(57)【要約】【課題】本発明は、ブラシ摩耗状況をより正確に把握することが可能なブラシ付き直流モータを提供することを目的とする。【解決手段】固定子と、前記固定子に対して回転可能に保持された電機子コアと、前記電機子コアと一体回転するように保持された整流子と、前記整流子にバネ機構により摺接配置された正極ブラシ及び負極ブラシをそれぞれ２個備えたブラシ付き直流モータにおいて、第１の正極ブラシと第１の負極ブラシを対と成し、第２の正極ブラシと第２の負極ブラシを対と成し、第１の正極ブラシと第１の負極ブラシ間に形成した第１の電流経路の平均電流値と、第２の正極ブラシと第２の負極ブラシ間に形成した第２の電流経路の平均電流値の差分が所定の差分閾値の範囲内かを判断し、ブラシの摩耗を判定するブラシ摩耗判定手段を備えたことを特徴とする。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子と、前記固定子に対して回転可能に保持された電機子コアと、前記電機子コアと一体回転するように保持された整流子と、前記整流子にバネ機構により摺接配置された正極ブラシ及び負極ブラシをそれぞれ２個備えたブラシ付き直流モータにおいて、
第１の正極ブラシと第１の負極ブラシを対と成し、第２の正極ブラシと第２の負極ブラシを対と成し、
第１の正極ブラシと第１の負極ブラシ間に形成した第１の電流経路の平均電流値と、第２の正極ブラシと第２の負極ブラシ間に形成した第２の電流経路の平均電流値の差分が所定の差分閾値の範囲内かを判断し、ブラシの摩耗を判定するブラシ摩耗判定手段を備えたことを特徴とするブラシ付き直流モータ。
【請求項２】
請求項１に記載のブラシ付き直流モータにおいて、
前記ブラシ摩耗判定手段が、
平均電流値の差分が所定の差分閾値の範囲を超えた継続時間が、所定の時間閾値を超過したか否かを判定する手段を備えたことを特徴とするブラシ付き直流モータ。
【請求項３】
請求項１または２に記載のブラシ付き直流モータにおいて、
前記第１の電流経路と第２の電流経路の平均電流値の差分を平衡回路素子で計測することを特徴とするブラシ付き直流モータ。
【請求項４】
請求項２に記載のブラシ付き直流モータにおいて、
所定の時間閾値を超過した場合に警告を表示することを特徴とするブラシ付き直流モータ。
【請求項５】
請求項２に記載のブラシ付き直流モータにおいて、
所定の時間閾値を超過した場合に、第１の電流経路の平均電流値と第２の電流経路の平均電流値の差分が、所定の差分閾値の範囲の上限値を超えたか、下限値を下回るかによって、ブラシ寿命に達したブラシを含む電流経路を特定し、当該電流経路を外部電源から遮断する遮断器を設けたことを特徴とするブラシ付き直流モータ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のブラシ付き直流モータにおいて、
前記固定子が２×Ｐ（但し、Ｐは３以上の奇数）個の磁極を有し、
前記電機子コアが周方向にＰ×Ｎ±２（但し、Ｎは４以上の整数）個のティースを有し、
前記整流子が前記ティースと同数の整流子片を有していることを特徴とするブラシ付き直流モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブラシ付き直流モータに関するものであり、特に自動車補機の駆動用モータに用いられるブラシ付き直流モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
ブラシ付き直流モータは、比較的容易に高出力が得られることから、例えば、自動車補機の駆動モータとして多く用いられている。近年、自動車の燃料消費率の改善のため、油圧ポンプに代表される自動車補機が電動化されてきており、車両一台当りのブラシ付き直流モータの搭載数が増加傾向にある。また、断続もしくは連続的に作動するシステムへの応用展開が進み、モータの信頼性に対する要求は益々厳しくなっている。特に、ブラシ摩耗により制限される事項は、モータ出力性能や信頼性に直結するため、ブラシ寿命を正確に把握することは重要課題である。
【０００３】
