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Stand der Technik
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Zum Starten von Verbrennungsmotoren kommen hauptsächlich mechanisch kommutierte Gleichstrommotoren zum Einsatz. Das Drehmoment wird dabei durch feld- bzw. permanenterregte Magnetfelder erzeugt. Diese Permanentmagnete mit und ohne Flussleitstücke werden im Polgehäuse mit Halteringen oder Magnethaltefedern axial und radial fixiert. Bei der axialen Positionierung der Magnete und dem Starteranker 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 insgesamt drei mögliche Positionen ergeben, die auch aus der Patentliteratur bekannt sind.
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So ist beispielsweise aus der
DE 298 01 079 U eine symmetrische Anordnung von Permanentmagneten im Stator zum Eisenpaket des Ankers bekannt.
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Aus der
DE 197 43 122 A1 ist bekannt, dass die ein Magnetfeld erzeugenden Teile im Stator (Pole) mit ihrer drehaxialen Mitte zur drehaxialen Mitte des Ankerpakets in Richtung zur Antriebsseite (Ritzel) des Starters versetzt sind.
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Aus der
DE 195 36 422 A1 ist ein Versatz der Magnete in Richtung zum Kommutator bekannt. Der Strom wird über ein oder mehrere Bürstenpaare über den Kommutator in die Ankerwicklung eingeleitet. Diese Bürsten bestehen meist aus einem Sinterwerkstoff, welche hauptsächlich Kupfer und Grafitanteile hat. Dabei sind Starter typischer Weise für den kurzzeitigen Betrieb ausgelegt und normaler Weise für 30000 bis 60000 Schaltzyklen geeignet. Soll der Starter in für höhere Lasten bzw. für längere Laufzeiten – wie sie beispielsweise bei Start-Stopp-Systemen gefordert sind – ausgelegt werden, so zeigt sich, dass die Verwendung von möglichst vielen Kohlebürstenpaaren zu einer maximal möglichen Lebensdauer führen kann. Dabei kommen im Falle von Start-Stopp-Startern auch für eine sechspolige Elektromaschine (Startermotor), nicht wie bisher üblich, vier Kohlebürsten zum Einsatz sondern sechs Kohlebürsten. Außerdem werden für den Fall von hohen geforderten Rotationsgeschwindigkeiten (hohe Drehzahlen) für den Anker Kommutatoren mit einer oder zwei Armierungen eingesetzt, damit die Kommutatoren nicht bei diesen Rotationsgeschwindigkeiten zerstört werden.
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Wird die aus der
DE 298 01 079 U bekannte Anordnung in Verbindung mit einer schwimmenden Ankerlagerung eingesetzt, so existiert kein Festlager in der Maschine, so dass sich hieraus undefinierte Bewegungszustände in drehaxialer Richtung ergeben. Es kann sich so ein Ankerschwingen einstellen, das in Verbindung mit Start-Stopp-Zyklen zu einem erhöhten Kommutator und Kohlebürstenverschleiß führen kann. Dazu können weitere Bauteile am Starter, wie z. B. der Kommutatorlagerdeckel oder das Planetengetriebe beschädigt werden. Die geforderten Schaltzahlen für Start-Stopp-Starter können unter diesen Bedingungen nicht oder nur schwer erreicht werden. Zudem wird durch starkes drehaxiales Hin- und Herpendeln des Ankers das Geräuschverhalten am Starter verschlechtert, da sich daraus resultierende Schläge auf die drehaxiale Bewegung begrenzende Teile und darüber hinaus auf den Motor übertragen, was Komforteigenschaften eines Start-Stopp-Systems verschlechtern können.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Durch einen definierten Versatz der Magnetmitte zur Eisenpaketmitte des Ankers kann in Verbindung mit einer profilierten Kontaktoberfläche des Kommutators trotz einer schwimmenden Ankerlagerung ein Hin- und Herpendeln des Starterankers vermieden werden, wodurch sich der Kommutator- und Kohlebürstenverschleiß stark reduziert und somit die geforderten Schaltzahlen für Start-Stopp-Systeme besser erreicht werden können. Weiter werden Beschädigungen an direkt an den Starteranker angrenzenden Bauteilen, wie z. B. das Planetengetriebe oder den Kommutatorlagerdeckel vermieden. Außerdem werden die Geräuscheigenschaften eines Start-Stopp-Starters verbessert. Standardmäßig wird die Magnetlänge in axialer Richtung größer als die Paketlänge (Eisenlänge) am Anker verwendet, damit es zu keinen Verlusten in der elektrischen Leistung dem Moment bzw. der Drehzahl kommen kann. Im Rahmen der Auslegung wird also versucht, einen maximalen Wirkungsgrad des Systems zu bewirken. Durch einen Versatz der Magnetmitte zur Eisenpaketmitte kann eine Ankerbewegung aufgrund von mechanischen Anregungen verringert werden. Dabei wirkt ein Versatz so, als würde man den Anker konstant aus dem Energieminimum entfernen, so dass der Anker im ganzen Betrieb des Starters einen axialen Zug in Richtung der Magnetmitte erhält. So wird eine sonstige kleine mechanische Anregung des Ankers durch eine konstant vorherrschende Kraft verhindert. Um durch den Versatz aber keine Verluste in der Starterkennlinie zu erhalten, müssen die Grenzen der elektrischen Wirkung eingehalten werden.
