JP2009268266A - スタータモータ - Google Patents

Abstract

【課題】 クランクプーリの内部に設けられたスタータモータを小型化しながらエンジンの始動性を高める。
【解決手段】 シリンダブロックに固定されたステータ３１の外周部に配置された複数のコイル３４と、クランクシャフト１７に固定されてステータ３１の径方向外側を囲む環状のロータ３２の内周部に配置された複数の永久磁石３７とを、径方向のエアギャップｇを介して対向させたスタータモータ２９において、永久磁石３７をロータ３２に径方向に移動可能に設けたので、永久磁石３７をステータ３１のコイル３４に近づけてトルク型のモータと特性を与えたり、永久磁石３７をステータ３１のコイル３４から遠ざけて回転型のモータと特性を与えたりすることで、エンジンの始動性能を高めることができる。しかも永久磁石３７はロータ３２の径方向に移動するため、それによってスタータモータ２９の軸線方向の寸法が増加するのを防止することができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、エンジン本体に固定されたステータと、前記ステータの中心を貫通するクランクシャフトに固定されて前記ステータの径方向外側を囲む環状のロータとを備え、前記ステータの外周部に配置された複数のコイルと前記ロータの内周部に配置された複数の永久磁石とを径方向のエアギャップを介して対向させたスタータモータに関する。

エンジンのクランクシャフトに設けられて無端ベルトを介して補機類を駆動するクランクプーリの内部にモータ・ジェネレータを収納し、エンジンの始動時にモータ・ジェネレータをスタータモータとして駆動することでクランクシャフトをクランキングしてエンジンを始動し、エンジンの始動後にモータ・ジェネレータをジェネレータとして駆動することで発電を行うものが、下記特許文献１により公知である。
特許第３７７７２７２号公報

ところで、スタータモータによるクランキングの開始時には、圧縮工程におけるピストンの負荷を上回る大きなトルクが必要になるため、スタータモータは大トルクを発生可能なトルク型の特性を持つことが望ましく、クランキングを開始してから完爆までの期間は、クランキング速度を高めてエンジンを短時間で始動するために、スタータモータは高回転数の回転型の特性を持つことが望ましい。

しかしながら、単一のモータ・ジェネレータに上記二つの特性を併せ持たすことは困難であるため、大トルクを発生可能であり、かつ高回転が可能なモータ・ジェネレータが必要になり、モータ・ジェネレータの大型化を招く問題があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、クランクプーリの内部に設けられたスタータモータを小型化しながらエンジンの始動性を高めることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、エンジン本体に固定されたステータと、前記ステータの中心を貫通するクランクシャフトに固定されて前記ステータの径方向外側を囲む環状のロータとを備え、前記ステータの外周部に配置された複数のコイルと前記ロータの内周部に配置された複数の永久磁石とを径方向のエアギャップを介して対向させたスタータモータにおいて、前記永久磁石は前記ロータに径方向に移動可能に設けられることを特徴とするスタータモータが提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記永久磁石は前記ロータに設けられたガイド手段に径方向摺動可能に支持され、圧縮変形可能な弾発部材により最小エアギャップ位置へと径方向内向きに付勢されることを特徴とするスタータモータが提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項１または請求項２の構成に加えて、前記ロータの本体部は磁性体で構成されることを特徴とするスタータモータが提案される。

また請求項４に記載された発明によれば、請求項１〜請求項３の何れか１項の構成に加えて、前記ロータが前記クランクシャフトの駆動力で回転するとき、前記ステータとの協働でジェネレータとして機能することを特徴とするスタータモータが提案される。

尚、実施の形態のチェーンカバー２６は本発明のエンジン本体に対応し、実施の形態のプーリ本体３５は本発明のロータの本体部に対応し、実施の形態のガイド溝３５ａおよびガイド部材３６は本発明のガイド手段に対応し、実施の形態の板ばね３９は本発明の弾発部材に対応する。

