JP7381886B2 - 電動ベーンポンプシステム - Google Patents

Description

本発明は、作動油の油圧源として用いられるベーンポンプと、ベーンポンプを駆動するモータと、モータの回転速度を制御するコントロールユニットとを備えた電動ベーンポンプシステムに関するものである。

ＡＴ車やＣＶＴ車では、作動油や潤滑油の油圧源としてベーンポンプが搭載される。例えば特許文献１に開示される可変容量形ベーンポンプは、回転するロータから摺動可能に突出する複数のベーンと、ベーンの外周端部を摺接させてポンプ室を形成する同心円筒形状のカムリングと、ロータ、ベーンおよびカムリングを軸方向から挟持して吸入及びと吐出工程を制御するサイドプレートとを有する。

特に特許文献１の電動ベーンポンプシステムでは、ばね部材の弾発力をカムリングに伝達するホルダ内に、摺動可能に嵌挿されたピストンおよび容積室を形成している。そして、ピストンは容積室に設けられたばね部材の弾発力により伸び方向に押され、容積室には絞りを介してケーシングに連通されるようにするダンパ要素が設けられている。このような構成によれば、カムリングの偏心方向に設けられたばね部材とカムリング間に、従来の構造や寸法を大きく変えずにダンパ要素を設けることができる。このため、可変容量形ベーンポンプを安価でコンパクトとしつつ、カムリングの振動を抑制することが可能となると述べている。

特開２００８－００２３０４号公報

上述したように、ベーンポンプの内部には作動油や潤滑油が充填されている。ベーンポンプ始動の前の作動油や潤滑油は低温であるため、粘度が高く、始動時の粘性抵抗力が大きくなってピークが発生してしまう。また始動時には、粘性抵抗力に加え、潤滑油圧力および作動油圧力にもピークが発生する。ベーンポンプを駆動するモータにはこれらのピークをまかなう出力が求められるため、モータサイズが大きくなってしまい、コストが増大してしまうという課題があった。

本発明は、このような課題に鑑み、ベーンポンプ始動時にかかる力を低減することができ、ベーンポンプを駆動するモータの小型化、およびそのコストを削減することが可能な電動ベーンポンプシステムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明にかかる電動ベーンポンプシステムの代表的な構成は、作動油の油圧源として用いられるベーンポンプと、ベーンポンプを駆動するモータと、モータの回転速度を制御するコントロールユニットとを備え、コントロールユニットは、ベーンポンプを始動するときに、作動油の油圧が発生しない回転速度でベーンポンプのロータの回転を開始し、ベーンポンプの駆動トルクがピークを過ぎて定常駆動トルクに低下してから、ベーンポンプのロータの回転速度を作動油の油圧が発生する回転速度に上昇させることを特徴とする電動ベーンポンプシステムである。

上記構成によれば、コントロールユニットは、ベーンポンプを始動する際に、作動油の油圧が発生しない回転速度、すなわち低速でベーンポンプのロータを回転させる。すると、ベーンポンプには粘性抵抗力のみがかかることとなる。そして、コントロールユニットは、ベーンポンプの駆動トルクがピークを過ぎて定常駆動トルクに低下したら、ベーンポンプのロータの回転速度を作動油の油圧が発生する回転速度、すなわち高速に上昇させる。これにより、駆動トルクのピークは２段階に分散されるため、ベーンポンプの始動時にかかる力を低減することができる。その結果、ベーンポンプを駆動するモータの小型化、およびそのコストを削減することが可能となる。

上記作動油の油圧が発生しない回転速度とは、ベーンポンプの吐出口の位置においてベーンがカムリングの内壁に接触しない速度であるとよい。これにより、ベーンによる作動油の押し出しを抑制することができるため、駆動トルクをより確実に低減することが可能となる。

上記コントロールユニットは、ベーンポンプを始動後、所定時間経過したらベーンポンプの駆動トルクが前記定常駆動トルクに低下したと判断するとよい。これにより、駆動トルクを測定することなく、ベーンポンプ始動後に経過した時間によってその回転速度を制御することが可能となる。

上記ベーンポンプは平衡型であり、２つの循環経路のうち一方が作動油、他方が潤滑油で、作動油側の吐出口がロータの軸より上方に位置するとよい。かかる構成によれば、潤滑油よりも作動油の方が駆動トルクのピークが大きいため、作動油を先に吐出させることにより、駆動トルクの全体的なピークを抑制することができる。

