-
Stand der Technik
-
Zum Starten von Brennkraftmaschinen kommen hauptsächlich mechanisch kommutierte Gleichstrommotoren zum Einsatz. Der Strom wird häufig über ein, zwei oder drei Bürstenpaare (Minusbürste, Plusbürste) über einen Kommutator in eine Ankerwicklung eingeleitet. Die Bürsten bestehen normalerweise aus einem Sinterwerkstoff, welcher hauptsächlich Kuper- und Grafitanteile hat. Ein Überlastschutz, d. h. ein Schutz, um eine übermäßige Bestromung der Maschine zu vermeiden, wird oft als Schmelzsicherung über eine Verjüngung am Material realisiert.
-
Aus der
EP 1 313 946 B1 ist bspw. bekannt, Leiter zu Bürsten (Litzen) unterschiedlich auszubilden. Dabei ist bspw. vorgesehen, dass von mindestens zwei im Hauptstromkreis über den Kommutator bzw. Kommutatorläufer in Reihe geschalteten Bürsten die Anschlusslitze der einen Kohlebürste, einen um mehr als 10% schwächeren Querschnitt hat.
-
Es ist vorgesehen, einen in seiner Robustheit weiter verbesserten Überlastschutz einer derartigen Maschine zu gestalten.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sicherungseinrichtung derartig schaltbar ist, dass ein zumindest einer Leiter der Sicherungseinrichtung durch die überlastete Sicherheitseinrichtung an eine Kontaktoberfläche einer Rotationskontakteinheit (bspw. Kommutator) verlagerbar ist und dadurch ein Kurzschluss im Hauptstromkreis erzeugbar ist. Dabei ist bspw. vorgesehen, dass sich eine überlastete Sicherungseinrichtung dadurch äußert, dass diese einen Haltekörper hat, der über einen Temperaturanstieg eine sogenannte kritische Temperatur überschreitet, dadurch der Haltekörper erweicht und daher in seiner Festigkeit abnimmt, wodurch letztlich der Leiter an die Kontaktoberfläche verlagerbar ist, wodurch der Kurzschluss herbeigeführt wird. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist dabei vorgesehen, dass der Haltekörper ein Gehäuse aufweist, in dem ein Bereich des Leiters durch eine Feder gepresst ist. Gemäß einem weiteren Aspekt ist vorgesehen, dass das Gehäuse zwecks Erleichterung einer Verlagerung des Leiters zwischen der Feder und der Kontaktoberfläche eine Öffnung hat. Weiter verbessert wird diese Anordnung, in dem ein kompaktierter Bereich des als Litze ausgeführten Leiters oder ein mit dem Leiter verbundenes Leiterteil zwischen der Feder und der Öffnung angeordnet ist. Dadurch ist eine Art Keilwirkung des kompaktierten Bereichs oder des typischerweise festen Leiterteils verbessert. Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Leiter an einer Feder gehalten ist, die durch eine Biegespannung belastet ist. Erweicht der Haltekörper, so wird die Feder den Leiter an die Kontaktoberfläche pressen. Bevorzugt wird die Feder durch einen Stiftform aufweisenden Haltekörper in einer Ausgangslage gehalten. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass der Leiter, welcher unmittelbar mit einer Kontaktoberfläche der Rotationskontakteinheit kontaktiert ein Leiter ist, der unmittelbar eine Bürste kontaktiert und dabei vorzugsweise als Litze ausgeführt ist. Der erwähnte Hauptstromkreis ist zwischen einem plusseitigen Stromanschluss der elektrischen Maschine und einem minusseitigen Stromanschluss der elektrischen Maschine angeordnet, in dem zumindest eine Plusbürste und zumindest ein Leiter zwischen dem plusseitigen Stromanschluss und der Plusbürste und zumindest ein Leiter zwischen einer zumindest einen Minusbürste und dem minusseitigen Stromanschluss angeordnet ist.
