用于车辆起动器的螺线管的制作方法

本分案申请是基于中国发明专利申请号201180045316.7(国际申请号pct/us2011/051918)、发明名称“具有可变磁阻柱塞的起动器马达螺线管”、申请日为2011年9月16日的专利申请的分案申请。

本申请涉及车辆起动器的领域，并且更具体地，涉及用于起动器马达组件的螺线管。

背景技术：

协助起动发动机例如车辆发动机的起动器马达组件是众所周知的。图15中示出了常规的起动器马达组件。图23的起动器马达组件200包括螺线管210、电机202、以及驱动机构204。螺线管210包括线圈212，线圈212在点火开关闭合时由电池通电。当螺线管212通电时，柱塞216沿线性方向运动，从而导致换档杆205枢转，并且迫使小齿轮206与车辆发动机(未示出)的环形齿轮啮合。当柱塞216抵达柱塞止挡部时，电触头闭合，从而将电机202连接到电池上。通电的电机202随后旋转并且向驱动机构204提供输出转矩。驱动机构204通过各种驱动部件将电机的转矩传递给与车辆发动机的环形齿轮啮合的小齿轮206上。因此，电机202和小齿轮206的旋转导致发动机转动曲柄开动直到发动机起动为止。

很多起动器马达组件例如图15的起动器马达组件200配置有“软起动”起动器马达接合系统。软起动起动器马达接合系统的意图为在将充分的电力施加到起动器电机之前使起动器的小齿轮与发动机的环形齿轮啮合。如果小环形齿轮在该接合期间抵接到环形齿轮内，则电机提供较小的转矩以转动小齿轮并且使小齿轮能够在高电流被施加之前正确地啮合到环形齿轮内。螺线管、换档拨叉、电触头和电机起动器的配置为使得在齿轮被正确啮合之前高电流没有被施加到电机上。因此，在具有软起动接合系统的起动器电机中防止小齿轮与环形齿轮的轧齿。

具有软起动接合系统的起动器例如图15的起动器通常包括具有两个不同线圈的螺线管。第一线圈为吸入线圈212，第二线圈为保持线圈214。如图15中所示，吸入线圈212首先缠绕在卷轴220上。保持线圈214缠绕在该绕组的上方。有时，该顺序被反转，使得保持线圈214首先缠绕在卷轴220上并且随后为吸入线圈212。

在起动器的操作期间，点火开关的闭合(通常在操作者转动钥匙后)使吸入线圈212和保持线圈214均通电。此刻流过吸入线圈212的电流也抵达电机202，从而向电极施加一些有限的功率，并且导致使小齿轮转动的一些较低的转矩。吸入线圈212和保持线圈214的通电使螺线管轴(本文也被称为“柱塞”)沿轴向方向运动。螺线管柱塞的轴向运动使换档杆205运动并且将小齿轮206朝向与发动机环形齿轮的啮合偏置。一旦螺线管柱塞抵达柱塞止动部，一组电触点就闭合，从而向电机提供全功率。电触头的闭合有效地使吸入线圈212短路，从而消除由吸入线圈所产生的非期望的热量。但是，当吸入线圈短路时，保持线圈214提供足够的电磁力以将柱塞保持在位并且将电触点维持在闭合位置中，从而能够继续朝向电机202的全功率输送。全功率的电机202驱动小齿轮206，从而导致发动机环形齿轮的旋转，并且由此起动车辆发动机。

在发动机点火后(即，车辆起动)之后，车辆的操作者打开点火开关。起动器马达组件的电路配置为使得点火开关的打开导致电流沿相反的方向流过保持线圈和吸入线圈。吸入线圈212和保持线圈214配置为使得当点火开关打开时两个线圈212、214的电磁力相互抵消，而复位弹簧将柱塞216迫压回到其初始断电位置。由此，将电机202连接到电功率源上的电触点断开，而电机断电。

为了生产高性能的具有软起动器马达接合系统的车辆起动器，例如如上述的，设计者面临着很多设计挑战。首先，吸入线圈必须被适当地设计以避免可能在起动器的操作期间出现的各种问题。如上所述，当软起动起动器马达接合系统的吸入线圈通电时(即，当点火开关触点由于操作者接通发动机开关钥匙而闭合时)，吸入线圈提供电磁力以将柱塞朝向柱塞止动部和闭合位置拉动。但是，吸入线圈与起动器电机串联地电连接，并且应当仅仅具有低电阻。利用经过吸入线圈的低电阻，足够的电流流过吸入线去不去到达电机，使得电机能够输送足够的输出转矩以使小齿轮旋转并且避免与环形齿轮抵接，正如前述的。这种所需的扭矩通常为8-12n-m。对于12v电机，电阻可以为0.030欧姆的量级，使得在软起动期间几百安培流过电机并且也串联连接到吸入线圈上。但是，吸入线圈的这种低电阻生成其他的设计挑战。首先，如果软起动时间段被延长，或者重复的起动被执行，则由于流过吸入线圈的较大量的电流而在吸入线圈中产生较大量的欧姆热。对于12v系统，这能够为3-4kw的量级，并且这可能导致形成线圈的布线的绝缘系统的热故障。其次，通过吸入线圈的较大电流在闭合期间在柱塞上生成比需求强太多的电磁力。当在小齿轮与环形齿轮之间的抵接发生时，这可能成为问题，并且小齿轮作用在环形齿轮上的撞击力可能超过4500n。由此，环形齿轮可能破裂或碎裂。随着时间的推移和数千次的起动，环形齿轮的表面可能恶化并且需要被替换以用于更适当的起动。

