TW201422904A - 引擎單元及車輛 - Google Patents

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Takahiro Nishikawa
Haruyoshi Hino
Hideki Furuta
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Yamaha Motor Co Ltd
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Abstract

本發明之課題在於提供一種引擎單元，其即便未使用反沖功能及減壓功能，亦可提昇引擎起動性及車輛搭載性之兩者，進而，可藉由與反沖功能及/或減壓功能組合，而進一步提昇引擎起動性及車輛搭載性。本發明係搭載於車輛之引擎單元，且引擎單元之起動馬達所包括之飛輪係於起動馬達之直徑方向上之永久磁鐵部之內周面具有沿起動馬達之周向排列且較槽之數量之2/3多之磁極面，且至少於4行程引擎本體之起動時，使控制裝置供給至各相之繞組之電流變化，藉此，克服高負載區域進行旋轉。

Description

引擎單元及車輛
本發明係關於一種引擎單元及車輛。
搭載於機車等車輛之引擎單元通常包括起動馬達。起動馬達係於引擎起動時，由車輛所配備之電池驅動，使曲軸旋轉而使引擎起動。於引擎起動時，伴隨著壓縮衝程中之汽缸內之氣體壓縮，壓縮衝程中之曲軸之旋轉阻力變大。因此，起動馬達必須克服壓縮衝程之高負載區域使曲軸旋轉。
又，起動馬達係搭載於機車等車輛，故而必須適於搭載於車輛。具體而言，起動馬達必須為例如適於搭載於車輛之尺寸。就車輛搭載性及行駛性能之觀點而言，起動馬達理想為較小。
因此，對於起動馬達，要求滿足如下兩個必要條件：適於搭載於車輛、及可輸出必需之轉矩以克服壓縮衝程之高負載區域而使曲軸旋轉。
為了滿足該等必要條件，先前之普通之起動馬達經小型化，且於引擎起動時以高轉數(例如12000rpm左右)旋轉。起動馬達之轉速係藉由減速機等而以相對較高之減速比(例如1/30~1/20)進行減速。藉此，先前之普通之起動馬達可於引擎起動時獲得必需之轉矩。
總之，先前之普通之起動馬達係藉由高速旋轉及減速機之使用而同時實現車輛搭載性、及在引擎起動時所需之轉矩輸出。但是，先 前之普通之起動馬達因高速旋轉及減速機之使用，而難於應對噪音及耐久性之問題。
另一方面，先前提出有減小轉速，降低減速比之起動馬達。作為此種馬達，例如可列舉未經由減速機等而連接於曲軸之起動馬達等。若為此種起動馬達，則不易產生噪音及耐久性之問題。但，由於起動馬達不經由減速機等而與曲軸連接，故而，若欲於引擎起動時獲得所需之轉矩之輸出，則馬達大型化，車輛搭載性變差。
因此，為提昇車輛搭載性，而提出有反沖(Swing-back)功能、及減壓(Decompression)功能，以使即便較小之馬達轉矩亦可使引擎起動。
專利文獻1係揭示一種具有反沖功能之引擎。反沖功能係於引擎起動時，使曲軸暫時先反方向地旋轉後，賦予加速而正方向地旋轉，以便克服壓縮衝程之高負載區域之功能。藉由該反沖功能而克服壓縮衝程之高負載區域。其結果，即便產生更小之旋轉轉矩之起動馬達，亦可使引擎起動。
專利文獻2係揭示一種具有減壓功能之引擎。減壓功能係藉由略微打開於引擎之壓縮衝程中原本應關閉之閥門，而使壓縮氣體逸出，減小壓縮衝程之負載之功能。藉由減壓功能，而即便以更小之轉矩亦可使引擎起動。因此，即便產生更小之旋轉轉矩之起動馬達，亦可實現引擎之起動。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]國際公開第01/038728號
[專利文獻2]日本專利特開2007-255272號公報
如此般，反沖功能及減壓功能係用於兼顧引擎起動性及車輛搭載性之優異之手段。
本發明之課題在於提供一種即便不使用反沖功能及減壓功能，亦可提昇引擎起動性及車輛搭載性之兩者，進而，可藉由與反沖功能及/或減壓功能組合，而進一步提昇引擎起動性及車輛搭載性之引擎單元及車輛。
為解決上述問題，本發明係採用以下之構成。
(1)一種引擎單元，其係搭載於車輛，且上述引擎單元包括：4行程引擎本體，其係於4行程之間包括使曲軸旋轉之負載較大且包含壓縮衝程之高負載區域、及使上述曲軸旋轉之負載較小且不包含壓縮衝程之低負載區域；起動馬達，其包括內定子(inner stator)及飛輪(flywheel)，上述內定子係包括周向上隔開間隔地形成有複數個槽(slot)之定子鐵心(stator core)、及以通過上述槽之方式設置之複數相之繞組，上述飛輪係包括設置於直徑方向上之上述內定子之外側之永久磁鐵部、及設置於直徑方向上之上述永久磁鐵部之外側之背軛(back yoke)部，且與上述曲軸之旋轉連動地旋轉；以及控制裝置，其係與上述內定子之上述複數相之繞組連接，且自上述車輛所配備之電池對上述複數相之繞組供給電流；上述飛輪係於上述起動馬達之直徑方向之上述永久磁鐵部之內周面具有在上述起動馬達之周向排列且較上述槽之數量之2/3多之磁極面，且至少於上述4行程引擎本體之起動時，使上述控制裝置供給至各相之繞組之電流變化，藉此，克服上述高負載區域進行旋轉。
(1)之引擎單元係包括於4行程之間包括高負載區域及低負載區域 之4行程引擎本體。高負載區域係使曲軸旋轉之負載較大之旋轉角度區域。高負載區域包含壓縮衝程。另一方面，低負載區域係使曲軸旋轉之負載較小之旋轉角度區域。低負載區域不包含壓縮衝程。於4行程之間包括高負載區域及低負載區域之4行程引擎本體係轉矩變動較大，且當自低負載區域移行至高負載區域時，所需之轉矩變大。
根據(1)之構成，飛輪包括較槽之數量之2/3多的磁極面，且磁極數較多。因此，永久磁鐵部之磁導(permeance)係數變大，磁通密度變高。由於永久磁鐵部之磁極面之面積變小，故而可實現未成為交鏈磁通(interlinkage flux)之定子鐵心間之漏磁通之減少。其結果，可確保引擎起動時之輸出轉矩(至引擎燃燒開始前之期間之輸出轉矩)。
飛輪包括較槽之數量之2/3多之磁極面，且磁極數較多，故而角速度ω變大。再者，角速度ω係關於以磁極之重複週期為基準之電角度(electrical angle)之角速度。由於角速度ω較大，故而無激磁保持轉矩(detent torque)變小。因此，可自引擎之靜止狀態迅速地提昇引擎之轉速。
又，一般而言，於包含壓縮衝程之高負載區域中，於4行程引擎本體之燃燒室內由活塞壓縮之氣體之反作用力以對於正轉方向(車輛前進時之曲軸之旋轉方向)旋轉之曲軸之負載施加至曲軸。因此，曲軸必須對抗該負載(反作用力)進行正轉。然而，輸出轉矩之大小隨著供給至起動馬達所包括之各相之繞組中之電流的增減而變動，於產生峰值之轉矩後至產生下一峰值之轉矩為止之期間，輸出轉矩變小。因此，於該期間內，因上述負載(反作用力)之影響，曲軸朝向正轉方向之旋轉減速。
例如圖10(b)所示，於產生峰值之轉矩SL1後至產生下一峰值之轉矩SL2為止之期間SLE較長之情形時，期間SLE內之上述負載之影響變大。其結果，曲軸之轉速較大地減小。因此，未高效率地對轉矩 SL1下之曲軸之正轉方向之力施加轉矩SL2下之曲軸之正轉方向之力，從而曲軸之正轉容易變得間斷。即，曲軸難以順利地克服高負載區域進行旋轉。
相對於此，根據(1)之構成，如上所述，由於磁極數較多，故而控制裝置供給至各相之繞組中之電流之變化(增減)的週期變短。換言之，由於磁極數較多，故而供給至各相之繞組中之電流之頻率變高。因此，如圖10(a)所示，產生峰值之轉矩SH1後至產生下一峰值之轉矩SH2為止之期間SHE較短。因此，期間SHE內之上述負載之影響變小。其結果，可抑制曲軸之轉速之減小。因此，高效率地對轉矩SH1下之曲軸之正轉方向之力施加轉矩SH2下之曲軸之正轉方向之力。藉此，轉矩之連續性提昇，從而可抑制上述負載(反作用力)之影響。
於引擎起動時，與車輛高速行駛時相比，難以充分地獲得飛輪之慣量(inertia)(旋轉系統慣性力矩)。於此種狀況下，為了使飛輪克服高負載區域進行旋轉，較佳為使正轉方向之旋轉連續地加速。換言之，較佳為抑制曲軸之轉速之減小。因此，轉矩之連續性較為重要。於(1)之構成中，引擎起動時之轉矩之連續性優異，因此飛輪可克服高負載區域進行旋轉。
又，於(1)之構成中，磁極增加。藉此，每一磁極對之周向面積變小，故而，可減小磁極間之磁路截面積。因此，可使背軛部變薄。可藉由使背軛部變薄，而使永久磁鐵部於外側變厚。可不使磁導係數降低地增加永久磁鐵部之有效截面積。因此，可不增大起動馬達地增加轉矩。又，亦可藉由使背軛部變薄，而使永久磁鐵部靠近外側，使定子鐵心延伸至外側。因此，可不增大起動馬達之外徑而增加永久磁鐵部之等效截面積。亦可較多地捲繞繞組。因此，可不增大起動馬達地增加轉矩。又，亦可藉由使背軛部變薄，而使起動馬達較小，從而表現車輛搭載性。
以上，於(1)之構成中，飛輪係於永久磁鐵部之內周面具有較槽之數量之2/3多之磁極面，且至少於4行程引擎本體之起動時，使控制裝置供給至各相之繞組中之電流變化，藉此，克服高負載區域進行旋轉。藉此，磁極數變多。由於磁通密度變高，並且可實現減少未成為交鏈磁通之定子鐵心間之洩漏磁通，故而，可確保引擎起動時之輸出轉矩。又，因磁極數變多，故角速度ω變大。藉此，無激磁保持轉矩變小，故而可自引擎之靜止狀態迅速地提昇引擎之轉速。又，供給至各相之繞組中之電流之頻率變高，故而，引擎起動時之輸出轉矩之連續性提昇，從而抑制高負載區域中之負載之影響。
因此，根據(1)之構成，可藉由起動馬達自身之性能，而於引擎起動時，輸出引擎起動所需之轉矩。因此，(1)之引擎單元適於搭載於車輛，並且起動性優異。(1)之構成可應用於多種類型之引擎(車輛)，且具有較高之通用性。可藉由使(1)之引擎單元與反沖功能及/或減壓功能組合，而進一步提昇引擎起動性及車輛搭載性。
又，本發明較佳為採用以下之構成。
