JP2006514530A - 電動機 - Google Patents

Abstract

とりわけ内燃機関用の始動装置である電動機が提案されている。ここでは、負の温度係数を有し電流を制限する電気抵抗（５７）が、該電動機（１６）の電磁的に励磁される回転子（５３）の主電流路（４９）に前置接続される。ここでは、該電気抵抗（５７）は少なくとも単結晶の半導体を含んでいる。

Description

従来技術
内燃機関用のスタータは、基本的に電動機から成る。この電動機は、減速伝動装置を介して内燃機関のクランクシャフトに作用し、該クランクシャフトをたとえば０．５〜１秒以内に、典型的には２００ｒｐｍを超える回転数まで加速させる。そのために必要な電力は、小型のガソリンエンジンでは１ｋＷ未満から、大型のディーゼルエンジンでは４ｋＷ以上にも及ぶ。そのためには短時間で、数百Ａから１０００Ａを超える極度に高い電流が必要とされ、バッテリーの制限された固定的な内部抵抗に起因してスタータ回路全体の抵抗は総じて低いので、バッテリー電圧は、たとえば１２Ｖから３Ｖまで降下する。これによって、自動車に設けられた大部分の電子装置が短時間欠落してしまうことがある。

スタータと別の車両コンポーネントとのこのような相互作用は、走行開始時の１回の作動時だけではほとんど重大ではないが、いわゆるスタート‐ストップモードの際に始動を繰り返す場合、車載電源網の電圧降下の影響は許容できるものではなく、特定の状況下では安全上クリティカルでさえある。このような影響を低減するために、前記のような車載電源網の電圧降下を回避ないしは阻止するための種々のストラテジーが考えられる。このような手段に属する例は、２つのバッテリーを有する車載電源網である。これはたとえば、ＤＥ‐ＯＳ４１３８９４３から公知である。別の手段に、いわゆるＭＯＳＦＥＴスイッチによるスタート電流の調整が挙げられる。しかし、これらの手段にかかる手間は、車載電源網やスタータに甚大な手間がかかることにも繋がる。

小型モータ構成ないしは車両における小型モータの適用から、該小型モータの始動電流を制限するために負の温度係数を有する抵抗、いわゆるＮＴＣ抵抗を、該小型モータの電磁的にアクティブな部分に前置接続することが公知である。その際には、小型モータのスイッチオン後、ＮＴＣ抵抗は電流負荷と初めのうちは高い抵抗とによって大きく加熱される。この抵抗の負の温度係数によって、該抵抗が低減されると同時に抵抗の損失電力も低減され、定常モード時の損失も小さくなる。ＤＥ４１２２２５２Ａ１から、ＮＴＣ抵抗を有するこのような回路が公知である。ここでは始動装置の副電流路に、いわゆるＮＴＣ抵抗が挿入される。ここで開示されたＮＴＣ抵抗は、電動機の主電流路に対して並列接続されると同時に、並列接続されたスタータリレーのシフトコイルおよび保持コイルに対して直列接続される。これによって、始動時に電流負荷が調整される。

市販のＮＴＣ抵抗、すなわち負の温度係数を有する抵抗は、セラミック基板を基礎とするか、または比較的小さい電流容量を有する半導体のセラミックスから成る基板を基礎とする。約１０００Ａの領域での適用は、このような構成素子では有利でない場合がある。というのもこのような場合、この構成素子は極度に大きくしなければならないことがあり、これによって、場合によっては不安定になるおそれがあるからだ。このようなＮＴＣ抵抗は、幾何的にも通常の始動装置に対して過度に大きい場合がある。

スタータの運転時の車載電源網における最大電圧降下は、バッテリーの内部抵抗と、スタータ電動機の電機子巻線のオーム抵抗と、炭素ブラシにおける電圧降下とによって決定される。このような運転ケースは、スタータが通電されているにもかかわらず該スタータの回転子が未だ回転しない瞬間に発生する。この瞬間は短絡点とも称され、その際に流れるのが短絡電流である。回転数が高くなるにつれ、スタータの巻線で誘導される電圧が電流を低減させ、ひいては車載電源網電圧における電圧降下を低減させる。