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Durch die profilierte Kommutatoroberfläche in Verbindung mit dem Versatz der axialen Mitten von Anker und Polen wird erreicht, dass immer Druck auf der profilierte Kommutatoroberfläche und dessen Profilfläche herrscht, der an einer Gegenprofilfläche des Gleitkontakts anliegt.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Startvorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel,
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2 eine schematische Darstellung einer Startvorrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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3 bis 7 verschiedene Ausgestaltungen des mit den Anordnungen nach 1 und 2 kombinierten Kommutators.
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Ausführungen der Erfindung
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In 1 ist eine Startvorrichtung 10 dargestellt.
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Die Startvorrichtung umfasst als zentrales Halteelement ein Antriebslager 13, an dem einerseits ein Elektromotor 16 und andererseits ein Einrückrelais 19 befestigt sind. Das Antriebslager 13 weist an seinem vom Elektromotor 16 abgewandten Ende eine Öffnung 22 auf, die im montierten Zustand einen Zahnkranz 23 einer Brennkraftmaschine übergreift. Aus dieser Öffnung 22 ragt ein Ritzel 25 hervor, dass üblicher Weise axial verschiebbar ist. Der hier schematisch dargestellte Elektromotor 16 umfasst ein Polgehäuse 28, das hinsichtlich seiner elektromagnetischen Eigenschaften Teil eines Stators 31 ist. Am Innenumfang des Polgehäuses 28 befinden sich zumindest zwei Pole 34. Häufig sind auch vier Pole oder sechs Pole vorgesehen. Diese Pole 34 wechseln sich hinsichtlich ihrer magnetischen Eigenschaften an ihrer nach radial innen gerichteten Wirkoberfläche 37 mit unterschiedlichen Polen ab. Sind also lediglich zwei Pole 34 vorgesehen, so ist ein Pol mit seiner Wirkoberfläche 37 nach radial innen als Südpol ausgerichtet und der andere Pol als Nordpol. Sind es vier Pole 34, so wechseln sich ein Nord-, ein Süd, ein weiterer Nord- und ein weiterer Südpol am Umfang ab. Bei sechs Polen 34 folgen ein weiterer Nord- und ein weiterer Südpol. Radial innerhalb des Stators 31 ist ein Rotor 40 angeordnet, der in Richtung zum Antriebslager eine Lagerstelle 42 aufweist, in der dessen Rotorwelle 43 aufgenommen ist. Auf der Seite des Rotors 40, die vom Ritzel 25 abgewandt ist, ist die Rotorwelle 43 in einem Kommutatorlagerdeckel 45 und in einer dort vorgesehenen weiteren Lagerstelle 46 gelagert. Der Rotor 40 trägt ein Eisenteil 49, das zylindrisch aufgebaut ist, und nach radial außen geöffneten Nuten aufweist. In diesen hier nicht dargestellten Nuten sind Ankerwicklungen eingebracht, die über einen Kommutator 50 und sich darauf abstützende Bürsten als Gleitkontakte 56 bestromt werden.
