JP6388678B2

JP6388678B2 - スタータ

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Publication number: JP6388678B2
Application number: JP2017022958A
Authority: JP
Inventors: 健修松原; 亀井　光一郎; 光一郎亀井; 阿部　雅美; 雅美阿部; 今村　直樹; 直樹今村; 金田　直人; 直人金田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-02-10
Filing date: 2017-02-10
Publication date: 2018-09-12
Anticipated expiration: 2037-02-10
Also published as: CN108412656A; CN108412656B; JP2018127991A; FR3062885A1; FR3062885B1

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（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）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。

特開２００９−２８７４５９号公報特開２０１１−９４５５５号公報特開２０１６−４６９０６号公報

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。

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。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。この発明の実施の形態１に係る別のスタータを示す回路図である。

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。

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。

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

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。