(57)【要約】【課題】オルタネータ２として使用する時に、整流装置をロータ６から切り離すことにより、ブラシ１６の破損を防止できる始動電動機兼充電発電機１を提供すること。【解決手段】始動電動機兼充電発電機１は、ロータ６と整流子を有する回転板１５との間にクラッチ装置４を備えている。このクラッチ装置４は、エンジン回転数が所定値（例えば５００　回転）以下の領域では、ロータ６と回転板１５との間を繋いで動力を伝達できる接続状態を維持し、エンジン回転数が例えば１０００回転以上になると、遠心力により接続状態が解除されて動力の伝達を遮断する。これにより、エンジン始動後にオルタネータ２として使用する時には、クラッチ装置４の接続状態が解除されるため、ブラシ１６を整流子から離す必要がなく、常時接触させておくことができ、ブラシ１６が整流子に強く当たることがないので、ブラシ１６の破損を防止できる。【選択図】　　　　図１
2004088942.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン始動時に始動電動機として働き、エンジン始動後に充電発電機として働く始動電動機兼充電発電機であって、
電機子を構成する固定子と、
エンジンの出力軸に連結されて界磁極を構成する回転子と、
この回転子に同期して回転可能に取り付けられた整流子とこの整流子に摺接するブラシとで構成され、エンジンを始動する際に電機子コイルに通電されるバッテリ電流を整流する整流装置と、
前記回転子と前記整流子との間をエンジン回転数に応じて断続するクラッチ装置とを備え、
このクラッチ装置は、エンジン回転数が所定値以下の領域では、前記回転子と前記整流子との間を繋いで動力を伝達できる接続状態を維持し、エンジン回転数が所定値より高くなると、遠心力により前記接続状態が解除されて動力の伝達を遮断する遠心分離手段を有していることを特徴とする始動電動機兼充電発電機。
【請求項２】
請求項１に記載した始動電動機兼充電発電機において、
前記クラッチ装置は、前記回転子と前記整流子との相対位置が回転方向に予め決められた所定の位相差を有して前記接続状態を維持する少なくとも１カ所の接続ポジションを有していることを特徴とする始動電動機兼充電発電機。
【請求項３】
請求項１に記載した始動電動機兼充電発電機において、
前記クラッチ装置は、前記接続ポジションが前記回転子の磁極数に応じて複数箇所設けられていることを特徴とする始動電動機兼充電発電機。
【請求項４】
請求項１〜３に記載した何れかの始動電動機兼充電発電機において、
前記クラッチ装置は、前記回転子または前記整流装置と異なる軸上に配置されていることを特徴とする始動電動機兼充電発電機。
【請求項５】
請求項１〜３に記載した何れかの始動電動機兼充電発電機において、
前記整流装置は、円筒表面に整流子が構成され、その整流子の内径側に前記クラッチ装置を配置したことを特徴とする始動電動機兼充電発電機。
【発明の詳細な説明】
【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電動機として働き、エンジン始動後は充電発電機として働く始動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。
この公報に記載された始動電動機兼充電発電機は、電機子を構成する固定子と、界磁極を構成する回転子と、この回転子に同期して回転する整流子と、この整流子に対向して可動するブラシ等を備える。
エンジン始動時には、整流子とブラシにより電機子コイルに通電されるバッテリ電流を整流して、回転子に発生する回転力によりエンジンを始動する始動電動機として機能する。
エンジン始動後は、回転子の回転に伴って電機子コイルに起電力が発生し、その起電力によっ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】
ところが、上記の始動電動機兼充電発電機は、整流子が常時回転子に同期して回転するため、始動電動機として使用する場合と、充電発電機として使用する場合とで、ブラシを移動させる必要が生じる。　つまり、始動電動機として使用する場合はブラシを整流子に接触させ、充電発電機として使用する場合はブラシを整流子から離す必要がある。これに対し、従来技術では、ブラシを移動させる手段としてソレノイドを有しているが、このソレノイドへの通電制御をエンジン回転等を検知して行う必要があり、ＥＣＵ（制御装置）の負荷が増大する。
