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Title:
ELECTRIC MACHINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2010/023107
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for operating a starter device comprising a starter motor which comprises a rotor that can be supplied with current by means of a commutator and brushes. The brushes are at least two positive brushes and at least two negative brushes. When there is a short-circuit in the brushes, a current density, which is a quotient of an electric current and a cross-section of a brush, is produced, said brush being either a negative or a positive brush. The current density in the short-circuit is less than 4,0A/mm2.

Inventors:
BOTZENHARD THOMAS (DE)
BAYER MICHAEL (DE)
HARTMANN SVEN (DE)
GERSCHWITZ WALTER (DE)
Application Number:
PCT/EP2009/060492
Publication Date:
March 04, 2010
Filing Date:
August 13, 2009
Export Citation:
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Assignee:
BOSCH GMBH ROBERT (DE)
BOTZENHARD THOMAS (DE)
BAYER MICHAEL (DE)
HARTMANN SVEN (DE)
GERSCHWITZ WALTER (DE)
International Classes:
H01R39/38; F02N11/08; H02K5/14
Domestic Patent References:
WO2004075373A22004-09-02
Foreign References:
EP0098991A11984-01-25
US4221046A1980-09-09
EP0395515A11990-10-31
EP1351348A12003-10-08
JP2004096836A2004-03-25
US2428162A1947-09-30
Other References:
BAUER, HORST: "Automotive Electrics, Automotive Electronics 4th Edition", 2004, ROBERT BOSCH GMBH, GERMANY, XP002562311
Attorney, Agent or Firm:
ROBERT BOSCH GMBH (DE)
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Claims:
Ansprüche

1. Verfahren zum Betreiben einer Startvorrichtung (10) mit einem Startermotor (13), wobei der Startermotor (13) einen Rotor (37) aufweist, der mittels eines Kommutators (52) und Bürsten (58) bestrombar ist, wobei die Bürsten (58) zumindest zwei Plusbürsten (250) und zumindest zwei Minusbürsten (253) sind, wobei sich in einem Kurzschlussfall in den Bürsten (58) jeweils eine Stromdichte ergibt, wobei die Stromdichte ein Quotient aus einem elektrischen Strom (IB) und einem Querschnitt (QB) einer Bürste (58) ist, wobei die Bürste (58) entweder eine Minus- (253) oder Plusbürste (250) ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromdichte im Kurzschlussfall kleiner als 4,0A/mm2 ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bürste (58) eine tangentiale Breite (B) und eines axiale Länge (L) aufweist, wobei ein Quotient aus tangentialer Breite (B) und axialer Länge (L) größer oder gleich 4, vorzugsweise maximal 5, jedoch maximal bis 5,5 ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das System drei Plusbürsten (250) und drei Minusbürsten (253) aufweist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Plusbürsten

(250) einen Querschnitt (QB) aufweisen, der senkrecht zur Stromflussrichtung orientiert ist und dass die Minusbürsten (253) einen Querschnitt (QB) aufweisen, der senkrecht zur Stromflussrichtung orientiert ist, wobei der Querschnitt (QB) der Plusbürsten (250) eine andere Größe als der Querschnitt (QB) der Minusbürsten (253) hat.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, dass die Startvorrichtung (10) an einer Stromversorgung angeschlossen ist, die eine Ruhespannung von 12V aufweist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Widerstand einer

Zuleitung zwischen der Stromversorgung und der Startvorrichtung (10) in etwa lmOhm aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Startvorrichtung (10) eine Nennleistung von mindestens 2,0 kW aufweist und ein elektrischer Innenwiderstand der

Stromversorgung in etwa 3,7mOm beträgt.

8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Startvorrichtung eine Nennleistung von weniger als 2,0 kW aufweist und ein elektrischer Innenwiderstand der Stromversorgung in etwa 4,5 mOhm beträgt. - o -

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der innerhalb der Plus- und Minusbürsten rotierende Kommutator (52) einen Außenumfang aufweist, der höchstens 2*PI*16,5mnn, vorzugsweise 2*PI*15mnn beträgt.

