JP6234604B2 - スタータ - Google Patents

Description

この発明は、エンジンを始動するスタータに関するものであり、特に、電気抵抗値の異なる多層ブラシを有するスタータに関するものである。

近年エンジンを搭載する車両においては、燃費向上等を目的として、アイドルストップシステムを採用している車両が増加している。アイドルストップシステムとは、例えば信号停止や渋滞による一時停止等のエンジンの出力を必要としない場合にエンジンを自動的に停止させ、運転者による発進操作によりエンジンの出力が必要になると、スタータでエンジンを自動的に再始動させるものである。
従来のスタータを用いたエンジンの始動は、運転の開始のみに行われているが、アイドルストップシステムを採用した車両におけるエンジンの始動は、例えば信号停止や渋滞による一時停止等の運転途中にも行われる。そのため、エンジンの始動は、バッテリーから他の車載電装部品（例えばカーナビ、カーオーディオ、カーエアコン等）へ電力を供給している状態で行われる。よって、エンジン始動時には、瞬間的にスタータへ突入電流が流れる為、バッテリー電圧を瞬間的に著しく低下させ、他の電装部品への電力供給が瞬間的に停止することがある。

また、アイドルストップシステムが採用されることにより、スタータの寿命に対する要求は高まっている。スタータの寿命は、主に、ブラシの摩耗で決まるとされている。ブラシの摩耗は、ブラシと整流子とが摺動する際に発生する整流火花が主たる要因とされている。そこで、整流火花の抑制を目的として、電気抵抗値の異なる複数の抵抗材を設けた多層ブラシが用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−２８２３６２号公報

しかしながら、従来の多層ブラシでは、部品の寸法バラツキがあるため、整流子半径とブラシ摺接面に設けるＲ形状は全くの同形状にすることができず、ブラシは整流子と低抵抗材だけで摺接する状態にある。そのため、ブラシが新品の状態から摩耗が進み高抵抗材が摺接し始めるまでの間、スタータの内部抵抗は小さく、突入電流が大きい。よって、アイドルストップシステム時にスタータへの突入電流により、瞬間的にバッテリー電圧が低下し、他の電装部品の機能を損なうことがある。
この発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、低抵抗材とその低抵抗材よりも電気抵抗値の高い高抵抗材とを有する多層ブラシを有するスタータにおいて、ブラシが新品である場合の初期の状態から、高抵抗材を確実に整流子に摺接させ、突入電流を大幅に低減することができるスタータを得ることを目的としている。

この発明に係わるスタータは、ヨーク内に配置された固定子と、前記固定子内に支持され、電機子コイルが電機子鉄心に巻かれた電機子と、前記電機子に接続され、外周部に摺動面を有する整流子と、前記整流子に対向して配置され、前記整流子の前記摺動面に摺接する摺接面を有するブラシと、を備え、前記ブラシは、第１の部材と前記第１の部材よりも電気抵抗値の高い第２の部材とを有し、前記整流子の回転方向に対する入口側に前記第１の部材、出口側に前記第２の部材が配置されると共に、前記ブラシの前記摺接面の前記第１の部材には、前記整流子の前記回転方向に対する前記入口側に向けて傾斜する傾斜部が形成され、前記ブラシの前記摺接面の前記第２の部材には平面部を有しており、前記傾斜部は、前記整流子の回転方向に対する前記出口側から前記第１の部材の前記入口側に位置する端部へ向けて前記整流子から離れた状態で形成されたことを特徴とするものである。

この発明のスタータによれば、ブラシの摺接面の低抵抗材には、整流子の回転方向に対する入口側に向けて傾斜する傾斜部が形成されているので、ブラシが新品である初期の状態において、高抵抗材と整流子とを確実に摺接させることができ、スタータへの突入電流を大幅に低減することができる。
この発明の上記以外の目的、特徴、観点及び効果は、図面を参照する以下のこの発明の詳細な説明から、さらに明らかになるであろう。

