JP3661647B2 - 車両用直流モータのブラシ摩耗検知装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車やハイブリッド駆動車両のような電動機(以下、モータと記す)を用いて駆動される車両における直流モータのブラシ摩耗を検知する装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、前後輪の一方を内燃機関の駆動力によって駆動し、他方の駆動輪をクラッチを介してモータの駆動力によって駆動する車両の四輪駆動システム(4WDシステム)が開発されている(例えば特開平7−231508号公報に記載)。このような四輪駆動システムにおいては、内燃機関のみの駆動力で走行する場合(2輪駆動)は、クラッチを切断すると共にモータを停止させ、内燃機関とモータとの両方の駆動力によって走行する場合(4輪駆動)は、モータを駆動すると共にクラッチを接続することによって4輪駆動で走行する。このように2輪駆動と4輪駆動を選択することができる。
【0003】
このような四輪駆動システムにおいて、後述する図3に示すような直流ブラシモータを用いた場合、直流ブラシモータのブラシは常にコミュニテータ外周面に抑圧されており、図示しない電力線より供給される電力をブラシを介して確実にコミュニテータヘ供給できるようになっているため、ブラシがコミュニテータとの摩擦によって摩耗し、このブラシの摩耗に伴ってモータの出力が低下してしまう。したがって、このブラシは定期的に点検し、摩耗状態に応じて交換する必要がある。しかし、ブラシはモータ内部に備えられており、外部から目視で点検することができないため、ブラシの摩耗を点検するためにモータを分解する必要があった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようにモータを分解するのは時間と手間を要する。そのため、例えば特開平5−304746号公報に記載されているように、ブラシ自体に変位の検知接点を設け、ブラシが摩耗したことを接点の閉状態で検知する摩耗検知装置が開発されている。しかし、上記のような従来の摩耗検知装置は、モータのブラシ近傍の狭い部分に特別な接点を設ける必要があるため、構造が複雑になる共にコストアップの要因となるという問題があった。
【0005】
本発明は、上記のごとき従来技術の問題を解決するためになされたものであり、モータ自体にブラシ摩耗検知用の特別な装置を設けることなく、ブラシの摩耗を検知することの出来る車両用直流モータのブラシ摩耗検知装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明においては特許請求の範囲に記載するように構成している。すなわち、請求項1に記載の発明においては、車両に備えられた直流モータと、前記直流モータの駆動力によって駆動される車輪と、前記直流モータと前記車輪との間に備えられ、前記直流モータから前記車輪に伝達される駆動力を接続または切断可能な、内部にオイルが充填された湿式クラッチと、前記直流モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記直流モータの非駆動時であって、かつ前記クラッチの切断時に、前記回転速度検出手段によって検出された前記直流モータの回転速度に基づいて前記直流モータのブラシの摩耗を検知する摩耗検知手段と、を備えるように構成している。
クラッチ(例えば湿式多板クラッチ)はオイルの粘性によって多少の駆動力を伝達する。そのためクラッチの切断時(直流モータの非駆動時)には車輪側からの逆駆動力が直流モータ側に多少伝達される。ブラシが正常な状態では、ブラシのフリクションによって直流モータは回転が阻止されているが、ブラシが摩耗すると、ブラシのフリクションが急激に低下し、上記の逆駆動力によって直流モータが回転させられる。したがってクラッチ切断時における直流モータの回転速度を検出することにより、ブラシの摩耗を検出することが出来る。
【0007】
また、請求項2においては、前記摩耗検知手段は、前記直流モータの非駆動時であって、かつ前記クラッチの切断時に、前記回転速度検出手段によって検出された直流モータの回転速度が、所定の回転速度以上となった場合に、ブラシが摩耗したと判断するように構成している。
【0008】
また、請求項3においては、前記クラッチの温度を検出する温度検出手段を備え、前記摩耗検知手段は、前記温度検出手段によって検出されたクラッチの温度が所定温度以上である場合に、ブラシが摩耗したか否かの判断を行うように構成している。
クラッチの温度が低いとオイルの粘性が高くなり、ブラシが正常な場合でも直流モータが回転するようになる。そのため、このような場合にはブラシが摩耗したか否かの判断を行わないようにしている。
