DE10059680A1 - Startvorrichtung - Google Patents
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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
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.
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.
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.
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 WS 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 WS
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 WS und der momentenbildende Fluß F eine
bestimmte Größe, die hier symbolisch eingezeichnet sind.
Nach dem Verdrehen ist die wirksame Spulenweite WS 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 (13)
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.
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