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Stand der
Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Startvorrichtung, insbesondere einen Schubtriebstarter
zum Andrehen von Brennkraftmaschinen, mit einem Startermotor nach
der Gattung des Anspruchs 1 sowie ein mit dieser Startvorrichtung
durchgeführtes
Verfahren zum Andrehen von Brennkraftmaschinen nach der Gattung
des Anspruchs 11.
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Zum
Starten von Brennkraftmaschinen, zum Beispiel in Kraftfahrzeugen,
werden bislang durchweg Gleichstrommotoren eingesetzt, die mit einem Kommutatorläufer ihre
Drehbewegung direkt oder über
ein Getriebe mittels eines Ritzels auf einen Zahnkranz übertragen,
der an der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine befestigt ist. Für den Startvorgang
wird dabei das Ritzel in den Zahnkranz eingespurt und nach dem Andrehen
der Maschine mit dem Abschalten der Startvorrichtung wieder zurück bewegt.
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In
den meisten Fällen
erfolgt der Vorschub des Ritzels sowie das Einspuren in den Zahnkranz und
das verzögerte
Einschalten des Startermotors durch ein Einrückrelais, das seitlich am Startergehäuse angebaut
ist und damit einen relativ großen Einbauraum
für die
Startvorrichtung erfordert. Solche sogenannten Schubschraubtrieb-Starter
haben außerdem
einen relativ hohen Verschleiß,
einen hohen konstruktiven Aufwand und zudem den Nachteil, dass sie über eine
nicht abgesicherte Stromzufuhr (Klemme 30) von der Akkumulatorbatterie
des Fahrzeugs ständig
unter Spannung stehen, was insbesondere bei Unfällen ein erhebliches Brandrisiko
darstellt.
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Aus
neueren Entwicklungen gemäß WO 01/77
522 A1 ist es bereits bekannt, das Einrückrelais dadurch zu ersetzen,
dass das Ritzel mitsamt seinem Freilauf über ein Steilgewinde aufgrund
des Trägheitsmomentes
beim Einschalten des Startermotors vorgespurt wird. Solche sogenannten Schraubtrieb-Starter
führen
bei einer Zahn-Auf-Zahn-Stellung am Zahnkranz durch das sofortige
Einschalten des Startermotors über
ein Schaltrelais zu einem harten Einspuren oder Ratschen, so dass
solche Startvorrichtung einen hohen Ritzelverschleiß aufweisen
und daher nur für
kleinere Brennkraftmaschinen, zum Beispiel im Rasenmäher, in
Betracht kommen.
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Schließlich ist
aus der
DE 199 11
161 A1 eine Startvorrichtung bekannt, bei der das Vor-
und Einspuren des Ritzels über
einen mit der Ritzelwelle verbundenen Permanentmagneten und eine
damit zusammenwirkende, ortsfeste Spule erfolgt, die über eine
Steuerelektronik zum Beispiel getaktet angesteuert wird. Diese Lösung hat
den Nachteil, dass die axiale Baulänge des Starters durch die
Einspurvorrichtung erheblich vergrößert wird, was insbesondere in
Kraftfahrzeugen mit engen Einbauverhältnissen im Motorraum problematisch
ist.
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Außerdem ergibt
sich bei allen vorgenannten Startvorrichtungen als weiterer Nachteil,
dass für
den Startermotor ein Kollektorläufer
vorgesehen ist, der nicht nur die Baulänge des Startermotors in erheblichem
Maße bestimmt,
sondern auch aufgrund seines Abriebes an den Kollektorlamellen und
insbesondere an den Kohlebürsten
eine begrenzte Lebensdauer aufweist.
