JP2020174457A

JP2020174457A - モータ

Info

Publication number: JP2020174457A
Application number: JP2019074843A
Authority: JP
Inventors: 義康井上; Yoshiyasu Inoue
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2019-04-10
Filing date: 2019-04-10
Publication date: 2020-10-22
Anticipated expiration: 2039-04-10
Also published as: JP7115401B2

Abstract

【課題】モータの回転特性の低下を抑えつつ、アイドリングストップ状態における保持トルクを高くできるモータを提供する。【解決手段】制御回路の制御部は、エンジンが駆動状態である場合に三相巻線に対して三相交流電流を給電する交流電流作動を実施する。制御回路の制御部、エンジンがアイドリングストップ状態である旨を示すアイドリングストップ信号が入力された場合、交流電流作動を終了させるとともに三相巻線の特定の巻線に対して直流電流を給電する直流電流作動を実施する。【選択図】図４

Description

本発明は、モータに関する。

従来、エンジンの吸気バルブまたは排気バルブの開閉タイミングを決めるクランクシャフトとカムシャフトの相対位相を調整するバルブタイミング可変装置の駆動源にモータを用いたものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７−１９２２１４号公報

ところで、上記のようなバルブタイミング可変装置では、エンジンがアイドリングストップ状態において、バルブに設けられたバルブスプリングの付勢力によりカムシャフトが所定位置まで回転することで、カムシャフトと駆動連結されたモータのロータの回転位置がずれることとなる。

そのため、モータでは、ロータが回転しないように大きな保持トルクを有する必要がある。その一例として保持トルク増大させるためモータの回転特性を低下させる虞がある。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、モータの回転特性の低下を抑えつつ、アイドリングストップ状態における保持トルクを高くできるモータを提供することにある。

上記課題を解決するモータは、エンジン（１）のバルブ（５）のスプリング（６）の付勢力を受けるカムシャフト（４）に接続され、前記バルブの開閉タイミングを調整するモータ本体（１１）と、前記モータ本体を制御する制御回路（１２）とを備え、前記モータ本体は、三相交流電流が給電される三相巻線（２２）を備え、前記制御回路は、前記エンジンが駆動状態である場合に前記三相巻線に対して三相交流電流を給電する交流電流作動を実施し、前記エンジンがアイドリングストップ状態である旨を示すアイドリングストップ信号が入力された場合、前記交流電流作動を終了させるとともに前記三相巻線の特定の巻線に対して直流電流を給電する直流電流作動を実施する。

上記態様によれば、アイドリングストップ状態である場合に三相巻線の特定の巻線に対して直流電流を給電することで、当該巻線を励磁させてモータ本体のロータの回転位置を保持するための保持トルクを得ることができる。このため、モータ本体におけるロータの形状等の制約を低減できるため、回転特性の低下を抑えつつアイドリングストップ状態における保持トルクを高くできる。

実施形態のモータを用いたバルブタイミング可変装置を示す模式図。同実施形態のモータ本体の径方向に切った断面図。同実施形態のモータの電気的構成を説明するための説明図。同実施形態のモータの制御例（動作例）を示すためのタイミングチャート。

以下、モータの一実施形態について図面を参照して説明する。なお、図面では、説明の便宜上、構成の一部を誇張又は簡略化して示す場合がある。また、各部分の寸法比率についても、実際と異なる場合がある。また、以下の説明では、特に言及が無い限り、単に「軸方向」、「径方向」、「周方向」と記載した場合には、モータ（モータの回転軸）の軸方向、径方向、周方向をそれぞれ意味するものとする。

図１に示すように、本実施形態のモータ１０は、車両のエンジン１に設けられるバルブタイミング可変装置２の駆動源に用いられるブラシレスモータである。モータ１０の回転軸３１は、位相調整機構３を介してカムシャフト４と連結されており、モータ１０（回転軸３１）の回転駆動力によってバルブ５の開閉タイミング（クランクシャフトに対するカムシャフト４の相対位相）を調整可能に構成されている。バルブ５は、バルブスプリング６によって閉弁方向に常時付勢されている。

