JP2000104650A - Starting device for internal combustion engine - Google Patents
Starting device for internal combustion engineInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、電動機を用いて内
燃機関を始動させる内燃機関始動装置に関するものであ
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an internal combustion engine starting apparatus for starting an internal combustion engine using an electric motor.
【0002】[0002]
【従来の技術】内燃機関を始動する始動装置として、直
流電動機を駆動源として機関のクランク軸を回転させる
ことにより機関を始動させるようにしたものが広く用い
られている。2. Description of the Related Art As a starting device for starting an internal combustion engine, a device for starting an engine by rotating a crankshaft of the engine using a DC motor as a drive source is widely used.
【0003】図8(A)は従来の始動装置を備えた内燃
機関1の要部を示したもので、同図において2は内燃機
関1のケース、3は内燃機関1のケース2に軸受4を介
して支持された機関の出力軸(通常はクランク軸)であ
る。出力軸3の先端にはカップ状に形成されたフライホ
イール5が取り付けられ、該フライホイール5の周壁部
の内周に永久磁石6が取り付けられて磁石界磁が構成さ
れている。フライホイール5と永久磁石6とにより磁石
回転子7が構成されている。磁石回転子7の内側には、
環状の継鉄部から多数の歯部を放射状に突出した構造を
有する多極星形電機子鉄心8と該電機子鉄心の歯部に巻
回された発電コイル9とからなる固定子10が配置さ
れ、該固定子は機関のケース2に固定された台板11に
取り付けられている。磁石回転子7と固定子10とによ
り磁石発電機が構成されている。FIG. 8A shows a main part of an internal combustion engine 1 provided with a conventional starting device. In FIG. 8A, reference numeral 2 denotes a case of the internal combustion engine 1; Is the output shaft (usually the crankshaft) of the engine supported via A flywheel 5 formed in a cup shape is attached to the tip of the output shaft 3, and a permanent magnet 6 is attached to the inner periphery of the peripheral wall of the flywheel 5 to form a magnet field. The flywheel 5 and the permanent magnet 6 constitute a magnet rotor 7. Inside the magnet rotor 7,
A stator 10 including a multipolar star-shaped armature core 8 having a structure in which a number of teeth protrude radially from an annular yoke and a power generation coil 9 wound around the teeth of the armature core is arranged. The stator is attached to a base plate 11 fixed to a case 2 of the engine. A magnet generator is constituted by the magnet rotor 7 and the stator 10.
【0004】フライホイール5の周壁部の外周にはリン
グギア12が固定され、機関のケース2にはブラシ付き
の直流電動機13が取り付けられている。電動機13の
出力軸13aにはピニオンギア14が取り付けられ、電
動機13が駆動されたときにピニオンギア14が前方に
飛び出して図8(B)に示すようにリングギア12に噛
み合うようになっている。電動機13とピニオンギア1
4とリングギア12とにより内燃機関始動装置が構成さ
れている。A ring gear 12 is fixed to the outer periphery of the peripheral wall of the flywheel 5, and a DC motor 13 with a brush is mounted on the case 2 of the engine. A pinion gear 14 is attached to the output shaft 13a of the electric motor 13, and when the electric motor 13 is driven, the pinion gear 14 projects forward and meshes with the ring gear 12 as shown in FIG. 8B. . Electric motor 13 and pinion gear 1
4 and the ring gear 12 constitute an internal combustion engine starting device.
【0005】固定子10に設けられた発電コイルは、内
燃機関用の点火装置を駆動するための電圧を発生する点
火装置駆動コイルを含んでいて、電動機13が駆動され
たときにピニオンギア14がリングギア12に噛み合っ
て磁石回転子7を回転させることにより機関のクランク
軸を回転させるとともに、磁石回転子7の回転に伴って
固定子10に設けられた点火装置駆動コイルに誘起する
電圧で点火装置を動作させることにより内燃機関を始動
させる。The generator coil provided on the stator 10 includes an ignition device driving coil for generating a voltage for driving an ignition device for an internal combustion engine. When the electric motor 13 is driven, the pinion gear 14 is turned on. The crankshaft of the engine is rotated by rotating the magnet rotor 7 while meshing with the ring gear 12, and ignition is performed by a voltage induced in an ignition device drive coil provided on the stator 10 with the rotation of the magnet rotor 7. The internal combustion engine is started by operating the device.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
内燃機関始動装置においては、始動用電動機13として
もっぱらブラシ付きの直流電動機が用いられていた。ブ
ラシ付き直流電動機を駆動源として用いた始動装置の出
力トルク対回転数特性は、例えば図5の直線aの通りで
ある。図5の縦軸は機関のクランク軸換算の出力トルク
(クランク軸で測ったトルク)τを示しており、横軸は
機関のクランク軸の回転数N[rpm]を示している。As described above, in the conventional internal combustion engine starting apparatus, a DC motor with a brush is exclusively used as the starting motor 13. The output torque versus rotation speed characteristics of the starting device using a brushed DC motor as a driving source is, for example, as shown by a straight line a in FIG. The vertical axis in FIG. 5 shows the output torque (torque measured on the crankshaft) τ in terms of the crankshaft of the engine, and the horizontal axis shows the rotational speed N [rpm] of the crankshaft of the engine.
【0007】このように、ブラシ付き直流電動機を駆動
源として用いた始動装置の出力トルク対回転数特性は、
起動時にトルクが最大で、回転数の上昇に伴ってトルク
が小さくなっていく特性となる。[0007] As described above, the output torque versus rotation speed characteristic of the starting device using a brushed DC motor as a driving source is as follows.
The characteristic is such that the torque is maximum at the time of startup, and the torque decreases as the rotation speed increases.
【0008】一方、内燃機関の始動時にクランク軸に与
えることが必要とされるトルク(負荷トルク)とクラン
ク軸の回転数(クランキング回転数)との関係を見る
と、クランキング回転数が低いときには負荷トルクが小
さく、クランキング回転数の上昇に伴って負荷トルクが
大きくなっていく特性が要求される。On the other hand, looking at the relationship between the torque (load torque) required to be applied to the crankshaft at the time of starting the internal combustion engine and the rotational speed of the crankshaft (cranking rotational speed), the cranking rotational speed is low. Sometimes, a characteristic is required in which the load torque is small, and the load torque increases as the cranking speed increases.
【0009】すなわち、2サイクル機関においては、ク
ランキング回転数が低いときに圧縮行程においてシリン
ダ内から吸気ポート及び排気ポートを通して逃げる空気
の量が多いため、燃焼室内の圧力はそれほど高くならな
いが、クランキング回転数が高くなっていくと、シリン
ダ内から逃げる空気の量が減るため燃焼室内の圧力が高
くなっていく。また4サイクル内燃機関の場合は、クラ
ンキング回転数が低いときに、バルブが閉じるタイミン
グの遅れにより圧縮行程の初期に漏れる空気の量が多く
なるため、低回転時に燃焼室内の圧力の上昇が抑制され
るが、クランキング回転数が高くなっていくと、バルブ
が閉じるタイミングの遅れがなくなるため、燃焼室内の
圧力が高くなっていく。That is, in a two-cycle engine, when the cranking speed is low, the amount of air escaping from the cylinder through the intake port and the exhaust port during the compression stroke is large, so that the pressure in the combustion chamber does not increase so much. As the ranking rotation speed increases, the amount of air escaping from the cylinder decreases, and the pressure in the combustion chamber increases. In the case of a four-cycle internal combustion engine, when the cranking speed is low, the amount of air leaking at the beginning of the compression stroke due to the delay of the valve closing timing increases, so that the pressure increase in the combustion chamber at low speed is suppressed. However, as the cranking speed increases, the pressure in the combustion chamber increases because there is no delay in closing the valve.
【0010】図6は、3気筒2サイクル内燃機関を始動
する際のクランキング特性の一例を示したもので、同図
において、縦軸はクランク軸の負荷トルクτと瞬時回転
数Nとを示している。また横軸はクランク軸の回転角θ
を示しており、TDC1 ,TDC2 及びTDC3 はそれ
ぞれ第1気筒ないし第3の気筒のピストンが上死点に達
した時のクランク軸の回転角度位置を示している。同図
において、NL は、クランキング(クランク軸を外力に
より回転させること)の際のクランク軸の平均回転数が
低いときのクランク軸の各回転角度位置における瞬時回
転数を示し、NH は、クランキングの際のクランク軸の
平均回転数が高いときのクランク軸の各回転角度位置に
おける瞬時回転数を示している。またτL は、クランキ
ングの際のクランク軸の平均回転数が低いときのクラン
ク軸の各回転角度位置における負荷トルクを示し、τH
は、クランキングの際のクランク軸の平均回転数が高い
ときのクランク軸の各回転角度位置における負荷トルク
を示している。FIG. 6 shows an example of a cranking characteristic when starting a three-cylinder two-stroke internal combustion engine. In FIG. 6, the vertical axis represents the load torque τ of the crankshaft and the instantaneous rotation speed N. ing. The horizontal axis is the rotation angle θ of the crankshaft.
TDC1, TDC2, and TDC3 indicate the rotational angle positions of the crankshaft when the pistons of the first to third cylinders reach the top dead center, respectively. In the figure, NL indicates the instantaneous rotation speed at each rotation angle position of the crankshaft when the average rotation speed of the crankshaft during cranking (rotating the crankshaft by external force) is low, and NH is the crankshaft. It shows the instantaneous rotation speed at each rotation angle position of the crankshaft when the average rotation speed of the crankshaft during ranking is high. Further, τL indicates the load torque at each rotation angle position of the crankshaft when the average rotation speed of the crankshaft during cranking is low, and τH
Indicates the load torque at each rotational angular position of the crankshaft when the average rotational speed of the crankshaft during cranking is high.
【0011】このように、内燃機関の始動時において
は、クランキング回転数が低いときに燃焼室内の圧力が
それほど高くならず、クランキング回転数の上昇に伴っ
て燃焼室内の圧力が高くなっていく特性があるため、こ
の燃焼室内の圧力の上昇に打ち勝ってクランク軸を回転
させるためにクランク軸に与える必要があるトルクとク
ランキング回転数との間の関係は、図5の直線bのよう
になる。この直線bの特性は、ブラシ付き直流電動機の
出力特性(直線aの特性)とは相反するものとなる。As described above, when the internal combustion engine is started, the pressure in the combustion chamber does not increase so much when the cranking speed is low, and the pressure in the combustion chamber increases as the cranking speed increases. Because of these characteristics, the relationship between the torque required to be applied to the crankshaft to rotate the crankshaft to overcome the pressure increase in the combustion chamber and the cranking speed is shown by a straight line b in FIG. become. The characteristics of the straight line b are opposite to the output characteristics of the brushed DC motor (the characteristics of the straight line a).
【0012】またクランキング回転数が高くなっていく
と、燃焼室内の圧力が高くなる一方で、ピストンが上死
点を越えた後に生じる膨脹力が大きくなるため、クラン
ク軸の回転数が急に高くなり、始動の際のピーク回転数
N5 (図6の曲線NH のピーク点の回転数)において実
際に必要とされるトルク(図6の曲線NH のピークにお
けるトルクτH の値)は図5及び図6に示したτHNとな
る。始動装置がピーク回転数N5 で必要トルクτHN以上
のトルクを発生することができないと、クランク軸の回
転に追従することができなくなって機関が減速し、機関
の始動に失敗することがある。As the cranking speed increases, the pressure inside the combustion chamber increases, while the expansion force generated after the piston has passed the top dead center increases. The torque (the value of the torque .tau.H at the peak of the curve NH in FIG. 6) actually required at the peak speed N5 (the speed at the peak point of the curve NH in FIG. 6) at the start is shown in FIGS. .Tau.HN shown in FIG. If the starting device cannot generate a torque equal to or more than the required torque τHN at the peak rotational speed N5, the engine cannot follow the rotation of the crankshaft, and the engine decelerates, and the engine may fail to start.
