JP3960135B2 - 車両駆動装置用ブラシモータ及びその制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、前後輪の一方をエンジンで駆動し、他方をブラシモータで駆動する車両駆動装置に係り、特に、機能を有する車両駆動装置用ブラシモータ及びその制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車には、４輪駆動車の駆動装置や始動時にエンジンを駆動するスタータのような、各種の減速機付電動機が組み込まれている。例えば、車両の前輪をエンジンにより駆動し、後輪を専用の発電機あるいはバッテリーからのエネルギーで直接駆動される直流電動機で駆動する４輪駆動車は、発進時に後輪の駆動力を増大させて発進力をアシストする機能があり、特に、雪路や凍結路面などの低μ路からの発進アシスト，段差，轍のある路面からの発進アシスト、あるいは低μ路連続登坂運転などに適している。前後輪の一方をエンジンで駆動し、他方をモータで駆動する車両駆動装置に用いられるモータ駆動装置は、例えば特開２０００−３１８４７３号公報に記載されている。
【０００３】
一方で前後輪の片方をエンジンで駆動し、他方をモータで駆動する車両駆動装置におけるモータの使われ方として、高出力を短時間で使う場合が多いため、モータの温度上昇も過渡的な応答になる。そのためモータを過温度から保護するためには、モータ保護用の温度センサを発熱源近傍に設置する必要があった。
【０００４】
路面の状況など何らかの理由により電動機に過負荷がかかると、電動機のコイル等が設定された温度以上に発熱してしまうことになる。電動機の保護装置は、例えば次の▲１▼，▲２▼または▲３▼の様な電動機保護装置が採用されている。
▲１▼ フィールドコイル内に感熱素子を設け所定の温度になると、電動機の電源を切るようにした電動機の保護装置、
▲２▼ 電源に接続したブラシを回転軸に取付けたコンミテータに接触させ、前記ブラシに接近してバイメタルスイッチを設け、ブラシの温度が所定値以上になったことを前記バイメタルスイッチにて検出して、前記電源を遮断するようにした電動機において、ブラシホルダの基板複数のブラシ保持枠をカシメ固着し、各ブラシ保持枠でブラシを保持し、複数あるブラシ保持枠のうち、一つのブラシ保持枠の外側にバイメタルスイッチ、あるいは感熱素子を固着した電動機保護装置（例えば、実開昭６０−１１６５４号公報，特開平２−２６２５３号公報参照）、
▲３▼ モータ保護用の温度センサ（サーミスタ）取付け構造として、ブラシホルタ部の貫通穴にサーミスタを挿入して固定する方法などがある（例えば特開平１１−２９９１７７号公報）。また、ブラシの温度の測定箇所としてブラシの熱を熱伝導率の高い銅製のブラシリード線で測定する方法がある（例えば特開平１０−８６８３１号公報）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記▲１▼のような感熱素子をフィールドコイルの内部に埋め込むものでは、感熱素子の組付けが面倒であるため、電動機組立て時の作業性が悪く、しかも感熱素子の寸法も制限される。このため、感熱素子をフィールドコイルの表面に取付けることが考えられるが、フイールドコイルが巻線のため、製品によってフィールドコイルの寸法にばらつきがあり、全てのライン製品に対し、所定位置にバラツキなく取付けるのが困難である。また、フィールドコイルを支持するヨークに感熱素子を取付けると、ヨークは外気に接触しており、放熱が良いために、正確な熱情報を得ることができず、保護機能が損なわれるおそれがある。
【０００６】
また車両の駆動装置として用いる際、前記▲２▼の電動機保護装置においては、電動機と入力電源間を遮断し、電動機は駆動力を発生しないが、電動機の回転子が車輪を含む外部力によって回されるとき、ブラシとコンミテータは接触しているため、ブラシとコンミテータ間の摩擦によりブラシの温度は更に上がるか、温度低下の速度が鈍くなり、過保護の機構となってしまう。また外部力によって回される状況が長時間に及んでしまうことから、ブラシ摩耗へと繋がってしまう。またスイッチ的に入力電源が遮断されることで、急激にモータの出力が無くなることで、車両駆動性に急激な変化を与えてしまう。
【０００７】
また車両駆動装置用モータは、発進アシスト用に用いられるので高出力，短時間駆動となる。そのためモータの温度が過渡的に上昇する為、温度センサの取付け位置は発熱源である部分から離れると、実際の発熱温度に対する感応性が鈍くなってしまう。