例えば、ブラシ寿命を正確に把握する先行技術として特許文献１および特許文献２がある。特許文献１は、電源またはモータ端子電圧（Ｖｔ）、モータ電流（Ａ）の２つの情報からモータ回転数（Ｎ）は一義的に決まるとして、これをテーブル化して（Ａ）×（Ｎ）の積算値とブラシ摩耗量との関係とブラシ寿命との関係を導いている。回転数（Ｎ）をモニタする回転センサを必要とせず、ブラシ摩耗起因の直流モータの交換の要否を適切に把握できる。特許文献２は、故障モードを確実に検知するために、４つあるブラシのうち１つのブラシだけブラシ長さを短く設定する、またはブラシ摩耗時に効くストッパー構造とする。誘起電圧は、モータのスタート時やパルス幅変調運転の間、またはスイッチオフの際に測定される誘起電圧が基準値に対し７５％まで低下したときに故障（摩耗）したと判断して運転者に知らせることで、完全な故障の前に警告をだし、速やかなモータの交換を促す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−６２０２０
【特許文献２】特許第４９５９３１３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、ブラシ摩耗状況をより正確に把握することが可能なブラシ付き直流モータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、固定子と、前記固定子に対して回転可能に保持された電機子コアと、前記電機子コアと一体回転するように保持された整流子と、前記整流子にバネ機構により摺接配置された正極ブラシ及び負極ブラシをそれぞれ２個備えたブラシ付き直流モータにおいて、第１の正極ブラシと第１の負極ブラシを対と成し、第２の正極ブラシと第２の負極ブラシを対と成し、第１の正極ブラシと第１の負極ブラシ間に形成した第１の電流経路の平均電流値と、第２の正極ブラシと第２の負極ブラシ間に形成した第２の電流経路の平均電流値の差分が所定の差分閾値の範囲内かを判断し、ブラシの摩耗を判定するブラシ摩耗判定手段を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、ブラシ摩耗状況をより正確に把握することが可能なブラシ付き直流モータを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態に係るブラシ付き直流モータを側面からみた断面図である。
【図２】実施形態１に係わるブラシ付き直流モータのブラシ配置構成図である。
【図３】実施形態１に係わるブラシ付き直流モータの説明図である。
【図４】実施形態２に係わるブラシ付き直流モータの説明図である。
【図５】ブラシ長さｈに対するブラシ加圧力Ｆ、ブラシ−整流子間接触抵抗Ｒｂとの関係図である。
【図６】ブラシ−整流子間接触抵抗Ｒｂと、電流経路１の電流、電流経路２の電流の関係図である。
【図７】実施形態３に係わるブラシ付き直流モータの説明図である。
【図８】電流諸量の差分閾値の範囲と、電流諸量の閾値を超過した継続時間の閾値（Δｔ）に関する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明に係わるブラシ付き直流モータの実施形態について説明する。
【００１０】
図１は、本実施形態に係るブラシ付き直流モータを側面からみた断面図である。ブラシ付き直流モータ１の固定子３には、その内周側に配置される界磁磁石４を有する。電機子３０は、界磁磁石４の内径側にあって、界磁磁石４に対してギャップ１５を介して配置される。
【００１１】
シャフト１０は、電機子３０の中央部を貫通し、この電機子３０に固定される。出力軸側軸受６ａは、エンドブラケット２０とシャフト１０の軸方向の一方側に設けられる。反出力軸側軸受６ｂは、固定子３に支承され、シャフト１０の軸方向の一方側を支持する。
【００１２】
整流子７と電機子コア２は、シャフト１０の軸長手方向に併設される。電機子コイル５は、電機子コア２のスロット（図示せず）に巻回される。
【００１３】
電機子コイル５は、整流子７を構成する整流子片１１に接続される。ブラシ付き直流モータ１に電圧を印加すると、電流はブラシ８に流れ、電機子３０へ通電され、もう一方のブラシ８（図示せず）を介して電力が給電される。
