JP2018127991A - スタータ - Google Patents
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Abstract
【課題】簡素な構造で、スタータの体格を大きくすることなく、かつスタータの出力を低下させることなく、電気機器や電子機器の瞬断を発生させずにエンジンを始動させることができるスタータを得る。【解決手段】界磁コイルと並列に接続され、界磁コイルを短絡する短絡スイッチは、スタータスイッチと電機子との間に直列接続された短絡スイッチ接点と、一端が界磁コイルと電機子との間に接続され、他端が接地されて短絡スイッチ接点の可動接点を駆動するための駆動コイルと、短絡スイッチ接点の可動接点に固定されたプランジャとを有し、スタータスイッチが閉じて、電機子が回転することで発生する逆起電圧により、駆動コイルにかかる電圧があらかじめ設定された電圧よりも高くなると、プランジャが駆動され、短絡スイッチ接点が閉路される。【選択図】図1
Description
この発明は、例えば車両のエンジンを始動させるスタータに関する。
従来の電磁押し込み式スタータでは、エンジンを始動する場合に、スタータスイッチのコイルに通電を行い、スタータスイッチの内部接点を閉じることにより、バッテリからモータに電力を供給して、モータの電機子に回転トルクを発生させる。その後、互いに噛み合わされたピニオンギヤとエンジンのリングギヤとを介して、電機子の回転力をエンジンクランク軸に伝えることで、エンジンが始動される。
ここで、スタータスイッチ閉時には、電機子はまだ静止状態であり、逆起電圧が発生していないため、極めて小さなスタータ内部抵抗により、数百〜千数百アンペアの突入電流が流れる。このとき、バッテリでは、内部の固有抵抗により端子電圧が低下し、電圧降下が発生する。
そのため、上述したバッテリの電圧降下により、エンジンの始動時において、車両の他の電気機器や電子機器、例えばオーディオ、ナビゲーションシステム、ECU(Electronic Control Unit)等の使用時に瞬断を引き起こすという問題があった。
この瞬断は、通常のエンジンの始動では特に問題にはならないが、アイドリングストップ機能の搭載された車両等では、アイドリングストップ後の再始動を行う際に瞬断が発生し、運転手および同乗者に不快感を与える恐れがあった。そこで、この瞬断を回避するために、予備電源を備えたり昇圧用DC/DCコンバータを搭載したりして、バッテリの電圧の低下を防ぐ対策が採られている。
また、瞬断を回避するために、モータ回路に設けられたメイン接点を開閉する電磁スイッチと、モータ回路にメイン接点と直列に接続された電流抑制抵抗と、電流抑制抵抗を短絡可能に設けられた短絡用リレーと、短絡用リレーを遅延作動させるタイマ回路とを備えたスタータが知られている(例えば、特許文献1参照)。
このスタータでは、メイン接点が閉じると、バッテリから電流抑制抵抗を介してモータに電流が流れる。このとき、モータには、バッテリの全電圧よりも低い電圧が印加されるので、モータへの起動電流、すなわち突入電流が低減される。また、所定の時間が経過した後、短絡用リレーの励磁コイルが通電され、電流抑制抵抗が短絡されて、バッテリの全電圧がモータに印加される。これにより、瞬断のないエンジンの始動が可能になる。
また、瞬断を回避するために、バッテリとモータとの間に直列接続されたスタータスイッチと、スタータスイッチに直列接続された電流抑制抵抗と、電流抑制抵抗と並列に接続され、電流抑制抵抗を短絡する短絡スイッチと、短絡スイッチの開閉を制御する制御回路とを備えたスタータが知られている(例えば、特許文献2参照)。
このスタータでは、スタータスイッチが閉じると、バッテリから電流抑制抵抗を介してモータに電流が流れる。このとき、モータには、バッテリの全電圧よりも低い電圧が印加されるので、モータへの起動電流、すなわち突入電流が低減される。また、所定の時間が経過した後、短絡スイッチが閉じて電流抑制抵抗が短絡され、バッテリの全電圧がモータに印加される。これにより、瞬断のないエンジンの始動が可能になる。
