-
Die Erfindung betrifft eine elektrische Rotationsmaschine einer Startereinrichtung für eine Brennkraftmaschine, mit einem Rotor, der einen aus einer Vielzahl von Leitersegmenten bestehenden Kommutator aufweist, und mit wenigstens einer im Betrieb der Rotationsmaschine über den Kommutator gleitenden Mehrschichtbürste, die mehrere in Drehrichtung des Kommutators hintereinander angeordnete Schichten mit unterschiedlichen Widerstandswerten aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Startereinrichtung für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs und ein Fahrzeug.
-
Stand der Technik
-
Elektrische Rotationsmaschinen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie sind üblicherweise Bestandteil der Startereinrichtung für die Brennkraftmaschine und dient entsprechend einem Andrehen der Brennkraftmaschine zu deren Start. Die Rotationsmaschine weist den Kommutator und die mit diesem zusammenwirkende Bürste beziehungsweise Mehrschichtbürste auf. Der Kommutator setzt sich üblicherweise aus einer Vielzahl von Leitersegmenten zusammen und ist dem Rotor der Rotationsmaschine zugeordnet. Die Mehrschichtbürste ist derart angeordnet, dass sie im Betrieb der Rotationsmaschine über den Kommutator gleiten kann. Der Kommutator und die Mehrschichtbürste bilden dabei im Wesentlichen einen Wechselrichter, um Ankerwicklungen des Rotors mit einem periodisch umgepolten Strom zu beaufschlagen. Die Bürste, welche auch als Kohlebürste bezeichnet werden kann, besteht aus mehreren Schichten, welche in Drehrichtung des Kommutators hintereinander, also hinsichtlich des Stromflusses parallel zueinander angeordnet sind. Über die Schichten kann den Leitersegmenten demnach parallel Strom zugeführt werden, wobei die Schichten der Bürste nicht notwendigerweise mit demselben der Leitersegmente in elektrischem Kontakt stehen.
-
Die Rotationsmaschine liegt insoweit als Gleichstrommaschine vor. In dieser übernimmt die Mehrschichtbürste die Funktion der Stromwendung und der Übertragung des elektrischen Stromes von externen Anschlüssen der Rotationsmaschine auf die Leitersegmente des Kommutators. Bei elektrischen Rotationsmaschinen von Startereinrichtungen wird häufig eine Zwei-Schicht-Bürste als Mehrschichtbürste eingesetzt. Dabei besitzt eine der Schichten eine hohe und eine andere der Schichten eine niedrige Leitfähigkeit. Die Schicht mit der hohen Leitfähigkeit wird als Leistungsschicht bezeichnet, die Schicht mit der geringen Leitfähigkeit als Kommutierungsschicht. Zur Verbesserung der Kommutierung beim An- beziehungsweise Durchdrehen der Brennkraftmaschine in einem motorischen Betrieb der Rotationsmaschine, wird die Kommutierungsschicht in Drehrichtung rückseitig an der Mehrschichtbürste angeordnet. Auf diese Weise werden die elektrischen Verluste der Rotationsmaschine während des motorischen Betriebs verringert.
