B E S C H R E I B U N G

Strom-überlastschutz einer elektrischen Maschine

Die Erfindung bezieht sich auf einen Strom-überlastschutz einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Starters einer Brennkraftmaschine, mit mindestens einer Schmelzsicherungsvorrichtung im Strompfad zu Bürsten und einer Strom-Sammelschiene in der elektrischen Maschine.

Ein Strom-überlastschutz ist beispielsweise in Form einer Schmelzsicherungsvorrichtung bekannt, bei der ein stromführendes Schmelzelement, wie z.B. ein Draht, bei überschreiten einer vorgegebenen elektrischen Stromstärke während einer vorgegebenen Zeitspanne und bei einer vorgegebenen Temperatur schmilzt, so dass ein elektrischer Stromkreis zu Bürsten der elektrischen Maschine unterbrochen wird. Die maximal zulässige elektrische Stromstärke wird dabei durch die Wahl des Materials des Schmelzelements, d. h. der Schmelzsicherungsvorrichtung, sowie dem stromführenden Querschnitt des Schmelzelements festgelegt. Dazu ist die Schmelzsicherungsvor- richtung an einer zum Schmelzen vorgesehenen Schmelzstelle so präpariert, dass es bei einem Stromfluss mit einer Stromstärke oberhalb der Stromstärkeschwelle zu einem Durchschmelzen der Schmelzstelle kommt. Bei Startern für Brennkraftmaschinen werden die Bürstenlitzen als Schmelzelement so präpariert, dass diese im Fehlerfall an einer Schmelzstelle mit geringem Bürstenlitzenquerschnitt durchschmelzen. Dadurch wird verhindert, dass es aufgrund von Missbrauch oder Fehlansteuerung in ungünstigen Fällen zu kritischen Zuständen wie glühenden oder brennenden Außenteilen am Starter kommen kann. Als Stromüberlastschutz dient also derzeit eine definiert geschwächte Stelle im Hauptstrompfad einer Plus-Leitung oder Masselei-

tung. Durch die dort auftretenden höheren Stromdichten kommt es zu einer stärkeren Erwärmung als im übrigen Strompfad. In Kombination mit weiteren Effekten während eines überlastfalles, wie beispielsweise Setzen der Bür- stenandruckfeder; Lichtbögen zwischen Kohle und Kommutator usw., schmilzt die Schwachstelle durch und unterbricht den Strompfad. Dieser Mechanismus eines Strom-überlastschutzes ist für den gesamten Arbeitsbereich des Starters vorgesehen. Der Strom-überlastschutz funktioniert jedoch nicht sicher, wenn der Starter bei laufender Brennkraftmaschine eingespurt mitläuft. In diesem Fall fließt nur ein Leerlaufstrom, der einen zu kleinen Wärmeeintrag verursacht, um die Bürste in der Litze durchschmelzen zu lassen. In einem solchen Fall löst sich der Verband des Kommutators auf, was zu Kurzschlüssen führen kann. Deshalb ist der Arbeitspunkt beim Leerlauf aufgrund des sehr geringen auftretenden Stroms sehr kritisch. Der Arbeitspunkt kann vor allem in Kombination mit einer Fehlfunktion von einem Relais, das nicht mehr öffnet, auftreten und kritisch werden. Der Arbeitspunkt Kurzschluss ist auch „künstlich" verkürzt worden. Durch die Querschnittsverengung schmilzt der „Schwachpunkt" schneller durch.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Strom-überlastschutz der eingangs ge- nannten Art derart weiterzubilden, dass eine Schmelzsicherungsvorrichtung einer elektrischen Maschine vor einem brand kritischen Zustand sicher abschaltet und gleichzeitig den Betrieb innerhalb der Funktionsgrenzen sicherstellt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Ein wesentlicher Erfindungsgedanke ist, die Schmelzsicherungsvorrichtung auf eine Strom-Sammelschiene zu verlegen und die Strom-Sammelschiene, die bislang einteilig ausgeführt wird, zu modifizieren und zweiteilig zu realisieren.