【０００４】
また、運転者がエンジン回転数を確認してソレノイドの通電制御を行う場合には、個人差により動作が不安定になるため、故障の要因となる虞がある。
更に、始動電動機として使用する際には、ブラシが整流子に接触する時にソレノイドの吸引力がブラシに加わるため、ブラシが整流子に強く当たって破損する可能性がある。また、整流子は、エンジン始動後も回転子と一体に回転するため、高速回転に耐え得る構造が必要である。
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、充電発電機として使用する時に、整流装置を回転子から切り離すことにより、ブラシの破損を防止できる始動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）
本発明の始動電動機兼充電発電機は、電機子を構成する固定子と、エンジンの出力軸に連結されて界磁極を構成する回転子と、この回転子に同期して回転可能に取り付けられた整流子とこの整流子に摺接するブラシとで構成される整流装置と、回転子と整流子との間をエンジン回転数に応じて断続するクラッチ装置とを備え、このクラッチ装置は、エンジン回転数が所定値以下の領域では、回転子と整流子との間を繋いで動力を伝達できる接続状態を維持し、エンジン回転数が所定値より高くなると、遠心力により接続状態が解除されて動力の伝達を遮断する遠心分離手段を有していることを特徴とする。
【０００６】
この構成によれば、エンジン回転数が所定値より高くなると、クラッチ装置の接続状態が解除される（回転子と整流子との間が切り離される）ため、回転子の回転（エンジン回転）が整流子に伝達されることはない。従って、エンジン回転数が所定値より高くなってもブラシを整流子から離す必要がなく、常時整流子に接触させておくことができる。その結果、ブラシを移動させる手段（例えばソレノイド）が不要となり、且つブラシが整流子に強く当たることもないので、ブラシの破損も防止できる。
【０００７】
また、エンジン回転数が所定値より高い領域では、整流子を回転子から切り離すことができるので、高速回転に耐え得る整流子を使用する必要がなく、遠心強度の低い整流子を使用できる。
更に、クラッチ装置は、エンジン回転数が所定値より高くなると、遠心力によって接続状態が解除される遠心分離手段を有しているので、運転者がクラッチ装置をＯＮ／ＯＦＦ操作する必要がなく、運転者の個人差による影響を排除できる。
【０００８】
（請求項２の発明）
請求項１に記載した始動電動機兼充電発電機において、
クラッチ装置は、回転子と整流子との相対位置が回転方向に予め決められた所定の位相差を有して接続状態を維持する少なくとも１カ所の接続ポジションを有していることを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、クラッチ装置の接続状態が解除された後、再び接続状態に移行した時に、回転子と整流子との相対位置が回転方向に予め決められた所定の位相差を有して接続状態を維持することができる。即ち、クラッチ装置が接続された時は、整流子が回転子に対し常に所定の位相差を有して同期回転できるので、始動電動機として使用する時に、固定子と回転子との位相差がずれることがなく、常に安定始動することができる。
【００１０】
（請求項３の発明）
請求項１に記載した始動電動機兼充電発電機において、
クラッチ装置は、接続ポジションが回転子の磁極数に応じて複数箇所設けられていることを特徴とする。
例えば、回転子が４極の場合、クラッチ装置は、周方向に４カ所、等間隔に接続ポジションを設けることができる。
【００１１】
（請求項４の発明）
請求項１〜３に記載した何れかの始動電動機兼充電発電機において、
クラッチ装置は、回転子または整流装置と異なる軸上に配置されていることを特徴とする。
この場合、クラッチ装置を介して回転子と整流装置とを同軸上に配置する必要がないので、回転子の軸方向に必要な搭載スペースを小さくでき、車両への搭載性が向上する。
【００１２】
（請求項５の発明）
請求項１〜３に記載した何れかの始動電動機兼充電発電機において、
