JP2015102031A - エンジン始動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ピニオン押出機構の小型化により搭載性を向上できるエンジン始動装置１の提供。【解決手段】ピニオン押出機構は、励磁コイル１２ｂへの通電によりステータ磁極を形成するステータ１２と、シャフト４の外周にヘリカルスプライン嵌合するプランジャ１３とを有する。プランジャ１３は、径方向の外周に突歯１３ａが設けられ、且つ、ステータ１２の磁気中心に対しプランジャ中心が反リングギヤ側へオフセットして配置される。エンジン始動時には、インバータの周波数制御によりモータ２をゆっくり回転させた後、励磁コイル１２ｂに通電することでプランジャ１３に軸方向の推進力が発生する。この推進力とプランジャ１３に作用するステータ１２の磁気吸引力との合力によりプランジャ１３が反モータ方向へ移動することにより、ピニオン押出部材１４を介してピニオン６がクラッチ５と一体に押し出されてリングギヤ１０に噛み合う。【選択図】図１

Description

本発明は、交流モータを搭載するエンジン始動装置に関する。

従来、エンジン始動用のスタータでは、電磁スイッチの吸引力によりシフトレバーを駆動してピニオンをエンジンのリングギヤ側へ押し出す方式（ピニオン飛び込み式と呼ばれることがある）が知られている。しかし、このピニオン飛び込み式スタータは、電磁スイッチの軸心とスタータモータの軸心とが平行に配置される二軸構成となる。つまり、電磁スイッチがスタータモータの径方向外側に配置されるため、スタータの搭載スペースを確保することが困難である。
これに対し、電磁スイッチをシャフトの外周に配置した同軸型のスタータが公知である（特許文献１参照）。

特許第３２２３１１９号公報

ところが、特許文献１に開示された従来技術では、ピニオンを押し出す際にシフトレバーによる「てこの原理」を利用することなく、電磁スイッチの吸引力のみでピニオンを押し出す必要がある。この構成では、ピニオンの押し出し力を確保するためにコイルスペースが大きくなるため、搭載上の制約を受ける。
また、ピニオンの押し出し力をコントロールできない、言い換えると、ピニオンをゆっくりと押し出すことができないため、リングギヤとの噛み合い音が大きくなる問題もある。
本発明は、上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、ピニオンをリングギヤに噛み合わせるためのピニオン押出機構を小型化して搭載性の向上を図ると共に、ピニオンとリングギヤとの噛み合い音を低減できるエンジン始動装置を提供することにある。

本発明は、インバータにより回転数および通電電流を独立に制御可能な交流モータと、この交流モータに駆動されて回転するシャフトと、このシャフトの軸上を移動可能に配置されるピニオンと、このピニオンをエンジンのリングギヤに噛み合わせるためのピニオン押出機構とを備えるエンジン始動装置であって、ピニオン押出機構は、ステータコアに励磁コイルを巻回して構成され、励磁コイルへの通電によりステータコアが磁化されて磁極（以下、ステータ磁極と呼ぶ）を形成するステータと、シャフトの外周にヘリカルスプライン嵌合してステータの内周を軸方向に移動可能に配置され、且つ、径方向の外周に突歯を有するプランジャと、このプランジャがシャフト上をリングギヤ側へ移動する際に、そのプランジャの移動をピニオンに伝達してピニオンを押し出すピニオン押出部材とを備え、ステータ磁極の軸方向の中心を磁気中心と呼び、プランジャの軸方向の中心をプランジャ中心と呼ぶ時に、プランジャは、ステータの磁気中心に対しプランジャ中心が軸方向の反リングギヤ側へオフセットして配置されていることを特徴とする。

