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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Strom-Überlastschutz einer elektrischen
Maschine, insbesondere eines Starters einer Brennkraftmaschine,
mit mindestens einer Schmelzsicherungsvorrichtung im Strompfad zu
Bürsten
und einer Strom-Sammelschiene in der elektrischen Maschine.
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Ein
Strom-Überlastschutz
ist beispielsweise in Form einer Schmelzsicherungsvorrichtung bekannt,
bei der ein stromführendes
Schmelzelement, wie z. B. ein Draht, bei Überschreiten einer vorgegebenen
elektrischen Stromstärke
während
einer vorgegebenen Zeitspanne und bei einer vorgegebenen Temperatur
schmilzt, so dass ein elektrischer Stromkreis zu Bürsten der
elektrischen Maschine unterbrochen wird. Die maximal zulässige elektrische
Stromstärke
wird dabei durch die Wahl des Materials des Schmelzelements, d.
h. der Schmelzsicherungsvorrichtung, sowie dem stromführenden
Querschnitt des 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. Bei Startern für Brennkraftmaschinen
werden die Bürstenlitzen
als Schmelzelement so präpariert,
dass diese im Fehlerfall an einer Schmelzstelle mit geringem Bürstenlitzenquerschnitt durchschmelzen.
Dadurch wird verhindert, dass es aufgrund von Missbrauch oder Fehlansteuerung
in ungünstigen
Fällen
zu kritischen Zuständen
wie glühenden
oder brennenden Außenteilen
am Starter kommen kann. Als Stromüberlastschutz dient also derzeit
eine definiert geschwächte
Stelle im Hauptstrompfad einer Plus-Leitung oder Masselei tung. Durch
die dort auftretenden höheren
Stromdichten kommt es zu einer stärkeren Erwärmung als im übrigen Strompfad.
In Kombination mit weiteren Effekten während eines Überlastfalles,
wie beispielsweise Setzen der Bürstenandruckfeder;
Lichtbögen
zwischen Kohle und Kommutator usw., schmilzt die Schwachstelle durch
und unterbricht den Strompfad. Dieser Mechanismus eines Strom-Überlastschutzes ist
für den
gesamten Arbeitsbereich des Starters vorgesehen. Der Strom-Überlastschutz
funktioniert jedoch nicht sicher, wenn der Starter bei laufender Brennkraftmaschine
eingespurt mitläuft.
In diesem Fall fließt
nur ein Leerlaufstrom, der einen zu kleinen Wärmeeintrag verursacht, um die
Bürste
in der Litze durchschmelzen zu lassen. In einem solchen Fall löst sich
der Verband des Kommutators auf, was zu Kurzschlüssen führen kann. Deshalb ist der
Arbeitspunkt beim Leerlauf aufgrund des sehr geringen auftretenden
Stroms sehr kritisch. Der Arbeitspunkt kann vor allem in Kombination
mit einer Fehlfunktion von einem Relais, das nicht mehr öffnet, auftreten
und kritisch werden. Der Arbeitspunkt Kurzschluss ist auch „künstlich" verkürzt worden.
Durch die Querschnittsverengung schmilzt der „Schwachpunkt" schneller durch.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, einen Strom-Überlastschutz der eingangs
genannten Art derart weiterzubilden, dass eine Schmelzsicherungsvorrichtung
einer elektrischen Maschine vor einem brandkritischen Zustand sicher
abschaltet und gleichzeitig den Betrieb innerhalb der Funktionsgrenzen
sicherstellt.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Ein
wesentlicher Erfindungsgedanke ist, die Schmelzsicherungsvorrichtung
auf eine Strom-Sammelschiene zu verlegen und die Strom-Sammelschiene,
die bislang einteilig ausgeführt
wird, zu modifizieren und zweiteilig zu realisieren.
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Die
Aufgabe wird also dadurch gelöst,
dass die Schmelzsicherungsvorrich tung eine bei Überlast schmelzende Elementverbindung
aufweist, die die Strom-Sammelschiene mit einem ersten Stromführungselement
und mit einem zweiten Stromführungselement
verbindet. Die Schmelzsicherungsvorrichtung schmilzt bei Überlast
und trennt die elektrische Verbindung zwischen dem ersten und zweiten
Stromführungselement.
Somit werden kritische Zustände am
Starter, wie glühende
oder brennende Außenteile, über alle
Betriebspunkte vermieden und kritische Zustände abgewendet. Die Schädigung von
benachbarten Bauteilen im Fahrzeug sowie das Fahrzeug selbst und
dem Fahrer ist somit ausgeschlossen. Eine Auslösung innerhalb der Funktionsgrenzen
wird dabei verhindert. Der Strom-Überlastschutz kann vorteilhafterweise
in alle Arten von elektrischen Maschinen, wie Drehstrom- oder Gleichstrom-Maschinen,
eingebaut sein. Die Schmelzvorrichtungssicherung, die einen Überlastungsschutz
bildet und bislang an Bürstenlitzen
angeordnet ist, ist in eine zweiteilige Strom-Sammelschiene integriert.
