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HINTERGRUND
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Einige elektrische Maschinen spielen eine wichtige Rolle beim Fahrzeugbetrieb. Beispielsweise können einige Fahrzeuge einen Starter (Anlasser) aufweisen, der, wenn ein Benutzer einen Zündschalter schließt, zu einem Ankurbeln von Antriebsmotorkomponenten des Fahrzeugs führen kann. Einige Starter können Platz sparende und effiziente Gestaltungen aufweisen.
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INHALT
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Bei einigen Ausführungsformen kann der Starter Komponenten eines Elektromagneten beinhalten, die im Wesentlichen in den Starter integriert sind. Bei einigen Ausführungsformen führt das Ritzel die Operation eines Tauchankers durch, während es auch als Ritzel arbeitet, wodurch ein Bedarf nach einem Verstellhebel (Einspurhebel) entfällt.
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Einige Ausführungsformen beinhalten einen Starter mit einer eine Drehachse beinhaltenden Abtriebswelle, die mit einem Ritzelzähne aufweisenden Ritzel verbunden ist, sowie mindestens eine Elektromagnetspulenwicklung, die zumindest teilweise das Ritzel, die Ritzelzähne und die Abtriebswelle am Umfang umgibt.
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Bei einigen Ausführungsformen ist die Elektromagnetspulenwicklung fähig, einen magnetischen Fluss im Ritzel, der Abtriebswelle, oder beiden zu liefern. Bei einigen Ausführungsformen kann sich das Ritzel bidirektional bezüglich der Drehachse der Abtriebswelle bewegen. Einige Ausführungsformen beinhalten einen Starter mit mindestens einem Ritzelvorspannelement, das mit der Abtriebswelle und dem Ritzel verbunden ist und konfiguriert und angeordnet ist, um zumindest teilweise das Ritzel zu bewegen. Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet das Ritzel eine Hülse, die das Ritzel zumindest teilweise umschreibt.
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Bei einigen weiteren Ausführungsformen beinhaltet der Starter eine Anschlagstruktur und eine Führungsstruktur, die konfiguriert und angeordnet sind, um das Ritzel zu führen und zu verhindern, dass das Ritzel auf der Abtriebswelle zu weit verfahren wird. Bei einigen weiteren Ausführungsformen beinhaltet die Abtriebswelle Keilverzahnungen, und das Ritzel beinhaltet einen Schlitz mit Keilverzahnungsprofilen. Einige Ausführungsformen beinhalten helixförmige Keilverzahnungen und helixförmige Keilverzahnungsprofile, oder, bei alternativen Ausführungsformen, geradlinige Keilverzahnungen und geradlinige Keilverzahnungsprofile.
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Bei einigen weiteren Ausführungsformen beinhaltet ein Startersteuerungssystem einen Starter, der fähig ist, in Kommunikation mit einer elektronischen Steuereinheit zu sein. Bei einigen Ausführungsformen ist die elektronische Steuereinheit konfiguriert und angeordnet, um einen Stromfluss durch mindestens eine Elektromagnetspulenwicklung und den Motor zu ermöglichen. Einige weitere Ausführungsformen beinhalten ein Startersteuerungssystem, wobei ein vorbereitender Strom in den Motor eingebracht werden kann, reagierend auf das Auftreten eines Sinneswandel-Stopp-Start-Startvorgangs.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein Diagramm eines Maschinensteuerungssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2A und 2B sind Querschnittansichten herkömmlicher Starter;
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3A und 3B sind Querschnittansichten herkömmlicher Elektromagnetbaugruppen;
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4 zeigt eine Querschnittansicht einer Ritzel-Tauchanker-Elektromagnetbaugruppe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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5 zeigt eine Querschnittansicht der Ritzel-Tauchanker-Elektromagnetbaugruppe, die Ritzelgrenzen darstellt, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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6A zeigt eine Querschnittansicht einer Ritzel-Tauchanker-Elektromagnetbaugruppe, welche den Magnetflussweg zeigt, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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6B zeigt eine Querschnittansicht einer eine Hülse beinhaltenden Ritzel-Tauchanker-Elektromagnetbaugruppe, welche den Magnetflussweg zeigt, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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7A zeigt eine partielle Querschnittansicht einer Ritzel-Tauchanker-Elektromagnetbaugruppe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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7B zeigt eine partielle Querschnittansicht einer Ritzel-Tauchanker-Elektromagnetbaugruppe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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8 zeigt eine Axialschnittansicht einer Ritzel-Tauchanker-Elektromagnetbaugruppe, die an ein Ringzahnrad angekoppelt ist, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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9 zeigt einen Graph einer Kraft einer Ritzel-Tauchanker-Elektromagnetbaugruppe als Funktion einer Ritzel-Anschlag-Spaltdistanz, gemäß mindestens einer Ausführungsform der Erfindung.
