシャル装置２のピニオンシャフトに駆動力を伝達する場合には、駆動力はリアディファレンシャル装置２を介して左右のリアアクスルシャフト１０７に出力され、前輪１０５Ｌ，１０５Ｒに加えて後輪１０８Ｌ，１０８Ｒが駆動され、車両１００は四輪による全輪駆動（ＡＷＤ）走行を行う。
また、ＥＣＵなどの制御部９は、運転者による操作信号、エンジン１０１の状態、変速機１０２の状態、車両の状態、前輪や後輪の状態などに応じて、モータ１を制御する。

以上、説明したように、本発明の実施形態に係るブラシ付きＤＣモータ１は、ロータ１１と、ロータ１１に設けられた整流子１１３と、整流子１１３の外周側に、その整流子１１３に接触可能に配置されたカーボンブラシなどのブラシ１６と、ブラシ１６を収容するブラシホルダＢＨと、ブラシ１６にピグテル線Ｐを介して電気的に接続されたバスバーＢＢの電流通過端子部ＢＢＴと、バスバーＢＢの電流通過端子部ＢＢＴに設けられ、バスバー全体の平均電流密度よりも大きい電流密度となるように構成された発熱部７と、電流通過端子部ＢＢＴに設けられ、発熱部７の温度を検出する温度検出部８と、を有する。
すなわち、温度検出部８が発熱部７の温度を検出するので、ブラシ１６に直接接触することなく、ブラシ１６の温度を高精度に測定可能なブラシ付きＤＣモータ１を提供することができる。

また、本発明の実施形態に係るブラシ付きＤＣモータ１は、温度検出部８により検出されたブラシ１６の温度が規定温度以上の場合、バスバーＢＢに供給される駆動電流を制限する制御部を有する。
すなわち、ブラシ付きＤＣモータ１は、ブラシ１６が規定温度以上となった場合、制御部９により駆動電流を抑制して、ブラシ１６の温度を規定温度未満に抑制することができる。つまり、ブラシ付きＤＣモータ１を保護することができる。

また、モータ動作時のブラシ１６の温度と発熱部７の温度とを関連付けるテーブル（表）などを記憶部に記憶しておき、制御部９が、温度検出部８で検出された発熱部７の温度情報に基づいてテーブルを参照し、そのテーブルにおいて発熱部の温度に関連付けられているブラシ１６の温度を特定することで、ブラシの温度を間接的に高精度に測定してもよい。尚、記憶部に記憶されるテーブルは、例えば、コンピュータシミュレーションや実測により予め規定されたものであってもよい。

また、本発明の実施形態によれば、上記ブラシ付きＤＣモータ１を備えたブラシ付きＤＣモータを備えた車両１００を提供することができる。車両１００としては、自動車、自動二輪車、ハイブリッド車、などを挙げることができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。
また、上述の各図で示した実施形態は、その構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの記載内容を組み合わせることが可能である。
また、各図の記載内容はそれぞれ独立した実施形態になり得るものであり、本発明の実施形態は各図を組み合わせた一つの実施形態に限定されるものではない。

上記実施形態では、車載用ブラシ付きＤＣモータを説明したが、例えば、本発明に係るブラシ付きＤＣモータを、産業ロボットなどに搭載してもよい。
また、上記実施形態では、ブラシ付きＤＣモータとして誘導モータを説明したが、誘導モータ以外のブラシ付きＤＣモータであってもよい。

１…ブラシ付きＤＣモータ（モータ）、２…リアディファレンシャル装置、７…発熱部、８…温度検出部、９…制御部、１１…ロータ、１２…ヨーク、１３…コイル、１４，１５…軸受部材、１６…ブラシ（カーボンブラシ）、９１…計測処理部、９２…電流制御部、９３…報知部、１００…車両、１１１…回転軸、１１２…コイル、１１３…整流子

Claims (4)

1. ロータを有するブラシ付きＤＣモータであって、
   前記ロータに設けられた整流子の外周側に、該整流子に接触可能に配置されたブラシと、
   前記ブラシを収容するブラシホルダと、
   前記ブラシにピグテル線を介して電気的に接続されたバスバーの電流通過端子部と、
   前記バスバーの電流通過端子部に設けられ、バスバー全体の平均電流密度よりも大きい電流密度となるように構成された発熱部と、
   前記発熱部の温度を検出する温度検出部と、を有することを特徴とする
   ブラシ付きＤＣモータ。
2. 前記発熱部は、バスバー全体の平均電流密度の１．５以上２倍以下の平均電流密度となるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のブラシ付きＤＣモータ。
3. 前記温度検出部により検出された前記ブラシの温度が規定温度以上の場合、前記バスバーに供給される駆動電流を制限する制御部を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のブラシ付きＤＣモータ。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載のブラシ付きＤＣモータを備えた車両。

Images