DE102006040661A1

DE102006040661A1 - Strom-Überlastschutz eines Bürstenapparates

Info

Publication number: DE102006040661A1
Application number: DE102006040661A
Authority: DE
Inventors: Frank Reschnar; Steffen Huemmer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-08-30
Filing date: 2006-08-30
Publication date: 2008-03-13
Also published as: EP2059997A1; WO2008025829A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Strom-Überlastschutz eines Bürstenapparates einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Starters einer Brennkraftmaschine, mit mindestens einer der Stromführung zu den Bürsten dienenden Schmelzsicherungsvorrichtung. Es ist vorgesehen, dass die Schmelzsicherungsvorrichtung (20) zwei mittels mindestens einer bei Überlast schmelzenden Lotverbindung (22, 23) elektrisch verbundene Stromführungselemente (5, 6) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Strom-Überlastschutz eines Bürstenapparates einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Starters einer Brennkraftmaschine, mit mindestens einer, der Stromführung zu den Bürsten dienenden Schmelzsicherungsvorrichtung.
Stand der Technik
Ein Strom-Überlastschutz der Eingangs genannten Art ist beispielsweise in Form einer Schmelzsicherungsvorrichtung bekannt, bei der ein stromführendes Schmelzelement, wie zum Beispiel ein Draht, bei überschreiten einer vorgegebenen elektrischen Stromstärke während einer vorgegebenen Zeitspanne schmilzt und so ein elektrischer Stromkreis des Bürstenapparates unterbrochen wird. Die maximal zulässige elektrische Stromstärke wird dabei durch die Wahl des Materials des Schmelzelements der Schmelzsicherungsvorrichtung sowie dem stromführenden Querschnitt der Schmelzelements festgelegt. Dazu ist die Schmelzsicherungsvorrichtung an einer zum Schmelzen vorgesehenen Schmelzstelle so präpariert, dass es bei einem Stromfluss mit einer Stromstärke oberhalb der Stromstärkeschwelle zu einem Durchschmelzen der Schmelzstelle kommt. Ein derartiger Strom-Überlastschutz wird beispielsweise bei Wechselstrommotoren oder bei Gleichstrommotoren, wie Startern (Startermotoren) verwandt. Bei Startern für Brennkraftmaschinen werden zum Beispiel die Büstenlitzen als Schmelzelement so präpariert, dass diese im Fehlerfall an einer Schmelzstelle mit geringem Büstenlitzenquerschnitt durchschmelzen. Dadurch wird verhindert, dass es – zum Beispiel durch Fehlansteuerungen oder nicht ordnungsgemäße Nutzung des Starters – zu destruktiven, irreversiblen thermischen Prozessen kommen kann. Durch die definierten Verkleinerung des Büstenlitzenquerschnitts verformt sich eine Bürstenandruckfeder des Bürstenapparates, wodurch es zu verstärktem Auftreten von Lichtbögen zwischen Kommutator und Kohlebürsten kommt. Dabei heizt sich die entsprechende Bürste so stark auf, dass die Bürstenlitze durchschmilzt. Dieser Strom-Überlastschutz funktioniert jedoch nicht, wenn der Starter bei laufender Brennkraftmaschine eingespurt mitläuft. In diesem Fall fließt nur ein Leerlaufstrom, der einen zu kleinen Wärmeeintrag verursacht, um die Bürstenlitze durchschmelzen zu lassen. In einem solchen Fall löst sich der Verband des Kommutators auf, was zu Kurzschlüssen führen kann.
Offenbarung der Erfindung
Bei dem erfindungsgemäßen Strom-Überlastschutz ist vorgesehen, dass die Schmelzsicherungsvorrichtung zwei mittels mindestens einer bei Überlast schmelzenden Lotverbindung elektrisch verbundene elektrische Stromführungselemente aufweist. Ein derartiger Strom-Überlastschutz kommt bei elektrischen Maschinen wie beispielsweise bei Wechselstrommotoren oder bei Gleichstrommotoren, insbesondere bei Startern (Startermotoren) zum Einsatz. Bei dieser Schmelzsicherungsvorrichtung schmilzt bei Überlasst die Lotverbindung und trennt die elektrische Verbindung zwischen den beiden Stromführungselementen. Die Lotverbindung besteht zum Beispiel aus Weichlot mit einer Schmelztemperatur von 200 °C. Durch die relativ geringe Schmelztemperatur kann der Querschnitt der Lotverbindung relativ hoch gewählt werden. Dadurch erlaubt die Schmelzsicherungsvorrichtung einen hohen betriebsbedingten Strom bei Extrembelastungen, wie zum Beispiel einem Kaltstart, spricht jedoch deutlich vor Entstehen von kritischen thermischen Situationen an. So können gefährliche Betriebszustände in vielen Fällen wirksam vermieden werden. Durch die Verwendung von Weichlot ist eine Abstimmung auf verschiedene Typen von elektrischen Maschinen möglich. Bei einer einfachen Anordnung sind die zwei Stromführungselemente voneinander beabstandet angeordnet und im nicht ausgelöstem Zustand der Schmelzsicherungsvorrichtung nur durch die Lotverbindung elektrisch verbunden. Wird eine bestimmte Temperaturschwelle überschritten, die durch die Wahl des verwendeten Lots festgelegt wird, so schmilzt das Lot und die elektrische Verbindung wird unterbrochen.