【0013】このことから、従来の始動装置では、始動
の際のピーク回転数N5 において、必要トルクτHNが得
られるように、図5の直線aのような出力特性を有する
始動用電動機を用いていたが、このような始動用電動機
を用いた場合には低速時にトルクにかなりの余裕が生じ
ることになる。For this reason, in the conventional starting apparatus, a starting motor having an output characteristic as shown by a straight line a in FIG. 5 is used so that the required torque τHN is obtained at the peak rotation speed N5 at the time of starting. However, when such a starting motor is used, a considerable margin is generated in the torque at a low speed.
【0014】上記のように、従来の内燃機関始動装置で
は、最大トルクにかなり余裕があるブラシ付きの直流電
動機を用いる必要があったため、電動機が大形になって
始動装置が大形化し、機関が大形になるという問題があ
った。As described above, in the conventional internal combustion engine starting device, it is necessary to use a brushed DC motor having a considerable margin for the maximum torque. Therefore, the motor becomes large and the starting device becomes large. Had the problem of becoming large.
【0015】本発明の目的は、従来よりも小形の電動機
を用いて、しかも機関の始動に必要なクランキング回転
数を得ることができるようにした内燃機関始動装置を提
供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an internal combustion engine starting device which uses a smaller motor than before and can obtain a cranking rotational speed required for starting the engine.
【0016】[0016]
【課題を解決するための手段】本発明は、内燃機関のク
ランク軸を電動機により駆動して該内燃機関を始動させ
る内燃機関始動装置に係わるもので、本発明において
は、上記電動機として、ブラシレス直流電動機を用い
る。本発明で用いるブラシレス直流電動機は、多極の磁
石界磁を有して内燃機関のクランク軸に直接または減速
機を介して結合される磁石回転子と、周方向に並ぶ多数
の歯部を有する電機子鉄心と該電機子鉄心の歯部に巻回
されてn相回路(nは2以上の整数)を構成するように
結線されたコイル群からなるn相の電機子コイルとを有
して電機子鉄心の歯部の先端に形成された磁極部が磁石
回転子の磁石界磁に対向させられる固定子と、n相ブリ
ッジ接続された2n個のオンオフ制御が可能なスイッチ
素子からなるスイッチ回路を備えたインバータ回路と、
各相の電機子コイルが巻回されている電機子鉄心の歯部
の先端の磁極部の中心位置と磁石界磁の各磁極の中心位
置との間の位置関係が予め設定された関係になる位置を
各相の基準励磁相切替位置として検出して、該基準励磁
相切替位置でレベルが変化する矩形波状の信号を各相の
位置検出信号として発生する位置検出装置と、内燃機関
を始動させる方向に磁石回転子を回転せるために必要な
極性の駆動電流を直流電源からインバータ回路の所定の
スイッチ素子を通して電機子コイルに流すべく各相の位
置検出信号により検出される基準励磁相切替位置に対し
て所定の制御進み角を有する励磁相切替位置でインバー
タ回路の所定のスイッチ素子に駆動信号を与えるスイッ
チ制御装置とを備えたものである。The present invention relates to an internal combustion engine starting device for starting the internal combustion engine by driving a crankshaft of the internal combustion engine by an electric motor. In the present invention, the motor is a brushless DC motor. Use an electric motor. The brushless DC motor used in the present invention has a magnet rotor that has a multi-pole magnet field and is coupled to a crankshaft of an internal combustion engine directly or through a speed reducer, and has a number of teeth arranged in a circumferential direction. An armature core and an n-phase armature coil formed of a coil group wound around teeth of the armature core and connected to form an n-phase circuit (n is an integer of 2 or more). A switch circuit comprising a stator having a magnetic pole formed at the tip of a tooth of an armature iron core facing a magnetic field of a magnet rotor, and 2n on-off controllable switch elements connected in an n-phase bridge. An inverter circuit having
The positional relationship between the center position of the magnetic pole portion at the tip of the tooth portion of the armature core around which the armature coil of each phase is wound and the center position of each magnetic pole of the magnet field becomes a preset relationship. A position detecting device that detects the position as a reference excitation phase switching position of each phase, generates a rectangular wave signal whose level changes at the reference excitation phase switching position as a position detection signal of each phase, and starts the internal combustion engine. The drive current of the polarity required to rotate the magnet rotor in the direction from the DC power supply to the armature coil through the predetermined switch element of the inverter circuit to the reference excitation phase switching position detected by the position detection signal of each phase A switch control device for supplying a drive signal to a predetermined switch element of the inverter circuit at an excitation phase switching position having a predetermined control advance angle.
【0017】上記スイッチ制御装置には、内燃機関の始
動時の瞬時回転数を検出する回転数検出手段と、回転数
検出手段により検出される内燃機関の瞬時回転数の上昇
に伴って電動機が最大トルクを発生する回転数を高くし
ていくように、内燃機関の始動時の瞬時回転数に応じて
制御進み角を変化させる制御進み角制御手段とを設けて
おく。The switch control device includes a rotation speed detecting means for detecting an instantaneous rotation speed at the time of starting the internal combustion engine, and an electric motor which operates at a maximum as the instantaneous rotation speed of the internal combustion engine increases. Control advance angle control means for changing the control advance angle in accordance with the instantaneous rotational speed at the time of starting the internal combustion engine is provided so as to increase the rotational speed at which the torque is generated.
【0018】なお「制御進み角」は、位置検出装置によ
り検出される基準励磁相切替位置と、実際の励磁相切替
位置(駆動電流を流す電機子コイルの相を切り替える際
の回転子の回転角度位置)との位相差であるが、本発明
においては、この制御進み角が正負の値をとり得るもの
とする。即ち、実際の励磁相切替位置が基準励磁相切替
位置に対して遅れ側の位置となる場合も、励磁相切替位
置と基準励磁相切替位置との間の位相差を「制御進み
角」と呼ぶことにする。また「基準励磁相切替位置に対
して所定の制御進み角を有する励磁相切替位置」は、該
励磁相切替位置が基準励磁相切替位置に一致する場合
(制御進み角が零の場合)を包含する。The "control advance angle" is defined as a reference excitation phase switching position detected by the position detection device and an actual excitation phase switching position (rotation angle of the rotor when switching the phase of the armature coil through which the drive current flows). In the present invention, it is assumed that the control advance angle can take a positive or negative value. That is, even when the actual excitation phase switching position is a position on the lag side with respect to the reference excitation phase switching position, the phase difference between the excitation phase switching position and the reference excitation phase switching position is referred to as “control advance angle”. I will. The “excitation phase switching position having a predetermined control advance angle with respect to the reference excitation phase switching position” includes a case where the excitation phase switching position matches the reference excitation phase switching position (when the control advance angle is zero). I do.
【0019】なお3相以上のブラシレス直流電動機で
は、一度に2以上の相の電機子コイルを励磁して、回転
子の位置に応じて、励磁相の組み合わせを順次切り替え
ていく。したがって、3相以上のブラシレス直流電動機
の励磁相切替位置は、電機子コイルの励磁相の組み合わ
せを切り替える位置である。In a brushless DC motor of three or more phases, the armature coils of two or more phases are excited at a time, and the combination of excitation phases is sequentially switched according to the position of the rotor. Therefore, the excitation phase switching position of the brushless DC motor having three or more phases is a position at which the combination of the excitation phases of the armature coils is switched.
【0020】上記基準励磁相切替位置は、ブラシレス直
流電動機の機械的構造により一義的に決まるものではな
く、位置検出装置を構成する位置検出器の取付け位置に
より決まるものである。通常のブラシレス直流電動機で
は、各相の電機子コイルに流す駆動電流の通電角(電気
角)に応じて、位置検出器の取付け位置を適当な位置に
設定している。例えば、磁石回転子の回転に伴って各相
の電機子コイルに誘起する無負荷誘起電圧がピークに達
する位置(磁石界磁から各相の電機子コイルが巻回され
た歯部を通して流れる磁束が零点を通過する位置)の前
後90度(電気角)の区間各相の電機子コイルに電流を
流す180度スイッチング制御を行って電動機を回転さ
せる場合には、各相の電機子コイルが巻回されている歯
部の先端の磁極部の中心位置(周方向の中心)が回転子
の磁石界磁の各磁極の中心位置に一致した時の回転子の
回転角度位置を検出するように各相の位置検出信号を得
るための位置検出器を取り付ける。例えば、図2に示し
たように、U相ないしW相の電機子コイルLuないしL
wが3つの歯部Pu〜Pwに巻回されている場合に、ホ
ールICからなる位置検出器huないしhwを用いて磁
石回転子の磁極を検出することにより、180度スイッ
チング制御に用いるU相ないしW相の位置検出信号を得
る場合には、図示のように歯部PuないしPwの磁極部
の中心位置からそれぞれ90度位相が進んだ位置に位置
検出器hu〜hwを配置して磁石界磁の磁極を検出する
ことにより、歯部Pu〜Pwの先端の磁極部の中心位置
に磁石界磁の各磁極の中心位置が一致する毎にレベルが
変化する矩形波状のU相ないしW相の位置検出信号を得
るようにするのが普通である。この場合、歯部Pu〜P
wの先端の磁極部の中心位置に磁石界磁の各磁極の中心
位置が一致する位置がそれぞれU相ないしW相の基準励
磁相切替位置となり、各相の基準励磁相切替位置は、各
相の位置検出器から得られる矩形波状の位置検出信号の
レベルが変化する位置(矩形波信号の立上り位置及び立
下がり位置)となる。The reference excitation phase switching position is not uniquely determined by the mechanical structure of the brushless DC motor, but is determined by the mounting position of the position detector constituting the position detecting device. In a normal brushless DC motor, the position of the position detector is set to an appropriate position according to the conduction angle (electrical angle) of the drive current flowing through the armature coil of each phase. For example, the position at which the no-load induced voltage induced in the armature coil of each phase with the rotation of the magnet rotor reaches a peak (the magnetic flux flowing from the magnet field through the teeth around which the armature coil of each phase is wound) When the motor is rotated by performing 180-degree switching control in which current flows through the armature coil of each phase before and after 90 degrees (electrical angle) before and after the zero point), the armature coil of each phase is wound. Each phase is detected so that the rotation angle position of the rotor when the center position (circumferential center) of the magnetic pole portion at the tip of the tooth portion coincides with the center position of each magnetic pole of the magnet field of the rotor. The position detector for obtaining the position detection signal of the above is attached. For example, as shown in FIG. 2, U-phase to W-phase armature coils Lu to L
When w is wound around the three teeth Pu to Pw, the U-phase used for the 180-degree switching control is detected by detecting the magnetic poles of the magnet rotor using the position detectors hu to hw composed of Hall ICs. In order to obtain the position detection signals of W to W phases, the position detectors hu to hw are arranged at positions advanced by 90 degrees from the center positions of the magnetic poles of the teeth Pu to Pw, respectively, as shown in FIG. By detecting the magnetic poles of the magnets, the level changes each time the center position of each magnetic pole of the magnet field coincides with the center position of the magnetic pole part at the tip of the teeth Pu to Pw. Usually, a position detection signal is obtained. In this case, the teeth Pu to P
The position where the center position of each magnetic pole of the magnet field coincides with the center position of the magnetic pole portion at the tip of w is the U-phase or W-phase reference excitation phase switching position, and the reference excitation phase switching position of each phase is Are the positions where the level of the rectangular wave position detection signal obtained from the position detector changes (the rising position and the falling position of the rectangular wave signal).
