(57)【要約】【課題】製造コストを低減でき、且つ、低トルク・高回転型のモータ特性を磁石界磁の少量設定で対応可能なモータ（内燃機関用始動機）１を提供する。【解決手段】本発明のモータ１は、ヨーク２の内周に複数の磁石３を配置して構成される磁石界磁を有し、磁石３の軸方向長さＬｍと、電機子鉄心１３の軸方向長さＬｃとの寸法比（Ｌｍ／Ｌｃ＝０．２〜０．９）が、従来の電動機の同寸法比（略１．１）と比較して、小さく設定されるため、磁束量が減少して、低トルク・高回転型の特性が得られる。これにより、電機子４の慣性エネルギーＩω2 が大きくなるため、例えば、２輪車等の１〜２気筒エンジンに適用することで、クランキング回転数が改善（上昇）されて、エンジンの着火性が向上する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気回路を形成するヨークの内周に複数個の磁石を配置して構成される磁石界磁と、
この磁石界磁の内側に回転自在に配置される電機子とを備え、この電機子の回転を内燃機関に伝達して前記内燃機関を始動する内燃機関用始動機であって、
前記磁石の軸方向長さをＬｍ、前記電機子の鉄心の軸方向長さをＬｃとした場合に、
Ｌｍ／Ｌｃ＝０．２〜０．９…………………（１）
上記（１）式の関係が成立していることを特徴とする内燃機関用始動機。
【請求項２】
請求項１に記載した内燃機関用始動機において、
前記磁石は、ネオジムを主成分とする希土類磁石であることを特徴とする内燃機関用始動機。
【請求項３】
請求項１または２に記載した内燃機関用始動機において、
前記電機子は、前記鉄心を支持する電機子軸の端部にピニオンギヤが一体的に形成され、このピニオンギヤを介して前記電機子の回転を前記内燃機関に伝達することを特徴とする内燃機関用始動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁石界磁式の内燃機関用始動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、磁石界磁を有するスタータモータが公知である。例えば、非特許文献１に記載された電動機は、図５に示す様に、磁気回路を形成するヨーク１００の内周に複数個の磁石１１０が固定され、その磁石１１０の内側に電機子１２０が回転自在に配置されている。  ヨーク１００は、ハウジング１３０とエンドフレーム１４０との間に挟持されて、スルーボルト１５０の締め付けにより固定されている。磁石１１０は、ヨーク１００の内周面に周方向等間隔に配置されて、磁石界磁を形成している。
電機子１２０は、電機子軸１６０に固定された鉄心１７０に電機子コイル１８０を巻き付けて構成され、電機子軸１６０の両端が軸受１９０、２００を介してハウジング１３０とエンドフレーム１４０とに回転自在に支持されている。
【０００３】
ところで、スタータモータの磁石界磁は、低価格なフェライト磁石が一般的に用いられている（特許文献２参照）。このフェライト磁石を用いて高い回転トルクを得るためには、電機子鉄心に充分な磁束量、すなわち、充分な磁束密度を与える必要がある。このため、上記の非特許文献１に示される電動機では、電機子鉄心１７０の軸方向長さＬｃより、磁石１１０の軸方向長さＬｍの方が長く設定されている。
【０００４】
近年、磁石の材質として、フェライトではなく、希土類を用いた磁石界磁式の電動機が量産化されている。希土類磁石には、ネオジム、鉄、ボロンを主成分とするネオジム磁石が採用されている。このネオジム磁石は、磁束密度が高く、同じ大きさのフェライト磁石と比較した時に、磁気エネルギ積が極めて大きくなるため、フェライト磁石を用いた場合より、電動機の小型、高性能化を実現できる。ちなみに、ネオジム磁石を用いた電動機では、ネオジム磁石の軸方向長さが、電機子鉄心の軸方向長さの約１．１倍前後に設定されている。
【非特許文献１】日本電装公開技報（整理番号２３−０５６）、発行日：１９８１年７月２０日
【特許文献１】特許第３３４７８９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、ネオジム磁石は、グラム単価がフェライト磁石の何十倍もするため、電動機の製造コストが大幅に上昇する問題がある。
