DE3725470A1 - Elektronisch kommutierender startermotor fuer eine brennkraftmaschine oder dergleichen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Startermotoren und insbesondere einen elektrisch bzw. elektronisch kommutierenden koaxialen Startermotor für eine Brennkraftmaschine oder dergleichen.

Brennkraftmaschinen von der Bauart, die üblicherweise zum Antrieb von Rasenmähern, Pumpen, Generatoren, Außenbordmotoren, Kraftfahrzeugen oder dergleichen verwendet werden, haben üblicherweise einen elektrischen Startermotor mit einem Getriebe, um das Schwungrad anzutreiben, wenn der Motor gestartet wird. Ein Ausrückmechanismus wird ebenfalls üblicherweise verwendet, um nach dem Starten der Brennkraftmaschine den Startermotor zu trennen. Derartige Brennkraftmaschinen verwenden außerdem üblicherweise Synchrongeneratoren, die von dem Startermotor getrennt sind. Eine Reibungsbremse, die mit dem Schwungrad in Eingriff steht, oder eine kombinierte Bremse mit Kupplung für ein rotierendes Messer ist aus Sicherheitsgründen bei konstruktiven Ausführungsformen für Rasen und Garten vorgesehen.

Somit ist es wünschenswert, ein Festkörpergerät anzugeben, das eine Kombination von elektrischem Startermotor und Generator für Anwendungsformen mit Eigenantrieb und eine Bremse für Rasen- und Gartenausführungsformen mit Brennkraftmaschinen aufweist, wobei ein solches Gerät das herkömmliche Getriebe sowie getrennte Generatoren und Bremsen in Wegfall bringt.

Es ist bei bürstenlosen Gleichstrommotoren bekannt, einen Läufer mit Permanentmagneten, mindestens ein Paar von winkelmäßig beabstandeten Feldwicklungen, die den Läufer umgeben oder in dessen Nähe angeordnet sind, sowie eine Einrichtung zur Steuerung der Kommutierung des Stromes durch die Feldwicklungen in der Weise zu verwenden, daß ein rotierendes Magnetfeld erzeugt wird, um ein Drehmoment in dem Läufer zu induzieren und ihn zum Rotieren zu bringen. In der Tat sind verschiedene Techniken verwendet worden, um die Winkelstellung des Läufers bezüglich der Feldwicklungen zu messen. Diese Techniken umfassen die Verwendung von Spulen, fotoelektrischen Einrichtungen und magnetischen Sensoren von der Bauart, die in den nachstehenden Druckschriften angegeben sind: US-PS 27 05 770, US-PS 33 75 422, US-PS 34 53 514, US-PS 35 31 702, US-PS 36 67 018, US-PS 37 14 532, US-PS 39 00 780, US-PS 44 55 514, US-PS 44 60 856, US-PS 44 72 665 und US-PS 44 75 068.

Ein elektronisch kommutierender koaxialer Startermotor/Generator für Brennkraftmaschinen, der keinerlei Getriebe zum Antrieb des Schwungrades der Brennkraftmaschine und in einigen Anwendungsfällen auch keinen Riemen zum Antrieb des Generators benötigt, wird gemäß der Erfindung angegben. Die Elektronik der Einrichtung bildet auch einen Generator und eine Bremse für die Brennkraftmaschine, welche die herkömmlichen getrennten Baugruppen von Generator und Bremse in Wegfall bringt, die üblicherweise bei herkömmlichen Rasen- und Gartengeräten verwendet werden. Außerdem ermöglicht der Schaltungsaufbau eine elektronische Geschwindigkeitssteuerung, eine Brennstoffeinspritzsteuerung, eine direkte Zündung, ein verbessertes hohes Drehmoment der Brennkraftmaschine, ein Tachometer-Ausgangssignal für die Zündeinstellsteuerung sowie eine Energieversorgung für elektrische Brennstoff- und Ölpumpen.

