JP6038913B2 - バッテリ電圧の降下を防止する装置を備えた自動車のスタータ回路 - Google Patents

Description

概して、本発明は、自動車における熱機関のためのスタータの分野に関連する。特に、本発明は、スタータと当該スタータのスイッチが入れられる時に車のバッテリ端子の電圧が上昇されることを可能にする装置とのコンビネーションに関連する。

車の熱機関の起動を保証するためにスタータのスイッチが入れられる時に、スタータの短絡回路の電流レベルに近い電流、すなわち約１０００Ａの電流の実質的な要求が生じる。スタータのスイッチが入れられる時のこの電流の要求の強度は、その後に、機械の回転子に対応するスタータの電機子の速度が増加するにつれて、減少する。

結果として生じるバッテリの端子における電圧の降下は、この初期電流サージに対応する。他のそれほど実質的でない電圧の降下が、その後に、起動段階中に生じ、それは、熱機関の連続的な上死点の通過に対応する。

熱機関の自動的な停止／起動システム（いわゆる「ストップ／スタート（Ｓｔｏｐ／Ｓｔａｒｔ）」または「ストップ・アンド・ゴー（Ｓｔｏｐ ａｎｄ Ｇｏ）」システム）のために設計された、いわゆる「強化」スタータの開発は、現在、スタータのスイッチが入れられる時における電流の要求中のバッテリの最小電圧閾値の順守に関連する新たな規制を自動車部品の製造業者に課している。したがって、それらの仕様書において、自動車の製造業者は、通例７乃至９Ｖの間に含まれる第１電圧閾値を規定しており、それ以下にバッテリ電圧が降下してはいけない。熱機関の上死点に対応するその後に起きる電圧降下に対して、バッテリ電圧は、通例８乃至９Ｖの間に含まれる第２電圧閾値より高く留まらなければいけない。熱機関の起動中に、車の搭載回路網の電圧は、したがって、車の装備の要求される機能を保証するのに十分な値に留まる。

強化スタータは、概して、ユーザの増大される快適性のために迅速な起動を得るように、従来のスタータよりも高い電力を有する。これは、高い要求に関連して、結果的に、電力のスイッチが入れられる時におけるより高い電流の要求と、したがって、通例の値を超える第１のバッテリ電圧降下と、をもたらす。これは、バッテリ電圧の上に行くために、スタータが非常に大きな内部電圧降下を有する必要があることで、低温において十分な速度で熱機関を駆動するのに必要な電力がもはや無い、という現実の困難性を設計者に生じさせる。

従来技術では、いくつかの解決策が上記に説明された問題に対して提案されている。発明者に知られている第１の解決策は、搭載回路網における過度に低い電圧レベルを防止するために電圧を増加させる電子変換器の使用に基づいている。これらの変換器の主な欠点は、それらが導入する実質的なコストにある。

別の知られた解決策は、２つの継電器、タイマー、および電流制限レジスタによりスタータを制御することを提案している。その継続時間がタイマーによって決定される第１動作段階では、追加のレジスタがスタータ回路に直列に挿入され、初期電流サージを制限する。第２動作段階では、スタータの電機子への十分な電流の通過を可能にして前記スタータの速度が増加することを許容するために、追加のレジスタがスタータ回路から除かれる。

文献ＥＰ２０８０８９７Ａ２およびＥＰ２１２８４２６Ａ２は、上記タイプのスタータを記載している。追加の制御継電器、タイマー、および電流制限レジスタが伴う追加のコストの欠点と同様に、磨耗にさらされる可動機械部分を含む追加の継電器の導入は、スタータが困難なく耐えることができなければいけない起動サイクルの回数に関するスタータの耐用寿命にマイナスの影響を有する。起動サイクルの回数に関するスタータの耐用寿命は、停止／起動システムのために設計されたスタータに対する特に厳しい制約である。実際、このタイプのスタータは、約３００，０００起動サイクル、すなわち従来のスタータから要求されるおよそ３０，０００サイクルの１０倍に耐えることが要求されている。

上記に説明された欠点に加えて、従来技術による第２の解決策の使用は、時間に関して制限しようとする電圧範囲の遵守が自動車の製造業者により要求される時に、不適切であると分かる。このタイプの範囲は、概して、上記に示された第１電圧閾値に対応する低電圧ステップと、第２電圧閾値に対応する高電圧ステップと、を有する。上昇電圧勾配が、また、低ステップと高ステップとの間において前記範囲に含まれている。