(2)如(1)之引擎單元，其中上述定子鐵心包括設置於上述複數個槽之間之複數個齒部，各上述齒部包括與上述永久磁鐵部之上述磁極面對向之端部，上述周向上相鄰之上述端部間之距離係以上述周向上之上述齒部之上述端部之寬度成為1個上述磁極面之寬度以下之方式設定。
根據(2)之構成，以齒部之端部之寬度成為1個磁極面之寬度以下之方式，設定相鄰之端部間之距離，從而確保相鄰之端部間之距離相對較寬。其結果，漏磁通減少，因此可更強地確保輸出轉矩。
(3)如(1)或(2)之引擎單元，其中上述飛輪係至少於上述4行程引擎本體之起動後，在較上述槽之數量之2/3多之磁極面相較上述內定子位於直徑方向外側之狀態下， 伴隨上述曲軸之旋轉而旋轉，藉此，上述起動馬達作為發電機(generator)發揮功能。
根據(3)之構成，包括較槽數之2/3多之磁極之飛輪係於直徑方向上之定子(stator)之外側，伴隨曲軸之旋轉而旋轉。飛輪包括較槽之數量之2/3多之磁極，且飛輪之磁極數較多，故而角速度ω變大。因此，於將起動馬達用作發電機之高速旋轉區域中，可確保阻抗(impedance)較大，從而抑制發電電流。其結果，可將用於使電流作為熱釋放以避免流向電池之充電電流變得過大之機構省略或小型化。
(4)如(1)至(3)中任一項之引擎單元，其中上述各相之繞組係包括並聯連接之複數個繞組，上述飛輪係於較上述槽之數量之2/3多之磁極面，相較具有各相並聯連接之複數個繞組的上述內定子位於直徑方向外側之狀態下，使上述控制裝置供給至上述各相之並聯連接之複數個繞組中之電流變化，藉此，克服上述高負載區域進行旋轉。
根據(4)之構成，可減小起動馬達之阻抗中之直流電阻。於引擎起動時，可藉由減小直流電阻，而產生更大之轉矩。其結果，可實現更順利之引擎起動。
(5)如(1)至(4)中任一項之引擎單元，其中上述控制裝置係於藉由上述起動馬達而使上述曲軸旋轉時，進行用於自上述電池對上述複數相之繞組供給電流之超前角控制，以使供給至上述繞組中之電流之相位相對於藉由上述飛輪於上述直徑方向上之上述內定子之外側旋轉而於上述繞組中產生之感應電壓之相位超前。
根據(5)之構成，由於角速度(ω)較大，故而，可一面確保抑制感應電壓之電壓成分(ωLId)，一面減小d軸電流(Id)。藉此，可藉由較少之d軸電流而獲得超前角之效果，從而以高效率進行高速旋轉。
(6)如(5)之引擎單元，其中上述控制裝置係至少於以上述4行程引擎本體之燃燒開始時之轉速以上的轉速使上述起動馬達旋轉時，進行上述超前角控制。
根據(6)之構成，於在引擎起動後進行動力行駛時，可藉由較少之d軸電流而獲得超前角之效果，從而以高效率進行高速旋轉。
(7)一種車輛，上述車輛包括如(1)至(6)中任一項之引擎單元。
(7)之車輛係包括如下所述之引擎，該引擎係即便不使用反沖功能及減壓功能，亦可提昇引擎起動性及車輛搭載性之兩者，進而，可藉由與反沖功能及/或減壓功能組合，而進一步提昇引擎起動性及車輛搭載性。因此，(10)之車輛可一面抑制伴隨引擎單元之搭載之行駛性能之降低，一面實現優異之引擎起動性。
根據本發明，可提供一種即便不使用反沖功能及減壓功能，亦可提昇引擎起動性及車輛搭載性之兩者，進而，可藉由與反沖功能及/或減壓功能組合，而進一步提昇引擎起動性及車輛搭載性的引擎單元及車輛。
1‧‧‧曲軸箱
2‧‧‧汽缸
3‧‧‧活塞
4‧‧‧連桿
5‧‧‧曲軸
5a‧‧‧一端部
5b‧‧‧另一端部
5c‧‧‧公螺紋部
6‧‧‧汽缸蓋
7‧‧‧軸承
20‧‧‧主皮帶盤
21‧‧‧固定槽輪
22‧‧‧活動槽輪
30‧‧‧飛輪
31‧‧‧飛輪本體部
32‧‧‧筒狀輪轂部
32a‧‧‧錐狀插入孔
32b‧‧‧大徑部
32c‧‧‧凸緣部
33‧‧‧底壁部
33a‧‧‧孔部
34‧‧‧背軛部
35‧‧‧螺母
36‧‧‧鉚釘
37‧‧‧永久磁鐵部
38‧‧‧切口部
40‧‧‧內定子
41‧‧‧孔部
43‧‧‧齒部
43a‧‧‧主體部
43b‧‧‧側方突出部
B‧‧‧皮帶
C1‧‧‧第一次壓縮衝程
C2‧‧‧第二次壓縮衝程
C3‧‧‧第三次壓縮衝程
Ci‧‧‧空轉時之馬達轉數
CVT‧‧‧無段變速箱
d‧‧‧相鄰之齒部之端部間之間隔
D2‧‧‧距離
E‧‧‧4行程引擎本體
EU‧‧‧引擎單元
F‧‧‧冷卻風扇
Fa‧‧‧葉片部
Fb‧‧‧螺栓
g‧‧‧飛輪與內定子之間隔
H‧‧‧先前之起動馬達之特性之一例
J‧‧‧比較例之起動馬達之特性之一例
K‧‧‧本發明之起動馬達之特性之一例
L37‧‧‧永久磁鐵部之磁極面之寬度
L43‧‧‧齒部之端部之寬度
M1‧‧‧發電電流
M2‧‧‧發電電流
N‧‧‧磁極
Q‧‧‧轉矩
r‧‧‧直流電阻
RH1‧‧‧轉矩
RH2‧‧‧轉矩
RHE‧‧‧期間
RL1‧‧‧轉矩
RL2‧‧‧轉矩
RLE‧‧‧期間
S‧‧‧磁極
SG‧‧‧起動馬達
SH1‧‧‧轉矩
SH2‧‧‧轉矩
SHE‧‧‧期間
SL‧‧‧槽
SL1‧‧‧轉矩
SL2‧‧‧轉矩
SLE‧‧‧期間
ST‧‧‧定子鐵心
TH‧‧‧高負載區域
TL‧‧‧低負載區域
W‧‧‧繞組
X‧‧‧軸方向
Y‧‧‧直徑方向
圖1(a)係模式性表示本發明之起動馬達之特性、及先前之起動馬達之特性之說明圖，(b)係模式性表示引擎起動時之曲柄角度位置與所需轉矩之關係之說明圖。
圖2係模式性表示本發明之實施形態之包括起動馬達之引擎單元之概略構成之局部剖面圖。
圖3係放大表示圖2中之起動馬達及其附近部分之放大剖面圖。
圖4(a)係關於本發明之一實施例與一比較例，模式性表示起動馬達之驅動特性之說明圖，(b)係模式性表示發電特性之說明圖。
圖5(a)係關於本發明之另一實施例與另一比較例，模式性表示起動馬達之驅動特性之說明圖，(b)係模式性表示發電特性之說明圖。
圖6(a)~(c)係分別模式性表示繞組之連接例之圖。
圖7(a)~(c)係分別模式性表示繞組之連接例之圖。
圖8係模式性表示圖2所示之起動馬達之飛輪及內定子之放大剖面圖。
圖9(a)係模式性表示齒部之端部間之間隔與轉矩及電感(inductance)之關係之說明圖，(b)係模式性表示齒部之端部間之間隔與齒部之漏磁通及繞組之交鏈磁通之關係之說明圖，(c)及(d)係模式性表示齒部之漏磁通之說明圖，(e)及(f)係模式性表示繞組之交鏈磁通之說明圖。
圖10(a)係模式性表示於本發明之一實施形態之引擎單元中，引擎起動時供給至U相、V相、W相之繞組之相對較高之頻率之正弦波電流與轉矩之關係之說明圖，(b)係模式性表示於比較例之引擎單元中，引擎起動時供給至U相、V相、W相之繞組之相對較低之頻率之正弦波電流與轉矩之關係之說明圖，(c)係模式性表示於本發明之另一實施形態之引擎單元中，引擎起動時供給至U相、V相、W相之繞組之相對較高之頻率之矩形波電流與轉矩之關係之說明圖，(d)係模式性表示於比較例之引擎單元中，引擎起動時供給至U相、V相、W相之繞組之相對較低之頻率之矩形波電流與轉矩之關係之說明圖。
關於本發明者對上述問題所進行之研究，使用圖1(a)、(b)進行說明。
圖1(a)係模式性表示本發明之起動馬達之特性、及先前之起動馬達之特性之說明圖。
於圖1(a)中，橫軸表示起動馬達之曲軸之轉數。縱軸係於正方向 表示起動馬達之輸出轉矩之大小，於負方向表示起動馬達之發電電流之大小。K表示本發明之起動馬達之特性之一例。H表示先前之起動馬達之特性之一例。J表示作為比較例之起動馬達之特性之一例。C1~C3分別表示第一次~第三次壓縮衝程中之馬達轉數。如C1~C3所示，隨著壓縮衝程之次數增加，馬達轉數增加。Ci表示空轉(idling)時之馬達轉數。Q表示於第一次壓縮衝程C1中本發明之起動馬達所輸出之轉矩。M1表示空轉時在Ci下本發明之起動馬達所輸出之發電電流。M2表示於高速旋轉時本發明之起動馬達所輸出之發電電流。
圖1(b)係模式性表示引擎起動時之曲柄角度位置與必需轉矩之關係之說明圖。
於圖1(b)中，橫軸表示曲柄角度。縱軸表示使曲軸旋轉所需之轉矩。TH表示高負載區域。TL表示低負載區域。高負載區域TH係使曲軸旋轉之負載較大且包含壓縮衝程之旋轉角度區域。低負載區域TL係使曲軸旋轉之負載較小且不包含壓縮衝程之旋轉角度區域。圖1(b)係表示4行程引擎本體(以下亦僅稱為引擎)為單汽缸引擎之情形，且壓縮衝程對應於高負載區域，膨脹衝程、排氣衝程及進氣衝程對應於低負載區域。本發明之引擎單元係於4行程之間包括高負載區域TH及低負載區域TL。再者，於圖1(b)中，自壓縮衝程開始進行曲軸之旋轉，但曲軸之旋轉開始位置並無特別限定。又，當然亦可能存在每當引擎起動時，自不同之位置開始進行曲軸之旋轉之情形。
本發明者係於對上述問題之研究中著眼於引擎起動時之壓縮衝程。起動馬達必須克服壓縮衝程之高負載區域TH使曲軸旋轉。於搭載於機車等之單汽缸引擎或雙汽缸引擎等小型之引擎中，轉矩變動較大，故而壓縮衝程中之負載較大。因此，對起動馬達要求更大之輸出轉矩。換言之，只要為可應用於轉矩變動較大之引擎之起動馬達，則不僅可應用於單汽缸引擎或雙汽缸引擎，而且亦可應用於汽缸數較多 之引擎。若可實現此種起動馬達，則可應用之引擎之種類增加，從而可提昇通用性。
因此，以下，列舉不具有反沖功能及減壓功能之單汽缸引擎(參照圖1(b))為例進行說明。此種單汽缸引擎係轉矩變動較大，週期性出現之壓縮衝程中之克服負載較大。可應用於此種單汽缸引擎之起動馬達不論引擎之汽缸數、及有無反沖功能或減壓功能均可應用。因此，可實現通用性較高之起動馬達。
如圖1(b)所示，於引擎起動時，壓縮衝程之高負載區域TH週期性地出現。再者，圖1(b)係均等地表示各高負載區域TH中之必需轉矩之大小，但實際上，該高負載區域TH係伴隨起動馬達之轉數增加而慣量增加，故而，各次壓縮衝程中所需之輸出轉矩伴隨起動馬達之轉數之增加而降低。另一方面，伴隨起動馬達之轉數增加，起動馬達之輸出轉矩降低。
本發明者對單汽缸引擎中之壓縮衝程之負載進行了研究。繼而，發現為了確實且順利地進行引擎起動，必須使第一次壓縮衝程C1中之輸出轉矩變大。又，本發明者發現較佳為第二次壓縮衝程C2中之輸出轉矩較大。
