DE112011103156T5

DE112011103156T5 - Anlassmotorsolenoid mit variablem Reluktanzplunger

Info

Publication number: DE112011103156T5
Application number: DE112011103156T
Authority: DE
Inventors: Stephen P. Santichen; Michael D. Bradfield
Original assignee: Remy Technologies LLC
Current assignee: PHINIA DELPHI LUXEMBOURG SARL, LU
Priority date: 2010-09-21
Filing date: 2011-09-16
Publication date: 2013-07-18
Also published as: US20130199509A1; WO2012040047A1; CN103125063B; KR20130108360A; KR101811082B1; CN106939865A; CN103125063A; US8421565B2; US20140240067A1; US9424972B2; US20120068796A1; US8754731B2; CN106939865B

Abstract

Ein Solenoid für einen Fahrzeuganlassmotor umfasst wenigstens eine Spule mit einem Durchgang, der sich durch die Spule erstreckt. Ein Plunger ist gleitend innerhalb des Durchgangs positioniert und ausgelegt, sich in eine axiale Richtung zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position zu bewegen. Der Plunger umfasst einen im Wesentlichen zylinderförmigen Außenflächenabschnitt mit einer umfänglichen Nut, die in dem Außenflächenabschnitt ausgebildet ist. Die wenigstens eine Spule kann eine Anzugsspule und eine Haltespule umfassen, die auf einen Spulenkörper gewickelt sind. Ein Plattenelement ist an einem Ende des Spulenkörpers positioniert und von dem Plunger durch einen radialen Abstand getrennt. Der radiale Abstand verändert sich, wenn sich der Plunger in der axialen Richtung als Folge der Bewegung der Nut in Bezug auf das Plattenelement bewegt. Ein Hülsenelement kann mit dem Plunger derart gekoppelt sein, dass das Hülsenelement die umfängliche Nut, die in dem Plunger ausgebildet ist, bedeckt.

Description

GEBIET
Dies betrifft das Gebiet der Fahrzeuganlassmotoren und insbesondere Solenoide für Anlassmotorbaueinheiten.
HINTERGRUND
Anlassmotorbaueinheiten, die das Starten von Motoren unterstützen, wie zum Beispiel Motoren in Fahrzeugen, sind wohl bekannt. Eine herkömmliche Anlassmotorbaueinheit ist in 15 dargestellt. Die Anlassmotorbaueinheit 200 der 23 umfasst ein Solenoid 210, einen Elektromotor 202 und einen Antriebsmechanismus 204. Das Solenoid 210 umfasst eine Spule 212, die durch eine Batterie nach dem Schließen eines Zündschalters erregt wird. Wenn die Solenoidspule 212 erregt wird, bewegt sich ein Plunger 216 in einer linearen Richtung, was ein Drehen eines Schalthebels 205 verursacht und ein Ritzel 206 in Eingriff mit einem Zahnkranz eines Fahrzeugmotors (nicht dargestellt) bringt. Wenn der Plunger 216 einen Plungeranschlag erreicht, werden elektrische Kontakte geschlossen, die den Elektromotor 202 mit der Batterie verbinden. Der erregte Elektromotor 202 dreht sich dann und stellt dem Antriebsmechanismus 204 ein Abtriebsdrehmoment zur Verfügung. Der Antriebsmechanismus 204 überträgt das Drehmoment des Elektromotors über verschiedene Antriebskomponenten zu dem Ritzel 206, das mit dem Zahnkranz des Fahrzeugmotors in Eingriff steht. Dementsprechend führt die Drehung des Elektromotors 202 und Ritzels 206 zum Ankurbeln des Motors, bis der Motor startet.
Viele Anlassmotorbaueinheiten, wie zum Beispiel die Anlassmotorbaueinheit 200 der 15, sind mit einem „Softstart””-Anlassmotoreingriffssystem ausgestattet. Der Zweck eines Softstart-Anlassmotoreingriffssystems ist es, das Ritzel des Anlassmotors mit dem Motorzahnkranz in Eingriff zu bringen, bevor die volle elektrische Leistung an dem Anlassmotor angelegt ist. Wenn das Ritzel während dieses Eingriffs mit dem Zahnkranz aneinander stößt, stellt der Motor ein kleines Drehmoment zur Verfügung, um das Ritzel zu drehen und ermöglicht, dass es richtig mit dem Zahnkranz in Eingriff kommt, bevor ein hoher Strom angelegt wird. Die Ausgestaltung des Solenoids, der Schaltgabel, der elektrischen Kontakte und des Motorantriebs sind derart, dass ein hoher Strom nicht an dem Motor angelegt wird, bevor die Zahnräder richtig in Eingriff stehen. Dementsprechend wird ein Mahlen der Ritzels und des Zahnkranzes in einem Anlassmotor mit einem Softstart-Eingriffssystem verhindert.
Anlassmotoren mit einem Softstart-Eingriffssystem, wie zum Beispiel jenes der 15, umfassen typischerweise ein Solenoid mit zwei verschiedenen Spulen. Die erste Spule ist eine Anzugsspule 212 und die zweite Spule ist eine Haltespule 214. Wie in 15 dargestellt ist, ist die Anzugsspule 212 zuerst auf den Spulenkörper 220 gewickelt. Auf diese Wicklung ist die Haltespule 214 gewickelt. Manchmal ist diese Reihenfolge umgekehrt, so dass die Haltespule 214 zuerst auf den Spulenkörper 220 gewickelt ist, gefolgt von der Anzugsspule 212.
Während des Betriebs des Anlassmotors erregt das Schließen des Zündschalters (typischerweise nach dem Drehen eines Schlüssels durch den Bediener) sowohl die Anzugsspule 212 als auch die Haltespule 214. Strom, der zu dieser Zeit durch die Anzugsspule 212 fließt, erreicht ebenso den Elektromotor 202, was einen begrenzten Strom an den Elektromotor anlegt und zum Drehen des Ritzels mit einem niedrigen Drehmoment führt. Das Erregen der Anzugsspule 212 und der Haltespule 214 bewegt eine Solenoidwelle (hierin als der „Plunger” bezeichnet) in einer axialen Richtung. Die axiale Bewegung des Solenoidplungers bewegt den Schalthebel 205 und lenkt das Ritzel 206 in Richtung des Eingriffs mit dem Motorzahnkranz. Sobald der Solenoidplunger den Plungeranschlag erreicht, wird eine Reihe von elektrischen Kontakten geschlossen, wodurch dem Motor die volle Leistung zugeführt wird. Das Schließen der elektrischen Kontakte schließt die Anzugsspule 212 wirksam kurz, was ungewollte Wärme beseitigt, die durch die Anzugsspule erzeugt wird. Mit der kurzgeschlossenen Anzugsspule stellt jedoch die Haltespule 214 eine ausreichende elektromagnetische Kraft bereit, um den Plunger an der Stelle zu halten und die elektrischen Kontakte in einer geschlossenen Position zu halten, wodurch das fortgesetzte Zuführen der vollen Leistung zu dem Elektromotor 202 ermöglicht wird. Der vollständig mit Energie versorgte Elektromotor 202 treibt das Ritzel 206 an, was zum Drehen des Motorzahnkranzes führt und somit zum Ankurbeln des Fahrzeugmotors.
Nachdem der Motor zündet (d. h. Fahrzeugstart) öffnet der Bediener des Fahrzeugs den Zündschalter. Die elektrische Schaltung der Anlassmotorbaueinheit ist derart ausgestaltet, dass das Öffnen des Zündschalters zu einem Stromfluss durch die Haltespule und die Anzugsspule in entgegengesetzte Richtungen führt. Die Anzugsspule 212 und die Haltespule 214 sind derart ausgestaltet, dass sich die elektromagnetischen Kräfte der zwei Spulen 212, 214 nach dem Öffnen des Zündschalters gegenseitig aufheben und eine Rückstellfeder den Plunger 216 zurück in seine ursprüngliche, nicht erregte Position drängt. Als Folge werden die elektrischen Kontakte, die den Elektromotor 202 mit der elektrischen Energiequelle verbunden hatten, geöffnet und der Elektromotor abgeschaltet.
Um einen Fahrzeuganlassmotor hoher Leistung mit einem Softstart-Motoreingriffssystem herzustellen, wie zum Beispiel den zuvor beschriebenen, sind die Entwickler mit zahlreichen Entwurfsproblemen konfrontiert. Zuerst muss die Anzugsspule genau entworfen werden, um verschiedene Probleme zu vermeiden, die während des Betriebs des Anlassmotors entstehen können. Wie oben beschrieben wurde, stellt die Anzugsspule, wenn die Anzugsspule eines Softstart-Anlassmotoreingriffssystems erregt wird (d. h. wenn die Zündschalterkontakte infolge des Drehens des Motorschalterschlüssels durch den Bediener schließen) eine elektromagnetische Kraft bereit, um den Plunger in Richtung des Plungeranschlags und in die geschlossene Position zu ziehen. Jedoch ist die Anzugsspule elektrisch mit dem Anlassmotor in Reihe geschaltet und sollte lediglich einen geringen Widerstand haben. Mit einem geringen Widerstand durch die Anzugsspule fließt ausreichend Strom durch die Anzugsspule und zu dem Elektromotor derart, dass der Elektromotor ein ausreichendes Abtriebsdrehmoment abgeben kann, um das Ritzel zu drehen und ein Aneinanderstoßen mit dem Zahnkranz zu vermeiden, wie zuvor beschrieben wurde. Dieses erforderliche Drehmoment ist typischerweise 8–12 Nm. Bei einem 12 V-Motor kann der Widerstand in der Größenordnung von 0,030 Ohm liegen, so dass während des Softstarts mehrere hundert Ampere durch den Motor und ebenso die in Reihe geschaltete Anzugsspule fließen. Dieser niedrige Widerstand der Anzugsspule erzeugt jedoch andere Entwurfsprobleme. Erstens wird, wenn die Softstart-Zeitdauer verlängert ist oder wiederholte Starts ausgeführt werden, eine große Menge ohmscher Wärme in der Anzugsspule aufgrund der großen Strommenge erzeugt, die durch die Anzugsspule fließt. Bei einem 12 V-System kann dies in der Größenordnung von 3–4 kW liegen und dies kann zu einem thermischen Defekt des Isolierungssystems der Verdrahtung führen, die die Spule bildet. Zweitens erzeugt der hohe Strom durch die Anzugsspule eine viel stärkere elektromagnetische Kraft auf den Plunger während des Schließens als benötigt wird. Dies kann ein Problem werden, wenn ein Aneinanderstoßen zwischen dem Ritzel und dem Zahnkranz auftritt und die Stoßkraft des Ritzels auf den Zahnkranz 4500 N überschreiten kann. Als Folge könnte der Zahnkranz brechen oder abplatzen. Mit der Zeit und tausenden Starts kann sich die Oberfläche des Zahnkranzes verschlechtern und für einen korrekten Start einen Austausch erfordern.