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Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende Teile in allen Zeichnungsansichten.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Bevor irgendeine detaillierte Erläuterung von Ausführungsformen der Erfindung gegeben wird, sei darauf verwiesen, dass die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Konstruktionsdetails und die Anordnung von Bauteilen eingeschränkt ist, die in der folgenden Beschreibung dargelegt oder in den folgenden Zeichnungen dargestellt sind. Die Erfindung kann weitere Ausführungsformen aufweisen und kann auf verschiedene Weisen genutzt oder ausgeführt werden. Auch versteht es sich, dass die hier verwendete Ausdrucksweise und Terminologie dem Zweck einer Beschreibung dient und nicht als einschränkend zu betrachten ist. Die Verwendung von „beinhalten”, „aufweisen” oder „haben” und Variationen von diesen soll hier die nachfolgend aufgelisteten Punkte und Äquivalente zu diesen, sowie zusätzliche Punkte umfassen. Wenn nicht anders angegeben oder eingeschränkt, werden die Begriffe „montiert”, „verbunden”, „getragen” und „befestigt” und Variationen von diesen breit gefasst verwendet und umfassen sowohl direktes als auch indirektes Montieren, Verbinden, Tragen und Befestigen. Weiter ist „verbunden” und „befestigt” nicht auf physische oder mechanische Verbindungen oder Befestigungen eingeschränkt.
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Die folgende Erläuterung erfolgt, um einem Fachmann zu ermöglichen, Ausführungsformen der Erfindung zu erstellen und zu verwenden. Verschiedene Modifikationen der dargestellten Ausführungsformen gehen für Fachleute klar hervor, und die hier dargelegten gattungsgemäßen Prinzipien können auf weitere Ausführungsformen und Anwendungen angewendet werden, ohne von den Ausführungsformen der Erfindung abzuweichen. Somit versteht es sich, dass Ausführungsformen der Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsformen eingeschränkt sind, sondern ihnen der weiteste Schutzumfang zuzugestehen ist, der mit den hier offenbarten Prinzipien und Merkmalen vereinbar ist. Die folgende detaillierte Beschreibung ist mit Bezug auf die Figuren zu lesen, in denen gleiche Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Die Figuren, die nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind, zeigen ausgewählte Ausführungsformen und sollen den Schutzumfang der Ausführungsformen der Erfindung nicht einschränken. Für Fachleute ist es klar, dass die hier gegebenen Beispiele viele zweckdienliche Alternativen haben und innerhalb des Schutzumfangs von Ausführungsformen der Erfindung liegen.
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1 zeigt ein Startersteuerungssystem 10, das einen Starter 12 beinhaltet, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das System 10 kann auch beinhalten: eine Stromquelle 14, wie beispielsweise eine Batterie, eine elektronische Steuereinheit 16, einen oder mehrere Sensoren 18, einen Antriebsmotor 20, wie beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine, eine Kupplung 30 (z. B. eine Überholkupplung), einen Getriebestrang 24 und ein Ritzel 32. Außerdem kann bei einigen Ausführungsformen der Starter 12 eine Mehrzahl von Wellen 38 aufweisen, die konfiguriert und angeordnet sein können, um eine Bewegung vom Motor 26 auf das Ritzel 32 zu übertragen. Bei einigen Ausführungsformen kann ein Fahrzeug, wie beispielsweise ein Automobil, das System 10 aufweisen, jedoch können auch andere Fahrzeuge das System 10 beinhalten. Bei einigen Ausführungsformen können nicht-mobile Geräte, wie beispielsweise Stationärmotoren, das System 10 aufweisen.
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Bei den meisten modernen Fahrzeugsystemen sind herkömmliche Starter 12 mit einem Starterelektromagneten 28 verbunden, und der Starter 12 und der Starterelektromagnet 28 sind separate Module. Der Starterelektromagnet 28 (auch als Starterrelais bekannt) ist ein elektromagnetisch betätigtes Verbindungsglied zwischen dem Zündungssystem, dem Starter 12 und der Stromquelle 26 (d. h. bei einer Verbrennungskraftmaschine). Der Starterelektromagnet 28 bewirkt, beim Aktivieren des Zündungssystems durch einen relativ geringen Strom, ein Weiterleiten eines großen Stroms (für gewöhnlich von einem Batteriesystem) zum Starter 12, der dann das Ritzel 32 mit dem Ringzahnrad 36 des Antriebsmotors 26 in Eingriff bringt. Bei den meisten herkömmlichen Startern 12 betätigt ein Strom, wenn er durch den Starterelektromagneten 28 fließt, einen Tauchanker 34, der das Ritzel 32 und das Ringzahnrad 36 in Eingriff bringt.
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Ein herkömmliches Startersystem, das einen separaten Starterelektromagneten 28 beinhaltet, ist detaillierter in 2A und 2B dargestellt. Der Starter 12 kann aufweisen: ein Gehäuse 22, einen Getriebestrang 24, einen bürstenbehafteten oder bürstenlosen Motor 26, eine Elektromagnetbaugruppe 28, eine Kupplung 30 (z. B. eine Überholkupplung) und ein Ritzel 32. Reagierend auf ein Signal (z. B. ein Benutzer, der einen Schalter, wie beispielsweise einen Zündschalter schließt) kann die Elektromagnetbaugruppe 28 einen ersten Tauchanker 34 veranlassen, das Ritzel 32 in eine Eingreifposition mit einem Ringzahnrad 36 einer Kurbelwelle des Antriebsmotors 20 zu bewegen. Weiter kann das Signal dazu führen, dass der Motor 26 eine elektromotorische Kraft erzeugt, die dann über den Getriebestrang 24 in das Ritzel 32 eingekoppelt werden kann, das mit dem Ringzahnrad 36 in Eingriff ist. Das Ritzel 32 kann das Ringzahnrad 36 bewegen, welches den Antriebsmotor 20 ankurbeln kann, was zu einer Zündung des Antriebsmotors 20 führt. Bei einigen Startern 12 kann die Kupplung 30 zu einer Verringerung eines Risikos einer Beschädigung von Starter 12 und Motor 26 beitragen, und zwar dadurch, dass das Ritzel 32 außer Eingriff von einer Welle 38 gebracht wird, welche das Ritzel 32 und den Motor 26 verbindet (z. B. dem Ritzel 32 ein freies Drehen erlaubt, falls dieses sich immer noch in Eingriff mit dem Ringzahnrad 36 befindet).
