DE10230151A1

DE10230151A1 - Starter device for motor vehicle with combustion engine has commutator with rotary part connected to d.c. connection, a.c. output voltage for connection to electromagnetic device forming part of motor

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

The device has an electric motor (3) for starting an engine (11), an electromagnetic device (8) as part of the motor supplied with a.c. current when the motor is operated to generate a magnetic field that drives the motor, a d.c. voltage connection, a commutator (13) with a rotary part connected to the d.c. connection and with an a.c. output voltage for connection to the electromagnetic device. An independent claim is also included for the following: (a) a method of operating an inventive starter device for a motor vehicle with an internal combustion engine.

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.The invention relates to a starter device for a motor vehicle, which has an internal combustion engine. The invention further relates to a method for operating such a starter device. The Starter device has an electric motor for starting operation of the internal combustion engine. The electric motor is optional too used as a generator and is in particular a synchronous induction machine with a plurality of pole pairs.

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.It is known starter devices by alternating a voltage of a DC vehicle electrical system to supply the motor vehicle with alternating current. In particular becomes a three-phase rotating field winding of a stator of the electric motor via a electrical inverter with that required for motor operation AC powered.

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.Nowadays are considered electrical Inverters used in motor vehicles power semiconductor circuits that for currents of Several hundred amps are designed to power the internal combustion engine to start. The cost of such semiconductor circuits are high and the semiconductor circuits have to be cooled in a complex manner. Therefore, on one Arrangement away from heat sensitive and / or also to be cooled Parts to watch out for. In particular, the starter device is at a distance arranged by the electric motor.

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.Object of the present invention is a starter device or a method of the beginning specified type that avoid the disadvantages mentioned. Preferably also any frequencies of the AC voltage can be generated in a simple manner his.

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.It is suggested to use the inverter as Execute commutator with a rotatable rotating part, wherein a rotation of the rotating part generates an AC voltage. The turned part can in principle be driven by the electric motor, i.e. H. be rotated. For this purpose, the rotating part is on one with a rotor of the Electric motor common shaft is attached. Through integration of the commutator or at least the rotating part in the electric motor creates a particularly space-saving arrangement.

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.It is also suggested that the rotary motion of the rotating part is mechanical from a motor Movement of the electric motor is decoupled. I.e. the rotary motion the rotating part is mechanically independent of the motor movement. In particular, the rotating part is not a motor movement the electric motor driven, as z. B. with an arrangement on a common shaft or with a mechanical coupling via belt drive and / or over Gears of the Would be the case. Because of the decoupling of the movements, any desired frequency is in principle of the alternating voltage can be achieved, depending on the speed of rotation and execution of the commutator.

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.Detached from the proposal of the mechanical Decoupling already avoids the mechanical design of the Commutator the above disadvantages of semiconductor circuits. A mechanical commutator is simple and inexpensive too for high currents can be designed and have a small electrical resistance so that active cooling is not required. He can over a simple electrical switch electrically from the vehicle electrical system and / or be separable from the electric motor. The switch does not need one either cooling and is e.g. B. as a standard electrical component Cheap to get.

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.The turned part is preferred embodiment driven by a second electric motor, for example one runner has, which is rotatable relative to the rotating part around a common Rotation axis can rotate. The second electric motor can be essential lower currents be designed as the commutator or the other, first electric motor. The second electric motor can therefore be made small, compact and therefore inexpensive. Also is the sluggishness of the second electric motor is particularly low in this case, whereby it can start up particularly quickly or can be slowed down.

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.Preferably the speed of rotation of the second electric motor controlled. Especially when starting up the second electric motor to start the internal combustion engine, can accelerate a runner of the second electric motor specified and achieved as a function of time be that exactly on the inertia or the desired one Starting behavior of the combination of the first electric motor and the Internal combustion engine is tuned. Due to the acceleration increases the frequency of the AC voltage at the output of the commutator, so that the first electric motor is accelerated and the internal combustion engine started can.

