WO2020095441A1

WO2020095441A1 - 電磁スイッチ装置

Info

Publication number: WO2020095441A1
Application number: PCT/JP2018/041689
Authority: WO
Inventors: 拓磨小野; 亀井　光一郎
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2018-11-09
Filing date: 2018-11-09
Publication date: 2020-05-14
Also published as: DE112018008125T5; JPWO2020095441A1; US20210407753A1; JP6961107B2; CN112930438A; CN112930438B

Abstract

プランジャが固定鉄心に接触する時のプランジャと固定鉄心との間に発生する衝撃力を低減させることができる電磁スイッチ装置を得る。この電磁スイッチ装置は、固定鉄心と、接触位置と離間位置との間で移動するプランジャと、電流が供給されることによって、プランジャを離間位置から接触位置に向かって移動させる磁界を発生させる吸引コイルと、電流が供給されることによって、プランジャを離間位置から接触位置に向かって移動させる磁界およびプランジャの位置を接触位置に維持する磁界を発生させる保持コイルとを備え、保持コイルは、固定鉄心の接触面に対してプランジャの移動方向についてずれて配置されている。

Description

電磁スイッチ装置

　この発明は、例えば、自動車のエンジンを始動させるスタータに用いられる電磁スイッチ装置に関する。

　従来、磁性材料から構成された固定鉄心と、磁性材料から構成され、固定鉄心に接触する接触位置と固定鉄心から離れる離間位置との間で移動するプランジャとを備えた電磁スイッチ装置が知られている。この電磁スイッチ装置は、電流が供給されることによってプランジャを離間位置から接触位置に移動させる磁界を発生させる吸引コイルと、電流が供給されることによってプランジャの位置を接触位置に維持する磁界を発生させる保持コイルとをさらに備えている。電磁スイッチ装置の動作が開始されると、吸引コイルおよび保持コイルのそれぞれに電流が供給されて、プランジャが離間位置から接触位置に向かって移動する。プランジャが接触位置に到達する前に、吸引コイルへの電流の供給が停止されて、その後、保持コイルが発生させる磁界のみによって、プランジャの位置が接触位置となる（例えば、特許文献１参照）。

国際公開第２０１７／１８７４９３号

　しかしながら、プランジャに接触される固定鉄心の接触面と同一平面上に保持コイルが配置されている。したがって、プランジャが固定鉄心に近づくにつれて、プランジャと固定鉄心との間の空隙を通る磁束の量がより大きくなる。これにより、プランジャが固定鉄心に近づくにつれて、プランジャを固定鉄心に向かって移動させる力である吸引力がより大きくなる。その結果、プランジャが固定鉄心に接触する時のプランジャと固定鉄心との間に発生する衝撃力が大きくなってしまうという課題があった。

　この発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、プランジャが固定鉄心に接触する時のプランジャと固定鉄心との間に発生する衝撃力を低減させることができる電磁スイッチ装置を提供するものである。

　この発明に係る電磁スイッチ装置は、固定鉄心と、固定鉄心に接触する接触位置と固定鉄心から離れる離間位置との間で移動するプランジャと、電流が供給されることによって、プランジャを離間位置から接触位置に向かって移動させる磁界を発生させる吸引コイルと、電流が供給されることによってプランジャの位置を接触位置に維持する磁界を発生させる保持コイルとを備え、保持コイルは、固定鉄心におけるプランジャに接触される接触面に対してプランジャの移動方向についてずれて配置されている。

　この発明に係る電磁スイッチ装置によれば、保持コイルは、固定鉄心の接触面に対してプランジャの移動方向についてずれて配置されている。したがって、プランジャが固定鉄心に接触する直前にプランジャと固定鉄心との間の空隙を通る磁束の量が減少する。これにより、プランジャが固定鉄心に接触する直前にプランジャを固定鉄心に向かって移動させる吸引力が低下する。その結果、プランジャが固定鉄心に接触する時のプランジャと固定鉄心との間に発生する衝撃力を低減させることができる。

この発明の実施の形態１に係る電磁スイッチ装置が用いられるスタータを示す構成図である。図１のスタータの要部を示す断面図である。比較例の電磁スイッチ装置において、プランジャが固定鉄心に衝突する直前に保持コイルに発生する磁束を示す図である。図２の電磁スイッチ装置において、プランジャが固定鉄心に衝突する直前に保持コイルに発生する磁束を示す図である。図２の電磁スイッチ装置における吸引力と空隙との関係を示すグラフである。図１のスタータの変形例を示す構成図である。

