发动机的起动机 【技术领域】
本发明涉及用于诸如摩托车或类似车辆的发动机的起动电动机，以及用于起动这样的发动机和减少起动机在起动操作时的噪声的方法。
背景技术
在一个诸如摩托车之类的车辆的发动机中，在发动机起动的时候使用了一个起动电动机在电池的电力下转动发动机轴。起动电动机一般是藉助操作一个诸如车辆主开关或起动机开关之类的手动开关通过一继电器驱动的直流(DC)电动机。在这样的情况下，开关首先转向开，以转动起动电动机来转动曲柄。当发动机起动时、起动电动机的载荷降为零之后，产生最大的转动速度。此时，开关转向关，以停止向起动电动机供电。结果，起动电动机输出轴就通过一个单向离合器类型的装置与发动机轴分离，并且在其惯性的作用下空转，且转速逐渐减小后停止转动。
在上述的发动机起动时，起动电动机在停止向其供电后逐渐停止其转动的时间里，会产生异常和令人不愉快地噪声。可以参照图1来进行理解这个现象的产生。在该图中，水平轴代表时间，纵轴代表起动电动机的转速和声压级。
在时刻t0起动电动机的电源打开，并开始转动以转动曲柄。当发动机起动时，起动电动机的荷载降至零且转速增加到最大。在达到这一状态的时刻t1，起动机开关就被手动地关闭。
结果，起动电动机就在惯性的作用下空转，其转速逐渐减小，并最终在时刻t2停止。在时刻t1和t2之间，产生了很响的噪声。此时的噪声是异常和令人不愉快的噪声，并且异常地要比发动机噪声或甚至在实际起动操作过程中的起动电动机的噪声还要响。
这异常的噪声是由于起动电动机轭铁的固有频率与在一特定的电动机速度时的齿槽效应(cogging reaction)的次数一致时的其定子共振引起的。该共振频率与由电枢槽数和磁体的磁极数的最小公倍数，或齿槽效应数/转动速度，以及在由特定的电动机速度产生的齿槽效应所确定的频率相一致。在图1所示的一个真实的测量结果中，齿槽效应数对于带十四个槽和四磁极磁体的电动机是最小公倍数28。异常的噪声在转速为每分钟5100转的时刻产生。在这种情况下，共振频率可如下地表示：
(28×5100/60)×2＝4760Hz
更具体地说，一个连接在起动电动机的输出轴上的电枢由多个径向放置的铁芯构成。通电线圈缠绕在这些铁芯上并面向在起动电动机轭铁内表面上的多个磁体。电枢通过磁体磁力的连续吸引而转动。
当电枢的铁芯横穿过磁体并改变其极性时，电枢的转矩就发生变化，从而产生伴有扰动的齿槽效应。因此，磁力越大，产生的齿槽效应也越显著，并由于该反应而导致异常的噪声。
永久磁体的材料一般为基于铁素体的磁性材料。但永久磁体较佳的是由包含稀有金属元素钕(Nd)或其化合物制成的被称为高能磁体的钕基磁体，这是因为对于给定的尺寸它们产生更大输出功率的起动电动机。如果使用了这样的钕基磁体，由于磁力大，所以因齿槽效应所导致的异常噪声的问题就更为突出。
在Yoshikazu、Kurita的名为“Starter Arrangement And Method For AnEngine”(“发动机的起动机结构和方法”)、序列号为：10/063641、提出于2002年5月7日并转让给本申请受让人的共同待批申请中，公布了一种通过在起动电动机转变为关时就对起动电动机轴的转动进行制动来避免这种噪声的方法和设备。这是通过将其用作向车辆电池充电的发电机利用将被耗散的起动电动机的连续转动来实现的。尽管这是解决该问题的十分有效的方法，但是这致使电路复杂并可能会增加成本。
因此，本发明的一个主要的目的是提供一种用于起动内燃机的改进的起动电动机结构，并且它减少在起动过程中的噪声。
本发明的又一个目的是提供一种用于起动内燃机的改进的起动电动机结构，它通过减小作用在电动机上的齿槽效应扭矩来减少在起动过程中的噪声，并使电动机在起动电动机断电时更快地减速，以避免因其产生的振动。