-
Beschreibung der Figuren
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine vereinfachte Darstellung einer elektrischen Maschine, ausgeführt als Startvorrichtung,
-
2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Sicherungseinrichtung, in
-
3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Sicherungseinrichtung dargestellt, in der
-
4 ist für ein drittes Ausführungsbeispiel einer Sicherungseinrichtung ein Gehäuse in einem ersten Zustand gezeigt,
-
in 5 ist das Gehäuse aus 4 gezeigt, welches als Feder verwendet wird,
-
6 ist ein viertes Ausführungsbeispiel einer Sicherungseinrichtung gezeigt.
-
Die in 1 dargestellte elektrische Maschine 1 ist als Startvorrichtung für eine Brennkraftmaschine ausgebildet und weist ein Starterritzel 2 auf, das zum Starten der Brennkraftmaschine 4 in Eingriff mit einem Zahnkranz 3 der Brennkraftmaschine gebracht wird. Das Starterritzel 2 ist auf einer Welle 5 wie mit dem Doppelpfeil gekennzeichnet axial verschieblich gelagert, wobei das Starterritzel 2 drehfest mit der Welle 5 gekoppelt ist. Das Starterritzel 2 wird zwischen einer zurückgezogenen Außerfunktionsposition und einer vorgerückten Eingriffsposition mit dem Zahnkranz 3 der Brennkraftmaschine 4 über ein Starterrelais 6 verstellt, das elektromagnetisch ausgebildet ist und eine bestrombare Spulenanordnung 7 sowie einen Anker 8 umfasst, der bei Bestromung der Spulenanordnung 7 in diese axial hineingezogen wird. Der Anker 8 ist über einen Einrückhebel 9 kinematisch mit dem Starterritzel 2 gekoppelt, so dass die axiale Verstellbewegung des Ankers 8 zwischen einer Ruheposition und einer Verstellposition in eine korrespondierende axiale Stellbewegung des Starterritzels 2 zwischen der Außerfunktionsposition und der Eingriffsposition eingesetzt wird.
-
Die drehende Antriebsbewegung der Welle 5 bzw. des Starterritzels 2 wird mithilfe eines elektrischen Startermotors 11 erzeugt, der über ein Planetengetriebe 12 mit der Welle 5 gekoppelt ist. Bei einer Betätigung des elektrischen Startermotors 11 werden die Welle 5 und damit auch das Starterritzel 2 in Drehung versetzt.
-
Der Startvorrichtung 1 ist ein Regel- bzw. Steuergerät 10 zugeordnet, über das die Funktionen des Starterrelais 6 sowie des Startermotors 11 gesteuert werden.
-
Bei einer axialen Stellbewegung des Ankers 8 bei Betätigung des Starterrelais 6 wird bei Erreichen der Verstellposition durch die Stellbewegung des Ankers 8 der elektrische Stromkreis des Startermotors 11 geschlossen, so dass sich der Startermotor 11 in Bewegung setzt und die Welle 5 sowie das Starterritzel 2 drehend antreibt. Das Schließen des Stromkreises des Startermotors 11 wird dadurch bewirkt, dass der Anker 8 ein Schaltglied, das Träger einer elektrisch leitenden Kontaktbrücke ist, gegen zwei Gegenkontakte 13, 14 im Stromkreis verstellt, so dass die Gegenkontakte 13, 14 über die Kontaktbrücke elektrisch miteinander verbunden werden.