　実施の形態１．
　図１は、この発明の実施の形態１に係る電磁スイッチ装置が用いられるスタータを示す構成図である。スタータ１は、例えば、自動車に搭載されるエンジンを始動させる。スタータ１は、バッテリ２と、バッテリ２に電気的に接続された補助リレー３と、バッテリ２および補助リレー３のそれぞれに電気的に接続された電磁スイッチ装置４とを備えている。この発明の実施の形態１に係る電磁スイッチ装置４は、スタータ１に用いられるスタータ用電磁スイッチ装置となっている。

　また、スタータ１は、電磁スイッチ装置４を介してバッテリ２から電流が供給されるモータ５と、モータ５の駆動によって回転するピニオン６と、ピニオン６を移動させるレバー７とを備えている。ピニオン６は、エンジン８に連結されたリングギヤ９に噛み合う噛合位置と、リングギヤ９から離れる解除位置との間で移動する。ピニオン６の位置が噛合位置である場合に、モータ５が駆動することによって、エンジン８が始動する。

　バッテリ２は、直流電源となっている。バッテリ２は、補助リレー３を介して電磁スイッチ装置４に電気的に接続されている。バッテリ２から電磁スイッチ装置４に電流が供給される。バッテリ２からモータ５への電流の供給は、補助リレー３を介する場合と、補助リレー３を介さない場合とがある。

　電磁スイッチ装置４は、補助リレー３によって、オン状態とオフ状態との間で状態が切り替えられる。補助リレー３には、ドライバーによるキー操作またはドライバーによるボタン操作にともなって、図示しない制御装置から始動信号が送られる。補助リレー３が始動信号を受けることによって、補助リレー３が閉路される。補助リレー３が閉路された場合に、バッテリ２から補助リレー３を介して電磁スイッチ装置４に電流が供給される。電磁スイッチ装置４に電流が供給される場合がオン状態である。補助リレー３が開路された場合に、補助リレー３を介したバッテリ２から電磁スイッチ装置４への電流の供給が停止される。電磁スイッチ装置４への電流の供給が停止された状態がオフ状態である。

　電磁スイッチ装置４は、主に２つの機能を有している。電磁スイッチ装置４の第１の機能は、レバー７を介してピニオン６を移動させる機能である。電磁スイッチ装置４の第２の機能は、バッテリ２からモータ５に電流を供給する電気回路を、モータ５の通常運転時にモータ５に供給される電流が流れる主電気回路１０と、モータ５の起動運転時にモータ５に供給される電流が流れる起動電気回路１１との間で切り換える機能である。電磁スイッチ装置４の第１の機能および第２の機能は、互いに連動する。

　図１では、電磁スイッチ装置４は、破線によって囲まれて示されている。電磁スイッチ装置４は、主電気回路１０が開閉される一対の主電気接点１２と、起動電気回路１１が開閉される一対の起動電気接点１３とを有している。

　また、電磁スイッチ装置４は、プランジャ１４と、磁界を発生させる保持コイル１５と、磁界を発生させる吸引コイル１６とを有している。また、電磁スイッチ装置４は、主電気接点１２および起動電気接点１３のそれぞれを開閉する可動接点１７と、可動接点１７を移動させるロッド１８とを有している。プランジャ１４、可動接点１７およびロッド１８は、電磁スイッチ装置４における移動する部分である。

　主電気接点１２および起動電気接点１３のそれぞれは、可動接点１７によって、開閉される電気接点である。主電気接点１２が開閉されることによって、主電気回路１０が開閉される。モータ５の通常運転時に、主電気回路１０によって、バッテリ２からモータ５に電流が供給される。起動電気接点１３が開閉されることによって、起動電気回路１１が開閉される。モータ５の起動運転時に、起動電気回路１１によって、バッテリ２からモータ５に電流が供給される。起動電気回路１１が閉路された場合に、吸引コイル１６および保持コイル１５に電流が供給され、起動電気回路１１が開路された場合に、吸引コイル１６への電流の供給が停止され、保持コイル１５への電流の供給が継続される。

　起動電気接点１３は、スタータ１が作動していない時およびモータ５の起動運転時に、閉路される。電磁スイッチ装置４は、主電気接点１２、起動電気接点１３、プランジャ１４、保持コイル１５、吸引コイル１６、可動接点１７およびロッド１８から構成されている。なお、電磁スイッチ装置４には、補助リレー３が含まれてもよい。

