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Die
vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Steuerung eines
Kraftfahrzeuganlassers.
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Wie
in 1 veranschaulicht,
umfaßt
ein Anlasser nach dem Stand der Technik einen Elektromotor M, der
mit einem elektromagnetischen Relais 1 zwischen der Plusklemme
einer Batterie und der Masse in Reihe geschaltet ist.
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Das
Relais 1 wird durch eine Spule 2 betätigt, die
mit einem Transistor 4 zwischen der Plusklemme der Batterie
und der Masse in Reihe geschaltet ist, wobei der Transistor 4 durch
ein Steuerorgan 5 angesteuert wird.
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Darüber hinaus
hat die Spule
2 die Funktion, das Ritzel anzutreiben, das
an der Ausgangswelle des Motors M gelagert und dazu bestimmt ist,
mit der Zahnung des Anlaßzahnkranzes
des Verbrennungsmotors zusammenzuwirken, wie dies beispielsweise in
den Druckschriften
EP-A-0 727 577 und
US-A-4,305,002 beschrieben
wird.
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Zu
weiteren Einzelheiten kann auf diese Druckschriften verwiesen werden,
wobei davon auszugehen ist, daß die
Spule herkömmlicherweise in der
Lage ist, einen Tauchanker zu betätigen, der wiederum über eine
Gabel oder als Variante über
ein als Untersetzungsgetriebe dienendes Rädergetriebe auf das Ritzel
einwirkt.
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Wenn
ein zwischen der Plusklemme der Batterie und einem Eingang e1 des
Steuerorgans 5 angeordneter Zündschlüsselschalter 6 durch
einen Benutzer betätigt
wird, schaltet das Organ 5 den mit seinem Ausgang s1 verbundenen
Transistor 4 durch, so daß die Spule 2 gespeist
wird, der Kontakt 1 sich schließt und der Strom in den Elektromotor
M zu fließen
beginnt.
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Bei
diesem Elektromotor handelt es sich um einen Elektromotor mit hoher
Leistung, der eine Erregerwicklung und einen Anker umfaßt.
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In 2 ist der Verlauf des Stroms
dargestellt, der beim Starten durch den Elektromotor fließt. Zu Beginn
läuft der
Elektromotor M nicht, und der im Elektromotor fließende Strom
wächst
rasch an, da er nur durch die Induktivität und den Widerstand des Elektromotors
begrenzt ist. In Abhängigkeit
von der Trägheit
des Läufers
des Elektromotors M und von den Drehmoment/Drehzahl-Eigenschaften
des Elektromotors steigt die Drehzahl des Elektromotors allmählich an.
Dabei wirkt eine gegenelektromotorische Kraft der Antriebskraft
der Batterie entgegen, wodurch sich der durch den Elektromotor M
aufgenommene Strom entsprechend verringert, der daraufhin auf einen
mittleren Pegel N absinkt, welcher von der mit dem Elektromotor
M verbundenen mechanischen Last abhängig ist.
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So
ist in 2 eine anfängliche
Stromspitze im Elektromotor zu erkennen, auf die eine Phase mit stabilisiertem
Antrieb des Verbrennungsmotors folgt, während der der Strom leicht
um einen Mittelwert N schwankt. In der Praxis stellt sich häufig eine
Stromspitze ein, die größer als
der zwei- bis dreifache mittlere Antriebswert N ausfällt.
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Diese
Stromspitzen führen
zu Überspannungen
und Überstromstärken, die
durch Funkenbildung und Lichtbögen
einen erheblichen Verschleiß der Kohlebürsten und
des Kommutators des Elektromotors verursachen, der zu dem beim effektiven
Antrieb des Verbrennungsmotors bewirkten Verschleiß hinzukommt.
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In
der
US-A-4,305,002 ist eine Vorrichtung vorgeschlagen
worden, die eine progressivere Speisung des Motors ermöglicht,
als sie von den herkömmlichen
Systemen bereitgestellt wird.
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Diese
Vorrichtung zur Steuerung des Elektromotors eines Kraftfahrzeuganlassers
umfaßt
Mittel zur Verringerung der Speisespannung des besagten Elektromotors
zu Anfang des Anlaßvorgangs,
wobei diese Mittel einen elektrischen Verbraucher und ein Schaltermittel
enthalten, das in der Lage ist:
- – an diesen
Verbraucher eine Spannungsquelle während einer Anfangsphase des
Anlaßvorgangs anzulegen
und
- – diesen
Verbraucher nach dieser Anfangsphase des Anlaßvorgangs abzuschalten.
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Im
einzelnen verschiebt sich in einer ersten Phase der Tauchanker,
wobei er über
eine Gabel das Ritzel antreibt, während der Elektromotor M abgeschaltet
ist.
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Während dieser
ersten Phase fließt
ein starker Strom durch die Spule, die bekannterweise eine Einzugswicklung
und eine Haltewicklung umfaßt.
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In
einer zweiten Phase verringert sich der Strom in der Spule, und
es werden Kontakte hergestellt, um den Elektromotor über einen
Widerstand zu speisen, so daß dieser
mit einer niedrigen Drehzahl läuft.
