WO2009068609A1 - Elektrische antriebsmaschine mit einem stator und einem rotor - Google Patents

Elektrische antriebsmaschine mit einem stator und einem rotor Download PDF

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WO2009068609A1
WO2009068609A1 PCT/EP2008/066336 EP2008066336W WO2009068609A1 WO 2009068609 A1 WO2009068609 A1 WO 2009068609A1 EP 2008066336 W EP2008066336 W EP 2008066336W WO 2009068609 A1 WO2009068609 A1 WO 2009068609A1
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WO
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drive machine
rotor
electric drive
commutator
sliding contacts
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PCT/EP2008/066336
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Faber
Michael Bayer
Sven Hartmann
Dirk Buehler
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K13/00—Structural associations of current collectors with motors or generators, e.g. brush mounting plates or connections to windings; Disposition of current collectors in motors or generators; Arrangements for improving commutation
    • H02K13/10—Arrangements of brushes or commutators specially adapted for improving commutation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K23/00—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors
    • H02K23/26—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by the armature windings
    • H02K23/32—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by the armature windings having wave or undulating windings

Definitions

  • the invention relates to an electric drive machine (motor for a starting device) with a stator and a rotor, wherein the rotor via a commutator and sliding contacts (brushes) can be supplied with electric power.
  • Such machines are very common.
  • the current for operating the electric drive machine is introduced via one or more pairs of sliding contacts via the commutator in the rotor winding (armature winding).
  • These sliding contacts usually consist of a sintered material, which has mainly and graphite shares.
  • These sliding contacts and the commutator are subject to wear during operation.
  • Starting devices are typically designed for short-term operation and are normally suitable for 30,000 to 60,000 switching cycles, that is, starting operations.
  • the sliding contacts must have a uniform load, so that it comes to a maximum possible number of points.
  • the sliding contacts have an angular distance of 60 ° from each other. This means that, in the case of a system with 6 sliding contacts, there is an angle of 60 ° between the sliding contacts.
  • the optimal arrangement of the sliding contacts is not in an equiangular distance of the sliding contacts to each other.
  • one or more of the sliding contacts must be inclined by about 1 ° to a value of a quotient of 360 ° and the number of slats of the commutator in or against the direction of rotation relative to the symmetrical values at the respective angles (quotient of 360 ° and Pole number). This achieves a minimization of the current load maximums in the individual sliding contacts and also the lowest possible dispersion between the sliding contacts.
  • the load peaks and the integral currents can thus be lowered by up to 25%, and it is also possible to minimize differences in wear of the individual sliding contacts which are known from endurance tests.
  • the adjustment can mean differences in wear over the service life of up to 2 mm for individual starter systems, which at the same time can amount to more than 30% of the possible wear length of a sliding contact.
  • an electric drive machine with the features of claim 1 there is the advantage that compared to a solution with, as described above, equidistant angular distance of the sliding contacts a significant extension of the life of the drive machine can be achieved. Since this preference also applies in combination with the features of the subclaims for electric drive machine, this preference is not listed further.
  • the invention is particularly advantageous when the electric drive machine is part of a starting device for internal combustion engines, and in particular of motor vehicles.
  • the use of a starting device with an electric drive machine with one of the features according to the claims given below is particularly advantageous when the motor vehicle is operated with this starting device in a so-called start-stop mode.
  • a start-stop operation is present, for example, when the vehicle can automatically detect the stoppage of the motor vehicle in which the starting device is operated and, in this connection, shuts off the internal combustion engine or the internal combustion engine.
  • Another feature Such a start-stop system is that the vehicle detects signals given by the driver, which indicate that the vehicle is to be set in motion again and therefore the internal combustion engine or the internal combustion engine is restarted by the starting device the usual Starting operation (toe-in, Einspuren, turning, shutdown of a stator relay, markings) automatically - ie without human operation of the start switch - can cause.
  • such a start-stop system may also include a so-called fly-useful operation, in which in cases where the vehicle is not to transmit driving energy to the road, also automatically turns off the engine and recognizable desire of the driver after again to be transmitted drive energy, the starting process as in the start-stop operation, as described above, causes.
  • fly-useful operation in which in cases where the vehicle is not to transmit driving energy to the road, also automatically turns off the engine and recognizable desire of the driver after again to be transmitted drive energy, the starting process as in the start-stop operation, as described above, causes.
  • FIG. 1 shows a starting device in a longitudinal section
  • FIG. 2 shows a cross section through the pole tube according to the information in Figure 1 and there the view on 4 sliding contacts
  • FIG. 3 is a schematic sectional view through a pole tube of the electric drive machine with the representation of the poles of the stator and the relative position of the Gleittitlesystems to the poles of the stator, Embodiments of the invention
  • FIG. 1 shows a starting device in a longitudinal section.
  • FIG. 1 shows a starting device 10.
  • This starting device 10 has, for example, a starter motor 13 and an engagement relay 16.
  • Engagement relay 16 are attached to a common drive end plate 19.
  • the starter motor 13 is functionally to drive a starter pinion 22 when it is meshed in the ring gear 25 of the internal combustion engine, not shown here.
  • the starter motor 13 as the electric drive machine of the starting device has a housing as a pole tube 28 which carries on its inner circumference pole pieces 31, which are each wrapped by a field winding 34.
  • the pole tube 28 with the pole pieces 31 and the excitation windings 34 forms a stator 35.
  • the pole pieces 31 in turn surround an armature 37 (which is a rotor 38), which forms an armature
  • Slats 40 constructed anchor package 43 and arranged in grooves 46 armature or rotor winding 49 has.
  • the armature package 43 is pressed onto a drive shaft 44.
  • a commutator 52 is further attached, the u. a. composed of individual commutator fins 55.
  • the commutator bars 55 are in known
  • Manner with the armature winding 49 is electrically connected such that upon energization of the commutator fins 55 by carbon brushes or sliding contacts 58, a rotational movement of the armature 37 in the pole tube 28 results.
  • a power supply 61 arranged between the single-track relay 16 and the starter motor 13 supplies both the carbon brushes 58 and the field winding 34 with current in the switch-on state.
