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Ausführungsbeispiele betreffen das Gebiet elektrischer Anlassermotoren und genauer einen elektrischen Anlassermotor mit variablem Fluss.
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Fahrzeuge, die Verbrennungsmotoren nutzen, umfassen im Allgemeinen einen Anlassermotor. In den meisten Fällen setzen Fahrzeuge einen elektrischen Anlassermotor ein, um den Betrieb des Verbrennungsmotors zu initiieren. Der elektrische Anlassermotor umfasst einen Anker, der sich als Reaktion auf die magnetische Antriebskraft dreht, die zwischen Ankerwicklungen aufgebaut wird und durch ein stationäres Feld bereitgestellt wird. Der Anker ist mit einem Ritzel gekoppelt, das ausgebildet ist, mit einem Zahnkranz an dem Verbrennungsmotor in Eingriff zu stehen. Ein Solenoid treibt das Ritzel in den Zahnkranz, um den Verbrennungsmotor zu starten.
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Es wird ein elektrischer Anlassermotor mit variablem Fluss offenbart, der einen Rahmen, einen in dem Rahmen drehbar montierten Anker und ein an dem Rahmen montiertes Primärfeld umfasst. Das Primärfeld umfasst eine Mehrzahl von Primärwicklungen, die elektrisch miteinander verbunden sind. Ein Relais ist elektrisch mit zumindest einem der Mehrzahl von Polen gekoppelt. Ein Zusatzfeld ist an dem Rahmen montiert. Das Zusatzfeld umfasst eine Zusatzwicklung, die elektrisch mit der Mehrzahl von Primärwicklungen parallel verbunden ist.
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Es wird ebenfalls ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Anlassermotors mit variablem Fluss offenbart. Das Verfahren umfasst: Durchleiten eines elektrischen Stroms durch ein Primärfeld, das eine Mehrzahl von miteinander elektrisch verbundenen Primärwicklungen aufweist, um einen ersten Fluss zu erzeugen, Drehen eines Ankers bei einer ersten Drehzahl als Reaktion auf den ersten Fluss, Kurzschließen zumindest einer der Mehrzahl von Primärwicklungen, um einen zweiten Fluss zu erzeugen, Drehen des Ankers bei einer zweiten Drehzahl, die größer als die erste Drehzahl ist, als Reaktion auf den zweiten Fluss, und Begrenzen der zweiten Drehzahl, indem elektrischer Strom durch eine Zusatzwicklung eines Zusatzfeldes geführt wird, das parallel zum Primärfeld elektrisch gekoppelt ist.
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Die folgenden Beschreibungen sollten nicht als auf irgendeine Weise beschränkend aufgefasst werden. Im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen sind ähnliche Elemente ähnlich nummeriert.
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1 zeigt eine teilweise Querschnittsseitenansicht eines elektrischen Anlassermotors mit variablem Fluss nach einem Ausführungsbeispiel;
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2 zeigt eine teilweise Querschnittsendansicht des elektrischen Anlassermotors mit variablem Fluss aus 1;
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3 zeigt eine teilweise perspektivische Ansicht eines Zusatzfeldes, das in einem Rahmen des elektrischen Anlassermotors mit variablem Fluss aus 2 angeordnet ist;
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4 zeigt ein Verdrahtungsdiagramm, das die Verbindungen des Primär- und Zusatzfeldes des elektrischen Anlassermotors mit variablem Fluss aus 2 zeigt;
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5 zeigt einen Schaltplan der Verbindungen des Primärfeldes des elektrischen Anlassermotors mit variablem Fluss aus 2;
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6 zeigt einen Drehmoment-Drehzahl-Graphen, der Drehmoment-Drehzahl-Kurven für Standardwicklungen, für Wicklungen nach dem Anlegen eines variablen Flusses, und für Wicklungen nach dem Anlegen eines variablen Flusses und eines Zusatzfeldes darstellt; und
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7 zeigt ein Verdrahtungsdiagramm, der die Verbindungen des Primär- und Zusatzfeldes des elektrischen Anlassermotors mit variablem Fluss gemäß einem weiteren Aspekt des Ausführungsbeispiels zeigt.