与吸入线圈相关的设计挑战，例如在前述段落中讨论的那些导致与起动器的其他部件例如保持线圈相关的另外的设计挑战。例如，如在前述段落中讨论的，吸入线圈具有与流过吸入线圈的电流相关的特定设计限制。由于电磁激励为线圈匝数乘以电流的乘积，并且由于电流为固定的，因此这通常将吸入线圈的匝数留着为对于吸入线圈的主要设计变量。尽管吸入线圈的匝数能够减小以减小前述的撞击抵接力问题，但是这对于保持线圈而言是一个问题。具体地，保持线圈的匝数应当与吸入线圈匹配，使得在小齿轮和环形齿轮在车辆起动之后脱开期间，两个线圈的电磁力将彼此抵消并且使小齿轮能够从环形齿轮中完全拉出。但是，在车辆起动之前，保持线圈比吸入线圈保持通电长很多时间段。由此，保持线圈不应当为低电阻的否则其将热失效。由此，保持线圈的电阻通常比吸入线圈的电阻高一个数量级。保持线圈的高电阻意味着电流在起动为较低之前流过保持线圈，从而导致较低的安培-匝数乘积。如果保持线圈的匝数太低，则保持线圈将输送不足的磁力以将柱塞保持闭合并且起动器电机将在车辆起动之前脱开。

如在前述段落中解释的，具有软起动马达接合系统的车辆起动器的设计者面临着对于两个线圈的相反设计的挑战，这两个线圈应当产生相同的电磁力。一方面，设计者努力限制吸入线圈的匝数以减少在小齿轮与环形齿轮的啮合期间的撞击力。另一方面，设计者努力增加保持线圈的匝数，使得保持线圈输送足够的电磁力以在发动机起动期间将柱塞保持在闭合位置中。因此，理想的是提供用于具有吸入线圈的车辆起动器的螺线管，所述螺线管限制在小齿轮与环形齿轮的啮合期间的撞击力。还理想的是提供用于所述螺线管的保持线圈，所述保持线圈在发动机起动期间将所述柱塞保持在闭合位置中。另外，理想的是这种螺线管在设计上为较简单的并且实施起来为便宜的。

技术实现要素：

根据本公开的一个实施例，提供了用于车辆起动器的螺线管。所述螺线管包括至少一个线圈，所述至少一个线圈具有延伸穿过所述线圈的通道。柱塞可滑动地设置在所述通道内并且配置为沿轴向方向在第一位置与第二位置之间运动。所述柱塞包括大致圆筒形外表面部分，具有在所述外表面部分中形成的周向凹口。

在所述螺线管的至少一个实施例中，所述至少一个线圈包括第一线圈和第二线圈，其中所述第一线圈沿所述轴向方向与所述第二线圈相邻。所述第一线圈为吸入线圈，所述第二线圈为保持线圈。所述保持线圈和所述吸入线圈缠绕到卷轴上，所述通道延伸穿过所述卷轴。板构件设置在所述卷轴的一个端部处，其中所述板构件与所述柱塞以径向距离分隔开。当所述柱塞由于所述凹口相对于所述板构件运动而从所述第一位置运动到所述第二位置时，所述径向距离改变。

在至少一个实施例中，操作用于车辆起动器的螺线管的方法包括使所述螺线管的至少一个线圈通电。所述方法还包括使柱塞由于所述至少一个线圈的通电而沿轴向方向运动。另外，所述方法包括由于所述柱塞沿所述轴向方向的运动而改变在所述柱塞与螺线管壁之间的磁阻。

参照下面的详细描述和分解图，上述特征和优点以及其他特征和优点对于本领域的技术人员而言将变为更加显而易见。尽管理想的是提供能够提供这些或其他有利特征中的一个或多个的螺线管，但是本文公开的教导扩展到落在所附权利要求的范围内的那些实施例，而无论它们是否实现上述优点中的一个或多个。

附图说明

图1示出了包括电机和螺线管的车辆起动器的示意图；

图2示出了图1的螺线管的卷轴、吸入线圈和保持线圈的立体图；

图3示出了视图，图示了当图2的吸入线圈和保持线圈通电且柱塞从柱塞止动部中移开时穿过螺线管的磁力线；

图4示出了视图，图示了当图2的吸入线圈和保持线圈通电且柱塞朝向柱塞止动部过渡时穿过螺线管的磁力线；

图5示出了视图，图示了当图2的仅仅保持线圈通电且柱塞与柱塞止动部相接合时穿过螺线管的磁力线；

图6示出了图2的卷轴沿着卷轴的中心线截取的截面图；

图6a示出了卷轴沿着图6的线a-a截取的截面图，图示了卷轴的中间凸缘的一侧；

图6b示出了卷轴沿着图6的线b-b截取的截面图，图示了卷轴的中间凸缘的另一侧；

图6c示出了卷轴沿着图6的线c-c的侧视图，图示了卷轴的端部凸缘；

图7示出了图2的卷轴的可选实施例的立体图；

图8示出了图7的卷轴，其中保持线圈沿一个方向缠绕到卷轴的第二线圈托架上；

图9示出了图8的卷轴，其中保持线圈沿相反的方向缠绕到卷轴的第二线圈托架上；

图10示出了图9的卷轴，其中保持线圈完全缠绕到卷轴的第二线圈托架上；

图11示出了图10的卷轴，其中吸入线圈缠绕到卷轴的第一线圈托架上；

图12示出了图11的卷轴，其中吸入线圈完全缠绕到卷轴的第一线圈托架上；

图13示出了卷轴沿着图12的线d-d截取的截面图，包括位于卷轴上的保持线圈和吸入线圈；

图14示出了图13的卷轴、保持线圈和吸入线圈的可选实施例的截面图；

图15示出了图2的卷轴、吸入线圈和保持线圈的截面图，具有可选实施例的螺线管柱塞，所述柱塞具有设置在内部通道内的周向凹口；

图16示出了曲线图，图示了当轴向柱塞间隙闭合时在标准柱塞与图15的可变磁阻柱塞之间的柱塞轴向力的差异；

图17示出了当柱塞位于图16的位置a时周向凹口的位置的截面图；

图18示出了当柱塞位于图16的位置b时周向凹口的位置的截面图；

图19示出了当柱塞位于图16的位置c时周向凹口的位置的截面图；

图20示出了当柱塞位于图16的位置d时周向凹口的位置的截面图；

图21示出了具有图15的周向凹口的柱塞的孤立侧视图，其中套筒构件设置在周向凹口上；

图21a示出了图21a的套筒构件的一个实施例的立体图；

图21b示出了图21a的套筒构件的另一实施例的立体图；

图22示出了图15的柱塞、卷轴、吸入线圈和保持线圈的可选实施例的截面图，其中图21的套筒设置在柱塞上；以及

图23示出了具有软起动式起动器马达接合系统常规起动器马达的剖视图。

具体实施方式

整体起动器结构

参照图1，在至少一个实施例中，用于车辆的起动器100包括电机102和螺线管110。尽管图1中未示出，但是起动器100还包括驱动机构和小齿轮，类似于以上参照图15描述的常规的起动器组件200。图1的实施例中的电机102设置在马达电路104中，马达电路104配置为经由b+端子将电机连接到车辆电池(未示出)上。螺线管110设置在马达电路104中以有利于将电机连接到车辆电池上。螺线管包括吸入线圈112、保持线圈114、柱塞116和点火开关118。