【００１４】
コンミテータ７への機械的な摺動接触による電流の授受は、回転中でも安定給電できるように、ブラシ８がブラシ加圧用バネ９によりコンミテータ７に付勢される。これより、電機子コイル５に整流作用に伴う電流が流れ、界磁磁石４が作る磁界と、電機子３０が作る磁界の相互作用によって連続的な回転トルクが発生し、シャフト１０の出力軸端より機械出力を得る。
【００１５】
図２は、本実施形態１に係わるブラシ付き直流モータのブラシ配置構成図である。界磁磁石４は、Ｎ極、Ｓ極交互に計６個、周方向に配置される。電機子３０は、ティース部２が１７本で構成される。６極１７スロット波巻の仕様であり、ブラシ８の個数は４である。図に示す通り、ブラシ８は正極ブラシ２個、負極ブラシ２個、計４個で構成される。波巻は並列回路数が２であるため、ブラシ８の個数は２個（正極ブラシ１個、負極ブラシ１個）配置すれば良いが、ブラシ８の個数４個で構成することによりブラシ８の一個あたりの電流が、２個で構成したときの１／２まで減少するので、ブラシ部の温度上昇値の低減、出力範囲の拡大、高出力化のメリットがある。また、ブラシ８の整流子７の周方向に対する配置位置は、第１の正極ブラシ８ａ＿１の位置を基準に、６０度の位置に第１の負極ブラシ８ｂ＿１、１８０度の位置に第２の正極ブラシ８ａ＿２、２４０度の位置に第２の負極ブラシ８ｂ＿２を配置した。
【００１６】
モータのトルクリップルが小さくなるように、上記の配置角度を適用したが、本発明の主旨は、ブラシ８の配置角度を特定することではない。本発明の主旨は、正極ブラシ２個、負極ブラシ２個、つまり正極ブラシ、負極ブラシを２対で構成することである。
【００１７】
図３は、本実施形態１に係わるブラシ付き直流モータの説明図である。電機子コイル５は電機子３０のティース部１２に３スロットピッチの波巻で構成される。簡略化のため、電機子コイル５はティース部１２に対して１回のみ周回する形で表した。
【００１８】
整流子１１のＮｏ．１に接続した電機子コイル５はティースＴ１、Ｔ２、Ｔ３を跨いで巻回し、整流子１１のＮｏ．７に接続、次にティースＴ７、Ｔ８、Ｔ９を跨いで巻回し、整流子１１のＮｏ．１３に接続、ティースＴ１３、Ｔ１４、Ｔ１５を跨いで巻回し、整流子１１のＮｏ．２に接続する。その後、順次、一筆書きの要領で電機子コイル５を巻回して波巻の電機子３０を作製する。
【００１９】
次に直流電源７５からブラシ装置までの回路構成について説明する。直流電源７５の出力端子から２系統の電流経路を構成する。第１の電流経路（以下、電流経路１と称す）、他方は第２の電流経路（以下、電流経路２と称す）である。電流経路１は、第１の電流検出素子５０と第１の正極ブラシ８ａ＿１が接続される。電流経路２は、第２の電流検出素子５１と第２の正極ブラシ８ａ＿２が接続される。また、平衡回路素子５２には、第１の電流検出素子５０と第２の電流検出素子５１の出力信号がそれぞれ入力される。平衡回路素子５２は、第１の電流経路の平均電流値と第２の電流経路の平均電流を比較する回路であり、例えば電圧比較器を用いる。
【００２０】
図４は、実施形態２に係わるブラシ付き直流モータの説明図である。６極２０スロット波巻で構成した例である。ブラシ８の整流子７の周方向に対する配置位置は、第１の正極ブラシ８ａ＿１の位置を基準に、６０度の位置に第１の負極ブラシ８ｂ＿１、１８０度の位置に第２の正極ブラシ８ａ＿２、２４０度の位置に第２の負極ブラシ８ｂ＿２を配置構成した。整流子１１のＮｏ．１に接続した電機子コイル５はティースＴ１、Ｔ２、Ｔ３を跨いで巻回し、整流子１１のＮｏ．８に接続、次にティースＴ８、Ｔ９、Ｔ１０跨いで巻回し、整流子１１のＮｏ．１５に接続、ティースＴ１５、Ｔ１６、Ｔ１７を跨いで巻回し、整流子１１のＮｏ．２に接続する。その後、順次、一筆書きの要領で電機子コイル５を巻回して波巻の電機子３０を作製する。
【００２１】
