DE102011005591A1

DE102011005591A1 - Commutation device for direct current machine e.g. starter device for internal combustion engine, has commutator and positive and negative brushes, which are made of materials having different copper content

Info

Publication number: DE102011005591A1
Application number: DE201110005591
Authority: DE
Inventors: Johannes Maess; Torsten Knorr
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2012-09-20

Abstract

The commutation device comprises commutator (55) and positive and negative brushes (58). The positive brush is made of material having higher copper content than that of negative brush such as commutator (52). The contact pressure of commutator (52) is between 10-25 N/cm 2>. The contact pressure of positive bursh is 5 N/cm 2>.

Description

Stand der TechnikState of the art

DE 10 2007 058 903 A1 bezieht sich auf eine Bürste zur Stromversorgung elektrischer Maschinen insbesondere von Kommutatormaschinen. Die Bürste umfasst zumindest zwei Bürstenabschnitte wobei ein Putzmittelabschnitt vorhanden ist, der einer von zumindest zwei Bürstenabschnitten ist und einen Anteil von Putzmitteln aufweist, der höher ist als im zumindest einem anderen Bürstenabschnitt. Der Putzmittelabschnitt erstreckt sich zumindest teilweise über einen Querschnitt senkrecht zu einer Verschleißrichtung der Bürste. DE 10 2007 058 903 A1 refers to a brush for powering electrical machines, in particular commutator machines. The brush comprises at least two brush sections wherein a cleaning agent section is present, which is one of at least two brush sections and has a proportion of cleaning agents which is higher than in at least one other brush section. The cleaning agent section extends at least partially over a cross section perpendicular to a wear direction of the brush.

DE 10 2007 063 333 A1 bezieht sich auf eine Mehrschichtbürste. Die Mehrschichtbürste weist im Wesentlichen einen Verbund mit einem Graphitanteil mit einem Kupferanteil sowie einem schichtweisen Aufbau auf. Eine erste Schicht ist mit einem hohen Kupferanteil und eine weitere Schicht mit einem vergleichsweise niedrigen Kupferanteil versehen, wobei der Kupferanteil der ersten Schicht verglichen mit dem Kupferanteil der zweiten Schicht einem Verhältnis von ≤ 3/2 entspricht. Der Verbund aus Graphitmaterial und Kupferanteil ist mit einem Schmierstoff versetzt. DE 10 2007 063 333 A1 refers to a multi-layer brush. The multilayer brush essentially has a composite with a graphite part with a copper content and a layered structure. A first layer is provided with a high copper content and another layer with a comparatively low copper content, wherein the copper content of the first layer compared to the copper content of the second layer corresponds to a ratio of ≦ 3/2. The composite of graphite material and copper content is mixed with a lubricant.

DE 10 2008 001 702 A1 bezieht sich auf eine elektrische Maschine, die insbesondere als Kommutatormaschine ausgebildet ist. Die Kommutatormaschine weist Kohlebürsten zur Stromversorgung eines Läufers auf, welche mit den Lamellen eines Kommutators zusammenwirken. Die Kohlebürsten sind durchgehend oder in Schichtabschnitten mit verschiedenen Zusatzstoffen wie Putzmittel, Schmiermittel, Mitteln zur Erhöhung des Ohm'schen Widerstandes bzw. zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit und dergleichen versehen. Höchstens die Hälfte, vorzugsweise jedoch weniger als die Hälfte aller Kohlebürsten der elektrischen Maschine, weisen einen signifikant von den übrigen Kohlebürsten abweichenden Anteil eines Zusatzstoffes auf. DE 10 2008 001 702 A1 refers to an electrical machine, which is designed in particular as a commutator machine. The commutator machine has carbon brushes for powering a rotor, which interact with the blades of a commutator. The carbon brushes are provided continuously or in layer portions with various additives such as cleaning agents, lubricants, agents for increasing the ohmic resistance or for increasing the electrical conductivity and the like. At most half, but preferably less than half of all carbon brushes of the electric machine, have a significantly different from the other carbon brush portion of an additive.

US 2003/0080647 A1 bezieht sich auf eine elektrische Maschine, die einen Kommutator aufweist. Auf der Oberfläche dieses Kommutators schleifen Bürsten. Des Weiteren umfasst die elektrische Maschine einen Anker wobei die Oberfläche des Kommutators mittels einer Bürste behandelt wird, die den übrigen Bürsten, die an den Umfang des Kommutators angestellt sind, in Drehrichtung des Kommutators gesehen, vorgeschaltet ist. US 2003/0080647 A1 refers to an electric machine having a commutator. Brushes rub on the surface of this commutator. Furthermore, the electric machine comprises an armature wherein the surface of the commutator is treated by means of a brush, which is the upstream of the other brushes, which are employed on the circumference of the commutator, seen in the direction of rotation of the commutator.

In Gleichstrommaschinen, die hier über einen Kommutator verfügen, übernehmen die Kohlebürsten die Funktion der Stromwendung und der Übertragung des Stromes von externen Anschlüssen der elektrischen Maschinen auf die Kommutatorlamellen. Der Stromübergang zwischen Bürste und Kommutator ist durch einen Übergangswiderstand charaktierisiert, der einen wesentlichen Anteil an den gesamten Ohm'schen Verlusten einer Gleichstrommaschine darstellt. Im Wesentlichen wird die Größe des Übergangswiderstandes durch die Kontaktpaarung bestimmt, dies bedeutet, durch die in den Kommutatorlamellen und in den Kohlebürsten verwendeten Materialien. Während die Kommutatorlamellen in der Regel aus Kupfer aufgebaut sind, gibt es für die Kohlebürsten eine Vielzahl an Materialzusammensetzungen. Für den Übergangswiderstand spielt der Kupfergehalt der Kohlebürsten eine wichtige Rolle. Je höher der Kupferanteil ist, um so geringer wird der Übergangswiderstand. Eine beliebige Erhöhung des Kupfergehaltes wird durch die damit verbundene Reduzierung der Schmierwirkung und der daraus resultierenden Verschleißproblematik verhindert.In DC machines, which have a commutator here, the carbon brushes take over the function of the current application and the transmission of the current from external terminals of the electrical machines to the commutator bars. The current transfer between brush and commutator is characterized by a contact resistance, which represents a significant proportion of the total ohmic losses of a DC machine. In essence, the size of the contact resistance is determined by the contact pairing, that is, by the materials used in the commutator bars and in the carbon brushes. While the commutator bars are usually made of copper, there are a variety of material compositions for the carbon brushes. For the contact resistance, the copper content of the carbon brushes plays an important role. The higher the copper content, the lower the contact resistance. Any increase in the copper content is prevented by the associated reduction in the lubricating effect and the resulting wear problem.