この発明の実施の形態１におけるスタータの断面側面図である。 この発明の実施の形態１におけるスタータのブラシ周辺の部品の配置を示す断面正面図である。 図２の拡大図である。 この発明の実施の形態１におけるスタータのブラシと整流子との摺接面を示す拡大図である。 この発明の実施の形態２におけるスタータのブラシと整流子との摺接面を示す拡大図である。 この発明の実施の形態３におけるスタータのブラシと整流子との摺接面を示す拡大図である。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態１について説明する。
なお、各図面中において、同一符号は同一あるいは相当のものであることを示す。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１におけるスタータの断面側面図である。また、図２は、図１におけるブラシ周辺の部品の配置を示したものであり、整流子に摺接するブラシの断面正面図である。さらに、図３は、図２の拡大図であり、ブラシとブラシホルダの要部正面図である。また、図４は、この発明の実施の形態１におけるスタータのブラシと整流子との摺接面を示す拡大図である。
まず、図１に基づいて実施の形態１におけるスタータ３０の構造について説明する。図１に示すように、スタータ３０は、ソレノイドスイッチ１、モータ部３１、機構部３２から構成されており、スタータ３０のスタータハウジング１５に固定されて取り付けられている。

モータ部３１は、固定子２を内周に備えたヨーク４と、電機子コイル５が電機子鉄心６に重ね巻きされ整流子７と接続されている電機子８と、整流子７の外周面と摺接するブラシ９と、モータハウジング１０に固定されブラシ９を保持するブラシホルダ１１とを備えている。界磁コイル３は、ヨーク４の内周に固定される固定子２の周囲に巻かれており、一端側がモータリード線を介してソレノイドスイッチ１のモータ端子に接続され、他端側が電位プラス側のブラシ９に接続されている。
また、機構部３２は、減速ギヤ１２、オーバーランニングクラッチ１３、レバー１４を備えている。車両のキースイッチをＯＮもしくはＥＣＵ（Engine Control Unit）からスタータ３０へのＯＮの指令が発動すると、ソレノイドスイッチ１がＯＮ状態となり、レバー１４を介してオーバーランニングクラッチ１３をエンジンリングギヤ１６側へ移動させ、又、界磁コイル３へバッテリーからの電力供給を開始させ固定子２に磁界を発生させ、ブラシ９と整流子７で整流されながら電機子コイル５へ通電され、モータ部３１に回転力を発生させる。発生した回転力は、モータ出力軸８ａから、減速ギヤ１２で減速され、出力軸１７を介してピニオンギヤ１３ａに伝達される。

また、ブラシ９は、界磁コイル３に接続された電位プラス側と、モータ部３１のアース回路を構成するモータハウジング１０に接続された電位マイナス側との各２個ずつの合計４個備えられている。図２および図３に示すように、ブラシ９の側面とブラシホルダ１１の内側面との間には、クリアランス１８が設けられている。ブラシ９は、モータハウジング１０に固定されたブラシホルダ１１によって、ブラシ９の整流子７の方向への移動を害さない程度の適度なクリアランス１８を有した状態で保持されている。これにより、ブラシホルダ１１とブラシ９に摩擦が生じて移動できない状態を回避することができ、整流子７側にブラシ９がスムーズに移動可能となる。また、ブラシ９は、その近辺に設けたブラシばね（図示しない）により、整流子７の方向へブラシ９の寿命限界までブラシばねの荷重が与えられており、寿命限界まで常時ブラシ９と整流子７とは摺接した状態にある。ここで、ブラシ９の整流子７の方向は、図２に示したブラシばねの荷重方向と同じ方向である。

また、ブラシ９はカーボンブラシであり、高抵抗材９ａと低抵抗材９ｂが積層された多層構造である。さらに、ブラシ９は、整流子７の回転方向に対して、入口側に低抵抗材９ｂ、出口側に高抵抗材９ａを配置されている。また、図４に示すように、整流子７は、その外周部に摺動面３４を有しており、ブラシ９は、整流子７に対向して配置され、整流子７の摺動面３４に摺接する摺接面３５を有している。ブラシ９の摺接面３５は、低抵抗材９ｂ側に傾斜部１９、高抵抗材９ａ側に平面部２０を有している。ブラシ９の傾斜部１９は、整流子７の回転方向に対する入口側に向けて傾斜するように形成されている。

