DE10059680A1

DE10059680A1 - Startvorrichtung

Info

Publication number: DE10059680A1
Application number: DE10059680A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Schustek
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2000-12-01
Filing date: 2000-12-01
Publication date: 2002-06-06
Also published as: FR2817678A1

Abstract

Es wird eine Startvorrichtung für Brennkraftmaschinen vorgeschlagen, die einen elektrischen Startermotor (10) hat, dessen Rotor (46) über auf einem Kommutator (43) gleitende Bürsten (22, 25, 28, 31) bestrombar ist. Beim Startermotor (10) ist ein momentenbildender Fluß (F) durch Verstellen der wirksamen Spulenweite verringerbar.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Startvorrichtung gemäß der Gattung des unabhängigen Anspruchs.

Aus dem DE-GM 29 801 079 ist eine Startvorrichtung bekannt, bei der ein Kommutator eines Startermotors über zwei Bürstenpaare bestromt wird. Die Bürstenpaare sind an einer Bürstengrundplatte fest angeordnet und, auf das Starter gehäuse bezogen, unbeweglich. Nachteil einer solchen festen Bürstenanordnung ist, daß die Bürsten damit eine nur auf einen Betriebspunkt optimierte Bürstenstellung aufweisen.

Vorteile der Erfindung

Mit der erfindungsgemäßen Startvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs ist es möglich, beim Startermotor den momentenbildenden Fluß zwischen Stator und Rotor zu verändern. Dadurch ist es zum Beispiel möglich, im Bereich niedriger Drehzahlen je nach Bedarf ein höheres oder ein niedrigeres Moment des Startermotors zu erzeugen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Merkmale.

Die wirksame Spulenweite ist beispielsweise durch Verdrehung der Bürsten veränderbar. Durch die Bürstenverdrehung erhält man im Bereich mittlerer Stromaufnahme schließlich eine höhere Leistung. Durch die Bürstenverdrehung in Richtung größerer Winkel erreicht man schließlich bessere Leerlaufdrehzahlen. Dies ermöglicht gegenüber Verbrennungsmotoren eine wesentlich höhere Hochlaufunterstützung durch den Startermotor. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn in Verbrennungsmotoren aufgrund deutlich reduzierter Startanreicherung schlechtere Zündbedingungen vorliegen und dadurch die Zündwilligkeit unbefriedigend ist. Die Bürstenverdrehung wird in geeigneter Weise dadurch erzielt, daß mittels eines Hilfsantriebs die Bürsten in Umfangsrichtung des Kommutators verdreht werden.

Befestigt man alle verdrehbaren Bürsten an einer gemeinsamen Bürstengrundplatte, so erreicht man durch Verdrehen der Bürstengrundplatte, dass alle Bürsten gleichzeitig und mit dem gleichen Maß verdrehbar sind.

Zwei eindeutige Lagen der Bürstengrundplatte sind dadurch vorteilhafter Weise eindeutig einstellbar, indem man die Bürstengrundplatte zwischen zwei Anschlägen verdrehen kann. Sollen beispielsweise nur die zwei durch die Anschläge bestimmten Positionen der Bürstengrundplatte verwendet werden, ergibt sich dadurch die Möglichkeit, einen sehr einfachen Verstellmechanismus wie zum Beispiel einen Hubmagneten anzuwenden.

Eine weitere Verbesserung ergibt sich, wenn die Bürstengrundplatte in einer Ruhelage durch ein sich raumfest abstützendes elastisches Element, insbesondere eine Feder, an einem ersten Anschlag anliegt. Um hier einen Verstellmechanismus beziehungsweise Hilfsantrieb aktivieren zu müssen, ist dadurch eine erste Position der Bürstengrundplatte genau definiert. Es ist damit lediglich ein Hilfsantrieb notwendig, der in eine Richtung verstellen kann und dadurch besonders einfach aufgebaut ist.

