JP6345314B1 - スタータ - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、界磁コイルの短絡後でも、トルクの低下を抑制できるスタータを得る。【解決手段】スタータは、磁気回路を構成する円筒状のヨーク、上記ヨークの内周に回転可能に配設されたアマチュア、および磁極を発生する界磁部を有し、上記界磁部は、第１永久磁石と、上記ヨークの内周面から径方向内方に突出するティース部に巻回され、上記アマチュアと直列に接続された界磁コイルと、を有しており、バッテリからの電力の供給を受けて回転力を発生するモータと、上記界磁コイルと並列に接続されて、閉路して上記界磁コイルを短絡する短絡スイッチと、を備え、第２永久磁石が、上記ティース部の先端面に配設されている。【選択図】図２

Description

この発明は、車両のエンジンを始動させるためのスタータに関するものである。

従来、電磁押し込み式スタータが、エンジンを始動させるスタータとして知られていた。従来の電磁押し込み式スタータでは、電磁スイッチのコイルに通電して、電磁スイッチの内部接点を閉じることにより、バッテリよりスタータへ電力を供給し、アマチュアに回転トルクを発生させていた、このアマチュアの回転力が、噛合わされたピニオンギヤとエンジンのリングギヤを介してエンジンクランク軸へ伝えられ、エンジンが始動する。このとき、電磁スイッチの閉時には、まだアマチュアは静止状態であり、逆起電圧が発生していないため、極めて小さい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。この起動電流（突入電流）により、バッテリの端子電圧が低下し、電圧降下が発生する。これにより、車両の他の電気機器、電子機器、例えばオーディオ、ナビゲーションシステム、ＥＵＣなどの瞬断を引き起こす問題があった。この瞬断は通常の車両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などでは、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、運転手や同乗者に不快感を与える状況となっていた。そこで、この瞬断を回避するために、予備電源を備えたり、あるいは昇圧用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た。

このような状況を鑑み、特許文献１では、モータに界磁を発生させる界磁部を永久磁石と界磁コイルとで構成し、電磁スイッチのメイン接点が閉じると界磁コイルを介して電流を流すことにより、モータへの突入電流を低減し、所定の時間経過後、界磁コイルを短絡することにより、瞬断のないエンジンの始動を可能としていた。

特許第５９５９５８３号公報

特許文献１では、エンジンの始動初期において、突入電流を抑制するために界磁コイルに電流を流し、界磁コイルに電流を流すことにより発生する磁束と永久磁石の磁束とによって、高トルクを実現していた。しかし、界磁コイルに電流を流してから所定の時間経過後に、界磁コイルを短絡していたので、界磁コイルの短絡後には、界磁コイルの磁束がなくなり、トルクが低下してしまう。そこで、界磁コイルの短絡後では、排気量が大きく、低温時のフリクションの高いエンジンを始動できなくなるという課題があった。

この発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、界磁コイルの短絡後でも、トルクの低下を抑制できるスタータを得ることを目的とする。

この発明によるスタータは、磁気回路を構成する円筒状のヨーク、上記ヨークの内周に回転可能に配設されたアマチュア、および磁極を発生する界磁部を有し、上記界磁部は、第１永久磁石と、上記ヨークの内周面から径方向内方に突出するティース部に巻回され、上記アマチュアと直列に接続された界磁コイルと、を有しており、バッテリからの電力の供給を受けて回転力を発生するモータと、上記界磁コイルと並列に接続されて、閉路して上記界磁コイルを短絡する短絡スイッチと、を備え、第２永久磁石が、上記ティース部の先端面に配設されている。

この発明によれば、界磁コイルが短絡されて、界磁コイルによる磁束が消失しても、第２永久磁石の磁束が存在し、トルクの低下が抑制される。

この発明の実施の形態１に係るスタータを示す部分断面図である。 この発明の実施の形態１に係るスタータのモータを示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係るスタータの回路図である。 この発明の実施の形態１に係るスタータにおける界磁鉄心と第２永久磁石との関係を説明する模式図である。 この発明の実施の形態１に係るスタータにおけるＭｗ／Ｐｗが０．２の時のトルク特性を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るスタータにおけるＭｗ／Ｐｗが０．４の時のトルク特性を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るスタータにおけるＭｗ／Ｐｗが０．６の時のトルク特性を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るスタータにおけるＭｗ／Ｐｗが０．８の時のトルク特性を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るスタータにおけるバッテリ電圧とモータ電流の波形図である。

