-
Stand der Technik
-
Zum
Starten von Verbrennungsmotoren kommen hauptsächlich mechanisch kommutierte Gleichstrommotoren
zum Einsatz. Der Strom wird über
ein oder mehrere Bürstenpaare über den
Kommutator in die Ankerwicklung eingeleitet. Diese Bürsten bestehen
meist aus einem Sinterwerkstoff, welcher hauptsächlich Kupfer- und Graphitanteile
hat. Diese Kohlebürsten
sowie der Kommutator unterliegen im Betrieb einem Verschleiß. Dabei
sind Starter typischerweise für
den kurzzeitigen Betrieb ausgelegt und normalerweise für 30– 60.000
Schaltzyklen geeignet.
-
Vorteile der Erfindung
-
Es
hat sich gezeigt, dass für
den Fall, in dem ein permanenterregter Starter für höhere Lasten bzw. für längere Laufzeiten
(wie z. B. beim Start-Stopp-Betrieb erforderlich) ausgelegt werden
soll, zur Erhöhung
der erreichbaren Schaltzahlen die maximale Stromdichte in den Kohlebürsten entscheidenden Einfluss
auf die Gesamtschaltzahl der Kohlebürsten hat.
-
Um
ein ideales Verschleißverhalten
für die Kohlebürsten zu
garantieren, muss die Stromdichte hinreichend klein sein. Die maximale
Stromdichte im Starter wird durch mehrere Effekte beeinflusst. Einerseits
ist die Auslegung der elektrischen Maschine (Gesamtsystem) und natürlich auch
die verwendeten Zuleitungswiderstände für die endgültig wirksame maximale Stromdichte
im Starter verantwortlich. Den Moment der maximalen Stromdichte
erreicht man beim Einschalten. Der maximale Strom wird im Kurzschluss
(stehender Anker) erzielt.
-
Steigt
die notwendige Schaltzahl eines herkömmlichen Starters aufgrund
eines Betriebes (wie z. B. Start-Stopp) mit häufigen Wiederholstarts am Verbrennungsmotor,
so muss für
ein optimales Verschleißverhalten
gesorgt werden. Um die den Verschleiß in den Kommutierungskomponenten
möglichst
gering zu halten, muss deshalb die Stromdichte innerhalb der Kohlebürsten reduziert
werden. Es hat sich dabei gezeigt, dass für normale Starteranwendungen
Stromdichten in den Kohlebürsten
von 4,5–7,5
Nmm2 im Kurzschlussfall (maximal zulässige Batterie
mit geringstem Zuleitungswiderstand) akzeptabel sein können. Die
Stromdichte berechnet sich aus dem maximalen Kurschlussstrom geteilt durch
die Bürstenfläche (Querschnitt)
der Plusbürsten
bzw. Minusbürsten.
Für einen
maximalen Kurschlussstrom von 1400 A und Bürstenabmessungen von 6 mm × 16 mm
bei 2 Plusbürsten
ergibt sich somit ein Wert von j = 1400 A/(6·16 mm2)
= 7,3 A/mm2. Will man aber eine wesentliche
Schaltzahlerhöhung des
Starters erreichen, so sind diese Stromdichten zu hoch. Je nach
erforderlicher Schaltzahl muss eine Reduktion der Stromdichten erfolgen.
Es hat sich dabei gezeigt, dass man für Stromdichten von weniger als
4,0 A/mm2 im Kurzschlussfall (maximal zulässige Batterie
mit geringstem Zuleitungswiderstand) eine wesentliche Erhöhung der
Schaltzahlen erreichen kann.
-
Beschreibung
-
Kurze Beschreibung der Figuren:
-
1 zeigt
einen Längsschnitt
durch eine Startvorrichtung,
-
2 eine
schematische axiale Ansicht auf ein System gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
-
3 eine
schematische axiale Ansicht auf ein System gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel
-
4 und 5 zeigen
Querschnitte durch je eine Plus- und Minusbürste
-
6 zeigt
ein Kraftfahrzeug mit einer Startvorrichtung.
-
Offenbarung der Erfindung
-
1 zeigt
eine Startvorrichtung in einem Längsschnitt.
In der 1 ist eine Startvorrichtung 10 dargestellt.
Diese Startvorrichtung 10 weist beispielsweise einen Startermotor 13 und
ein Einrückrelais 16 auf.
Der Startermotor 13 und das Einrückrelais 16 sind an
einem gemeinsamen Antriebslagerschild 19 befestigt. Der
Startermotor 13 dient funktionell dazu, ein Andrehritzel 22 anzutreiben,
wenn es im Zahnkranz 25 der hier nicht dargestellten Brennkraftmaschine
eingespurt ist.