Die Strom-Sammelschiene ist gegenüber einer einteiligen Strom-Sammelschiene
modifiziert.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
die schmelzende Elementverbindung eine Lotverbindung. Eine Lotverbindung
hat den Vorteil, dass die Elementverbindung elektrisch leitend ist
und bei Überlast
aufgrund von thermischer Erwärmung schmilzt
und damit die beiden Stromführungselemente
der Strom-Sammelschiene trennbar sind. Vorteilhafterweise besteht
die Lotverbindung aus einem Weichlot mit einer Schmelztemperatur
von ca. 200°C.
Durch die relativ geringe Schmelztemperatur kann die verbindende
Fläche
der Lotverbindung, die das erste Stromführungselement und das zweite Stromführungselement
zusammenhält,
relativ groß sein.
Die Strom-Sammelschiene
kann dadurch von betriebsbedingten Strömen bei Extrembelastungen, wie
z. B. bei einem Kaltstart, widerstehen. Eine Abstimmung auf verschiedene
Typen von elektrischen Maschinen mit bestimmten Betriebspunkten
ist mit Weichlot möglich.
Die beiden Stromführungselemente
sind also mit der Elementverbindung elektrisch leitend und für einen
thermischen Bereich bis ca. 200°C verbunden.
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Um
beim Auftreten einer Überlast
den Stromfluss sicher zu trennen, werden vorteilhafterweise die beiden
Stromführungselemente
durch eine elektrisch isolierte Federeinrichtung gegeneinander vorgespannt.
Die Feder ist also im Normalzustand, wenn die Strom-Sammelschiene
aus den zwei miteinander verbundenen Stromführungselementen besteht, vorgespannt
und belastet. Kommt es zu einem Schmelzen der Elementverbindung,
so entspannt sich die Feder und drückt dabei das erste Stromführungselement
vom zweiten Stromführungselement
weg, so dass der Hauptstrom elektrisch sicher unterbrochen wird.
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Um
einen Stromfluss über
die Federeinrichtung zu vermeiden, ist die Federeinrichtung mittels
eines Isolierelements elektrisch gegenüber zumindest einem der beiden
Stromführungselemente
getrennt. Gemäß einer
alternativen Ausführungsform
ist die Feder aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff hergestellt.
So reduzieren sich die Bauteilanzahl und die Herstellungskosten.
Es versteht sich dabei, dass auch die Federeinrichtung mittels eines
Isolierelements überzogen
sein kann.
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Gemäß einer
die Erfindung weiterbildenden Ausführungsform ist die Federeinrichtung
als Druckfeder ausgebildet. Eine Druckfeder ist ein preiswertes
Mittel, eine Druckkraft für
einen weiteren Temperaturbereich mit einer gleich bleibenden Federkonstante
mit einer zu definierenden Federkraft zu realisieren. Es versteht
sich, dass auch eine Zugfeder eingesetzt sein kann.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
an mindestens einem der Stromführungselemente ein
Isolierelement angeordnet, das die Federeinrichtung führt. Die
Federeinrichtung, die wie oben beschrieben bevorzugt aus einer Feder
besteht und tiefbauend ist, kann somit in der Tiefe geführt werden, während die
Verbindung der beiden Stromführungselemente
senkrecht dazu flach gebaut ist. Somit wirkt die Federkraft bzw.
Druckkraft der Federeinrichtung mit maximaler Wirkung gegen die
verbindende Fläche.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform kann
mindestens ein Stromführungselement
die Federeinrichtung führen.
Somit ergibt sich eine bauteilreduzierte, kompakte Bauweise.
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Gemäß einer
die Erfindung weiterbildenden Ausführungsform ist das Isolierelement
topfförmig
mit einem formschlüssigen
Wulst als Gegenlager ausgebildet. In dem topfförmigen Isolierelement kann
eine Druckfeder in Druckkraftrichtung geführt werden. Das topfförmige Isolierelement
ist dabei tief gebaut und kann eine tiefe Feder aufnehmen. Der Wulst
an der Topföffnung
des Isolierelements sitzt formschlüssig am ersten Stromführungselement
und bildet ein Gegenlager zur Druckfläche der Federeinrichtung, die
auf das zweite Stromführungselement
wirkt und somit die beiden Stromführungselemente gegeneinander
vorspannt.
