JP3750926B2 - 始動用電動機装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば自動車のエンジンを始動させる始動用電動機装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
通常、エンジンの始動は、電動機の駆動力をエンジンに連結されたリングギアに伝達させて行う。このリングギアに電動機の駆動力を伝達する手段として、駆動コイルの電磁吸引力を利用してシフトレバーを移動させてシフトレバーが当接する軸方向移動体に設けられたピニオンを移動させ、このピニオンをリングギアに噛合させることによりエンジンを始動させる方法が用いられる。
【0003】
また、主に大型ディーゼル用のエンジンを始動させる為には、大きな回転トルクが必要である。従って、ピニオンギアあるいはリングギアに大きな回転トルクが加わる。この時、ピニオンギア及びリングギアが不完全な噛合の場合に電動機からの全力トルクをピニオンあるいはリングギアが受けるとピニオンギアあるいはリングギアが破損する可能性がある。このことから、主に大型ディーゼル用エンジン等の始動用電動機装置には補助スイッチが設けられており、この補助スイッチを介してメインスイッチを動作させることにより、ピニオンギアあるいはリングギアが破損することを防止している。即ち、ピニオンギア及びリングギアが完全に噛合してからメインスイッチの接点を閉じることにより、始動用電動機装置が全力トルクを発生する。
【0004】
図9は、従来の始動用電動機装置の構成を示す要部断面図であり、図10は、図9の外観を示す側面図である。また、図11は、従来の始動用電動機装置の結線図である。これら図において、始動用電動機装置101は、電源であるバッテリ102と、エンジンを始動させる電動機103と、バッテリ102及び電動機103の間でバッテリ102からの電力供給の開閉を行うメインスイッチ107と、このメインスイッチ107の開閉のためにメインスイッチ107に電力供給のスイッチングする補助スイッチ108とを備えている。メインスイッチ107は、電動機103及びバッテリ102に電気的に接続された接点部104、この接点部104に一端部が接続されたプランジャ105、及びこのプランジャ105を往復移動させて接点部104を開閉する駆動コイル106を有し、接点部104が閉路されることによりバッテリ102から電動機103に電力を供給するようになっている。補助スイッチ108は、駆動コイル106及びバッテリ102に電気的に接続され、バッテリ102から駆動コイル106に電力を遮断又は供給して駆動コイル106に接点部104を開閉させるようになっている。
【0005】
補助スイッチ108は、バッテリ102及び駆動コイル106に電気的に接続された補助接点部109と、この補助接点部109を開閉させる補助駆動コイル110とを有している。補助駆動コイル110は、外部からの始動信号を出力するキースイッチ111を介してバッテリ102の正極に電気的に接続されている。また、補助駆動コイル110は、接地された保護リレー112に電気的に接続されており、保護リレー112はエンジンが着火して回転駆動しているときには開路状態となるようになっている。エンジンが着火しているかどうかは、エンジンに連結しているオルタネータ等の回転数を検知し、設定した所定の回転数(例えば、400rpm)を超えるかどうかによって判断するようになっている。即ち、この所定の回転数を超えたときに、エンジンが着火していると判断し、保護リレー112が開路状態になる。補助接点部109は、バッテリ102の正極に電気的に接続されたバッテリ側補助固定電極109aと、駆動コイル106に電気的に接続された駆動コイル側補助固定電極109bと、補助駆動コイル110の通電により往復移動してバッテリ側補助固定電極109a及び駆動コイル側補助固定電極109bに接離する補助可動電極109cとを有している。
【0006】
また、補助スイッチ108は、図12に示すように、取付部120を有した金属製のケース121に補助接点部109及び補助駆動コイル110が収納されて構成されている。この補助スイッチ108は、通常、メインスイッチ107近傍のブラケットに取付部120をねじ122で螺着することにより取り付けられている。
【0007】
メインスイッチ107の接点部104は、バッテリ102の正極に電気的に接続されたバッテリ側固定電極104aと、電動機103の内部コイルに電気的に接続された電動機側固定電極104bと、往復移動してバッテリ側固定電極104a及び電動機側固定電極104bに接離するメイン可動電極104cとを有している。メイン可動電極104cは、プランジャ105の一端部105aに絶縁固定されており、メイン可動電極104cからプランジャ105を介して漏電しないようになっている。駆動コイル106は、電動機103の内部コイルに電気的に接続されたプルインコイル106aと、接地されたホールドコイル106bとを有している。この駆動コイル106に通電されて発生した電磁吸引力によりプランジャ105が移動して接点部104が閉路するようになっている。
【0008】