Für den Übergangswiderstand spielt außerdem der Anpressdruck, mit welchem die Bürsten mit Hilfe von Federn an den Kommutator gedrückt werden, ein wichtige Rolle. Je höher der Anpressdruck ist, umso geringer wird der Übergangswiderstand eine beliebige Erhöhung des Anpressdruckes wird durch die damit verbundene Erhöhung der Reibung und der wiederum daraus resultierenden Verschleißproblematik verhindert.For the contact resistance also plays the contact pressure with which the brushes are pressed by means of springs to the commutator, an important role. The higher the contact pressure, the lower the contact resistance Any increase in the contact pressure is prevented by the associated increase in friction and the resulting wear problem.

Analog zum Bürstenübergangswiderstand kann der Bürstenspannungsabfall betrachtet werden. Der Bürstenspannungsabfall charakterisiert den Übergang zwischen Bürste und Lamelle und weist die gleichen Eigenschaften wie der Bürstenübergangswiderstand auf.Similar to the brush contact resistance, the brush voltage drop can be considered. The brush voltage drop characterizes the transition between brush and blade and has the same characteristics as the brush contact resistance.

Nach aktuellem Stand der Technik werden für Plusbürsten und Minusbürsten in einer Gleichstrommaschine jeweils die gleichen Bürstenmaterialien eingesetzt. Da die Plus- und die Minusbürsten als Anode bzw. Kathode arbeiten, liegen dem Stromübergang unterschiedliche physikalische Mechanismen zu Grunde. Dies führt dazu, dass an Plus- und Minusbürsten bei gleichem Bürstenmaterial unterschiedliche Übergangswiderstände auftreten. Damit ist es nicht möglich, an beiden Bürstenpolaritäten einen jeweils minimalen Bürstenverlust einzustellen. Desweiteren werden nach dem aktuellen Stand der Technik für Plusbürsten und Minusbürsten in einer Gleichstrommaschine jeweils identische Anpressdrücke eingestellt.According to the current state of the art, the same brush materials are used for plus brushes and minus brushes in a DC machine. Since the plus and minus brushes work as anodes or cathodes, the current transfer is based on different physical mechanisms. As a result, different contact resistances occur at plus and minus brushes with the same brush material. Thus, it is not possible to set a minimum brush loss at both Bürstenpolaritäten. Furthermore, according to the current state of the art for plus brushes and minus brushes in a DC machine each identical contact pressures are set.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, für die Ausbildung der Kohlebürsten insbesondere der Plusbürste und der Minusbürste jeweils unterschiedliche Bürstenmaterialien einzusetzen. Durch diese Vorgehensweise können an beiden Bürstenpolaritäten die Kommutierungsbedingungen gezielt eingestellt werden, sodass insgesamt gesehen der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine erhöht werden kann, ohne hingegen den Verschleiß derselben negativ zu beeinflussen.According to the invention, it is proposed to use in each case different brush materials for the formation of the carbon brushes, in particular the plus brush and the minus brush. By means of this procedure, the commutation conditions can be set specifically at both brush polarities so that overall, the efficiency of the electric machine can be increased without, however, negatively affecting the wear of the same.

Die Verlustleistung der Bürsten kann einerseits durch eine Verringerung des Übergangswiderstandes bzw. des Bürstenspannungsabfalls reduziert werden. Andererseits führt eine Verbesserung der Kommutierungsbedingungen durch die Vermeidung von Überkommutierung und Unterkommutierung zu kleineren Strömen zwischen den Bürsten und den Kommutatorlamellen, wodurch sich die Verlustleistung ebenfalls reduzieren lässt: Durch die Verwendung von unterschiedlichen Bürstenmaterialien oder Materialzusammensetzungen können sowohl an den Plus- als auch an den Minusbürsten günstige Kommutierungsbedingungen erzielt werden. Neben einer Reduzierung der Kommutierungsverluste bzw. einer Steigerung des Wirkungsgrades der Gleichstrommaschine ist mit dieser Maßnahme prinzipiell auch eine Verbesserung des Verschleißverhaltens an Bürste und Kommutator möglich. Insgesamt gesehen stellt die Verwendung unterschiedlicher Bürstenmaterialien an der Plusbürste und der Minusbürste einen zusätzlichen Freiheitsgrad in der Auslegung von elektrischen Maschinen mit Kommutator dar.The power loss of the brushes can be reduced on the one hand by reducing the contact resistance or the brush voltage drop. On the other hand, improving the commutation conditions by avoiding over-commutation and sub-commutation results in smaller currents between the brushes and the commutator fins, which can also reduce power dissipation: By using different brush materials or material compositions, both the plus and minus brushes can be used favorable commutation conditions are achieved. In addition to a reduction of the commutation losses or an increase in the efficiency of the DC machine, this measure also makes it possible, in principle, to improve the wear behavior on the brush and commutator. Overall, the use of different brush materials on the plus brush and the minus brush represents an additional degree of freedom in the design of electrical machines with commutator.

