JP5959583B2

JP5959583B2 - スタータ

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Publication number: JP5959583B2
Application number: JP2014169127A
Authority: JP
Inventors: 健修松原; 亀井　光一郎; 光一郎亀井; 小田原　一浩; 一浩小田原; 好由岡田; 健介加藤; 善弘佐々木; 水野　大輔; 大輔水野; 弘明北野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-08-22
Filing date: 2014-08-22
Publication date: 2016-08-02
Anticipated expiration: 2034-08-22
Also published as: JP2016046906A

Description

この発明は、車両のエンジンを始動させるスタータに関するものである。

近年、燃費向上等を目的として、エンジンの出力が必要とされない場合はエンジンを自動的に停止させ、エンジンの出力が必要になると自動的にスタータでエンジンを再始動させるエンジン自動停止始動制御が採用されつつある。

このようなエンジン自動停止始動制御では、停止信号や渋滞等により車両が一時停止したときには、エンジンへの燃料供給をカットしてエンジンを自動的に停止させるようにしている。そして、その後、運転者によりブレーキペダルの解除操作、ドライブレンジへのシフト操作等の発進操作が行われたときに、スタータを自動的に起動してエンジンを再始動させる。

一般的にエンジンを自動的に再始動する際は、エンジンは暖機されているので、エンジンを始動するのに必要なトルクは低い。したがって、エンジン自動停止始動制御においては、エンジンを迅速に始動させるために、低負荷域では回転数を高くする必要がある。一方で、低温時などエンジンのフリクショントルクが大きい高負荷域では、高トルクを出力する必要がある。

具体的には、エンジンを自動的に再始動する際には、車両の発進、加速の遅れによる違和感や不快感を運転者に与えないために、通常始動時と比較して、０．５秒程度のごく短い時間で始動させることが求められる。

そこで、例えば、界磁コイルを直巻コイルにすると、スタータの回転数を高く設定することができる。しかしながら、界磁コイルを直巻コイルにした場合には、無負荷時のスタータ回転数が高速になってしまい、電機子の強度不足による破損や、ブラシ及び軸受部品の短寿命化が懸念される。

このような課題を解決するためのスタータとして、電機子と直列に接続した直巻コイルと、電機子と並列に接続した分巻コイルの両方を設けた複巻式としたものがある（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１のスタータでは、所定温度以上で接点が閉じることにより、分巻コイルがモータ回路から切り離されてモータの特性が切替わる。この結果、通常始動時は無負荷回転を低減し、再始動時は低負荷及び無負荷時のモータ回転数を高くすることができる。

特開２００６−１４９００４号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１のスタータでは、界磁を発生させる界磁コイルとして、直巻コイルと分巻コイルの２種類のコイルを有するため、モータの構造が複雑となってしまう。この結果、コイルの結線等に時間を要することによる生産性の悪化、消費電流の増大、モータの大型化・重量化といった課題があった。また、内部抵抗の増加による出力の低下を補うために、巻線の断面積を大きくする必要があり、モータがさらに大型化・重量化してしまうという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、モータを複雑化または短寿命化させることなく、エンジンを再始動するための高回転性と、低温時にエンジンを通常始動するための高トルク性とを両立できるスタータを得ることを目的とする。

本発明に係るスタータは、エンジンを始動させるモータと、モータの界磁を発生させる界磁部とを備えたスタータであって、界磁部は、永久磁石と界磁コイルの両方を備え、前記界磁部において、磁極は複数の対になったＮ極、Ｓ極で構成され、一方の極が前記永久磁石、他方の極が前記界磁コイルで構成され、前記界磁コイルは、前記モータの電機子と直列に接続され、前記界磁コイルへの電流を制御する界磁コイル電流制御部を、前記界磁コイルと並列に備え、前記界磁コイル電流制御部は、接点を開閉させることで前記界磁コイルへの電流を供給または抑制するリレーを用いて構成され、前記エンジンを始動するのに必要なトルクが小さい低負荷域において、前記界磁コイルへの電流を抑制し、前記界磁コイルへの電流を、外気、エンジンルーム、エンジン油、冷却水のいずれかの温度の温度測定値に基づいて制御し、前記界磁コイルへの電流が抑制された状態で前記エンジンを始動した場合には、前記始動を開始してから予め定めた第２の時間経過後に前記エンジンの回転数が予め定めた値に達していなければ、前記界磁コイルに電流を供給するものである。