電動機103は、内部コイルである互いに電気的に接続されたフィールドコイル103a(固定子巻線)及びアマチュアコイル103b(電機子巻線)を有し、フィールドコイル103aが電気的に電動機側固定電極104b及びプルインコイル106aに接続され、アマチュアコイル103bが接地されている。このフィールドコイル103a及びアマチュアコイル103bに通電されることにより、電動機103のアマチュアシャフト103cが回転するようになっている。
【0009】
バッテリ102は、正極がキースイッチ111、接点部104のバッテリ側固定電極104a及び補助接点部109のバッテリ側補助固定電極109aに電気的に接続され、負極が接地されている。
【0010】
また、始動用電動機装置101は、図9に示すように、プランジャ105の他端部105bに一端部113aが係止し、プランジャ105の往復移動により支点123を中心に回動するシフトレバー113と、電動機103のアマチュアシャフト103cに減速用ギアを介して連結され、シフトレバー113の他端部113bが当接される当接部114及びエンジンに連結しているリングギア116に噛合するとともにシフトレバー113の回動により軸線方向に往復移動するピニオン115を有する軸方向移動体117とを備えている。
【0011】
当接部114は、シフトレバー113の他端部113bの電動機103側に設けられたカラー部114aと、ピニオン115側に設けられた一方向クラッチであるオーバランニングクラッチ118の側面114bとから構成されている。シフトレバー113の他端部113bは、オーバランニングクラッチ118の側面114bに当接してこの側面114bをリングギア116に向かって押圧するようになっている。この押圧により、側面114bがピニオン115とともにリングギア116に向かって移動し、それとともにオーバランニングクラッチ118がアマチュアシャフト103cの回転力をピニオン115に伝達するようになっている。また、逆に他端部113bがカラー部114aに当接してカラー部114aを電動機103側に向かって押圧することにより、リングギア116に噛合していたピニオン115を電動機103に向かって移動させ、リングギア116との噛合を外すようになっている。
【0012】
このような構成の始動用電動機装置101は、エンジンを始動する際に、キースイッチ111をONにすると、バッテリ102から補助駆動コイル110に電力が供給されて補助駆動コイル110が励磁される。この励磁により補助接点部109の補助可動電極109cがバッテリ側補助固定電極109a及び駆動コイル側補助固定電極109bに向かって移動し接触する。この接触により補助接点部109は閉路状態となり、メインスイッチ107の駆動コイル106が通電状態となる。このとき、プルインコイル106aを流れた電流は電動機103のフィールドコイル103a及びアマチュアコイル103bにも流れている。従って、この段階で電動機103のアマチュアシャフト103cは回転し始めるが、プルインコイル106aによってバッテリ102から供給された電力が一部消費されるので、その回転速度は小さい。
【0013】
プルインコイル106a及びホールドコイル106bに電流が流れると、これらプルインコイル106a及びホールドコイル106bはそれぞれ励磁され電磁吸引力が発生する。この電磁吸引力によりプランジャ105とともにメイン可動電極104cがバッテリ側固定電極104a及び電動機側固定電極104bに向かって移動する。このプランジャ105の移動は、図9においては、左方向への移動であり、従って、この他端部105bに係止されたシフトレバー113の一端部113aもプランジャ105とともに左方向に向かって移動する。シフトレバー113は支点123に回動自在に設けられているので、その一端部113aが左方向に移動すると、他端部113bは右方向に移動する。
【0014】
シフトレバー113の他端部113bが右方向に移動すると、当接部114を構成するオーバランニングクラッチ118の側面114bに他端部113bが当接しつつ右方向に押圧する。このことにより、電動機103のアマチュアシャフト103cの回転がピニオン115に伝達するとともにこのピニオン115が軸線方向にリングギア116に向かって移動する。
【0015】
ピニオン115及びリングギア116はともに歯車であるので、ピニオン115がリングギア116に向かって移動すると互いの側面に当たって完全に噛合しない場合がある。このような状態では、シフトレバー113の他端部113bが完全に右方向に移動していないため、一端部113aが係止しているプランジャ105も完全には左方向に移動していない。従って、図11における接点部104のメイン可動電極104cはバッテリ側固定電極104a及び電動機側固定電極104bに接触することはなく、接点部104が閉路状態になることはない。従って、アマチュアシャフト103cはゆっくりとした回転を保ち、この回転がピニオン115に伝達しているので、ピニオン115がゆっくり回転することにより衝撃が少なく完全に噛合することができる。
【0016】