　図２は、図１のスタータ１の要部を示す断面図である。電磁スイッチ装置４は、固定鉄心１９と、円筒形状に形成され、固定鉄心１９およびプランジャ１４を覆うケース２０とをさらに備えている。プランジャ１４、固定鉄心１９およびケース２０のそれぞれは、磁性材料から構成されている。

　プランジャ１４は、固定鉄心１９に接触する接触位置と、固定鉄心１９から離れる離間位置との間で移動する。保持コイル１５および吸引コイル１６は、プランジャ１４の移動方向Ａについて、互いに隣り合うように配置されている。ケース２０の軸方向は、プランジャ１４の移動方向Ａと一致する。したがって、保持コイル１５および吸引コイル１６は、ケース２０の軸方向について互いに隣り合うように配置されている。

　吸引コイル１６に電流が供給されることによって、吸引コイル１６は、プランジャ１４を離間位置から接触位置に向かって移動させる磁界を発生させる。保持コイル１５に電流が供給されることによって、保持コイル１５は、プランジャ１４を離間位置から接触位置に向かって移動させる磁界およびプランジャ１４を接触位置に維持する磁界を発生させる。

　保持コイル１５は、固定鉄心１９におけるプランジャ１４が接触する接触面１９１に対してプランジャ１４の移動方向Ａについてずれて配置されている。この例では、保持コイル１５は、プランジャ１４が接触位置から離間位置に移動する方向である離間方向Ｂについて、接触面１９１からずれて配置されている。吸引コイル１６は、固定鉄心１９を囲むように配置されている。

　吸引コイル１６および保持コイル１５のそれぞれへの電流の供給が停止されている場合に、固定鉄心１９とプランジャ１４との間の空隙が吸引コイル１６および保持コイル１５の両方の内側に配置される。

　次に、電磁スイッチ装置４の動作について説明する。制御装置からスタータ１に始動信号が送られると、補助リレー３を介して、バッテリ２から保持コイル１５および吸引コイル１６に電流が供給される。これにより、保持コイル１５および吸引コイル１６のそれぞれが磁界を発生させる。保持コイル１５が発生させる磁界の強さは、保持コイル１５の巻回数と、保持コイル１５に流れる電流との積によって算出される。吸引コイル１６が発生させる磁界の強さは、吸引コイル１６の巻回数と、吸引コイル１６に流れる電流との積によって算出される。

　保持コイル１５および吸引コイル１６に電流が供給されることによって、プランジャ１４を離間位置から接触位置に向かって移動させる磁界を保持コイル１５および吸引コイル１６が発生させる。その結果、プランジャ１４を固定鉄心１９に向かって移動させる力である吸引力がプランジャ１４に作用する。

　吸引コイル１６および保持コイル１５による吸引力によって、プランジャ１４は、離間位置から接触位置に向かって移動する。プランジャ１４の移動が開始されると、まず、プランジャ１４がロッド１８に接触する。プランジャ１４がロッド１８に接触することによって、ロッド１８が可動接点１７を移動させる。可動接点１７が移動することによって、起動電気回路１１が開路される。起動電気回路１１が開路されることによって、吸引コイル１６への電流の供給が停止される。この時、保持コイル１５への電流の供給は継続される。吸引コイル１６への電流の供給が停止されることによって、吸引コイル１６による磁界が発生しなくなる。したがって、保持コイル１５による吸引力がプランジャ１４に作用する。

　その後、吸引コイル１６による吸引力によって、プランジャ１４が離間位置から接触位置に向かって移動する。これにより、ロッド１８がさらに移動する。ロッド１８がさらに移動することによって、可動接点１７がさらに移動する。可動接点１７がさらに移動することによって、主電気接点１２が閉路される。主電気接点１２が閉路されることによって、主電気回路１０を介したモータ５への電流の供給が開始される。

　さらに、プランジャ１４が離間位置から接触位置に向かって移動することによって、プランジャ１４が固定鉄心１９の接触面１９１に接触する。これにより、プランジャ１４の位置が接触位置となり、プランジャ１４が停止する。プランジャ１４が固定鉄心１９に接触する時に、プランジャ１４が固定鉄心１９に衝突する。プランジャ１４が固定鉄心１９に衝突することによって、プランジャ１４と固定鉄心１９との間には、衝撃力が発生する。