本発明のエンジン始動装置は、ステータの磁気中心とプランジャ中心とが軸方向にオフセットしているので、励磁コイルへの通電により電磁石が形成されると、その電磁石の吸引力（プランジャを軸方向に吸引する力）がプランジャに作用する。
また、プランジャの外周に突歯が形成されているため、励磁コイルへの通電によりステータ磁極が形成されると、そのステータ磁極とプランジャの突歯との間にリラクタンストルクが発生し、そのリラクタンストルクがプランジャの回転抑止力として働く。この状態（プランジャの回転が抑止された状態）でモータに通電してシャフトを回転させると、シャフトに形成されたヘリカルスプラインのねじれ角に沿ってプランジャに軸方向の推進力が発生する。これらの合力（電磁石の吸引力＋ヘリカルスプラインの作用による推進力）がプランジャをリングギヤ側へ移動させる推進力となる。このため、電磁スイッチの吸引力だけでプランジャを押し出す従来技術（特許文献１の方式）と比較して、励磁コイルの巻線スペースを小さくでき、結果的にピニオン押出機構の小型化を図ることが可能である。

実施例１に係るエンジン始動装置の縦断面図である。 実施例１に係るピニオン押出機構の横断面図である。 実施例１に係るピニオン押出機構の縦断面図である。 実施例１に係るエンジン始動装置の作動フローチャートである。 実施例２に係るピニオン押出機構の縦断面図である。 実施例２に係るピニオン押出機構の縦断面図である。 実施例３に係るエンジン始動装置の縦断面図である。

本発明を実施するための形態を以下の実施例により詳細に説明する。

〔実施例１〕
図１に示すエンジン始動装置１は、インバータ駆動される交流モータ２と、減速機３を介してモータ２のトルクが伝達されるシャフト４と、シャフト４の軸上に配置されるクラッチ５及びピニオン６と、後述するピニオン押出機構等より構成される。
モータ２は、例えば、三相の電機子巻線を有する固定子（図示せず）と、回転子軸７を有する回転子（図示せず）とを備え、インバータ（図示せず）より電機子巻線に三相交流を印加して回転磁界を発生させることにより、回転子が回転磁界に吸引されて回転する。回転子は、鉄心に永久磁石を埋設した永久磁石埋設型、あるいは鉄心の外周に突極を形成する突極型などを採用できる。
インバータ（図示せず）は、ＩＧＢＴやＭＯＳ−ＦＥＴ等のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作により直流電力を交流電力に変換して電機子巻線に印加する周知の電力変換装置であり、モータ２の回転数および通電電流を独立に制御できる。

シャフト４は、図示左側の端部が軸受８を介してスタータハウジング９に支持され、図示右側の端部が減速機３を介してモータ２の回転子軸７に連結される。
減速機３は、例えば、複数の遊星歯車３ａを有する周知の遊星歯車減速機であり、遊星歯車３ａの公転運動が遊星キャリア３ｂを介してシャフト４に伝達される。
クラッチ５は、シャフト４の外周にヘリカルスプライン嵌合して配置される。このクラッチ５は、シャフト４の回転をピニオン６に伝達する一方、エンジンの始動によりピニオン６の回転速度がシャフト４の回転速度を上回った時に、ピニオン６の回転がシャフト４に伝達されることを遮断する一方向クラッチである。
ピニオン６は、クラッチ５の反モータ側（図示左側）に配置され、クラッチ５と一体にシャフト４の軸上を反モータ方向へ移動してエンジンのリングギヤ１０に噛み合うことができる。ピニオン６の反クラッチ側には、ピニオン６を反リングギヤ方向（図示右方向）へ押し戻すためのスプリング１１が配設されている。

続いて、本発明に係るピニオン押出機構について、図１と共に図２及び図３を参照して説明する。
ピニオン押出機構は、減速機３とクラッチ５との間に配置されるステータ１２と、クラッチ５より反ピニオン側でシャフト４の外周にヘリカルスプライン嵌合するプランジャ１３と、このプランジャ１３に連結されたピニオン押出部材１４とを有する。
ステータ１２は、例えば、図２に示すように、スタータハウジング９の内周に９０度間隔で４箇所にステータコア１２ａが配置されて、各ステータコア１２ａに励磁コイル１２ｂが巻回される。ステータコア１２ａは、突極を有し、この突極が励磁コイル１２ｂへの通電により磁化されてステータ磁極を形成する。