ピニオン115がリングギア116に完全に噛合すると、接点部104のメイン可動電極104cはバッテリ側固定電極104a及び電動機側固定電極104bに接触し、接点部104が閉路状態となる。これにより、バッテリ102から接点部104を介して電動機103のフィールドコイル103a及びアマチュアコイル103bに電力が供給されアマチュアシャフト103cが全力回転する。また、接点部104が閉路状態となると、プルインコイル106aの両端の電位差がなくなるため、プルインコイル106aに電流が流れなくなるが、接地されたホールドコイル106bに電流が流れ続けるので、接点部104の閉路状態は保持される。
【0017】
エンジンが着火して回転駆動し始めると、キースイッチ111をOFF状態にしてメインスイッチ107の駆動コイル106への電力供給を遮断する。電力供給が遮断された駆動コイル106は電磁吸引力がなくなりプランジャ105が、図9での右方向に移動して元の状態に戻る。この移動により、ピニオン115はシフトレバー113の回動により左方向に移動してリングギア116との噛合が外れ、接点部104は開路状態になり電動機103のアマチュアシャフト103cの回転が停止する。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、補助スイッチ108は、導電性金属で作製された補助接点部109、補助駆動コイル110及び磁束集中させるための鉄心等の金属製の部品が多く用いられ、重量が大きくなる傾向にある。従って、この補助可動電極109cを駆動するのに多くの電力を消費してしまい、効率的にエンジン始動をすることができないという問題点があった。
【0019】
また、このように補助駆動コイル110に多くの電流を流すため、キースイッチ111により補助駆動コイル110への通電を遮断すると大きなサージ電圧が補助駆動コイル110に発生し、例えばエンジンのコントロールユニット等のバッテリ102に接続された電子部品に悪影響を与える虞があるという問題点があった。
【0020】
また、保護リレー112は始動用電動機装置101の故障を防止するための安全装置であるため、取り付ける必要があるがこれを取り付けるために新たにスペースが必要となり、補助スイッチ108と一体化するにも結線等をする手間がかかり、小型化にも限界があるという問題点があった。
【0021】
そこでこの発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするもので、補助スイッチを小型化して効率的なエンジン始動等を可能とする始動用電動機装置を得ることを目的とする。
【0022】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る始動用電動機装置は、電源と、エンジンを始動させる電動機と、前記電動機及び前記電源に電気的に接続された接点部、前記接点部に一端部が接続されたプランジャ、及び前記プランジャを往復移動させて前記接点部を開閉する駆動コイルを有し、前記接点部が閉路されることにより前記電源から前記電動機に電力を供給し、前記電動機を始動させるメインスイッチと、前記駆動コイル及び前記電源に電気的に接続され、前記電源から前記駆動コイルに電力を遮断又は供給して前記駆動コイルに前記接点部を開閉させる補助スイッチとを備え、前記補助スイッチは、外部からの始動信号の入力に基づいて動作信号を出力する制御回路部と、前記電源及び前記駆動コイルに電気的に接続され、前記動作信号の入力によりスイッチングする半導体リレー部とを有し、前記半導体リレー部は、前記半導体リレー部を通電する電流量及び前記半導体リレー部における電位に基づく電気信号を出力する電気出力部を有し、前記制御回路部は、前記電気信号の入力に基づいて前記電動機の通電による発熱量を計算して前記通電されている間に発生した全熱量を積算し、前記電動機の近傍に設けられ雰囲気温度を測定する温度センサにより検知した温度信号の入力に基づいて、前記電動機から放出される熱量を計算し、前記全熱量から前記放出される熱量を差し引いて残存熱量を算出するようになっており、前記残存熱量が所定の値を超えると前記動作信号の出力を停止するようになっている。
【0023】
また、前記制御回路部及び前記半導体リレー部は、電気絶縁性のケースに一括収納されている。
【0024】
また、前記プランジャの他端部に一端部が係止し、前記プランジャの往復移動により回動するシフトレバーと、前記電動機に連結され、前記シフトレバーの他端部が当接される当接部及びエンジンに連結しているリングギアに噛合するとともに前記シフトレバーの回動により軸線方向に往復移動するピニオンを有する軸方向移動体とを備え、前記プランジャの移動により前記ピニオンが前記リングギアに完全に噛合したときに前記接点部が閉路されるようになっている。
【0026】
また、前記半導体リレー部は、前記半導体リレー部を通電する電流量に基づく電流信号を出力する電気出力部を有し、前記制御回路部は、前記エンジンの着火により前記電動機の負荷変動が小さくなって、前記制御回路部に入力された前記電流信号の変動がほとんど無くなると、前記動作信号の出力を停止するようになっている。
【0027】