Entwurfsprobleme bezüglich der Anzugsspule, wie jene, die in dem vorstehenden Absatz erläutert wurden, führen zu zusätzlichen Entwurfsproblemen hinsichtlich anderer Komponenten des Anlassmotors, wie zum Beispiel der Haltespule. Wie in dem vorhergehenden Abschnitt erläutert wurde, weist zum Beispiel die Anzugsspule bestimmte Entwurfsbeschränkungen bezüglich des durch die Anzugsspule fließenden Stroms auf. Da die elektromagnetische Erregung das Produkt aus Spulenwindungen mal Strom ist und da der Strom fest ist, bleibt allgemein die Anzahl der Windungen der Anzugsspule die Hauptentwurfsvariable für die Anzugsspule. Obwohl die Anzahl der Windungen der Anzugsspule verringert werden kann, um das zuvor beschriebene Problem der Aneinanderstoßkraft zu verringern, stellt dies ein Problem mit der Haltespule dar. Insbesondere sollte die Anzahl der Windungen der Haltespule mit der Anzugsspule übereinstimmen, so dass sich während des Auseinanderbringens von Ritzel und Zahnkranz nach dem Fahrzeugstart die elektromagnetischen Kräfte der zwei Spulen gegeneinander aufheben und ein sauberes Herausziehen des Ritzels aus dem Zahnkranz ermöglichen. Vor dem Fahrzeugstart bleibt die Haltespule jedoch für eine viel längere Zeitdauer erregt als die Anzugsspule. Daher sollte die Haltespule keinen niedrigen Widerstand haben oder sie wird thermisch versagen. Somit ist der Widerstand der Haltespule allgemein eine Größenordnung größer als jener der Anzugsspule. Der hohe Widerstand der Haltespule bedeutet, dass der Stromfluss durch die Haltespule vor dem Start relativ niedrig ist, was zu einem relativ niedrigen Ampere-Windungs-Produkt führt. Wenn die Anzahl der Windungen der Haltespule zu niedrig ist, dann liefert die Haltespule eine unzureichende magnetische Kraft, um den Plunger geschlossen zu halten, und der Anlassmotor rückt vor dem Fahrzeugstart aus.
Wie in den vorstehenden Absätzen erläutert wurde, sind die Entwickler von Fahrzeuganlassmotoren mit einem Softstart-Motoreingriffssystem mit gegensätzlichen Entwurfsproblemen für zwei Spulen konfrontiert, die gleichwertige elektromagnetische Kräfte erzeugen sollten. Einerseits bemühen sich die Entwickler, die Windungen der Anzugsspule zu begrenzen, um die Stoßkraft während des Einrückens des Ritzels und des Zahnkranzes zu verringern. Andererseits bemühen sich die Entwickler, die Windungen der Haltespule derart zu erhöhen, dass die Haltespule eine ausreichende elektromagnetische Kraft liefert, um den Plunger in einer geschlossenen Position während des Ankurbelns des Motors zu halten. Dementsprechend wäre es wünschenswert, ein Solenoid für einen Fahrzeuganlassmotor mit einer Anzugsspule bereitzustellen, welche die Stoßkraft während des Einrückens von Ritzel und Zahnkranz begrenzt. Es wäre ebenso wünschenswert, eine Haltespule für das Solenoid bereitzustellen, welche eine ausreichende elektromagnetische Kraft liefert, um den Plunger während den Ankurbelns des Motors in einer geschlossenen Position zu halten. Außerdem wäre es wünschenswert, wenn ein solches Solenoid relativ einfach im Entwurf und kostengünstig umzusetzen wäre.
KURZFASSUNG
In Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der Offenbarung wird ein Solenoid für einen Fahrzeuganlassmotor bereitgestellt. Das Solenoid umfasst wenigstens eine Spule mit einem sich durch die Spule erstreckenden Durchgang. Ein Plunger ist gleitend innerhalb des Durchgangs positioniert und ausgelegt, sich in einer axialen Richtung zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position zu bewegen. Der Plunger umfasst einen im Wesentlichen zylinderförmigen Außenflächenabschnitt mit einer umfänglichen Nut, die in dem Außenflächenabschnitt ausgebildet ist.
In wenigstens einer Ausführungsform des Solenoids weist die wenigstens eine Spule eine erste Spule und eine zweite Spule auf, wobei die erste Spule benachbart zur zweiten Spule in der axialen Richtung ist. Die erste Spule ist eine Anzugsspule und die zweite Spule ist eine Haltespule. Die Haltespule und die Anzugsspule sind um einen Spulenkörper gewickelt und der Durchgang erstreckt sich durch den Spulenkörper. Ein Plattenelement ist an einem Ende des Spulenkörpers positioniert, wobei das Plattenelement von dem Plunger durch einen radialen Abstand getrennt ist. Der radiale Abstand verändert sich, wenn sich der Plunger von der ersten Position zu der zweiten Position als Folge der Bewegung der Nut in Bezug auf das Plattenelement bewegt. Ein Hülsenelement kann derart mit dem Plunger gekoppelt sein, dass das Hülsenelement die in dem Plunger ausgebildete umfängliche Nut bedeckt.
In wenigstens einer Ausführungsform weist ein Verfahren zum Betreiben eines Solenoids für einen Fahrzeuganlassmotor das Erregen wenigstens einer Spule des Solenoids auf. Das Verfahren weist ferner das Bewegen eines Plungers in einer axialen Richtung als Folge der Erregung der wenigstens einen Spule auf. Zusätzlich weist das Verfahren das Verändern der magnetischen Reluktanz zwischen dem Plunger und einer Solenoidwand als Folge der Plungerbewegung in die axiale Richtung auf.
Die vorstehend beschriebenen Merkmale und Vorteile sowie weitere werden dem Fachmann ohne weiteres durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die angehängten Zeichnungen offensichtlicher werden. Obwohl es wünschenswert wäre, ein Solenoid bereitzustellen, das ein oder mehrere dieser oder anderer vorteilhafter Merkmale vorsehen würde, erstrecken sich die hierin offenbarten Lehren auf jene Ausführungsformen, die in den Geltungsbereich der angehängten Ansprüche fallen, ungeachtet dessen, ob sie einen oder mehrere der zuvor genannten Vorteile erreichen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt ein schematisches Diagramm eines Fahrzeuganlassmotors dar, der einen Motor und ein Solenoid umfasst;
2 stellt eine perspektivische Ansicht eines Spulenkörpers, einer Anzugsspule und einer Haltespule des Solenoids der 1 dar;
3 stellt ein Diagramm dar, das Linien des magnetischen Flusses durch das Solenoid veranschaulicht, wenn die Anzugsspule und die Haltespule der 2 erregt sind und der Plunger von einem Plungeranschlag entfernt ist;
4 stellt ein Diagramm dar, das Linien des magnetischen Flusses durch das Solenoid veranschaulicht, wenn die Anzugsspule und die Haltespule der 2 erregt sind und sich der Plunger in einem Übergang in Richtung des Plungeranschlags befindet;
5 stellt ein Diagramm dar, das Linien des magnetischen Flusses durch das Solenoid veranschaulicht, wenn lediglich die Haltespule der 2 erregt ist und der Plunger mit dem Plungeranschlag in Eingriff steht;
6 stellt eine Querschnittsansicht des Spulenkörpers der 2 dar, die entlang einer Mittellinie des Spulenkörpers erstellt wurde;
6A stellt eine Querschnittsansicht des Spulenkörpers entlang der Linie A-A der 6 dar, die eine Seite eines Mittelflansches des Spulenkörpers veranschaulicht;
6B stellt eine Querschnittsansicht des Spulenkörpers entlang der Linie B-B der 6 dar, die eine andere Seite des Mittelflansches des Spulenkörpers veranschaulicht;
6C stellt eine Seitenansicht des Spulenkörpers entlang der Linie C-C der 6 dar, die einen Endflansch des Spulenkörpers veranschaulicht;
7 stellt eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform des Spulenkörpers der 2 dar;
8 stellt den Spulenkörper der 7 dar, wobei die Haltespule in einer Richtung in eine zweite Spulenbucht des Spulenkörpers gewickelt ist;
9 stellt den Spulenkörper der 8 dar, wobei die Haltespule in einer entgegengesetzten Richtung in die zweite Spulenbucht des Spulenkörpers gewickelt ist;
10 stellt den Spulenkörper der 9 dar, wobei die Haltespule vollständig in die zweite Spulenbucht des Spulenkörpers gewickelt ist;
11 stellt den Spulenkörper der 10 dar, wobei die Anzugsspule in eine erste Spulenbucht des Spulenkörpers gewickelt ist;
12 stellt den Spulenkörper der 11 dar, wobei die Anzugsspule vollständig in die erste Spulenbucht des Spulenkörpers gewickelt ist;
13 stellt eine Querschnittsansicht des Spulenkörpers entlang der Linie D-D der 12 dar, welche die Haltespule und die Anzugsspule umfasst, die auf dem Spulenkörper positioniert sind;
14 stellt eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform des Spulenkörpers, der Haltespule und der Anzugsspule der 13 dar;
15 stellt eine Querschnittsansicht des Spulenkörpers, der Anzugsspule und der Haltespule der 2 mit einer alternativen Ausführungsform eines Solenoidplungers mit umfänglicher Nut dar, der in dem Innendurchgang positioniert ist;
16 stellt einen Graphen dar, der den Unterschied der axialen Plungerkraft zwischen einem Standardplunger und dem variablen Reluktanzplunger der 15 veranschaulicht, während der axiale Plungerspalt geschlossen wird;
17 stellt eine Querschnittsansicht der Position der umfänglichen Nut dar, wenn sich der Plunger in der Position A der 16 befindet;
18 stellt eine Querschnittsansicht der Position der umfänglichen Nut dar, wenn sich der Plunger in der Position B der 16 befindet;
19 stellt eine Querschnittsansicht der Position der umfänglichen Nut dar, wenn sich der Plunger in der Position C der 16 befindet;
20 stellt eine Querschnittsansicht der Position der umfänglichen Nut dar, wenn sich der Plunger in der Position D der 16 befindet;
21 stellt eine isolierte Seitenansicht des Plungers mit der umfänglichen Nut der 15 dar, wobei ein Hülsenelement über der umfänglichen Nut positioniert ist;
21A stellt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des Hülsenelements der 21A dar;
21B stellt eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des Hülsenelements der 21A dar;
22 stellt eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform des Plungers, Spulenkörpers, der Anzugsspule und Haltespule der 15 dar, wobei die Hülse der 21 an dem Plunger positioniert ist; und
23 stellt ein Schnittbild eines herkömmlichen Anlassmotors mit einem Softstart-Anlassmotoreinrücksystem dar.