プランジャ１３は、例えば、図２に示すように、径方向の外周に９０度間隔で４箇所に突歯１３ａが設けられ、この突歯１３ａがプランジャ１３の軸方向全長に渡って形成される。また、プランジャ１３は、図３に示すように、ステータ１２の磁気中心に対しプランジャ中心が軸方向の反リングギヤ側（図示右側）へオフセットして配置される。このオフセット量は、ピニオン６が静止状態（図１に示す状態）からリングギヤ１０に噛み合う位置まで移動する距離と同一である。なお、ステータ１２の磁気中心とは、ステータ磁極の軸方向の中心であり、プランジャ中心とは、プランジャ１３の軸方向の中心を言う。
ピニオン押出部材１４は、プランジャ１３がシャフト４上を反モータ方向（図１の左方向）へ移動する際に、そのプランジャ１３の移動をクラッチ５に伝達して、ピニオン６をクラッチ５と共にリングギヤ１０側へ押し出す働きを有する。

次に、エンジン始動装置１の作動を図４に示すフローチャートを基に説明する。
ここでは、例えば、交差点での信号停止時にエンジンを自動停止させるためのアイドリングストップが実施された後、エンジンの再始動要求が発生した時に、ピニオン６をリングギヤ１０に噛み合せるまでの手順を説明する。なお、図４に示すフローチャートには、各処理にＳ番号（Ｓ１〜Ｓ８）を付している。
まず、Ｓ１で始動モードを判定する。この始動モードには、以下の三つのモード（１）、（２）、（３）が設定され、エンジン回転数Ｎｅに応じて判定される。
モード（１）…Ｎｅ≧２００ｒｐｍ
モード（２）…０＜Ｎｅ＜２００ｒｐｍ
モード（３）…Ｎｅ＝０ｒｐｍ
つまり、モード（１）と（２）は、エンジンが完全に停止するまでの惰性回転中にエンジンの再始動要求が発生した場合であり、モード（３）はエンジンが完全に停止した状態で再始動要求が発生した場合である。

Ｓ１でモード（１）と判定された場合は、エンジン回転数Ｎｅが高いと判断できるので、この時点でピニオン６を押し出してリングギヤ１０に噛み合せると、噛み合い時の衝撃が大きくなる。あるいは、リングギヤ１０の回転数が低下するまでは、ピニオン６がリングギヤ１０の側面に当接したままリングギヤ１０との噛み合いが成立しないこともある。そこで、モード（１）の場合は、ピニオン６を押し出す前にモータ２への通電を行い、ピニオン６の回転速度を高めた状態でピニオン６の押し出しを行う。すなわち、図４のＳ２でモータ２への通電を行い、Ｓ３でインバータの周波数制御によりモータ２を高速回転させる。その後、Ｓ４でステータ１２の励磁コイル１２ｂに通電する。

励磁コイル１２ｂに通電してステータ磁極が形成されると、プランジャ１３に磁気吸引力が作用するため、ステータ１２の磁気中心とプランジャ中心とのオフセット量（図３参照）だけプランジャ１３がシャフト４上を反モータ方向へ移動する。
なお、励磁コイル１２ｂへの通電により、ステータ磁極とプランジャ１３の突歯１３ａとの間にリラクタンストルクが発生し、そのリラクタンストルクがプランジャ１３の回転を抑制する回転抑止力として働くが、シャフト４がモータ２に駆動されて回転するので、プランジャ１３は回転抑止力に抗してシャフト４上を移動する。
このプランジャ１３の移動により、ピニオン押出部材１４を介してピニオン６がクラッチ５と一体に押し出されて惰性回転中のリングギヤ１０に噛み合う。