直流電源７５からブラシ装置までの回路構成について説明する。直流電源７５の出力端子から２系統の電流経路を構成する。電流経路１、他方は電流経路２である。電流経路１は、第１の電流検出素子５０と第１の正極ブラシ８ａ＿１が接続される。電流経路２は、第２の電流検出素子５１と第２の正極ブラシ８ａ＿２が接続される。また、平衡回路素子５２には、第１の電流検出素子５０と第２の電流検出素子５１の出力信号がそれぞれ入力される。平衡回路素子５２は、第１の電流経路の平均電流値と第２の電流経路の平均電流を比較する回路であり、例えば電圧比較器を用いる。
【００２２】
以上、実施の形態１、実施の形態２に代表されるように、本発明は２×Ｐ（但し、Ｐは３以上の奇数）個の磁極を備えた固定子と、周方向にＰ×Ｎ±２（但し、Ｎは４以上の整数）個のティースを有した電機子コアを有し、正極ブラシ２個、負極ブラシ２個で構成するブラシ付き直流モータに適用できる。
【００２３】
図５は、ブラシ長さｈと、ブラシ加圧力Ｆおよびブラシ−整流子間接触抵抗Ｒｂとの関係図である。ブラシ８はブラシ加圧用バネ９により整流子７に押し付けられ、摺動接触を安定に保ちながら電流授受を行う。ブラシ摩耗が進み、ブラシ長さｈは短くなると、バネ定数に従いブラシ加圧力Ｆが減少する。ブラシ加圧力Ｆの減少に伴い、ブラシ８と整流子７とのミクロ的な接触点が減少するため、ブラシ−整流子間接触抵抗Ｒｂは増加する。ブラシ摩耗現象に伴うブラシ−整流子間接触抵抗Ｒｂの増加を、摩耗したブラシ８の特定するのと同時に、電流経路１と電流経路２の電流値の比較により、ブラシ摩耗度合を検知可能とした。
【００２４】
図６は、ブラシ−整流子間接触抵抗Ｒｂと、電流経路１の電流、電流経路２の電流の関係の説明図である。正極ブラシ８ａ＿１が摩耗した場合の検証結果である。電流経路１には、正極ブラシ８ａ＿１が含まれる。
【００２５】
図６上段は、４個全てのブラシ８のブラシ−整流子間接触抵抗Ｒｂが０．０３Ωの場合における、電流経路１の電流、電流経路２の電流およびトータル電流の時間変化である。ブラシ摩耗に関し、初期段階の検証結果である。図６中段は、正極ブラシ８ａ＿１のブラシ−整流子間接触抵抗Ｒｂが０．０５Ω、他のブラシのブラシ−整流子間接触抵抗Ｒｂが０．０３Ωの場合における電流経路１の電流、電流経路２の電流およびトータル電流の時間変化である。図６下段は、正極ブラシ８ａ＿１のブラシ−整流子間接触抵抗Ｒｂが０．１Ω、他のブラシのブラシ−整流子間接触抵抗Ｒｂが０．０３Ωの場合における電流経路１の電流、電流経路２の電流およびトータル電流の時間変化である。
【００２６】
正極ブラシ８ａ＿１のブラシ−整流子間接触抵抗Ｒｂが、０．０３Ωから０．０５Ω、０．１Ωに増加するのに伴い電流経路１の平均電流値は１１．４Ａ（Ｒｂ＝０．０３Ω）から８Ａ（Ｒｂ＝０．０５Ω）、５Ａ（Ｒｂ＝０．１Ω）に減少した。また、電流経路２の平均電流値は９．５Ａ（Ｒｂ＝０．０３Ω）から１２．０Ａ（Ｒｂ＝０．０５Ω）、１４．３Ａ（Ｒｂ＝０．１Ω）まで増加した。また、トータル電流値は２０．９Ａから２０．０Ａ、１９．３Ａと微減である。
【００２７】
トータル電流に与えるブラシ−整流子間接触抵抗Ｒｂの影響は、電流経路１または電流経路２への影響度と比較すると非常に小さい。このため、トータル電流の平均電流値の時間変化を評価判定するだけではブラシ摩耗状況を正確に把握するのは困難である。
【００２８】
本発明では、ブラシ−整流子間接触抵抗Ｒｂの影響が大きい電流経路１の平均電流値と電流経路２の平均電流を比較し、これらの差分を計測し、評価判定することでブラシ摩耗状況を正確に把握できることを見出した。具体的には、図３、図４に示した実施形態１、２の構成において、平衡回路素子５２で、第１の電流経路の平均電流値と第２の電流経路の平均電流を比較し、その差分が予め定めた所定の差分閾値の範囲内かを判定する。そして、差分が差分閾値の範囲外の場合にはブラシ摩耗が進行し、異常状態であることを検知することができる。この際、図５、図６に示したようにブラシ摩耗が進行したブラシが存在する電流経路では抵抗値が高くなり、電流経路の平均電流値が減少する。そして、他方の電流経路では平均電流値が増加傾向となる。このことから、第１の電流経路の平均電流値と第２の電流経路の平均電流の差分が、正の値の場合と負の値の場合でどちらの電流経路のブラシが摩耗しているかを特定することが可能となる。換言すると、第１の電流経路の平均電流値と第２の電流経路の平均電流値の差分が、所定の差分閾値の範囲の上限値を超えたか、下限値を下回るかによって、ブラシ寿命に達したブラシを含む電流経路を特定することができる。なお、所定の差分閾値の範囲は、例えば耐久摩耗試験の結果を用いて設定すればよい。
