专利名称：用于启动机的磁性开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于启动内燃机的启动机。更具体地说，本发明涉及一种用于启动机的磁性开关。
背景技术：
进行了各种努力以应对汽车领域中近来的环境问题。说完这个方面，车辆启动机还需要各种改进，例如紧凑性，重量减轻以及抵抗发动机怠速限位(用于汽车节油行驶竞赛)的长期磨损。为了满足这个要求，JP-A-9-68142(USP5,525,947)中所公开的启动机通过改善小齿轮的啮合而减少了对环形齿轮的损害。另外，该启动机能够通过降低开关电流而进行精细的电控。即，电力通过电阻供向副接触件，使得马达以低速开始转动，并且小齿轮利用该转动力与环形齿轮进行啮合。此后，电力供向主接触件，使得马达以全速转动。因此，只需要吸引力来闭合用于马达的接触件。因此，与小齿轮通过开关力啮合的情况相比，开关电流降低了百分之七十以上。因此，可以通过使用半导体来接通和切断开关电流，这减小了尺寸。
在上述启动机中，减少了对环形齿轮的损害。还有，通过副接触件减少了主接触件的磨损。然而，副接触件产生了一些问题。
例如，在副接触件的持久性方面，因为副接触件由金属制成并且接通和切断的电流大约为100A，所以它会由于电弧热而容易磨损。在另一方面，因为需要电阻，电阻的持久性会成为问题。例如，如果车辆的键式开关被锁定在启动机位置，那么电流可以连续地供应给线圈。结果，例如电阻和线圈这样的元件就会烧毁并且副接触件不能正确地工作。
在又一个方面，副接触件的颤动或者最小操作电压的增加会成为问题。图6是表示开关的力F和行程D之间的关系的图表。在图6中，画出了操作开关所需的力F1和开关所产生的吸引力F2。通过将由开关驱动的返回弹簧、接触压力弹簧等的载荷转换成柱塞的力来确定力F1。
当柱塞移动时，副接触件在点Da处闭合。当马达电流通过副接触件供应时，电压降低，由此减小开关电流。在电源电压足够高的情况下，开关连续地吸引柱塞。然而，在电源电压较低的情况下，吸引力F2减小到低于力F1，如图6中的虚线所示。因此，柱塞利用弹簧力返回，由此打开副接触件。结果，副接触件在点Da处颤动。在最坏的情况下，接触件可能会过热并且粘附在一起。上述最小操作电压是避免颤动所需的最小电压。
从上述说明中可以理解，副接触件在柱塞的行程的中部造成了快速的电压降。因此，具有副接触件的开关的最小操作电压高于没有副接触件的开关的最小操作电压。当主接触件闭合时，造成了电压降。然而，当主接触件闭合时，由于柱塞已经充分地移动了，所以开关的吸引力是足够高的。因此，不会引起主接触件的问题。为了解决副接触件的问题，开关、接触件和电阻可以被扩大。然而，这与紧凑性产生了冲突。
作为解决接触件的磨损和粘附问题的装置，在公开文本JP-A-9-310666(USP6,054,777)中将电刷用作马达的接触件。然而，由于电刷是磨损部件，所以需要预定的长度作为磨损限度。在启动机中，电刷通常具有大约10mm的磨损限度。
另外，电刷通常需要10N到20N作为设定力。一般来说，设置有两个电刷。因此，总共需要20N到40N。为了通过弹簧提供这种力，需要将弹簧弯曲大约10mm到20mm(至少大约10mm)。在将电刷用作接触件的情况下，为了应对由于电刷的磨损和设定力而引起的大约10mm到20mm的长度变化，需要20mm以上的量作为开关的行程，并且需要20N以上的量作为吸引力以便利用柱塞移动电刷。
实际上，对于一般启动机的开关来说很难满足这两种要求，这是因为它的尺寸问题。进行了试验以便通过使用杠杆的原理增大行程和吸引力(例如DE10018467A1)。然而，这是难于进行的，因为即使行程的工作载荷除以吸引力的比值通过杠杆的原理而改变，不能满足开关的要求的行程的工作载荷除以吸引力的比值也不能满足工作载荷的要求。另外，还需要附加的、特殊的、大的电刷移动装置。
