DE3725470C2

DE3725470C2 -

Info

Publication number: DE3725470C2
Application number: DE3725470A
Authority: DE
Inventors: Kenneth Albert Milwaukee Wis. Us Vollbrecht
Original assignee: Briggs and Stratton Corp
Current assignee: Briggs and Stratton Corp
Priority date: 1986-07-31
Filing date: 1987-07-31
Publication date: 1992-04-16
Also published as: JPS6341667A; GB2193387A; CA1285979C; GB8716765D0; DE3725470A1; IT8767666A0; IT1211344B; JPH0694856B2; US4720638A; GB2193387B

Description

Die Erfindung betrifft einen elektronisch kommutierten Startermotor für eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei derartigen Brennkraftmaschinen handelt es sich um solche, wie sie zum Antrieb von kleinen Fahrzeugen oder Geräten, wie Rasenmäher oder dergleichen verwendet werden. Hierbei soll der Startermotor zum Anlassen der Brennkraftmaschine dienen, andererseits aber auch in einem Generatorbetrieb zum Beispiel zum Bremsen des Motors im Gefahrenfall oder zum Laden einer Batterie dienen können. Bei den hier in Rede stehenden Geräten kommt es auf einen möglichst unkomplizierten, kostengünstigen und ausfallsicheren Aufbau an, was sowohl die Elektronik als auch die Mechanik betrifft.

Aus der US 37 83 359 ist ein elektronisch kommutierter Elektromotor bekannt, bei welchem die Kollektor-Emitterstrecken der Steuertransistoren über separate Freilaufdioden überbrückt sind. Die bekannte Schaltung ist relativ aufwendig. Darüber hinaus bringt die Anwendung von Bipolartransistoren eine Reihe von Nachteilen mit sich, die an sich bekannt sind.

Weiterhin ist aus der DE 31 35 981 A1 eine Umrichterschaltung bekannt, bei welcher MOS-FET′s verwendet werden, die sowohl motorisch als auch generatorisch betrieben werden kann. Freilaufdioden sind bei dieser Mittelpunkt-Umrichterschaltung nicht vorgesehen.

Ganz allgemein ist es beispielsweise aus der DE 32 30 910 A1 bekannt, Leistungs-MOS-FET′s mit eingebauten Freilaufdioden zu verwenden, wenn induktive Lasten anzusteuern sind, um die Source-Drain-Strecke vor Überspannungen zu schützen.

Der mechanische Aufbau derartiger Motoren ist beispielsweise aus der DE-OS 28 07 655, der DE 29 40 637 A1 oder der GB-PS 11 61 098 bekannt. Diese Druckschriften geben jedoch keine Anweisungen für den Aufbau der Steuerungselektronik.

Aus der GB 20 78 451 A1 ist ein elektronisch kommutierter Startermotor der eingangs genannten Art bekannt. Auch bei dieser Anordnung finden Bipolartransistoren Verwendung. Zur Umschaltung vom Motor- in den Generatorbetrieb werden Thyristoren verwendet. Die dort gezeigte Anordnung ist somit ebenfalls relativ aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektronisch kommutierten Startermotor der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß mit minimalem Aufwand ein sicherer Betrieb sowohl bei Leistungsaufnahme (Motorbetrieb) als auch bei Leistungsabgabe (Generatorbetrieb) erfolgt.

Diese Aufgabe wird in überraschend einfacher Weise durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Dadurch, daß an sich bekannte Leistungs-MOS-FET′s mit eingebauten Freilaufdioden verwendet werden, gelingt es, den Schaltungsaufwand hinsichtlich der Anzahl von Lötstellen und Bauteilen extrem niedrig zu halten. Darüber hinaus sind durch den Herstellungsprozeß der Leistungs-MOS-FET′s mit eingebauten Freilaufdioden deren Toleranzen extrem niedrig bzw. extrem gut an die jeweils dazugehörigen Transistoren angepaßt sind, so daß auch in diesem Punkt der Fabrikationsaufwand sehr niedrig gehalten wird. Schließlich ergibt sich ein besonders ausfallsicherer Betrieb auch bei Rüttel-Beaufschlagung der Anordnung (zum Beispiel in einem Rasenmäher), da die Kontaktierungen innerhalb der Transistor-Einheiten extrem sicher sind. Durch die Umfunktionierung der an sich nur zum Schutz gedachten Freilaufdioden in aktive Elemente während des Generatorbetriebes ergibt sich somit eine Vielzahl von auf der Hand liegenden Vorteilen.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer 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 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; und in

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

In Fig. 1 der Zeichnung erkennt man einen mit rotierenden Schneidmessern versehenen Hand-Rasenmäher. 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 das Schneidmesser 2 antreibt. 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.

Der 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 über Versorgungsleitungen 15 bzw. 16. 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 gewickelt sind. Der Ständer 18 ist an einem Motorblock 20 mit Schrauben befestigt, die mit Montageaugen 21 am Motorblock 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 Motorblock 20 vorstehen.

