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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Startergenerator für eine Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle, die in einem Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine drehbar gelagert ist, mit einer einen Rotor und einen Stator aufweisenden elektrischen Maschine, die vom Motorbetrieb in den Generatorbetrieb reversibel umsteuerbar ist und der Rotor mit der Kurbelwelle zur Drehkraftübertragung gekoppelt ist, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine solche elektrische Maschine kann als Startergenerator eingesetzt werden, so dass sie im Generatorbetrieb Strom für das Bordspannungsnetz eines mit der Brennkraftmaschine betriebenen Fahrzeugs bereitstellen und im Motorbetrieb zum Starten der Brennkraftmaschine verwendet werden kann.
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Anhand der
DE 10 2008 054 334 A1 ist ein Startergenerator bekannt geworden, der als Außenläufermotor ausgebildet ist und einen fest mit der Kurbelwelle des damit versehenen Verbrennungsmotors verbundenen Rotor und einen Stator aufweist, der direkt am Kurbelgehäuse angeschraubt ist oder in anderer Weise fest mit dem Kurbelgehäuse verbunden ist.
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Anhand der
DE 102 01 601 C1 ist ein Verbrennungsmotor mit einer im einem Kurbelgehäuse gelagerten Kurbelwelle und einem Startergenerator bekannt geworden, der im Gehäuse des Verbrennungsmotors integriert ausgebildet ist. Die Kurbelwelle weist Ausgleichsgewichte auf, an denen ein Haltering angeordnet ist, an dem über den Umfang verteilt Permanentmagnete vorgesehen sind. Auf diese Weise wird der Rotor des Startergenerators gebildet, während der Stator von zwei in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Umfangssegmenten ausgebildet ist, die im unteren Bereich des Zylinderkurbelgehäuses befestigt sind.
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Anhand der auf die Anmelderin zurückgehenden
DE 100 23 124 C1 ist ein Starter für eine Brennkraftmaschine bekannt geworden, der einen axial und drehfest mit der Kurbelwelle verbundenen Rotor aufweist, auf dem eine Kurbelwellenlagerschale angeordnet ist, die einen radial dazu angeordneten Stator mit Permanentmagneten trägt.
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Die Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine ist im Betrieb Drehungleichförmigkeiten ausgesetzt, denen Druck- und Massenkräfte überlagert werden, die zur Durchbiegung der Kurbelwelle zwischen ihren Lagerstellen führen.
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Eine Lagerung des Stators fest am Kurbelgehäuse mit einem auf der Kurbelwelle axial und drehfest angeordneten Rotor führt dazu, dass ein zwischen dem Stator und dem Rotor ausgebildeter Luftspalt nicht konstant bleibt. Der Luftspalt wirkt als magnetischer Widerstand, so dass sich bei veränderndem Luftspalt die elektrische Leistung der elektrischen Maschine als nicht gleich bleibend erweist, was die Auslegung der elektrischen Maschine negativ beeinflusst. Eine Verkleinerung des Luftspalts ist zwar zur Steigerung der elektrischen Leistung möglich, kann aber aufgrund der Durchbiegung der Kurbelwelle dazu führen, dass der üblicherweise an einem Kurbelwellenstumpf angeordnete Rotor den Stator berührt und es somit zu einer Beschädigung der Bauteile kommt.
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Um dies zu vermeiden, wird daher üblicherweise der Luftspalt groß gewählt und so ein Ausgleich der Kurbelwellenverformung sowie der üblichen Fertigungstoleranzen erzielt. Die nicht vorhandene Konstanz des Luftspalts und der groß gewählte Luftspalt führen zu einer Verringerung der Leistungsdichte der elektrischen Maschine.
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Der vorliegenden Erfindung liegt zur Beseitigung der geschilderten Nachteile die Aufgabe zu Grunde, einen Startergenerator für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, bei dem die Kurbelwellenverformung keinen negativen Einfluss auf die elektrische Leistung der elektrischen Maschine hat.
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Die Erfindung weist zur Lösung dieser Aufgabe die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
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Nach der Erfindung ist ein Startergenerator vorgesehen für eine Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle, die in einem Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine drehbar gelagert ist, mit einer einen Rotor und einen Stator aufweisenden elektrischen Maschine, die vom Motorbetrieb in den Generatorbetrieb reversibel umsteuerbar ist und der Rotor mit der Kurbelwelle zur Drehkraftübertragung gekoppelt ist, wobei der Stator am Rotor gelagert ist und ein zwischen Stator und Rotor gebildeter Luftspalt bei rotierender Kurbelwelle weitgehend konstant bleibt.
