DE10230151A1

DE10230151A1 - Startereinrichtung eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE10230151A1
Application number: DE2002130151
Authority: DE
Inventors: Jens Berkan; Michael Maurer
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-07-04
Filing date: 2002-07-04
Publication date: 2004-01-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Startereinrichtung (1) und ein Verfahren zum Betreiben einer Startereinrichtung (1) eines Kraftfahrzeuges mit Verbrennungsmotor (11), wobei ein Elektromotor (3) zum Starten des Betriebes des Verbrennungsmotors (11) verwendet wird, der Elektromotor (3) mit einem Wechselstrom versorgt wird, um ihn anzutreiben, ein Kommutator (13) verwendet wird, der ein drehbewegliches Drehteil aufweist, durch Drehung des Drehteils aus einem Gleichstrom der Wechselstrom erzeugt wird und die Drehung des Drehteils mechanisch unabhängig von einer motorisch erzeugten Bewegung des Elektromotors (3) ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Startereinrichtung für ein Kraftfahrzeug, das einen Verbrennungsmotor aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Startereinrichtung. Die Startereinrichtung weist einen Elektromotor zum Starten eines Betriebes des Verbrennungsmotors auf. Der Elektromotor wird optional auch als Generator verwendet und ist insbesondere eine Synchron-Drehfeldmaschine mit einer Mehrzahl von Polpaaren.
Es ist bekannt, Startereinrichtungen durch Wechselrichtung einer Spannung eines Gleichspannungs-Bordnetzes des Kraftfahrzeuges mit Wechselstrom zu versorgen. Insbesondere wird eine Dreiphasen-Drehfeldwicklung eines Stators des Elektromotors über einen elektrischen Wechselrichter mit dem für motorischen Betrieb erforderlichen Wechselstrom versorgt.
Heutzutage werden als elektrische Wechselrichter in Kraftfahrzeugen Leistungs-Halbleiterschaltungen eingesetzt, die für Stromstärken von mehreren hundert Ampere ausgelegt sind, um den Verbrennungsmotor zu starten. Die Anschaffungskosten derartiger Halbleiterschaltungen sind hoch und die Halbleiterschaltungen müssen aufwändig gekühlt werden. Daher ist auf eine Anordnung abseits von wärmeempfindlichen und/oder ebenfalls zu kühlenden Teilen zu achten. Insbesondere wird die Startereinrichtung in Entfernung von dem Elektromotor angeordnet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Startereinrichtung bzw. ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, die die genannten Nachteile vermeiden. Vorzugsweise sollen außerdem beliebige Frequenzen der Wechselspannung auf einfache Weise erzeugbar sein.
Es wird vorgeschlagen, den Wechselrichter als Kommutator mit einem drehbeweglichen Drehteil auszuführen, wobei eine Drehung des Drehteils eine Wechselspannung erzeugt. Das Drehteil kann prinzipiell von dem Elektromotor angetrieben, d. h. gedreht werden. Hierzu ist das Drehteil an einer mit einem Läufer des Elektromotors gemeinsamen Welle befestigt ist. Durch Integration des Kommutators bzw. mindes tens des Drehteils in den Elektromotor entsteht eine besonders Platz sparende Anordnung.
Es wird weiterhin vorgeschlagen, dass die Drehbewegung des Drehteils mechanisch von einer motorischen Bewegung des Elektromotors entkoppelt ist. D. h. die Drehbewegung des Drehteils ist mechanisch unabhängig von der motorischen Bewegung. Insbesondere wird das Drehteil nicht durch eine motorische Bewegung des Elektromotors angetrieben, wie es z. B. bei einer Anordnung an einer gemeinsamen Welle oder bei einer mechanischen Kopplung über Riementrieb und/oder über Zahnräder der Fall wäre. Wegen der Entkopplung der Bewegungen ist prinzipiell jede gewünschte Frequenz der Wechselspannung erzielbar, je nach Umdrehungsgeschwindigkeit und Ausführung des Kommutators.
Losgelöst von dem Vorschlag der mechanischen Entkopplung vermeidet bereits die mechanische Ausführung des Kommutators die oben genannten Nachteile von Halbleiterschaltungen. Ein mechanischer Kommutator ist einfach und kostengünstig auch für hohe Stromstärken auslegbar und kann einen kleinen elektrischen Widerstand haben, sodass eine aktive Kühlung nicht erforderlich ist. Er kann über einen einfachen elektrischen Schalter elektrisch von dem Bordnetz und/oder von dem Elektromotor trennbar sein. Auch der Schalter benötigt keine Kühlung und ist z. B. als Standard-Elektrobauteil günstig zu beschaffen.