Zu diesem Zweck umfaßt die erfindungsgemäße Einrichtung einen Ständer, der auf dem Motorzylinder koaxial mit der Kurbelwelle montiert ist, die ein ferromagnetisches Kernmaterial aufweist, welches eine Vielzahl von winkelmäßig beabstandeten Strom führenden Feldwicklungen enthält, die den Ständer umgeben und in einer Mehrphasenanordnung angeschlossen sind. Ferner ist ein Läufer mit Permanentmagnet vorgesehen, der zweckmäßigerweise integral mit dem Schwungrad der Brennkraftmaschine ausgebildet und so montiert ist, daß er sich mit der Kurbelwelle dreht. Das Schwungrad umfaßt eine Vielzahl von umfangsmäßig beabstandeten Permanentmagneten, die daran angebracht sind, wobei benachbarte Magnetpole mit entgegengesetzter magnetischer Polarität vorgesehen sind.

Für den Fachmann ist einsichtig, daß eine derartige, vorstehend beschriebene Anordnung auch auf der Leistungsabgriffsseite der Brennkraftmaschine angeordnet sein kann.

Die elektronische Kommutierung des Stromes durch die Feldwicklungen wird erreicht unter Verwendung von Positionsanzeigemitteln, die koaxial montiert sind und sich mit der Kurbelwelle drehen, von stationären Abtasteinrichtungen, die zur Abtastung der Winkelstellung der Positionsanzeigemittel montiert sind und in Abhängigkeit von diesen elektrische Signale erzeugen, und von einer Schaltung, die auf die elektrischen Signale von der Abtasteinrichtung anspricht, um den Stromfluß durch die Feldwicklungen zu steuern, so daß sich das Schwungrad dreht.

Die Positionsanzeigemittel umfassen vorzugsweise einen nichtmagnetischen Abstandshalter, der an der Kurbelwelle befestigt ist, und ein den Abstandshalter umgebendes Ringelement, bestehend aus einer Vielzahl von in Umfangsrichtung angeordneten Permanentmagneten mit abwechselnden Nord-Süd-Polen. Die stationäre Abtasteinrichtung weist eine Vielzahl von magnetisch betätigten Hall-Effekt-Einrichtungen auf, die im Abstand voneinander und radial um die Drehachse angeordnet sind und von dem Magnetfluß von den abwechselnden Polen des Ringelementes betätigt werden. Die Hall-Effekt-Einrichtungen sind vorzugsweise auf einer Scheibe montiert, die ihrerseits an dem Ständer befestigt ist.

Die Schaltungsanordnung weist einen Oszillator auf, der die Schaltfrequenz bestimmt, um für eine Arbeitszyklusmodulation der Wicklungen zu sorgen, um die Geschwindigkeit bzw. die Drehzahl des Motors zu steuern. Die Kommutierung wird mit einer integrierten Schaltung vorgenommen, welche das Oszillator- Ausgangssignal erhält und die Stellung der Kurbelwelle bestimmt, indem sie die Ausgangssignale der Hall-Effekt-Einrichtungen liest, diese Signale dekodiert und geeignete Logik-Eingangssignale für die Leistungselektronik erzeugt; diese erregt ihrerseits die richtigen Wicklungen in der geeigneten Reihenfolge beim Ständer, um ein Drehmoment zu erzeugen und die Drehung des Schwungrades aufrechtzuerhalten. Die Leistungselektronik, üblicherweise zwei pro Motorphase, umfaßt vorzugsweise MOSFETs, also Metalloxid-Silizium-Feldeffekttransistoren; alternativ dazu können bipolare Transistoren in Darlington- Konfiguration oder andere geeignete Leistungsschalteinrichtungen verwendet werden, die an die Ständerwicklungen angeschlossen sind.

Gemäß der Erfindung wird somit ein elektronisch kommutierender koaxialer Startermotor angegeben, der es in vorteilhafter Weise ermöglicht, die Konfiguration einer herkömmlichen Brennkraftmaschine beizubehalten, wobei jedoch der herkömmliche, mit Getriebe versehene Startermotor, der Generator und die Reibungsbremse an dem Schwungrad entfallen können, die bei Rasen- und Gartenanwendungsfällen sonst verwendet werden.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine perspektivische Seitenansicht eines Rasenmähers mit einem elektronisch kommutierenden koaxialen Startermotor, der gemäß der Erfindung aufgebaut ist;

Fig. 2 eine perspektivische Explosionsdarstellung zur Erläuterung der Baugruppen des Startermotors;

Fig. 3 ein schematisches Blockschaltbild zur Erläuterung der elektronischen Schaltungsanordnung für den Startermotor;

