(57)【要約】【課題】ブラシレスＤＣモータを使用し、しかも、電圧が大きく脈動する電源を用いても確実に起動することのできるモータ装置を提供する。【解決手段】オルタネータ３の出力電圧は、ダイオード７１およびコンデンサ７２により平滑され、センサレス方式のブラシレスＤＣモータ４を駆動する三相インバータ７５に供給される。一方、三相インバータ７５へのスイッチング制御信号を出力する制御回路７４に対しては、レギュレータ７３により安定化された直流電圧が印加される。そのため、キックスタート時にオルタネータ３から出力される脈流電圧であっても、モータ４を確実に起動することができる。【選択図】　　　　図２
2004072835.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブラシレスＤＣモータと、
前記モータに電力を供給する駆動部と、
前記駆動部を制御する制御部と、
脈流電圧を出力可能な外部電源からの電源電圧を所定の直流電圧に変換して前記制御部に給電する電圧変換部と
を備え、前記外部電源から出力される脈流電圧を用いて前記モータを起動することを特徴とするモータ装置。
【請求項２】
前記外部電源からの電源電圧を平滑して前記駆動部に給電する平滑部をさらに備える請求項１に記載のモータ装置。
【請求項３】
前記電圧変換部は、前記平滑部からの出力電圧を入力として前記所定の直流電圧を出力する請求項２に記載のモータ装置。
【請求項４】
前記モータは、センサレス方式のブラシレスＤＣモータである請求項２または３に記載のモータ装置。
【請求項５】
前記モータは、オルタネータを備える原動機に燃料を供給する燃料ポンプを駆動するものであり、
前記オルタネータが前記外部電源である請求項１ないし４のいずれかに記載のモータ装置。
【請求項６】
前記原動機は、人力により前記原動機を始動する手動スタータをさらに備え、前記モータはこの原動機に燃料を供給する前記燃料ポンプを駆動するものである請求項５に記載のモータ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ブラシレスＤＣモータを備えたモータ装置に関するものであり、特に、オートバイ、農業機械や船舶などに搭載された原動機とともに使用されるモータ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
オートバイ、農業機械や小型船舶など、原動機により作動する機械類においては、補助的に電気モータが使用されているものがある。例えば、ＤＣモータにより駆動される燃料ポンプでは、原動機が始動されると、原動機に機械的に結合されたオルタネータ、もしくはオルタネータと電気的に接続されたバッテリからの電力により起動されたＤＣモータが燃料ポンプを駆動し、所定量の燃料を継続的に原動機の燃焼室に送り込む。
【０００３】
このような用途においては、その駆動の容易さから、ブラシ付きＤＣモータが広く用いられている。すなわち、ブラシ付きのＤＣモータでは、所定極性の直流電源に接続するだけで起動することができ、その極性により回転方向を自由に設定することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ブラシ付きのＤＣモータでは、ブラシが整流子に摺接しているためその摩耗が激しく、定期的に保守・交換作業が必要となる。そのため、長寿命化および信頼性向上の観点から、ブラシ付きのＤＣモータに代えてブラシレスＤＣモータの使用が検討されている。ブラシレスＤＣモータでは、ブラシの摩耗に伴う寿命の問題がなく長寿命で信頼性が高く、またブラシによる損失がないため高効率が得られる反面、その駆動には専用の電子回路とその回路を作動させるための直流電源とを必要とする。
【０００５】
しかしながら、上記した機械類では、リコイルスタータまたはキックスタータなどの手動スタータを用いて人力等の外力により原動機を始動させることを前提としたものが多く、モータを起動するのに十分な容量のバッテリが備えられていなかったり、場合によっては全くバッテリを搭載しないものもある。また、バッテリの劣化によってモータを起動するのに必要な電力を取り出せず、原動機を始動させることができなくなる場合もある。