在通过减小齿槽效应扭矩来减小发动机起动后在起动电动机中的噪声的尝试方面，人们已发现这些方法中的一些可能与用于除了发动机起动之外的目的的电动机和发电机一起使用。因此，本发明的又一个目的是提供一个改进的齿槽效应扭矩减小机构，它不仅可与那些用作内燃机的起动电动机的电动机一起使用，也可以与旋转电机一起使用。
【发明内容】
本发明的一第一特征是适于实施在一个内燃机的起动机中。该起动机包括一个带有一输出轴的直流(DC)电动机，该电动机的输出轴与一发动机轴在起动配置中以起动发动机。起动电动机包括共同工作、相对可转动的永久磁体和线圈绕组部件，永久磁体部件包括间隔的、具有相对极性的若干永久磁体，线圈绕组部件包括通电线圈围绕其卷绕的若干磁极铁芯。通过减小起动电动机的齿槽效应扭矩和增强起动电动机外壳体刚度两者中的至少一个方法有效地减轻了发动机起动后的振动。
本发明的另一个特征是适于实施在一个包括相对转动的永久磁体和线圈绕组部件的旋转电动机中。永久磁体部件，尤其是其诸永久磁体，包括多个周向间隔、极性相对的永久磁体。根据本发明的一个特征，永久磁体具有相邻凸起和凹入表面，其间形成弧形间隔，且凸起表面在周向与凹进表面重叠。根据本发明的另一个特征，磁体包括轴向间隔的、极性相同的永久若干磁体部分，且它们在周向相互交错。
附图简述
图1是示出一现有技术类型的起动电动机在发动机起动操作中的噪声和转速的曲线图。
图2是根据本发明构造和运作的一个起动电动机的剖面图。
图3是沿着图2中线3-3的横剖面图。
图4是沿着图2中线4-4的横剖面图。
图5是示出根据本发明第一实施例的铁芯齿的展开图。
图6是示出根据本发明另一个实施例的永久磁体的展开图。
图7是与图6部分相似的展开图，所示为根据本发明另一个实施例的永久磁体的。
图8是与图6和7部分相似的展开图，所示为根据本发明再一个实施例的永久磁体。
图9是与图6-8部分相似的展开图，所示为根据本发明再另一个实施例的永久磁体。
图10是与图6-9部分相似的展开图，所示为根据本发明再一个实施例的永久磁体。
图11是一个起动电动机连接在根据现有技术构造的发动机主体上时的侧视图。
图12是与图11部分相似的侧视图，所示为如何根据本发明的实施例通过加强起动电动机的壳体来减轻振动。
【具体实施方式】
现在请详见附图，并从图2-4开始，图中一个用于内燃机(未图示)的起动电动机总的用参考标号11标识。起动电动机11包括一个定子12，它由一圆柱形轭铁13和四个弧形截面、粘附在轭铁内表面上的永久磁体14构成。永久磁体14较佳的是由在粘附到轭铁13上之后被磁化的钕(Nd)基磁性材料制成。
一个由15总的标识的电枢或转子可转动地安装在定子12内，稍后会描述其安装的方式。电枢15由面向磁体14和固定在起动电动机输出轴17上的铁芯16构成。一个整流器18固定在起动电动机输出轴17的一端上并与铁芯16相邻。
如图2和3所示，铁芯16由多个径向放置的铁芯齿19组成。在所示的实施例中，铁芯16共有14个铁芯齿19。通电线圈(未图示)缠绕在磁极齿19上。整流器18由多个接触件21组成，其数量与铁芯件19的数量相一致，并且它们与线圈端部电气连接，如在本技术领域中人们所熟知的。两套两个电刷22和23(图4)分别由各自的电刷固定装置24和25固定，并且在整流器18的外周处与其并列。电刷22和23在螺旋弹簧26的作用下压靠在整流器18的接触件21上。