　図３は、比較例の電磁スイッチ装置４ａにおいて、プランジャ１４ａが固定鉄心１９ａに衝突する直前の保持コイル１５ａによって発生した磁束を示す図である。比較例の電磁スイッチ装置４ａでは、接触面１９１ａと同一平面上に保持コイル１５ａが配置されている。したがって、プランジャ１４ａから出た磁束２１ａの中で、プランジャ１４ａと固定鉄心１９ａとの間の空隙２２ａを通らずにプランジャ１４ａに戻る磁束である漏れ磁束２１１ａが少ない。言い換えれば、プランジャ１４ａと固定鉄心１９ａとの間の空隙２２ａを通る磁束２１が多い。したがって、プランジャ１４ａは、大きな吸引力によって固定鉄心１９ａに当たる。その結果、プランジャ１４ａと固定鉄心１９ａとの間に発生する衝撃力が大きい。

　図４は、図２の電磁スイッチ装置４において、プランジャ１４が固定鉄心１９に衝突する直前の保持コイル１５によって発生した磁束を示す図である。実施の形態１に係る電磁スイッチ装置４では、接触面１９１からプランジャ１４の移動方向Ａについてずれて保持コイル１５が配置されている。これにより、プランジャ１４から出た磁束２１の中で、プランジャ１４と固定鉄心１９との間の空隙２２を通らずにプランジャ１４に戻る磁束である漏れ磁束２１１が増加する。言い換えれば、プランジャ１４と固定鉄心１９との間の空隙２２を通る磁束が少ない。したがって、プランジャ１４に作用する吸引力が減少する。その結果、プランジャ１４と固定鉄心１９との間に発生する衝撃力が低減される。

　図５は、図２の電磁スイッチ装置４における吸引力と空隙との関係を示すグラフである。図５では、プランジャ１４に作用する吸引力を縦軸とし、プランジャ１４と固定鉄心１９との間の空隙２２の寸法を横軸としている。また、図５では、実施の形態１に係る電磁スイッチ装置４におけるプランジャ１４に作用する吸引力と、プランジャ１４と固定鉄心１９との間の空隙２２との関係を実線で示している。また、図５では、比較例の電磁スイッチ装置４ａにおけるプランジャ１４ａに作用する吸引力と、プランジャ１４ａと固定鉄心１９ａとの間の空隙２２ａとの関係を一点鎖線で示している。

　空隙２２の寸法がＳの時に、起動電気回路１１が開路される。すなわち、空隙２２の寸法がＳの時に、プランジャ１４がロッド１８に接触し、可動接点１７が起動電気接点１３から離れる。これにより、起動電気回路１１が開路されて、吸引コイル１６への電流の供給が停止される。これ以降、空隙２２を通る磁束は、起動電気回路１１が開路された時から空隙２２が無くなるまでの間は、保持コイル１５によって発生する磁界のみによるものとなる。したがって、このタイミングを境に、プランジャ１４に作用する吸引力が低下する。

　その後、保持コイル１５のみによって発生する磁界によってプランジャ１４に吸引力が作用して、プランジャ１４が離間位置から接触位置に向かって移動する。図５に示すように、空隙２２の寸法がＳよりも小さい場合に、実施の形態１に係る電磁スイッチ装置４におけるプランジャ１４に作用する吸引力は、比較例の電磁スイッチ装置４ａにおけるプランジャ１４ａに作用する吸引力よりも小さくなる。したがって、プランジャ１４が固定鉄心１９に接触する時のプランジャ１４と固定鉄心１９との間に発生する衝撃力が低減する。

　プランジャ１４の位置が接触位置となった場合に、保持コイル１５のみによって発生する磁界によってプランジャ１４の位置が接触位置に維持される。以上により、電磁スイッチ装置４の動作が終了する。

　以上説明したように、この発明の実施の形態１に係る電磁スイッチ装置４によれば、保持コイル１５は、固定鉄心１９におけるプランジャ１４が接触する接触面１９１に対してプランジャ１４の移動方向Ａについてずれて配置されている。これにより、プランジャ１４が固定鉄心１９に接触する直前にプランジャ１４と固定鉄心１９との間の空隙２２を通る磁束２１の量が減少する。これにより、プランジャ１４が固定鉄心１９に接触する直前にプランジャ１４を固定鉄心１９に向かって移動させる吸引力が低下する。その結果、プランジャ１４が固定鉄心１９に接触する時のプランジャ１４と固定鉄心１９との間に発生する衝撃力を低減させることができる。

　また、この電磁スイッチ装置４は、起動電気回路１１が閉路された場合に、吸引コイル１６および保持コイル１５に電流が供給され、起動電気回路１１が開路された場合に、吸引コイル１６への電流の供給が停止され、保持コイル１５への電流の供給が継続される。これにより、プランジャ１４が固定鉄心１９に接触する直前にプランジャ１４と固定鉄心１９との間の空隙２２を通る磁束２１の量が減少する。その結果、プランジャ１４が固定鉄心１９に接触する時のプランジャ１４と固定鉄心１９との間に発生する衝撃力を低減させることができる。

