-
Stand der Technik
-
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass in Startermotoren eine Schmelzsicherung als sogenannter Überlastschutz verwendet wird. Diese Sicherung soll verhindern, dass sich Komponenten des Starters bei zu langer Betriebsdauer bzw. im Fehlerfall unzulässig stark erhitzen. In derartigen Fehlerfällen könnte sich sonst beispielsweise die Pressmasse des Kommutators auflösen und sich die Kommutatorlamellen in der Folge lösen. D.h. der Rotor würde dann entsprechend Kommutatorlamellen ausschleudern. Dazu muss zwingend vermieden werden, dass außerhalb des Startergehäuses Teile zum Glühen gebracht werden, da sich sonst in der Folge Teile im Motorraum entzünden könnten. So lassen sich für jede Komponente des Starters Grenztemperaturen definieren, die in allen Last- und Fehlerfällen nicht überschritten werden dürfen. Der Hauptstromkreis muss jeweils rechtzeitig gebrochen werden.
-
Zu diesem Zweck sind in heutigen Startern in der Regel im Hauptstromkreis gezielt Engstellen mit lokal erhöhtem Widerstand eingebaut. So können die Kupferlitzen der Kohlebürsten einen reduzierten Querschnitt aufweisen oder in Stromschienen am Bürstenhalter wird gezielt lokal der Querschnitt reduziert. Eine Offenlegungsschrift, die gezielte Engstellen beschreibt, ist beispielsweise die
DE 10 2010 063 688 A1 . Im Betrieb des Starters bzw. im Fehlerfall erwärmt sich die Engstelle. Wird die Schmelztemperatur des Materials (z.B. Kupfer oder Stahl) überschritten, so schmilzt die Engstelle durch und der Hauptstromkreis wird unterbrochen.
-
Nachteil dieser Lösungen ist, dass lokal Temperaturen von über 1000°C (z.B. Kupfer 1085°C oder Stahl ca. 1500°C) erforderlich sind, um das Material zum Schmelzen zu bringen. Insbesondere bei Last- oder Fehlerfällen, in denen nur ein geringer Strom durch den Starter fließt, reicht die Verlustleistung unter Umständen nicht aus, um die Schmelztemperatur zu erreichen. Außerdem sind Starter bekannt (z.B. aus
DE 10 2009 002 725 A1 ), bei denen die Plus-Kohlebürsten über eine Stromschiene mit Spannung versorgt werden, die gleichzeitig auch (zusammen mit der auf negativem Potential liegenden Bürstenplatte) die Bürstenfassungen hält.
-
Die oben beschriebenen bekannten Lösungen basieren alle im Wesentlichen auf dem Prinzip der Eigenerwärmung. Durch die Verlustleistung, die durch den lokal erhöhten Widerstand entsteht, erhöht sich die Temperatur im Material. Nur durch die Eigenerwärmung können die sehr hohen Schmelztemperaturen erreicht werden. Demgegenüber existieren Lösungen, die hauptsächlich auf Fremderwärmung beruhen. Durch den Einsatz von Weichloten lassen sich deutlich niedrigere Schmelztemperaturen erreichen. So liegt beispielsweise die Schmelztemperatur des Hauptbestandteils Zinn bei 232°C.