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Bei herkömmlichen Startern, beispielsweise den in 2A und 2B gezeigten, kann die Elektromagnetbaugruppe 28 eine oder mehrere Konfigurationen aufweisen, die am Gehäuse 22 des Starters befestigt sind. Die Elektromagnetbaugruppe 28 kann aufweisen: den ersten Tauchanker 34, eine Spulenwicklung 40, eine Mehrzahl von Vorspannelementen 42 (z. B. Federn oder andere Strukturen, die fähig sind, Abschnitte der Elektromagnetbaugruppe 28 vorzuspannen). Ein erstes Ende eines Verstellhebels (Einspurhebels) 44 kann mit dem ersten Tauchanker 34 verbunden sein, und ein zweites Ende des Verstellhebels 24 kann mit dem Ritzel 32 und/oder einer Welle 38 verbunden sein, welche den Motor 26 und das Ritzel 32 funktionsmäßig miteinander verbinden kann. Als Ergebnis kann zumindest ein Teil der durch die Elektromagnetbaugruppe 28 erzeugten Bewegung über den Verstellhebel 44 auf das Ritzel 32 übertragen werden, um das Ritzel 32 mit dem Ringzahnrad 36 in Eingriff zu bringen, wie zuvor erwähnt wurde.
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Wie in 3A und 3B dargestellt, kann die Elektromagnetbaugruppe 28 zumindest ein Tauchankerrückstell-Vorspannelement 42a und ein Kontakt-Verfahrwegüberschreitungs-Vorspannelement 42b aufweisen. Wenn der Starter 12 aktiviert wird (z. B. dadurch, dass der Benutzer einen Zündschalter schließt), kann das System 10 die Spulenwicklung 40 aktivieren, was eine Bewegung des ersten Tauchankers 34 verursachen kann (z. B. in einer generell axialen Richtung). Wie in 2B und 3B dargestellt, kann eine typische Elektromagnetbaugruppe 28 mehr als eine Spulenwicklung 40a und 40b aufweisen. Eine erste Spulenwicklung 40a kann konfiguriert und angeordnet sein, um den ersten Tauchanker 34 aus der Ruheposition (d. h. einer Position, die vom ersten Tauchanker 34 eingenommen wird, wenn ein geringer oder kein Strom durch irgendeine der Spulenwicklungen 40 fließt) zum künstlichen Anschlagpunkt zu bewegen. Beispielsweise kann ein Strom, der durch die erste Spulenwicklung 40a fließt, ein Magnetfeld erzeugen, das ausreicht, um den ersten Tauchanker 34 aus der Ruheposition bis zum künstlichen Anschlag zu bewegen, jedoch kann das Magnetfeld von einer Größe sein, die nicht ausreicht, um die Widerstandskraft des Hilfsvorspannelementes 42d zu überwinden. Als Ergebnis kann eine Aktivierung der ersten Spulenwicklung 40a den ersten Tauchanker 34 bis zum künstlichen Anschlag bewegen. Beispielsweise kann ein Strom, der durch die Spulenwicklung 40 fließt, den ersten Tauchanker 34 einziehen oder anderweitig bewegen, und diese Bewegung kann in ein In-Eingriff-Kommen des Ritzels 34, mittels des Verstellhebels 34, übersetzt werden (d. h. das Magnetfeld, das durch den durch die Spulenwicklung 40 fließenden Strom erzeugt wird, kann den ersten Tauchanker 34 veranlassen, sich zu bewegen). Einige Starterelektromagneten 28 verwenden auch eine zweite Spulenwicklung 40b, die konfiguriert und angeordnet sein kann, um den ersten Tauchanker 34 vom künstlichen Anschlag bis zu einer Position zu bewegen, in welcher die Tauchanker-Kontakte 48 mit den ersten Kontakten 46 in Eingriff kommen können, um den Stromkreis zu schließen und einen Strom von der Stromquelle 14 an den Motor 26 zu liefern. Der Strom, der durch die Spulenwicklungen 40a, 40b zirkuliert, kann von der Stromquelle 14 (z. B. einer Batterie) stammen, und die elektronische Steuereinheit kann steuern, dass der Strom von der Stromquelle 14 zu einer, einigen, oder allen von den Spulenwicklungen 40a, 40b fließt, so dass sich der erste Tauchanker 34 bewegt, nachdem die elektronische Steuereinheit 16 die erforderlichen Signale für ein Fließen von Strom zu den Spulenwicklungen 40a, 40b sendet.
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Die weit überwiegende Mehrheit von modernen Fahrzeugsystemen nutzt einen Starter 12 und eine Starterelektromagnetbaugruppe 28, die als separate Module ausgelegt sind, welche mechanisch durch einen Verstellhebel (Einspurhebel) 44 verbunden sind, wie zuvor beschrieben wurde. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Elektromagnetbaugruppe 28 im Wesentlichen oder vollständig integral mit der Starter-Baugruppe sein (d. h. sie sind nicht separate, verschiedene Module). Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung ist das Ritzel 32 beim Eingreifvorgang der aktive Tauchanker, während es dabei auch die Funktion eines Ritzels 32 erfüllt, wie zuvor beschrieben wurde.