又，亦存在起動馬達於引擎起動後用作發電機之情形。若起動馬達滿足對發電機要求之特性，則無需於引擎單元另行地設置發電機，故而，可應用之引擎(車輛)增加，從而可進一步提昇通用性。於使起動馬達作為發電機發揮功能之情形時，若如上所述實現起動馬達之輸出轉矩之提昇，則起動馬達之發電電流變大，從而存在流向連接於起動馬達之電池之充電電流變得過剩之虞。
先前之機車等係為防止電池之過度充電，而例如使電流內部循環從而以銅損耗消耗。因此，例如設置有附散熱片(radiating fin)之整流器(Rectifier Regulator)。再者，於汽車中，例如設置有包括發電機 及調整器之交流發電機(alternator)，進行交流發電機之發電量之抑制。但，就車輛搭載性之觀點而言，此種汽車用交流發電機難以搭載於機車等。
只要可抑制起動馬達之發電電流，則可謀求散熱機構之小型化或省略。具體而言，例如可謀求整流器之小型化等。上述情況就車輛搭載性及行駛性能之觀點而言較佳。又，可應用之引擎(車輛)增加，從而通用性提昇。
總結以上方面，若可實現一面抑制發電電流之增大一面可增大至少第一次壓縮衝程C1中之輸出轉矩之起動馬達，則就車輛搭載性及行駛性能之觀點而言較佳，可應用之引擎(車輛)增加，從而通用性提昇。進而，若可實現能增大第二次壓縮衝程C2中之輸出轉矩之起動馬達，則更佳。但，於引擎起動時之輸出轉矩之提昇與引擎起動後之發電電流之抑制之間存在取捨(trade-off)之關係，故而不容易同時地滿足兩必要條件。
因此，本發明者對如何實現如下之起動馬達進行研究，上述起動馬達係可將上述之取捨之關係打破，一面抑制發電電流之增大，一面使第一次及第二次壓縮衝程C1、C2中之輸出轉矩增大。
具有圖1(a)所示之特性H之起動馬達係先前公知之起動馬達之一例。該先前公知之起動馬達係為抑制高速旋轉區域中之發電電流，而將阻抗設定為較大。
於如圖1(a)所示之特性H般將阻抗設定為較大之先前之起動馬達中，於超過引擎之怠速轉數之高速旋轉區域中，因設定為較大之阻抗而將發電電流抑制。但，於引擎起動時之低速旋轉區域中，阻抗較大，故而流入繞組之電流變小。因此，存在無法充分地獲得所產生之驅動轉矩之問題。因此，為使用該起動馬達使引擎起動，而需要如上所述之反沖功能或減壓功能等。
因此，本發明者研究了為增大起動轉矩而減小起動馬達之阻抗之情況。若如此地減小阻抗，則如圖1(a)所示之特性J般，可增大引擎起動時之輸出轉矩。但，若如此地減小阻抗，則於高速旋轉區域中作為發電機發揮功能時將產生不良情況。即，導致於將起動馬達經由通常之整流電路連接於電池之情形時，流向電池之充電電流變得過大。因此，例如必須藉由使用反相器(inverter)使各相之輸出端短路等方法來阻止或抑制流向電池之流入電流。
但，於使用此種使各相之輸出端短路之方法之情形時，在高速旋轉時之發電電流之控制下，較大之短路電流將流入繞組中，故而產生銅損耗。因此，導致作為發電機之效率降低。因此，本發明者對如下內容進行了研究：不採用使用反相器等使繞組短路等方法，而對旋轉電機自身之結構進行設計。即，只要可於低速旋轉區域中使阻抗較小，且於高速旋轉區域中使阻抗較大，便可實現能一面抑制發電電流之增大一面使第一次及第二次壓縮衝程C1、C2中之輸出轉矩增大的起動馬達。
本發明者進一步反覆研究，最終發現於高速旋轉區域中，阻抗中之ωL相對較大地有助於發電電流抑制。
再者，於發電時各相中流動之電流I係由下述(I)表示。
I=(Vbat-Ea)/(R2+ω2L2)1/2…(I)
(Vbat：電池電壓，Ea：感應電壓，R：直流電阻，ω：關於電角度之角速度，L：電感，(R2+ω2L2)1/2：阻抗)
再者，Vbat亦於發電時產生，但此情形時，Vbat<Ea成立。
又，角速度ω係由下述(II)式表示。
ω=(P/2)×(Nrpm/60)×2π…(II)
(P：磁極數、N：轉數)
因此，考慮為抑制發電電流而增大ωL。
關於增大ωL中之電感L之情形，作為用於增大電感L之方法，考慮使定子鐵心之齒部間之間隔變窄。若使齒部間之間隔變窄，則高速旋轉區域中之阻抗增大，但通過齒部間之間隔洩漏至相鄰之齒部之磁通增大。因此，與繞組交鏈之磁通減小。其結果，起動馬達之輸出轉矩降低。尤其，起動馬達係由搭載於車輛之電池驅動，故而電壓受到限制。因此，為確保輸出轉矩而考慮供給較大之電流。但，即便供給較大之電流，在齒部內磁通飽和，故而漏磁通亦變多。即，即便增大電流，亦難以有益於輸出轉矩之增大。其結果，即便可抑制發電電流，亦難以提昇輸出轉矩。於此情形時，引擎需要反沖功能或減壓功能等，故而缺乏通用性。
關於增大ωL中之ω之情形，作為用以增大ω之方法，考慮增加飛輪所包括之磁極數P。藉由增加磁極數，永久磁鐵部之磁導係數變大，磁通密度變高。由於永久磁鐵部之磁極面之面積變小，故而可實現未成為交鏈磁通之定子鐵心間之洩漏磁通之減少。因此，可藉由增大電流而高效率地增大輸出轉矩。再者，若增大ω，則磁通變化之頻率變大，故而擔心鐵損耗之增大。但是，就車輛搭載性及行駛性能之觀點而言，若於增大ω時未增大起動馬達之尺寸，則將磁極數增大，故飛輪所包括之各個磁極之尺寸變小。作為結果，自各個磁極中產生之磁通變少，故而，降低伴隨頻率增加之鐵損耗之增大。又，藉由增大角速度ω，激磁保持轉矩不變小。因此，可自引擎之靜止狀態迅速地提昇引擎之轉速。因此，可藉由增加飛輪之磁極數P使ω增大，而抑制發電電流，並且提昇引擎起動時(尤其第一次及第二次壓縮衝程C1、C2中之輸出轉矩)之輸出轉矩。又，如上所述，由於磁極數較多，故而供給至各相之繞組中之電流之頻率變高。因此，引擎起動時之轉矩之連續性提昇，減少了高負載區域中之負載影響，從而飛輪可順利地克服高負載區域進行旋轉。
本發明係基於上述見解而完成之發明。於本發明中，將飛輪之磁極數P增加，增大角速度ω，並且至少於4行程引擎本體之起動時，使控制裝置供給至各相之繞組中之電流變化，藉此，克服高負載區域進行旋轉。
於本發明中，較佳為，藉由使供給至各相之繞組中之電流變化，而使飛輪克服至少第一次及第二次壓縮衝程。於此情形時，因角速度ω之增大，而至少第一次及第二次壓縮衝程中之輸出轉矩增大。但，本發明並不限定於該例。即，於本發明中，因供給至各相之繞組中之電流之變化，飛輪至少克服第一次壓縮衝程。即，於本發明中，因供給至各相之繞組中之電流之變化，飛輪僅可克服第一次壓縮衝程。在此情形時，因角速度ω之增大，第一次壓縮衝程中之輸出轉矩增大。
本發明之4行程引擎本體係於4行程之間包括低負載區域。因此，飛輪可於克服包含第一次壓縮衝程之高負載區域之後之低負載區域中，使旋轉加速，從而獲得較大之慣量。因此，即便於第二次壓縮衝程中停止對各相之繞組供給之電流，飛輪亦可藉由於電流停止之前獲得之慣量，而克服包含第二次壓縮衝程之高負載區域進行旋轉。
再者，於第一次壓縮衝程前之低負載區域中，飛輪亦可使旋轉加速，從而獲得較大之慣量。因此，即便於第一次壓縮衝程中停止對各相之繞組供給之電流，飛輪亦可藉由於電流停止之前獲得之慣量，而克服包含第一次壓縮衝程之高負載區域進行旋轉。
即，於本發明中，亦可於飛輪克服高負載區域之時間點，停止對各相之繞組供給電流。即，只要藉由對各相之繞組供給電流而使飛輪旋轉，且藉由該旋轉而使飛輪克服高負載區域即可，亦可於克服高負載區域之時間點停止對各相之繞組供給電流。
本發明係藉由增大角速度ω，而增大引擎起動時(例如第一次壓縮 衝程、第二次壓縮衝程)之輸出轉矩。如此地增大角速度ω之技術係先前動力行駛馬達中所未曾使用之技術。
圖1(a)之特性K係表示本發明之起動馬達之特性之一例。根據本發明之起動馬達，可於第一次壓縮衝程C1中輸出較大之轉矩Q。根據本發明之起動馬達，例如於第二次壓縮衝程C2中，可輸出與第一次壓縮衝程之轉矩Q同樣地大之轉矩。再者，該起動馬達即便於第三次之壓縮衝程C3中亦可輸出相對較大之轉矩。又，根據本發明之起動馬達，高速旋轉時之發電電流為M2。即，具有特性K之起動馬達於引擎起動時可輸出與特性J相同程度之轉矩，且可將引擎起動後之發電電流抑制為與特性H相同程度。
如此，根據本發明之起動馬達，可一面抑制發電電流之增大，一面使引擎起動時(例如第一次及第二次壓縮衝程C1、C2)之輸出轉矩增大。本發明之起動馬達適於搭載於車輛，從而可應用於多種引擎(車輛)，通用性優異。具體而言，例如可省略反沖功能及/或減壓功能。另一方面，若與具有反沖功能或減壓功能之引擎組合，則可降低對起動馬達之輸出轉矩之要求，其結果，可實現起動馬達之進一步之小型化。此情況就車輛搭載性及行駛性能之觀點而言較為理想。又，亦可實現引擎起動之進一步順利化(例如引擎起動所需之時間之縮短化)。如此一來，本發明之引擎單元即便不使用反沖功能及減壓功能，亦可提昇引擎起動性及車輛搭載性之兩者，進而，可藉由與反沖功能及/或減壓功能組合，而進一步提昇引擎起動性及車輛搭載性。再者，於4行程引擎本體為多汽缸引擎之情形時，將引擎起動時最先出現之壓縮衝程稱為第一次壓縮衝程，將產生第一次壓縮衝程之汽缸中之第二次壓縮衝程稱為第二次壓縮衝程。因此，亦可能出現於第一次壓縮衝程與第二次壓縮衝程之間產生另一汽缸中之壓縮衝程之情形。於一汽缸中之壓縮衝程與另一汽缸中之壓縮衝程連續地產生之情 形時，藉由該等兩個壓縮衝程，而產生一個高負載區域。如此一來，亦可能出現一個高負載區包含兩個以上之壓縮衝程之情況。本發明中之4行程引擎本體只要於4行程之間包括高負載區域及低負載區域即可。
以下，一面基於較佳之實施形態，參照圖式，一面說明本發明。
圖2係模式性表示本發明之實施形態之包括起動馬達SG之引擎單元EU之概略構成之局部剖面圖。
引擎單元EU係設置於作為跨坐型車輛之一例之機車(未圖示)。作為機車，並無特別限定，例如可列舉速克達型、輕型(moped)、越野(off-road)型、公路(on-road)型之機車。又，作為跨坐型車輛，並不限定於機車，例如亦可為ATV(All-Terrain Vehicle，全地形車輛)等。又，本發明之車輛並不限定於跨坐型車輛，亦可為包括車艙之4輪車輛等。