請求項１の構成によれば、エンジン本体に固定されたステータの外周部に配置された複数のコイルと、クランクシャフトに固定されてステータの径方向外側を囲む環状のロータの内周部に配置された複数の永久磁石とを、径方向のエアギャップを介して対向させたスタータモータにおいて、永久磁石をロータに径方向に移動可能に設けたので、永久磁石をステータのコイルに近づけてトルク型のモータの特性を与えたり、永久磁石をステータのコイルから遠ざけて回転型のモータの特性を与えたりすることで、エンジンの始動性能を高めることができる。しかも永久磁石はロータの径方向に移動するため、それによってモータの軸線方向の寸法が増加するのを防止することができる。

また請求項２の構成によれば、永久磁石をロータに設けたガイド手段に径方向摺動可能に支持し、圧縮変形可能な弾発部材により最小エアギャップ位置へと径方向内向きに付勢したので、ロータの回転数が高まるに伴って永久磁石は遠心力で弾発部材を圧縮しながら径方向外側に自動的に移動する。その結果、スタータモータの駆動開始直後はエアギャップを小さくしてトルク型のモータの特性を発揮させ、充分なトルクでクランクシャフトのクランキングを開始することができる。またスタータモータの駆動中からエンジンの完爆までの領域ではエアギャップを大きくして回転型のモータの特性を発揮させ、エンジンを短時間で始動して消費電力を節減することができる。

また請求項３の構成によれば、ロータの本体部を磁性体で構成したので、永久磁石が径方向外側に移動するとロータの本体部を通過する磁束が効率的に増加してステータを通過する磁束が効率的に減少し、トルク型のモータおよび回転型のモータの両方の特性を顕著に発揮させることができる。

また請求項４の構成によれば、ロータがクランクシャフトの駆動力で回転するとき、ステータとの協働でジェネレータとして機能するので、エンジンの運転中はスタータモータをジェネレータとして機能させて発電を行い、特別のジェネレータを廃止して部品点数およびコストを削減することができる。

以下、本発明の実施の形態を添付の図面に基づいて説明する。

図１〜図７は本発明の実施の形態を示すもので、図１はエンジンの正面図、図２は図１の２−２線拡大断面図、図３は図２の３−３線断面図（停止時あるいは低速回転時）、図４は図３に対応する作用説明図（中速回転時）、図５は図３に対応する作用説明図（高速回転時）、図６はエンジン始動時にスタータモータに流れる電流を示すグラフ、図７はエンジン回転数に対するスタータモータの発電量を示すグラフである。

図１に示すように、車両に搭載される多気筒エンジンＥのシリンダブロック１１の側面に補機部品取付ブラケット１２が固定されており、この補機部品取付ブラケット１２にパワーステアリング用オイルポンプ１３、オートテンショナ１４、エンジン冷却用ウオータポンプ１５および空調用コンプレッサ１６が固定される。エンジンＥのクランクシャフト１７の軸端に設けたクランクプーリ１８と、オイルポンプ１３に設けたオイルポンプ駆動プーリ１９と、オートテンショナ１４に設けたテンショナプーリ２０と、ウオータポンプ１５に設けたウオータポンプ駆動プーリ２１と、コンプレッサ１６に設けたコンプレッサ駆動プーリ２２とに、単一の無端ベルト２３が巻き掛けられており、クランクシャフト１７の駆動力が無端ベルト２３によりオイルポンプ１３、ウオータポンプ１５およびコンプレッサ１６に伝達されるとともに、オートテンショナ１４により無端ベルト２３に張力が付与されれる。

図２および図３から明らかように、シリンダブロック１１の側面から突出するクランクシャフト１７に、動弁機構を駆動するタイミングチェーン２４が巻き掛けられる駆動スプロケット２５が一体に形成されており、タイミングチェーン２４および駆動スプロケット２５はシリンダブロック１１に固定されるチェーンカバー２６によって覆われる。チェーンカバー２６から突出するクランクシャフト１７の軸端に、前記クランクプーリ１８が嵌合し、キー２７およびナット２８で固定される。

クランクプーリ１８の内部に配置されるスタータモータ２９はジェネレータとしても使用可能なモータ・ジェネレータであって、チェーンカバー２６の外面に複数本のボルト３０…で固定された環状のステータ３１と、このステータ３１の外周を囲繞するようにクランクプーリ１８の内面に固定された環状のロータ３２とで構成される。