-
Darüber hinaus beschreibt beispielsweise die
DE 10 2006 040 661 A1 einen Starter, bei welchem der Überlastschutz in einer zweiteiligen Y-förmigen Stromschiene mittels Weichlot und einer Feder realisiert ist. Die zwei Teile der Stromschiene werden mit Hilfe eines Weichlots verbunden. Im Überlastfall schmilzt das Weichlot bei relativ niedrigen Temperaturen (z.B. 200°C) auf und eine vorgespannte Feder drückt die beiden Teile der Stromschiene auseinander und trennt somit den Stromkreis auf. Nachteil dieser Lösung ist, dass insbesondere bei Startern gemäß
DE 10 2009 002 725 A1 keine derartige Y-förmige Stromschiene vorhanden ist bzw. kein Bauraum hierfür zur Verfügung steht. Zudem ist der Einbauort für die Weichlotverbindung relativ weit von der Hauptwärmequelle (Kontaktfläche Bürsten / Kommutator) entfernt, was das Auslösen bei geringen Strömen erschwert und die Robustheit der Funktion beeinträchtigt.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kupferlitzen bzw. Litzen der Plus-Kohlebürsten im Überlastfall von einer Stromschiene getrennt werden. Dadurch wird ein Hauptstromkreis unterbrochen. Wahlweise können auch die Kupferlitzen bzw. Litzen der Minus-Kohlebürsten von einer Bürstenplatte getrennt werden. Im normalen Betrieb sind die Litzen mithilfe eines Weichlots mit einer Stromschiene oder der Bürstenplatte verbunden. Wird die Schmelztemperatur des Weichlohns erreicht, so entspannt sich die vorgespannte Feder und der Strompfad wird unterbrochen. Gegenüber dem Stand der Technik bietet diese Lösung den Vorteil, dass die Stelle, an der das Weichlot angebracht ist möglichst nah an der Hauptwärmequelle liegt. Diese Hauptwärmequelle ist die Kontaktfläche zwischen den Bürsten und dem Kommutator die Kommutatoroberfläche. Dadurch ist gesichert, dass das Lot bzw. Weichlot auch bei geringen Strömen ausreichend erwärmt wird und nach ausreichend kurzer Zeit zum Schmelzen gebracht werden kann. Zudem ist diese Lösung an allen Arten von Stromschienen oder Bürstenplatten anwendbar, also auch an allen Stellen, an denen Bürstenlitzen auf einem elektrisch leitenden Kontaktpartner befestigt sind. Die bisher übliche Anschweißung wird einfach durch eine Weichlotverbindung ersetzt.
-
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist vorgesehen, dass das Federelement, welches in dem Verbindungsmaterial zwischen dem ersten Leiter und dem zweiten Leiter eine Zugspannung bewirkt, im Strompfad angeordnet ist. Dies hat beispielsweise den Vorteil, dass eine von der Oberflächenbeschaffenheit verhältnismäßig gut definierte Oberfläche für das Löten, insbesondere Weichlöten, zur Verfügung steht. Ragt das Federelement seitlich aus dem Strompfad heraus, so kann eine Verankerungsstelle für ein Ende des Federelements verhältnismäßig frei und entsprechend den Platzbedingungen positioniert werden. Ist das Federelement als Blattfeder ausgeführt, so ist das Federelement besonders einfach zu gestalten. Zudem ist ganz besonders bei einer Ausführung als Blattfeder die flächige Gestalt der Blattfeder leicht an Umgebungsbedingungen/Platzbedingungen anpassbar. So kann das Federelement beispielsweise rechteckig sein, oder als freigestalteter Bogen ausgeführt oder U-förmig gestaltet sein. Wird das Federelement als flächige Feder, beispielsweise Blattfeder, ausgeführt, so lässt sich durch Vorsehen einer eingestellten Biegebelastung, die vorzugsweise als einfache Balkenbiegung ausgeführt ist, leicht eine Auslösekraft einstellen. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass ein erster Leiter eine plusseitige Leitung ist. Dies ermöglicht ein besonders zuverlässiges Trennen von drehbaren Teilen in der elektrischen Maschine vom Pluspotenzial. Gemäß weiteren Aspekten der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass alternativ eine Minusbürste an einer Bürstenplatte entsprechend abgesichert ist. Auf diese Weise würde ein Hauptstromkreis der elektrischen Maschine unterbrochen werden können. Die oben beschriebenen Funktionen können sowohl bei Bürstenhaltern mit vier Kohlebürsten als auch bei Bürstenhaltern mit sechs Kohlebürsten realisiert werden. D.h., dass insbesondere beispielsweise bei insgesamt vier Kohlebürsten zwei Pluskohlebürsten oder zwei Minuskohlebürsten jeweils durch die erfindungsgemäße Sicherungsvorrichtung abgesichert sind. Bei insgesamt sechs Kohlebürsten wäre eine Absicherung von beispielsweise drei Kohlebürsten auf der Plusseite oder drei Kohlebürsten auf der Minusseite angezeigt. Gemäß einer weiteren Variante ist es auch möglich nur eine Bürstenlitze mit dem Feder-Lot- bzw. Feder-Weichlot-System auszustatten. Im Fehlerfall wird also zunächst nur ein Strompfad über eine einzige Litze aufgetrennt werden. In der Folge würden dann die verbleibenden Plus- oder Minusbürsten oder die verbleibenden oder die verbleibende Plusoder Minusbürste im Mittel mit einem höheren Strom belastet werden. Dadurch könnte dann eine Litze einer verbleibenden Bürste zum Schmelzen gebracht werden und so in einer Art Kaskade schließlich der gesamte Strompfad getrennt, also der Starter abgeschaltet werden. Dies hat den Vorteil, dass weniger Bauraum und weniger Bauteile erforderlich sind.