本発明によれば、ベーンポンプ始動時にかかる力を低減することができ、ベーンポンプを駆動するモータの小型化、およびそのコストを削減することが可能な電動ベーンポンプシステムを提供することができる。

第１実施形態にかかる電動ベーンポンプシステムを説明する図である。 ベーンポンプの始動時の動きを説明する図である。 ベーンポンプの時間ごとの回転速度および駆動トルクを示す図である。 第１実施形態のベーンポンプの他の構成を説明する図である。 ベーンポンプの時間ごとの回転速度および駆動トルクを示す図である。 ベーンポンプの第２実施形態を説明する図である。 ベーンポンプの始動時の動きを説明する図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示または説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態にかかる電動ベーンポンプシステム（以下、ポンプシステム１００と称する）を説明する図である。図１に示すように、第１実施形態のポンプシステム１００は、ベーンポンプ１１０、モータ１３０およびコントロールユニット１４０を含んで構成される。モータ１３０は、ベーンポンプ１１０を駆動する動力であり、モータ１３０には、その回転速度を制御するコントロールユニット１４０が接続されている。ベーンポンプ１１０は、作動油や潤滑油（以下、単に油と称する）の油圧源として用いられる。なお、本実施形態では、平衡型のベーンポンプ１１０を例示するが、これに限定するものではなく、後述するように非平衡型のベーンポンプにも適用することができる。

ベーンポンプ１１０では、内周面がほぼ楕円形状のカムリング１１２の内部に、軸１１４ａを中心に回転可能なロータ１１４が配置されている。これにより、カムリング１１２とロータ１１４との間に２つのポンプ室１１２ａ・１１２ｂが形成される。ロータ１１４の溝１１４ｂには、遠心力によって進退可能に複数のベーン１１６が挿通されている。カムリング１１２には、作動油を外部に循環させるための吐出口１１８ａ・１２０ａおよび吸入口１１８ｂ・１２０ｂが形成されている。すなわちベーンポンプ１１０には、ポンプ室１１２ａ、吐出口１１８ａ、吸入口１１８ｂで構成される循環経路と、ポンプ室１１２ｂ、吐出口１２０ａ、吸入口１２０ｂで構成される循環経路が構成されている。

図２は、ベーンポンプ１１０の始動時の動きを説明する図である。図３は、ベーンポンプ１１０の時間ごとの回転速度および駆動トルクを示す図である。ここで、ベーンポンプ１１０を始動する際には、油の粘度が高いため、図３（ｂ）に示すように始動時の粘性抵抗力が大きくなってピークが発生する。

このとき、従来のように最初からベーンポンプ１１０を高速回転させると、遠心力によってベーン１１６が溝１１４ｂからポンプ室１１２ａ・１１２ｂに飛び出した状態となるため、粘性抵抗力のピークとほぼ同じタイミングで油圧力のピークも発生する。このため、ベーンポンプ１１０を所望のポンプ回転速度とするためには、始動時に大きな駆動トルクが必要となってしまう。

これに対し、本実施形態のポンプシステム１００では、コントロールユニット１４０によって、ベーンポンプ１１０の始動時の回転速度を２段階で制御する。詳細には、ベーンポンプ１１０を始動する前、すなわちベーンポンプ１１０が停止している状態では、図２（ａ）に示すように、複数のベーン１１６のうち、上側のベーン１１６は溝１１４ｂの中に入り込んだ状態となっている。下側のベーン１１６は重力によって溝１１４ｂから飛び出した状態になっている。

コントロールユニット１４０は、ベーンポンプ１１０を始動する際には、作動油の油圧が発生しない程度の低速の回転速度でベーンポンプ１１０のロータ１１４の回転を開始する。作動油の油圧が発生しない回転速度とは、換言すれば、ベーン１１６が遠心力によって飛び出さず、少なくとも吐出口１１８ａ・１２０ａの位置においてベーン１１６がカムリング１１２の内壁に接触しない速度である。停止時に下側にあって飛び出していたベーン１１６は、ポンプ室１１２ａと１１２ｂの間の幅が狭い領域を通過するときに溝１１４ｂの奥へと押し込まれる。これにより、図２（ｂ）に示すように、ベーンポンプ１１０のベーン１１６は、カムリング１１２の内壁との間に隙間を有したまま空転する。したがって、図３（ａ）に示すように、低速回転時にはベーンポンプ１１０には粘性抵抗力のみが発生する。

