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Stand der Technik
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Zum
Starten von Verbrennungsmotoren kommen hauptsächlich mechanisch
kommutierte Gleichstrommotoren zum Einsatz, siehe beispielsweise
DE 102007026078 A1 .
Das Drehmoment wird durch am Umfang eines Ankers verteilte stromführende
Leiter im Magnetfeld des Stators erzeugt. Typisch ist die Bauform
des rotierenden Ankers, welcher die stromführenden Leiter
enthält. Eine typische Ankerbauform ist die Schaltung der
Ankerleiter als Wellenwicklung, siehe auch
DE 19956347 A1 . Die Ausführungen
gelten aber auch bei anderen Bauformen. Die Magnetfeld erzeugenden
Elemente befinden sich im Polgehäuse und sind üblicherweise
als Permanentmagnete oder mittels Feldwicklungen elektrisch erregte
Pole ausgeführt. Die stromführenden Leiter des
Ankers erzeugen selbst ein Magnetfeld, wodurch das normalerweise
symmetrische Magnetfeld der Pole verschoben wird.
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Speziell
Startvorrichtungen sind kurzzeitig betriebene Elektromotoren, deren
Belastungsprofil sich durch eine Beschleunigungsphase, eine Durchdrehphase
und eine Überholphase sowie einen Auslaufvorgang auszeichnet.
Daher besitzen sie auch keinen ausgeprägten Arbeitspunkt.
Vielmehr muss dieser einen Kompromiss darstellen, wobei z. B. versucht
wird, die Bürstenverdrehung so einzustellen, dass die abgebbare
Leistung Pmax des Motors ein Maximum erreicht.
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Die
derart eingestellten Kommutierungswinkel für Starter (elektrischer
Kommutierungswinkel βel bis 24°,
d. h. mechanischer Kommutierungswinkel βmech bis
8° bei der Polpaarzahl z = 3) sind für normale Startapplikationen
genügend. Die Motorenentwicklung tendiert aber zunehmend
zu schnell startenden Motoren mit automatischer Startersteuerung
(z. B. Start-Stopp-Systeme). Dadurch verschiebt sich der Lastschwerpunkt
in Richtung größerer Last, die Durchdrehphase,
die Überholphase und in der Folge auch die Auslaufphase
werden kürzer und weniger bedeutend. Für diese
Fälle ist die heutige Auslegung nicht optimal.
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Aus
der
DE 100 59 680
A1 ist eine Startvorrichtung bekannt, bei der durch Verdrehung
der Bürsten ein Kommutierungswinkel von bis zu mechanischen
10 Winkelgraden erreicht werden kann.
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Aus
der nächstliegenden Schrift
US
4 823 037 ist eine Startvorrichtung bekannt, bei der durch Verdrehung
der Bürsten ein Kommutierungswinkel bis 25, zwischen 25
und 45 und von mehr als mechanischen 45 Winkelgraden erreicht werden
kann.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung eine Startvorrichtung zu verwenden, die
einen für die Anwendung in sogenannten Start-Stopp-Betrieb
optimalen Kommutierungswinkel aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die
Verwendung einer Startvorrichtung für Brennkraftmaschinen
gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil,
dass ein nachweislich besseres Kommutierungsverhalten im hohen Lastbereich
und konkret eine deutliche Verschleißminderung bei Start-Stopp-Applikationen
erzielt werden kann, welche entscheidend die Lebensdauer des Systems
verbessert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Figuren näher
erläutert:
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Es
zeigen:
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1 eine
elektrische Startvorrichtung im Längsschnitt,
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2 eine
prinzipielle Darstellung der an der Wechselwirkung zwischen Polrohr
und Bürsten bzw. Anker beteiligten Teile der Startvorrichtung
mit der prinzipiellen Anordnung der Bürsten und dem Kommutierungswinkel.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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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.
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Der
Startermotor 13 weist als Gehäuse ein Polrohr 28 auf,
das an seinem Innenumfang Polschuhe 31 trägt,
die jeweils von einer Erregerwicklung 34 umwickelt sind.
Polrohr 28 und Polschuhe 31 mit Erregerwicklung 34 bilden
einen Stator 35 Die Polschuhe 31 umgeben wiederum
einen Anker 37, 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 Ankers 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.
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In
Antriebsrichtung schließt sich an den Anker 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 Anker 37 geschlossen ist. Auch das Zwischenlager 101 stützt
sich mit seinem Außenumfang an der Innenseite des Polrohrs 28 ab.
Der Anker 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.
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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.
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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.
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2 zeigt
eine prinzipielle Darstellung der an der Wechselwirkung zwischen
Polrohr 28 und seinen Polschuhen 31 bzw. Polen
und Bürsten 58 bzw. Anker beteiligten Teile der
Startvorrichtung mit der prinzipiellen Anordnung der Bürsten
und dem Kommutierungswinkel βmech > 8°. Die Polschuhe 31 – ob als
elektrisch erregter Pol oder als permanent erregter Pol – sind
am Umfang abwechselnd unterschiedlich gepolt (Nordpol – Südpol – Nordpol – Südpol – Nordpol – Südpol).
Auf dem Kommutator 52, der hier durch seinen Außenumfang
symbolisch dargestellt ist, stehen sich zwei Bürstenpaare
gegenüber. Die beiden sich auf ca. 10Uhr- und 2Uhr-Position
befindenden Bürsten sind Plusbürsten, die beiden
anderen Bürsten sind Minusbürsten. Je eine sich
gegenüberstehende Plus- bzw. Minusbürste bildet
ein Paar.
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Aufgrund
der Tendenz zu kürzeren Startzeiten und der Verlagerung
des Lastprofils ist für Starter eine deutliche Vergrößerung
des Kommutierungswinkels (elektrischer Kommutierungswinkel βel > 24°, d.
h. mechanischer Kommutierungswinkel βmech > 8° bei Polpaarzahl
z = 3) im Vergleich zu den üblichen Werten notwendig.
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Für
optimale Kommutierungsverhältnisse ist es erforderlich,
die Leiter im feldfreien Bereich zu kommutieren. Hierzu wird dieser
Kommutierungswinkel auf den jeweiligen Arbeitspunkt der Maschine
optimiert. Dieser Kommutierungswinkel βel beschreibt die
elektrische Verschiebung des Kommutierungswinkels zum Feld. Dieser
Kommutierungswinkel wird in der Regel durch mechanische Verschiebung
einer mechanischen Komponente, z. B. der Kohlebürsten eingestellt.
In Abhängigkeit der Polpaarzahl z ist die dafür
notwendige mechanische Verschiebung βmech = βel/z. Bei einer sechspoligen Maschine mit
der Polpaarzahl z = 3 ist also der elektrische Kommutierungswinkel
dreimal so groß wie die mechanisch eingestellte Verschiebung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102007026078
A1 [0001]
- - DE 19956347 A1 [0001]
- - DE 10059680 A1 [0004]
- - US 4823037 [0005]