JP2010104194A - 電動モータ及びエンジン始動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】補助極付の電動モータにおける補助極の位置や寸法を最適化し、補助極設置の効果を最大限発揮させる。
【解決手段】エンジン始動装置の駆動源として使用される電動モータ２は、モータハウジング２１と、その内周面に取り付けられた複数個のマグネット２６と、マグネット２６の増磁側に隣接配置された補助極８７を有し、マグネット２６の内側にはアーマチュアコア２８を備えたアーマチュア２２を有している。補助極８７は、進角９０°（電気角）の位置に配置されており、その中心角は１６°〜２０°（機械角）に設定されている。また、アーマチュアコア２８のティース８８の幅をＷｔ、スロット８９の幅をＷｓとしたとき、補助極８７の幅ＷｈはＷｈ＝（Ｗｔ＋２Ｗｓ）±２°に設定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、界磁マグネットに補助極を付加した電動モータに関し、特に、補助極の角度や進角設定の最適化技術に関する。

従来より、直流の電動モータでは、界磁極として永久磁石（マグネット）が一般に使用されている。例えば、自動車や自動二輪車、大型発電機等のエンジンを始動させるエンジン始動装置（スタータ）にも、マグネット界磁の電動モータが使用されており、特許文献１には、このモータの回転力によってピニオンギヤを軸方向に移動させ、エンジンのリングギヤに噛合する形式のエンジン始動装置が記載されている。

このようなエンジン始動装置は、エンジンを起動させる際には、停止状態にあるクランクシャフトを回転させるため、大きな回転トルクが必要となる。一方、エンジンが一旦回転し始めた後は、生ガス発生を抑えるため、高回転でエンジンを駆動させ、いち早くエンジンを通常作動状態に導く必要がある。このため、その駆動源であるモータには、起動時の高電流域では高トルクが、起動後の低電流域では高回転が性能的に求められる。ところが、通常のマグネット界磁モータは、高トルク型とすると高磁束の設定となり回転数が低下し、高回転型とすると低磁束の設定となりトルクが低下する。つまり、高電流−高トルク・低電流−高回転の設定は、両立が困難なトレードオフの関係にある。このため、通常のマグネットモータでは、エンジン始動装置に適したものを得ることが難しい、という課題があった。

そこで、このような二律背反の関係を満たすべく、特許文献２のスタータのように、マグネットに隣接して補助極を設け、スタータに適した性能が得られるようにしたモータが提案されている。そこでは、マグネットよりも可逆透磁率の高い磁性材料にて形成された補助極がマグネットの増磁側に配置されており、高電流域での高トルク化、低電流域での高回転化が図られている。このような補助極付モータでは、高電流域では電機子磁束が補助極を通り、これにより補助極が磁化して増磁された形となるため、高磁束が得られ高トルク型の設定となる。これに対し、低電流域では電機子磁束が補助極を通らないため、補助極の分だけマグネットを削った形となり、これにより低磁束状態となり、高回転型の設定となる。すなわち、補助極の付加により、高電流−高トルク・低電流−高回転というエンジン始動装置に最適な設定を実現することが可能となる。
特開2005-127244号公報 特開昭57-153558号公報 特開昭59-70172号公報

しかしながら、このような補助極付モータにおいても、補助極の位置やそのサイズを最適な設定としないと、高電流域で高トルク・低電流域で高回転という補助極設置の効果が十分に得られないおそれがある。この場合、前述の特許文献２のスタータでは、補助極の極孤率について最適値を提示しているが、その設定範囲が大きく必ずしも実用的とは言えない。また、補助極の位置については特に言及されておらず、その位置（進角設定）を最適化しないと、十分な補助極効果は期待できない。

本発明の目的は、補助極付の電動モータにおける補助極の位置や寸法を最適化し、補助極設置の効果を向上させることにある。

本発明の電動モータは、ヨーク内周面に取り付けられた複数個のマグネットと、前記マグネットに隣接して配置された金属製の補助極と、前記マグネットの内側に回転自在に配置されたアーマチュアとを有する電動モータであって、前記アーマチュアは、径方向に突設されアーマチュアコイルが巻装される複数のティースと、前記ティース間に形成され前記アーマチュアコイルが収容されるスロットとを有するアーマチュアコアを備え、前記ティースの幅をＷｔ、前記スロットの幅をＷｓとしたとき、前記補助極の幅ＷｈがＷｈ＝（Ｗｔ＋２Ｗｓ）±２°に形成されてなることを特徴とする。これにより、補助極によって生じるリラクタンストルクが極大化され、補助極設置の効果が向上する。

前記電動モータにおいて、前記補助極を進角９０°（電気角）の位置に配しても良い。また、前記補助極の中心角を１６°〜２０°（機械角）としても良く、好ましくは１６°に設定しても良い。これにより、マグネットによって得られる磁束を最大化しつつ補助極設置効果の向上が図られる。さらに、前記補助極を前記マグネットの増磁側に配置しても良い。