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部分断面図、図２はこの発明の実施の形態１に係るスタータのモータを示す断面図である。

図１および図２において、スタータ１００は、電磁スイッチ１、吸引コイル２、プランジャ３、レバー４、回転トルクを発生するモータ５、モータ５の回転を減速して出力する内部減速部７、内部減速部７を介してモータ５の回転軸と連結され、内部減速部７で減速された回転動力を出力する出力軸６、出力軸６に嵌合するオーバーランニングクラッチ８、オーバーランニングクラッチ８と一体に出力軸６上を軸方向に摺動移動可能に設けられたピニオンギヤ９などを備える。

電磁スイッチ１は、モータ５および内部減速部７の外周に位置し、その中心軸が出力軸６と略平行に配置される。この電磁スイッチ１は、吸引コイル２に通電されると、プランジャ３を磁気吸引し、吸引コイル２への通電が解除されると、リターンスプリング（図示せず）によりプランジャ３を押し戻して、モータ５の通電回路を開閉するように構成されている。レバー４は、レバー支点４０を中心として回動可能に取り付けられている。レバー４の一端がオーバーランニングクラッチ８に係合され、他端がプランジャ３に連結されている。

モータ５は、磁気回路を構成する円筒状のヨーク５１と、界磁を発生する界磁部５０と、を備える。界磁部５０は、界磁コイルユニット５２と、第１永久磁石５５と、を備える。界磁コイルユニット５２は、界磁コイル５４を界磁鉄心５３に巻回して構成され、界磁コイル５４と界磁鉄心５３は一体成形により絶縁部材５９により覆われている。界磁コイルユニット５２と第１永久磁石５５は、ヨーク５１の内周に周方向に等角ピッチで交互に２つずつ配設されている。また、４本の補助磁極５６が、それぞれ、軸方向に延びて、周方向に等角ピッチでヨーク５１の内周面に固着されている。界磁コイルユニット５２と第１永久磁石５５とが、補助磁極５６間のそれぞれに配設され、弾性部材で作製されたホルダ５７により補助磁極５６間に保持されている。さらに、第２永久磁石５８が、界磁鉄心５３の先端面である内周面の周方向の中央部に埋め込まれている。第２永久磁石５８は、界磁鉄心５３の内周面と面一となっている。

また、モータ５は、ヨーク５１の軸心位置に回転可能に配設された、一端に整流子６１を備えるアマチュア６０と、整流子６１の外周に配置されるブラシ６２と、を備える。アマチュア６０は、図示していないが、電機子鉄心および電機子巻線から構成される。

スタータ１００がエンジンを始動する際には、まず、電磁スイッチ１の吸引コイル２が通電される。これにより、励磁されたプランジャ３が、図１の左方向（矢印Ａ方向）に吸引されて移動されるとともに、一端がプランジャ３に係合されたレバー４が、レバー支点４０を中心に反時計方向にシーソー回動する。これにより、レバー４の他端に係合されたオーバーランニングクラッチ８が、出力軸６上を図１の右方向（矢印Ｂ方向）に移動し、ピニオンギヤ９とエンジンに直結されているリングギヤ１０とが噛み合う。

また、プランジャ３が図１の左方向に移動することにより、電磁スイッチ１の接点（図示せず）が閉路して、後述するバッテリ１１からの電流がモータ５へと供給される。これによりモータ５が駆動され、回転トルクが発生する。モータ５に発生したトルクは、内部減速部７、出力軸６、オーバーランニングクラッチ８、ピニオンギヤ９へと順に伝達され、ピニオンギヤ９を介してリングギヤ１０を回転させることで、エンジンを始動させる。

ここで、界磁部５０の磁極は、複数の対となったＮ極とＳ極で構成され、一方の極が界磁コイル５４で構成され、他方の極が第１永久磁石５５で構成されている。なお、第２永久磁石５８の極性は、界磁コイル５４と同じ極性に構成されている。