-
Der
Startermotor 13 weist als Gehäuse ein Polrohr 28 auf,
das an seinem Innenumfang permanentmagnetische Pole 31 trägt. Die
Pole 31 umgeben wiederum einen Rotor 37 (Anker),
der ein aus Lamellen 40 aufgebautes Ankerpaket 43 und
eine in Nuten 46 angeordnete Ankerwicklung 49 aufweist.
Das Ankerpaket 43 ist auf eine Antriebswelle 44 aufgepresst. An
dem Andrehritzel 22 abgewandten Ende der Antriebswelle 44 ist
des weiteren ein Kommutator 52 angebracht, der u. a. aus
einzelnen Kommutatorlamellen 55 aufgebaut ist. Die Kommutatorlamellen 55 sind in
bekannter Weise mit der Ankerwicklung 49 derartig elektrisch
verbunden, dass sich bei Bestromung der Kommutatorlamellen 55 durch
Bürsten 58 eine
Drehbewegung des Rotors 37 im Polrohr 28 ergibt.
Eine zwischen dem Einspurrelais 16 und dem Startermotor 13 angeordnete
Stromzuführung 61 versorgt
im Einschaltzustand sowohl die Bürsten 58 als
auch die Erregerwicklung 34 mit Strom. Die Antriebswelle 44 ist
kommutatorseitig mit einem Wellenzapfen 64 in einem Gleitlager 67 abgestützt, welches
wiederum in einem Kommutatorlagerdeckel 70 ortsfest gehalten ist.
Der Kommutatordeckel 70 wiederum wird mittels Zuganker 73,
die über
den Umfang des Polrohrs 28 verteilt angeordnet sind (Schrauben,
beispielsweise 2, 3 oder 4 Stück)
im Antriebslagerschild 19 befestigt. Es stützt sich
dabei das Polrohr 28 am Antriebslagerschild 19 ab,
und der Kommutatorlagerdeckel 70 am Polrohr 28.
-
In
Antriebsrichtung schließt
sich an den Rotor 37 ein sogenanntes Sonnenrad 80 an,
das Teil eines Planetengetriebes 83 ist. Das Sonnenrad 80 ist von
mehreren Planetenrädern 86 umgeben, üblicherweise
drei Planetenräder 86,
die mittels Wälzlager 89 auf
Achszapfen 92 abgestützt
sind. Die Planetenräder 86 wälzen in
einem Hohlrad 95 ab, das im Polrohr 28 außenseitig
gelagert ist. In Richtung zur Abtriebsseite schließt sich
an die Planetenräder 86 ein
Planetenträger 98 an,
in dem die Achszapfen 92 aufgenommen sind. Der Planetenträger 98 wird
wiederum in einem Zwischenlager 101 und einem darin angeordneten
Gleitlager 104 gelagert. Das Zwischenlager 101 ist
derartig topfförmig
gestaltet, dass in diesem sowohl der Planetenträger 98, als auch die
Planetenräder 86 aufgenommen
sind. Desweiteren ist im topfförmigen
Zwischenlager 101 das Hohlrad 95 angeordnet, das
letztlich durch einen Deckel 107 gegenüber dem Rotor 37 geschlossen
ist. Auch das Zwischenlager 101 stützt sich mit seinem Außenumfang an
der Innenseite des Polrohrs 28 ab. Der Rotor 37 weist
auf dem vom Kommutator 52 abgewandten Ende der Antriebswelle 44 einen
weiteren Wellenzapfen 110 auf, der ebenfalls in einem Gleitlager 113 aufgenommen
ist, ab. Das Gleitlager 113 wiederum ist in einer zentralen
Bohrung des Planetenträgers 98 aufgenommen.
Der Planetenträger 98 ist
einstückig mit
der Abtriebswelle 116 verbunden. Diese Abtriebswelle 116 ist
mit ihrem vom Zwischenlager 101 abgewandten Ende 119 in
einem weiteren Lager 122, welches im Antriebslagerschild 19 befestigt
ist, abgestützt.
Die Abtriebswelle 116 ist in verschiedene Abschnitte aufgeteilt:
So folgt dem Abschnitt, der im Gleitlager 104 des Zwischenlagers 101 angeordnet ist,
ein Abschnitt mit einer sogenannten Geradverzahnung 125 (Innenverzahnung),
die Teil einer sogenannten Wellen-Nabe-Verbindung ist. Diese Welle-Nabe-Verbindung 128 ermöglicht in
diesem Fall das axial geradlinige Gleiten eines Mitnehmers 131. Dieser
Mitnehmer 131 ist ein hülsenartiger
Fortsatz, der einstückig
mit einem topfförmigen
Außenring 132 des
Freilaufs 137 ist. Dieser Freilauf 137 (Richtgesperre)
besteht des Weiteren aus dem Innenring 140, der radial
innerhalb des Außenrings 132 angeordnet ist.