Bei einer Verwendung gleicher Bürstenmaterialien und gleicher Materialzusammensetzungen an Plus- und Minusbürsten ergeben sich aufgrund der gegensätzlichen Polaritäten der Bürsten unterschiedliche Bürstenspannungsabfälle zwischen Bürste und Lamelle. Gleiche Materialzusammensetzung vorausgesetzt, tritt an der Plusbürste ein deutlich höherer Spannungsabfall als an der Minusbürste auf.When using the same brush materials and the same material compositions of plus and minus brushes arise due to the opposite polarities of the brush different brush voltage drops between brush and blade. Provided the material composition is the same, a significantly higher voltage drop occurs at the plus brush than at the minus brush.

Durch die Verwendung von Plusbürsten mit höherem Kupfergehalt lässt sich der Bürstenspannungsabfall an den Plusbürsten reduzieren. Es ist beispielsweise eine Konfiguration denkbar, bei der aufgrund unterschiedlicher Materialzusammensetzungen an der Plusbürste und der Minusbürste näherungsweise der gleiche Bürstenspannungsabfall auftritt. Durch die Reduzierung des Bürstenspannungsabfalls bzw. des Bürstenübergangswiderstandes an der Plusbürste kann dort eine höhere Leistung erreicht werden gleichzeitig steigt der Kurzschlussstrom an.By using plus brushes with higher copper content, the brush voltage drop at the plus brushes can be reduced. For example, a configuration is conceivable in which approximately the same brush voltage drop occurs due to different material compositions on the plus brush and the minus brush. By reducing the brush voltage drop or the brush contact resistance on the plus brush, a higher power can be achieved there, while at the same time the short circuit current increases.

Durch die Reduktion des Bürstenspannungsabfalls an der Plusbürste wird dort die Verlustleistung deutlich reduziert. Demgegenüber bleibt aufgrund des gleichen Bürstenspannungsabfalles an der Minusbürste dort die zugehörige Verlustleistung in einem weiten Strombereich näherungsweise konstant. Auftretende Abweichungen sind auf veränderte Kommutierungsbedingungen zurückzuführen.By reducing the brush voltage drop at the plus brush, the power loss is significantly reduced. In contrast, due to the same brush voltage drop at the negative brush there, the associated power loss remains approximately constant over a wide current range. Deviations occurring are due to changed commutation conditions.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Der Vorteil des Einsatzes unterschiedlicher Bürstenmaterialien an Plusbürste und Minusbürste ist darin zu erblicken, dass die Kommutierungsverluste an der Plusbürste reduziert werden können, ohne die Kommutierungsverluste an der Minusbürste zu erhöhen. Insbesondere ist damit das Auffinden eines geeigneten Kompromisses zwischen einer Optimierung der Leistung im Bereich des Leistungsmaximums ohne eine Erhöhung der Kommutierungsverluste im Leerlaufbereich erreichbar.The advantage of using different brush materials on the plus brush and the minus brush is that the commutation losses at the plus brush can be reduced without increasing the commutation losses at the minus brush. In particular, this makes it possible to find a suitable compromise between optimizing the power in the range of the maximum power without increasing the commutation losses in the no-load range.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.With reference to the drawings, the invention will be described in more detail below.

Es zeigt:It shows:

1 Einen Längsschnitt durch eine als Starter ausgebildete elektrische Maschine, 1 A longitudinal section through a trained as a starter electric machine,

2 den Verlauf des Bürstenspannungsabfalles an Plus- und Minusbürste, aufgetragen über die Stromdichte, 2 the course of the brush voltage drop at the plus and minus brush, plotted against the current density,

3 Leistungskennlinien einer elektrischen Maschine bei der Verwendung unterschiedlicher Materialien für Plus- und Minusbürsten, 3 Performance characteristics of an electric machine when using different materials for plus and minus brushes,

4 den Verlauf der Verlustleistung an der Plusbürste, aufgetragen über die Stromstärke, 4 the course of the power loss at the plus brush, plotted against the current,

5 Den Verlauf der Verlustleistung an der Minusbürste, aufgetragen über die Stromstärke. 5 The course of power loss at the minus brush, plotted against the current.

Ausführungsvariantenvariants

1 zeigt einen Längsschnitt durch eine als Startvorrichtung ausgebildete elektrische Maschine mit Kommutator. 1 shows a longitudinal section through an electric machine designed as a starting device with commutator.

Die Startvorrichtung 10 weist einen Startermotor 13 und einen Vorspuraktuator 16 auf, der beispielsweise als Relais, insbesondere Starterrelais ausgebildet ist. Der Startermotor 13 und der elektrische Vorspuraktuator 16 sind an einem gemeinsamen Antriebslagerschild 19 befestigt. Der Startermotor 13 dient dazu, ein Andrehritzel 22 anzutreiben, wenn es im Zahnkranz 25 einer in 1 nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine eingespurt ist.The starting device 10 has a starter motor 13 and a Vorspuraktuator 16 on, which is designed for example as a relay, in particular starter relay. The starter motor 13 and the electric Vorspuraktuator 16 are on a common drive end shield 19 attached. The starter motor 13 serves as a starter 22 drive it when in the sprocket 25 one in 1 Not shown internal combustion engine is eingespurt.