【０００６】
したがって、このような機械類に用いられるモータ装置では、特にその起動時にはオルタネータ等から出力される脈動の大きい電源電圧であっても確実にモータを駆動することができなければならない。そのため、このようなモータ装置におけるブラシレスＤＣモータの利用は進んでおらず、上記した長寿命化、高効率化というユーザの要求から、このような用途に対してブラシレスＤＣモータを適用できる技術を確立することが従来より望まれている。
【０００７】
この発明は上記課題に鑑みなされたものであり、ブラシレスＤＣモータを使用し、しかも、電圧が大きく脈動する電源を用いても確実に起動することのできるモータ装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかるモータ装置は、上記目的を達成するため、ブラシレスＤＣモータと、前記モータに電力を供給する駆動部と、前記駆動部を制御する制御部と、脈流電圧を出力可能な外部電源からの電源電圧を所定の直流電圧に変換して前記制御部に給電する電圧変換部とを備え、前記外部電源から出力される脈流電圧を用いて前記モータを起動することを特徴としている。
【０００９】
このような構成によれば、外部電源から供給される電源電圧が変動の大きな脈流電圧であったとしても、電圧変換部によりこの脈流電圧から電圧変換された所定の直流電圧が制御部に供給される。そのため、電源電圧が大きく変動しても制御部を安定に動作させることができ、ブラシレスＤＣモータを確実に起動することができる。
【００１０】
また、この発明は、前記外部電源からの電源電圧を平滑して前記駆動部に給電する平滑部をさらに備えることを特徴としている。このような構成によれば、駆動部に供給される電圧が平滑されてその変動が小さくなり、モータに対して安定的に電力を供給することができるので、より確実にモータを駆動することができる。
【００１１】
また、前記電圧変換部は、前記平滑部からの出力電圧を入力として前記所定の直流電圧を出力するようにするのが好ましい。こうすることで、電圧変換部の入力電圧の変動が小さくなり、電圧変換部の動作がより安定となる。さらに、入力電圧が大きく変動する場合と比較して、電圧変換部、なかでもその入力部を構成する電気部品に対する性能上の要求が緩く、より低コストの部品を用いて電圧変換部を構成することが可能となり、装置全体のコスト低減を図ることができる。
【００１２】
このような装置では、装置の小型化を図るため、前記モータとしてセンサレス方式のブラシレスＤＣモータを使用することができる。この場合には、ロータの位置を正しく検出して適正な制御を行うためにステータ巻線に誘起される逆起電力または巻線電流を精度よく検出する必要があり、このような場合には駆動部に供給される電圧も平滑されていることが望ましい。
【００１３】
また、この発明は、前記モータがオルタネータを備える原動機に燃料を供給する燃料ポンプを駆動するものであり、前記オルタネータが前記外部電源であることを特徴としている。このようなモータ装置では、特に原動機の始動時にオルタネータから供給される電源電圧は大きく脈動するため、ブラシレスＤＣモータを起動することが難しく、従来は主にブラシ付きのＤＣモータが使われていた。しかし、信頼性の向上という観点から、これに代えてブラシレスＤＣモータを使用することが望まれる。
【００１４】
この発明では、制御部に所定の直流電圧を供給する電圧変換部を備えたことで制御部を安定に動作させることが可能となり、ブラシレスＤＣモータを確実に起動することができる。そのため、このような用途にブラシレスＤＣモータを適用することが可能となり、こうすることで、長寿命、高信頼性というユーザの要求に応じたモータ装置を構成することができる。
【００１５】
さらに、駆動部へ供給される電圧を平滑する平滑部を設けた場合には、センサレス方式のブラシレスＤＣモータを使用することができ、装置の小型化を図ることが可能となる。
【００１６】
