JP5263524B2 - DC motor with brush, motor circuit, and electric power steering device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ブラシ付きDCモータと、ブラシ付きDCモータを有するモータ回路及び電動パワーステアリング装置に関する。 The present invention relates to a brushed DC motor, a motor circuit having a brushed DC motor, and an electric power steering apparatus.
従来のブラシ付きDCモータは、互いに電気角で180度離して配置された1対のブラシをロータに備えたコンミュテータに摺接させて、ロータの巻線に駆動電流を給電していた(例えば、非特許文献1参照)。
ところで近年、自動車業界では、安全基準の厳格化が進められており、電動パワーステアリング装置や電動スライドドア等の駆動源として使用されるブラシ付きDCモータに対しても、より確実なフェール対策が要求されるようになってきた。しかしながら、上述した従来のブラシ付きDCモータでは、1対のブラシの一方が失陥した場合に動作不能に陥る虞があった。 By the way, in recent years, stricter safety standards have been promoted in the automobile industry, and more reliable fail countermeasures are required for brushed DC motors used as drive sources for electric power steering devices and electric sliding doors. It has come to be. However, in the above-described conventional brushed DC motor, there is a possibility that it becomes inoperable when one of the pair of brushes fails.
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、1対のブラシの一方が失陥した場合でも駆動可能なブラシ付きDCモータと、そのブラシ付きDCモータを備えたモータ回路及び電動パワーステアリング装置の提供を目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and a brushed DC motor that can be driven even when one of a pair of brushes fails, a motor circuit including the brushed DC motor, and electric power An object is to provide a steering device.
上記目的を達成するためになされた請求項1の発明に係るブラシ付きDCモータ(10)は、ステータ(12)の周方向でN極とS極とが交互に繰り返されるように配置された磁石(22S,22N)のうち同じ極性の磁石同士の間の最小角度と、コンミュテータ(13)に接触したブラシ(40A,40B)のうち同電位のブラシ同士の間の最小角度とが一致し、その最小角度を電気角の1周期としての360度とすると、周方向で隣り合った極性の異なる1対のブラシ(40A,40B)の間隔を電気角で180度にしたときに、出力トルクが最大になるようにロータ(11)に巻線(15)が配置されたブラシ付きDCモータ(10)において、1対のブラシ(40A,40B)の間隔を電気角で180度以外としかつ、コンミュテータ(13)のうち1対のブラシ(40A,40B)の接触位置が電気角で180度以上離れた部分であって1対のブラシ(40A,40B)との間隔が電気角で180度以外になる位置に接触する予備のブラシ(40C)を設け、1対のブラシ(40A,40B)及び予備のブラシ(40C)のうち任意の2種類のブラシに直流電源(92)を接続して駆動可能としたところに特徴を有する。
In order to achieve the above object, a brushed DC motor (10) according to the invention of
請求項2の発明に係るモータ回路(50)は、請求項1に記載のブラシ付きDCモータ(10)と、1対のスイッチ素子を直列接続してなるスイッチ直列回路(53A,53B,53C)を、直流電源(92)の正負の電極間に3つ並列接続し、各スイッチ直列回路(53A,53B,53C)におけるスイッチ素子の共通接続部分を1対のブラシ(40A,40B)及び予備のブラシ(40C)に接続する3つの給電ライン(55A,55B,55C)を有するモータ駆動回路(53)と、モータ駆動回路(53)を制御する制御部(54)とを有したモータ回路(50)であって、1対のブラシ(40A,40B)の給電ライン(55A,55B)同士の短絡を検出するための短絡検出手段(53S,PG1)を備え、制御部(54)は、通常は、1対のブラシ(40A,40B)を直流電源(92)の1対の電極に接続しかつ予備のブラシ(40C)を直流電源(92)から切り離すようにスイッチ素子群(AH,AL,BH,BL,CH,CL)を制御し、短絡検出手段(53S,PG1)が短絡を検出したときには、1対のブラシ(40A,40B)を共に直流電源(92)の一方の電極から切り離して他方の電極に接続しかつ予備のブラシ(40C)を直流電源(92)の一方の電極に接続するようにスイッチ素子群(AH,AL,BH,BL,CH,CL)を制御するところに特徴を有する。
The motor circuit (50) according to the invention of
請求項3の発明に係る電動パワーステアリング装置(100)は、請求項2に記載のモータ回路(50)を有し、ブラシ付きDCモータ(10)を駆動源として備えたところに特徴を有する。 An electric power steering apparatus (100) according to a third aspect of the invention includes the motor circuit (50) according to the second aspect, and is characterized in that a brushed DC motor (10) is provided as a drive source.
[請求項1の発明]
請求項1の発明によれば、1対のブラシ(正極のブラシと負極のブラシ)のうち、一方が失陥した場合でも、失陥していない方のブラシと予備のブラシとを直流電源に接続することでブラシ付きDCモータに駆動電流を供給することができ、ブラシ付きDCモータを駆動可能になる。
[Invention of Claim 1]
According to the first aspect of the present invention, even if one of the pair of brushes (the positive brush and the negative brush) fails, the non-failed brush and the spare brush are used as a DC power source. By connecting, a drive current can be supplied to the brushed DC motor, and the brushed DC motor can be driven.
[請求項2の発明]
請求項2の発明によれば、1対のブラシ(正極のブラシと負極のブラシ)の給電ライン同士の短絡を検出した場合には、1対のブラシを共に直流電源の一方の電極から切り離して他方の電極に接続しかつ予備のブラシを直流電源の一方の電極に接続する。これにより、直流電源の破損を防ぐことができる。また、ロータの巻線のうち、短絡した1対のブラシ間には電流が流れないが、予備のブラシと1対のブラシの一方との間及び、予備のブラシと1対のブラシの他方との間の巻線には、互いに逆向きの電流が流れて、互いに逆向きのトルクが発生することがあり得る。
[Invention of claim 2]
According to the invention of
これに対し、本発明のブラシ付きDCモータは、1対のブラシの間隔を電気角で180度以外としかつ、コンミュテータのうち1対のブラシの接触位置が電気角で180度以上離れた部分であって1対のブラシとの間隔が電気角で180度以外になる位置に予備のブラシが接触するように設けてあるので(図11(B)参照)、互いに逆向きのトルクが釣り合って出力トルクが「0」になるという事態を回避することができ、ブラシ付きDCモータを任意の方向に確実に回転させることができる。 In contrast, the brushed DC motor of the present invention is such that the distance between the pair of brushes is other than 180 degrees in electrical angle, and the contact position of the pair of brushes in the commutator is at a part where the electrical angle is 180 degrees or more apart. Since the spare brush contacts with a position where the distance between the pair of brushes is not 180 degrees in electrical angle (see FIG. 11B), the torques in opposite directions are balanced and output. The situation where the torque becomes “0” can be avoided, and the brushed DC motor can be reliably rotated in any direction.