In dieser zweiten Phase kommt das Ritzel mit dem Anlaßzahnkranz
in Eingriff, was bei niedriger Drehzahl stattfindet.
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Am
Ende dieser zweiten Phase kommt der bewegliche Kontakt des Relais
mit den festen Kontakten dieses Relais in Eingriff, so daß der Elektromotor
direkt mit voller Leistung durch die Batterie gespeist und die Einzugswicklung
deaktiviert wird, während
nur die Haltewicklung weiterhin aktiviert bleibt.
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Bei
dieser Lösung
gestaltet sich das Relais insofern komplizierter, als dabei das
Vorhandensein einer Kontaktscheibe und zusätzlicher Kontakte erforderlich
ist. Außerdem
vergrößert sich
dadurch die Schaltzeit.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile
zu beseitigen.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabenstellung dadurch gelöst,
daß die
Vorrichtung zur Steuerung des Elektromotors des Anlassers ein Mittel
umfaßt,
das in der Lage ist, das Ende einer Stromspitze (oder eines Peaks)
im Elektromotor zu erfassen und eine Zustandsänderung des Mittels zum Anlegen
eines Verbrauchers im Falle einer derartigen Erfassung zu veranlassen.
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Es
wird daher nicht auf die mechanische Betätigung eines Relais zurückgegriffen,
so daß die Kontaktscheibe
nach dem bisherigen Stand der Technik entfallen und das Relais vereinfacht
werden kann.
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Die
Schaltzeit fällt
kürzer
aus, da das Ende einer Stromspitze erfaßt wird, um den Verbraucher abzuschalten.
Die zweite Stromspitze, die beim Abschalten des Verbrauchers auftritt,
weist ebenfalls eine geringe Amplitude auf.
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Das
erfindungsgemäße Mittel
besteht vorteilhafterweise aus einem Modul zur Stromspitzenerfassung.
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An
den Kohlebürsten
und dem Kommutator des Elektromotors tritt daher noch weniger Verschleiß auf, so
daß sich
die Lebensdauer des Anlassers dementsprechend noch weiter verlängert.
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Darüber hinaus
wird das Relais im Vergleich zu dem Relais der
US-A-4,305,002 vereinfacht.
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Weitere
Merkmale, Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung. Diese Beschreibung dient nur zur Veranschaulichung
und hat keine einschränkende
Wirkung. Sie ist unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen zu lesen;
darin zeigen im einzelnen:
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die
bereits analysierte 1 ein
Funktionsschaltbild eines Kraftfahrzeuganlassers nach dem bisherigen
Stand der Technik;
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die
bereits analysierte 2 ein
Diagramm zur Darstellung der Entwicklung des Stroms in dem Elektromotor
ebendieses Anlassers im Verlauf des Anlaßvorgangs;
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3 ein Funktionsschaltbild
zur Darstellung eines erfindungsgemäßen Anlassers in der Ausführung mit
einem zusätzlichen
Verbraucher, der mit dem Motor in Reihe geschaltet ist;
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4 ein Funktionsschaltbild
zur Darstellung eines erfindungsgemäßen Anlassers der gleichen
Art, bei dem der zusätzliche
Verbraucher und die Schaltmittel zum Schalten dieses Verbrauchers ein
außerhalb
des Anlassers befindliches Modul bilden;
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5 ein Funktionsschaltbild
zur Darstellung eines Anlassers nach einer Variante der Erfindung
mit einem zusätzlichen
Verbraucher, der mit dem Motor M parallel geschaltet ist;
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6 ein vereinfachtes Schaltbild
zur Darstellung der Vorrichtung von 5;
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7 ein Funktionsschaltbild
zur Darstellung eines erfindungsgemäßen Anlassers mit einem mit
dem Motor parallel geschalteten zusätzlichem Verbraucher nach einer
anderen Variante der Erfindung;
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8 ein Funktionsschaltbild
zur Darstellung einer weiteren Variante eines derartigen Anlassers,
bei welcher der zusätzliche
Verbraucher und sein Schaltkreis ein bezogen auf den restlichen
Anlasser externes Modul bilden;
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9 ein Flußdiagramm
zur Veranschaulichung verschiedener Schritte, die durch eine Vorrichtung
gemäß den 3 und 4 zur Anwendung gebracht werden;
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10 ein Flußdiagramm
zur Veranschaulichung verschiedener Schritte, die durch eine Vorrichtung
gemäß den 5 bis 8 zur Anwendung gebracht werden.
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Wie
in 3 dargestellt, unterscheidet
sich ein erfindungsgemäßer Anlasser
von dem bekannten Anlasser nach 1 im
wesentlichen dadurch, daß er
in Reihe geschaltet zwischen dem Schütz 1 und dem Elektromotor
M einen Widerstand 10 umfaßt, der wiederum mit einem
als Schalter dienenden Transistor 12 parallel geschaltet
ist. Bei diesem Transistor handelt es sich beispielsweise um einen
MOSFET-Transistor,
der bekannterweise ein Gate, eine Source und ein Drain aufweist.