【0021】また磁石回転子の回転に伴って各相の電機
子コイルに誘起する無負荷誘起電圧がピークに達する位
置の前後60度の区間各相の電機子コイルに電流を流す
120度スイッチング制御を行って電動機を回転させる
場合には、歯部PuないしPwの磁極部の中心位置から
それぞれ60度位相が進んだ位置にU相ないしW相の位
置検出器hu〜hwを配置して磁石界磁の磁極を検出す
ることにより、歯部Pu〜Pwの先端の磁極部の中心位
置よりも電気角で30度遅れた位置に磁石界磁の各磁極
の中心位置が一致する毎にレベルが変化する矩形波状の
U相ないしW相の位置検出信号を得るようにするのが普
通である。この場合、歯部Pu〜Pwの先端の磁極部の
中心位置よりも電気角で30度遅れた位置に磁石界磁の
各磁極の中心位置が一致した状態になったときの位置が
基準励磁相切替位置となり、各相の基準励磁相切替位置
は、各相の位置検出器から得られる位置検出信号のレベ
ルが変化する位置となる。A 120-degree switching control in which a current flows through the armature coil of each phase in a 60-degree interval before and after the position where the no-load induced voltage induced in the armature coil of each phase with the rotation of the magnet rotor reaches a peak. Is performed, the U-phase to W-phase position detectors hu to hw are arranged at positions advanced by 60 degrees from the center positions of the magnetic pole portions of the tooth portions Pu to Pw, respectively, and the magnet field is rotated. By detecting the magnetic poles of the magnets, the level changes each time the center position of each magnetic pole of the magnet field coincides with a position delayed by 30 degrees in electrical angle from the center position of the magnetic pole portion at the tip of the teeth Pu to Pw. It is usual to obtain a U-phase or W-phase position detection signal in the form of a square wave. In this case, the position when the center position of each magnetic pole of the magnet field coincides with a position delayed by 30 electrical degrees from the center position of the magnetic pole portion at the tip of the tooth portion Pu to Pw is the reference excitation phase. The switching position is set, and the reference excitation phase switching position of each phase is a position where the level of the position detection signal obtained from the position detector of each phase changes.
【0022】180度スイッチング制御または120度
スイッチング制御を行ってブラシレス直流電動機を回転
させる場合に上記のように位置検出器を配置して、各相
の位置検出信号を得るようにした場合には、制御進み角
を零とした場合、即ち、各相の位置検出信号のレベルが
変化する基準励磁相切替位置(位置検出信号の立上り位
置及び立下がり位置)で励磁される電機子コイルの相の
組み合わせを所定の組み合わせに切り替えるようにイン
バータのスイッチ素子を制御することにより、電動機の
起動時の出力トルクを最大にすることができる。しかし
ながら、常に上記のように位置センサの取り付け位置を
設定しなければならないわけではなく、基準励磁相切替
位置をインバータ回路の制御にとって都合がよいで位置
に設定して、該基準励磁相切替位置で検出信号を発生さ
せるように位置センサを取り付けるようにすることもで
きる。When the brushless DC motor is rotated by performing the 180-degree switching control or the 120-degree switching control, the position detector is arranged as described above to obtain the position detection signal of each phase. When the control advance angle is set to zero, that is, the combination of the phases of the armature coils excited at the reference excitation phase switching position (the rising position and the falling position of the position detection signal) at which the level of the position detection signal of each phase changes. By controlling the switch element of the inverter so as to switch to a predetermined combination, the output torque at the time of starting the motor can be maximized. However, the mounting position of the position sensor does not always have to be set as described above, and the reference excitation phase switching position is set to a position convenient for the control of the inverter circuit, and the reference excitation phase switching position is set at the reference excitation phase switching position. A position sensor may be attached so as to generate a detection signal.
【0023】上記のように、内燃機関の瞬時回転数の上
昇に伴って電動機が最大トルクを発生する回転数を高く
していくように、内燃機関の始動時の瞬時回転数に応じ
て制御進み角を変化させるようにすると、機関の始動開
始時から機関の回転数が始動時のピーク回転数に達する
時点までの各瞬時において電動機の出力トルクと機関の
クランク軸を回転させるために必要なトルクとの差を過
大にすることなく、クランク軸を回転させることができ
るため、始動開始時に過大な出力トルクを発生する大形
の電動機を用いることなく、内燃機関の始動を行わせる
ことができる。したがって、従来より内燃機関始動装置
を小形に構成して、機関の小形軽量化を図ることができ
る。As described above, the control proceeds according to the instantaneous rotation speed at the start of the internal combustion engine so that the rotation speed at which the electric motor generates the maximum torque increases with the increase in the instantaneous rotation speed of the internal combustion engine. If the angle is changed, the output torque of the motor and the torque required to rotate the crankshaft of the engine at each moment from the start of the engine start to the point when the engine speed reaches the peak speed at the start of the engine Therefore, the crankshaft can be rotated without making the difference excessively large, so that the internal combustion engine can be started without using a large-sized motor that generates an excessive output torque at the start of starting. Therefore, it is possible to make the internal combustion engine starting device smaller than ever, and to reduce the size and weight of the engine.
【0024】本発明において、磁石回転子を機関のクラ
ンク軸に直接取り付けた場合には、電動機の出力をクラ
ンク軸に伝達する減速機が不要になるため、始動装置の
構成を簡単にすることができ、機関の構造の簡素化を図
ることができる。In the present invention, when the magnet rotor is directly mounted on the crankshaft of the engine, a speed reducer for transmitting the output of the electric motor to the crankshaft is not required, so that the configuration of the starting device can be simplified. It is possible to simplify the structure of the engine.
【0025】本発明において用いる電動機は、回転子が
固定子の外側を回転する回転子外回転形に構成してもよ
く、回転子が固定子の内側を回転する回転子内転形に構
成してもよい。The electric motor used in the present invention may be constituted by a rotor outside rotation type in which the rotor rotates outside the stator, or by a rotor inside rotation type in which the rotor rotates inside the stator. You may.
【0026】上記電動機を回転子外転形に構成する場
合、磁石回転子は、内燃機関のクランク軸とともに回転
するように該内燃機関のクランク軸に直接または減速機
を介して結合されるほぼカップ状に形成されたフライホ
イールと、該フライホイールの周壁部の内周に形成され
た磁石界磁とにより構成できる。When the electric motor is of a rotor abduction type, the magnet rotor is substantially a cup which is coupled to the crankshaft of the internal combustion engine directly or via a reduction gear so as to rotate with the crankshaft of the internal combustion engine. And a magnet field formed on the inner periphery of the peripheral wall of the flywheel.
【0027】またこの場合、上記電動機の固定子は、環
状の継鉄部から多数の歯部が放射状に突出した構造を有
する多極星形電機子鉄心と、該電機子鉄心の歯部に巻回
されてn相回路(nは2以上の整数)を構成するように
星形結線されたコイル群からなるn相の電機子コイルと
により構成できる。この固定子は、磁石回転子の内側に
配置されて、電機子鉄心の各歯部の先端の磁極部が磁石
界磁の磁極に対向させられる。Further, in this case, the stator of the electric motor includes a multipole star-shaped armature core having a structure in which a large number of teeth protrude radially from an annular yoke, and a winding wound around the teeth of the armature core. An n-phase armature coil consisting of a coil group connected in a star shape so as to be turned to form an n-phase circuit (n is an integer of 2 or more). This stator is arranged inside the magnet rotor, and the magnetic pole at the tip of each tooth of the armature iron core faces the magnetic pole of the magnet field.
【0028】またインバータ回路の2n個のスイッチ素
子にそれぞれ逆並列接続された2n個のダイオードを設
けて、該2n個のダイオードにより、n相の電機子コイ
ルに誘起するn相交流電圧を整流して外部の電気負荷に
供給するダイオードブリッジ全波整流回路を構成した場
合には、始動用の電動機に磁石発電機としての機能を持
たせることができるため、始動用電動機を磁石発電機に
兼用するようにして、機関の構造の簡素化を図ることが
できる。Further, 2n switches connected in anti-parallel to the 2n switch elements of the inverter circuit are provided, and the 2n diodes rectify the n-phase AC voltage induced in the n-phase armature coil. When a diode bridge full-wave rectifier circuit that supplies power to an external electric load is configured, the starting motor can have the function of a magnet generator, so the starting motor is also used as the magnet generator. In this way, the structure of the engine can be simplified.
【0029】[0029]
【発明の実施の形態】図1(A)及び(B)は本発明に
係わる内燃機関始動装置で用いる始動用電動機の構成例
を示したもので、本発明においては、この電動機をブラ
シレス直流電動機として動作させて機関を始動させる。
本発明では、n相(nは2以上の整数)の電機子コイル
を有するブラシレス直流電動機を始動用電動機として用
いることができるが、この例では、3相のブラシレス直
流電動機を用いている。1A and 1B show an example of the configuration of a starting motor used in an internal combustion engine starting apparatus according to the present invention. In the present invention, this motor is a brushless DC motor. And start the engine.
In the present invention, a brushless DC motor having an n-phase (n is an integer of 2 or more) armature coil can be used as a starting motor. In this example, a three-phase brushless DC motor is used.
【0030】図1(A)及び(B)において101は周
壁部101aと該周壁部の軸線方向の一端を閉じる底壁
部101bと該底壁部の中央に設けられたボス部101
cとを有するカップ状のフライホイールである。フライ
ホイール101の周壁部101aの内周には、等角度間
隔で配置された16個の円弧状の永久磁石M1 〜M16が
接着などにより固定され、フライホイール101と永久
磁石M1 〜M16とにより16極の磁石回転子102が構
成されている。磁石M1 〜M16はそれぞれの内周側に現
れる磁極が交互にN極とS極とになるように磁化の方向
を交互に異ならせてフライホイールの径方向に着磁さ
れ、ヨークを構成するフライホイール101の周壁部1
01aと磁石M1 〜M16とにより16極の磁石界磁が構
成されている。磁石回転子102は、フライホイール1
01のボス部101cを図示しない内燃機関の出力軸
(通常はクランク軸)に嵌着することにより機関に取り
付けられる。1A and 1B, reference numeral 101 denotes a peripheral wall portion 101a, a bottom wall portion 101b for closing one end of the peripheral wall portion in the axial direction, and a boss portion 101 provided at the center of the bottom wall portion.
c) is a cup-shaped flywheel having the following shape. On the inner circumference of the peripheral wall portion 101a of the flywheel 101, 16 arc-shaped permanent magnets M1 to M16 arranged at equal angular intervals are fixed by bonding or the like, and 16 permanent magnets M1 to M16 are fixed by the flywheel 101 and the permanent magnets M1 to M16. A pole magnet rotor 102 is configured. The magnets M1 to M16 are magnetized in the radial direction of the flywheel by alternately changing the magnetization directions so that the magnetic poles appearing on the inner peripheral side alternately become N poles and S poles, and are arranged in the flywheel. Peripheral wall 1 of wheel 101
The magnet field 01a and the magnets M1 to M16 form a 16-pole magnet field. The magnet rotor 102 is a flywheel 1
The boss 101c is mounted on an output shaft (usually a crankshaft) of an internal combustion engine (not shown) by fitting the boss 101c to the engine.
【0031】磁石回転子102の内側には固定子103
が配置されている。固定子103は、環状の継鉄部10
4aから24個の電機子コイル巻回用の歯部P1 〜P24
を等角度間隔で(360/24度の間隔で)放射状に突
出させた構造を有する多極星形の電機子鉄心104と、
該電機子鉄心の歯部P1 〜P24にそれぞれ巻回された電
機子コイルW1 〜W24とからなっていて、電機子鉄心1
04を内燃機関のケースなどに設けられた固定子取付け
部に適宜の手段により固定することにより機関に取り付
けられる。The stator 103 is provided inside the magnet rotor 102.
Is arranged. The stator 103 includes the annular yoke 10
4a to 24 tooth portions P1 to P24 for winding armature coils
A multi-pole star-shaped armature core 104 having a structure in which are projected radially at equal angular intervals (at intervals of 360/24 degrees);
Armature coils W1 to W24 wound around tooth portions P1 to P24 of the armature core, respectively.
04 is fixed to a stator mounting portion provided in a case or the like of an internal combustion engine by an appropriate means, thereby being mounted on the engine.