  • the drive shaft 44 is commutator side supported with a shaft journal 64 in a sliding bearing 67, which in turn is held stationary in a commutator bearing cover 70.
  • the commutator cover 70 is fastened in the drive end shield 19 by means of tie rods 73, which are distributed over the circumference of the pole tube 28 (screws, for example 2, 3 or 4 pieces). It supports the pole tube 28 on the drive bearing plate 19, and the commutator bearing cover 70 on the pole tube 28.
  • a so-called sun gear 80 connects to the armature 37, which is part of a planetary gear 83.
  • the sun gear 80 is of several Planetary wheels 86 surround, usually three planet wheels 86, which are supported by means of roller bearings 89 on journals 92.
  • the planet gears 86 roll in a ring gear 95, which is mounted outside in the pole tube 28.
  • the planet wheels 86 are adjoined by a planetary carrier 98, in which the axle journals 92 are accommodated.
  • the planet carrier 98 is in turn stored in an intermediate storage 101 and a slide bearing 104 arranged therein.
  • the intermediate bearing 101 is designed cup-shaped, that in this both the planet carrier 98, and the planet wheels 86 are added.
  • the ring gear 95 is arranged, which is ultimately closed by a cover 107 relative to the armature 37.
  • the intermediate bearing 101 is supported with its outer circumference on the inside of the pole tube 28.
  • the armature 37 has on the end facing away from the commutator 52 end of the drive shaft 44 to another shaft journal 1 10, which is also received in a sliding bearing 1 13, from.
  • the sliding bearing 1 13 in turn is received in a central bore of the planet carrier 98.
  • Planet carrier 98 is integrally connected to the output shaft 1 16.
  • This output shaft 1 16 is supported with its end facing away from the intermediate bearing 101 1 19 in a further bearing 122, which is fixed in the drive bearing plate 19, supported.
  • the output shaft 1 16 is divided into several sections: Thus, the section which is arranged in the sliding bearing 104 of the intermediate bearing 101 follows
  • This shaft-hub connection 128 in this case allows the axially straight sliding of a driver 131.
  • This driver 131 is a sleeve-like extension that is integral with a cup-shaped outer ring 132 of the freewheel 137.
  • the freewheel 137 (Richtgesperre) further consists of the inner ring 140 which is disposed radially within the outer ring 132. Between the inner ring 140 and the outer ring 132 clamping body 138 are arranged. These clamp bodies 138, in cooperation with the inner and outer rings, prevent a rotary rotation between the outer ring and the inner ring in a second direction. In other words, the freewheel 137 allows a relative movement between inner ring 140 and outer ring 132 in one direction only.
  • the inner ring 140 is formed integrally with the starter pinion 22 and its helical teeth 143 (external helical teeth). For the sake of completeness, the single-track mechanism should be considered here.
  • the push-in relay 16 has a bolt 150, which is an electrical contact and which is connected to the positive pole of an electric starter battery, which is not shown here.
  • This bolt 150 is passed through a relay cover 153.
  • This relay cover 153 terminates a relay housing 156, which is fastened by means of a plurality of fastening elements 159 (screws) on the drive end plate 19.
  • a pull-in winding 162 and a so-called holding winding 165 is further arranged.
  • the pull-in winding 162 and the holding winding 165 each cause an electromagnetic field in the switched-on state, which both the relay housing 156
  • armature 168 (Made of electromagnetically conductive material), a linearly movable armature 168 and an armature circuit 171 flows through.
  • the armature 168 carries a push rod 174, which is moved in the direction of linear retraction of the armature 168 in the direction of a switching pin 177. With this movement of the push rod 174 to the switching pin 177 this is moved from its rest position in the direction of two contacts 180 and 181, so that attached to the contacts 180 and 181 end of the switching pin 177 contact bridge 184 connects both contacts 180 and 181 electrically. As a result, electrical power is conducted from the bolt 150 across the contact bridge 184 to the power supply 61 and thus to the carbon brushes 58.
  • the starter motor 13 is energized.
  • the engagement relay 16 or the armature 168 also has the task, with a tension member 187 to move the drive bearing plate 19 rotatably arranged lever.
  • This lever 190 usually designed as a lever lever, engages with two "tines" not shown here on their
  • the commutator 52 described here is designed as a drum commutator whose commutator fins 55 are each oriented parallel to one another and whose electrical separation is carried out in the circumferential direction. That is, the commutator fins 55 have no skew.
  • the grooves 46 of the rotor 38, in which the rotor winding 49 is arranged, are aligned parallel to the axis of rotation 201 of the rotor 38.
  • FIG. 2 a cross section through the pole tube 28 of the starting device 10 is shown corresponding to the marking in FIG.
  • the current supply 61 leads via two current supply conductors 610, the voltage to the positive sliding contacts 581.
  • the commutator 52 is shown here only schematically by a dot-dash line 205.
  • the other two sliding contacts 58 in this exemplary embodiment are negative sliding contacts 582, since they are connected to the negative pole of a starter battery (not shown here). Both negative sliding contacts 582 are connected by means of two negative conductors 583 in the form of a stranded wire to a common contact plate 584, in this case by a welded connection.
  • the contact plate 584 in turn is connected by contact with the inside of the pole tube 28 with the negative terminal of the starter battery.
  • the total of 4 sliding contacts 58 form a total of 2 pairs.
  • the first pair includes plus slide contact 581, which is at 10 o'clock position with respect to a standard analog clock dial, and minus slide contact 582, which is approximately drawn at 4 o'clock position.
  • the minus brush 582 which is drawn here at 4 o'clock, is in a position that deviates from 4 o'clock. This deviation is indicated by the angle ⁇ , which describes the angle between the two outgoing from the Plusgleitcard 581 and the minus sliding contact 582 radius to the center, that is to the axis of rotation 201.
  • the second pair of the other plus sliding contact 581 and the other minus sliding contact 582 are in this
  • Embodiment both sliding contacts 581 and 582 opposite to such that the angle between the radii, starting from the two sliding contacts 581 and 582, 180 °.