また、平面部２０に対する傾斜部１９の傾斜の起点２１は、ブラシ９の摺接面３５における高抵抗材９ａの幅Ｗ１の範囲内に配置されている。また、ブラシ９が、整流子７の回転方向にクリアランス１８分傾いた状態や寸法バラツキを加味した場合においても、ブラシ９が、低抵抗材９ｂのみで整流子７と摺接することができないように、低抵抗材９ｂの幅Ｗ２の範囲において、整流子７の方向と反対の方向にブラシ傾斜部角度２２を有するように設定されている。つまり、ブラシ９は、起点２１から整流子７の回転方向に対する入口側に位置する低抵抗材９ｂの端部までにおいて、ブラシ傾斜部角度２２を有する傾斜部１９を有している。

また、ブラシ９の電気抵抗値は、銅の含有量を異ならせることで、低抵抗材９ｂとその低抵抗材９ｂよりも電気抵抗値の高い高抵抗材９ａを形成している。また、ブラシ９は、ブラシホルダ１１に保持されて移動可能な方向に平行に積層された多層ブラシである。つまり、ブラシ９は、整流子７の回転方向に対して積層されて形成されている。
比較例としての従来の整流火花抑制を目的とした電気抵抗値の異なる高抵抗材、低抵抗材の２層以上で構成されるブラシは、整流子との摺接面に整流子の摺動面半径Ｒ相当の摺接Ｒ面を設けられていたが、ブラシはスタータが使用されるにつれ摩耗していくため、常に整流子と摺接できるようにばねによって整流子の方向へ荷重を与えられており、ブラシの摩耗に伴い、ブラシは整流子方向へ移動していくため、ブラシとブラシを保持するブラシホルダにはブラシの整流子方向への移動に支障をきたさぬようクリアランスを設けており、そのクリアランスによるブラシのガタ付きまたは、ブラシ及びブラシ周辺の構成部品の寸法バラツキを考慮した場合、整流子の摺動面半径Ｒと摺接Ｒ面とを完全に同じ形状とすることができなかった。

また、ブラシが新品状態もしくは使用始めて間もない状態においては、整流子とブラシは摺接面に対して小さい範囲でしか摺接しておらず、また、一般に整流火花抑制を目的とした多層ブラシは、高抵抗材に対して低抵抗材の幅が大きいため、低抵抗材のみが整流子と摺接した状態であった。よって、整流子の形状に沿ってブラシが摩耗し、高抵抗材が整流子と摺接し始めるまでの間は、スタータの内部抵抗は設計値よりも小さいため、その間、エンジン始動時の突入電流が大きく、車両のアイドリングストップシステム時、他の電装部品に支障をきたす場合があった。

しかし、実施の形態１におけるスタータによれば、ブラシ摺接面が整流子と馴染んでいない新品の初期の状態から、電気抵抗値の大きい高抵抗材を整流子と摺接させることができるため、従来のブラシにおける高抵抗材が整流子と摺接し始める時と同等のスタータ内部抵抗とすることができ、エンジン始動時の突入電流を低減することができる。また、ブラシ形状を平面部と傾斜部とすることで、ブラシ焼成後にＲ加工する必要がないため、ブラシの製造が簡単となる効果がある。

実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２におけるブラシと整流子との摺接面を示す拡大図である。実施の形態２においては、ブラシ９の低抵抗材９ｂ側の傾斜部１９は、曲面を有するＲ形状１９ａとしたものを示している。ブラシ９の摺接面３５は、低抵抗材９ｂ側にＲ形状１９ａ、高抵抗材９ａ側に平面部２０を有しており、平面部２０に対するＲ形状１９ａの起点２１は、高抵抗材９ａの幅Ｗ１の範囲内に配置されている。実施の形態２においても、上述した実施の形態１と同様に、クリアランス１８の範囲において、ブラシ９が、整流子７の回転方向に傾いた状態や寸法バラツキを加味した場合においても、低抵抗材９ｂのみで整流子７と摺接することができないよう低抵抗材９ｂの幅Ｗ２の範囲において、整流子７方向と反対の方向にＲ形状は隙間３３の幅オフセットされている。

つまり、ブラシ９は、起点２１から整流子７の回転方向の入口側に位置する低抵抗材９ｂの端部にかけて曲率を有する曲面を有しており、隙間３３の幅オフセットされているＲ形状１９ａを有している。実施の形態２においても、上述した構造により、実施の形態１と同様の効果が得られる。さらに、従来のＲ加工機（摺接面加工機）を流用してブラシの製造ができるため、新型、新設備等の新規投資の必要が無く製造することが可能となる。