Fig. 4 ein schematisches Schaltbild zur Erläuterung einer Kommutator-Steuerschaltung für den Startermotor gemäß Fig. 1 bis 4; und in

Fig. 5 ein elektrisches Schaltbild zur Erläuterung einer zweiten Ausführungsform der Leistungselektronik für die Kommutator-Steuerschaltung für den Startermotor gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 der Zeichnung erkennt man einen mit rotierendem Schneidmesser versehenen Rasenmäher, bei dem man im Betrieb hinterhergeht. Der Rasenmäher 1 enthält einen elektronisch kommutierenden koaxialen Startermotor, der gemäß der Erfindung aufgebaut ist. Der Rasenmäher 1 hat ein horizontal verlaufendes Schneidmesser 2, das sich um eine vertikale Achse dreht und von einer Brennkraftmaschine 3 angetrieben ist. Die Brennkraftmaschine 3 ist auf einer Bodenplatte 4 über dem Schneidmesser 2 montiert und so positioniert, daß ihre nicht dargestellte Kurbelwelle vertikal ausgerichtet ist und nach unten durch die Bodenplatte 4 vorsteht, wo sie in antreibendem Eingriff mit dem Schneidmesser 2 steht. Eine Schürze 5 steht von der Bodenplatte 4 nach unten bis zu einer Höhe unterhalb der Schneidhöhe des Schneidmessers 2 vor und umgibt das Schneidmesser 2 vollständig, ausgenommen eine Austrittsöffnung 6 für die abgeschnittenen Abfälle an einer Seite des Rasenmähers 1. Die Bodenplatte 4 ist auf Rädern 7 montiert, und ein Handgriff 8, der von der Bodenplatte 4 nach oben und hinten vorsteht, wird von einem Benutzer des Rasenmähers 1 gehalten, um diesen zu führen.

Am Handgriff 8 des Rasenmähers 1 ist eine Totmannsicherung oder ein Sicherheitshebel in Form eines Bügels 9 angebracht. Der Bügel 9 ist als U-förmiges Teil dargestellt, wobei der Bügel 9 in eine gelöste Position vorgespannt ist, in der er von dem Handgriff 8 nach oben vorsteht. Zum Mähen schwenkt der Benutzer den U-förmigen Bügel 9 nach unten in eine Betriebsstellung, in der er dicht über dem Handgriff 8 liegt. Der Bügel 9 als Sicherheitshebel ist über ein Kabel 10 mit einem nicht dargestellten, kombinierten Kupplungs- und Bremsmechanismus oder dergleichen verbunden, so daß das Schneidmesser 2 antriebsmäßig mit der Brennkraftmaschine 3 gekoppelt ist, solange der Bügel 9 in seiner Betriebsstellung über dem Handgriff 8 gehalten ist. Dieser Mechanismus wird aber von der Brennkraftmaschine 3 abgekoppelt und zum Stoppen gebremst, wenn der Bügel 9 losgelassen wird. Es sind zahlreiche Mechanismen bekannt, mit denen das Auskuppeln und Bremsen eines Mähmaschinen-Schneidmessers vorgenommen werden kann, wenn man den Sicherheitshebel losläßt, so daß Einzelheiten eines derartigen Sicherheitsmechanismus an dieser Stelle nicht beschrieben werden.

Der elektronisch kommutierende koaxiale Startermotor, der in Fig. 1 allgemein mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet ist, wird mit einer elektronischen Schaltungsanordnung gesteuert, die auf einer Schaltungsplatte 12 ausgebildet ist, die an einem Träger 13 befestigt ist, der seinerseits mit Schrauben oder anderen Befestigungsmitteln am Gehäuse der Brennkraftmaschine 3 angebracht ist. Die auf der Schaltungsplatte 12 ausgebildete Elektronik wird von einer Batterie 14 versorgt, die auf der Bodenplatte 4 montiert ist, und zwar mit Versorgungsleitungen 15 bzw. 16, die an die positiven und negativen Anschlüsse angeschlossen sind. Die Elektronik ist ihrerseits mit den Feldwicklungen des Startermotors 11 über Drähte 17 verbunden.