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Einige Ausführungsformen der Erfindung beinhalten einen Starter 400 mit einem integrierten Elektromagneten 430. Wie bei verschiedenen Ausführungsformen nachfolgend beschrieben wird, repräsentiert der Starter 400 ein substantielles und nutzbringendes Abweichen von der zuvor beschriebenen herkömmlichen Startertechnik und bietet viele Verbesserungen gegenüber herkömmlichen Startersystemen. Die Vorteile einiger Ausführungsformen beinhalten eine Platz sparendere Gestaltung und reduzierte Kosten.
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Wie zuvor erläutert, sind bei einigen Ausführungsformen der Elektromagnet 28 und der Tauchanker 34 ein- und dasselbe Teil. Mit anderen Worten kann das Ritzel (als 480 in 4 dargestellt) ein Teil seines eigenen Eingreif-Elektromagneten (als 430 in 4 dargestellt) sein, und es besteht kein Bedarf nach einem separaten Elektromagneten sowie einem Verstellmechanismus. Bei einigen Ausführungsformen ist der gesamte Elektromagnet 430 im Inneren des Gehäuses 22 des Starters 400 untergebracht und macht nur eine sehr geringe Modifikation der bestehenden Motorhülle notwendig. Das Ritzel 480 sitzt auf der Abtriebswelle (als 440 in 4 dargestellt) und wird durch eine Keilverzahnung (mit 490a, 490b als alternative Ausführungsformen dargestellt) auf der Abtriebswelle 440 und ein Gegenstück bildende Merkmale (wobei alternative Ausführungsformen 493a und 493b dargestellt sind) auf dem Innendurchmesser des Ritzels 480 angetrieben. Bei einigen Ausführungsformen befindet sich am Boden des vorderen Gehäuseteils 415 ein Eisenanschlag 425, der wie ein normaler Anschlag arbeitet. Wenn die einzelnen Spulen aktiviert werden, erzeugt der magnetischen Fluss, welcher das Ende des Ritzels 480 und die Innendurchmesserzone dieses Anschlags 425 verbindet, eine Magnetkraft, welche das Ritzel 480 hin zum Anschlag 425 zieht. Während das Ritzel 480 näher herangezogen wird, nimmt diese Magnetkraft zu, bedingt durch die geringere Luftspalt-Reluktanz, sowie die größere Flussdichte in den Teilen. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung erfolgt beim Ritzel 480 niemals ein mechanisches Berühren des stationären Anschlags 425, was Reibungsverluste zwischen den beiden, rotierenden und stillstehenden, Flächen verhindert. Der Anschlagpunkt für das Ritzel 480 kann entweder durch ein festes Übereinanderstapeln des Rückstellfeder 450 oder durch eine Hülse bewerkstelligt werden, die über die Rückstellfeder gesteckt ist (nicht dargestellt).
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Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung weist das Gehäuse des Elektromagneten (Eisenanschlag, Elektromagnet, Spulenwicklungen, Spulenkörper, Eisenkern und Eisenführung) ein einziges Stück auf, das im Inneren des vorderen Gehäuseteils 415 befestigt ist. Bei einigen weiteren Ausführungsformen wird eine Stahlhülse 492 um das Ritzel 480 herum hinzugefügt, um Gestaltungen zu bewerkstelligen, bei denen der Durchmesser der Ritzelzähne 470 über den Körper des Ritzels 480 vorstehen können.
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Wie zuvor erörtert, stellt 1 ein Startersteuerungssystem 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar. Bei einigen Ausführungsformen kann der Starter 12 des Systems 10 den neuartigen Starter 400 mit dem im Wesentlichen integrierten Elektromagneten 430 beinhalten. Bei einigen Ausführungsformen kann das Steuerungssystem 10 konfiguriert und angeordnet sein, um einen „Stopp-Start”-Startvorgang zu ermöglichen. Beispielsweise kann das Steuerungssystem 10 einen Antriebsmotor 20 starten, wenn der Motor 20 bereits gestartet wurde (z. B. während eines „Kaltstart”-Startvorgangs) und sich das Fahrzeug weiterhin in einem aktiven Zustand (z. B. Betriebszustand) befindet, jedoch der Antriebsmotor automatisch vorübergehend inaktiviert wurde (z. B. der Antriebsmotor 20 im Wesentlichen oder vollständig zum Stillstand gekommen ist). Außerdem kann bei einigen Ausführungsformen das Steuerungssystem 10, zusätzlich dazu oder anstelle dazu, dass es konfiguriert und angeordnet ist, einen Stopp-Start-Startvorgang zu ermöglichen, konfiguriert und angeordnet sein, einen „Sinneswandel-Stopp-Start”-Startvorgang zu ermöglichen. Das Steuerungssystem 10 kann einen Antriebsmotor 20 starten, wenn der Antriebsmotor bereits mittels eines Kaltstart-Startvorgangs gestartet wurde und sich das Fahrzeug weiterhin in einem aktiven Zustand befindet und der Antriebsmotor 20 automatisch deaktiviert wurde, sich jedoch weiterhin bewegt (d. h. der Antriebsmotor 20 ist wird langsamer). Beispielsweise kann, nachdem der Antriebsmotor ein Deaktivierungssignal empfängt, jedoch bevor der Antriebsmotor 20 im Wesentlichen oder vollständig stillsteht, der Benutzer entscheiden, den Antriebsmotor 20 zu reaktivieren, so dass das Ritzel 480 mit dem Ringzahnrad 36 in Eingriff kommt, wenn das Ringzahnrad 36 langsamer wird, sich jedoch weiterhin bewegt (z. B. rotiert). Nachdem das Eingreifen mit dem Ringzahnrad 36 erfolgt ist, kann der Motor 26 einen Neustart von Antriebsmotor 20 durchführen, und zwar mittels des Ritzels 480, das sich in Eingriff mit dem Ringzahnrad 36 befindet. Bei einigen Ausführungsformen kann das Steuerungssystem 10 für weitere Startvorgänge konfiguriert sein, beispielsweise herkömmliche „Weichanlauf”-Startvorgänge (z. B. ist der Motor 26 zumindest teilweise aktiviert, während ein Eingreifen des Ritzels 480 und des Ringzahnrades 36 erfolgt).
