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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zum Anlassen eines Verbrennungsmotors, wie im Oberbegriff
des Hauptanspruchs definiert.
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Derartige Vorrichtungen umfassen
herkömmlicherweise
eine Elektromaschine, die mit einer mit einem Zahnelement oder Ritzel
ausgestatteten Transmissionswelle in Verbindung steht. Während des
Anlassens wird das Ritzel mit einem entsprechenden Zahnelement oder
Ring des Verbrennungsmotors in Eingriff gebracht. Beim Eingriff
wird die von der Elektromaschine erzeugte Drehkraft auf die Welle
des Verbrennungsmotors übertragen.
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Im Stand der Technik sind verschiedene
Anordnungen für
die Produktion der einfachsten und am wenigsten schwerfälligen Anlasser,
die möglich
sind, bekannt.
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In beinahe allen Fällen wird
nun eine spezifische zweiphasige Betriebsanordnung bevorzugt: eine
erste Phase, in der das Ritzel mit dem gezähnten Ring in Eingriff kommt,
um den Anlasser und den Verbrennungsmotor zu verkoppeln; und eine
zweite Phase, in der der Anlasser bei vollem Strom versorgt wird
und eine Drehkraftübertragung
stattfindet.
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Es sind Anordnungen bekannt, bei
denen das Ritzel vor dem Anlassen der Elektromaschine mit dem Ring
in Eingriff kommt, beispielsweise mittels eines Hebels, der durch
die Verschiebung des beweglichen Kerns eines entlang der Elektromaschine
angeordneten Elektromagneten gesteuert wird.
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Es sind auch Anordnungen bekannt,
bei denen die Verkoppelung des Ritzels mit dem Ring gleichzeitig
mit dem Anlassen der Elektromaschine stattfindet und in der Tat
durch die besondere Betriebsweise derselben bewirkt wird.
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Insbesondere ist eine Anordnung bekannt, bei
der der Rotor der Elektromaschine in der Ruhelage teilweise versetzt
angeordnet ist, und zwar in Längsrichtung
in Bezug auf den Stator.
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Die Elektromaschine ist solcherart
gebildet, dass bei Stromführung
zwischen dem Stator und dem Rotor eine magnetische Anziehung erzeugt wird,
welche die Axialverschiebung des letzteren zum Stator bewirkt. Der
sich verschiebende Rotor begleitet das Ritzel, um in den ensprechenden
gezähnten
Ring einzugreifen.
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Während
des Betriebs wird die Stromzufuhr zur Elektromaschine durch einen
elektromagnetischen Schalter gesteuert.
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Während
der ersten Phase wird der Schalter zur Zufuhr eines begrenzten Stroms
zu einer Hilfsstatorwicklung der Elektromaschine angeordnet, welcher
Strom ausreicht, die Anziehung und Verschiebung des Rotors (zusammen
mit einer langsamen Drehung) und die Verkoppelung des Ritzels mit
dem Ring zu bewirken.
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Während
der zweiten Phase versorgt der Schalter die Hauptstatorwicklung
der Elektromaschine mit einem Starkstrom, um eine hohe Drehkraft
abzugeben.
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Ein Nachteil dieser Anordnungen besteht
darin, dass sie das Vorhandensein eines elektromagnetischen Schalters
erfordern, der im Allgemeinen solcherart montiert ist, dass er herausragt
und somit das Volumen des Anlassers vergrößert.
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Weitere Probleme ergeben sich während der Montage
der gesamten Vorrichtung am Ring des Motors, der zur Aufnahme derselben
bestimmt ist: das Vorhandensein des Schalters behindert die Bildung einer
Vorrichtung mit einer im Wesentlichen axialen Symmetrie und schränkt ihre
räumliche
Ausrichtung ein. Dies ruft die Notwendigkeit der Herstellung verschiedener
Elemente hervor, um die Vorrichtung in Abhängigkeit von dem speziellen
Motor, für
den sie bestimmt ist, zu tragen und zu befestigen, dies mit einer
sich daraus ergebenden unerwünschten
Steigerung der Herstellungszeit und -kosten.