-
In 2 ist eine schematische Darstellung eines Hauptstromkreises 20 der elektrischen Maschine 1 dargestellt. Dieser Hauptstromkreis 20 verläuft von einem mit einem „plus“-Zeichen gekennzeichneten plusseitigen Stromanschluss 23 zu einem mit einem „minus“-Zeichen gekennzeichneten minusseitigen Stromanschluss 26. Zwischen dem Stromanschluss 23 und dem Stromanschluss 26 befindet sich eine Rotationskontakteinheit 29, die hier bevorzugt als Kommutator 32 ausgebildet ist. Diese Rotationkontakteinheit 29 weist zumindest einen rotationsfähigen Kontakt 35 auf, der hier entsprechend der bevorzugten Ausführung der Rotationskontakteinheit 29 als Kommutator 32 dementsprechend als Kommutatorlamelle 38 ausgebildet ist. Die Rotationskontakteinheit 29 weist eine zentrale Drehachse 44 auf, die mit einer Drehachse des Startermotors 11 identisch ist. Die Kontaktoberfläche 41 ist dabei ausgehend von der Drehachse 44 nach radial außen gerichtet. Diese Kontaktoberfläche 41 bzw. in Zusammenschau aller am Außenumfang der Rotationskontakteinheit 29 angeordneten Kontakte 35 bzw. Kontaktoberflächen 41 ergibt eine im Wesentlichen zylindrische Oberfläche des Kommutators 32 bzw. der Rotationskontakteinheit 29. Auf dieser zylindrischen Oberfläche stützen sich mehrere Bürsten 47 ab. Zwei dieser Bürsten 47 sind sogenannte Plusbürsten 48 und zwei der Bürsten 47 sind Minusbürsten 49. Zwischen einer Plusbürste 48 und dem plusseitigen Stromanschluss 23 ist zumindest ein Leiter 52 angeordnet. Dieser Leiter 52 kann dabei und ist bevorzugt als sogenannte Litze ausgeführt, die auch häufig als sogenannte Bürstenlitze bezeichnet ist. Des Weiteren ist zwischen einer zumindest einen Minusbürste 49 und dem minusseitigen Stromanschluss 26 ein Leiter 55 angeordnet, der ebenso bevorzugt als Litze ausgeführt ist und typischerweise als Bürstenlitze bezeichnet wird. In 2 ist darüber hinaus eine Sicherungseinrichtung 58 dargestellt, die einen Leiter 61 aufweist. Die Sicherungseinrichtung 58 ist dabei derartig schaltbar, dass der zumindest eine Leiter 61 durch die überlastete Sicherungseinrichtung 58 an die Kontaktoberfläche 41 verlagerbar ist und dadurch ein Kurzschluss im Hauptstromkreis 20 erzeugbar ist.
-
Bevorzugt ist dabei die Sicherungseinrichtung 58 derartig gestaltet, dass diese einen erweichbaren Haltekörper 67 hat, der dann erweicht, wenn dieser durch einen Temperaturanstieg in der elektrischen Maschine über eine kritische Temperatur erwärmt wird. Der Haltekörper 67 ermöglicht dann, dass der Leiter 61 an die Kontaktoberfläche 41 verlagerbar ist.
-
Besonders bevorzugt ist, dass wie bereits erwähnt, der Haltekörper 67 als Gehäuse 64 gestaltet ist. Dabei ist besonders vorgesehen, dass in dem Gehäuse 64 ein Bereich 70 des Leiters 61 durch eine Feder 73 gepresst ist. Dies ermöglicht, ausgehend von 2, nach dem Erweichen des Haltekörpers 67 bzw. des Gehäuses 64 und in diesem Fall nach dem Öffnen eines Verschlusses 76 des Gehäuses 64 das Herausdrücken des Bereichs 70 des Leiters 61 durch die Feder 73. Das Öffnen des Verschlusses 76 kann man sich dabei so vorstellen, dass dieser Verschluss 76 bspw. beim Erweichen des Gehäuses 64, der dadurch verringerten Festigkeit im Bereich des Verschlusses 76 dieser Verschluss durch die Feder 73 aus seiner ursprünglichen Position weggedrückt wird, und dieser bspw. auf die Kontaktoberfläche 41 gerät und durch diese weggeschleudert wird. Der Leiter 61 würde dann danach durch die Feder 73 auf die Kontaktoberfläche 41 gepresst, wodurch gut erkennbar ein Kurzschluss der Plusbürsten 48 erfolgen würde. Das Gehäuse 64 bzw. der Haltekörper 67 wäre dabei zum Beispiel aus einem Thermoplasten hergestellt, der sich – wie der Name schon sagt – unter Einfluss der Temperatur plastisch verformt und dementsprechend