Zwischen dem Innenring 140 und dem Außenring 132 sind Klemmkörper 138 angeordnet.
Diese Klemmkörper 138 verhindern
in Zusammenwirkung mit dem Innen- und dem Außenring eine Relativdrehung
zwischen dem Außenring
und dem Innenring in einer zweiten Richtung. Mit anderen Worten:
Der Freilauf 137 ermöglicht
eine Relativbewegung zwischen Innenring 140 und Außenring 132 nur
in eine Richtung. In diesem Ausführungsbeispiel
ist der Innenring 140 einstückig mit dem Andrehritzel 22 und dessen
Schrägverzahnung 143 (Außenschrägverzahnung)
ausgeführt.
-
Der
Vollständigkeit
halber sei hier noch auf den Einspurmechanismus eingegangen. Das
Eindrückrelais 16 weist
einen Bolzen 150 auf, der ein elektrischer Kontakt ist
und der an den Pluspol einer elektrischen Starterbatterie, die hier
nicht dargestellt ist, angeschlossen ist. Dieser Bolzen 150 ist
durch einen Relaisdeckel 153 hindurchgeführt. Dieser
Relaisdeckel 153 schließt ein Relaisgehäuse 156 ab, das
mittels mehrerer Befestigungselemente 159 (Schrauben) am
Antriebslagerschild 19 befestigt ist. Im Einrückrelais 16 ist
weiterhin eine Einzugswicklung 162 und eine sogenannte
Haltewicklung 165 angeordnet. Die Einzugswicklung 162 und
die Haltewicklung 165 bewirken beide jeweils im eingeschalteten
Zustand ein elektromagnetisches Feld, welches sowohl das Relaisgehäuse 156 (aus
elektromagnetisch leitfähigem
Material), einen linear beweglichen Anker 168 und einen
Ankerrückschluss 171 durchströmt. Der
Anker 168 trägt
eine Schubstange 174, die beim linearen Einzug des Ankers 168 in
Richtung zu einem Schaltbolzen 177 bewegt wird. Mit dieser Bewegung
der Schubstange 174 zum Schaltbolzen 177 wird
dieser aus seiner Ruhelage in Richtung zu zwei Kontakten 180 und 181 bewegt,
so dass eine am zu den Kontakten 180 und 181 Ende
des Schaltbolzens 177 angebrachte Kontaktbrücke 184 beide Kontakte 180 und 181 elektrisch
miteinander verbindet. Dadurch wird vom Bolzen 150 elektrische
Leistung über
die Kontaktbrücke 184 hinweg
zur Stromzuführung 61 und
damit zu den Bürsten 58 geführt. Der
Startermotor 13 wird dabei bestromt.
-
Das
Einrückrelais 16 bzw.
der Anker 168 hat aber darüber hinaus auch die Aufgabe,
mit einem Zugelement 187 einen dem Antriebslagerschild 19 drehbeweglich
angeordneten Hebel zu bewegen. Dieser Hebel 190, üblicherweise
als Gabelhebel ausgeführt,
umgreift mit zwei hier nicht dargestellten „Zinken” an ihrem Außenumfang
zwei Scheiben 193 und 194, um einen zwischen diesen
eingeklemmten Mitnehmerring 197 zum Freilauf 137 hin
gegen den Widerstand der Feder 200 zu bewegen und dadurch das
Andrehritzel 22 in dem Zahnkranz 25 einzuspuren.
-
Der
Rotor 37 ist mittels des Kommutators 52 und den
Bürsten 58 bestrombar.
Die Bürsten 58 sind zumindest
zwei Plusbürsten 250 und
zumindest zwei Minusbürsten 253.
Im sogenannten Kurzschlussfall ergibt sich in den Bürsten 58 jeweils
eine Stromdichte, wobei die Stromdichte ein Quotient aus dem durch die
Bürsten 58 fließenden elektrischen
Strom IB und einem Querschnitt QB einer Bürste 58 ist.
Die Bürste 58 ist
entweder eine Minus- oder Plusbürste,
wobei die Stromdichte im Kurzschlussfall kleiner als 4,0 A/mm2 (Ampère
pro Quadratmillimeter) ist.
-
Der
Kurzschlussfall ist bestimmt durch den sich nach dem Einschalten
der Startvorrichtung 10 gerade noch nicht drehenden Rotor 37.