Als Hilfsantrieb ist beispielsweise ein Elektromotor geeignet, da dieser eine sehr geringe Stromaufnahme hat. Im Gegensatz zu einer Ausführung ohne ein Getriebe zwischen dem Elektromotor und der Bürstengrundplatte ist bei einer Ausführung mit Getriebe ein höheres Verstellmoment erreichbar.

Verwendet man als Hilfsantrieb ein thermisches Servo, so ist der Verstellmechanismus besonders einfach realisierbar und besonders wenig verschleißanfällig, da nur wenige mechanische Teile notwendig sind.

Steuert die Steuerungseinrichtung den Hilfsantrieb abhängig vom Startermotorstrom oder von der Startermotorspannung an, ist eine gezielte Verdrehung der Bürstengrundlage erreichbar und damit auch eine gezielte Drehmomentabgabe. Darüber hinaus ist dadurch das Bürstenfeuer beschränkbar.

Sieht man vor, dass zwischen einer ersten und einer zweiten Bürste, die gegenpolig sind und sich in etwa diametral gegenüberstehen, eine dritte Bürste angeordnet ist, ist durch einfaches Umschalten eines Schalters der Rotor entweder über die zweite oder die dritte Bürste bestrombar wodurch auf einfache Weise die wirksame Spulenweite verringerbar ist.

Um ein exaktes und bedarfsgerechtes Schalten zu erzielen, ist der Schalter vorteilhafter Weise durch eine Steuereinrichtung selbsttätig ansteuerbar.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend in zwei Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Startvorrichtung entlang der Linie I-I in Fig. 2, wobei der Bürstenhalter in seiner Draufsicht dargestellt ist.

Fig. 2 zeigt einen Teillängsschnitt durch die erfindungs gemäße Startvorrichtung entlang der Linie II-II in Fig. 1.

Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer verdrehbaren Bürstengrundplatte.

Fig. 4 zeigt ein Diagramm mit dem Verlauf von typischen Kennlinien eines Startermotors.

Fig. 5 zeigt eine Schaltungsanordnung für zwei Bürstenpaare mit je einer dritten Bürste,

Fig. 6 zeigt den Zusammenhang zwischen Bürstenverdrehung, wirksamer Spulenweite und momentenerzeugendem Fluß.

Identische beziehungsweise gleich wirkende Bauteile sind mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Startermotor 10 nach einem ersten Ausführungsbeispiel. In einem Polrohr 13 ist eine Bürstenanordnung 16 untergebracht. Die Bürstenan ordnung 16 weist eine drehbare Bürstengrundplatte 19 auf. An der drehbaren Bürstengrundplatte 19 sind Plusbürsten 22 und 25 sowie Minusbürsten 28 und 31 in Bürstenköchern 34 ge führt. Die Plusbürste 22 und die Minusbürste 28 sowie die Plusbürste 25 und die Minusbürste 31 bilden jeweils ein Bürstenpaar. Die Plusbürsten 25 und 22 werden über eine Zuleitung 37, die durch das Polrohr 13 geführt ist, versorgt. Die Minusbürsten 31 und 28 sind über Litzen 40 mit Masse verbunden. Die Plus- (22, 25) und Minus-Bürsten (28, 31) werden durch nicht dargestellte Federelemente auf einen Umfang eines symbolisch dargestellten Kommutators 43, siehe Fig. 2, gedrückt.

Der Kommutator 43 ist durch seinen gestrichelten Umfangskreis 44 symbolisch dargestellt. Über den Kommutator 43 wird der Rotor 46 bestromt. Ein Lagerelement 47 sichert über ein Federelement 49, das an die drehbare Bürstengrundplatte 19 gedrückt wird, die Bürstengrundplatte 19 gegen axiales Verschieben, vergleiche auch Fig. 2. Das Lagerelement 47 ist mit einem Lagerbund 50 versehen, der ein Gleitlager für die Bürstengrundplatte 19 bildet. Die Bürstengrundplatte 19 ist um die Mittelachse des Kommutators 43 und zwischen zwei Anschlägen 52, 53 verdrehbar. Anschlagsbegrenzend wirkt eine Nase 55 im Polrohr 13.