本発明の課題は、電流とりわけ短絡電流を制限すると同時に、空転モード時の損失電力を低くするかないしは最小にすることである。このような電流制限は、最小の手間で実現し、スタータの構成部分でなくてはならない。前記課題の解決手段は、独立請求項の特徴の組み合わせを有する電動機をスタータとして使用することである。

本発明の利点
独立請求項の特徴を有する本発明の電動機ないしは電気機器は、特に有利には内燃機関用の始動装置として使用され、次の利点を有する。すなわち、とりわけ負の適切な温度係数を有する電気抵抗を、始動装置の電動機の電磁的に励磁される回転子の主電流路に配置することによって、いわゆる短絡電流ひいては車載電源網電圧降下が有利に制限されると同時に、空転モード時の損失電力が最小になるという利点を有する。有利には、とりわけ負の適切な温度係数を有するこの電気抵抗は、単結晶の半導体として形成される。こうすることにより、ＮＴＣ抵抗とも称される抵抗において、妥当な構成サイズないしは小さな構成サイズを実現することができる。

従属請求項に記載された構成によって、独立請求項に記載された始動装置を有利に発展することができる。比較的高い真性電荷密度および適切なバンドギャップを有する材料から成る単結晶の半導体を選択すると、非常に小さい容積で非常に低い抵抗を有するＮＴＣ抵抗を実現できると同時に、高温状態で真性電荷密度および電荷移動度を可能な限り高くすることができる。特に適しているのは、III-V族の半導体から成るＮＴＣ抵抗であることが判明している。この半導体には、たとえばＩｎＳｂおよびＩｎＡｓが含まれている。

本発明の特に有利な構成では、ＮＴＣ抵抗をシリコンベースで、しかも単結晶状態で製造する。こうすることにより、スタータの始動時に車載電源網の電圧降下を低減できると同時に空転モード時の損失電力を最小にできるという既述の利点の他に、従来のシリコン技術に基づいて機能性を簡単に表現することができるという利点も得られる。これによって、大幅なコスト削減を実現することができる。

本発明の別の有利な構成では、ＮＴＣ抵抗をシリコンベースで製造し、単結晶の領域と少なくとも１つの多結晶の領域とを設ける。適切な層構成および適切なドーピングプロフィールによって、抵抗の温度依存性を調整し、設定可能な温度領域で抵抗の格段に大きな変動を実現することができる。

さらに特に重要なことは、周辺とのＮＴＣ抵抗の熱結合の選択である。これによって、確実にＮＴＣ抵抗が所望の時間で十分に加熱されると同時に、コンタクト場所のオーム抵抗が可能な限り低くなるようにしなければならない。

ＮＴＣ抵抗を特に効果的に配置するためには、該ＮＴＣ抵抗を２つの導体間に材料接続的に固定する。こうすることにより、これら２つの導体と該抵抗との間に大面積のコンタクト場所が確保される。すなわち、接触抵抗が特に低くなる。ＮＴＣ抵抗および該ＮＴＣ抵抗と導体との間のコンタクト場所を、環境ないしは周辺の影響から可能な限り保護するためには、抵抗および２つの導体から成るこのアセンブリは保護カバーによって包囲される。とりわけ、該保護カバーは蓋である。