Das Drehteil wird bei einer bevorzugten Ausführungsform von einem zweiten Elektromotor angetrieben, der beispielsweise einen Läufer aufweist, welcher relativ zum Drehteil drehfest um eine gemeinsame Rotationsachse rotieren kann. Der zweite Elektromotor kann für wesentlich geringere Stromstärken ausgelegt werden als der Kommutator bzw. der andere, erste Elektromotor. Der zweite Elektromotor kann daher klein, kompakt und daher kostengünstig ausgeführt werden. Auch ist die Trägheit des zweiten Elektromotors in diesem Fall besonders gering, wodurch er besonders schnell anlaufen kann oder abgebremst werden kann.
Vorzugsweise wird die Umdrehungsgeschwindigkeit des zweiten Elektromotors gesteuert. Insbesondere beim Anlaufen des zweiten Elektromotors, um den Verbrennungsmotor zu starten, kann eine Beschleunigung eines Läufers des zweiten Elekt romotors als Funktion der Zeit vorgegeben und erzielt werden, die genau auf die Trägheit bzw. das gewünschte Startverhalten der Kombination aus dem ersten Elektromotor und dem Verbrennungsmotor abgestimmt ist. Aufgrund der Beschleunigung erhöht sich die Frequenz der Wechselspannung am Ausgang des Kommutators, sodass der erste Elektromotor beschleunigt wird und den Verbrennungsmotor starten kann.
Alternativ oder zusätzlich kann durch Steuerung der Umdrehungsgeschwindigkeit und/oder der Drehposition eines Läufers des zweiten Elektromotors auch während eines andauernden Betriebes des Verbrennungsmotors eine Erhöhung des von dem ersten Elektromotor und dem Verbrennungsmotor erzeugten Gesamt-Drehmoments erreicht werden. Insbesondere zu diesem Zweck wird vorgeschlagen, dass eine jeweilige momentane Position eines Läufers des ersten Elektromotors detektiert wird und davon abhängig die Steuerung durchgeführt wird. Dies erlaubt z. B. eine optimale Einstellung der Frequenz der von dem Kommutator erzeugten Wechselspannung und/oder der Phasenlage der Wechselspannung. Der Phasenlage der Wechselspannung entspricht eine Phasenlage bzw. Orientierung eines elektrischen Drehfeldes in dem ersten Elektromotor. Das letztendlich für den Eintritt des Läufers maßgebliche magnetische Drehfeld kann außerdem noch von einer zusätzlichen Erregung abhängen. In diesem Fall berücksichtigt die Steuerung vorzugsweise auch die zusätzliche Erregung.
Das von dem ersten Elektromotor erzeugte Drehmoment kann auf diese Weise bei variablen Drehzahlen wirksam gesteuert werden, ohne die Gefahr, dass der erste Elektromotor außer Tritt gerät. Die Steuerbarkeit wird noch verbessert, wenn eine Bremseinrichtung mit dem zweiten Elektromotor kombiniert wird, um die Umdrehungsgeschwindigkeit schnell verringern zu können. In diesem Fall kann der erste Elektromotor näher an einem Zustand betrieben werden, in dem das magnetische Drehfeld die Rotationsrichtung das Läufers umkehren würde.
Ein zusätzliches Drehmoment des ersten Elektromotors ist insbesondere dann zweckmäßig und wünschenswert, wenn das Drehmoment des laufenden Verbrennungsmotors klein ist oder vorübergehend nachlässt, etwa beim Anfahren des Kraftfahrzeuges. Eine unsachgemäße Einstellung der Motorlast und/oder des Drehmo ments durch den Fahrer, die andernfalls zu einem sogenannten "Abwürgen" führen würde, kann somit vermieden werden.
Der erste Elektromotor kann insbesondere drehfest relativ zu einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angebracht sein.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Sie ist jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Bei der Erläuterung wird Bezug auf die beigefügte Zeichnung genommen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Startereinrichtung mit angekoppeltem Verbrennungsmotor,
2 einen Kommutator in Seitenansicht und
3 ein scheibenförmiges Drehteil des Kommutators in Draufsicht aus einer axialen Richtung.