【0009】
また、請求項4においては、車両が停車状態(または内燃機関の始動後)から走行を開始した後の走行距離を検出する走行距離検出手段を備え、前記摩耗検知手段は、前記走行距離検出手段によって検出された走行距離が所定距離以上となった場合に、ブラシが摩耗したか否かの判断を行うように構成している。
車両が走行するとクラッチの温度が上昇し、オイルの粘性が低下するので、所定以上の距離を走行した場合には、クラッチの温度を検出しなくても、ブラシ摩耗検知を正常に行うことが出来る。
【0010】
また、請求項5においては、摩耗検知手段がブラシの摩耗と判断した場合に、それを車両の乗員に報知する報知手段を備えている。
【0011】
【発明の効果】
請求項1、請求項2においては、直流モータを分解してブラシを点検したり、直流モータ自体に特別なブラシ摩耗検知手段を設けたりすること無く、ブラシの摩耗を正確に検知することができる、という効果が得られる。
【0012】
請求項3においては、クラッチが低温の場合にはブラシの摩耗判断を行わないようにして、誤検知を防止することができる。
【0013】
請求項4においては、車両が所定距離以上走行してクラッチが暖まった場合にブラシの摩耗判断を行うので、クラッチの温度検出手段を設けること無く、ブラシの摩耗判断を行い、誤検知を防止することができる。
【0014】
請求項5においては、前記摩耗検知手段がブラシの摩耗と判断した場合に、それを車両の乗員に報知する報知手段を備えているため、車両の乗員はブラシの摩耗量が所定量以上となったことを容易に認識できる。
【0015】
【発明の実施の形態】
図1に、本発明の一実施の形態を示すブロック図であり、4WDシステムに本発明を適用した例を示す。
図1において、1は前車輪(1Lは左前輪、1Rは右前輪)、2は内燃機関、3は後輪(3Lは左後輪、3Rは右後輪)、4は直流ブラシモータ、5は直流ブラシモータ4の回転速度を検出するモータ回転センサ、6はアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ、7は発電機、8は全体の制御を行う4WDコントローラ(マイクロコンピュータ等で構成)、9はワーニングランプ、10は駆動用電流の接続/切断を行うジャンクションボックス、11は減速機、12はクラッチ、13はディファレンシャルギヤ、14は車輪の回転速度を検出する車輪速センサ(14FLは左前輪、14FRは右前輪、14RLは左後輪、14RRは右後輪の車輪速センサ)である。なお、ワーニングランプは、例えば運転席のメータ内に設置され、4WDコントローラ8で駆動される(作用についての詳細は後述)。また、モータ回転センサ5は減速機11に設けてあるが、直流ブラシモータ4に直接設けても良い。
【0016】
内燃機関2は前輪1および発電機7を駆動する。また、直流ブラシモータ4の駆動力は、減速機11、クラッチ12、ディファレンシャルギヤ13を介して後輪14RL、14RRの車軸に与えられる。クラッチ12は減速機11とディファレンシャルギヤ13間を接続/切断するものであり、クラッチ12がOFFになると駆動力は伝達されない。
【0017】
図2は、図1に示した4WDシステムにおいて、モータ駆動制御係の構成を示す第1の実施例のブロック図である。図2において、4WDコントローラ8は、目標トルク制御部21、発電制御部22、リレー制御部23、クラッチ制御部24、モータ制御部25、ブラシ摩耗検知部26からなる。
以下、図2の動作を説明する。目標トルク制御部21は車輪速センサ14やアクセル開度センサ6などから入力した車両の状態に基づいて後輪3L、3Rを駆動するトルクを演算し、それに応じて、発電制御部22が発電機7へ発電制御、リレー制御部23がジャンクションボックス10内のリレーのON制御、クラッチ制御部24がクラッチ12のON制御、モータ制御部25が直流ブラシモータ4の界磁電流制御を、それぞれ行う。なお、目標トルク制御部21が演算した後輪3L、3Rの駆動トルクがゼロ(2WD状態)の場合は、ジャンクションボックス10内のリレーはOFF、クラッチ12はOFF、直流ブラシモータ4の界磁電流はゼロの状態に制御される。
【0018】
また、ブラシ摩耗検知部26は、モータ回転センサ5で検出した直流ブラシモータ4の回転速度を入力し、クラッチ切断時(モータの非駆動時)における回転速度に基づいてブラシの摩耗を検出し、摩耗時にはワーニングランプ9を点灯して車両の乗員にブラシの摩耗を報知する。
【0019】