In Fig. 2 der Zeichnung sind in Explosionsdarstellungen die Baugruppen des Startermotors 11 dargestellt. Der Startermotor 11 weist einen Ständer 18 auf, der aus einem ferromagnetischen Kernmaterial mit einer Vielzahl von Strom führenden Feldwicklungen 19 besteht, die in einer Mehrphasenkonfiguration darauf gewickelt sind. Der Ständer 18 ist an einem Motorzylinder 20 mit Schrauben befestigt, die mit Montageaugen 21 am Motorzylinder 20 in Eingriff stehen. Der Ständer 18 weist eine zentrale Öffnung 22 und ein Paar von nicht dargestellten, radial verlaufenden Schlitzen auf, die ebenfalls eine Drehung des Ständers 18 verhindern, indem sie in verkeilter Anordnung eine Ringhülse 23 und radiale Arme 24 aufnehmen, die von dem Motorzylinder 20 vorstehen.

Eine Wellenpositions-Anzeigeeinrichtung wird von der nicht dargestellten Kurbelwelle getragen und ist koaxial so montiert, daß sie sich mit der Kurbelwelle dreht. In der dargestellten Weise umfaßt die Anzeigeeinrichtung einen nicht-magnetischen ringförmigen Abstandshalter 25, der an der Kurbelwelle befestigt wird, und ein Ringelement oder einen Ringmagneten 26, der den Abstandshalter 25 umgibt. Der Ringmagnet 26 besteht aus einer Vielzahl von in Umfangsrichtung angeordneten Permanentmagneten, die abwechselnd Nord-Süd-Pole haben. Der Abstandshalter 25 kann auf der Kurbelwelle zur Drehung mit dieser verkeilt oder in sonstiger Weise an der Kurbelwelle befestigt sein.

Eine stationäre Abtasteinrichtung ist auch vorgesehen, um die Winkelposition der Anzeigeeinrichtung abzutasten und in Abhängigkeit von dieser elektrische Signale zu erzeugen. Die hier beschriebene Abtasteinrichtung, auf welche die Erfindung aber hier nicht beschränkt ist, weist drei magnetisch betätigbare Hall-Effekt-Einrichtungen 27 bis 29 auf, die in Umfangsrichtung und im Abstand voneinander radial um die Drehachse der Kurbelwelle angeordnet sind. Wie man weiß, werden Hall-Effekt-Einrichtungen 27 bis 29 durch den Magnetfluß von den abwechselnden Polen des Ringmagneten 26 betätigt, wenn sich der Ringmagnet 26 mit der Kurbelwelle dreht. Die Hall-Effekt-Einrichtungen 27 bis 29 sind auf einer Scheibe 30 montiert, die ihrerseits in gewünschter Weise an dem Ständer 18 befestigt ist. Die Hall-Effekt-Einrichtungen 27 bis 29 befinden sich dicht genug am Ringmagneten 26, damit sie von den Feldern seiner Nord-Süd-Pole betätigt werden, und in Abhängigkeit von der Ausbildung der Schaltung, an die die Einrichtungen 27 bis 29 angeschlossen sind, arbeiten diese Einrichtungen 27 bis 29 in Abhängigkeit von den Magnetfeldern nur einer Polarität.

Beispielsweise können die Hall-Effekt-Einrichtungen 27 bis 29 "einschalten" aufgrund des Magnetflusses von den Nordpolen und "abschalten", wenn sie von den Südpolen des Ringmagneten 26 beeinflußt werden. Die Hall-Effekt-Einrichtungen 27 bis 29 sind so montiert, daß sie ausreichend weit von den Ständerwicklungen 19 entfernt angeordnet sind, und sie sind gegenüber diesen mit der nicht-magnetischen Scheibe 30 isoliert, um eine Wechselwirkung mit den Magnetfeldern zu verhindern, die von diesen Spulen erzeugt werden; desgleichen soll eine Wechselwirkung mit den Permanentmagneten innerhalb des Schwungrades verhindert werden, wie es nachstehend beschrieben ist.