[請求項3の発明]
請求項3の発明によれば、1対のブラシの給電ライン同士が短絡した場合に、ハンドル操舵のアシストトルクが「0」になるという事態を回避することができ、通常時よりも小さいアシスト力になるがハンドル操舵を補助することができる。また、ハンドル操舵時にブラシ付きDCモータが発電機として機能してハンドル操舵を妨げるという事態も回避することが可能になる。
[Invention of claim 3]
According to the invention of
[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態を図1〜図12に基づいて説明する。図1に示すように、本実施形態のブラシ付きDCモータ10(以下、単に「モータ10」という)のロータ11は、ロータシャフト11Sの一端寄り位置にロータコア11Cを一体回転可能に備えかつ、ロータシャフト11Sの他端寄り位置にコンミュテータ13(所謂、整流子)を一体回転可能に備えた構造になっている。そして、ロータシャフト11Sの両端部がベアリング14,14を介してステータ12に回転可能に軸支されている。
[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 1, a
ロータコア11Cの外周面には、周方向に複数のティース11Tが均等配置して備えられ、隣り合ったティース11T同士の間がスロット16になっている。ティース11Tには導線が、例えば、「重ね巻」されて電機子巻線15を構成しており、その電機子巻線15の一部がスロット16内に収まっている。以下、電機子巻線15のうち、スロット16に収まった部分を「コイル辺15H」といい、スロット16外の部分を「コイル端」という。
A plurality of
コンミュテータ13の外周面には、その周方向に複数(例えば22個)の電極としてのセグメント13Tが均等配置して固定されている。各セグメント13Tは、コンミュテータ13の軸方向と平行に延びると共に、図2に示すように、コンミュテータ13の軸方向から見た断面形状が円弧状になっている。そして、各セグメント13Tの外側円弧面がコンミュテータ13全体の外周面の一部を構成している。なお、各セグメント13T同士は互いに絶縁されているが、電機子巻線15を介して接続されている。
On the outer peripheral surface of the
ステータ12の内周面には、ロータ11のティース11Tに対向させて所定偶数P(例えば、P=4)個の界磁石22S,22Nが周方向に均等配置されている。界磁石22S,22Nは永久磁石であり、ステータ12は、その径方向の内外に向かってNS極となったN極の界磁石22Nと、逆にSN極になったS極の界磁石22Sとが、周方向に交互に繰り返されるように配置された、例えば、4極構造になっている。即ち、同じ極性の界磁石同士の間の最小角度が機械角にして180度となっている。界磁石22S,22Nは、ロータ11の回転軸と平行に延びている。また、周方向で隣り合った2つの界磁石22S,22Nの間にはロータ11の回転軸と平行に延びた一定幅の磁石間隙間23が設けられている(図4、図6参照)。
On the inner circumferential surface of the
ここで、図4に示すように、隣り合った界磁石22S,22Nのステータ周方向における中心間距離(所謂、「極ピッチ」)YPは、電機子巻線15のうちコンミュテータ13側のコイル端で繋がったコイル辺15H,15Hの間隔YF(所謂、「前ピッチ」)より大きくなっている。また、極ピッチYPは、電機子巻線15のうちコンミュテータ13とは反対側のコイル端で繋がったコイル辺15H,15Hの間隔YB(所謂、「後ピッチ」)より僅かに小さくなっている。
Here, as shown in FIG. 4, the inter-center distance (so-called “pole pitch”) YP of the
ステータ12の一端部には、複数(例えば、6個)のブラシ40がコンミュテータ13の周りに互いに所定の間隔を空けて配置されている。図1及び図2に示すように、各ブラシ40は、ステータ12に固定されたブラシホルダ20に直動可能に保持され、ブラシホルダ20の奥壁21とブラシ40の後端部との間のバネ28によってブラシ40の先端部がコンミュテータ13(各セグメント13Tの外周面)に摺動可能に当接している。各ブラシ40の後端部から延びたピグテール48は、ブラシホルダ20の外部に引き出されている。なお、図2には、複数のブラシ40のうちの1つのブラシ40だけが図示されている。
At one end portion of the
図4に示すように、ステータ12に備えた6個のブラシ40は、3個ずつ2つのブラシ群41,41で構成されている。1つのブラシ群41に含まれる3個のブラシ40は「第1のブラシ40A」、「第2のブラシ40B」、「予備のブラシ40C」の3種類であり、各ブラシ群41,41における第1のブラシ40A,40A同士、第2のブラシ40B,40B同士、予備のブラシ40C,40C同士は、それぞれ機械角にして互いに180度離れた位置に配置されている。即ち、これらブラシ同士の最小角度は、同じ極性の界磁石同士の間の最小角度と一致している。ステータ12には、第1のブラシ40A,40Aのピグテール48,48が共通接続された端子17Aと、第2のブラシ40B,40Bのピグテール48,48が共通接続された端子17Bと、予備のブラシ40C,40Cのピグテールが共通接続された端子17Cとが備えられている。そして、これら3つの端子17A,17B,17Cとモータ駆動制御回路51との間が、それぞれハーネス55A,55B,55C(本発明の「給電ライン」に相当する)によって接続されている。なお、第1のブラシ40Aと第2のブラシ40Bとが、本発明の「1対のブラシ」に相当する。
As shown in FIG. 4, the six
図3には、本発明のモータ回路50の全体が示されている。同図に示すように、モータ回路50は、モータ10とモータ駆動制御回路51とを有しており、モータ駆動制御回路51は、モータ駆動回路53とモータ制御回路54(本発明の「制御部」に相当する)とを備えてなる。モータ制御回路54は、図示しないCPU及びメモリを備え、そのメモリに記憶されたプログラムを実行して、モータ駆動回路53に備えたスイッチ素子群AH,AL,BH,・・・をオンオフ制御する。
FIG. 3 shows the
モータ駆動回路53は、直流電源92の正電極と負電極(GND)との間に、第1〜第3のスイッチ直列回路53A,53B,53Cを備えている。
The
第1のスイッチ直列回路53Aには、上段側のスイッチ素子AHと下段側のスイッチ素子ALとが直列接続して備えられかつ、それらの共通接続点から第1のハーネス55Aが延びている。この第1のハーネス55Aは、2つの第1のブラシ40A,40Aが共通接続されたステータ12の端子17Aに接続されている。これにより、2つの第1のブラシ40A,40Aは同じ極性となる。
The first