クラッチ12(例えば湿式多板クラッチ)は、オイルの粘性によって多少の駆動力を伝達する。したがって直流ブラシモータ4の非駆動時には車輪側からの逆駆動力が直流ブラシモータ4側に多少伝達される。この際、ブラシが正常な状態では、ブラシのフリクションによって直流ブラシモータ4は回転が阻止されているが、ブラシが摩耗すると、ブラシのフリクションが急激に低下し、上記の逆駆動力によって直流ブラシモータ4が回転させられる。したがって、クラッチ切断時における直流ブラシモータ4の回転速度を検出することにより、ブラシの摩耗を検出することが出来る。
【0020】
以下、上記の作用について詳細に説明する。
図3は直流ブラシモータの一例の断面概略図である。直流ブラシモータは、界磁コイル31による界磁磁界と、ゴラシ32とコミュニテータ33により整流されアマーチャコイル34を流れるモータ電流との電磁力により、アマーチャコイル34に回転トルクが生じ、出力軸35に伝わるものである。この出力軸35は図1の減速機11に接続されている。その他、36はブラシ32を保持するブラシホルダである。
【0021】
直流ブラシモータのフリクションは、主にブラシ32とコミュニテータ33の摩擦力、および出力軸35を固定するベアリングの摩擦力などがあるが、ブラシ32とコミュニテータ33の摩擦力が大きな割合を占めている。
【0022】
図4は、直流ブラシモータのブラシ周りの構造の一例を出力軸方向から見た概略図であり、(a)はブラシが正常な場合、(b)はブラシが摩耗限界に達した状態を示す。ブラシ32はブラシホルダ36によって支えられ、ブラシバネ37によってコミュニテータ33に圧接されている。ブラシ32にはブラシリード線38がついていて、ブラシリード線38により電流がブラシ32→コミュニテータ33→アーマチャコイル34ヘ供給される。
【0023】
図4(a)に示すように、ブラシ32が正常な状態では、ブラシバネ37およびブラシリード線38が正常位置にあり、ブラシ32はブラシバネ37によってコミュニテータ33へ押し付けられている。そしてブラシ32が摩耗して短くなるとブラシバネ37が伸びていくが、図4(b)に示すように、摩耗限界に達すると、ブラシホルダ36にブラシリード線38あるいはブラシバネ37が当たり(図4ではブラシリード線38が当たった場合を示している)、ブラシ32をコミュニテータ33に押し付ける接圧(接触圧力)が急激に減少する。
【0024】
摩耗限界に達する前の状態では、ブラシバネ37が伸びていくことによるブラシ32をコミュニテータ33に押し付ける接圧が許容範囲内になるように設計するが、摩耗限界に達すると、この接圧が急激に減少し、ブラシ32とコミュニテータ33の接触抵抗が急激に大きくなり、直流ブラシモータの出力(効率)が減少する。したがって、ブラシ32が摩耗限界に達した状態では、4WD時の性能が低下してしまう。
【0025】
図5は、直流ブラシモータのフリクションとブラシ摩耗量の関係を示す図である。摩耗限界に達する前は、ブラシバネが伸びていくことでブラシをコミュニテータに押し付ける接圧が少しずつ減少してフリクションも減っていくが、摩耗限界に達するとこの接圧が急激に減少し、フリクションも急激に減少する。これは、モータのフリクションがブラシとコミュニテータの摩擦力に大きく占められているためである。
【0026】
前述したとおり、4WDコントローラ8が演算した後輪の駆動トルクがゼロ(2WD状態)の時は、直流ブラシモータ4への通電は停止され、クラッチ12はOFFの切断状態になっている。ここでクラッチ12は例えば電磁式湿式多板クラッチを用いている。湿式多板クラッチは、切断状態であってもオイルの粘性力で若干の伝達トルクが生じてしまう。2WD状態で走行すると、車輪が回転するため、切断されたクラッチ12を介して若干の伝達トルクが非通電中の直流ブラシモータ4に伝わるが、ブラシが正常な場合は、上記の若干の伝達トルクは直流ブラシモータ4のフリクションより小さいので直流ブラシモータ4は回転しない。
【0027】
図6は、直流ブラシモータ4の回転数(rpm)および車輪速を時間軸で表した図である。図6の「モータ回転数(正常時)」に示すように、ブラシが正常な場合は、車輪速が上昇しても、直流ブラシモータ4の回転数はゼロのままである。しかし、ブラシが摩耗限界に達し、図5に示したようにモータのフリクションが急激に小さくなると、その値が切断されたクラッチ12が伝える若干の伝達トルクよりも小さくなってしまい、その結果、モータが回転してしまう。この状態を表したものが、図6の「モータ回転数(摩耗限界時)」である。この状態では、車輪速が上昇すると、直流ブラシモータの回転数も上がってしまう。
【0028】
本発明では、上記の現象を利用して、2WD状態時に直流ブラシモータ4の回転数を検出し、モータ回転数が所定値(図6のモータブラシ摩耗限界検知レベル)以上になったら、モータのブラシが摩耗限界状態にあると判断するように構成している。この判断を4WDコントローラ8のブラシ摩耗検知部26が行ない、ワーニングランプ9を点灯して乗員に報知する。それにより乗員は修理工場等で直流ブラシモータ4もしくはブラシを交換することができる。