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Der Startergenerator kann so an einem freien Ende eines Kurbelwellenstumpfs angeordnet werden, der im Betrieb der Brennkraftmaschine aufgrund der Durchbiegung der Kurbelwelle eine Taumelbewegung ausführt, die bei der bekannten Konfiguration mit der Lagerung des Stators fest am Kurbelgehäuse zu einer periodischen Veränderung des Luftspalts zwischen Rotor und Stator führt. Durch die nach der Erfindung vorgesehene Lagerung des Stators am Rotor führt die Taumelbewegung des Kurbelwellenstumpfs dazu, dass sich der Luftspalt zwischen Stator und Rotor nicht mehr periodisch verändert, da die Relativlage zwischen Stator und Rotor aufgrund der Lagerung des Stators am Rotor nicht mehr periodischen Veränderungen unterzogen wird und der Luftspalt somit weitgehend konstant bleibt und daher eng gewählt werden kann, wodurch die Leistungsdichte der elektrischen Maschine vergrößert werden kann.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Rotor eine an der Kurbelwelle drehfest festlegbare Nabe aufweist, an deren Außenumfang Lagermittel angeordnet sind, mittels deren eine Relativdrehung zwischen Nabe und dem an der Nabe angeordneten Stator möglich ist.
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Auf diese Weise kann die Nabe am Kurbelwellenstumpf einfach festgelegt werden und der Stator über die Lagermittel so angeordnet werden, dass sich die Nabe des Rotors relativ zum Stator frei drehen kann und eine periodische Winkelveränderung der Längsmittelachse des Kurbelwellenstumpfs im Betrieb der Brennkraftmaschine relativ zur Lage der Längsmittelachse des Kurbelwellenstumpfs der stillstehenden Brennkraftmaschine dazu führt, dass der Stator die Taumelbewegung des Kurbelwellenstumpfs gemeinsam mit dem Rotor beziehungsweise der Nabe des Rotors durchführt und somit der zwischen Stator und Rotor gebildete Luftspalt weitgehend gleich bleibt.
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Es ist dabei nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der Stator mittels Wälzlagern relativ zum Rotor gelagert ist. Bei den Wälzlagern kann es sich um Rillenkugellager handeln, von denen eines als Festlager und eines als Loslager ausgebildet ist, so dass eine kostengünstige Konfiguration gebildet wird.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Stator am Kurbelgehäuse elastisch abgestützt ist. Damit die elektrische Maschine arbeiten kann, muss eine Relativdrehung zwischen Stator und Rotor ermöglicht werden, gleichzeitig ist dafür zu sorgen, dass das sich im Betrieb einstellende Reaktionsmoment zwischen Stator und Rotor abgestützt wird. Durch die elastische Abstützung des Stators am Kurbelgehäuse wird einerseits dafür gesorgt, dass sich der Stator nicht zusammen mit dem Rotor dreht und andererseits sorgt die elastische Abstützung des Stators auch dafür, dass das Reaktionsmoment über die elastische Abstützung in das Kurbelgehäuse eingeleitet werden kann und der Stator die Taumelbewegung des Kurbelwellenstumpfs zusammen mit der Nabe des Rotors durchführen kann und das so gebildete System nicht statisch überbestimmt ist.
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Zur Herbeiführung einer elastischen Abstützung des Stators am Kurbelgehäuse ist es vorgesehen, dass der Stator mittels mindestens einer Elastomerhülsenfeder an einem am Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine festlegbaren Gehäusedeckel zur Momentenabstützung lösbar festlegbar ist.