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Wie zuvor erwähnt, kann bei einigen Ausführungsformen das Steuerungssystem 10 konfiguriert und angeordnet sein, um den Antriebsmotor 20 während eines Sinneswandel-Stopp-Start-Startvorgangs zu starten. Beispielsweise kann, nachdem ein Benutzer einen Kaltstart von Antriebsmotor 20 vorgenommen hat, der Antriebsmotor 20 bei Empfang eines Signals von der Motorsteuereinheit 16 deaktiviert werden (z. B. das Fahrzeug bewegt sich nicht und die Drehzahl von Antriebsmotor 20 befindet sich auf oder unterhalb Leerlaufdrehzahl, der Fahrzeugbenutzer weist ein Inaktivieren von Antriebsmotor 20 an, und zwar durch Herunterdrücken des Bremspedals für eine gewisse Dauer etc.), und der Antriebsmotor 20 kann deaktiviert sein, jedoch das Fahrzeug aktiv bleiben (z. B. kann zumindest ein Teil der Fahrzeugsysteme durch die Stromquelle 14 oder in anderer Weise in Betrieb sein). Zu einem Zeitpunkt nach Deaktivieren von Antriebsmotor 20, jedoch bevor der Antriebsmotor 20 stillsteht, kann der Fahrzeugbenutzer sich entscheiden, den Antriebsmotor 20 neu zu starten, und zwar durch Geben eines Signals an die Motorsteuereinheit 16 (z. B. durch Lösen des Bremspedals, Herunterdrücken des Gaspedals etc.). Nach Empfangen des Signals kann die elektronische Steuereinheit 16 zumindest einige Abschnitte des Startersteuerungssystems 10 verwenden, um einen Neustart des Antriebsmotors 20 durchzuführen. Beispielsweise kann, um ein mögliches Risiko einer Beschädigung des Ritzels 480 und/oder des Ringzahnrades 36 zu verringern, eine Drehzahl des Ritzels 480 im Wesentlichen mit einer Drehzahl des Ringzahnrades 36 (d. h. einer Drehzahl des Antriebsmotors 20) synchronisiert werden, wenn der Starter 400 versucht, einen Neustart des Antriebsmotors 20 durchzuführen.
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Wie zuvor beschrieben, beinhalten einige Ausführungsformen einen Starter 400, bei dem Komponenten des Elektromagneten im Wesentlichen in den Starter 400 integriert sind. Bei einigen Ausführungsformen fungiert das Ritzel dazu, die Operation des Tauchankers 34 durchzuführen, wodurch der Bedarf nach dem Verstellhebel (Einspurhebel) 44 entfällt. Beispielsweise stellt 4 eine Ausführungsform einer Ritzel-Tauchanker-Elektromagnetbaugruppe 480 dar, die ein Gehäuse 410, eine Elektromagnet-Wicklung 430 und einen Spulenkörper 435 aufweist, der im Wesentlichen einen Eisenkern 420 umgibt, und zwar innerhalb eines vorderen Gehäuseteils 415, und radial um eine Abtriebswelle 440 positioniert, die eine Drehachse 405 beinhaltet. Die Baugruppe 400 beinhaltet ein Ritzel 480 (das als sein eigener Tauchanker arbeitet), Ritzelzähne 470 und eine helixförmige Keilverzahnung 490a. Wie dargestellt, sitzt bei einigen Ausführungsformen das Ritzel 480 auf der Abtriebswelle 440 und wird mittels der auf der Welle 440 befindlichen helixförmigen Keilverzahnung 490a angetrieben, und zwar über eine Hülse 460 sowie herkömmliche, Gegenstücke bildende Merkmale auf dem Innendurchmesser des Ritzels 480 (nicht dargestellt) gekoppelt. Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet die Abtriebswelle 440 weiter ein Vorspannelement und eine Rückstellfeder 450. Wie dargestellt, ist bei einigen Ausführungsformen die Abtriebswelle 440, durch das eine Ende des vorderen Gehäuseteils 415 hindurch, über eine Hülse 460 gekoppelt. Bei einigen Ausführungsformen ist das Ritzel 480 an die helixförmigen Keilverzahnung 490a sowie eine Kupplung und einen Planetengetriebesatz 485 gekoppelt. Bei einigen Ausführungsformen beinhaltet das vordere Gehäuseteil 415 weiter eine Anschlagstruktur 425 und eine Führungsstruktur 428. Bei einigen Ausführungsformen befindet sich ein Eisenanschlag 425 im Wesentlichen benachbart dem vorderen Gehäuseteil 415, um als Endanschlag für das Ritzel 480 am Vorderende 416 des vorderen Gehäuseteils 415 zu fungieren.