  • Stator 35 and a rotor 38 wherein the rotor 38 in grooves 46 carries a rotor winding 49 which is supplied via a power supply system of a commutator 52 and sliding contacts 58 with electric current, wherein the pressing on a surface of the commutator 52 sliding contacts 58 at least two Pairs of one plus sliding contact 581 and one minus sliding contact 582 exhibit.
  • the plus sliding contact 581 and the minus sliding contact 582 face each other at an angle ⁇ which deviates from 180 °.
  • the deviations of up to 28 ° from the 180 ° counter-overlay result from experience, according to which the deviation deviates up to an amount equal to the quotient of 360 ° and the number of slats N L of the commutator 52 from an angle of 180 ° where the number of fins N L is inclusive of between 13 and 17 or 19 and 23 or 35 and 29 or 31 and 35 respectively.
  • the angle between the minus sliding contact 582 and the plus sliding contact 581 of the first sliding contact pair should therefore be less than 180 °.
  • Angle encloses the minus sliding contact 582 of the other sliding contact pair.
  • a further condition of the embodiment of Figure 2 may be, for example, that an angle ⁇ between the Plusgleit token 581 and the minus sliding contact 582 of the second Gleit tokenpreses between them form an angle ⁇ of 180 °. It can be provided that, as here in this
  • the Plusgleitcard 581 of the second pair of the Plusgleit toast the first pair is spaced by 120 ° in a rotor rotational direction.
  • the stator 35 of the electric drive machine should be designed as a six-pole stator 35.
  • the pole track 31 could only be electrically excited by a field winding
  • pole pieces 34 can also be permanently magnetic.
  • _ of the stator 35 it should also be considered a condition that the quotient of the slat number N L and the number of poles N P is not an integer.
  • the armature or rotor winding 49 arranged in the slots 46 is designed as a so-called wave winding.
  • the grooves 46 are oriented parallel to the axis of rotation 201.
  • the number of sliding contacts 58 is smaller than the number of NL of the fins 55 of the commutator 52.
  • FIG. 3 shows in a systematic manner a further cross section through a pole tube 28 analogous to the illustration in FIG. 2.
  • the six-pole drive machine also has 6 sliding contacts 58.
  • this exemplary embodiment also has a first sliding contact pair of a plus sliding contact 581 and a minus sliding contact 582.
  • the Plusgleitcard 581 is also approximately at a 10 o'clock position.
  • the minus sliding contact 582 is analogue on a 4 o'clock
  • the second GleitCount also consists of a Plusgleit token 581 and a minus sliding contact 582 at the 2 or 8 o'clock position. Between these two sliding contacts an angle ⁇ of 180 ° is set.
  • Plus sliding contact 581 and the minus sliding contact 582 which is also oriented here at an angle of 180 ° to each other, is also present.
  • the corresponding sliding contacts are here at the 6 o'clock or 12 o'clock position.
  • the corresponding "time specifications" for the position of the brushes in this application are only approximate values and are not provided with exact degrees of angularity.
  • the angle ⁇ is 60 ° in each case in Figure 3.
  • All sliding contacts 58 are inserted in quivers 59 which guide the sliding contacts 58 perpendicular to the surface of the commutator 52.
  • the sliding contacts 58 are pressed by means of spring elements 62 on the surface of the commutator 52.
  • 6 sliding contacts also have a special relative position to the pole pieces 31 of the stator 35. While the pole pieces 31 are mutually spaced uniformly at an angle ⁇ of 60 °, it is, as already apparent from the previous lecture, in any case only partially the case with the sliding contacts 58.
  • the sliding contacts 58 of the first GleitWalletcovers (8 and 2 o'clock position) to the pole pieces 31 are rotated by an angle ß. This angle ⁇ is a measure of the so-called brush rotation of the regularly spaced brushes to the pole pieces 31st
  • the sliding contacts 58 have in the quiver 59 a sliding direction, which is aligned perpendicular to the commutator.
  • this electric drive machine is a stator motor 13, which is part of a starting device 10 for internal combustion engines or internal combustion engines. Since the aforementioned advantages (special durability of the sliding contacts and particularly even distribution of the durability of the sliding contacts) come into play especially when this starting device is part of a vehicle that allows a so-called start-stop operation, it is provided that this starting device 10 is used in a motor vehicle, which performs a start-stop method as a special operating mode.

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Abstract

Elektrische Antriebsmaschine mit einem Stator (35) und einem Rotor (38), wobei der Rotor (38) in Nuten (46) eine Rotorwicklung (49) trägt, die über ein Stromversorgungssystem aus einem Kommutator (52) und Gleitkontakten (58) mit elektrischem Strom versorgbar ist, wobei die auf eine Oberfläche des Kommutators (52) drückenden Gleitkontakte (58) zumindest zwei Paare aus je einem Plusgleitkontakt (581)und einem Minusgleitkontakt (582) aufweisen, wobei bei zumindest einem ersten Paar eines Plusgleitkontakts (581) und eines Minusgleitkontakts (582) der Plusgleitkontakt (581) und der Minusgleitkontakt (582) in einem Winkel γ gegenüberstehen, der von 180° abweicht.

Description

Beschreibung
Titel
Elektrische Antriebsmaschine mit einem Stator und einem Rotor
Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine elektrische Antriebsmaschine (Motor für eine Startvorrichtung) mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Rotor über einen Kommutator und Gleitkontakte (Bürsten) mit elektrischem Strom versorgbar ist. Derlei Maschinen sind stark verbreitet. Der Strom zum Betreiben der elektrischen Antriebsmaschine wird dabei über einen oder mehrere Paare von Gleitkontakten über den Kommutator in die Rotorwicklung (Ankerwicklung) eingeleitet. Diese Gleitkontakte bestehen meist aus einem Sinterwerkstoff, welcher hauptsächlich und Graphitanteile hat. Diese Gleitkontakte sowie der Kommutator unterliegen im Betrieb einem Verschleiß. Startvorrichtungen sind typischerweise für den kurzzeitigen Betrieb ausgelegt und normalerweise für 30 000 bis 60 000 Schaltzyklen, das heißt Startvorgänge, geeignet.