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Bei der Elastomerhülsenfeder kann es sich um ein Bauteil aus zwei konzentrisch zueinander angeordneten rohrstückförmigen Hülsen handeln in deren radialem Zwischenraum ein Elastomerkörper angeordnet ist. Wird der Gehäusedeckel vom Kurbelgehäuse abgenommen, kann der Startergenerator einfach am Kurbelwellenstumpf angeordnet werden, dort die Nabe des Rotors axial und drehfest festgelegt werden und dann der Gehäusedeckel so am Kurbelgehäuse angeordnet werden, dass eine Aufnahme des Gehäusedeckels die mindestens eine Elastomerhülsenfeder aufnimmt und so der Stator relativ zum Gehäusedeckel um kleine Winkelbereiche elastisch verlagerbar ist und das Reaktionsmoment über die Elastomerhülsenfeder in den Gehäusedeckel und damit in das Kurbelgehäuse eingeleitet werden kann.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist es auch vorgesehen, dass der Stator einen vom Kühlfluid durchströmbaren Kühlkörper aufweist, an dessen Stirnseiten axial beidseits Verschlussdeckel angeordnet sind und am Stator Anschlüsse zum Einleiten und Ausleiten von Kühlfluid vorgesehen sind. Auf diese Weise kann die elektrische Maschine effizient gekühlt werden und so auch über die Brennkraftmaschine in den Startergenerator eingetragene Wärme abgeführt werden.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist es vorgesehen, dass der Rotor eine an der Nabe mittels einer Nietverbindung festlegbare topfförmige Rotorglocke aufweist, an deren Innenumfang verteilt Permanentmagnete angeordnet sind. Damit ist eine kostengünstige Ausführungsform möglich, da die Nabe und die Rotorglocke nicht einstückig ausgebildet werden müssen, sondern die Rotorglocke aus einem kostengünstigen Blechbauteil gebildet werden kann, welches über eine einfache Nietverbindung an der Nabe axialfest und drehfest festgelegt werden kann.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist es auch vorgesehen, dass die Nabe eine kegelstumpfförmig ausgebildete Innenkontur aufweist, die an einer komplementär ausgebildeten Außenkontur der Kurbelwelle mittels eines Presssitzes lösbar festgelegt werden kann. Ein solcher Preßsitz sorgt einerseits für eine verdrehsichere Anordnung der Nabe am Kurbelwellenstumpf und andererseits auch dafür, dass die Wellen-Nebenverbindung verschleißfrei ausgeführt werden kann.
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Damit die Nabe einfach aus Ihrem Pressverband mit dem Kurbelwellenstumpf gelöst werden kann, ist es vorgesehen, dass sie ein Innengewinde zum Abziehen vom Kurbelwellenstumpf mittels eines entsprechenden Abziehwerkzeugs besitzt.
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Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in der einzigen Figur eine Schnittansicht einer Brennkraftmaschine mit nur einem Zylinder mit einem an einem Kurbelwellenstumpf festgelegten Startergenerator nach einer Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Bei dem in der Zeichnung dargestellten Verbrennungsmotor handelt es sich um einen Einzylinder-Verbrennungsmotor mit einer Kurbelwelle 1, die über Rollenlager, von denen in der Zeichnung ein Zylinderrollenlager 2 dargestellt ist, in einem nur abschnittsweise dargestellten Kurbelgehäuse 3 drehbar gelagert ist.
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An einem in der Zeichnungsebene auf der rechten Seite dargestellten Kurbelwellenstumpf 4 ist ein Startergenerator 5 vorgesehen, der zur Erzeugung von Strom über die Kurbelwelle 1 angetrieben werden kann und zum Starten der Brennkraftmaschine im Motorbetrieb die Kurbelwelle 1 antreiben kann.
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Um den Austritt von Motoröl in den Bereich der Startergenerators 5 zu vermeiden, ist das Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine 1 über einen Wellendichtring 7 abgedichtet. Der Aufnahmeraum 8 für den Startergenerator 5 wird über einen Gehäusedeckel 9 verschlossen.
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Der Startergenerator 5 weist einen Rotor 10 und einen Stator 11 auf. Der Rotor 10 besitzt eine Nabe 12, die mittels eines Kegelpresssitzes lösbar am Kurbelwellenstumpf 4 festgelegt werden kann und zwar über eine Spannschraube 13. An der rohrstückförmig und mit einem Kegelstumpfsitz ausgebildeten Nabe 12 sind am Außenumfang zwei beabstandet angeordnete Rillenkugellager 14 vorgesehen, über die der Stator 11 so festgelegt werden kann, dass sich die mit einer Innenausnehmung versehene Statornabe 15 frei relativ zur Nabe 12 des Rotors 10 verdrehen kann, axial aber relativ zum Rotor 10 festgelegt ist und zwar mittels der als Festlager-Loslager ausgebildeten Lagerkonfiguration der Rillenkugellager 14.
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Wenn sich die Kurbelwelle 1 dreht und der nicht näher dargestellte Kolben der Brennkraftmaschine vom Verbrennungsdruck beaufschlagt wird, kann sich die Kurbelwelle 1 verformen, was dazu führt, dass der Kurbelwellenstumpf 4 eine taumelförmige Bewegung ausführt und sich die gedachte Längsmittelachse des Startergenerators 5 so dreht, dass die Umhüllende der Drehbewegung eine Kegelspitze ausbildet.
