CN102414435A - 具有可变换的极对数的起动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于内燃机的起动装置(10)，包括起动电机(12)，其经由开关装置(27)连接到直流电压网(30，31)。为了改善起动装置小齿轮(22)接合至内燃机链齿轮(26)的啮合过程而提出将起动电机(12)的励磁绕组(37)分为多个部分绕组(a-f)，这些部分绕组在时间上相互交错地通过开关装置(27)选择性地与直流电压网(30，31)连接。

Description

具有可变换的极对数的起动装置
技术领域
本发明涉及一种用于内燃机的启动装置，更具体地，涉及具有可变换的极对数的起动装置。
背景技术
本发明源于根据独立权利要求类型的用于内燃机的起动装置。例如在博世的汽车技术袖珍手册(25版，第986页)中在作为推力-螺旋齿轮传动-起动装置的实施中描述了这种起动装置，其通过所谓的结合继电器来控制。该接通继电器承担接合功能，就是说，将起动电机的小齿轮接合至内燃机的链齿轮，以及通断起动电机的主电流。在此，当小齿轮接合至链齿轮时，小齿轮的齿能够击中链齿轮的齿，因此接合弹簧用来帮助接合。这种已知的起动装置结构虽然只需要一个继电器并因此可以相对低成本地制造，但另一方面，对于接合过程和大电机电流的通断过程产生了困难的工作条件。尤其在针对起动装置主电流的开关装置的实施中，已经在从静止状态开始的起动时产生其最大可能转矩。如果在此起动电机的小齿轮还未完全接合至内燃机的链齿轮，则至少抛开起动装置的使用寿命不谈，可能出现齿部承受不容许的高负荷的情况，随之带来一个或多个齿断裂的危险。
为了改善接合过程，尤其在高功率起动装置情况下，进一步地从上述文献已知，在所谓的螺旋齿轮传动起动装置中分两级接通电机电流，其中，在第一级中使起动装置的小齿轮移向电机的链齿轮，并且同时，给起动电机的电枢供应减小的电流，从而电枢在接合时转动，小齿轮随之转动，从而使啮合过程变容易。在此，啮合机构设有棘爪，棘爪首先在小齿轮的接合过程结束时才闭合继电器的另一个开关触点，借此接通电机主电流电路。由此，能够在两个独立的工作阶段实现接合过程和电机主电流的通断，但接合继电器的结构昂贵并且易出故障。然而，起动电机的主电流同样在唯一的通断过程中被接通，从而起动装置最大转矩已经出现在小齿轮-链轮齿连接处，而具有大质量的内燃机还是静止不动。
发明内容
具有独立权利要求特征的、依据本发明的起动装置具有以下优点，通过伴随有励磁绕组的部分绕组的延迟接通的小齿轮的接合，如此影响起动电机的特性曲线，即在起动电机和内燃机之间的齿部在啮合过程中承受明显较小的负荷。此外，在起动装置起动时尤其通过空转转速漂移有利地影响了转速性能。通过将附加极对与励磁绕组的所分配的部分绕组接通，首先当起动装置小齿轮完全结合至内燃机的链齿轮中并且内燃机已经起动时的时间点将会达到起动装置的最大可用转矩。这样一来，避免了齿部承受不容许的高负荷，并且显著延长其使用寿命。
对于电机特性曲线的有利变化特别有用的是，能够选择性地、串联和/或并联至电机电枢地来运行该励磁绕组的部分绕组。虽然因串联运行的部分绕组的减少而尤其减小了电机起动时的电机转矩，但通过将若干部分绕组与电枢并联布线连接而可以使转速特性曲线变得平直并且使起动装置的转速性能较小地依赖于负载电流，尤其以便降低空转转速。
如果将该励磁绕组的部分绕组安置在定子的分开的多个极上，尤其当定子以6极形式构造且6个部分绕组在3个极对上时，就获得了依据本发明的起动装置的一个特别有利的设计方案，其中，这些部分绕组分别成对地安装在定子圆周上的相对的极上。这样一来，在其接入和延迟接通时产生了励磁部分绕组的对称布置形式，由此改善电机的起动。
如果开关装置的一个或者全部的开关元件被构造为继电器，就获得了起动装置的开关装置的一个有用的设计方案。但取而代之的是，对于所有的或一个开关元件也可以采用适用于大电流通断的半导体元件，优选是晶体管或者GTO(门极可关断)晶闸管。
在起动电机单极馈电时，就获得一种非常简单和廉价的起动装置结构，其中，接合继电器的一个吸引绕组连同保持绕组一起通断工作触点，起动电机的一个或多个励磁部分绕组首先经由该工作触点被馈电并且起动电机最初在接合继电器的接合运动的最后经由所有的励磁绕组被馈电。这样的布置结构如众所周知地需要接合弹簧，接合弹簧连同陡螺纹一起尤其对于在链齿轮和小齿轮的齿位上的所谓的齿来说促进该接合过程。