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Mit
der vorliegenden Lösung
wird angestrebt, die Abmessungen der Startvorrichtung bei vorgegebener
Leistung sowie den Verschleiß zu
verringern und damit die Lebensdauer zu erhöhen.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Startvorrichtung
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das dort
angewendete Verfahren zum Andrehen einer Brennkraftmaschine mit
den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 11 hat den Vorteil, dass
durch die spezielle Verwendung und Ansteuerung eines EC-Motors als
Startermotor die Abmessungen der Startvorrichtung erheblich zu reduzieren sind,
da sowohl ein Einrückrelais
als auch ein Kommutator am Startermotor entfällt. Dadurch ergibt sich ferner,
dass durch den Wegfall des Kommutators auch der dort verursachte
Spannungsabfall entfällt und
somit bei gleicher Geometrie ein Startermotor mit höherer elektrischer
Leistung zu verwenden ist. Außerdem
kann bei fehlendem Kommutator auch die Motordrehzahl erhöht werden,
was am Ritzel zu einem größeren verfügbaren Drehmoment
führt.
Der Wegfall des Kommutators bewirkt ferner eine höhere Betriebssicherheit
sowie eine höhere
Lebensdauer mit höheren
Schaltzahlen, so dass solche Startvorrichtungen für Fahrzeuge
mit einer Start-Stop-Automatik, aber auch für NKW mit extrem hoher Laufleistung
besonders geeignet sind. Ein weiterer Vorteil besteht schließlich darin,
dass durch geeignete Ansteuerung des EC-Motors der Verschleiß am Ritzel
und am Zahnkranz zu reduzieren ist, was ebenfalls die Betriebssicherheit
und die Lebensdauer erhöht.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
ergeben sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der
in den Hauptansprüchen
1 und 11 angegebenen Merkmale.
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So
wird in zweckmäßiger Weise
die mehrphasige Statorwicklung des Startermotors zur Stromversorgung
an eine elektronische Steuer- und Regelvorrichtung angeschlossen,
welche beim Startvorgang zunächst
alle Phasen der Statorwicklung mit Gleichspannung versorgt und sodann
die zeitlich versetzten Spannungsimpulse an die einzelnen Phasen abgibt.
Anstelle eines Einschaltrelais enthält in vorteilhafter Weise die
Steuer- und Regelvorrichtung eine Logik, welche Treiber-Endstufen ansteuert,
die mit jeweils einer der Phasen der Statorwicklung verbunden sind.
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In
einfachster Weise ist zur Erzielung der Rückstellkraft am Rotor des Startermotors
eine vorgespannte Rückstellfeder
zwischen einem ortsfesten Gehäuseanschlag
und einer mit dem Rotor axial verschiebbaren Anschlagschulter eingesetzt.
Dabei ist zweckmäßigerweise
der Rotor über
ein axial verschiebbares Getriebe mit einer das Andrehritzel tragenden
Ritzelwelle verbunden. Dabei ist das Getriebe zweckmäßigerweise über ein
Zwischenlager aufgenommen, das in vorteilhafter Weiterbildung der
Erfindung am Statorgehäuse
axial verschiebbar aufgenommen ist. In zweckmäßiger Weise kann dabei das Zwischenlager
auf seiner dem Andrehritzel zugewandten Stirnseite als Anschlagschulter
für die
Rückstellfeder
ausgebildet sein. Bei Verwendung eines Freilaufes zum Schutz des
Startermotors beim Hochlaufen der Maschine wird vorgeschlagen, in
an sich bekannter Weise die Ritzelwelle über einen solchen Freilauf
mit dem Getriebe zu verbinden.
