JP2004040958A - 始動用電動機兼充電発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】性能低下を招くことなく、整流子の体格を小さくして車両への搭載性を向上できること。
【解決手段】始動用電動機兼充電発電機１は、界磁として働くロータ２と、整流子を有する回転板６との間に増速装置１０を設けて、この増速装置１０によりロータ２の回転を増速して回転板６に伝達している。これにより、増速装置１０の増速比に応じて整流子のセグメント数をロータ２の極数より少なくできるので、増速装置１０を使用しない場合と比較して、セグメントの幅を大きく確保できる。その結果、始動用電動機として使用する際に、セグメントとブラシとの接触時間が長くなって、より多くの電流を電機子巻線ｕ、ｖ、ｗに流すことが可能となるため、スタータ性能が向上する。また、セグメントの幅を、増速装置１０を使用しない場合と同一にすると、セグメント数が少なくなる分、整流子の体格を小さくできる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジン始動時に始動用電動機として機能し、エンジン始動後は充電発電機として機能する始動用電動機兼充電発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術として、例えば特開昭５９−１４４３５５　号公報がある。
この公報に開示されている始動用電動機兼充電発電機は、電機子巻線を有するステータと、エンジンのクランク軸に結合されて回転するロータ、このロータの回転に同期して回転する整流子、及び整流子に対向して可動するブラシ等より構成される。
エンジン始動時には、整流子に当接するブラシを介して電機子巻線にバッテリ電流が通電されることにより、ロータに回転力が発生し、その回転力によってエンジンを始動させる始動用電動機として機能する。また、エンジン始動後は、ロータの回転に伴って電機子巻線に起電力が発生し、その起電力を整流してバッテリを充電する充電発電機として機能する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の始動用電動機兼充電発電機は、ロータの極数に合わせて整流子を分割している。つまり、ロータの極数が８極であれば、整流子のセグメント数も８個に設定される。
しかし、整流子は、回転方向のセグメント幅がブラシの体格により決定されるため、ロータの極数に合わせて整流子を分割すると、その分割数に比例して整流子の体格が大きくなる。その結果、発電性能をアップするためにロータの極数を多く設定すると、その分、整流子の体格が大きくなり、装置全体が大型化して車両への搭載性が悪化する。
【０００４】
また、整流子の通電幅（セグメント幅）は、始動用電動機の出力に影響するため、出力を出すために出来る限り大きくすることが望まれる。しかし、セグメント幅が大きくなる程、必然的に整流子の体格が大きくなるため、セグメント幅を大きくするにも限界がある。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、性能低下を招くことなく、整流子の体格を小さくして車両への搭載性を向上できる始動用電動機兼充電発電機を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
（請求項１の発明）
本発明の始動用電動機兼充電発電機は、界磁として働く回転子と、電機子巻線を有する固定子と、回転子の回転に同期して回転可能に設けられ、且つ複数のセグメントが回転方向に絶縁部を挟んで配置される整流子と、エンジン始動時に整流子をバッテリと電気的に連結させる導通手段と、整流子に当接可能に設けられると共に、電機子巻線に接続され、エンジン始動時に整流子に当接して整流子と電機子巻線との間を電気的に連結するブラシとを備え、回転子と整流子との間に、回転子の回転を増速または減速して整流子に伝達する変速手段を設けたことを特徴とする。
この構成によれば、回転子と整流子との間に変速手段を設けているので、回転子の極数に合わせて整流子を分割する必要がなく、整流子のセグメント数を回転子の極数より少なく、あるいは多く設定することが可能である。
【０００６】
（請求項２の発明）
請求項１に記載した始動用電動機兼充電発電機において、
