DE102011090023A1

DE102011090023A1 - Startvorrichtung

Info

Publication number: DE102011090023A1
Application number: DE201110090023
Authority: DE
Inventors: Thomas Botzenhard; Michael Bayer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2013-07-04

Abstract

Startvorrichtung (10), insbesondere zum Starten von Brennkraftmaschinen, mit einer elektrischen Antriebsvorrichtung, die einen elektrischen Startermotor (25) aufweist, wobei ein Rotor (44) und ein Stator (29) vorhanden sind, wobei der Rotor (44) einen Eisenteil (37) zur elektromotorischen Wechselwirkung aufweist, der eine drehaxiale Mitte (66) aufweist, mit Polen (31, 34) des Stators (29), die dazu geeignet sind, die im Rotor (44) ein magnetisches Feld zu bewirken, wobei die Pole (31, 34) jeweils ein im wesentlichen nach radial innen orientierte Wirkoberfläche (60, 61) aufweisen, und die Wirkoberflächen (60, 61) eine drehaxiale Erstreckung (l2, l3) aufweisen, die drehaxiale Mitte (64, 65) hat, wobei zumindest zwei Pole (31, 34) um den Rotor (44) herum angeordnet sind, deren Wirkoberflächen (60, 61) derart angeordnet sind, dass die drehaxialen Mitten (64, 65) der Pole (31, 34) wechselweise beiderseits der drehaxialen Mitte (64, 65) des Eisenteils (37) des Rotors (44) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Pole (31, 34) des Stators (29) aus einem permanentmagnetischen Material sind.