図１及び図２に示すように、モータ１０は、モータ本体１１と、モータ本体１１の一体構成とされた制御回路１２とを備えている。モータ本体１１はステータ２０及びロータ３０を含む。

図２に示すように、ステータ２０は、１２本のティース２１ａを有する略円環状のステータコア２１と、ティース２１ａに巻回される巻線２２とを有する。各ティース２１ａ間にはそれぞれスロットが形成されている。そして、これら各ティース２１ａに巻回された巻線２２には、制御回路１２から三相交流が給電されるようになっている。巻線２２は、Ｕ相電流が給電されるＵ相巻線２２ｕと、Ｖ相電流が給電されるＶ相巻線２２ｖと、Ｗ相電流が給電されるＷ相巻線２２ｗとを有する。

図２に示すように、ロータ３０は、回転軸３１と、回転軸３１に固定される円柱状のロータコア３２とを有する。ロータ３０の回転軸３１は、図示しない軸受に支持されることにより、各ティース２１ａに囲まれる態様で、ステータ２０の径方向内側において回転可能となっている。そして、ロータ３０の外周縁部には、同ロータ３０を包囲するティース２１ａと対向する複数の磁極部３３が形成されている。

詳述すると、各磁極部３３は、ロータコア３２の外周縁部に平板状の永久磁石３４ａ，３４ｂを埋設することにより形成される。即ち、本実施形態のモータ本体１１は、永久磁石埋め込み型（ＩＰＭ側）のロータを有するモータとして構成されている。具体的には、ロータコア３２の外周縁部には、その軸線方向に沿って形成された磁石収容孔３５ａ，３５ｂが周方向に等間隔（４５°間隔）で設けられている。そして、各磁極部３３は、これら各磁石収容孔３５ａ，３５ｂに、ロータコア３２の径方向と直交する態様で各永久磁石３４ａ，３４ｂを収容・固定することにより形成されている。

本実施形態では、永久磁石３４ａ，３４ｂは、各磁石収容孔３５ａ，３５ｂ内において、径方向外側の面がＮ極となるように配置される第１永久磁石３４ａと、径方向外側の面がＳ極となるように配置される第２永久磁石３４ｂとを有する。第１永久磁石３４ａと、第２永久磁石３４ｂとは、周方向において交互となるように各磁石収容孔３５ａ，３５ｂ内に収容される。すなわち、第１永久磁石３４ａで構成された同極の磁極部３３と、第２永久磁石３４ｂで構成された同極の磁極部３３とが周方向に沿って交互に形成される。これにより、各磁極部３３は、周方向４５°間隔で計８個形成されることとなる。つまり、本実施形態のモータ本体１１は、８極１２スロットのブラシレスモータである。

図３に示すように、制御回路１２は、巻線２２への通電タイミングを設定して三相交流を生成することでモータ本体１１の駆動を制御している。制御回路１２には、直流電源Ｅ１が接続されている。具体的には、制御回路１２の電源端子Ｔ１に直流電源Ｅ１の正極が接続され、制御回路１２の電源端子Ｔ２に直流電源Ｅ１の負極が接続されている。

図３に示すように、制御回路１２は、インバータ回路４０と、制御部５０と、を含む。インバータ回路４０は、巻線２２の各巻線２２ｕ，２２ｖ，２２ｗと接続される。
インバータ回路４０は、例えば直流電源Ｅ１から供給される直流電力から１２０°位相の異なる三相の駆動電力を生成するための三相インバータ回路である。インバータ回路４０は、ブリッジ接続された６個のスイッチング素子４１〜４６を有している。スイッチング素子４１〜４６は、例えば、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）である。スイッチング素子４１〜４６には、還流電流を流すためのダイオードＤ１〜Ｄ６がそれぞれ逆接続されている。インバータ回路４０では、高電位側電源線ＶＢ１と低電位側電源線ＶＢ２との間に、Ｕ相用のスイッチング素子４１とスイッチング素子４２とが直列に、Ｖ相用のスイッチング素子４３とスイッチング素子４４とが直列に、Ｗ相用のスイッチング素子４５とスイッチング素子４６とが直列に接続されている。高電位側のスイッチング素子４１，４３，４５と低電位側のスイッチング素子４２，４４，４６との接続点は、それぞれ各巻線２２ｕ，２２ｖ，２２ｗの一端に接続されている。また、本実施形態の各巻線２２ｕ，２２ｖ，２２ｗの他端は中性点Ｐで接続される。すなわち、本実施形態の巻線２２は、所謂スター結線で接続される。なお、巻線２２は、スター結線に限らず、デルタ結線であってもよい。