更に、２輪車等に搭載される１〜２気筒エンジン用のスタータモータは、低トルク・高回転型のモータ特性が要求されている。この理由は、電機子の慣性エネルギーＩω2 をピストン下降時に電機子に蓄えることにより、そのエネルギーをピストン圧縮に要する仕事量（負荷）に対して費やすことで、結果として、クランキングスピードを向上することが可能である。すなわち、電機子の慣性エネルギーを利用してクランキングスピードを向上するために、低トルク・高回転型の性能が設定されている。
【０００６】
通常は、電機子コイルの巻き数を減らすことで、低トルク・高回転型仕様に対応しているが、２輪車等の１〜２気筒エンジン用のスタータモータは、エンジンの機種等に応じて、電機子軸の先端に歯の大きさ（モジュール）や歯数が異なるピニオンギヤが一体的に形成されているため、電機子ＡＳＳＹの種類が増えて生産工程内での識別が困難になるという問題を抱えている。
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、製造コストを低減でき、且つ、低トルク・高回転型のモータ特性を磁石界磁の少量設定で対応可能な内燃機関用始動機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（請求項１の発明）
本発明の内燃機関用始動機は、ヨークの内周に複数個の磁石を配置して構成される磁石界磁と、この磁石界磁の内側に回転自在に配置される電機子とを備え、磁石の軸方向長さをＬｍ、電機子の鉄心の軸方向長さをＬｃとした場合に、
Ｌｍ／Ｌｃ＝０．２〜０．９…………………（１）
上記（１）式の関係が成立していることを特徴とする。
この構成によれば、例えば、非特許文献１に記載された電動機と比較した場合に、Ｌｍ／Ｌｃの値が小さく設定されるため、界磁磁束が減少する分、低トルク・高回転型の特性が得られる。この場合、電機子コイルの巻き数を減らすことで低トルク・高回転型仕様に対応する必要はなく、磁石界磁（ヨークアッセンブリ）の少量設定で対応可能なため、生産性が向上する。
【０００８】
（請求項２の発明）
請求項１に記載した内燃機関用始動機において、磁石は、ネオジムを主成分とする希土類磁石であることを特徴とする。
本発明の内燃機関用始動機は、請求項１に記載した様に、Ｌｍ／Ｌｃ＝０．２〜０．９に設定される。つまり、磁石の軸方向長さＬｍが電機子鉄心の軸方向長さＬｃより短く設定されるため、ネオジム磁石を用いた従来の電動機（Ｌｍ／Ｌｃ＝１．１）と比較した場合に、磁石の製造コストを低減できる。
【０００９】
（請求項３の発明）
請求項１または２に記載した内燃機関用始動機において、電機子は、鉄心を支持する電機子軸の端部にピニオンギヤが一体的に形成され、このピニオンギヤを介して電機子の回転を内燃機関に伝達することを特徴とする。
本発明では、低トルク・高回転型の特性を得るために、電機子の仕様（電機子コイルの巻き数）を変更する必要はないので、電機子の種類が増えることを抑制できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明を実施するための最良の形態を以下の実施例により詳細に説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は内燃機関用始動機の断面図である。
実施例１に係る内燃機関用始動機は、図１に示す様に、磁気回路を形成するヨーク２と、このヨーク２の内周に配置される複数個の磁石３と、この磁石３の内側に回転自在に配置される電機子４と、整流用のブラシ５等を有する直流電動機（以下、モータ１と呼ぶ）である。
ヨーク２は、両端が開口する円筒形状の鋼管によって製作され、ハウジング６とエンドフレーム７とに挟持されて、スルーボルト８の締め付けにより固定されている。
複数個の磁石３は、ヨーク２の内周面に周方向等間隔に配置されて、磁石界磁を形成している。
【００１２】
ハウジング６は、図示しないエンジンのクランクケース内に挿入される円筒部６ａが一体に設けられ、この円筒部６ａの外周には、クランクケース内のオイル漏出を阻止するＯリング９が取り付けられている。また、円筒部６ａの内周には、ベアリング１０が圧入固定されている。