引擎單元EU係包括4行程引擎本體E、及起動馬達SG。4行程引擎本體E係單汽缸之4行程引擎。4行程引擎本體E具有圖1(a)所示之特性K。4行程引擎本體E具有圖1(b)所示之曲柄角度位置與必需轉矩之關係。即，4行程引擎本體E係於4行程之間包括使曲軸5旋轉之負載較大之高負載區域、及使曲軸5旋轉之負載較小之低負載區域。更詳細而言，4行程引擎本體E係一面重複進行進氣衝程、壓縮衝程、膨脹衝程、及排氣衝程之4步驟，一面進行旋轉。如圖1(b)所示，壓縮衝程包含於高負載區域而不包含於低負載區域。於本實施形態之4行程引擎本體E中，高負載區域係與壓縮衝程大致重合之區域，低負載區域係與進氣衝程、膨脹衝程、及排氣衝程大致重合之區域。但，高負載區域及低負載區域各自之交界無需與上述之各衝程之交界一致。
引擎單元EU係包括起動馬達SG。起動馬達SG係三相無刷馬達 (three-phase brushless motor)。起動馬達SG係於引擎起動時使曲軸5旋轉，從而使4行程引擎本體E起動。又，起動馬達SG係至少於4行程引擎本體E之起動後，藉由曲軸5而旋轉，從而作為發電機發揮功能。再者，於起動馬達SG作為發電機發揮功能之情形時，起動馬達SG於引擎之燃燒開始後，並非必須始終作為發電機發揮功能。例如亦可於引擎之燃燒開始後，起動馬達SG不立即作為發電機發揮功能，而於滿足特定之條件之情形時，起動馬達SG作為發電機發揮功能。作為此種特定之條件，例如可列舉引擎轉速達到特定速度、及於引擎之燃燒開始後經過特定時間等。又，亦可於引擎之燃燒開始後，包含起動馬達SG作為發電機發揮功能之期間、及起動馬達SG作為馬達(例如車輛驅動用馬達)發揮功能之期間。
起動馬達SG係安裝於4行程引擎本體E之曲軸5。於本實施形態中，起動馬達SG未經由動力傳遞機構(例如皮帶、鏈條、齒輪、減速機、增速機等)地安裝於曲軸5。但，於本發明中，只要以藉由起動馬達SG之旋轉而使曲軸5旋轉之方式構成起動馬達SG即可，起動馬達SG亦可經由動力傳遞機構安裝於曲軸5。再者，於本發明中，較佳為起動馬達SG之旋轉軸線與曲軸5之旋轉軸線大致一致。又，較佳為，如本實施形態般，起動馬達SG未經由動力傳遞機構地安裝於曲軸5。
4行程引擎本體E包括曲軸箱1、汽缸2、活塞3、連桿4、及曲軸5。汽缸2係以自曲軸箱1朝向特定方向(例如斜上方)突出之態樣設置。活塞3係往復移動自如地設置於汽缸2內。曲軸5係可旋轉地設置於曲軸箱1內。連桿4之一端部(例如上端部)係連結於活塞3。連桿4之另一端部(例如下端部)係連結於曲軸5。於汽缸2之端部(例如上端部)安裝有汽缸蓋6。曲軸5係經由一對軸承(bearing)7，以旋轉自如之態樣支撐於曲軸箱1。曲軸5之一端部5a(例如右端部)係自曲軸箱1突出至外側。於曲軸5之一端部5a安裝有起動馬達SG。
曲軸5之另一端部5b(例如左端部)係自曲軸箱1突出至外側。於曲軸5之另一端部5b，安裝有無段變速箱CVT(Continuously Variable Transmission)之主皮帶盤(primary pulley)20。主皮帶盤20包括固定槽輪(sheave)21及活動槽輪22。固定槽輪21係以與曲軸5一同旋轉之方式固定於曲軸5之另一端部5b之前端部分。活動槽輪22係花鍵聯接於曲軸5之另一端部5b。因此，活動槽輪22可沿軸方向X移動，且以可變更與固定槽輪21之間隔之態樣與曲軸5一同旋轉。於主皮帶盤20及次皮帶盤(未圖示)上掛有皮帶B。曲軸5之旋轉力係傳遞至機車之驅動輪(省略圖示)。
圖3係放大表示圖2中之起動馬達SG及其附近部分之放大剖面圖。
起動馬達SG係包括飛輪30、內定子40、及磁感測器單元(未圖示)。飛輪30包括飛輪本體部31、及設置於飛輪本體部31之複數個永久磁鐵部37。飛輪本體部31例如包含強磁性材料。飛輪本體部31具有封底筒狀。飛輪本體部31包括筒狀輪轂部32、圓板狀之底壁部33、及筒狀之背軛部34。筒狀輪轂部32係以插入至曲軸5之一端部5a之狀態固定於曲軸5。底壁部33係固定於筒狀輪轂部32，且具有於曲軸5之直徑方向Y擴展之圓板形狀。背軛部34具有自底壁部33之外周緣沿曲軸5之軸方向X延伸之筒形狀。背軛部34係延伸至曲軸箱1側。
底壁部33及背軛部34係例如藉由衝壓成形金屬板而一體地形成。再者，於本發明中，亦可分開地構成底壁部33與背軛部34。即，於飛輪本體部31中，背軛部34可與構成飛輪本體部31之其他部分一體地構成，亦可與構成飛輪本體部31之其他部分分開地構成。於背軛部34與其他部分分開地構成之情形時，背軛部34只要包含強磁性材料即可，其他部分亦可包含除強磁性材料以外之材料。
於筒狀輪轂部32，沿曲軸5之軸方向X形成有用以插入曲軸5之一 端部5a之錐狀插入孔32a。錐狀插入孔32a具有與曲軸5之一端部5a之外周面對應之錐角。於將曲軸5之一端部5a插入至插入孔32a中時，一端部5a之外周面接觸於插入孔32a之內周面，從而將曲軸5固定於插入孔32a。藉此，將輪轂部32相對於曲軸5之軸方向X定位。於該狀態下，將螺母35旋入至形成於曲軸5之一端部5a之前端部分之公螺紋部5c。藉此，將筒狀輪轂部32固定於曲軸5。
筒狀輪轂部32係於筒狀輪轂部32之基端側(圖中右側)包括大徑部32b。筒狀輪轂部32係於大徑部32b之外周面包括朝向直徑方向外側延伸之凸緣部32c。於形成在飛輪本體部31之底壁部33之中央部的孔部33a插入有筒狀輪轂部32之大徑部32b。於該狀態下，凸緣部32c接觸於底壁部33之外周面(圖中右側面)。筒狀輪轂部32之凸緣部32c與飛輪本體部31之底壁部33係於飛輪本體部31之周向之複數個部位，由貫通凸緣部32c及底壁部33之鉚釘(rivet)36一體地固定。
於飛輪本體部31之背軛部34，在背軛部34之內周面設置有複數個永久磁鐵部37。各永久磁鐵部37係以S極及N極沿起動馬達SG之直徑方向排列之方式設置。
複數個永久磁鐵部37係以交替地配置N極及S極之方式設置於起動馬達SG之周向。於本實施形態中，與內定子40對向之飛輪30之磁極數為16個。所謂飛輪30之磁極數係指與內定子40對向之磁極數。與定子鐵心ST之齒部43對向之永久磁鐵部37之磁極面之數量相當於飛輪30之磁極數。飛輪30所包括之每個磁極之磁極面相當於與內定子40對向之永久磁鐵部37之磁極面。永久磁鐵部37之磁極面係由設置於永久磁鐵部37與內定子40之間之非磁性物質(未圖示)覆蓋。於永久磁鐵部37與內定子40之間未設置有磁性物質。作為非磁性物質，並無特別限定，例如可列舉不鏽鋼鋼材。於本實施形態中，永久磁鐵部37為鐵氧體磁鐵。然而，於本發明中，作為永久磁鐵部，可採用釹系黏結磁 鐵、釤鈷(samarium-cobalt)磁鐵、釹磁鐵等先前公知之磁鐵。永久磁鐵部37之形狀並無特別限定。再者，飛輪30亦可為將永久磁鐵部37嵌入至磁性材料而成之嵌入磁鐵型(IPM(Interior permanent Magnet)型)，但較佳為如本實施形態般為永久磁鐵部37自磁性材料露出之表面磁鐵型(SPM(Surface Permanent Magnet)型)(參照圖3及圖8)。又，飛輪30亦可為嵌入(inset)型。嵌入型之飛輪30係永久磁鐵部37之磁極面(永久磁鐵部37之與內定子40對向之對向面)之至少一部分自磁性材料露出，且於沿周向排列之永久磁鐵部37之間設置有磁性材料。
於飛輪本體部31之背軛部34，形成有切口部38。切口部38係形成於背軛部34之曲軸箱1側之端部。切口部38係如下所述，用於檢測飛輪30之絕對之旋轉位置。永久磁鐵部37之一部分經由切口部38露出於直徑方向外部。換言之，於起動馬達SG之直徑方向上設置於切口部38之內側之永久磁鐵部37之磁通係通過切口部38流向直徑方向外側。因此，飛輪本體部31之背軛部34係於背軛部34之周向之一部位包括磁場之狀態不同之部位。
以如上方式安裝於曲軸5且以與曲軸5一併旋轉之方式安裝之飛輪30係用以增加曲軸5之慣量之旋轉體。又，於構成飛輪30之底壁部33之外周面(圖2及圖3中之右側面)，設置有包括複數片葉片部Fa之冷卻風扇F。冷卻風扇F係由固定件(複數個螺栓Fb)固定於底壁部33之外周面。
內定子40係包括定子鐵心ST及繞組W。定子鐵心ST係例如藉由將薄板狀之矽鋼板沿軸方向積層而形成。定子鐵心ST係於定子鐵心ST之中心部包括內徑較飛輪30之筒狀輪轂部32之外徑大之孔部41。又，定子鐵心ST包括朝向直徑方向外側一體地延伸之複數個齒部43(參照圖8)。於本實施形態中，合計12個齒部43於周向隔開間隔而設置。換言之，定子鐵心ST包括於周向隔開間隔而形成之合計12個 槽SL。
如圖8所示，各齒部43包括主體部43a、及於主體部43a之前端朝向周向兩側延伸之一對側方突出部43b。主體部43a之與飛輪30對向之部分、及側方突出部43b之與飛輪30對向之部分係與飛輪30對向之齒部43之部分。換言之，齒部43包括與飛輪30對向之端部。又，相鄰之齒部43之側方突出部43b之間之距離相當於相鄰之齒部43之端部間之距離。於各齒部43之主體部43a之周圍捲繞有繞組W。繞組W屬於U相、V相、W相之任一者。繞組W係例如以按U相、V相、W相之順序排列之方式配置。
如圖3所示，於內定子40，在起動馬達SG之直徑方向之中央部分形成有孔部41。於孔部41內，曲軸5及飛輪30之筒狀輪轂部32自孔部41之壁面(內定子40)隔開間隔地配置。於該狀態下，將內定子40安裝於4行程引擎本體E之曲軸箱1。內定子40之齒部43之端部(前端面)係自構成飛輪30之永久磁鐵部37之磁極面(內周面)隔開間隔g地配置(參照圖8)。於該狀態下，4行程引擎本體E之曲軸5與飛輪30一體地旋轉。