制御部５０は、各スイッチング素子４１〜４６のゲートに接続され、スイッチング素子４１〜４６のオン・オフを制御する。これにより、直流電源Ｅ１からの直流電流が三相交流電流に変換されてブラシレスモータ１０に給電される。

本実施形態の制御部５０は、例えばエンジンＥＣＵ７から入力される入力信号ＳＩに基づいてスイッチング素子４１〜４６のオン・オフを制御する。ここで、入力信号ＳＩは、ハイレベルである場合にエンジン１が通常駆動状態であることを示し、ローレベルである場合にエンジン１がアイドリングストップ状態であることを示す。より具体的には、入力信号ＳＩがハイレベルからローレベルに変わった場合に制御部５０に対してアイドリングストップ信号が入力されたこととなる。また、入力信号ＳＩがローレベルからハイレベルに代わった場合に制御部５０に対してエンジン始動信号が入力されたこととなる。

制御部５０は、エンジン１が通常駆動状態である旨を示す入力信号ＳＩがハイレベルである場合に三相交流電流を巻線２２ｕ，２２ｖ，２２ｗを給電する交流電流作動を実施する。また、制御部５０は、エンジン１がアイドリングストップ状態である旨を示す入力信号ＳＩがローレベルである場合に巻線２２ｕ，２２ｖ，２２ｗの内の二相の巻線２２ｕ，２２ｖに直流電流を給電する直流電流作動を実施する。制御部５０は、直流電流作動時の平均電圧値と、交流電流作動時の平均電圧値とを比較した場合に、直流電流作動時の平均電圧値を低くしている。

次に、本実施形態のモータ１０の一動作例（作用）を主に図４を用いて説明する。
モータ１０の制御部５０は、例えばエンジンＥＣＵ７からハイレベルの入力信号ＳＩが入力される場合、通常駆動状態であるとして三相交流電流を巻線２２ｕ，２２ｖ，２２ｗを給電する交流電流作動を実施する。

図４に示すように或る時刻ｔ１において、例えば車両ブレーキが操作されて車両速度が０となった場合、エンジン１はアイドリングストップ状態に移行する。このとき、エンジンＥＣＵ７からローレベルの入力信号ＳＩが制御部５０に入力される。

制御部５０は、エンジンＥＣＵ７からローレベルの入力信号ＳＩが入力される場合、アイドリングストップ状態であるとして交流電流作動を停止させるとともに、直流電流作動を実施する。具体的には、制御部５０は、スイッチング素子４１〜４６を制御して三相の巻線２２ｕ，２２ｖ，２２ｗの内、二相の巻線２２ｕ，２２ｖに対して直流電流を給電する。これにより、二相の巻線２２ｕ，２２ｖが励磁されて巻線２２ｕ，２２ｖとロータ３０との間に保持トルクが発生する。この保持トルクは、バルブ５に設けられたスプリング６の付勢力に抗する程度のトルクとすることで、ロータ３０並びにカムシャフト４の意図しない回転を抑えることができる。

図４に示すように、時刻ｔ１より後の時刻ｔ２において、例えば車両ブレーキの操作が解除されると、エンジン１は通常駆動状態に移行する。このとき、エンジンＥＣＵ７からハイレベルの入力信号ＳＩが制御部５０に入力される。