接合继电器的保持绕组和吸引绕组优选地安置在相同的继电器铁芯上。在单级馈电情况下，其同向通断，由此用较少的匝数和/或较小的励磁电流实现所需要的总磁化力。在共同的继电器铁芯具有相反的磁化力时，就像在电机的双极通电时所采用的磁化力那样，可以使用具有较小的磁化力的绕组来阻尼通断过程。其中，如此以有用的方式选择保持绕组和吸引绕组的匝数和励磁电流，使得具有高的匝数和足够的励磁电流的保持绕组引起接合继电器的通断过程，而接合绕组被设计为具有明显较低匝数然而却通以实质上较高的励磁电流，该励磁电流足以使电枢在接合时略微旋转。
附图说明
本发明的其它细节和有利的设计方案来自于从权利要求和对实施例的描述，附图中示出了这些实施例并且将在如下说明中对其进行进一步的详细阐明，附图中：
图1示出了在定子中具有串联绕组和并联绕组的推力-螺旋齿轮传动-起动装置的原理图；
图2示出了具有串联绕组以及如果需要具有附加的并联绕组的、按照常规实施方式的单级馈电的起动装置的电路图；
图3示出了按照依据本发明的实施方式的、具有串联-励磁绕组的单级馈电的起动装置的电路图；
图4示出了按照依据本发明的实施方式的、具有串联励磁绕组的双级馈电的起动装置的电路图；
图5是按照依据本发明的实施方式的、双级馈电的起动装置的第二电路图；
图6是按照依据本发明的实施方式的、双级馈电的起动装置的第三电路图，其中，起动电机的励磁绕组被构造为一部分为串联绕组，一部分为并联绕组。
具体实施方式
图1示意地示出作为内燃机用推力-螺旋齿轮传动-起动装置的实施中的、依据本发明的起动装置10的机械结构。起动装置10具有起动电机12，起动电机的从动轴14具有陡螺纹16，该陡螺纹与接合轴(Mitnehmerschaft)18中的相应螺母螺纹配合。替代地，通过未示出的中间连接的行星齿轮驱动从动轴14。接合轴18与空程环(Freilauf)20的外环固定联接，其内环上承载有小齿轮22。小齿轮22和空程环20可轴向移向止挡24地被安装在从动轴14上。在此，小齿轮22接合至未示出的内燃机的链齿轮26中。轴向移动借助在以下视图中被具体示出的、以继电器装置28形式的开关装置来实现，所述继电器装置28经由换向杆29和接合弹簧32作用于空程环20处。电池作为该装置的电压源34，电池以其负极31接地，以其正极30一方面直接而另一方面经由点火起动开关36与继电器装置28相连。经由继电器装置，给具有串联绕组38和并联绕组39的励磁绕组37供电，所述串联绕组38和并联绕组39经由电刷40和42以及经由电机的集电器44接地或者直接接地。起动电机12的电枢用46表示，其定子用48表示。
图2示出按照常规实施方式的单级馈电的起动装置的电路图。在此，电压源的正极30一方面经由点火起动开关36和连接端50而另一方面直接地与接合继电器49相连。接合继电器包括保持绕组52和吸引绕组54，它们具有相同的绕线方向并且被卷绕至相同的铁芯上，两者以一个绕组端与连接端50连接。保持绕组52的另一个绕组端位于负极31上并接地，吸引绕组54的相应的另一个绕组端经由串联绕组38和起动电机12的电枢46与负极和大地连接。在为起动电机12使用复激励磁绕组时，能够以基本上已知的方式将并联绕组39并行地连接给起动电机的串联绕组38以及电枢46。
一旦继电器电枢吸合并且小齿轮22接合至链齿轮26，则接合继电器49的保持绕组和吸引绕组共同操作接合继电器的工作触点56，经由该工作触点56起动电机12直接与正极30相连接。
在这种已知的布置中，保持绕组52和吸引绕组54共同负责将小齿轮22接合至内燃机处的链齿轮26的工作，同时起到用于起动电机12的主电流的开关的功能。在此如果小齿轮22的齿进碰到链齿轮26内的空隙，则只需要较小的力用于接合。如果在接合时小齿轮22的齿碰到链齿轮26的齿，则在接合时图1所示的接合弹簧32张紧，从而在接合弹簧的帮助下实现接合过程。