【0032】歯部P1 〜P24にそれぞれ巻回された電機
子コイルW1 〜W24は、始動用電動機及び発電機に兼用
するコイルで、2つ置きに配置された8個の同相の(同
位相の電圧を誘起する)電機子コイル同士が直列または
並列に接続されて各相の電機子コイルが構成されるとと
もに、3相の電機子コイルが3相星形結線されている。The armature coils W1 to W24 wound around the tooth portions P1 to P24 are coils that also serve as a starting motor and a generator, and are arranged in eight in-phase (in-phase) Armature coils (inducing voltage) are connected in series or in parallel to form armature coils of each phase, and three-phase armature coils are connected in a three-phase star connection.
【0033】一般に3相のブラシレス直流電動機におい
ては、固定子側が3m極(mは1以上の整数)に構成さ
れ、磁石回転子の磁石界磁が2m極に構成される。図示
の例は、m=8とした場合で、固定子103が24極に
構成され、回転子102が16極に構成されている。Generally, in a three-phase brushless DC motor, the stator side has 3 m poles (m is an integer of 1 or more), and the magnet field of the magnet rotor is 2 m poles. In the illustrated example, when m = 8, the stator 103 has 24 poles, and the rotor 102 has 16 poles.
【0034】この種のブラシレス直流電動機は、外力に
より磁石回転子を回転させた際には発電機として動作
し、磁石回転子の各回転角度位置で磁石界磁の同極性の
磁極が、固定子の2つ置きに配置された歯部の磁極部に
同じように対向して2つ置きの歯部に巻回された各相の
電機子コイルに同位相の電圧が誘起する。電動機として
動作させる際には、固定子の3相の電機子コイルに、直
流電源から後記するインバータ回路を通して、磁石界磁
の回転角度位置に応じて所定の相順で転流する駆動電流
が供給され、これにより生じさせられる回転磁界により
磁石回転子が回転させられる。This type of brushless DC motor operates as a generator when the magnet rotor is rotated by an external force. At each rotation angle position of the magnet rotor, a magnetic pole of the same polarity of the magnet field is applied to the stator. The same phase voltage is induced in the armature coil of each phase wound around every third tooth part in the same manner as opposed to the magnetic pole part of the tooth part arranged at every third tooth. When operating as a motor, a driving current is supplied to the three-phase armature coils of the stator from a DC power supply through an inverter circuit described later in a predetermined phase order according to the rotational angle position of the magnet field. Then, the magnet rotor is rotated by the rotating magnetic field generated thereby.
【0035】図1に示した例では、フライホイール10
1のボス部101cの基部外周には、永久磁石M1 〜M
16の磁極にそれぞれ対応した磁極を有するように16極
に着磁されたリング状磁石106が取り付けられ、リン
グ状磁石106の16個の磁極はそれぞれ磁石界磁の1
6個の磁極に同じ周方向位置で1対1で対応するように
なっている。電機子鉄心104の継鉄部の内周には、3
相の電機子コイルのそれぞれに対応する位置検出器hu
〜hw(図1においては、U相の位置検出器huのみが
示されている。)が120度の角度間隔をもって取り付
けられている。各相の位置検出器はホールICからなっ
ていて、検出している磁極の極性に応じて異なるレベル
の電圧信号を出力する。In the example shown in FIG.
Permanent magnets M1 to M1 are provided on the outer periphery of the base of the first boss 101c.
A ring-shaped magnet 106 magnetized to 16 poles is attached so as to have magnetic poles respectively corresponding to the 16 magnetic poles, and the 16 magnetic poles of the ring-shaped magnet 106 each have one magnetic field.
The six magnetic poles correspond one to one at the same circumferential position. On the inner circumference of the yoke of the armature core 104, 3
Position detector hu corresponding to each of the armature coils of the phase
1 to hw (only the U-phase position detector hu is shown in FIG. 1) is attached at an angular interval of 120 degrees. The position detector of each phase is formed of a Hall IC, and outputs voltage signals of different levels according to the polarity of the magnetic pole being detected.
【0036】この例では、内燃機関の始動時に、直流電
源から後記するインバータ回路のスイッチ素子を通して
3相の電機子コイルに駆動電流を流して磁石回転子を回
転させる際に、各相の電機子コイルに流す駆動電流の通
電角を電気角で180度とする180度スイッチング制
御を行うものとしている。そのため、図示の例では、1
80度スイッチング制御を行う場合の位置検出器の普通
の配置の仕方に倣って、各相の位置検出器を、対応する
相の電機子コイルが巻回された電機子鉄心の複数の歯部
のうちのいずれか1つの歯部の先端の磁極の中心位置よ
りも電気角で90度位相が進んだ位置に配置している。
そして、各相の位置検出器によりリング状磁石106の
磁極の極性を検出することによって、各相の電機子コイ
ルが巻かれた歯部の磁極部の中心位置に磁石界磁の各磁
極の中心位置が一致した状態になる位置を各相の基準励
磁相切替位置として検出する。In this example, when a driving current is supplied from a DC power supply to a three-phase armature coil through a switching element of an inverter circuit to be described later to rotate a magnet rotor when the internal combustion engine is started, the armature of each phase is rotated. The 180-degree switching control is performed so that the drive current flowing through the coil has an electrical angle of 180 degrees in electrical angle. Therefore, in the illustrated example, 1
In accordance with the usual arrangement of the position detector when performing the 80-degree switching control, the position detector of each phase is replaced with a plurality of teeth of the armature core around which the armature coil of the corresponding phase is wound. It is disposed at a position where the phase is advanced by 90 degrees in electrical angle from the center position of the magnetic pole at the tip of any one of the teeth.
Then, by detecting the polarity of the magnetic pole of the ring-shaped magnet 106 by the position detector of each phase, the center of each magnetic pole of the magnet field is located at the center position of the magnetic pole portion of the tooth around which the armature coil of each phase is wound. The position at which the positions coincide with each other is detected as the reference excitation phase switching position of each phase.
【0037】位置検出器hu〜hwが発生する位置検出
信号は、基準励磁相切替位置の情報を含む波形の信号で
あればよいが、位置検出器としてホールICを用いた場
合、該ホールICは、検出している磁極の極性がN極の
ときとS極のときとで異なるレベルの信号を発生するの
で、位置検出信号の波形は矩形波状の波形になり、該矩
形波状の位置検出信号の立上り位置及び立下がり位置が
それぞれ基準励磁相切替位置になる。The position detection signals generated by the position detectors hu to hw may be signals having a waveform including information on the reference excitation phase switching position. If a Hall IC is used as the position detector, the Hall IC is Since a signal of a different level is generated when the polarity of the detected magnetic pole is the N pole and when the polarity of the magnetic pole is the S pole, the waveform of the position detection signal becomes a rectangular waveform, The rising position and the falling position are the reference excitation phase switching positions.
【0038】図2は、電機子鉄心104の歯部P1 〜P
24にそれぞれ巻回されて3相に結線された電機子コイル
に接続される電気回路の構成を示したものである。図2
においては、理解を容易にするために、3相の電機子コ
イルW1 〜W24を3相星形結線して構成した3相の電機
子コイルを符号Lu〜Lwで表し、m=1として、3相
の電機子コイルLu〜Lwが120度間隔で配置された
電機子鉄心104の3つの歯部Pu〜Pwに集中巻され
ているとしている。また磁石回転子102の磁石界磁は
永久磁石M1 及びM2 により2極に構成されているとし
ている。FIG. 2 shows the tooth portions P 1 -P of the armature core 104.
24 shows a configuration of an electric circuit connected to armature coils wound around each and connected in three phases. FIG.
In order to facilitate understanding, a three-phase armature coil formed by connecting three-phase armature coils W1 to W24 with a three-phase star connection is denoted by Lu to Lw. It is assumed that the armature coils Lu to Lw of the phase are concentratedly wound around three teeth Pu to Pw of the armature core 104 arranged at intervals of 120 degrees. Further, it is assumed that the magnet field of the magnet rotor 102 is constituted by two poles by the permanent magnets M1 and M2.
【0039】また図2においては、位置検出器hu〜h
wをそれぞれ構成するホールICが回転子の磁石界磁の
位置を検出するために設けられたリング磁石でなく、磁
石界磁の磁極を直接検出するように図示されている。位
置検出器hu〜hwはそれぞれU相ないしW相の電機子
コイルが巻回された歯部Pu〜Pwの磁極の中心位置に
対して電気角で90度進んだ位置に配置されて、磁石界
磁の磁極の極性を検出する。即ち、この例では、各相の
電機子コイルに流す駆動電流の通電角を電気角で180
度とすることを想定している。In FIG. 2, the position detectors hu to h
It is shown that the Hall ICs constituting w each directly detect the magnetic poles of the magnet field, instead of the ring magnet provided for detecting the position of the magnet field of the rotor. The position detectors hu to hw are respectively disposed at positions advanced by 90 electrical degrees with respect to the center positions of the magnetic poles of the teeth Pu to Pw around which the U-phase to W-phase armature coils are wound. The polarity of the magnetic pole is detected. That is, in this example, the conduction angle of the drive current flowing through the armature coil of each phase is 180 electrical degrees.
Degree.
【0040】図2において200は、3相のブラシレス
直流電動機を駆動するために用いられるインバータ回路
で、このインバータ回路は、3相ブリッジ接続された6
個のオンオフ制御が可能なスイッチ素子(図示の例では
MOSFET)Fu〜Fw及びFx〜Fzからなるスイ
ッチ回路と、スイッチ素子Fu〜Fw及びスイッチ素子
Fx〜Fzにそれぞれ逆並列接続されて3相ブリッジ接
続された6個のダイオードDu〜Dw及びDx〜Dzか
らなっていて電機子コイルLu〜Lwに誘起する電圧を
整流するダイオードブリッジ全波整流回路とからなって
いる。In FIG. 2, reference numeral 200 denotes an inverter circuit used to drive a three-phase brushless DC motor.
A switch circuit composed of a plurality of switch elements (MOSFETs in the illustrated example) capable of on / off control, Fu to Fw and Fx to Fz, and a three-phase bridge connected in antiparallel to the switch elements Fu to Fw and Fx to Fz, respectively. A diode bridge full-wave rectifier circuit is composed of six connected diodes Du to Dw and Dx to Dz and rectifies the voltage induced in the armature coils Lu to Lw.
【0041】このインバータ回路200においては、ス
イッチ回路のブリッジの上辺のスイッチ素子Fu〜Fw
を構成するMOSFETのドレインの共通接続点(整流
回路のブリッジの上辺を構成するダイオードDu〜Dw
のカソードの共通接続点)及びスイッチ回路のブリッジ
の下辺のスイッチ素子Fx〜Fzを構成するMOSFE
Tのソースの共通接続点(整流回路のブリッジの下辺を
構成するダイオードDx〜Dzのアノードの共通接続
点)からそれぞれ導出された端子ta及びtbがスイッ
チ回路の直流入力端子及び整流回路の直流出力端子とな
っていて、これらの端子ta,tb間に直流電源300
を構成するバッテリBが接続されている。またスイッチ
素子Fu〜Fwをそれぞれ構成するMOSFETのソー
スとスイッチ素子Fx〜Fzをそれぞれ構成するMOS
FETのドレインとの接続点から引き出された端子tu
〜tw がスイッチ回路の交流出力端子及び整流回路の交
流入力端子となっていて、これらの端子tu〜twがそ
れぞれ電機子コイルLu〜Lwの中性点と反対側の端子
に接続されている。In the inverter circuit 200, the switch elements Fu to Fw on the upper side of the bridge of the switch circuit are provided.
(The diodes Du to Dw forming the upper side of the bridge of the rectifier circuit)
Of the switching elements Fx to Fz on the lower side of the bridge of the switch circuit.
Terminals ta and tb respectively derived from the common connection point of the source of T (the common connection point of the anodes of the diodes Dx to Dz forming the lower side of the bridge of the rectifier circuit) are the DC input terminal of the switch circuit and the DC output terminal of the rectifier circuit. And a DC power supply 300 between these terminals ta and tb.