BESCHREIBUNG
Allgemeine Anlassmotoranordnung
Mit Bezug auf 1 weist in wenigstens einer Ausführungsform ein Anlassmotor 100 für ein Fahrzeug einen Elektromotor 102 und ein Solenoid 110 auf. Obwohl in 1 nicht dargestellt, umfasst der Anlassmotor 100 ebenfalls einen Antriebsmechanismus und ein Ritzel ähnlich der herkömmlichen Anlassmotorbaueinheit 200, die oben mit Bezug auf 15 beschrieben wurde. Der Elektromotor 102 in der Ausführungsform der 1 ist in einer Motorschaltung 104 positioniert, die ausgelegt ist, den Motor mit der Fahrzeugbatterie (nicht dargestellt) über den Anschluss B+ zu verbinden. Das Solenoid 110 ist in der Motorschaltung 104 positioniert, um die Verbindung des Motors mit der Fahrzeugbatterie zu ermöglichen. Das Solenoid umfasst eine Anzugsspule 112, eine Haltespule 114, einen Plunger 116 und einen Zündschalter 118.
Die Motorschaltung 104 der 1 umfasst einen ersten Strompfad 106 und einen zweiten Strompfad 108, die ausgelegt sind, dem Elektromotor 102 elektrische Leistung bereitzustellen. Der erste Strompfad 106 beginnt an dem Anschluss B+, führt über die Kontakte 119 des Zündschalters 118, fährt fort zum Knoten 115, führt durch die Anzugsspule und endet an dem Eingangsanschluss 103 des Elektromotors 102. Dementsprechend ist der erste Strompfad 106 nur ein geschlossener Pfad, wenn die Kontakte 119 des Zündschalters 118 geschlossen sind.
Der zweite Strompfad 108 beginnt bei dem Anschluss B+, führt über die dem Plunger 116 zugeordneten Motorkontakte 117 und endet an dem Eingangsanschluss 103 des Elektromotors 102. Dementsprechend ist dieser zweite Strompfad 108 nur ein geschlossener Pfad, wenn der Plunger 116 die Motorkontakte 117 geschlossen hat. Wenn der zweite Strompfad 108 geschlossen ist, ist außerdem der erste Strompfad 106 durch den zweiten Strompfad 108 kurzgeschlossen und es fließt kein Strom durch die Anzugsspule 112. Nach dem Schließen des Zündschalters 118 wirken das Solenoid 110 und der Motor 102 zusammen, um ein Softstart-Motoreingriffssystem für ein Fahrzeug bereitzustellen.
Axial benachbarte Spulen
2 stellt die Anzugsspule 112 und die Haltespule 114 des Solenoids 110 auf einem Spulenkörper 120 des Solenoids 110 positioniert dar. In der Ausführungsform der 2 sind die Anzugsspule 112 und die Haltespule 114 in einer axialen Richtung des Spulenkörpers 120 zueinander benachbart. Die axiale Richtung ist in 2 durch die Achse 132 dargestellt.
Die Anzugsspule 112 besteht aus einer ersten Länge eines Drahtes, der um einen ersten Abschnitt des Spulenkörpers 120 gewickelt ist, um eine erste Vielzahl an Leiterwicklungen (d. h. Windungen) zu bilden. Der Draht für die Anzugsspule 112 weist eine relativ große Querschnittsfläche derart auf, dass der Widerstand der Leiterwicklungen relativ niedrig ist. In ähnlicher Weise besteht die Haltespule 114 aus einer zweiten Länge eines Drahtes, der um einen zweiten Abschnitt des Spulenkörpers gewickelt ist, um eine zweite Vielzahl an Leiterwicklungen (d. h. Windungen) zu bilden. Der Draht für die Haltespule 114 weist eine relativ kleine Querschnittsfläche derart auf, dass der Widerstand der Leiterwicklungen relativ hoch ist.
Die Anzugsspule 112 und die Haltespule 114 werden auf dem Spulenkörper 120 nebeneinander gehalten. In der Ausführungsform der 2 ist der Spulenkörper 120 eine einzelne Komponente, die aus einem glasgefüllten Nylonmaterial besteht. Es ist jedoch zu verstehen, dass der Spulenkörper alternativ aus unterschiedlichen Materialien bestehen kann. Der Spulenkörper 120 kann unter Verwendung irgendeines der verschiedenen bekannten Verfahren hergestellt werden, wie zum Beispiel gerades Zugformen oder andere Formverfahren.
Der Spulenkörper 120 umfasst einen ersten Endflansch 122, einen Mittelflansch 124, einen zweiten Endflansch 126 und eine Nabe 128. Die Nabe 128 des Spulenkörpers 120 ist allgemein zylinderförmig und stellt eine Spulenhaltefläche für die Anzugsspule 112 und die Haltespule 114 bereit. Obwohl in der Ausführungsform der 1 ein gerader Kreiszylinder dargestellt ist, ist zu verstehen, dass die Nabe 128 andere Formen annehmen kann, umfassend zylindrische und nicht zylindrische Formen. Ferner bezieht sich der hierin verwendete Ausdruck „Spulenkörper” auf irgendeinen geeigneten Solenoidspulenhalter, ungeachtet dessen, ob die Nabe als ein Zylinder bereitgestellt wird oder ob Flansche an den Enden der Nabe inbegriffen sind.
Die Nabe 128 in der Ausführungsform der 2 erstreckt sich von dem ersten Endflansch 122 zu dem zweiten Endflansch 126. Die Nabe 128 definiert einen zylinderförmigen Innendurchgang 130, der sich durch den Spulenkörper 120 von dem ersten Endflansch 122 zu dem zweiten Endflansch 126 erstreckt. Die zylinderförmige Nabe 128 definiert ebenfalls eine Spulenkörperachse 132, die sich durch den Innendurchgang 130 erstreckt. Die Spulenkörperachse 132 definiert eine Mittellinie für den Spulenkörper 120 und eine axiale Richtung entlang des Spulenkörpers.
Der erste Endflansch 122 stellt eine Endwand für den Spulenkörper 120 bereit, die ausgelegt ist, Spulenwindungen auf dem Spulenkörper zu halten. Der erste Endflansch 122 ist allgemein scheibenförmig und umfasst ein kreisförmiges Mittelloch an dem Innendurchgang 130 des Spulenkörpers. Diese Endwand kann massiv sein mit einem Mittelloch für den Plungerdurchgang 130, wie in 2 dargestellt ist, oder kann mehrere Öffnungen umfassen. Obwohl der Flansch 122 als eine relativ dünne kreisförmige Scheibe in der Ausführungsform der 2 dargestellt ist, ist zu verstehen, dass der Endflansch 122 außerdem in verschiedenen, unterschiedlichen Formen und Gestaltungen bereitgestellt sein kann.
Der Mittelflansch 124 stellt ebenfalls eine Wand bereit, die ausgelegt ist, Spulenwindungen auf dem Spulenkörper zu halten. Der Mittelflansch 124 ist auf der Nabe 128 zwischen dem ersten Endflansch 122 und dem zweiten Endflansch 126 positioniert, jedoch nicht notwendigerweise zentriert zwischen dem ersten Endflansch 122 und dem zweiten Endflansch 126. Tatsächlich ist der Mittelflansch 124 in der Ausführungsform der 2 näher an dem zweiten Endflansch 126 positioniert als an dem ersten Endflansch 122. Der Raum zwischen dem ersten Endflansch 122 und dem Mittelflansch 124 stellt eine erste Spulenbucht 142 an dem Spulenkörper 120 bereit, in welche die Anzugsspule 112 um die Nabe 128 gewickelt wird.
Ähnlich zu dem ersten Endflansch 122 ist der Mittelflansch 124 in der Ausführungsform der 2 ebenfalls scheibenförmig. Der Mittelflansch 124 ist allgemein dicker als der erste Endflansch und umfasst Spuleneinbauvorrichtungen 134, wie zum Beispiel Schlitze 136 entlang des Außenumfangs des Flansches 124. Diese Schlitze 136 stellen einen Durchgang für Kabel an der Anzugsspule 112 bereit. Es ist zu verstehen, dass zusätzliche Spuleneinbauvorrichtungen 134 ebenfalls möglich sind und Beispiele solcher Spuleneinbauvorrichtungen werden ausführlicher unten mit Bezugnahme auf die 6–12 erläutert. Obwohl der Mittelflansch in 2 mit einem kreisförmigen Umfang dargestellt ist, ist zu verstehen, dass der Mittelflansch 124 in verschiedenen, unterschiedlichen Formen und Gestaltungen vorgesehen sein kann. Zum Beispiel kann, obwohl der Mittelflansch 124 massiv mit einer einzigen zentralen Öffnung dargestellt ist, der Mittelflansch ebenso mehrere Öffnungen aufweisen.
Der zweite Endflansch 126 stellt eine weitere Endwand für den Spulenkörper 120 bereit, die ausgelegt ist, Spulenwindungen auf dem Spulenkörper zu halten. Der Raum zwischen dem zweiten Endflansch 126 und dem Mittelflansch 124 stellt eine zweite Spulenbucht 144 an dem Spulenkörper bereit, die zu der ersten Spulenbucht 142 in axialer Richtung benachbart ist. Die Haltespule 112 wird an der zweiten Spulenbucht 144 um die Nabe 128 gewickelt. Ähnlich zu dem ersten Endflansch 122 ist auch der zweite Endflansch 126 allgemein scheibenförmig und umfasst ein kreisförmiges Mittelloch an dem Innendurchgang 130 des Spulenkörpers. Der zweite Endflansch 126 weist allgemein dieselbe Dicke auf wie der erste Endflansch 122. Ähnlich zu dem Mittelflansch 124 umfasst er Einbauvorrichtungen 134, wie zum Beispiel Schlitze 138 entlang des Außenumfangs des Flansches 126. Diese Schlitze 138 stellen einen Durchgang für Kabel an der Anzugsspule 112 und der Haltespule 114 bereit. Der zweite Endflansch 126 kann massiv sein, wie in 2 dargestellt ist, oder kann mehrere Öffnungen umfassen. Obwohl der zweite Endflansch 126 als relativ dünne, kreisförmige Scheibe in der Ausführungsform der 2 dargestellt ist, ist zu verstehen, dass der Flansch 126 außerdem in verschiedenen, unterschiedlichen Formen und Gestaltungen bereitgestellt werden kann.
Wie zuvor mit Bezug auf 2 beschrieben wurde, ist der Spulenkörper 120 des Solenoids 110 derart ausgelegt, dass die Anzugsspule 112 benachbart zu der Haltespule 114 des Solenoids in axialer Richtung positioniert ist. Als Folge dieser benachbarten Anordnung kann eine bedeutend erhöhte Flussstreuung um die Anzugsspule auftreten, wie unten mit Bezug auf die 3–5 beschrieben wird. Die erhöhte Flussstreuung verringert die magnetische Kraft, die von dem Plunger wahrgenommen wird, als Folge der Anzugsspule 112, was einen niedrigen Widerstand der Anzugsspule 112 ermöglicht, während die zuvor beschriebenen Probleme des Aneinanderstoßens dennoch minimiert werden. Gleichzeitig gewährleistet die benachbarte Spulenanordnung eine minimale Flussstreuung bei der Haltespule 114, wenn der Plungerspalt Null ist und die Kontakte geschlossen sind, was eine niedrige Anzahl der Spulenwicklungen in der Haltespule ermöglicht, jedoch ihre Haltekraft maximiert.