-
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, den Figuren, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
-
1 eine Startvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einem elektromagnetischen Starterrelais zum Verstellen eines Starterritzels und zum Starten eines Startermotors,
-
2 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Sicherungsvorrichtung,
-
3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Sicherungsvorrichtung.
-
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
-
Die in 1 dargestellte elektrische Maschine ist eine Startvorrichtung 1 für eine Brennkraftmaschine 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 Relaiswicklung 7 sowie einen Anker 8 35 umfasst, der bei Bestromung der Relaiswicklung 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 ausschnittweise ein Teil eines Bürstenapparates 20 dargestellt. Teil dieses Bürstenapparates 20 ist beispielsweise eine Stromschiene 23, die hier beispielsweise ringförmig ausgebildet ist. An dieser Stromschiene 23 ist mindestens ein Bürstenköcher 26 befestigt. Typischerweise sind zwei sogenannte Plusbürsten und zwei sogenannte Minusbürsten mit Köchern oder drei sogenannte Plusbürsten und drei sogenannte Minusbürsten mit Köchern vorhanden. In einem dem Bürstenköcher 26 ist eine Bürste eingesetzt, die hier nicht dargestellt ist. Die Bürste ist elektrisch und mechanisch mit einem ersten Leiter 29 verbunden. Dieser Leiter 29 ist besonders bevorzugt als Litze ausgebildet. Der Leiter 29 ist mit einem nicht-bürstenseitigen Ende 32, mittelbar an der Stromschiene 23 befestigt. Diese Befestigungsstelle 35 ist in 2 dargestellt.
-
Die Stromschiene 23 ist elektrisch mit einem Pluspol einer Starterbatterie verbunden, die hier nicht dargestellt ist. Über diese Stromschiene 23 ist die Bürste, welche über den Leiter 29 elektrisch verbunden ist, an das elektrische Pluspotenzial angeschlossen. Die Befestigungsstelle 35 ist hierzu wie folgt aufgebaut.: Die Stromschiene 23 ist über ein Verbindungsmaterial 38, welches bevorzugt als Lot, insbesondere als Weichlot, ausgebildet ist, mit einer einem Federelement 41 stoffschlüssig verbunden. An dieser Befestigungsstelle 35 ist wiederum bzw. darüber hinaus das Federelement 41 stoffschlüssig mit dem einen Ende 32 des Leiters 29 verbunden. Hierzu ist das Ende 32 auf einer Oberfläche 43 des Filterelements 41 Federelements 41 angeschweißt.
-
Das Federelement 41 hat gemäß der Darstellung in Figur zwei vorzugsweise ein Ende, an dem bzw. auf dem der Leiter 29 befestigt ist bzw. an dem die Befestigungsstelle 35 angeordnet ist. An einem anderen Ende, welches in 2 mit der Bezugszahl 45 bezeichnet ist, ist das Federelement 41 mit dem Ende in einem Isolator 48 verankert.