制御部５０は、エンジンＥＣＵ７からハイレベルの入力信号ＳＩが入力される場合、通常駆動状態であるとして直流電流作動を終了させると同時に交流電流作動を実施する。すなわち、直流電流作動後に即座に交流電流作動を実施して無通電時間（ゼロ電位の時間）を略ゼロとしている。これにより、エンジン１の始動から速やかにバルブタイミング調整を実施することができる。

本実施形態の効果を記載する。
（１）アイドリングストップ状態である場合に巻線２２ｕ，２２ｖ，２２ｗの特定の巻線２２ｕ，２２ｖに対して直流電流を給電することで、当該巻線２２ｕ，２２ｖを励磁させてモータ本体１１のロータ３０の回転位置を保持するための保持トルクを得ることができる。このため、モータ本体１１におけるロータ３０の形状等の制約を低減できるため、回転特性の低下を抑えつつアイドリングストップ状態における保持トルクを高くできる。モータ本体１１の回転特性の低下が抑えられることで、エンジン１の応答性向上に寄与できる。また、ロータ３０並びにカムシャフト４の位置を保持するため、位置検出のためのセンサや位置を微調整するためのフィードバック回路が必要となるが、本実施形態で示す構成では、従来のモータにおいて有する巻線に対して直流電流を給電する単純且つ簡素な構成で実現することができる。

（２）アイドリングストップ状態終了後においてエンジン１が始動された旨を示すエンジン始動信号が入力された場合、前記直流電流作動が終了されるため、エンジン１始動から速やかにバルブタイミング調整を実施することができる。

（３）直流電流作動の終了と同時に交流電流作動を実施することで、エンジン１始動から速やかにバルブタイミング調整を実施することができる。
（４）制御部５０は、直流電流作動時の平均電圧値と、交流電流作動時の平均電圧値とを比較した場合に、直流電流作動時の平均電圧値を低くすることで、省電力とすることができる。

なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施することができる。上記各実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。

・上記実施形態では、アイドリングストップ状態である時刻ｔ１〜ｔ２の間、巻線２２ｕ並びに巻線２２ｖのみに直流電流を給電することとしたが、これに限らない。例えば、アイドリングストップ状態である時刻ｔ１〜ｔ２において、巻線２２ｕ，２２ｖ，２２ｗの組み合わせを変更するようにしてもよい。二相の巻線に直流電流を給電する場合、巻線２２ｕと巻線２２ｖの組み合わせ、巻線２２ｕと巻線２２ｗの組み合わせ、巻線２２ｖと巻線２２ｗとの組み合わせが考えられ、このうちの少なくとも２つをアイドリングストップ状態である時刻ｔ１〜ｔ２において切り替えるようにしてもよい。また、上記の３つの組み合わせを用いる場合、順次切り替えたり、ランダムに切り替えたりしてもよい。

また、アイドリングストップ状態である時刻ｔ１〜ｔ２の間において巻線２２ｕと巻線２２ｖとに直流電流を給電した場合、その後のアイドリングストップ状態においては、他の巻線の組み合わせ（巻線２２ｕと巻線２２ｗの組み合わせや巻線２２ｖと巻線２２ｗとの組み合わせ）を用いてもよい。この場合においても、上記の３つの組み合わせを、順次切り替えたり、ランダムに切り替えたりしてもよい。

上述したように、直流電流作動時に直流電流を給電する二相の巻線の決定方法として、三相の巻線２２ｕ，２２ｖ，２２ｗから順次又はランダムで決定することで、巻線２２ｕ，２２ｖ，２２ｗの劣化の偏りを抑えることができる。

・上記実施形態では、アイドリングストップ状態である時刻ｔ１〜ｔ２の間において二相の巻線２２ｕ，２２ｖに直流電流を給電するようにしたが、これに限らない。
例えば、アイドリングストップ状態である時刻ｔ１〜ｔ２の間において、三相の巻線２２ｕ，２２ｖ，２２ｗに直流電流を給電するようにしてもよい。この場合、各巻線２２ｕ，２２ｖ，２２ｗの全てに直流電流が給電されるため、三相の巻線２２ｕ，２２ｖ，２２ｗの内の二相の巻線のみに給電した場合と比較して、巻線２２ｕ，２２ｖ，２２ｗのバランス良く給電することができ、特定の巻線のみが劣化することを抑えることができる。