图3示出单极馈电的起动装置的依据本发明的电路图，上述的在起动装置和内燃机之间的齿部受损的危险借此得以消除。该电路装置在具有接合继电器及其与直流电压网30、31的连接端的结构方面基本对应于图2中的结构，但是在此布置中，继电器触点56在接通时刻不是输送全部电机电流，而是首先实现励磁绕组37的6个部分绕组a、b、c、d、e和f中的部分绕组a和f的馈电。起动电机12的定子被构造为6极，但在起动时只给具有径向完全相对地安置在定子上的两个极的极对通电，而其余的串联部分绕组b、c、d和e随后被接通。起动装置经由点火起动开关36和接线端子50来控制并且在此直流电压源的正极30与保持绕组52和吸引绕组54的同向绕组连接，从而接合继电器49吸合。在此，用于起动电机12的电枢的电流经由低欧姆值的接合绕组54流至电枢46并从那里经由励磁绕组37的部分绕组a和f流至直流电压源的负极31和大地。通过经由起动电机12的初始电流，将小齿轮22移向链齿轮26。在此，图1所示的接合弹簧32被压缩以帮助接合过程。在接通继电器几乎已经完全被吸合之后，接合继电器49的工作触点56被操纵，从而工作触点将起动电机12直接与直流电压源的正极30相连接。
在6个部分绕组a-f和磁场绕组的所属的极中，首先只有两个部分绕组a和f被馈电。同时，随着该馈电经由接合继电器49的工作触点56也给通断继电器60的绕组58馈电，该通断继电器现在同样吸合并以在励磁开始后延迟约20-80毫秒的方式闭合其工作触点62，这样一来，同样经由电枢46给其余的部分绕组b、c、d和e馈电，并且为所属的极励磁。由此当小齿轮22完全接合链齿轮26并且避免了受损危险的时刻，该起动电机12达到其满功率来起动内燃机。
图4示出了用于起动电机12的两级馈电的电路装置。在图3中的接合继电器49的位置上出现了具有静触点66和工作触点68的接合继电器64。在此具有吸引绕组54和保持绕组52的静触点66经由预控继电器70、连接点50和点火起动开关36与直流电压源的正极30相连接。保持绕组52的第二连接端在接地和直流电压源的负极31处，而吸引绕组54的第二连接端一方面经由起动电机12且另一方面经由通断继电器60的绕组58与大地和直流电压源的负极31相连接。在此，首先又是只有励磁绕组37的两个部分绕组a和f被馈电，从而经由该部分绕组和接合继电器64的吸引绕组54调节出在接合过程中用于起动电机12的转动电流，该转动电流在工作触点68闭合后经由该工作触点直接从正极30流向电机12。随着起动电机12的部分馈电，经由连接点50q也给通断继电器60的绕组58馈电，由此继电器吸合并以在励磁开始后延迟约20-80毫秒的方式闭合工作触点62，因而，励磁绕组的下两个部分绕组b和e被馈电，由此提高起动电机12的功率。
通过闭合通断继电器60的工作触点62，现在也通过连接点50r给另一个通断继电器72的绕组76馈电，从而它也吸合并以在绕组76励磁开始后进一步延迟约20-80毫秒的方式闭合其工作触点74，借助该工作触点，励磁绕组37的最后两个部分绕组c和d被馈电并且起动电机12由此达到满有效功率。与图3所示的电路装置相比，在这里，功率的提高分三个通断级而不是两个通断级进行，因此还更加均匀地实现了用于内燃机的小齿轮-链齿轮接合机构的机械负荷。
在该实施中，两个绕组52和54具有绕线方向相反的接合继电器64，其中保持绕组52具有明显多于吸引绕组54的匝数并以足够高的电流来励磁，以便尽管吸引绕组54的磁化力是反向的但仍能单独促成小齿轮22的接合过程。接合绕组54在此以有利的方式阻尼接合运动的动能并且同时提供足够高的励磁电流给起动电机12的串联部分绕组a-f，以使该部分绕组略微转动并使得接合过程变得容易，或者使接合过程变得可能。在此装置中，可以附加使用用于辅助接合过程的接合弹簧。
预控继电器70的使用对于根据图4的电路结构的工作方式来说不是必需的，接合继电器64也可以类似于图3中的电路装置直接通过点火起动开关来馈电。另一方面，在借助吸引绕组54的第一馈电阶段中的电机电流在高达200A的数量级内，因此至少对于高功率起动电机而言，在馈电的第一阶段中使用预控继电器以绕开点火起动开关36是可用的。
图5示出根据图4的电路装置的变型，它与上述的实施方式的区别是，绕组37的励磁电流在串联馈电开始后经由四个部分绕组a、c、d和f来输送。两个附加部分绕组b和e的接通又通过连接点50q和开关继电器60以在励磁开始后有大约20-80毫秒延迟的方式进行。就是说，又涉及到与图4相似的励磁绕组37的部分绕组的两级馈电，但其中已经在第一通断过程中给4个部分绕组馈电。这尤其通过使用预控继电器70来完成，它减轻了点火起动开关36的负担并允许起动电机的较高初始馈电，只要小齿轮-链齿轮接合机构在啮合时的机械负荷不会由此太高。