また、前記半導体リレー部は、前記半導体リレー部を通電する電流量及び前記半導体リレー部における電位に基づく電気信号を出力する電気出力部を有し、前記制御回路部は、前記電気信号の入力に基づいて前記電動機に通電される電流量を計算し、前記電動機に通電される電流量が所定の値を超える状態が所定時間以上続くと、前記動作信号の出力を停止するようになっている。
【0028】
また、前記制御回路部は、前記動作信号を多数のパルス信号として出力し、前記半導体リレー部が前記パルス信号に応じてスイッチングすることにより、前記駆動コイルに通電される電流をPWM制御するようになっている。
【0029】
また、前記半導体リレー部及び前記電源の間、又は前記半導体リレー部及び前記駆動コイルの間に電気的にヒューズが介在している。
【0030】
また、前記半導体リレー部は、前記電動機に接触固定された良熱伝導性の部材に接触している。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施の形態について説明するが、従来例のものと同一又は同等部材、部位は、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に係る始動用電動機装置の結線図である。図1において、始動用電動機装置1は、半導体リレー部3と、この半導体リレー部3に電気的に接続された制御回路部4とを有した補助スイッチ2を備えている。半導体リレー部3は、トランジスタ等が用いられたスイッチング部5を有しており、例えばMOS FETではゲート電極Gが制御回路部4に、ドレイン電極Dがバッテリ102に、ソース電極Sが駆動コイル106にそれぞれ電気的に接続されている。制御回路部4は、アース端子Eから接地され、またスイッチ端子SWから外部のキースイッチ111に電気的に接続されており、キースイッチ111の閉路動作による始動信号の入力に基づいてドレイン電極D及びソース電極S間のスイッチングをする動作信号であるゲート電圧をMOS FETに出力するようになっている。
【0032】
図2は、この発明の実施の形態1に係る始動用電動機装置の補助スイッチの外形を示す斜視図であり、図3は、図2の補助スイッチの内部構成を示す破断斜視図である。図において、補助スイッチ2は、制御回路部4が搭載された基板6と半導体リレー部3とが一括収納されたケース7を有している。ケース7は、内部に空間を有するように形成された良熱伝導性の金属部材8と樹脂9とが一体形成されたものである。金属部材8は外壁に同一材質の取付部8aを有しており、この取付部8aは樹脂9に密着せずに露出している。また、ケース7内面においても一部が樹脂9に密着せずに露出している。半導体リレー部3は基板6に接続固定されており、この半導体リレー部3がアルミ製のヒートシンク10及び電気絶縁性のセラミック板11を介してケース7内面の金属部材8が露出した部分に接着固定されている。さらに、ケース7内部の半導体リレー部3のドレイン電極D及びソース電極S、制御回路部4のスイッチ端子SW及びアース端子Eがケース7の外部回路に電気的に接続できるように、ケース7外壁にこれらドレイン電極D、ソース電極S、スイッチ端子SW及びアース端子Eが露出して固定されている。このような補助スイッチ2は、図4に示すように、メインスイッチ107の外壁に取付部8aが接触した状態でねじ122により固定されている。他の構成は従来例と同様であり、その説明は省略する。
【0033】
このような構成の始動用電動機装置1は、キースイッチ111が閉路動作すると、制御回路部4にバッテリ102から電流が流れる。この通電が始動信号として働き、この始動信号の入力に基づき半導体リレー部3のスイッチング部5に動作信号を出力する。動作信号はゲート電圧であり、ドレイン電極D及びソース電極S間のスイッチングをする。この後の動作は従来例と同様である。
【0034】
従って、補助スイッチ2は、従来に比べて半導体リレー部3、制御回路部4を搭載した基板6等といった小型で軽い部品で構成できるので、補助スイッチ2の小型軽量化をすることができる。
【0035】
また、補助スイッチ2のスイッチング動作は、従来のようにコイルの励磁により接点を移動させる必要はないので、消費する電力が少なく電動機103にバッテリ102の電力をより多く供給することができ、効率的にエンジンを始動させることができる。また、従来のように補助駆動コイルがないのでサージ電圧が発生せず、バッテリ102に接続された電子部品への悪影響も無くなる。
【0036】
また、半導体リレー部3はヒートシンク10を介して金属部材8に接触したセラミック板11に設けられているので、半導体リレー部3から金属部材8への漏電が防止されるとともに、半導体リレー部3で発生した熱がヒートシンク10、セラミック板11及び金属部材8を伝達して外気及びメインスイッチ107近傍のブラケットの外壁に放出される。
【0037】
なお、制御回路部4に通電される電流が小さいので、キースイッチ111によらなくても、例えばタッチスイッチのような微弱電流にしか適応できないスイッチも用いることができる。
【0038】
また、半導体リレー部3は微弱な電圧で動作可能であるので、キースイッチ111の閉路動作によるバッテリ102からの通電によらないで、例えばエンジンのコントロールユニットのような他の制御装置から微弱電圧等を始動信号として半導体リレー部3に直接入力させることもできる。