Ｓ１でモード（２）と判定された場合は、エンジン回転数Ｎｅが２００ｒｐｍより低いので、ピニオン６を押し出す前にモータ通電を行う必要はない。つまり、ピニオン6の回転を上げる必要はないので、図４のＳ５でステータ１２の励磁コイル１２ｂに通電する。この励磁コイル１２ｂへの通電により、ステータ１２の磁気吸引力がプランジャ１３に作用するため、ステータ１２の磁気中心とプランジャ中心とのオフセット量だけプランジャ１３がシャフト４上を反モータ方向へ移動する。この時、上記モード（１）の場合と同様に、リラクタンストルクがプランジャ１３の回転抑止力として働くため、プランジャ１３は、シャフト４上をヘリカルスプラインのねじれ角に沿ってシャフト４上を移動する。
このプランジャ１３の移動により、ピニオン押出部材１４を介してピニオン６がクラッチ５と一体に押し出されて惰性回転中のリングギヤ１０に噛み合う。

Ｓ１でモード（３）と判定された場合は、エンジン回転数Ｎｅ＝０ｒｐｍであるため、モータ２をゆっくり回転させた状態でピニオン６を押し出してリングギヤ１０に噛み合せる。すなわち、図４のＳ６でモータ２への通電を行い、Ｓ７でインバータの周波数制御によりモータ２をゆっくり回転させる。その後、Ｓ８でステータ１２の励磁コイル１２ｂに通電する。この場合、リラクタンストルクによる回転抑止力がプランジャ１３に働く状態でシャフト４がモータ２に駆動されてゆっくり回転することにより、ヘリカルスプラインのねじれ角に沿ってプランジャ１３に軸方向の推進力が発生する。この推進力とプランジャ１３に作用するステータ１２の磁気吸引力との合力によりプランジャ１３がシャフト４上を反モータ方向へ移動する。
このプランジャ１３の移動により、ピニオン押出部材１４を介してピニオン６がクラッチ５と一体に押し出されてリングギヤ１０に噛み合う。なお、このモード（３）では、リングギヤ１０が惰性回転することなく停止している状態でピニオン６が押し出されるが、ピニオン６がリングギヤ１０に当接した後、噛み合い可能な位置まで回転することでリングギヤ１０との噛み合いが成立する。

〔実施例１の作用および効果〕
実施例１のエンジン始動装置１は、ステータ１２の磁気中心とプランジャ中心とが軸方向にオフセットしているので、励磁コイル１２ｂへの通電によりステータ磁極が形成されると、ステータ１２の磁気吸引力がプランジャ１３に作用する。
また、プランジャ１３の外周に突歯１３ａが形成されているので、ステータ磁極とプランジャ１３の突歯１３ａとの間にリラクタンストルクが発生し、そのリラクタンストルクがプランジャ１３の回転抑止力として働く。この状態（プランジャ１３の回転が抑止された状態）でモータ２をゆっくり回転させると、シャフト４に形成されたヘリカルスプラインのねじれ角に沿ってプランジャ１３に軸方向の推進力が発生する。

上記の推進力とステータ１２の磁気吸引力との合力がプランジャ１３をリングギヤ１０側へ移動させる推進力となる。この場合、ステータ１２の磁気吸引力だけでプランジャ１３を移動させる必要がないので、従来技術（特許文献１）と比較して励磁コイル１２ｂの巻線スペースを小さくできる。その結果、ピニオン押出機構の小型化を図ることができるので、エンジン始動装置１の搭載性が向上する。また、モータ２をゆっくり回転させることで、ピニオン６とリングギヤ１０との噛み合い時に生じる衝撃を小さくできるので、静粛性の点でも有利である。なお、モータ２をゆっくり回転させる場合は、モータ２への通電電流を最小限に抑制することで、省電力化に寄与できる。