seine ursprüngliche Formgebung verändert und in diesem Fall der Verschluss 76 entfernt wird. Wie beim Verschluss 76 erkennbar ist, ist dort bspw. eine Kerbe dargestellt, die nicht näher beschrieben bzw. bezeichnet ist und eine gezielte Schwächung des Gehäuses 64 bzw. des Haltekörpers 67 darstellt. Des Weiteren sei erwähnt, dass der Leiter 61 nicht nur zwischen dem Plusstromanschluss 23 und der Rotationskontakteinheit 29 einen Kurzschluss ermöglichen bzw. herbeiführen soll. Viel mehr kann diese Sicherungseinrichtung 58 auch auf der Seite des Hauptstromkreises 20 angeordnet sein, die zwischen den Minusbürsten 49 und dem Minusstromanschluss 26 ist. Dann wäre der Leiter 61 mit dem Minusstromanschluss 26 derartig verbunden, dass im Auslösefall der Sicherungseinrichtung 58 die Minusbürsten 49 kurz geschlossen würden. Der Haltekörper 67 bzw. das Gehäuse 64 kann hierbei an einer Bürstenplatte, oder an einem Polgehäuse, oder an einem sogenannten Kommutatorlager, oder an einer Bürstenfassung, oder an einer Stromschiene angebracht sein. Ein Kommutatorlager – in vielen vorveröffentlichten Anmeldungen so wortwörtlich bezeichnet – ist typischerweise ein Lager der elektrischen Maschine 1, das einem Kommutator 32 als Rotationskontakteinheit 29 nächstliegend im Gehäuse befestigt ist.
-
In 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel dargestellt, das von dem Ausführungsbeispiel nach 2 ausgeht. Die wesentliche Änderung betrifft die Art und Weise, wie die Sicherungseinrichtung 58 ausgeführt ist. Auch hier ist ein Gehäuse 64 offenbart, welches als Haltekörper 67 dient. In dem Gehäuse 64 ist wiederum eine Feder 73 angeordnet, die einen Teil des Leiters 61 gegen eine Öffnung 79 drückt. Die Öffnung 79 des Haltekörpers 67 bzw. Gehäuses 64 befindet sich zwischen dem Leiter 61 und der zylindrischen Oberfläche der Rotationskontakteinheit 29. Dadurch wird im Zusammenhang mit dem Erweichen des Haltekörpers 67 bzw. Gehäuses 64 eine frühere Auslösung der Sicherungseinrichtung 58 erreicht, da der Haltekörper 67 bzw. das Gehäuse 64 von vornherein in diesem Bereich über weniger bzw. geringere mechanische Festigkeit verfügt. Es ist dabei vorgesehen, dass jener Teil des Leiters 61, welcher sich zwischen der Feder 73 und der Öffnung 79 befindet, entweder eine verdichtete Litze 82 ist oder bspw. ein zusätzliches Bauteil (Leiterteil 85), welches an den Leiter 61 bspw. durch Löten oder Schweißen angebracht ist. Es ist hierzu insbesondere vorgesehen, dass der verdichtete Teil der Litze 82 oder das stoffflüssig befestigte Teil eine gezielte Führung des Leiters 61 in dem Haltekörper 67 bzw. dem Gehäuse 64 in Richtung zur Rotationskontakteinheit 29 übernimmt. Des Weiteren ergibt sich durch einen derartig kompaktierten Bereich des Leiters 61 bzw. der Litze 82 bzw. dem Bauteil 85 einen definierten Berührungspunkt zwischen dem Leiter 61 und der Oberfläche der Rotationskontakteinheit 29. Bei diesem Ausführungsbeispiel erweicht wiederrum der Haltekörper 67 bzw. das Gehäuse 64 aufgrund einer Erhöhung der Temperatur nahe dem Haltekörper 67 und verformt sich dabei beim Erwärmen allein schon aufgrund dessen, dass dieses Bauteil als Thermoplast ausgebildet ist und ganz besonders unter dem Druck der Feder 73, was ein weiteres Verformen insbesondere im Bereich der Öffnung 79 fördert, damit der Leiter 61 die Oberfläche der Rotationskontakteinheit 29 berührt und dadurch der Kurzschluss in diesem Fall der Plusbürsten 48 erfolgt. Auch hier gilt, dass eine derartige Ausführung nicht darauf beschränkt ist, die Plusbürsten 48 kurzzuschließen, sondern dass auch die Minusbürsten 49 kurzgeschlossen werden können, indem man die Sicherungseinrichtung 58 wie bereits vorher erwähnt an entsprechender Stelle positioniert (alternativ).