Die 3–5 sind Diagramme, die Linien des magnetischen Flusses durch das Solenoid veranschaulichen, wenn sich die Anzugsspule 112 und die Haltespule 114 in verschiedenen erregten und nicht erregten Zuständen befinden. In jeder der 3–5 sind die Anzugsspule 112, die Haltespule 114, der Plunger 116, das Solenoidgehäuse 150 und der Plungeranschlag 152 als Querschnittsansicht des Solenoids dargestellt, die radial nach außen von der Solenoidmittellinie 132 erstellt wurde. Der Solenoidspulenkörper 120 der 2 ist in den 3–5 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt, was eine deutlichere Darstellung der durch das Solenoid 110 hindurchgehenden Linien des magnetischen Flusses 170 ermöglicht. Es ist jedoch zu verstehen, dass der Spulenkörper 120 in den Darstellungen der 3–5 mit der Anzugsspule 112 und der Haltespule 114, die um den Spulenkörper gewickelt sind, und dem Plunger 116, der in den Innendurchgang 130 des Spulenkörpers 120 eingesetzt ist, vorhanden ist.
Mit besonderer Bezugnahme auf die 3 ist das Solenoid 110 durch das Solenoidgehäuse 150 aufgenommen. Der Plungeranschlag 152 ist ein allgemein scheibenförmiges Element, das an dem Solenoidgehäuse 150 befestigt ist und sich radial nach innen von dem Solenoidgehäuse erstreckt. Der Plungeranschlag 152 umfasst einen zylinderförmigen Vorsprung 154, der in ein Ende des Innendurchgangs 132 des Spulenkörpers 120 (nicht dargestellt in 3) passt. Dieser zylinderförmige Vorsprung 152 stellt eine Anschlagsfläche 154 bereit, die ausgelegt ist, mit dem Plunger 116 in Eingriff zu stehen, wenn der Plunger durch die Anzugsspule 112 in die axiale Richtung bewegt wird.
Der Plunger 116 ist eine massive Komponente mit einer zylindrischen Form. Die zylindrische Form des Plungers 116 ist mit einem ersten, größeren Durchmesserabschnitt 160 versehen und einem zweiten, kleineren Durchmesserabschnitt 162. Eine Schulter 164 ist zwischen dem größeren Durchmesserabschnitt 160 und dem kleineren Durchmesserabschnitt 162 ausgebildet. Der Plunger 116 ist gleitend in dem Solenoidgehäuse 150 positioniert. Insbesondere ist der Plunger 116 ausgelegt, in axialer Richtung entlang der Mittellinie 132 zu gleiten, um einen Luftspalt 168 (der hierin ebenfalls als ein „Plungerspalt” bezeichnet wird) zwischen der Plungerschulter 164 und der Anschlagsfläche 154 des Plungeranschlags 152 zu schließen. Sowohl der Plunger 116, das Solenoidgehäuse 150 als auch der Plungeranschlag 152 bestehen aus einem metallischen Material, das eine relativ kleine magnetische Reluktanz aufweist, so dass die magnetischen Flusslinien leicht durch das Solenoidgehäuse und den Plunger hindurchgehen.
Mit fortgeführter Bezugnahme auf 3 ist die Anzugsspule 112 des Solenoids 110 in dem Solenoidgehäuse 150 positioniert und umgibt den größeren Durchmesserabschnitt 160 des Plungers 116. Die Anzugsspule 112 ist von dem Plungeranschlag durch einen Abstand d in einer axialen Richtung entfernt. Ein axiales Ende der Anzugsspule ist mit der Schulter 164 des Plungers 116 ausgerichtet, wenn sich der Plunger in der am weitesten links liegenden Position der 3 befindet. Wie zuvor erläutert wurde, besteht die Anzugsspule 112 aus einer Länge eines mehrere Windungen umfassenden Leiters, die sich um den Spulenkörper 120 wickeln (in 3 nicht dargestellt). Wenn die Anzugsspule 112 zu Anfang erregt wird, wird der Plunger 116 in axialer Richtung nach rechts gedrängt, wie durch den Pfeil 166 angegeben ist.
Die Haltespule 114 ist benachbart zu der Anzugsspule 112 in der axialen Richtung innerhalb des Solenoidgehäuses 150 positioniert. Die Haltespule 114 umgibt den Vorsprung 154 des Plungeranschlags 152 und die zugehörige Anschlagsfläche 156. Dementsprechend umgibt die Haltespule 114 ebenfalls den kleineren Durchmesserabschnitt 162 des Plungers, der sich durch den Plungeranschlag 152 erstreckt. Ferner umgibt die Anzugsspule den Luftspalt 168, wenn sich der Plunger in der am weitesten links liegenden Position der 3 befindet. Wie zuvor erläutert wurde, besteht die Haltespule 114 aus einer Länge eines mehrere Windungen umfassenden Leiters, die sich um den Spulenkörper 120 wickeln (in 3 nicht dargestellt). Wenn die Haltespule 114 zu Anfang erregt wird, wird der Plunger 116 in axialer Richtung nach rechts gedrängt, wie durch den Pfeil 166 angegeben ist.
Spulenposition innerhalb des Solenoids führt zu Streufluss
Wie durch die Flusslinien 170 in den 3 und 4 dargestellt ist, wird, wenn die Anzugsspule 112 und die Haltespule 114 erregt sind, ein magnetischer Fluss in dem Solenoid erzeugt. Streufluss ist jeder Fluss, der nicht zu der axialen Kraft beiträgt, die auf den Plunger 116 einwirkt. Die axiale Kraft, die wirkt, um den Plunger 116 in Richtung des Plungeranschlags 152 zu ziehen und den Plungerspalt 168 zu schließen, ist abhängig von der Gesamtflussverkettung zwischen der Anzugsspule 112 und dem Plunger 116 und zwischen der Haltespule 114 und dem Plunger 116. Wenn Flussstreuung auftritt, ist die Flussverkettung verringert und somit die resultierende Kraft auf den Plunger 116.
Durch Anordnen der Anzugsspule 112 von dem Plungerspalt 168 und der Plungeranschlagsfläche 156 weg, wie in den 3 und 4 dargestellt ist, ist die Flussstreuung der Anzugsspule 112 absichtlich beachtlich erhöht, um die resultierende Kraft auf den Plunger 116 zu verringern. Wie in den 3 und 4 dargestellt ist, geht eine erhöhte Menge des Flusses, eher als dass er direkt von dem Plunger 116 zu dem Plungeranschlag 152 geht, am Plunger 116 vorbei und koppelt sich direkt von einer Seite des Gehäuses 150 zu dem Anschlag 152 oder sogar zurück zu dem Gehäuse 152 außerhalb der Wand 151 ein. Beispiele dieses Streuflusses sind in 3 durch Linien 171 angegeben. Der Streufluss 171 verringert wirksam die magnetische Kraft auf den Plunger 116 für eine gegebene Ampere-Windungs-Erregung der Anzugsspule 112. Da die magnetische Kraft auf den Plunger 116 verringert ist und da das Ritzel mechanisch mit dem Plunger über den sich drehenden Schalthebel verbunden ist, ist die Stoß- und die stationäre Anlagekraft des Ritzels an den Zahnkranz ebenfalls vermindert. Daher kann mit der Ausführungsform der 1–5 der Widerstand der Anzugsspule 112 niedrig gemacht werden, um den Softstart-Strom für den Elektromotor 102 zu erhöhen. Dementsprechend ist das Drehmoment der Elektromotors 102 während des Softstarts erhöht, ohne eine übermäßige Aneinanderstoßkraft zwischen dem Ritzel und dem Zahnkranz zu haben, die herkömmlich aus der hohen Ampere-Windungs-Erregung der Anzugsspule 112 resultiert.
Während die Spulenanordnung in der Ausführungsform der 1–5 ausgelegt ist, den Streufluss für die Anzugsspule 112 zu vergrößern, ist die Anordnung ausgelegt, das Gegenteil für die Haltespule 114 zu tun. Insbesondere ist die Haltespule 114 in den 1–5 ausgelegt, die Flussstreuung mit dem Plunger 116 zu minimieren, um die elektromagnetische Haltekraft auf den Plunger 116 für eine gegebene Anzahl an Windungen der Haltespule 114 zu maximieren. Dies wird durch Zentrieren der Haltespule 114 an der Berührungsfläche der Plungeranschlagsfläche 156 erreicht. Auf diese Weise wird der Streufluss 171 mit der Haltespule 114 minimiert und die elektromagnetische Kraft auf den Plunger maximiert. Dementsprechend ist es durch die geometrische Anordnung der Windungen der Anzugsspule 112 und der Haltespule 114 möglich, die Kraftverlaufskurven des Plungers 116 auf Werte umzubilden, die für einen Anlassmotor mit einem Softstart-System wünschenswerter sind.
Zusätzlich zu den Vorteilen betreffend die Flussstreuung kann die Anordnung der Anzugsspule 112 und der Haltespule 114 nebeneinander ebenso thermische Vorteile haben. Insbesondere bei der herkömmlichen Wicklung übereinander, wie sie zum Beispiel in 15 dargestellt ist, büßt die Haltespule 214 an Stärke ein, wenn die Anlagezeit zwischen dem Ritzel 206 und dem Zahnkranz verlängert ist. Während eines verlängerten Anliegens erwärmt sich die Anzugsspule 212 schnell und erhöht dann die Temperatur der Haltespule 214. Wenn sich die Temperatur der Haltespule 214 erhöht, erhöht sich der elektrische Widerstand und der Strom verringert sich. Dies verringert die resultierende Haltekraft, die durch die Haltespule bereitgestellt wird, und es erhöht sich somit das Risiko, dass sich die Plungerkontakte öffnen und sich der Plunger löst. Bei der Spulenanordnung nebeneinander jedoch, die in der Anlassmotorausführungsform der 1–5 dargestellt ist, ist der thermische Einfluss der Anzugsspule 112 auf die Haltespule 114 während des Anlassens minimal, da der Widerstand des Wärmeleitwegs viel höher ist, wenn die zwei Spulen voneinander in axialer Richtung getrennt sind.
Spulenkörper mit zusätzlichen Einbauvorrichtungen
Nun mit Bezug auf die 6–7 wird eine alternative Ausführungsform des Spulenkörpers 120 der 2 gezeigt. Ähnlich dem Spulenkörper der 2 umfasst die alternative Ausführungsform des Spulenkörpers allgemein ebenfalls einen ersten Endflansch 122, einen Mittelflansch 124, einen zweiten Endflansch 126 und eine Nabe 128. Die Nabe 128 ist allgemein zylinderförmig um eine axiale Mittellinie 132 und es erstreckt sich ein Innendurchgang 130 durch die Nabe von einem Ende des Spulenkörpers 120 zu dem anderen. Wie ausführlicher nachstehend erläutert wird, umfassen der Mittelflansch 124 und der zweite Endflansch 126 in der Ausführungsform der 6–7 jedoch eine Anzahl an zusätzlichen Einbauvorrichtungen 134.