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.Alternatively or additionally, by controlling the speed of rotation and / or the rotational position of a rotor of the second electric motor, an increase in the total torque generated by the first electric motor and the internal combustion engine can also be achieved during continuous operation of the internal combustion engine. For this purpose in particular, it is proposed that a respective instantaneous position of a rotor of the first electric motor is detected and the control is carried out as a function thereof. This allows e.g. B. an optimal setting of the frequency of the AC voltage generated by the commutator and / or the phase position of the AC voltage. The phase position of the AC voltage corresponds to a phase position or orientation of an electrical rotating field in the first electric motor. This ultimately determines the entry of the runner Liche magnetic rotating field can also depend on additional excitation. In this case, the controller preferably also takes into account the additional excitation.

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.The torque generated by the first electric motor can be effectively controlled in this way at variable speeds without the risk of the first electric motor getting out of step device. The Controllability is further improved when using a braking device the second electric motor is combined to make the rotational speed fast to be able to reduce. In this case, the first electric motor can be operated closer to a state in which the rotating magnetic field changes the direction of rotation runner would reverse.

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.An additional torque of the first electric motor is particularly useful and desirable, if the torque of the running internal combustion engine is small or temporarily subsides about when starting the motor vehicle. An improper attitude the engine load and / or torque by the driver, otherwise would lead to a so-called "stalling" thus be avoided.

Der erste Elektromotor kann insbesondere drehfest relativ zu einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angebracht sein.The first electric motor can in particular be rotationally fixed be mounted relative to a crankshaft of the internal combustion engine.

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:The invention is now based on embodiments explained in more detail. she however, is not on the embodiments limited. In the explanation will refer to the attached Drawing taken. The individual figures of the drawing show:

1 eine schematische Darstellung einer Startereinrichtung mit angekoppeltem Verbrennungsmotor, 1 1 shows a schematic representation of a starter device with a coupled internal combustion engine,

2 einen Kommutator in Seitenansicht und 2 a commutator in side view and

3 ein scheibenförmiges Drehteil des Kommutators in Draufsicht aus einer axialen Richtung. 3 a disc-shaped rotating part of the commutator in plan view from an axial direction.

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. 1 shows an internal combustion engine 11 that has a mechanical coupling 9 , for example a belt drive or a crankshaft of the internal combustion engine 11 , with a first electric motor 3 is coupled. The first electric motor 3 is part of a starter facility 1 who u. a. another commutator 13 and a second one compared to the first electric motor 3 much less powerful electric motor 21 having.

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.The first electric motor 3 has a rotor rotatably mounted about an axis of rotation (represented by a broken line) 5 and a stator 7 with a coil device 8th on. The coil device 8th has, in particular, three coils or coil systems distributed over the circumference of the stator, which are each connected to a phase of a three-phase AC voltage or can be connected. For this purpose the coil device 8th via an AC voltage line 15 with the commutator 13 connected, the operation of the starter device 1 from a DC network 17 drawn DC voltage generates the corresponding AC voltage. The commutator 13 is so mechanical with the second electric motor 21 coupled and is designed such that a motor-generated movement from the DC voltage generates the AC voltage.

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.A preferred embodiment of the commutator 13 is in 2 shown. Rotating parts 33 . 34 . 35 of the commutator are with a rotatably mounted shaft 31 connected by the second electric motor 21 is drivable. Annular DC voltage sliding contacts 33 . 34 are (as not in 2 is shown) with different potentials of the DC voltage network 17 connected or connectable. The first sliding contact 33 is electrical with a first area of a contact ring 37 connected who in 3 is shown in more detail by way of example. The second switch contact 34 is electrical with a second area of the contact ring 37 connected. The first and second areas are electrically isolated from one another. The contact ring 37 is from a disc 35 carried. Furthermore, in 2 not rotatable first 39 and second 40 AC voltage contacts shown, the AC voltage at the contact ring during operation of the commutator 37 tap.

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.In an alternative embodiment, the contact ring is on the outer circumference of the disk 35 or a corresponding rotatable part. Accordingly, the AC voltage contacts tap the AC voltage on the outer circumference.