图1的马达电路104包括配置为向电机102提供电功率的第一电流路径106和第二电流路径108。第一电流路径106在b+端子处开始，穿过点火开关118的触点119，继续到节点115，穿过吸入线圈，并且终止在电机102的输入端子103处。因此，当点火开关118的触点119闭合时，该第一电流路径106只为闭合路径。

第二电流路径108在b+端子处开始，穿过与柱塞116相关联的电机触点117并且终止在电机102的输入端子103处。因此，当柱塞116已经闭合电机触点117时，该第二电流路径108只为闭合路径。此外，当第二电流路径108闭合时，第一电流路径106由第二电流连接108短路，并且没有电流流过吸入线圈112。当点火开关118闭合后，螺线管110和电机102协作以提供用于车辆的软起动马达接合系统。

轴向相邻的线圈

图2示出了设置在螺线管110的卷轴102上的、螺线管110的吸入线圈112和保持线圈114。在图2的实施例中，吸入线圈112和保持线圈114沿卷轴120的轴向方向彼此相邻。轴向方向在图2中由轴线132表示。

吸入线圈112包括绕卷轴120的第一部分缠绕的第一长度导线以形成第一多个导体绕组(即，线匝)。用于吸入线圈112的导线具有较大的横截面面积，使得导体绕组的电阻较低。类似地，保持线圈114包括绕卷轴的第二部分缠绕的第二长度导线以形成第二多个导体绕组(即，线匝)。用于保持线圈114的导线具有较小的横截面面积，使得导体绕组的电阻较高。

吸入线圈112和保持线圈114以并列的结构保持在卷轴120上。在图2的实施例中，卷轴120为包括玻璃填充尼龙材料的单个部件。但是，应当认识到的是，卷轴可以可选地包括不同的材料。卷轴120可以使用各种已知工艺中的任一种例如直拉模制或其它模制工艺制成。

卷轴120包括第一端部凸缘122、中间凸缘124、第二端部凸缘126和毂128。卷轴120的毂128通常在形状上为圆筒形的，并且提供用于吸入线圈112和保持线圈114的线圈保持表面。尽管右侧圆形圆桶在图1的实施例中被示出，但是应当认识的是，毂128可以采取其他形式，包括圆筒形和非圆筒形形式。另外，如本文使用的术语“卷轴”指的是任意合适的螺线管的线圈保持器，无论毂是否设置为圆筒或者凸缘是否被包括在毂的端部上。

在图2的实施例中的毂128从第一端部凸缘122延伸到第二端部凸缘126。毂128限定圆筒形内部通道130，内部通道130穿过卷轴120从第一端部凸缘122延伸到第二端部凸缘126。圆筒形毂128还限定延伸穿过内部通道130的卷轴轴线132。卷轴轴线132限定用于卷轴120的中心线和沿着卷轴的轴向方向

第一端部凸缘122提供用于卷轴120的端部壁，该端部壁配置为将线圈绕组保持在卷轴上。第一端部凸缘122通常为盘形的，并且包括位于卷轴的内部通道130处的圆形中心孔。该端部壁可以为实心的，具有用于柱塞通道130的中心孔(如图2中所示)，或者可以包括多个开口。此外，尽管凸缘122在图2的实施例中示出为较薄的圆形盘，但是应当认识的是，端部凸缘122可以设置为任意不同的形式和形状。

中间凸缘124也设有配置为将线圈绕组保持在卷轴上的壁部。中间凸缘124在第一端部凸缘122与第二端部凸缘126之间设置在毂128上，但是并非必然地居中于第一端部凸缘122与第二端部凸缘126之间。事实上，在图2的实施例中，中间凸缘124设置为更靠近第二端部凸缘126而非第一端部凸缘122。在第一端部凸缘122与中间凸缘124之间的空间中提供了位于卷轴120上的第一线圈托架142，吸入线圈112在该第一线圈托架142处缠绕到毂128上。

类似于第一端部凸缘122，在图2的实施例中的中间凸缘124也为盘状的。中间凸缘124通常比第一端部凸缘厚并且包括线圈安装结构134例如沿着凸缘124的外周缘的凹槽136。这些凹槽136提供用于在吸入线圈112上的导线引脚的通道。应当认识的是，另外的线圈安装结构134也是可能的，并且这种线圈安装结构将在下文参照图6-图12进一步详细讨论。尽管中心凸缘在图2中示出为具有圆形周缘，但是应当认识的是，中间凸缘124可以设置为各种不同的形式和形状。例如，尽管中间凸缘124示出为实心的而具有单个中心开口，但是中间凸缘也可包括多个开口。

第二端部凸缘126提供了用于卷轴120的另一端部壁，其配置为将线圈绕组保持在卷轴上。在第二端部凸缘126与中间凸缘124之间的空间提供了位于卷轴上的第二线圈托架144，其沿轴向方向与第一线圈托架142相邻。保持线圈112在第二线圈托架144处绕毂128缠绕。类似于第一端部凸缘122，第二端部凸缘126通常也为盘形的并且包括位于卷轴的内部通道130处的圆形中心孔。第二端部凸缘126与第一端部凸缘122大致为相同厚度。类似于中间凸缘124，包括安装结构134例如沿着凸缘126的外周缘的凹槽138。这些凹槽138提供在吸入线圈112和保持线圈114上的用于导线引脚的通道。第二端部凸缘126可以为实心的，如在图2中所示，或者可以包括多个开口。此外，尽管第二端部凸缘126在图2的实施例中示出为较薄的圆形盘，但是应当认识的是，凸缘126可以设置为多种不同的形式和形状。