-
Dementsprechend zeigt die 3 einen kompaktierten Bereich des als Litze 82 ausgeführten Leiters 61 bzw. ein mit dem Leiter 61 verbundenes Leiterteil 85, welches zwischen der Feder 73 und der Öffnung 79 angeordnet ist.
-
In 4 ist ein Teil dargestellt, wie es vorfabriziert wird, um später als Gehäuse 64 eines dritten Ausführungsbeispiels der Sicherungseinrichtung 58 zu dienen. Das Gehäuse 64 ist dabei U-förmig ausgeführt und zeigt einen ersten Schenkel 85, einen zweiten Schenkel 87 und einen den ersten Schenkel 85 und den zweiten Schenkel 87 verbindenden Verbindungsbereich 90. Der erste Schenkel 85, der zweite Schenkel 87 und der Verbindungsbereich 90 ergeben in der in 4 dargestellten Ansicht ein im Wesentlichen U-förmiges Bauteil. Auch dieses Bauteil ist wie die vorgenannten Bauteile bevorzugt aus einem Thermoplast gefertigt. In 5 ist das Teil, Gehäuse 64 so dargestellt, wie es als Sicherungseinrichtung 58 wirken soll. Dabei ist der zweite Schenkel 87 derartig verformt bzw. verbogen, dass dieser dauerhaft unter einer mechanischen Biegespannung steht. Der zweite Schenkel 87 wirkt dabei als Feder 73. An einem vom Verbindungsbereich 90 entfernten Ende des zweiten Schenkels 87 ist dabei ein Ende des Leiters 61, der auch hier wieder insbesondere als Litze ausgeführt ist befestigt. Der gebogene zweite Schenkel 87 ist mittels eines Haltekörpers 67 mit dem ersten Schenkel 85 verbunden. Dadurch wird eine Biegung des zweiten Schenkels 87 aufrechterhalten. Wird nun die Sicherungseinrichtung 58 zu sehr erwärmt, und demzufolge der Haltekörper 67 erweicht, so wird dieser Haltekörper 67 zerstört, die Biegespannung im zweiten Schenkel 87 führt zu einer zumindest teilweisen Rückstellung der Form des zweiten Schenkels 87, wobei der Leiter 61 durch seine Lage mit seinem Ende zwischen dem Ende des zweiten Schenkels 87 und der Oberfläche der Rotationskontakteinheit 29 letztlich an diese gedrückt wird. Ist diese Sicherungseinrichtung 58 den Plusbürsten 48 parallel geschaltet, so werden diese kurz geschlossen. Ist diese Sicherungseinrichtung 58 den Minusbürsten 49 parallel geschaltet, so werden diese kurz geschlossen. Das aus dem Ausführungsbeispiel nach 4 und 5 bekannte Gehäuse 64 kann alternativ auch aus einem Blech geformt sein. So kann bspw. dieses Teil auch aus einer Bürstenplatte, die typischerweise in einer elektrischen Maschine 1 vorhanden ist, herausgeformt sein. Des Weiteren kann alternativ dieses Gehäuseteil 64 auch ein separates Blechteil sein, welches bspw. an die Bürstenplatte geschweißt ist. Dies ändert nichts daran, dass ein entsprechend verformter zweiter Schenkel 87 eines entsprechenden aus Blech gefertigten Gehäuses 64 mittels eines aus einem Thermoplasten bestehenden Halteköpers 67 in der verspannten Form gehalten werden soll. Dementsprechend ist aus diesem Ausführungsbeispiel ein Leiter 61 an einer Feder gehalten, die durch eine Biegespannung belastet ist, wobei durch den erweichten Haltekörper 67 die Feder den Leiter 61 an die Kontaktoberfläche 41 presst, wenn die Sicherungseinrichtung 58 nach Erreichen einer Temperaturschwelle auslöst.