-
Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die
WO 2009/083433 A1 bekannt. Diese betrifft eine Mehrschichtbürste, welche im Wesentlichen einen Verbund mit einem Graphitanteil und mit einem Kupferanteil sowie einen schichtweisen Aufbau aufweist, wobei eine erste Schicht mit einem hohen Kupferanteil und eine weitere Schicht mit einem vergleichsweise niedrigen Kupferanteil versehen ist. Zudem ist aus der
JP 2001-351758 A eine Bürste für einen kleinen Gleichstrommotor bekannt, welche als Mehrschichtbürste aufgebaut ist und eine zwischen zwei Schichten mit großem elektrischen Widerstand liegende Schicht mit geringerem elektrischen Widerstand zeigt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Demgegenüber zeigt die elektrische Rotationsmaschine mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen den Vorteil auf, dass eine Erwärmung der Mehrschichtbürste insbesondere während eines Auslaufens der Rotationsmaschine reduziert und damit ihre Lebensdauer verlängert wird. Unter Auslaufen ist dabei ein Betriebszustand der elektrischen Rotationsmaschine zu verstehen, in welchem der Rotor der Rotationsmaschine aufgrund seiner Trägheit nach Abschalten des Hauptstroms und insbesondere nach dem An- oder Durchdrehen der Brennkraftmaschine weiter rotiert und dabei durch elektrische und mechanische Bremsmomente abgebremst wird. Die erfindungsgemäßen Vorteile werden erreicht, indem eine in Drehrichtung frontseitig angeordnete der Schichten einen größeren spezifischen elektrischen Widerstand aufweist als eine in Drehrichtung rückseitig angeordnete der Schichten. Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Rotationsmaschinen soll es demnach nun vorgesehen sein, die Kommutierungsschicht, welche den größeren spezifischen elektrischen Widerstand beziehungsweise die geringere Leitfähigkeit aufweist, in Drehrichtung an der Vorderseite der Mehrschichtbürste anzuordnen. Dagegen soll die auf der in Drehrichtung an der Rückseite der Mehrschichtbürste vorliegende Schicht, welche beispielsweise die Leistungsschicht bildet, den kleineren spezifischen elektrischen Widerstand beziehungsweise die größere Leitfähigkeit aufweisen.
-
Die elektrischen Verluste in der Bürste der Rotationsmaschine während des Auslaufens entstehen durch Ströme, die im Inneren der Rotationsmaschine durch die Ankerwicklungen des Rotors und damit über den Kontakt zwischen Bürste und Leitersegmenten des Kommutators fließen. In diesem Kontakt entsteht der Hauptanteil der elektrischen Verluste. Der zeitliche beziehungsweise von der Rotorposition abhängige Verlauf des Stroms zwischen Bürste und Leitersegment bestimmt die Verlustleistung und beeinflusst die Lebensdauer der Bürste. Durch die Schicht mit niedrigerer Leitfähigkeit, also mit größerem spezifischen elektrischen Widerstand, an der in Drehrichtung vorne liegenden Seite der Mehrschichtbürste – auch als auflaufende Kante bezeichnet –, kann während des Auslaufens der Rotationsmaschine eine günstige Stromform erreicht werden, sodass die elektrische Verlustleistung reduziert und die Lebensdauer der Bürste verlängert wird.
-
Eine derartig ausgebildete Rotationsmaschine weist somit insbesondere in einem generatorischen Betrieb niedrige Verluste auf, während die Verluste in dem motorischen Betrieb höher sind als bei bekannten Ausführungsformen. Dennoch wird die erfindungsgemäße Rotationsmaschine zum Starten der Brennkraftmaschine im motorischen Betrieb verwendet. Weil der motorische Betrieb jeweils nur kurzzeitig, nämlich bis zum erfolgreichen Starten der Brennkraftmaschine erfolgt, dauert das Auslaufen im generatorischen Betrieb deutlich länger als der motorische Betrieb, sodass die hier anfallenden Verluste insgesamt eine größere Auswirkung auf die Lebensdauer der Rotationsmaschine haben als die während des motorischen Betriebs anfallenden Verluste. Auf diese Weise kann mit der erfindungsgemäß ausgeführten Rotationsmaschine die Lebensdauer der Bürste beziehungsweise Mehrschichtbürste deutlich verbessert werden.