この発明によれば、モータの界磁を発生させる界磁部に永久磁石と界磁コイルの両方を備える構成を採用している。この結果、モータを複雑化または短寿命化させることなく、エンジンを再始動するための高回転性と、低温時にエンジンを通常始動するための高トルク性とを両立できるスタータを得ることができる。

本発明の実施の形態１に係るスタータの断面概略図である。本発明の実施の形態１に係るスタータのモータの断面概略図である。本発明の実施の形態１に係るスタータ回路の例示図である。従来の界磁コイル式スタータ、従来の永久磁石式スタータ、および、界磁コイルと永久磁石の両方を備えた本発明の実施の形態１に係るスタータの、出力が同等となるように設計した場合の特性の例示図である。本発明の実施の形態２に係るスタータ回路の例示図である。本発明の実施の形態２に係るスタータのリレーＯＮ／ＯＦＦ時の特性の変化を示す図である。

以下、この発明におけるスタータの好適な実施の形態について図面を用いて説明する。なお、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るスタータの断面概略図である。図１に示すスタータは、電磁スイッチ１、吸引コイル２、プランジャ３、レバー４、モータ５、出力軸６、内部減速部７、オーバランニングクラッチ８、およびピニオンギヤ９を備えて構成される。

スタータがエンジンを始動する際には、まず、電磁スイッチ１の吸引コイル２が通電される。これにより、励磁されたプランジャ３が、図１の左方向（矢印Ａ方向）に吸引されて移動するとともに、一端がプランジャ３に係合されたレバー４が、レバー支点４０を中心に反時計方向にシーソー回動する。

この結果、レバー４の他端に係合されたオーバランニングクラッチ８が、出力軸６上を図１の右方向（矢印Ｂ方向）に移動して、エンジンに連結されているリングギヤ１０とピニオンギヤ９とが噛み合う。

また、プランジャ３が図１の左方向に移動することにより、電磁スイッチ１の接点（図示せず）が閉路して、バッテリー１８（後述の図３参照）からの電流がモータ５へと供給される。モータ５に発生したトルクは、内部減速部７、出力軸６、オーバランニングクラッチ８、ピニオンギヤ９へと順に伝達され、ピニオンギヤ９を介してリングギヤ１０を回転させることで、エンジンを始動させる。

また、図１に示すモータ５は、界磁を発生させる界磁部１１と、一端に整流子１２を有する電機子１３と、整流子１２の外周に配置されるブラシ１４とを備えて構成される。

図２は、本発明の実施の形態１に係るスタータのモータ５の断面概略図である。モータ５の界磁部１１は、図２に示すように、磁気回路を形成するヨーク１５と、その内周に沿って等間隔に配置された界磁コイル１６および永久磁石１７とを備えて構成される。

ここで、例えば、界磁部１１の磁極が、複数の対になったＮ極、Ｓ極で構成され、一方の極が永久磁石１７、他方の極が界磁コイル１６で構成されるようにしたスタータでは、磁力がバランスするので回転軸に偏荷重が加わることが無く、安定して回転させることができる。また、永久磁石１７、界磁コイル１６の数がそれぞれ半分で済むので、すべての極を界磁コイル１６で構成する場合と比較して、コストが低減できる。更に、界磁コイル１６を片側の極に集中させることで結線が容易になり、生産性が向上する。

なお、図２では、界磁コイル１６と永久磁石１７を、それぞれ独立して異なる磁極に交互に配置しているが、本発明は、このような構成に限定されるものではない。例えば、同一の磁極の中に界磁コイル１６と永久磁石１７を配置することも可能である。

図３は、本発明の実施の形態１に係るスタータ回路の例示図である。図３に示す本実施の形態１のスタータの界磁部は、永久磁石と界磁コイル１６の両方を備えている。また、界磁コイル１６は電機子１３に対して直列に接続されている。

図３に示す電磁スイッチ１は、図１の電磁スイッチ１を回路図として例示したものである。また、バッテリー１８は、モータ５に電力を供給し、スタータスイッチ１９は、スタータの起動を開始させる。これらの構成要素の機能については、先に図１を用いて説明した通りである。

図４は、従来の界磁コイル式スタータ、従来の永久磁石式スタータ、および、界磁コイル１６と永久磁石の両方を備えた本発明の実施の形態１に係るスタータの、出力Ｐが同等となるように設計した場合の特性の例示図である。図４に示すように、従来の界磁コイル式スタータ（点線）では、従来の永久磁石式スタータ（鎖線）と比較して、モータ５に流すスタータ電流ｉが大きい高負荷域において、高トルクを発生することができる。また、スタータ電流ｉが小さい低負荷域において、高回転とすることができる。