エンドフレーム７には、モータ１をエンジンに取付けるための取付け用ステー７ａが一体に設けられ、この取付け用ステー７ａを介してエンジン側の取付けボスにネジ締め固定される。このエンドフレーム７には、筒状の軸受部７ｂが設けられ、この軸受部７ｂの内周にベアリング１１が圧入固定されている。
【００１３】
電機子４は、電機子軸１２と、この電機子軸１２に固定される電機子鉄心１３と、この電機子鉄心１３に巻線される電機子コイル１４とを有し、電機子軸１２に整流子１５が設けられている。
電機子軸１２は、一端側が前記ベアリング１０を介してハウジング６に支持され、他端側が前記ベアリング１１を介してエンドフレーム７に支持されている。電機子軸１２の一端側端部には、ピニオンギヤ１６が形成され、このピニオンギヤ１６がベアリング１０より外側（ハウジング６の円筒部６ａより外側）に取り出されており、エンジンのアイドルギヤ（図示せず）に噛み合わされる。
【００１４】
電機子鉄心１３は、例えば、円板状の珪素鋼板を複数枚積層して電機子軸１２に圧入固定されるラミネートコアであり、電機子鉄心１３の外周には、多数の巻線用スロット１３ａがそれぞれ軸方向に沿って形成されている。
電機子コイル１４は、巻線用スロット１３ａに挿入されて電機子鉄心１３に巻線されている。
整流子１５は、互いに絶縁された複数のセグメントを電機子軸１２の外周に円筒状に配置して構成され、個々のセグメントがそれぞれ電機子コイル１４に接続されている。
【００１５】
ブラシ５は、整流子１５の外周に配置され、スプリング１７によって整流子１５の外周面に押し付けられている。このブラシ５には、給電用端子１８に接続される正極側ブラシ５ａと、エンドフレーム７を介してアース接続される負極側ブラシ５ｂとが設けられている。
給電用端子１８は、エンドフレーム７に取り付けられ、一端側がエンドフレーム７の内部で正極側ブラシ５ａのリード線（図示せず）に接続され、他端側がエンドフレーム７の外部に取り出されて、図示しないセルスイッチを介してバッテリに接続される。
【００１６】
ところで、モータ１の電気性能を示すトルクＴ及び回転数（回転速度）Ｎは、以下の一般式（２）、（３）で表される。なお、Φ：磁束量、Ｉ：電機子電流、Ｖ：端子電圧、Ｒ：モータ抵抗、ｋ１：定数、ｋ２：定数である。
Ｔ＝ｋ１・Φ・Ｉ……………………（２）
Ｎ＝ｋ２（Ｖ−ＩＲ）／Φ…………（３）
上記の一般式（２）、（３）より、低トルク・高回転型のモータ仕様を得るには、磁束量Φを下げれば良いことが分かる。
【００１７】
また、前述した様に、１〜２気筒エンジンに対して高回転型のモータ１を適用するとクランキング回転数が上がる理由は、電機子４の慣性エネルギーＩω2 に関係がある。即ち、エンジン負荷の少ないピストン下死点近傍で電機子４の慣性エネルギーＩω2 を蓄積し、次のピストン圧縮工程における圧縮負荷に対して、蓄積された慣性エネルギーＩω2 をあてることで、クランキング回転数を上げることができる。
そこで、本実施例のモータ１は、磁石３の軸方向長さＬｍと、電機子鉄心１３の軸方向長さＬｃとの寸法比（Ｌｍ／Ｌｃ）を、従来品の同寸法比より小さくする、つまり磁束量Φを減らすことで、低トルク・高回転型のモータ仕様に対応している。
【００１８】
図２は、Ｌｍ／Ｌｃ＝１．０８に設定された従来のモータ（通常品）と、Ｌｍ／Ｌｃ＝０．４９に設定された本発明のモータ１（検討品）を用いて、クランキング回転数を測定した結果である。なお、車両は排気量６５０ｃｃの単気筒エンジンを使用した。
図２に示される通常品と検討品は、モータ１の体格及び電機子コイル１４の巻き数が共に固定であり、磁石３の軸方向長さＬｍと、電機子鉄心１３の軸方向長さＬｃのみが異なる。また、磁石界磁には、ネオジム磁石を使用している。
上記の測定によれば、Ｌｍ／Ｌｃの値が通常品より小さい検討品の方が、電機子４の慣性エネルギーＩω2 が大きくなり、クランキング回転数が向上する結果が得られた。
【００１９】
続いて、Ｌｍ／Ｌｃの設定範囲について説明する。