Soll die Startvorrichtung eine höhere Last und längere Schaltzahlen erreichen, so müssen die Gleitkontakte eine gleichmäßige Belastung aufweisen, damit es zu einer maximal möglichen Schaltzahl kommt. Gegenwärtig werden für Systeme mit 4 oder 6 Gleitkontakten Anordnungen gewählt, bei denen die Gleitkontakte untereinander einen Winkelabstand von 60° aufweisen. Dies bedeutet, dass bei einem System mit 6 Gleitkontakten zwischen den Gleitkontakten jeweils ein Win- kel von 60° vorhanden ist. Bei einem System mit 4 Gleitkontakten sind einerseits je ein Plusgleitkontakt und je ein Minusgleitkontakt direkt gegenüber, das heißt mit einem Winkel von 180° angeordnet und ein zweites Gleitkontaktpaar, welches in sich wiederum um 180° beabstandet ist, ist derartig angeordnet, dass dieses zweite Gleitkontaktpaar mit seinem Minusgleitkontakt um 60° zum Plus- gleitkontakt des ersten Gleitkontaktpaars versetzt ist. Auf Grund der Verwendung von einer nicht durch die Polzahl des Stators teilbaren Lamellenanzahl des Kommutators für Startermotoren (elektrische Antriebsmaschine) - in der Regel 28 Lamellen oder 23 Lamellen - kommt es zu einer unterschiedlichen Belastung für die Plus- bzw. Minusgleitkontakte, da die Gleitkontaktpaaredrehrichtung un- terschiedliche Positionen beim Beschälten eines Leiters der Rotorwicklung und beim Abschalten eines Leiters der Rotorwicklung auf den Lamellen einnehmen. Dieser Unterschied bewirkt, dass die Gleitkontaktpaare unterschiedlich belastet werden bzw. für einzelne Gleitkontaktpaare ein unterschiedliches Lastprofil entsteht. Für eine Drehrichtung der Antriebsmaschine werden einzelne Gleitkontakte beim Auflaufen auf eine Lamelle bzw. beim Ablaufen von einer Lamelle mit einer unterschiedlichen Strombelastung beaufschlagt. Folglich altern bzw. verschleißen die Kohlebürsten unterschiedlich stark, so dass die erreichbare Lebensdauer wegen des stärkeren Verschleißes einzelner Gleitkontakte unnötig vermindert ist.
Es besteht daher die Aufgabe, die erreichbare Lebensdauer einer Antriebsmaschine der vorgenannten Art dadurch zu verlängern, indem die Lebensdauer der einzelnen Gleitkontakte untereinander möglichst gleich ist. So kann es beispielsweise passieren, dass am Ende der Lebensdauer eines Pkws auch die Startvorrichtung das Ende ihrer Lebensdauer hinsichtlich der Mechanik erreicht hat. Be- trachtet man dann jedoch die Gleitkontakte, so stellt man des Öfteren fest, dass von vier verwendeten Gleitkontakten nur einer der Gleitkontakte im vorgesehen Umfang abgenutzt ist, während andere Gleitkontakte derselben Startvorrichtung unter Umständen erst um 1/3 der vorgesehenen Abnutzungslänge des Gleitkontaktes abgenutzt sind. Steigt jetzt die notwendige Schaltzahl und damit die not- wendige Zahl der Starts eines Starters auf Grund eines Betriebes mit häufigen
Wiederholstarts am Verbrennungsmotor an, so muss für eine optimale Verteilung der Strombelastung und der Belastungsspitzen für die Gleitkontakte gesorgt werden. Eine andere Alternative, nämlich die Verlängerung des Gleitkontaktes, der besonders belastet wird, oder aller Gleitkontakte, scheitert in der Regel daran, dass ein größerer Durchmesser des Polrohrs der elektrischen Antriebsmaschine nicht zur Disposition steht. Eine optimale Verteilung der Strombelastung und der Belastungsspitzen für die Gleitkontakte kann insbesondere bei Ankern bzw. Rotoren mit Wellenwicklung und nicht ganzzahligem Verhältnis aus Lamellenzahl und Polpaar des Stators durch eine besondere Verteilung der Gleitkontakte über den Umfang des Kommutators erreicht werden. Um bei einer genügend großen Überdeckung der Gleitkontakte über die Lamellen eine ideale Aufteilung der Last und Lastspitzen auf die Gleitkontakte zu erhalten, haben wir herausgefunden, dass die optimale Anordnung der Gleitkontakte nicht in einem gleichwinkligen Abstand der Gleitkontakte zueinander liegt. Je nach Drehrichtung muss einer o- der mehrere der Gleitkontakte um etwa 1° bis zu einem Wert eines Quotienten aus 360° und der Lamellenanzahl des Kommutators in bzw. gegen die Drehrichtung gegenüber den symmetrischen Werten an den jeweiligen Winkeln (Quotient aus 360° und der Polzahl) versetzt werden. Dadurch erreicht man eine Minimierung der Strombelastungsmaxima in den einzelnen Gleitkontakten und auch eine möglichst geringe Streuung zwischen den Gleitkontakten. Die Lastspitzen und die integralen Ströme können so um bis zu 25 % abgesenkt werden und es können auch aus Dauerlaufversuchen bekannte Unterschiede im Verschleiß der einzelnen Gleitkontakte minimiert werden. Die Angleichung kann bei einzelnen Startersystemen Unterschiede im Verschleiß über die Lebensdauer von bis zu 2 mm bedeuten, was gleichzeitig bis mehr als 30 % der möglichen Verschleißlänge eines Gleitkontaktes bedeuten kann.