Ein Schwungrad 31 ist koaxial zum Ringmagneten 26 montiert und dreht sich mit der Kurbelwelle. Wie am deutlichsten in Fig. 3 dargestellt, weist das Schwungrad 31 eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Permanentmagneten 32 auf, die längs der Innenoberfläche seines Randteiles 33 angeordnet sind. Die Permanentmagneten 32 sind so montiert, daß benachbarte Magnetpole eine entgegengesetzte magnetische Polarität haben. Im zusammengebauten Zustand überlappt der Rand des Schwungrades 31 den Ständer 18 in üblicher Weise. Somit bildet das Schwungrad 31 einen Permanentmagnetläufer für den Startermotor 11. Weiterhin darf darauf hingewiesen werden, daß dann, wenn das Schwungrad 31 aus Gußeisen besteht, die Permanentmagneten 32 direkt an der Innenseite des Randteiles 33 montiert sein können. Wenn jedoch das Schwungrad 31 aus einem nicht-magnetischen Material besteht, dann wird man zweckmäßigerweise die Magneten längs des Innendurchmessers eines ringförmigen Stahlringes anbringen, dessen Außendurchmesser mit der Innenoberfläche des Randteiles 33 in Eingriff steht.

In Fig. 3 ist ein Blockschaltbild zur Erläuterung der elektronischen Schaltungsanordnung für den Startermotor 11 dargestellt. Die Schaltungsanordnung umfaßt einen Oszillator 34 fester oder variabler Frequenz, der einer Kommutierungslogik 35 eine Sägezahn-Wellenform liefert. Der Oszillator 34 bestimmt die Schaltfrequenz der Feldwicklungen 19 und liefert in Zusammenwirkung mit einem zweiten Spannungspegel (Auslösespannung) eine Arbeitszyklusmodulation oder Einschaltdauermodulation, um dadurch die Geschwindigkeit bzw. die Drehzahl des Startermotors 11 zu steuern. Die Kommutierungslogik 35 besteht vorzugsweise aus einer monolithischen, mit Ionen implantierten integrierten Schaltung in MOS-Bauweise, wie sie beispielsweise unter der Typenbezeichnung LSI 7261 von der Firma LSI Computer Systems, New York, erhältlich ist.

Für den Fachmann ist klar, daß ein Mikroprozessorsystem so programmiert sein kann, daß es als Logik 35 arbeitet. Die Kommutierungslogik 35 erhält somit die elektrischen Signale, die von den Hall-Effekt-Einrichtungen 27 bis 29 erzeugt werden, sowie das Ausgangssignal vom Oszillator 34, dekodiert die Signale und liefert Logik-Eingangssignale für die Leistungselektronik 36. Die als integrierte Schaltung ausgebildete Kommutierungslogik 35 enthält eine Reihe von "NAND", "XNOR", "XOR" und "NOR"-Gattern sowie "Inverter", die Eingangssignale von den Hall-Effekt-Einrichtungen 27 bis 29 sowie andere Eingangssignale erhalten, die nachstehend beschrieben sind, woraufhin diese Signale in Abhängigkeit von der nachstehenden Wahrheitstabelle dekodiert werden.

Die anderen Eingänge der als Festkörper ausgebildeten Kommutierungslogik 35 umfassen einen Einschalt-Eingang, einen Brems-Eingang, elektrische Trenneingänge, einen Eingang für die Drehrichtung, einen Strombegrenzungseingang, einen Eingang für den externen Oszillator sowie einen Geschwindigkeitseingang, wie es an sich bekannt ist.

Die Leistungselektronik 36 umfaßt sechs MOSFETs, d. h. Metalloxid- Silizium-Feldeffekttransistoren, die mit den Bezugszeichen 37 bis 42 bezeichnet sind. Beispielsweise führt die wünschenswerte Verwendung von n-Kanal MOSFETs gemäß der heutigen Technologie für die oberen und unteren Schienen zu dem Erfordernis einer Gattertreiberspannung, die 20 Volt für die MOSFETs der oberen Schiene überschreitet, was mit einer Ladepumpe 43 erreicht wird.

Wie am deutlichsten in Fig. 4 dargestellt, sind 20 Volt Zenerdioden 50 bis 52 vorgesehen, um die jeweiligen MOSFETs 37 bis 39 nur an der oberen Schiene zu schützen. Der Einbau eines Spannungsreglers 44, der den Batterieladestrom steuert, ermöglicht es, daß die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 und 4 die Batterie 14 während des Betriebes lädt. Somit wird eine Kombination aus Startermotor und Generator gebildet, welche ebenfalls den Ständer 18 mit ferromagnetischem Kern, die Feldwicklungen 19, die Permanentmagneten 32 des Läufers, den Spannungsregler 44 und Auslösedioden (incipient diodes) 53 bis 58 verwendet, die zwischen die Source- und Drain-Anschlüsse der Leistungs-MOSFETs 37 bis 46 geschaltet sind.