如上参照图2所述，螺线管110的主轴120配置为使得吸入线圈112设置为沿轴向方向与螺线管的保持线圈114相邻。由于这种相邻的线圈布置，增大很多的磁通量泄露能绕吸入线圈发生，如下文参照图3-图5所述。增大的磁通量泄露减小由柱塞因吸入线圈112而经受的磁力，由此容许吸入线圈112的电阻较低而同时仍然最大限度地减小前述抵接力问题。同时，当柱塞间隙为零并且触点闭合时，相邻的线圈布置提供了保持线圈114的最小磁通量泄露，由此容许保持线圈中的线圈匝数较低但最大限度增大其保持力。

图3-图5为图示了当吸入线圈112和保持线圈114处于各种通电和断电状态时穿过螺线管的磁力线的视图。在图3-图5中的每一个中，吸入线圈112、保持线圈114、柱塞116、螺线管壳体150和柱塞止动部152图示为从螺线管中心线132径向向外截取的螺线管的截面图。为了清楚起见，图2的螺线管卷轴120在图3-图5中未示出，从而容许穿过螺线管110的磁力线170被更清楚地显示。但是，应当认识的是，卷轴120在图3-图5的视图中呈现为具有绕卷轴缠绕的吸入线圈112和保持线圈114，并且柱塞116被插入到卷轴120的内部通道130中。

具体参照图3，螺线管110由螺线管壳体150容置。柱塞止动部152为大致盘形构件，其固定到螺线管壳体150上并且从螺线管壳体径向向内延伸。柱塞止动部152包括圆筒形突出部154，其装配到卷轴120(图3中未示出)的内部通道132的端部内。该圆筒形突出部152提供止动表面154，其配置为当柱塞沿轴向方向通过吸入线圈112运动时与柱塞116相接合。

柱塞116为具有圆筒形形状的实心部件。柱塞116的圆筒形形状设有第一较大直径部分160和第二较小直径部分162。肩部164在较大直径部分160与较小直径部分162之间形成。柱塞116可滑动地设置在螺线管壳体150内。具体地，柱塞116配置为沿轴向方向沿着中心线132滑动以闭合在柱塞肩部164与柱塞止动部152的止动表面154之间的空气间隙168(其在本文也可以被称为“柱塞间隙”)。柱塞116、螺线管壳体150和柱塞止动部152中的每一个包括具有较低磁阻的金属材料，使得磁力线可以容易地穿过螺线管壳体和柱塞。

继续参照图3，螺线管112的吸入线圈110设置在螺线管壳体150内并且围绕柱塞116的较大直径部分160。吸入线圈112沿轴向方向从柱塞止动部移开距离d。当柱塞位于图3的最左位置时，吸入线圈的轴向端部与柱塞116的肩部164对准。如先前讨论的，吸入线圈112包括导体长度，其包括绕卷轴120(图3中未示出)缠绕的多个绕组。当吸入线圈112被初始通电时，柱塞116沿轴向方向被迫压向右，如由箭头166指示的。

保持线圈114设置为在螺线管壳体150内沿轴向方向与吸入线圈112相邻。保持线圈114围绕柱塞152的突出部154和关联的止动表面156。因此，保持线圈114也包围柱塞的较小半径部分162，其延伸穿过柱塞止动部152。此外，当柱塞位于图3的最左位置时，吸入线圈围绕空气间隙168。如先前讨论的，保持线圈114包括导体长度，其包括绕卷轴120(图3中未示出)缠绕的多个绕组。当保持线圈114被初始通电时，柱塞116沿轴向方向被向右推动，如由箭头166指示的。

在螺线管内的线圈位置导致泄露磁通量

如由图3和图4中的磁力线170表示的，当吸入线圈112和保持线圈114通电时，磁力线在螺线管内生成。漏磁通为不会贡献作用在柱塞116上的轴向力的任意磁通。作用以将柱塞116朝向柱塞止动部152拉动并且闭合柱塞间隙168的轴向力依赖于在吸入线圈112与柱塞116之间以及在保持线圈114与柱塞116之间的总磁通泄漏。当磁通泄漏发生时，磁通链减小并且由此在柱塞116上产生的力减小。

如图3和图4中所示，通过将吸入线圈112远离于柱塞间隙168和柱塞止动表面156布置，吸入线圈112的漏磁通被有意地极大增加以减小在柱塞116上产生的力。如图3和图4中所示，替代于直接从柱塞116到达柱塞止动部152，增大量的磁通绕过柱塞116并且直接从壳体150的一侧联接到止动部152或者甚至在壁152的外侧返回到壳体152。这种漏磁通的示例在图3中由线171指示。对于吸入线圈112的给定的安培-线匝励磁，漏磁通171有效地降低作用在柱塞116上的磁力。由于作用在柱塞116上的磁力减小，并且由于小齿轮经由枢转换挡杆机械连接到柱塞上，因此小齿轮作用在环形齿轮上的撞击力和稳定状态抵接力也被减小。由此利用图1-图5的实施例，吸入线圈112的电阻能够形成为较低以增大朝向电机102的软起动电流。因此，电机102的转矩在软起动期间增大而没有在小齿轮与环形齿轮之间的过大的抵接力，该抵接力常规地源自于吸入线圈112的高安培-线匝励磁。

尽管在图1-图5的实施例中的线圈布置配置为增大对于吸入线圈112的漏磁通，但是该布置配置为对于保持线圈114做相反的事情。具体地，图1-图5中的保持线圈114配置为最大限度地减小柱塞116的漏磁通，以对于保持线圈114的给定匝数最大限度地增大作用在柱塞116上的电磁保持力。这通过将保持线圈114居中于柱塞止动表面156界面处而实现。以该方式，漏磁通171对于保持线圈114最小化，而作用在柱塞上的电磁力最大化。因此，通过吸入线圈112和保持线圈114的绕组的几何形状布局，可能的是将柱塞116的力-位移曲线再定形到对于具有软起动系统的起动器更理想的值。