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Die Pole 34 weisen eine in Richtung einer Drehachse 53 des Rotors 40 gerichtete Längserstreckung auf. In dieser Richtung weisen die Pole 34 eine drehaxiale Mitte MP auf, die die drehaxiale Erstreckung LP der Pole 34 halbieren. Gemäß der Darstellung nach 1 ergibt sich bezüglich der Relativlage von Eisenteil 49 und Polen 34 auf der Seite des Eisenteils 49 zum Ritzel 25 ein langer Überhang UL und auf der anderen Seite des Eisenteils 49 ein kurzer Überhang UK. Es ist demnach eine Startvorrichtung 10, insbesondere zum Starten von Brennkraftmaschinen, offenbart, die eine elektrische Antriebsvorrichtung aufweist, welche als Elektromotor 16 ausgeführt ist, bekannt. Es ist sowohl ein Rotor 40 als auch ein Stator 31 vorhanden. Der Rotor 40 hat ein Eisenteil 49 zur elektromotorischen Wechselwirkung. Der Rotor hat eine drehaxiale Mitte MA. Pole 34 des Stators 31 sind dazu geeignet, im Rotor 40 ein magnetisches Feld zu bewirken, wobei die Pole 34 jeweils eine im wesentlich nach radial innen orientierte Wirkoberfläche 37 aufweisen und die Wirkoberflächen 37 eine drehaxiale Erstreckung LP aufweisen, die eine drehaxiale Mitte MP haben. Es sind zumindest zwei oder vier oder sechs Pole um den Rotor 40 herum angeordnet. Deren Wirkoberflächen 37 sind derart angeordnet, dass die drehaxialen Mitten MP der Pole 34 auf einer drehaxialen Seite rechts oder links von der drehaxialen Mitte MA des Eisenteils 49 des Rotors 40 angeordnet sind. Die Pole 34 sind mit ihrer drehaxialen Mitte MP gegenüber der drehaxialen Mitte MA des Eisenteils 49 um 1,5 bis 4,5 mm versetzt. Des Weiteren ist vorgesehen, dass auf der drehaxialen Seite des Eisenteils 49, auf der ein Überhang UK eines Poles 34 über den Eisenteil 49 kürzer ist, mindestens ein Überhang UK von 3 bis 6,5 Millimetern vorhanden ist. Alternativ oder in Kombination mit dem vorgenannten Merkmal kann auch vorgesehen sein, dass auf der drehaxialen Seite, auf deren Überhang UK eines Poles 34 über den Eisenteil 49 kürzer ist, eine Überdeckung UK eines Poles 34 bis ca. 20 % gegeben ist. Für den Überhang UL eines Poles 34 auf der anderen drehaxialen Seite des Eisenteils 49 ist vorgesehen, dass dieser Überhang UL einerseits länger ist als der andere Überhang auf der anderen drehaxialen Seite des Eisenteils 49 und zudem eine Überdeckung eines Poles 34 von ca. 40 % und mehr gegeben ist. In dieser Figur ist der Kommutator 50 zunächst schematisch dargestellt. Näheres ist in den 3 bis 7 zu entnehmen.
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Das Ausführungsbeispiel nach 2 zeigt in schematischer Weise einen einer Abwandlung der Startvorrichtung 10 aus 1. Dabei besteht die Abwandlung darin, dass der lange Überhang UL auf der Seite des Eisenteils 49 angeordnet ist, der dem Kommutatorlagerdeckel 45 zugewandt ist. Der kurze Überhang UK befindet sich dagegen auf der anderen drehaxialen Seite des Eisenteils 49. Ansonsten sind die Ausführungen, die zu 1 gegeben sind, auch auf das Ausführungsbeispiel nah 2 anzuwenden. Anhand des Ausführungsbeispiels nach 2 wird erläutert, wie sich die prozentuale Überdeckung eines Poles ergibt. Dazu wird eine halbe drehaxiale Länge LE in Bezug zu dem Teil eines Poles 34 und dessen Länge bezogen, die ab einer drehaxialen Mitte MA über den entsprechenden Teil (der Hälfte) des Eisenteils 49 äußerlich angeordnet ist. So ergibt sich beispielsweise für einen Eisenteil 49, mit einer Gesamtlänge von 36 Millimetern und demzufolge einer halben Länge von 18 Millimetern ins Verhältnis gesetzt, mit der Länge eines Poles, die sich in 2 rechts der Mitte des Ankerteils MA befindet, bei einer Überstand von 3,5 Millimetern ein Wert von 83,7 %, d. h. der Anteil des Eisenteils 49 an einer Überdeckung des Poles 34 beträgt hier konkret 16,3 % und soll, wie definiert, bis ca. 20 % sein. Für die andere Seite des Überstands und dessen angenommener Länge von 6,5 Millimetern für UL ergibt sich im Beispiel eine Zahl von 73,4 % und demzufolge eine Überdeckung von 26,6 %. Es ist insgesamt jedoch vorgesehen, dass diese Überdeckung bis zu 40 % und mehr beträgt.