このような原動機を備える機械装置には、バッテリに蓄えた電力によりセルモータを回転させて原動機を始動させるものと、手動スタータを備え人力により始動させるものとがある。特に後者の場合には、オルタネータの発電電力によってモータを起動することができなければならない。そこで、このような用途に用いるモータ装置を上記のような構成とすれば、モータを確実に起動することができるとともに、装置の長寿命化、信頼性の向上を図ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
この発明にかかるモータ装置をオートバイの燃料ポンプに適用した場合の第１実施形態について、図１ないし図３を参照して以下に説明する。ただし、図１は、この実施形態におけるエンジン始動機構を示すブロック図であり、図２は、この第１実施形態におけるモータ装置の結線を示すブロック図である。また、図３は、オルタネータの出力電圧波形の例を示す図である。
【００１８】
図１に示すように、この実施形態では、燃料タンク６に貯留された例えばガソリン、軽油などの液体燃料Ｆをエンジン１に供給する給油パイプ６１の中間に、モータ４にて駆動される燃料ポンプ５が設けられている。このモータ４は、センサレス方式のブラシレスＤＣモータであり、オルタネータ３からの出力電圧により動作するモータ駆動回路７により駆動される。
【００１９】
また、この実施形態では、オルタネータ３に連結されたキックスタータ２が設けられている。そして、エンジン１が停止した状態でユーザがこのキックスタータ２に備えられたキックペダル（図示省略）を踏み込むと、オルタネータ３のロータが回転し、その発電電圧がモータ駆動回路７に供給されモータ４が起動される。こうしてモータ４が回転することにより燃料ポンプ５が作動して、燃料Ｆがエンジン１の燃焼室に送り込まれる。一方、オルタネータ３の出力電圧は図示を省略する点火回路にも供給されており、所定のタイミングで燃焼室内に火花放電を発生させることで、燃料室内で空気と混合された燃料が爆発を起こし、こうしてエンジン１が始動する。
【００２０】
この実施形態においては、モータ４およびその駆動回路７に本発明にかかるモータ装置を適用している。図２に示すように、このモータ装置は、センサレス方式のブラシレスＤＣモータ４と、ダイオード７１およびコンデンサ７２からなる平滑部としての平滑回路と、モータ４の各巻線４１ｕ、４１ｖおよび４１ｗに供給される電流をスイッチングしてモータ４に供給する駆動部としての三相インバータ７５と、モータ４を所定の回転速度で回転させるべくインバータ７５に所定のスイッチング制御信号を出力する制御部としての制御回路７４と、逆流防止用のダイオード７７を介して平滑回路に接続され、平滑回路により平滑された直流電圧（代表的には例えば１２Ｖ）を制御回路７４の動作電圧（例えば５Ｖ）に変換して制御回路７４に供給する電圧変換部としてのレギュレータ７３とを備えている。
【００２１】
このうち、三相インバータ７５としては、例えばバイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴあるいはＩＧＢＴなどのスイッチング素子またはこれらの組み合わせからなる三相ブリッジ回路を、制御回路７４としては例えばＰＷＭ制御による市販のモータ制御用ＩＣを、またレギュレータ７３としては例えば市販のいわゆる三端子レギュレータＩＣの他、定電圧ダイオードを用いたドロップ型レギュレータ、スイッチングレギュレータ等を使用することができるが、これらの構成は上記に限定されるものではなく、他の回路形式によってもよい。
【００２２】
また、ダイオード７１および７７は、順方向電圧降下の小さいショットキーダイオードであることが好ましい。
【００２３】
また、このモータ装置では、モータ４の回転に伴って各巻線４１ｕ、４１ｖおよび４１ｗに誘起する逆起電力をセンシングすることでロータ（図示省略）の位置検出を行っており、これらの巻線にはセンシング用の抵抗７６ｕ、７６ｖおよび７６ｗがそれぞれ接続されている。そして、これらの抵抗７６ｕ、７６ｖおよび７６ｗの他端部は互いに接続されており、そのため各巻線に誘起する逆起電力は互いに加算されて制御回路７４に入力される。制御回路７４は、こうして入力される各巻線の逆起電力波形に基づいてロータの位置を判定し、その結果に応じて三相インバータ７５を構成する各スイッチング素子を所定のタイミングでスイッチング動作させるためのスイッチング制御信号を三相インバータ７５に対して出力する。
【００２４】