除了与漏磁通相关的益处以外，吸入线圈112和保持线圈114的并列布置也能够具有热学益处。具体地，利用常规的线圈在线圈上的绕组例如图15中所示的，如果在小齿轮206与环形齿轮之间的抵接时间延长，则保持线圈214强度不足。在延长时间的抵接期间，吸入线圈212将快速加热并且随后增大保持线圈214的温度。当保持线圈214的温度增大时，电阻增大而电流减小。这减小由保持线圈所提供的保持力并且由此柱塞触点打开和柱塞脱开的风险增大。但是，例如在图1-图5的起动器实施例中所示的并列线圈布置，在起动期间吸入线圈112作用在保持线圈114上的热影响是最小的，这是由于利用沿轴向方向彼此间隔开的两个线圈，导热路径电阻高很多。

具有另外的安装结构的卷轴

现在参照图6-图7，示出了图2的卷轴120的可选实施例。类似于图2的卷轴，可选实施例的卷轴通常也包括第一端部凸缘122、中间凸缘124、第二端部凸缘126和毂128。毂128为绕轴向中心线132的大致圆筒形的，并且内部通道130从卷轴120的一个端部延伸穿过毂到达另一端部。但是，如在下文进一步详述的，在图6-图7的实施例中，中间凸缘124和第二端部凸缘126包括多个另外的安装结构134。

图6a和图7示出了中间凸缘124面对第一线圈托架142这侧的视图。中间凸缘124包括多种安装结构，包括设置在引入凹槽174与引出凹槽176之间的第一绕组柱172。第一绕组柱172从卷轴120的中心线径向向外延伸并且配置为与来自保持线圈的导线相接合。足够的空间设置在第一绕组柱172的周围以使保持线圈114能够绕绕组柱缠绕。此外，第一绕组柱172足够长以使来自保持线圈114的导线能够绕第一绕组柱172缠绕若干次。因此，如在下文进一步详述的，第一绕组柱172提供安装结构134，其使保持线圈能够牢固地锚定到卷轴120上，并且还提供用于使保持线圈114在卷轴上转动方向反转的结构。反向转动柱在用于具有软起动系统的起动器的螺线管中可能是有利的，如在2010年4月26日提交的美国专利申请no.12/767,710中所述的，该申请的全部内容通过参引的方式并入本文。

继续参照图6a和图7，引入凹槽174提供在中间凸缘124的外周缘中的轴向沟槽，该沟槽设计为且尺寸被定为接收用来形成吸入线圈112的导线。另外，在图6a和图7的实施例中，引入凹槽174包括用于吸入线圈112的起始引线的入口斜面175。该入口斜面175沿基本径向方向延伸到卷轴120的毂128。入口斜面175配置为使得在中间凸缘124内的凹槽174的深度朝向毂128运动时略呈锥形。因此，具有入口斜面175的引入凹槽174容许吸入线圈112的起始引线从中间凸缘124的周缘朝向毂128被引导到卷轴120上而不会在起始引线抵达毂128之前占据第一线圈托架142中的空间。一旦起始引线确实抵达毂128，用于吸入线圈112的第一次线匝开始。尽管引入凹槽174已经公开为包括入口斜面175，但是应当认识的是，在至少一个可选实施例中，引入凹槽直接延伸到毂中而没有设置在凹槽174中的入口斜面175。

类似于引入凹槽174，引出凹槽176提供在中间凸缘124的外周缘中的另一轴向沟槽，该沟槽设计为且尺寸被定为接收用来形成吸入线圈112的导线。但是，不同于在图6a-图7的实施例中的引入凹槽174，引出凹槽176不会包括沿径向方向延伸到卷轴的毂128的斜面部分。相反，引出凹槽174仅仅设置在中间凸缘124的周缘上并且径向延伸大约导线的厚度以容许一旦吸入线圈完全缠绕到第一线圈托架142中吸入线圈的结束引线就穿过中间凸缘124切断。

现在参照图6b，示出了中间凸缘124的相反表面。图6b中所示的中间凸缘124的表面为呈现给卷轴120的第二线圈托架144的表面。第一绕组柱172、引入凹槽174和引出凹槽176在中间凸缘124的这侧上全都可见。另外，中间凸缘124的该侧包括用于保持线圈114的起始引线的入口斜面182。该入口斜面182类似于用于吸入线圈的入口斜面175，沿大致径向方向朝向毂128延伸并且当斜面朝向毂128延伸时逐渐成锥形。此外，图6b中所示的中间凸缘124的侧面包括第二绕组柱178，其仅仅在中间凸缘124的该侧上可见。因此，凹口180在中间凸缘124的该表面中形成，而第二绕组柱178位于该凹口180中。如在下文进一步详述的，该第二绕组柱178提供用于吸入线圈114的安装结构，该安装结构可以用作锚定器或反向转动结构。

现在参照图6c，第二端部凸缘126包括另外的安装结构，包括双起始引线凹槽184、第一完成引线凹槽186和第二完成引线凹槽188。双起始引线凹槽184设计为且尺寸被定为使用于吸入线圈112和保持线圈114的起始引线能够穿过第二端部凸缘126的周缘。当两根起始引线设置在凹槽184中时，用于保持线圈114的起始引线从用于吸入线圈112的起始引线径向向内设置。第一完成引线凹槽186配置为使用于吸入线圈112的完成引线能够穿过第二端部凸缘126的周缘。类似地，第二完成引线凹槽188配置为使用于保持线圈114的完成引线能够穿过第二端部凸缘126的周缘。

应当认识的是，中间凸缘124沿轴向方向比两个端部凸缘122和126厚。该增大的厚度由于吸入线圈112和保持线圈114沿轴向方向的期望分隔而自然发生，使得线圈适当地设置在卷轴120上。但是，增大的厚度也提供了用于各种线圈安装结构134(包括在中间凸缘124上)的增大的空间。没有这种中间凸缘设计，端部凸缘122、126将需要为中间凸缘的厚度以提供相同的结构，并且这将减小用于线圈托架142、144的可用空间。

现在参照图8-图12描述位于卷轴120上的吸入线圈112和保持线圈114的绕组以提供对卷轴120的前述安装结构134的设计和位于卷轴上的线圈112和114的布置的更好理解。