図面
図面の図に、本発明の始動装置および所属の抵抗の実施例が示されている。

図１ ＮＴＣ抵抗が本発明にしたがって配置された始動装置の基本的構成を示している。

図２ リレーケーシングの一部を示した図である。

図３ ＮＴＣボルトの断面図である。

図４ ＮＴＣ抵抗と導体との接続の第２の実施例を示している。

図５ ＮＴＣ抵抗が組み込まれたスイッチ蓋の斜視図である。

図６ 単結晶シリコンから成る本発明の抵抗ないしは電流制限構成素子の層構成の一例を示している。

図７ 図６に示された構成素子のドーピング剤プロフィールを示している。

図８ 多結晶シリコンから成る領域を有し単結晶シリコンから成る本発明の抵抗ないしは電流制限構成素子の層構成の一例を示している。

図９ 異なる電流密度で、本発明の電流制限構成素子の抵抗の温度依存特性の一例を示した図である。

説明
図１には、始動装置１０の基本的構成が示されている。この始動装置１０はこの実施例では、減速伝動装置を有するいわゆるピニオンシフト式スタータとして構成されている。ここではいわゆる遊星歯車装置として構成されている前記の減速伝動装置１３の他に、該始動装置１０はさらに電動機１６を有する。この電動機１６の駆動軸１９は、減速伝動装置１３の太陽歯車２１を駆動する。電動機１６の駆動力は通常、太陽歯車２１から遊星歯車２２を介して、遊星枠２３に結合された駆動軸２４へ伝達される。この駆動軸２４はいわゆる急傾斜ねじ山（Steilgewinde）２６を有しており、この急傾斜ねじ山２６に噛み合い伝動装置２８の急傾斜雌ねじ山（Innensteilgewinde）が係合される。さらに噛み合い伝動装置２８は、フリーホイール２９および駆動ピニオン３２から成る。駆動ピニオン３２は通常、冠歯車３１に嵌合され、この冠歯車３１を介して該始動装置の駆動トルクは、内燃機関のここに図示されていないクランクシャフトに伝達される。

噛み合い伝動装置２８は、レバー３３によって冠歯車３１に嵌合される。このレバー自体はシフトリレー３５によって操作され、スタータ電動機電流もシフトリレー３５によって接続される。このために始動スイッチ３７が接続されており、これによってスタータバッテリー３９からまず、比較的低い電流がシフトコイル４１および保持コイル４２を流れる。これによって、ここに図示されていないストローク電機子が両コイルに挿入される。ここに図示されていないストローク電機子は、シフトロッド４４に結合されている。このシフトロッド４４は、レバー３３を操作するために使用される。最後に、ストローク磁石の引き込み運動によってコンタクトブリッジ４７も運動し、主電流路４９がスタータバッテリー３９から公知の端子３０を介して、コンタクトブリッジ４７を介して、スタータ電動機１６の電磁的に励磁される部分へ流れる。

図１に示された実施例において、電動機１６の電磁的に励磁される部分は、一方では電動機１６のステータに設けられた極巻線５１であり、他方ではロータ５３のロータ巻線である。このロータ巻線は詳細には示されておらず、該ロータ巻線には、ブラシ５５および整流子５６を介して電流が流される。本発明の構成では、負の温度係数を有する抵抗５７が主電流路４９に挿入される。この抵抗５７は温度に依存することから、ＮＴＣ抵抗とも称される。該抵抗が負の抵抗を有するということは、温度が上昇すると抵抗値が低減することを意味する。このようなＮＴＣ抵抗５７は、本発明では単結晶の半導体である。この単結晶の半導体はその大きさから、１０００Ａ〜１５００Ａのオーダにある電動機１６の高い電流を通すことができる。したがってこのＮＴＣ抵抗は、スタータ装置１０において適用するのに適している。

単結晶の半導体材料の固有抵抗は、所望の温度依存性を有するだけでなく、該半導体が所要の電流を通す程度に可能な限り低くなければならない。そのため、適切な特性を有する単結晶の半導体が使用される。ここで最も適しているのは、真性半導体である。この真性半導体は、温度がＴ＝０Ｋである場合には導電性でないが、有限の温度では熱励起に起因して導電性になる自己導電性の半導体である。有限の温度では、電子がバンドギャップを超えて熱励起され、幾つかの電子が伝導帯に到達する。その際に欠けた電子は価電子帯に、正に帯電された空隙ないしはいわゆる正孔を残す。電子も正孔も、電界が印加されると電流を伝導する。

温度に依存する所望の導電性ないしは温度に依存する所望の抵抗特性を達成するためには、高い真性電荷密度と所定の電荷移動度と適切に小さいバンドギャップ（エネルギーギャップ）とを兼ね備える真性半導体が使用される。バンドギャップとはここでは、伝導帯と価電子帯との間のエネルギー差を意味する。このような適切なバンドギャップの典型的な値は、０．２〜０．６電子ボルト（ｅＶ）である。

可能な限り小容積でありかつ比較的高い温度で抵抗が小さくなるＮＴＣ抵抗を実現できるようにするためには、真性電荷密度、ないしは高温ないしは比較的高温の状態での電荷密度は、可能な限り高くなければならない。電荷移動度も可能な限り高くなくてはならない。適切なバンドギャップ（エネルギーギャップ）の典型的な値は０．２〜０．６電子ボルト（ｅＶ）であり、真性電荷密度の典型的な値は１０^１５〜１０^１６ｃｍ^−３であり、電荷移動度の典型的な値は３×１０^４〜７×１０^４ｃｍ^２／Ｖｓである。