-
Dieser Isolator 48 hat eine Grundplatte 51, welche auf der Stromschiene 23 aufliegt. Dieser Isolator 48 ist mittels einer hier nicht dargestellten Schnapp- oder sonstigen formschlüssigen Verbindung mit der Stromschiene 23 fest verbunden. Die Grundplatte 51 hat zwei seitliche Randabschnitte 53 und 54, die zum seitlichen Einfassen des streifenförmigen Federelements 41 dienen. An einem Ende der Grundplatte 51, das von der Befestigungsstelle 35 am weitesten entfernt ist, befindet sich ein weiterer Randabschnitt 56. Dieser Randabschnitt 56 übergreift wie auch die beiden Randabschnitte 53 und 54 das Blech des Federelements 41. An dem Ende 45 des Federelements 41 ist des Weiteren vorgesehen, dass zwei Löcher 58 im Federelement 41 in zwei Zapfen 60 eingreifen. Diese Zapfen 60 sind einstückig mit der Grundplatte 51 ausgeführt.
-
Zur Montage des Leiters 29 mit der Stromschiene 23 ist folgendes vorgesehen: Am Ende 32 des Leiters 29 ist ein Ende des Federelements 41 stoffschlüssig verbunden.
-
Das streifenförmige Federelement 41 ist zunächst frei. Das Ende 45 des Federelements 41 wird im Verlauf der Montage der Länge nach zunächst zwischen den beiden Randabschnitten 53 und 54 entlang geschoben. Die zwei Löcher 58 im Federelement 41 werden dabei über die beiden erwähnten Zapfen 60 geschoben, bis diese in die beiden Löcher 58 einrasten. Schließlich übergreift auch der Randabschnitt 56 das Ende 45 des Federelements 41.
-
Nach dem Einschieben des Endes 45 des Federelements 41 in die Grundplatte 51 wird das Ende des Federelements 41, welches das Ende 32 des Leiters 29 trägt, mittels des Verbindungsmaterials 38 auf der Stromschiene 23 stoffschlüssig befestigt. Der 2 kann dabei entnommen werden, dass durch das Befestigen des Endes 45 des Federelements 41 auf der Stromschiene 23 das Federelement 41 etwas ausgelenkt wird. D.h., dass das Federelement 41 um den Betrag bzw. die Höhe delta h verbogen wird. Diese Biegung bewirkt in dem Verbindungsmaterial 38 eine Zugspannung. Wie aus der 2 entnommen werden kann, befindet sich demzufolge das Federelement 41 in einem Strompfad 63.
-
Die in 2 dargestellte elektrische Sicherungsvorrichtung 65 weist einen ersten Leiter 29 und einen zweiten Leiter auf, der hier als Stromschiene 23 ausgebildet ist. Der erste Leiter 29 und der zweite Leiter sind stoffschlüssig durch das Verbindungsmaterial 38 elektrisch und mechanisch miteinander verbunden. Dementsprechend ist zwischen dem ersten Leiter 29 und dem zweiten Leiter der Strompfad 63 ausgebildet. In dem Verbindungsmaterial 38 wirkt durch eine durch das Federelement 41 einwirkende Kraft F eine Zugspannung. Das Federelement 41 ist im Strompfad 63 angeordnet. Wie aus der 2 auch erkennbar ist, ragt das Federelement 41 seitlich aus dem Strompfad 63 heraus. Wie aus den vorgenannten Erläuterungen zum Federelement 41 hervorgeht, ist das Federelement 41 als Blattfeder ausgeführt. Aus dem Vorbeschriebenen kann auch entnommen werden, dass das Federelement 41 mit einem Ende im Strompfad 63 angeordnet ist und mit dem anderen Ende 45 in dem Isolator 48 verankert ist. Wie vorbeschrieben, ist in dem Federelement 41 zwischen den beiden Enden eine Biegebelastung. Des Weiteren ist beschrieben, dass der erste Leiter 29 eine Zuleitung ist, die vorzugsweise als eine Litze ausgeführt ist. Diese Zuleitung ist eine Zuleitung für eine Bürste einer elektrischen Maschine, die vorzugsweise als Startvorrichtung für Brennkraftmaschinen ausgeführt ist. Der erste Leiter 29 ist vorzugsweise eine plusseitige Leitung und dementsprechend zwischen beispielsweise einem Kommutator und einem Anschlussteil angeordnet, welches an einem Pluspol einer Starterbatterie kontaktiert wird. Es ist vorgesehen, dass der zweite Leiter 23 eine Bürstenplatte ist, an der ein Bürstenköcher 26 gehaltert ist, in dem eine Bürste angeordnet ist. Eine Bürste ist im Übrigen in 1 um den elektrischen Startermotor 11 stilisiert dargestellt.