つぎに、スタータ１００の回路構成について図３を参照しつつ説明する。図３はこの発明の実施の形態１に係るスタータの回路図である。

スタータ１００は、モータ５に電力を供給する電源としてのバッテリ１１と、バッテリ１１に接続された始動スイッチ１２と、バッテリ１１とアマチュア６０との間に直列に接続された電磁スイッチ１と、電磁スイッチ１とアマチュア６０との間に直列に接続された界磁コイル５４と、界磁コイル５４と並列に接続された短絡スイッチ１４と、第１永久磁石５５と、を備える。
短絡スイッチ１４は、一対の固定接点１４ａからなる常開接点と、駆動コイル１４ｂと、を有する。この常開接点は、界磁コイル５４と並列に接続されている。駆動コイル１４ｂは、その一端がアマチュア６０と界磁コイル５４との間に接続され、他端が接地されている。

電磁スイッチ１は、一対の固定接点１３からなる常開接点と、駆動コイル２ａと保持コイル２ｂとからなる吸引コイル２と、を有する。この常開接点は、バッテリ１１と界磁コイル５４との間に直列に接続されている。駆動コイル２ａは、その一端が常開接点と界磁コイル５４との間に接続され、他端が保持コイル２ｂの一端に接続されている。保持コイル２ｂの他端が接地されている。始動スイッチ１２が、バッテリ１１と保持コイル２ｂの一端との間に直列に接続されている。

このように構成されたスタータ１００の動作について説明する。

＜第１ステップ＞
エンジン始動要求により、始動スイッチ１２が閉路され、駆動コイル２ａおよび保持コイル２ｂに通電される。これにより、電流Ｉａが、バッテリ１１から始動スイッチ１２、電磁スイッチ１の駆動コイル２ａおよび界磁コイル５４を通ってモータ５に供給される。この電流Ｉａによりモータ５で回転トルクが発生し、ピニオンギヤ９がエンジンに直結されているリングギヤ１０側への移動を開始する。

＜第２ステップ＞
駆動コイル２ａおよび保持コイル２ｂに通電されることで、一対の固定接点１３が閉路となる。一対の固定接点１３が閉路となると、駆動コイル２ａに流れていた電流Ｉａがほぼ消滅する。そして、電流Ｉｂが、バッテリ１１から、閉路された一対の固定接点１３と界磁コイル５４を通ってモータ５に流れる。この電流Ｉｂによりモータ５で発生する回転トルクがピニオンギヤ９を介してリングギヤ１０に伝達され、エンジンの始動が開始される。
保持コイル２ｂは、始動スイッチ１２を介してバッテリ１１と接続されているので、電流が保持コイル２ｂに供給され、一対の固定接点１３の閉路が維持される。

＜第３ステップ＞
モータ５が回転を開始してから発生する逆起電力の作用により、短絡スイッチ１４の駆動コイル１４ｂの一端にかかる電圧が、モータ５の回転の上昇とともに上昇する。始動スイッチ１２が閉路してから所定時間経過後、すなわち界磁コイル５４に通電してから所定時間経過後、駆動コイル１４ｂの一端にかかる電圧が所定の電圧値となり、短絡スイッチ１４のプランジャが駆動され、一対の固定接点１４ａが自動的に閉路となる。これにより、界磁コイル５４に流れていた電流が消失し、界磁コイル５４による磁束がなくなる。

実施の形態１では、始動スイッチ１２が閉路となると、界磁コイル５４に電流が流れるので、モータ５への突入電流が小さくなり、バッテリ１１の端子電圧の低下が抑制される。これにより、車両の電子機器の瞬断が抑制される。また、スタータ１００をアイドリングストップ機能の搭載された車両に搭載しても、アイドリングストップ後の再始動を行う際の瞬断の発生が抑制される。さらに、瞬断を回避するための予備電源や昇圧用ＤＣ／ＤＣコンバータを搭載する必要がないので、小型化および低コスト化が図られる。