整流装置は、円筒表面に整流子が構成され、その整流子の内径側にクラッチ装置を配置したことを特徴とする。
この場合、クラッチ装置と整流装置とを軸方向に配置した場合と比較して、軸方向の長さを短縮でき、全体をコンパクトに構成できる。
【００１３】
【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。
（第１実施例）
図１は始動電動機兼充電発電機１の模式図である。
本実施例の始動電動機兼充電発電機１は、図４に示す様に、オルタネータ２、整流装置３、及びクラッチ装置４（図３参照）等から構成される。
オルタネータ２は、電機子を構成するステータ５（固定子）と、界磁極を構成するロータ６（回転子）、このロータ６に磁束を発生させるための界磁巻線７、及び交流出力を直流出力に変換するための整流回路８（図４参照）等から構成される。
【００１４】
ステータ５は、内側に複数のスロット（図示しない）が設けられた環状のステータコア５ａと、このステータコア５ａのスロットに挿入される３個の電機子コイルｕ、ｖ、ｗとを有する。
３個の電機子コイルｕ、ｖ、ｗは、例えば図４に示す様にスター結線され、６個のダイオード８ａによって構成される整流回路８に接続されている。
【００１５】
ロータ６は、例えば８個の界磁極を有し、回転軸６ａに支持されて、ステータ５の内周に回転可能に配置されている。
回転軸６ａは、図１に示す様に、一方の端部にプーリ９が取り付けられ、そのプーリ９がエンジン１０のクランク軸１０ａに取り付けられたクランクプーリ１１とベルト１２により連結されている。
界磁巻線７は、図示しない界磁鉄心に巻回され、オルタネータ２の発生電圧を制御するレギュレータ１３（図４参照）に接続されている。
【００１６】
整流装置３は、図１に示す様に、整流子１４（図２参照）が設けられる回転板１５と、この回転板１５に対向して配置されるブラシ１６、１７とで構成される。
回転板１５は、図２に示す様に、絶縁体で形成された円盤形状を有し、その一方の表面（図１の右側表面）に整流子１４が設けられている。
整流子１４は、複数（本実施例では２個）のセグメント１４ａで構成され、各セグメント１４ａが絶縁部１４ｂを挟んで回転方向に円弧状に配置され、且つ個々のセグメント１４ａがスリップリング１８と一体に設けられている。
スリップリング１８は、セグメント１４ａの内周側に配置されて一方のセグメント１４ａと一体に設けられた第１のスリップリング１８ａと、セグメント１４ａの外周側に配置されて他方のセグメント１４ａと一体に設けられた第２のスリップリング１８ｂとを有する。
【００１７】
ブラシ１６、１７は、整流子１４に対向して配置された主ブラシ１６と、スリップリング１８に対向して配置された補助ブラシ１７とが設けられている。
主ブラシ１６は、周方向に３個、等間隔に配置され、図４に示す様に、電機子コイルｕに接続される第１の主ブラシ１６ａ、電機子コイルｖに接続される第２の主ブラシ１６ｂ、電機子コイルｗに接続される第３の主ブラシ１６ｃを有する。
なお、図２に示す様に、主ブラシ１６の幅：δ、セグメント１４ａの幅：θ１　、絶縁部１４ｂ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
【００１８】
補助ブラシ１７は、アース接続された第１の補助ブラシ１７ａと、キースイッチ１９を介してバッテリＢに接続される第２の補助ブラシ１７ｂとを有し、第１の補助ブラシ１７ａが第１のスリップリング１８ａ上に接触して配置され、第２の補助ブラシ１７ｂが第２のスリップリング１８ｂ上に接触して配置されている（図４参照）。
上記の主ブラシ１６と補助ブラシ１７は、図１に示す様に、それぞれスプリング２０と共にブラシホルダ２１に収容され、スプリング２０によって回転板方向に押圧されている。
【００１９】
クラッチ装置４は、図３（ａ）に示す様に、ボールベアリング２２を介して相対回転可能に設けられたアウタ２３とインナ２４、及びアウタ２３とインナ２４とをエンジン回転数に応じて断続する遠心分離手段（下述する）を有している。
アウタ２３は、ロータ６の回転軸６ａに設けられたフランジ部６ｂに固定され、ロータ６と一体に回転する。
インナ２４は、回転板１５に設けられた回転軸１５ａにキー２５を介して結合され、回転板１５と一体に回転する。
【００２０】