Mit Vorteil ist vorgesehen, dass die beiden Stromführungselemente mittels einer Federeinrichtung gegeneinander vorgespannt sind. Bei einer derartigen Anordnung sind die Stromführungselemente zum Beispiel im nicht ausgelösten Zustand der Schmelzsicherungsvorrichtung nur gering voneinander beabstandet angeordnet und über die Lotverbindung miteinander elektrisch verbunden. Kommt es zu einem Schmelzen der Lotverbindung, so sorgt eine Federkraft der Federeinrichtung für eine Vergrößerung des Abstandes zwischen den beiden Stromführungselementen. Dazu ist die Federeinrichtung zum Beispiel als eine zwischen den Stromführungselementen angeordnete, eigenelastische Federeinrichtung ausgebildet, die die Stromführungselemente im ausgelösten Zustand der Schmelzsicherungsvorrichtung auseinandertreibt.
Weiterhin ist vorgesehen, dass zwischen mindestens einem der Stromführungselemente und der Federeinrichtung mindestens ein Isolierelement angeordnet ist. Um einen Stromfluss über die Federeinrichtung zu vermeiden, trennt das Isolierelement das Stromführungselement und das Federelement elektrisch von einander. Dazu ist zwischen dem Stromführungselement und der Federeinrichtung ein separates Isolierelement angeordnet. Alternativ weist das Stromführungselement und/oder die Federeinrichtung mindestens ein Isolierungselement auf oder ist mit einer elektrisch isolierenden Schutzschicht versehen.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehne, dass die Federeinrichtung als Druckfeder ausgebildet ist. Eine Druckfeder kann eine hohe Federkraft aufbringen und weist über einen weiten Temperaturbereich eine gleichbleibende Federkonstante auf.
Insbesondere ist vorgesehen, dass an mindestens einem der Stromführungselemente ein Isolierelement angeordnet ist, das die Federeinrichtung führt und/oder hält. Das Isolierelement hat dabei die Aufgabe, die Federeinrichtung und das dem Isolierelement zugeordnete Stromführungselement elektrisch zu isolieren. Weiterhin ist das Isolierelement so geformt, dass es die Federeinrichtung am Stromführungselement hält beziehungsweise fixiert und gegenüber dem anderen Stromführungselement führt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Isolierelement eine Ausnehmung und/oder einen Vorsprung zum Führen und/oder Halten der Federeinrichtung aufweist. Dabei kann zum Beispiel ein Ende der Federeinrichtung in der Ausnehmung einliegen. In diesem Fall hat das Isolierelement die Aufgabe, das Stromführungselement und die Federeinrichtung elektrisch zu isolieren, die Federeinrichtung zu führen beziehungsweise zu halten und flüssiges Lot von der Feder fernzuhalten. Dazu können insbesondere zwei Isolierelemente vorgesehen sein, die im nichtausgelösten Zustand der Schmelzsicherungsvorrichtung ein abgeschlossenes Gehäuse der Federeinrichtung bilden. Wird die Schmelzsicherungsvorrichtung ausgelöst, so öffnet die Federeinrichtung das Gehäuse und vergrößert den Abstand zwischen den beiden Stromführungselementen. Gleichzeitig verhindert das Gehäuse ein „Verkleben" der Federeinrichtung durch flüssiges Lot im nicht-ausgelösten Zustand, da durch das Verkleben der Federeinrichtung ein definiertes Auseinanderbewegen der beiden Stromführungselemente nicht mehr gewährleistet wäre.
Insbesondere ist vorgesehen, dass das erste Stromführungselement direkt mit mindestens einer Bürstenleitung verbunden ist. Bei als Startern ausgebildeten elektrischen Maschinen sind die Bürsten direkt mit Bürstenleitungen (Bürstenlitzen) verbunden. Durch die direkte Verbindung des ersten Stromführungselements mit mindestens einer der Bürstenleitungen werden unnötige Strompfade beziehungsweise überflüssige Leitungselemente vermieden. Die Verbindung ist insbesondere eine Schweißverbindung.