Die 6A und 7 stellen Ansichten der Seite des Mittelflansches 124 dar, die der ersten Spulenbucht 142 gegenüberliegt. Der Mittelflansch 124 umfasst verschiedene Einbauvorrichtungen, die einen ersten Wicklungspfosten 172 umfassen, der zwischen einem Einlaufschlitz 174 und einem Auslaufschlitz 176 positioniert ist. Der erste Wicklungspfosten 172 erstreckt sich radial nach außen von der Mittellinie des Spulenkörpers 120 und ist ausgelegt, mit dem Draht der Haltespule in Eingriff zu stehen. Ausreichend Raum ist um den ersten Wicklungspfosten 172 vorgesehen, um zu ermöglichen, dass die Haltespule 114 um den Wicklungspfosten gewickelt wird. Außerdem ist der erste Wicklungspfosten 172 ausreichend lang um zu ermöglichen, dass der Draht von der Haltespule 114 um den ersten Wicklungspfosten 172 mehrere Male gewickelt wird. Wie nachstehend ausführlich erläutert wird, stellt der erste Wicklungspfosten 172 dementsprechend eine Einbauvorrichtung 134 bereit, die ein sicheres Verankern der Haltespule an dem Spulenkörper 120 ermöglicht, und stellt ebenso eine Vorrichtung zum Umkehren der Richtung der Wicklungen der Haltespule 114 auf dem Spulenkörper bereit. Ein Umkehrwicklungspfosten kann bei Solenoiden für Anlassmotoren mit einem Softstart-System vorteilhaft sein, wie es in der US-Patentanmeldung Nr. 12/767,710 beschrieben ist, eingereicht am 26. April 2010, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme vollumfänglich aufgenommen ist.
Mit fortgeführter Bezugnahme auf die 6A und 7 sieht der Einlaufschlitz 174 eine axiale Nut in dem Außenumfang des Mittelflansches 124 vor, die ausgelegt und bemessen ist, den zur Bildung der Anzugsspule 112 verwendeten Draht aufzunehmen. Zusätzlich umfasst in der Ausführungsform der 6A und 7 der Einlaufschlitz 174 eine Eingangsrampe 175 für das Anfangskabel der Anzugsspule 112. Diese Eingangsrampe 175 ist derart ausgelegt, dass die Tiefe des Schlitzes 174 in den Mittelflansch 124 leicht keilförmig ist und sich in Richtung der Nabe 128 bewegt. Dementsprechend ermöglicht der Einlaufschlitz 174 mit der Eingangsrampe 175 das Führen des Anfangskabels der Anzugsspule 112 auf dem Spulenkörper 120 von dem Umfang des Mittelflansches 124 in Richtung der Nabe 128, ohne Raum in der ersten Spulenbucht 142 zu verbrauchen, bevor das Anfangskabel die Nabe 128 erreicht. Sobald das Anfangskabel die Nabe 128 erreicht, beginnt die erste Schicht der Wicklungen für die Anzugsspule 112. Obwohl der Einlaufschlitz 174 die Eingangsrampe 175 umfassend offenbart ist, ist zu verstehen, dass sich der Einlaufschlitz in wenigstens einer alternativen Ausführungsform direkt zu der Nabe erstreckt, ohne dass die Eingangsrampe 175 in dem Schlitz 174 positioniert ist.
Ähnlich zu dem Einlaufschlitz 174 stellt der Auslaufschlitz 176 eine weitere axiale Nut in dem Außenumfang des Mittelflansches 124 bereit, die gestaltet und dimensioniert ist, den Draht, der zur Bildung der Anzugsspule 112 verwendet wird, aufzunehmen. Anders als jedoch der Einlaufschlitz 174 in der Ausführungsform der 6A–7 umfasst der Auslaufschlitz 176 einen Rampenabschnitt, der sich in radialer Richtung zu der Nabe 128 des Spulenkörpers erstreckt. Stattdessen ist der Auslaufschlitz 174 einfach an dem Umfang des Mittelflansches 124 vorgesehen und erstreckt sich radial ungefähr in der Dicke des Drahtes für die Anzugsspule um zu ermöglichen, dass das Endkabel der Anzugsspule quer über den Mittelflansch 124 geht, sobald die Anzugsspule vollständig in die erste Spulenbucht 142 gewickelt ist.
Mit Bezugnahme nun auf 6B ist die gegenüberliegende Seite des Mittelflansches 124 dargestellt. Die Seite des Mittelflansches 124, die in 6B dargestellt ist, ist die Seite, die der zweiten Spulenbucht 144 des Spulenkörpers 120 zugewandt ist. Der erste Wicklungspfosten 172, der Einlaufschlitz 174 und der Auslaufschlitz 176 sind alle auf dieser Seite des Mittelflansches 124 sichtbar. Zusätzlich umfasst diese Seite des Mittelflansches 124 eine Eingangsrampe 182 für das Anfangskabel der Haltespule 114. Diese Eingangsrampe 182 ist ähnlich der Eingangsrampe 175 für die Anzugsspule und erstreckt sich in einer allgemein radialen Richtung in Richtung der Nabe 128 und allmählich keilförmig, während sich die Rampe in Richtung der Nabe 128 erstreckt. Ferner umfasst die Seite des Mittelflansches 124, die in 6B dargestellt ist, einen zweiten Wicklungspfosten 178, der nur an dieser Seite des Mittelflansches 124 zugänglich ist. Dementsprechend ist eine Einbuchtung 180 in dieser Seite des Mittelflansches 124 ausgebildet und der zweite Wicklungspfosten 178 ist in dieser Einbuchtung 180 untergebracht. Wie weiter unten ausführlicher erläutert wird, stellt dieser zweite Wicklungspfosten 178 eine Einbauvorrichtung für die Haltespule 114 bereit, die als Anker oder als eine Umkehrwicklungsvorrichtung verwendet werden kann.
Nun mit Bezugnahme auf 6C umfasst der zweite Endflansch 126 zusätzliche Einbauvorrichtungen, die einen zweifachen Anfangskabelschlitz 184, einen ersten Endkabelschlitz 186 und einen zweiten Endkabelschlitz 188 umfassen. Der zweifache Anfangskabelschlitz 184 ist gestaltet und dimensioniert, das Durchgehen der Anfangskabel durch den Umfang des zweiten Endflansches 126 sowohl für die Anzugsspule 112 als auch die Haltespule 114 zu ermöglichen. Wenn beide Anfangskabel in dem Schlitz 184 positioniert sind, ist das Anfangskabel für die Haltespule 114 radial nach innen von dem Anfangskabel für die Anzugsspule 112 positioniert. Der erste Endkabelschlitz 186 ist ausgelegt, das Durchgehen des Endkabels für die Anzugsspule 112 durch den Umfang des zweiten Endflansches 126 zu ermöglichen. In ähnlicher Weise ist der zweite Endkabelschlitz 188 ausgelegt, das Durchgehen des Endkabels für die Haltespule 114 durch den Umfang des zweiten Endflansches 126 zu ermöglichen.
Es ist zu erkennen, dass der Mittelflansch 124 in axialer Richtung dicker ist als die beiden Endflansche 122 und 126. Diese erhöhte Dicke folgt naturgemäß wegen der gewünschten Trennung der Anzugsspule 112 und der Haltespule 114 in axialer Richtung derart, dass die Spulen genau auf dem Spulenkörper 120 positioniert sind. Die erhöhte Dicke bietet jedoch ebenfalls einen vermehrten Raum für die verschiedenen Spuleneinbauvorrichtung 134, die an dem Mittelflansch 124 enthalten sind. Ohne diese Mittelflanschgestalt müssten die Endflansche 122, 126 die Dicke des mittleren Flansches aufweisen, um dieselben Vorrichtungen bereitzustellen und dieses würde den verfügbaren Raum für die Spulenbuchten 142, 144 verringern.
Das Wickeln der Anzugsspule 112 und der Haltespule 114 auf den Spulenkörper 120 wird nun mit Bezugnahme auf die 8–12 beschrieben, um ein besseres Verständnis der Ausführung der vorhergehenden Einbauvorrichtung 134 des Spulenkörpers 120 und der Anordnung der Spulen 112 und 114 auf dem Spulenkörper bereitzustellen.
Der Vorgang zum Wickeln des Spulenkörpers 120 beginnt mit der Haltespule 114. 8 stellt die Haltespule 114 dar, wie sie in die zweite Spulenbucht 144 des Spulenkörpers gewickelt wird. Um den Wickelvorgang zu beginnen, wird ein Anfangskabel 190 der Haltespule 144 um den ersten Wicklungspfosten 172 gewickelt, um den Draht für die Haltespule an dem Spulenkörper 120 zu verankern. Das Anfangskabel 190 wird dann die Eingangsrampe 182 an dem Mittelflansch 124 in Richtung der Nabe 128 nach unten geleitet (nicht dargestellt in 8). Nachdem das Anfangskabel 190 die Nabe 128 erreicht, wird der Spulenkörper 120 in Richtung des Pfeils 191 gedreht, was dazu führt, dass eine Länge eines Drahtes von einer Rolle (nicht dargestellt) um die Nabe gewickelt wird und Wicklungswindungen für die Haltespule 114 erzeugt. Diese Wicklungswindungen werden in einer ersten Drehrichtung in die zweite Spulenbucht 144 des Spulenkörpers 120 gewickelt.
Wie in 9 dargestellt ist, wird, nachdem eine vorbestimmte Anzahl an Windungen in die erste Richtung in der Spulenbucht 144 erzeugt sind, die Länge des Drahtes für die Haltespule um den ersten Wicklungspfosten gewickelt und der Spulenkörper 120 in die entgegengesetzte Richtung gedreht, wie durch den Pfeil 192 angezeigt ist. Die Drehung des Spulenkörpers in die Richtung des Pfeils 192 führt dazu, dass umgekehrte Wicklungswindungen in einer zweiten Richtung in der zweiten Spulenbucht 144 auf dem Spulenkörper 120 erzeugt werden. Solche umgekehrten Wicklungswindungen können an einer Haltespule in einem Fahrzeuganlassmotor vorteilhaft sein, wie in der US-Patentanmeldung Nr. 12/767,710, eingereicht am 26. April 2010, beschrieben ist, deren Inhalt hierin durch Bezugsnahme vollumfänglich aufgenommen ist.
Nun mit Bezugnahme auf 10 wird, nachdem die umgekehrten Wicklungswindungen erzeugt sind, der Draht für die Haltespule um den zweiten Wicklungspfosten 178 an dem Mittelflansch gewickelt, um die Haltespule sicher in der zweiten Spulenbucht 144 zu verankern. Das Endkabel 194 der Haltespule wird dann durch den zweiten Endkabelschlitz 188 an dem zweiten Endflansch 126 geführt. Das Anfangskabel 190 wird ebenfalls durch den zweifachen Anfangskabelschlitz 184 an dem zweiten Endflansch 126 geführt und dies vervollständigt die Haltespule 114 auf dem Spulenkörper 120.