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In 3a ist beispielhaft ein Kommutator 50 dargestellt, der eine profilierte Kontaktoberfläche 60 aufweist. Diese Kontaktoberfläche 60 umfasst in Richtung der Drehachse 53 aneinandergereihte ein Dreiecksprofil aufweisende Riefen 63, vgl. auch mit der Vergrößerung nach 3b. Für den Abstand a der Riefen 63 wird a = 1 mm bis 1,5 mm, für die Tiefe der Riefen 63 wird t = 0,2 bis 0,5 mm vorgeschlagen, s. a. 3c, die eine alternative Ausführungsform mit einem Wellenprofil mit aus- und abgerundeten Minima 66 und Maxima 69 ist.
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In 4a ist beispielhaft ebenfalls ein Kommutator 50 dargestellt, der eine profilierte Kontaktoberfläche 60 aufweist. Diese Kontaktoberfläche 60 umfasst in Richtung der Drehachse 53 aneinandergereihte ein Kreisprofil aufweisende Riefen 63, vgl. auch mit der Vergrößerung nach 4b. Für den Radius R der Riefen 63 wird R = 1 mm bis 6 mm, für die Tiefe der Riefen 63 wird t = 0,2 bis 0,5 mm vorgeschlagen.
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5a und 5b zeigt ein Ausführungsbeispiel mit einem anderen Wellenprofil. Die Kontaktoberfläche 60 umfasst einzelne für sich stehende Profilkränze 72. Für den Abstand a wird 3 bis 6,0 mm, für die Tiefe t zwischen den Profilkränzen 72 0,2 mm bis 0,5 mm vorgeschlagen.
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In 6a und 6b sind zwei Ausführungsbeispiele eines Kommutators 50 mit einer stufenförmigen Kontaktoberfläche 60 (Stufenprofil) dargestellt, die somit stufenförmig profilierte Kontaktoberflächen 60 aufweisen. Bei dem Ausführungsbeispiel nach 6a soll eine Kraft F vom Stator 31 so auf den Rotor 40 wirken, dass die Kraft F über eine Profilfläche 74 auf eine Gegenprofilfläche 75 des Gleitkontakts 56 wirkt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach 6a wirkt eine Kraft F vom Stator 31 so auf den Rotor 40, das die Kraft F den Rotor 40 zu den Gleitkontakten 56 drückt. Bei dem Ausführungsbeispiel nach 6b wirkt eine Kraft F vom Stator 31 so auf den Rotor 40, das die Kraft F den Rotor 40 von den Gleitkontakten 56 wegzieht.
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Gleiches gilt für die anderen Ausführungsbeispiele nach den 3a bis 4b, vgl. auch beispielhaft 7: Bei dem Ausführungsbeispiel nach 7 wirkt eine Kraft F vom Stator 31 so auf den Rotor 40, dass die Kraft F den Rotor 40 von den Gleitkontakten 56 wegzieht. Über mehrere Profilflächen 74 wirkt die Kraft F auf mehrere Gegenprofilflächen 75 des Gleitkontakts 56. Diese Kraft F bewirkt wie bei allen Ausführungsbeispielen letztlich einen Druck p zwischen den Profilflächen 74 und den Gegenprofilflächen 75 und führt damit zu der beabsichtigten besonders zuverlässigen axialen Beruhigung des Rotors 40.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 29801079 U [0002, 0005]
- DE 19743122 A1 [0003]
- DE 19536422 A1 [0004]