Weiterhin ist vorgesehen, dass das erste Stromführungselement die Bürstenleitungen einer Polarität verbindet. Durch diese weitere Funktion des ersten Stromführungselements wird die Anzahl der Leitungselemente weiter reduziert. Insbesondere verbindet das erste Stromführungselement die Bürstenleitungen der Plus-Bürsten.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite Stromführungselement direkt mit mindestens einer Relaisleitung verbunden ist. Eine solche Relaisleitung (Litze zum Relais) ist auch bei herkömmlichen Bürstenapparaten von als Startern ausgebildeten elektrischen Maschinen vorhanden. Durch die direkte Verbindung des zweiten Stromführungselements mit dieser Relaisleitung wird die Anzahl der stromführenden Teile gering gehalten beziehungsweise weiter verringert. Die Verbindung ist insbesondere eine Schweißverbindung.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die beiden mittels der Lotverbindung verbundenen Stromführungselemente eine ypsilonförmige Stromführungseinrichtung bilden. Eine einteilig ausgebildete, ypsilonförmige Stromführungseinrichtung (Y-Schiene) ist auch Bestandteil eines herkömmlichen Bürstenapparates. Dabei handelt es sich zum Beispiel um ein einteiliges, verzinktes Kupferstück, an dem die beiden Plus-Bürstenleitungen und die Leitung zur „Klemme 45" des Relais angeschweißt werden. Bilden die beiden erfindungsgemäßen Stromführungselemente im nicht ausgelöstem Zustand mittels der Lotverbindung eine ypsilonförmige Stromführungseinrichtung, so ersetzt diese die herkömmliche Y-Schiene. Die ypsilonförmige Stromführungseinrichtung weist die erfindungsgemäße Schmelzsicherungsvorrichtung auf und übernimmt alle Funktionen der herkömmlichen Y-Schiene.
Schließlich ist vorgesehen, dass die Lotverbindung jeweils in einem abgewinkelten Endbereich und die Federeinrichtung an jeweils einem Mittelabschnitt der Stromführungselemente angeordnet sind. Durch die räumliche Trennung der Lotverbindung von dem Isolierelement der Federeinrichtung wird ein „Verkleben" der Federeinrichtung durch das Lot vermieden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Teil eines Bürstenapparates nach einem ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßem Strom-Überlastschutzes im ausgelösten Zustand,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Strom-Überlastschutzes im nichtausgelösten Zustand,
3 ein Diagramm, das den Zusammenhang von Spannung, Strom, Relaisleitungstemperatur, Drehzahl und Drehmoment beim Auslösen des Strom-Überlastschutzes im Leerlaufbetrieb veranschaulicht und
4 ein Diagramm, das den Zusammenhang von Spannung, Strom, Relaisleitungstemperatur, Drehzahl und Drehmoment beim Auslösen des Strom-Überlastschutzes im Kurzschlussbetrieb veranschaulicht.
Ausführungsform(en) der Erfindung
Die 1 zeigt einen Teil eines Bürstenapparates 1 mit einem Kommutator 2, an dessen oberem, dargestelltem Bereich beidseitig jeweils eine als Plus-Bürste ausgebildete Bürste 3, 4 angeordnet ist. Oberhalb des Kommutators 2 sind zwei Stromführungselemente 5, 6 angeordnet. Das erste Stromführungselement 5 weist einen Mittelabschnitt 7 auf, an den sich jeweils ein abgewinkelter Endbereich 8, 9 anschließt. Der erste Endbereich 8 ist mit einer Bürstenleitung 10 der ersten Bürste 3 verbunden, der zweite Endbereich 9 ist mit einer Bürstenleitung 11 der zweiten Bürste 4 verbunden. Das oberhalb des ersten Stromführungselements 5 angeordnete zweite Stromführungselement 6 weist ein Isolierelement 8 auf, das – wie ein Teil des zweiten Stromführungselements 6 – in der Darstellung der 1 durch ein als Durchführungsgummi ausgebildetes Führungselement 13 verdeckt ist. Daher ist nur ein dem ersten Stromführungselement 5 zugewandter unterer Endbereich 14 und ein mit einer Relaisleitung 15 verbundener oberer Endbereich 16 des zweiten Stromführungsbereichs 6 sichtbar. Zwischen den Stromführungselementen 5, 6 ist auf der Höhe des Mittelabschnitts 7 eine als Druckfeder 17 ausgebildete Federeinrichtung 18 angeordnet, die durch Zapfen 19 der Stromführungselemente 5, 6 geführt wird. Die beiden Stromführungselemente 5, 6 bilden mit den hier schon geschmolzenen Lotstellen eine Schmelzsicherungsvorrichtung 20, wobei diese in der 1 im ausgelösten Zustand dargestellt ist. Der dargestellte Bürstenapparat ist Teil einer als Starter ausgebildeten elektrischen Maschine. Der Starter dient zum Starten einer Brennkraftmaschine.