在圆柱形轭铁13相对端部侧装配有一个如图所示地封盖住轭铁13左侧的前盖27(图2)和一个封盖住轭铁右侧的后盖28。在该图中，一个与轭铁13一起成形的电动机壳体总的由参考标号29来标识。起动电动机的输出轴17分别由轴承31轴颈支承用于在前盖27和后盖28上可以转动。
在后盖28(图2和4)设有一个用于从一个装在车辆上的电池(下文将参照图5进行描述)的正电极获得电源的正接线端32。正接线端32与在正电极侧的电刷22以合适的方式连接。在负电极侧(接地侧)的电刷23通过接地紧固件33与端部壳体28连接。电动机壳体29通过一个将起动电动机11固定在发动机上的安装支架34接地到相关的发动机，这样，安装支架34就作为一个负接线端。
在前盖27上装有一个用来防止油从相连的发动机进入到电动机壳体29中的油封件35(图2)和一个用来将安装部分密封到发动机上的密封圈36。在起动电动机输出轴17的发动机侧端部设有一个小齿轮37，它与一个飞轮齿轮(未图示)啮合以转动发动机轴用于起动。在这个连接中装设有诸如一单向离合器之类的某种形式的单向装置，以使发动机轴一旦在发动机已起动以在其自己的动力下运转时就不驱动起动电动机，如在本技术领域中人们所熟知的。
在起动电动机输出轴17的一端封盖整流器18的后盖28中固定有一个盘形的电刷支架38。电刷固定装置24和25在四个径向直角地间隔的位置处固定在电刷支架38上，以固定相对的两个正电极电刷22和相对的两个负电极(接地)电刷23。如已提及的，电刷22、23在螺旋弹簧26的作用下朝整流器18径向向内偏置。正电极电刷22与正接线端32连接，负电极电刷23与负(接地)接线端34连接。
现在请参见图5，该图中示出了根据本发明减轻非正常噪声的方法的第一个实施例。本实施例是将要进行描述的多个实施例中的一个，并且是通过减小齿槽效应扭矩，尤其是在相关发动机起动时供向绕组的电源切断时来减轻噪声的。
该图是径向铁芯16的展开图。在本实施例中，铁芯16的每个磁极齿19形成为相对转子轴17的转动轴线C倾斜。这样的一种倾斜的结构可以容易地通过层叠构成铁芯16的径向成形薄铁片39并在层叠中向转动的方向稍稍偏移各薄铁片来形成。因而，面向永久磁体14的磁极面41就形成为倾斜并为平行四边形。这样在磁极齿19之间形成的凹槽入口42就对转动轴的轴线C倾斜。
在这样的构造中，磁体14的拉入力就沿着倾斜的极齿19的侧边逐渐作用，因此齿槽效应就被消散和逐渐产生。结果就减小了齿槽效应，并且所产生的非正常的噪声也减轻。
图5所示为根据本发明的通过减小齿槽效应扭矩来减轻非正常的噪声的另一个实施例。图中所示为定子12的磁体14的一个展开图。本实施例适于倾斜各磁体14的磁化方向。四个磁体14中的每一个径向间隔90度地周向放置。在诸磁体14之间的分割线43与转动轴的轴线C平行。各磁体14以如图中虚线所示的方向倾斜并磁化。在本实施例中，如图6所示，在铁芯侧的磁极面41与转动轴的中心线C平行，不倾斜。
这样，通过倾斜磁体14的磁化方向，磁体14的拉入力就对轴向逐渐偏移地作用在铁芯上，以使齿槽效应的作用减小，也能减轻由于齿槽效应而产生的非正常的噪音。在本实施例中，无需倾斜铁芯齿19，所以铁芯的组装工作或线圈的卷绕工作就不会变得复杂。
图7所示为再一个与本发明相关的通过减小齿槽效应力来减轻非正常噪音的方法的实施例。在本实施例中，这里标识为44的四个磁体是平行四边形的。磁化的方向平行于转动轴的轴线C，如虚线所示。在诸磁体44的侧边之间的分割线45是相对转动轴的轴线C倾斜的直线。
这样，通过使磁体44的形状倾斜成平行四边形，磁体的拉入力就对轴向逐渐偏移地作用在铁芯上，故耗散了齿槽效应的作用，并能减轻因齿槽效应而产生的非正常的噪音。