一方、本発明のエンジン始動装置は、電動モータを駆動源とし、該電動モータによって回転駆動されるピニオンをエンジンのリングギヤと噛合させて該エンジンを始動させるエンジン始動装置であって、前記電動モータは、ヨーク内周面に取り付けられた複数個のマグネットと、前記マグネットに隣接して配置された金属製の補助極と、前記マグネットの内側に回転自在に配置されたアーマチュアとを有し、前記アーマチュアは、径方向に突設されアーマチュアコイルが巻装される複数のティースと、前記ティース間に形成され前記アーマチュアコイルが収容されるスロットとを有するアーマチュアコアを備え、前記ティースの幅をＷｔ、前記スロットの幅をＷｓとしたとき、前記補助極の幅ＷｈがＷｈ＝（Ｗｔ＋２Ｗｓ）±２°に形成されてなることを特徴とする。これにより、電動モータにおける補助極設置効果の向上が図られ、補助極による高電流−高トルク・低電流−高回転というエンジン始動装置に好適な設定を最適化できる。

前記エンジン始動装置において、前記補助極を進角９０°（電気角）の位置に配しても良い。また、前記補助極の中心角を１６°〜２０°（機械角）としても良く、好ましくは１６°に設定しても良い。さらに、前記補助極を前記マグネットの増磁側に配置しても良い。

本発明の電動モータによれば、補助極を備えた電動モータにて、アーマチュアコアのティース幅をＷｔ、スロット幅をＷｓとしたとき、補助極幅ＷｈをＷｈ＝（Ｗｔ＋２Ｗｓ）±２°に形成することにより、補助極によって生じるリラクタンストルクが極大化され、補助極設置効果を向上させることが可能となる。

また、本発明のエンジン始動装置によれば、エンジン始動装置の駆動源として使用される電動モータとして、補助極を備えたモータを用いると共に、アーマチュアコアのティース幅をＷｔ、スロット幅をＷｓとしたとき、補助極幅ＷｈをＷｈ＝（Ｗｔ＋２Ｗｓ）±２°に形成することにより、補助極によって生じるリラクタンストルクが極大化され、電動モータの補助極設置効果を向上させることが可能となる。このため、補助極による高電流−高トルク・低電流−高回転というエンジン始動装置に好適な設定を最適化することができ、装置性能を向上させることが可能となる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施例である電動モータを駆動源として使用したエンジン始動装置の構成を示す断面図であり、中心線より上側は静止状態を、下側は通電状態を示している。図１のエンジン始動装置（スタータ）１は、自動車用エンジンの起動に使用され、マグネット界磁の電動モータ（以下、モータと略記する）２を駆動源としている。

モータ２は減速装置３と接続されており、モータ２の回転は減速装置３を介してドライブシャフト４に伝達される。ドライブシャフト（出力軸）４上には、オーバーランニングクラッチ５とピニオンギヤ６が軸方向に移動自在に設けられている。当該エンジン始動装置１は、マグネットスイッチ７がドライブシャフト４と同軸状に配置された１軸タイプのスタータとなっており、ピニオンギヤ６は、マグネットスイッチ７の作用によって、オーバーランニングクラッチ５と共に軸方向に移動し、エンジンのリングギヤ８と噛合する。

モータ２は、円筒形状のモータハウジング２１内にアーマチュア２２を回転自在に配置した構成となっている。モータハウジング２１はモータ２のヨークを兼ねており、鉄等の磁性体金属によって形成されている。モータハウジング２１の右端部には、金属製のエンドカバー２３が取り付けられる。一方、モータハウジング２１の左端部は、ピニオンギヤ６が収容されるギヤカバー２４に取り付けられる。エンドカバー２３はセットボルト２５によってギヤカバー２４に固定され、モータハウジング２１はエンドカバー２３とギヤカバー２４との間に固定される。モータハウジング２１の内周面には、周方向に複数個（ここでは６個）のマグネット２６と補助極８７が、等ピッチ（ここでは、６０°間隔）で固定されている。マグネット２６の内側にはアーマチュア２２が配置される。アーマチュア２２は、モータシャフト２７に固定されたアーマチュアコア２８と、アーマチュアコア２８に巻装されたアーマチュアコイル２９とから構成されている。

図２は、マグネット２６と補助極８７の構成を示す説明図である。当該モータ２は６極２６スロット構成となっており、図２に示すように、マグネット２６と補助極８７の中心角θｍ,θｓ（以下、θｍをマグネット角、θｓを補助極角と称し、共に機械角）はそれぞれ３６°と１６°に設定されている（全体で５２°：極弧率＝１６／５２＝０.３）。この場合、θｍを３６°としているのは、発明者らの解析により、θｍ＝３６°のとき、モータ効率が良く、従来の補助極仕様モータよりも無負荷電流が低くなるためである。