第2のスイッチ直列回路53Bには、上段側のスイッチ素子BHと下段側のスイッチ素子BLとが直列接続して備えられかつ、それらの共通接続点から第2のハーネス55Bが延びている。この第2のハーネス55Bは、2つの第2のブラシ40B,40Bが接続されたステータ12の端子17Bに接続されている。これにより、2つの第2のブラシ40B,40Bは同じ極性となる。
The second
第3のスイッチ直列回路53Cには、上段側のスイッチ素子CHと下段側のスイッチ素子CLとが直列接続して備えられかつ、それらの共通接続点から第3のハーネス55Cが延びている。この第3のハーネス55Cは、2つの予備のブラシ40C,40Cが接続されたステータ12の端子17Cに接続されている。これにより、2つの予備のブラシ40C,40Cは同じ極性となる。
The third
ここで、第1〜第3の各ハーネス55A,55B,55Cのうち、端子17A,17B,17Cとの接続部分の直前には、本発明の「短絡検出手段」としての電流センサ53Sが備えられており、その検出結果がモータ制御回路54に取り込まれている。また、モータ駆動回路53における各スイッチ素子AH,AL,BH,・・・は例えば、寄生ダイオードを有するMOSFETであって、各スイッチ直列回路53A,53B,53Cでは上段側のスイッチ素子のドレインと下段側のスイッチ素子のソースとが接続されている。
Here, of the first to
モータ10を通常制御モードで駆動する場合は、各ブラシ群41,41における3種類のブラシ40A,40B,40Cのうち、任意の2種類のブラシが直流電源92の正負の電極に接続され、それら2種類のブラシによってモータ10に駆動電流が供給される。例えば、第1のブラシ40A,40Aと第2のブラシ40B,40Bとが直流電源92の正負の電極に接続された場合、残った予備のブラシ40C,40Cは直流電源92から切り離される。
When driving the
詳細には、第1のスイッチ直列回路53Aの上段側のスイッチ素子AHと第2のスイッチ直列回路53Bの下段側のスイッチ素子BLとがオンし、残りのスイッチ素子AL,BH,CH,CLが全てオフすると、図5に示すように、第1のブラシ40A,40Aが直流電源92の正電極に接続され、第2のブラシ40B,40Bが負電極に接続されて、モータ10に駆動電流が付与される。すると、ロータ11は、コンミュテータ13側から見て時計回り方向(図5においてコンミュテータ13及び電機子巻線15がブラシ40及び界磁石22S,22Nに対して矢印CWの方向)に回転する。
Specifically, the upper switch element AH of the first
また、第1のスイッチ直列回路53Aの下段側のスイッチ素子ALと、第2のスイッチ直列回路53Bの上段側のスイッチ素子BHとがオンし、残りのスイッチ素子AH,BL,CH,CLが全てオフすると、第2のブラシ40B,40Bが直流電源92の正電極に接続され、第1のブラシ40A,40Aが負電極に接続されて、モータ10に駆動電流が付与される。すると、ロータ11は、コンミュテータ13側から見て反時計回り方向(図4においてコンミュテータ13及び電機子巻線15がブラシ40及び界磁石22S,22Nに対して矢印CCWの方向)に回転する。
Further, the lower switch element AL of the first
同様に、モータ駆動回路53のスイッチ群AH,AL,BH,・・・のオンオフにより、第1のブラシ40A,40Aと予備のブラシ40C,40Cとが直流電源92に接続された場合又は、第2のブラシ40B,40Bと予備のブラシ40C,40Cとが直流電源92に接続された場合にも、それら2種類のブラシによってモータ10に駆動電流が付与されてロータ11が回転する。
Similarly, when the
以下、コンミュテータ13側から見て時計回り方向のことを「CW方向」といい、コンミュテータ13側から見て反時計回り方向のことを「CCW方向」という。
Hereinafter, the clockwise direction when viewed from the
ところで、第1、第2及び予備のブラシ40A,40B,40Cは、同じ極性の界磁石同士(例えば、界磁石22N,22N同士)の最小角度及び、同じ極性になるブラシ同士(例えば、第1のブラシ40A,40A同士)の最小角度である180度を電気角の360度とした場合に、その360度の範囲内で以下のように配置されている。
By the way, the first, second, and
まず、第1のブラシ40Aは、中性軸(幾何学的中性軸)に配置されている。詳細には、図6に示すように、コンミュテータ13とは反対側のコイル端で繋がった2つのコイル辺15H,15Hが界磁石22S,22Nの磁石間隙間23,23に配されたときに、それら2つのコイル辺15H,15Hが接続された2つのセグメント13T,13Tに第1のブラシ40Aが跨って接触するように配置されている。
First, the
第2のブラシ40Bと第1のブラシ40Aの間隔は電気角にして180度以外になっている。具体的には、第2のブラシ40Bは、第1のブラシ40Aの位置からCCW方向に電気角にして180度未満の第1角度α(本実施形態では、160度)だけ離れた位置に配置されている。
The interval between the
また、予備のブラシ40Cは、コンミュテータ13のうち第1と第2のブラシ40A,40Bの接触位置が電気角で180度以上離れた部分であって第1及び第2のブラシ40A,40Bとの間隔が共に180度以外になる位置に接触している。具体的には、図4に示すように、第2のブラシ40Bの位置からCCW方向に電気角にして180度未満の第2角度βだけ離れた位置でかつ、第1角度αと第2角度βとの和が180度以外になる位置であって、本実施形態では、第2角度βが電気角にして80度となっている。
The
そして、予備のブラシ40Cと第1のブラシ40Aとの間隔は第3角度γ(=360−(α+β))、本実施形態では、電気角にして120度となっている。即ち、予備のブラシ40Cは、コンミュテータ13のうち第1と第2のブラシ40A,40Bの接触位置が180度以上離れた部分であって、第1のブラシ40Aと第2のブラシ40Bとの中間位置より第2のブラシ40Bに近い位置に配置されている。
The distance between the
本実施形態のモータ10及びモータ回路50の構成は以上であって、次に動作について説明する。通常制御モードでは、上述の如く、各ブラシ群41,41の3種類のブラシのうち、任意の2種類のブラシを直流電源92に接続し、残りの1種類のブラシを直流電源92から切り離した状態でモータ10を駆動する。例えば、各ブラシ群41,41における予備のブラシ40C,40Cを直流電源92から切り離した状態で、第1のブラシ40A,40Aと第2のブラシ40B,40Bとを直流電源92に接続してモータ10を駆動する場合は以下のようである。
The configurations of the