ＮＴＣ抵抗５７に適した材料は、主にIII-V族半導体であることが判明した。このIII-V族半導体には、たとえばインジウム元素およびアンチモン元素（ＩｎＳｂ）が含まれるか、またはインジウム元素および砒素元素（ＩｎＡＳ）が含まれる。一般的には、ゲルマニウム（Ｇｅ）を半導体材料として使用できる場合もある。図６〜９に示された実施例と関連して再び説明するが、シリコンも半導体材料として使用することができる。その際には、特別な条件を満たさなければならない。

いわゆる半導体から形成され特別な温度依存性を有するＮＴＣ抵抗５７、スタータリレー３５および接続接合技術は、主電流路５９の抵抗がスタータの通電時に、最初の１０ミリ秒で１０ミリオーム（ｍΩ）となり、その後、０．５ｍΩ未満の値に降下するように選択される。このようにすると、車載電源網電圧の電圧降下が、１２Ｖスタータバッテリー３９の場合には約９Ｖに制限され、かつ、損失電力が１０％を大きく下回って制限される。スタータのスイッチオン後に電流ないしは車載電源網電圧のこのような特性が実現されるのは、電流を流すことによってスタータに電圧が印加された直後は、このような半導体抵抗は未だ低温であるため、該半導体抵抗の導電性は低く、ないしは該半導体抵抗の固有抵抗は高いからである。その後に流れる電流によって、真性半導体抵抗は加熱され、該真性半導体抵抗の導電性は上昇され、ないしは該真性半導体抵抗の抵抗は低減される。これによって、スタータ主電流路の抵抗全体も低減される。

図２に、シフトリレー３５の一部がプラス極側の接続部とともに示されている。シフトリレー３５の内部には、コンタクトブリッジ４７が示されている。シフトリレー３５はとりわけ蓋５９を有しており、この蓋５９がコンタクトブリッジ４７をカバーする。この蓋５９を貫通してボルト６２が突出しており、蓋５９ないしはシフトリレー３５の内部にある方の端部で面コンタクト６４を支持する。この面コンタクト６４は、ボルトヘッドのように形成されている。ボルト６２は雄ねじ山６６を有しており、この実施例ではこの雄ねじ山６６に、ＮＴＣ抵抗ユニット６９が固定される。このＮＴＣ抵抗ユニット６９は、図３の説明の枠内で詳細に説明する。ＮＴＣ抵抗ユニット６９のプラス側に、極片７１が固定されている。この極片７１はプラス側の端部で、接続ケーブル７２によってスタータバッテリー３９と電気的に接続されている。ここでは極片７１を固定するために、ナット７３が使用される。

図３は、ＮＴＣ抵抗ユニット６９を示している。この抵抗ユニット６９にはまず、ねじボルト８０が含まれている。このねじボルト８０はたとえば鋼から製造され、雌ねじ山８１を有する。この雌ねじ山８１によって、該抵抗ユニット６９はシフトリレー３５のボルト６２に固定される。このねじボルト８０に、本発明によって構成された温度依存性の単結晶半導体抵抗（ＮＴＣ抵抗）５７が、材料接続的に固定される。このねじボルト８３は、実際には６角頭ねじのように形成され、該ねじボルト８３には、すでに述べた極片７１がナット７３によって固定される。ここで図２を参照されたい。抵抗５７および前記２つの導体から成るこのユニットは、保護カバーによって包囲されており、たとえばプラスチック射出成形カバー８５によって包囲されている。

図４には、抵抗５７および２つの導体から成るユニットの第２の実施例が示されている。この抵抗５７はここでは、撓曲された２つの導体レール間に配置されているが、ここでも材料接続的固定法によって両導体レール８８に固定される。こうするためには抵抗５７を、それぞれ導体レールの脚面に固定する。この場合、図４に示されたこのユニットはターミナル３０端子として設けられるのではなく、むしろ、いわゆる公知のターミナル４５端子としてシフトリレー３５と電動機１６との間に設けられる。ターミナル３０端子およびターミナル４５端子という表示は、車載電源網において通常の端子表示である。