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Es wird hier im Wege der beispielhaften Darstellung, und nicht der Beschränkung, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen eine detaillierte Beschreibung einer oder mehr Ausführungsformen der offenbarten Vorrichtung und des offenbarten Verfahrens vorgestellt.
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Ein elektrischer Anlassermotor mit variablem Fluss nach einem Ausführungsbeispiel wird allgemein bei 2 in 1 angezeigt. Der Anlassermotor 2 umfasst einen Rahmen 4, der eine Wand 6 aufweist. Die Wand 6 umfasst ein erstes Ende 8, das sich bis zu einem zweiten Ende 9 erstreckt. Die Wand 6 definiert einen inneren Abschnitt 10. In dem dargestellten beispielhaften Aspekt umfasst der Anlassermotor 2 ein Ritzelgehäuse 12, das am ersten Ende 8 angeordnet ist. Das Ritzelgehäuse 12 umgibt teilweise ein Ritzel 14, das drehbar an einer Ritzelwelle 16 montiert ist. Eine Endplatte 18 ist am zweiten Ende 9 montiert. Die Endplatte 18 umfasst einen Ausnehmungsabschnitt 19. Es wird ebenfalls gezeigt, dass der Anlassermotor 2 eine Feldanordnung 24, die an einer Innenfläche (nicht separat ausgezeichnet) der Wand 6 montiert ist, und eine Rotor- oder Ankeranordnung 30 umfasst.
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Die Ankeranordnung 30 umfasst einen Ankerkern 31, der auf einer Ankerwelle 32 gelagert ist. Der Ankerkern 31 ist durch einen Luftspalt (der nicht separat ausgezeichnet ist) von der Feldanordnung 24 beabstandet. Die Ankerwelle 32 umfasst einen ersten Endabschnitt 34, der sich bis zu einem zweiten Endabschnitt 36 erstreckt. Der erste Endabschnitt 34 ist durch ein Lager 37 gelagert, das innerhalb einer Ausnehmung (nicht separat ausgezeichnet) der Ritzelwelle 16 vorgesehen ist, während der zweite Endabschnitt 36 durch ein Lager 38 gelagert ist, das innerhalb der Ausnehmung 19 angeordnet ist. Der erste Endabschnitt 34 der Ankerwelle 32 ist wirksam mit dem Ritzel 14 über ein Getriebe 40 gekoppelt. Es wird ebenfalls gezeigt, dass die Ankeranordnung 30 einen Kommutator 44 umfasst, der mit einer Bürstenanordnung 46 gekoppelt ist. Die Bürstenanordnung 46 liefert den Ankerwicklungen 47 über den Kommutator 44 elektrischen Strom. Der durch die Ankerwicklungen 47 fließende elektrische Strom interagiert mit der Feldanordnung 24, um eine magnetische Antriebskraft (magnetic motive force, MMF) aufzubauen. Die MMF baut einen Fluss innerhalb des Luftspalts zwischen dem Ankerkern 31 und der Feldanordnung 24 auf. Der Fluss interagiert mit dem durch den Ankerkern 31 fließenden Strom, was die Ankeranordnung 30 dazu bringt, sich innerhalb des Rahmens 4 zu drehen. Die Drehung der Ankeranordnung 30 wird über das Getriebe 40 auf das Ritzel 14 übertragen. Ein Solenoid 48 verschiebt das Ritzel 14 entlang der Ritzelwelle 16 in den Eingriff mit einem Zahnkranz (nicht gezeigt), der typischerweise an einem Schwungrad eines Verbrennungsmotors (ebenfalls nicht gezeigt) vorgesehen ist.