Der Startermotor 13 weist als Gehäuse ein Polrohr 28 auf, dass an seinem Innenumfang Polschuhe 31 trägt, die jeweils von einer Erregerwicklung 34 umwickelt sind. Die Polschuhe 31 wiederrum umgeben einen Anker 37 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 dem Andrehritzel 22 abgewandten Ende der Antriebswelle 44 ist des weiteren ein Kommutator 52 angebracht, der unter anderem aus einzelnen Kommutatorlamellen 55 aufgebaut ist. Die Kommutatorlamellen 55 sind in bekannterweise mit der Ankerwicklung 49 derartig elektrisch verbunden, dass sich bei Bestromung der Kommutatorlamellen 55 durch Kohlebürsten 58 eine Drehbewegung des Ankers 37 im Polrohr 28 ergibt. Eine zwischen dem elektrischen Vorspuraktuator 16 und dem Startermotor 13 angeordnete Stromzufuhr 61 versorgt 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 Kommutatorlagerdeckel 70 wiederum wird mittels Zugankern 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.The starter motor 13 has a pole tube as a housing 28 on that on its inner circumference pole shoes 31 carries, each from a field winding 34 are wrapped. The pole shoes 31 in turn surround an anchor 37 the one from slats 40 built anchor package 43 and one in grooves 46 arranged armature winding 49 having. The anchor package 43 is on a drive shaft 44 pressed. At the Andrehritzel 22 opposite end of the drive shaft 44 is also a commutator 52 attached, among other things, from individual Kommutatorlamellen 55 is constructed. The commutator bars 55 are in known manner with the armature winding 49 electrically connected in such a way that when the commutator bars are energized 55 through carbon brushes 58 a rotary motion of the anchor 37 in the pole tube 28 results. One between the electric Vorspuraktuator 16 and the starter motor 13 arranged power supply 61 supplies both the carbon brushes when switched on 58 as well as the excitation winding 34 with electricity. The drive shaft 44 is commutator side with a shaft journal 64 in a plain bearing 67 supported, which in turn in a Kommutatorlagerdeckel 70 is held stationary. The commutator bearing cover 70 turn is by tie rods 73 that go beyond the circumference of the pole tube 28 are distributed (screws, for example, 2, 3 or 4 pieces) in the drive end shield 19 attached. It supports the pole tube 28 at the drive end plate 19 off and the commutator bearing cover 70 at the pole tube 28 ,

In Antriebsrichtung schließt sich an den Anker 37 ein Sonnenrad 80 an, das Teil eines Planetengetriebes 83 ist. Das Sonnenrad 80 ist von mehreren Planetenräder 86 umgeben, üblicherweise drei Planetenräder 86, die mittels Wälzlagern 89 auf Achszapfen 92 abgestützt sind. Die Planetenräder 86 wälzen in einem Hohlrad 95 ab, dass im Polrohr 28 außenseitig gelagert ist. In Richtung zur Abtriebsseite schließt sich an die Planetenräder 86 ein Planetenträger 98 an, in welchem 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, dass 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 110 auf, der ebenfalls in einem Gleitlager 113 aufgenommen ist. Das Gleitlager 113 wiederum ist in einer zentralen Bohrung des Planetenträgers 98 aufgenommen. Der Planetenträger 98 ist einstückig mit der Abtriebswelle 116 verbunden. Die Abtriebswelle 116 ist mit ihrem vom Zwischenlager 101 abgewandten Ende 119 in einem weiteren Lager 122, welches im Antriebslagerschild 19 befestigt ist, abgestützt.In drive direction closes to the anchor 37 a sun wheel 80 on, the part of a planetary gearbox 83 is. The sun wheel 80 is from several planet gears 86 surrounded, usually three planet wheels 86 that by rolling bearings 89 on axle journal 92 are supported. The planet wheels 86 roll in a ring gear 95 off that in the pole tube 28 is stored outside. Towards the output side closes to the planetary gears 86 a planet carrier 98 on, in which the axle journal 92 are included. The planet carrier 98 will turn into an interim storage 101 and a slide bearing arranged therein 104 stored. The interim storage 101 is designed pot-shaped, that in this both the planet carrier 98 as well as the planet wheels 86 are included. Furthermore, in the cup-shaped intermediate storage 101 the ring gear 95 arranged that ultimately through a lid 107 opposite the anchor 37 closed is. Also the interim storage 101 supports with its outer circumference on the inside of the pole tube 28 from. The anchor 37 indicates that of the commutator 52 opposite end of the drive shaft 44 another shaft journal 110 on, who also in a plain bearing 113 is included. The plain bearing 113 in turn is in a central hole of the planet carrier 98 added. The planet carrier 98 is integral with the output shaft 116 connected. The output shaft 116 is with her from the interim storage 101 opposite end 119 in another camp 122 , which in the drive end shield 19 is fixed, supported.

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 Geradverzahnung 125 (Innenverzahnung), der Teil einer Welle-Nabe-Verbindung 128 ist. Die Welle-Nabe-Verbindung 128 ermöglicht in diesem Fall das axial geradlinige Gleiten eines Mitnehmers 131. Der Mitnehmer 131 ist ein hülsenartiger Fortsatz, der einstückig mit einem topfförmigen Außenring 132 eines Freilaufes 137 verbunden ist. Der Freilauf 137 (Richtgesperre) umfasst des weiteren einen Innenring 140, der radial innerhalb des Außenringens 132 angeordnet ist. Zwischen dem Innenring 140 und dem Außenring 132 sind Klemmkörper 138 angeordnet. Die Klemmkörper 138 verhindern in Zusammenwirkung mit dem Innenring 140 und dem Außenring 132 eine Relativdrehung zwischen dem Außenring 132 und dem Innenring 140 in eine zweite Richtung. Mit anderen Worten: Der Freilauf 137 ermöglicht eine umlaufende Relativbewegung zwischen dem Innenring 140 und dem Außenring 132 nur in eine Richtung. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Innenring 140 einstückig mit dem Andrehritzel 22 und dessen Schrägverzahnung 143 (Außenschrägverzahnung) ausgeführt. Das Andrehritzel 22 kann alternativ auch als geradverzahntes Ritzel ausgeführt sein. Statt elektromagnetisch erregter Polschuhe 31 mit Erregerwicklung 34 könnten auch permanent-magnetisch erregte Pole eingesetzt werden.The output shaft 116 is divided into different sections: So follows the section that is in the plain bearing 104 of the interim storage 101 is arranged, a section with a straight toothing 125 (Internal toothing), the part of a shaft-hub connection 128 is. The shaft-hub connection 128 allows in this case the axially rectilinear sliding of a driver 131 , The driver 131 is a sleeve-like extension, which is integral with a cup-shaped outer ring 132 a freewheel 137 connected is. The freewheel 137 (Richtgesperre) further includes an inner ring 140 that is radially inward of the outer ring 132 is arranged. Between the inner ring 140 and the outer ring 132 are clamp bodies 138 arranged. The clamp body 138 prevent in cooperation with the inner ring 140 and the outer ring 132 a relative rotation between the outer ring 132 and the inner ring 140 in a second direction. In other words: the freewheel 137 allows a circumferential relative movement between the inner ring 140 and the outer ring 132 only in one direction. In this embodiment, the inner ring 140 integral with the starter pinion 22 and its helical toothing 143 (External helical teeth) executed. The starter pin 22 Alternatively, it can be designed as a straight-toothed pinion. Instead of electromagnetically excited pole shoes 31 with excitation winding 34 could also permanent magnetically excited poles are used.