一方、補助極８７は、従来の補助極付きモータに対し、増磁側に進角した位置に設置されている。ここで、補助極８７には、アーマチュア２２との間にリラクタンストルク（両者間に生じる磁力線が真っ直ぐになろうとする力によって発生するトルク）が生じ、コアティースが補助極正面に対向しているときは、リラクタンストルクは発生しない。アーマチュア２２が回転すると、ティースが隣接する補助極８７の中点に至るまでは、リラクタンストルクはモータ発生トルクとは逆方向に働き、モータにとっては性能低下要因となる。その後、ティースが隣接する補助極８７の中点に至ると両隣の補助極８７との間で発生するリラクタンストルクが釣り合った状態となる。さらに、アーマチュア２２が回転し中点を超えると、次の補助極８７との間にリラクタンストルクが発生し、これは、モータトルクと同方向となる。従って、リラクタンストルクは、中点を超え次の補助極８７に対向するまでの間がモータトルクに寄与することになり、この間でアーマチュアコイル２９に通電を行うのが最も効率が良い。

つまり、アーマチュアコア２８の回転角度とリラクタンストルクは、図３（ａ）に示すように正弦波状に変化し、当該モータ２では、６０°ピッチで配された補助極８７がティースと対向する０°,６０°と、中点の３０°で０となる（Ａ,Ｂ,Ｃ点）。これを１周期（０〜２π）にてsinカーブで置き換えると（電気角で見ると）、図３（ｂ）のように、リラクタンストルクはsin（π／２）（Ｂ,Ｃの中点）で最大となる。すなわち、補助極ピッチ角の１／４でリラクタンストルクが最大となり、これを６極モータに換算すると１５°（＝６０°／４）となる。これは、当該モータ２では、補助極８７の中点と次の補助極８７の中心位置の中間地点に相当し、そこでアーマチュアコイル２９が通電されるように、補助極８７の位置が設定されている。

マグネットモータでは一般に、磁極と対向するコイルに同じ極性の電流が流れる場合、進角は０°となる。図４（ａ）は、マグネットモータ（６極１８スロット）におけるマグネット101と補助極102の配置を示す説明図である。補助極102を備えた６極のマグネットモータでは、図４（ａ）に示すように、アーマチュアコイルに通電するとアーマチュア103の表面には６つの磁極が発生し、各磁極は６０°ピッチとなる。そして、隣接するアーマチュア磁極の中心に合うようにマグネット101の中心を配置し、この状態を補助極102の進角θｈ＝０°の状態とすると、このときの補助極102の位置（中心位置）Ｑは、アーマチュア磁極中心位置Ｏに対し、（３６０°/Ｐ）×１/２（Ｐ：極数）だけ周方向にずれた位置となる。６極のモータ２ではＰ＝６のため、補助極102の位置は、図４（ａ）に示すように、Ｏから（３６０°/６）×１/２＝３０°の位置となる。

これに対し、図４（ｂ）は、本発明のモータ２における補助極配置を示す説明図であり、モータ２では、前述のような進角０の位置Ｑを基準として、補助極102が増磁側、つまり、アーマチュア回転方向と反対側にずれた（進角した）位置に配置されている。この場合、補助極進角０の位置は、図４（ｂ）に破線のハッチングにて示した旧補助極位置である。これに対し当該モータ２では、補助極効果を最大限発揮させるべく、前述のように、進角θｈ＝１５°の位置Ｑ’に補助極８７が設けられている。すなわち、補助極８７は、図４（ａ）のアーマチュア磁極中心位置Ｏに対して、（３６０°/Ｐ）×１/２＋１５°（ここでは、４５°）だけ、周方向にずれた位置に設けられている。

一方、θｈ＝１５°の位置に補助極８７を設けると、図４（ａ）のようなマグネット配置の場合、図４（ａ）では隣接するマグネット104がある位置に掛かって補助極８７が配置されることになる。従って、マグネットも増磁側にずらして（進角させて）配置されることとなり、その場合、マグネットは、図４（ａ）のマグネット位置Ｒに対して、θｒだけ進角した位置Ｒ’に配される。マグネット進角θｒは、マグネットを隣接する旧補助極位置までのサイズとすると（図４（ｂ）ではθｍ＝３０°）、θｒ＝θｈ/２となりθｒはθｈよりも小さくなる。但し、従前の旧補助極位置部分までマグネットを延長すると、その分、進角が大きくなる。当該モータ２は、前述のように、マグネット２６のθｍが３６°となっており３０°よりも大きいため、図４（ｂ）に示すように、マグネット２６は旧補助極位置部分まで進入し、マグネット進角θｒも（θｈ＋６°）/２＝１０.５°となる。

このような進角の考え方に基づき、発明者らは、補助極８７の進角（設置位置）と、補助極８７によってアーマチュア２２に発生するリラクタンストルクとの関係について解析した。その際、発明者らは、補助極８７のみによるリラクタンストルクを解析すべく、マグネット２６を取り除いた形の解析モデルを設定し、前述の関係を検証した。図５は、その検証結果を示すグラフである（６極２６スロット、アーマチュア直径：５０ｍｍ、補助極角θｓ：１６°、補助極外径：６８ｍｍ）。