【0029】
図7は、4WDコントローラ8のブラシ摩耗検知部26が行う摩耗検知処理を示すフローチャートである。ブラシ摩耗検知部26は目標トルク制御部21と連携している。
図7において、ステップS1では、目標トルクが0か否か、すなわち2WD状態か否かを判断する。この目標トルクが0か否かの判断は、数秒から10数秒間連続して目標トルクが0か否かを判断する。これは目標トルクが或る値から0になった直後、すなわち、4WD状態から2WD状態になった直後では、直流ブラシモータ4がまだ惰性で回転しているため、直流ブラシモータが停止するまでの時間を考慮して判断時間を長くしている。
ステップS1でYESの場合は、ステップS2で、直流ブラシモータ4の回転数が所定値Nmth以上か否かを判断する。この所定値Nmthは図6のモータブラシ摩耗限界検知レベルに相当する。
ステップS2で、YESの場合は、ブラシが摩耗限界状態と判断し、ステップS3でワーニングランプを点灯させる。
【0030】
また、ここでは、ブラシが摩耗限界状態と判断したときワーニングランプ点灯としているが、乗員へ報知する手段としては、ワーニングランプ点滅やブザーなどの警報でも構わないし、或いは、4WD走行をさせないように目標トルクを常に0とすることを目標トルク制御部21に指令するように構成してもよい。
なお、目標トルク制御部21やブラシ摩耗検知部26の制御周期はたとえば10msで行う。
【0031】
次に、図8は、本発明の第2の実施例を示すブロック図であり、前記図2に示したブロック図に、クラッチ温度センサ15を付加したものである。この実施例は、クラッチの温度が所定値以下の場合にはブラシの摩耗検知を行わないように構成したものである。
【0032】
図9は、湿式多板クラッチの切断時の伝達トルクを示す図である。
図示のように、低温になるとオイルの粘性が高くなるため、湿式多板クラッチの切断時の伝達トルクは大きくなる。オイルの特性にもよるが、一般的に−25℃を下回るような極低温時になると急激にオイル粘性が高まり、クラッチ切断時の伝達トルクが急激に大きくなる。このような極低温時に、前記第1の実施例に示したブラシ摩耗限界検知の判断を行うと、ブラシが摩耗限界に達しない正常な状態であっても、クラッチ切断時の伝達トルクが大きいため、2WD走行時に直流ブラシモータが回転してしまい、ブラシが摩耗限界に達したと誤検知してしまうおそれがある。そのため、本実施例では、クラッチの温度を検知し、その温度が所定値以下(例えば−25℃以下)の場合には、ブラシの摩耗検知を行わないように構成している。
【0033】
次に、第3の実施例について説明する。
この実施例は、クラッチ温度センサを設けて実際のクラッチの温度を検出する代わりに、停車時(または内燃機関始動後)からの走行距離が所定値以上になった場合にはクラッチ温度が上昇したものとしてブラシの摩耗検知を行うようにしたものである。
【0034】
図10は、車両の走行距離とクラッチ切断時の伝達トルクとの関係を示す図である。図示のように、湿式多板クラッチが極低温(例えば−30℃)に冷やされていた場合でも、車両が所定の距離を走行すると、クラッチ周りのオイルが撹拌されて温度が上がり、切断時の伝達トルクが減少する。クラッチの設計やオイルの特性にもよるが、この切断時の伝達トルクが低下する走行距離は、例えば数百メートル程度である。したがって、停車時(または内燃機関始動後)から上記の所定の走行距離を走行していない状態では、ブラシ摩耗限界か否かの判断を行なわないようにする。
【0035】
図11は、第3の実施例の演算処理内容を示すフローチャートである。
このフローは、前記図7のフローに、ステップS4を追加したものである。ステップS4では、車両の停車時(または内燃機関始動後)から、所定距離Sth(図10示した距離、極低温時でもクラッチオイルの温度が例えば−25℃以上に上昇すると予想される距離で、例えば数百m程度)を走行したが否かを判断し、上記所定距離以上走行した場合にステップS2、ステップS3の判断を行うように構成している。
この構成の場合には、クラッチ温度を検出するセンサを設ける必要がない。
【0036】
この実施例では、上記の所定距離を走行していない状態では、ブラシ摩耗限界か否かの判断ができなくなる。しかし、その判断をする4WDコントローラ8が、前回の走行時の判断結果を記憶するように構成しておけば、もし前回走行時にブラシ摩耗限界と判断していれば所定の走行距離に達する前でもワーニングランプ点灯等で乗員への報知を行うことが出来る。
【0037】