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Ein weiterer Nachteil besteht in
der übermäßigen Komplexität bekannter
Anlasser, sowohl – vom mechanischen
Standpunkt aus betrachtet – wegen des
Vorhandenseins komplizierter kinematischer Mechanismen für die Verschiebung,
das In-Eingriff-Bringen und das Loskoppeln des Ritzels und – vom elektrischen
Standpunkt aus betrachtet – da
für den
Stator manchmal zwei verschiedene Feldwicklungen erforderlich sind.
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Das Ziel der Erfindung besteht in
der Überwindung
dieser Nachteile mit einem Anlasser für einen Verbrennungsmotor,
dessen wesentliche charakteristische Eigenschaften im kennzeichnenden Teil
des angeschlossenen Hauptanspruchs definiert sind.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung gehört zum obenstehend
beschriebenen bekannten Typ, bei dem der Rotor der Elektromaschine
in Bezug auf den Stator axial verschiebbar ist.
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Bei dieser Vorrichtung erfolgt die
Stromzufuhr zur Elektromaschine während der beiden Betriebsphasen
mittels einer Halbleitervorrichtung mit geregelter Übertragung,
die von einem elektronischen Steuerkreis gesteuert wird, der für die Zufuhr eines
elektrischen Stroms zur einzigen Statorwicklung, die sich gemäß der Betriebsphase ändert, sorgt.
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Weitere charakteristische Eigenschaften
und Vorteile der Erfindung werden klar aus der nachfolgenden detaillierten
Beschreibung einer Ausführungsform,
die rein anhand eines nicht einschränkenden Beispiels dargelegt
ist, und zwar unter Bezugnahme auf die angeschlossenen Zeichnungen,
in denen:
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1 eine
teilweise im Schnitt gezeigte, schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in der Ruheposition ist;
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1a eine
teilweise im Schnitt gezeigte Ansicht entlang der Linie Ia–Ia der 1 ist;
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2 eine
teilweise im Schnitt gezeigte, schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in der Arbeitsposition ist; und
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3 ein
elektrisches Schaltdiagramm der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist.
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1 und 2 zeigen einen im Allgemeinen
mit 10 bezeichneten, erfindungsgemäßen Anlasser in Ruheposition
bzw. Arbeitsposition.
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Diese Vorrichtung umfasst eine Elektromaschine 12,
deren Rotor 12r, Stator 12s (im Schnitt), Kollektor 14 und
Bürsten 16 schematisch
dargestellt sind. Die längsgerichtete
Symmetrieachse der Vorrichtung ist mit 18 bezeichnet.
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In der Ruheposition (siehe 1) ist der Rotor 12r in
Bezug auf den Stator 12s axial verschoben; andererseits
befindet sich der Rotor 12r in der Arbeitsposition (siehe 2) in einer in Bezug auf
den Stator 12s im Wesentlichen zentrierten Position.
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Es ist wichtig, dass die entsprechenden
Rotor- und Statorprofile solcherart gestaltet sind, dass sie eine
Längskomponente
des Magnetflusses im magnetischen Kreis der Elektromaschine erzeugen.
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Bei der untenstehend beschriebenen,
besonderen Ausführungsform
besitzt der Rotor 12r eine kegelstumpfartige Form, wobei
die Hauptgrundfläche zum
Kollektor gerichtet ist, aber natürlich sind andere Formen möglich, wie
beispielsweise eine Form mit einer abgestuften Seitenfläche.
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Der Kollektor 14 der Elektromaschine
ist, wie in den Zeichnungen klar dargestellt, in seiner Form axial
verlängert,
um entlang des gesamten Axiallaufs des Rotors 12r den Kontakt
mit den Bürsten 16 zu
erlauben.
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Der Rotor 12r ist an einer
Transmissionswelle 20 befestigt, die zwischen zwei ringförmigen Haltern 22a und 22b axial
verschiebbar ist.
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Wie in 1a ersichtlich,
ist eine drehbare Hülse
21, an der ein Ritzel 24 befestigt ist, um die Welle 20 angebracht.