実施の形態３．
図６は、この発明の実施の形態３におけるブラシと整流子との摺接面を示す拡大図である。実施の形態３においては、ブラシ９が摩耗し低抵抗材９ｂが露出するまでは、高抵抗材９ａが整流子７の摺動面３４と摺接する。図６に示すように、ブラシ９の摺接面３５の全面には、高抵抗材９ａが形成されている。高抵抗材９ａは、上述した実施の形態１と同様の幅Ｗ１において形成されており、さらに、ブラシ９の摺接面３５全体に、径方向幅Ｗ３を有してＬ字状に形成されている。
なお、図６においては、ブラシ９の高抵抗材９ａが整流子７との摺接面全体に形成されている事例を示したが、ブラシ９は、整流子７の摺動面３４に摺接するブラシ９の摺接面３５からブラシ９の移動可能な方向の所定の範囲において、高抵抗材の幅が低抵抗材の幅よりも大きく形成されていればよく、必ずしもブラシ９の摺接面３５の全体が高抵抗材９ａとなる必要はない。実施の形態３においても、実施形態１と同様にクリアランス１８の範囲において、ブラシ９が整流子７の回転方向に傾いた状態や寸法バラツキを加味した場合においても、ブラシ９が、摩耗していない新品の初期の状態から高抵抗材９ａが整流子７と必ず摺接することができる。

ブラシ９の整流子７との摺接面３５に高抵抗材９ａを有することで、ブラシ９が新品の状態から高抵抗材９ａと整流子７とを確実に摺接させ、摺動させることができ、従来の低抵抗材９ｂのみが整流子７と摺接し、スタータ３０の内部抵抗が一時的に小さくなるような摺接状態は無く、スタータ３０への突入電流を低減することが可能となる。また、ブラシ９の摺接面３５の全面が高抵抗材９ａとなるため、ブラシ寸法バラツキ、ブラシホルダ１１とブラシ９のクリアランス１８によるブラシ９の傾き等のブラシ９と整流子７の摺動時摺接状態に影響を及ぼすパラメータを無視することができる。
なお、この発明の実施の形態１から実施の形態３におけるスタータは、電磁石磁界式の固定子を有するスタータに適用されるだけではなく、永久磁石界磁式の固定子を有するスタータにも適用可能である。
なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ ソレノイドスイッチ、２ 固定子、３ 界磁コイル、４ ヨーク、５ 電機子コイル、６ 電機子鉄心、７ 整流子、８ 電機子、８ａ モータ出力軸、９ ブラシ、９ａ 高抵抗材、９ｂ 低抵抗材、１０ モータハウジング、１１ ブラシホルダ、１２ 減速ギヤ、１３ オーバーランニングクラッチ、１３ａ ピニオンギヤ、１４ レバー、１５ スタータハウジング、１６ エンジンリングギヤ、１７ 出力軸、１８ クリアランス、１９ 傾斜部、１９ａ Ｒ形状、２０ 平面部、２１ 傾斜部起点、２２ ブラシ傾斜部角度、Ｗ１ 高抵抗材幅、Ｗ２ 低抵抗材幅、Ｗ３ 高抵抗材径方向幅。

Claims (3)

1. ヨーク内に配置された固定子と、
   前記固定子内に支持され、電機子コイルが電機子鉄心に巻かれた電機子と、
   前記電機子に接続され、外周部に摺動面を有する整流子と、
   前記整流子に対向して配置され、前記整流子の前記摺動面に摺接する摺接面を有するブラシと、を備え、
   前記ブラシは、第１の部材と前記第１の部材よりも電気抵抗値の高い第２の部材とを有し、前記整流子の回転方向に対する入口側に前記第１の部材、出口側に前記第２の部材が配置されると共に、
   前記ブラシの前記摺接面の前記第１の部材には、前記整流子の前記回転方向に対する前記入口側に向けて傾斜する傾斜部が形成され、前記ブラシの前記摺接面の前記第２の部材には平面部を有しており、
   前記傾斜部は、前記整流子の回転方向に対する前記出口側から前記第１の部材の前記入口側に位置する端部へ向けて前記整流子から離れた状態で形成されたことを特徴とするスタータ。
2. 前記ブラシの前記傾斜部の起点は、前記第２の部材の範囲内に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のスタータ。
3. 前記傾斜部は、曲面を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスタータ。

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