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Nach einem Ausführungsbeispiel umfasst die Feldanordnung 24 ein Primärfeld 60 und ein Sekundär- oder Zusatzfeld 64, wie in 2 gezeigt. Das Primärfeld 60 umfasst eine erste Primärwicklung 70, eine zweite Primärwicklung 71, eine dritte Primärwicklung 72 und eine vierte Primärwicklung 73. Der Anlassermotor 2 umfasst einen ersten Polschuh 80, einen zweiten Polschuh 81, der um ungefähr 90° von dem ersten Polschuh 80 beabstandet ist, einen dritten Polschuh 82, der um ungefähr 90° von dem zweiten Polschuh 81 beabstandet ist, und einen vierten Polschuh 83, der um ungefähr 90° von dem ersten Polschuh 80 und dem dritten Polschuh 82 beabstandet ist, wodurch ein System mit vier Polen definiert wird. Die Polschuhe 80–83 sind an einer Innenfläche (nicht separat ausgezeichnet) der Wand 6 montiert. Die erste Primärwicklung 70 umschlingt den ersten Polschuh 80. Die zweite Primärwicklung 71 umschlingt den zweiten Polschuh 81. Die dritte Primärwicklung 72 umschlingt den dritten Polschuh 82. Die vierte Primärwicklung 73 umschlingt den vierten Polschuh 83.
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Nach einem Aspekt des Ausführungsbeispiels umfassen die erste und die zweite Primärwicklung 70, 71 eine identische Anzahl von Wicklungen. Genauer umfassen die erste Primärwicklung 70 und die zweite Primärwicklung 71 eine gleiche Anzahl von Windungen. Im Gegensatz dazu umfassen die dritte und die vierte Primärwicklung 72, 73 eine unterschiedliche Anzahl von Wicklungen. Ferner umfassen die dritte und die vierte Primärwicklung 72, 73 eine von der ersten und der zweiten Primärwicklung 70, 71 unterschiedliche Anzahl von Wicklungen. Nach einem Aspekt des Ausführungsbeispiels umfasst die dritte Primärwicklung 72 weniger Windungen als die erste und die zweite Primärwicklung 70 und 71, und die vierte Primärwicklung 73 umfasst eine größere Anzahl von Windungen als die erste und die zweite Primärwicklung 70 und 71. In weiterer Übereinstimmung mit einem beispielhaften Aspekt umfasst die dritte Primärwicklung 72 eine Windung weniger als die erste und die zweite Primärwicklung 70 und 71, und die vierte Primärwicklung 73 umfasst eine Windung mehr als die erste und die zweite Primärwicklung 70 und 71. Nach mit einem beispielhaften Aspekt umfassen die erste und die zweite Primärwicklung 70 und 71 jeweils vier (4) Windungen, die dritten Primärwicklung 72 umfasst drei (3) Windungen, und die vierten Primärwicklung 73 umfasst fünf (Windungen). Die unterschiedliche Anzahl von Windungen bei der dritten und vierten Wicklung 72 und 73 trägt zu einem die Drehzahl begrenzenden Merkmal der Ausführungsform bei, wie unten vollständiger im Detail beschrieben wird. Jedoch versteht es sich, dass die Anzahl von Windungen variieren kann. Ferner versteht es sich, dass jede Primärwicklung 70–73 eine unterschiedliche Anzahl von Windungen umfassen kann.