以下、本発明に係る他の実施例について説明する。
なお、実施例１と共通する部品あるいは同一機能を有するものは、実施例１と同一の符号を付与し、その詳細な説明は省略する。
〔実施例２〕
この実施例２は、プランジャ１３の外周に設けられる突歯１３ａの高さをテーパ状に傾斜させた事例である。具体的には、図５に示すように、軸方向の右端から左端に向かって突歯１３ａの高さが次第に小さくなるように傾斜している。この構成によれば、プランジャ１３がシャフト４上を反モータ方向（図示左方向）へ移動するに連れて、プランジャ１３に作用する回転抑止力が減少するため、回転ロスを小さくできる効果がある。
なお、突歯１３ａの高さをテーパ状に傾斜させる場合に、図５とは逆向き、つまり、図６に示すように、軸方向の左端から右端に向かって突歯１３ａの高さが次第に小さくなるように傾斜する形状でも同様の効果を得ることができる。

〔実施例３〕
この実施例３は、図７に示すように、ステータ１２の励磁コイル１２ｂとモータ２の電機子巻線（図示せず）とを直列に接続した事例である。この場合、一つの制御回路で励磁コイル１２ｂへの通電とモータ２への通電とを関係させて制御できるので、制御系統の簡素化および低コスト化を図ることが可能である。

１ エンジン始動装置
２ 交流モータ
４ シャフト
６ ピニオン
１０ リングギヤ
１２ ステータ（ピニオン押出機構）
１２ａ ステータコア
１２ｂ 励磁コイル
１３ プランジャ（ピニオン押出機構）
１３ａ プランジャの突歯
１４ ピニオン押出部材（ピニオン押出機構）

Claims (4)

1. インバータにより回転数および通電電流を独立に制御可能な交流モータ（２）と、
   この交流モータ（２）に駆動されて回転するシャフト（４）と、
   このシャフト（４）の軸上を移動可能に配置されるピニオン（６）と、
   このピニオン（６）をエンジンのリングギヤ（１０）側へ押し出すためのピニオン押出機構とを備えるエンジン始動装置（１）であって、
   前記ピニオン押出機構は、
   ステータコア（１２ａ）に励磁コイル（１２ｂ）を巻回して構成され、前記励磁コイル（１２ｂ）への通電により前記ステータコア（１２ａ）が磁化されて磁極（以下、ステータ磁極と呼ぶ）を形成するステータ（１２）と、
   前記シャフト（４）の外周にヘリカルスプライン嵌合して前記ステータ（１２）の内周を軸方向に移動可能に配置され、且つ、径方向の外周に突歯（１３ａ）を有するプランジャ（１３）と、
   このプランジャ（１３）が前記シャフト（４）上を前記リングギヤ（１０）側へ移動する際に、そのプランジャ（１３）の移動を前記ピニオン（６）に伝達して前記ピニオン（６）を押し出すピニオン押出部材（１４）とを備え、
   前記ステータ磁極の軸方向の中心を磁気中心と呼び、前記プランジャ（１３）の軸方向の中心をプランジャ中心と呼ぶ時に、
   前記プランジャ（１３）は、前記ステータ（１２）の磁気中心に対し前記プランジャ中心が軸方向の反リングギヤ側へオフセットして配置されていることを特徴とするエンジン始動装置。
2. 請求項１に記載したエンジン始動装置（１）において、
   前記プランジャ（１３）は、軸方向の一端から他端に向かって前記突歯（１３ａ）の高さが次第に大きくまたは小さくなるように傾斜していることを特徴とするエンジン始動装置。
3. 請求項１または２に記載したエンジン始動装置（１）において、
   前記エンジンを自動停止させるアイドリングストップが実施された後、前記エンジンを再始動させるための再始動要求が発生した時に、エンジン回転数（Ｎｅ）に応じて前記交流モータ（２）への通電と前記励磁コイル（１２ｂ）への通電とを独立に制御することを特徴とするエンジン始動装置。
4. 請求項１または２に記載したエンジン始動装置（１）において、
   前記交流モータ（２）の電機子巻線と前記ステータ（１２）の励磁コイル（１２ｂ）とを直列に接続したことを特徴とするエンジン始動装置。

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