その後、コントロールユニット１４０は、粘性抵抗力による駆動トルクがピークを過ぎて定常駆動トルクに低下してから、ベーンポンプ１１０のロータ１１４の回転速度を作動油の油圧力が発生する程度の高速の回転速度に上昇させる。油圧力が発生する回転速度とは、換言すれば、図２（ｃ）に示すように遠心力によってベーン１１６が溝１１４ｂから飛び出た状態となり、ベーン１１６がカムリング１１２の内壁に接触する速度である。これにより、ポンプ室１１２ａ・１１２ｂ内の油が吐出口１１８ａ・１２０ａに運ばれる。

すると図３（ａ）に示すように、作動油の油圧力にもピークが発生するが、このときにはもう粘性抵抗力のピークは収まっている。２つのピークが重畳することがないので、駆動トルクの最大値を低く抑えることができる。

したがって、本実施形態のベーンポンプシステム１００によれば、駆動トルクのピークが２段階に分散されるため、ベーンポンプ１１０の始動時にかかる力を低減することができる。その結果、ベーンポンプ１１０を駆動するモータ１３０の小型化、およびそのコストを削減することが可能となる。

ここで、粘性抵抗力がピークを過ぎたか否か（いつ低速回転から高速回転に移行するか）については、センサ等を配置して駆動トルクを測定してもよいが、低速で回転させる時間を設定してもよい。すなわちコントロールユニット１４０は、ベーンポンプ１１０を始動後、所定時間経過したらベーンポンプ１１０の駆動トルクが定常駆動トルクに低下したと判断するとよい。これにより、駆動トルクを測定する場合よりも部品が少なく、また簡単な制御で発明の効果を得ることができる。

図４は、第１実施形態のベーンポンプ１１０の他の構成を説明する図である。図５は、ベーンポンプ１１０の時間ごとの回転速度および駆動トルクを示す図である。

図４（ａ）に示すように、循環経路１５２はポンプ室１１２ａ、吐出口１１８ａ、吸入口１１８ｂから構成されていて、循環経路１５４はポンプ室１１２ｂ、吐出口１２０ａ、吸入口１２０ｂから構成されている。循環経路１５２を通過する油を作動油として機能させ、循環経路１５４を通過する油を潤滑油として機能させる。すなわち、ベーンポンプ１１０に２対ある吐出口および吸入口をつなぐ２つの循環経路のうち、一方を作動油用とし、他方を潤滑油用としている。

図４（ａ）に示すベーンポンプ１１０を始動する際においても、コントロールユニット１４０は、まず作動油の油圧が発生しない程度の低速の回転速度でベーンポンプ１１０のロータ１１４の回転を開始して、粘性抵抗力がピークを過ぎるのを待つ制御を行う。停止時に下側にあって飛び出していたベーン１１６は、ポンプ室１１２ａと１１２ｂの間の幅が狭い領域を通過するときに溝１１４ｂの奥へと押し込まれる。これにより、図４（ｂ）に示すように、ベーンポンプ１１０のベーン１１６は、カムリング１１２の内壁との間に隙間を有したまま空転する。したがって、図５（ａ）に示すように、低速回転時にはベーンポンプ１１０には粘性抵抗力のみが発生する。

ここで、図５（ｂ）に最初から高速回転させた場合の従来例を示すように、ベーンポンプに作動油と潤滑油を接続する場合、油圧力は作動油圧力と潤滑油圧力の合計である。作動油圧力と潤滑油圧力を比較すると、作動油圧力の方がピークが大きい。

そこで本実施形態では、作動油側の吐出口１１８ａをロータ１１４の軸１１４ａより上方に配置している。図４（ｃ）に示すように、高速回転を開始した初期には、上側のベーン１１６は重力が下向きであるためまだ溝１１４ｂから突出しない。しかし下側のベーン１１６は遠心力に重力が加わるため、上側のベーン１１６より先に溝１１４ｂから突出した状態となる。その突出したベーン１１６によって循環経路１５２には循環経路１５４より先に油が供給される。

したがって、図５（ａ）に示すように、高速回転を開始した初期には、まず作動油圧力のピークが発生する。そして遠心力が重力の溝方向成分に優ると、図４（ｄ）に示すように上側のベーン１１６も突出し、全てのベーン１１６がカムリング１１２の内壁に接触する。こうして、作動油圧力がピークを過ぎた後に潤滑油圧力のピークが発生することとなり、ピークの発生タイミングをずらすことができる。このように、作動油側の吐出口１１８ａをロータ１１４の軸１１４ａより上方に配置することにより、駆動トルクのピークが大きい作動油を先に吐出させることができ、駆動トルクの全体的なピークを抑制することが可能となる。