图6示用于励磁绕组37的部分绕组a-f馈电的另一个电路变型。在该实施中，首先又与根据图5的实施相似地实现励磁绕组37的4个部分绕组a、c、d和f的初始馈电。但是，另外两个部分绕组b和e的接通不是以与电枢46串联的方式实现的，而是以并联方式通过开关继电器60来实现，开关继电器的绕组58以与根据图5的电路装置中的相同的方式通过接合点50q与电枢46和励磁绕组37的串联通电的部分绕组同时地被馈电。不过，同样在励磁开始后大约20-80毫秒延迟的工作触点62的闭合现在将与电枢46并联的部分绕组b和e接地，因此使起动电机12的复励磁成为可能。利用该变型，起动装置空转转速的大小尤其可以不依赖于起动装置主电流大小来调节。
内燃机起动装置的依据本发明的实施方式尤其适用于具有一个或两个附加继电器所需要的结构空间的起动装置。在此情况下，能以较低的附加成本来实现电路装置，因为用现有的组成部件构造电路，同时能够延长起动装置的使用寿命。而且，励磁绕组37按照本发明的划分不局限于起动装置的6极实施方式。它优选适用于定子48的所有极数，在此极对的空间位置与直径取向偏差不大。这特别适用于具有6极、8极、10极或12极的定子实施方式。

Claims (10)

1.一种用于内燃机的起动装置，包括起动电机(12)，所述起动电机经由开关装置(27)连接至直流电压网(30，31)，其特征在于，所述起动电机(12)的励磁绕组(37)被分为多个部分绕组(a-f)，所述多个部分绕组在时间上相互交错地、通过所述开关装置(27)选择性地与所述直流电压网(30，31)连接。
2.根据权利要求1所述的起动装置，其特征在于，所述多个部分绕组(a-f)串联(图3，4，5)和/或并联(图6)地连接至所述电机(12)的电枢(46)。
3.根据权利要求1或2所述的起动装置，其特征在于，所述多个部分绕组(a-f)安置在定子(48)的分隔的多个极(47)上。
4.根据前述权利要求中任一项所述的起动装置，其特征在于，所述起动电机(12)的所述定子(48)被构造为6极形式，并且所述励磁绕组(37)的6个所述部分绕组(a-f)位于3个极对上。
5.根据前述权利要求中任一项所述的起动装置，其特征在于，所述开关装置(27)的至少一个开关元件(28，49，60，64，72)被构造为继电器。
6.根据前述权利要求中任一项所述的起动装置，其特征在于，一方面，所述励磁绕组(37)的第一偶数组部分绕组(a，f)经由所述开关装置(27)的接合继电器(49，64)与所述直流电压网(30，31)相连接，并且至少另一偶数组的部分绕组(b，c，d，e)经由至少另一开关元件(58，60，72)被延迟地接通。
7.根据前述权利要求中任一项所述的起动装置，其特征在于，经由所述开关装置(27)的第一开关元件(49，64)，所述励磁绕组(37)的第一偶数组部分绕组(a，f；c，d)串联地连接至所述起动电机(12)的所述电枢(46)地与所述直流电压网(30，31)相连接，而至少另一偶数组的部分绕组(b，e)经由至少另一开关元件(58，60，72)被延迟地接通。
8.根据前述权利要求中任一项所述的起动装置，其特征在于，经由所述开关装置(27)的第一开关元件(49，64)，所述励磁绕组(37)的第一偶数组部分绕组(a，f)串联地连接至所述起动电机(12)的所述电枢(46)地与所述直流电压网(30，31)相连接，而第二偶数组部分绕组(b，e)相对于第一组部分绕组(a，f)被延迟地接通，并且第三组部分绕组(c，d)相对于第二组部分绕组(b，e)被延迟地接通。
9.根据前述权利要求中任一项所述的起动装置，其特征在于，所述励磁绕组(37)的第一偶数组部分绕组(a，f，c，d)经由所述开关装置(27)的所述接合继电器(49，64)、串联至所述起动电机(12)的所述电枢(46)地与所述直流电压网(30，31)相连接，并且至少另一偶数组部分绕组(b，e)延迟地经由至少另一开关元件(58，60，72)、同样串联至所述电枢(46)地被延时地接通。
10.根据前述权利要求中任一项所述的起动装置，其特征在于，所述励磁绕组(37)的至少一个偶数组部分绕组(b，e)经由所述开关装置(27)的开关元件(58)、并联至所述起动电机(12)的所述电枢(46)地被延迟地接通至其余组部分绕组(a，f；c，d)。
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