本実施の形態１のスタータ（実線）でも、界磁コイル１６を備えているので、この界磁コイル１６が形成する界磁により、高負荷域においては永久磁石式スタータ（鎖線）と比較して高トルクを発生することが可能である。この結果、例えば、低温時などエンジンのフリクショントルクが大きい場合でも確実にエンジンを始動することができる。

また、本実施の形態１のスタータ（実線）では、前述のように永久磁石の数を少なくすることができるので、エンジンが回り始めて負荷が軽くなる低負荷域においては、従来の永久磁石式スタータ（鎖線）と比較して、モータ５が高回転となりエンジンを素早く始動することができる。これにより、スタータの動作時間が短縮されて静粛性が向上する。

さらに、本実施の形態１のスタータ（実線）では、低負荷域において界磁コイル１６による界磁が減少しても、永久磁石による界磁により、無負荷時のモータ５の回転数が高くなり過ぎることを抑制することができる。この結果、界磁コイル式スタータ（点線）と比較して、ブラシ１４や軸受などの摺動部の摩耗が抑制されるので、スタータの短寿命化を抑制することができる。

このように、永久磁石と界磁コイル１６の両方を備えることで、始動時の高負荷域では高トルクを発生できるので、例えば、低温時など、エンジンのフリクショントルクが大きい場合でも確実に始動することができる。また、エンジンが回り始め、負荷が軽くなる低負荷域では、界磁電流も小さくなり高回転となるのでエンジンを素早く始動することができる。また、スタータの動作時間が短縮され、静粛性が向上する。また、無負荷時のモータ５の回転数が高くなり過ぎることを抑制することができ、長寿命化につながる。

また、従来の複巻式と比較して、分巻コイルを永久磁石に置き換えているのでモータ５の構造が簡素化される。

以上のように、実施の形態１によれば、モータの界磁を発生させる界磁部に永久磁石と界磁コイルの両方を備える構成を採用している。この結果、モータを複雑化または短寿命化させることなく、エンジンを再始動するための高回転性と、低温時にエンジンを通常始動するための高トルク性とを両立できるスタータを得ることができる。

実施の形態２．
本実施の形態２では、エンジンを始動するのに必要なトルクが小さい低負荷域において、界磁コイル１６への電流への電流がほとんど流れないように抑制することにより、低負荷域におけるスタータの高回転性を、先の実施の形態１の場合と比較してさらに向上させる方法について説明する。

図５は、本発明の実施の形態２に係るスタータ回路の例示図である。図５に示す本実施の形態２のスタータでは、界磁コイル１６への電流を制御する界磁コイル電流制御部２０が界磁コイル１６に対して並列に設けられている。界磁コイル電流制御部２０は、例えば、接点を閉じる（「ＯＮ」する）ことにより界磁コイル１６への電流がほとんど流れないように抑制し、接点を開く（「ＯＦＦ」する）ことにより界磁コイル１６への電流を供給するリレーを用いて実現できる。その他の構成については、先の実施の形態１の図３と同じである。

図５に示す本実施の形態２のスタータは、高負荷域においては界磁コイル電流制御部２０のリレーを開いたままにしておく。この結果、先の実施の形態１と同様に、界磁コイル１６と永久磁石１７の両方を用いてスタータを駆動してエンジンを始動することで、高負荷域において先の実施の形態１と同様の効果を得ることができる。すなわち、モータトルクを高くすることで、素早くエンジンを始動することができ、スタータの動作時間が短縮されて静粛性が向上する。

一方で、エンジンを始動するのに必要なトルクが小さい低負荷域では、界磁コイル電流制御部２０は、例えば、モータ５に流れるスタータ電流ｉが予め定めた閾値以下となった場合にリレーを閉じて、界磁コイル１６への電流を抑制して界磁を弱める。この結果、低負荷域においてモータ５は高回転型となるのでエンジンをより素早く始動することができる。また、界磁コイル１６による銅損が無くなるので効率が向上する。

また、本実施の形態２のスタータでも先の実施の形態１と同様に、永久磁石１７による界磁により、無負荷時のモータ５の回転数が高くなり過ぎるのを抑制することができる。この結果、スタータが短寿命化するのを抑制することができる。