-
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht lediglich zwei Schichten vor. Während es selbstverständlich vorgesehen sein kann, dass die Mehrschichtbürste eine beliebige Anzahl Schichten aufweist, wobei lediglich die in Drehrichtung frontseitig angeordnete einen größeren spezifischen elektrischen Widerstand aufweisen soll als die in Drehrichtung rückseitig angeordnete, ist es vorteilhaft, wenn lediglich zwei Schichten vorgesehen sind. Auf diese Weise ist eine einfache und kostengünstige Herstellung der Mehrschichtbürste möglich, mit welcher die erfindungsgemäßen Vorteile bereits erreicht werden können. Eine weitere Erhöhung der Anzahl der Schicht ist zu diesem Zweck nicht notwendig, sondern erhöht lediglich den Aufwand bei der Herstellung. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Rotationsmaschine lediglich mit einer einzigen Drehrichtung betrieben werden kann.
-
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass mehrere Mehrschichtbürsten vorgesehen sind, die jeweils paarweise bezüglich des Kommutators gegenüberliegend angeordnet sind. Mit einer größeren Anzahl an Mehrschichtbürsten kann die Stromstärke des dem Rotor zugeführten elektrischen Stroms vergrößert werden, ohne die Mehrsichtbürste selbst zu vergrößern. Für einen ordnungsgemäßen Betrieb ist es sinnvoll, wenn jeweils zwei Mehrschichtbürsten einander diametral gegenüberliegend vorgesehen sind. Jeweils zwei, insbesondere die gegenüberliegenden Mehrschichtbürsten sind dabei gegenläufig gepolt, beispielsweise die eine mit dem Pluspol und die andere mit dem Minuspol verbunden.
-
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die in Drehrichtung frontseitig angeordnete der Schichten eine geringere Erstreckung aufweist als die in Drehrichtung rückseitig angeordnete der Schichten. Die Schicht mit dem geringeren spezifischen elektrischen Widerstand soll also vorzugsweise über eine größere Fläche mit den Leitersegmenten in elektrischen Kontakt treten können, um eine ausreichend große Leistung übertragen zu können. Die Schicht mit dem größeren spezifischen elektrischen Widerstand dient dagegen im Wesentlichen der Reduzierung der Verluste, jedoch nur in geringerem Umfang der Stromübertragung. Sie kann aus diesem Grund – in Drehrichtung gesehen – eine deutlich geringere Erstreckung aufweisen. Beispielsweise beträgt die Erstreckung der in Drehrichtung rückseitig angeordneten Schicht ein Vielfaches, insbesondere ein ganzzahliges Vielfaches, der in Drehrichtung frontseitig angeordneten Schicht.
-
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zwischen jeweils zwei Leitersegmenten ein Segmentspalt vorliegt, wobei die Erstreckung des Segmentspalts in Drehrichtung kleiner ist als die Erstreckung eines der Leitersegmente. Die Segmentspalte dienen der elektrischen Isolierung der Leitersegmente voneinander. Die Segmentspalte sind derart angeordnet, dass sie jeweils zwei Leitersegmente in Drehrichtung des Kommutators voneinander beabstanden. Zwischen zwei unmittelbar benachbarten Leitersegmenten liegt insoweit jeweils einer der Segmentspalte vor. Dabei soll jedoch die Erstreckung des Segmentspalts in Drehrichtung (deutlich) kleiner sein als die eines der Leitersegmente.
-
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die in Drehrichtung rückseitig angeordnete der Schichten eine Erstreckung aufweist, die größer als die Erstreckung eines der Leitersegmente und/oder kleiner als eine gemeinsame Erstreckung des Leitersegments und wenigstens eines der angrenzenden Segmentspalte ist. Die Schicht mit dem geringeren spezifischen elektrischen Widerstand soll sich demnach in Drehrichtung bei entsprechender Anordnung über das jeweilige Leitersegment hinaus erstrecken, also größer sein als dieses. Zusätzlich oder alternativ ist seine Erstreckung jedoch kleiner als die gemeinsame Erstreckung von Leitersegment und wenigstens eines der an dieses angrenzenden Segmentspalte. Bei zueinander zentrierter Anordnung der Schicht und des Leitersegments steht die Schicht demnach zwar über das Leitersegment über, berührt jedoch die benachbarten Leitersegmente nicht, sondern liegt vielmehr über dem Segmentspalt vor.