1 zeigt einen Verbrennungsmotor 11, der über eine mechanische Kopplung 9, zum Beispiel einen Riementrieb oder eine Kurbelwelle des Verbrennungsmotors 11, mit einem ersten Elektromotor 3 gekoppelt ist. Der erste Elektromotor 3 ist Teil einer Startereinrichtung 1, die u. a. noch einen Kommutator 13 und einen zweiten, im Vergleich zu dem ersten Elektromotor 3 wesentlich leistungsschwächeren Elektromotor 21 aufweist.
Der erste Elektromotor 3 weist einen um eine (durch eine mehrfach unterbrochene Linie dargestellte) Rotationsachse drehbar gelagerten Läufer 5 und einen Stator 7 mit einer Spuleneinrichtung 8 auf. Die Spuleneinrichtung 8 weist insbesondere drei über den Umfang des Stators verteilte Spulen oder Spulensysteme auf, die jeweils an eine Phase einer Dreiphasen-Wechselspannung angeschlossen sind bzw. anschließbar sind. Zu diesem Zweck ist die Spuleneinrichtung 8 über eine Wechselspannungsleitung 15 mit dem Kommutator 13 verbunden, der bei Betrieb der Startereinrichtung 1 aus einer einem Gleichspannungsnetz 17 entnommenen Gleich spannung die entsprechende Wechselspannung erzeugt. Der Kommutator 13 ist derart mechanisch mit dem zweiten Elektromotor 21 gekoppelt und ist derart ausgelegt, dass eine motorisch erzeugte Bewegung aus der Gleichspannung die Wechselspannung erzeugt.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Kommutators 13 ist in 2 dargestellt. Drehbewegliche Teile 33, 34, 35 des Kommutators sind mit einer drehbar gelagerten Welle 31 verbunden, die von dem zweiten Elektromotor 21 antreibbar ist. Ringförmige Gleichspannungs-Schleifkontakte 33, 34 sind (wie nicht in 2 gezeigt ist) mit unterschiedlichen Potentialen des Gleichspannungsnetzes 17 verbunden bzw. verbindbar. Der erste Schleifkontakt 33 ist elektrisch mit einem ersten Bereich eines Kontaktringes 37 verbunden, der in 3 beispielhaft näher dargestellt ist. Der zweite Schaltkontakt 34 ist elektrisch mit einem zweiten Bereich des Kontaktringes 37 verbunden. Der erste und zweite Bereich sind elektrisch gegeneinander isoliert. Der Kontaktring 37 wird von einer Scheibe 35 getragen. Weiterhin sind in 2 nicht drehbewegliche erste 39 und zweite 40 Wechselspannungskontakte dargestellt, die beim Betrieb des Kommutators die Wechselspannung an dem Kontaktring 37 abgreifen.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist der Kontaktring am Außenumfang der Scheibe 35 bzw. eines entsprechenden drehbeweglichen Teils angeordnet. Dementsprechend greifen die Wechselspannungskontakte die Wechselspannung an dem Außenumfang ab.
Die in 3 dargestellte Variante des Kontaktringes 37 entspricht der in 2 dargestellten Ausführungsform. Der erste Bereich des Kontaktringes 37 wird durch etwa die obere Hälfte gebildet, der zweite Bereich durch etwa die untere Hälfte. Die obere und untere Hälfte sind durch isolierende Bereiche 41, 42 elektrisch voneinander getrennt. Die Positionen der ersten und zweiten Wechselspannungskontakte 39, 40, insbesondere Kohlebürsten, sind ebenfalls in 3 dargestellt. Durch Drehung der Scheibe 35 und damit des Kontaktringes 37 ändert sich die Relativposition des Kontaktringes 37 zu den Wechselspannungskontakten 39, 40, nicht aber die Relativpositionen der Wechselspannungskontakte untereinander. Jeweils zwei einander bezüglich der Rotationsachse gegenüberstehende Wechselspannungskontakte stel len Anschlüsse für eine von drei Phasen u, v, w der Wechselspannungsversorgung des ersten Elektromotors 3 dar. Um einen Kurzschluss zu vermeiden, sind die isolierenden Bereiche 41, 42 breiter als die an dem Kontaktring 37 anliegenden Kontaktflächen der Wechselspannung Kontakte 39, 40.