また、瞬断を回避するために、モータの界磁部に永久磁石および界磁コイルの両方を備えたスタータが知られている(例えば、特許文献3参照)。このスタータでは、接点が閉じると、バッテリから界磁コイルを介してモータに電流が流れることにより、モータへの起動電流、すなわち突入電流が低減される。また、所定の時間が経過した後、界磁コイルが短絡される。これにより、瞬断のないエンジンの始動が可能になる。
しかしながら、特許文献1に記載されたスタータは、電流抑制抵抗およびタイマ回路が必要になるので、構造が複雑になる、スタータの体格が大きくなるといった問題がある。また、特許文献1に記載されたスタータは、タイマ回路を使用しているので、低温時等エンジンのフリクショントルクが大きい場合には、所定の時間が経過してもモータの回転速度が上がらず、所定の逆起電圧以下となって、電流抑制抵抗短絡後の突入電流が大きくなり、瞬断が発生する恐れがあるという問題もある。
また、特許文献2に記載されたスタータは、電流抑制抵抗の熱容量が小さく、電流抑制抵抗を短絡する時間に制約がある。そのため、所定の時間経過後に所定の逆起電圧以下であると、電流抑制抵抗短絡後の突入電流が大きくなり、瞬断が発生する恐れがあるので、電流抑制抵抗の熱容量を確保するためにスタータの体格が大きくなるという問題がある。
さらに、特許文献1および特許文献2に記載されたスタータは、電流抑制抵抗を使用しているので、スタータの内部抵抗が大きくなり、スタータの出力が低下する恐れがあるという問題もある。
また、特許文献3に記載されたスタータは、界磁コイルに流れる電流を制御することにより界磁コイルの短絡を切り替える界磁コイル電流制御部が必要であることから、構造が複雑になるという問題がある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、簡素な構造で、スタータの体格を大きくすることなく、かつスタータの出力を低下させることなく、電気機器や電子機器の瞬断を発生させずにエンジンを始動させることができるスタータを得ることを目的とする。
この発明に係るスタータは、モータの電機子と、電機子に電力を供給するバッテリと、バッテリと電機子との間に直列接続されたスタータスイッチと、電機子に直列接続され、電機子に対して磁束を発生する界磁コイルと、界磁コイルと並列に接続され、界磁コイルを短絡する短絡スイッチと、を備え、短絡スイッチは、スタータスイッチと電機子との間に直列接続された短絡スイッチ接点と、一端が界磁コイルと電機子との間に接続され、他端が接地されて短絡スイッチ接点の可動接点を駆動するための駆動コイルと、短絡スイッチ接点の可動接点に固定されたプランジャとを有し、スタータスイッチが閉じて、電機子が回転することで発生する逆起電圧により、駆動コイルにかかる電圧があらかじめ設定された電圧よりも高くなると、プランジャが駆動され、短絡スイッチ接点が閉路されるものである。
この発明に係るスタータによれば、界磁コイルと並列に接続され、界磁コイルを短絡する短絡スイッチは、スタータスイッチと電機子との間に直列接続された短絡スイッチ接点と、一端が界磁コイルと電機子との間に接続され、他端が接地されて短絡スイッチ接点の可動接点を駆動するための駆動コイルと、短絡スイッチ接点の可動接点に固定されたプランジャとを有し、スタータスイッチが閉じて、電機子が回転することで発生する逆起電圧により、駆動コイルにかかる電圧があらかじめ設定された電圧よりも高くなると、プランジャが駆動され、短絡スイッチ接点が閉路される。
そのため、簡素な構造で、スタータの体格を大きくすることなく、かつスタータの出力を低下させることなく、電気機器や電子機器の瞬断を発生させずにエンジンを始動させることができる。
そのため、簡素な構造で、スタータの体格を大きくすることなく、かつスタータの出力を低下させることなく、電気機器や電子機器の瞬断を発生させずにエンジンを始動させることができる。
以下、この発明に係るスタータの好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係るスタータを示す回路図である。図1において、スタータ10は、モータ1の電機子1aと、電機子1aに電力を供給するバッテリ2と、バッテリ2に接続された始動スイッチ3と、バッテリ2と電機子1aとの間に直列接続されたスタータスイッチ4と、電機子1aに直列接続された界磁部である界磁コイル1bと、界磁コイル1bと並列に接続され、界磁コイル1bを短絡する短絡スイッチ5とを備えている。