なお、これまでの説明では、4WDコントローラ8が、車輪速センサ14やアクセルペダル6などの車両の状態から後輪を駆動するトルクを演算し、それに応じて、発電機7への発電制御、ジャンクションボックス10内のリレーのON制御、クラッチ12のON制御、直流ブラシモータ4の界磁電流制御を行うような4WDシステムを例として説明してきたが、直流ブラシモータ4がクラッチ12を介して車輪を駆動し、かつ、直流ブラシモータ4の回転数を検出する手段を有していれば、他の4WDシステムであっても構わない。例えば、バッテリを電源としてチョッパー回路などで直流ブラシモータを駆動するシステムであっても、直流ブラシモータがクラッチを介して車輪を駆動していれば、本発明の効果を同様に得ることができる。
【0038】
また、クラッチとしては、例示した電磁式湿式多板クラッチに限らず、クラッチ切断時にも多少の駆動力(ブラシが摩耗した状態の直流モータを回転させるに足る程度)を伝達する形式のものであれば、同様に適用することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態を示すブロック図。
【図2】図1に示した4WDシステムにおいて、モータ駆動制御係の構成を示す第1の実施例のブロック図。
【図3】直流ブラシモータの一例の断面概略図。
【図4】直流ブラシモータのブラシ周りの構造の一例を出力軸方向から見た概略図であり、(a)はブラシが正常な場合、(b)はブラシが摩耗限界に達した状態を示す。
【図5】直流ブラシモータのフリクションとブラシ摩耗量の関係を示す図。
【図6】直流ブラシモータ4の回転数(rpm)および車輪速を時間軸で表した図。
【図7】4WDコントローラ8のブラシ摩耗検知部26が行う摩耗検知処理を示すフローチャート。
【図8】本発明の第2の実施例を示すブロック図。
【図9】湿式多板クラッチの切断時の伝達トルクを示す図。
【図10】車両の走行距離とクラッチ切断時の伝達トルクとの関係を示す図。
【図11】第3の実施例の演算処理内容を示すフローチャート。
【符号の説明】
1…前車輪(1Lは左前輪、1Rは右前輪) 2…内燃機関
3…後輪(3Lは左後輪、3Rは右後輪) 4…直流ブラシモータ
5…モータ回転センサ 6…アクセル開度センサ
7…発電機 8…4WDコントローラ
9…ワーニングランプ 10…ジャンクションボックス
11…減速機 12…クラッチ
13…ディファレンシャルギヤ
14…車輪速センサ(14FLは左前輪、14FRは右前輪、14RLは左後輪、14RRは右後輪)
15…クラッチ温度センサ
Claims (5)
- 車両に備えられた直流モータと、
前記直流モータの駆動力によって駆動される車輪と、
前記直流モータと前記車輪との間に備えられ、前記直流モータから前記車輪に伝達される駆動力を接続または切断可能な、内部にオイルが充填された湿式クラッチと、
前記直流モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記直流モータの非駆動時であって、かつ前記クラッチの切断時に、前記回転速度検出手段によって検出された前記直流モータの回転速度に基づいて前記直流モータのブラシの摩耗を検知する摩耗検知手段と、
を備えたことを特徴とする車両用直流モータのブラシ摩耗検知装置。 - 前記摩耗検知手段は、前記直流モータの非駆動時であって、かつ前記クラッチの切断時に、前記回転速度検出手段によって検出された直流モータの回転速度が、所定の回転速度以上となった場合に、ブラシが摩耗したと判断することを特徴とする請求項1に記載の車両用直流モータのブラシ摩耗検知装置。
- 前記クラッチの温度を検出する温度検出手段を備え、
前記摩耗検知手段は、前記温度検出手段によって検出されたクラッチの温度が所定温度以上である場合に、ブラシが摩耗したか否かの判断を行うことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の車両用直流モータのブラシ摩耗検知装置。 - 車両が停車状態から走行を開始した後の走行距離を検出する走行距離検出手段を備え、
前記摩耗検知手段は、前記走行距離検出手段によって検出された走行距離が所定距離以上となった場合に、ブラシが摩耗したか否かの判断を行うことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の車両用直流モータのブラシ摩耗検知装置。 - 前記摩耗検知手段がブラシの摩耗と判断した場合に、それを車両の乗員に報知する報知手段を備えたことを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れかに記載の車両用直流モータのブラシ摩耗検知装置。
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