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Das
zweite Stromführungselement
ist mit einer Relaisleitung verbunden. Eine solche Relaisleitung
wird auch als Litze zum Relais bezeichnet und ist mit einer Schweißverbindung
an dem zweiten Stromführungselement
angebracht.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
die Strom-Sammelschiene mit mindestens zwei, bevorzugt vier oder
sechs Kohlebürsten
elektrisch verbunden. Dies hat den Vorteil, dass die Bauteilanzahl
reduziert ist und die elektrische Maschine leistungsstark ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
das erste Stromführungselement
im Querschnitt gesehen U-förmig
mit angeflanschten Schenkeln ausgebildet. Das zweite Stromführungselement
verbindet die angeflanschten Schenkel, und die Federeinrichtung
ist im ersten Stromführungselement
angeordnet. Das erste Stromführungselement
lässt sich somit
preiswert durch eine Umformtechnik realisieren und bietet eine einfache
Möglichkeit,
die Federeinrichtung unterzubringen bzw. alternativ die Federeinrichtung
zu führen
und gegen das zweite Stromführungselement
vorzuspannen.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform ist
das erste Stromführungselement
im Querschnitt gesehen mit einer Stufe ausgebildet, das zweite Stromführungselement
mit der Stufe verbunden und die Federeinrichtung über die
Höhe der
Stufe angeordnet. Diese Ausführungsform
ist eine bau raumoptimierte Lösung,
um platzsparend kompakte Sammelschienen mit einem erfindungsgemäßen Überlastschutz
auszubilden.
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Die
Erfindung hat den Vorteil, dass viele künstliche Stellen hoher Stromdichte
beispielsweise an Bürstenlitzen
nicht mehr notwendig sind, sondern auf eine zweiteilige Strom-Sammelschiene
konzentriert zusammengefasst werden können und damit kann das Bürstensystem
insgesamt optimal ausgelegt werden und die Bauteile sowie die Herstellungskosten
reduziert werden. Durch eine spezifische Zusammensetzung der Elementverbindung
kann der Auslösezeitpunkt,
die Stromdichte bzw. Stromstärke an
die Startergröße individuell
angepasst sein.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch
zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen verwendbar sind.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform
und
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2 eine
perspektivische Ansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
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Die 1 zeigt
einen Ausschnitt einer elektrischen Maschine in perspektivischer
Ansicht mit einer Strom-Sammelschiene 1. Die Strom-Sammelschiene 1 ist
in elektrischen Maschinen, die elektrisch oder permanent erregt
sein können,
eingebaut, um Strom zu Bürsten 2,
beispielsweise zwei, vier, sechs oder mehr Bürsten 2, zu leiten.
Die elektrische Maschine kann beispielsweise als Starter in einer
Brennkraftmaschine eingesetzt sein. Erfindungsgemäß ist die
Strom-Sammelschiene 1 im Gegensatz zum Stand der Technik
nicht einteilig, sondern zweiteilig ausgeführt. Die Strom-Sammelschiene 1 umfasst
somit ein erstes Stromführungselement 3 und
ein zweites Stromführungs element 4.
Die beiden Stromführungselemente 3, 4 sind
mit einer schmelzenden Elementverbindung 5 flächig verbunden.
Die schmelzende Elementverbindung 5 ist ein Weichlot, das
bei ca. 200°C
schmilzt. Die flächige
Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Stromführungselement 3, 4 wird
bei Überlast
gelöst,
die zu einer Erwärmung
auf die die Temperatur von 200°C
führt.
Damit das erste und zweite Stromführungselement 3, 4 sich beim
Schmelzen oder nach Schmelzen der Elementverbindung 5 voneinander
sicher lösen
und trennen, ist eine Federeinrichtung 6 vorgesehen, die
die beiden Stromführungselemente 3, 4 gegeneinander
vorspannt. Die Federeinrichtung 6 umfasst ein Isolierelement 7,
das topfförmig
ausgebildet ist und an der Topföffnung
eine flanschförmige
Wulst 8 aufweist. In dem topfförmigen Isolierelement 7 befindet
sich eine Druckfeder 9. Die Druckfeder 9 wird
vom topfförmigen
Isolierelement 7 geführt.
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Das
erste Stromführungselement 3 ist
im Querschnitt gesehen U-förmig
mit angeflanschten Schenkeln 32, 34 ausgebildet
und das zweite Stromführungselement 4 ist
ein Plättchen,
das mit den angeflanschten Schenkeln 32, 34 durch
die Elementverbindung 5 an einem thermischen lösbaren Bereich
fixiert ist. Auf der gegenüberliegenden
Seite von dem zweiten Stromführungselement 4 ist
am Plättchen
eine Relaisleitung 10 angeschweißt. Die Relaisleitung 10 ist
mittels eines Durchführgummis 11 von der
Strom-Sammelschiene 1 elektrisch
und thermisch isoliert. Das Durchführgummi 11 hat für die Relaisleitung 10 eine
Bohrung, durch die die Relaisleitung 10 zur Strom-Sammelschiene 1 führt. Das Durchführgummi 11 hat
auf der zur Strom-Sammelschiene 1 gerichteten Seite zwei
Stege 12, 13, die das zweite Stromführungselement 4 nach
Trennen vom ersten Stromführungselement 3 halten
können.