【０００８】
そのため前記▲３▼ブラシ保持器に貫通穴を設けブラシホルダ部の貫通穴にサーミスタを挿入して固定する方法では、ブラシを発熱源とすると、発熱源であるブラシから離れてしまうことで、ブラシ温度の感応性が鈍くなってしまう。またブラシリード線の端部に温度センサを組付ける方法も同様、ブラシから離れてしまうことで、ブラシ温度の感応性が鈍くなってしまう。
【０００９】
更にはモータの発熱部であるブラシの温度を測定するために、ブラシに温度センサを埋め込み、またはブラシリード線に接着剤等にて固定する方法では、温度センサの取付作業性が悪く、また取付け箇所のバラツキによる測定温度の精度が悪かった。
【００１０】
また前述したように本モータは発進アシスト用に用いられるため、短時間で高出力が要求される。連続作動時ではブラシの温度測定によりモータ保護を行う温度を規定することが可能であるが、短時間で大電流を通電するときには、応答遅れなく瞬時的にモータ温度を検知することは難しく、更には保護することが要とされる部分がブラシ近傍だけでなく、回転子の巻線及びワニスとなる。よって通電電流値と通電時間でのみ、モータ作動時間を規定する方法だと、繰り返し状態においてモータの現状温度を把握することが難しく、更には作動パターンを多数考慮しなくてはならないといった課題が生ずる。
【００１１】
また時間規定でのみ瞬時的にモータへの入力を遮断してしまうと、車両走行中に急激なモータ駆動力変化が加わり、車両駆動性に対する急激な変化へと繋がる。
【００１２】
そこで本発明は上記に鑑みなされたもので、その目的は、過渡的な発熱或いは連続作動時の発熱から保護できる車両駆動装置用ブラシモータ及びその制御方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴は、車両の前後輪のうち、エンジンによって駆動される車輪とは異なる車輪を駆動する車両駆動装置用ブラシモータであって、巻線を有する回転子と、ブラシホルダと、電源ラインを介して外部から供給された電力を回転子の巻線に供給するためのものであって、ブラシホルダの内部に設けられたブラシと、このブラシに取り付けられたブラシリード線と、温度センサとを有し、ブラシリード線を取り付けるための金属の取付け部をブラシホルダに設けて、その取付け部に温度センサを取り付けることにある。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、４輪駆動車両の駆動装置に適用した本発明の一実施の形態について、図面に沿って説明する。
【００１７】
図１は、車両駆動装置の全体構造を示す図である。４輪駆動車両１の前輪３はエンジン２により、後輪４はその近傍に配置されたブラシ付き直流電動機５により、夫々駆動される。エンジンルーム内には通常の充電発電システムを行う第１の発電機７がエンジン２によりベルト駆動され、その出力がバッテリー８に蓄積される。又、この近傍にはエンジン２により同様にしてベルト駆動される第２の発電機９が配設されており、該電動機５とはボディアースによる一線式の電動機駆動用電源ライン１０で電気的に接続される。ここで発電機９は該電動機５を駆動することを目的とするとバッテリーにて置き換えても可能であり、該バッテリーはバッテリー８を使用することも可能である。また該電動機５はボディアースによる一線式ではなく、二線式でも可能である。ブラシ付き直流電動機５は減速機及びクラッチ１１を一体に備えるディファレンシャルギア１２及びドライブシャフト１３を介して後輪４の車軸に連結されている。クラッチ１１が連結されると、ブラシ付き直流電動機５の出力軸がクラッチ１１を介してディファレンシャルギア１２に接続される。クラッチ１１が外れると、ブラシ付き直流電動機５は後輪４側から切り離される。なおブラシ付き直流電動機５は正逆回転の切替えが容易であり、増減磁作用を行える直流分巻電動機、または他励直流電動機とすることで、車両前後進の切替えが容易となり、且つモータの出力可能範囲も広がる。１４はマイクロコンピュータを備えた電動機駆動用コントローラであり、車速信号Ｓなどに基づいて第２の発電機９の出力電圧を最適に制御する信号とブラシ付き直流電動機５へ流入する最適アーマチャ電流を制御するための信号を生成し、第２の発電機９の出力を制御する。またブラシ付き直流電動機５の界磁巻線２９にバッテリー８から電動機駆動用コントローラ１４にて制御された界磁電流を界磁用電源ライン２０にて供給する。