また、アイドリングストップ状態である時刻ｔ１〜ｔ２の間において、三相の巻線２２ｕ，２２ｖ，２２ｗの内の一相の巻線に対して直流電流を給電するようにしてもよい。
・上記実施形態では、モータ本体１１と制御回路１２とを一体構成としたが、モータ本体１１と制御回路１２とが分離された構成を採用してもよい。

・上記実施形態では、ロータコア３２内に永久磁石３４ａ，３４ｂを配置した所謂ＩＰＭ型のロータ３０を採用したが、これに限らない。例えば、軸方向に沿った着磁方向を持つ円板状の界磁磁石を軸方向に延びる爪状磁極を有する一対のコア部材で挟んで構成したランデル型や、コア部材の外周面に界磁磁石を備えた表面磁石型（ＳＰＭ型）を採用してもよい。

・上記実施形態では、モータ本体１１を８極１２スロットのブラシレスモータとしたが、極数やスロット数は仕様等によって適宜変更してもよい。
・上記実施形態では、ブレーキの操作が解除された場合にアイドリングストップ状態から通常駆動状態に移行することとして説明したが、ブレーキの操作解除以外にバッテリ電圧の変化やアイドリングストップ状態の時間（期間）によってアイドリングストップ状態から通常駆動状態に移行することがある。このような場合においても上記実施形態と同様に直流電流作動の終了と同時に交流電流作動を実施することが好ましい。

・上記実施形態並びに上記変更例では、直流電流作動の終了と同時に交流電流作動を実施することとしたが、直流電流作動後の所定時間、無通電時間（ゼロ電位の時間）を有するようにしてもよい。

・上記実施形態では、モータ１０をバルブタイミング可変装置２の駆動源として用いる構成としたが、これに限らない。必要に応じて保持トルクを要するシステムに広く用いることができる。これにより、システムに合わせたモータ設計ができ、設計自由度を高めることができる。

１…エンジン、４…カムシャフト、５…バルブ、６…スプリング、１０…モータ、１１…モータ本体、１２…制御回路、２２…巻線（三相巻線）、２２ｕ…Ｕ相巻線、２２ｖ…Ｖ相巻線、２２ｗ…Ｗ相巻線、ＳＩ…入力信号（アイドリングストップ信号並びにエンジン始動信号）。

Claims

エンジン（１）のバルブ（５）のスプリング（６）の付勢力を受けるカムシャフト（４）に接続され、前記バルブの開閉タイミングを調整するモータ本体（１１）と、前記モータ本体を制御する制御回路（１２）とを備え、
前記モータ本体は、三相交流電流が給電される三相巻線（２２）を備え、
前記制御回路は、前記エンジンが駆動状態である場合に前記三相巻線に対して三相交流電流を給電する交流電流作動を実施し、前記エンジンがアイドリングストップ状態である旨を示すアイドリングストップ信号が入力された場合、前記交流電流作動を終了させるとともに前記三相巻線の特定の巻線に対して直流電流を給電する直流電流作動を実施する、モータ。
前記制御回路は、前記アイドリングストップ状態終了後において前記エンジンが駆動された旨を示すエンジン始動信号が入力された場合、前記直流電流作動を終了させる、請求項１に記載のモータ。
前記制御回路は、前記直流電流作動の終了と同時に前記交流電流作動を実施する、請求項２に記載のモータ。
前記制御回路は、前記直流電流作動時の平均電圧値と、前記交流電流作動時の平均電圧値とを比較した場合に、前記直流電流作動時の平均電圧値を低くする、請求項１〜３の何れか１項に記載のモータ。
前記制御回路は、前記直流電流作動時に前記三相巻線の内の二相の巻線に対して通電を実施するものであり、
前記三相巻線の内、順次又はランダムで二相の巻線を決定する、請求項１〜４の何れか１項に記載のモータ。