Offenbarung der Erfindung
Bei einer elektrischen Antriebsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 ergibt sich der Vorteil, dass gegenüber einer Lösung mit, wie vor beschrieben, ä- quidistantem Winkelabstand der Gleitkontakte eine deutliche Verlängerung der Lebensdauer der Antriebsmaschine erreicht werden kann. Da dieser Vorzug auch in Kombination mit den Merkmalen der Unteransprüche zur elektrischen Antriebsmaschine gilt, wird dieser Vorzug nicht weiter aufgeführt. Die Erfindung ist ganz besonders dann von Vorteil, wenn die elektrische Antriebsmaschine Teil einer Startvorrichtung für Verbrennungsmotoren, und hier insbesondere von Kraftfahrzeugen, ist. Die Verwendung einer Startvorrichtung mit einer elektrischen Antriebsmaschine mit einem der Merkmale gemäß den nachfolgend ange- gebenen Ansprüchen ist ganz besonders dann von Vorteil, wenn das Kraftfahrzeug mit dieser Startvorrichtung in einem sogenannten Start- Stopp- Betrieb betrieben wird. Ein Start- Stopp- Betrieb liegt beispielsweise dann vor, wenn das Fahrzeug automatisch den Stillstand des Kraftfahrzeugs, in dem die Startvorrichtung betrieben wird, erkennen kann und in diesem Zusammenhang die Brenn- kraftmaschine bzw. den Verbrennungsmotor abschaltet. Ein weiteres Merkmal eines derartigen Start- Stopp-Systems ist, dass das Fahrzeug vom Fahrer gegebene Signale erkennt, die darauf hindeuten, dass das Fahrzeug wieder in Bewegung gesetzt werden soll und demzufolge die Brennkraftmaschine bzw. der Verbrennungsmotor wieder gestartet wird, indem die Startvorrichtung den übli- chen Startvorgang (Vorspuren, Einspuren, Andrehen, Abschalten eines Statorrelais, Ausspuren) selbsttätig - d. h. ohne menschliche Betätigung des Start- Schalters - veranlassen kann. Zudem kann ein derartiges Start- Stopp-System auch einen sogenannten Schwung-Nutz-Betrieb umfassen, bei dem in den Fällen, in denen das Fahrzeug keine Antriebsenergie auf die Fahrbahn übertragen soll, ebenfalls den Verbrennungsmotor automatisch ausschaltet und bei erkennbarem Wunsch des Fahrers nach wieder zu übertragender Antriebsenergie den Startvorgang wie beim Start- Stopp- Betrieb, wie zuvor beschrieben, veranlasst.
Kurze Beschreibungen der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand der Figuren näher erläutert:
Es zeigen:
Figur 1 eine Startvorrichtung in einem Längsschnitt,
Figur 2 einen Querschnitt durch das Polrohr gemäß der Angaben in Figur 1 und dort die Ansicht auf 4 Gleitkontakte,
Figur 3 eine schematische Schnittdarstellung durch ein Polrohr der elektrischen Antriebsmaschine mit der Darstellung der Pole des Stators und der Relativlage des Gleitkontaktsystems zu den Polen des Stators, Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine Startvorrichtung in einem Längsschnitt. In der Figur 1 ist eine Startvorrichtung 10 dargestellt. Diese Startvorrichtung 10 weist beispielsweise einen Startermotor 13 und ein Einrückrelais 16 auf. Der Startermotor 13 und das
Einrückrelais 16 sind an einem gemeinsamen Antriebslagerschild 19 befestigt. Der Startermotor 13 dient funktionell dazu, ein Andrehritzel 22 anzutreiben, wenn es im Zahnkranz 25 der hier nicht dargestellten Brennkraftmaschine eingespurt ist.
Der Startermotor 13 als elektrische Antriebsmaschine der Startvorrichtung weist als Gehäuse ein Polrohr 28 auf, das an seinem Innenumfang Polschuhe 31 trägt, die jeweils von einer Erregerwicklung 34 umwickelt sind. Das Polrohr 28 mit den Polschuhen 31 und den Erregerwicklungen 34 bildet einen Stator 35. Die PoI- schuhe 31 umgeben wiederum einen Anker 37 (der ein Rotor 38 ist), der ein aus
Lamellen 40 aufgebautes Ankerpaket 43 und eine in Nuten 46 angeordnete Anker- bzw. Rotorwicklung 49 aufweist. Das Ankerpaket 43 ist auf eine Antriebswelle 44 aufgepresst. An dem Andrehritzel 22 abgewandten Ende der Antriebswelle 44 ist des weiteren ein Kommutator 52 angebracht, der u. a. aus einzelnen Kom- mutatorlamellen 55 aufgebaut ist. Die Kommutatorlamellen 55 sind in bekannter
Weise mit der Ankerwicklung 49 derartig elektrisch verbunden, dass sich bei Bestromung der Kommutatorlamellen 55 durch Kohlebürsten bzw. Gleitkontakte 58 eine Drehbewegung des Ankers 37 im Polrohr 28 ergibt. Eine zwischen dem Einspurrelais 16 und dem Startermotor 13 angeordnete Stromzuführung 61 ver- sorgt im Einschaltzustand sowohl die Kohlebürsten 58 als auch die Erregerwicklung 34 mit Strom. Die Antriebswelle 44 ist kommutatorseitig mit einem Wellenzapfen 64 in einem Gleitlager 67 abgestützt, welches wiederum in einem Kommutatorlagerdeckel 70 ortsfest gehalten ist. Der Kommutatordeckel 70 wiederum wird mittels Zuganker 73, die über den Umfang des Polrohrs 28 verteilt angeord- net sind (Schrauben, beispielsweise 2, 3 oder 4 Stück) im Antriebslagerschild 19 befestigt. Es stützt sich dabei das Polrohr 28 am Antriebslagerschild 19 ab, und der Kommutatorlagerdeckel 70 am Polrohr 28.
In Antriebsrichtung schließt sich an den Anker 37 ein sogenanntes Sonnenrad 80 an, das Teil eines Planetengetriebes 83 ist. Das Sonnenrad 80 ist von mehreren Planetenrädern 86 umgeben, üblicherweise drei Planetenräder 86, die mittels Wälzlager 89 auf Achszapfen 92 abgestützt sind. Die Planetenräder 86 wälzen in einem Hohlrad 95 ab, das im Polrohr 28 außenseitig gelagert ist. In Richtung zur Abtriebsseite schließt sich an die Planetenräder 86 ein Planetenträger 98 an, in dem die Achszapfen 92 aufgenommen sind. Der Planetenträger 98 wird wiederum in einem Zwischenlager 101 und einem darin angeordneten Gleitlager 104 gelagert. Das Zwischenlager 101 ist derartig topfförmig gestaltet, dass in diesem sowohl der Planetenträger 98, als auch die Planetenräder 86 aufgenommen sind. Desweiteren ist im topfförmigen Zwischenlager 101 das Hohlrad 95 angeordnet, das letztlich durch einen Deckel 107 gegenüber dem Anker 37 geschlossen ist.