Die Welle 20 und das Ritzel 24 sind mittels einer
Freilaufkupplung 26, die allgemein als Freilauf bekannt
ist, aneinandergekoppelt, so dass eine Drehung der Transmissionswelle 20 in
die vorgesehene Richtung das Ritzel 24 zum Drehen bringt,
obwohl umgekehrt das Ritzel 24 nicht in der Lage ist, die
Welle 20 oder als Folge die Elektromaschine 12 zum
Drehen zu bringen.
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An der vorgenannten Welle ist auch
eine Schulter 28 gebildet, die sich in der gezeigten Ausführungsform
am Ende der mit dem Kollektor 14 der Elektromaschine in
Verbindung stehenden Welle befindet.
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Diese Schulter 28 ist solcherart
angeordnet, dass sie die Ausrichtung des Rotors 12r am
Ende seines Laufs in der Arbeitsposition ermöglicht (siehe 2), und kann beispielsweise mit einem
elastischen Anschlagring des Seeger-Typs gebildet sein.
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Eine Vorspannfeder 30 ist
ebenfalls vorgesehen, die dahingehend wirkt, den Rotor 12r in
der Ruheposition der 1 zu
halten, und in der Lage ist, während
des Vorschubs des Rotors 12r zur Arbeitsposition der 2 zusammengedrückt zu werden.
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Der Anlasser 10 ist solcherart
montiert, dass das Ritzel 24 in Übereinstimmung mit einem am
Motor befestigten und üblicherweise
an dessen Schwungrad gebildeten, gezähnten Ring 34 angeordnet
ist. Der Anlasser kann auch eine teilweise offene, konische Verkleidung 33 umfassen,
um den Ritzel-Zahnkranz-Eingriff zu umgeben und zu schützen, wie
in den Zeichnungen gezeigt.
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3 veranschaulicht
rein anhand eines nicht einschränkenden
Beispiels schematisch einen Stromkreis der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Der von einer Akkumulatorenbatterie
zur Elektromaschine 12 gelieferte elektrische Strom fließt durch
die Statorfeldwicklung 40 und versorgt durch die Bürsten 16 in
Serie auch die Rotorwicklung. Ein elektronisches Leistungsgerät 42,
zum Beispiel ein MOSFET-Leistungstransistor,
ist im Stromversorgungsnetz ebenfalls in Serie geschaltet.
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Ein elektronischer Steuerkreis 44 empfängt durch
den Schalter 46 einen Startbefehl und hat seinen Ausgang
an den Kontrolleingang des MOSFET 42 gekoppelt.
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Ein Messfühler 48, wie zum Beispiel
ein Positionssensor, zum Detektieren der Betriebsposition des Rotors
entlang der Längsachse 18 ist
der Elektromaschine 12 vorzugsweise ebenfalls zugeordnet. Der
Ausgang dieses gemäß bekannter
Kriterien gebildeten Messfühlers
ist in einem allgemeinen Rückkopplungs-Schaltschema
an einen Eingang des Steuerkreises 44 gekoppelt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann
die Zusammenstellung der elektronischen Bestandteile (des MOSFET-Leistungstransistors 42, des
Steuerkreises 44 und des möglichen Messfühlers 48),
die in den 1 und 2 nicht gezeigt sind, ohne
weiteres am Anlasser, in der Nähe
des den Kollektor 14 tragenden Endes, angeordnet sein,
wodurch die axiale Symmetrie der Vorrichtung selbst gewahrt bleibt
und die Verbindungen zwischen den elektronischen Komponenten und
der Elektromaschine 12 vereinfacht werden.
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In diesem Fall kann der Messfühler 48,
falls vorhanden, vorteilhafterweise in Übereinstimmung mit der Transmissionswelle 20 angeordnet
sein, um die Position der Welle 20 selbst und daher die
Betriebsposition des Rotors zu detektieren.
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Der Anlasser wird durch Schließen des Schalters 46 aktiviert.