このように構成されたモータ駆動回路７の電源入力端子７８には、オルタネータ３の出力端子、および、オートバイ本体に対して着脱自在のバッテリ８が接続されている。このバッテリ８は、エンジン１の動作中にオルタネータ３の発電電力を蓄電しておく一方、エンジン１の再始動時にはその蓄えた電力を放電してモータ４を起動する。したがって、バッテリ８が正しく接続されており、その動作が正常であれば、その蓄えた電力を用いてモータ４を起動しエンジン１をスムーズに始動させることができる。
【００２５】
しかしながら、点検等の目的でバッテリ８が取り外されることがあり、また自己放電や劣化等に起因してモータ４を起動するに足るだけの電力がバッテリ８に蓄えられていない場合がある。このような場合にエンジン１を始動することができなくなってしまうことは好ましくなく、キックペダルの操作によるオルタネータ３の発電電力のみでも確実にエンジン１を始動させることが求められる。
【００２６】
オルタネータ３は、エンジン１の動作中はエンジン１によって回転駆動される交流発電機であり、その発電電圧は内蔵ダイオードにより整流されて出力される。エンジン１により高速回転しているとき、オルタネータ３の出力電圧は変動の少ない直流電圧に近くなるが、キックペダルの踏み込み操作によりオルタネータ３を回転させたときにはその回転は上記より低速であり、したがってその出力電圧波形は、例えば図３の波形（ａ）に示すように、ある期間のみパルス状の正電圧が出力されるものの、それ以外の期間では電圧がほぼゼロとなる間欠的な脈流電圧波形となり、その電圧は時間とともに大きく変動することとなる。
【００２７】
センサレス方式のブラシレスＤＣモータでは、巻線に誘起する逆起電力のセンシングによってロータの位置検出を行っているから、電源電圧がこのように大きく変動したのではその回転を正しく制御することができない。その結果、エンジンに燃料が供給されず、エンジンを始動させることができなくなってしまう。そのため、このような用途には、変動の大きい電源電圧でも確実に起動することのできるブラシ付きのＤＣモータが従来より使用されてきた。
【００２８】
この実施形態のモータ装置では、オルタネータ３からの出力電圧を、ダイオード７１およびコンデンサ７２からなる平滑回路により平滑している。そのため、図３の波形（ｂ）に示すように、その出力電圧の変動はこれらを設けない場合（波形（ａ））と比較して格段に小さくなっている。また、制御回路７４に対しても、レギュレータ７３により安定化された直流電圧が供給されているので、制御回路７４の動作も安定する。そのため、このように大きく変動する電源電圧であってもブラシレスＤＣモータ４を確実に起動し、エンジン１を始動させることができる。
【００２９】
こうしてエンジン１がいったん始動すると、エンジン１の駆動力によりオルタネータ３を動作させることができるようになり、このオルタネータ３の出力電圧によってモータ４を回転させることで、燃料ポンプ５がエンジン１に対して継続的に燃料Ｆを供給することができるようになる。
【００３０】
このように、この実施形態のモータ装置では、バッテリ８に蓄えられた電力に頼らずとも、オルタネータ３からの脈流電圧によって確実にモータ４を起動させることができる。したがって、この実施形態のオートバイでは、バッテリ８が取り外されたり劣化した状態であっても、キックスタータ２に設けられたキックペダルの操作によってエンジン１を確実に始動させることができる。
【００３１】
また、このモータ装置を構成するモータ４はブラシレスＤＣモータであるから、ブラシの劣化に伴う保守・交換作業が不要であり、長寿命・高信頼性、さらに高効率というユーザの要求に応えることが可能となっている。
【００３２】
さらに、このモータ４は、センサレス方式のブラシレスＤＣモータであり、このように、燃料ポンプ用のモータにセンサレス方式のブラシレスＤＣモータを使用することで、装置の高信頼化および小型化を図ることができる。
【００３３】
（第２実施形態）
次に、この発明にかかるモータ装置を図１のオートバイの燃料ポンプに適用した第２実施形態について、図４を参照して以下に説明する。ただし、図４は、この第２実施形態におけるモータ装置の結線を示すブロック図である。