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In
einfachster Weise werden die erfindungswesentlichen vier zeitlich
aufeinander folgenden Stufen des Andrehvorgangs nach dem Hauptanspruch 11
in fest vorgegebenen Zeitabschnitten durchlaufen. In Weiterbildung
der Erfindung ergibt sich jedoch eine erheblich komfortablere Lösung dadurch,
dass der zeitliche Abstand der vier aufeinander folgenden Stufen
des Andrehvorgangs von elektrischen und/oder mechanischen Parametern
der Startvorrichtung gesteuert wird. Ferner ist es vorteilhaft,
zur Steuerung des Stromes in den Phasen der Statorwicklung beim Vor-
und Zurückspuren
des Andrehritzels einen Wegsensor vorzusehen, der die jeweilige
axiale Position des Andrehritzels erfasst. Dadurch lässt sich zweckmäßigerweise
erreichen, dass über
die Erfassung der Ritzelposition der Beginn der Stufen II und III
des Andrehvorgangs gesteuert wird. Für ein verschleißarmes Einspuren
und Andrehen des Andrehritzels ist es ferner vorteilhaft, wenn in
den Stufen II und III die Spannungsimpulse mit ansteigendem Tastverhältnis bei
ansteigender Taktrate getaktet werden. Ferner ist es zum Hochdrehen
der Brennkraftmaschine vorteilhaft, wenn in Stufe III die Spannungsimpulse
mit ansteigender Frequenz an die Phasen der Statorwicklung angelegt
werden. Um den Startermotor bei jedem Andrehen zuverlässig in
die vorgegebene Drehrichtung anzusteuern, wird bereits in der Stufe
I beim Vorspuren des Andrehritzels die Drehlage des Rotors berücksichtigt,
indem in vorteilhafter Weise ein Positionssensor im Startermotor
angeordnet ist, der zur Steuerung des Stromes in den Phasen der
Statorwicklung die Drehlage des Rotors in der Ruhelage erfasst.
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In
einfachster Weise werden zur Erzeugung des Drehfeldes im Stator
des EC-Motors die zeitlich zueinander versetzten Spannungsimpulse
in den Phasen der Statorwicklung durch Impulse mit gleicher Polarität realisiert.
Dabei kann in zweckmäßiger Weise
in Stufe II des Andrehvorgangs das Drehfeld einem Gleichfeld überlagert
werden, welches durch das Anlegen einer Gleichspannung an alle Phasen der
Statorwicklung erzeugt wird. Da jedoch der Rotor des EC- Motors auch durch
das Drehfeld in der eingezogenen Position im Stator gehalten wird,
ist es steuerungstechnisch zweckmäßiger, wenn die Spannungsimpulse
in den Phasen der Statorwicklung Impulse mit wechselnder Polarität sind.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der dazugehörigen Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen Längsschnitt
durch eine erfindungsgemäße Startvorrichtung
in Ruhelage,
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2 einen Querschnitt durch
den Startermotor aus 1 in
Ruhelage,
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3 einen Querschnitt des
Startermotors beim Einspuren und Drehbeginn,
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4 einen Längsschnitt
der Startvorrichtung mit eingespurtem Andrehritzel,
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5 ein Schaltschema einer
Steuer- und Regelvorrichtung mit angeschlossenem Startermotor,
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6 ein Flussdiagrammm mit
den einzelnen Stufen eines Andrehvorgangs,
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7, 8 und 9 den
Strom-Spannungs-Verlauf in den einzelnen Phasen und Spulen der Statorwicklung
beim Andrehvorgang mit Impulsen abwechselnder Polarität und
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10 den Spannungsverlauf
der einzelnen Phasen und den Einspurweg des Andrehritzels beim Anlegen
von Spannungsimpulsen gleicher Polarität.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In
den 1 bis 4 ist eine erfindungsgemäße Startvorrichtung
zum Andrehen einer Brennkraftmaschine dargestellt und mit 10 bezeichnet.
Sie umfasst im wesentlichen einen Startermotor 11, ein
Planetengetriebe 12, einen Freilauf 13 und eine
Ritzelwelle 14, welche vorn ein frei ausstoßendes Andrehritzel 15 trägt. Das
Planetengetriebe 12 ist antriebsseitig mit einer Antriebswelle 16 eines
axialen verschiebbaren Rotors 17 des Startermotors 11 verbunden,
der über
das Planetengetriebe 12, den Freilauf 13 und die
Ritzelwelle 14 mit dem Andrehritzel 15 in Wirkverbindung
steht. Bei der Startvorrichtung 10 handelt es sich um einen
Schubtriebstarter, dessen Ritzel entgegen der Kraft einer Rückstellfeder 18 in
einen Zahnkranz 19 einzuspuren vermag, der seinerseits mit
der Kurbelwelle der nicht dargestellten Brennkraftmaschine verbunden
ist. Der Rotor 17 ist innerhalb eines Stators 20 des
Startermotors 11 angeordnet. Der Stator 20 besteht
aus einem Polgehäuse 21 mit
radial nach innen gerichteten Polen 22 und einer Statorwicklung 23,
deren Einzelspulen 1a, 1b, 2a, 2b und 3a, 3b jeweils
auf einem der Pole 22 befestigt ist. Die Antriebswelle 16 des
Rotors 17 ist hinten im Polgehäuse 21 in einem Lager 24 eines
Lagerschildes 25 axial verschiebbar aufgenommen, wobei
eine Abdeckplatte 26 das Polgehäuse 21 am hinteren
Ende abschließt.