Wie am deutlichsten aus Fig. 4 ersichtlich, steht eine zweite Spannung (Auslösespannung) zur Verfügung, und zwar im Zusammenhang mit dem Sägezahn-Oszillator für einen Eingang der Kommutierungslogik 35, um eine parallele Hybridschaltung mit der Brennkraftmaschine zu bilden, um ein verbessertes hohes Enddrehmoment der Brennkraftmaschine 3 zu erzielen. Dieser zweite Spannungspegel ist über die Geschwindigkeitssteuerung 35 verfügbar, die einen für den Benutzer vorgesehenen Schalter aufweist, um auf diese Weise einen "Leistungsanstieg" oder eine "Zusatzleistung" für die Brennkraftmaschine 3 zu liefern.

Ein weiterer Schalter 46 ist an den Bremseingang der Logik 35 angeschlossen, der dann, wenn er betätigt ist, dafür sorgt, daß die Leistungs-MOSFETs 37 bis 42 der oberen oder der unteren Schiene einschalten, um dadurch die Motorwicklungen 19 kurzzuschließen, so daß eine dynamische Bremsung der Brennkraftmaschine 3 aus Sicherheitsgründen bei den konstruktiven Ausführungsformen für den Rasen- und Gartenbereich erfolgt. Diese Schaltungsanordnung ist zusammenfassend in Fig. 3 mit dem Bezugszeichen 47 bezeichnet.

Wie am deutlichsten in Fig. 4 dargestellt, ist ein Startschalter 48 an den Einschalteingang der Logik 35 angeschlossen und außerdem so angeordnet, daß er bequem für den Benutzer erreichbar ist. Die Betätigung des Startschalters 48 bewirkt, daß die Logik 35 und die Leistungselektronik 36 die richtigen Wicklungen 19 in der geeigneten Reihenfolge am Ständer 18 erregen, um ein ausreichendes Drehmoment zu erzeugen, so daß das Schwungrad 31 sich zu drehen beginnt. Wie aus Fig. 4 ersichtlich, kann die Kommutierungslogik 35 mit der Zusatzspannung von ungefähr 28 Volt Gleichspannung versorgt werden, und zwar wegen der Zenerdiode 49.

Es darf darauf hingewiesen werden, daß dann, wenn andere Leistungs-Schalteinrichtungen als MOSFETs in der Schaltungsanordnung verwendet werden, wie z. B. bipolare Transistoren in Darlington-Konfiguration, das Generator-Ausgangssignal mit externen Dioden, die üblicherweise als "Rücklauf"-Dioden bezeichnet werden, in Gleichstrom umgewandelt wird, wobei diese Dioden mit umgekehrter Polarität und parallel zu den jeweiligen Leistungsschaltern in der Schaltung angeschlossen sind. Derartige Rücklaufdioden sind in Fig. 5 mit den Bezugszeichen 59 bis 64 bezeichnet und für bipolare Transistoren 65 bis 70 oder andere geeignete Leistungssschalter vorgesehen.