缠绕卷轴120的过程开始与保持线圈114。图8示出了正缠绕到卷轴的第二线圈托架144中的保持线圈114。为了开始缠绕过程，保持线圈144的起始引脚190绕第一绕组柱172缠绕以将用于保持线圈的导线锚定到卷轴120上。起始引线190随后向下通过位于中间凸缘124上的入口斜面182(图8中未示出)而朝向毂128。在起始引线190抵达毂128之后，卷轴120沿箭头191的方向旋转，从而导致来自线轴(未示出)的导线长度绕毂缠绕，并且生成用于保持线圈114的绕组线匝。这些绕组线匝沿第一线轴方向缠绕到卷轴120的第二线圈托架144上。

如图9中所示，在沿第一方向的预定数量的线匝在第二线圈托架144中生成之后，用于保持线圈的导线长度绕第一绕组柱缠绕，而卷轴120沿如由箭头192指示的相反方向旋转。卷轴沿箭头192的方向的旋转导致在卷轴120上的第二线圈托架144中沿第二方向生成的反向绕组线匝。这种反向绕组线匝可以在车辆起动器中的保持线圈上为有利的，如在2010年4月26日提交的美国专利申请no.12/767,710中描述的，该申请的全部内容通过参引的方式并入本文。

现在参照图10，在反向绕组线匝生成之后，用于保持线圈的导线绕位于中间凸缘上的第二绕组柱178缠绕以将保持线圈牢固地锚定到第二线圈托架144中。保持线圈的完成引线194随后被引导穿过位于第二端部凸缘126上的第二完成引线凹槽188。起始引线190也被引导穿过位于第二端部凸缘126上的双起始引线凹槽18，这完成了卷轴120上的保持线圈114。

图11示出了在保持线圈114缠绕到第二线圈托架144中之后正被缠绕到卷轴120的第一线圈托架142上的吸入线圈112。为了开始缠绕吸入线圈，吸入线圈144的起始引线196定路线穿过位于第二端部凸缘126上的双起始引线凹槽184并且穿过位于中间凸缘124上的引入凹槽174。起始引线196随后被向下引导穿过位于中间凸缘124上的入口斜面175而朝向毂128。在起始引线196抵达毂128之后，卷轴120沿箭头197的方向旋转，从而导致来自线轴(未示出)的导线长度绕毂缠绕，并且在卷轴120的第一线圈托架142中生成用于吸入线圈112的绕组线匝。

现在参照图12，在吸入线圈112的线匝完全缠绕到第一线圈托架142中之后，完成引线198定路径穿过位于中间凸缘124上的引出凹槽176。完成引线198随后被引导穿过保持线圈114的线匝并且穿过位于第二端部凸缘126上的第一完成引线凹槽186。这完成位于卷轴120上的吸入线圈112的绕组。

包括矩形导线的线圈

图13示出了卷轴120沿着图12的线d-d的截面图。在该实施例的螺线管110中，吸入线圈112包括矩形导线146(即，具有大致矩形横截面的导线)，而保持线圈114包括常规的圆形导线147。具体地，用于吸入线圈112的矩形导线146在图12和图13的实施例中为方形导线。矩形导线146利用位于外周缘上的绝缘层形成护套。导线146还包括稍微圆角的角部148，其设置用于生产关注并且避免在导线上的任意锐利边缘，该锐利边缘可能切入位于相邻导线上的绝缘层。如下文所述，矩形导线146对于在吸入线圈112中的使用是有利的，这是由于其提供了用于线圈的增大的堆积因子而同时也提供了用于线圈的热效益。

线圈的堆积因子是仅仅由导体(即，不包括在导体之间的气隙)所占据的总体积与由整个线圈(即，包括所有的导体和在导体之间的气隙)所占据的总体积的比率。常规的圆形导线具有大约78％的有效堆积因子。作为对比，本文公开的方形导线具有90％或更多的有效堆积因子。具体地，在图12和图13的实施例中使用的方形导线146具有92％的堆积因子。由此，当将方形导线与圆形导线进行比较时，方形导线将需要更小的空间以提供想呕吐那个的电磁力(即，更小的空间以提供相同的安培-线匝)。这种空间节约对于其中起动器常常位于拥挤的发动机腔室中的车辆起动器而言是特别有用的。

图12和图13的矩形导线146的另一益处在于其提供了比圆形导线的更佳的热传导路径以用于将线圈112的欧姆热传递到线圈的边缘，在该边缘，热量可以通过传导和对流而被出去。利用圆形导线线圈，在相邻绕组之间仅仅存在点接触，这是由于导体层在彼此的顶部上缠绕(即，两个相邻的圆将仅仅在单个点处接触)。作为对比，如图13中所示，利用方形导线146，在相邻绕组上的导体之间的界面大很多，这是由于存在相邻导体之间的沿着导体的侧面的整个平坦部分的接触。由此，从线圈导线到线圈导线传递的热经由铜导线而非在导线之间的空气传递，并且这种铜-铜传导提供了显著的热效益。例如，改进的传导减小在线圈的外侧边缘与线圈的常见中心热点之间的温度差。

现在参照图14，示出了又一可选实施例的螺线管120和线圈112、114。在本实施例中，吸入线圈112包括矩形导线146，保持线圈114也包括矩形导线149。吸入线圈112的矩形导线146基本上与保持线圈的矩形导线149相同，但是吸入线圈导线146的宽度大于保持线圈导线149的宽度。因此，保持线圈导线为具有圆形角部的方形导线。另外，矩形导线149利用位于外周缘上的绝缘层形成护套。保持线圈114的矩形导线149也提供了以上对于吸入线圈112所述的那些相似的有点。例如，矩形导线149提供了用于保持线圈114的增大的堆积因子而同时也提供了用于线圈的热效益

可变磁阻柱塞

在上述实施例中，柱塞116已经描绘为具有较大直径部分160和较小直径部分162，其中每个部分具有恒定截面轮廓(即，恒定直径)。但是，在图15中所示的至少一个可选实施例中，柱塞116的较大直径部分160的直径改变为使得在导向板72与柱塞116之间的径向间隙70随着柱塞沿轴向方向的滑动而改变。由此，磁路的磁阻和作用在柱塞上的相关磁力能够在操作的吸入和保持区段被调节，正如在下文更详细解释的。