Is connected. Further, the sources of the MOSFETs constituting the switching elements Fu to Fw and the MOSs constituting the switching elements Fx to Fz, respectively.
A terminal tu drawn from a connection point with the drain of the FET.
To tw are an AC output terminal of the switch circuit and an AC input terminal of the rectifier circuit, and these terminals tu to tw are connected to terminals opposite to the neutral points of the armature coils Lu to Lw, respectively.
【0042】直流電源300を構成するバッテリBの両
端には平滑用コンデンサC1 が接続されている。A smoothing capacitor C1 is connected to both ends of the battery B constituting the DC power supply 300.
【0043】400はマイクロコンピュータや論理回路
などを用いて構成されるスイッチ制御装置で、このスイ
ッチ制御装置は、位置検出器hu 〜hw がそれぞれ出力
する位置検出信号Hu〜Hwが入力される入力端子とス
イッチ素子Fu〜Fw及びFx〜Fzのそれぞれの制御
端子(図示の例ではMOSFETのゲート)に与える駆
動信号Su〜Sw及びSx〜Szを出力する出力端子と
を有していて、内燃機関の始動時に磁石回転子101を
内燃機関を始動させる方向に回転せるために必要な極性
の駆動電流を直流電源300からインバータ回路200
のスイッチ回路部を通して電機子コイルLu〜Lwに流
すべく、位置検出器hu〜hwにより3相の電機子コイ
ルに対して検出された基準励磁相切替位置を基にして決
定した励磁相切替位置でスイッチ回路の所定のMOSF
ET(スイッチ素子)に駆動信号を与える。Reference numeral 400 denotes a switch control device constituted by using a microcomputer, a logic circuit or the like. This switch control device has input terminals to which position detection signals Hu to Hw output from the position detectors hu to hw are input. And an output terminal for outputting drive signals Su to Sw and Sx to Sz to be applied to respective control terminals (gates of MOSFETs in the illustrated example) of the switch elements Fu to Fw and Fx to Fz. At the time of starting, a drive current having a polarity necessary for rotating the magnet rotor 101 in a direction for starting the internal combustion engine is supplied from the DC power supply 300 to the inverter circuit 200
At the excitation phase switching position determined based on the reference excitation phase switching positions detected for the three-phase armature coils by the position detectors hu to hw so as to flow to the armature coils Lu to Lw through the switch circuit section. The predetermined MOSF of the switch circuit
A drive signal is given to an ET (switch element).
【0044】図2のように3相の位置検出器hu〜hw
がそれぞれU相ないしW相の電機子コイルが巻回された
歯部Pu〜Pwの磁極部の中心位置に対して電気角で9
0度進んだ位置に取り付けられている場合、位置検出器
がN極を検出したときに高レベルの信号を出力するもの
とすると、位置検出器hu〜hwがそれぞれ発生する位
置検出信号Hu〜Hwの波形は、図3の(A)〜(C)
のように電気角で120度の位相差をもって順次発生す
る信号幅が180度の矩形波状の波形になる。位置検出
信号Hu〜Hwのそれぞれの立上り位置及び立下がり位
置がそれぞれU相ないしW相の基準励磁相切替位置とな
る。As shown in FIG. 2, the three-phase position detectors hu to hw
Are 9 electrical degrees with respect to the center position of the magnetic poles of the teeth Pu to Pw around which the U-phase or W-phase armature coils are wound.
If the position detector is mounted at a position advanced by 0 degrees and outputs a high-level signal when the position detector detects the N pole, the position detection signals Hu to Hw generated by the position detectors hu to hw, respectively. The waveforms of (A) to (C) in FIG.
As shown in the figure, the signal width sequentially generated with a phase difference of 120 degrees in electrical angle becomes a 180-degree rectangular waveform. The rising position and falling position of the position detection signals Hu to Hw are the U-phase to W-phase reference excitation phase switching positions, respectively.
【0045】図示の例では、回転子が2極に構成されて
いるため、電機子コイルに鎖交する磁束及び電機子コイ
ルの誘起電圧の電気角(磁束波形及び誘起電圧波形の位
相角)は機械角(回転子の回転角度で表した位相角)に
一致している。In the illustrated example, since the rotor has two poles, the magnetic flux linked to the armature coil and the electrical angle of the induced voltage of the armature coil (the phase angle of the magnetic flux waveform and the induced voltage waveform) are: It matches the mechanical angle (the phase angle expressed by the rotation angle of the rotor).
【0046】また図示の例では、位置検出器hu〜hw
がそれぞれ固定子のU相ないしW相の磁極の中心に対し
て90度位相が進んだ位置に配置されているため、位置
検出信号Hu〜Hwが低レベルになっている期間及び高
レベルになっている期間がそれぞれ磁石回転子が機関に
より駆動されて発電機として動作するときにU相ないし
W相の電機子コイルLu〜Lwに誘起する誘起電圧の一
方の半サイクルの期間及び他方の半サイクルの期間に一
致している。例えば位置検出信号Huが低レベルになっ
ている期間がU相の電機子コイルLuの誘起電圧の正の
半サイクルの期間に一致し、Huが高レベルになってい
る期間がU相の電機子コイルLuの誘起電圧の負の半サ
イクルの期間に一致している。In the illustrated example, the position detectors hu to hw
Are located at positions where the phase is advanced by 90 degrees with respect to the center of the U-phase or W-phase magnetic poles of the stator, respectively, so that the position detection signals Hu to Hw are in the low level and in the high level. The period during which the magnet rotor is driven by the engine and operates as a generator is the period of one half cycle of the induced voltage induced in the U-phase to W-phase armature coils Lu to Lw and the other half cycle. Period. For example, the period in which the position detection signal Hu is at the low level corresponds to the period of the positive half cycle of the induced voltage of the U-phase armature coil Lu, and the period in which Hu is at the high level is the U-phase armature. This corresponds to the period of the negative half cycle of the induced voltage of the coil Lu.
【0047】この例では、スイッチ回路を構成する各ス
イッチ素子を電気角で180度の期間オン状態にし、残
りの180度の期間をオフ状態にするように各スイッチ
素子のオンオフ制御(180度スイッチング制御)を行
わせる。この場合、例えば図3(D)ないし(I)のよ
うに、スイッチ素子Fu〜Fw及びFx〜Fzの基準の
スイッチングパターンを定める。In this example, on / off control of each switch element (180-degree switching) is performed such that each switch element constituting the switch circuit is turned on for an electrical angle of 180 degrees and turned off for the remaining 180 degrees. Control). In this case, for example, as shown in FIGS. 3D to 3I, reference switching patterns of the switch elements Fu to Fw and Fx to Fz are determined.
【0048】図3(D)ないし(I)はスイッチ素子F
u〜Fw及びFx〜Fzの基準スイッチパターンをそれ
ぞれのスイッチ素子に与えられる駆動信号Su〜Sw及
びSx〜Szの波形で示したもので、図3(D)ないし
(I)にそれぞれ示された高レベルの矩形波信号が駆動
信号Su〜Sw及びSx〜Szである。これらの駆動信
号Su〜Sw及びSx〜Szが発生している期間がスイ
ッチ素子Fu〜Fw及びFx〜Fzの駆動期間であり、
駆動信号Su〜Sw及びSx〜Szが発生していない期
間がスイッチ素子Fu〜Fw及びFx〜Fzの非駆動期
間である。FIGS. 3D to 3I show the switching element F
The reference switch patterns u to Fw and Fx to Fz are shown by the waveforms of the drive signals Su to Sw and Sx to Sz applied to the respective switch elements, and are shown in FIGS. 3D to 3I, respectively. The high-level rectangular wave signals are the drive signals Su to Sw and Sx to Sz. A period during which these drive signals Su to Sw and Sx to Sz are generated is a drive period of the switch elements Fu to Fw and Fx to Fz,
A period during which the drive signals Su to Sw and Sx to Sz are not generated is a non-drive period of the switch elements Fu to Fw and Fx to Fz.
【0049】図3に示した180度スイッチング制御の
基準スイッチパターンにおいては、U相ないしW相の電
機子コイルLuないしLwに対してそれぞれ磁石回転子
の回転角度位置を検出する位置検出器huないしhwか
ら得られる位置検出信号HuないしHwがそれぞれ高レ
ベルになっている期間(それぞれの位置検出器が磁石界
磁の一方の磁極を検出している期間)をブリッジの上辺
の対応するスイッチ素子FuないしFwの非駆動期間と
し、位置検出信号HuないしHwがそれぞれ低レベルに
なっている期間をブリッジの上辺の対応するスイッチ素
子FuないしFwの駆動期間とする。またスイッチ回路
のブリッジの上辺のスイッチ素子FuないしFwのそれ
ぞれの非駆動期間(位置検出器huないしhwがそれぞ
れ磁石界磁の他方の磁極を検出している期間)をブリッ
ジの下辺の対応するスイッチ素子FxないしFzの駆動
期間とし、ブリッジの上辺のスイッチ素子FuないしF
wの駆動期間をそれぞれブリッジの下辺の対応するスイ
ッチ素子FxないしFzの非駆動期間とする。In the reference switch pattern of the 180-degree switching control shown in FIG. 3, the position detectors hu to hu for detecting the rotational angle positions of the magnet rotors for the U-phase to W-phase armature coils Lu to Lw, respectively. The period in which each of the position detection signals Hu to Hw obtained from hw is at a high level (the period in which each position detector detects one magnetic pole of the magnet field) corresponds to the corresponding switch element Fu on the upper side of the bridge. To Fw, and the period in which the position detection signals Hu to Hw are at a low level is a drive period of the corresponding switch element Fu to Fw on the upper side of the bridge. The non-driving periods of the switch elements Fu to Fw on the upper side of the bridge of the switch circuit (periods during which the position detectors hu to hw are detecting the other magnetic poles of the magnet field) respectively correspond to the corresponding switches on the lower side of the bridge. The drive periods of the elements Fx to Fz are set as switch elements Fu to F on the upper side of the bridge.
The drive period of w is a non-drive period of the corresponding switch element Fx to Fz on the lower side of the bridge.
【0050】図3(D)ないし(I)に示したような基
準スイッチパターンでスイッチ素子Fu〜Fw及びFx
〜Fzをオンオフさせると、磁石回転子を回転させたと
きに電機子コイルLu〜Lwに誘起させられる電圧(発
電機としての誘起電圧)と同位相の交流電圧がバッテリ
Bからスイッチ素子Fu〜Fw及びFx〜Fzにより構
成されたスイッチ回路を通して電機子コイルLu〜Lw
に印加され、該電機子コイルに流れる電流により生じさ
せられる回転磁界により磁石回転子102が回転させら
れる。The switch elements Fu to Fw and Fx in the reference switch pattern as shown in FIGS.
To Fz are turned on and off, an AC voltage having the same phase as the voltage (induced voltage as a generator) induced in the armature coils Lu to Lw when the magnet rotor is rotated is transmitted from the battery B to the switch elements Fu to Fw. And armature coils Lu to Lw through a switch circuit composed of
, And the magnet rotor 102 is rotated by a rotating magnetic field generated by a current flowing through the armature coil.
【0051】本発明の始動装置では、内燃機関の始動時
に、スイッチ制御装置400が、所定の基準励磁相切替
位置に対して所定の制御進み角γを有する励磁相切替位
置(γ=0で、励磁相切替位置が基準励磁相切替位置に
一致している場合を含む。)でインバータ回路200の
スイッチ素子Fu〜Fw及びFx〜Fzにそれぞれ駆動
信号Su〜Sw及びSx〜Szを与えて、電機子コイル
Lu〜Lwに所定の相順で転流する駆動電流を流し、こ
れにより磁石回転子102を回転させて、機関の出力軸
を始動方向に回転させる。In the starting device of the present invention, when the internal combustion engine is started, the switch control device 400 sets the excitation phase switching position (γ = 0, γ = 0) having a predetermined control advance angle γ with respect to a predetermined reference excitation phase switching position. The drive signals Su-Sw and Sx-Sz are supplied to the switch elements Fu-Fw and Fx-Fz of the inverter circuit 200, respectively, including the case where the excitation phase switching position coincides with the reference excitation phase switching position. A driving current that is commutated in a predetermined phase sequence is supplied to the child coils Lu to Lw, thereby rotating the magnet rotor 102 and rotating the output shaft of the engine in the starting direction.