Die Aufgabe wird also dadurch gelöst, dass die Schmelzsicherungsvorrich-

tung eine bei überlast schmelzende Elementverbindung aufweist, die die Strom-Sammelschiene mit einem ersten Stromführungselement und mit einem zweiten Stromführungselement verbindet. Die Schmelzsicherungsvorrichtung schmilzt bei überlast und trennt die elektrische Verbindung zwi- sehen dem ersten und zweiten Stromführungselement. Somit werden kritische Zustände am Starter, wie glühende oder brennende Außenteile, über alle Betriebspunkte vermieden und kritische Zustände abgewendet. Die Schädigung von benachbarten Bauteilen im Fahrzeug sowie das Fahrzeug selbst und dem Fahrer ist somit ausgeschlossen. Eine Auslösung innerhalb der Funktionsgrenzen wird dabei verhindert. Der Strom-überlastschutz kann vorteilhafterweise in alle Arten von elektrischen Maschinen, wie Drehstromoder Gleichstrom-Maschinen, eingebaut sein. Die Schmelzvorrichtungssicherung, die einen überlastungsschutz bildet und bislang an Bürstenlitzen angeordnet ist, ist in eine zweiteilige Strom-Sammelschiene integriert. Die Strom-Sammelschiene ist gegenüber einer einteiligen Strom-Sammelschiene modifiziert.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die schmelzende Elementverbindung eine Lotverbindung. Eine Lotverbindung hat den Vorteil, dass die Elementverbindung elektrisch leitend ist und bei überlast aufgrund von thermischer Erwärmung schmilzt und damit die beiden Stromführungselemente der Strom-Sammelschiene trennbar sind. Vorteilhafterweise besteht die Lotverbindung aus einem Weichlot mit einer Schmelztemperatur von ca. 200 ⁰ C. Durch die relativ geringe Schmelztemperatur kann die verbindende Fläche der Lotverbindung, die das erste Stromführungselement und das zweite Stromführungselement zusammenhält, relativ groß sein. Die Strom- Sammelschiene kann dadurch von betriebsbedingten Strömen bei Extrembelastungen, wie z.B. bei einem Kaltstart, widerstehen. Eine Abstimmung auf verschiedene Typen von elektrischen Maschinen mit bestimmten Be- triebspunkten ist mit Weichlot möglich. Die beiden Stromführungselemente sind also mit der Elementverbindung elektrisch leitend und für einen thermischen Bereich bis ca. 200 ⁰ C verbunden.

Um beim Auftreten einer überlast den Stromfluss sicher zu trennen, werden

vorteilhafterweise die beiden Stromführungselemente durch eine elektrisch isolierte Federeinrichtung gegeneinander vorgespannt. Die Feder ist also im Normalzustand, wenn die Strom-Sammelschiene aus den zwei miteinander verbundenen Stromführungselementen besteht, vorgespannt und belastet. Kommt es zu einem Schmelzen der Elementverbindung, so entspannt sich die Feder und drückt dabei das erste Stromführungselement vom zweiten Stromführungselement weg, so dass der Hauptstrom elektrisch sicher unterbrochen wird.

Um einen Stromfluss über die Federeinrichtung zu vermeiden, ist die Federeinrichtung mittels eines Isolierelements elektrisch gegenüber zumindest einem der beiden Stromführungselemente getrennt. Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist die Feder aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff hergestellt. So reduzieren sich die Bauteilanzahl und die Herstellungs- kosten. Es versteht sich dabei, dass auch die Federeinrichtung mittels eines Isolierelements überzogen sein kann.

Gemäß einer die Erfindung weiterbildenden Ausführungsform ist die Federeinrichtung als Druckfeder ausgebildet. Eine Druckfeder ist ein preiswertes Mittel, eine Druckkraft für einen weiteren Temperaturbereich mit einer gleich bleibenden Federkonstante mit einer zu definierenden Federkraft zu realisieren. Es versteht sich, dass auch eine Zugfeder eingesetzt sein kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist an mindestens einem der Stromführungselemente ein Isolierelement angeordnet, das die Federeinrichtung führt. Die Federeinrichtung, die wie oben beschrieben bevorzugt aus einer Feder besteht und tiefbauend ist, kann somit in der Tiefe geführt werden, während die Verbindung der beiden Stromführungselemente senkrecht dazu flach gebaut ist. Somit wirkt die Federkraft bzw. Druckkraft der Feder- einrichtung mit maximaler Wirkung gegen die verbindende Fläche.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann mindestens ein Stromführungselement die Federeinrichtung führen. Somit ergibt sich eine bauteilreduzierte, kompakte Bauweise.

Gemäß einer die Erfindung weiterbildenden Ausführungsform ist das Isolierelement topfförmig mit einem formschlüssigen Wulst als Gegenlager ausgebildet. In dem topfförmigen Isolierelement kann eine Druckfeder in Druck- kraftrichtung geführt werden. Das topfförmige Isolierelement ist dabei tief gebaut und kann eine tiefe Feder aufnehmen. Der Wulst an der Topföffnung des Isolierelements sitzt formschlüssig am ersten Stromführungselement und bildet ein Gegenlager zur Druckfläche der Federeinrichtung, die auf das zweite Stromführungselement wirkt und somit die beiden Stromführungsele- mente gegeneinander vorspannt.