図５から分かるように、リラクタンストルクは、図３の検討結果を裏付けるように、進角θｈが機械角１５°（電気角では９０°：補助極８７の電気角は隣接する補助極間で３６０°のため、機械角６０°ピッチで配置されている補助極８７では電気角９０°となる）近傍にて最大となり、それより小さくても、また、大きくてもその値は減少することが判明した。そこで、当該モータ２では、この解析結果から進角θｈとして機械角１５°（電気角９０°）を採用している。なお、この解析モデルではマグネットのない状態で検討を行っているが、マグネットサイズの大小にかかわらず、補助極８７の進角θｈは１５°が好ましい。

さらに、補助極８７のサイズに関しても同様のモデルにて解析を行った。図６は、その検証結果を示すグラフである。図６から分かるように、リラクタンストルクは、補助極角θｓが１６°〜２０°にて最大となり、それより小さくても、また、大きくてもその値は減少することが判明した。この場合、θｍ＋θｓが同じ角度（ここでは、前述のように５３°）のとき、マグネット角θｍが大きい方がマグネット２６によって得られる磁束が大きいことから、補助極角θｓとしては、マグネット角θｍを最大化し得る１６°が好ましい。そこで、当該モータ２では、図５,６の解析結果から進角θｈを１５°、補助極角θｓを１６°に設定し、リラクタンストルクを極大化して補助極設置効果を最大限発揮させている。

加えて、モータ２では、アーマチュア２２のティース８９と補助極８７のサイズについても最適化を図っている。図７は、ティース８９と補助極８７との関係を示す説明図である。補助極８７と対向するティース８９は、その幅Ｗｔが大き過ぎると両者間に生じる磁力線が屈曲しにくくなり、リラクタンストルクが小さくなる。その一方、ティース幅Ｗｔが小さ過ぎると磁気飽和が生じ易くなり、磁束量が低く抑えられリラクタンストルクが小さくなる。発明者らの解析によれば、ティース８９と補助極８７の関係は、ティース８９の幅をＷｔ、ティース８９間のスロット９１の幅をＷｓとしたとき、補助極８７の幅Ｗｈが、Ｗｈ＝（Ｗｔ＋２Ｗｓ）±２°のときリラクタンストルクが最大化することが分かった。従って、当該モータ２においても、その関係を満たすように、Ｗｈ,Ｗｔ,Ｗｓの値が設定されている。

このように、本発明によるモータ２では、補助極８７を進角１５°の位置に配置すると共に、その中心角を１６°〜２０°（ここでは２０°）に設定したことにより、補助極によって生じるリラクタンストルクが極大化され、補助極設置の効果が向上する。このため、本発明によるエンジン始動装置１では、補助極による高電流−高トルク・低電流−高回転というエンジン始動装置に好適な設定を最適化することが可能となり、エンジン始動装置の性能を向上させることが可能となる。

モータシャフト２７の右端部は、エンドカバー２３に取り付けられたメタル軸受３１によって回転自在に支持されている。一方、モータシャフト２７の左端部は、ピニオンギヤ６等が取り付けられたドライブシャフト４の端部に回転自在に支持されている。ドライブシャフト４の右端部には軸受部３２が凹設されており、モータシャフト２７はそこに取り付けられたメタル軸受３３によって回転自在に支持される。これにより、ドライブシャフト４は、モータ２のモータシャフト２７と同軸状に配置される。

アーマチュアコア２８の一端側には、モータシャフト２７に外嵌固定されたコンミテータ３４が隣接配置されている。コンミテータ３４の外周面には、導電材にて形成されたコンミテータ片３５が複数個取り付けられており、各コンミテータ片３５にはアーマチュアコイル２９の端部が固定されている。モータハウジング２１の左端部には、ブラシホルダ３６が取り付けられている。ブラシホルダ３６には、周方向に間隔をあけて、ブラシ収容部３７が複数個配置されている。各ブラシ収容部３７にはそれぞれブラシ３８が出没自在に内装されている。ブラシ３８の突出先端部（内径側先端部）は、コンミテータ３４の外周面に摺接している。

ブラシ３８の後端側には図示しないピグテールが取り付けられており、ブラシホルダ３６に設けられた導電プレート４１の第１プレート４１ａと電気的に接続されている。導電プレート４１は、この第１プレート４１ａと、電源ターミナル４４と電気的に接続された第２プレート４１ｂとから構成されており、両プレート４１ａ,４１ｂの間には両者間を絶縁する絶縁部４１ｃが設けられている（以下、第１及び第２プレート４１ａ,４１ｂは、それぞれ、プレート４１ａ,プレート４１ｂと略記する）。絶縁部４１ｃには、スイッチプレート４３が対向配置されており、導電プレート４１（プレート４１ａ,４１ｂ）とスイッチプレート４３の両電気接点によってスイッチ部４２が形成されている。