-
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Mehrschichtbürste wechselbar ist. Die Bürsten der Rotationsmaschine gehören zu denjenigen Bauteilen, welche einem starken Verschleiß während des Betriebs unterworfen sind. Aus diesem Grund kann es vorkommen, dass die Bürsten abgenutzt sind, obwohl die weiteren Bestandteile der Rotationsmaschine noch funktionsfähig sind. Daher ist es vorgesehen, die Mehrschichtbürste auszuwechseln und auf diese Weise die Lebensdauer der Rotationsmaschine zu verlängern. Ebenso kann es vorgesehen sein, dass durch die Austauschbarkeit der Mehrschichtbürste bereits bestehende Rotationsmaschinen mit anders ausgebildeten Bürsten beziehungsweise erfindungsgemäßen Mehrschichtbürsten ausgestattet werden können.
-
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Drehrichtung auf ein Starten der Brennkraftmaschine gerichtet ist. Die Rotationsmaschine ist Bestandteil der Startereinrichtung, mit deren Hilfe die Brennkraftmaschine gestartet werden kann. Zum Starten der Brennkraftmaschine wird die Rotationsmaschine betrieben, wodurch sich der Rotor in Drehrichtung dreht. Diese Drehrichtung ist dabei derart festgelegt, dass mit ihr die Brennkraftmaschine gestartet werden kann. Die Drehrichtung ist insoweit eine bevorzugte Drehrichtung der Rotationsmaschine. Insbesondere ist die Rotationsmaschine lediglich für diese Drehrichtung ausgelegt, sodass ein Betrieb mit einer entgegengesetzten Drehrichtung nicht möglich ist.
-
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Startereinrichtung für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs, mit einer elektrischen Rotationsmaschine, insbesondere gemäß den vorstehenden Ausführungen, wobei die Rotationsmaschine über einen Rotor, der einen aus einer Vielzahl von Leitersegmenten bestehenden Kommutator aufweist, und über wenigstens eine im Betrieb der Rotationsmaschine über den Kommutator gleitende Mehrschichtbürste verfügt, die mehrere in Drehrichtung des Kommutators hintereinander angeordnete Schichten mit unterschiedlichen Widerstandswerten aufweist. Dabei ist vorgesehen, dass eine in Drehrichtung frontseitig angeordnete der Schichten einen größeren spezifischen elektrischen Widerstand aufweist als eine in Drehrichtung rückseitig angeordnete der Schichten. Die Startereinrichtung umfasst insoweit die elektrische Rotationsmaschine, insbesondere wie sie vorstehend beschrieben wurde. Die Rotationsmaschine kann zusätzlich gemäß den vorstehenden Ausführungen weitergebildet sein.
-
Die Erfindung betrifft zudem ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit einer derartigen Startereinrichtung, wobei das Fahrzeug weiterhin mit einem Start-Stopp-System ausgerüstet ist. Mittels des Start-Stopp-Systems wird die Brennkraftmaschine angehalten, wenn keine Vortriebsleistung von dem Fahrzeug benötigt wird, beispielsweise wenn das Fahrzeug stillsteht und eine Anfahrkupplung zwischen Brennkraftmaschine und Antriebsstrang des Fahrzeugs geöffnet ist. Soll die Brennkraftmaschine ein Antriebsmoment liefern, so muss die Brennkraftmaschine möglichst rasch wieder gestartet werden. Das bedeutet jedoch, dass bedingt durch das Start-Stopp-System die Startereinrichtung die Brennkraftmaschine vergleichsweise häufig starten muss, wozu die Rotationsmaschine betrieben wird. Insbesondere in diesem Fall wird die eingangs erwähnte Reduzierung der Verluste während des Auslaufens der Rotationsmaschine und die damit einhergehende Lebensdauerverlängerung der Bürsten erreicht. Die Verwendung der Mehrschichtbürste, wie sie vorstehend beschrieben wurde, ist also vorzugsweise vorgesehen, wenn das Fahrzeug, in welchem sie verbaut ist, über das Start-Stopp-System verfügt.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Rotationsmaschine und
-
2 eine weitere schematische Darstellung der Rotationsmaschine.