遠心分離手段は、アウタ２３の半径方向に貫通する貫通孔２３ａと、この貫通孔２３ａに挿入されたボール２６、このボール２６を内径方向へ付勢するスプリング２７、及びインナ２４の外周面に凹設されたロック凹部２８より構成される。
アウタ２３の貫通孔２３ａには、外径側の開口部にキャップ２９が固定され、このキャップ２９にスプリング２７の外径端が支持されている。
ボール２６は、貫通孔２３ａを摺動自在に往復動できる大きさに設けられている。
【００２１】
スプリング２７の初期荷重は、エンジン回転数が所定値以下（例えば５００　回転以下）の領域では、ボール２６に作用する遠心力よりボール２６を付勢するスプリング力の方が大きく、エンジン回転数が例えば１０００回転以上になると、ボール２６を付勢するスプリング力よりボール２６に作用する遠心力の方が大きくなる様に設定されている。
ロック凹部２８は、周方向の所定位置に１カ所設けられ、ボール２６が嵌合することでアウタ２３とインナ２４との相対回転を禁止する（以下、この状態を接続状態と呼ぶ）。これにより、回転板１５は、ロータ６に対し常に一定の位置関係（両者の相対位置が一定）で同期回転される。
【００２２】
次に、始動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１９をＳＴ位置（図４参照）に投入すると、ロータ６の界磁巻線７に電流が流れて界磁極に磁束が発生すると共に、セグメント１４ａに接触する主ブラシ１６を介して電機子コイル（図４の状態では電機子コイルｗ、ｕ）に電流が流れる。
これにより、ロータ６の界磁極に発生する磁束と電機子コイルｗ、ｕに流れる電流との相互作用によりロータ６が回り始める。
【００２３】
ロータ６が回転すると、クラッチ装置４を介して回転板１５が回転するため、３個の主ブラシ１６と２個のセグメント１４ａとの相対位置が変化して、３個の電機子コイル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５に回転磁界が発生してロータ６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１０のクランク軸１０ａに伝達されてエンジン１０をクランキングさせる。この時点では、エンジン回転数が所定値以下であるため、クラッチ装置４は、ボール２６がロック凹部２８に嵌合して接続状態を維持している。
【００２４】
ｂ）エンジン始動後
エンジン１０のクランキング後、エンジン回転数が例えば１０００回転を超えると、クラッチ装置４の接続状態が解除される。具体的には、ボール２６を付勢するスプリング力よりボール２６に作用する遠心力の方が大きくなるため、ボール２６がロック凹部２８から離脱してアウタ２３の貫通孔２３ａを外径方向へ移動する。これにより、ロータ６に連結されたアウタ２３と回転板１５に連結されたインナ２４との間で動力の伝達が遮断されるので、エンジン１０の回転力がロータ６から回転板１５に伝達されることはなく、回転板１５は次第に減速して停止する。
【００２５】
エンジン１０が完爆した後、運転者がキースイッチ１９をＩＧ位置（図４参照）に投入すると、電機子コイルｕ、ｖ、ｗへの通電が停止される。
一方、ロータ６の界磁巻線７には継続して電流が流れるため、ロータ６がエンジン１０によって回転駆動されることにより、３個の電機子コイル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８で直流に変換された後、車載負荷に供給されると共に、バッテリＢに充電される。なお、オルタネータ２の発生電圧が高くなり過ぎると、レギュレータ１３（図４参照）によりロータ６の界磁巻線７に流れる界磁電流を減少させて、発生電圧を一定に保つように制御される。
【００２６】
（本実施例の効果）
本実施例のクラッチ装置４は、エンジン回転数が所定値（例えば５００　回転）以下の領域では、ロータ６と回転板１５との間を繋いで動力を伝達できる接続状態を維持し、エンジン回転数が例えば１０００回転以上になると、遠心力により接続状態が解除されて動力の伝達を遮断する。これにより、エンジン始動後にオルタネータ２として使用する時には、クラッチ装置４の接続状態が解除されるため、ロータ６の回転（エンジン回転）が回転板１５に伝達されることはない。従って、エンジン回転数が所定値より高くなっても、主ブラシ１６及び補助ブラシ１７を整流子１４及びスリップリング１８から離す必要がなく、常時接触させておくことができる。その結果、ブラシ１６、１７を移動させる手段（例えばソレノイド）が不要であり、且つブラシ１６、１７が整流子１４及びスリップリング１８に強く当たることもないので、ブラシ１６、１７の破損を防止できる。