Eine Feder 57, die sich einerseits an einem raumfesten Federanschlag 59 und anderseits an einem drehbaren Federanschlag 61 an der Bürstengrundplatte 19 abstützt, drückt die Bürstengrundplatte 19 mit dem Anschlag 52 in eine Ruheposition an der Nase 55. Andererseits stützt sich ein Hilfsantrieb 64 einerseits an einem raumfesten Widerlager 66 und andererseits an einem drehbaren Widerlager 68 ab. Der drehbare Federanschlag 61 und das drehbare Widerlager 68 sind an der Bürstengrundplatte 19 befestigt. Das Lager element 47 wird mittels Befestigungsmittel 70, beispiels weise Schrauben, am Kommutatorlager 72 befestigt. Eine Distanzhülse 74 verschafft den nötigen Abstand zwischen Lagerelement 47 und Kommutatorlager 72. Die Bürstengrund platte 19 ist mit Aussparungen 76 versehen, durch die Distanzhülsen 74 durchgeführt sind.

Der Hilfsantrieb 64 wird durch eine selbsttätige Steuerein richtung 78 angesteuert, der dann eine Kraft zwischen dem raumfesten Widerlager 66 und drehbaren Widerlager 68 verursacht, und die Bürstengrundplatte 19 gegen die Federkraft der Feder 57 bis an den Anschlag 53 verdreht. Die Steuereinrichtung 78 steuert den Hilfsantrieb 64 abhängig vom Startermotorstrom oder von der Statermotorspannung an. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind alle verdrehbaren Bürsten 22, 25, 28 und 31 an der gemeinsamen Bürstengrundplatte 19 befestigt, so daß durch Verdrehen der Bürstengrundplatte 19 alle Bürsten 22, 25, 28 und 31 gleichermaßen verdrehbar sind.

Der in Fig. 1 dargestellte Hilfsantrieb 64 ist hier als ein sogenanntes thermisches Servo 81 ausgeführt. Thermische Servos sind aus der Klimatechnik bereits bekannt. Innerhalb dieses thermischen Servos 81 wird durch Energiezufuhr, hier im Beispiel durch Zufuhr elektrischer Energie, ein Stoff erwärmt, dessen Volumen sich durch die Wärmezufuhr ver ändert. Durch dieses sich ändernde Volumen wird auf einen Kolben oder beispielsweise eine Wand einer sogenannte Barometerdose innerhalb des Servos 81 eine Kraft ausgeübt, die zum beschriebenen Verstellen der Bürstengrundplatte 19 angewandt wird.

In Fig. 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt. Der Unterschied zwischen dem ersten Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 liegt darin begründet, daß der Hilfsantrieb 64 anders ausgeführt ist. Die Bürstengrundplatte 19 weist hier ein Langloch 84 auf. Innerhalb dieses Langlochs 84 ist ein Bolzen 87 bewegbar, der einen Exenter des Hilfsantriebs 64 darstellt. Durch die erzwungene Lageänderung dieses Bolzens 87 wird gleichzeitig die Lageänderung der Bürstengrundplatte 19 erzwungen, indem sie sich um eine Achse 89 des Rotors 46 dreht. Der Bolzen 87, als Teil des Hilfsantriebs 64 ist über einen Elektromotor 90 mit oder ohne Getriebe 93 antreibbar. Alternativ ist es möglich, daß der Hilfsantrieb 64 einen elektrisch erregbaren Hubmagneten 95 aufweist.

In Fig. 4 sind zwei Leistungs- und zwei Drehzahlkennlinien über dem Startermotorstrom dargestellt. Die durchgezogenen Linien beziehen sich einen Startermotor 10 mit einer Bürstenverschiebung von beispielsweise fünf Winkelgraden. Die strich-punktierten Linien beziehen sich auf einen Startermotor 10 mit einer Bürstenverdrehung von beispiels weise zehn Winkelgraden. Der eingezeichnete Punkt A stellt einen Schnittpunkt dar. Die Linie P₅(I) bezeichnet den Leistungsverlauf, n₅(I) den Drehzahlverlauf eines Startermotors 10 mit einer Bürstenverschiebung von fünf Winkelgraden in Abhängigkeit von seiner Stromaufnahme. Analog dazu bezeichnen die Linien P₁₀(I) den Leistungsverlauf, n₁₀(I) den Drehzahlverlauf eines Startermotors 10 mit einer Bürstenverschiebung von zehn Winkelgraden in Abhängigkeit von seiner Stromaufnahme.