Der Rotor 12r der Elektromaschine befindet sich anfänglich in
der in 1 beschriebenen
Ruheposition.
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In einer ersten Betriebsphase macht
der Steuerkreis 44 den MOSFET-Transistor 42 leitend, indem
eine Spannung am Kontrolleingang angelegt wird, die gerade zur Schaffung
eines Übertragungskanals
zwischen Drain und Source ausreicht. Auf diese Weise besitzt der
Transistor 42 einen hohen Widerstand gegenüber einer Übertragung
und schränkt den
elektrischen Versorgungsstrom zur Elektromaschine 12 ein.
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Dieser Strom fließt durch die Wicklungen des Stators
und des Rotors, wobei er einen Magnetfluss erzeugt. Die besondere
Form des Rotors 12r und des Stators 12s bestimmt
die Anziehung des Rotors, mit dem die Transmissionswelle 20 und
- durch den Freilauf 26 - das Ritzel 24 verbunden
sind. Der Rotor 12r bewegt sich axial zur Arbeitsposition,
wobei er sich zur gleichen Zeit langsam dreht und somit die In-Eingriff-Nahme
des Rings durch das Ritzel unterstützt, sogar in jenen Fällen, in
denen wegen der ungünstigen
Ausrichtung der Zähne
des Eingriffsmechanismus anfänglich
eine Störung
geschaffen wird.
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Wenn der Rotor das Ende seines Laufs
erreicht, das durch das Stoßen
der Schulter 28 gegen eine entsprechende, beispielsweise
um den Schiebesitz 22b gebildete Stoßfläche bestimmt ist, so befindet
sich das Ritzel 24 am Ring 34 in einem vollständigen Eingriff
und endet die erste Phase oder Eingriffsphase (siehe 2).
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Der Vorschub des Rotors kann durch
den Messfühler 48,
falls vorhanden, gesteuert werden, und der Schaltkreis 44 steuert
den Übergang
zur zweiten Phase in Abhängigkeit
von einem vom Messfühler
gelieferten Feedback-Signal. Bei Fehlen des Messfühlers 48 kann
der Übergang
zur zweiten Phase vom gleichen Schaltkreis 44 automatisch
bestimmt werden, und zwar nach einer vorbestimmten Zeitintervalle,
beispielsweise 100 ms, die ausreicht, um den vollständigen Eingriff
des Ritzels mit dem Ring sicherzustellen.
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Während
der zweiten Betriebsphase legt der Schaltkreis 44 eine
ausreichende Spannung am Kontrolleingang des MOSFET-Transistors 42 an,
so dass dieser einen Sättigungspunkt
erreicht. Der Transistor 42 besitzt somit einen verringerten
Widerstand gegenüber
dem Fluss von Versorgungsstrom, und dieser verstärkte Strom ermöglicht,
dass sich die Elektromaschine 12 bei voller Drehkraft dreht
und den Verbrennungsmotor dreht.
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Wurde der Verbrennungsmotor einmal
angelassen, so greift der Freilauf 26 dahingehend ein,
das Ritzel 24 von der Transmissionswelle 20 loszukoppeln,
welches Ritzel sich am Ring 34 noch immer im Eingriff befindet
und dadurch für
eine kurze Zeitdauer gedreht wird.
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Beim Zu-Ende-Gehen der Stromversorgung zur
gesamten Vorrichtung, d. h. beim Öffnen des Schalters 46,
liefert der Steuerkreis 44 keine weitere Spannung zum Kontrolleingang
des MOSFET 42, und dieser wird abgeschaltet, wodurch er
sich im Wesentlichen wie ein offener Schalter verhält.
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Bei Fehlen einer Stromzufuhr zu den
Wicklungen der Maschine verschwindet die magnetische Anziehung des
Rotors 12r und bewegt sich dieser als Resultat der Kraft
der Vorspannfeder 30 weg vom Stator, wobei das Ritzel 24 aus
dem Ring 34 gelöst wird.
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Die gesamte Vorrichtung kehrt in
die Ruheposition zurück
und wird in der beschriebenen Weise für eine Reaktivierung vorbereitet.