Die 2 zeigt den Strom-Überlastschutz mit der Schmelzsicherungsvorrichtung 20 in einem zweiten Ausführungsbeispiel im nicht-ausgelöstem Zustand. Da die Anordnung im Wesentlichen dem der 1 entspricht, soll hier nur auf die Unterschiede eingegangen werden. Die beiden Stromführungselementen 5, 6 bilden eine ypsilonförmige Stromführungseinrichtung 21, wobei das erste Stromführungselement 5 an seinen beiden Endbereichen 8, 9 über jeweils eine Lotverbindung 22, 23 mit dem korrespondierenden Abschnitten des unteren Endbereichs 14 des zweiten Stromführungselements 6 verbunden ist. Das erste Stromführungselement 5 weist in seinem Mittelabschnitt 7 und das zweite Stromführungselement 6 in einem Mittelabschnitt 24 des unteren Bereichs 14 jeweils ein Isolierelement 12, 25 auf. Die Isolierelemente 12, 25 bilden im nicht-ausgelösten Zustand der Schmelzsicherungsvorrichtung 20 ein als Federnapf ausgebildetes Gehäuse 26, in dem die als Druckfeder 17 ausgebildete Federeinrichtung 18 einliegt. Dazu ist das Isolierelement 25 als Topf 27 und das Isolierelement 12 als Deckel 28 mit Führungszapfen 19 ausgebildet. Schmilzt das Lot der Lotverbindungen 22, 23, so treibt die Federeinrichtung 18 die beiden Stromführungselemente 5, 6 auseinander (Doppelpfeil 29).
Es ergibt sich folgende Funktion der Schmelzsicherungsvorrichtung 20: Die von den beiden Stromführungselementen 5, 6 gebildete, ypsilonförmige Stromführungseinrichtung 21 übernimmt die Funktion der Kontaktierung der Bürsten 3, 4 einer Y-Schiene bei einem herkömmlichen Bürstenapparat. Zusätzlich sorgt die Stromführungseinrichtung 21 mit der Schmelzsicherung 20 für den erfindungsgemäßen Strom-Überlastschutz. Übersteigt die Temperatur T_S der Stromführungselemente 5, 6 beziehungsweise der Leitungen 10, 11, 15 die Schmelztemperatur des die Lotverbindungen 22, 23 bildenden Lots von etwa 200° C, so verflüssigt sich das Lot und löst die Verbindung zwischen den beiden Stromführungselementen 5, 6. Die zwischen den Stromführungselementen 5, 6 beziehungsweise im Gehäuse 26 angeordnete, als Druckfeder 17 ausgebildete, vorgespannte Federeinrichtung 18 drückt die beiden Stromführungselemente 5, 6 auseinander (Doppelpfeil 27), sodass diese im ausgelösten Zustand der Schmelzsicherungsvorrichtung 20 deutlich beabstandet voneinander angeordnet sind, wie zum Beispiel 1 zeigt. Durch die Verwendung mindestens eines Isolierelements 12, 25 kann kein Strom über die Federeinrichtung 18 fließen. Ist der Bürstenapparat 1 durch das Auslösen der Schmelzsicherungsvorrichtung 20 stromlos, besteht keine Gefahr, dass sich die beiden getrennten Stromführungselemente 5, 6 berühren, da das erste Stromführungselement 5 durch die Bürstenleitungen 10, 11 und das zweite Stromführungselement 6 durch das als Durchführungsgummi ausgebildete Führungselement 13 fixiert wird. Die Federeinrichtung 18 sorgt dabei für eine stabile Trennung.
Obwohl die Bürsten 3, 4 in den gezeigten Ausführungsbeispielen als Plus-Bürsten ausgebildet sind, kann der Strom-Überlastschutz alternativ eine Schmelzsicherungsvorrichtung 20 aufweisen, die im negativen Spannungspfad mit den nicht gezeigten Minus-Bürsten verbunden ist.