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Bei einigen Ausführungsformen kann, während eines normalen Betriebs, nach einem Empfangen eines Neustart-Signals, das Startersteuerungssystem 10 einen Prozess zum Neustarten des Antriebsmotors 20 beginnen. Die elektronische Steuereinheit 16 kann ermöglichen, dass ein Strom von der Stromquelle 14 zu einer oder mehreren elektromagnetischen Spulenwicklungen fließt. Beispielsweise kann, wie in 4 dargestellt, bei einigen Ausführungsformen die Baugruppe 400 eine Elektromagnetspulenwicklung 430 aufweisen. Bei einigen Ausführungsformen kann die elektronische Steuerungseinheit 16 zumindest teilweise einen Stromfluss durch die Elektromagnetspulenwicklung 430 über einen Schalter (nicht dargestellt) regeln. Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung kann die Elektromagnetspulenwicklung 430 eine oder mehrere in Reihenschaltung angeschlossene Elektromagnetspulenwicklungen aufweisen, die jeweils separat durch die elektronische Steuerungseinheit 16 mittels einem oder mehreren Schaltern (nicht dargestellt) gesteuert werden können.
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Bei einigen weiteren Ausführungsformen können die Elektromagnetspulenwicklungen 430 parallel angeschlossen sein. Bei einigen Ausführungsformen ist eine Verdrahtung, welche an die Elektromagnetspulenwicklungen 430 angeschlossen ist, aus dem vorderen Gehäuseteil 415 herausgeführt und an eine gesteuerte Spannungsquelle angeschlossen. Der Anschluss und die zugehörige Pin-Anordnung (nicht dargestellt) können in der Nähe eines Montierflansches (nicht dargestellt) angeordnet sein, und bei einigen weiteren Ausführungsformen kann der Anschluss und die zugehörige Pin-Anordnung in den Bereich des Elektromagneten der Motor-Hauptkontakte zurückgeführt werden (nicht dargestellt).
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Einige Ausführungsformen der Baugruppe 400 beinhalten ein Gehäuse, das einen kohlenstoffarmen Stahl aufweist. Bei einigen Ausführungsformen führt die Verwendung eines kohlenstoffarmen Stahls zu einem Weg von geringerer magnetischer Reluktanz für den magnetischen Fluss. Daher wird eine geringere Anzahl von Amperewindungen für eine gegebene Flussdichte benötigt. Kohlenstoffarmer Stahl (z. B. der Qualität 1008 oder 1010 gemäß American Iron and Steel – Institute) erfordert eine geringere Anzahl von Amperewindungen für ein gegebenes Flussdichteniveau als kohlenstoffreichere Stähle (beispielsweise der Qualität 1040 gemäß American Iron and Steel Institute). Bei einigen Ausführungsformen minimiert dieses Gestaltungsmerkmal auch den Magnetflussweg durch das Ritzel, welches einen viel härteren Stahl, und somit einen Weg von viel höherer Reluktanz aufweist.
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Nachfolgend Bezug nehmend auf 5 wird bei einigen Ausführungsformen, sobald ein Strom zu fließen beginnt, ein elektromagnetischer Fluss in der Baugruppe 400 erzeugt. 6A stellt beispielsweise eine Querschnittansicht der Baugruppe 400 dar, die eine näherungsweise Darstellung des Magnetflussweges 401 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beinhaltet.
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Wie in 5 dargestellt, bewirkt bei einigen Ausführungsformen das elektromagnetische Feld, das auf das Ritzel 480 und die Abtriebswelle 440 wirkt, dass sich das Ritzel 480 und die Abtriebswelle 440 in axialer Richtung bezüglich der Achse 405 hin zum Eisenanschlag 425 bewegen, und es gibt einen Punkt eines maximalen Hubs (als punktierter Umriss 510 in 5 dargestellt). Wie in 6A dargestellt, fließt ein magnetischer Fluss 401 durch den Eisenkern 420, das Ritzel 480 und den Eisenanschlag 435, und die Eisenführung 428. Bei einigen Ausführungsformen bewirkt die Bewegung des Ritzels 480 und der Abtriebswelle 440 hin zum Eisenanschlag 425 weiter das Zusammendrücken der Rückstellfeder 450. Bei einigen Ausführungsformen ist im normalen Betrieb das Ende des Ritzels 480 so ausgelegt, dass es den stationären Eisenanschlag 425 nie berührt. Dies gewährleistet, dass es keine Reibungsverluste zwischen der rotierenden Fläche des Endes des Ritzels 480 und der stationären Fläche des Eisenanschlages 425 gibt.