Zu Beginn des Startvorgangs ist beispielsweise zunächst eine Bürstenverdrehung von fünf Winkelgraden eingestellt. Bis zum Schnittpunkt A ist bei gleicher Stromaufnahme mit einer Bürstenverdrehung von fünf Winkelgraden gegenüber einer Bürstenverdrehung von zehn Winkelgraden eine höhere Starter motorleistung abgebbar. Ein Startermotor mit einer Bürsten verdrehung von zehn Winkelgraden weist dagegen ab dem Schnittpunkt A bei gleicher Stromaufnahme eine höhere Leistung auf. Aus diesem Grund ist es von Vorteil, ab dem Punkt A, das heißt zum Beispiel ab einer Stromaufnahme von 900 Ampere, gegenüber einer Bürstenverdrehung von zehn Winkelgraden für den weiteren Verlauf des Startvorgangs die Bürstengrundplatte 19 zu verdrehen, bis eine Bürsten verdrehung von zehn Winkelgraden vorliegt. Mit Hilfe dieser Bürstenverdrehung von zehn Winkelgraden ist es zudem möglich, bei gleicher Stromaufnahme eine deutlich höhere Drehzahl des Startermotors zu erreichen, wodurch eine bessere Hochlaufunterstützung für den Verbrennungsmotor erreicht wird.

Ein weiterer Anwendungszweck für die Bürstenverdrehung ist dadurch möglich, daß zu jedem Bürstenpaar, zum Beispiel gebildet aus dem Bürstenpaar Plusbürste 22 und Minusbürste 28 oder aus dem Bürstenpaar Plusbürste 25 und Minusbürste 31, eine sogenannte dritte Bürste 98 beziehungsweise 99 zugeordnet ist, vergleiche auch Fig. 5. Die erste Bürste 22, die Plusbürste, und die zweite Bürste 28, die Minus bürste, stehen sich in etwa diametral gegenüber. Diesem Bürstenpaar ist die dritte Bürste 98 innerhalb der Polteilung zugeordnet, analog dazu verhält sich das Bürstenpaar Plusbürste 25 und Minusbürste 31, dem eine dritte Bürste 99 zugeordnet ist. Diese dritten Bürsten 98, 99 sind gegenüber der ersten 22, 25 und zweiten Bürste 28, 31 um bis zu sechzig elektrischen Winkelgraden um die Achse 89 des Rotors 46 versetzt angeordnet. In diesem Beispiel lassen sich die dritten Bürsten 98 und 99 paarweise schalten. Ein Schalter 101 ist von der Steuereinrichtung 78 selbsttätig ansteuerbar. Dadurch wird der Weg des Stroms entweder über die zweite Bürste 28, 31, das heißt die Minusbürste, oder über die dritte Bürste 98, 99 gesteuert.

Die Ansteuerung des Schalters 101 durch die Steuereinrichtung 75 wird auch hier abhängig vom Starterstrom beziehungsweise vom Spannungseinbruch ge steuert. Ein mögliches Kriterium ist beispielsweise ein tat sächlich fließender Starterstrom von weniger als 25% des Kurzschlußstroms. Durch das Umschalten auf die dritte Bürste 98 wird der Rotor 46 des Startermotors 10 unsymmetrisch be stromt und ein momentenbildender Fluß F durch Verringerung einer wirksamen Spulenweite W_S reduziert. Es ergibt sich dadurch eine Drehzahlerhöhung des Rotors 46.