也就是说，在将电刷用作接触件的情况下，需要大尺寸的机构，例如大的开关。然而，这与减小尺寸的目的产生了冲突。还有，启动机的电刷通常由包括50％或更多的铜的石墨制成以便减小接触电阻。因此，电刷并不优选作为接触件。
发明内容
考虑到以上缺点制成了本发明，并且本发明的目的是提供一种磁性开关，通过提供由碳材料制成的副接触件并通过在电流基本上为零的情况下接通和切断电源，该磁性开关抑制了由于电弧引起的接触件的磨损和粘附。
根据本发明的一个方面，一种用于启动机的磁性开关包括第一接触部分和第二接触部分，这些接触部分利用固定接触件和可动接触件操作马达和电池之间的电连接。第一接触部分包括碳材料。第一接触部分和第二接触部分设置成这样，使得第一接触部分在第二接触部分进行接触之前进行接触。
因为第二接触部分并不直接导通，所以对具有金属接触件的第二接触部分的损害被抑制了。由于第一接触部分包括碳材料，该碳材料不易于粘附并具有润滑作用，所以即使在电力供向马达时由于接触件的振摆而在第一接触部分中产生电弧，接触件也不太可能粘附或不正常地磨损。
根据本发明的第二方面，当磁性开关切断时，第一接触部分在第二接触部分断开接触之后断开接触。由于电流在第二接触部分中不是被直接切断，所以在第二接触部分中不太可能产生电弧，由此抑制了对接触件的损害。由于第一接触部分包括的碳材料具有抵抗电弧的强度，通向该第一接触部分的电流被直接切断，所以改善了开关的性能。
根据本发明的第三方面，电阻元件包括在与第一接触部分串联的第一电路中。因为在第一电路中限制了电流，所以接触件上的载荷可以被降低。另外，第一接触部分和第二接触部分并联连接。当第二接触部分进行接触时，电力一般并不供向包括电阻元件的第一电路，而是供向第二电路。因此，所需量的电流被供向马达。
根据本发明的第四方面，碳材料由百分之百的碳制成，或者该碳材料由具有百分之十或更少的金属内容物的碳制成。因此，该碳材料提供了电阻(大致为50毫欧)。因为由碳材料提供电阻元件，所以部件的数量减少了并且结构变得简单。
根据本发明的第五方面，一种磁性开关包括吸引线圈，该吸引线圈在被激励时产生吸引力；以及用于将电池和马达电连接的接触单元。该接触单元包括用于通过电阻元件向马达辅助地供应电力的第一接触部分；以及主要用于向马达供应电力的第二接触部分。通过由碳材料制成的第一接触部分的接触件来提供电阻元件。
当吸引线圈被激励时，第一接触部分的可动接触件和固定接触件彼此接触，同时通过柱塞弯曲返回弹簧，并且然后，一可动接触件和一固定接触件通过柱塞的进一步移动而彼此接触。在供向马达的电力被切断时，第二接触部分的可动接触件和固定接触件分离，此后，第一接触部分的可动接触件和固定接触件通过利用返回弹簧的返回力移动的柱塞而分离。因此，利用简单的结构控制了开关的接通和切断。
根据本发明的第六方面，该磁性开关还包括弹性部件以便对第一和第二接触部分施加接触压力。因此，它在接触点处抑制了电压降。另外，即使接触件磨损了，接触部分也可以进行接触。
根据本发明的第七方面，第一和第二接触部分的固定接触件设置成连接到电池上。因此，接触件可以被固定到启动机本体上，由此改善了可靠性。另外，可以移动的可动接触件以及弹性部件设置成接近柱塞。因此，这使得结构简单。例如，可动接触件和弹性部件可以被共用。
根据本发明的第八方面，根据柱塞的移动，通过弹性部分的弹性来逐渐增大或减小第一接触部分的接触压力。因此，由碳材料提供的接触件的电阻从无限大逐渐改变到预定值(例如，50毫欧)。根据这一点，电流是逐渐改变的(例如，从0A到100A以及从100A到0A)。因为第一接触件在电流为零的状态下进行接触和断开接触，所以减小了对接触件的损害。
根据本发明的第九方面，碳材料被形成为两层。第一接触部分首先通过由百分之百的碳制成的层进行接触，并且最后通过该层断开接触。因此，抑制了第一接触部分处的电弧和接触件的粘附。