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Die
Federeinrichtung 6 ist im Boden des U-förmigen ersten Stromführungselements 3 eingearbeitet
bzw. eingesetzt. Der Wulst 8 ist formschlüssig in
eine Bohrung im Boden des U's
vom ersten Stromführungselement 3 gesteckt.
Die Wulst 8 bildet somit ein vorgespanntes Gegenlager zur
Andruckfläche
am zweiten Stromführungselement 4,
der von der Druckfeder 9 gebildet wird. Die Druckfeder 9 ist somit
gegen den Boden des Topfs vom Iso lierelement 7 und gegen
das zweite Stromführungselement 4 vorgespannt.
Wenn die Strom-Sammelschiene 1 einen kritischen Strom über eine
kritische Zeit aufnimmt, so dass die Temperatur an der Strom-Stromsammelschiene 1 auf über 200°C über eine
bestimmte Zeit steigt, schmilzt die Lotverbindung flächig auf und
das zweite Stromführungselement 4 wird
vom ersten Stromführungselement 3 durch
die Druckfeder 9 gedrückt.
Es kann nach Auslösung
nicht mehr zu Kriechströmen
kommen und der Starter kann nicht mehr weiter betrieben werden.
Es wird nach der Trennung der beiden Stromführungselemente 3, 4 durch
die Druckfeder 9 eine sichere Abschaltung garantiert. Ein
Stromführungselement 3 der Strom-Sammelschiene 1 bleibt
festsitzend, und das zweite Stromführungselement 4 mit
der angeschweißten
Relaisleitung 10 wird in einem sicheren Abstand am Durchführgummi 11 gehalten.
Somit werden glühende
oder brennende Außenteile
vermieden. Nur bei Überschreiten
der Funktionsgrenze wird ein Überlastschutz
ausgelöst.
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Die 2 zeigt
in einer perspektivischen Ansicht eine alternative Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Strom-Überlastschutzes.
Auch in diesem Beispiel ist die Strom-Sammelschiene 1 zweiteilig
ausgebildet. Das erste Stromführungselement 3 ist
im Querschnitt gesehen mit einer Stufe ausgebildet. Das zweite Stromführungselement 4 ist mit
der Stufe flächig
verbunden. Eine Federeinrichtung 6 ist über die Höhe der Stufe angeordnet und spannt
die beiden Stromführungselemente 3, 4 gegeneinander.
Die Federeinrichtung 6 ist wie in der 1 topfförmig mit
einem flanschförmigen
Wulst 8 ausgebildet, in dem sich eine Druckfeder 9 befindet.
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Das
Isolierelement 7 der Federeinrichtung 6 ist in
eine Bohrung in der unteren Stufe des ersten Stromführungselements 3 eingesetzt.
Aufgrund des Wulstes 8 ist das Isolierelement 7 fest
und formschlüssig
am ersten Stromführungselement 3 eingesetzt.
Die Druckfeder 9 ist gegen den Boden des Isolierelements 7 und
gegen das zweite Stromführungselement 4 vorgespannt.
Das zweite Stromführungselement 4 ist
als Plättchen
ausgebildet, das auf Höhe der
ersten Stufe des ersten Stromführungselements 3 ist.
Die schmelzende Elementverbindung 5 hält flächig das Plättchen des zweiten Stromführungselements 4 mit
dem ersten Stromführungselement 3 auf der ersten
Stufe zusammen. Auf der gegenüberliegenden
Seite des Plättchens
im zweiten Stromführungselement 4 ist
wieder die Relaisleitung 10 angeschweißt. Bei dieser Ausführungsform
ist die Relaisleitung 10 gerade durch die Bohrung des Durchführgummis 11 eingesetzt
und nicht um 90°,
wie in der 1 gezeigt, abgebogen. Dies hat
Biegungsvorteile und bringt Fertigungsvereinfachungen mit sich. Schmilzt
die Elementverbindung 5 aufgrund von Überlast durch Erwärmung, so
drückt
die Druckfeder 9 das zweite Stromführungselement 4 vom
ersten Stromführungselement 3 weg.
Hierfür
ist ausreichender Bauraum der elektrischen Maschine geschaffen, so
dass eine sichere Abschaltung der Kohlebürsten 2 und somit
der gesamten elektrischen Maschine erfolgt.
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Alle
Figuren zeigen lediglich schematische nicht maßstabsgerechte Darstellungen.
Im Übrigen wird
insbesondere auf die zeichnerischen Darstellungen für die Erfindung
als wesentlich verwiesen.