Auch das Zwischenlager 101 stützt sich mit seinem Außenumfang an der Innenseite des Polrohrs 28 ab. Der Anker 37 weist auf dem vom Kommutator 52 abgewandten Ende der Antriebswelle 44 einen weiteren Wellenzapfen 1 10 auf, der ebenfalls in einem Gleitlager 1 13 aufgenommen ist, ab. Das Gleitlager 1 13 wie- derum ist in einer zentralen Bohrung des Planetenträgers 98 aufgenommen. Der
Planetenträger 98 ist einstückig mit der Abtriebswelle 1 16 verbunden. Diese Abtriebswelle 1 16 ist mit ihrem vom Zwischenlager 101 abgewandten Ende 1 19 in einem weiteren Lager 122, welches im Antriebslagerschild 19 befestigt ist, abgestützt. Die Abtriebswelle 1 16 ist in verschiedene Abschnitte aufgeteilt: So folgt dem Abschnitt, der im Gleitlager 104 des Zwischenlagers 101 angeordnet ist, ein
Abschnitt mit einer sogenannten Geradverzahnung 125 (Innenverzahnung), die Teil einer sogenannten Wellen-Nabe-Verbindung ist. Diese Welle-Nabe- Verbindung 128 ermöglicht in diesem Fall das axial geradlinige Gleiten eines Mitnehmers 131. Dieser Mitnehmer 131 ist ein hülsenartiger Fortsatz, der einstü- ckig mit einem topfförmigen Außenring 132 des Freilaufs 137 ist. Dieser Freilauf
137 (Richtgesperre) besteht des Weiteren aus dem Innenring 140, der radial innerhalb des Außenrings 132 angeordnet ist. Zwischen dem Innenring 140 und dem Außenring 132 sind Klemmkörper 138 angeordnet. Diese Klemmkörper 138 verhindern in Zusammenwirkung mit dem Innen- und dem Außenring eine ReIa- tivdrehung zwischen dem Außenring und dem Innenring in einer zweiten Richtung. Mit anderen Worten: Der Freilauf 137 ermöglicht eine Relativbewegung zwischen Innenring 140 und Außenring 132 nur in eine Richtung. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Innenring 140 einstückig mit dem Andrehritzel 22 und dessen Schrägverzahnung 143 (Außenschrägverzahnung) ausgeführt. Der Vollständigkeit halber sei hier noch auf den Einspurmechanismus eingegangen. Das Eindrückrelais 16 weist einen Bolzen 150 auf, der ein elektrischer Kontakt ist und der an den Pluspol einer elektrischen Starterbatterie, die hier nicht dargestellt ist, angeschlossen ist. Dieser Bolzen 150 ist durch einen Relaisdeckel 153 hindurchgeführt. Dieser Relaisdeckel 153 schließt ein Relaisgehäuse 156 ab, das mittels mehrerer Befestigungselemente 159 (Schrauben) am Antriebslagerschild 19 befestigt ist. Im Einrückrelais 16 ist weiterhin eine Einzugswicklung 162 und eine sogenannte Haltewicklung 165 angeordnet. Die Einzugswicklung 162 und die Haltewicklung 165 bewirken beide jeweils im eingeschalteten Zu- stand ein elektromagnetisches Feld, welches sowohl das Relaisgehäuse 156
(aus elektromagnetisch leitfähigem Material), einen linear beweglichen Anker 168 und einen Ankerrückschluss 171 durchströmt. Der Anker 168 trägt eine Schubstange 174, die beim linearen Einzug des Ankers 168 in Richtung zu einem Schaltbolzen 177 bewegt wird. Mit dieser Bewegung der Schubstange 174 zum Schaltbolzen 177 wird dieser aus seiner Ruhelage in Richtung zu zwei Kontakten 180 und 181 bewegt, so dass eine am zu den Kontakten 180 und 181 Ende des Schaltbolzens 177 angebrachte Kontaktbrücke 184 beide Kontakte 180 und 181 elektrisch miteinander verbindet. Dadurch wird vom Bolzen 150 elektrische Leistung über die Kontaktbrücke 184 hinweg zur Stromzuführung 61 und damit zu den Kohlebürsten 58 geführt. Der Startermotor 13 wird dabei bestromt.
Das Einrückrelais 16 bzw. der Anker 168 hat aber darüber hinaus auch die Aufgabe, mit einem Zugelement 187 einen dem Antriebslagerschild 19 drehbeweglich angeordneten Hebel zu bewegen. Dieser Hebel 190, üblicherweise als Ga- belhebel ausgeführt, umgreift mit zwei hier nicht dargestellten „Zinken" an ihrem
Außenumfang zwei Scheiben 193 und 194, um einen zwischen diesen eingeklemmten Mitnehmerring 197 zum Freilauf 137 hin gegen den Widerstand der Feder 200 zu bewegen und dadurch das Andrehritzel 22 in dem Zahnkranz 25 einzuspuren.
Der hier beschriebene Kommutator 52 ist als Trommelkommutator ausgeführt, dessen Kommutatorlamellen 55 jeweils parallel zueinander orientiert sind und deren elektrische Trennung in Umfangsrichtung ausgeführt ist. Das heißt, die Kommutatorlamellen 55 weisen keine Schrägung auf. Die Nuten 46 des Rotors 38, in denen die Rotorwicklung 49 angeordnet ist, sind parallel zur Drehachse 201 des Rotors 38 ausgerichtet.