４輪駆動車１の前輪３及び後輪４の近傍には車速センサ１５が設けられており、マイクロコンピュータを備えたＡＢＳコントロールユニット１６において各車速センサ１５の出力などに基づいて路面に摩擦係数μが演算され、μの値に応じた制動力が各車輪に対応するブレーキ１７（制動装置）に付与されるように、ＡＢＳアクチュエータ１８が作動する。一方、１９はマイクロコンピュータを備え、エンジン２を制御するエンジンコントロールユニットである。またクラッチ１１は、車速センサ１５からの信号Ｓを取込み、必要に応じマイクロプロセッサ等で演算されオンオフ信号を生成して連結，遮断の状態を制御される。またブラシ付き直流電動機５から温度センサライン２１が出ており、ブラシ付き直流電動機５に取付けられた温度センサからの信号ｔは電動機駆動用コントローラ１４へと送信される。
【００１８】
またモータに入力される電流は、電流センサ６により検知され、電動機駆動用コントローラ１４へと送信される。
【００１９】
図２は図１で示した４輪駆動車の駆動装置に用いられるブラシ付き直流電動機５の断面図である。この電動機５のケーシングは、ヨーク２２と、このヨーク２２の両側に配置されるブラケット２３，２４とで構成されこれら三者２２，２３，２４はスルーボルト２５で締め付けて一体化される。電動機５はそのブラケット２３のボルト取付け穴２６に図示しない締め付けボルトを挿入して所望の位置に固定するようになっている。回転軸２７はアーマチャコア２８が設けられ、ヨーク２２の内側には、界磁巻線２９が巻かれたポールコア３０が、ヨーク２２に穿たれたボルト穴に外側から通したボルト３１で締付固定されている。アーマチャ３２の軸受３３側の回転軸２７にはコンミテータ３４が設けられ、このコンミテータ３４に、ブラシホルダ３９内のブラシ３８がブラシ押しバネ４６にて付勢されて接触している。
【００２０】
図３はサーミスタ３７をネジの切られた金属ケース３５に封入したネジ一体式サーミスタ４５の詳細図である。このネジ一体式サーミスタ４５を温度センサとして車両駆動装置用ブラシモータに適用する。図４はブラシホルダ３９に図３で示したネジ一体式サーミスタ４を取付けた構造図である。ブラシホルダ３９は、１枚金属板のプレス加工により形成されたタンシ台部分をもっている。タンシ台にはネジ穴加工が施されており、またサーミスタ３７が封入された金属ケース３５の外側にもネジ加工が施されているため、サーミスタ３７はこのタンシ台部分に容易にかつ、ばらつきを少なく取付けることが可能である。またこのタンシ台部分には、ブラシリード線４０に結合されたターミナル，ブラシリード線４０，ワタリ線４３，スプリングワッシャー，ネジ一体式サーミスタ４５の順番に取付けてあり、金属ケース３５内に封入されたサーミスタ３７で感度良く熱を検出するためには、タンシ台に施されるネジの高さ，ワッシャー，タンシ等により金属ケース３５のサーミスタ３７が封入されている部分を被うようなもの構造となっている。またブラシリード線４０とワタリ線４３を一体化することで、更に作業性が改善される。ブラシ３８の花火整流によりブラシ先端で発生した熱は、ブラシ３８，ブラシリード線４０を通ってネジ一体式サーミスタ４５で検知される。さらにはブラシホルダプレート４１に取付けられた、ブラシホルダ３９及びタンシ台部分はプレス成形にて一体化された金属板のため、発熱源であるブラシ３８，ブラシホルダ３９及びタンシ台がメタル接触となり、更なる熱伝導性向上が図れる。更にはネジ一体式サーミスタ４５による取付け構造は、ネジ加工の施された金属ケース３５内部に熱伝導を高める為に樹脂３６等により金属ケース３５内部を密封し、接着剤等でサーミスタ３７を固定したものである。更なる高熱伝導性を持たせる為には、金属ケース及びブラシホルダ３９を銅，アルミを用いることが望ましい。
【００２１】
またネジ一体式サーミスタ４５を取付ける位置は、電気的に正となるブラシ３８のケースとなっている。これは正側のブラシホルダ３９の下にはブラシホルダ３９のベース部分と電気的に絶縁するために、絶縁板４２が挟まれている。金属に比べ熱伝導性の低い絶縁板４２を挟むことで、正側のブラシホルダ３９の熱は、金属接触した負側のブラシホルダに比べ熱が逃げ難い構造となる。故に温度センサを正側に配置することで、ブラシ周囲の正確な蓄熱をより検知し易い構造となっている。
【００２２】
またブラシ３８が摩耗して短くなると、ブラシ３８による熱抵抗，容量が少なくなり、初期時より温度上昇が速く検知されるので、ブラシ３８の寿命検出にも適用できる。
【００２３】