Ferner ist das Planetengetriebe 12 abtriebsseitig in einem
Zwischenlager 27 aufgenommen, welches sich innen am Polgehäuse 21 abstützt und
mit radialen Vorsprüngen 28 in
Längsschlitzen 29 eingreift,
so dass das Zwischenlager 27 innerhalb dieser Längsschlitze 29 axial
verschiebbar aufgenommen ist. Die Längsschlitze 29 können dabei
außen
abgedeckt werden, um das Eindringen von Schmutz, Feuchtigkeit und
dergleichen in die Startvorrichtung 11 zu verhindern. Das
Zwischenlager 27 bildet dabei auf seiner dem Andrehritzel 15 zugewandten
Stirnseite 27a eine Anschlagschulter für die Rückstellfeder 18. Am
vorderen Ende des Polgehäuses 21 ist
das Andrehritzel 15 an der Ritzelwelle 14 in einem
Lager 30 einer Lagerplatte 31 axial verschiebbar
gelagert, welche ihrerseits am Polgehäuse 21 befestigt ist.
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In
den 1 und 2 ist die Startvorrichtung 10 in
ihrer Ruhelage dargestellt. Um dabei das Andrehritzel 15 in
seiner ausgespurten Stellung zum Zahnkranz 19 zu halten,
ist die Rückstellfeder 18 entsprechend
vorgespannt zwischen der Lagerplatte 31 als ortsfesten
Gehäuseanschlag 31a und
der Stirnseite 27a des Zwischenlagers 27 eingesetzt.
Außerdem
ist die Ritzelwelle 14 über
den Freilauf 13 mit dem Planetengetriebe 12 derart
verbunden, dass nur in der vorgegebenen Drehrichtung ein Drehmoment vom
Startermotor 11 auf die Ritzelwelle 14 übertragen
wird. Dabei ist auch der Rotor 17 des Startermotors 11 im
Ruhezustand durch die Rückstellkraft
der Rückstellfeder 18 aus
der Mitte des ihn umgebenden Stators 20 heraus axial gegen
einen Anschlag verschoben, der durch die hintere Schulter 29a der Längsschlitze 27 gebildet
wird, in welche die radialen Vorsprünge 28 des Zwischenlagers 27 am
Polgehäuse 21 eingreifen.
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Der
Startermotor 11 der erfindungsgemäßen Startvorrichtung 10 ist
ein elektrisch kommutierter Motor, der einen permanentmagnetischen
Rotor 17 mit in Umfangsrichtung wechselnden Polen sowie
einen damit zusammenwirkenden Stator 20 mit einer mehrphasigen
Statorwicklung 23 aufweist. Aus 2 und 3 ist
erkennbar, dass der Rotor 17 im Beispielsfalle zweipolig
mit zwei radial magnetisierten Dauermagneten 33, 34 abwechselnder
Polarität
ausgestattet ist. Im Ruhezustand ist die Drehlage des Rotors 17 unbestimmt,
da in den Phasen der Statorwicklung 23 kein Strom fließt.
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Im
Folgenden wird nun die Wirkungsweise der Startvorrichtung 10 beim
Andrehen der Brennkraftmaschine mit Hilfe der 5 bis 8 näher beschrieben. 5 zeigt zunächst im
schematischen Aufbau eine Steuer- und Regelvorrichtung zur Stromversorgung
der mehrphasigen Statorwicklung 23 des Startermotors 11.