-
In 6 ist ein viertes Ausführungsbeispiel einer Sicherungseinrichtung 58 dargestellt. Eine Feder 93, ist über einen Verbindungsbereich 90 ortsfest gehaltert. Die Feder 93 ist derartig vorgespannt, dass in dieser Feder 93, hier nach Art einer Blattfeder, eine Biegespannung wirkt. Das Halteelement bzw. der Haltekörper 67 stützt vorzugsweise ein Ende der Feder 93 derartig ab, dass die Biegespannung zunächst erhalten bleibt. Wie bei dem anderen Ausführungsbeispiel zuvor, ist der Leiter 61, auch hier wieder bevorzugt als Litze ausgeführt an dem Schenkel der Feder 93 befestigt. Wird die Umgebung des Haltekörpers 67 erwärmt, so erweicht dieser Haltekörper 67 kraft seiner Eigenschaft aus einem thermoplastischen Kunststoff zu bestehen. Die sich dann entspannende Feder 93 drückt dann den Leiter 61, welcher in einer Aussparung in der Feder 93 eingeklemmt ist gegen die Oberfläche, Kontaktoberfläche 41, der Rotationskontakteinheit 29. Wie bereits bei den anderen Ausführungsbeispielen wird dadurch eine parallel geschaltete Bürste 47, ob Plusbürste 48 oder Minusbürste 49, kurz geschlossen und dadurch das dynamische Verhalten der elektrischen Maschine 1 so beeinflusst, dass schließlich die elektrische Maschine 1 zum Stillstand kommt oder ggf. lediglich das Drehmoment der Maschine erheblich verringert wird. Diese Feder 93 kann über den Verbindungsbereich 90 bspw. an einer Bürstenplatte der elektrischen Maschine 1 befestigt sein. Die Befestigung kann bspw. durch Schweißen erfolgen. Dementsprechend ist die Feder 93 durch einen Stiftform aufweisenden Haltekörper 67 in einer Ausgangslage gehalten, 6.
-
In einer Variante, die alle vorgenannten Ausführungsbeispiele umfasst, kann vorgesehen sein, dass der Leiter 61, bevorzugt ausgeführt als Litze, nicht eine zusätzlich Litze zu den Leitern 52 bzw. 55 ist, besonders das eine oder ggf. auch mehrere Leiter 52 bzw. 55, bevorzugt als Litze, derartig lang ausgeführt ist, dass diese bspw. durch das Gehäuse 64 bzw. den Haltekörper 67 hindurchgeführt ist oder zwischen drin durch eine Feder 73 bzw. 93 gehalten ist. Dementsprechend würde die jeweils auslösende Sicherungseinrichtung 58 eine Art Schleife einer derartigen Litze an die Oberfläche der Rotationskontakteinheit 29 herandrücken und so einen Kurzschluss erzeugen. Dementsprechend würde der Leiter 61 ein Leiter sein, der unmittelbar eine Bürste (47, 48, 49) kontaktiert und vorzugsweise als Litze ausgeführt sein.
-
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
-