第２永久磁石５８が界磁鉄心５３に配設されているので、界磁コイル５４による磁束が消失しても、第２永久磁石５８による磁束が存在する。そこで、第２ステップから第３ステップに切り替わっても、磁束量が確保され、高いトルクを維持することができる。これにより、スタータ１００は、排気量が大きく、低温時のフリクショントルクの高いエンジンでも、始動させることができる。さらに、スタータ１００は、モータ５のサイズを大きくすることなく、幅広い排気量のエンジンの始動に適用することができる。
さらに、第２永久磁石５８による磁束により、モータ５の無負荷時におけるアマチュア６０の回転速度が速くなりすぎることが抑制されるので、整流子６１の破損の発生が抑制され、整流子６１の長寿命化が図られる。

ここで、第３ステップでは、第２永久磁石５８は、界磁コイル５４の磁束がなくなることによる磁束の減少を抑える。一方、第２ステップにおける界磁コイル５４の界磁においては、第２永久磁石５８は減磁となり、磁束が若干低下する。そのため、第２永久磁石５８を適正なサイズに設定する必要がある。

つぎに、界磁鉄心５３と第２永久磁石５８との寸法関係について検討する。図４はこの発明の実施の形態１に係るスタータにおける界磁鉄心と第２永久磁石との関係を説明する模式図である。

図４において、界磁鉄心５３は、界磁コイル５４が巻回されるティース部５３ａと、ティース部５３ａの内周端から周方向両側に突出する鍔部５３ｂと、を備える。第２永久磁石５８は、円弧状に湾曲した板状に作製され、ティース部５３ａの内周面の周方向中央部に、ティース部５３ａの内周面と面一となり、かつ軸方向に延びるように埋め込まれている。Ｍｗは第２永久磁石５８の幅（周方向幅）、Ｍｔは第２永久磁石５８の厚み（径方向幅）、Ｐｗは界磁鉄心５３のティース部５３ａの幅（周方向幅）、Ｐｔは界磁鉄心５３の鍔部５３ｂの厚み（径方向幅）である。

ここで、ティース部５３ａは一定の周方向幅を有する長方形断面に形成されているが、周方向幅が径方向内方に向かって漸次減少する先細り形状でもよい。この場合、幅Ｍｗは、ティース部５３ａの周方向幅の平均値となる。また、鍔部５３ｂは一定の径方向幅を有する円弧状断面に形成されているが、径方向幅が周方向外方に向かって漸次減少する先細り形状でもよい。この場合、厚みＭｔは、鍔部５３ｂの径方向幅の平均値となる。

Ｍｗ／Ｐｗをパラメータとして、所定の電流値におけるスタータ１００のトルク特性を測定した結果を図５から図８に示す。図５はこの発明の実施の形態１に係るスタータにおけるＭｗ／Ｐｗが０．２の時のトルク特性を示す図、図６はこの発明の実施の形態１に係るスタータにおけるＭｗ／Ｐｗが０．４の時のトルク特性を示す図、図７はこの発明の実施の形態１に係るスタータにおけるＭｗ／Ｐｗが０．６の時のトルク特性を示す図、図８はこの発明の実施の形態１に係るスタータにおけるＭｗ／Ｐｗが０．８の時のトルク特性を示す図である。各図において、一点鎖線は第２ステップでのトルク特性を示し、点線は第３ステップでのトルク特性を示している。また、トルク指数値は、第２ステップと第３ステップとのトルク特性の積より求めた値であり、第２ステップと第３ステップとのトルク特性に基づいて第２永久磁石５８の適正なサイズを見極めるための指標であり、トルク指数値が高いほど、第２永久磁石５８のサイズが適正であることを意味している。