根据本发明的第十方面，在通过由第一接触部分减小的电力使小齿轮与环形齿轮以低速啮合之后，马达以全速转动。因此，对环形齿轮的损害被降低了。另外，第一接触部分在电流基本上为零的情况下通过碳材料进行接触。因此，开关的寿命提高了。
通过以下参考附图所做的详细说明，本发明的其他目的、特征和优点将变得更明显，其中相同的部件由相同的参考标记表示以及其中图1是根据本发明的一个实施例的启动机的截面图；图2是图1中所示的启动机的开关的截面图；图3是图1中所示的开关的可动部分的示意图；图4是根据本发明的一个实施例的启动机的电路；图5A-5C是根据本发明的另一个实施例的第一接触部分的示意图，各自解释了在第一接触部分进行接触时的位置状态；图6是曲线图，解释了开关的力和行程之间的关系并且表示了本发明的优点；以及图7是曲线图，解释了碳材料的接触压力和电阻之间的总体关系。
具体实施例方式
将要基于图1-4中所示的实施例描述本发明的启动机。标记50表示开关，其具有产生电磁力的吸引线圈51、包括在磁路内的柱塞52、壳体55、盖54以及空气间隙56。
标记70表示由固定接触件71和可动接触件72构成的第一接触部分。固定接触件71由碳材料制成，该碳材料包括百分之百的碳或者包括主要的碳和少量的金属内容物。可动接触件72是第一弹性部件73的部分。第一弹性部件73由具有导电性和机械强度的材料例如磷青铜制成。
标记80表示由固定接触件81和可动接触件82构成的第二接触部分。第一接触部分70和第二接触部分80在电池和马达之间并联连接。由于第一接触部分70包括碳材料，所以它提供了电路中的电阻。需要大约50毫欧作为电路中的电阻值。固定接触件71包括百分之十或更少的金属内容物以便具有所需的电阻。作为碳，可以使用石墨和无定形碳。使用哪一个是考虑到金属内容物之后决定的，使得第一接触部分70提供了所需的电阻值并具有长的寿命。
可动接触件72、82通过第一和第二弹性部件73、83的弹性对固定接触件71、81施加接触压力。弹性部件73、83布置成利用柱塞52来移动。另一种方案是，弹性部件73、83可以布置成分别靠近固定接触件71、81，或者可以布置成分别横过固定接触件71、81和可动接触件72、82。
第一接触部分70的固定接触件71通过保持器62连接到电池(未示出)。第二接触部分80的固定接触件81通过端子60连接到电池。如图2中所示，凸缘53和连接部分53a固定到柱塞52的端部上。凸缘53的突出端部53b通过第二弹性部件83连接到保持器58上。可动接触件72、82通过例如压配合的手段固定到保持器58的端部上。凸缘53、保持器58和可动接触件72、82可以根据柱塞52的运动成整体地移动，由此用作开关。
连接部分53a形成有孔，连接部件90的一个端部被插入该孔中。连接部件90的相对端部通过部件91限制了小齿轮25的转动。具体地说，当通过吸引线圈51的吸引力将柱塞52沿着一个方向吸引以便靠近空气间隙56时，部件91通过连接部件90与小齿轮25接触，由此限制小齿轮25的转动。在这种情况下，当马达开始转动时，小齿轮25通过螺旋花键20a、25a沿轴向移动，该螺旋花键形成在输出轴20的外表面和小齿轮25的内表面上，并且该小齿轮与发动机的环形齿轮(未示出)啮合。
马达的电枢10的轴11通过减速装置30和离合器27联接到输出轴20上。标记57表示返回弹簧，用于在吸引线圈的供电被切断时使柱塞52返回到静止位置。在这个实施例中，返回弹簧57布置在接近柱塞52的磁性开关50的内周边中。然而，返回弹簧57可以布置在另一个位置，只要它可以使柱塞52返回到静止位置就行。
接下来，将描述本发明的操作。当车辆的键式开关(未示出)被接通时，吸引线圈51产生了电磁力并且柱塞52沿着克服返回弹簧57靠近空气间隙56的方向移动。柱塞52通过连接部件90限制了小齿轮25的转动。接下来，第一接触部分70通过电阻元件电连接，因而马达非常缓慢地开始转动。此处，通过包括在固定接触件71内的碳材料提供电阻元件。