Der elektrische Vorspuraktuator 16 bzw. der linear bewegliche Anker 168 haben darüber hinaus auch die Aufgabe, mit einem Zugelement 187 einen im Antriebslagerschild 19 drehbeweglich angeordneten Hebel 190 zu bewegen. Der Hebel 190, üblicherweise als Gabelhebel ausgeführt, umgreift mit zwei hier nicht dargestellten „Zinken” zwei Scheiben 193 und 194 an ihrem Außenumfang, 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 den Zahnkranz 25 einzuspuren.The electric Vorspuraktuator 16 or the linearly movable armature 168 In addition, they also have the task of using a tension element 187 one in the drive end plate 19 rotatably arranged lever 190 to move. The lever 190 , usually designed as a fork lever, engages two discs with two "tines" not shown here 193 and 194 on its outer circumference, around an entrained between these driver ring 197 to the freewheel 137 towards the resistance of the spring 200 to move and thereby the starter pinion 22 in the sprocket 25 einzuspuren.

Nachfolgend wird auf den Einspurmechanismus eingegangen. Der elektrische Vorspuraktuator 16 weist einen Bolzen 150 auf, der ein elektrischer Kontakt ist und im Falle des Eingebautseins im Fahrzeug an dem Pluspol einer Starterbatterie, die hier nicht dargestellt ist, angeschlossen ist. Der Bolzen 150 ist durch einen Deckel 153 hindurchgeführt. Ein zweiter Bolzen 152 stellt einen Anschluss für den elektrischen Startermotor 13 dar, der über die Stromzufuhr 61 (dicke Litze) versorgt wird. Der Deckel 153 schließt ein Gehäuse 156 aus Stahl ab, welches mittels mehrerer Befestigungselemente 159, beispielsweise Schrauben, am Antriebslagerschild 19 befestigt ist. In dem elektrischen Vorspuraktuator 16 ist eine Schubeinrichtung 160 zur Ausübung einer Zugkraft auf dem Gabelhebel 190 und einer Schalteinrichtung 161 angeordnet. Die Schubeinrichtung 160 hat eine Wicklung 162 und die Schalteinrichtung 161 eine Wicklung 165. Die Wicklung 162 der Schubeinrichtung 160 und die Wicklung 165 der Schalteinrichtung 161 bewirken jeweils im eingeschalteten Zustand ein elektromagnetisches Feld, welches verschiedene Bauteile durchströmt. Die Welle-Nabe-Verbindung 128 kann statt mit einer Geradverzahnung 125 auch mit einer Steilgewindeverzahnung ausgestattet sein. Es sind dabei die Kombinationen möglich, wonach a) das Andrehritzel 22 schrägverzahnt ist und die Welle-Nabe-Verbindung 128 eine Geradverzahnung 125 aufweist, b) das Andrehritzel 22 schrägverzahnt ist und die Welle-Nabe-Verbindung 128 eine Steilgewindeverzahnung ausweist oder c) das Andrehritzel 22 geradverzahnt ist und die Welle-Nabe-Verbindung 128 eine Steilgewindeverzahnung aufweist.Subsequently, the Einspurmechanismus will be discussed. The electric Vorspuraktuator 16 has a bolt 150 on, which is an electrical contact and in the case of being installed in the vehicle at the positive pole of a starter battery, which is not shown here, is connected. The bolt 150 is through a lid 153 passed. A second bolt 152 provides a connection for the electric starter motor 13 that's about the power supply 61 (thick wire) is supplied. The lid 153 closes a housing 156 made of steel, which by means of several fasteners 159 For example, screws, on the drive end plate 19 is attached. In the electric Vorspuraktuator 16 is a push device 160 to exert a tensile force on the fork lever 190 and a switching device 161 arranged. The pushing device 160 has a winding 162 and the switching device 161 a winding 165 , The winding 162 of the pusher 160 and the winding 165 the switching device 161 each effect in the on state, an electromagnetic field, which flows through various components. The shaft-hub connection 128 can take place with a spur gear 125 also be equipped with a steep thread toothing. There are the combinations possible, after which a) the starter pinion 22 is helical and the shaft-hub connection 128 a straight toothing 125 b) the starter pinion 22 is helical and the shaft-hub connection 128 indicates a steep thread toothing or c) the starter pinion 22 is straight-toothed and the shaft-hub connection 128 has a steep thread toothing.

2 ist der Verlauf des Bürstenspannungsabfalles an einer Plusbürste und einer Minusbürste zu entnehmen, jeweils aufgetragen über die Stromdichte. 2 the course of the brush voltage drop can be seen on a plus brush and a minus brush, each plotted against the current density.