【0039】
また、仮に、図5に示すように、半導体リレー部3のスイッチング部5が駆動コイル106を介してバッテリ102の正極に電気的に接続しているような構成とすると、図1におけるプルインコイル106aの通電の制御ができず、駆動コイル106はホールドコイル106bのみの構成となってしまう。このような構成でもエンジンを始動させることはできるが、プルインコイル106aによって電動機103のアマチュアシャフト103cをゆっくり回転させることができず、ピニオン115とリングギア116との噛合が円滑に行われない虞がある。また、従来の始動用電動機装置101は駆動コイル106はプルインコイル106a及びホールドコイル106bを有しているので、このような駆動コイル106を有するメインスイッチ107に適用できる補助スイッチ2のほうが互換性等の観点から都合がよい。従って、図1に示すように半導体リレー部3をバッテリ102の正極及び駆動コイル106の間に電気的に介在させる構成とするのが望ましい。
【0040】
また、制御回路部4は、動作信号であるゲート電圧をスイッチング部5にパルス信号として出力し、半導体リレー部3のスイッチング部5がパルス信号に応じてスイッチングするようになっている構成としてもよい。スイッチング部5がトランジスタ等の半導体であるため、スイッチング部5はパルス信号のような動作速度の大きい制御にも適応することができる。このようなスイッチング動作が可能となったことにより、メインスイッチ107の駆動コイル106に通電される電流をPWM制御することができる。駆動コイル106の通電電流をPWM制御することにより、駆動コイル106で消費される電力を抑えて電磁吸引力を小さくし、プランジャ105の移動速度を小さくすることができる。従って、プランジャ105の移動に連動して移動するピニオン115の移動速度も小さくなり、ピニオン115とリングギア116との衝突による衝撃を小さくできる。
【0041】
さらに、接点部104が閉路状態のときは、駆動コイル106の電磁吸引力は接点部104の閉路動作時のようにプランジャ105を吸引して移動させるほど大きくする必要はなく、接点部104の閉路状態を保持できる程度の吸引力でよいので、このときはさらにPWM制御により駆動コイル106の消費電力を小さくできる。このことにより、駆動コイル106の発熱を抑えることができ、またその分、電動機103に電力を多く供給でき効率的にエンジンを始動できる。
【0042】
実施の形態2.
図6は、この発明の実施の形態2に係る始動用電動機装置の構成を示す結線図である。図6において、補助スイッチ2の半導体リレー部3は、例えばMOS FETであるスイッチング部5と、このスイッチング部5に接続され、スイッチング部5のドレイン電極D及びソース電極Sの間を流れる電流の大きさ及びドレイン電圧を検知して電気信号を出力する電流電圧検出回路である電気出力部20とを有している。この電気出力部20は、スイッチング部5及び制御回路部4それぞれに電気的に接続されている。また、電動機103の近傍(例えば、補助スイッチ2のケース7内部)には、温度センサが設けられており、電動機103の雰囲気温度を測定して温度信号を制御回路部4に出力するようになっている。
【0043】
制御回路部4は、以下のようにして電動機103のフィールドコイル103a及びアマチュアコイル103bに流れる電流の大きさを計算するようになっている。図7は、駆動コイル106に通電されているが、まだメインスイッチ107の接点部104が閉路していない補助回転の状態での等価回路である。図6及び図7において、制御回路部4にはあらかじめ、プルインコイル106aのPコイル抵抗Rp、ホールドコイル106bのHコイル抵抗Rh、及び電動機103のフィールドコイル103a及びアマチュアコイル103bの合成抵抗である電動機内部抵抗Rstの値が記憶されている。
【0044】
ここで、バッテリ102の内部抵抗及び起電力をそれぞれRb及びV0、バッテリ102の正極から接点部104のバッテリ側固定電極104aまでの配線(B回路配線)抵抗をR1、バッテリ102の正極から制御回路部4のスイッチ端子SWまでの配線(S回路配線)抵抗をR2、制御回路部4の基板インピーダンスをR3としている。また、図7に示される等価回路で示される補助回転状態におけるスイッチング部5のドレイン電圧をVd1、このスイッチング部5のドレイン電極D及びソース電極S間を流れる電流量をI1としている。
【0045】
まず、Pコイル抵抗Rp、Hコイル抵抗Rh及び電動機内部抵抗Rstの合成抵抗R0を記憶されたデータを用いて式(1)により計算する。
R0=(Rp+Rst)×Rh/(Rp+Rst+Rh)…(1)
また、図7の等価回路から式(2)及び式(3)が導かれる。
V0 =(Rb+R1+R0)×I1…(2)
Vd1=R0×I1…(3)
さらに、式(2)及び式(3)から、式(4)が導かれる。
Rb+R1=(V0−Vd1)/I1…(4)
電気出力部20からの電気信号の入力に基づいて制御回路部4はI1及びVd1を取得しているので、この式(4)によりB回路配線抵抗Rb及びバッテリ内部抵抗R1の合成抵抗を計算する。
【0046】