Description

Stand der Technik
Aus der WO 87/02839 ist eine Startvorrichtung bekannt, deren durch einen elektrischen Motor dargestellte Antriebsvorrichtung unter anderem einen Stator aufweist. Dieser Stator ist dabei derartig aufgebaut, dass die verwendeten Pole eine nach radial innen zum Rotor orientierter Wirkoberfläche aufweisen, die eine drehaxiale Erstreckung haben, deren drehaxiale Mitte so angeordnet ist, dass diese wechselweise beiderseits der drehaxialen Mitte des Rotors angeordnet sind.
Eine ähnliche Maschine ist aus der DE 22 02 340 bekannt.
Aus der EP 1 136 690 A1 ist eine elektromotorisch angetriebene Kraftstoffpumpe bekannt. Diese Kraftstoffpumpe weist ebenfalls einen Rotor und auch einen Stator auf. Der Stator weist an seinem Innenumfang zum Rotor ausgerichtete Permanentmagnete 30 bzw. 31 auf, die derartig in axialer Richtung versetzt sind, dass diese wechselweise beiderseits der drehaxialen Mitte des Eisenteils des Rotors angeordnet sind. Zumindest ähnliche Lösungen sind aus der US 6,443,716 B1 , der DE 843 571 sowie weiters aus der DE 19 08 323 und der DE 19 45 763 bekannt. Es wird von der eingangs angegebenen Schrift ausgegangen.
Zum Starten von Verbrennungsmotoren kommen hauptsächlich mechanisch kommutierte Gleichstrommotoren zum Einsatz. Das hierfür notwendige Drehmoment wird durch feld- bzw. permanenterregte Magnetfelder erzeugt. Im Falle der Verwendung von Permanentmagneten werden diese mit oder ohne Flussleitstücke im Polgehäuse mit Halteringen oder Magnethaltefedern axial und radial fixiert. Bei der axialen Positionierung der Magnete und dem Starteranker (Rotor) kommt es häufig zu einem nicht klar definierten Versatz zwischen diesen Teilen. Es wird zwar angestrebt, dass die Mittellage der Magnete etwas zur Mittellage des Eisenpakets in Richtung Antriebsseite abweicht, was jedoch aufgrund der Toleranzlagen nur bedingt möglich ist. Es können sich dabei drei mögliche Positionen ergeben:
In einer ersten Lage sind die Magnete in Richtung zur Antriebsseite, d. h. in Richtung zum Ritzel versetzt.
In einer zweiten Variante ist die Magnetmitte einer gleichen Position wie die Mitte des Eisenpakets.
In einer dritten Variante ist der Versatz der Magnete in Richtung zur Seite des Kommutators, die üblicher Weise auf der Seite des Eisenpakets ist, die dem Ritzel abgewandt ist.
Der Strom für den Elektromotor wird über ein oder mehrere Bürstenpaare und über den Kommutator in die Ankerwicklung eingeleitet. Diese Büsten bestehen meist aus einem Sinterwerkstoff, welche hauptsächlich Kupfer- und Grafitanteile hat. Starter sind typischer Weise für den kurzseitigen Betrieb ausgelegt und üblicher Weise für 30 bis 60000 Schaltzyklen geeignet.
Soll der Starter für höhere Lasten bzw. für längere Laufzeiten, wie sie beispielsweise bei Start-Stopp-Verfahren erforderlich sind, ausgelegt werden, so zeigt sich, dass die Verwendung von möglichst vielen Kohlebürstenpaaren zu einer maximal möglichen Lebensdauer führen kann. Dabei kommen z. B. im Falle von Start-Stopp-Startern auch für eine 6-polige Elektromaschine nicht wie bisher üblich 4 Kohlebürsten zum Einsatz sondern 6 Kohlebürsten. außerdem werden im Falle der Auslegung für besonders hohe Rotationsgeschwindigkeiten bzw. Drehzahlen für den Anker Kommutatoren mit einer oder zwei Armierungen eingesetzt, damit die Kommutatoren nicht durch hohe Zentrifugallasten zerstört werden.
Besonders nachteilig ist die Ausführung, wenn die Mitte des Eisenpakets und die Mitte der Pole des Starters an der gleichen Position ist und dabei der Anker auch noch so genannt „schwimmend“ gelagert ist. Dann ergeben sich undefinierte Bewegungszustände in axialer Richtung des Ankers (Rotationsachse). Es kann sich so ein Anker schwingend einstellen, dass zu einem erhöhten Kommutator- und Kohlebürstenverschleiß führen kann. Darüber hinaus können weitere Bauteile am Starter, wie z. B. der Lagerdeckel des Kommutatorlagers oder das Planetengetriebe durch Schläge zerstört werden. die geforderten Schaltzahlen für Start-Stopp-Starter können unter diesen Bedingungen nicht oder nur schwer erreicht werden. Zudem wird durch das starke Hin- und Herpendeln des Ankers das Geräuschverhalten am Starter verschlechtert, da sich die daraus resultierenden Schläge direkt auf das Gehäuse und darüber hinaus auf den Motor übertragen, was die Komforteigenschaften des Systems ungünstig verändert.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Gemäß den Merkmalen des Gegenstands des Hauptanspruchs ist vorgesehen, dass der Stator zumindest zwei um den Rotor herum angeordnete Pole aufweist, deren Wirkoberflächen derart angeordnet sind, dass die drehaxialen Mitten der Pole wechselweise beiderseits der drehaxialen Mitte des Eisenteils des Rotors angeordnet sind, wobei die Pole des Stators aus einem permanentmagnetischen Material sind. Dies hat den Vorteil, dass der Rotor auch im Ruhezustand der Startvorrichtung ein magnetisches Feld durch den Stator erfährt. Dadurch ist auch im Ruhezustand eine Zentrierung des Rotors durch das Feld des Stators möglich.