スイッチプレート４３はスイッチシャフト４５に取り付けられており、エンジンのイグニッションスイッチがＯＮされてマグネットスイッチ７が通電されると、スイッチシャフト４５が左方に移動する。スイッチプレート４３がプレート４１ａ,４１ｂに接触すると、絶縁部４１ｃが導通しスイッチ部４２がＯＮ状態となる。これにより、図示しない給電ケーブルが取り付けられた電源ターミナル４４とブラシ３８との間が電気的に接続され、バッテリからコンミテータ３４に電源が供給される。これに対し、イグニッションスイッチがＯＦＦのときは、絶縁部４１ｃが開放されてスイッチ部４２がＯＦＦ状態となり、導電プレート４１とスイッチプレート４３の間には空隙が形成され、モータ２への給電が停止する。

減速装置３の遊星歯車機構１１には、インターナルギヤユニット４６とドライブプレートユニット４７が設けられている。インターナルギヤユニット４６は、ギヤカバー２４の右端部に固定されており、その内周側には内歯リングギヤ４８が形成されている。インターナルギヤユニット４６の中央にはメタル軸受４９が内装されており、ドライブシャフト４の右端側が回転自在に支持されている。ドライブプレートユニット４７は、ドライブシャフト４の右端部に固定されており、プラネタリギヤ５１が３個等分間隔で取り付けられている。プラネタリギヤ５１は、ベースプレート５２に固定された支持ピン５３に、メタル軸受５４を介して回転自在に支持されている。プラネタリギヤ５１は内歯リングギヤ４８と噛合している。

モータシャフト２７の左端部には、サンギヤ５５が形成されている。サンギヤ５５はプラネタリギヤ５１と噛合しており、プラネタリギヤ５１は、サンギヤ５５と内歯リングギヤ４８との間で、自転しつつ公転する。モータ２が作動すると、モータシャフト２７と共にサンギヤ５５が回転し、サンギヤ５５の回転に伴い、プラネタリギヤ５１が内歯リングギヤ４８と噛み合いながらサンギヤ５５の周りを公転する。これにより、ドライブシャフト４に固定されたベースプレート５２が回転し、モータシャフト２７の回転が減速されてドライブシャフト４に伝達される。

オーバーランニングクラッチ５は、遊星歯車機構１１によって減速された回転をピニオンギヤ６に対し一回転方向に伝達する。オーバーランニングクラッチ５は、クラッチアウタ５６とクラッチインナ５７との間に、ローラ５８とクラッチスプリング（図示せず）を配した構成となっている。クラッチアウタ５６は、ボス部５６ａとクラッチ部５６ｂとからなり、ボス部５６ａは、ドライブシャフト４のヘリカルスプライン部６１に取り付けられている。ボス部５６ａの内周側には、ヘリカルスプライン部６１と噛み合うスプライン部６２が形成されている。これにより、クラッチアウタ５６は、ドライブシャフト４上をヘリカルスプライン部６１に沿って軸方向に移動可能となっている。

ドライブシャフト４にはストッパ６３が取り付けられている。ストッパ６３は、ドライブシャフト４に装着されたサークリップ６４によって軸方向の移動が規制されている。ストッパ６３には、ギヤリターンスプリング６５の一端側が取り付けられている。ギヤリターンスプリング６５の他端側は、ボス部５６ａの内端壁６６に当接している。クラッチアウタ５６は、このギヤリターンスプリング６５によって右方向に付勢されており、通常時（非通電時）には、クラッチアウタ５６はギヤカバー２４に固定されたクラッチストッパ６７に当接した位置で保持される。

クラッチアウタ５６のクラッチ部５６ｂ内周には、ピニオンギヤ６と一体に形成されたクラッチインナ５７が配置されている。クラッチアウタ５６とクラッチインナ５７の間には、ローラ５８及びクラッチスプリングが複数組配置されている。また、クラッチ部５６ｂの外周にはクラッチカバー６８が外装されており、クラッチ部５６ｂの左端面とクラッチカバー６８との間には、クラッチワッシャ６９が取り付けられている。このクラッチワッシャ６９によって、ローラ５８及びクラッチスプリングは、クラッチ部５６ｂの内周側に、軸方向の移動を規制された状態で収容される。

クラッチ部５６ｂの内周壁はカム面となっており、楔状斜面部と曲面部が形成されている。ローラ５８は、通常、クラッチスプリングによって曲面部側に押されている。クラッチアウタ５６が回転し、クラッチスプリングの付勢力に抗して、ローラ５８が楔状斜面部とクラッチインナ５７の外周面との間に挟持されると、クラッチインナ５７はローラ５８を介してクラッチアウタ５６と一体に回転する。これにより、モータ２が作動しドライブシャフト４が回転すると、その回転はクラッチアウタ５６からローラ５８を介してクラッチインナ５７に伝達され、ピニオンギヤ６が回転する。