図５は、２つの導体レール８８および抵抗５７から成るユニットの相応の構成を示している。ここではこのユニットは、シフトリレー３５の大部分が蓋５９の蓋材料によって包囲されて両導体レール８８のうち一方のみがスイッチ蓋５９から突出するように、該シフトリレー３５に組み込まれている。最後に、これらの突出した導体レール８８にたとえば溶接によって、電動機１６に電気エネルギーを供給する導体が固定される。

図６には、電流制限構成素子ないしはＮＴＣ抵抗が単結晶のシリコン半導体を含む本発明の実施例が示されている。この抵抗の層構成は、以下のように説明される：高ドーピングの基板材料から成るチップ９０の片面に、該チップを確実に電気的接続するためのメタライゼーション部９１が設けられる。この高ドーピングの基板材料は、該チップを低抵抗でコンタクトし機械的に固定するためのものであり、たとえば、ｌｅ２０ｃｍ−３のｎ型ドーピング（ＡｓまたはＡｂ）された単結晶シリコンである。高ドーピングシリコンチップ９０上にはエピタクシー層９２が塗布され、このエピタクシー層９２上に再び、オームコンタクトのために単結晶シリコンから成る高ドーピングのコンタクト層９３が塗布される。メタライゼーション部９４によって、良好な電気的コンタクトが実現される。このメタライゼーション部には、可能な限り高濃度の砒素ドーピングまたはアンチモンドーピング（ＡｓまたはＳｂ）が施されており、該メタライゼーション部の厚さは、たとえば０．２〜０．５μｍである。前記砒素ドーピングまたはアンチモンドーピングは、たとえばｌｅ１９ｃｍ−３で行われる。

この構成部分では、温度依存性は熱的な切り替え作用に相応し、可能な限り低濃度でドーピングされたエピタクシー層９２によって実現される。この非常に低濃度でドーピングされたエピタクシー層９２の典型的なパラメータは、２〜１０μｍの間の厚さと、ｌｅ１４ｃｍ−３〜ｌｅ１５ｃｍ−３のドーピング剤濃度である。図７に、ドーピング経過の一例が示されている。

図８には、本発明の次のような実施例が示されている。すなわち、電流制限構成素子ないしはＮＴＣ抵抗が、非常に低濃度でドーピングされた図６のエピタクシー層９２の代わりに、非常に低濃度でドーピングされた多結晶シリコンを有する領域９５を含んでいる実施例が示されている。他の構成部分は、図６に示された構成部分に相応する。

上記の層構成を使用して、挙げられたパラメータを考慮することにより、図６と、特に図８とに示された電流制限構成素子の抵抗の温度依存性が所定の限界で、伝導すべき電流密度に依存して調整される。図９は、抵抗（単位：Ω／ｃｍ^２）と温度（単位：Ｋ）と電流密度（単位：Ａ／ｃｍ^２）との間の関係が示されている。ここでは、両端子ないしは電極のオームコンタクトが理想的になっていると仮定される。ここでは特定の温度領域で、２０の特に大きな切り替え変移（Schalthub）が達成されることが理解できる。この特に大きな切り替え変移は、電荷生成の小さな活性化エネルギーによって引き起こされる。すなわち５０℃未満の温度変化で、該抵抗は係数１００だけ変化する。

前記パラメータを選択および最適化することによって、抵抗の変動は、所定の領域内になるように選択される。たとえば急激な抵抗変動は、約２００℃の温度の場合には２０を超える。これによって電流制限構成素子は、温度が比較的低くなると電流を制限するようになり、比較的高い温度を超えると１００倍制限しにくくなる。スタータでこのような電流制限構成素子を使用することは、始動電流制限のために理想的となる。

多結晶シリコンを単結晶シリコンチップ上に沈着させることは、所定のパラメータを遵守すれば、シリコンのエピタキシャル成長より安価である。しかし多結晶シリコンは、電荷移動度が低くなるので、電気的抵抗をいくらか上昇させ、場合によっては、層厚さを大きくすることによって該電気的抵抗をなおも補償しなければならないという結果を引き起こす。構成素子の前記機能ないしは抵抗の前記の温度依存性を達成するためには、電荷密度を熱的に誘導して変化させることが基本である。さらに電荷寿命が温度に大きく依存することは、電荷注入が強い場合、低ドーピング領域において電子密度が大きく上昇することに繋がり、ひいては電気的抵抗が温度によって誘導されて大きく降下することにも繋がる。