Es ist dabei vorgesehen, dass ein Abstand zwischen einer drehaxialen Mitte des Poles und der drehaxialen Mitte des Eisenteils zwischen zwei 2 und 4 Millimeter beträgt. Des Weiteren ist vorgesehen, dass die drehaxiale Erstreckung einer Wirkfläche ca. 1,4 Mal länger als das Eisenteil ist.
Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Startvorrichtung gemäß der Erfindung,
2 ein Diagramm,
3 ein weiteres Diagramm.
Ausführungen der Erfindung
In der 1 ist ein schematischer Längsschnitt durch eine Startvorrichtung 10 gezeigt. An einem Antriebslagerschild 13 ist üblicher Weise ein so genanntes Einrückrelais 16 montiert, das mittels eines hier nicht dargestellten Gabelhebels innerhalb des Antriebslagerschilds 13 dafür sorgt, dass beim Betätigen des Einrückrelais ein Ritzel 19 in einen hier schematisch dargestellten Zahnkranz 22 eingespurt wird. Auf der vom Ritzel 19 abgewandten Seite des Antriebslagerschilds 13 ist ein Startermotor 25 befestigt, der ein Polrohr 28 aufweist und das Teil eines Stators 29 ist. Am Polrohr 28 bzw. an dessen Innenumfang ist einerseits zumindest ein erster Permanentmagnet 31 angeordnet. Im Beispiel diesem gegenüber ist auf der anderen Seite ein zweiter Permanentmagnet 24 angeordnet. Die beiden Permanentmagnete 31 und 34 sind Teile der elektrischen Antriebsvorrichtung (Startermotor) der Startvorrichtung. Innerhalb der die Pole 38 und 41 darstellenden Permanentmagnete 31 und 35 ist ein Rotor 44 gelagert. Dieser Rotor 44 hat ein Eisenteil 47, das hier nicht dargestellte Nuten aufweist. In diesen Nuten, die im Übrigen zur Drehachse 47 parallel angeordnet sind, stecken hier ebenfalls nicht dargestellte Wicklungsteile, die mit dem schematisch dargestellten Kommutator 50 elektrisch leitfähig verbunden sind. Der Kommutator wird über Bürsten 53 bestromt.
Die Pole 38 und 41 weisen jeweils nach radial innen orientierte Wirkoberflächen 60 und 61 auf. Diese Wirkoberflächen 60 und 61 weisen eine drehaxiale Erstreckung auf und haben eine drehaxiale Mitte 64 bzw. 65, die hier durch eine strichpunktierte Linie jeweils dargestellt ist. Auch das Eisenteil 37 des Rotors 44 hat eine drehaxiale Mitte 66, die durch eine ebenfalls strichpunktierte Linie symbolisch dargestellt ist. Der Pol 38 ist dabei mit seiner drehaxialen Mitte 64 derartig angeordnet, dass dessen drehaxiale Mitte 64 von der drehaxialen Mitte 66 um den Betrag d2 in Richtung zum Ritzel 19 verschoben angeordnet ist. Analog dazu ist die drehaxiale Mitte 65 des Pols 41 derartig von der drehaxialen Mitte 66 des Eisenteils 37 vom Ritzel 19 weg verschoben. Dieser Versatz ist hier mit d1 bezeichnet. Wie bereits zuvor angedeutet, sind die Pole 38 und 41 aus permanentmagnetischem Material.
Es ist demzufolge eine Startvorrichtung, insbesondere zum Starten von Brennkraftmaschinen, offenbart, mit einer elektrischen Antriebsvorrichtung (Startermotor 25), die einen elektrischen Motor aufweist, wobei ein Rotor 44 und ein Stator 29 vorhanden sind, wobei der Rotor 44 einen Eisenteil 37 zur elektromotorischen Wechselwirkung aufweist, der eine drehaxiale Mitte 66 aufweist, mit Polen 31, 34 des Stators, die dazu geeignet sind, im Rotor 44 ein magnetisches Feld zu bewirken, wobei die Pole 38, 41 jeweils eine im Wesentlichen nach radial innen orientierte Wirkoberfläche 60, 61 aufweisen, und die Wirkoberflächen 60, 61 eine drehaxiale Erstreckung aufweisen, die eine drehaxiale Mitte, 64, 65 hat, wobei zumindest zwei Pole 38, 41 um den Rotor 44 herum angeordnet sind, deren Wirkoberflächen 60, 61 derart angeordnet sind, dass die drehaxialen Mitten 64, 65 der Pole 38, 41 wechselweise beiderseits der drehaxialen Mitte 66 des Eisenteils 37 des Rotors 44 angeordnet sind und die Pole 38, 41 des Stators aus einem permanentmagnetischen Material sind.