　また、保持コイル１５は、プランジャ１４が接触位置から離間位置に移動する方向である離間方向Ｂについて、接触面１９１からずれて配置されている。これにより、保持コイル１５の内側にプランジャ１４を配置することができる。

　また、吸引コイル１６および保持コイル１５の両方への電流の供給が停止されている場合に、固定鉄心１９とプランジャ１４との間の空隙２２が吸引コイル１６および保持コイル１５の両方の内側に配置される。これにより、吸引コイル１６および保持コイル１５への電流の供給を開始した時に、空隙２２を通る磁束２１の量を多くすることができる。その結果、吸引コイル１６および保持コイル１５への電流の供給を開始した時のプランジャ１４に作用する吸引力を大きくすることができる。

　なお、上記実施の形態１では、電磁スイッチ装置４が主電気接点１２と起動電気接点１３の両方を備えた構成について説明した。しかしながら、図６に示すように、電磁スイッチ装置４が起動電気接点１３を備えない構成であってもよい。この場合、吸引コイル１６は、モータ５に電気的に接続される。主電気接点１２が閉路されるまでは、起動電気回路１１を介してモータ５に電流が供給される。したがって、主電気接点１２が閉路されるまでは、吸引コイル１６および保持コイル１５に電流が供給される。主電気接点１２が閉路された場合には、吸引コイル１６の両端の電位差がほぼゼロとなる。したがって、この場合に、起動電気回路１１を介したモータ５への電流の供給が停止される。その結果、吸引コイル１６への電流の供給が停止され、保持コイル１５への電流の供給が継続される。吸引コイル１６への電流の供給が停止されることによって、吸引コイル１６による磁界が発生しなくなる。その後、吸引コイル１６による吸引力によって、プランジャ１４が離間位置から接触位置に向かって移動する。

　１　スタータ、２　バッテリ、３　補助リレー、４、４ａ　電磁スイッチ装置、５　モータ、６　ピニオン、７　レバー、８　エンジン、９　リングギヤ、１０　主電気回路、１１　起動電気回路、１２　主電気接点、１３　起動電気接点、１４、１４ａ　プランジャ、１５、１５ａ　保持コイル、１６、１６ａ　吸引コイル、１７　可動接点、１８　ロッド、１９、１９ａ　固定鉄心、２０　ケース、２１、２１ａ　磁束、２２、２２ａ　空隙、１９１、１９１ａ　接触面、２１１、２１１ａ　漏れ磁束。

Claims

　固定鉄心と、
　前記固定鉄心に接触する接触位置と前記固定鉄心から離れる離間位置との間で移動するプランジャと、
　電流が供給されることによって、前記プランジャを前記離間位置から前記接触位置に向かって移動させる磁界を発生させる吸引コイルと、
　電流が供給されることによって、前記プランジャを前記離間位置から前記接触位置に向かって移動させる磁界および前記プランジャの位置を接触位置に維持する磁界を発生させる保持コイルと
　を備え、
　前記保持コイルは、前記固定鉄心における前記プランジャが接触する接触面に対して前記プランジャの移動方向についてずれて配置されている電磁スイッチ装置。
　モータの通常運転時に前記モータに供給される電流が流れる主電気回路を開閉する主電気接点をさらに備え、
　前記主電気回路が閉路された場合に、前記吸引コイルへの電流の供給が停止され、前記保持コイルへの電流の供給が継続される請求項１に記載の電磁スイッチ装置。
　モータの起動運転時に前記モータに供給される電流が流れる起動電気回路を開閉する起動電気接点をさらに備え、
　前記起動電気回路が閉路された場合に、前記吸引コイルおよび前記保持コイルに電流が供給され、
　前記起動電気回路が開路された場合に、前記吸引コイルへの電流の供給が停止され、前記保持コイルへの電流の供給が継続される請求項１に記載の電磁スイッチ装置。
　前記保持コイルは、前記プランジャが前記接触位置から前記離間位置に移動する方向である離間方向について、前記接触面に対してずれて配置されている請求項１から請求項３までの何れか一項に記載の電磁スイッチ装置。
　前記吸引コイルおよび前記保持コイルの両方への電流の供給が停止されている場合に、前記固定鉄心と前記プランジャとの間の空隙が前記吸引コイルおよび前記保持コイルの両方の内側に配置される請求項１から請求項４までの何れか一項に記載の電磁スイッチ装置。