変速手段は、回転子の回転を増速して整流子に伝達する増速装置であり、その増速装置の増速比をＩ、回転子の極数をＡ、整流子のセグメント数（極数）をＢとした時に、以下の関係が成立する。
Ａ＝Ｉ×Ｂ
【０００７】
この構成によれば、増速装置の増速比に応じて整流子のセグメント数を回転子の極数より少なくできる。つまり、増速比を大きく設定する程、整流子のセグメント数を少なくできる。これにより、回転子の極数を減らすことなく、整流子の体格を小さくできるので、車両への搭載性が向上する。
【０００８】
（請求項３の発明）
請求項２に記載した始動用電動機兼充電発電機において、
整流子は、回転方向におけるセグメントの幅が絶縁部の幅より大きく設定されている。
整流子のセグメント数が少なくなると、その分、個々のセグメント幅を大きく設定できるので、始動用電動機（スタータ）として使用した時に、ブラシとの接触時間が長くなり、スタータ出力が向上する。
【０００９】
（請求項４の発明）
請求項１〜３に記載した何れかの始動用電動機兼充電発電機において、
導通手段は、整流子と電気的に連結されたスリップリングと、エンジン始動時にスリップリングに当接するブラシとで構成される。
これにより、エンジン始動時にバッテリから整流子に通電され、その整流子に当接するブラシを介して電機子巻線にバッテリ電流が通電される。
【００１０】
（請求項５の発明）
請求項１〜４に記載した何れかの始動用電動機兼充電発電機において、
変速手段は、整流子に連結される出力軸が、回転子の回転軸と同軸上に配置されている。
この場合、変速手段を介して回転子と整流子とを同軸上に配置できるので、装置全体をコンパクトに構成できる。
【００１１】
（請求項６の発明）
請求項１〜４に記載した何れかの始動用電動機兼充電発電機において、
変速手段は、整流子に連結される出力軸が、回転子の回転軸と異なる軸上に配置されている。
この場合、回転子と変速手段及び整流子とを同軸上に配置する必要がなく、回転子の回転軸に対して、例えばタイミングベルトやギヤ等により、変速手段及び整流子を径方向に離して配置できるので、車両への搭載自由度が向上する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は始動用電動機兼充電発電機１の構成図である。
本実施例の始動用電動機兼充電発電機１は、図１に示す様に、オルタネータを構成するロータ２とステータ３、整流子４とスリップリング５を有する回転板６、エンジン始動時に整流子４に接触する第１ブラシ７、エンジン始動時にスリップリング５に接触する第２ブラシ８、第１ブラシ７と第２ブラシ８を駆動するソレノイド９、及びロータ２の回転を増速して回転板６に伝達する増速装置１０等より構成される。
【００１３】
ロータ２は、例えば８個の界磁極（図示しない）と、その界磁極に磁束を発生させる界磁巻線２ａ（図４参照）を有し、回転軸２ｂと一体に回転する。その回転軸２ｂは、一方の端部にプーリ１１が取り付けられ、そのプーリ１１がエンジン１２のクランクプーリ１３とベルト１４により連結されている（図１参照）。ステータ３は、ロータ２の周囲に固定される環状のステータコア３ａを有し、このステータコア３ａに３個の独立した電機子巻線ｕ、ｖ、ｗが巻き付けられている。
３個の電機子巻線ｕ、ｖ、ｗは、例えば図４に示す様に、スター結線されて、６個のダイオード１５から構成される整流回路１６に接続されている。
【００１４】
回転板６は、絶縁体から成る円盤形状を有し、一方の表面に整流子４とスリップリング５が取り付けられている。
整流子４は、図３に示す様に、複数（本実施例では２個）のセグメント４ａが絶縁部４ｂを挟んで回転方向に配置されている。
スリップリング５は、例えば図３に示す様に、整流子４の内周側と外周側とに配置され、個々のセグメント４ａとそれぞれ一体に設けられている。
【００１５】
第１ブラシ７は、整流子４に対向して周方向に３個、等間隔に配置され、それぞれ電機子巻線ｕ、ｖ、ｗに接続されている（図４参照）。
なお、図３に示す様に、第１ブラシ７の幅：δ、セグメント４ａの幅：θ１　、絶縁部４ｂの幅：θ２　とした時に、以下の大小関係が成立している。
δ＜θ２　≦θ１
【００１６】