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Wie in 6B dargestellt, kann bei einigen Ausführungsformen eine Stahlhülse 492 mit dem Ritzel 480 verbunden sein und dieses zumindest teilweise umschreiben. Bei einigen Ausführungsformen kann die Stahlhülse 492 aus kohlenstoffarmem Stahl bestehen (z. B. Qualität 1008 oder Qualität 1010 gemäß American Iron and Steel Institute). Die Verwendung von kohlenstoffarmem Stahl führt zu geringerer magnetischer Reluktanz des Magnetflusswegs. Bei einigen Ausführungsformen ist die Stahlhülse 492 zylinderförmig, und ist direkt über dem Ritzel 480 positioniert. Bei einigen Ausführungsformen erfordert das Ritzel 480 einen kohlenstoffreichen Qualitätsstahl, der gehärtet werden kann, was einen größeren Strom in der Spule 430 erforderlich macht. Bei einigen Ausführungsformen erleichtert die Verwendung einer Stahlhülse 492 eine Verringerung des Stroms in der Spule 430, um eine ausreichende Magnetflusserregung zu liefern, die zum Herbeiführen einer Bewegung des Ritzels 480 erforderlich ist. Wie in 6B dargestellt, erstreckt sich bei einigen Ausführungsformen der Erfindung der Magnetflussweg durch die Stahlhülse 492, zusätzlich zu den anderen in 6A dargestellten Bauteilen, wobei dabei auch der Magnetflussweg durch das Ritzel 480 minimiert wird.
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Bei einigen Ausführungsformen sind die Bauteile der Ritzel-Tauchanker-Elektromagnetbaugruppe 400 (Eisenanschlag 425, Elektromagnetspulenwicklung 430, Spulenkörper 435, Eisenkern 420 und Eisenführung 428) als ein einziges Stück montiert und im Inneren des vorderen Gehäuseteils 415 positioniert. Jedoch können bei einigen Ausführungsformen der Erfindung, aufgrund des Durchmessers der Ritzelzähne 470, die Zähne über den Ritzelkörper hervorstehen (abhängig von der tatsächlichen Anzahl der Zähne).
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Wie zuvor beschrieben, beinhalten einige Ausführungsformen einen Starter 12, bei dem Bauteile des Elektromagneten im Wesentlichen in den Starter 12 integriert sind. Wie in 4-6B dargestellt, beinhaltet die Ritzel-Tauchanker-Elektromagnetbaugruppe 400 ein Ritzel 480, Ritzelzähne 470 und eine helixförmige Keilverzahnung 490a. Außerdem können einige Ausführungsformen alternative Konfigurationen eines Ritzels 480 beinhalten. Beispielsweise stellt 7A eine partielle Querschnittansicht einer Ritzel-Tauchanker-Elektromagnetbaugruppe 400 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung dar. Wie in 7A dargestellt, kann bei einigen Ausführungsformen das Ritzel 480 einen Schlitz 493a beinhalten, der ein helixförmiges Keilverzahnungsprofil aufweist, und die Abtriebswelle 440 kann helixförmige Keilverzahnungen 490a beinhalten, die konfiguriert und angeordnet sind, um zumindest teilweise mit dem helixförmigen Keilverzahnungsprofil von Schlitz 493 gekoppelt zu werden.
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Bei einigen weiteren Ausführungsformen können alternative Architekturen von Ritzel 480 und Abtriebswelle 440 verwendet werden. Beispielsweise kann, wie in 7B dargestellt, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung das Ritzel 480 einen Schlitz 493b beinhalten, der ein geradliniges Keilverzahnungsprofil aufweist, und die Abtriebswelle 440 kann geradlinige Keilverzahnungen 490b beinhalten, die konfiguriert und angeordnet sind, um zumindest teilweise mit dem geradlinigen Keilverzahnungsprofil von Schlitz 493b gekoppelt zu werden.
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8 zeigt eine Axialschnittansicht einer Ritzel-Tauchanker-Elektromagnetbaugruppe 400, die in Kopplung mit einem Ringzahnrad 36 steht. Wie dargestellt, umschließt bei einer Ausführungsform das vordere Gehäuseteil 415 das Ritzel 480, das mit dem Ringzahnrad 36 funktionsmäßig in Eingriff kommen kann. Wie dargestellt, beherbergt die Ritzel-Tauchanker-Elektromagnetbaugruppe 400 den Eisenkern 420 und die Elektromagnetspulenwicklung 430, und zwar im vorderen Gehäuseteil 415, und ist axial bezüglich des Ringzahnrades 36 positioniert. Einige Ausführungsformen können einen Elektromagneten beinhalten, der eine einzige Elektromagnetspulenwicklung 430 aufweist, hingegen können bei weiteren Ausführungsformen eine Mehrzahl von Kernen (d. h. eine Mehrzahl von Strukturen aus Eisenkern 420 und Elektromagnetspulenwicklung 430) verwendet werden. Bei einigen Ausführungsformen, die eine Mehrzahl von Elektromagnetspulenwicklungen geringeren Durchmessers aufweisen, kann weniger Kupferdraht für ein gegebenes Magnetflussniveau verwendet werden. Erneut Bezug nehmend auf 1 kann bei einigen Ausführungsformen der Erfindung das Startersteuerungssystem 10 einen Starter 12 beinhalten, bei dem verwendet wird: die Ritzel-Tauchanker-Elektromagnetbaugruppe 400 mit im Wesentlichen integrierten Elektromagneten (wie zuvor in 4–7B beschrieben und dargestellt), eine Stromquelle 14, wie beispielsweise eine Batterie, eine elektronische