11 stellt die Anzugsspule 112 dar, wie sie in die erste Spulenbucht 142 des Spulenkörpers 120 gewickelt ist, nachdem die Haltespule 114 in die zweite Spulenbucht 144 gewickelt ist. Um das Wickeln der Anzugsspule zu beginnen, wird ein Anfangskabel 196 der Anzugsspule 144 durch den zweifachen Anfangskabelschlitz 184 an dem zweiten Endflansch 126 und durch den Einlaufschlitz 174 an dem Mittelflansch 124 geführt. Das Anfangskabel 196 wird dann die Eingangsrampe 175 an dem Mittelflansch 124 nach unten in Richtung der Nabe 128 geführt. Nachdem das Anfangskabel 196 die Nabe 128 erreicht, wird der Spulenkörper 120 in die Richtung des Pfeils 197 gedreht, was dazu führt, dass eine Länge eines Drahtes von einer Rolle (nicht dargestellt) um die Nabe gewickelt wird und Wicklungswindungen für die Anzugsspule 112 in der ersten Spulenbucht 142 des Spulenkörpers 120 erzeugt.
Nun mit Bezugnahme auf 12 wird, nachdem die Windungen der Anzugsspule 112 vollständig in die erste Spulenbucht 142 gewickelt sind, das Endkabel 198 durch den Auslaufschlitz 176 an dem Mittelflansch 124 geführt. Das Endkabel 198 wird dann über die Windungen der Haltespule 114 und durch den ersten Endkabelschlitz 186 an dem zweiten Endflansch 126 geführt. Dies vervollständigt das Wickeln der Anzugsspule 112 auf dem Spulenkörper 120.
Aus recheckigem Draht gebildete Spule
13 stellt eine Querschnittsansicht des Spulenkörpers 120 entlang der Linie D-D der 12 dar. In dieser Ausführungsform des Solenoids 110 ist die Anzugsspule 112 aus einem rechteckigen Draht 146 (d. h. Draht, der einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweist) gebildet und die Haltespule 114 ist aus einem herkömmlichen runden Draht 147 gebildet. Insbesondere ist der rechteckige Draht 146, der für die Anzugsspule 112 verwendet wird, ein quadratischer Draht in der Ausführungsform der 12 und 13. Der rechteckige Draht 146 ist mit einer Isolierschicht an dem Außenumgang ummantelt. Der Draht 146 umfasst ebenso leicht gerundete Ecken 148, die aus Herstellungsgründen vorgesehen sind und um scharfe Kanten an dem Draht zu vermeiden, die in die Isolierschicht benachbarter Drähte schneiden könnten. Wie nachstehend erläutert wird, ist der rechteckige Draht 146 für die Verwendung in der Anzugsspule 112 vorteilhaft, da er einen erhöhten Stapelfaktor für die Spule bietet, während er ebenfalls thermische Vorteile für die Spule bietet.
Der Stapelfaktor für eine Spule ist das Verhältnis des Gesamtvolumens, das nur durch die Leiter verbraucht wird (d. h. nicht einschließend die Luftlücken zwischen den Leitern), zu dem Gesamtvolumen, das durch die vollständige Spule verbraucht wird (d. h. einschließlich aller Leiter und Luftspalte zwischen den Leitern). Herkömmlicher runder Draht hat einen effektiven Stapelfaktor von etwa 78%. Im Gegensatz hat der hierin offenbarte quadratische Draht einen effektiven Stapelfaktor von 90% oder mehr. Insbesondere hat der quadratische Draht 146, der in der Ausführungsform der 12 und 13 verwendet wird, einen Stapelfaktor von 92%. Wenn quadratischer Draht und runder Draht verglichen werden, erfordert folglich quadratischer Draht weniger Raum, um dieselbe elektromagnetische Kraft bereitzustellen (d. h. weniger Raum, um dieselben Ampere-Windungen bereitzustellen). Diese Raumersparnis ist insbesondere nützlich für Fahrzeuganlassmotoren, bei denen der Anlassmotor häufig in einem gedrängten Motorraum untergebracht ist.
Ein weiterer Vorteil des rechteckigen Drahtes 146 der 12 und 13 ist, dass er einen besseren Wärmeleitungsweg bietet als runder Draht zum Transportieren der ohmschen Wärme der Spule 112 zu den Rändern der Spule, wo die Wärme durch Leitung oder Konvektion entfernt werden kann. Bei einer Spule mit rundem Draht gibt es nur einen Punktkontakt zwischen benachbarten Wicklungen, da die Leiterschichten übereinander gewickelt sind (d. h. zwei benachbarte Kreise berühren sich nur in einem einzelnen Punkt). Im Gegensatz hierzu ist, wie in 13 dargestellt ist, bei einem quadratischen Draht 146 die Berührungsfläche zwischen den Leitern an benachbarten Wicklungen viel größer, da es einen Kontakt zwischen benachbarten Leitern entlang des gesamten flachen Abschnitts der Seiten der Leiter gibt. Daher wird die von Spulendraht zu Spulendraht übertragene Wärme über den Kupferdraht transportiert anstatt über die Luft zwischen den Drähten und diese Kupfer-zu-Kupfer-Leitung bieten einen wesentlichen thermischen Vorteil. Zum Beispiel verringert die verbesserte Leitung die Delta-Temperaturdifferenz zwischen den Außenrändern der Spule und dem typischerweise heißen Punkt in der Mitte der Spul.
Nun mit Bezugnahme auf 14 wird noch eine weitere alternative Ausführungsform des Solenoidspulenkörpers 120 und der Spulen 112, 114 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist die Anzugsspule 112 aus rechteckigem Draht 146 gebildet und die Haltespule 114 ist ebenfalls aus rechteckigem Draht 149 gebildet. Der rechteckige Draht 146 der Anzugsspule 112 ist im Wesentlichen derselbe wie der rechteckige Draht 149 der Haltespule, jedoch ist die Breite des Anzugsspulendrahtes 146 größer als die Breite des Haltespulendrates 149. Dementsprechend ist der Haltespulendraht ein quadratischer Draht mit gerundeten Ecken. Zusätzlich ist der rechteckige Draht 149 mit einer Isolierschicht an dem Außenumfang ummantelt. Der rechteckige Draht 149 der Haltespule 114 bietet ebenfalls ähnliche Vorteile wie jene, die vorstehend für die Anzugsspule 112 beschrieben sind. Zum Beispiel stellt der rechteckige Draht 149 einen erhöhten Stapelfaktor für die Haltespule 114 bereit, während er ebenso thermische Vorteile für die Spule bietet.
Variabler Reluktanzplunger
In den zuvor beschriebenen Ausführungsformen wurde der Plunger 116 einen großen Durchmesserabschnitt 160 und einen kleinen Durchmesserabschnitt 162 aufweisend dargestellt, wobei jeder Abschnitt ein konstantes Querschnittsprofil hat (d. h. einen konstanten Durchmesser). In wenigstens einer alternativen Ausführungsform jedoch, die in 15 dargestellt ist, wird der Durchmesser des größeren Durchmesserabschnitts 160 des Plungers 116 derart variiert, dass sich ein radialer Spalt 70 zwischen einer Führungsplatte 72 und dem Plunger 116 verändert, während der Plunger in axialer Richtung gleitet. Folglich können die Reluktanz des magnetischen Kreises und die zugehörige magnetische Kraft auf den Plunger während der Anzugs- und Haltebereiche des Betriebs angepasst sein, wie nachstehend ausführlicher erläutert wird.
Wie in 15 dargestellt ist, umfasst der größere Durchmesserabschnitt 160 des Plungers 116 einen im Wesentlichen zylinderförmigen Oberflächenabschnitt 80 mit einer umfänglichen, darin ausgebildeten Nut 82. Die umfängliche Nut 82 umfasst einen mittleren zylinderförmigen Abschnitt 84 mit angeschrägten Rändern 86. Der Durchmesser des mittleren zylinderförmigen Abschnitts 84 der Nut 82 ist kleiner als der Durchmesser des übrigen, im Wesentlichen zylinderförmigen Oberflächenabschnitts 80.
Wie in 15 dargestellt ist, ist die Nut 82 des Plungers 116 gegenüber der Führungsplatte 72 positioniert. Die Führungsplatte 72 hat allgemein einen scheibenförmigen Aufbau, der sich radial nach außen von dem Plunger 116 erstreckt. In der Ausführungsform der 15 wird die Führungsplatte 72 als Teil des Solenoidgehäuses 150 bereitgestellt und ist einstückig mit der Außenwand 151 des Gehäuses 150. Die Führungsplatte 72 ist benachbart zu dem Ende des Spulenkörpers 120 positioniert, das am weitesten entfernt von dem Plungeranschlag 152 ist. Dementsprechend ist der Spulenkörper 120 innerhalb des Solenoidgehäuses 150 durch die Führungsplatte 72 und den Plungeranschlag 152 begrenzt.
In der Ausführungsform der 15 ist ein dünnes Kernrohr 76 entlang des Innendurchmessers des Spulenkörpers 120 zwischen dem Plunger 116 und dem Spulenkörper 120 positioniert. Das Kernrohr 76 ist relativ zu dem Spulenkörper 120 an der Stelle fixiert und der Plunger 116 ist ausgelegt, innerhalb des Kernrohrs 76 zu gleiten. Das Kernrohr 76 erstreckt sich in axialer Richtung über die ganze Länge des Spulenkörpers und über die Führungsplatte 72 hinaus. Eine Plungerrückstellfeder 78 ist an der gegenüberliegenden Seite der Führungsplatte 72 von dem Spulenkörper 120 positioniert und steht sowohl mit der Führungsplatte 72 als auch mit dem Kernrohr 76 in Eingriff. Das Kernrohr 76 kann aus irgendeinem von verschiedenen Materialien gebildet sein, wie zum Beispiel Messing oder unmagnetischer Edelstahl.
Die Erstreckung des Kernrohrs 76 über die Führungsplatte 72 des Solenoidgehäuses 150 hinaus dient wenigstens zwei Zwecken. Erstens stellt das verlängerte Kernrohr 76 eine kontinuierliche Gleitfläche für den Plunger 116 bereit. Die durch das Kernrohr 76 bereitgestellte kontinuierliche Fläche verhindert, dass sich die Ränder 86 der Nut 82 während der Plungerbewegung an der Führungsplatte 72 verhaken, wenn die Solenoidspulen aktiviert und deaktiviert werden. Zweitens verhindert das verlängerte Kernrohr 76, dass die Rückstellfeder 78 (die koaxial mit dem Plunger 116 angeordnet ist und gegen die Außenseite der Führungsplatte 72 ruht) in der Nut 82 in dem Plunger 116 während der Aktivierung der Spule 112 festklemmt. Falls dies geschehen würde, würde sich der Plunger 116 gegen die Führungsplatte 72 des Gehäuses 150 verklemmen.