如上所述，於本實施形態之起動馬達SG中，飛輪30之磁極數P為16，槽SL之數量為12。飛輪30之磁極數P與槽SL之數量之比為4：3。即，飛輪30包括較槽SL之數量之2/3多之磁極。作為滿足該關係之飛輪30之磁極數與槽SL之數量之比，例如可列舉10：12、8：9、4：3等。飛輪30之磁極數與槽SL之數量之比並不限定於該例。作為飛輪30之磁極數P相對槽SL之數量之比的上限值，並無特別限定，例如為4/3。飛輪30較佳為包括槽SL之數量之8/9以上之磁極。飛輪30更佳為包括較槽SL之數量之8/9多之磁極。飛輪30更佳為包括槽SL之數量以上之磁極。飛輪30更佳為包括多於槽SL之數量之磁極。進而較佳為飛輪30包括槽SL之數量之4/3之磁極。磁極數為2之倍數，故而容易交替地 配置N極與S極。又，槽數為3之倍數，故而容易藉由3相之電流進行控制。又，起動馬達SG之周向上之永久磁鐵部37之磁極之寬度大於齒部43之端部之寬度之一半，故而容易確保交鏈磁通。又，不易產生旋轉時之偏心。進而，可藉由增加磁極數P，而利用ω之增大確保高速旋轉時之阻抗較大。又，於磁極數P與槽SL之數量之比為4：3之情形時，磁極數P可為16且槽SL之數量可為12。
再者，於飛輪30包括槽SL之數量之4/3之磁極之情形時，飛輪30之磁極數P與槽SL之數量之比無需嚴格地為4：3。例如存在為了將控制基板安裝於內定子40，而不形成內定子40之槽SL之一部分之情形。於此情形時，一部分之槽SL間之距離與其他槽SL間之距離不同，故而於原本應設置槽SL之位置未設置槽SL。於此情形時，亦可設為於原本應設置槽SL之位置設置有槽SL，而決定槽SL之數量。對於飛輪30之磁極數亦情況相同。即，於進行如磁極數與槽數之關係滿足4：3之關係之4：3系列的磁極及槽之配置之情形時，可認為飛輪30實質上包括槽SL之數量之4/3之磁極。換言之，可認為起動馬達SG具有4：3系列之旋轉電機之構成作為基本構成。上述情況對於起動馬達SG具有除4：3以外之比之情形亦情況相同。
引擎單元EU係包括控制器(未圖示)。起動馬達SG係例如與控制器連接。控制器相當於本發明中之控制裝置。再者，於本實施形態中，控制器(控制裝置)係設置於4行程引擎本體E。但，控制器亦可設置於與4行程引擎本體E物理性分離之位置，且藉由纜線等而與4行程引擎本體E連接。又，控制器亦可具有驅動器功能。亦可經由驅動器將控制器與起動馬達SG連接。關於控制器及驅動器，因可採用先前公知之構成，故而省略此處之說明。
控制器係控制流向內定子40之各繞組W之電流。即，控制器係於4行程引擎本體E之起動時，使供給至U相、V相、W相之各相繞組中 之電流變化(例如增減)。電流變化之態樣並無特別限定。例如亦可藉由對各相之繞組供給相位不同之正弦波電流，而使流向各相繞組之供給電流變化。又，亦可藉由對各相之繞組供給相位不同之矩形波電流，而使流向各相繞組之供給電流變化(所謂120°通電)。藉此，飛輪30於引擎起動時克服高負載區域TH(例如第一次壓縮衝程C1、第二次壓縮衝程C2)而旋轉。若飛輪30進行旋轉，則固定於飛輪30之曲軸5進行旋轉。藉由曲軸5之旋轉，活塞3經由連桿4而往復移動。其後，藉由4行程引擎本體E之燃燒開始，4行程引擎本體E起動。
於4行程引擎本體E起動之後，4行程引擎本體E之活塞3之往復移動經由連桿4傳遞至曲軸5，從而曲軸5進行旋轉。因此，固定於曲軸5之飛輪30隨著曲軸5之旋轉而旋轉。藉此，飛輪30之永久磁鐵部37在內定子40之外周旋轉。因此，藉由永久磁鐵部37之磁通，而於包括捲繞於內定子40之齒部43之繞組W之各繞組中產生感應電動勢。因此，至少於4行程引擎本體E之起動後，起動馬達SG作為發電機發揮功能。
又，起動馬達SG係包括具備複數個磁感測器之磁感測器單元(未圖示)。磁感測器單元係檢測飛輪30之旋轉位置。控制器係基於由磁感測器單元檢測之飛輪30之旋轉位置，控制起動馬達SG。又，起動馬達SG係以基於飛輪30之旋轉位置而決定之時序，開始4行程引擎本體E之燃燒。
於4行程引擎本體E之起動時，控制器使供給至U相、V相、W相之各相繞組中之電流變化(例如增減)。藉此，飛輪30克服高負載區域TH(例如第一次壓縮衝程C1、第二次壓縮衝程C2)而旋轉。對繞組W之通電可為連續之通電，亦可為間斷之通電。更具體而言，對繞組W之通電係例如利用正弦波電流或矩形波電流等(參照圖10(a)、(c))而進行，但此種正弦波電流或矩形波電流等之通電自引擎起動開始時既可 連續地進行，亦可間斷地進行。再者，此處所提及之間斷及連續並非意指正弦波及矩形波等之波形內之電流之間斷及連續。
對繞組W之通電較佳為於飛輪30旋轉至少3行程之前進行。對繞組W之通電亦較佳為於飛輪30克服至少包含第一次壓縮衝程C1之高負載區域TH之前進行。對繞組W之通電亦較佳為於飛輪30克服至少包含第一次壓縮衝程C1之高負載區域TH、及包含第二次壓縮衝程C2之高負載區域TH之前進行。對繞組W之通電亦較佳為於引擎燃燒開始時之前進行。於4行程引擎本體E之燃燒開始前增加曲軸5之慣量。藉此，曲軸5於引擎起動時克服高負載區域進行旋轉。
於本實施形態中，控制器係以於飛輪30使曲軸5旋轉時，供給至內定子40之繞組W中之電流之相位相對於藉由飛輪30所包括之永久磁鐵部37而於繞組W中產生之感應電壓之相位超前之方式，對繞組W供給電流。於起動馬達SG，飛輪30包括較槽之數量之2/3多之磁極，且角速度ω較大。因此，一面藉由與較大之角速度ω之組合而確保抑制感應電壓之電壓成分(ωLId)，一面藉由較少之d軸電流而獲得超前角之效果。因此，起動馬達SG可高效率地進行高速旋轉。再者，作為超前角控制之方法，並無特別限定，可採用先前公知之方法。控制器較佳為於飛輪30使曲軸5旋轉時進行超前角控制。換言之，控制器較佳為於動力行駛時進行超前角控制。又，控制器較佳為於以至少4行程引擎本體E之燃燒開始時之轉速以上之轉速使起動馬達SG旋轉時進行超前角控制。於此情形時，控制器無需於起動馬達SG之轉速為引擎燃燒開始時之轉速以上時始終進行超前角控制。即，於起動馬達SG之轉速為引擎燃燒開始時之轉速以上之時間內，亦可包含進行超前角控制之時間帶、及不進行超前角控制之時間帶。
又，控制器亦較佳為於以至少機車(未圖示)之空轉時之轉速以上之轉速使起動馬達SG旋轉時進行超前角控制。於此情形時，控制器 無需於起動馬達SG之轉速為機車之空轉時之轉速以上時始終進行超前角控制。即，於起動馬達SG之轉速為空轉時之轉速以上之時間內亦可包括進行超前角控制之時間帶、及不進行超前角控制之時間帶。藉此，起動馬達SG可於利用4行程引擎本體E進行驅動輪之驅動時，將起動馬達SG之驅動力傳遞至驅動輪。
上述起動馬達SG可一面抑制飛輪30隨著曲軸5之旋轉而旋轉時之發熱量，一面於引擎起動時藉由馬達自身之性能而輸出較大之旋轉轉矩。
繼而，使用圖4(a)、(b)及5(a)、(b)，對實施例之起動馬達SG之特性進行說明。
圖4(a)係關於本發明之一實施例及一比較例，模式性表示起動馬達之驅動特性之說明圖。圖4(b)係模式性表示發電特性之說明圖。圖5(a)係關於本發明之另一實施例及另一比較例，模式性表示起動馬達之驅動特性之說明圖。圖5(b)係模式性表示發電特性之說明圖。圖中，橫軸表示曲軸5之轉數。再者，橫軸之每一刻度之轉數於驅動特性之圖(圖4(a)及圖5(a))與發電特性之圖(圖4(b)及圖5(b))中不同。發電特性之圖中之每一刻度之轉數多於驅動特性之圖中之每一刻度之轉數。縱軸係於正方向表示輸出轉矩，且於負方向表示發電電流。實線表示實施例之起動馬達之特性。虛線表示比較例之起動馬達之特性。
於圖4(a)、(b)中，本發明之起動馬達係優先地設計轉矩提昇及發電電流抑制中之轉矩提昇。於本發明中，可藉由例如確保齒部43之端部間之間隔d(參照圖8)相對較寬，而優先提昇轉矩。本發明之起動馬達(實線)可於引擎起動時輸出大於比較例之起動馬達(虛線)之轉矩(圖4(a))，且可於高速旋轉時將發電電流抑制為與比較例之起動馬達(虛線)相同程度(圖4(b))。
於圖5(a)、(b)中，本發明之起動馬達係優先地設計轉矩提昇及發 電電流抑制中之發電電流抑制。具體而言，於圖5(a)、(b)所示之例中，將齒部43之端部間之間隔d(參照圖8)設定為窄於圖4(a)、(b)所示之例。本發明之起動馬達(實線)可於引擎起動時(尤其第一次及第二次壓縮衝程)，輸出與比較例之起動馬達(虛線)相同程度之轉矩(圖5(a))，且可於高速旋轉時，與比較例之起動馬達(虛線)相比更抑制發電電流(圖5(b))。
如上所述，起動馬達係於引擎起動時之輸出轉矩之提昇與引擎起動後之發電電流之抑制之間存在取捨之關係。因此，若使轉矩提昇及發電電流抑制中之一者優先，則另一者之特性下降。但，於本發明中，即便優先提昇轉矩，亦可如圖4(a)及(b)所示，獲得充分之發電電流抑制之特性。另一方面，即便優先抑制發電電流，亦可如圖5(a)及(b)所示，於引擎起動時獲得充分之轉矩。如此一來，本發明之起動馬達可藉由起動馬達自身之特性而打破上述之取捨之關係，同時地實現引擎起動時之輸出轉矩之提昇、及引擎起動後之發電電流之抑制。
於起動馬達SG中，如上所述，將繞組W捲繞於齒部43。繞組W係以通過槽SL之方式設置。繞組W之捲繞方法可為集中捲繞，亦可為分佈捲繞，並無特別限定，但較佳為集中捲繞。又，作為繞組W之構成，例如可列舉以下所示之態樣。
圖6(a)~(c)之各者係模式性表示繞組W之連接例之圖。
圖6(a)係表示星形接線(star connection)(Y接線)。若將各相之直流電阻設為r，則相間電阻R為R=r+r=2r。圖6(b)係表示將圖6(a)所示之各相之繞組分為2根，且使2根繞組並聯連接而成的並聯接線。相間電阻R成為R=r/2+r/2=r。圖6(c)係表示將圖6(a)所示之各相之繞組分為3根，且使3根繞組並聯連接而成之並聯接線。相間電阻R成為R=r/3+r/3=2r/3。
於本發明中，可採用圖6(a)~圖6(c)之任一者。但，於本發明 中，構成各相之繞組較佳為包括將複數根繞組並聯連接而成之並聯接線。以下對其理由進行說明。
進行與上述(I)式有關之研究，最終，本發明者發現：於低速旋轉區域中，阻抗中之直流電阻R之下降相對較大地有助於轉矩提昇。因此，如上所述地將ωL設定為較大且將直流電阻R設定為較小，藉此可更有效地確保引擎起動時之輸出轉矩較大。如圖6(b)、(c)所示，構成各相之繞組包括將複數個繞組並聯連接而成之並聯接線，藉此，直流電阻R變小。因此，可更有效地確保引擎起動時之輸出轉矩較大。再者，將繞組並聯連接之根數並不限定於2根、3根，亦可為4根以上。又，於各相之繞組中亦可混合有並聯連接及串聯連接。例如亦可於各相之繞組包含複數個藉由將複數個繞組並聯連接而構成之繞組之組，且將複數個繞組之組串聯連接。又，繞組W之連接例並不限定於圖6(a)~(c)所示之例，例如亦可為圖7(a)~(c)所示之連接例。