Sie besteht aus einer Steuerlogik 35, deren drei Ausgänge 35a einen
Verstärker 36 mit Treiber-Endstufen ansteuern,
deren Ausgang jeweils mit einer der drei Phasen Ph1, Ph2 und Ph3
der Statorwicklung 23 verbunden ist. Die Statorwicklung 23 hat
dabei drei Wicklungsstränge 1, 2 und 3,
die jeweils aus den zwei Spulen 1a, 1b, 2a, 3b und 3a, 3b für je einen
Pol 22 des sechspoligen Stators 20 gemäß 2 und 3 bestehen. Logik 35 und Verstärker 36 sind
dabei jeweils auf Masse gelegt und über eine Plus-Klemme am Pluspol
einer nicht dargestellten Akkumulatorbatterie angeschlossen.
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Mit
der Betätigung
eines Startschalters 37 werden mit der Startvorrichtung 10 die
einzelnen Stufen eines Andrehvorgangs durchlaufen, die in 6 durch ein Flussdiagramm
dargestellt sind und mit dem Impulsdiagramm für die 3 Phasen Ph1, Ph2 und Ph3
gemäß 7 näher beschrieben werden.
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Mit
dem Schließen
des Startschalters 37 gelangt das Pluspotential an Klemme 50 und
dadurch wird in der Steuerlogik 35 das Ablaufprogramm nach 6 mit dem Programmschritt 38 gestartet.
Im Programmschritt 39 wird für die Startvorrichtung zunächst ein
Systemcheck durchgeführt,
wobei unter anderem verschiedene physikalische Parameter zur Steuerung
der Startvorrichtung erfasst werden. Dazu gehört unter anderem die Temperatur
der Brennkraftmaschine, die über
einen Temperaturfühler 40 der Steuerlogik 35 zugeführt wird.
Dazu gehört
ferner ein Positionssensor 41, der die axiale Position
des Andrehritzels 15 erfasst und der Steuerlogik 35 zuführt. Dieser
Sensor 41 ist gemäß 1 und 4 beispielsweise im Längsschlitz 29 des
Polgehäuses 21 angebracht
und erfasst dort die axiale Position des radialen Vorsprungs 28 am
Zwischenlager 27. Desweiteren erfasst ein mit der Steuerlogik 35 verbundener Drehlagesensor 42 die
Drehlage der Antriebswelle 16 des Rotors 17. Er
ist im Beispielsfall nach 1 und 4 am hinteren Lagerschild 25 des
Startermotors 11 angeordnet. Die Erfassung der Drehlage
des Rotors 17 dient dazu, den Rotor 17 aus der
freien Ausgangslage gemäß 2 heraus mit dem Anlegen
der Spannung an die Statorwicklung 23 sogleich in die richtige
Drehrichtung zu starten.
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Dazu
wird im folgenden Programmschritt 43 in der Stufe I des
Andrehvorgangs eine Gleichspannung u1 an die Phasen Ph1, Ph2, Ph3
der Statorwicklung 23 angelegt, um im Stator 20 ein
statisches Magnetfeld mit am Umfang abwechselnder Polarität zu erzeugen.
Gemäß 7 wird dabei an die Phase Ph1
ein Pluspotential, an die Phase Ph2 ein Minuspotential und an die
Phase Ph3 ein Pluspotential angelegt. Da die einzelnen Spulen 1a, 1b sowie 2a, 2b und 3a, 3b der
drei Wicklungsstränge 1, 2 und 3 auf den
Statorpolen 22 jeweils gegenphasig gewickelt sind, ergibt
sich an den Polen 22 des Stators 20 die in 3 dargestellte abwechselnde
Polarität über den
Umfang des Stators 20. Dieses statische Magnetfeld wirkt
nun auf den vorzugsweise aus einem Blechpaket bestehenden Rotor 17 und
dessen Permanetmagnete 33, 34 ein. Dabei wird
einerseits der Rotor in Richtung des Pfeils 44 gedreht,
da sein Nordpol aus der Ruhelage gemäß 2 heraus vom Nordpol der Spule 3b abgestoßen sowie
vom Südpol der
Spule 1a angezogen wird. Ebenso wird der Südpol des
Rotors 17 vom Südpol
der Spule 3a abgestoßen
und vom Nordpol der Spule 1b angezogen, so dass der Rotor 17 nunmehr
die in 3 dargestellte Position
einnimmt. Außerdem
wird aber der Rotor 17 durch das statische Magnetfeld des
Stators 20 aus seiner axialen Ruhelage gemäß 1 heraus gegen die Kraft
der Rückstellfeder 18 in
den Stator 20 in Richtung des Pfeils 45 gemäß 4 eingezogen und dabei das
Planetengetriebe 12 mit dem Freilauf 13 und dem
Andrehritzel 15 vorgespurt.