Der in 15 dargestellte Plunger bietet eine Ausgestaltung, bei der die Reluktanz des magnetischen Kreises und der zugehörigen magnetischen Kraft auf den Plunger 116 während der Anzugs- und Haltebetätigung des Solenoids 110 variabel ist. 16 stellt einen Graphen bereit, der die Differenz der Plungeraxialkraft zwischen einem Standardplunger (d. h. einem Plunger ohne umfängliche Nut) und dem variablen Reluktanzplunger 116 der 15 veranschaulicht, während der axiale Plungerspalt 168 geschlossen wird. In diesem Graphen repräsentiert die obere durchgezogene Linienkurve 60 die axiale Kraft des Standardplungers mit einem konstanten Durchmesser und die gestrichelte Linienkurve 62 repräsentiert die axiale Kraft des variablen Reluktanzplungers 116 mit einer umfänglichen Nut 82, wie zum Beispiel jene der Ausführungsform der 15. Die untere durchgezogene Linie 64 in 16 repräsentiert die axiale Kraft der Rückstellfeder. Zwischen den Positionen A und C repräsentiert die untere durchgezogene Linie 64 die axiale Kraft der Rückstellfeder und zwischen den Positionen C und D repräsentiert die untere durchgezogene Linie 64 die axiale Kraft sowohl der Rückstellfeder als auch einer Durchhubkontaktfeder.
Vier unterschiedliche Positionen des Plungers sind speziell in 16 angemerkt. Diese vier Positionen umfassen das Folgende: Position A am Beginn des Anzugsvorgangs, bei welcher der axiale Plungerspalt 168 sich auf einem Maximum befindet und die Anzugsspule 112 und die Haltespule 114 anfänglich erregt werden; Position B in der Mitte des Anzugsvorgangs, wenn sowohl die Anzugsspule 112 als auch die Haltespule erregt sind; Position C am Ende des Anzugsvorgangs und dem Beginn des Haltevorgangs, bei welcher der Plunger 116 sich zu einer Position bewegt hat, bei der die Plungerkontakte geschlossen sind und die Anzugsspule 112 kurzgeschlossen ist; und Position D während des Haltevorgangs, bei welcher der axiale Plungerspalt 168 vollständig geschlossen ist und nur die Haltespule 114 erregt ist.
Mit fortfahrender Bezugnahme auf 16 ist die Nettoarbeit an dem Plunger während des Anzugsvorgangs das Integral der Nettokraft (magnetische Kraft minus Federkraft), die auf den Plunger über die Aktivierungslänge einwirkt. Dieses wird durch den Bereich unter jeder der Kurven 60 und 62 in 16 dargestellt. Diese Energie wird während des Stoßes zwischen dem Anlassmotorantriebsritzel und dem Zahnkranz während des Aneinanderstoßens abgebaut.
Die 17–20 stellen eine Bewegung des Plungers 116 mit umfänglicher Nut 82 bei jeder der vier Positionen A, B, C und D der 16 dar. 17 stellt den Plunger in Position A dar, in welcher der axiale Plungerspalt 168 in einem maximalen Abstand ist und die Anzugsspule 112 und die Haltespule 114 anfänglich erregt werden. In dieser Position A ist die Nut 82 des Plungers 116 gegenüber der Führungsplatte 72 positioniert. Insbesondere ist die Führungsplatte 72 direkt gegenüber von dem vorderen abgeschrägten Rand 86 der Nut 72 in Position A positioniert. Mit dem Plunger 116 in dieser Position ist der radiale Spalt 70 zwischen dem Plunger 116 und der Führungsplatte 72 maximiert. Wegen dieses großen radialen Spalts 70 ist die resultierende magnetische Reluktanz des magnetischen Solenoidkreises erhöht. Folglich ist die axiale Kraft auf den Plunger 116 erheblich verringert, wie durch den Vergleich der Kurven 60 und 62 in 17 zu beobachten ist.
18 stellt den Plunger in Position B dar, in welcher der axiale Plungerspalt 168 geschlossen wird, während sich der Plunger 116 in Richtung des Plungeranschlags 152 bewegt, wobei sowohl die Haltespule 112 als auch die Anzugsspule erregt bleiben. In dieser Position B verbleibt die Nut 82 des Plungers 116 gegenüber der Führungsplatte 72. Insbesondere ist die Führungsplatte 72 direkt gegenüber von dem hinteren abgeschrägten Rand der Nut 82 in Position B positioniert. Mit dem Plunger 116 in dieser Position bleibt der radiale Spalt 70 zwischen dem Plunger 116 und der Führungsplatte 72 maximiert. Wegen dieses großen radialen Spalts 70 bleibt die resultierende magnetische Reluktanz des magnetischen Solenoidkreises erhöht, während die axiale Kraft auf den Plunger 116 gegenüber jener des Standardplungers noch erheblich verringert ist.
19 stellt den Plunger 116 in Position C dar, in welcher der axiale Plungerspalt 168 fast geschlossen ist und der Plunger 116 die Plungerkontakte 117 (siehe 1) in eine geschlossene Position bewegt hat. Mit den geschlossenen Plungerkontakten 117 wird die Anzugsspule 112 kurzgeschlossen, wie zuvor mit Bezug auf 1 beschrieben wurde. Zusätzlich befindet sich die Plungernut 82 in Position C nicht länger direkt gegenüber der Führungsplatte 72, sonder hat sich in axialer Richtung an der Führungsplatte 72 vorbei bewegt. Mit dem Plunger 116 in dieser Position ist der radiale Spalt 70 zwischen dem Plunger 116 und der Führungsplatte 72 minimiert. Wegen dieses kleinen radialen Spalts 70 ist die resultierende magnetische Reluktanz des magnetischen Solenoidkreises verringert, was der Haltespule 114 ermöglicht, die maximale axiale Kraft auf den Plunger 116 zu erzeugen.
20 stellt den Plunger in Position D dar, in welcher die Haltespule 114 erregt bleibt und die Anzugsspule 112 kurzgeschlossen bleibt. In dieser Position D ist der axiale Plungerspalt 168 vollständig geschlossen, da die Haltespule 114 den Plunger 116 in Eingriff mit dem Plungeranschlag 152 bewegt hat, wobei sowohl die Kraft der Plungerrückstellfeder als auch der Durchhubkontaktfeder (nicht dargestellt) überwunden wird. Außerdem ist die Plungernut 82 in Position D noch weiter von der Führungsplatte 72 in axialer Richtung entfernt, so dass der radiale Spalt 70 zwischen dem Plunger 116 und der Führungsplatte 72 minimiert bleibt. Dementsprechend wird dem Haltekreis 114 mit dem Plunger in dieser Position D ermöglicht, die maximale axiale Kraft auf den Plunger zu erzeugen.
Wie oben mit Bezugnahme auf die 15–20 beschrieben wurde, kann durch die Verwendung eines variablen Reluktanzplungers die Nettoarbeit während des Anzugsbereichs verringert werden, während noch alle funktionellen Erfordernisse des Solenoids erfüllt werden. Der Plunger mit variablem Querschnitt gewährleistet einen magnetischen Kreis mit variabler Reluktanz, was während des Anzugsvorgangs zu einer erhöhten magnetischen Reluktanz führt (d. h. vergleiche Kurven 60 und 62 zwischen den Punkten A und C in 16). Dementsprechend ist die axiale Kraft auf den Plunger während des Anzugsvorgangs verringert, wodurch die während eines Stoßes zwischen dem Anlassmotorantriebsritzel und dem Zahnkranz während des Anlegens abgebaute Energie verringert ist. Gleichzeitig gewährleistet der Plunger mit variablem Querschnitt einen magnetischen Kreis mit variabler Reluktanz, der während des Haltevorgangs eine erhöhte (d. h. normale) magnetische Reluktanz gewährleistet (d. h. vergleiche die Kurven 60 und 62 zwischen den Punkten C und D in 16). Dies ermöglicht, dass die axiale Kraft auf den Plunger während des Haltevorgangs auf einem erhöhten Wert bleibt.
Obwohl nur eine Ausführungsform in den 15–20 dargestellt ist, ist zu verstehen, dass es zahlreiche alternative Ausführungsformen für den Plunger gibt, die viele mögliche alternative geometrische Konfigurationen umfassen, welche das gewünschte magnetische Verhalten zeigen würden und an eine gegebene Anwendung und ein Erfordernis angepasst werden können. Obwohl der variable Reluktanzplunger 116 in den 15–20 beschrieben wurde, wie er in Verbindung mit einer Haltespule und einer Anzugsspule verwendet wird, die axial benachbart sind, kann der variable Reluktanzplunger außerdem in weiteren Ausführungsformen in Verbindung mit einer herkömmlicheren Wicklungsanordnung verwendet werden, bei welcher die Haltespule radial an die Anzugsspule angrenzt (d. h. die Haltespule um die Anzugsspule gewickelt ist), wie zum Beispiel die Spulenanordnung, die in 23 dargestellt ist, oder umgekehrt (d. h. bei welcher die Anzugsspule um die Haltespule gewickelt ist).
Variable Reluktanzplungerhülse
Wenigstens eine alternative Ausführungsform für den variablen Reluktanzplunger der 15 ist in den 21 und 22 dargestellt. Wie in 21 dargestellt ist, ist eine zylinderförmige Hülse 92 über die umfängliche Nut 82 an dem größeren Durchmesserabschnitt 160 des Plungers 116 positioniert. Die Hülse 92 ist etwas größer im Durchmesser als der Plunger 116 und kann abgeschrägte Ränder 94 umfassen. Dementsprechend kann die Hülse 92 als Flächenberührung zwischen dem Plunger 116 und dem Kernrohr an diesem Ende des Solenoids dienen. In anderen Ausführungsformen kann die Hülse 92 jedoch im Wesentlichen von gleichem Durchmesser sein wie der Rest von dem größeren Durchmesserabschnitt 160 oder sogar etwas kleiner im Durchmesser.
In wenigstens einer Ausführungsform ist die Hülse 92 als eine umspritzte Kunststoffhülse auf dem Plunger 116 ausgebildet. In dieser Ausführungsform ist die Hülse 92 durchgehend und im Wesentlichen glatt über ihre gesamte äußere Oberfläche 96, wie in 21A dargestellt ist. In einer weiteren Ausführungsform ist die Hülse 92 eine getrennt geformte Kunststoffhülse, die über den Plunger 116 an die Stelle aufgesteckt wird. In dieser Ausführungsform kann die Hülse 92 einen axialen Schlitz 98 umfassen um zu ermöglichen, dass sich der Durchmesser der Hülse 92 vergrößert, wenn sie über den Plunger 116 aufgesteckt wird und dann elastisch zurückschnappt, wenn die Hülse 92 die umfängliche Nut 92 erreicht, womit ermöglicht wird, dass die Hülse 92 an dem Plunger 116 befestigt wird.
Die Hülse kann aus einem von zahlreichen unterschiedlichen Materialien geformt sein, einschließlich zum Beispiel Edelstahl oder Messing. In wenigstens einer Ausführungsform besteht die Hülse aus Polytetrafluorehtylen (PTFE), das handelsüblich unter dem Namen TEFLON^® vermarktet wird. PTFE stellt einen niedrigen Reibungskoeffizienten für die Hülse während der Plungerbewegung bereit.