図8は、メインスイッチ107の接点部104が完全に閉路して電動機103のアマチュアシャフト103cが全力回転している状態の等価回路である。図8において、全力回転状態でのスイッチング部5のドレイン電圧をVd2、B回路配線を流れる電流量をI2としている。このI2は回路内で電動機内部抵抗RstとHコイル抵抗Rhとに分岐して流れるが、電動機内部抵抗Rstに流れる電流量がHコイル抵抗Rhに流れる電流量に比べて極めて大きいため、Hコイル抵抗Rhに流れる電流量を無視して、I2が電動機内部抵抗Rstに流れる電流量であると扱っても差し支えない。
【0047】
このことによりI2を計算するために、まず図8の等価回路から式(5)が導かれる。
I2=(V0−Vd2)/(Rb+R1)…(5)
そして、図8の等価回路から導かれた式(5)に、上記式(2)及び式(4)で計算したV0及び(Rb+R1)と電気出力部20からの電気信号の入力に基づいて制御回路部4が取得したVd2とを代入することによりI2を計算する。
【0048】
また、制御回路部4には、あらかじめ電動機103の温度と、雰囲気温度と、その温度の電動機103に侵入した熱量に対する温度上昇値及びその温度の電動機103から熱量がその雰囲気温度の外気に放出されることによる電動機103の温度下降値とがデータとして記憶されている。そして、制御回路部4は、上記I2の値及び電動機内部抵抗Rstから電動機103の発熱量を計算し、通電されている時間によりこの発熱量を積算し全熱量を求めて、記憶データから電動機103の温度上昇値を取得するようになっている。また、制御回路部4は、温度センサからの温度信号の入力に基づいて雰囲気温度の値を取得し、記憶データからその取得したときの電動機103の温度での電動機103の温度下降値を取得するようになっている。そして、制御回路部4は、通電され始めたときの雰囲気温度、取得した電動機103の温度上昇値及び温度下降値から電動機103の温度を特定するようになっている。さらに、制御回路部4は、この特定した電動機103の温度が所定の焼き付け等の熱的ダメージを生じる虞のある温度となると、動作信号の出力を停止するようになっている。他の構成は実施の形態1と同様である。
【0049】
このように構成された始動用電動機装置1は、全力回転状態で電動機内部抵抗Rstに流れる電流I2の大きさが計算できるので、電動機103の温度を特定でき、電動機103の焼き付け等を未然に防止することができる。
【0050】
なお、制御回路部4は、全力回転状態における電動機内部抵抗Rstの通電電流I2の大きさの変動(以下、脈動という)がほとんど無くなったときに、動作信号の出力を停止するようになっていてもよい。エンジンは、着火せずにまだクランキング状態にあるときは、電動機103のアマチュアシャフト103cの回転力により駆動されている。このとき、エンジンでは圧縮行程及び膨張行程が繰り返し行われており、圧縮行程では電動機103の負荷が大きく、膨張行程では電動機103の負荷が小さくなる。この負荷の変動によって通電電流I2の大きさも当然に変動し、通電電流I2は圧縮行程では大きく、膨張行程では小さくなり、脈動が発生する。エンジンが着火してそれ自体で駆動し始めると、電動機103のアマチュアシャフト103cはエンジンの駆動により回転するようになる。このとき、電動機103は無負荷の状態となり、通電電流I2の脈動もほとんど無くなる。従って、通電電流I2の脈動がほとんど無くなったときに、エンジンが着火したと判断でき、このときに半導体リレー部3への動作信号の出力を停止することにより、エンジンが着火しないうちにキースイッチ111をOFF状態にしてしまったり、逆にエンジンが着火してもキースイッチ111をON状態にしたまま余分に電力を消費することが無くなる。
【0051】
なお、この脈動は電動機内部抵抗Rstの通電電流I2だけでなく、スイッチング部5のドレイン電極D及びソース電極Sの間を流れる電流にも発生するので、電気出力部20が電流信号のみを制御回路部4に出力するようになっていても、この電流の脈動がほとんど無くなったときに、動作信号の出力を停止するようにすることにより同様の効果を得ることができる。
【0052】
また、エンジンあるいは電動機103が何らかの原因でロックしたときにも、この電動機内部抵抗Rstの通電電流、又はスイッチング部5のドレイン電極D及びソース電極Sの間を流れる電流の脈動がほとんど無くなるので、このときに制御回路部4からの動作信号の出力を停止することにより、電動機103の過負荷による焼き付け等の損傷を防止することができる。
また、このようにロックした場合、制御回路部4は、電動機内部抵抗Rstの通電電流I2が過負荷の電流値を超えて、この状態が所定時間(例えば、1s)続くと動作信号の出力を停止するようにしても、同様に電動機103の損傷を防止できる。
【0053】
また、スイッチング部5のドレイン電極D及びバッテリ102の正極の間、又はスイッチング部5のソース電極S及び駆動コイル106の間にヒューズを電気的に介在させた構成としてもよい。このような構成とすると、半導体リレー部3が故障して常にスイッチング部5が閉路状態となった場合でも、例えば上記のようにロックしたとき、過負荷による大電流が流れてヒューズが切れることにより電動機103の損傷を防止することができる。