【００３４】
上記した第１実施形態においてはモータ４にセンサレス方式のブラシレスＤＣモータを使用していたのに対して、この実施形態では、モータ４０はセンサ付きのブラシレスＤＣモータであり、これに伴って、図４に示すように、その駆動回路７０の回路構成が図２の駆動回路７の構成とは異なっている。
【００３５】
すなわち、この実施形態では、オルタネータ３の出力電圧が、モータ４０への駆動電流をスイッチングする三相インバータ７０５に直接入力される一方、制御回路７０４に対しては、ダイオード７０１およびコンデンサ７０２によって平滑され、さらにレギュレータ７０３によって電圧変換された直流電圧が制御回路７０４に給電されるようになっている。さらに、モータ４０には、ロータ位置検出センサ４０２が設けられており、その出力信号が制御回路７０４に入力されるように結線されている。
【００３６】
なお、レギュレータ７０３および三相インバータ７０５は、それぞれ第１実施形態において説明した同一名称のものと、同一もしくはほぼ同一の構成を有する。また、制御回路７０４は、各巻線に生じる逆起電力ではなく、以下に述べるように、ロータ位置検出センサ４０２から出力される信号に基づいて動作する点で第１実施形態の制御回路７４とは相違している。
【００３７】
このロータ位置検出センサ４０２は、ホール素子を用いて磁気的にロータ位置を検出するものや、フォトインタラプタを用いて光学的にロータ位置を検出するものなど、ブラシレスＤＣモータのロータ位置検出用として公知の種々の技術を用いることができる。そして、このロータ位置検出センサ４０２からの信号に基づいて、制御回路７０４がロータの位置を判定し、上記した第１実施形態の装置と同様に、その結果に応じて三相インバータ７０５を構成する各スイッチング素子を所定のタイミングでスイッチング動作させるためのスイッチング制御信号を三相インバータ７０５に対して出力する。
【００３８】
このように、第２実施形態のモータ装置では、ロータ位置検出センサ４０２の出力信号に基づいてロータ位置を判定しているので、各巻線４０１ｕ、４０１ｖおよび４０１ｗに誘起する逆起電力をセンシングする必要がない。そのため、各巻線へ電流を供給する三相インバータ７０５の電源電圧は必ずしも平滑されている必要はなく、図３の波形（ａ）のような脈流電圧であってもよい。
【００３９】
そこで、この実施形態では、オルタネータ３からの出力電圧を三相インバータ７０５に直接給電している。一方、制御回路７０４に対しては、その動作の安定のため安定化された直流電圧を供給する必要がある。そこで、ダイオード７０１、コンデンサ７０２およびレギュレータ７０３を設けてオルタネータ３からの出力電圧を安定化し、制御回路７０４に供給するようにしている。
【００４０】
ここで、制御回路７０４の消費電流は、三相インバータ７０５からモータ４０の各巻線４０１ｕ、４０１ｖおよび４０１ｗに流れる電流よりはるかに小さい。したがって、この実施形態におけるダイオード７０１およびコンデンサ７０２は、巻線への大きな電流が流れる第１実施形態におけるダイオード７１およびコンデンサ７２より小容量のものでよい。すなわち、このような構成とすることで、第１実施形態の駆動回路７と比較して、駆動回路７０の装置コストを低減することが可能である。
【００４１】
また、このような構成により、上記した第１実施形態の装置と同様に、オルタネータ３からの出力電圧によりモータ４０を確実に起動することができることはもちろんである。
【００４２】
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。
【００４３】
例えば、上記では、本発明をオートバイの燃料ポンプに適用し、バッテリを取り外された状態でもエンジンを始動することができるようにしているが、本発明を適用対象はこれに限定されるものではない。例えば、もとよりバッテリを搭載しない機械装置に対しても本発明を適用してもよく、トラクタや耕運機などの農作業用の機械、草刈機、チェーンソー、さらにはモーターボートなどのエンジン付きの機械装置に対して本発明を適用することができる。これらの装置の多くは、リコイルスタータを備え、手動により始動されるように構成されている。
【００４４】