これに対し、エンジンが始動し、クラッチインナ５７がクラッチアウタ５６よりも早く回転すると、ローラ５８は曲面部側に移動し、クラッチインナ５７はクラッチアウタ５６に対し空転状態となる。すなわち、クラッチインナ５７がオーバーラン状態となると、ローラ５８が楔状斜面部とクラッチインナ外周面との間には挟持されず、クラッチインナ５７の回転はクラッチアウタ５６には伝達されない。従って、エンジン始動後、エンジン側からより高い回転数でクラッチインナ５７が回されても、その回転はオーバーランニングクラッチ５にて遮断され、モータ２側には伝達されない。

クラッチインナ５７の左端側には、ピニオンギヤ６が一体に形成されている。ピニオンギヤ６（クラッチインナ５７）は、冷間鍛造によって形成された鋼製部材であり、クロム鋼（例えば、SCr 420H）に浸炭処理を施したものが使用される。ピニオンギヤ６の内径側にはシャフト孔７１が形成されており、シャフト孔７１にはピニオンギヤメタル７２が取り付けられている。ピニオンギヤ６は、このピニオンギヤメタル７２を介してドライブシャフト４に回転自在に支持される。一方、クラッチインナ５７の内径側にはスプリング収容部７３が形成されており、そこには、ストッパ６３やギヤリターンスプリング６５が収容されている。

マグネットスイッチ７は、遊星歯車機構１１の左方にドライブシャフト４と同軸状に配置されており、モータ２や遊星歯車機構１１とも同心状となっている。マグネットスイッチ７は、ギヤカバー２４に固定された鋼製の固定部７４と、ボビン７８に沿って左右方向に移動自在、すなわち、ボビン７８に対し相対移動可能に配置された可動部７５とからなる。固定部７４には、ギヤカバー２４に固定されたケース７６と、ケース７６内に収容されたコイル７７及びケース７６の内周側に取り付けられたボビン７８が設けられている。コイル７７は、図示しないイグニッションスイッチと電気的に接続されている。可動部７５には、スイッチシャフト４５が取り付けられた可動鉄心７９が設けられ、可動鉄心７９の内周側にはギヤプランジャ８１が取り付けられている。可動鉄心７９の外周側（図中下端側）には、スイッチリターンスプリング８６が取り付けられている。スイッチリターンスプリング８６の他端側はギヤカバー２４に当接しており、可動鉄心７９は右方に付勢されている。

可動鉄心７９の内周にはさらに、ブラケットプレート８２が固定されている。ブラケットプレート８２には、プランジャスプリング８３の一端がカシメ固定されている。プランジャスプリング８３の他端側は、イグニッションキースイッチがＯＦＦのとき（図１の上半分の状態のとき）は、ギヤプランジャ８１に当接しており、ギヤプランジャ８１はプランジャスプリング８３によって左方に付勢されている。ギヤプランジャ８１はドライブシャフト４に軸方向に移動可能取り付けられており、可動鉄心７９の内周面との間には摺動鉄心８４が介設されている。

ギヤカバー２４はアルミダイカストにて形成されており、ギヤカバー２４の左端部には、メタル軸受８５を介してドライブシャフト４の左端側が回転自在に支持されている。ギヤカバー２４内には、合成樹脂製（例えば、ガラス繊維強化ポリアミド）のクラッチストッパ６７やケース７６等が固定されている。また、ギヤカバー２４の右端面側には、モータハウジング２１やエンドカバー２３がセットボルト２５によって固定されている。

次に、このようなエンジン始動装置１を用いたエンジン始動動作について説明する。まず、自動車のイグニッションキースイッチがＯＦＦされているときは、図１の上半分のように、ギヤリターンスプリング６５の付勢力によって、クラッチアウタ５６はクラッチストッパ６７に当接した状態にある。このとき、スイッチプレート４３は導電プレート４１から離れており、モータ２への給電は行われない。また、ピニオンギヤ６は、右方の離脱位置にあり、リングギヤ８とは噛み合っていない状態にある。

これに対し、イグニッションキースイッチをＯＮすると、まず、コイル７７に電流が流れ、マグネットスイッチ７に吸引力が発生する。コイル７７が励磁されると、ケース７６及びボビン７８を通る磁路が形成され、可動鉄心７９が左方に吸引される。可動鉄心７９が左方に吸引されると、ブラケットプレート８２が左方へ移動し、プランジャスプリング８３が押し縮められる。このときのプランジャスプリング８３の反発力は、ギヤリターンスプリング６５の反発力よりも大きくなるように設定されており、ギヤプランジャ８１は、摺動鉄心８４に加わる吸引力と、プランジャスプリング８３によって左方に押される。これにより、クラッチアウタ５６がヘリカルスプライン部６１上を軸方向に沿って移動し、それと共にピニオンギヤ６もまた左方へ移動する。

一方、可動鉄心７９がスイッチリターンスプリング８６の付勢力に抗して左方に移動すると、スイッチシャフト４５も左方へ移動し、スイッチプレート４３が導電プレート４１に接触して接点が閉じる。これにより、電源ターミナル４４とブラシ３８との間が電気的に接続され、コンミテータ３４に電源が供給されてモータ２が作動しアーマチュア２２が回転する。モータ２が作動し、アーマチュア２２が回転すると、遊星歯車機構１１を介してドライブシャフト４が回転する。