前記範囲の低ステップおよび勾配のスロープの継続時間に関して製造業者の従来の値を用いて発明者によって実行されたテストは、前記範囲内に留まることの従来技術によるこの第２の解決策に存在する困難性を示している。実際、スタータの電機子を通過する電流が次にスタータ回路の電流制限レジスタの出力の結果として実質的に増加する状態で、バッテリ電圧が、一度初期電流サージが吸収されて整流された後、前記タイミングの最後に再び降下する時に、電圧勾配のレベルにおいて前記範囲を超えるというリスクが見つけられた。そのように前記範囲を超えた後、バッテリ電圧は、ある継続時間、前記範囲の下に留まって、上昇電圧勾配の最後の後にのみ前記範囲内に戻り得るのに対して、高電圧ステップの開始の瞬間は、すでに到達されている。

上記に説明された欠点を除去する目的で、発明者は、特に熱機関の自動停止／起動機能に関連する自動車における応用のために、従来技術による既存のスタータの改善を既に提案している。

概して、これらの改善は、電気モータを動作させることにより起こされる電流サージに続いて起きるバッテリの電圧降下を防止するように、誘導式のフィルタリング装置をスタータの電力回路において電気モータと直列に取り付けることから構成されている。

発明者によって行われた新たな研究は、これらの改善の実施の形態を最適化することを可能にする。

したがって、第１の態様によれば、本発明は、自動車の電気スタータ回路におけるスタータとバッテリ電圧を上昇させる装置のコンビネーションに関連し、スタータは、電気モータと電磁接触器とを有し、バッテリ電圧を上昇させる装置は、電力回路においてスタータを動作させることによって起こされる電流サージに続いて起こるバッテリ電圧の降下を防止するように設計されている。

本発明によれば、バッテリ電圧を上昇させる装置は、電力回路において電気モータと直列に取り付けられる誘導式のフィルタリング装置から構成されており、フィルリング装置は、円筒形状のヘッドと、２つの閉鎖部分と、その回りに前記電力回路に直列に挿入されるように設計された第１巻線回路および短絡された第２巻線回路が配置された軸心とを有する磁性材料から作られたハウジングから構成された磁気回路を有し、少なくとも１つのエアギャップを有する軸心を有する。

第１の特定の実施の形態によれば、少なくとも１つのエアギャップは、中央エアギャップである。

第２の特定の実施の形態によれば、少なくとも１つのエアギャップは、閉鎖部分の間の２つの端部エアギャップを有する。

第３の特定の実施の形態によれば、閉鎖部分は、それぞれ、環状エアギャップを有する。好ましくは、環状エアギャップは、第１巻線回路または第２巻線回路と軸方向に一列に並べられている。

特定の特徴によれば、第２巻線回路は、導電性チューブから構成されている。前記チューブは、銅またはアルミニウムから構成されており、所定の長さ対直径比および所定の厚みを有する。

別の特定の実施の形態によれば、フィルタリング装置は、車のバッテリの正端子と電磁接触器の電力接点との間においてスタータの電力回路に挿入されている。

さらに別の特定の実施の形態によれば、フィルタリング装置は、電磁接触器の電力接点と電気モータとの間においてスタータの電力回路に挿入されている。

別の態様によれば、本発明は、また、上記に簡潔に説明されたようなコンビネーションに組み入れ可能なスタータに関連する。本発明によれば、前記コンビネーションに含まれるフィルタリング装置は、スタータの外側ケース上に固定されている。

上記の少数の仕様は、誘導式のフィルタリング装置の出願人の企業による最適化により得られる追加の利点を当業者に対して明らかにするであろう。

本発明の詳細な仕様は、添付された図面に関連して提供される以下の説明において与えられる。これらの図面は、説明の文章を単に図示するという目的を果たし、本発明の範囲の制限を構成するものでは全く無い、ということに注意されるべきである。

図１は、スタータと出願人の企業によって以前に開発されたタイプの誘導式フィルタリング装置のコンビネーションを示す斜視図である。 図２は、図１に示されたようなコンビネーションを有する電気スタータ回路のプロセス図である。 図３ａ、図３ｂ、および図３ｃは、それぞれ、本発明によるフィルタリング装置の場合（正方形）および従来のフィルタリング装置の場合（ひし形）における、スタータの電力回路を循環する電流によるフィルタリング装置の電磁流量および磁気エネルギーの変化、ならびに、時間に基づく電流の変化を示している。 図４は、出願人の企業によって以前に開発されたタイプの誘導式のフィルタリング装置の断面図である。 図５は、第１の好ましい実施の形態における、本発明によるフィルタリン装置の軸方向断面図である。 図６は、第２の好ましい実施の形態における、本発明によるフィルタリング装置の軸方向断面図である。 図７ａおよび図７ｂは、第３の好ましい実施の形態における、本発明によるフィルタリング装置の例の軸方向断面図である。