ステータ３１は、多数の珪素鋼板を積層した環状のステータコア３３と、このステータコア３３の外周面に突設した複数のティース３３ａ…に巻回した複数のコイル３４…とで構成されており、ステータコア３３を貫通する前記ボルト３０…でチェーンカバー２６に固定される。

ロータ３２は、磁性体で構成されたプーリ本体３５をバックアイアンとするもので、その内周面に径方向外側に凹む複数個（実施の形態では６個）のガイド溝３５ａ…が形成されるとともに、前記ガイド溝３５ａ…の開口端からガイド部材３６…が径方向内側に突出する。ガイド溝３５ａ…およびガイド部材３６…は協働して本発明のガイド手段を構成するもので、その内部に永久磁石３７…が径方向摺動自在に嵌合する。各永久磁石３７の外周面にはサブバックアイアン３８が固定されており、ガイド溝３５ａの底部とサブバックアイアン３８との間に湾曲した板ばね３９が配置される。

クランクプーリ１８が回転していないとき、サブバックアイアン３８と一体の永久磁石３７は、板ばね３９の弾発力で径方向内向きに付勢され、ガイド部材３６，３６に係止される位置に停止する（図３参照）。このとき、永久磁石３７とコイル３４との間のエアギャップｇが最小となる。クランクプーリ１８が回転すると永久磁石３７は遠心力で板ばね３９を圧縮しながら径方向外側に移動し、クランクプーリ１８の回転数が所定値以上になって板ばね３９がそれ以上圧縮不能になったとき、永久磁石３７とコイル３４との間のエアギャップｇが最大となる（図５参照）。

次に、上記構成を備えた本発明の実施の形態の作用を説明する。

エンジンＥを始動するには、スタータモータ２９に通電してモータとして機能させる。即ち、スタータモータ２９を駆動すべく、チェーンカバー２６に固定したステータ３１のコイル３４…に通電すると、図３に示すように、ステータ３１およびロータ３２を通る磁束が発生することで、ロータ３２にトルクが作用してクランクプーリ１８が回転し、クランクプーリ１８が固定されたクランクシャフト１７がクランキングされてエンジンＥが始動する。

ロータ３２が回転を停止しているとき、永久磁石３７…（およびサブバックアイアン３８…）には遠心力が作用しないため、板ばね３９…の弾発力で永久磁石３７…はガイド部材３６…に係止される径方向内端位置にあり、ステータ３１およびロータ３２のエアギャップｇは最小の状態にある。従って、ステータ３１およびロータ３２を通る磁束が増加してスタータモータ２９はトルク型のモータとして機能し、同じ電流に対して大きなトルクを発生する。エンジンＥのクランキングを開始するとき、クランクシャフト１７やピストンに作用する静摩擦力に打ち勝ち、かつ圧縮行程でピストンを上死点まで押し上げるには大きなトルクが必要であるが、スタータモータ２９をトルク型のモータとして機能させることで、そのスタータモータ２９を大型化することなく必要なトルクを発生させてエンジンＥのクランキングを開始することができる（図３参照）。

このようにしてエンジンＥのクランキングが開始されると、エンジンＥが完爆状態になるまで、ロータ３２の回転に伴って作用する遠心力で永久磁石３７…は板ばね３９…に抗して径方向外側に中間位置まで移動するため（図４参照）、その分だけエアギャップｇが増加してステータ３１およびロータ３２を通る磁束が減少することで、スタータモータ２９の特性はトルク型から回転型に移行し、回転数の増加によりクランキング速度を高めてエンジンＥを速やかに始動することができる。

図６は、エンジンＥの始動時にスタータモータ２９を流れる電流を示すグラフであって、破線で示す従来例に比べて実線で示す実施の形態は、短時間で始動が完了して消費電力が節減されることが分かる。