図1は、この発明の実施の形態1に係るスタータを示す回路図である。図1において、スタータ10は、モータ1の電機子1aと、電機子1aに電力を供給するバッテリ2と、バッテリ2に接続された始動スイッチ3と、バッテリ2と電機子1aとの間に直列接続されたスタータスイッチ4と、電機子1aに直列接続された界磁部である界磁コイル1bと、界磁コイル1bと並列に接続され、界磁コイル1bを短絡する短絡スイッチ5とを備えている。
ここで、モータ1は、図示しないエンジンを始動するためのものであり、上述した電機子1aおよび界磁コイル1bと、バッテリ2または他の電源により励磁されて磁束を発生する界磁部1cとから構成されている。
また、スタータスイッチ4は、バッテリ2と電機子1aとの間に直列接続された常開接点であるスタータスイッチ接点4aと、スタータスイッチ接点4aの可動接点を駆動するための駆動コイル4bと、スタータスイッチ接点4aの可動接点を固定接点に接触した位置に保持する保持コイル4cと、スタータスイッチ接点4aの可動接点に固定されたプランジャ4dとから構成されている。また、保持コイル4cは、一端が始動スイッチ3に接続され、他端が接地されている。
また、短絡スイッチ5は、スタータスイッチ接点4aと電機子1aとの間に直列接続された常開接点である短絡スイッチ接点5aと、短絡スイッチ接点5aの可動接点を駆動するための駆動コイル5bと、短絡スイッチ接点5aの可動接点に固定されたプランジャ5cとから構成されている。また、駆動コイル5bは、一端が界磁コイル1bと電機子1aとの間に接続され、他端が接地されている。
次に、図2を参照しながら、上記構成のスタータ10の動作について説明する。図2は、この発明の実施の形態1に係るスタータにおける電流電圧波形を示すグラフである。図2において、縦軸はバッテリ2の電源電圧および電機子1aに流れるスタータ電流を示し、横軸は時間を示している。
まず、エンジン始動の第1ステップとして、時刻T1において、エンジン始動要求により始動スイッチ3が閉路されると、バッテリ2から始動スイッチ3、駆動コイル4bおよび界磁コイル1bを介して、電機子1aに電流Iaが流れ始める。このとき、バッテリ2から始動スイッチ3を介して、保持コイル4cにも電流が流れる。
続いて、第2ステップとして、駆動コイル4bが通電されたことにより、プランジャ4dが駆動され、時刻T2においてスタータスイッチ接点4aが閉路される。ここで、保持コイル4cも通電されているので、プランジャ4dがその位置に保持され、スタータスイッチ接点4aの閉路が維持される。
スタータスイッチ接点4aが閉路されることにより、電機子1aは、バッテリ2から直流電力が供給されて回転トルクを発生し、電機子1aの軸に一方向クラッチを介して結合されたピニオンギヤが、エンジンのクランクシャフトに設けられたリングギヤ側へ移動されて、リングギヤに噛合される。
また、スタータスイッチ接点4aが閉路されると、バッテリ2から駆動コイル4bに流れていた電流Iaがほぼ消滅し、バッテリ2から閉路されたスタータスイッチ接点4a、界磁コイル1bおよび電機子1aを流れる電流Ibとなる。これにより、電機子1aの回転力がエンジンクランク軸に伝えられ、エンジンの始動が開始される。
次に、第3ステップとして、スタータスイッチ接点4aが閉路された時間からあらかじめ設定された時間が経過した時刻T3において、短絡スイッチ接点5aが閉路される。すなわち、電機子1aが回転することで発生し、電機子1aの回転数の上昇に伴い高くなる逆起電圧の作用により、駆動コイル5bにかかる電圧があらかじめ設定された電圧よりも高くなると、プランジャ5cが駆動され、短絡スイッチ接点5aが閉路される。
短絡スイッチ接点5aが閉路されることにより、バッテリ2からスタータスイッチ接点4aおよび短絡スイッチ接点5aを介して、電機子1aに電流が流れる。このとき、短絡スイッチ接点5aが閉路され、界磁コイル1bは短絡されているので、図2に示されるように、スタータ電流は再び増加する。
なお、界磁コイル1bが短絡されることにより、電機子1aに対して磁束を発生する手段は、界磁部1cのみとなる。また、エンジンの始動が開始された後、時刻T4において、エンジンの始動が完了する。