第２ブラシ８は、内側のスリップリング５と外側のスリップリング５とに対向して２個配置されると共に、外側の第２ブラシ８がバッテリ１７に接続され、内側の第２ブラシ８がアース接続されている（図４参照）。
この第１ブラシ７と第２ブラシ８は、図１に示す様に、それぞれスプリング１８と共にブラシホルダ１９に収容され、そのブラシホルダ１９と一体に軸方向（図１の左右方向）に可動する。
【００１７】
ソレノイド９は、制御回路２０（図４参照）を通じて励磁されると、自身に発生する磁力によってブラシホルダ１９を回転板６側（図１の左方向）へ駆動する。これにより、第１ブラシ７と第２ブラシ８は、それぞれ整流子４（セグメント４ａ）とスリップリング５に当接し、スプリング１８によって接触圧が付与される。
ソレノイド９への通電が停止されると、図示しないリターン機構（例えばスプリング）によってブラシホルダ１９が回転板６から離れる方向（図１の右方向）へ押し戻されることにより、第１ブラシ７と第２ブラシ８は、それぞれ整流子４（セグメント４ａ）とスリップリング５から離れた状態となる。
【００１８】
増速装置１０は、例えば、ロータ２の回転軸２ｂと増速装置１０の出力軸１０ａとを同軸上に配置できる遊星ギヤ装置によって構成される。具体的には、図２に示す様に、ロータ２の回転軸２ｂと一体に設けられたキャリア２１に複数の遊星ギヤ２２が回転自在に支持され、その遊星ギヤ２２の外側に配置されて遊星ギヤ２２と噛み合うインターナルギヤ２３、及び遊星ギヤ２２の内側に配置されて遊星ギヤ２２と噛み合うサンギヤ２４を有し、このサンギヤ２４が出力軸１０ａに固定されている。
ここで、増速装置１０の増速比をＩ、ロータ２の極数をＡ、整流子４のセグメント数（極数）をＢとした時に、以下の関係が成立している。
Ａ＝Ｉ×Ｂ
【００１９】
次に、始動用電動機兼充電発電機１の作動を説明する。
ａ）エンジン始動時
キースイッチ２５（図４参照）をＯＮすると、ロータ２の界磁巻線２ａに電流が流れて界磁極に磁束が発生する。
一方、制御回路２０を通じてソレノイド９に励磁されると、ブラシホルダ１９が回転板６側へ移動して、第１ブラシ７と第２ブラシ８がそれぞれ整流子４とスリップリング５に押し付けられる。この時、整流子４と３個の第１ブラシ７との相対位置が図４に示す状態であれば、２個のセグメント４ａに接触する第１ブラシ７に接続された電機子巻線ｗ、ｕを電流が流れる。
【００２０】
これにより、界磁極に発生する磁束と電機子巻線ｗ、ｕに流れる電流との相互作用によりロータ２が回り始める。ロータ２が回転すると、増速装置１０を介して回転板６が回転するため、３個の第１ブラシ７と２個のセグメント４ａとの相対位置が変化して、３個の電機子巻線ｕ、ｖ、ｗに対する電流の流れ方向が切り換わる。この結果、ステータ３に回転磁界が発生してロータ２に回転トルクが生まれ、その回転トルクがベルト伝動によりエンジン１２のクランク軸１２ａに伝達されてエンジン１２をクランキングさせる。
【００２１】
ｂ）エンジン始動後
エンジン始動後の通常運転時には、ソレノイド９が消勢されてブラシホルダ１９が回転板６から離れる方向に移動するため、第１ブラシ７と第２ブラシ８がそれぞれ整流子４とスリップリング５から離れた状態になっている。
一方、ロータ２の界磁巻線２ａには電流が流れているため、ロータ２の回転に伴って３個の電機子巻線ｕ、ｖ、ｗに交流起電力が発生する。この交流起電力は、整流回路１６で整流され、車載負荷に供給されると共に、バッテリ１７に充電される。
なお、充電電圧が高くなり過ぎると、レギュレータ２６（図４参照）により界磁電流を減少させて、バッテリ１７の充電電圧を一定に保つように制御される。
【００２２】
（本実施例の効果）
上記の始動用電動機兼充電発電機１は、ロータ２と回転板６との間に増速装置１０を設けているので、その増速装置１０の増速比に応じて整流子４のセグメント数をロータ２の極数より少なくできる。例えば、増速装置１０の増速比を４とした時に、ロータ２の極数が８極であれば、整流子４のセグメント数を２個に設定できる。これにより、整流子４は、増速装置１０を使用しない場合（セグメント数８個の場合）と比較して、セグメント４ａの幅θ１　を大きく確保できる。その結果、始動用電動機として使用する際に、各セグメント４ａと第１ブラシ７との接触時間が長くなって、より多くの電流を電機子巻線ｕ、ｖ、ｗに流すことが可能となるため、スタータ性能が向上する。
【００２３】