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.In the 3 shown variant of the contact ring 37 corresponds to that in 2 illustrated embodiment. The first area of the contact ring 37 is formed by approximately the upper half, the second area by approximately the lower half. The top and bottom halves are through insulating areas 41 . 42 electrically separated from each other. The positions of the first and second AC contacts 39 . 40 , especially carbon brushes, are also in 3 shown. By rotating the disc 35 and thus the contact ring 37 the relative position of the contact ring changes 37 to the AC voltage contacts 39 . 40 , but not the relative positions of the AC contacts with each other. Two alternating voltage contacts opposite each other with respect to the axis of rotation provide connections for one of three phases u, v, w of the alternating voltage supply of the first electric motor 3 To avoid a short circuit, the isolating areas are 41 . 42 wider than that on the contact ring 37 adjacent contact surfaces of the AC voltage contacts 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.When operating the starter device 1 the commutator changes 13 a DC voltage, for example, which is approximately constant over time at the slip rings 33 . 34 due to the rotation of its rotating parts 33 . 34 . 35 into a three-phase AC voltage with an approximately rectangular shape. The phases u, v, w are offset from each other by 120 degrees.

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.The three-phase AC voltage is in this way via the AC voltage line 15 the coil device 8th fed that the coil device 8th generates an electric rotating field, which, especially in combination with one in the rotor 5 generated electric field, a rotating magnetic field that generates the rotor 5 set in rotation around the axis of rotation or drives it further.

Claims

Starter device ( 1 ) for a motor vehicle that has an internal combustion engine ( 11 ) with - an electric motor ( 3 ), which is configured to operate the internal combustion engine by means of a motor movement ( 11 ) - one as part of the electric motor ( 3 ) implemented electromagnetic device ( 8th ) that occur when operating the electric motor ( 3 ) is supplied with alternating current and the electric motor ( 3 ) generates a driving magnetic field, - a DC voltage connection ( 33 . 34 ), - a commutator ( 13 ), which is a rotatable rotating part ( 35 ) which is electrically connected to the DC voltage connection ( 33 . 34 ) is connected and one with the electromagnetic device ( 8th ) electrically connected or connectable AC voltage output ( 37 ), wherein a rotary movement of the rotating part ( 35 ) from one at the DC voltage connection ( 33 . 34 ) DC voltage present at the AC voltage output ( 37 ) AC voltage is generated and the rotary movement of the rotating part ( 35 ) and the motor-generated movement of the electric motor ( 3 ) are mechanically independent of each other.

Starter device according to claim 1, wherein a second electric motor ( 21 ) is provided, which is arranged and mechanically connected to the rotating part ( 35 ) is coupled that he the rotating part ( 35 ) can turn.

Starter device according to claim 2, wherein the second electric motor ( 21 ) is connected to a control device at a rotational speed of the second electric motor ( 21 ) and / or a phase position of the commutator ( 13 ) to control generated AC voltage.

Starter device according to claim 3, wherein the control device with a position measuring device for determining a rotational position of a rotor ( 5 ) of the first electric motor ( 3 ) connected is.

Starter device according to one of claims 1 to 4, wherein the first electric motor ( 3 ) a runner ( 5 ) which is on or on a crankshaft of the internal combustion engine ( 11 ) is mounted.

Method for operating a starter device ( 1 ) a motor vehicle with an internal combustion engine ( 11 ), whereby: - an electric motor ( 3 ) to start the operation of the internal combustion engine ( 11 ) is used - the electric motor ( 3 ) is supplied with an alternating current to drive it, - a commutator ( 13 ) is used, which is a rotatable rotating part ( 35 ), - by rotating the rotating part ( 35 ) the alternating current is generated from a direct current and - the rotation of the rotating part ( 35 ) mechanically independent of a motor-generated movement of the electric motor ( 3 ) is.

A method according to claim 6, wherein a rotational speed of the rotating part ( 35 ) is controlled as a function of time and / or a phase position of the alternating current, in particular the rotational speed is increased from zero to a predetermined rotational speed value within a predetermined time.

Method according to Claim 7, the rotational speed and / or the phase position depending on a current position of a rotor ( 5 ) of the electric motor ( 3 ) is set.