Steuereinheit 16, einer oder mehrere Sensoren 18, wie beispielsweise ein Antriebsmotor-Drehzahlsensor, und ein Antriebsmotor 20, wie beispielsweise eine Verbrennungskraftmaschine. Bei einigen Ausführungsformen kann der Antriebsmotor-Drehzahlsensor 18 Daten erfassen und diese an die elektronische Steuereinheit 16 übertragen, welche mit der Drehzahl des Antriebsmotors 20, der Kurbelwelle und/oder dem Ringzahnrad 36 korrelieren. Bei einigen Ausführungsformen kann der Antriebsmotor-Drehzahlsensor 18 mit der elektronischen Steuerungseinheit 16 über herkömmliche, drahtbehaftete und/oder drahtlose, Kommunikationsprotokolle kommunizieren. Bei einigen Ausführungsformen kann, wenn das Startersteuerungssystem 10 ein Signal zum Starten des Antriebsmotors empfängt, das Startersteuerungssystem 10 einen Prozess zum erneuten Starten des Antriebsmotors 20 beginnen. Die elektronische Steuerungseinheit 16 kann ermöglichen, dass ein Strom von der Stromquelle 14 zur Elektromagnetspulenwicklung 430 fließt. Sobald ein Strom zu fließen beginnt, wird ein elektromagnetischer Fluss erzeugt (als Magnetflusswege in 6A und 6B dargestellt). Bei einigen Ausführungsformen kann, wenn das elektromagnetische Feld, das auf das Ritzel 480 und die Abtriebswelle 440 einwirkt, das Ritzel und den Tauchanker sowie die Abtriebswelle veranlasst, sich hin zum Eisenanschlag 425 zu bewegen, ein Punkt eines maximalen Hubs erreicht werden (als punktierte Umrisslinie 510 dargestellt), was zu einem Eingreifen in das Ringzahnrad 36 führt. Nachdem das Eingreifen in das Ringzahnrad 36 erfolgt ist, kann der Motor 26 ein Neustarten des Antriebsmotors 20 mittels des Ritzels 480 durchführen, das sich in Eingriff mit der Abtriebswelle 440 und mit dem Ringzahnrad 36 befindet.
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Bei einigen Ausführungsformen kann, nachdem der Startvorgang teilweise oder vollständig vollendet wurde (z. B. wurde zumindest teilweise eine Umdrehung des Antriebsmotors durchgeführt, und die Verbrennung hat begonnen), die Elektromagnetspulenwicklung 430 zumindest teilweise deaktiviert werden. Bei einigen Ausführungsformen kann das Verringern oder die Wegnahme der Kraft, welche das Ritzel 480 am Ort zurückhält (d. h. das Magnetfeld, das durch den durch die Spulenwicklung 430 fließenden Strom erzeugt wird), ermöglichen, dass die zusammengedrückten Vorspannelemente 450 sich aufweiten und das Ritzel 480 in seine ursprüngliche Position zurückstellen. Demgemäß kann sich das Ritzel 480, das nun der mechanischen Kraft ausgesetzt ist, die durch die zusammengedrückten Vorspannelemente 450 ausgeübt wird, vom Ringzahnrad 36 zurückziehen und in seine ursprüngliche Position im vorderen Gehäuseteil 450 zurückkehren (als durchgezogene Umrisslinie des Ritzels 480 in 4 und 5 dargestellt). Bei einigen Ausführungsformen kann das Steuerungssystem 10 für weitere Startvorgänge konfiguriert sein, beispielsweise herkömmliche „Weichanlauf”-Startvorgänge (d. h. der Motor 26 ist während eines Eingreifens des Ritzels 480 und des Ringzahnrades 36 zumindest teilweise aktiviert).
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9 zeigt einen Graph einer Kraft- und Hub-Kurve eines Ritzels 480 gemäß mindestens einer Ausführungsform der Erfindung. Bei einigen Ausführungsformen ist die auf das Ritzel 480 einwirkende Axialkraft 820 als Funktion einer Spaltdistanz von Ritzel bis Anschlag 810 dargestellt. Bei einigen Ausführungsformen ist, wie dargestellt, wenn das Ritzel den Boden erreicht hat 830, die Axialkraft 820 und der magnetische Fluss 840, der auf das Ritzel 480 einwirkt, nahe eines Maximums. Bei einigen Ausführungsformen erfolgt, nach dem die Elektromagnetspulenwicklung 430 zumindest teilweise deaktiviert ist, eine Abnahme der magnetischen Kraft 840 auf das Ritzel 480, und eine Verringerung oder Wegnahme der Kraft, welche das Ritzel 480 am Ort zurückhält, kann ein Expandieren der zusammengedrückten Vorspannelemente 450 ermöglichen (siehe Bereich 880 in 9), wodurch das Ritzel 480 in seine ursprüngliche Position im vorderen Gehäuseteil 415 zurückkehrt (als 870 in 9 dargestellt).
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Für Fachleute versteht es sich, dass die Erfindung zwar in Verbindung mit speziellen Ausführungsformen und Beispielen im Vorhergehenden beschrieben wurde, die Erfindung jedoch nicht notwendigerweise darauf eingeschränkt ist, und dass zahlreiche weitere Ausführungsformen, Beispiele, Verwendungen, Modifikationen sowie Abweichungen von den Ausführungsformen, Beispielen und Verwendungen durch die hier angefügten Ansprüche abgedeckt sein sollen. Die Offenbarung von jedem Patent und jeder Publikation, die hier zitiert sind, wird hiermit durch Bezugnahme vollinhaltlich in das vorliegende Dokument aufgenommen, so als wenn dies für jedes Patent oder Publikation separat vorgenommen würde. Verschiedene Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den folgenden Ansprüchen dargelegt.