Dem Diagramm gemäß 2 ist zu entnehmen, dass der Verlauf des Bürstenspannungsabfalles 206 über die Stromdichte 208 aufgetragen ist. Bei der Verwendung gleicher Bürstenmaterialien und gleicher Materialzusammensetzungen an Plusbürsten und Minusbürsten ergeben sich aufgrund der gegensätzlichen Polarität der Plusbürsten und der Minusbürsten unterschiedliche Bürstenspannungsabfälle 206 zwischen den Bürsten 58 und Lamellen 55 des Kommutators 52. Der Darstellung gemäß 2 ist zu entnehmen, dass hier bei gleicher Materialzusammensetzung für Plusbürste und Minusbürste vergl. Verlauf des Spannungsabfalles 202, für eine Plusbürste deutlich höhere Spannungsabfälle auftreten im Vergleich zum Verlauf 204 des Spannungsabfalles für eine Minusbürste. Wird bei Plusbürsten ein erstes Bürstenmaterial eingesetzt, welches im Vergleich zu einem zweiten Bürstenmaterial zur Verwendung an einer Minusbürste einen höheren Kupfergehalt aufweist, lässt sich der entsprechende Bürstenspannungsabfall 206 an der Plusbürste, die aus dem ersten Bürstenmaterial gefertigt ist, das insbesondere einen höheren Kupferanteil aufweist, erheblich reduzieren. Aufgrund der unterschiedlichen Materialzusammensetzungen des ersten Bürstenmaterials und des zweiten Bürstenmaterials besteht die Möglichkeit, an den Plusbürsten und an den Minusbürsten der Bürsten 58 näherungsweise den gleichen Bürstenspannungsabfall 206 einzustellen. Auswirkungen eines verringerten Bürstenspannungsabfalles an der Plusbürste können näherungsweise dem Diagramm gemäß 2 entnommen werden. In einer Variante 1 sind die Verläufe 202, 204 der Bürstenspannungsabfälle 206 als Kennlinien dargestellt. Während der Verlauf 202 für die Plusbürste gilt, bezieht sich der Verlauf 204 auf den Bürstenspannungsabfall an einer Minusbürste.According to the diagram 2 it can be seen that the course of the brush voltage drop 206 about the current density 208 is applied. When using the same brush materials and the same material compositions of plus brushes and minus brushes arise due to the opposite polarity of the plus brushes and the minus brushes different brush voltage drops 206 between the brushes 58 and lamellae 55 of the commutator 52 , The representation according to 2 It can be seen that here with the same material composition for plus brush and minus brush compare the course of the voltage drop 202 , for a plus brush significantly higher voltage drops occur compared to the course 204 the voltage drop for a minus brush. If a first brush material is used in plus brushes, which has a higher copper content compared to a second brush material for use on a minus brush, the corresponding brush voltage drop can be achieved 206 at the plus brush, which is made of the first brush material, which in particular has a higher copper content, significantly reduce. Due to the different material compositions of the first brush material and the second brush material, it is possible to brush on the plus brushes and the minus brushes 58 approximately the same brush voltage drop 206 adjust. Effects of a reduced brush voltage drop on the plus brush can be approximated to the diagram in 2 be removed. In a variant 1, the courses 202 . 204 the brush voltage drops 206 shown as characteristics. During the course 202 applies to the plus brush, the course refers 204 on the brush voltage drop on a minus brush.

In einer Variante 2, ist der Bürstenspannungsabfall an Plus- und an Minusbürste jeweils durch den Verlauf 204 für den Spannungsabfall an Plus- und an Minusbürste gegeben.In a variant 2, the brush voltage drop at the plus and at the minus brush is in each case due to the course 204 given for the voltage drop to plus and minus brush.

3 zeigt Leistungskennlinien einer Gleichstrommaschine bei Verwendung unterschiedlicher Materialzusammensetzung (Kupfergehalt) in Plus- und Minusbürsten. 3 shows performance characteristics of a DC machine when using different material composition (copper content) in plus and minus brushes.

Wird dem in 2 dargestellten Verlauf 204, welche den Verlauf des Spannungsabfalles einer Minusbürste darstellt und im Folgenden als Referenzbürstenspannungsabfallverlauf für Variante 2 gilt, eine entsprechende Leistungskennlinie zugeordnet, ergibt sich diese in 3 als zweite Leistungskennlinie 210. In der Variante 2 ist der Bürstenspannungsabfall 206 an Plus- und Minusbürste jeweils durch den Verlauf 204 gemäß 2 gegeben. Bei der in 3 dargestellten ersten Kennlinie 210, die ein erstes absolutes Maximum 212 aufweist, werden durch Verwendung des ersten Bürstenmaterials, welches insbesondere einen höheren Kupferanteil aufweist, der Bürstenspannungsabfall 206 bzw. die Bürstenübergangswiderstände an der Plusbürste reduziert, sodass insgesamt gesehen, ein höheres Leistungsniveau erreicht wird. Die Leistung 221 ist in dem Diagramm gemäß 3 über den Strom 224 aufgetragen. Der ersten Kennlinie 210, in der das erste absolute Maximum 212 liegt, ist ein erster Kurzschlussstrom 214 zuzuordnen.Will the in 2 illustrated course 204 , which is the course of the voltage drop of a minus brush and applies below as the reference brush voltage drop profile for variant 2, associated with a corresponding power characteristic, this results in 3 as a second performance characteristic 210 , In variant 2, the brush voltage drop 206 on plus and minus brush each through the course 204 according to 2 given. At the in 3 shown first characteristic 210 which is a first absolute maximum 212 by using the first brush material, which in particular has a higher copper content, the brush voltage drop 206 or the brush contact resistors on the plus brush reduced, so seen overall, a higher level of performance is achieved. The performance 221 is in the diagram according to 3 over the stream 224 applied. The first characteristic 210 in which the first absolute maximum 212 is a first short-circuit current 214 assigned.