Gemäß der Erfindung wird somit eine Kombination aus elektrischem Startermotor, Generator und Bremse für eine Brennkraftmaschine und/oder einen Dieselmotor angegeben, welche die herkömmliche Anordnung von Getriebe, separatem Generator und Bremse überflüssig macht. Die zusätzliche Verwendung eines Festkörper- Mikroprozessor-Kommutators als Kommutierungslogik 35 ermöglicht es, daß das System folgende Eigenschaften hat: elektronische Geschwindigkeitssteuerung, Brennstoffeinspritzsteuerung, direkte Zündung, parallele Hybridschaltung zur Verbesserung des Enddrehmomentes der Maschine, Zündeinstellsteuerung sowie Versorgung für die elektrischen Brennstoff- und Ölpumpen.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung ist somit ein elektronisch kommutierender Startermotor 11 zur Verwendung bei Brennkraftmaschinen 3 von der Bauart vorgesehen, die bei Rasenmähern, Pumpen, Generatoren und Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Der Startermotor 11 weist einen Ständer 18 auf, der am Zylinder koaxial mit der Kurbelwelle der Maschine angebracht ist und winkelmäßig im Abstand angeordnete Feldwicklungen 19 aufweist, welche den Ständer 18 umgeben. Ein Ringmagnet 26 dreht sich mit der Kurbelwelle und hat eine Vielzahl von in Umfangsrichtung angeordneten Permanentmagneten mit abwechselnden Nord-Süd-Polen. Sensoren 27 bis 29 in Form von magnetisch beeinflußbaren Hall-Effekt-Einrichtungen sind auf einer Scheibe 30 montiert, die am Ständer 18 befestigt ist, um die Winkelposition von abwechselnden Polen des Ringmagneten 26 abzutasten. Ein Schwungrad 31 oder ein entsprechendes drehbares Element ist koaxial dazu angeordnet und dreht sich mit der Kurbelwelle, wobei das Schwungrad eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Permanentmagneten 32 aufweist. Eine Schaltungsanordnung spricht auf die elektrischen Signale von den Hall-Effekt-Einrichtungen 27 bis 29 an, um den Stromfluß durch die Feldwicklungen 19 zu steuern, damit sich das Schwungrad 31 oder das entsprechende drehbare Element dreht. Beim Starten der Brennkraftmaschine 3 wird das Schwungrad 31 oder das entsprechende drehbare Element mit der Vielzahl von in Umfangsrichtung angeordneten Permanentmagneten 32 von der Brennkraftmaschine 3 angetrieben und automatisch in einen Generator umgewandelt. Die Umwandlung in Gleichstrom erfolgt in den Dioden 53 bis 58, die intern bzw. integral mit den Schaltern ausgebildet sind, beispielsweise den MOFSETs 37 bis 42, oder in den Rücklauf-Dioden 59 bis 64, die parallel zu anderen geeigneten Leistungsschaltern 65 bis 70 in der Schaltungsanordnung geschaltet sind. Diese verfügbare Energie wird verwendet, um die Batterie 14 zu laden sowie sonstige erforderliche Leistung zur Verfügung zu stellen. Insofern werden ohnehin vorhandene Schutzdioden parallel zu den vorhandenen Bauteilen in Form von elektronischen Schaltern, beispielsweise bipolaren Transistoren oder MOSFETs verwendet, um Gleichrichterfunktion bei Generatorbetrieb auszuüben.

Claims (16)

1. Elektronisch kommutierender Startermotor für eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder und einer Kurbelwelle, welche die Drehachse der Anordnung bildet, gekennzeichnet durch

• - einen Ständer (18), der an dem Zylinder koaxial zur Kurbelwelle montiert ist;
• - winkelmäßig beabstandete Feldwicklungen (19), welche den Ständer (18) umgeben;
• - Positionsanzeigemittel (25, 26), die koaxial montiert sind und sich mit der Kurbelwelle drehen;
• - eine stationäre Abtasteinrichtung (27-29), die zur Abtastung der Winkelposition der Positionsanzeigemittel (25, 26) montiert und, auf diese ansprechend, elektrische Signale erzeugt;
• - ein drehbares Teil (31), das koaxial montiert ist und sich mit der Kurbelwelle dreht, wobei das drehbare Teil (31) eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Permanentmagneten (32) aufweist, die daran montiert sind; und
• - eine Schaltungsanordung (35, 36, 47), die auf die elektrischen Signale von der Abtasteinrichtung (27-29) anspricht und den Stromfluß durch die Feldwicklungen (19) steuert, damit sich das drehbare Teil (31) dreht.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsanzeigemittel (25,26) ein Ringteil (26) aufweisen, das eine Vielzahl von in Umfangsrichtung angeordneten Permanentmagneten mit abwechselnden Nord-Süd-Polen enthält.

3. Motor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ringelement (26) einen nicht-magnetischen Abstandshalter (25) umgibt, der an der Kurbelwelle befestigt ist und von dem Zylinder axial vorsteht.

4. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtung (27-29) eine Vielzahl von magnetisch betätigbaren Hall-Effekt-Einrichtungen aufweist.

5. Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl von Hall-Effekt-Einrichtungen (27-29) gleich der Anzahl von Ständerphasen ist.

6. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltungsanordnung (35, 36, 47) Leistungs-MOSFETs (37-42) mit eingebauten Dioden (53-58) aufweist, die den Motor (11) automatisch in einen Generator umwandeln, sobald die Brennkraftmaschine (3) gestartet ist.

7. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltungsanordnung (35, 36, 47) einen Schalter (46) aufweist, um die Feldwicklungen (19) kurzzuschließen und zugleich die Brennkraftmaschine dynamisch zu bremsen.

8. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltungsanordnung (35, 36, 47) Leistungsschalter (65-70) aufweist, die jeweils eine Diode (59-64) aufweisen, die mit umgekehrter Polarität parallel zum jeweiligen Leistungsschalter (65-70) geschaltet ist, um das Generator-Ausgangssignal in Gleichstrom umzuwandeln.

9. Motor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das drehbare Teil (31) ein Schwungrad ist.

10. Elektrisch kommutierender koaxialer Startermotor für eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder und einer Kurbelwelle, die eine Drehachse bildet, gekennzeichnet durch

• - einen Ständer (18), der koaxial zur Kurbelwelle an dem Zylinder montiert ist;
• - winkelmäßig beabstandete Feldwicklungen (19), die den Ständer (18) umgeben;
• - Positionsanzeigemittel (25, 26), die koaxial montiert sind und sich mit der Kurbelwelle drehen, wobei die Positionsanzeigemittel (25, 26) einen nicht-magnetischen ringförmigen Abstandshalter (25), der an der Kurbelwelle befestigt ist, und ein Ringelement (26) aufweisen, der den Abstandshalter (25) umgibt und aus einer Vielzahl von in Umfangsrichtung angeordneten Permanentmagneten mit abwechselnden Nord-Süd- Polen besteht;
• - eine stationäre Abtasteinrichtung (27-29), die zur Abtastung der Winkelposition der Anzeigemittel (25, 26) montiert ist und, auf diese ansprechend, elektrische Signale erzeugt, wobei die Abtasteinrichtung (27-29) eine Vielzahl von magnetisch betätigbaren Hall-Effekt-Einrichtungen (27-29) aufweist, die im Abstand voneinander radial um die Drehachse angeordnet sind, so daß durch den Magnetfluß von den abwechselnden Polen des Ringelementes (26) betätigt werden, wobei die Hall-Effekt-Einrichtungen (27-29) auf einer Scheibe (30) montiert sind, die am Ständer (18) befestigt ist;
• - ein drehbares Teil (31), das koaxial montiert ist und sich mit der Kurbelwelle dreht, wobei sich das drehbare Teil (31) eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten, daran montierten Permanentmagneten (32) aufweist; und
• - eine Schaltungsanordnung (35, 36, 47), die auf die elektrischen Signale von den Hall-Effekt-Einrichtungen (27-29) anspricht, um den Stromfluß durch die Feldwicklungen (19) zu steuern, damit sich das drehbare Teil (31) dreht.

11. Motor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (30) zwischen dem Ständer (18) und dem drehbaren Teil (31) angeordnet ist.

12. Motor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl von Hall-Effekt-Einrichtungen (27-29) gleich der Anzahl von Ständerphasen ist.

13. Motor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltungsanordnung (35, 36, 47) Leistungs-MOSFETs (37-42) mit eingebauten Dioden (53-58) aufweist, um den Motor (11) automatisch in einen Generator umzuwandeln, wenn die Brennkraftmaschine (3) gestartet ist.

14. Motor nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltungsanordnung (35, 36, 47) Schalter (46) aufweist, um die Feldwicklungen (19) kurzzuschließen und zugleich die Brennkraftmaschine dynamisch zu bremsen.

15. Motor nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltungsanordnung (35, 36, 47) Leistungsschalter (65-70) aufweist, wobei jeder Schalter mit einer Diode (59-64) versehen ist, die mit umgekehrter Polarität parallel zu dem jeweiligen Leistungsschalter (65-70) der Schaltung geschaltet ist, um das Ausgangssignal des Generators in Gleichstrom umzuwandeln.

16. Motor nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das drehbare Teil (31) ein Schwungrad ist.