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In weiterer Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel definiert das Zusatzfeld 64 eine einzelne Zusatzwicklung 100, die einen ersten axialen Polschenkel 104, einen zweiten axialen Polschenkel 105, einen dritten axialen Polschenkel 106 und einen vierten axialen Polschenkel 107 aufweist. Wie unten vollständiger besprochen werden wird, sorgt das Zusatzfeld 64 für eine Anregung einer oder mehr der Primärwicklungen 70–73. Nach einem Aspekt des Ausführungsbeispiels kann das Zusatzfeld 64 angeordnet sein, für eine Anregung zweier der Primärwicklungen 70–73 zu sorgen. Nach einem weiteren Aspekt des Ausführungsbeispiels kann das Zusatzfeld 64 angeordnet sein, für eine Anregung jeder der Primärwicklungen 70–73 zu sorgen. Die Anzahl der Primärwicklungen, auf die das Zusatzfeld 64 wirkt, kann variieren. Der erste und der zweite axiale Polschenkel 104 und 105 sind durch einen ersten Umfangspolschenkel 109 verbunden. Der zweite und der dritte axiale Polschenkel 105 und 106 sind durch einen zweiten Umfangspolschenkel 110 verbunden. Der dritte und der vierte axiale Polschenkel 106 und 107 sind durch einen dritten Umfangspolschenkel 111 verbunden, und der vierte und der erste axiale Polschenkel 107 und 104 sind durch einen vierten Umfangspolschenkel 112 verbunden. Zu diesem Zeitpunkt versteht sich, dass der Begriff axialer Polschenkel einen Polschenkel beschreibt, der sich entlang einer Achse des Anlassermotors 2 erstreckt, und dass der Begriff Umfangspolschenkel einen Polschenkel beschreibt, der sich entlang eines Umfangs des Anlassermotors 2 erstreckt. Wie in 4 gezeigt, sind die erste, zweite, dritte und vierte Primärwicklung 70–73 elektrisch mit einer Stromquelle 118 gekoppelt. Die erste und die zweite Primärwicklung 70 und 71 sind elektrisch in Reihe gekoppelt. Desgleichen sind die dritte und die vierte Primärwicklung 72 und 73 elektrisch in Reihe gekoppelt. Die erste und die zweite Primärwicklung 70 und 71 sind parallel zu der dritten und der vierten Primärwicklung 72 und 73 gekoppelt. Das Zusatzfeld 64 ist parallel zur ersten, zweiten, dritten und vierten Primärwicklung 70–73 geschaltet. Wie unten vollständiger besprochen werden wird, baut das Zusatzfeld 64 ein relativ schwaches Feld auf, das für eine die Drehzahl begrenzende Wirkung auf die Ankeranordnung 30 sorgt.
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In noch weiterer Übereinstimmung mit dem Ausführungsbeispiel umfasst der Anlassermotor 2 ein Relais 120, das wirksam mit einer Steuervorrichtung 124 verbunden ist, wie in 5 gezeigt. Das Relais 120 kann physisch in den Anlassermotor 2 eingebaut sein oder entfernt installiert sein. Die Steuervorrichtung 124 bildet allgemein einen Teil einer Fahrzeugsteuerelektronik (electronic control system, ECS). Wie dargestellt, ist das Relais 120 zwischen Ausgangsabschnitten (nicht separat ausgezeichnet) der ersten und der dritten Primärwicklung 70 und 72 und Eingangsabschnitten (ebenfalls nicht separat ausgezeichnet) der zweiten und vierten Primärwicklung 71 und 73 gekoppelt. Die Steuervorrichtung 124 wird selektiv das Relais 120 aktivieren, was bewirkt, dass die zweite und die vierte Primärwicklung 71 und 73 kurzgeschlossen werden. Kurzgeschlossen soll so verstanden werden, dass Strom auf einem reduzierten Niveau weiterhin durch die zweite und die vierte Primärwicklung 71 und 73 fließt.