Demgegenüber ist in der Darstellung gemäß 3 für die Variante 1 eine erste Leistungskennlinie 216 aufgetragen. Bei der Variante 1 werden für die Plus- und die Minusbürsten jeweils das gleiche Material verwendet. Für den Bürstenspannungsabfall ergeben sich die Verläufe 204 für die Minus- und der Verlauf 202 für die Plusbürsten. Daraus ergibt sich der Verlauf der Leistungskennlinie mit der geringeren Leistung, vergleiche Bezugszeichen 216. Demgegenüber wird gemäß Variante 2 für die Minusbürste ein höherer Kupferanteil verwendet, so dass sich der Verlauf der Bürstenübergangsspannung 204 für Plus- und Minusbürste einstellt und somit die Leistung entsprechend der Leistungskennlinie 210 gesteigert werden kann.In contrast, in the illustration according to 3 for Variant 1, a first performance characteristic 216 applied. In variant 1, the same material is used for the plus and the minus brushes. For the brush voltage drop, the gradients arise 204 for the minus and the course 202 for the plus brushes. This results in the course of the performance curve with the lower power, compare reference numerals 216 , In contrast, a higher proportion of copper is used according to variant 2 for the negative brush, so that the course of the brush transition voltage 204 for plus and minus brush sets and thus the performance according to the performance curve 210 can be increased.

Die der Variante 1 entsprechende erste Leistungskennlinie 216 umfasst ebenfalls ein erstes absolutes Maximum 218, welches jedoch unterhalb des zweiten Maximum 212 liegt, ferner einen ersten Kurzschlussstrom 220, ebenfalls unter dem Wert für den zweiten Kurzschlussstrom 214 der zweiten Leistungskennlinie 210. In Variante 2, d. h. Einsatz einer Plusbürste aus erstem Bürstenmaterial, welches einen höheren Kupferanteil aufweist, liegen sowohl das zweite absolute Maximum 212 als auch der zweite Kurzschlussstrom 214 höher als die entsprechenden Werte 218 bzw. 220 für die erste Kennlinie 216, die der ersten Variante entspricht, d. h. bei Einsatz identischer Bürstenmaterialien an Plus- und Minusbürste.The first performance curve corresponding to variant 1 216 also includes a first absolute maximum 218 , which, however, below the second maximum 212 is located, further a first short-circuit current 220 , also below the value for the second short-circuit current 214 the second power characteristic 210 , In variant 2, ie use of a plus brush of first brush material, which has a higher copper content, are both the second absolute maximum 212 as well as the second short-circuit current 214 higher than the corresponding values 218 respectively. 220 for the first characteristic 216 , the corresponds to the first variant, ie when using identical brush materials to plus and minus brush.

Die Kohlebürsten 58 können beispielsweise als Zweischichtbürsten ausgeführt sein. Die Zweischichtbürsten umfassen eine Leistungsschicht, die einen hohen Leitwert aufweist und eine Kommutierungsschicht, die einen geringeren Leitwert aufweist. Der Kupferanteil des Materials der mindestens einen Plusbürste – beispielsweise ausgebildet als Zweischichtbürste – wird nur in der Leistungsschicht erhöht. Desweiteren ist hinsichtlich der Anpressdrücke der Plus- und der Minusbürsten an die Kommutatorlamellen 55 des Kommutators 52 folgendes festzuhalten: Die mindestens eine Plusbürste der Kohlebürsten 58 wird mit einem höheren Anpressdruck an die Kommutatorlamellen 55 angestellt, der vorzugsweise in einem Bereich zwischen 15 N/cm² und 30 N/cm² liegt. Die mindestens eine Minusbürste der Kohlebürsten 58 wird vorzugsweise einem Anpressdruck, der zwischen 10 N/cm² und 25 N/cm² liegt, wobei die Plusbürste allgemeiner gesprochen vorzugsweise mit einem um mindestens 5 N/cm² höheren Anpressdruck an die Kommutatorlamellen 55 des Kommutators 52 gedrückt wird.The carbon brushes 58 For example, they can be designed as two-layer brushes. The two-layer brushes comprise a power layer having a high conductance and a commutating layer having a lower conductance. The copper content of the material of the at least one plus brush - for example formed as a two-layer brush - is only increased in the power layer. Furthermore, with respect to the contact pressure of the plus and minus brushes to the commutator 55 of the commutator 52 to note the following: The at least one brush of carbon brushes 58 is applied to the commutator blades with a higher contact pressure 55 adjusted, which is preferably in a range between 15 N / cm ² and 30 N / cm ² . The at least one minus brush of carbon brushes 58 is preferably a contact pressure, which is between 10 N / cm ² and 25 N / cm ² , wherein the plus brush generally speaking, preferably with a by at least 5 N / cm ² higher contact pressure to the commutator 55 of the commutator 52 is pressed.

Hinsichtlich der Kupferanteile ist zu bemerken, dass das Material der mindestens einen Plusbürste einen Kupferanteil von 45% bis 65% und das der Minusbürste einen Kupferanteil von 35% bis 55% aufweist. Der Kupferanteil des Materials der mindestens einen Plusbürste ist um mindestens 5 Prozentpunkte höher zu wählen als der des Materials der mindestens einen Minusbürste der Kohlenbürsten 58.With regard to the copper content, it should be noted that the material of the at least one plus brush has a copper content of 45% to 65% and that of the minus brush has a copper content of 35% to 55%. The copper content of the material of the at least one plus brush must be at least 5 percentage points higher than that of the material of the at least one minus brush of the carbon brushes 58 ,

Den Darstellungen gemäß der 4 und 5 sind jeweils Verlustleistungen an Plus- bzw. Minusbürste über die Stromstärke aufgetragen.The representations according to the 4 and 5 In each case, power losses to the plus or minus brush are plotted against the current intensity.