图8所示为再一个与本发明相关的通过减小齿槽效应力来减轻非正常噪音的方法的实施例。本实施例适于将这里由51标识的磁体的侧边弯曲并成形为弧形。磁体交替地设置有凸起侧边52和凹入侧边53以形成在它们之间的厚度均匀的弧形槽54。这样，通过弯曲和成形磁体51的侧边52和53，磁体的拉入力就对轴向逐渐偏移地作用在铁芯上，故耗散了齿槽效应的作用，并能减轻因齿槽效应而产生的非正常的噪声。
如果磁体的形状是倾斜或弧形的，齿槽效应的作用就如上所述地对轴向逐渐偏移地作用，并且随着在轴向的偏移产生牵引力。在这样的情况下，本发明就具有一个对称的形状，其中在磁体边界处的分割线54围绕轴向的中心对折起来，所以在轴向中心两侧上的牵引力就可以相互抵消，就可以实现平稳的转动。
图9和10所示为另两个与本发明相关的通过减小齿槽效应力来减轻非正常噪音的方法的实施例。在这些实施例中，它是通过在轴向分割四个周向间隔的磁体并在周向相互偏移这些部分来实现的。偏移的部分在周向相互重叠。这样提供了与图7所示的实施例相似的效果。
在图9所示实施例中，由61标识的各个磁体被分割成两个轴向和周向间隔的部分62和63。这些部分在周向相互重叠。
在图10所示的实施例中，由71标识的各个磁极被分割成五个轴向和周向间隔的磁体部分72、73、74、75及76。这提供了与图8实施例类似的结果。
这样，通过在轴向分割各个磁体61和71，并在周向偏移诸部分，当电动机转动时，磁体的拉入力就被分割并在作用时有时间上的滞后，因而就耗散了齿槽效应的作用，并能减轻因齿槽效应而产生的非正常的噪音。
在目前为止所述的各个实施例中，已经通过减小或消除齿槽效应扭矩来减轻非正常的噪音。下文就描述如图11和12所述的两个实施例，在其中通过增加起动电动机(在这些图中总的由参考标号81来标识)的整个壳体组件的刚度了减轻这些噪音。这些实施例适于提高起动电动机81的刚度来减少齿槽效应导致的共振。电动机81除了现在所述的加大结构刚度之外，其自身也可以采用关于减小齿槽效应的任何前述的实施例。
一般来说，在各个实施例中的电动机81的构造是相同的，如已参照图2至4所述。因此，如所述的电动机81的外部部件以及起动机轴标识为与前面所采用的标号相同的标号。也就是说，起动电动机81包括一个由定子壳体13构成的外壳体29，端部壳体27和28固定在该定子壳体13上，并且在定子壳体13中起动电动机轴17以前述方式轴颈支承。
在图11所示的实施例中，一个安装支架82与电动机壳体13的轭铁13焊接并成为一个整体。这个支架82是用来连接起动电动机81并将其固定到车辆主体框架或发动机(未图示)上的。这样，通过将支架82焊接到电动机主体13，尤其是电动机轭铁13，并将其与它们连成整体，本实施例中的的壳体主体13的刚度就增加了。这样，由于齿槽效应引起的振动就减轻，并且由于齿槽效应而产生的非正常的噪声也减轻。此外，由于起动电动机的安装支架82不是直接固定在前盖27或后盖28上的，所以它们的结构得到简化。
图12所示为一个电动机壳体29加强的实施例，该实施例采用了一个固定在一个端部壳体上或与其成形为一体的传统的起动发动机安装支架91，在所示实施例中，支架91是固定在后端壳体28上的。用连接螺钉将一个加压支架92固定在前盖27和后盖28上。加压支架92紧靠在电动机主体29尤其是轭铁13上。这样，电动机主体29的刚度就增加，并且齿槽效应所引起的振动就减轻。因此，由于齿槽效应产生的非正常的噪声就减轻。
因此，应该十分显而易见的是，所述的装置以低廉的成本和高效的方式实现了上面所提示的目标。当然，那些熟悉本技术领域的人们会理解，所述的实施例仅是本发明的较佳实施例，并且可以不超出如所附权利要求所定义的本发明的原理和保护范围而作出种种修改和变型。