圖7(a)~(c)之各者係模式性表示繞組之連接例之圖。
圖7(a)係表示三角形接線(delta connection)(△接線)。圖7(b)係表示將圖7(a)所示之各相之繞組分為2根，且使2個繞組並聯連接而成之並聯接線。圖7(c)係表示將圖7(a)所示之各相之繞組分為3根，且使3根繞組並聯連接而成之並聯接線。於採用三角形接線之情形時，構成各相之繞組亦可藉由包括將複數個繞組並聯連接而成之並聯接線，而減小直流電阻R。再者，繞組並聯連接之根數並不限定於2根、3根，亦可為4根以上。
又，於本發明中，可適宜地採用星形接線及三角形接線之任一者，但更佳為星形接線。其原因在於：即便因內定子40與飛輪30之相對位置關係或永久磁鐵之磁極之強度之差等主要原因而導致各相之感應電壓存在差異，亦更不易產生循環電流。因此，根據星形接線，更不易產生發電損耗，從而可更有效地抑制效率低下。再者，於本發明 中，將阻抗中之直流電阻R設定為較小之方法並不限定於上述並聯接線。例如亦可採用剖面之最小寬度較大之繞組。繞組W係以通過槽SL之方式設置，故而可於通過槽SL之範圍內增大繞組W之剖面之最小寬度。
通常之電動機係就輸出提昇之觀點而言，較佳為以通過槽之方式設置之繞組之匝數(圈數)較多，且槽內之繞組之槽滿率(space factor)較高。又，即便通常之發電機，就發電效率之觀點而言，亦較佳為以通過槽之方式設置之繞組之匝數較多，槽內之繞組之槽滿率較高。因此，通常之電動機及發電機係將繞組之剖面之最小寬度(mm)相對齒部之端部間之間隔d(mm)之比設定為較小。
另一方面，於本實施形態之引擎單元EU中，飛輪30於起動馬達SG之直徑方向上之永久磁鐵部37之內周面具有沿起動馬達SG之周向排列且較槽SL之數量之2/3多之磁極面。起動馬達SG係於內定子40之直徑方向外側包括較多之磁極面。於該引擎單元EU中，可藉由相對於齒部之端部間之間隔d(mm)增大繞組之剖面之最小寬度(mm)，而確保轉速較低之引擎起動時之輸出轉矩更大。再者，若相對於齒部之端部間之間隔d(mm)增大繞組之剖面之最小寬度，則直流電阻R變小，故而擔憂起動馬達SG作為發電機發揮功能之情形時之發電電流之增大。但，藉由角速度ω之增大而確保高速旋轉時之阻抗，故而可抑制發電電流之增大。因此，可同時實現輸出轉矩之增大及發電電流之抑制。
具體而言，繞組W之剖面之最小寬度(mm)相對齒部43之端部間之間隔d(mm)之比較佳為0.2以上，更佳為0.25，進而較佳為0.3以上，尤佳為1/3以上。再者，於繞組W之剖面形狀為正圓之情形時，繞組W之直徑相當於繞組W之剖面之最小寬度。又，於繞組W之剖面形狀為楕圓之情形時，繞組W之短徑相當於繞組W之剖面之最小寬度。又， 於繞組W為矩形線(rectangular wire)繞組之情形時，繞組W之剖面之矩形中之短邊之長度相當於繞組W之剖面之最小寬度。再者，亦可藉由利用直流電阻較小之材料構成繞組，而減小阻抗中之直流電阻R。
圖8係模式性表示圖2所示之起動馬達之飛輪30及內定子40之放大剖面圖。
飛輪30係包括背軛部34、及以於背軛部34之內周面沿周向排列之方式設置之複數個永久磁鐵部37。起動馬達SG之周向上之各永久磁鐵部37之截面積於起動馬達SG之直徑方向內側與外側大致相同。起動馬達SG之周向上之各永久磁鐵部37之截面積並非隨著接近起動馬達SG之直徑方向外側而變大。但，本發明並不限定於該例，起動馬達SG之周向上之各永久磁鐵部37之截面積亦可隨著接近起動馬達SG之直徑方向外側而變大。又，內定子40包括定子鐵心ST及繞組W。定子鐵心ST包括於周向隔開間隔地設置之複數個齒部43。各齒部43包括主體部43a、及於主體部43a之前端延伸至周向兩側之一對側方突出部43b。於各齒部43之間形成有槽SL。於各齒部43之主體部43a之周圍捲繞有繞組W。
間隔g係起動馬達SG之直徑方向上之飛輪30與內定子40之間隔。間隔g相當於起動馬達SG之直徑方向上之永久磁鐵部37之磁極面與齒部43之端部之間隔。永久磁鐵部37之內周面係於起動馬達SG之旋轉軸線方向觀察，具有膨脹至起動馬達SG之直徑方向外側之圓弧形狀。定子鐵心ST之外周面係於起動馬達SG之旋轉軸線方向觀察，具有膨脹至起動馬達SG之直徑方向外側之圓弧形狀。永久磁鐵部37之內周面(磁極面)係介隔間隔g而與定子鐵心ST之外周面對向。再者，永久磁鐵部37之內周面係如上所述地由非磁性物質(未圖示)覆蓋，但亦可於間隔g露出。於間隔g未設置有磁性物質。永久磁鐵部37之內周面未由磁性物質覆蓋。間隔g並無特別限定，例如約為1mm。間隔d 係表示起動馬達SG之周向上相鄰之齒部43之端部間之間隔。D2係表示起動馬達SG之直徑方向上之繞組W與背軛部34之距離。L37係表示起動馬達SG之周向上之永久磁鐵部37之磁極面之寬度。L43係表示起動馬達SG中之齒部43之端部之寬度。
飛輪30係於引擎起動時，在較槽SL之數量之2/3多之磁極面與定子鐵心ST之外周面對向之狀態下，於起動馬達SG之直徑方向上之內定子40之外側以起動馬達SG之旋轉軸線為中心進行旋轉。伴隨飛輪30之旋轉，較槽SL之數量之2/3多之磁極面於定子鐵心ST之外周面上通過。藉此，飛輪30使曲軸5旋轉。
永久磁鐵部37之外周面係於起動馬達SG之旋轉軸線方向觀察，具有膨脹至起動馬達SG之直徑方向外側之圓弧形狀。背軛部34之內周面係於起動馬達SG之旋轉軸線方向觀察，具有膨脹至起動馬達SG之直徑方向外側之圓弧形狀。永久磁鐵部37之外周面與背軛部34之內周面接觸。具體而言，永久磁鐵部37之外周面之周向之至少中央部分與背軛部34之內周面接觸。
於本實施形態之起動馬達SG，起動馬達SG之周向上相鄰之齒部43之端部間之間隔d為起動馬達SG之直徑方向上之繞組W與背軛部34之距離D2以下。又，間隔d係以齒部43之端部之寬度L43成為永久磁鐵部37之磁極面之寬度L37以下之方式設定。藉此，可更容易確保齒部43之交鏈磁通，從而可更高效率地獲得輸出轉矩。
繼而，使用圖9，對齒部43之端部間之間隔d進行說明。
圖9(a)係模式性表示齒部43之端部間之間隔d與轉矩及電感之關係之說明圖。圖9(b)係模式性表示齒部43之端部間之間隔d與齒部43之漏磁通及繞組W之交鏈磁通之關係之說明圖。圖9(c)及(d)係模式性表示齒部43之漏磁通之說明圖。圖9(e)及(f)係模式性表示繞組W之交鏈磁通之說明圖。再者，於圖9(c)及(d)中表示飛輪30(永久磁鐵部37) 之磁通。於圖9(e)及(f)中表示內定子40(繞組W)之磁通。
如圖9(a)所示，若齒部43之端部間之間隔d變小，則電感L變大。先前，認為可藉由縮小齒部43之端部間之間隔d，而利用繞組W中產生之磁通，確保轉矩較大。然而，如上所述，本發明者發現，若為了增大電感L而縮小齒部43之端部間之間隔d，則如圖9(b)所示，洩漏至齒部43之端部間之磁通增大，與繞組W交鏈之磁通減小。若齒部43之端部間之間隔d變小，則間隔d之磁阻變小。因此，藉由繞組W而產生之磁通之一部分通過間隔d而流向相鄰之齒部43。如此流向相鄰之齒部43之磁通無助於轉矩之產生。自齒部43之端部間之間隔d較小之狀態起，隨著增大間隔d，如圖9(b)所示，齒部43之漏磁通減少。
圖9(c)係表示間隔d相對較大之情形時之齒部43之漏磁通之一例。圖9(d)係表示間隔d相對較小之情形時之齒部43之漏磁通之一例。於圖9(c)中，幾乎未產生漏磁通。圖9(d)中產生之漏磁通多於圖9(c)中之漏磁通。
然而，若間隔d變大，則如圖9(b)所示，相對於間隔d之增加量，齒部43之漏磁通之減少量變小。即，若間隔d某種程度地變大，則即便該增加量以上地增大間隔d，亦難以減少漏磁通。該傾向係起因於齒部43之端部間之間隔d與距離D2之關係。於間隔d為繞組W與背軛部34之距離D2以下之情形時，隨著間隔d之增大，齒部43中之漏磁通減少。然而，於間隔d超過距離D2之情形時，相對於間隔d之增加量，齒部43之漏磁通之減少量變小。因此，如圖9(b)所示，相對於間隔d之增加量，齒部43之交鏈磁通之增加量亦變小。
進而，若增大間隔d，則如圖9(b)所示，齒部43之交鏈磁通減少。該傾向係起因於起動馬達SG之周向上之齒部43之端部之寬度與飛輪30所包括之每個磁極之磁極面之寬度(永久磁鐵部37之寬度)之關係。若增大間隔d後之結果，齒部43之端部之寬度變得小於磁極面之 寬度，則隨著齒部43與磁極面所對向之面積之減少，而變得難以高效率地獲得齒部43之交鏈磁通。
基於以上情況，間隔d較佳為以齒部43之端部之寬度L43成為永久磁鐵部37之磁極面之寬度L37以下之方式設定。又，間隔d較佳為距離D2以下。於此情形時，飛輪30更佳為包括槽SL之數量以上之磁極。飛輪30更佳為包括較槽SL之數量多之磁極。飛輪30進而較佳為包括槽SL之數量之4/3以上之磁極。飛輪30尤佳為包括槽SL之數量之4/3之磁極。
又，間隔d較佳為永久磁鐵部37之磁極面之寬度L37以下，且較佳為小於永久磁鐵部37之磁極面之寬度L37。間隔d較佳為間隔g之10倍以下。又，間隔d較佳為間隔g之3倍以上，更佳為間隔g之4倍以上，進而較佳為間隔g之5倍以上、尤佳為間隔g之7倍以上。具體而言，間隔d較佳為10mm以下。又，間隔d較佳為3mm以上，更佳為4mm以上，進而較佳為5mm以上，尤佳為7mm以上。
再者，如圖9(a)所示，若間隔d變大，則電感L變小。然而，於起動馬達SG中，飛輪30之磁極數多於內定子40之槽SL之數量之2/3，且ω較大，故而可確保ωL之值。即便因增大間隔d而導致電感L之值變小，亦可不使發電電流較大增加地更進一步提昇起動時之轉矩。
繼而，使用圖10(a)~(d)，說明供給至繞組中之電流之頻率與因該電流而產生之轉矩之關係。
首先，使用圖10(a)~(b)，說明對繞組供給正弦波電流之情形。