図６は、本発明の実施の形態２に係るスタータのリレーＯＮ／ＯＦＦ時の特性の変化を示す図である。図６の実線がリレーを開いた場合（リレーＯＦＦ時）、図６の点線がリレーを閉じた場合（リレーＯＮ時）を示している。界磁コイル電流制御部２０のリレーを閉じた場合は、界磁コイル１６に電流がほとんど流れなくなり、界磁はほぼ永久磁石によるもののみとなる。ここで、図６に示す本実施の形態２のスタータ（実線および点線）では、永久磁石式スタータ（鎖線）と比較して永久磁石の数が少なくなっている。界磁と回転数とは反比例の関係にあるので、リレーＯＮ時のスタータ（点線）は、永久磁石式スタータ（鎖線）と比較して高回転となっている。また、界磁とトルクとは比例の関係にあるので、リレーＯＮ時のスタータ（点線）は、永久磁石式スタータ（鎖線）比較して低トルクとなっている。また、リレーＯＮ時は界磁コイル１６による抵抗が小さくなるので、リレーＯＮ時の出力Ｐ’（点線）はリレーＯＦＦ時の出力Ｐ（実線）と比較して大きくなっている。

なお、エンジンを再始動する頻度は、通常始動する頻度と比較して高いため、界磁コイル電流制御部２０のリレーとしてノーマルクローズのものを使用することにより、リレーの作動頻度が少なくなってリレーの寿命を向上させることができる。

また、以上の説明では、界磁コイル電流制御部２０として、その接点を開閉させることで界磁コイル１６への電流を抑制するリレーを用いる例を示したが、代わりに、界磁コイル１６への電流を連続的に制御することができるような半導体を用いてもよい。これにより、予め定めた電流閾値付近におけるスタータの回転数およびトルクをより柔軟に連続的に制御できるようになる。

以上のように、実施の形態２によれば、モータの界磁を発生させる界磁部に永久磁石と界磁コイルの両方を備えるとともに、必要に応じて界磁コイルへの電流を抑制できる構成をさらに備えている。この結果、低負荷域において界磁コイルへの電流がほとんど流れないように抑制することにより、先の実施の形態１と同様の効果に加えて、さらに低負荷域におけるスタータの高回転性を向上させることができる。

なお、実施の形態２において、エンジンのフリクショントルクは、一般的に温度に依存する。したがって、界磁コイル１６への電流を、外気、エンジンルーム、エンジン油、冷却水のいずれかの温度に応じて制御することで、エンジンをさらに効率良く始動することができる。

具体的には、上記のいずれかの温度を測定し、この温度測定値が予め定めた値よりも低い場合には、界磁コイル電流制御部２０は、界磁コイル１６へ電流を供給するように制御を行う。一般に、低温になるほどエンジンオイルの粘性が上がりフリクショントルクが大きくなるので、界磁コイル１６に通電することで界磁を強くしてモータ５を高トルク化し、エンジンを確実に始動することができる。

反対に、温度測定値が予め定めた値よりも高い場合には、界磁コイル電流制御部２０は、界磁コイル１６への電流を抑制する。高温になるほどエンジンオイルの粘性が下がりフリクショントルクが小さくなるので、界磁コイル１６への電流を抑制することで界磁を弱くしてモータ５を高回転化し、エンジンをより素早く始動することができる。これにより、スタータの動作時間が短縮されて静粛性が向上する。

また、予め定めた条件が成立したときにエンジンを自動的に停止または再始動するエンジン自動停止始動制御を行うスタータにおいては、運転者のスイッチ操作によってエンジンを通常始動する場合と、エンジン自動停止始動制御によって自動的に再始動する場合とで、異なる界磁コイル１６への電流の制御方法を用いるようにする。

具体的には、運転者のスイッチ操作によってエンジンを通常始動する場合は、一般的にエンジンは冷えており、高トルクを必要とする。したがって、界磁コイル１６への電流を供給することにより、界磁が強くなりモータ５が高トルク化するので、エンジンをより確実に始動することができる。

一方、エンジン自動停止始動制御によってエンジンを自動的に再始動する場合は、エンジンは暖機されて高トルクを必要としないとともに、スイッチ操作時と比較してより短時間で始動できることが求められる。したがって、界磁コイル１６への電流を抑制することにより、界磁が弱まりモータ５が高回転化するので、エンジンをより素早く始動することができる。

また、実施の形態２において、エンジン自動停止始動制御によってエンジンを自動的に再始動する場合には、界磁コイル電流制御部２０は、まず界磁コイル１６への電流を供給する。そして、モータ５が通電されて回転を開始するまでの予め定めた第１の時間（例えば、３０〜１００ｍｓｅｃ）経過後に、界磁コイル１６への電流を抑制する。

これにより、スタータ起動時は、モータ５の内部抵抗が大きくなるので、起動電流が少なくなりスタータ起動時の電圧低下を抑制して瞬停等を防止することができ、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）のリセットを防止することができる。