10. Verfahren nach Anspruch/einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Startvorrichtung in einem Start/Stopp-Betriebsverfahren betrieben wird, wobei die Startvorrichtung in einem Fahrzeug angeordnet ist, das über eine Start/Stopp-Betriebsweise verfügt.

Description:
Beschreibung

Elektrische Maschine

Stand der Technik

Zum Starten von Verbrennungsmotoren kommen hauptsächlich mechanisch kommutierte Gleichstrommotoren zum Einsatz. Der Strom wird über ein oder mehrere Bürstenpaare über den Kommutator in die Ankerwicklung eingeleitet. Diese Bürsten bestehen meist aus einem Sinterwerkstoff, welcher hauptsächlich Kupfer- und Graphitanteile hat. Diese Kohlebürsten sowie der Kommutator unterliegen im Betrieb einem Verschleiß. Dabei sind

Starter typischerweise für den kurzzeitigen Betrieb ausgelegt und normalerweise für 30- 60.000 Schaltzyklen geeignet.

Vorteile der Erfindung

Es hat sich gezeigt, dass für den Fall, in dem ein permanenterregter Starter für höhere Lasten bzw. für längere Laufzeiten (wie z.B. beim Start-Stopp-Betrieb erforderlich) ausgelegt werden soll, zur Erhöhung der erreichbaren Schaltzahlen die maximale Stromdichte in den Kohlebürsten entscheidenden Einfluss auf die Gesamtschaltzahl der

Kohlebürsten hat.

Um ein ideales Verschleißverhalten für die Kohlebürsten zu garantieren, muss die Stromdichte hinreichend klein sein. Die maximale Stromdichte im Starter wird durch mehrere Effekte beeinflusst. Einerseits ist die Auslegung der elektrischen Maschine

(Gesamtsystem) und natürlich auch die verwendeten Zuleitungswiderstände für die endgültig wirksame maximale Stromdichte im Starter verantwortlich. Den Moment der maximalen Stromdichte erreicht man beim Einschalten. Der maximale Strom wird im Kurzschluss (stehender, d. h. nicht drehender Anker) erzielt.

Steigt die notwendige Schaltzahl eines herkömmlichen Starters aufgrund eines Betriebes (wie z.B. Start-Stopp) mit häufigen Wiederholstarts am Verbrennungsmotor, so muss für ein optimales Verschleißverhalten gesorgt werden. Um die den Verschleiß in den Kommutierungskomponenten möglichst gering zu halten, muss deshalb die Stromdichte innerhalb der Kohlebürsten reduziert werden. Es hat sich dabei gezeigt, dass für normale Starteranwendungen Stromdichten in den Kohlebürsten von 4,5 — 7,5 A/mnn2 im Kurzschlussfall (maximal zulässige Batterie mit geringstem Zuleitungswiderstand) akzeptabel sein können. Die Stromdichte berechnet sich aus dem maximalen Kurschlussstrom geteilt durch die Bürstenfläche (Querschnitt) der Plusbürsten bzw.

Minusbürsten. Für einen maximalen Kurschlussstrom von 1400A und Bürstenabmessungen von 6mm x 16mm bei 2 Plusbürsten ergibt sich somit ein Wert von j=1400A/(2*(6*16mm 2 ))=7,3 A/mm 2 . Will man aber eine wesentliche Schaltzahlerhöhung des Starters erreichen, so sind diese Stromdichten zu hoch. Je nach erforderlicher Schaltzahl muss eine Reduktion der Stromdichten erfolgen. Es hat sich dabei gezeigt, dass man für Stromdichten von weniger als 4,0A/mm 2 im Kurzschlussfall (maximal zulässige Batterie mit geringstem Zuleitungswiderstand) eine wesentliche Erhöhung der Schaltzahlen erreichen kann.