如图15中所示，柱塞116的较大直径部分包括大致圆筒形表面部分80，其具有在其中形成的周向凹口82。周向凹口82包括具有锥形边缘86的中央圆筒形部段84。凹口82的中央圆筒形部段84的直径小于大致圆筒形表面部分80的剩余部分的直径。

如图15中所示，柱塞116的凹口82设置为与导向板72相对。导向板72为从柱塞116径向向外延伸的大致盘状结构。在图15的实施例中，导向板72设置为螺线管壳体150的一部分并且与壳体150的外壁151成一体。导向板72设置为与卷轴120的最远离于柱塞止动部152的端部相邻。因此，卷轴120通过导向板72和柱塞止动部152限界在螺线管壳体150内。

在图5的实施例中，较薄的芯部76管沿着卷轴120的内径设置在柱塞116与卷轴120之间。芯部管76相对于卷轴120固定在位，柱塞116配置为在芯部管76内滑动。芯部管76沿轴向方向延伸卷轴的整个长度并且经过导向板72。柱塞回位弹簧78从卷轴120设置到导向板72的相对侧上并且与导向板72和芯部管76均接合。芯部管76可以包括不同材料中的任一种例如黄铜或者非磁性不锈钢。

芯部管76延伸超出螺线管壳体150的导向板72，用于至少两个目的。首先，延伸的芯部管76提供用于柱塞116的连续滑动表面。由芯部管76提供的连续表面在柱塞在螺线管的线圈通电和断电时的运动期间防止凹口82的边缘86被捕获在导向板72上。其次，延伸的芯部管76在线圈112的通电期间防止回位弹簧78(其与柱塞116共轴设置并且靠置抵靠导向板72的外侧)被容纳到柱塞116中的凹口82内。如果这将发生，则柱塞116将拥塞抵靠壳体150的导向板72。

图15中所示的柱塞116提供了一种设计，其中磁路的磁阻和作用在柱塞116上的相关磁力在螺线管110的吸入和保持操作期间为可变的。图16提供了曲线图，图示了当轴向柱塞间隙168闭合时在标准柱塞(即，不具有周向凹口的柱塞)与图15的可变磁阻祖塞116之间的柱塞轴向力的差异。在该曲线图中，顶部实线曲线60代表具有恒定直径的标准柱塞的轴向力，虚线曲线62代表具有周向凹口82的可变磁阻柱塞116(例如图15的实施例的柱塞)的轴向力。图16中的下端实线64代表回位弹簧的轴向力。在位置a与c之间，下端实线64代表回位弹簧的轴向力，在位置c与d之间，下端实线64代表回位弹簧和接触超程弹簧(contactover-travelspring)的轴向力。

柱塞的四种不同位置在图16中具体表示。这四个位置包括以下：在吸入操作开始处的位置a，其中轴向柱塞间隙168为最大值，而吸入线圈112和保持线圈114初始通电；在吸入操作中间的位置b，当吸入线圈112和保持线圈均通电时；在吸入操作结束和保持操作开始处的位置c，其中柱塞116已经运动到柱塞触点闭合并且吸入线圈112短路；以及在保持操作期间的位置d，其中轴向柱塞间隙168完全闭合并且仅仅保持线圈114通电。

继续参照图16，在吸入操作期间作用在柱塞上的净做功为在通电长度上作用在柱塞上的净作用力(磁力减去弹簧力)的积分。这由在图16中的曲线60和62中的每一个下面的面积表示。该能量在起动器驱动小齿轮和环形齿轮在抵接期间的撞击期间消散。

图17-图20示出了具有周向凹口82的柱塞116在图16的四个位置a、b、c和d中的每一个处的运动。图17示出了位于位置a的柱塞，其中轴向柱塞间隙168位于最大距离处，并且吸入线圈112和保持线圈114被初始通电。在该位置a，柱塞116的凹口82设置为与导向板72相对。具体地，在位置a，导向板72设置为与凹口82的正面锥形边缘86直接相对。利用在该位置的柱塞116，在柱塞116与导向板72之间的径向间隙70被最大化。由于该较大的径向间隙70，增大了螺线管磁路的生成磁阻。由此，如通过比较图17中的曲线60和62注意到的，作用在柱塞116上的轴向力显著减小。

图18示出了位于位置b中的柱塞，其中轴向柱塞间隙168在柱塞116朝向柱塞止动部152运动时闭合，而保持线圈112和吸入线圈均保持通电。在该位置b，柱塞116的凹口82保持与导向板72相对。具体地，在位置b，导向板72设置为与凹口82的后部锥形边缘直接相对。利用在该位置的柱塞116，在柱塞116与导向板72之间的径向间隙70保持最大化。由于该较大的径向间隙70，螺线管磁路的生成磁阻维持增大，这是由于作用在柱塞116上的轴向力比在标准柱塞仍然显著减小。

图19示出了位于位置c中的柱塞116，其中轴向柱塞间隙168几乎闭合并且柱塞116已经使柱塞触点117(参见图1)运动到闭合位置。利用闭合的柱塞触点117，如先前参照图1所述，吸入线圈112短路。另外，位于位置c处的柱塞凹口82不再直接相对于导向板72，而是已经沿轴向方向运动经过导向板72。利用在该位置的柱塞116，在柱塞116与导向板72之间的径向间隙70被最小化。由于该较小的径向间隙70，螺线管磁路的生成磁阻减小，从而使保持线圈114能够产生作用在柱塞116上的最大轴向力。

图20示出了位于位置d中的柱塞，其中保持线圈114维持通道而吸入线圈112维持短路。在该位置d，轴向柱塞间隙168完全闭合，这是由于保持线圈114已经克服柱塞回位弹簧和接触超程弹簧(未示出)的力使柱塞116运动为与柱塞止动部152相接合。此外，在位置d处的柱塞凹口82沿轴向方向甚至更远离于导向板72，使得在柱塞116与导向板72之间的径向间隙70保持最小化。因此，利用在该位置d的柱塞，保持线圈114能够产生作用在柱塞上的最大轴向力。