通过马达的转动，输出轴20也转动。在小齿轮的转动被限制的情况下，利用螺旋花键20a、25a的轴向部分沿轴向推动小齿轮25，由此与环形齿轮(未示出)啮合。当进一步移动柱塞52时，第二接触部分80导电。因为第一接触部分70和第二接触部分80并联连接并且电阻元件被包括在含有第一接触部分70的电路中，所以来自电池的电力被完全供应给包括第二接触部分80的电路。因此，马达以全速转动，由此启动发动机。
一旦发动机启动并且键式开关被切断，吸引线圈51的电磁力就消失。柱塞52通过返回弹簧57的弹簧力(返回力)返回，由此打开第二接触部分80。因此，被第一接触部分70的电路中的电阻元件降低的电力供应给马达。当柱塞52进一步返回时，第一接触部分70打开。本发明的磁性开关以这种方式操作。此处，除了开关以外的各部分例如啮合部分以类似于JP-A-10-115274中公开的启动机的方式操作。因此，本文并不描述那些部分的操作。
根据本发明，将电池和马达电连接的接触单元包括两个接触部分70、80。马达的电力的接通和切断通过第一接触部分70来进行，并且电流总是通过第一接触部分70的电路中的电阻元件来降低。另外，固定接触件71由碳材料制成。因此，接触件的磨损和粘附被减少了。
由于接触件71可以用作电阻，所以部件的数量不会增加。另外，即使在由于键式开关的故障而使电力连续地供应给磁性开关的情况下，也不太可能烧毁电阻。
根据柱塞52的运动，由碳材料制成的固定接触件71的接触压力通过弹性部件73的弹性逐渐地增大和减小。如图7中所示，接触电阻可以从一个大的值逐渐减小，并且可以逐渐增大到该大的值。因此，第一接触部分70可以在这种状态下闭合和打开，即，电流基本上为零。因此，由于电弧造成的磨损和粘附被抑制了。
另外，第一接触部分70所需的接触压力非常小，大约为1N，并且接触压力在长的行程中逐渐地施加。因此，不能引起开关50的吸引力。通过使用除了主接触部分以外的带有弹性部件的碳接触部分，可以提供理想的开关。
由于弹性逐渐地减小和增大，所以它抑制了电压降。因此，吸引力将不太可能像使用50毫欧的电阻的情况(F2)一样产生突然的降低，如图6中所示。另外，本实施例的吸引力F3不会降到低于开关操作所需的力F1。还有，开关的最小操作电压不会降低。虽然固定接触件71由碳材料制成，但是固定接触件71和可动接触件72中的仅一个或这两者可以由碳材料制成。
作为变型实施例，第一固定接触件71可以形成为两层，如图5A-5C中所示。标记71a表示包括比碳更多的金属的富含金属部分。标记71b表示包括较少金属或没有金属的缺少金属部分。
将描述固定接触件71的操作。当开关被接通时，首先根据柱塞52的运动，可动接触件72与缺少金属部分71b接触。接着，可动接触件72与富含金属部分71a接触。当开关被切断时，可动接触件72首先与富含金属部分71a分离，并且然后与缺少金属部分71b分离。
因此，与第一固定接触件71完全由碳材料制成的情况相比，通过双层固定接触件71可以更精确地控制开关的接通和切断。因此，可以改善上述优点。另外，通过将这种高度可靠的紧凑开关与以小齿轮转动受限制的方式进行的啮合方案相组合，进一步改善了优点并且进一步增大了防止啮合的可靠性。以这种方式，本发明提供了长寿命的、高度可靠的紧凑磁性开关。
本发明不应局限于所公开的实施例，而是可以以其他方式实施而不背离本发明的精神。
权利要求
1.一种用于启动机以便向马达供应电力的磁性开关，其包括第一接触部分和第二接触部分，这些接触部分利用固定接触件和可动接触件操作马达和电池之间的电连接，其中第一接触部分包括碳材料，并且其中第一接触部分和第二接触部分设置成这样，使得第一接触部分在第二接触部分进行接触之前进行接触。
2.根据权利要求1所述的磁性开关，其特征在于，第一接触部分和第二接触部分设置成这样，使得第一接触部分在第二接触部分断开接触之后断开接触。