図５から、Ｍｗ／Ｐｗ＝０．２の場合には、第２永久磁石５８の厚みＭｔを厚くしても、第２ステップから第３ステップに移行すると、トルクが低下することが確認された。
図６から、Ｍｗ／Ｐｗ＝０．４の場合には、Ｍｔ／Ｐｔが１．５未満であると、第２ステップから第３ステップに移行すると、トルクが低下し、Ｍｔ／Ｐｔが１．５以上であると、第２ステップから第３ステップに移行して、トルクが高くなることが確認された。
図７から、Ｍｗ／Ｐｗ＝０．６の場合には、Ｍｔ／Ｐｔが０．４未満であると、第２ステップから第３ステップに移行すると、トルクが低下し、Ｍｔ／Ｐｔが０．４以上であると、第２ステップから第３ステップに移行して、トルクが高くなることが確認された。
図８から、Ｍｗ／Ｐｗ＝０．８の場合には、Ｍｔ／Ｐｔが０．３未満であると、第２ステップから第３ステップに移行すると、トルクが低下し、Ｍｔ／Ｐｔが０．３以上であると、第２ステップから第３ステップに移行して、トルクが高くなることが確認された。

したがって、Ｍｗ／Ｐｗ≧０．４、かつＭｔ／Ｐｔ≧１．５を満足するように、第２永久磁石５８の寸法を設定すれば、第２ステップから第３ステップに移行しても、トルクの低下を抑制できることがわかる。

図７および図８から、Ｍｔ／Ｐｔが２〜３の範囲で、トルク指数値が最大値をとり、Ｍｔ／Ｐｔが３を超えても、トルク指数値は上昇せず、むしろ低下する傾向となることがわかった。

これらのことから、第２永久磁石５８の適正なサイズは、Ｍｗ／Ｐｗ≧０．４、かつ３．０≧Ｍｔ／Ｐｔ≧１．５を満足するサイズとなる。

つぎに、スタータ１００の動作時のバッテリ電圧とモータ電流について説明する。図９はこの発明の実施の形態１に係るスタータにおけるバッテリ電圧とモータ電流の波形図であり、図９の（ａ）はバッテリ電圧の波形図、図９の（ｂ）はモータ電流の波形図である。Ｔ１は始動スイッチ１２が閉路となった時点（第１ステップ）、Ｔ２は電磁スイッチ１が閉路となった時点（第２ステップ）、Ｔ３は短絡スイッチ１４が閉路となった時点（第３ステップ）である。Ｉ１は、電磁スイッチ１が閉路となり、モータ５に流れる突入電流である。Ｉ２は、短絡スイッチ１４が閉路となり、モータ５に流れる電流である。

図９の（ａ）（ｂ）に示されるように、時刻Ｔ１において、始動スイッチ１２が閉路し、電流がバッテリ１１から駆動コイル２ａ、界磁コイル５４を通ってモータ５に流れ、バッテリ電圧が僅かに低下する。そして、時刻Ｔ２において、電磁スイッチ１が閉路し、モータ５に突入電流が流れる。これにより、バッテリ電圧が瞬時に低下した後、時間の経過とともに徐々に上昇する。モータ電流は、瞬時に上昇した後、時間の経過とともに徐々に下降する。そして、時刻Ｔ３において、短絡スイッチ１４が閉路し、モータ５に突入電流が流れる。これにより、バッテリ電圧が瞬時に低下した後、時間の経過とともに、徐々に上昇する。モータ電流は、瞬時に上昇した後、時間の経過とともに徐々に下降する。

ここで、バッテリ１１の電圧をＶ０、バッテリ１１の内部抵抗をＲＢ、界磁コイル５４の抵抗をＲＦ、モータ５の内部抵抗をＲＭ、各配線抵抗をＲＷとすると、と突入電流Ｉ１は、式（１）で表される
Ｉ１＝Ｖ０／（ＲＢ＋ＲＷ＋ＲＦ＋ＲＭ） ・・・式（１）
第３ステップでは、モータ５が回転を開始することで、モータ５の逆起電力Ｅが発生している。このとき、モータ５に流れる電流Ｉ２は、式（２）で表される。
Ｉ２＝（Ｖ０−Ｅ）／（ＲＢ＋ＲＷ＋ＲＭ） ・・・式（２）
逆起電力Ｅは、式（３）で表される。
Ｅ＝ｋ×φ×ｎ ・・・式（３）
但し、ｋはモータ定数、φは磁束量、ｎはモータ５の回転速度である。
このように、モータ５に流れる電流Ｉ２は、モータ仕様を換えることで、調整することができることがわかる。