如以上参照图15-图20所述，通过使用可变磁阻柱塞，在吸入区间期间的净做功能够被减小，而同时仍然完成螺线管的所有功能需求。可变截面柱塞设置用于可变磁阻磁路，其导致在吸入操作期间的增大的磁阻(即，比较在图16中的点a与c之间的曲线60和62)。因此，作用在柱塞上的轴向力在吸入操作期间减小，由此减小在起动器驱动小齿轮与环形齿轮在抵接期间的撞击期间消散的能量。同时，可变截面柱塞设置用于可变磁阻磁路，该磁路设置用于在保持操作期间的增大(即，标准)磁阻(即，比较在图16中的点c与d之间的曲线60和62)。这容许在保持操作期间将作用在柱塞上的作用力保持在增大的水平上。

尽管在图15-图20中示出了仅仅一个实施例，但是应当认识的是，存在对于柱塞的多种可选实施例，包括很多可能的可选几何形状构型，其将表现出期望的磁性能并且可以对于给定应用和需求进行调节。此外，尽管可变磁阻柱塞116已经在图15-图20中描述为与轴向相邻的保持线圈和吸入线圈相关联地使用，但是在其他实施例中，可变磁阻柱塞可以与更常规的绕组布置相关联地使用，其中保持线圈径向相邻于吸入线圈(即，保持线圈绕吸入线圈缠绕)例如图23中所示的线圈布置，或者反之(即，其中吸入线圈绕保持线圈缠绕)。

可变磁阻柱塞套筒

图21和图22中示出了对于图15的可变磁阻柱塞的至少一个可选实施例。如图21中所示，圆筒形套筒92设置在位于柱塞116的较大直径部分160上的周向凹口82上。套筒92在直径上略大于柱塞116并且可以包括锥形边缘94。因此，套筒92可以用作在柱塞116与芯部管之间的、在螺线管的该端部处的表面接触。但是，在其他实施例中，套筒92可以为与较大直径部分160的剩余部分基本相同的直径或者甚至在直径上略小。

在至少一个实施例中，套筒92形成为在柱塞116上的包覆模制成型塑料套筒。在该实施例中，如图21a中所示，套筒92在其整个外表面96上为连续的和基本平滑的。在另一实施例中，套筒92为插入到柱塞116上的位置内的单独模制成型塑料套筒。在该实施例中，套筒92可以包括轴向凹槽98以容许套筒92在其被插入到柱塞116上时直径增大，并且随后当套筒92抵达轴向凹口82时弹性地折回，从而使套筒92能够被固定到柱塞116上。

套筒可以由多种不同材料形成，包括例如不锈钢或黄铜。在至少一个实施例中，套筒包括聚四氟乙烯(ptfe)，其以名称被商业市场化。ptfe提供在柱塞运动期间对于套筒的较低摩擦系数。

如图22中所示，通过利用套筒92(在图22中以虚线示出以示出其在凹口82上的位置)覆盖柱塞116上的周向凹口82，芯部管76不需要延伸经过螺线管壳体150的导向板72。这与图15的实施例形成对比，其中芯部管76延伸完全经过导向板72。在图15中，细长芯部管的存在需要在柱塞116与导向板72之间的径向间隙增大以容纳芯部管。这增大了磁路的磁阻。磁阻的这种增大不会在吸入操作期间使螺线管的设计恶化，这是由于如前述，可能有利的是在吸入操作期间增大磁阻。但是，磁阻的这种增大可以在保持操作期间预设定缺点，这是由于也如前述，有利的是在保持操作期间减小磁阻以最大化柱塞的磁通量以及由此的轴向力。但是，在图22的实施例中，消除了用于容纳延伸的芯部管76所需的这种另外的径向间隙距离。通过减小径向间隙距离，磁路的磁阻也被减小。利用减小的磁阻，作用在柱塞上的生成轴向力在保持操作期间增大。在吸入操作期间，周向凹口82作用以提供期望的增大磁阻。

除了前述优点以外，套筒82还消除了对于因振动原因和压印芯部管而使全柱塞直径覆盖导向板的一部分的需求。具体地，柱塞116由在套筒92与导向板72之间的界面支承。此外，这使柱塞116中的周向凹口能够被延伸并且进一步减小过大的吸入磁力，特别时在“静止”位置处。

除了有套筒92本身解决的问题以外，ptfe套筒对于其他问题也是特别有用的。例如，当柱塞116静止时，柱塞的一部分应当位于导向板72的区域内的全直径处，使得振动力从柱塞116传递到导向板72。如果不是如此，则抵靠不受支承的、悬臂式芯部管的柱塞116的振动力将导致在较薄的管中形成折痕。随着时间，这种折痕和磨损将在通电和断电时需要较高的机械力以克服其本身，并且可能变为高到足以导致螺线管功能失效。对于磨损抵抗而言，ptfe/不锈钢界面通常优于碳钢/不锈钢界面。在车辆或设备使用期间，柱塞位于“静止”条件。由于振动，柱塞/芯部管界面在两个部件相对于彼此运动时恒定地经受小振幅刷擦动作。这能够导致磨损破坏。但是，当表面中的一个为ptfe例如上述ptfe套筒92时，钢-钢磨擦被消除并且该问题被最小化。另外，ptfe的润滑性在螺线管的接合和脱开期间提供帮助。具体地，ptfe很可能提供无困难滑动表面，其不受表面上的腐蚀破坏，这种破坏有时能够对常规的金属-金属布置造成麻烦。

上面对具有可变磁阻柱塞的起动器马达螺线管的一个或多个实施例的详细描述在本文已经仅仅作为示例而非限制而给出。应当认识的是，对于本文所述的某些单独的结构和功能存在优点，其可以在没有结合本文所述的其他结构和功能的情况下获得。此外，还应当认识的是，以上公开的实施例的各种替代、修改、变化或改进以及其其他的结构和功能、或替代可以理想地结合到很多不同的实施例、系统或应用中。本文现在未可预见或未构想到的替代、修改、变化或改进可以随后由本领域的技术人员进行，这些也旨在由所附权利要求包括。由此，任意所附权利要求的精神和范围不应当限制于本文包括的实施例的描述。