【0052】図1に示した電動機において、バッテリB
側から電機子コイルLu〜Lwに駆動電流を流す際に、
図3に示した基準スイッチパターンを基準にして、スイ
ッチ素子Fu〜Fw及びFx〜Fzの実際のスイッチパ
ターンの位相を変化させると、電機子コイルLu〜Lw
に鎖交する磁束の量を増加または減少させて、発電機と
しての出力特性を変化させることができる。スイッチ素
子Fu〜Fw及びFx〜Fzの実際のスイッチパターン
の位相と基準スイッチパターンとの位相差γを制御進み
角と呼ぶ。この制御進み角γを変化させることにより、
電動機の特性を種々変化させることができる。In the electric motor shown in FIG.
When a drive current flows from the side to the armature coils Lu to Lw,
When the phases of the actual switch patterns of the switch elements Fu to Fw and Fx to Fz are changed with reference to the reference switch pattern shown in FIG. 3, the armature coils Lu to Lw
The output characteristic as a generator can be changed by increasing or decreasing the amount of magnetic flux interlinking with. The phase difference γ between the actual switch pattern phase of the switch elements Fu to Fw and Fx to Fz and the reference switch pattern is called a control advance angle. By changing the control lead angle γ,
Various characteristics of the motor can be changed.
【0053】図4は、制御進み角γを変化させたときの
電動機の出力トルクτと駆動電流Iとの関係、及び回転
数Nと駆動電流Iとの関係の一例を示したもので、同図
においてτγ0 ,τγ1 及びτγ2 はそれぞれ制御進み
角γを0,γ1 及びγ2 (>γ1 )とした場合の出力ト
ルクを示し、Nγ0 ,Nγ1 及びNγ2 はそれぞれ制御
進み角γを0,γ1 及びγ2 (>γ1 )とした場合の回
転数を示している。FIG. 4 shows an example of the relationship between the output torque τ of the motor and the drive current I and the relationship between the rotational speed N and the drive current I when the control lead angle γ is changed. In the figure, τγ0, τγ1 and τγ2 indicate output torques when the control advance angle γ is 0, γ1 and γ2 (> γ1), respectively, and Nγ0, Nγ1 and Nγ2 indicate the control advance angles γ of 0, γ1 and γ2 ( > Γ1).
【0054】また図5は、各相の電機子コイルが巻回さ
れた歯部の磁極部の中心位置に磁石界磁の各磁極の中心
位置が一致する位置を基準励磁相切替位置とした場合に
ついて、制御進み角γを変化させたときの出力トルクτ
と回転数Nとの関係を示したものである。FIG. 5 shows a case where the position where the center position of each magnetic pole of the magnet field coincides with the center position of the magnetic pole portion of the tooth around which the armature coil of each phase is wound is set as the reference excitation phase switching position. Output torque τ when the control lead angle γ is changed
And the relationship between the rotation speed N and the rotation speed N.
【0055】図5から明らかなように、制御進み角γを
0とした場合に、起動時(N=0の時)の出力トルクτ
が最大になり、制御進み角γをγ1 (>0),γ2 (>
γ1)のように大きくしていくと、出力トルクが最大に
なる位置が高回転側に移動していくとともに、各回転数
における出力トルクが大きくなっていく。したがって、
機関の始動時に機関のクランク軸の各回転角度位置にお
ける機関の瞬時回転数を検出して、検出した瞬時回転数
に応じて制御進み角γを0→γ1 →γ2 のように変化さ
せると、始動時の回転数N1 ,N2 ,N3 において、燃
焼室内の圧力に打ち勝ってクランク軸を回転させるため
に必要なトルクを得ることができ、その後ブラシ付き直
流電動機を始動用電動機として用いていた従来の始動装
置によるクランキング特性を示す直線aに沿って出力ト
ルクを低下させつつ回転数を上昇させて最終的に、始動
時のピーク回転数N5 において、必要トルクτHNを得る
ことができる。この場合の制御進み角γの回転数Nに対
する制御特性を示すと図7に示すようになる。As is apparent from FIG. 5, when the control advance angle γ is set to 0, the output torque τ at the time of startup (when N = 0) is set.
Is maximized, and the control lead angle γ is changed to γ1 (> 0), γ2 (>
When the output torque is increased as in γ1), the position where the output torque becomes maximum moves to the high rotation side, and the output torque at each rotation speed increases. Therefore,
When the instantaneous rotational speed of the engine at each rotational angle position of the crankshaft of the engine is detected at the start of the engine, and the control advance angle γ is changed from 0 → γ1 → γ2 according to the detected instantaneous rotational speed, the engine is started. At the rotation speeds N1, N2 and N3 at the time, the torque required to rotate the crankshaft by overcoming the pressure in the combustion chamber can be obtained, and then the conventional starting using a brushed DC motor as the starting motor. By increasing the rotational speed while decreasing the output torque along the straight line a indicating the cranking characteristics of the device, the required torque .tau.HN can be finally obtained at the peak rotational speed N5 at the start. FIG. 7 shows control characteristics of the control lead angle γ with respect to the rotation speed N in this case.
【0056】上記のように、内燃機関の瞬時回転数の上
昇に伴って電動機が最大トルクを発生する回転数を高く
していくように、内燃機関の始動時の瞬時回転数に応じ
て制御進み角を変化させるようにすると、機関の始動開
始時から機関の回転数が始動時のピーク回転数に達する
時点までの各瞬時において電動機の出力トルクと機関の
クランク軸を回転させるために必要なトルクとの差を過
大にすることなく、クランク軸を回転させることができ
るため、始動開始時に過大な出力トルクを発生する大形
の電動機を用いることなく、内燃機関の始動を行わせる
ことができる。したがって、従来より内燃機関始動装置
を小形に構成して、機関の小形軽量化を図ることができ
る。As described above, the control proceeds in accordance with the instantaneous rotation speed at the start of the internal combustion engine so that the rotation speed at which the electric motor generates the maximum torque increases as the instantaneous rotation speed of the internal combustion engine increases. If the angle is changed, the output torque of the motor and the torque required to rotate the crankshaft of the engine at each moment from the start of the engine start to the point when the engine speed reaches the peak speed at the start of the engine Therefore, the crankshaft can be rotated without making the difference excessively large, so that the internal combustion engine can be started without using a large-sized motor that generates an excessive output torque at the start of starting. Therefore, it is possible to make the internal combustion engine starting device smaller than ever, and to reduce the size and weight of the engine.
【0057】上記のように制御進み角を制御するため、
本発明においては、スイッチ制御装置400に、内燃機
関の始動時の瞬時回転数を検出する回転数検出手段と、
該回転数検出手段により検出される内燃機関の瞬時回転
数の上昇に伴って電動機が最大トルクを発生する回転数
を高くしていくように、内燃機関の始動時の瞬時回転数
に応じて制御進み角を変化させる制御進み角制御手段と
を設ける。In order to control the control advance angle as described above,
In the present invention, the switch control device 400 includes a rotation speed detection unit that detects an instantaneous rotation speed when the internal combustion engine is started,
Control is performed according to the instantaneous rotation speed at the time of starting the internal combustion engine so that the rotation speed at which the electric motor generates the maximum torque increases with the increase in the instantaneous rotation speed of the internal combustion engine detected by the rotation speed detection means. And a control lead angle control means for changing the lead angle.
【0058】上記の回転数検出手段及び制御進み角制御
手段は、例えばマイクロコンピュータを用いることによ
り実現できる。マイクロコンピュータを用いる場合、回
転数検出手段は、例えば、3相の位置検出器hu,hv
及びhwから順次出力される位置検出信号Hu,Hv及
びHwの発生間隔を計測する位置検出信号発生間隔計測
手段と、該計測手段により与えられる計測値から演算に
より回転数を求める回転数演算手段とにより構成でき
る。The above-mentioned rotation speed detecting means and control lead angle control means can be realized by using, for example, a microcomputer. When a microcomputer is used, the rotation speed detecting means may be, for example, a three-phase position detector hu, hv
A position detection signal generation interval measuring means for measuring the generation intervals of the position detection signals Hu, Hv, and Hw sequentially output from the output signal and hw; Can be configured.
【0059】また制御進み角制御手段は、例えば、演算
された機関の始動時の瞬時回転数に対する制御進み角γ
の適正値をマップ演算により求める制御進み角演算手段
と、位置検出信号Hu〜Hwから各相の基準励磁相切替
位置が検出された時に演算された制御進み角γに相当す
る時間を制御進み角計測時間としてタイマにより計測し
て、該制御進み角計測時間の計測が完了した時にインバ
ータ回路200の所定のスイッチ素子に駆動信号を与え
る駆動信号供給手段とにより構成できる。The control advance angle control means is, for example, a control advance angle γ with respect to the calculated instantaneous rotation speed at the time of starting the engine.
And a control lead angle calculating means for calculating an appropriate value of the control lead angle by map calculation, and a control lead angle calculated by the control lead angle γ calculated when the reference excitation phase switching position of each phase is detected from the position detection signals Hu to Hw. A drive signal supply unit that measures a measurement time by a timer and supplies a drive signal to a predetermined switch element of the inverter circuit 200 when the measurement of the control lead angle measurement time is completed.
【0060】制御進み角をマップ演算により求める場合
には、始動時の回転数の変化範囲において離散的な値を
とる種々の値の回転数とそれぞれの回転数における制御
進み角γとの関係を与えるテーブル(表)を制御進み角
演算用マップとしてマイクロコンピュータのROMに記
憶させておく。そして、マップを構成する回転数の飛び
飛びの値のうち、回転数演算手段により演算された瞬時
回転数の前後の値に対する制御進み角の値をマップから
読み出して、読み出した制御進み角を用いて補間演算を
行うことにより演算された瞬時回転数に対する適正な制
御進み角γを演算する。この場合、制御進み角演算用マ
ップを構成する制御進み角の値は、実験により求めるよ
うにすればよい。When the control advance angle is obtained by map calculation, the relationship between the rotational speeds of various values taking discrete values in the change range of the rotational speed at the start and the control advance angle γ at each rotational speed is determined. The given table is stored in the ROM of the microcomputer as a control lead angle calculation map. Then, among the discrete values of the rotational speed constituting the map, the control advance angle values for the values before and after the instantaneous rotational speed calculated by the rotational speed calculation means are read from the map, and the read control advance angle is used. An appropriate control lead angle γ for the instantaneous rotation speed calculated by performing the interpolation calculation is calculated. In this case, the value of the control advance angle that forms the control advance angle calculation map may be determined by experiment.
【0061】内燃機関が始動した後は、駆動信号Su〜
Sw及びSx〜Szの出力を停止して、電機子コイルL
u〜Lwを発電コイルとして用い、磁石回転子の回転に
伴って電機子コイルLu〜Lwに誘起する3相の電圧V
u,Vv及びVwをインバータ回路200のダイオード
Du〜Dw及びDx〜Dzにより構成された全波整流回
路により整流してバッテリBに充電電圧として印加す
る。After the internal combustion engine is started, the drive signals Su to
The output of Sw and Sx to Sz is stopped, and the armature coil L
u to Lw are used as power generation coils, and three-phase voltages V induced in the armature coils Lu to Lw as the magnet rotor rotates.
u, Vv, and Vw are rectified by a full-wave rectifier circuit composed of diodes Du to Dw and Dx to Dz of the inverter circuit 200 and applied to the battery B as a charging voltage.