（第２実施形態）
図６は、ベーンポンプの第２実施形態を説明する図である。図７は、ベーンポンプ２１０の始動時の動きを説明する図である。図６に示すベーンポンプ２１０は、非平衡型のベーンポンプである。カムリング２１２は円筒状で、カムリングの中心２１２とロータ１１４の軸１１４ａとが偏心して配置されている。またポンプ室２１２ａは、下側では幅が狭く、上側では幅が狭くなっている。

ベーンポンプ２１０を始動する前、すなわちベーンポンプ２１０が停止している状態では、図７（ａ）に示すように、複数のベーン１１６のうち、側方および下側のベーン１１６は溝１１４ｂから飛び出した状態になっている。上側のベーン１１６は重力によって溝１１４ｂに収容された状態となっている。

コントロールユニット１４０は、ベーンポンプ２１０を始動する際には、作動油の油圧が発生しない程度の低速の回転速度でベーンポンプ２１０のロータ１１４の回転を開始する。これにより、図７（ｂ）に示すように、ベーンポンプ２１０のベーン１１６は、ポンプ室２１２ａの下側の幅が狭い領域において溝１１４ｂに押し込まれる。したがって、ベーンポンプ２１０には粘性抵抗力のみが発生する。

その後、コントロールユニット１４０は、ベーンポンプ２１０の駆動トルクがピークを過ぎて定常駆動トルクに低下してから、ベーンポンプ２１０のロータ１１４の回転速度を作動油の油圧である油圧力が発生する程度の高速の回転速度に上昇させる。これにより、図７（ｃ）に示すように、ポンプ室２１２ａの上側の幅が広い領域では、遠心力によってベーン１１６が溝１１４ｂから飛び出た状態となり、ベーン１１６がカムリング１１２の内壁に接触し、ポンプ室１１２ａ内の油が吐出口１１８ａに運ばれる。そして、ベーンポンプにおいて作動油圧力が発生する。

上記説明したように、第２実施形態のベーンポンプ２１０においても駆動トルクのピークが２段階に分散されるため、ベーンポンプ２１０の始動時にかかる力を低減することができる。したがって、本発明の電動ベーンポンプシステムによれば、平衡型のベーンポンプ１００および非平衡型のベーンポンプ２００のいずれにおいても同様の効果を得ることが可能である。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、作動油の油圧源として用いられるベーンポンプと、ベーンポンプを駆動するモータと、モータの回転速度を制御するコントロールユニットとを備えた電動ベーンポンプシステムに利用することができる。

１００…ポンプシステム、１１０…ベーンポンプ、１１２…カムリング、１１２ａ、１１２ｂ…ポンプ室、１１４…ロータ、１１４ａ…軸、１１４ｂ…溝、１１６…ベーン、１１８ａ、１２０ａ…吐出口、１１８ｂ、１２０ｂ…吸入口、１３０…モータ、１４０…コントロールユニット、１５２、１５４…循環経路、２１０…ベーンポンプ、２１２…カムリング、２１２ａ…ポンプ室

Claims (4)

1. 作動油の油圧源として用いられるベーンポンプと、
   前記ベーンポンプを駆動するモータと、
   前記モータの回転速度を制御するコントロールユニットとを備え、
   前記コントロールユニットは、
   前記ベーンポンプを始動するときに、作動油の油圧が発生しない回転速度で該ベーンポンプのロータの回転を開始し、
   前記ベーンポンプの駆動トルクがピークを過ぎて定常駆動トルクに低下してから、該ベーンポンプのロータの回転速度を前記作動油の油圧が発生する回転速度に上昇させることを特徴とする電動ベーンポンプシステム。
2. 前記作動油の油圧が発生しない回転速度とは、前記ベーンポンプの吐出口の位置においてベーンがカムリングの内壁に接触しない速度であることを特徴とする請求項１に記載の電動ベーンポンプシステム。
3. 前記コントロールユニットは、前記ベーンポンプを始動後、所定時間経過したら該ベーンポンプの駆動トルクが前記定常駆動トルクに低下したと判断することを特徴とする請求項１または２に記載の電動ベーンポンプシステム。
4. 前記ベーンポンプは平衡型であり、２つの循環経路のうち一方が作動油、他方が潤滑油で、作動油側の吐出口がロータの軸より上方に位置することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電動ベーンポンプシステム。

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