【００２９】
図７は、実施形態３に係わるブラシ付き直流モータの説明図である。モータ１の構成は実施の形態２と同じであるので、モータ１の説明は割愛する。
【００３０】
直流電源７５からブラシ装置までの回路構成について説明する。直流電源７５の出力端子から２系統の電流経路を構成する。電流経路１、他方は電流経路２である。電流経路１には、第１の電流検出素子５０が第１の正極ブラシ８ａ＿１の直流電源７５側に接続される。電流経路２には、第２の電流検出素子５１が第２の正極ブラシ８ａ＿２の直流電源７５側に接続される。また、平衡回路素子５２には、第１の電流検出素子５０と第２の電流検出素子５１の出力信号が入力され、電流経路１の平均電流値と電流経路２の平均電流値の差分が計測される。この差分が電流遮断判定素子６０に入力され、ブラシ摩耗が限界に達した電流経路を特定し、電流遮断判定素子６０に内蔵されたタイマー素子により計測される差分閾値を超過した継続時間が所定の時間閾値（Δｔ）を超過した場合に、ブラシ摩耗が限界に達した電流経路のスイッチを開放して、他方の電流経路によるモータ運転に移行できるようにした。これより、ブラシ寿命に到達していない一対のブラシ８を含む電流経路に通電を継続することができる。また、差分閾値を超過した継続時間が時間閾値（Δｔ）を超過した場合に、警告灯８０を点灯させて運転者に異常を伝えることができる。
【００３１】
図８は、電流諸量の差分閾値の範囲と、電流諸量の差分閾値を超過した継続時間の閾値（Δｔ）に関する説明図である。差分閾値がプラスマイナス両方あるのは、平衡回路を用いているためである。電流諸量の差分がプラスに振れた場合は電流経路１の電流減少、電流諸量の差分がマイナスに振れた場合は電流経路２の電流減少を示している。つまり、電流諸量の差分の極性を判定すれば、ブラシ寿命終期のブラシ８を含む電流経路を特定することができる。また、ブラシ摩耗が限界に達したことを判定する条件として、電流諸量の差分閾値と、電流諸量の差分閾値を超過した継続時間の閾値（Δｔ）の２つ設け、これら２つの判定閾値との関係が所定の条件を満たす場合にブラシ摩耗の限界に達したことを判定することで、ブラシ寿命時期を正確に把握することができる。
【００３２】
以上の実施形態で説明したブラシ付き直流モータによれば、モータ毎の特性のばらつき、モータ駆動時の雰囲気温度や湿度などの環境条件、および継時的なブラシ摩耗率の変化に影響されないブラシ摩耗検知方法を提供することができる。さらに信頼性の高いブラシ付き直流モータを提供することでできる。
【００３３】
なお、本発明は上記した各実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施の形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１…ブラシ付き直流モータ、２…電機子コア、３…固定子、４…界磁磁石、５…電機子コイル、６ａ…出力軸側軸受、６ｂ…反出力軸側軸受、７…整流子、８…ブラシ、８ａ_１…第１の正極ブラシ、８ａ_２…第２の正極ブラシ、８ｂ_１…第１の負極ブラシ、８ｂ_２…第２の負極ブラシ、９…ブラシ加圧用バネ、１０…シャフト、１１…整流子片、１２…ティース部、１３…コアバック部、３０…電機子、５０…第１の電流検出素子、５１…第２の電流検出素子、５２…平衡回路素子、６０…電流遮断判定素子、７０…第１のスイッチ素子、７１…第２のスイッチ素子、７５…直流電源、８０…警告灯
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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