Beschreibung

Kurze Beschreibung der Figuren:

Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Startvorrichtung, Figur 2 eine schematische axiale Ansicht auf ein System gemäß einem ersten

Ausführungsbeispiel,

Figur 3 eine schematische axiale Ansicht auf ein System gemäß einem zweiten

Ausführungsbeispiel

Figur 4 und Figur 5 zeigen Querschnitte durch je eine Plus- und Minusbürste Figur 6 zeigt ein Kraftfahrzeug mit einer Startvorrichtung.

Offenbarung 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 weist als Gehäuse ein Polrohr 28 auf, das an seinem Innenumfang permanentmagnetische Pole 31 trägt. Die Pole 31 umgeben wiederum einen Rotor 37 (Anker), der ein aus Lamellen 40 aufgebautes Ankerpaket 43 und eine in Nuten 46 angeordnete Ankerwicklung 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 Kommutatorlamellen 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 Bürsten 58 eine Drehbewegung des Rotors 37 im Polrohr 28 ergibt. Eine zwischen dem Einspurrelais 16 und dem Startermotor 13 angeordnete Stromzuführung 61 versorgt im Einschaltzustand sowohl die Bürsten 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 angeordnet 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 Rotor 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. Des Weiteren ist im topfförmigen Zwischenlager 101 das Hohlrad 95 angeordnet, das letztlich durch einen Deckel 107 gegenüber dem Rotor 37 geschlossen ist. Auch das Zwischenlager 101 stützt sich mit seinem Außenumfang an der Innenseite des Polrohrs 28 ab. Der Rotor 37 weist auf dem vom Kommutator 52 abgewandten Ende der Antriebswelle 44 einen weiteren Wellenzapfen 110 auf, der ebenfalls in einem Gleitlager 113 aufgenommen ist, ab. Das Gleitlager 113 wiederum ist in einer zentralen Bohrung des Planetenträgers 98 aufgenommen. Der Planetenträger 98 ist einstückig mit der Abtriebswelle 116 verbunden. Diese Abtriebswelle 116 ist mit ihrem vom Zwischenlager 101 abgewandten Ende 119 in einem weiteren Lager 122, welches im Antriebslagerschild 19 befestigt ist, abgestützt. Die Abtriebswelle 116 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 einstückig 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 Relativdrehung 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 Zustand 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 Bürsten 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 Gabelhebel 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 Rotor 37 ist mittels des Kommutators 52 und den Bürsten 58 bestrombar. Die Bürsten 58 sind zumindest zwei Plusbürsten 250 und zumindest zwei Minusbürsten 253. Im sogenannten Kurzschlussfall ergibt sich in den Bürsten 58 jeweils eine Stromdichte, wobei die Stromdichte ein Quotient aus dem durch die Bürsten 58 fließenden elektrischen Strom I B und einem Querschnitt Q B einer Bürste 58 ist. Die Bürste 58 ist entweder eine Minus- oder Plusbürste, wobei die Stromdichte im Kurzschlussfall kleiner als 4,0A/mm 2 (Ampere pro Quadratmillimeter) ist.

Der Kurzschlussfall ist bestimmt durch den sich nach dem Einschalten der Startvorrichtung 10 gerade noch nicht drehenden Rotor 37. Zu diesem Zeitpunkt fließt der maximale Strom I B durch die Bürsten. Der Kurzschlussfall ist dabei für die Bürsten 58 dann am ungünstigsten, wenn die maximal zulässige Starterbatterie 260 (s. a. Figur 6) als Stromversorgung bei geringstem Widerstand der Zu- und Rückleitung 263, 264 gewählt ist.

Eine Bürste 58 (ob Plusbürste 250 oder Minusbürste 253) weist eine tangentiale Breite B und eine axiale Länge L auf, wobei ein Quotient aus L/B größer gleich 4, vorzugsweise maximal 5, maximal bis 5,5 ist. Die axiale Länge L ist in Richtung der Drehachse orientiert.

In Figur 3 ist ein System mit drei Plusbürsten 250 und drei Minusbürsten 253 dargestellt.