即ち、ロータ11をCW方向に回転させる場合には、第1のブラシ40A,40Aを直流電源92の正電極に接続し、第2のブラシ40B,40Bを直流電源92の負電極に接続する。この場合、界磁石22S,22Nによる磁束を横切る電機子巻線15の各コイル辺15Hには、図5の矢印で示す方向に電流が流れる。すると、フレミングの左手の法則に従い、電流が流れる各コイル辺15Hに力が働き、ロータ11にCW方向のトルクが発生する。
That is, when rotating the
ロータ11をCCW方向に回転させる場合には、第1のブラシ40A,40Aを直流電源92の負電極に接続し、第2のブラシ40B,40Bを直流電源92の正電極に接続する。すると、電機子巻線15の各コイル辺15Hには、図5の矢印で示す方向とは逆向きに電流が流れて、ロータ11にCCW方向のトルクが発生する。
When rotating the
ここで、本実施形態では、コンミュテータ13の周方向で隣接する2種類のブラシ同士の間隔が異なっているので、直流電源92に接続する2種類のブラシの組み合わせによって、モータ特性を変更することが可能である。例えば、第1のブラシ40Aと第2のブラシ40Bとの間で通電した場合と、第1のブラシ40Aと予備のブラシ40Cとの間で通電した場合とを比較すると、ブラシ間隔が比較的大きい第1、第2のブラシ40A,40B間で通電した場合には、電機子巻線15のコイル辺15Hと鎖交する界磁石22S,22Nの磁束の数(鎖交数)が比較的多くなって誘起電圧定数(トルク定数)が大きくなるので、モータ特性が低速高トルクになる。これに対し、ブラシ間隔が比較的小さい第1、予備のブラシ40A,40C間で通電した場合には、鎖交数が減るので、モータ特性が高速低トルクになる。また、第2のブラシ40Bと予備のブラシ40Cとの間で通電すると、モータ特性は、更に高速低トルクになる。そして、通常運転モードでは、第1のブラシ40Aと第2のブラシ40Bとの組み合わせに限らず、必要とするモータ特性に応じて、直流電源92に接続する2種類のブラシの組み合わせを任意に選択可能となっている。
Here, in this embodiment, since the interval between the two types of brushes adjacent in the circumferential direction of the
さて、モータ制御回路54は、図7に示す監視プログラムPG1を所定周期で実行しており、第1〜第3のハーネス55A,55B,55Cに備えた電流センサ53Sの検出結果に基づいて第1〜第3のハーネス55A,55B,55C同士の短絡を監視すると共に、短絡を検出した場合には、後述する第1〜第3の非常制御モードでモータ10の駆動制御を行うようになっている。
The
具体的には、現在のモータ駆動回路53におけるスイッチ群AH,AL,BH,・・・のオンオフ状態と、各ハーネス55A,55B,55Cの電流センサ53Sによる検出結果とに基づいて、第1のハーネス55Aと第2のハーネス55Bとが短絡したか否か(S1)、第2のハーネス55Bと第3のハーネス55Cとが短絡したか否か(S2)、第1のハーネス55Aと第3のハーネス55Cとが短絡したか否か(S3)を順次にチェックし、何れも短絡していない場合(ステップS1,S2,S3で全て「NO」)は、モータ10を、上述した通常制御モードで駆動する(S4)。
Specifically, based on the on / off state of the switch groups AH, AL, BH,... In the current
一方、第1のハーネス55Aと第2のハーネス55Bとの短絡を検出した場合(ステップS1でYES)には、モータ10を第1非常制御モードで駆動する(S5)。具体的には、ハーネス同士が短絡している第1のブラシ40A,40Aと第2のブラシ40B,40Bとを直流電源92の正負の一方の電極から切り離して他方の電極に接続しかつ、直流電源92から切り離されていた予備のブラシ40C,40Cを第1及び第2のブラシ40A,40Bとは逆の一方の電極に接続する。
On the other hand, when a short circuit between the
例えば、第1非常制御モードでロータ11をCW方向に回転させる場合には、第1のスイッチ直列回路53Aの上段スイッチ素子AHと、第2のスイッチ直列回路53Bの上段スイッチ素子BHと、第3のスイッチ直列回路53Cの下段スイッチ素子CLとをオンし、その他のスイッチ素子AL,BL,CHを全てオフする。すると、第1及び第2のブラシ40A,40Bが共に直流電源92の正電極に接続され、予備のブラシ40Cが直流電源92の負電極に接続される。
For example, when the
このとき、予備のブラシ40Cと第1のブラシ40Aとの間及び、予備のブラシ40Cと第2のブラシ40Bとの間では、コイル辺15Hに図8の矢印で示す方向に電流が流れるが、同一極性の電極に接続された第1のブラシ40Aと第2のブラシ40Bとの間ではコイル辺15Hに電流が流れないので、通常制御モードに比べてトルクが低下する。また、同図に示すように、第2のブラシ40Bと予備のブラシ40Cとの間では、一部のコイル辺15H(楕円で囲んだ部分)に、通常制御モードのCW方向への回転時(図5参照)とは逆向きの電流が流れて、CCW方向のトルクが発生する。しかしながら、全体としてはCW方向のトルクが優るので、通常制御モードのときと比べてトルクは低下するものの、ロータ11をCW方向に回転させることが可能である。
At this time, current flows between the
また、第1非常制御モードでロータ11をCCW方向に回転させる場合には、スイッチ素子群AH,AL,BH,・・・のオンオフ状態を、上記CW方向の回転時とは逆にする。即ち、第1のスイッチ直列回路53Aの上段スイッチ素子AHと、第2のスイッチ直列回路53Bの上段スイッチ素子BHと、第3のスイッチ直列回路53Cの下段スイッチ素子CLとをオフし、その他のスイッチ素子AL,BL,CHを全てオンする。すると、第1及び第2のブラシ40A,40Bが共に直流電源92の負電極に接続され、予備のブラシ40Cが直流電源92の正電極に接続されて、電機子巻線15のコイル辺15Hに、図8の矢印で示す方向とは逆向きに電流が流れる。このときも、通常制御モードのときと比べてトルクは低下するものの、ロータ11をCCW方向に回転させることが可能である。
When the
第2のハーネス55Bと第3のハーネス55Cとの短絡を検出した場合(ステップS2でYES)には、第2非常制御モードで駆動制御を行う(S6)。具体的には、第2のブラシ40B,40Bと予備のブラシ40C,40Cとを直流電源92の正負何れか一方の同一電極に接続すると共に、第1のブラシ40A,40Aを第2及び予備のブラシ40B,40Cとは逆の他方の電極に接続する。
When a short circuit between the