3.根据权利要求1所述的磁性开关，其特征在于，第一接触部分包括在一电流路径中串联的电阻元件，其中第一接触部分和第二接触部分设置在电池和马达之间的并联电路中。
4.根据权利要求3所述的磁性开关，其特征在于，碳材料包括百分之十或更少的金属内容物并提供了电阻元件。
5.根据权利要求3所述的磁性开关，其特征在于，碳材料包括百分之百的碳并提供了电阻元件。
6.根据权利要求1所述的磁性开关，其特征在于，其还包括弹性部件以便对第一和第二接触部分施加接触压力。
7.根据权利要求1或2所述的磁性开关，其特征在于，碳材料包括两层，第一层包括比碳更多的金属并且第二层包括百分之百的碳；其中，第一接触部分设置成在第一层之前通过第二层进行接触，并且在第二层之前通过第一层断开接触。
8.一种用于启动机的磁性开关，其包括吸引线圈，该吸引线圈在被激励时用于产生吸引力；以及用于将电池和马达电连接的接触单元，其包括用于通过电阻元件向马达供应电力的第一接触部分，第一接触部分包括可动接触件和固定接触件，这些接触件中的一个电连接到电池上并且另一个可操作地联接到柱塞上，该柱塞可以通过吸引力移动；以及主要用于向马达供应电力的第二接触部分，第二接触部分包括可动接触件和固定接触件，这些接触件中的一个电连接到电池上并且另一个可操作地联接到柱塞上；其中，该接触单元设置成这样，使得第一接触部分的可动接触件和固定接触件彼此接触，同时通过柱塞弯曲返回弹簧以便通过电阻元件向马达供应电力，此后，第二接触部分的可动接触件和固定接触件通过柱塞的进一步移动而彼此接触以便主要向马达供应电力，并且在供向吸引线圈的电力被切断时，第二接触部分的可动接触件和固定接触件分离，此后，第一接触部分的可动接触件和固定接触件通过返回弹簧的返回力而分离；其中，由第一接触部分的接触件提供电阻元件，该接触件由碳材料制成。
9.根据权利要求8所述的磁性开关，其特征在于，该接触单元包括弹性部件以便对第一接触部分和第二接触部分施加接触压力。
10.根据权利要求8或9所述的磁性开关，其特征在于，第一和第二接触部分的固定接触件设置成连接到电池上，并且第一和第二接触部分的可动接触件以及弹性部件设置成接近柱塞。
11.根据权利要求9所述的磁性开关，其特征在于，弹性部件包括弹性元件，以便根据柱塞的运动通过其弹性向碳材料制成的接触件施加接触压力，由此能够在开始向吸引线圈供应电力之后将接触压力从零逐渐增大到预定压力，并且在供向吸引线圈的电力被切断之后将接触压力从预定压力逐渐减小到零。
12.根据权利要求8或9所述的磁性开关，其特征在于，碳材料包括两层，第一层由碳和金属制成并且第二层由碳制成；其中，第一接触部分设置成当第一接触部分闭合时在第一层之前通过第二层进行接触，并且当第一接触部分打开时在第二层之前通过第一层断开接触。
13.根据权利要求8或9所述的磁性开关，其特征在于，柱塞设置成在由吸引力移动时通过连接装置限制小齿轮的转动，该小齿轮支承在输出轴上，该输出轴联接到马达的电枢轴上；其中，第一接触部分具有由碳材料制成的接触件，该碳材料提供了阻止供向马达的电力的电阻，使得该小齿轮被推过形成在输出轴上的螺旋花键并且与发动机的环形齿轮相啮合；其中，第二接触部分使得电力可以供向马达，使得马达的转动通过减速装置传递到输出轴上，由此启动了发动机。
全文摘要
在用于启动机的磁性开关中，第一接触部分和第二接触部分在电池和马达之间并联连接。第一接触部分通过电阻元件进行接触，使得马达以低速开始转动。通过这种方式，利用花键的轴向部分沿着轴向推动小齿轮，并且小齿轮在其转动受限制的状态下与环形齿轮啮合。此后，根据柱塞的进一步运动，第二接触部分进行接触，使得电力通过第二接触部分完全供向马达，由此启动发动机。第一接触部分的固定接触件由碳材料制成。由碳材料提供电阻元件。
文档编号F02N15/06GK1448628SQ0310867
公开日2003年10月15日 申请日期2003年4月3日 优先权日2002年4月3日
发明者志贺孜, 新美正已 申请人:株式会社电装