Gemäß einer Abwandlung ist vorgesehen, dass die Plusbürsten 250 einen Querschnitt Q aufweisen, der senkrecht zur Stromflussrichtung orientiert ist und dass die Minusbürsten 253 einen Querschnitt Q aufweisen, der senkrecht zur Stromflussrichtung orientiert ist, wobei der Querschnitt Q der Plusbürsten 250 eine andere Größe als der Querschnitt Q der Minusbürsten 253 hat.

Figur 4 und Figur 5 zeigen die Querschnitte Q der Plusbürsten 250 und Minusbürsten 253.

Gemäß dem in Figur 6 dargestellten System in einem Kraftfahrzeug 300 ist als Stromversorgung eine Starterbatterie 260 vorgesehen, an die die Startvorrichtung 10 angeschlossen ist. Die Starterbatterie weist hier eine Ruhespannung von 12V auf.

Es ist vorgesehen, dass ein elektrischer Widerstand R der Zu- und Rückleitung 263, 264 zwischen der Stromversorgung und der Startvorrichtung 10 in etwa lmOhm (Milliohm) aufweist. - -

Für den Fall, dass die Startvorrichtung 10 eine Nennleistung von mindestens 2,0 kW aufweist, ist ein elektrischer Innenwiderstand R 1 der Stromversorgung von in etwa 3,7mOm vorgesehen; dieser Wert ist beispielsweise mittels einer konventionellen Blei- Säure-Batterie (Starterbatterie 260) mit einer Kapazität von 90Ah erreichbar. Es soll dementsprechend bei einem Aufbau aus einer Startvorrichtung 10 (Nennleistung von mindestens 2,0 kW), einer Zu- und Rückleitung 263, 264 zwischen der Stromversorgung (Starterbatterie 260) und der Startvorrichtung 10 mit einem Widerstand von in etwa lmOhm (Milliohm) eine Stromdichte im Kurzschlussfall von weniger als 4,0 A/mm 2 erreicht werden.

Für den Fall, dass die Startvorrichtung 10 eine Nennleistung von weniger als 2,0 kW aufweist ist ein elektrischer Innenwiderstand R 1 der Stromversorgung von in etwa 4,5mOm vorgesehen; dieser Wert ist beispielsweise mittels einer konventionellen Blei- Säure-Batterie (Starterbatterie 260) mit einer Kapazität von 53Ah und einem Kaltprüfstrom von 470A erreichbar. Es soll dementsprechend bei einem Aufbau aus einer

Startvorrichtung 10 (Nennleistung von weniger als 2,0 kW), einer Zu- und Rückleitung 263, 264 zwischen der Stromversorgung (Starterbatterie 260) und der Startvorrichtung 10 mit einem Widerstand von in etwa lmOhm (Milliohm) eine Stromdichte im Kurzschlussfall von weniger als 4,0 A/mm 2 erreicht werden.

Es ist vorgesehen, dass der innerhalb der Plus- und Minusbürsten rotierende Kommutator 52 einen Außenumfang aufweist, der höchstens 2*PI*16,5mm, vorzugsweise 2*PI*15mm beträgt (PI ist Kreiszahl).

Es ist vorgesehen, dass die Startvorrichtung 10 in einem Start/Stopp-Betriebsverfahren betrieben wird, wobei die Startvorrichtung 10 in einem Fahrzeug 300 angeordnet ist, dass über eine Start/Stopp-Betriebsweise verfügt. Eine Start/Stopp-Betriebsweise schaltet bei den Gelegenheiten eine Brennkraftmaschine 303 ab, bei der für das Fahrzeug 300 kein Antrieb notwendig ist. Dies wird u. a. mittels Sensoren erkannt. Beispielsweise vor „Halt" signalisierenden Ampeln oder in sogenannten Stop-and-Go-Situationen (Verkehrsstau).

Durch diese Betriebsweise ist eine vielfach erhöhte Startzahl (Andrehen der Brennkraftmaschine 300) erforderlich.




 
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