In Fig. 6 ist dargestellt, wie sich der momentenbildende Fluß F durch Verstellen der wirksamen Spulenweite W_S verringern läßt. Werden die vier Bürsten 22, 25, 28 und 31 verdreht, wie dies bereits zu den Fig. 1 bis 3 beschrieben ist, so nehmen die Bürsten 22, 25, 28 und 31 nach dem Verdrehen die Positionen 22' 25' 28' und 31' ein. In der ursprünglichen Anordnung haben die wirksame Spulenweite W_S und der momentenbildende Fluß F eine bestimmte Größe, die hier symbolisch eingezeichnet sind. Nach dem Verdrehen ist die wirksame Spulenweite W_S und der momentenbildende Fluß F vom Rotor 46 zu einem Stator kleiner als vor dem Verdrehen; dies ist symbolisch durch W'_S und F' angegeben.

Claims

1. Startvorrichtung für Brennkraftmaschinen, mit einem elektrischen Startermotor (10), dessen Rotor (46) über auf einem Kommutator (43) gleitende Bürsten (22, 25, 28, 31) bestrombar ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein momentenbildender Fluß (F) durch Verstellen der wirksamen Spulenweite verringerbar ist.

2. Startvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Bürsten gleicher Polarität (22, 25, 28, 31) paarweise mittels eines Hilfsantriebs (64) in Umfangsrichtung des Kommutators (43) verdrehbar angeordnet sind und dadurch die wirksame Spulenweite verringerbar ist.

3. Startvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß alle verdrehbaren Bürsten (22, 25, 28 und 31) an einer gemeinsamen Bürstengrundplatte (19) befestigt sind, so daß durch Verdrehen der Bürsten grundplatte (19) alle Bürsten (22, 25, 28 und 31) gleichermaßen verdrehbar sind.

4. Startvorrichtung nach einem der Ansprüche L bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürstengrundplatte (19) zwischen zwei Anschlägen (52, 53) verdrehbar ist.

5. Startvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bürstengrundplatte (19) in einer Ruhelage durch ein sich raumfest abstützendes Element, insbesondere eine Feder (57), an einem ersten Anschlag (52) anliegt.

6. Startvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der Hilfsantrieb (64) die Bürstengrund platte (19) entgegen einer Kraft des elastischen Elements, insbesondere der Feder (57), verstellt.

7. Startvorrichtung nach einem der vorstehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfs antrieb (64) einen Elektromotor (90) mit oder ohne Getriebe (93) aufweist.

8. Startvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsantrieb (64) ein thermisches Servo (81) zum Verstellen der Bürstengrundplatte (19) aufweist.

9. Startvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Steuerungseinrichtung (78) den Hilfs antrieb (64) zur Verdrehung der Bürstengrundplatte (19) abhängig vom Startermotorstrom oder von der Startermotorspannung steuert.

10. Startvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß zwischen einer ersten (22, 25) und einer zweiten Bürste (28, 31), die sich in etwa diametral gegenüberstehen, eine dritte Bürste (98, 99) zugeordnet ist, wobei die dritte Bürste (98, 99) gegenüber der ersten (22, 25) und zweiten Bürste (28, 31) um bis zu sechzig elektrische Winkelgrade versetzt angeordnet ist und ein Schalter (101) den Rotor (46) entweder über die zumindest eine zweite (28, 31) oder die zumindest eine dritte (98, 99) Bürste bestromt und dadurch die wirksame Spulenweite verringerbar ist.

11. Startvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß der Schalter (101) durch eine Steuerein richtung (78) selbsttätig anzusteuern ist.

12. Startvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn zeichnet, daß die Steuereinrichtung (78) abhängig vom Starterstrom, insbesondere bei Unterschreiten eines tatsächlichen Starterstroms von einem Viertel eines Kurzschlußstroms, oder vom Spannungseinbruch den Schalter (101) schaltet.

13. Startvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ein Lagerelement (47) die Bürstengrundplatte (19) gegen axiales Verschieben sichert und dadurch raumfest befestigt, wobei das Lagerelement (47) mit einem Lagerbund (50) versehen ist, der ein Gleitlager für die Bürstengrundplatte (19) bildet.