圖10(a)係模式性表示於本發明之一實施形態之引擎單元，當引擎起動時供給至U相、V相、W相之繞組中之相對較高頻率之正弦波電流與轉矩之關係之說明圖。圖10(b)係模式性表示於比較例之引擎單元中，當引擎起動時供給至U相、V相、W相之繞組中之相對較低頻率之正弦波電流與轉矩之關係之說明圖。
引擎單元EU之控制器係使供給至複數相(U相、V相、W相之3相)之各相繞組W中之電流變化。具體而言，控制器係以供給至各相之繞組W中之電流之相位互不相同之方式，使供給至各相之繞組中之電流之大小變化。再者，供給至各相繞組中之電流之相位之差係以電角度計為(360/相數)(°)。
於圖10(a)所示之實施例之引擎單元EU中，飛輪30包括較槽數之2/3多之磁極面。例如磁極面數為槽數之4/3。另一方面，於圖10(b)所示之比較例之引擎單元中，飛輪包括槽數之2/3以下之磁極面。例如，磁極面數為槽數之2/3。即，圖10(a)之實施例之磁極數多於圖10(b)之比較例之磁極數。因此，圖10(a)之實施例係與圖10(b)之比較例相比，供給至各相之繞組中之電流之大小變化之週期變短。因此，如圖10(a)、(b)所示，圖10(a)之實施例與圖10(b)之比較例相比，供給至各相之繞組中之電流之頻率較高。
一般而言，因供給至各相之繞組中之電流之大小之變化，起動馬達SG之輸出轉矩進行變動。電流之大小變化造成之起動馬達之輸出轉矩之變動於起動馬達之轉速較高時較小。另一方面，於起動馬達SG之轉速較低時(例如第一次壓縮衝程C1、第二次壓縮衝程C2)，如圖10(a)、(b)所示，電流之大小變化造成之起動馬達SG之輸出轉矩之變動變大。
於圖10(a)所示之實施例中，供給至各相之繞組W中之正弦波電流之頻率較高，故而，產生峰值之轉矩SH1起至產生下一峰值之轉矩SH2為止之期間SHE較短。換言之，引擎起動時之轉矩(轉矩SH1、SH2、…)之連續性較高。因此，於期間SHE不易產生曲軸5朝向正轉方向之旋轉之減速。而且，對轉矩SH1下之曲軸5之正轉方向之力高效率地施加轉矩SH2下之曲軸5之正轉方向之力。其結果，於引擎起動時，曲軸5順利地克服高負載區域TH(圖1(b))而旋轉。
另一方面，於圖10(b)所示之比較例中，供給至各相之繞組之正弦波電流之頻率較低，故而，產生峰值之轉矩SL1起至產生下一峰值之轉矩SL2為止之期間SLE較長。因此，於期間SLE中容易產生曲軸朝向正轉方向之旋轉之減速。而且，未對轉矩SL1下之曲軸之正轉方向之力高效率地施加轉矩SL2下之曲軸之正轉方向之力，從而曲軸之正轉容易變得間斷。其結果，曲軸難以順利地克服高負載區域進行旋轉。
圖10(a)所示之實施例之輸出轉矩之平均值係與圖10(b)所示之比較例之輸出轉矩之平均值大致相同。然而，如上所述，圖10(a)所示之實施例與圖10(b)所示之比較例相比，引擎起動時之轉矩之連續性較高，故而曲軸5順利地克服高負載區域TH而旋轉。
圖10(a)、(b)係列舉使用正弦波電流之情形為例，但本發明並不限定於該例。例如即便於使用矩形波電流之情形時，亦存在與使用正弦波電流之情形相同之傾向。
繼而，使用圖10(c)~(d)，說明對繞組供給矩形波電流之情形。
圖10(c)係模式性表示於本發明之另一實施形態之引擎單元中，當引擎起動時供給至U相、V相、W相之繞組中之相對較高頻率的矩形波電流與轉矩之關係之說明圖。圖10(d)係模式性表示於比較例之引擎單元中，當引擎起動時供給至U相、V相、W相之繞組中之相對較低頻率的矩形波電流與轉矩之關係之說明圖。
於圖10(c)所示之實施例中，供給至各相之繞組W中之矩形波電流之頻率較高，故而，產生峰值之轉矩RH1起至產生下一峰值之轉矩RH2為止之期間RHE較短。另一方面，於圖10(d)所示之實施例中，供給至各相之繞組中之矩形狀電流之頻率較低，故而，產生峰值之轉矩RL1起至產生下一峰值之轉矩RL2為止之期間RLE較長。圖10(c)、(d)中之輸出轉矩之平均值係大致相同，但圖10(c)所示之實施例與圖 10(d)所示之比較例相比，引擎起動時之轉矩之連續性較高，故而，曲軸5可順利地克服高負載區域進行旋轉。
以上，於本實施形態之引擎單元EU中，飛輪30包括較槽SL之數量(12個)之2/3多的磁極面(16個磁極面)，由於磁極數較多，故而磁導係數變大，磁通密度變高。又，磁鐵之磁極面之面積變小，從而實現未成為交鏈磁通之定子鐵心間之漏磁通之減少。因此，可抑制定子鐵心ST間之漏磁通之增大。又，由於磁極數較多，故而角速度ω變大。藉此，供給至各相之繞組W中之電流之頻率變高，引擎起動時之轉矩之連續性提昇，從而抑制高負載區域TH中之負載之影響。如此一來，本實施形態之引擎單元EU可藉由起動馬達SG自身之性能，而於4行程引擎本體E之起動時，輸出4行程引擎本體E之起動所需之轉矩。引擎單元EU適於搭載於車輛，並且起動性優異。引擎單元EU之構成可應用於多個種類之引擎(車輛)，且具有較高之通用性。可藉由使引擎單元EU與反沖功能及/或減壓功能組合，而進一步提昇引擎起動性及車輛搭載性。
又，於本實施形態中，對起動馬達SG亦作為發電機發揮功能之情形進行了說明，但於本發明中，起動馬達SG並非必須兼用作發電機。例如起動馬達SG亦可為引擎起動專用之裝置。
進而，於本實施形態中，對4行程引擎本體E為單汽缸引擎之情形進行了說明。然而，本發明之引擎只要為包括高負載區域及低負載區域之引擎，則並無特別限定。即，亦可為多汽缸引擎。作為多汽缸引擎，例如可列舉串聯單汽缸、並聯雙汽缸、串聯雙汽缸、V型雙汽缸、水平對向雙汽缸等之引擎。多汽缸引擎之汽缸數並無特別限定，多汽缸引擎例如亦可為四汽缸引擎。但，於四汽缸引擎中，亦存在等間隔地產生各汽缸之壓縮衝程之類的四汽缸引擎(進行等間隔爆炸之四汽缸引擎)般不包括低負載區域之引擎。如此不包括低負載區域之 引擎不屬於本發明之引擎。
本發明並不限定於上述之例，例如可採用下述(A)~(B)之構成。作為下述(A)~(B)之實施形態，可列舉上述之實施形態。
(A)一種引擎單元，其係搭載於車輛，且上述引擎單元包括：4行程引擎本體，其於4行程之間包括使曲軸旋轉之負載較大且包含壓縮衝程之高負載區域、及使上述曲軸旋轉之負載較小且不包含壓縮衝程之低負載區域；起動馬達，其包括內定子及飛輪，上述內定子係包括周向上隔開間隔地形成有複數個槽之定子鐵心、及以通過上述槽之方式設置之複數相之繞組，上述飛輪係包括設置於直徑方向上之上述內定子之外側之永久磁鐵部、及設置於直徑方向上之上述永久磁鐵部之外側之背軛部，且與上述曲軸之旋轉連動地旋轉；及控制裝置，其係與上述內定子之上述複數相之繞組連接，且自上述車輛所配備之電池對上述複數相之繞組供給電流；上述定子鐵心包括設置於上述複數個槽之間之複數個齒部，各上述齒部包括與上述永久磁鐵部之上述磁極面對向之端部，上述周向上相鄰之上述端部間之距離係以上述周向上之上述齒部之上述端部之寬度成為1個上述磁極面之寬度以下之方式設定，上述飛輪係於上述起動馬達之直徑方向上之上述永久磁鐵部之內周面具有沿上述起動馬達之周向排列且較上述槽之數量之2/3多的磁極面，且至少於上述4行程引擎本體之起動時，上述控制裝置使供給至各相之繞組中之電流變化，藉此，克服上述高負載區域進行旋轉；上述飛輪係至少於上述4行程引擎本體之起動後，在較上述槽之數量之2/3多之磁極面相較上述內定子位於直徑方向外側之狀態下， 伴隨上述曲軸之旋轉而旋轉，藉此，上述起動馬達作為發電機發揮功能。
根據(A)之構成，飛輪所包括之磁極面數多於槽之數量之2/3，角速度ω較大。又，以端部之寬度成為1個磁極面之寬度以下之方式，設定周向上相鄰之端部間之距離，且端部間之距離相對較寬，故而漏磁通減少，電感L較小。由於電感L較小，故可確保引擎起動時之輸出轉矩較大。又，即便電感L較小，亦因角速度ω較大，而可確保ωL之值相對較大。因此，根據(A)之構成，能以較高之位準同時實現引擎起動時之輸出轉矩之提昇、及引擎起動後之發電電流之抑制。其結果，能以較高之位準同時實現車輛搭載性及引擎起動性。
(B)一種引擎單元，其係搭載於車輛，且上述引擎單元包括：4行程引擎本體，其於4行程之間包括使曲軸旋轉之負載較大且包含壓縮衝程之高負載區域、及使上述曲軸旋轉之負載較小且不包含壓縮衝程之低負載區域；起動馬達，其包括內定子及飛輪，上述內定子係包括周向上隔開間隔地形成有複數個槽之定子鐵心、及以通過上述槽之方式設置之複數相之繞組，上述飛輪係包括設置於直徑方向上之上述內定子之外側之永久磁鐵部、及設置於直徑方向上之上述永久磁鐵部之外側之背軛部，且與上述曲軸之旋轉連動地旋轉；及控制裝置，其係與上述內定子之上述複數相之繞組連接，且自上述車輛所配備之電池對上述複數相之繞組供給電流；上述各相之繞組係包括並聯連接之複數個繞組，上述飛輪係於上述起動馬達之直徑方向上之上述永久磁鐵部之內周面具有沿上述起動馬達之周向排列且較上述槽之數量之2/3多的磁極面，且至少於上述4行程引擎本體之起動時，在較上述槽之數量 之2/3多之磁極面相較具有各相並聯連接之複數個繞組的上述內定子位於直徑方向外側之狀態下，上述控制裝置使供給至各相之複數個繞組中之電流變化，藉此，克服上述高負載區域進行旋轉，上述飛輪係於上述4行程引擎本體之起動後，在較上述槽之數量之2/3多之磁極面相較上述內定子位於直徑方向外側之狀態下，隨著上述曲軸之旋轉而旋轉，藉此，上述起動馬達作為發電機發揮功能。
根據(B)之構成，飛輪所包括之磁極面數多於槽之數量之2/3，且角速度ω較大。又，各相之繞組包括並聯連接之複數個繞組，故而，起動馬達之阻抗中之直流電阻R較小。如上所述，於低速旋轉區域中，阻抗中之直流電阻R之低下相對較大地有助於轉矩提昇。又，於高速旋轉區域中，阻抗中之ωL相對較大地有助於發電電流抑制。因此，根據(B)之構成，能以較高之位準同時實現引擎起動時之輸出轉矩之提昇、及引擎起動後之發電電流之抑制。其結果，能以較高之位準同時實現車輛搭載性及引擎起動性。