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Bei Kaltstartszenarien, wie etwa bei einem ersten Motorenstart oder nach einer Ruheperiode, bleibt das Relais 120 offen, so dass elektrischer Strom durch die erste, zweite, dritte und vierte Primärwicklung 70–73 fließt. Genauer gesagt fließt elektrischer Strom auf eine Weise, die der eines herkömmlichen Anlassermotors ähnlich ist. Ferner agieren die dritte und die vierte Primärwicklung 72 und 73, obwohl sie eine unterschiedliche Anzahl von Windungen haben, aufgrund der Reihenschaltung auf eine ähnliche Weise wie die erste und die zweite Wicklung 70 und 71. Mit anderen Worten ist die Anzahl an Windungen, die die erste und die zweite Primärwicklung 70 und 71 bilden, dieselbe wie die Anzahl der Wicklungen, die die dritte und die vierte Primärwicklung 72 und 73 bilden, um somit ein Gleichgewicht innerhalb des Anlassermotors 2 beizubehalten. Genauer führt die Reihenschaltung dazu, dass der elektrische Strom, der durch die erste und die zweite Primärwicklung 70 und 71 fließt, beispielsweise insgesamt acht (8) Windungen durchläuft, und dazu, dass der elektrische Strom, der durch die dritte und die vierte Primärwicklung 72 und 73 fließt, ebenfalls durch insgesamt acht (8) Windungen zu fließt, um einen ersten Fluss zu entwickeln. Bei Kaltstartszenarien beeinflusst das Zusatzfeld 64 den ersten Fluss nicht wesentlich. Daher erfährt die Ankeranordnung 30 die Reaktion mit hohem Drehmoment und geringer Drehzahl, die für Kaltstartbedingungen wünschenswert ist.
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Im Gegensatz dazu ist es bei Warmstartszenarien, wie etwa nach dem Abstellen eines Motors an einer roten Ampel, oder nach einem Übergang bei einem anderen Stoppereignis, wünschenswert, einen schnelleren Start zu erreichen. Somit reagiert die Steuervorrichtung 124 so, dass sie den Anlassermotor 2 mit einem zweiten Fluss versorgt, der zu einem Betrieb mit geringerem Drehmoment und höherer Drehzahl der Ankeranordnung 30 führt. Genauer wird bei einem Warmstartszenario die Steuervorrichtung 124 das Relais 120 schließen, was bewirkt, dass die zweite und die vierte Primärwicklung 71 und 73 kurzgeschlossen werden. Jedoch wird die besondere Verbindung im Anlassermotor 2 etwas an Stromfluss durch die zweite und die vierte Primärwicklung 71 und 73 ergeben. Die tatsächliche Menge an Stromfluss wird von dem Wicklungswiderstand wie auch dem Widerstand des Relais 120 abhängen. Der Stromfluss durch die zweite und die dritte Primärwicklung 71 und 72 wird durch die Anzahl der Windungen beeinflusst werden. In einem Ausführungsbeispiel wird Strom sieben (7) Windungen anstelle von acht (8) Windungen durchlaufen.
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Die besondere Ausbildung, die durch das Kurzschließen der zweiten und vierten Primärwicklung 71 und 73 erzeugt wird, resultiert in einer Verschiebung der Drehmoment-Drehzahl-Kurve, die bewirkt, dass die Ankeranordnung 30 eine Reaktion mit geringerem Drehmoment und höherer Drehzahl erfährt. Abhängig von verschiedenen Konstruktionsüberlegungen kann die Verschiebung der Drehmoment-Drehzahl-Kurve zu einem Überdrehzahlzustand der Ankeranordnung 30 führen. 6 zeigt einen Drehmoment-Drehzahl-Graphen 200, der eine standardmäßige Drehmoment-Drehzahl-Kurve 210 und eine Drehmoment-Drehzahl-Kurve 220 nach dem Anlegen eines variablen Flussfeldes ohne Zusatzfeld umfasst. Wie gezeigt, kann ohne den Zusatz des Zusatzfelds das Kurzschließen der zweiten und vierten Wicklung 89 und 93 bewirken, dass die Ankeranordnung 30, und folglich auch das Ritzel 14, sich mit Drehzahlen drehen, die eine Maximaldrehzahl übersteigen, die durch die Konstruktionsvorschriften festgelegt sind, die bei 225 angezeigt sind. Genauer gesagt schafft das Anlegen eines variablen Flussfeldes einen weit reichenden Endabschnitt 228 an der Drehmoment-Drehzahl-Kurve 220, der die Maximaldrehzahl für den Elektromotor übersteigt. Um die Drehmoment-Drehzahl-Kurve 220 zu linearisieren und den weit reichenden Endabschnitt 228 zu beseitigen, um die durch die Ankeranordnung erfahrene Drehzahl 30 zu beschränken, wird ein Strom durch das Zusatzfeld 64 durchgeleitet.