図３は、磁石３の軸方向長さＬｍを１０、２５、４０ｍｍに設定した場合に、電機子鉄心１３の軸方向長さＬｃとの寸法比（Ｌｍ／Ｌｃ）を示すグラフである。このグラフでは、Ｌｃが大きくなるに従って、同寸法比（Ｌｍ／Ｌｃ）が飽和する傾向にある。そこで、同寸法比（Ｌｍ／Ｌｃ）が略飽和する値を選定することができる。しかし、Ｌｃが大きくなると、必然的にモータ１の重量が増加するため、これを回避するためには、Ｌｍ／Ｌｃ＝０．２以上であることが望ましい。
【００２０】
一方、性能面での寸法比（Ｌｍ／Ｌｃ）の上限は、ネオジム磁石の磁力が強力であるため、Ｌｍ／Ｌｃ＝１．１前後で充分である。しかし、ＬｃをＬｍより大きくすることで、磁石３の軸方向端面での漏洩磁束（フリンジング）を収集できるため、トルクを重視した場合の寸法比（Ｌｍ／Ｌｃ）は、図４に示す様に、０．９以下を選定すれば良い。なお、図４は、寸法比（Ｌｍ／Ｌｃ）とトルク変化率との相関を示すグラフであるが、寸法比（Ｌｍ／Ｌｃ）が０．９以下の領域では、寸法比（Ｌｍ／Ｌｃ）に対してトルク変化率が大きく異なるが、寸法比（Ｌｍ／Ｌｃ）が０．９を超えると、トルク変化率が飽和する傾向にあるため、上記の様に、トルクを重視する場合は、Ｌｍ／Ｌｃ＝０．９以下で充分である。これにより、トルクアップ分だけ磁石ボリュームを低減させることが可能であり、コスト低減を達成できる。
【００２１】
なお、図２に示した様に、通常品に使用されるネオジム磁石の寸法は、Ｌｍ＝２７ｍｍが一般的であるが、磁石３の軸方向長さを短くすることによるコスト改善の効果を考えると、Ｌｍ＝２０ｍｍ前後が良い。また、電機子鉄心１３の軸方向長さＬｃは、慣性アップより長い方が好ましいが、モータ１の重量を抑えるためには、Ｌｃ＝４０ｍｍ前後が良い。従って、ネオジム磁石を用いた場合の最適な寸法比は、Ｌｍ／Ｌｃ＝０．４〜０．６となる。
【００２２】
（実施例１の効果）
実施例１に記載したモータ１は、磁石３の軸方向長さＬｍと、電機子鉄心１３の軸方向長さＬｃとの寸法比（Ｌｍ／Ｌｃ）が、従来の電動機（図２に示す通常品）の同寸法比と比較した場合に、小さく設定されるため、磁束量が減少して、低トルク・高回転型の特性が得られる。この場合、電機子コイル１４の巻き数を減らすことで低トルク・高回転型仕様に対応する必要はなく、エンジンのバリエーションにも、磁石界磁（ヨークアッセンブリ）の少量設定で対応可能なため、生産性が向上する。
【００２３】
また、上記の寸法比（Ｌｍ／Ｌｃ）を小さく設定することで、電機子４の慣性エネルギーＩω2 が大きくなるため、例えば、２輪車等の１〜２気筒エンジンに適用することで、クランキング回転数が改善（上昇）されて、エンジンの着火性が向上する。
更に、フェライト磁石と比較してグラム単価が高いネオジム磁石を使用した場合でも、同寸法比（Ｌｍ／Ｌｃ）が小さく設定されることで、従来の電動機と比較して、磁石３の製造コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】内燃機関用始動機の断面図である。
【図２】クランキング回転数の実測結果である。
【図３】磁石の軸方向長さと電機子鉄心の軸方向長さとの寸法比（Ｌｍ／Ｌｃ）を示すグラフである。
【図４】磁石の軸方向長さと電機子鉄心の軸方向長さとの寸法比（Ｌｍ／Ｌｃ）とトルク変化率との相関を示すグラフである。
【図５】電動機の断面図である（従来技術）。
【符号の説明】
【００２５】
１  モータ（内燃機関用始動機）
２  ヨーク
３  磁石
４  電機子
１２  電機子軸
１３  電機子鉄心
１６  ピニオンギヤ
Ｌｍ  磁石の軸方向長さ
Ｌｃ  電機子鉄心の軸方向長さ
【図１】
2006271160.tif 000003
【図２】
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【図３】
2006271160.tif 000005
【図４】
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【図５】
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