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Nach
Ablauf einer vorgegebenen Zeit wird nun gemäß 7 zur Zeit t1 das Gleichfeld abgeschaltet
und in der Stufe II des Andrehvorgangs werden nunmehr an den einzelnen
Phasen Ph1, Ph2 und Ph3 zeitlich zueinander versetzte Spannungsimpulse angelegt,
mit denen im Programmschritt 46 im Falle einer Zahn-Auf-Zahn-Stellung
das Andrehritzel 15 vollständig in den Zahnkranz 19 eingespurt
wird. In 7 ist erkennbar,
dass dabei die zeitlich zueinander versetzten Spannungsimpulse der
drei Phasen zwischen Plus- und Minuspotential von der Steuerlogik 35 umgeschaltet
werden. Dadurch wird im Stator 20 ein Drehfeld mit geringer
Drehzahl in Richtung des Pfeils 44 nach 3 erzeugt, damit das Andrehritzel 15 möglichst
sanft in eine Zahnlücke
des Zahnkranzes 19 einspuren kann. Dabei gelangen die axialen Vorsprünge 28 des
Zwischenlagers 27 an einen vorderen Anschlag 29b des
Längsschlitzes 29.
Dort wird der Rotor 17 vom Drehfeld in seiner Einrücklage gemäß 4 mit dem geringsten magnetischen
Widerstand zum Stator 20 gehalten.
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Nach
dem Einspuren des Andrehritzels 15 wird mit dem Erreichen
der Zeit t2 gemäß 7 in der folgenden Stufe
III des Andrehvorgangs zum Starten der Brennkraftmaschine die Frequenz
der Spannungsimpulse in den einzelnen Phasen der Statorwicklung 23 erhöht. Dadurch
wird im Programmschritt 47 dementsprechend die Drehzahl
des Zahnkranzes 19 beschleunigt und damit die Brennkraftmaschine
auf die zum Starten erforderliche Mindestdrehzahl hochgeschleppt.
Mit dem Erreichen der Zeit t3 dreht der Startermotor 11 nun
im Programmschritt 48 den Zahnkranz 19 mit maximaler
Taktfrequenz, um die Brennkraftmaschine bis zum selbständigen Anlauf
durch ihre Kompressions- und Dekompressionsphasen durchzudrehen.
Mit dem Anlauf der Brennkraftmaschine wird das Andrehritzel 14 zusätzlich beschleunigt,
so dass der Freilauf 13 öffnet und den Startermotor 11 vor
dem Erreichen der Leerlaufdrehzahl der Maschine abkoppelt. Nach
dem Hochlaufen der Brennkraftmaschine wird im Programmschritt 49 beim
Erreichen der Zeit t4 gemäß 7 die Stromversorgung der Statorwicklung
mit dem Öffnen des
Startschalters 37 abgeschaltet. Durch die Kraft der gespannten
Rückstellfeder 18 gemäß 4 wird nun das Andrehritzel 15 aus
dem Zahnkranz 19 ausgespurt und mitsamt der Ritzelwelle
14, dem Freilauf 13, dem Planetengetriebe 12 und
dem Rotor 17 des Startermotors 11 in die Ruhelage
axial zurückgedrängt. Damit
ist der Andrehvorgang im Programmschritt 51 beendet.