In Figur 2 ist entsprechend der Markierung in Figur 1 ein Querschnitt durch das Polrohr 28 der Startvorrichtung 10 dargestellt. Die Strom Zuführung 61 führt über zwei Stromzuführungsleiter 610 die Spannung an die Plusgleitkontakte 581. Der Kommutator 52 ist hier nur schematisch durch eine strichpunktierte Kreislinie 205 dargestellt. Die in diesem Ausführungsbeispiel beiden anderen Gleitkontakte 58 sind Minusgleitkontakte 582, da diese mit dem Minuspol einer hier nicht darge- stellten Starterbatterie verbunden sind. Beide Minusgleitkontakte 582 sind mittels zweier als Litze ausgeführten Minusleitern 583 mit einem gemeinsamem Kontaktblech 584, in diesem Fall durch eine Schweißverbindung verbunden. Das Kontaktblech 584 wiederum ist durch Anlage an der Innenseite des Polrohrs 28 mit dem Minuspol der Starterbatterie verbunden.
Bei der in Figur 2 dargestellten Anordnung bilden die insgesamt 4 Gleitkontakte 58 insgesamt 2 Paare. Das erste Paar umfasst den Plusgleitkontakt 581, der in Bezug zu einem normalen analogen Uhrziffernblatt auf Position 10 Uhr steht sowie den Minusgleitkontakt 582, der dort in etwa auf der Position 4 Uhr gezeichnet ist. Tatsächlich liegt die Minusbürste 582, die hier auf 4 Uhr gezeichnet ist, auf einer Position, die von 4 Uhr abweicht. Diese Abweichung wird durch den Winkel γ angegeben, der den Winkel zwischen den beiden von dem Plusgleitkontakt 581 und dem Minusgleitkontakt 582 ausgehenden Radius zum Mittelpunkt, das heißt zur Drehachse 201, beschreibt. Bei dem zweiten Paar aus dem anderen Plus- gleitkontakt 581 und dem anderen Minusgleitkontakt 582 stehen sich in diesem
Ausführungsbeispiel beide Gleitkontakte 581 bzw. 582 derartig gegenüber, dass der Winkel zwischen den Radien, von den beiden Gleitkontakten 581 und 582 ausgehend, 180° beträgt.
Es ist demzufolge eine elektrische Antriebsmaschine (Startermotor 13) mit einem
Stator 35 und einem Rotor 38 gezeigt, wobei der Rotor 38 in Nuten 46 eine Rotorwicklung 49 trägt, die über ein Stromversorgungssystem aus einem Kommutator 52 und Gleitkontakten 58 mit elektrischem Strom versorgbar ist, wobei die auf eine Oberfläche des Kommutators 52 drückenden Gleitkontakte 58 zumindest zwei Paare aus je einem Plusgleitkontakt 581 und einem Minusgleitkontakt 582 aufweisen. Bei zumindest einem ersten Paar aus einem Plusgleitkontakt 581 und einem Minusgleitkontakt 582 stehen sich der Plusgleitkontakt 581 und der Minusgleitkontakt 582 in einem Winkel γ gegenüber, der von 180° abweicht. Unter dem Begriff „in einem Winkel gegenüberstehen, der von 180° abweicht", wird hier in dieser Anmeldung verstanden, dass sich diese beiden Bürsten in einem Winkel γ gegenüberstehen können, der bis zu 28° von 180° abweichen kann und demzufolge bis zu 152° betragen kann. Mit anderen Worten: Der Winkel γ ist zwischen 152° und 179° betragen. Der Winkel γ ist dabei der Winkel, den die beiden Gleitkontakte 581 und 582 miteinander einschließen, wobei in diesem einge- schlossenen Bereich ein Minusgleitkontakt 582 des anderen Paares angeordnet ist.
Die Abweichungen von bis zu 28° aus der 180°-Gegenüberlage ergibt sich aus der Erfahrung, wonach die Abweichung bis zu einem Betrag in Höhe des Quo- tienten aus 360° und der Lamellenzahl NL des Kommutators 52 von einem Winkel von 180° abweichen darf, wobei die Lamellenzahl NL jeweils einschließlich zwischen 13 und 17 oder 19 und 23 oder 35 und 29 oder 31 und 35 ist. Als besonders vorteilhaft haben sich dabei die Lamellenzahlen NL = 23 und 28 ergeben. Der Winkel zwischen dem Minusgleitkontakt 582 und dem Plusgleitkontakt 581 des ersten Gleitkontaktpaares soll demzufolge kleiner als 180° sein. Dieser
Winkel schließt den Minusgleitkontakt 582 des anderen Gleitkontaktpaares ein. Eine weitere Bedingung des Ausführungsbeispiels aus Figur 2 kann beispielsweise sein, dass ein Winkel δ zwischen dem Plusgleitkontakt 581 und dem Minusgleitkontakt 582 des zweiten Gleitkontaktpaares zwischen sich ein Winkel δ von 180° einschließen. Es kann dabei vorgesehen sein, dass, wie hier in diesem
Ausführungsbeispiel gezeichnet, der Plusgleitkontakt 581 des zweiten Paares vom Plusgleitkontakt des ersten Paares um 120° in einer Rotordrehrichtung beabstandet ist. Der Stator 35 der elektrischen Antriebsmaschine soll als sechs- poliger Stator 35 ausgeführt sein. Im Gegensatz zur zuvor angeführten Beschrei- bung könnte die Polspur 31 nur elektrisch erregt sein durch eine Erregerwicklung
34, sondern alternativ können diese Polschuhe auch permanentmagnetisch sein. Im Hinblick auf das Verhältnis von Lamellenzahl NL des Kommutators 52 und der Polzahl N|_ des Stators 35 soll des Weiteren als Bedingung gelten, dass der Quotient aus der Lamellenzahl NL und der Polzahl NP nicht ganzzahlig ist. Die in den Nuten 46 angeordnete Anker- bzw. Rotorwicklung 49 ist als eine sogenannte Wellenwicklung ausgeführt.
Die Nuten 46 sind dabei parallel zur Drehachse 201 orientiert.
Die Anzahl der Gleitkontakte 58 ist kleiner als die Anzahl der NL der Lamellen 55 des Kommutators 52.