また、実施の形態２において、界磁コイル１６への電流が抑制されるようにエンジンを始動する場合には、界磁コイル電流制御部２０は、スタータの駆動開始から予め定めた第２の時間経過後に、エンジン回転数が予め定めた値に達していなければ、界磁コイル１６への通電を開始する。

これにより、モータ５のトルク不足でエンジンを始動できない場合でも、予め定めた第２の時間経過後に界磁コイル１６へ通電することでモータ５が高トルク化し、確実にエンジンを再始動することができる。

１電磁スイッチ、２吸引コイル、３プランジャ、４レバー、４０レバー支点、５モータ、６出力軸、７内部減速部、８オーバランニングクラッチ、９ピニオンギヤ、１０リングギヤ、１１界磁部、１２整流子、１３電機子、１４ブラシ、１５ヨーク、１６界磁コイル、１７永久磁石、１８バッテリー、１９スタータスイッチ、２０界磁コイル電流制御部。

Claims

バッテリーから電力の供給を受けて回転力を発生することでエンジンを始動させるモータと、前記モータの界磁を発生させる界磁部とを備えたスタータであって、
前記界磁部は、永久磁石と界磁コイルの両方を備え、
前記界磁部において、磁極は複数の対になったＮ極、Ｓ極で構成され、一方の極が前記永久磁石、他方の極が前記界磁コイルで構成され、
前記界磁コイルは、前記モータの電機子と直列に接続され、
前記界磁コイルへの電流を制御する界磁コイル電流制御部を、前記界磁コイルと並列に備え、
前記界磁コイル電流制御部は、
接点を開閉させることで前記界磁コイルへの電流を供給または抑制するリレーを用いて構成され、前記エンジンを始動するのに必要なトルクが小さい低負荷域において、前記界磁コイルへの電流を抑制し、
前記界磁コイルへの電流を、外気、エンジンルーム、エンジン油、冷却水のいずれかの温度の温度測定値に基づいて制御し、
前記界磁コイルへの電流が抑制された状態で前記エンジンを始動した場合には、前記始動を開始してから予め定めた第２の時間経過後に前記エンジンの回転数が予め定めた値に達していなければ、前記界磁コイルに電流を供給する
スタータ。
前記界磁コイル電流制御部は、前記温度測定値が予め定めた温度よりも低い場合に前記界磁コイルへの電流を供給する
請求項１に記載のスタータ。
バッテリーから電力の供給を受けて回転力を発生することでエンジンを始動させるモータと、前記モータの界磁を発生させる界磁部とを備え、予め定めた条件が成立した場合に前記エンジンを自動的に停止または再始動するエンジン自動停止始動制御に搭載されるスタータであって、
前記界磁部は、永久磁石と界磁コイルの両方を備え、
前記界磁部において、磁極は複数の対になったＮ極、Ｓ極で構成され、一方の極が前記永久磁石、他方の極が前記界磁コイルで構成され、
前記界磁コイルは、前記モータの電機子と直列に接続され、
前記界磁コイルへの電流を制御する界磁コイル電流制御部を、前記界磁コイルと並列に備え、
前記界磁コイル電流制御部は、
接点を開閉させることで前記界磁コイルへの電流を供給または抑制するリレーを用いて構成され、前記エンジンを始動するのに必要なトルクが小さい低負荷域において、前記界磁コイルへの電流を抑制し、
運転者の操作によって前記エンジンを始動する場合と、前記エンジン自動停止始動制御によって前記エンジンを自動的に再始動する場合とで、前記界磁コイルへ供給する電流を個別に制御し、
前記界磁コイルへの電流が抑制された状態で前記エンジンを始動した場合には、前記始動を開始してから予め定めた第２の時間経過後に前記エンジンの回転数が予め定めた値に達していなければ、前記界磁コイルに電流を供給する
スタータ。
前記界磁コイル電流制御部は、運転者の操作によって前記エンジンを始動する場合には、前記界磁コイルへ電流を供給し、前記エンジン自動停止始動制御によって前記エンジンを自動的に再始動する場合には、前記界磁コイルへの電流を抑制する
請求項３に記載のスタータ。
前記界磁コイル電流制御部は、前記エンジン自動停止始動制御によって前記エンジンを自動的に再始動する場合には、前記再始動を開始してから予め定めた第１の時間経過前は前記界磁コイルへ電流を供給し、前記第１の時間経過後は前記界磁コイルへの電流を抑制する
請求項３に記載のスタータ。