-
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrischen Rotationsmaschine 1, wobei insbesondere Wellenwicklungen 2 eines nicht näher bezeichneten Rotors der Rotationsmaschine 1 abgebildet sind. Die Wellenwicklungen 2 sind mit Leitersegmenten 3 (von welchen lediglich einige beispielhaft bezeichnet sind) eines Kommutators 4 elektrisch verbunden sind. Die Leitersegmente 3 sind von Segmentspalten 3’ voneinander beabstandet. Mit den Leitersegmenten 3 können Bürsten 5 der Rotationsmaschine 1 in Abhängigkeit von einer Drehstellung des Rotors und damit der Leitersegmente 3 in elektrische Verbindung treten. Die Drehrichtung des Rotors und damit die Bewegungsrichtung der Leitersegmente 3 sind durch den Pfeil 6 angedeutet. Es wird deutlich, dass zwei der Bürsten 5 mit einem Pluspol und zwei der Bürsten 5 mit einem Minuspol einer nicht dargestellten Spannungsversorgung der Rotationsmaschine 1 verbunden sind. In Abhängigkeit von der Polung des entsprechenden Leitersegments 3 wird in den Wellenwicklungen 2 ein Magnetfeld erzeugt, wodurch der Rotor in Drehbewegung versetzt wird.
-
Die hier verwendeten Bürsten 5 liegen als Mehrschichtbürsten vor. Dies bedeutet, dass sie aus mehreren Schichten, in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus zwei Schichten 7 und 8 bestehen. Die Schichten 7 sind dabei in Drehrichtung (Pfeil 6) jeweils frontseitig an den auflaufenden Kanten der Bürsten 5 angeordnet, werden also bei einer Rotation des Rotors zuerst von den Leitersegmenten 3 überfahren. Die Schichten 8 sind dagegen in Drehrichtung rückseitig an den ablaufenden Kanten angeordnet, werden also durch die Leitersegmente 3 zuletzt erreicht, stellen jedoch auch diejenige Schicht dar, welche bis zum vollständigen Verlassen der Bürste 5 durch das Leitersegment 3 mit letzterem im elektrischen Kontakt stehen.
-
Die Schichten 7 und 8 sind in Drehrichtung des Kommutators 4 hintereinander angeordnet, können also parallel zueinander eine elektrische Verbindung zwischen der jeweiligen Bürste 5 und wenigstens einem der Leitersegmente 3 herstellen. Insoweit sind die Schichten 7 und 8 in elektrischer Hinsicht parallel zueinander geschaltet. Dabei ist es vorgesehen, dass die in Drehrichtung frontseitig angeordnete Schicht 7 einen größeren spezifischen elektrischen Widerstand aufweist als die in Drehrichtung rückseitig angeordnete Schicht 8. Das bedeutet, dass die Schicht 7 eine geringere Leitfähigkeit aufweist als die Schicht 8. Hierbei wird die Schicht 7 auch als Kommutierungsschicht und die Schicht 8 als Leistungsschicht bezeichnet, weil erstere der Verbesserung der Kommutierung dient und über letztere ein Großteil der elektrischen Leistung übertragen wird.