Es ist vorgesehen, dass der Abstand d1 bzw. d2 und damit der Abstand zwischen einer drehaxialen Mitte 64 bzw. 65 des Poles 38 bzw. 41 und der drehaxialen Mitte 66 des Eisenteils 37 2 bis 4 Millimeter beträgt. Des Weiteren ist vorgesehen, dass eine drehaxiale Erstreckung l1 bzw. l3 einer Wirkfläche 60 bzw. 61 ca. 1,4 Mal länger als eine drehaxiale Erstreckung l1 des Eisenteils 37 ist.
In 2 ist ein Diagramm dargestellt, das eine axiale Magnetenergie über eine Position der drehaxialen Mitten 64 aller Pole 31 zeigt (betrifft Lösung nach dem Stand der Technik). Durch eine derartige Anordnung erhält der Anker bzw. Rotor 44 statt einer neutralen Lage eine Vorzugsposition, die aus dem Gleichgewicht der elektromagnetischen Kräfte im bestromten Zustand des Rotors 44 definiert ist. Dieses Energieminimum bzw. der Kraftaufwand, der aufzubringen ist, um den Rotor 44 aus der dadurch definierten Lage zu verschieben, nimmt mit dem Betrag des Abstands d überproportional stark zu. Die gestrichelte Linie zeigt im Übrigen die Verhältnisse zwischen einem Stator und einem Rotor bei nur einem vorhandenen Pol 31, während die strichpunktierte Linie die Verhältnisse bei insgesamt sechs am Umfang verteilten Polen 31 wiedergibt. Diese Darstellung entspricht demzufolge einem Anker bzw. Rotor 44, der schwimmend gelagert ist, und dann beim Energieminimum von 0 Millimetern ein differentes Gleichgewicht einstellt. Die aufzuwendende Energie um einen Versatz um nur 0,5 Millimeter in die eine oder andere Richtung zu ermöglichen, ist erkennbar sehr gering. Dementsprechend führt dies bei entsprechender Anregung zu einer Ankerschwingung in Richtung der Drehachse 47.
In 3 sind verschiedene Kurven für verschiedene mechanische Anordnungen zwischen einem Anker bzw. Rotor 44 und den Polen 31 bzw. 34 dargestellt. In diesem Diagramm sind insgesamt vier Kurven dargestellt, die wiederum die Beziehung zwischen einer axialen Magnetenergie und einer Position der drehaxialen Mitte 66 des Eisenteils 37 und der drehaxialen Positionen von Polen 31 bis 34 wiedergibt. Die strichpunktierte Linie entspricht praktisch der gleichen Kurve gemäß 2: lediglich der Maßstab ist verändert. Diese Kurve dient hier zum Vergleich mit dem Stand der Technik. Nimmt man jetzt beispielsweise an, dass rund um den Rotor 44 bzw. das Eisenpaket 37 drei Pole 31 am Umfang beispielsweise um 120° jeweils versetzt angeordnet sind, die Südpolmagneten entsprechen und in Bezug auf 1 nach links versetzt sind, so entspricht die punktierte Linie der Energie, die die Pole 31 als Südpolmagnete auf den bestromten Rotor 44 ausüben. Diese drei Pole 31 üben damit beispielsweise als Südpolmagnete bei einem Versatz von d2 gleich 2 Millimetern eine Energie aus, die hier beispielsweise einen Betrag 25 entsprechen. Analog dazu üben die Pole 34 als Nordpolmagnete und einem Versatz von 2 Millimetern gleich d1 ebenfalls an sich je Nordpolmagnet eine Energie von dem Betrag nach 25 in etwa aus, während sie alle drei zusammen in etwa dem Betrag nach einer Energie von 75 ausüben. Sind die Pole 31 als Südpole und die Pole 34 als Nordpole abwechselnd am Umfang des Rotors 44 angeordnet und befindet sich das mit der Rotor 44 mit seinem Eisenteil 37 an der Position 0, so bedeutet dies, dass eine vielfach höhere Energie aufgewendet werden muss, um den Rotor 44 aus seiner Nutlage zu verschieben. Gemäß 3 ist es demzufolge notwendig, eine Energie von dem Betrag nach 10 aufzuwenden, um diesen Rotor 44 aus dieser neutralen Lage zwischen den unterschiedlich gepolten Polen 31 und 34 zu verschieben. Brächte man es fertig, den Anker bzw. Rotor 44 aus dieser Nulllage um beispielsweise –2 Millimeter zu bewegen, d. h. die drehaxiale Mitte des Eisenteils 37 wäre dann ersatzlos gegenüber der drehaxialen Mitte der Pole 31 (Südpole), so bewirkten diese Pole 31 keine Energie mehr auf den Rotor 44. Die Nordpole als Pole 34 bewirkten dagegen eine Energie von dem Betrag nach 75 auf den Rotor 44. analog dazu verhielt es sich bei einer Verschiebung aus der Neutrallage in die andere Richtung um ebenfalls 2 Millimeter.
Als ideal hat sich eine Kombination erwiesen, bei der abhängig vom Verhältnis der Magnetlänge (drehaxiale Erstreckung l2 bzw. l3 der Wirkoberflächen 60 bzw. 61 zu Ankerpaketlänge l1 keine Einbußen bezüglich Leistung des Starters bewirkt. Durch die erhöhte Magnetlänge, die vorzugsweise ca. 1,4 Mal länger als die Länge l1 des Eisenteils 37 ist, ist es einfach möglich, die Magnete um diesen Betrag zu versetzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 87/02839 [0001]
DE 2202340 [0002]
EP 1136690 A1 [0003]
US 6443716 B1 [0003]
DE 843571 [0003]
DE 1908323 [0003]
DE 1945763 [0003]