また図５はモータ温度保護ロジックにおけるフローチャートである。電動機駆動用コントローラ１４は、４ＷＤ駆動が必要か否か判断し、サーミスタ３７からの温度信号が規定値以下であるかの確認を行う。ここでモータが何回も繰り返し作動または長時間連続作動された直後にはモータの温度が高い状態であることから、４ＷＤモードに入っても即座に温度フェールに入ってしまうため、ある程度モータ温度が下がってから、４ＷＤモードを再開させる為である。４ＷＤ駆動させる為にモータ作動させ、モータ通電電流を電流センサ６にて検出し規定電流以上であれば、通電時間をカウントし規定時間を超えた時、モータへの入力を制限していく。図６は温度保護動作時の特性図を示し、通電電流と通電時間の関係が示されている。この特性図は例えば、電機子巻線及びワニス部分の耐熱温度から決定し、モータに入力される電流値が図５で規定された時間以上になるモータの入力を制限するものである。電流センサにて検出した電流値が規定電流値以下であれば、サーミスタ３７の温度を検出し、サーミスタ温度が１次規定値を超えたらモータ入力を制限する。制限された入力にてサーミスタ温度が更なる上昇を続け、２次規定値以上になったら、モータへの入力をＯＦＦとしシステムを作動させないようにする。ここで１次規定値とはモータの各部位における耐熱温度に対し余裕を持たせた値を設定しておき、２次規定値はモータの各部位の耐熱温度を設定しておく。図７は、ブラシ温度，コンミテータ温度及びブラシリード線温度の経時的特性を示す。例えば、モータ連続作動時において、モータ内で温度上昇が激しい部分はブラシ整流火花によるブラシ３８、及びブラシ３８と接するコンミテータ３４であることがわかる。更にはコンミテータ３４が樹脂成形された部品とすると、耐熱性が低いのはコンミテータ内の樹脂であると仮定する。ここでコンミテータ内の樹脂の耐熱温度が１８０℃とすると、上記に上げた１次規定値は１５０℃とし、２次規定値は１７０℃と耐熱温度より低い値にて規定値を設定してモータの耐熱保護を行う。ここで上記規定値はコンミテータ温度を直接測定していない為、ロジックの精度を向上させる為に、実験段階にて、コンミテータ３４とサーミスタ設置部の相関性を取っておくことが望ましい。
【００２４】
またここでモータの作動状態が、通電電流と時間の関係及びサーミスタ３７における１次規定値の保護ロジックに入った際に、直ちにモータ入力を遮断せず、緩やかに落としていく、または段階的に落としていくことで、モータの出力変化を緩やかに変化させることができ、車両駆動性に急激な変化を与えることなく、モータの温度保護が可能となる。
【００２５】
本システムにおいてモータの内部温度は、温度センサによる検知と、通電電流−通電時間組み合わせによる温度推定の２重系での保護システムによって行われている。
【００２６】
以上述べたように本発明の一実施の形態では、エンジンで駆動される車輪とは異なる方向の車輪を駆動する車両駆動装置用ブラシモータに対し、ネジ一体式温度センサを用いることで、モータ内部温度の発熱源であるブラシ近傍に、温度センサを容易に且つばらつき少なく配置できることが可能となる。また温度センサの取付け部をブラシと金属接触したブラシホルダに取付けることで、より正確なブラシ温度の推定が可能となる。更には温度センサ取付け位置をブラシホルダとブラシホルダプレートとの間に絶縁材を挟んでいる正側にすることで、負側に比べブラシ温度の逃げを少なくし、より正確なブラシ温度の推定が可能となる。また温度センサによるモータ温度検知だけでなく、通電電流と通電時間の組み合わせによりモータ入力を制限することで、１つのセンサだけで、２系統のモータ過温度保護システムを持つことができる。また瞬時的な電力供給によるモータ発熱は、通電電流値と通電時間の組み合わせによりモータ入力を制限する過温度保護ロジックにて制限され、連続通電並びに繰り返し通電による発熱は、サーミスタセンサからの出力信号を検出してモータ入力を制限することで、より正確なモータの耐熱温度までモータを使用することができる。またモータの入力を徐々にまたは段階的に少なくしていくことで、車両の駆動性に急激な変化を与えることなくモータの温度保護を可能としている。
【００２７】
【発明の効果】
過渡的な発熱及び連続作動時の発熱から保護できる車両駆動装置用ブラシモータ及びその制御方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】車両駆動装置の全体構造を示す図。
【図２】図１で示した４輪駆動車の駆動装置に用いられるブラシ付き直流電動機の断面図。
【図３】ネジ一体式サーミスタ詳細図。