-
Die 2 zeigt eine weitere schematische Ansicht der Rotationsmaschine 1, genauer gesagt einen Querschnitt durch diese. Erkennbar sind die Leitersegmente 3 und Segmentspalte 3’ (von welchen wiederum lediglich einige beispielhaft gekennzeichnet sind), die auf dem Rotor der Rotationsmaschine 1 vorliegen und Bestandteil des Kommutators 4 sind. Die Drehrichtung des Rotors ist durch den Pfeil 6 gekennzeichnet, die Drehachse ist mit dem Bezugszeichen 9 angedeutet. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind sechs Bürsten 5 vorgesehen, wobei jeweils zwei der Bürsten 5 einander diametral gegenüberliegend angeordnet sind. Die Polung der Bürsten 5 ist wiederum angegeben. Die Bürsten 5 bestehen, wie bereits vorstehend beschrieben, jeweils aus den Schichten 7 und 8. Diese stehen mit den Leitersegmenten 3 in Abhängigkeit von der Drehstellung des Rotors in elektrischer Verbindung, um dem Rotor beziehungsweise dessen Ankerwicklungen elektrischen Strom zuzuführen.
-
Es ist erkennbar, dass die Schicht 7 jeweils an der auflaufenden Kante der jeweiligen Bürste 5 vorgesehen ist, während sich die Schicht 8 an der ablaufenden Kante befindet. Das bedeutet, dass sich die Schicht 7 mit dem größeren spezifischen elektrischen Widerstand in Drehrichtung ganz vorne, die Schicht 8 mit dem kleineren spezifischen elektrischen Widerstand ganz hinten an der Bürste 5 befindet.
-
Während eines Auslaufens der Rotationsmaschine 1 befindet sie sich in einem generatorischen Betrieb. Aufgrund der Bewegung der Ankerwicklungen des Rotors im Erregerfeld von Permanentmagneten eines Stators der Rotationsmaschine 1, werden in den Wellenwicklungen 2 elektrische Ströme induziert. Diese Ströme führen zu einem Bremsmoment am Rotor der Rotationsmaschine 1. Des Weiteren tragen die induzierten Ströme aufgrund der ohmschen Verluste im Übergang zwischen Bürste 5 und Leitersegment 3 zur Erwärmung der Bürsten 5 und der Leitersegmente 3 beziehungsweise des Kommutators 4 bei. Durch die Anordnung der Schicht 7 an der auflaufenden Kante kann die elektrische Verlustleistung im Übergang zwischen den Bürsten 5 und den Leitersegmenten 3 während des Auslaufens der Rotationsmaschine 1 im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Rotationsmaschinen 1 (bei welchen sich die Schicht 7 an der ablaufenden Kante befindet) deutlich reduziert werden. Mit der reduzierten Verlustleistung kann insbesondere der zeitliche Verlauf eines Temperaturanstiegs der Bürsten 5 beeinflusst werden. Durch die Anordnung der Schicht 7 an der auflaufenden Kante wird während des Auflaufens der Rotationsmaschine eine sehr hohe lokale Verlustleistung an der auflaufenden Kante vermieden. Auf diese Weise kann auch die Lebensdauer der Bürsten 5 erhöht werden.
-
Eine solche Anordnung der Schicht 7 bezüglich der Schicht 8 ist insbesondere bei einem Fahrzeug interessant, welches über eine Startereinrichtung mit der Rotationsmaschine 1 verfügt und welches zusätzlich über ein Start-Stopp-System verfügt. Bedingt durch dieses muss die Brennkraftmaschine vergleichsweise häufig gestartet werden, sodass der zeitliche Anteil des Auslaufens, also des generatorischen Betriebs, im Vergleich zu dem motorischen Betrieb (mit dem die Brennkraftmaschine an- beziehungsweise durchgedreht wird) besonders hoch ist. Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Rotationsmaschine 1 ist während des motorischen Betriebs, also während des An- beziehungsweise Durchdrehens der Brennkraftmaschine, die Verlustenergie höher als bei aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsformen. Dieses Verhalten ändert sich jedoch mit Beginn des Auslaufens der Rotationsmaschine 1, also des generatorischen Betriebs. Insgesamt wird durch die Anordnung der Schicht 7 an der auflaufenden Kante der Bürste 5 eine geringere elektrische Verlustenergie erreicht als bei anderen Ausführungsformen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- WO 2009/083433 A1 [0004]
- JP 2001-351758 A [0004]