このように、逆起電圧の作用により、駆動コイル5bの一端にかかる電圧に応じて短絡スイッチ5が作動するので、モータ1の回転検出センサ、タイマ回路等を用いた複雑な制御が不要になり、構造を簡素化することができる。また、短絡スイッチ接点5aが閉路される電圧、すなわちプランジャ5cが駆動される電圧を変化させることにより、短絡のタイミング、および短絡時の電圧降下量を調整することができる。
ここで、スタータスイッチ接点4aが閉路される時刻T2において、電機子1aに流れる突入電流をスタータ電流I1とする。このとき、バッテリ2の電圧をV0、バッテリ2の内部固有抵抗をRB、界磁コイル1bの抵抗をRF、電機子1aの内部抵抗をRM、各配線抵抗をRWとすると、スタータ電流I1は、次式(1)で表される。
I1=V0/(RB+RF+RM+RW) ・・・(1)
また、短絡スイッチ接点5aが閉路される時刻T3において、電機子1aに流れる電流をスタータ電流I2とする。なお、電機子1aには時刻T3以前から電流が流れており、電機子1aが回転していることから、電機子1aには逆起電圧Eが発生している。このとき、スタータ電流I2は、バッテリ2の内部固有抵抗RB、電機子1aの内部抵抗RM、各配線抵抗RWを用いて次式(2)で表される。
I2=(V0−E)/(RB+RW+RM) ・・・(2)
また、逆起電圧Eは、モータ定数をk、磁束量をΦ、モータ回転速度をnとすると、次式(3)で表される。つまり、電機子1aに流れるスタータ電流I2は、モータ仕様を変えることにより、調整することができる。
E=k×Φ×n ・・・(3)
ここで、短絡スイッチ接点5aが閉路される電圧を高く設定すると、電機子1aに発生する逆起電圧Eが高くなるまで界磁コイル1bが短絡されない。すなわち、逆起電圧Eが高くなるので、式(2)からI1>I2の関係となり、式(3)からモータ回転速度がより高いところで短絡スイッチ接点5aが閉路されることになる。そのため、界磁コイル1bが短絡されるまでの時間、つまり時刻T2から時刻T3までの時間が長くなり、エンジン始動に時間を要する。
そこで、図2に示されるように、スタータ電流I1とスタータ電流I2とが同等になるように短絡スイッチ接点5aが閉路される電圧を設定することで、短絡スイッチ接点5aが閉路され、界磁コイル1bが短絡されるまでの時間が短くなり、瞬断を抑制しつつ、短時間でエンジンを始動させることができる。
この結果、第1ステップでは、回路上にスタータスイッチ4の駆動コイル4b、界磁コイル1bおよび各配線抵抗が存在し、第2ステップでは、界磁コイル1bおよび各配線抵抗が存在し、第3ステップでは、各配線抵抗のみが存在する。そのため、第1ステップから第3ステップにかけて、3段階で電気抵抗が減少していくこととなる。
このとき、界磁コイル1bを電流抑制抵抗として使用することにより、別途電流抑制抵抗を設定する必要がなくなり、構造を簡素化し、スタータの体格を小さくするとともに、軽量化および低コスト化を実現することができる。また、第3ステップ以前に電流Iaおよび電流Ibにより電機子1aが回転していることから、逆起電圧が発生して電流が抑制される。
また、低温時等エンジンのフリクショントルクが大きい高負荷時においても、電流抑制抵抗を使用した場合と比較して、高いトルクを発生させることができるので、迅速かつ確実にエンジンを始動させることができる。
また、短絡スイッチ5で界磁コイル1bを短絡させることにより、界磁コイル1bに流れる電流を減らし、界磁磁束を減らすことができる。これにより、スタータ特性がトルク型から回転型に切り替わり、短時間でエンジンを始動させることができるので、スタータ10の動作時間が短縮され、静粛性を向上させることができる。さらに、界磁コイル1bによる銅損が少なくなるので、消費電流を低減し、効率を向上させることができる。
このように、スタータ10では、エンジンの始動時に、まずバッテリ2と電機子1aとの間に接続された界磁コイル1bに通電を行い、あらかじめ設定された時間が経過した後、短絡スイッチ5により界磁コイル1bに流れる電流を減少させている。これにより、初期突入電流が低減され、電圧降下が抑制されて、電気機器等の瞬断を発生させず、効率よくエンジンを始動させることができる。