図１は、直流電気モータＤＣＭおよび電磁接触器ＥＣを有するスタータと、出願人の企業による最適化努力が適用された誘導式のフィルタリング装置ＬＰＦと、のコンビネーション１を示している。

本実施の形態では、フィルタリング装置ＬＰＦは、接触器ＥＣの近くにおいて、スタータの外側ケースに機械的に固定されている。

フィルタリング装置ＬＰＦと接触器ＥＣと電気モータＤＣＭとの間の電気的接続は、図２に示されている。

フィルタリング装置ＬＰＦは、接触器ＥＣの電力接点ＣＰとモータＤＣＭとの間に直列に電気的に取り付けられている。

別の実施の形態（不図示）によれば、フィルタリング装置ＬＰＦは、スタータＥＣ、ＤＣＭに一体化されておらず、バッテリの正端子Ｂ＋と電力接点ＣＰとの間において電力回路に挿入されている。

接触器ＥＣは、この場合、単純な電力接点ＣＰを有する従来のスタータ接触器であり、引込みコイルおよび保持コイルにより形成されたソレノイドを有している。

車の起動接点ＣＳの閉鎖は、引込みコイルおよび保持コイルの励起と、当業者によく知られた順序によるとともにここに詳細には説明されないスタータの活性化と、を制御する。

モータＤＣＭに十分な電力が供給される時、前述の初期電流サージが電力接点ＣＰの閉鎖において生じる。

電力接点ＣＰの閉鎖は、また、フィルタリング装置ＬＰＦにおけるモータＤＣＭに供給する電流の循環を生じさせる。

図２の電気回路図に示されるように、フィルタリング装置ＬＰＦは、この場合、磁気的に結合された巻線を有する二重ケーシング形の変圧器の形状をこの場合とる誘導式の装置である。応用によっては、単純な誘導レジスタが、最適化作業が関連するローパスフィルタリング装置を形成するために使用され得る、ということに注意されよう。しかしながら、変圧器を有する実施の形態は、応用によっては、装置ＬＰＦの周波数応答を調整するためにより多くのパラメータを有することを可能にする。したがって、第１および第２回路Ｗ１、Ｗ２の誘導レジスタとこれらの回路の間の結合により導入される相互インダクタンスとを制御することによりこの応答を最適化することが可能である。

第１巻線回路Ｗ１は、スタータの電力回路に挿入されるものである。第２巻線回路Ｗ２は、短絡されている。

典型的に、誘導フィルタリング装置ＬＰＦの等価インダクタンスは、３００〜１０００Ａのおおよその大きさを有する電流に対して約０．１〜１０ｍＨの間に含まれる。

バッテリ電圧を上昇させることの得られる効果は、モータＤＣＭのスイッチが入れられる時に、短絡された第２回路Ｗ２において誘導される強い電流の生成の結果として初期電流サージが遮断され（約半分に弱められ）、それは、当該誘導電流を生成する電磁流量の突然の変化に対抗する、という事実に由来する。

図３ａは、最適化されていないフィルタリング装置ＬＰＦの磁気回路（ひし形の曲線２）および本発明による最適化されたフィルタリング装置ＬＰＦの磁気回路（正方形の曲線３）における電磁流量Φの変化を示している。

最適化されていないフィルタリング装置ＬＰＦの場合、電磁流量Φは、強度とともに非常に迅速に増加し、最大値において安定する。

図３ｂは、この飽和値が磁気エネルギーＥｍ（ひし形の曲線４）の少量の蓄積に対応することを示している。

結果的に、電流サージは弱められるものの、図３ｃに明らかに示されるように（ひし形の曲線５）、最適化されていないフィルタリング装置ＬＰＦの磁気回路の飽和に達する時、電流Ｉは非常に迅速に増加する。

飽和現象の発生を遅らせるために、本発明による最適化されたフィルタリング装置ＬＰＦは、少なくとも１つのエアギャップＡＧを有する磁気回路を有している。

図３ａは、電磁流量Φがその後に電流Ｉによって磁気回路がエアギャップＡＧを有しない場合（ひし形の曲線２）より強くは増加しないことを明らかに示している（正方形の曲線３）。飽和現象もまた、より実質的ではない。

この場合、蓄えられる磁気エネルギーＥｍは、最適化されていないフィルタリング装置ＬＰＦに対応する値（ひし形の曲線４）よりも高い値（図３ｂにおける正方形の曲線６）に達する。