【0054】
【発明の効果】
上記の説明から明らかな通り、この発明に係る始動用電動機装置は、電源と、エンジンを始動させる電動機と、前記電動機及び前記電源に電気的に接続された接点部、前記接点部に一端部が接続されたプランジャ、及び前記プランジャを往復移動させて前記接点部を開閉する駆動コイルを有し、前記接点部が閉路されることにより前記電源から前記電動機に電力を供給し、前記電動機を始動させるメインスイッチと、前記駆動コイル及び前記電源に電気的に接続され、前記電源から前記駆動コイルに電力を遮断又は供給して前記駆動コイルに前記接点部を開閉させる補助スイッチとを備え、前記補助スイッチは、外部からの始動信号の入力に基づいて動作信号を出力する制御回路部と、前記電源及び前記駆動コイルに電気的に接続され、前記動作信号の入力によりスイッチングする半導体リレー部とを有し、前記半導体リレー部は、前記半導体リレー部を通電する電流量及び前記半導体リレー部における電位に基づく電気信号を出力する電気出力部を有し、前記制御回路部は、前記電気信号の入力に基づいて前記電動機の通電による発熱量を計算して前記通電されている間に発生した全熱量を積算し、前記電動機の近傍に設けられ雰囲気温度を測定する温度センサにより検知した温度信号の入力に基づいて、前記電動機から放出される熱量を計算し、前記全熱量から前記放出される熱量を差し引いて残存熱量を算出するようになっており、前記残存熱量が所定の値を超えると前記動作信号の出力を停止するようになっているので、前記スイッチングするための電力消費も削減でき、効率的なエンジン始動が可能となるとともに、前記電動機の温度上昇に伴う焼き付け等の弊害を防止することができる。
【0055】
また、前記制御回路部及び前記半導体リレー部は、電気絶縁性のケースに一括収納されているので、小型、軽量で、しかも取り扱いが容易な前記補助スイッチを得ることができる。
【0056】
また、前記プランジャの他端部に一端部が係止し、前記プランジャの往復移動により回動するシフトレバーと、前記電動機に連結され、前記シフトレバーの他端部が当接される当接部及びエンジンに連結しているリングギアに噛合するとともに前記シフトレバーの回動により軸線方向に往復移動するピニオンを有する軸方向移動体とを備え、前記プランジャの移動により前記ピニオンが前記リングギアに完全に噛合したときに前記接点部が閉路されるようになっているので、前記電動機が全力回転したときに、噛合状態が不安定で前記ピニオン又は前記リングギアが損傷する虞がなくなる。
【0058】
また、前記半導体リレー部は、前記半導体リレー部を通電する電流量に基づく電流信号を出力する電気出力部を有し、前記制御回路部は、前記エンジンの着火により前記電動機の負荷変動が小さくなって、前記制御回路部に入力された前記電流信号の変動がほとんど無くなると、前記動作信号の出力を停止するようになっているので、確実に前記エンジンの着火を確認でき、前記エンジンが着火していない状態でも前記動作信号の出力が停止されること、あるいは前記エンジンが着火している状態でもなお前記動作信号が出力され続けていることを防止することができる。
【0059】
また、前記半導体リレー部は、前記半導体リレー部を通電する電流量及び前記半導体リレー部における電位に基づく電気信号を出力する電気出力部を有し、前記制御回路部は、前記電気信号の入力に基づいて前記電動機に通電される電流量を計算し、前記電動機に通電される電流量が所定の値を超える状態が所定時間以上続くと、前記動作信号の出力を停止するようになっているので、前記電動機の温度上昇に伴う焼き付け等の弊害、及び前記電動機に連動している前記ピニオン、前記リングギア等の破損を防止することができる。
【0060】
また、前記制御回路部は、前記動作信号を多数のパルス信号として出力し、前記半導体リレー部が前記パルス信号に応じてスイッチングすることにより、前記駆動コイルに通電される電流をPWM制御するようになっているので、前記プランジャの移動速度を小さくなって前記駆動コイルでの消費電力が低減し、効率的に前記電源の電力を消費でき、また前記プランジャの移動速度が小さくなることにより前記ピニオン及び前記リングギアの衝突による衝撃が小さくなり前記ピニオン及び前記リングギアの破損を防止できる。
【0061】
また、前記半導体リレー部及び前記電源の間、又は前記半導体リレー部及び前記駆動コイルの間に電気的にヒューズが介在しているので、例えば前記半導体リレー部が破損して閉路状態で固まってしまった場合でも、前記電動機、前記エンジン等がロックしたとき、過負荷電流により前記ヒューズが切れて前記電動機が停止することにより、前記電動機等の破損を防止できる。
【0062】
また、前記半導体リレー部は、前記電動機に接触固定された良熱伝導性の部材に接触しているので、前記半導体リレー部に発生した熱を前記電動機及び外気に放出して、前記半導体リレー部の温度が上昇して損傷することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1に係る始動用電動機装置の結線図である。