Die 3 zeigt den Zusammenhang zwischen Spannung U, Strom I, Temperatur T_R an der Relaisleitung 15, Drehmoment M und Drehzahl n eines Starters, dessen Schmelzsicherungsvorrichtung 20 aus dem Leerlaufbetrieb heraus ausgelöst wird. Diese Betriebssituation entsteht zum Beispiel, wenn der Starter bei laufender Brennkraftmaschine eingespurt mitläuft. Bei einer Versorgungsspannung U₀ = 12 V liegt die Spannung U im Leerlaufbetrieb (im Zeitbereich von 100 s bis 400 s) bei etwa 11,8 V, wobei der Starter einen Strom von 50 A aufnimmt. Ausgehend von der Umgebungstemperatur steigt die Temperatur T_R an der Relaisleitung 15 mit der Zeit t an. Zum Zeitpunkt t₁ = 390 s hat das Lot seine Schmelztemperatur erreicht und die Schmelzsicherungsvorrichtung 20 löst aus. Durch Auslösen des Überlastschutzes wird der Stromkreis unterbrochen, wodurch der Strom I auf 0 A und das Drehmoment M auf 0 Nm absinkt.
Die 4 zeigt den Zusammenhang zwischen Spannung U, Strom I, Relaisleitungstemperatur T_R, Drehmoment M und Drehzahl n eines Starters, dessen Schmelzsicherungsvorrichtung 20 jedoch aus dem Kurzschlussbetrieb heraus ausgelöst wird. Zur Aufnahme der Kennlinien wurde die gleiche Schmelzsicherungsvorrichtung 20 bei gleicher Anordnung wie zur Aufnahme der Kennlinien der 3 verwendet. Bei einem Kurzschluss liegt die Auslösezeit zwischen 2 s und 3 s. In dieser Zeit steigt die Temperatur T_R der Relaisleitung 15 bis zur Schmelztemperatur der Lotverbindungen, sodass die Schmelzsicherungsvorrichtung 20 bei t₂ = 5,7 s auslöst. Die Spannung steigt von der Kurzschlussspannung U_K = 0 V auf die Versorgungsspannung U₀ = 12 V, der Strom I sinkt auf 0 A, die Drehzahl n auf 0 U/min. Nach dem Auslösen der Schmelzsicherungsvorrichtung 20 sinkt die Temperatur T_R der Relaisleitung 15 exponentiell ab.
Die Diagramme zeigen ein rasches Auslösen des Strom-Überlastschutzes in den verschiedenen Betriebssituationen, das einen kritischen thermischen Zustand des Starters sicher verhindern kann.

Claims

Strom-Überlastschutz eines Bürstenapparates einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Starters einer Brennkraftmaschine, mit mindestens einer, der Stromführung zu den Bürsten dienenden Schmelzsicherungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzsicherungsvorrichtung (20) zwei mittels mindestens einer bei Überlast schmelzenden Lotverbindung (22, 23) elektrisch verbundene Stromführungselemente (5, 6) aufweist.
Strom-Überlastschutz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stromführungselemente (5, 6) mittels einer Federeinrichtung (18) gegeneinander vorgespannt sind.
Strom-Überlastschutz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen mindestens einem der Stromführungselemente (5, 6) und der Federeinrichtung (18) mindestens ein Isolierelement (12, 25) angeordnet ist.
Strom-Überlastschutz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung (18) als Druckfeder (17) ausgebildet ist.
Strom-Überlastschutz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens einem der Stromführungselemente (5, 6) ein Isolierelement (12, 25) angeordnet ist, dass die Federeinrichtung (18) führt und/oder hält.
Strom-Überlastschutz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolierelement (12, 25) eine Ausnehmung und/oder einen Vorsprung zum Führen und/oder Halten der Federeinrichtung (18) aufweist.
Strom-Überlastschutz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Stromführungselement (5) direkt mit mindestens einer Bürstenleitung (10, 11) verbunden ist.
Strom-Überlastschutz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Stromführungselement (5) die Bürstenleitungen (10, 11) einer Polarität verbindet.
Strom-Überlastschutz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Stromführungselement (6) direkt mit mindestens einer Relaisleitung (15) verbunden ist.
Strom-Überlastschutz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden mittels Lotverbindung (22, 23) verbundenen Stromführungselemente (5, 6) eine ypsilonförmiges Stromführungseinrichtung (21) bilden.
Strom-Überlastschutz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lotverbindung (22, 23) in einem abgewinkelten Endbereich (8, 9) und die Federeinrichtung (18) an Mittelabschnitten (7, 24) der beiden Stromführungselemente (5) angeordnet sind.