エアギャップＡＧを実装することの結果は、最適化されていないフィルタリング装置ＬＰＦと比較して、モータが動作される瞬間において、飽和後の電流Ｉの電流の（図３ｃにおける正方形の曲線７により示されるような）遅い変化である。

図４は、出願人の企業により以前に開発されたタイプの誘導式のフィルタリング装置を示しており、それは、鉄のような磁性材料から作られたハウジングＣ、ＹＯ、ＣＭ、ＣＭ’と、第１巻線回路Ｗ１および第２巻線回路Ｗ２とに実質的に対応する。

ハウジングは、円筒形状のヘッドＹＯと、２つの閉鎖部分ＣＭ、ＣＭ’と、その回りに巻線回路Ｗ１、Ｗ２が設けられた軸心Ｃと、を有している。

第１巻線回路Ｗ１は、電力回路に直列に挿入されるように設計されており、第２巻線回路Ｗ２は、短絡されている。

第２巻線回路Ｗ２は、複数の巻き（ｔｕｒｎｓ）を有しているか、あるいはリングの形状で製造されている。

図５に示された第１の好ましい実施の形態によれば、最適化された装置ＬＰＦは、最適化されていないフィルタリング装置ＬＰＦと同じ本質的要素、すなわち、磁性材料から作られたハウジングＣ、ＹＯ、ＣＭ、ＣＭ’と、第１巻線回路Ｗ１および第２巻線回路Ｗ２と、を有している。それは、軸方向において中心コアＣの中央に実質的に位置された約０．５ｍｍ〜５ｍｍの中央エアギャップＡＧの存在において異なっている。

図６に示された好ましい第２の実施の形態によれば、最適化された装置ＬＰＦは、閉鎖部分ＣＭ、ＣＭ’の間における２つの端部エアギャップＡＧ１、ＡＧ１’を有する軸心Ｃを有している。これらのエアギャップＡＧ、ＡＧ’は、好ましくは約０．５ｍｍ〜５ｍｍである。

図７ａおよび図７ｂに示された第３の好ましい実施の形態によれば、最適化された装置ＬＰＦは、環状エアギャップＡＧ２、ＡＧ２’；ＡＧ３、ＡＧ３’をそれぞれ有する閉鎖部分ＣＭ、ＣＭ’を有している。

これらの環状エアギャップＡＧ２、ＡＧ２’；ＡＧ３、ＡＧ３’は、第１巻線回路Ｗ１（図７ａ）または第２巻線回路Ｗ２（図７ｂ）のいずれかと軸方向に一列に並べられており、すなわち、それらを規定する母線は、第１巻線回路Ｗ１および第２巻線回路Ｗ２を包む母線と実質的に結合されている。

磁気回路Ｃ、ＹＯ、ＣＭ、ＣＭ’におけるエアギャップＡＧは、磁気回路Ｃ、ＹＯ、ＣＭ、ＣＭ’の飽和に遅れて到達して、したがって、（フィルタリング装置ＬＰＦによって）弱められた電流レベルによりスタータＤＣＭ、ＥＣの電気モータＤＣＭにより長く提供することを可能にする。

したがって、電気モータＤＣＭは、より高い回転速度に到達し、これにより、飽和の瞬間に、電流Ｉを制限する向きに寄与するより高い逆起電力を生成する。

本発明のある実施の形態では、第２巻線回路Ｗ２は、有利には、第１巻線回路Ｗ１と同心状の（例えば銅またはアルミニウムから作られた）導電性チューブにより構成され、第１巻線回路Ｗ１の外側または内側に配置され得る。

このタイプの構造は、複数の巻きを有する第２巻線回路Ｗ２より製造がより単純であるフィルタリング装置ＬＰＦをもたらし得る。複数の巻きを有する第２巻線回路Ｗ２の長さ対直径比と同一である長さ対直径比の維持は、チューブの厚みの正確な寸法決めを要求することに注意されよう。Ｎ２およびＮ１がそれぞれ巻線回路Ｗ２およびＷ１の巻きの数であり、Ｎ２巻きに対する抵抗Ｒからチューブを有する一巻きに対する抵抗Ｒ／Ｎ２^２までの遷移があれば、フィルタリング装置ＬＰＦの電気的機能は、変圧器を特徴づけるＮ１／Ｎ２の比の結果として変更されないであろう。