Claims

Startvorrichtung (10), insbesondere zum Starten von Brennkraftmaschinen, mit einer elektrischen Antriebsvorrichtung, die einen elektrischen Startermotor (25) aufweist, wobei ein Rotor (44) und ein Stator (29) vorhanden sind, wobei der Rotor (44) einen Eisenteil (37) zur elektromotorischen Wechselwirkung aufweist, der eine drehaxiale Mitte (66) aufweist, mit Polen (31, 34) des Stators (29), die dazu geeignet sind, die im Rotor (44) ein magnetisches Feld zu bewirken, wobei die Pole (31, 34) jeweils ein im wesentlichen nach radial innen orientierte Wirkoberfläche (60, 61) aufweisen, und die Wirkoberflächen (60, 61) eine drehaxiale Erstreckung (l2, l3) aufweisen, die drehaxiale Mitte (64, 65) hat, wobei zumindest zwei Pole (31, 34) um den Rotor (44) herum angeordnet sind, deren Wirkoberflächen (60, 61) derart angeordnet sind, dass die drehaxialen Mitten (64, 65) der Pole (31, 34) wechselweise beiderseits der drehaxialen Mitte (64, 65) des Eisenteils (37) des Rotors (44) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Pole (31, 34) des Stators (29) aus einem permanentmagnetischen Material sind.
Startvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand zwischen einer drehaxialen Mitte (64, 65) des Poles (31, 34) und der drehaxialen Mitte (66) des Eisenteils (37) 2 bis 4 Millimeter beträgt.
Startvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die drehaxiale Erstreckung (l2, l3) einer Wirkfläche (60, 61) ca. 1,4 Mal länger als das Eisenteil (37) und dessen axiale Erstreckung (l1) ist.