-
Das Federelement 41 ist mit dem ersten Leiter 29 vorzugsweise mittels einer Schweißverbindung mechanisch und elektrisch verbunden. Dabei ist allgemein wichtig, dass die Verbindungsstelle zwischen dem Leiter 29 und dem Federelement 41 thermisch höher belastbar ist als die Verbindungsstelle zwischen dem Federelement und dem Leiter 23.
-
In 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer solchen Sicherungsvorrichtung 65 dargestellt. Die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel nach 2 betreffen die Gestalt des Federelements 41 und die Gestalt des Isolators 48. Während das Ausführungsbeispiel nach 2 ein gerades streifenförmiges Federelement 41 zeigt, ist das Federelement 41 gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 3 U-förmig. Wie im Vergleich mit 2 gut erkennbar ist, weisen die beiden Ausführungsbeispiele unterschiedliche Erstreckungen in zwei Achsenrichtungen auf. Während das Ausführungsbeispiel nach 2 verhältnismäßig lang und schmal ist, ist dagegen das Ausführungsbeispiel nach 3 verhältnismäßig kurz und dafür etwas breiter. Je nachdem, ob der für eine Sicherungsvorrichtung 65 zur Verfügung stehende Bauraum eher lang und schmal oder kurz und breit ist, kann das sprechende Ausführungsbeispiel der Sicherungsvorrichtung 65 ausgewählt werden. Das U-förmige Federelement 41 nach 3 weist bei einem ersten Schenkel 70 die Befestigungsstelle 35 auf. Ein zweiter Schenkel 73 dient dazu, die bereits erwähnte Biegebelastung zumindest anteilig in dem Federelement 41 aufzunehmen. Hierzu ist das Ende 45 in den bereits erwähnten Isolator 48 eingeschoben. Dieses Ende 45 ist in einer ringförmigen Aufnahme 76 des Isolators 48 eingesteckt. Wie bereits beim ersten Ausführungsbeispiel ist das Federelement 41 etwas gebogen, sodass zwischen der Befestigungsstelle 35 und der Aufnahme 76 eine Auslenkung des Federelements 41 um ein vorbestimmtes Maß delta h eingestellt ist. Wird im Betrieb der elektrischen Maschine ein nahe liegendes elektrisches Element überlastet, so wird sich auch hier aufgrund der Vorspannung des Federelements 41, die dadurch auf das Verbindungsmaterial 38 eine Zugspannung bewirkt, in Zusammenwirkung mit der aufgrund der Überlastung erhöhten Temperatur des Verbindungsmaterial 38 eine Annäherung an eine Schmelztemperatur des Verbindungsmaterial 38 (Lot, Weichlot) mehr oder weniger schnell einstellen und dadurch sich der Verband aus Federelement 41 und zweitem Leiter 23 auflösen und dadurch die Sicherungsvorrichtung 65 bestimmungsgemäß ansprechen. Auch beim zweiten Ausführungsbeispiel nach 3 ist vorgesehen, dass das Ende 45 in dem Isolator 48 nach dem Ansprechen der Sicherungsvorrichtung 65 ortsfest gehalten ist. Dies ist deshalb sinnvoll, weil nach dem Auslösen der Sicherungsvorrichtung 65 verhindert werden soll, dass das Ende 65 des Federelements 41 mit dem zweiten Leiter 23 in Kontakt kommt. Würde das Ende 45 des Federelements 41 mit dem zweiten Leiter 23 in Kontakt kommen, würde der erste Leiter 29 bei jeder Kontaktgabe unter Spannung stehen und dementsprechend die elektrische Maschine immer mal wieder für einen kurzen Moment betrieben werden.
-
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
-
- DE 102010063688 A1 [0002]
- DE 102009002725 A1 [0003, 0005]
- DE 102006040661 A1 [0005]