特に、小型・軽量化が要求される機械装置に対しては、バッテリがなくても起動が可能であり、モータを小型化でき、高信頼性・長寿命を実現できるといった特長を有する本発明を好適に適用することができる。
【００４５】
また、上記した第１実施形態のモータ装置では、モータ巻線への電流がダイオード７１およびコンデンサ７２を通して流れるため、これらは十分な電流容量を有することが必要である。ただし、エンジン１の始動後はオルタネータ３から十分な電流が供給されるから、特にコンデンサ７２が大きな電流供給能力を要求されるのはモータ４の起動時のみである。そこで、例えば、コンデンサ７２と三相インバータ７５との間、または三相インバータ７５とモータ巻線との間に電流リミッタを設け、モータ起動時にはその起動に必要な最少限の電流だけが流れるように電流制限する一方、エンジン始動後はその電流制限を解除するようにすれば、コンデンサ７２の容量を小さくすることができ、装置のコスト低減を図ることができる。
【００４６】
また、上記した第２実施形態では、センサ付きのブラシレスＤＣモータ４０を駆動する三相インバータ７０５に対して、オルタネータ３からの出力電圧を直接供給しているが、第１実施形態と同様に、三相インバータ７０５に対して平滑された直流電圧を供給するようにしてもよい。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、請求項１に記載の発明によれば、外部電源から供給される電源電圧が変動の大きな脈流電圧であったとしても、電圧変換部によりこの脈流電圧から電圧変換された所定の直流電圧が制御部に供給される。そのため、電源電圧が大きく変動しても制御部を安定に動作させることができ、ブラシレスＤＣモータを確実に起動することができる。
【００４８】
また、請求項２に記載の発明によれば、駆動部に供給される電圧が平滑されてその変動が小さくなり、モータに対して安定的に電力を供給することができるので、より確実にモータを駆動することができる。
【００４９】
また、請求項３に記載の発明によれば、電圧変換部の入力電圧の変動が小さくなり、電圧変換部の動作がより安定となる。さらに、入力電圧が大きく変動する場合と比較して、電圧変換部、なかでもその入力部を構成する電気部品に対する性能上の要求が緩く、より低コストの部品を用いて電圧変換部を構成することが可能となり、装置全体のコスト低減を図ることができる。
【００５０】
また、請求項４に記載の発明によれば、センサレス方式のブラシレスＤＣモータを使用することにより、装置の小型化を図ることができる。
【００５１】
また、請求項５に記載の発明によれば、オルタネータの出力電圧によってブラシレスＤＣモータを確実に起動することができ、長寿命、高信頼性というユーザの要求に応じたモータ装置を構成することができる。さらに、駆動部へ供給される電圧を平滑する平滑部を設けた場合には、センサレス方式のブラシレスＤＣモータを使用することができ、装置の小型化を図ることが可能となる。
【００５２】
さらに、請求項６に記載の発明によれば、手動スタータを備え人力により始動させる原動機の燃料ポンプにブラシレスＤＣモータを適用することにより、装置の長寿命化、信頼性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この実施形態におけるエンジン始動機構を示すブロック図である。
【図２】第１実施形態におけるモータ装置の結線を示すブロック図である。
【図３】オルタネータの出力電圧波形の例を示す図である。
【図４】第２実施形態におけるモータ装置の結線を示すブロック図である。
【符号の説明】
１　エンジン（原動機）
２　キックスタータ（手動スタータ）
３　オルタネータ
４、４０　モータ（ブラシレスＤＣモータ）
５　燃料ポンプ
８　バッテリ
７１　ダイオード（平滑部）
７２　コンデンサ（平滑部）
７３　レギュレータ（電圧変換部）
７４、７０４　制御回路（制御部）
７５、７０５　三相インバータ（駆動部）
【図１】
2004072835.tif 000003
【図２】
2004072835.tif 000004
【図３】
2004072835.tif 000005
【図４】
2004072835.tif 000006