また、セグメント４ａの幅θ１　を、セグメント数８個の場合と同一にすると、セグメント数が少なくなる分、整流子４の体格を小さくできる。その結果、車両への搭載性が向上する。
更に、本実施例の構成では、増速装置１０の増速比を変えることでロータ２の極数と整流子４のセグメント数との組み合わせを変更できるので、ロータ２の極数に応じた整流子４を新規に製作する必要がなく、増速装置１０と整流子４との組み合わせのみで対応できる。
【００２４】
（変形例）
上記の実施例では、回転板６の表面上に整流子４とスリップリング５を設けて平面タイプとして構成しているが、円筒表面に整流子４とスリップリング５を設けたリングタイプとしても良い。
また、実施例では、遊星ギヤ装置から成る増速装置１０を採用することで、ロータ２の回転軸２ｂと増速装置１０の出力軸１０ａとを同軸上に配置しているが、ロータ２の回転軸２ｂに対して、例えばタイミングベルトやギヤ等で増速装置１０の出力軸１０ａを分離することも可能である。この場合、オルタネータに対して整流子部を別置きにできるので、車両への搭載自由度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】始動用電動機兼充電発電機の構成図である。
【図２】増速装置の模式図である。
【図３】図１のＸ−Ｘ断面図である。
【図４】始動用電動機兼充電発電機の電気回路図である。
【符号の説明】
１　　始動用電動機兼充電発電機
２　　ロータ（回転子）
２ｂ　ロータの回転軸
３　　ステータ（固定子）
４　　整流子
４ａ　セグメント
４ｂ　絶縁部
５　　スリップリング（導通手段）
７　　第１ブラシ
８　　第２ブラシ（導通手段）
１０　　増速装置（変速手段）
１０ａ　増速装置の出力軸
１２　　エンジン
１７　　バッテリ
ｕ、ｖ、ｗ　電機子巻線

Claims (6)

1. 界磁として働く回転子と、
   電機子巻線を有する固定子と、
   前記回転子の回転に同期して回転可能に設けられ、且つ複数のセグメントが回転方向に絶縁部を挟んで配置される整流子と、
   エンジン始動時に前記整流子をバッテリと電気的に連結させる導通手段と、
   前記整流子に当接可能に設けられると共に、前記電機子巻線に接続され、エンジン始動時に前記整流子に当接して前記整流子と前記電機子巻線との間を電気的に連結するブラシとを備え、
   エンジン始動時には、前記回転子に生じる回転動力によってエンジンを始動する始動用電動機として機能し、
   エンジン始動後は、前記電機子巻線に発生する起電力を整流して前記バッテリに充電する充電発電機として機能する始動用電動機兼充電発電機であって、
   前記回転子と前記整流子との間に、前記回転子の回転を増速または減速して前記整流子に伝達する変速手段を設けたことを特徴とする始動用電動機兼充電発電機。
2. 請求項１に記載した始動用電動機兼充電発電機において、
   前記変速手段は、前記回転子の回転を増速して前記整流子に伝達する増速装置であり、その増速装置の増速比をＩ、前記回転子の極数をＡ、前記整流子のセグメント数（極数）をＢとした時に、
   Ａ＝Ｉ×Ｂ
   上記の関係が成立することを特徴とする始動用電動機兼充電発電機。
3. 請求項２に記載した始動用電動機兼充電発電機において、
   前記整流子は、回転方向における前記セグメントの幅が前記絶縁部の幅より大きく設定されていることを特徴とする始動用電動機兼充電発電機。
4. 請求項１〜３に記載した何れかの始動用電動機兼充電発電機において、
   前記導通手段は、前記整流子と電気的に連結されたスリップリングと、エンジン始動時に前記スリップリングに当接するブラシとで構成されることを特徴とする始動用電動機兼充電発電機。
5. 請求項１〜４に記載した何れかの始動用電動機兼充電発電機において、
   前記変速手段は、前記整流子に連結される出力軸が、前記回転子の回転軸と同軸上に配置されていることを特徴とする始動用電動機兼充電発電機。
6. 請求項１〜４に記載した何れかの始動用電動機兼充電発電機において、
   前記変速手段は、前記整流子に連結される出力軸が、前記回転子の回転軸と異なる軸上に配置されていることを特徴とする始動用電動機兼充電発電機。

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