4 zeigt, dass die Verlustleistung entsprechend des ersten Verlustleistungsverlaufes 226 für die Plusbürste gemäß Variante 1 exponentiell ansteigt, während gemäß eines zweiten Verlustleistungsverlaufes 228 bei einer Plusbürste gemäß Variante 2, d. h. gefertigt aus einem ersten Bürstenmaterial, mit höherem Kupferanteil und verschieden vom zweiten Bürstenmaterial der Minusbürste, die Verlustleistung bei höheren Ströme mehr als halbiert werden kann. 4 shows that the power loss corresponding to the first loss performance curve 226 for the plus brush according to variant 1 increases exponentially, while according to a second power loss curve 228 in a plus brush according to variant 2, ie made of a first brush material, with a higher copper content and different from the second brush material of the negative brush, the power loss at higher currents can be more than halved.

Aus der Darstellung gemäß 4 geht hervor, dass aufgrund des höheren Verlustleistungsabfalles an der Plusbürste durch die der erfindungsgemäß vorgeschlagene Erfindung eine signifikantere Reduktion des Selben erreicht werden kann, verglichen mit einer Verlustleistungsreduktion an der Minusbürste.From the illustration according to 4 shows that due to the higher loss of power loss at the plus brush by the invention proposed invention, a more significant reduction of the same can be achieved compared to a power loss reduction at the minus brush.

Die Verbesserung der Verlustleistung, d. h. deren Herabsetzung an der Minusbürste lässt sich dem Verlustleitungsverlauf 222, aufgetragen über den Strom 224 an der Minusbürste gemäß 5 entnehmen. Beide Kurven d. h. 230 und 232, die den ersten Verlustleistungsverlauf an der Minusbürste für Variante 1 bzw. den zweiten Verlustleistungsverlauf an der Minusbürste für Variante 2 kennzeichnen, verlaufen für mittlere Ströme bis 600 Ampere etwa parallel zueinander und sind durch einen gleichmäßigen Anstieg charakterisiert. Erst für höhere Ströme ist der zweite Verlustleistungsverlauf 232 an der Minusbürste gemäß Variante 2 etwas größer als der erste Verlustleistungsverlauf 230 an der Minusbürste gemäß Variante 1. Dieser etwas höhere. Verlustleistungsverlauf 232 gemäß 5 für die Minusbürste bei Strömen oberhalb 600 Ampere ist im Wesentlichen auf die veränderten Kommutierungsbedingungen zurückzuführen.The improvement of the power loss, ie its reduction in the negative brush can be the loss line course 222 , applied over the stream 224 according to the minus brush 5 remove. Both curves ie 230 and 232 , which characterize the first loss performance curve at the minus brush for variant 1 and the second loss performance curve at the minus brush for variant 2, run for average currents up to 600 amps approximately parallel to each other and are characterized by a uniform increase. Only for higher currents is the second loss performance curve 232 on the minus brush according to variant 2 slightly larger than the first power loss curve 230 on the minus brush according to variant 1. This slightly higher. Power loss history 232 according to 5 for the negative brush at currents above 600 amps is essentially due to the changed commutation conditions.

Die Vorteile einer Verwendung unterschiedlicher Bürstenmaterialien, d. h. des ersten Bürstenmaterials für die mindestens eine Plusbürste und des davon verschiedenen zweiten Bürstenmaterials für die mindestens eine Minusbürste liegen darin, dass die Kommutierungsverluste an der Plusbürste reduziert werden können, ohne die Kommutierungsverluste an der Minusbürste signifikant zu erhöhen. Insbesondere kann durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ein einfaches Auffinden eines geeigneten Kompromisses zwischen einer Optimierung der Leistung im Bereich des Leistungsmaximums ohne eine Erhöhung eines Kommutierungsverlustes im Leerlaufbereich ermöglicht werden.The advantages of using different brush materials, i. H. of the first brush material for the at least one plus brush and the second brush material different therefrom for the at least one minus brush lie in that the commutation losses at the plus brush can be reduced without significantly increasing the commutation losses at the minus brush. In particular, the inventively proposed solution makes it possible to easily find a suitable compromise between an optimization of the power in the region of the maximum power without an increase in a commutation loss in the no-load range.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102007058903 A1 [0001]
DE 102007063333 A1 [0002]
DE 102008001702 A1 [0003]
US 2003/0080647 A1 [0004]

Claims

Commutation device ( 55 . 58 ) for a DC electric machine, in particular a starting device ( 10 ) for internal combustion engines, with a commutator ( 55 ), brushes ( 58 ), and the at least one plus brush and at least one minus brush comprise, characterized in that the at least one plus brush is made of a first brush material which is different from a second brush material from which the at least one minus brush is made.

Commutation device according to claim 1, characterized in that the first brush material for the at least one plus brush has a higher copper content than the second brush material for the at least one minus brush.

Commutation device according to one of the preceding claims, characterized in that the material of the at least one plus brush has a copper content of 45% to 65% and that of the minus brush a copper content of 35% to 55%.

Commutation device according to one of the preceding claims, characterized in that the copper content of the material of the at least one plus brush is at least 5 percentage points higher than that of the material of the at least one minus brush.

Commutation device according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one plus brush and the at least one minus brush are each designed as two-layer brushes having a layer with high conductance (power layer) and a layer with lower conductance.

Commutation device according to the preceding claim, characterized in that the copper content of the material of the at least one plus brush in the power layer is increased.

Commutation device according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one plus brush with a higher contact pressure, preferably in a range between 15 N / cm ² and 30 N / cm ² to the commutator ( 52 ) is pressed, as the at least one minus brush, preferably with a contact pressure between 10 N / cm ² and 25 N / cm ² at the circumference of the commutator ( 52 ) is employed.

Commutation device according to one or more of the preceding claims, characterized in that the plus brush with a by at least 5 N / cm ² higher contact pressure to the circumference of the commutator ( 52 ) is employed.