第2非常制御モードでロータ11をCW方向に回転させる場合には、第1のスイッチ直列回路53Aの上段スイッチ素子AHと、第2のスイッチ直列回路53Bの下段スイッチ素子BLと、第3のスイッチ直列回路53Cの下段スイッチ素子CLとをオンし、その他のスイッチ素子AL,BH,CHを全てオフする。すると、第2及び予備のブラシ40B,40Cが共に直流電源92の負電極に接続され、第1のブラシ40Aが直流電源92の正電極に接続される。
When rotating the
このとき、第1のブラシ40Aと第2のブラシ40Bとの間及び、第1のブラシ40Aと予備のブラシ40Cとの間では、コイル辺15Hに図9の矢印で示す方向に電流が流れるが、同一極性の電極に接続された第2のブラシ40Bと予備のブラシ40Cとの間ではコイル辺15Hに電流が流れないので、通常制御モードに比べてトルクが低下する。しかしながら、電流が流れる各コイル辺15Hには、フレミングの左手の法則に従う力が働くので、通常制御モードのときと比べてトルクは低下するものの、ロータ11をCW方向に回転させることが可能である。
At this time, current flows between the
また、第2非常制御モードでロータ11をCCW方向に回転させる場合には、スイッチ素子群AH,AL,BH,・・・のオンオフ状態を、上記CW方向の回転時とは逆にする。即ち、第1のスイッチ直列回路53Aの上段スイッチ素子AHと、第2のスイッチ直列回路53Bの下段スイッチ素子BLと、第3のスイッチ直列回路53Cの下段スイッチ素子CLとをオフし、その他のスイッチ素子AL,BH,CHを全てオンする。すると、第2及び予備のブラシ40B,40Cが共に直流電源92の正電極に接続され、第1のブラシ40Aが直流電源92の負電極に接続されて、各コイル辺15Hには、図9の矢印で示す方向とは逆向きに電流が流れる。このときも、通常制御モードのときと比べてトルクは低下するものの、ロータ11をCCW方向に回転させることが可能である。
When the
第1のハーネス55Bと第3のハーネス55Cとの短絡を検出した場合(ステップS3でYES)には、第3非常制御モードで駆動制御を行う(S7)。具体的には、第1のブラシ40A,40Aと予備のブラシ40C,40Cとを直流電源92の正負何れか一方の同一電極に接続すると共に、第2のブラシ40B,40Bを第1及び予備のブラシ40A,40Cとは逆の他方の電極に接続する。
When a short circuit between the
第3非常制御モードでロータ11をCW方向に回転させる場合には、第1のスイッチ直列回路53Aの上段スイッチ素子AHと、第2のスイッチ直列回路53Bの下段スイッチ素子BLと、第3のスイッチ直列回路53Cの上段スイッチ素子CHとをオンし、その他のスイッチ素子AL,BH,CLを全てオフにする。すると、第1及び予備のブラシ40A,40Cが共に直流電源92の正電極に接続され、第2のブラシ40Bが直流電源92の負電極に接続される。
When rotating the
このとき、第2のブラシ40Bと第1のブラシ40Aとの間及び、第2のブラシ40Bと予備のブラシ40Cとの間では、コイル辺15Hに図10の矢印で示す方向に電流が流れるが、同一極性の電極に接続された第1のブラシ40Aと予備のブラシ40Cとの間ではコイル辺15Hに電流が流れないので、通常制御モードに比べてトルクが低下する。しかしながら、電流が流れる各コイル辺15Hには、フレミングの左手の法則に従う力が働くので、通常制御モードのときと比べてトルクは低下するものの、ロータ11をCW方向に回転させることが可能である。
At this time, a current flows between the
また、第3非常制御モードでロータ11をCCW方向に回転させる場合には、スイッチ素子群AH,AL,BH,・・・のオンオフ状態を、上記CW方向の回転時とは逆にする。即ち、第1のスイッチ直列回路53Aの上段スイッチ素子AHと、第2のスイッチ直列回路53Bの下段スイッチ素子BLと、第3のスイッチ直列回路53Cの上段スイッチ素子CHとをオフし、その他のスイッチ素子AL,BH,CLを全てオンする。すると、第1及び予備のブラシ40A,40Cが共に直流電源92の負電極に接続され、第2のブラシ40Bが直流電源92の正電極に接続されて、各コイル辺15Hに、図10の矢印で示す方向とは逆向きに電流が流れる。このときも、通常制御モードのときと比べてトルクは低下するものの、ロータ11をCCW方向に回転させることが可能である。
When the
ここで、通常制御モード(S4)から第1〜第3の非常制御モード(S5〜S7)に切り替わる場合や、各制御モード(S4〜S7)おいてロータ11の回転方向が反転する場合には、モータ制御回路54からのオンオフ信号によって、モータ駆動回路53のスイッチ素子AH,AL,BH,・・・がスイッチング動作するが、モータ制御回路54は、MOSFETであるスイッチ素子AH,AL,BH,・・・の動作遅れにより各スイッチ直列回路53A,53B,53Cにおける上下段のスイッチ素子が共にオンして貫通電流が流れないようにするため、上段側と下段側のスイッチ素子にオフ信号を出力してから所定のデッドタイムが経過した後で(全てのスイッチ素子AH,AL,BH,・・・を一旦オフした後で)、上段側と下段側の所定のスイッチ素子にオン信号を出力する。また、各制御モード(S4〜S7)では、モータ駆動回路53のスイッチ素子群AH,AL,BH,・・・のオンオフによりモータ10への駆動電流がPWM制御される。本実施形態のモータ10及びモータ回路50の動作は以上である。
Here, when switching from the normal control mode (S4) to the first to third emergency control modes (S5 to S7), or when the rotation direction of the
ところで、図11(A)に示すように、正極と負極の1対のブラシBr+,Br−をそれぞれ中性軸に配置して、ブラシBr+,Br−同士の間隔を電気角にして180度としたモータ(以下、「従来品1」という)の出力トルクを「1」とした場合に、上記第1〜第3非常制御モードにおける本実施形態のモータ10(図11(B)参照)の出力トルクは、概算でそれぞれ下記表1〜表3のようになる。
By the way, as shown in FIG. 11A, a pair of positive and negative brushes Br + and Br− are arranged on the neutral axis, and the distance between the brushes Br + and Br− is set to an electrical angle of 180 degrees. When the output torque of the motor (hereinafter referred to as “