再者，上述本實施形態中之引擎單元EU具有上述構成(2)及(4)之全部構成，但本發明並不限定於該例。即，本發明之引擎單元亦可不具有上述構成(2)及(4)之構成之全部。即便於該情形時，本發明之引擎單元亦可提昇引擎起動性及車輛搭載性之兩者。又，本發明之引擎單元較佳為如上述構成(A)及(B)所示，具有上述構成(2)及(4)中之任一構成。又，本發明之引擎單元進而較佳為具有構成(2)及(4)之兩者。本發明之引擎單元可藉由具有構成(2)及(4)中之至少一構成，而以更高之位準提昇引擎起動性及車輛搭載性之兩者。
再者，本發明亦可採用如下所述之構成。
(8)如(1)至(6)中任一項之引擎單元，其中上述飛輪係於較上述槽之數量之2/3多之磁極面與上述定子鐵心之外周面對向之狀態下，藉由上述控制裝置使供給至各相繞組中之電 流變化，而克服上述高負載區域進行旋轉。
根據(8)之構成，飛輪係於較槽之數量之2/3多之磁極面與定子鐵心之外周面對向之狀態下旋轉，故而，一方面角速度ω增大一方面交鏈磁通增大。其結果，可充分地確保引擎起動時之輸出轉矩。
(9)如(1)至(6)中任一項之引擎單元，其中上述定子鐵心係包括設置於上述複數個槽之間之複數個齒部，各上述齒部包括與上述永久磁鐵部之上述磁極面對向之端部，上述飛輪係於較上述槽之數量之2/3多之磁極面相較包括上述繞組之剖面之最小寬度(mm)相對上述周向上相鄰之上述端部間之距離(mm)之比為0.2以上且以通過上述槽之方式設置之複數相之繞組的上述內定子位於直徑方向外側的狀態下，藉由上述控制裝置使供給至各相繞組中之電流變化，而克服上述高負載區域進行旋轉。
根據(9)之構成，可減小起動馬達之阻抗中之直流電阻。於引擎起動時，可藉由減小直流電阻，而產生更大之轉矩。其結果，可實現更順利之引擎起動。
(10)如(2)之引擎單元，其中上述周向上相鄰之上述端部間之距離為上述直徑方向上之上述繞組與上述背軛部之間之距離以下。
根據(10)之構成，藉由確保相鄰之端部間之距離相對較寬而減少漏磁通，並且藉由確保齒部之端部與磁極面之對向面積而抑制交鏈磁通之減少。其結果，可確保輸出轉矩更強。
本文中所使用之術語及表達係用於說明者，並非用於限定性解釋。必須認識到亦非排除本文中所表示且表述之特徵事項之任何均等物，且亦容許本發明之所申請之範圍內之各種變化。
本發明係以多種不同之形態具體化而獲得者。本揭示應當視作提供本發明之原理之實施例者。該等實施例係基於並非意圖將本發明 限定於本文中所記載且/或圖示之較佳之實施形態之瞭解，於本文中記載有多種圖示實施形態。
本文中記載有若干本發明之圖示實施形態。本發明並不限定於本文中所記載之各種較佳之實施形態。本發明亦包含業者基於本揭示可辨別之包含均等之要素、修正、刪除、組合(例如遍及各種實施形態之特徵之組合)、改良及/或變更的所有實施形態。申請專利範圍之限定事項應基於該申請專利範圍內所使用之術語而廣義地解釋，且不應限定於本說明書或本案之申請過程中所記載之實施例。此種實施例應解釋為非排他性。例如於該揭示中，「較佳」之類術語係非排他性，其意味著「較佳但並不限定於此」。
C1‧‧‧第一次壓縮衝程
C2‧‧‧第二次壓縮衝程
C3‧‧‧第三次壓縮衝程
Ci‧‧‧空轉時之馬達轉數
H‧‧‧先前之起動馬達之特性之一例
J‧‧‧比較例之起動馬達之特性之一例
K‧‧‧本發明之起動馬達之特性之一例
M1‧‧‧發電電流
M2‧‧‧發電電流
Q‧‧‧轉矩
TH‧‧‧高負載區域
TL‧‧‧低負載區域

Claims (10)

  1. 一種引擎單元，其係搭載於車輛，且上述引擎單元包括：4行程引擎本體，其係於4行程之間包括使曲軸旋轉之負載較大且包含壓縮衝程之高負載區域、及使上述曲軸旋轉之負載較小且不包含壓縮衝程之低負載區域；起動馬達，其包括內定子及飛輪，上述內定子係包括周向上隔開間隔地形成有複數個槽之定子鐵心、及以通過上述槽之方式設置之複數相之繞組，上述飛輪係包括設置於直徑方向上之上述內定子之外側之永久磁鐵部、及設置於直徑方向上之上述永久磁鐵部之外側之背軛部，且與上述曲軸之旋轉連動地旋轉；及控制裝置，其係與上述內定子之上述複數相之繞組連接，且自上述車輛所配備之電池對上述複數相之繞組供給電流；上述飛輪係於上述起動馬達之直徑方向之上述永久磁鐵部之內周面具有在上述起動馬達之周向排列且較上述槽之數量之2/3多之磁極面，且至少於上述4行程引擎本體之起動時，使上述控制裝置供給至各相之繞組中之電流變化，藉此，克服上述高負載區域進行旋轉。
  2. 如請求項1之引擎單元，其中上述定子鐵心係包括設置於上述複數個槽之間之複數個齒部，各上述齒部係包括與上述永久磁鐵部之上述磁極面對向之端部，上述周向上相鄰之上述端部間之距離係以上述周向上之上述 齒部之上述端部之寬度成為1個上述磁極面之寬度以下之方式設定。
  3. 如請求項1之引擎單元，其中上述飛輪係至少於上述4行程引擎本體之起動後，在較上述槽之數量之2/3多之磁極面相較上述內定子更位於直徑方向外側之狀態下，伴隨上述曲軸之旋轉而旋轉，藉此，上述起動馬達作為發電機發揮功能。
  4. 如請求項2之引擎單元，其中上述飛輪係至少於上述4行程引擎本體之起動後，在較上述槽之數量之2/3多之磁極面相較上述內定子更位於直徑方向外側之狀態下，伴隨上述曲軸之旋轉而旋轉，藉此，上述起動馬達作為發電機而發揮功能。
  5. 如請求項1至4中任一項之引擎單元，其中上述各相之繞組係包括並聯連接之複數個繞組，上述飛輪係在較上述槽之數量之2/3多之磁極面，相較具有各相並聯連接之複數個繞組的上述內定子更位於直徑方向外側之狀態下，使上述控制裝置供給至上述各相之並聯連接之複數個繞組中之電流變化，藉此，克服上述高負載區域進行旋轉。
  6. 如請求項1至4中任一項之引擎單元，其中上述控制裝置係於藉由上述起動馬達而使上述曲軸旋轉時，進行用於自上述電池對上述複數相之繞組供給電流之超前角控制，以使供給至上述繞組中之電流之相位相對於藉由上述飛輪於上述直徑方向上之上述內定子之外側旋轉而於上述繞組中產生之感應電壓之相位超前。
  7. 如請求項5之引擎單元，其中上述控制裝置係於藉由上述起動馬達而使上述曲軸旋轉時，進行用於自上述電池對上述複數相之繞組供給電流之超前角控制，以使供給至上述繞組中之電流之相位相對於藉由上述飛輪於上述直徑方向上之上述內定子之外 側旋轉而於上述繞組中產生之感應電壓之相位超前。
  8. 如請求項6之引擎單元，其中上述控制裝置係至少於以上述4行程引擎本體之燃燒開始時之轉速以上的轉速使上述起動馬達旋轉時，進行上述超前角控制。
  9. 如請求項7之引擎單元，其中上述控制裝置係至少於以上述4行程引擎本體之燃燒開始時之轉速以上的轉速使上述起動馬達旋轉時，進行上述超前角控制。
  10. 一種車輛，其包括如請求項1至9中任一項之引擎單元。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107251406B (zh) * 2015-03-09 2019-05-03 新电元工业株式会社 起动发电装置、以及起动发电方法
DE102016213215A1 (de) 2016-07-20 2018-01-25 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Elektrische Synchronmaschine und Verfahren zum zumindest teilumfänglichen Herstellen einer elektrischen Synchronmaschine

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1233175B1 (en) 1999-11-24 2006-12-13 Mitsuba Corporation Starter, start control device, and crank angle detector of internal combustion engine
AU2001292289A1 (en) * 2000-09-28 2002-04-08 Mitsuba Corporation Engine starter
DE10062940B4 (de) * 2000-12-16 2012-09-20 Ebm-Papst Mulfingen Gmbh & Co. Kg Verfahren und Steuersystem zur elektronischen Drehzahlsteuerung eines Asynchronmotors
TWI224651B (en) * 2001-11-30 2004-12-01 Yamaha Motor Co Ltd Engine controller
JP4852242B2 (ja) * 2002-05-16 2012-01-11 株式会社ミツバ 交流発電機
JP3582789B2 (ja) * 2002-10-01 2004-10-27 セイコーインスツルメンツ株式会社 モータ装置用永久磁石、モータ装置、及び着磁方法
FR2852162B1 (fr) * 2003-03-06 2005-09-23 Leroy Somer Moteurs Machine electrique tournante comportant un stator et deux rotors
EP1753123B1 (en) * 2005-08-10 2015-09-30 Innovatives Power Solutions, LLC Methods and apparatus for controlling a motor/generator
JP4789688B2 (ja) * 2006-04-18 2011-10-12 ヤマハ発動機株式会社 クラッチ用アクチュエータ、エンジンユニットおよび鞍乗型車両
JP4640830B2 (ja) 2006-03-22 2011-03-02 本田技研工業株式会社 内燃機関の始動装置

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