【0062】このように、機関が始動した後に電動機を
発電機として動作させてバッテリBを充電すると、バッ
テリ充電用の発電機を別個に設ける必要がないため、機
関の構成を簡単にすることができる。バッテリBの電圧
は、内燃機関用点火装置や、燃料噴射装置等の電装品を
駆動するために用いられる。As described above, when the battery is charged by operating the electric motor as a generator after the engine is started, it is not necessary to separately provide a generator for charging the battery, thereby simplifying the configuration of the engine. it can. The voltage of the battery B is used for driving electrical components such as an internal combustion engine ignition device and a fuel injection device.
【0063】上記の例では、瞬時回転数のみに対して制
御進み角を制御しているが、瞬時回転数と平均回転数と
を関連付けて制御進み角を制御するようにしてもよい。
例えば機関の瞬時回転数は、「瞬時回転数=平均回転数
±回転数の変化分」として表すことができるため、平均
回転数を検出して、検出した平均回転数と瞬時回転数と
から回転数の変化分を求めて、該回転数の変化分に対し
て制御進み角を制御することにより、間接的に瞬時回転
数に対して制御進み角を制御するようにしてもよい。In the above example, the control advance angle is controlled only for the instantaneous rotation speed. However, the control advance angle may be controlled by associating the instantaneous rotation speed with the average rotation speed.
For example, the instantaneous engine speed can be expressed as “instant engine speed = average engine speed ± change in engine speed”, so the average engine speed is detected and the engine speed is calculated based on the detected average engine speed and instantaneous engine speed. By calculating a change in the number and controlling the control advance angle with respect to the change in the rotational speed, the control advance angle may be indirectly controlled with respect to the instantaneous rotational speed.
【0064】上記の例では、位置検出器hu〜hwによ
りリング磁石の磁極を検出することにより間接的に磁石
回転子の磁石界磁の磁極の電機子鉄心の歯部に対する回
転角度位置を検出して位置検出信号を発生させるように
したが、図2に示したように、位置検出器により磁石界
磁の磁極を直接検出することにより位置検出信号を得る
ようにしてもよい。In the above example, the position detectors hu to hw indirectly detect the rotation angle position of the magnetic field of the magnet rotor relative to the teeth of the armature iron core by detecting the magnetic poles of the ring magnet. Although the position detection signal is generated by using the position detection signal as shown in FIG. 2, the position detection signal may be obtained by directly detecting the magnetic pole of the magnet field by the position detector.
【0065】なお位置検出器は磁石界磁の各磁極の中心
位置が電機子鉄心の歯部の中心位置に対して所定の関係
を有する位置に達したことを検出するものであればよ
く、必ずしも磁石界磁の磁極を検出するものでなくても
よい。例えば、磁石回転子にロータリエンコーダのロー
タを取り付けるとともに、固定子側に該ロータリーエン
コーダのステータを取り付けて、該ロータリエンコーダ
により磁石回転子が微小角度回転する毎に発生するパル
ス信号を計数することにより、磁石界磁の各磁極の中心
位置が電機子鉄心の歯部の中心位置に対して所定の関係
を有する位置に達したことを検出するようにしてもよ
い。The position detector only needs to detect that the center position of each magnetic pole of the magnet field has reached a position having a predetermined relationship with the center position of the teeth of the armature core. It is not necessary to detect the magnetic pole of the magnet field. For example, by attaching the rotor of the rotary encoder to the magnet rotor, attaching the stator of the rotary encoder to the stator side, and counting pulse signals generated each time the magnet rotor rotates by a small angle with the rotary encoder. Alternatively, it may be detected that the center position of each magnetic pole of the magnet field has reached a position having a predetermined relationship with the center position of the teeth of the armature core.
【0066】上記の例では、磁石回転子を機関のクラン
ク軸に直接取り付けるとしたが、クランク軸に減速機を
介して結合された軸に磁石回転子を取りけるようにして
もよい。In the above example, the magnet rotor is directly mounted on the crankshaft of the engine. However, the magnet rotor may be mounted on a shaft connected to the crankshaft via a speed reducer.
【0067】上記の例のように、機関が始動した後は電
動機を発電機として動作させるようにするのが好ましい
が、従来の内燃機関始動装置と同様に、始動用電動機を
機関の始動専用に用いるようにしてもよい。It is preferable to operate the motor as a generator after the engine is started, as in the above example. However, like the conventional internal combustion engine starting device, the starting motor is dedicated to starting the engine. It may be used.
【0068】[0068]
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、内燃機
関の瞬時回転数の上昇に伴って電動機が最大トルクを発
生する回転数を高くしていくように、内燃機関の始動時
の瞬時回転数に応じて制御進み角を変化させるようにし
たので、機関の始動開始時から機関の回転数が始動時の
ピーク回転数に達する時点までの各瞬時において電動機
の出力トルクと機関のクランク軸を回転させるために必
要なトルクとの差を過大にすることなく、クランク軸を
回転させることができるため、始動開始時に過大な出力
トルクを発生する大形の電動機を用いることなく、内燃
機関の始動を行わせることができる。したがって、従来
より内燃機関始動装置を小形に構成して、機関の小形軽
量化を図ることができる利点がある。As described above, according to the present invention, the starting speed of the internal combustion engine is increased so that the rotating speed at which the electric motor generates the maximum torque increases with the instantaneous rotating speed of the internal combustion engine. Since the control advance angle is changed in accordance with the instantaneous rotation speed, the output torque of the electric motor and the crankshaft of the engine at each moment from the start of the engine start to the point when the engine speed reaches the peak rotation speed at the start of the engine. Since the crankshaft can be rotated without increasing the difference from the torque required for rotating the shaft, the internal combustion engine can be used without using a large motor that generates excessive output torque at the start of starting. Can be started. Accordingly, there is an advantage that the internal combustion engine starting device can be made smaller than before and the engine can be made smaller and lighter.
【図1】本発明に係わる始動用電動機の構成例を示した
もので、(A)は正面図、(B)は(A)のY−Y線断
面図である。1A and 1B show a configuration example of a starting motor according to the present invention, wherein FIG. 1A is a front view, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line Y-Y of FIG.
【図2】図1に示した電動機の電機子コイルに接続され
る回路の構成例を示した回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration example of a circuit connected to an armature coil of the electric motor shown in FIG.
【図3】図1の電動機の各部の信号波形を示した波形図
である。FIG. 3 is a waveform diagram showing signal waveforms of various parts of the electric motor of FIG.
【図4】図1の電動機において制御進み角を変化させた
場合の出力トルク及び回転数の駆動電流に対する特性の
変化を示した線図である。FIG. 4 is a diagram showing a change in characteristics of the electric motor of FIG. 1 with respect to a drive current of an output torque and a rotation speed when a control advance angle is changed.
【図5】図1の電動機において制御進み角を変化させた
場合の出力トルク対回転数特性の変化を、機関が始動時
に必要とするトルクと回転数との関係を示す特性ととも
に示した線図である。FIG. 5 is a diagram showing a change in output torque versus rotation speed characteristics when the control lead angle is changed in the electric motor of FIG. 1 together with characteristics showing a relationship between torque and rotation speed required at the time of starting of the engine; It is.
【図6】機関の始動時にクランキングを行った際のクラ
ンキング回転数N及び必要トルクτとクランク軸の回転
角度θとの間の関係を示す特性を、始動時のクランク軸
の平均回転数が低い場合と高い場合とについて示した線
図である。FIG. 6 is a graph showing the relationship between the cranking rotational speed N and the required torque τ when cranking is performed at the time of starting the engine and the rotational angle θ of the crankshaft; FIG. 4 is a diagram illustrating a case where the value is low and a case where the value is high.
【図7】本発明に係わる始動装置における制御進み角の
制御特性の一例を示した線図である。FIG. 7 is a diagram showing an example of a control characteristic of a control advance angle in a starting device according to the present invention.
【図8】(A)は従来の始動装置の要部を示した断面図
である。(B)は(A)の要部の左側面図である。FIG. 8A is a sectional view showing a main part of a conventional starting device. (B) is a left side view of the main part of (A).
101…フライホイール、102…磁石回転子、103
…固定子、104…電機子鉄心、P1 〜P24…歯部、W
1 〜W24…電機子コイル、M1 〜M16…永久磁石、20
0…インバータ回路、300…直流電源、400…スイ
ッチ制御装置。101: flywheel, 102: magnet rotor, 103
... stator, 104 ... armature iron core, P1 to P24 ... tooth, W
1 to W24: armature coil, M1 to M16: permanent magnet, 20
0: Inverter circuit, 300: DC power supply, 400: Switch control device.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 島崎 充由 静岡県沼津市大岡3744番地 国産電機株式 会社内 Fターム(参考) 5H019 BB01 BB05 CC04 CC09 DD01 EE01 EE14 FF01 5H621 BB10 GA01 GA04 HH01 JK14 JK15 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (72) Inventor Mitsuyoshi Shimazaki 3744 Ooka, Numazu-shi, Shizuoka Japan F-term (reference) 5H019 BB01 BB05 CC04 CC09 DD01 EE01 EE14 FF01 5H621 BB10 GA01 GA04 HH01 JK14 JK15
Claims (5)
動して該内燃機関を始動させる内燃機関始動装置におい
て、 前記電動機は、多極の磁石界磁を有して前記内燃機関の
クランク軸に直接または減速機を介して結合される磁石
回転子と、周方向に並ぶ多数の歯部を有する電機子鉄心
と該電機子鉄心の歯部に巻回されてn相回路(nは2以
上の整数)を構成するように結線されたコイル群からな
るn相の電機子コイルとを有して前記電機子鉄心の歯部
の先端に形成された磁極部が前記磁石回転子の磁石界磁
に対向させられる固定子と、n相ブリッジ接続された2
n個のオンオフ制御が可能なスイッチ素子からなるスイ
ッチ回路を備えたインバータ回路と、前記各相の電機子
コイルが巻回されている電機子鉄心の歯部の先端の磁極
部の中心位置と前記磁石界磁の各磁極の中心位置との間
の位置関係が予め設定された関係になる位置を各相の基
準励磁相切替位置として検出して、該基準励磁相切替位
置でレベルが変化する矩形波状の信号を各相の位置検出
信号として発生する位置検出装置と、前記内燃機関を始
動させる方向に前記磁石回転子を回転せるために必要な
極性の駆動電流を直流電源から前記インバータ回路の所
定のスイッチ素子を通して前記電機子コイルに流すべく
前記各相の位置検出信号により検出される基準励磁相切
替位置に対して所定の制御進み角を有する励磁相切替位
置で前記インバータ回路の所定のスイッチ素子に駆動信
号を与えるスイッチ制御装置とを備えたブラシレス直流
電動機からなり、 前記スイッチ制御装置は、前記内燃機関の始動時の瞬時
回転数を検出する回転数検出手段と、前記回転数検出手
段により検出される前記内燃機関の瞬時回転数の上昇に
伴って前記電動機が最大トルクを発生する回転数を高く
していくように、前記内燃機関の始動時の瞬時回転数に
応じて前記制御進み角を変化させる制御進み角制御手段
とを備えていることを特徴とする内燃機関始動装置。1. An internal combustion engine starting device for starting the internal combustion engine by driving a crankshaft of the internal combustion engine by an electric motor, wherein the electric motor has a multi-pole magnet field and is directly connected to the crankshaft of the internal combustion engine. Alternatively, a magnet rotor coupled via a speed reducer, an armature core having a large number of teeth arranged in the circumferential direction, and an n-phase circuit wound around the teeth of the armature core (n is an integer of 2 or more) And an n-phase armature coil consisting of a coil group connected to form a magnetic pole portion formed at the tip of the tooth portion of the armature iron core facing the magnet field of the magnet rotor. Stator and n-phase bridge-connected 2
an inverter circuit including a switch circuit including n switch elements capable of on / off control; a center position of a magnetic pole portion at a tip end of a tooth portion of an armature core around which the armature coil of each phase is wound; A position where the positional relationship between the center position of each magnetic pole of the magnet field and the center position is set in advance is detected as a reference excitation phase switching position of each phase, and a rectangle whose level changes at the reference excitation phase switching position is detected. A position detection device for generating a wave-like signal as a position detection signal for each phase; and a drive current having a polarity necessary for rotating the magnet rotor in a direction for starting the internal combustion engine is supplied from a DC power supply to a predetermined position of the inverter circuit. At the excitation phase switching position having a predetermined control advance angle with respect to the reference excitation phase switching position detected by the position detection signal of each phase so as to flow to the armature coil through the switch element. A brushless DC motor including a switch control device for providing a drive signal to a predetermined switch element of the circuit, wherein the switch control device includes a rotation speed detection unit that detects an instantaneous rotation speed at the time of starting the internal combustion engine; According to the instantaneous rotation speed at the time of starting the internal combustion engine, the rotation speed at which the electric motor generates the maximum torque increases with the increase in the instantaneous rotation speed of the internal combustion engine detected by the rotation speed detection means. And a control lead angle control means for changing the control lead angle.