図11(B)において、短絡していないハーネスに繋がるブラシの真下を通過する前後でコイル辺15Hに流れる電流の向きが反転すると仮定した場合、第1非常制御モードでは、短絡していない予備のブラシ40Cと第1のブラシ40Aとの間(第3角度γの範囲)のコイル辺15Hと、予備のブラシ40Cと第2のブラシ40Bとの間(第2角度βの範囲)のコイル辺15Hとで、電流の向きが逆向きになる。そして、表1に示すように、第1のブラシ40Aと予備のブラシ40Cとの間のコイル辺15H及び、第2のブラシ40Bと予備のブラシ40Cとの間でS極の界磁石22S側(電気角(180−α)の範囲)に入っているコイル辺15Hにより正トルクT1が発生し、第2のブラシ40Bと予備のブラシ40Cとの間でN極の界磁石22N側(電気角(180−γ)の範囲)に入っているコイル辺15Hにより逆向きの負トルクT2が発生する。全体としては正トルクT1が優っており、正トルクT1から負トルクT2を差し引くと、第1非常制御モードでは、従来品1のモータの約13.3%の正トルクを出力可能になっている。
In FIG. 11B, when it is assumed that the direction of the current flowing through the
同様に、第2非常制御モードでは、図11(B)において、第1のブラシ40Aと第2のブラシ40Bとの間(第1角度αの範囲)のコイル辺15Hと、第1のブラシ40Aと予備のブラシ40Cとの間(第3角度γの範囲)のコイル辺15Hとで、電流の向きが逆向きになる。そして、表2に示すように、第1のブラシ40Aと第2のブラシ40Bとの間のコイル辺15Hと、第1のブラシ40Aと予備のブラシ40Cとの間のコイル辺15Hとにより正トルクT1が発生する。これら正トルクT1を合計すると、第2非常制御モードでは、従来品1のモータの約76.2%の正トルクを出力可能になっている。
Similarly, in the second emergency control mode, in FIG. 11B, the
同様に、第3非常制御モードでは、図11(B)において、第1のブラシ40Aと第2のブラシ40Bとの間(第1角度αの範囲)のコイル辺15Hと、第2のブラシ40Bと予備のブラシ40Cとの間(第2角度βの範囲)のコイル辺15Hとで、電流の向きが逆向きになる。そして、表3に示すように、第1のブラシ40Aと第2のブラシ40Bとの間のコイル辺15H及び、第2のブラシ40Bと予備のブラシ40Cとの間でN極の界磁石22N側(電気角(180−γ)の範囲)に入っているコイル辺15Hにより正トルクT1が発生し、第2のブラシ40Bと予備のブラシ40Cとの間でS極の界磁石22S側(電気角(180−α)の範囲)に入っているコイル辺15Hにより、逆向きの負トルクT2が発生する。全体としては正トルクT1が優っており、正トルクT1から負トルクT2を差し引くと、第3の非常制御モードでは、従来品1のモータの約44.4%の正トルクを出力可能になっている。
Similarly, in the third emergency control mode, in FIG. 11B, the
このように、本実施形態のモータ10では、第1のブラシ40Aと第2のブラシ40Bとの他に予備のブラシ40Cを備え、第1のブラシ40Aと第2のブラシ40Bの間隔を電気角で180度以外(具体的には、第1のブラシ40AからCCW方向に160度)とし、コンミュテータ13のうち第1と第2のブラシ40A,40Bの接触位置が電気角で180度以上離れた部分であって第1及び第2のブラシ40A,40Bとの間隔が共に180度以外になる位置(具体的には、第2のブラシ40BからCCW方向に80度離れた位置)に予備のブラシ40Cが接触するように配置して、任意の2種類のブラシを直流電源92を接続することでモータ10を駆動可能とした。これにより、第1のブラシ40Aと第2のブラシ40Bとのうち、一方が失陥した場合でも、失陥していない方のブラシと予備のブラシ40Cとを直流電源92に接続することでモータ10に駆動電流を供給することができ、モータ10を駆動可能となる。
Thus, in the
また、本実施形態のモータ回路50によれば、モータ10のブラシ40A,40B,40Cに接続された3本のハーネス55A,55B,55Cのうち、何れか2本が短絡した場合には、それら短絡したハーネスに接続された2つのブラシを直流電源の一方の電極に接続し、短絡していない残り1つのブラシを直流電源の他方の電極に接続して、3つのブラシ40A,40B,40Cによってモータ10に駆動電流を付与する。これにより、ハーネス55A,55B,55Cの短絡に伴う直流電源92の破損を防ぐことができる。また、短絡した2つのブラシの一方と残りの1つのブラシとの間及び、短絡した2つのブラシの他方と残りの1つのブラシとの間では、互いに逆向きの電流が流れて互いに逆向きのトルクが発生する(図8参照)こともあり得るが、それら逆向きのトルク同士が釣り合って出力トルクが「0」になることはない(表1〜表3参照)。これにより、ハーネスが短絡した場合でも、モータ10を任意の方向に確実に回転させることができる。
Further, according to the
ここで、1対のブラシに接続されたハーネス同士が短絡した場合に備えて、ブラシとハーネスとを2対ずつ設けておく構成も考えられるが、このような構成では、ブラシ群1つ当たりのブラシ数が4個となって本実施形態より1個増加するだけでなく、ブラシをスイッチングするためのスイッチ素子も8個必要になって本実施形態より2個増加し、更に、ハーネスも4本必要となって本実施形態より1本増加する。従って、本実施形態の方が部品コストを大幅に抑えることができる。 Here, in preparation for a case where the harnesses connected to the pair of brushes are short-circuited, a configuration in which two pairs of brushes and harnesses are provided is also conceivable, but in such a configuration, per brush group is considered. Not only is the number of brushes increased to 4 and increased by 1 from the present embodiment, but 8 switching elements for switching brushes are required, which is increased by 2 from the present embodiment, and 4 harnesses. It becomes necessary and increases by one from the present embodiment. Therefore, the part cost can be significantly reduced in the present embodiment.