Figur 3 zeigt in systematischer Art und Weise einen weiteren Querschnitt durch ein Polrohr 28 analog zu der Darstellung in Figur 2. Als Unterschied ist hier erkennbar, dass die sechspolige Antriebsmaschine auch 6 Gleitkontakte 58 aufweist. Analog zu der Beschreibung zur Figur 2 weist auch dieses Ausführungsbeispiel ein erstes Gleitkontaktpaar aus einem Plusgleitkontakt 581 und einem Minusgleitkontakt 582 auf. Der Plusgleitkontakt 581 ist dabei ebenfalls in etwa auf einer 10 Uhr-Position. Der Minusgleitkontakt 582 ist analog auf einer 4 Uhr-
Position. Zwischen beiden Gleitkontakten des ersten Gleitkontaktpaars ist hier ebenfalls ein Winkel γ, der von 180° abweicht. Das zweite Gleitkontaktpaar besteht auch hier aus einem Plusgleitkontakt 581 und einem Minusgleitkontakt 582 auf der 2 bzw. 8 Uhr-Position. Zwischen diesen beiden Gleitkontakten ist ein Winkel δ von 180° eingestellt. Ein drittes Gleitkontaktpaar, bestehend aus dem
Plusgleitkontakt 581 und dem Minusgleitkontakt 582, welche hier ebenfalls mit einem Winkel von 180° zueinander orientiert ist, ist ebenfalls vorhanden. Die entsprechenden Gleitkontakte sind hier auf der 6 Uhr- bzw. 12 Uhr-Position. Die entsprechenden „Uhrzeitangaben" für die Position der Bürsten sind in dieser Anmel- düng nur Circawerte und sind nicht mit genauen Winkelgradangaben versehen.
Der Winkel τ ist in Figur 3 jeweils 60° groß.
Alle Gleitkontakte 58 sind in Köchern 59 eingesetzt, die die Gleitkontakte 58 senkrecht zur Oberfläche des Kommutators 52 führen. Die Gleitkontakte 58 werden dabei mittels Federelementen 62 auf die Oberfläche des Kommutators 52 gedrückt. Diese, hier in der Figur 3 dargestellten, 6 Gleitkontakte weisen darüber hinaus eine spezielle Relativlage zu den Polschuhen 31 des Stators 35 auf. Während die Polschuhe 31 zueinander gleichmäßig in einem Winkel α von 60° beabstandet sind, ist es, wie bereits aus dem vorhergehenden Vortrag hervorgeht, bei den Gleitkontakten 58 jedenfalls nur teilweise der Fall. Darüber hinaus sind die Gleitkontakte 58 des ersten Gleitkontaktpaars (8 und 2 Uhr-Position) zu den Polschuhen 31 um einen Winkel ß verdreht. Dieser Winkel ß ist ein Maß für die sogenannte Bürstenverdrehung der regelmäßig beabstandeten Bürsten zu den Polschuhen 31.
Die Gleitkontakte 58 haben in dem Köcher 59 eine Schieberichtung, die senkrecht zur Kommutatoroberfläche ausgerichtet ist.
Es ist vorgesehen, dass diese elektrische Antriebsmaschine ein Statormotor 13 ist, der Teil einer Startvorrichtung 10 für Brennkraftmaschinen bzw. Verbrennungsmotoren ist. Da die eingangs erwähnten Vorteile (besondere Haltbarkeit der Gleitkontakte und besonders gleichmäßige Verteilung der Haltbarkeit der Gleitkontakte) ganz besonders dann zum Tragen kommen, wenn diese Startvorrichtung Bestandteil eines Fahrzeugs ist, das einen sogenannten Start- Stopp- Betrieb ermöglicht, ist vorgesehen, dass diese Startvorrichtung 10 in einem Kraftfahrzeug verwendet wird, welches als speziellen Betriebsmodus ein Start- Stopp- Verfahren durchführt.

Claims

Ansprüche
1. Elektrische Antriebsmaschine mit einem Stator (35) und einem Rotor (38), wobei der Rotor (38) in Nuten (46) eine Rotorwicklung (49) trägt, die über ein Stromversorgungssystem aus einem Kommutator (52) und Gleitkontakten (58) mit elektrischem Strom versorgbar ist, wobei die auf eine Oberfläche des
Kommutators (52) drückenden Gleitkontakte (58) zumindest zwei Paare aus je einem Plusgleitkontakt (581)und einem Minusgleitkontakt (582) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass bei zumindest einem ersten Paar eines Plusgleitkontakts (581) und eines Minusgleitkontakts (582) der Plusgleitkontakt (581) und der Minusgleitkontakt (582) in einem Winkel γ gegenüberstehen, der von 180° abweicht.
2. Elektrische Antriebsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel γ zwischen dem Minusgleitkontakt (582) und dem Plusgleit- kontakt (581) eines Paares um einen Betrag von etwa einem Grad bis zu einem Betrag in Höhe des Quotienten aus 360° und einer Lamellenzahl NL des Kommutators (52) von einem Winkel von 180° abweicht, wobei die Lamellenzahl NL jeweils einschließlich zwischen 13 und 17 oder 19 und 23 oder 25 und 29 oder 31 und 35 ist.
3. Elektrische Antriebsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel γ zwischen dem Minusgleitkontakt (582) und dem Plusgleitkontakt (581) kleiner als 180° ist.
4. Elektrische Antriebsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Plusgleitkontakt (581) und der Minusgleitkontakt (582) des zweiten Paares zwischen sich einen Winkel δ von 180° einschließen.
5. Elektrische Antriebsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Plusgleitkontakt (581) des zweiten Paares vom Plusgleitkontakt (581) des ersten Paares um 120° in einer Rotordrehrichtung beabstandet ist.
6. Elektrische Antriebsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (35) sechspolig ausgeführt ist.
7. Elektrische Antriebsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass ein Quotient aus Lamellenzahl NL und Polzahl
Np des Stators (35) nicht ganzzahlig ist.
8. Elektrische Antriebsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Nuten (46) des Rotors (38) angeord- nete Rotorwicklung (49) eine Wellenwicklung ist.
9. Elektrische Antriebsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Gleitkontakte (58) kleiner als die Anzahl NL der Lamellen (55) des Kommutators (52) ist.
10. Startvorrichtung mit einer elektrischen Antriebsmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche.
11. Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs bei Verwendung einer Start- Vorrichtung (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
12. Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren ein Start- Stopp- Verfahren umfasst.
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