ドライブシャフト４の回転に伴い、ヘリカルスプライン部６１に取り付けられたクラッチアウタ５６もまた回転する。ヘリカルスプライン部６１は、ドライブシャフト４の回転方向を考慮してねじり方向が設定されており、クラッチアウタ５６の回転数が増大すると、その慣性マスによって、クラッチアウタ５６がヘリカルスプライン部６１に沿って左方に移動する。モータ２の回転に伴ってクラッチアウタ５６が左方へ飛び出すと、ピニオンギヤ６もクラッチアウタ５６と共に左方に移動し、ピニオンギヤ６はリングギヤ８と噛合する。すなわち、イグニッションキースイッチＯＮに伴い、ピニオンギヤ６は、まず、ギヤプランジャ８１によって左方に押され、その後、モータ２の作動と共に一気に左方に飛び出し、リングギヤ８と噛み合う。

これにより、ピニオンギヤ６は、図１の下半分の状態のような作動位置に移動し、モータ２の回転がリングギヤ８に伝達され、リングギヤ８が回転する。リングギヤ８はエンジンのクランク軸に接続されており、リングギヤ８の回転に伴ってクランク軸が回転し、エンジンが起動する。エンジンが起動すると、リングギヤ８によってピニオンギヤ６は高回転で回転されるが、オーバーランニングクラッチ５の作用によりその回転はモータ２側には伝達されない。

なお、クラッチアウタ５６が左方に移動すると、ギヤリターンスプリング６５もクラッチアウタ５６に押されて縮められる。また、プランジャスプリング８３は、ギヤプランジャ８１を左方に押し出し、ピニオンギヤ６とリングギヤ８が完全に噛み合った状態となると解放され、自然長状態となる。このため、クラッチアウタ５６に当接した状態のギヤプランジャ８１とプランジャスプリング８３との間には、図１の下半分の状態のように、若干の隙間が生じる。

エンジンが始動するとピニオンギヤ６は高回転で回転され、オーバーランニングクラッチ５は空転方向に回転される。オーバーランニングクラッチ５が空転方向に回されるとクラッチ内に空転トルクが生じ、クラッチアウタ５６には切れトルクと呼ばれる回転力が働く。この回転力により、クラッチアウタ５６にはヘリカルスプライン部６１を介して右方へのスラスト力が生じ、クラッチアウタ５６が右方へ移動しピニオンギヤ６がリングギヤ８から離脱するおそれがある。そこで、エンジン始動装置１では、摺動鉄心８４に加わる電磁吸引力によって、ギヤプランジャ８１を移動左端位置（図１の下半分参照）にて保持し、クラッチアウタ５６の移動を規制する。これにより、ピニオンギヤ６の右方への移動が規制され、ピニオンギヤ６の離脱が抑えられる。

一方、エンジンが始動しイグニッションキースイッチがＯＦＦされると、マグネットスイッチ７への通電も停止され、その吸引力も消滅する。すると、スイッチリターンスプリング８６の付勢力によってブラケットプレート８２が右方に押され、それまでボビン７８による吸引力にて左方に保持されていた可動鉄心７９が右方に移動する。可動鉄心７９が右方に移動すると、スイッチシャフト４５も右方へ移動し、スイッチプレート４３が導電プレート４１から離れ接点が開く。これにより、モータ２に対する給電が遮断され、ドライブシャフト４の回転が停止し、クラッチアウタ５６の回転も停止する。

クラッチアウタ５６の回転が停まると、その慣性マスによる軸方向への移動力も消滅する。このため、押し縮められていたギヤリターンスプリング６５の付勢力によって、クラッチアウタ５６は、ヘリカルスプライン部６１に沿って作動位置から静止位置へと右方へ移動する。このとき、ギヤプランジャ８１もクラッチアウタ５６に押されて図１の上半分の状態となる。なお、ギヤリターンスプリング６５の付勢力は、この時点におけるプランジャスプリング８３の付勢力よりも大きくなるように設定されている。クラッチアウタ５６が右方に移動すると、ピニオンギヤ６もまた右方に移動してリングギヤ８から離脱し、図１の上半分の状態へと戻る。

本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。例えば、前述のモータ２は、エンジン始動装置の駆動源として使用されるモータであるが、本発明は、エンジン始動装置用モータには限定されず、電動モータ一般に広く適用可能である。

本発明の一実施例である電動モータを駆動源として使用したエンジン始動装置の構成を示す断面図であり、中心線より上側は静止状態を、下側は通電状態を示している。 図１のエンジン始動装置に使用されている電動モータのマグネットと補助極の構成を示す説明図である。 アーマチュア回転角度θに対する補助極によるリラクタンストルクの変化を示す説明図である。 （ａ）はマグネットモータにおけるマグネットと補助極の配置を示す説明図、（ｂ）は本発明による電動モータにおける補助極配置を示す説明図である。 補助極位置（進角）と補助極によるリラクタンストルクとの関係の検証結果を示すグラフである。 補助極幅（中心角）と補助極によるリラクタンストルクとの関係の検証結果を示すグラフである。 補助極とアーマチュアコアのティースとの関係を示す説明図である。