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Der Stromfluss durch das Zusatzfeld 64 erzeugt eine Drehmoment-Drehzahl-Kurve, wie sie bei 230 gezeigt wird, die linearisierter ist als die Drehmoment-Drehzahl-Kurve 220, und der das ”weit reichende Endstück” fehlt. Auf diese Weise beschneidet die Anregung des Zusatzfeldes die Leistung bei hoher Drehzahl. Genauer gesagt steht der Stromfluss durch die Zusatzwicklung 100 nicht im Zusammenhang mit den in Reihe Strom führenden Primärwicklungen 70–73. Daher erzeugt das Zusatzfeld 64 ein relativ schwaches Feld, das die Leistung bei hoher Drehzahl auf weniger als die Konstruktionsvorschriften beschränkt und gleichzeitig leicht das Stillstandsmoment des Anlassermotors 2 reduziert. Somit stellen die Ausführungsbeispiele einen einzigen Anlassermotor bereit, der einen variablen Fluss erzeugt, der durch ein selektives Anlegen von Strom durch Wicklungen erreicht wird, die identische oder unterschiedliche Anzahlen von Windungen aufweisen, um verschiedene Flussfelder zu erzeugen, die wünschenswerte Drehmoment-Drehzahl-Reaktionskurven sowohl für Kaltstart- als auch Warmstartszenarien erzeugen. Der Zusatz eines schwachen Zusatzfeldes sorgt für eine beschränkende Wirkung auf die Leistung bei hoher Drehzahl des Anlassermotors, um die Ritzeldrehzahlen innerhalb der Konstruktionsgrenzen zu halten.
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An diesem Punkt versteht es sich, dass die Ausführungsbeispiele einen einzigen Anlassermotor beschreiben, der einen variablen Fluss erzeugt, der durch ein selektives Anlegen von Strom an ein Zusatzfeld erreicht wird. Das selektive Anlegen von Strom an das Zusatzfeld hängt von den gewünschten Startbedingungen ab, wie sie beispielsweise durch die Steuervorrichtung 124 bestimmt werden. Es versteht sich ebenfalls, dass, obwohl er als Ausbildung mit vier Polen gezeigt und beschrieben wurde, die Anzahl der Pole im Anlassermotor variieren kann. Beispielsweise können die Ausführungsbeispiele in einem Anlassermotor eingebaut sein, der nur zwei Pole oder sogar acht oder mehr Pole aufweist. 7, in der ähnliche Bezugszeichen entsprechende Teile in den jeweiligen Ansichten repräsentieren, zeigt einen Anlassermotor 300, der sechs Pole 304–309, die entsprechende Primärwicklungen 321–326 aufweisen, und ein Zusatzfeld 330 aufweist, das eine Zusatzwicklung 333 aufweist. Bei diesem Aufbau wird das Relais 120 selektiv aktiviert, um einen Kurzschluss zwischen den Wicklungen 323 und 325 zu erzeugen, um zu bewirken, dass Strom durch die Zusatzwicklung 333 fließt und den Anlassermotor 300 auf eine ähnliche Weise wie der oben beschriebenen zu betreiben.
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Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf ein Ausführungsbeispiel oder auf Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute erkennen, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können und Äquivalente mit Elementen davon ausgetauscht werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Ferner können viele Modifikationen gemacht werden, um eine besondere Situation oder ein besonderes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichen Umfang abzuweichen. Somit ist beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die spezielle Ausführungsform beschränkt wird, die als die Weise offenbart wird, die für die Ausführung dieser Erfindung als die beste betrachtet wird, sondern, dass die Erfindung alle Ausführungsformen umfasst, die in den Umfang der Ansprüche fallen.