【図2】 この発明の実施の形態1に係る始動用電動機装置の補助スイッチの外形を示す斜視図である。
【図3】 図2の補助スイッチの内部構成を示す破断斜視図である。
【図4】 この発明の実施の形態1に係る始動用電動機装置の外観を示す側面図である。
【図5】 バッテリと半導体リレー部との間に駆動コイルが電気的に接続されている始動用電動機装置の結線図である。
【図6】 この発明の実施の形態2に係る始動用電動機装置の構成を示す結線図である。
【図7】 補助回転の状態での等価回路である。
【図8】 全力回転の状態での等価回路である。
【図9】 従来の始動用電動機装置の構成を示す要部断面図である。
【図10】 図9の外観を示す側面図である。
【図11】 従来の始動用電動機装置の結線図である。
【図12】 従来の補助スイッチの外形を示す斜視図である。
【符号の説明】
1 始動用電動機装置、2 補助スイッチ、3 半導体リレー部、4 制御回路部、5 スイッチング部、7 ケース、20 電気出力部、102 バッテリ(電源)、103 電動機、104 接点部、105 プランジャ、106 駆動コイル、107 メインスイッチ、113 シフトレバー、114 当接部、115 ピニオン、116 リングギア、117 軸方向移動体。
Claims (8)
- 電源と、
エンジンを始動させる電動機と、
前記電動機及び前記電源に電気的に接続された接点部、前記接点部に一端部が接続されたプランジャ、及び前記プランジャを往復移動させて前記接点部を開閉する駆動コイルを有し、前記接点部が閉路されることにより前記電源から前記電動機に電力を供給し、前記電動機を始動させるメインスイッチと、
前記駆動コイル及び前記電源に電気的に接続され、前記電源から前記駆動コイルに電力を遮断又は供給して前記駆動コイルに前記接点部を開閉させる補助スイッチとを備え、
前記補助スイッチは、外部からの始動信号の入力に基づいて動作信号を出力する制御回路部と、前記電源及び前記駆動コイルに電気的に接続され、前記動作信号の入力によりスイッチングする半導体リレー部とを有し、
前記半導体リレー部は、前記半導体リレー部を通電する電流量及び前記半導体リレー部における電位に基づく電気信号を出力する電気出力部を有し、
前記制御回路部は、前記電気信号の入力に基づいて前記電動機の通電による発熱量を計算して前記通電されている間に発生した全熱量を積算し、前記電動機の近傍に設けられ雰囲気温度を測定する温度センサにより検知した温度信号の入力に基づいて、前記電動機から放出される熱量を計算し、前記全熱量から前記放出される熱量を差し引いて残存熱量を算出するようになっており、
前記残存熱量が所定の値を超えると前記動作信号の出力を停止するようになっていることを特徴とする始動用電動機装置。 - 前記制御回路部及び前記半導体リレー部は、電気絶縁性のケースに一括収納されていることを特徴とする請求項1に記載の始動用電動機装置。
- 前記プランジャの他端部に一端部が係止し、前記プランジャの往復移動により回動するシフトレバーと、
前記電動機に連結され、前記シフトレバーの他端部が当接される当接部及びエンジンに連結しているリングギアに噛合するとともに前記シフトレバーの回動により軸線方向に往復移動するピニオンを有する軸方向移動体とを備え、
前記プランジャの移動により前記ピニオンが前記リングギアに完全に噛合したときに前記接点部が閉路されるようになっていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の始動用電動機装置。 - 前記半導体リレー部は、前記半導体リレー部を通電する電流量に基づく電流信号を出力する電気出力部を有し、
前記制御回路部は、前記エンジンの着火により前記電動機の負荷変動が小さくなって、前記制御回路部に入力された前記電流信号の変動がほとんど無くなると、前記動作信号の出力を停止するようになっていることを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れかに記載の始動用電動機装置。 - 前記制御回路部は、前記電気信号の入力に基づいて前記電動機に通電される電流量を計算し、前記電動機に通電される電流量が所定の値を超える状態が所定時間以上続くと、前記動作信号の出力を停止するようになっていることを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れかに記載の始動用電動機装置。
- 前記制御回路部は、前記動作信号を多数のパルス信号として出力し、前記半導体リレー部が前記パルス信号に応じてスイッチングすることにより、前記駆動コイルに通電される電流をPWM制御することを特徴とする請求項1乃至請求項5の何れかに記載の始動用電動機装置。
- 前記半導体リレー部及び前記電源の間、又は前記半導体リレー部及び前記駆動コイルの間に電気的にヒューズが介在していることを特徴とする請求項1乃至請求項6の何れかに記載の始動用電動機装置。
- 前記半導体リレー部は、前記電動機に接触固定された良熱伝導性の部材に接触していることを特徴とする請求項1乃至請求項7の何れかに記載の始動用電動機装置。
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