符号の説明

１ エンジン始動装置
２ 電動モータ
３ 減速装置
４ ドライブシャフト
５ オーバーランニングクラッチ
６ ピニオンギヤ
７ マグネットスイッチ
８ リングギヤ
１１ 遊星歯車機構
２１ モータハウジング
２２ アーマチュア
２３ エンドカバー
２４ ギヤカバー
２５ セットボルト
２６ マグネット
２７ モータシャフト
２８ アーマチュアコア
２９ アーマチュアコイル
３１ メタル軸受
３２ 軸受部
３３ メタル軸受
３４ コンミテータ
３５ コンミテータ片
３６ ブラシホルダ
３７ ブラシ収容部
３８ ブラシ
４１ 導電プレート
４１ａ 第１プレート
４１ｂ 第２プレート
４１ｃ 絶縁部
４２ スイッチ部
４３ スイッチプレート
４４ 電源ターミナル
４５ スイッチシャフト
４６ インターナルギヤユニット
４７ ドライブプレートユニット
４８ 内歯リングギヤ
４９ メタル軸受
５１ プラネタリギヤ
５２ ベースプレート
５３ 支持ピン
５４ メタル軸受
５５ サンギヤ
５６ クラッチアウタ
５６ａ ボス部
５６ｂ クラッチ部
５７ クラッチインナ
５８ ローラ
６１ ヘリカルスプライン部
６２ スプライン部
６３ ストッパ
６４ サークリップ
６５ ギヤリターンスプリング
６６ 内端壁
６７ クラッチストッパ
６８ クラッチカバー
６９ クラッチワッシャ
７１ シャフト孔
７２ ピニオンギヤメタル
７３ スプリング収容部
７４ 固定部
７５ 可動部
７６ ケース
７７ コイル
７８ ボビン
７９ 可動鉄心
８１ ギヤプランジャ
８２ ブラケットプレート
８３ プランジャスプリング
８４ 摺動鉄心
８５ メタル軸受
８６ スイッチリターンスプリング
８７ 補助極
８８ ティース
８９ スロット
Ｗｈ 補助極幅
Ｗｔ ティース幅
Ｗｓ スロット幅
θｈ 進角
θｍ マグネット角
θｓ 補助極角

Claims (8)

1. ヨーク内周面に取り付けられた複数個のマグネットと、前記マグネットに隣接して配置された金属製の補助極と、前記マグネットの内側に回転自在に配置されたアーマチュアとを有する電動モータであって、
   前記アーマチュアは、径方向に突設されアーマチュアコイルが巻装される複数のティースと、前記ティース間に形成され前記アーマチュアコイルが収容されるスロットとを有するアーマチュアコアを備え、
   前記ティースの幅をＷｔ、前記スロットの幅をＷｓとしたとき、前記補助極の幅ＷｈがＷｈ＝（Ｗｔ＋２Ｗｓ）±２°に形成されてなることを特徴とする電動モータ。
2. 請求項１記載の電動モータにおいて、前記補助極を進角９０°（電気角）の位置に配したことを特徴とする電動モータ。
3. 請求項１又は２記載の電動モータにおいて、前記補助極の中心角を１６°〜２０°（機械角）としたことを特徴とする電動モータ。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の電動モータにおいて、前記補助極を前記マグネットの増磁側に配置したことを特徴とする電動モータ。
5. 電動モータを駆動源とし、該電動モータによって回転駆動されるピニオンをエンジンのリングギヤと噛合させて該エンジンを始動させるエンジン始動装置であって、
   前記電動モータは、ヨーク内周面に取り付けられた複数個のマグネットと、前記マグネットに隣接して配置された金属製の補助極と、前記マグネットの内側に回転自在に配置されたアーマチュアとを有し、
   前記アーマチュアは、径方向に突設されアーマチュアコイルが巻装される複数のティースと、前記ティース間に形成され前記アーマチュアコイルが収容されるスロットとを有するアーマチュアコアを備え、
   前記ティースの幅をＷｔ、前記スロットの幅をＷｓとしたとき、前記補助極の幅ＷｈがＷｈ＝（Ｗｔ＋２Ｗｓ）±２°に形成されてなることを特徴とするエンジン始動装置。
6. 請求項５記載のエンジン始動装置において、前記補助極を進角９０°（電気角）の位置に配したことを特徴とするエンジン始動装置。
7. 請求項５又は６記載のエンジン始動装置において、前記補助極の中心角を１６°〜２０°（機械角）としたことを特徴とするエンジン始動装置。
8. 請求項５〜７の何れか１項に記載のエンジン始動装置において、前記補助極を前記マグネットの増磁側に配置したことを特徴とするエンジン始動装置。

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