次に、このモータ10を使用した電動パワーステアリング装置100について説明する。図12に示すように、この電動パワーステアリング装置100は、車両110に備えた1対の転舵輪101,101の間に差し渡された転舵輪間シャフト102と、その転舵輪間シャフト102の外側を覆ったシャフトケース103とを備えている。転舵輪間シャフト102の両端は、タイロッド102T,102Tを介して各転舵輪101,101に連結され、シャフトケース103は、車両110の本体に固定されている。また、転舵輪間シャフト102の中間部分にはラック(図示せず)が形成され、シャフトケース103の中間部を側方から貫通したピニオン(図示せず)がこのラックに噛合している。
Next, an electric
ピニオンの上端部にはインターミディエートシャフト105(以下、「インタミシャフト105」という)が連結され、そのインタミシャフト105の上端部にはステアリングシャフト106が連結され、さらにそのステアリングシャフト106の上端部にはハンドル107が連結されている。そして、インタミシャフト105とステアリングシャフト106との連結部分に、減速機構108を介してモータ10のロータ11が連結されている。また、ステアリングシャフト106には、舵角センサ111とトルクセンサ112とが取り付けられ、ハンドル107の操舵角θ1を検出すると共に、ステアリングシャフト106にかかる操舵トルクTfを検出している。さらに、転舵輪101の近傍には、転舵輪101の回転に基づいて車速V1を検出するための車速センサ113が設けられている。そして、モータ駆動制御回路51が、舵角センサ111、トルクセンサ112及び車速センサ113の検出信号に基づいた運転状況に応じてモータ10を駆動し(図3参照)、これにより運転者によるハンドル操作をモータ10の出力トルク(アシストトルク)で補助して転舵輪101,101を転舵することができる。
An intermediate shaft 105 (hereinafter referred to as “
このように、本実施形態の電動パワーステアリング装置100によれば、上述したモータ回路50を有しモータ10を駆動源として備えているので、ブラシ40A,40B,40Cに接続された3本のハーネス55A,55B,55Cの何れか2本が短絡した場合には、通常時より小さいアシスト力になるがハンドル操舵を補助することができる。また、ハンドル操舵時にモータ10が発電機として機能してハンドル操舵を妨げるという事態も回避することが可能になる。
As described above, according to the electric
[第2実施形態]
本実施形態は、第1、第2及び予備のブラシ40A,40B,40Cの配置を、前記第1実施形態とは異ならせたものである。具体的には、図13(A)に示すように、第1角度αと第3角度γとが共に電気角にして160度であり、第2角度βが電気角にして40度になっている。その他の構成については上記第1実施形態と同じであるため、同じ構成については、同一符号を付し、重複する説明は省略する。
[Second Embodiment]
In the present embodiment, the arrangement of the first, second, and
前記従来品1(図11(A)参照)の出力トルクを「1」とした場合、第1非常制御モードになったときの本実施形態のモータ10(図11(B)参照)の出力トルクは、概算で下記表4のようになり、第2非常制御モードになったときのモータ10の出力トルクは、概算で下記表5のようになり、第3非常制御モードになったときのモータ10の出力トルクは、概算で下記表6のようになる。このように、本実施形態の構成でも上記第1実施形態と同等の効果を奏する。
When the output torque of the conventional product 1 (see FIG. 11 (A)) is “1”, the output torque of the motor 10 (see FIG. 11 (B)) of the present embodiment when the first emergency control mode is entered. Is roughly as shown in Table 4 below, and the output torque of the
[第3実施形態]
本実施形態は、第1、第2及び予備のブラシ40A,40B,40Cの配置を、前記第1及び第2実施形態とは異ならせたものである。具体的には、図13(B)に示すように、第1角度αが電気角にして140度、第2角度βが電気角にして90度、第3角度γが電気角にして130度になっている。その他の構成については上記第1実施形態と同じである。
[Third Embodiment]
In the present embodiment, the arrangement of the first, second, and
前記従来品1(図11(A)参照)の出力トルクを「1」とした場合、第1非常制御モードになったときの本実施形態のモータ10の出力トルクは、概算で下記表7のようになり、第2非常制御モードになったときのモータ10の出力トルクは、概算で下記表8のようになり、第3非常制御モードになったときのモータ10の出力トルクは、概算で下記表9のようになる。このように、本実施形態の構成でも、上記第1及び第2実施形態と同等の効果を奏する。
When the output torque of the conventional product 1 (see FIG. 11 (A)) is “1”, the output torque of the
[他の実施形態]
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下に説明するような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。
[Other Embodiments]
The present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, the embodiments described below are also included in the technical scope of the present invention, and various other than the following can be made without departing from the scope of the invention. It can be changed and implemented.