動して該内燃機関を始動させる内燃機関始動装置におい
て、 前記電動機は、ほぼカップ状に形成されたフライホイー
ルと該フライホイールの周壁部の内周に形成された磁石
界磁とを有して、前記フライホイールが前記内燃機関の
クランク軸とともに回転するように該内燃機関のクラン
ク軸に直接または減速機を介して結合される磁石回転子
と、環状の継鉄部から多数の歯部が放射状に突出した構
造を有する多極星形電機子鉄心と該電機子鉄心の歯部に
巻回されてn相回路(nは2以上の整数)を構成するよ
うに星形結線されたコイル群からなるn相の電機子コイ
ルとを有して前記磁石回転子の内側に配置された固定子
と、n相ブリッジ接続された2n個のオンオフ制御が可
能なスイッチ素子からなっていて直流入力端子間に直流
電圧が印加され、n相の交流出力端子に前記n相の電機
子コイルが接続されたインバータ回路と、前記各相の電
機子コイルが巻回されている電機子鉄心の歯部の先端の
磁極部の中心位置と前記磁石界磁の各磁極の中心位置と
の間の位置関係が予め設定された関係になる位置を各相
の基準励磁相切替位置として検出して、該基準励磁相切
替位置でレベルが変化する矩形波状の信号を各相の位置
検出信号として発生する位置検出装置と、前記磁石回転
子を前記内燃機関を始動させる方向に回転させるために
必要な極性の駆動電流を直流電源から前記インバータ回
路を通して前記電機子コイルに流すべく、前記位置検出
装置により各相の電機子コイルに対して検出された基準
励磁相切替位置に対して所定の制御進み角を有する励磁
相切換位置で前記インバータ回路の所定のスイッチ素子
に駆動信号を与えるスイッチ制御装置とを備えたブラシ
レス直流電動機からなり、 前記スイッチ制御装置は、前記内燃機関の始動時の瞬時
回転数を検出する回転数検出手段と、前記回転数検出手
段により検出される前記内燃機関の瞬時回転数の上昇に
伴って前記電動機が最大トルクを発生する回転数を高く
していくように、前記内燃機関の始動時の瞬時回転数に
応じて前記制御進み角を変化させる制御進み角制御手段
とを備えていることを特徴とする内燃機関始動装置。2. An internal combustion engine starting device for starting the internal combustion engine by driving a crankshaft of the internal combustion engine by an electric motor, wherein the electric motor includes a flywheel formed substantially in a cup shape and a peripheral wall portion of the flywheel. A magnet rotor having a magnet field formed on the periphery thereof, the magnet rotor being coupled to the crankshaft of the internal combustion engine directly or via a reduction gear so that the flywheel rotates with the crankshaft of the internal combustion engine. A multipolar star-shaped armature core having a structure in which a number of teeth protrude radially from an annular yoke, and an n-phase circuit (n is an integer of 2 or more) wound around the teeth of the armature core And an n-phase armature coil composed of a star-connected coil group and a stator arranged inside the magnet rotor, and 2n on-off controls connected by an n-phase bridge Switch capable A DC voltage is applied between the DC input terminals, and an inverter circuit in which the n-phase armature coil is connected to the n-phase AC output terminal, and the armature coil of each phase is wound. The position at which the positional relationship between the center position of the magnetic pole portion at the tip of the tooth portion of the armature iron core and the center position of each magnetic pole of the magnet field becomes a preset relationship is a reference excitation phase switching position of each phase. And a position detection device that generates a rectangular wave signal whose level changes at the reference excitation phase switching position as a position detection signal for each phase, and rotates the magnet rotor in a direction to start the internal combustion engine. In order to allow the drive current of the required polarity to flow from the DC power supply to the armature coil through the inverter circuit, a predetermined excitation phase switching position detected for the armature coil of each phase by the position detection device is determined. System A switch control device for providing a drive signal to a predetermined switch element of the inverter circuit at an exciting phase switching position having a lead angle, the brush control device comprising: A rotation speed detecting means for detecting a rotation speed, and increasing the rotation speed at which the electric motor generates the maximum torque with an increase in the instantaneous rotation speed of the internal combustion engine detected by the rotation speed detecting means, An internal combustion engine starting device, comprising: a control advance angle control unit that changes the control advance angle according to the instantaneous rotation speed at the time of starting the internal combustion engine.
動して該内燃機関を始動させる内燃機関始動装置におい
て、 前記電動機は、ほぼカップ状に形成されたフライホイー
ルと該フライホイールの周壁部の内周に形成された磁石
界磁とを有して前記フライホイールが前記内燃機関のク
ランク軸とともに回転するように該内燃機関のクランク
軸に直接または減速機を介して結合される磁石回転子
と、環状の継鉄部から多数の歯部が放射状に突出した構
造を有する多極星形電機子鉄心と該電機子鉄心の歯部に
巻回されてn相回路(nは2以上の整数)を構成するよ
うに星形結線されたコイル群からなるn相の電機子コイ
ルとを有して前記磁石回転子の内側に配置された固定子
と、n相ブリッジ接続された2n個のオンオフ制御が可
能なスイッチ素子からなるスイッチ回路と前記2n個の
スイッチ素子にそれぞれ逆並列接続された2n個のダイ
オードとを備えて前記スイッチ回路の直流入力端子間に
直流電圧が印加され、n相の交流出力端子に前記n相の
電機子コイルが接続されたn相インバータ回路と、前記
各相の電機子コイルが巻回されている電機子鉄心の歯部
の先端の磁極部の中心位置と前記磁石界磁の各磁極の中
心位置との間の位置関係が予め設定された関係になる位
置を各相の基準励磁相切替位置として検出して、該基準
励磁相切替位置でレベルが変化する矩形波状の信号を各
相の位置検出信号として発生する位置検出装置と、前記
磁石回転子を前記内燃機関を始動させる方向に回転させ
るために必要な極性の駆動電流を直流電源から前記イン
バータ回路を通して前記電機子コイルに流すべく前記位
置検出装置により各相の電機子コイルに対して検出され
た基準励磁相切替位置に対して所定の進み制御角を有す
る励磁相切替位置で前記インバータ回路の所定のスイッ
チ素子に駆動信号を与えるスイッチ制御装置とを備えた
ブラシレス直流電動機からなり、 前記スイッチ制御装置は、前記内燃機関の始動時の瞬時
回転数を検出する回転数検出手段と、前記回転数検出手
段により検出される前記内燃機関の瞬時回転数の上昇に
伴って前記電動機が最大トルクを発生する回転数を高く
していくように、前記内燃機関の始動時の瞬時回転数に
応じて前記制御進み角を変化させる制御進み角制御手段
とを備え、 前記インバータ回路の2n個のダイオードにより、前記
n相の電機子コイルに誘起するn相交流電圧を整流して
外部の電気負荷に供給するダイオードブリッジ全波整流
回路が構成されていることを特徴とする内燃機関始動装
置。3. An internal combustion engine starting device for starting the internal combustion engine by driving a crankshaft of the internal combustion engine by an electric motor, wherein the electric motor includes a flywheel formed substantially in a cup shape and a peripheral wall portion of the flywheel. A magnet rotor having a magnet field formed on the periphery and coupled to the crankshaft of the internal combustion engine directly or via a speed reducer so that the flywheel rotates with the crankshaft of the internal combustion engine; A multipole star-shaped armature core having a structure in which a number of teeth protrude radially from an annular yoke portion and an n-phase circuit (n is an integer of 2 or more) wound around the teeth of the armature core. A stator arranged inside the magnet rotor having an n-phase armature coil composed of a group of coils connected in a star shape so as to constitute, and 2n on-off controls connected by an n-phase bridge are provided. Possible switch elements , And 2n diodes connected in anti-parallel to the 2n switch elements, respectively. A DC voltage is applied between DC input terminals of the switch circuit, and the n-phase AC output terminal is connected to the n-phase AC output terminal. An n-phase inverter circuit to which a phase armature coil is connected, a center position of a magnetic pole portion at a tip of a tooth portion of an armature core around which the armature coil of each phase is wound, and each magnetic pole of the magnet field Is detected as a reference excitation phase switching position for each phase, and a rectangular wave signal whose level changes at the reference excitation phase switching position is detected for each phase. And a drive current having a polarity required to rotate the magnet rotor in a direction to start the internal combustion engine from a DC power supply through the inverter circuit. In the excitation phase switching position having a predetermined advance control angle with respect to the reference excitation phase switching position detected for the armature coil of each phase by the position detection device so as to flow to the predetermined switch element of the inverter circuit. A switch control device for providing a drive signal, the switch control device comprises: The control advance angle is changed in accordance with the instantaneous rotation speed at the time of starting the internal combustion engine so that the rotation speed at which the electric motor generates the maximum torque increases with the increase in the instantaneous rotation speed of the internal combustion engine. And a lead angle control unit for rectifying an n-phase AC voltage induced in the n-phase armature coil by 2n diodes of the inverter circuit, Internal combustion engine starting apparatus characterized by supplying the gas-load diode bridge full-wave rectifier circuit is constituted.
ルが巻回されている歯部の先端の磁極部の中心位置が前
記磁石界磁の磁極の中心位置に一致する位置を前記基準
励磁相切替位置として検出して該基準励磁相切替位置で
レベルが変化する位置検出信号を各相毎に発生するよう
に構成され、 前記制御進み角制御手段は、前記内燃機関の始動開始時
に前記制御進み角を零とし、前記内燃機関の瞬時回転数
の上昇に伴って前記制御進み角を進み側に大きくしてい
くように前記制御進み角を制御することを特徴とする請
求項1ないし3のいずれか1つに記載の内燃機関始動装
置。4. The position detecting device according to claim 1, wherein the position of the center of the magnetic pole at the tip of the tooth around which the armature coil of each phase is wound coincides with the center of the magnetic pole of the magnet field. The control advance angle control unit is configured to generate a position detection signal, which detects the excitation phase switching position and changes the level at the reference excitation phase switching position, for each phase. The control advance angle is set to zero, and the control advance angle is controlled so that the control advance angle increases toward the advance side as the instantaneous rotational speed of the internal combustion engine increases. The internal combustion engine starting device according to any one of the above.
置が順次発生するn相の位置検出信号の発生間隔から前
記瞬時回転数を演算することを特徴とする請求項1ない
し4のいずれか1つに記載の内燃機関始動装置。5. The apparatus according to claim 1, wherein the rotation speed detection means calculates the instantaneous rotation speed from an interval of generation of n-phase position detection signals sequentially generated by the position detection device. An internal combustion engine starting device according to one of the preceding claims.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP27360598A JP2000104650A (en) | 1998-09-28 | 1998-09-28 | Starting device for internal combustion engine |
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---|---|---|---|
JP27360598A JP2000104650A (en) | 1998-09-28 | 1998-09-28 | Starting device for internal combustion engine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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ID=17530094
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A02 | Decision of refusal |
Effective date: 20040622 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 |