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Im
einfachsten Fall können
die Zeiten für
die Stufen I, II und III des Andrehvorgangs in der Steuerlogik 35 fest
vorgegeben werden. Komfortabler ist es jedoch, diese in Abhängigkeit
von Parametern der Maschine und beziehungsweise oder der Startvorrichtung 10 zu
steuern. So kann mit Hilfe des Positionssensors 41 die
axiale Ritzelposition beim Vorspuren und Einspuren erfasst werden
und abhängig
davon der Beginn der Stufe II und III des Andrehvorgangs gesteuert
werden. Um ein verschleißarmes sanftes
Vorspuren und Einrücken
des Andrehritzels 15 am Zahnkranz 19, sowie ein
weiches Andrehen der Brennkraftmaschine zu erzielen, können in
den Stufen II und III des Andrehvorgangs die Spannungsimpulse in
der Statorwicklung 23 über
die Steuerlogik 35 mit einer ansteigenden Taktrate getaktet
werden. 8 zeigt eine
solche ansteigende Taktung mit zunehmendem Tastverhältnis der
Spannungsimpulse sowie den damit erzielten Stromverlauf i in den
Spulen 1a, 1b des Wicklungsstranges 1.
Durch die ansteigenden Taktraten der Impulse lässt sich durch die Induktivität des Stators 20 sowohl
der Stromverlauf und damit auch das Drehmoment am Andrehritzel in gewünschter
Weise steuern.
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Anstelle
von Rechteckimpulsen abwechselnder Polarität können auch sinusförmige Wechselspannungen
verwendet werden. Die Vor- und Einspurzeit des Andrehritzels 15 beim
Andrehvorgang kann auch dynamisch in Abhängigkeit von Alter des Starters
und der Temperatur der Maschine über
die Steuerlogik 35 beeinflusst werden. Zum Durchdrehen
der Brennkraftmaschine wird die maximale Leistungsabgabe der Startvorrichtung
durch die maximale Taktrate von 100 erzielt. Das Beenden des Startvorgangs
wird in einfachster Weise durch Öffnen
des Startschalters 37 bewirkt. Komfortabler ist jedoch, wenn
die Steuerlogik 35 den Startvorgang auch noch selbsttätig, zum
Beispiel mit dem Erreichen der Leerlaufdrehzahl der Maschine oder
beim Absinken der Bordnetzspannung unter einem Mindestwert sowie beim
Erreichen einer maximal zulässigen
Temperatur der Startvorrichtung, insbesondere des Startermotors
beendet.
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In 9 wird die taktweise Drehung
des Rotors 17 mittels der an den Spulen 1a, 2a, 3a und 1b, 2b, 3b der
Statorwicklung 23 beim Durchdrehen der Brennkraftmaschine
im Programmschritt 47 nach 6 nochmals
näher erläutert. Dabei
wird deutlich, dass in Drehschritten von jeweils 60° der Spannungsimpuls
der jeweils in Drehrichtung nächsten
Spule von Plus- auf Minuspotential oder umgekehrt, umgeschaltet
wird, so dass sich die Spannungsimpulse der benachbarten Spulen
um jeweils 120° Drehung
des Rotors 17 überlappen.
Dies hat zur Folge, dass bei dem dadurch erzeugten Drehfeld im Stator 20 jeweils paarweise
Nord- und Südpole
aufeinander folgen, wobei diese Polausbildung mit jedem Schritt
des Drehfeldes um 60° fortschreitet.
Die Permanentmagnete 33, 34 des Rotors 17 werden
dabei mitgenommen, so dass der Rotor 17 mit jeder vollen
Periode der Spannungsimpulse in der Statorwicklung 23 synchron
mit dem Drehfeld eine Umdrehung vollzieht.
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Alternativ
zu der Lösung
nach 7, bei der die
Spannungsimpulse in den einzelnen Phasen der Statorwicklung 23 aus
Impulsen mit wechselnder Polarität
bestehen, können
dort über
die Steuerlogik 35 und den Verstärker 36 gemäß 5 auch zeitlich zueinander
versetzte Spannungsimpulse gleicher Polarität an die Phasen Ph1, Ph2 und
Ph3 des Startermotors 11 angelegt werden.