Wie in 22 dargestellt ist, muss sich das Kernrohr 76 durch Bedecken der umfänglichen Nut 82 an dem Plunger 116 mit einer Hülse 92 (dargestellt in gestrichelten Linien in 22, um ihre Position über der Nut 82 darzustellen) nicht an der Führungsplatte 72 des Solenoidgehäuses 150 vorbei erstrecken. Dies steht in Gegensatz zu der Ausführungsform der 15, bei welcher sich das Kernrohr 76 vollständig an der Führungsplatte 72 vorbei erstreckt. In 15 erfordert das Vorhandensein des verlängerten Kernrohrs, dass der radiale Spalt zwischen dem Plunger 116 und der Führungsplatte 72 vergrößert ist, um das Kernrohr aufzunehmen. Dies vergrößert die Reluktanz des magnetischen Kreises. Diese Vergrößerung der magnetischen Reluktanz verschlechtert nicht die Ausführung des Solenoids 110 während des Anzugsvorgangs, da es, wie zuvor beschrieben wurde, vorteilhaft sein kann, die magnetische Reluktanz während des Anzugsvorgangs zu erhöhen. Diese Erhöhung der magnetischen Reluktanz kann jedoch Nachteile während des Haltevorgangs darstellen, da es, wie ebenfalls zuvor beschrieben wurde, vorteilhaft ist, die magnetische Reluktanz während des Haltevorgangs zu verringern, um den Fluss und daher die axiale Kraft des Plungers zu maximieren. Dieser zusätzliche radiale Spaltabstand, der für die Aufnahme des verlängerten Kernrohrs 76 erforderlich ist, ist jedoch in der Ausführungsform der 22 beseitigt. Durch Verringern des radialen Spaltabstands wird die Reluktanz des magnetischen Kreises ebenfalls verringert. Mit der verringerten magnetischen Reluktanz ist die resultierende axiale Kraft auf den Plunger während des Haltevorgangs erhöht. Während des Anzugsvorgangs wirkt die umfängliche Nut 82, die gewünschte erhöhte Reluktanz bereitzustellen.
Zusätzlich zu den vorstehenden Vorteilen beseitigt die Hülse 82 ebenfalls ein Erfordernis für den vollen Plungerdurchmesser, über einen Abschnitt der Führungsplatte aus Schwingungsgründen hinauszugehen, und ein Rillen des Kernrohrs. Insbesondere wird der Plunger 116 durch die Berührungsfläche zwischen der Hülse 92 und der Führungsplatte 72 gehalten. Ferner erlaubt dies, dass die umfängliche Nut in dem Plunger 116 verlängert werden kann und verringert ferner die überhöhte magnetische Anzugskraft, insbesondere in der „Ruhe”-Position.
Zusätzlich zu den Problemen, auf welche die Hülse 92 selbst eingeht, ist eine PTFE-Hülse insbesondere hilfreich bei anderen Problemen. Zum Beispiel sollte, wenn sich der Plunger 116 in Ruhelage befindet, ein Abschnitt des Plungers mit vollem Durchmesser innerhalb des Bereichs der Führungsplatte 72 sein, so dass die Schwingungskraft von dem Plunger 116 auf die Führungsplatte 72 übertragen wird. Falls nicht, wird die Schwingungskraft des Plungers 116 gegen das ungestützte, auskragende Kernrohr dazu führen, dass sich eine Rille in dem dünnen Rohr bildet. Mit der Zeit wird diese Rille und Abnutzung eine hohe mechanische Kraft erfordern, diese während der Aktivierung und Deaktivierung zu überwinden und kann groß genug werden, einen Funktionsdefekt des Solenoids zu verursachen. Eine PTFE/Edelstahl-Berührungsfläche ist allgemein einer Stahl/Edelstahl-Berührungsfläche für die Abnutzungsfestigkeit überlegen. Während der Verwendung des Fahrzeugs oder der Vorrichtung befindet sich der Plunger in der „Ruhe”-Position. Als Folge von Schwingungen befindet sich die Plunger/Kernrohr-Berührungsfläche ständig unter einer Scheuereinwirkung mit kleiner Amplitude, bei der sich die zwei Teile relativ zueinander bewegen. Dies kann zu einem Reibverschleißschaden führen. Wenn jedoch eine der Flächen PTFE ist, wie zum Beispiel die PTFE-Hülse 92, die oben beschrieben wurde, ist die Abriebwirkung von Stahl auf Stahl beseitigt und dieses Problem minimiert. Zusätzlich hilft die Schmierfähigkeit des PTFE während des Einrückens und Ausrückens des Solenoids. Insbesondere stellt PTFE eher eine problemfreie Gleitfläche bereit, die nicht durch Korrosion an der Oberfläche beschädigt wird, was manchmal eine herkömmliche Metall-auf-Metall-Anordnung plagen kann.
Die vorstehende ausführliche Beschreibung einer oder mehrerer Ausführungsformen des Anlassmotorsolenoids mit einem variablen Reluktanzplunger wurde hierin lediglich beispielhaft und nicht einschränkend dargestellt. Es ist zu verstehen, dass es Vorteile für bestimmte einzelne Merkmale und Funktionen, die hierin beschrieben wurden, gibt, die ohne Einbeziehung anderer Merkmale und Funktionen, die hierin beschrieben wurden, erhalten werden können. Außerdem ist zu verstehen, dass verschiedene Alternativen, Modifizierungen, Variationen oder Verbesserungen der vorstehend offenbarten Ausführungsformen und anderen Merkmale und Funktionen oder Alternativen hiervon wünschenswerterweise zu vielen anderen, verschiedenen Ausführungsformen, Systemen oder Anwendungen kombiniert werden können. Derzeit unvorhergesehene oder unerwartete Alternativen, Modifizierungen, Variationen oder Verbesserungen können nachträglich durch den Fachmann ausgeführt werden, die ebenfalls als durch die angehängten Ansprüche umfasst beabsichtigt sind. Daher sollte der Sinn und der Geltungsbereich jeglicher angehängter Ansprüche nicht auf die Beschreibung der hierin enthaltenen Ausführungsformen beschränkt werden.

Claims

Solenoid für einen Fahrzeuganlassmotor, wobei das Solenoid aufweist: wenigstens eine Spule mit einem sich durch die Spule erstreckenden Durchgang; und einen Plunger, der beweglich innerhalb des Durchgangs positioniert ist, wobei der Plunger einen im Wesentlichen zylinderförmigen Außenflächenabschnitt mit einer umfänglichen Nut umfasst, die in dem Außenflächenabschnitt ausgebildet ist.
Solenoid nach Anspruch 1, wobei der Plunger ausgelegt ist, sich in eine axiale Richtung zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position zu bewegen.
Solenoid nach Anspruch 2, wobei die wenigstens eine Spule eine erste Spule und eine zweite Spule aufweist, wobei die erste Spule benachbart zu der zweiten Spule ist.
Solenoid nach Anspruch 3, wobei die erste Spule eine Anzugsspule ist und die zweite Spule eine Haltespule ist.
Solenoid nach Anspruch 3, wobei die erste Spule und die zweite Spule um einen Spulenkörper gewickelt sind und sich der Durchgang durch den Spulenkörper erstreckt.
Solenoid nach Anspruch 5, wobei die erste Spule und die zweite Spule axial zueinander benachbart auf dem Spulenkörper positioniert sind.
Solenoid nach Anspruch 5, wobei die erste Spule und die zweite Spule radial zueinander benachbart auf dem Spulenkörper positioniert sind.
Solenoid nach Anspruch 5, ferner aufweisend ein Plattenelement, das benachbart zu einem Ende des Spulenkörpers positioniert ist, wobei das Plattenelement von dem Plunger durch einen radialen Abstand getrennt ist und sich der radiale Abstand verändert, wenn sich der Plunger von der ersten Position zu der zweiten Position als Folge der Bewegung der Nut in Bezug auf das Plattenelement bewegt.
Solenoid nach Anspruch 8, wobei sich die Nut direkt gegenüber dem Plattenelement befindet, wenn der Plunger sich in der ersten Position befindet, und wobei die Nut von dem Plattenelement in der axialen Richtung entfernt wird, wenn sich der Plunger in der zweiten Position befindet.
Solenoid nach Anspruch 9, ferner aufweisend ein Rohr, das in dem Spulenkörper positioniert ist, wobei der Plunger innerhalb des Rohrs positioniert ist und ausgelegt ist, sich in der axialen Richtung relativ zu dem Rohr zu bewegen, wobei sich das Rohr an dem einen Ende des Spulenkörpers an dem Plattenelement vorbei erstreckt.
Solenoid nach Anspruch 9, ferner aufweisend ein Hülsenelement, das mit dem Plunger gekoppelt ist und die in dem Plunger ausgebildete umfängliche Nut bedeckt.
Solenoid nach Anspruch 11, wobei das Hülsenelement über die umfängliche Nut geformt ist.
Solenoid nach Anspruch 11, wobei das Hülsenelement eine geschlitzte Nut umfasst, die ausgelegt ist, dem Hülsenelement ein Ausdehnen zu ermöglichen, wenn das Hülsenelement mit dem Plunger gekoppelt wird.
Solenoid nach Anspruch 11, wobei das Hülsenelement abgeschrägte Enden umfasst.
Solenoid nach Anspruch 11, wobei das Hülsenelement im Durchmesser größer ist als der zylinderförmige Außenflächenabschnitt des Plungers.
Solenoid nach Anspruch 11, wobei das Hülsenelement aus Polytetrafluorethylen (PTFE) besteht.
Solenoid für einen Fahrzeuganlassmotor, wobei das Solenoid aufweist: wenigstens eine Spule mit einem sich durch die Spule erstreckenden Durchgang; einen Plunger, der innerhalb des Durchgangs positioniert ist und ausgelegt ist, innerhalb des Durchgangs in einer axialen Richtung zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position zu gleiten; und eine radiale Wand, die von dem Plunger durch einen radialen Abstand getrennt ist, wobei sich der radiale Abstand verändert, wenn sich der Plunger von der ersten Position zu der zweiten Position bewegt.
Solenoid nach Anspruch 17, wobei die radiale Wand durch eine Führungsplatte bereitgestellt wird, die an einem Ende der wenigstens einen Spule positioniert ist, und wobei die wenigstens eine Spule eine Anzugsspule und eine Haltespule aufweist.
Solenoid nach Anspruch 17, ferner aufweisend ein Hülsenelement, das mit dem Plunger gekoppelt ist und über eine umfängliche Nut in dem Plunger positioniert ist, wobei eine Bewegung der umfänglichen Nut an der radialen Wand vorbei den radialen Abstand zwischen der radialen Wand und dem Plunger verändert.
Verfahren zum Betreiben eines Solenoids für einen Fahrzeuganlassmotor, wobei das Verfahren aufweist: Erregen wenigstens einer Spule des Solenoids; Bewegen eines Plungers in einer axialen Richtung als Folge der Erregung der wenigstens einen Spule; und Verändern der magnetischen Reluktanz zwischen dem Plunger und einer Solenoidwand als Folge der Plungerbewegung in die axiale Richtung.