本発明は、電動機における使用と関連して、たとえば車両のスタータの場合について記載されている。しかし一般的には、これに依存しない半導体の電気的抵抗の構成を、該電気的抵抗の設定可能な温度依存性を実現するために使用することができる。

ＮＴＣ抵抗が本発明にしたがって配置された始動装置の基本的構成を示している。 リレーケーシングの一部を示した図である。 ＮＴＣボルトの断面図である。 ＮＴＣ抵抗と導体との接続の第２の実施例を示している。 ＮＴＣ抵抗が組み込まれたスイッチ蓋の斜視図である。 単結晶シリコンから成る本発明の抵抗ないしは電流制限構成素子の層構成の一例を示している。 図６に示された構成素子のドーピング剤プロフィールを示している。 多結晶シリコンから成る領域を有し単結晶シリコンから成る本発明の抵抗ないしは電流制限構成素子の層構成の一例を示している。 異なる電流密度で、本発明の電流制限構成素子の抵抗の温度依存特性の一例を示した図である。

Claims (15)

1. 電動機であって、
   たとえば内燃機関用の始動装置であり、
   負の温度係数を有する電気抵抗（５７）が、該電動機（１６）の電磁的に励磁される回転子（５３）の主電流路（４９）に前置接続される形式のものにおいて、
   該電気抵抗（５７）は、少なくとも単結晶の半導体を含むことを特徴とする電動機。
2. 前記単結晶の半導体（９０，９３）は高ドーピングのシリコンから成り、低ドーピングが施され同様に単結晶である少なくとも１つの領域（９２）を有し、
   前記領域（９２）は、たとえばエピタクシーによって生成される、請求項１記載の電動機。
3. 領域（９０，９３）の高ドーピングは約ｌｅ２０ｃｍ−３であり、低ドーピングが施された領域（９２）は、ｌｅ１４ｃｍ−３〜ｌｅ１５ｃｍ−３の間のドーピング濃度を有するドーピングプロフィールが実現されている、請求項２記載の電動機。
4. ドーピングプロフィールは、構成部分の電気抵抗が、たとえば１５０〜２５０℃の設定可能な温度領域で小さい温度変化の場合に、たとえば係数１００までの大きな値だけ変化するように構成されている、請求項２記載の電動機。
5. 前記単結晶の半導体（９０，９３）は高ドーピングのシリコンから成り、多結晶のシリコンを含む少なくとも１つの領域（９５）を有する、請求項１記載の電動機。
6. 多結晶のシリコンを含む前記領域のパラメータは、構成部分の電気抵抗が、設定可能な温度領域で小さい温度変化の場合に、たとえば係数１００までの大きな値だけ変化するように選択されている、請求項５記載の電動機。
7. 前記設定可能な温度領域は、約２００℃の場合に抵抗の大きな変化を伴う、請求項６記載の電動機。
8. 前記単結晶の半導体は、高い真性電荷密度と設定可能なバンドギャップとを有する材料から成り、
   前記設定可能なバンドギャップは、たとえば小さい、請求項１記載の電動機。
9. 前記単結晶の半導体は、ゲルマニウム半導体である、請求項８記載の電動機。
10. 前記単結晶の半導体は化合物半導体であり、たとえばIII-V族半導体であり、有利にはＩｎＳｂ半導体またはＩｎＡｓ半導体である、請求項８記載の電動機。
11. 前記電気抵抗（５７）は、両面にメタライゼーション部（９１，９４）を有する、請求項１から１０までのいずれか１項記載の電動機。
12. 前記電気抵抗（５７）は、２つの導体（８０，８３，８８）間に材料接続的に固定される、請求項１から１１までのいずれか１項記載の電動機。
13. 前記電気抵抗（５７）および２つの導体（８０，８３，８８）から成るユニットは、保護カバー（８５）によって包囲されている、請求項１から１２までのいずれか１項記載の電動機。
14. 前記保護カバー（８５）は蓋（５９）である、請求項１から１３までのいずれか１項記載の電動機。
15. 温度依存性の抵抗において、
    設定可能な温度依存性を実現するために使用されることを特徴とする、請求項１から１４までのいずれか１項記載の構成による温度依存性の抵抗。

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