Das zweite Stromführungselement ist mit einer Relaisleitung verbunden. Eine solche Relaisleitung wird auch als Litze zum Relais bezeichnet und ist mit einer Schweißverbindung an dem zweiten Stromführungselement ange- bracht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Strom-Sammelschiene mit mindestens zwei, bevorzugt vier oder sechs Kohlebürsten elektrisch verbunden. Dies hat den Vorteil, dass die Bauteilanzahl reduziert ist und die elektrische Maschine leistungsstark ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Stromführungselement im Querschnitt gesehen U-förmig mit angeflanschten Schenkeln ausgebildet. Das zweite Stromführungselement verbindet die angeflanschten Schenkel, und die Federeinrichtung ist im ersten Stromführungselement angeordnet. Das erste Stromführungselement lässt sich somit preiswert durch eine Umformtechnik realisieren und bietet eine einfache Möglichkeit, die Federeinrichtung unterzubringen bzw. alternativ die Federeinrichtung zu führen und gegen das zweite Stromführungselement vorzuspannen.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist das erste Stromführungselement im Querschnitt gesehen mit einer Stufe ausgebildet, das zweite Stromführungselement mit der Stufe verbunden und die Federeinrichtung über die Höhe der Stufe angeordnet. Diese Ausführungsform ist eine bau-

raumoptimierte Lösung, um platzsparend kompakte Sammelschienen mit einem erfindungsgemäßen überlastschutz auszubilden.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass viele künstliche Stellen hoher Strom- dichte beispielsweise an Bürstenlitzen nicht mehr notwendig sind, sondern auf eine zweiteilige Strom-Sammelschiene konzentriert zusammengefasst werden können und damit kann das Bürstensystem insgesamt optimal ausgelegt werden und die Bauteile sowie die Herstellungskosten reduziert werden. Durch eine spezifische Zusammensetzung der Elementverbindung kann der Auslösezeitpunkt, die Stromdichte bzw. Stromstärke an die Startergröße individuell angepasst sein.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform und

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform.

Die Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt einer elektrischen Maschine in perspektivischer Ansicht mit einer Strom-Sammelschiene 1. Die Strom-Sammelschiene 1 ist in elektrischen Maschinen, die elektrisch oder permanent erregt sein können, eingebaut, um Strom zu Bürsten 2, beispielsweise zwei, vier, sechs oder mehr Bürsten 2, zu leiten. Die elektrische Maschine kann beispielsweise als Starter in einer Brennkraftmaschine eingesetzt sein. Erfindungsgemäß ist die Strom-Sammelschiene 1 im Gegensatz zum Stand der Technik nicht einteilig, sondern zweiteilig ausgeführt. Die Strom-Sammelschiene 1 umfasst somit ein erstes Stromführungselement 3 und ein zweites Stromführungs-

element 4. Die beiden Stromführungselemente 3, 4 sind mit einer schmelzenden Elementverbindung 5 flächig verbunden. Die schmelzende Elementverbindung 5 ist ein Weichlot, das bei ca. 200 ⁰ C schmilzt. Die flächige Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Stromführungselement 3, 4 wird bei überlast gelöst, die zu einer Erwärmung auf die die Temperatur von 200° C führt. Damit das erste und zweite Stromführungselement 3, 4 sich beim Schmelzen oder nach Schmelzen der Elementverbindung 5 voneinander sicher lösen und trennen, ist eine Federeinrichtung 6 vorgesehen, die die beiden Stromführungselemente 3, 4 gegeneinander vorspannt. Die Feder- einrichtung 6 umfasst ein Isolierelement 7, das topfförmig ausgebildet ist und an der Topföffnung eine flanschförmige Wulst 8 aufweist. In dem topfförmi- gen Isolierelement 7 befindet sich eine Druckfeder 9. Die Druckfeder 9 wird vom topfförmigen Isolierelement 7 geführt.

Das erste Stromführungselement 3 ist im Querschnitt gesehen U-förmig mit angeflanschten Schenkeln 32, 34 ausgebildet und das zweite Stromführungselement 4 ist ein Plättchen, das mit den angeflanschten Schenkeln 32, 34 durch die Elementverbindung 5 an einem thermischen lösbaren Bereich fixiert ist. Auf der gegenüberliegenden Seite von dem zweiten Stromfüh- rungselement 4 ist am Plättchen eine Relaisleitung 10 angeschweißt. Die Relaisleitung 10 ist mittels eines Durchführgummis 11 von der Strom- Sammelschiene 1 elektrisch und thermisch isoliert. Das Durchführgummi 11 hat für die Relaisleitung 10 eine Bohrung, durch die die Relaisleitung 10 zur Strom-Sammelschiene 1 führt. Das Durchführgummi 11 hat auf der zur Strom-Sammelschiene 1 gerichteten Seite zwei Stege 12, 13, die das zweite Stromführungselement 4 nach Trennen vom ersten Stromführungselement 3 halten können.