【００２７】
また、エンジン始動後（エンジン回転数が所定値より高い領域）は、回転板１５（整流子１４）をロータ６から切り離すことができるので、高速回転に耐え得る整流子１４を使用する必要がなく、遠心強度の低い整流子１４を使用でき、コストダウンを図ることができる。
更に、上記のクラッチ装置４は、エンジン回転数が所定値より高くなると、遠心力によって接続状態が解除される遠心分離手段を有しているので、運転者がクラッチ装置４をＯＮ／ＯＦＦ操作する必要がなく、運転者の個人差による影響を排除できる。
【００２８】
また、クラッチ装置４は、ボール２６がロック凹部２８に嵌合することでアウタ２３とインナ２４との接続状態を維持するため、アウタ２３とインナ２４とが常に一定の位置関係（両者の相対位置が一定）で回転することができる。その結果、スタータ（始動電動機）として使用する時に、ステータ５とロータ６との位相差がずれることがないので、ステータ５に発生する回転磁界に追従して安定した回転トルクをロータ６に発生させることができる。
なお、インナ２４に設けられるロック凹部２８は、ロータ６の磁極数に応じて複数カ所設けても良い。
【００２９】
（第２実施例）
本実施例は、クラッチ装置４をロータ６または整流装置３と異なる軸上に配置した場合の一例である。
例えば、図５に示す様に、クラッチ装置４の回転中心をロータ６の回転軸６ａと異なる軸上に配置し、両者をベルトやチェーン等の動力伝達手段３０で連結しても良い。
【００３０】
あるいは図６に示す様に、クラッチ装置４の回転中心を整流装置３の回転軸と異なる軸上に配置し、両者をベルトやチェーン等の動力伝達手段３０で連結しても良い。
本実施例の構成（図５及び図６）によれば、オルタネータ２に対して整流装置３を別置きにできる（クラッチ装置４を介してロータ６と整流装置３とを同軸上に配置する必要がない）ので、車両への搭載自由度が向上する。
【００３１】
（第３実施例）
本実施例は、図７に示す様に、円筒表面に構成された整流子１４の内径側にクラッチ装置４を配置した場合の一例である。
整流装置３は、回転軸３１ａと一体に設けられた円筒体３１の表面に整流子１４及びスリップリング１８が構成され、その外周面にブラシ１６、１７が配置されている。
クラッチ装置４は、円筒体３１の内径側に配置され、円筒体３１の回転軸３１ａをインナ２４として構成している。
この構成によれば、クラッチ装置４をロータ６と回転板１５との間に配置した第１実施例と比較して軸方向の全長を短縮でき、且つ全体をコンパクトに構成できるメリットがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】始動電動機兼充電発電機の模式図である。
【図２】図１のＸ−Ｘ断面図である。
【図３】クラッチ装置の断面図である。
【図４】始動電動機兼充電発電機の電気回路図である。
【図５】始動電動機兼充電発電機の配置レイアウトを示す模式図である。
【図６】始動電動機兼充電発電機の配置レイアウトを示す模式図である。
【図７】始動電動機兼充電発電機の配置レイアウトを示す模式図である。
【符号の説明】
１　　始動電動機兼充電発電機
３　　整流装置
４　　クラッチ装置
５　　ステータ（固定子：電機子）
６　　ロータ（回転子：界磁極）
１０　　エンジン
１０ａ　クランク軸（エンジンの出力軸）
１４　　整流子
１６　　主ブラシ（ブラシ）
２８　　ロック凹部（接続ポジション）
Ｂ　　バッテリ
ｕ、ｖ、ｗ　電機子コイル
【図１】
2004088942.tif 000003
【図２】
2004088942.tif 000004
【図３】
2004088942.tif 000005
【図４】
2004088942.tif 000006
【図５】
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【図６】
2004088942.tif 000008
【図７】
2004088942.tif 000009