【図４】ネジ一体式サーミスタ取付け構造図。
【図５】モータ温度保護ロジックにおけるフローチャート。
【図６】温度保護動作時の特性図。
【図７】ブラシ温度，コンミテータ温度及びブラシリード線の経時的特性図。
【符号の説明】
１…車両、２…エンジン、３…前輪、４…後輪、５…ブラシ付き直流電動機、６…電流センサ、７…第１の発電機、８…バッテリー、９…第２の発電機、１０…電動機駆動用電源ライン、１１…クラッチ、１２…ディファレンシャルギア、１３…ドライブシャフト、１４…電動機駆動用コントローラ、１５…車速センサ、１６…ＡＢＳコントロールユニット、１７…ブレーキ、１８…ＡＢＳアクチュエータ、１９…エンジンコントロールユニット、２０…界磁用電源ライン、２１…温度センサライン、２２…ヨーク、２３…フロントブラケット、２４…リアブラケット、２５…スルーボルト、２６…ボルト取付け穴、２７…回転軸、２８…アーマチャコア、２９…界磁巻線、３０…ポールコア、３１…ボルト、３２…アーマチャ、３３…軸受、３４…コミテータ、３５…金属ケース、３６…樹脂、３７…サーミスタ、３８…ブラシ、３９…ブラシホルダ、４０…ブラシリード線、４１…ブラシホルダプレート、４２…絶縁板、４３…ワタリ線、４４…サーミスタリード線、４５…ネジ一体式サーミスタ、４６…ブラシ押しバネ。

Claims (7)

1. 車両の前後輪のうち、エンジンによって駆動される車輪とは異なる車輪を駆動する車両駆動装置用ブラシモータであって、
   巻線を有する回転子と、
   ブラシホルダと、
   電源ラインを介して外部から供給された電力を前記回転子の巻線に供給するためのものであって、前記ブラシホルダの内部に設けられたブラシと、
   該ブラシに取り付けられたブラシリード線と、
   温度センサとを有し、
   前記ブラシホルダには、前記ブラシリード線を取り付けるための金属の取付け部が設けられており、
   前記温度センサは前記取付け部に取り付けられている
   ことを特徴とする車両駆動装置用ブラシモータ。
2. 請求項１に記載の車両駆動装置用ブラシモータにおいて、
   前記温度センサにはネジが設けられており、
   前記電源ラインは前記ネジにより前記取付け部に取り付けられている
   ことを特徴とする車両駆動装置用ブラシモータ。
3. 請求項２に記載の車両駆動装置用ブラシモータにおいて、
   前記温度センサはケースに封入されており、
   前記ネジは前記ケースに設けられている
   ことを特徴とする車両駆動装置用ブラシモータ。
4. 請求項３に記載の車両駆動装置用ブラシモータにおいて、
   前記ケースは金属ケースである
   ことを特徴とする車両駆動装置用ブラシモータ。
5. 請求項１に記載の車両駆動装置用ブラシモータにおいて、
   前記温度センサは、モータの連続作動時に最高温度となる前記ブラシの温度を検知するためのものである
   ことを特徴とする車両駆動装置用ブラシモータ。
6. 請求項１に記載の車両駆動装置用ブラシモータにおいて、
   前記ブラシは、電気的に正となるものであり、
   前記ブラシホルダ及び前記取付け部は、前記正となるブラシに対応して設けられたものであり、電気的に絶縁されて設けられている
   ことを特徴とする車両駆動装置用ブラシモータ。
7. 車両の前後輪のうち、エンジンによって駆動される車輪とは異なる車輪を駆動するブラシモータと、
   前記エンジンにより駆動されて前記ブラシモータに駆動電力を供給する発電機と、
   前記ブラシモータ及び前記発電機を制御するコントローラとを有し、
   前記ブラシモータは、
   巻線を有する回転子と、
   ブラシホルダと、
   電源ラインを介して外部から供給された電力を前記回転子の巻線に供給するためのものであって、前記ブラシホルダの内部に設けられたブラシと、
   該ブラシに取り付けられたブラシリード線と、
   温度センサとを備えており、
   前記ブラシホルダには、前記ブラシリード線を取り付けるための金属の取付け部が設けられており、
   前記温度センサは前記取付け部に取り付けられており、
   前記コントローラは、前記ブラシモータの内部温度に基づいて、前記ブラシモータに入力される電力を制限するための過温度保護ロジックを備え、前記ブラシモータの内部温度として前記温度センサの出力信号を入力する
   ことを特徴とする車両駆動装置。

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