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Eine
solche Alternative ist in 10 in
einem Zeitdiagramm für
die Phasen Ph1, Ph2 und Ph3 dargestellt und mit einem Wegdiagramm
für die
Position des Andrehritzels 15 während eines Andrehvorgangs ergänzt. Dabei
wird zur Steuerung der Impulse in den Phasen der Statorwicklung 23 die
axiale Position des Andrehritzels 15 über einen Wegsensor erfasst,
der im Beispielsfall durch den Lagesensor 41 nach 1 und 4 realisiert ist. Mit dem Schließen des
Startschalters 37 zur Zeit t0 wird
zunächst
in Stufe I des Andrehvorgangs an alle drei Phasen der Statorwicklung 23 eine
Gleichspannung positiver Polarität
angelegt, die im Stator 20 ein magnetisches Gleichfeld
erzeugt, durch den der Rotor 17 gegen die Kraft der Rückstellfeder 18 in
den Stator 20 in Pfeilrichtung 45 eingezogen wird.
Das Andrehritzel 15 legt dabei ebenfalls einen Weg s1 zurück, wonach
es in den meisten Fällen in
einer Zahn-Auf-Zahn-Stellung am Zahnkranz 19 der Maschine
anstößt. Zur
Zeit t1 wird nun in Stufe II des Andrehvorgangs der Gleichspannung
u1 in den drei Phasen Ph1, Ph2 und Ph3 jeweils ein Spannungsimpuls
u2 überlagert,
wobei diese Spannungsimpulse u2 in den drei Phasen gegen einander
zeitlich versetzt sind. Damit wird dem Gleichfeld des Stators 20 durch
die Impulse u2 ein Drehfeld überlagert, mit
dem der Rotor 17 mit kleiner Drehzahl anläuft und dabei
das Andrehritzel 15 in die nächste Zahnlücke des Zahnkranzes 19 einspurt.
Nach dem völligen
Einspuren des Andrehritzels 15 hat es den Weg s2 zurückgelegt,
so dass nunmehr zur Zeit t2 dem Gleichfeld des Stators 20 ein
Drehfeld mit höherer
Drehgeschwindigkeit überlagert
wird, indem die Amplitude und Frequenz der an die drei Phasen angelegten Spannungsimpulse
u3 erhöht
wird. Damit wird die Brennkraftmaschine hochgezogen und zur Zeit
t3 gestartet. Nach dem Hochlaufen der Brennkraftmaschine wird schließlich in
Stufe IV des Andrehvorgangs die Spannung an der Statorwicklung 23 zur
Zeit t4 abgeschaltet. Die Rückstellfeder 18 drückt sodann das
Zwischenlager 27 mit dem Planetengetriebe 12 und
dem Rotor 17 in die Ruhelage zurück und spurt dabei das Andrehritzel 15 aus
dem Zahnkranz 19 aus.
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Dabei
ist ein Überlagern
des Gleichfeldes nach Stufe I des Andrehvorgangs mit einem Drehfeld nach
Stufe II und III nicht zwingend erforderlich. Vielmehr kann das
Gleichfeld in den Stufen II und III des Andrehvorgangs auch abgeschaltet
werden, da das mit den zueinander versetzten Spannungsimpulsen u2
und u3 erzeugte Drehfeld stark genug ist, um den Rotor 17 nicht
nur in die gewünschte
Drehrichtung gemäß Pfeil 44 zu
drehen, sondern ihn auch in der Einzugsposition im Stator 20 zu
halten. Ebenso kann auch dem Gleichfeld in der Stufe I ein Drehfeld
nach Stufe II überlagert
werden oder die Zeitspanne für
die Stufe I kann bis auf Null verkürzt werden, sofern das Drehfeld
in der Stufe II stark genug ist, um den Rotor 17 in die
Einzugsposition zu ziehen.