Die Federeinrichtung 6 ist im Boden des U-förmigen ersten Stromführungs- elements 3 eingearbeitet bzw. eingesetzt. Der Wulst 8 ist formschlüssig in eine Bohrung im Boden des U's vom ersten Stromführungselement 3 gesteckt. Die Wulst 8 bildet somit ein vorgespanntes Gegenlager zur Andruckfläche am zweiten Stromführungselement 4, der von der Druckfeder 9 gebildet wird. Die Druckfeder 9 ist somit gegen den Boden des Topfs vom Iso-

lierelement 7 und gegen das zweite Stromführungselement 4 vorgespannt. Wenn die Strom-Sammelschiene 1 einen kritischen Strom über eine kritische Zeit aufnimmt, so dass die Temperatur an der Strom-Stromsammelschiene 1 auf über 200 ⁰ C über eine bestimmte Zeit steigt, schmilzt die Lotverbindung flächig auf und das zweite Stromführungselement 4 wird vom ersten Stromführungselement 3 durch die Druckfeder 9 gedrückt. Es kann nach Auslösung nicht mehr zu Kriechströmen kommen und der Starter kann nicht mehr weiter betrieben werden. Es wird nach der Trennung der beiden Stromführungselemente 3, 4 durch die Druckfeder 9 eine sichere Abschaltung garan- tiert. Ein Stromführungselement 3 der Strom-Sammelschiene 1 bleibt festsitzend, und das zweite Stromführungselement 4 mit der angeschweißten Relaisleitung 10 wird in einem sicheren Abstand am Durchführgummi 11 gehalten. Somit werden glühende oder brennende Außenteile vermieden. Nur bei überschreiten der Funktionsgrenze wird ein überlastschutz ausgelöst.

Die Fig. 2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine alternative Ausführungsform des erfindungsgemäßen Strom-überlastschutzes. Auch in diesem Beispiel ist die Strom-Sammelschiene 1 zweiteilig ausgebildet. Das erste Stromführungselement 3 ist im Querschnitt gesehen mit einer Stufe ausge- bildet. Das zweite Stromführungselement 4 ist mit der Stufe flächig verbunden. Eine Federeinrichtung 6 ist über die Höhe der Stufe angeordnet und spannt die beiden Stromführungselemente 3, 4 gegeneinander. Die Federeinrichtung 6 ist wie in der Fig. 1 topfförmig mit einem flanschförmigen Wulst 8 ausgebildet, in dem sich eine Druckfeder 9 befindet.

Das Isolierelement 7 der Federeinrichtung 6 ist in eine Bohrung in der unteren Stufe des ersten Stromführungselements 3 eingesetzt. Aufgrund des Wulstes 8 ist das Isolierelement 7 fest und formschlüssig am ersten Stromführungselement 3 eingesetzt. Die Druckfeder 9 ist gegen den Boden des Isolierelements 7 und gegen das zweite Stromführungselement 4 vorgespannt. Das zweite Stromführungselement 4 ist als Plättchen ausgebildet, das auf Höhe der ersten Stufe des ersten Stromführungselements 3 ist. Die schmelzende Elementverbindung 5 hält flächig das Plättchen des zweiten Stromführungselements 4 mit dem ersten Stromführungselement 3 auf der

ersten Stufe zusammen. Auf der gegenüberliegenden Seite des Plättchens im zweiten Stromführungselement 4 ist wieder die Relaisleitung 10 angeschweißt. Bei dieser Ausführungsform ist die Relaisleitung 10 gerade durch die Bohrung des Durchführgummis 11 eingesetzt und nicht um 90°, wie in der Fig. 1 gezeigt, abgebogen. Dies hat Biegungsvorteile und bringt Fertigungsvereinfachungen mit sich. Schmilzt die Elementverbindung 5 aufgrund von überlast durch Erwärmung, so drückt die Druckfeder 9 das zweite Stromführungselement 4 vom ersten Stromführungselement 3 weg. Hierfür ist ausreichender Bauraum der elektrischen Maschine geschaffen, so dass eine sichere Abschaltung der Kohlebürsten 2 und somit der gesamten elektrischen Maschine erfolgt.

Alle Figuren zeigen lediglich schematische nicht maßstabsgerechte Darstellungen. Im übrigen wird insbesondere auf die zeichnerischen Darstellungen für die Erfindung als wesentlich verwiesen.