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Zwischen dem Rotor 10 und dem Stator 11 ist ein Luftspalt 16 ausgebildet, der auch bei einer Taumelbewegung des Startergenerators 5 aufgrund einer Verformung der Kurbelwelle 1 weitgehend konstant bleibt, da die Nabe 12 des Rotors 10 bei der Taumelbewegung aufgrund der Lagerung der Statornabe 15 am Außenumfang der Nabe 12 ihre Taumelbewegung auf die Statornabe 15 überträgt und somit der Luftspalt 16 gleich bleibt.
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An der Nabe 12 des Rotors 10 ist über eine Niete 17 aufweisende Nietverbindung eine Rotorglocke 18 aus einem Aluminiumblechteil festgelegt, an dessen Innenumfang Permanentmagnete 19 gleichverteilt angeordnet sind. Der Stator 11 weist an einem Blechpaket 20 über einen Kunststoffträger 21 getrennt einen Kupferleiter 22 auf und besitzt auf beiden Stirnseiten jeweils einen abdichtenden Verschlussdeckel 23, so dass über einen Anschluss 24 Kühlfluid in den Stator 11 geleitet werden kann und über einen nicht näher dargestellten weiteren Anschluss das erwärmte Kühlfluid aus dem Stator 11 wieder abgeführt werden kann. Dabei dichtet eine Dichtmanschette 25 den Aufnahmeraum gegen den Eintritt von Staub und Fremdkörper ab.
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Der Stator 11 ist über am Gehäusedeckel 9 abstützbare Elastomerhülsenfedern 26, von denen bei der dargestellten Ausführungsform drei Federn vorgesehen sind, elastisch gelagert und zwar mittels Bolzen 27, die in die Statornabe 15 eingreifen und an deren jeweiliger Kopfseite die Elastomerhülsenfedern 26 festgelegt sind, so dass das über den Rotor 10 in den Stator 11 eingeleitete Reaktionsmoment über die Elastomerhülsenfedern 26 in den Gehäusedeckel 9 eingeleitet werden kann, der sich wiederum über Schrauben 28 am Kurbelgehäuse 3 abstützt.
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Führt der Startergenerator 5 aufgrund der Verformung der Kurbelwelle 1 eine Taumelbewegung aus, ändert sich der Luftspalt 16 nicht und gleichzeitig wird das Reaktionsmoment über die Elastomerhülsenfedern 26 statisch bestimmt in das Kurbelgehäuse 3 der Brennkraftmaschine eingeleitet.
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Da der Luftspalt 16 nicht mehr so ausgebildet werden muss, dass eine Verformung der Kurbelwelle 1 dazu führt, dass Stator 11 und Rotor 10 einander nicht berühren, kann der Luftspalt wesentlich enger ausgewählt werden, als dies bei den bekannten Vorrichtung in der Fall ist, wodurch die Leistungsdichte des Startergenerators 5 nach der vorliegenden Erfindung erhöht werden kann, das sich einstellende Magnetfeld zwischen Stator und Rotor bei einer Drehbewegung der Kurbelwelle 1 gleichförmiger verläuft als dies bei den bekannten Vorrichtung in der Fall ist und damit auch beim Startvorgang der Brennkraftmaschine gleichförmiger verläuft und der erfindungsgemäße Startergenerator verglichen mit den bekannten Startergeneratoren einen gleichförmigeren Drehmomentverlauf zur Verfügung stellt.
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Hinsichtlich vorstehend im Einzelnen nicht näher erläuterter Merkmale der Erfindung wird im Übrigen ausdrücklich auf die Ansprüche und die Zeichnung verwiesen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kurbelwelle
- 2
- Zylinderrollenlager
- 3
- Kurbelgehäuse
- 4
- Kurbelwellenstumpf
- 5
- Startergenerator
- 7
- Wellendichtung
- 8
- Aufnahmeraum
- 9
- Gehäusedeckel
- 10
- Rotor
- 11
- Stator
- 12
- Nabe
- 13
- Spannschraube
- 14
- Rillenkugellager, Lagermittel
- 15
- Statornabe
- 16
- Luftspalt
- 17
- Niete
- 18
- Rotorglocke
- 19
- Permanentmagnete
- 20
- Blechpaket
- 21
- Kunststoffträger
- 22
- Kupferleiter
- 23
- Verschlussdeckel
- 24
- Anschluss
- 25
- Dichtmanschette
- 26
- Elastomerhülsenfeder
- 27
- Bolzen
- 28
- Schraube
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008054334 A1 [0003]
- DE 10201601 C1 [0004]
- DE 10023124 C1 [0005]