Ein Positionsanzeigemittel wird von der nicht dargestellten Kurbelwelle getragen und ist koaxial so montiert, daß sie sich mit ihr dreht. In der dargestellten Weise umfaßt das Anzeigemittel einen nicht-magnetischen ringförmigen Abstandshalter 25, der an der Kurbelwelle befestigt ist, und 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 vorgesehen, um die Winkelposition des Anzeigemittels abzutasten und in Abhängigkeit von dieser elektrische Signale zu erzeugen. Die hier beschriebene Abtasteinrichtung weist drei magnetisch betätigbare Hall-Effekt-Einrichtungen 27 bis 29 auf, die in Umfangsrichtung im Abstand voneinander radial um die Drehachse der Kurbelwelle angeordnet sind. Die Hall-Effekt-Einrichtungen 27 bis 29 sind auf einer Scheibe 30 montiert, die ihrerseits an dem Ständer 18 befestigt ist.

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. 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 des Innendurchmessers einen ringförmigen Stahlringes anbringen, dessen Außenumfang 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 eine Oszillator (OSC) 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, um dadurch die Drehzahl des Startermotors 11 zu regeln. Die Kommutierungslogik 35 besteht vorzugsweise aus einer integrierten Schaltung in MOS-Bauweise.

Die Kommutierungslogik 35 erhält 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 Vorgabe der Drehrichtung, einen Strombegrenzungseingang, einen Eingang für den externen Oszillator sowie einen Geschwindigkeitseingang, wie es an sich bekannt ist.

Die Leistungselektronik 26 umfaßt sechs MOS-FET′s, die mit den Bezugszeichen 37 bis 42 bezeichnet sind. Beispielsweise erfordert die Verwendung von n-Kanal MOS-FET′s gemäß der heutigen Technologie eine Gattreiberspannung, die 20 Volt für die MOS-FET′s am höheren Potential 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 MOS-FET′s 37 bis 39 am höheren Potential 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 die Freilaufdioden 53 bis 58 verwendet, die zwischen die Source- und Drain-Anschlüsse der Leistungs-MOS-FET′s 37 bis 46 geschaltet sind.

Weiterhin ist es möglich, über einen Eingang der Kommutierungslogik 35 den Startermotor um eine parallel zur Brennkraftmaschine laufen zu lassen, um ein verbessertes hohes Enddrehmoment der Brennkraftmaschine 3 zu erzielen. Es ist ein Schalter vorgesehen, um diese "Zusatzleistung" für die Brennkraftmaschine 3 einzustellen.

Ein weiterer Schalter 46 ist an den Bremseingang der Logik 35 angeschlossen, der dann, wenn er betätigt ist, dafür sorgt, daß die Leistungs-MOS-FET′s 37 bis 42 die Motorwicklungen 19 kurzschließen, so daß eine dynamische Bremsung der Brennkraftmaschine 3 (aus Sicherheitsgründen bei den konstruktiven Ausführungsformen für den Rasen- und Gartenbereich) erfolgt.

Wie am deutlichsten in Fig. 4 dargestellt, ist ein Startschalter 48 an den Einschalteingang der Logik 35 angeschlossen. 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.

Claims

1. Elektronisch kommutierter Startermotor für eine Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinder und einer Kurbelwelle, mit

- einem an dem Zylinder koaxial zur Kurbelwelle montierten Ständer (18),
- winkelmäßig beabstandeten, den Ständer (18) umgebenden Feldwicklungen (19),
- koaxial montierten und sich mit der Kurbelwelle drehenden Positionsanzeigemitteln (25, 26),
- einer zur Abtastung der Winkelposition der Positionsanzeigemittel (25, 26) montierten und auf diese ansprechend, elektrische Signale abgebenden stationären Abtasteinrichtung (27-29),
- einem koaxial montierten und sich mit der Kurbelwelle drehenden, eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandet angeordneten Permanentmagneten (32) aufweisenden drehbaren Teil (31), sowie
- einer auf die elektrischen Signale von der Abtasteinrichtung (27-29) ansprechenden, damit den Stromfluß durch die Feldwicklungen (19) steuernden und somit das Drehen des drehbaren Teils (31) bewirkenden Schaltungsanordnung (35, 36, 47),

dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schaltungsanordnung Leistungs-MOS-FET′s (37-42) mit eingebauten Freilaufdioden (53-58) aufweist, um den Motor (11) automatisch in einen Generator umzuwandeln, wenn die Brennkraftmaschine gestartet ist und um gleichzeitig den Wechselausgangsstrom in Gleichstrom umzuwandeln,

dadurch gekennzeichnet,
daß die elektronische Schaltungsanordnung (35, 36, 47) Leistungsschaltstufen (65-70) umfaßt, die jeweils eine mit umgekehrter Polarität parallel zu der jeweiligen Leistungsschaltstufe (65-70) der Schaltungsanordnung geschaltete Diode (59 -64) aufweisen, um Wechselausgangsstrom in Gleichstrom umzuwandeln,
und daß die elektronische Schaltungsanordnung (35, 36, 47) Leistungs-MOS-FET′s (37-42) mit eingebauten Dioden (53-58) aufweist, um den Motor (11) automatisch in einen Generator umzuwandeln, wenn die Brennkraftmaschine gestartet ist.

2. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionsanzeigemittel (25, 26) ein Ringelement (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 Hall-Effekt-Einrichtungen auf einer an dem Ständer (18) befestigten Scheibe (30) montiert sind.

6. Motor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (30) zwischen dem Ständer (18) und dem drehbaren Teil (31) angeordnet ist.

7. Motor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Hall-Effekt-Einrichtungen gleich der Anzahl der Ständerphasen ist.

8. Motor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das drehbare Teil (31) ein Schwungrad ist.