以上のように、実施の形態1によれば、界磁コイルと並列に接続され、界磁コイルを短絡する短絡スイッチは、スタータスイッチと電機子との間に直列接続された短絡スイッチ接点と、一端が界磁コイルと電機子との間に接続され、他端が接地されて短絡スイッチ接点の可動接点を駆動するための駆動コイルと、短絡スイッチ接点の可動接点に固定されたプランジャとを有し、スタータスイッチが閉じて、電機子が回転することで発生する逆起電圧により、駆動コイルにかかる電圧があらかじめ設定された電圧よりも高くなると、プランジャが駆動され、短絡スイッチ接点が閉路される。
そのため、簡素な構造で、スタータの体格を大きくすることなく、かつスタータの出力を低下させることなく、電気機器や電子機器の瞬断を発生させずにエンジンを始動させることができる。
そのため、簡素な構造で、スタータの体格を大きくすることなく、かつスタータの出力を低下させることなく、電気機器や電子機器の瞬断を発生させずにエンジンを始動させることができる。
なお、上記実施の形態1において、電機子1aに対して磁束を発生する図1に示した界磁部1cに代えて、図3に示されるように、界磁部1cと同様に磁束を発生する永久磁石1dを備えていてもよい。
図3において、例えば、界磁部の磁極は複数の対になったN極およびS極で構成され、一方の極が界磁コイル1bで構成され、他方の極が永久磁石1dで構成されている。ここで、界磁コイル1bおよび永久磁石1dの両方を有するモータ1であっても、電圧降下を抑制する効果は有しており、電気機器等の瞬断を発生させず、さらに効率よくエンジンを始動させることができる。
具体的には、界磁コイル1bおよび永久磁石1dの両方を有することで、界磁コイル1bに通電する際の界磁の強さが増大し、モータトルクが高くなるので、低温時等エンジンのフリクショントルクが大きい場合であっても、確実にエンジンを始動させることができる。
また、負荷が軽く、モータ回転速度が大きくなる低負荷域では、短絡スイッチ5により、界磁コイル1bに通電される電流を遮断または制限することで、界磁の磁束が小さくなり、高回転となるので、素早く始動することができる。これにより、スタータ10の動作時間が短縮され、静粛性を向上させることができる。また、無負荷時のモータ回転速度が高くなり過ぎることを抑制することができ、スタータ10の長寿命化を実現することができる。
1 モータ、1a 電機子、1b 界磁コイル、1c 界磁部、1d 永久磁石、2 バッテリ、3 始動スイッチ、4 スタータスイッチ、4a スタータスイッチ接点、4b 駆動コイル、4c 保持コイル、4d プランジャ、5 短絡スイッチ、5a 短絡スイッチ接点、5b 駆動コイル、5c プランジャ、10 スタータ。
Claims (3)
- モータの電機子と、
前記電機子に電力を供給するバッテリと、
前記バッテリと前記電機子との間に直列接続されたスタータスイッチと、
前記電機子に直列接続され、前記電機子に対して磁束を発生する界磁コイルと、
前記界磁コイルと並列に接続され、前記界磁コイルを短絡する短絡スイッチと、を備え、
前記短絡スイッチは、
前記スタータスイッチと前記電機子との間に直列接続された短絡スイッチ接点と、一端が前記界磁コイルと前記電機子との間に接続され、他端が接地されて前記短絡スイッチ接点の可動接点を駆動するための駆動コイルと、前記短絡スイッチ接点の可動接点に固定されたプランジャとを有し、
前記スタータスイッチが閉じて、前記電機子が回転することで発生する逆起電圧により、前記駆動コイルにかかる電圧があらかじめ設定された電圧よりも高くなると、前記プランジャが駆動され、前記短絡スイッチ接点が閉路される
スタータ。 - 前記短絡スイッチが動作するのに必要な電圧は、前記界磁コイルを介して前記電機子に通電しているときの前記電機子に流れるスタータ電流と、前記界磁コイルを前記短絡スイッチにより短絡して前記電機子に通電しているときの前記電機子に流れるスタータ電流とが同等になるように設定されている
請求項1に記載のスタータ。 - 前記界磁コイルに加えて、前記電機子に対して磁束を発生する永久磁石を備えた
請求項1または請求項2に記載のスタータ。
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