Beim Betrieb der Startereinrichtung 1 wandelt der Kommutator 13 eine beispielsweise zeitlich annähernd konstante Gleichspannung an den Schleifringen 33, 34 aufgrund der Rotation seiner drehbeweglichen Teile 33, 34, 35 in eine Dreiphasen-Wechselspannung mit annähernd rechteckförmigem Verlauf um. Dabei sind die Phasen u, v, w um 120 Grad gegeneinander versetzt.
Die Dreiphasen-Wechselspannung wird derart über die Wechselspannungsleitung 15 der Spuleneinrichtung 8 zugeführt, dass die Spuleneinrichtung 8 ein elektrisches Drehfeld erzeugt, welches, insbesondere in Kombination mit einem im Läufer 5 erzeugten elektrischen Feld, ein magnetisches Drehfeld erzeugt, das den Läufer 5 in Rotation um die Rotationsachse versetzt bzw. ihn weiter antreibt.

Claims

Startereinrichtung (1) für ein Kraftfahrzeug, das einen Verbrennungsmotor (11) aufweist, mit – einem Elektromotor (3), der ausgestaltet ist, durch eine motorische Bewegung einen Betrieb des Verbrennungsmotors (11) zu starten, – einer als Teil des Elektromotors (3) ausgeführten elektromagnetischen Einrichtung (8), die beim Betrieb des Elektromotors (3) mit Wechselstrom versorgt wird und ein den Elektromotor (3) antreibendes Magnetfeld erzeugt, – einem Gleichspannungsanschluss (33, 34), – einem Kommutator (13), der ein drehbewegliches Drehteil (35) aufweist, der elektrisch mit dem Gleichspannungsanschluss (33, 34) verbunden ist und der einen mit der elektromagnetischen Einrichtung (8) elektrisch verbundenen oder verbindbaren Wechselspannungsausgang (37) aufweist, wobei eine Drehbewegung des Drehteils (35) aus einer an dem Gleichspannungsanschluss (33, 34) anliegenden Gleichspannung eine an dem Wechselspannungsausgang (37) anliegende Wechselspannung erzeugt und wobei die Drehbewegung des Drehteils (35) und die motorisch erzeugte Bewegung des Elektromotors (3) mechanisch voneinander unabhängig sind.
Startereinrichtung nach Anspruch 1, wobei ein zweiter Elektromotor (21) vorgesehen ist, der derart angeordnet und mechanisch mit dem Drehteil (35) gekoppelt ist, dass er das Drehteil (35) drehen kann.
Startereinrichtung nach Anspruch 2, wobei der zweite Elektromotor (21) mit einer Steuerungseinrichtung verbunden ist, um eine Umdrehungsgeschwindigkeit des zweiten Elektromotors (21) und/oder eine Phasenlage der von dem Kommutator (13) erzeugten Wechselspannung zu steuern.
Startereinrichtung nach Anspruch 3, wobei die Steuerungseinrichtung mit einer Positions-Meßeinrichtung zur Ermittlung einer Drehposition eines Läufers (5) des ersten Elektromotors (3) verbunden ist.
Startereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste Elektromotor (3) einen Läufer (5) aufweist, der an bzw. auf einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors (11) montiert ist.
Verfahren zum Betreiben einer Startereinrichtung (1) eines Kraftfahrzeuges mit Verbrennungsmotor (11), wobei: – ein Elektromotor (3) zum Starten des Betriebes des Verbrennungsmotors (11) verwendet wird, – der Elektromotor (3) mit einem Wechselstrom versorgt wird, um ihn anzutreiben, – ein Kommutator (13) verwendet wird, der ein drehbewegliches Drehteil (35) aufweist, – durch Drehung des Drehteils (35) aus einem Gleichstrom der Wechselstrom erzeugt wird und – die Drehung des Drehteils (35) mechanisch unabhängig von einer motorisch erzeugten Bewegung des Elektromotors (3) ist.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei eine Umdrehungsgeschwindigkeit des Drehteils (35) als Funktion der Zeit und/oder eine Phasenlage des Wechselstroms gesteuert wird, insbesondere die Umdrehungsgeschwindigkeit innerhalb einer vorgegebenen Zeit von null auf einen vorgegebenen Umdrehungsgeschwindigkeits-Wert erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Umdrehungsgeschwindigkeit und/oder die Phasenlage abhängig von einer momentanen Position eines Läufers (5) des Elektromotors (3) eingestellt wird.