Zu diesem Zeitpunkt fließt
der maximale Strom IB durch die Bürsten. Der
Kurzschlussfall ist dabei für
die Bürsten 58 dann
am ungünstigsten,
wenn die maximal zulässige Starterbatterie 260 (s.
a. 6) als Stromversorgung bei geringstem Widerstand
der Zu- und Rückleitung 263, 264 gewählt ist.
-
Eine
Bürste 58 (ob
Plusbürste 250 oder
Minusbürste 253)
weist eine tangentiale Breite B und eines axiale Länge L auf,
wobei ein Quotient aus L/B größer gleich
4, vorzugsweise maximal 5, maximal bis 5,5 ist. Die axiale Länge L ist
in Richtung der Drehachse orientiert.
-
In 3 ist
ein System mit drei Plusbürsten 250 und
drei Minusbürsten 253 dargestellt.
-
Gemäß einer
Abwandlung ist vorgesehen, dass die Plusbürsten 250 einen Querschnitt
Q aufweisen, der senkrecht zur Stromflussrichtung orientiert ist
und dass die Minusbürsten 253 einen
Querschnitt Q aufweisen, der senkrecht zur Stromflussrichtung orientiert
ist, wobei der Querschnitt Q der Plusbürsten 250 eine andere
Größe als der
Querschnitt Q der Minusbürsten 253 hat.
-
4 und 5 zeigen
die Querschnitte Q der Plusbürsten 250 und
Minusbürsten 253.
-
Gemäß dem in 6 dargestellten
System in einem Kraftfahrzeug 300 ist als Stromversorgung eine
Starterbatterie 260 vorgesehen, an die die Startvorrichtung 10 angeschlossen
ist. Die Starterbatterie weist hier eine Ruhespannung von 14 V auf.
-
Es
ist vorgesehen, dass ein elektrischer Widerstand R der Zu- und Rückleitung 263, 264 zwischen
der Stromversorgung und der Startvorrichtung 10 in etwa
1 mOhm (Milliohm) aufweist.
-
Für den Fall,
dass die Startvorrichtung 10 eine Nennleistung von mindestens
2,0 kW aufweist, ist ein elektrischer Innenwiderstand Ri der
Stromversorgung von in etwa 3,7 mOm vorgesehen; dieser Wert ist
beispielsweise mittels einer konventionellen Blei-Säure-Batterie (Starterbatterie 260)
mit einer Kapazität
von 90 Ah erreichbar. Es soll dementsprechend bei einem Aufbau aus
einer Startvorrichtung 10 (Nennleistung von mindestens
2,0 kW), einer Zu- und Rückleitung 263, 264 zwischen
der Stromversorgung (Starterbatterie 260) und der Startvorrichtung 10 mit
einem Widerstand von in etwa 1 mOhm (Milliohm) eine Stromdichte
im Kurzschlussfall von weniger als 4,0 A/mm2 erreicht
werden.
-
Für den Fall,
dass die Startvorrichtung 10 eine Nennleistung von weniger
als 2,0 kW aufweist ist ein elektrischer Innenwiderstand Ri der Stromversorgung von in etwa 4,5 mOm
vorgesehen; dieser Wert ist beispielsweise mittels einer konventionellen Blei-Säure-Batterie (Starterbatterie 260)
mit einer Kapazität
von 53 Ah und einem Kaltprüfstrom
von 470 A erreichbar. Es soll dementsprechend bei einem Aufbau aus
einer Startvorrichtung 10 (Nennleistung von weniger als
2,0 kW), einer Zu- und Rückleitung 263, 264 zwischen
der Stromversorgung (Starterbatterie 260) und der Startvorrichtung 10 mit
einem Widerstand von in etwa 1 mOhm (Milliohm) eine Stromdichte
im Kurzschlussfall von weniger als 4,0 A/mm2 erreicht
werden.
-
Es
ist vorgesehen, dass die Startvorrichtung 10 in einem Start/Stopp-Betriebsverfahren
betrieben wird, wobei die Startvorrichtung 10 in einem
Fahrzeug 300 angeordnet ist, dass über eine Start/Stopp-Betriebsweise
verfügt.
Eine Start/Stopp-Betriebsweise schaltet bei den Gelegenheiten eine
Brennkraftmaschine 303 ab, bei der für das Fahrzeug 300 kein
Antrieb notwendig ist. Dies wird u. a. mittels Sensoren erkannt.
Beispielsweise vor „Halt” signalisierenden
Ampeln oder in sogenannten Stop-and-Go-Situationen (Verkehrsstau).
Durch diese Betriebsweise ist eine vielfach erhöhte Startzahl (Andrehen der
Brennkraftmaschine 300) erforderlich.