短絡スイッチ１４が閉路となる電圧値を高く設定すると、モータ５に発生する逆起電力Ｅが高くなるまで、短絡スイッチ１４は閉路とならない。これにより、モータ５に発生する逆起電力が高くなるので、式（２）から、Ｉ１＞Ｉ２となる。そこで、式（３）から、モータ５の回転速度が高くなって、短絡スイッチ１４が閉路することになり、閉路までの時間が長くなる。これにより時刻Ｔ２からＴ３までの時間、すなわちエンジンの始動までの時間が長くなってしまう。

そこで、図９（ｂ）に示されるように、Ｉ１＝Ｉ２となるように、短絡スイッチ１４が閉路となる電圧値を設定することで、短絡スイッチ１４が閉路となる時間を短くでき、瞬断を抑制しつつ、短時間でのエンジンの始動を可能となる。

スタータ１００においては、第１ステップでは、駆動コイル２ａと界磁コイル５４と各配線抵抗が電流経路上に存在し、第２ステップでは、界磁コイル５４と各配線抵抗が電流経路上に存在し、第３ステップでは、各配線抵抗が電流経路上に存在している。このように、電流経路上の電気抵抗が、第１ステップ、第２ステップおよび第３ステップの順に、漸次減少している。さらに、第３ステップとなる前に、電流Ｉｂにより、モータ５の回転が開始され、モータ５の逆起電力が増加し、モータ５に流れる電流が減少する。また、界磁コイル５４を抵抗体として使用するため、別途抵抗体を設置する必要がなく、スタータ１００の構造の簡素化が図られ、体格を小さくすることができる。

なお、上記実施の形態１では、界磁部が２極の界磁コイルと２極の永久磁石とからなる４極仕様であるが、界磁部は４極仕様に限定されず、２極の界磁コイルと４極の永久磁石とからなる６極仕様としてもよく、４極の界磁コイルと２極の永久磁石とからなる６極仕様としてもよい。界磁部が２極の界磁コイルと４極の永久磁石とからなる６極仕様である場合には、界磁スイッチの短絡後のトルクを向上させることができる。また、界磁部が４極の界磁コイルと２極の永久磁石とからなる６極仕様である場合には、高回転化を図ることができる。

また、上記実施の形態１では、界磁鉄心および第１永久磁石がホルダによってヨークの内周面に保持されているが、界磁鉄心および第１永久磁石は接着、嵌合などの接合手段によりヨークの内周面に接合されてもよい。
また、上記実施の形態１では、界磁鉄心がヨークと別部品として作製されているが、界磁鉄心はヨークと一体に作製されてもよい。

５ モータ、１１ バッテリ、１４ 短絡スイッチ、５０ 界磁部、５１ ヨーク、５３ 界磁鉄心、５３ａ ティース部、５３ｂ 鍔部、５４ 界磁コイル（界磁部）、５５ 第１永久磁石（界磁部）、５８ 第２永久磁石、６０ アマチュア。

Claims (3)

1. 磁気回路を構成する円筒状のヨーク、上記ヨークの内周に回転可能に配設されたアマチュア、および磁極を発生する界磁部を有し、
   上記界磁部は、第１永久磁石と、上記ヨークの内周面から径方向内方に突出するティース部に巻回され、上記アマチュアと直列に接続された界磁コイルと、を有しており、
   バッテリからの電力の供給を受けて回転力を発生するモータと、
   上記界磁コイルと並列に接続されて、閉路して上記界磁コイルを短絡する短絡スイッチと、を備えるスタータにおいて、
   第２永久磁石が、上記ティース部の先端面に配設されているスタータ。
2. 鍔部が上記ティース部の先端部から周方向両側に突出するように形成されており、
   上記第２永久磁石の周方向幅をＭｗとし、上記ティース部の周方向幅をＰｗとしたときに、Ｍｗ／Ｐｗが０．４以上である請求項１記載のスタータ。
3. 上記第２永久磁石の径方向厚みをＭｔとし、上記鍔部の径方向厚みをＰｔとしたときに、Ｍｔ／Ｐｔが１．５以上、３．０以下である請求項２記載のスタータ。

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