またエンジンＥの始動後は、ロータ３２の回転数が充分に高まって遠心力が増加することで、永久磁石３７…は板ばね３９…に抗して径方向外端位置まで移動するため（図５参照）、エアギャップｇは最大の状態になる。従来は、スタータモータ２９を駆動していなくても、ステータ３１に対してロータ３２を相対回転させるにはディテントトルク（コギングトルク）に打ち勝つトルクが必要となり、その分だけエンジンＥの駆動力が無駄に消費される問題があった。しかしながら本実施の形態によれば、エンジンＥが始動した後の高速回転時には、遠心力でエアギャップｇが自動的に増加することでディテントトルクを低減し、エンジンＥの駆動力の無駄な消費を回避することができる。

またエンジンの運転中には、スタータモータ２９をジェネレータとして機能させて発電を行うことができるので、特別のジェネレータを設ける必要がなくなって部品点数およびコストの削減に寄与することができる。

スタータモータ２９をジェネレータとして機能させることで発電を行う場合、発電量が不足する傾向のエンジンＥの低速回転時には、永久磁石３７…が径方向内側に移動してエアギャップｇが小さくなることで発電量が自動的に増加し、発電量が過剰になる傾向のエンジンＥの高速回転時には、永久磁石３７…が径方向外側に移動してエアギャップｇが大きくなることで発電量が自動的に減少し、エンジンＥの回転数に関わらずに常に安定した発電量を確保することができる。

図７は、スタータモータ２９をジェネレータとして機能させるときの、回転数に対する出力電流の関係を示すグラフであって、従来例は回転開始直後の低回転数領域で出力電流の立ち上がりが遅れているのに対し、本実施の形態では回転開始直後から充分な出力電流が得られることが分かる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することなく種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施の形態では永久磁石３７を付勢する弾発手段を板ばね３９で構成しているが、板ばね３９以外の任意のばねや、ゴム等の弾性体を用いることができる。

また実施の形態ではスタータモータ２９としてモータ・ジェネレータを用いているが、ジェネレータとして機能しない単なるモータであっても良い。

また実施の形態ではステータ３１をチェーンカバー２６に固定しているが、ベルトカバーやギヤカバー等のカバーに固定することができ、また前記カバーがシリンダブロック１１と一体に形成されている場合には、ステータ３１をシリンダブロック１１に固定することができる。

エンジンの正面図 図１の２−２線拡大断面図 図２の３−３線断面図（停止時あるいは低速回転時） 図３に対応する作用説明図（中速回転時） 図３に対応する作用説明図（高速回転時） エンジン始動時にスタータモータに流れる電流を示すグラフ エンジン回転数に対するスタータモータの発電量を示すグラフ

符号の説明

１７ クランクシャフト
２６ チェーンカバー（エンジン本体）
３１ ステータ
３２ ロータ
３４ コイル
３５ プーリ本体（ロータの本体部）
３５ａ ガイド溝（ガイド手段）
３６ ガイド部材（ガイド手段）
３７ 永久磁石
３９ 板ばね（弾発部材）
ｇ エアギャップ

Claims (4)

1. エンジン本体（２６）に固定されたステータ（３１）と、前記ステータ（３１）の中心を貫通するクランクシャフト（１７）に固定されて前記ステータ（３１）の径方向外側を囲む環状のロータ（３２）とを備え、前記ステータ（３１）の外周部に配置された複数のコイル（３４）と前記ロータ（３２）の内周部に配置された複数の永久磁石（３７）とを径方向のエアギャップ（ｇ）を介して対向させたスタータモータにおいて、
   前記永久磁石（３７）は前記ロータ（３２）に径方向に移動可能に設けられることを特徴とするスタータモータ。
2. 前記永久磁石（３７）は前記ロータ（３２）に設けられたガイド手段（３５ａ，３６）に径方向摺動可能に支持され、圧縮変形可能な弾発部材（３９）により最小エアギャップ位置へと径方向内向きに付勢されることを特徴とする、請求項１に記載のスタータモータ。
3. 前記ロータ（３２）の本体部（３５）は磁性体で構成されることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のスタータモータ。
4. 前記ロータ（３２）が前記クランクシャフト（１７）の駆動力で回転するとき、前記ステータ（３１）との協働でジェネレータとして機能することを特徴とする、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のスタータモータ。

Images