(1)前記第1実施形態では、通常制御モードにおいて、最もブラシ間隔の大きい第1のブラシ40Aと第2のブラシ40Bとで駆動電流を給電していたが、通常制御モードにおいて、2番目にブラシ間隔が大きい第1のブラシ40Aと予備のブラシ40C又は、最もブラシ間隔が小さい第2のブラシ40Bと予備のブラシ40Cとで駆動電流を給電してもよい。
(1) In the first embodiment, the drive current is supplied by the
(2)前記実施形態では、第1、第2及び予備のブラシ40A,40B,40Cからなるブラシ群41を2つ備えていたが、例えば、界磁石22S,22Nの極数に応じてブラシ群41を1つにしてもよいし、3つ以上にしてもよい。
(2) In the above-described embodiment, the two
(3)第1、第2及び予備のブラシ40A,40B,40Cのブラシ間隔である第1角度α、第2角度β、第3角度γは、前記実施形態の値に厳密に一致していなくてもよく、略一致していればよい。また、前記実施形態の値に限定するものではなく、例えば、第1角度α、第2角度β、第3角度γを順に、略170度、略40度、略150度にしてもよいし、全て略120度になるようにしてもよい。
(3) The first angle α, the second angle β, and the third angle γ, which are the brush intervals of the first, second, and
(4)モータ10の極数(界磁石の個数)及びスロット数は、特に限定するものではなく、4極22スロット、4極24スロット、6極8スロット等のモータ10に本発明を適用してもよい。また、コンミュテータ13におけるセグメント13Tの数も22個に限定するものではなく、例えば、12個でもよい。
(4) The number of poles (number of field magnets) and the number of slots of the
(5)前記実施形態では、電機子巻線15の巻線方式が「重ね巻」であったが「波巻」でもよい。 (5) In the above-described embodiment, the winding method of the armature winding 15 is “lap winding”, but may be “wave winding”.
(6)前記実施形態では、本発明に係るモータ回路50を電動パワーステアリング装置100に搭載していたが、車両110の電動スライドドア装置や、パワーウインド装置に本発明に係るモータ回路50を搭載してもよい。
(6) In the above-described embodiment, the
10 ブラシ付きDCモータ
11 ロータ
12 ステータ
13 コンミュテータ
15 電機子巻線
15H コイル辺
16 スロット
22S,22N 界磁石
40A 第1のブラシ
40B 第2のブラシ
40C 予備のブラシ
41 ブラシ群
50 モータ回路
53 モータ駆動回路
53S 電流センサ(短絡検出手段)
54 モータ制御回路(制御部)
55A,55B,55C ハーネス(給電ライン)
92 直流電源
100 電動パワーステアリング装置
AH,AL,BH,BL,CH,CL スイッチ素子
DESCRIPTION OF
54 Motor control circuit (control unit)
55A, 55B, 55C Harness (feed line)
92
Claims (3)
前記1対のブラシの間隔を電気角で180度以外としかつ、前記コンミュテータのうち前記1対のブラシの接触位置が電気角で180度以上離れた部分であって前記1対のブラシとの間隔が電気角で180度以外になる位置に接触する予備のブラシを設け、前記1対のブラシ及び前記予備のブラシのうち任意の2種類のブラシに直流電源を接続して駆動可能としたことを特徴とするブラシ付きDCモータ。 Among the magnets arranged so that the N pole and the S pole are alternately repeated in the circumferential direction of the stator, the minimum angle between the magnets of the same polarity and the brushes of the same potential among the brushes in contact with the commutator When the minimum angle is 360 degrees as one period of electrical angle, the interval between a pair of brushes of different polarities adjacent in the circumferential direction is 180 degrees in electrical angle. In addition, in a brushed DC motor in which windings are arranged on the rotor so as to maximize the output torque,
The distance between the pair of brushes is other than 180 degrees in electrical angle, and the contact position of the pair of brushes in the commutator is a part separated by 180 degrees or more in electrical angle, and the distance between the pair of brushes A spare brush that comes in contact with a position where the electrical angle is other than 180 degrees is provided, and a DC power source is connected to any one of the pair of brushes and the spare brush to enable driving. DC motor with brush as a feature.
1対のスイッチ素子を直列接続してなるスイッチ直列回路を、前記直流電源の正負の電極間に3つ並列接続し、前記各スイッチ直列回路における前記スイッチ素子の共通接続部分を前記1対のブラシ及び前記予備のブラシに接続する3つの給電ラインを有するモータ駆動回路と、
前記モータ駆動回路を制御する制御部とを有したモータ回路であって、
前記1対のブラシの前記給電ライン同士の短絡を検出するための短絡検出手段を備え、
前記制御部は、通常は、前記1対のブラシを前記直流電源の1対の電極に接続しかつ前記予備のブラシを前記直流電源から切り離すように前記スイッチ素子群を制御し、前記短絡検出手段が短絡を検出したときには、前記1対のブラシを共に前記直流電源の一方の電極から切り離して他方の電極に接続しかつ前記予備のブラシを前記直流電源の一方の電極に接続するように前記スイッチ素子群を制御することを特徴とするモータ回路。 A brushed DC motor according to claim 1;
Three switch series circuits formed by connecting a pair of switch elements in series are connected in parallel between the positive and negative electrodes of the DC power supply, and a common connection portion of the switch elements in each switch series circuit is connected to the pair of brushes. And a motor drive circuit having three power supply lines connected to the spare brush,
A motor circuit having a control unit for controlling the motor drive circuit,
Short-circuit detecting means for detecting a short-circuit between the power supply lines of the pair of brushes,
The control unit normally controls the switch element group to connect the pair of brushes to a pair of electrodes of the DC power source and to disconnect the spare brush from the DC power source, and the short-circuit detecting means When the switch detects a short circuit, both the pair of brushes are disconnected from one electrode of the DC power supply and connected to the other electrode, and the spare brush is connected to one electrode of the DC power supply. A motor circuit for controlling an element group.
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