本発明は、前述の好ましい実施の形態に単純に限定されないことは理解されよう。

特に、磁気回路Ｃ、ＹＯ、ＣＭ、ＣＭ’における明確に述べられたエアギャップ（ＡＧ）の様々な配置は、実施の形態の単なる例でしかない。

上記説明では、エアギャップＡＧは、磁気回路Ｃ、ＹＯ、ＣＭ、ＣＭ’の２つの部分の間における暗黙的な自由空間である。

その代わりに、エアギャップＡＧの機能は、磁気回路Ｃ、ＹＯ、ＣＭ、ＣＭ’において飽和され得る部分により得られ得て、その部分は、突発的または漸進的のいずれかで飽和される。例えば、全流量の通過に対して不十分な部分を有する閉鎖部分ＣＭ、ＣＭ’は、漸進的に形成されるエアギャップと等価である中央部分から開始されて飽和されよう。飽和は、直径による閉鎖部分ＣＭ、ＣＭ’の厚みを選択することにより決定され得る。同様に、コアＣまたは外部流量リターンにおける絞りは、飽和により漸進的なエアギャップ効果を生成するために使用され得る。

本発明は、したがって、下記の特許請求の範囲の請求項の範囲内で可能な可変の実施の形態の全てを包含する。

Claims (10)

1. 自動車の電気スタータ回路におけるスタータ（ＤＣＭ、ＥＣ）とバッテリ電圧の降下を防止する装置（ＬＰＦ）のコンビネーション（１）であって、
   前記スタータ（ＤＣＭ、ＥＣ）は、電気モータ（ＤＣＭ）と電磁接触器（ＥＣ）とを有し、
   前記バッテリ電圧の降下を防止する装置（ＬＰＦ）は、電力回路において前記スタータ（ＤＣＭ、ＥＣ）を動作させることにより起こされる電流サージの後に起きるバッテリ電圧（Ｖｂａｔ）の降下を防止するように設計されており、
   前記バッテリ電圧の降下を防止する装置（ＬＰＦ）は、前記電力回路において前記電気モータ（ＤＣＭ）と直列に取り付けられた誘導式のフィルタリング装置（ＬＰＦ）から構成されており、
   前記フィルタリング装置は、円筒形状のヘッド（ＹＯ）と、２つの閉鎖部分（ＣＭ、ＣＭ’）と、その回りに前記電力回路に直列に挿入されるように設計された第１巻線回路（Ｗ１）および短絡された第２巻線回路（Ｗ２）が配置された軸心（Ｃ）とを有する磁性材料から作られたハウジング（ＹＯ、Ｃ）から構成された磁気回路（ＹＯ、Ｃ、ＣＭ、ＣＭ’）を有し、
   前記軸心（Ｃ）は、少なくとも１つのエアギャップ（ＡＧ；ＡＧ１、ＡＧ１’）を有する
   ことを特徴とするコンビネーション。
2. 前記少なくとも１つのエアギャップは、中央エアギャップ（ＡＧ）である
   ことを特徴とする請求項１に記載のコンビネーション。
3. 前記少なくとも１つのエアギャップは、前記閉鎖部分（ＣＭ、ＣＭ’）の間の２つの端部エアギャップ（ＡＧ１、ＡＧ１’）を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載のコンビネーション。
4. 前記閉鎖部分（ＣＭ、ＣＭ’）は、それぞれ、環状エアギャップ（ＡＧ２、ＡＧ２’；ＡＧ３、ＡＧ３’）を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載のコンビネーション。
5. 前記環状エアギャップ（ＡＧ２、ＡＧ２’；ＡＧ３、ＡＧ３’）は、前記第１巻線回路（Ｗ１）または前記第２巻線回路（Ｗ２）と軸方向に一列に並べられている
   ことを特徴とする請求項４に記載のコンビネーション。
6. 前記第２巻線回路（Ｗ２）は、導電性チューブから構成されている
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のコンビネーション。
7. 前記チューブは、銅またはアルミニウムから構成されており、所定の長さ対直径比および所定の厚みを有する
   ことを特徴とする請求項６に記載のコンビネーション。
8. 前記フィルタリング装置（ＬＰＦ）は、前記車のバッテリの正端子（Ｂ＋）と前記電磁接触器（ＥＣ）の電力接点（ＣＰ）との間において前記スタータ電力回路（ＤＣＭ、ＥＣ）に挿入されている
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のコンビネーション。
9. 前記フィルタリング装置（ＬＰＦ）は、前記電磁接触器（ＥＣ）の電力接点（ＣＰ）と前記電気モータ（ＤＣＭ）との間において前記スタータ電力回路（ＤＣＭ、ＥＣ）に挿入されている
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のコンビネーション。
10. 前記フィルタリング装置（ＬＰＦ）は、前記スタータ（ＤＣＭ、ＥＣ）の外側ケース上に固定されている
    ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載のコンビネーション。

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