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Das
Gate dieses Transistors 12 ist an einen Ausgang s2 der
Steuereinheit 5 angeschlossen, so daß die Steuereinheit 5 das Öffnen und
Schließen des
Transistors 12 steuert. Nach Maßgabe des an ihren Ausgang
angelegten Spannungspegels steuert die Steuereinheit 5 da her
die Zuschaltung oder Nichtzuschaltung eines zusätzlichen Verbrauchers, der mit
dem Elektromotor M in Reihe geschaltet ist.
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Im
einzelnen läßt sich
die Funktionsweise des Anlassers von 3 wie
folgt beschreiben, wie dies im übrigen
im Flußdiagramm
von 9 veranschaulicht
ist.
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Bei
der vorliegenden Steuereinheit 5 handelt es sich um einen
Mikroprozessor mit Mitteln zum Feststellen des Auftretens eines
vorbestimmten Spannungspegels an dem Kabel, das die Batterie über den
Zündschalter
mit der Steuereinheit 5 verbindet.
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Wenn
ein Benutzer den Zündschlüssel betätigt, erfaßt die Steuerschaltung 5 an
ihrem Eingang e1 einen hohen Spannungspegel, den sie als einen Anlaßbefehl
interpretiert.
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Nach
anderen Varianten kann der Anlaßbefehl
durch die Schaltung 5 über
das Auftreten eines Strom- oder Spannungspegels der Schützspule 2 erfaßt werden,
oder über
das Auftreten eines Spannungs- oder Strompegels an dem Strang mit
dem daran geschalteten Elektromotor M, der beispielsweise durch
das Auftreten eines Spannungspegels an einem zweiten Eingang e2
der Steuereinheit 5 erfaßt wird.
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Die
Steuereinheit 5 legt dann an das Gate des Transistors 12 eine
Gleichspannung an, die in der Lage ist, ihn im Sperrzustand zu halten,
woraufhin sie die Speisung der Schützspule 2 dadurch
herbeiführt,
daß sie
den Transistor 4 durchschaltet, so daß auf den Strang, an dem der
Widerstand 10 des Elektromotors M in Reihe geschaltet ist,
die Batteriespannung einwirkt.
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Der
Speisestrom des Elektromotors fließt daher durch diese beiden
Elemente, so daß der
Elektromotor M an seinen Klemmen eine Span nung aufweist, die niedriger
als die Spannung ist, die er bei Nichtvorhandensein des Widerstands 10 erhalten würde.
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Der
so unter reduzierter Spannung gespeiste Elektromotor nimmt daher
zu Beginn des Anlaufvorgangs eine Stromspitze auf, die deutlich
niedriger als die Stromspitze ausfällt, die er beim Starten mit
der nach 1 bekannten
Vorrichtung aufnimmt.
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Nach
dem Durchgang dieser leichten Stromspitze läuft der Anker des Elektromotors
M dann mit niedriger Drehzahl.
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Ein
Modul zur Erfassung des Durchgangs dieses Peaks, das in der Steuereinheit 5 nach
der Erfassung des Anlaßbefehls
aktiviert wird und das durch Vergleich der Klemmenspannung des Motors mit
einem vorgespeicherten Schwellenwert funktioniert, bestimmt erfindungsgemäß das Ende
des Peaks bzw. der Stromspitze, wenn die Klemmenspannung des Motors
diesen Schwellenwert unterschreitet.
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Nach
einer anderen Variante vergleicht dieses Erfassungsmodul die Stromstärke, die
durch den Elektromotor M fließt,
mit einem vorgespeicherten Wert.
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Wenn
der Durchgang dieser Stromspitze diagnostiziert worden ist, speist
die Schaltung 5 das Gate des Transistors mit einer Gleichspannung,
die den Transistor durchschaltet und durchgeschaltet hält, so daß der Widerstand 10 kurzgeschlossen
ist und der Elektromotor M mit voller Leistung gespeist wird.
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Daraufhin
stellt sich ein zweiter Stromstärkepeak
im Elektromotor M ein, der eine niedrige Amplitude aufweist, da
der Elektromotor hier bereits läuft, wenn
die volle Batteriespannung an ihn angelegt wird.
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Die
Steuereinheit 5 enthält
dabei vorteilhafterweise Mittel, um diese Dauer in Abhängigkeit
von der Stromstärke
oder von der Spannung anzupassen, die am Ausgang der Batterie verfügbar ist,
oder aber in Abhängigkeit
von der Temperatur, um sicherzustellen, daß die Stromspitze tatsächlich vor
dem Durchschalten des Transistors 12 durchgegangen ist,
trotz etwaiger Veränderungen
dieser verschiedenen Parameter, die sich auf die Anlaufzeit des
Elektromotors auswirken.
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Der
Widerstand 10 kann durch eine bezogen auf die Erregerwicklung
zusätzliche
Wicklung oder durch ein aus einem Widerstand und einer Wicklung in
Reihenschaltung bestehenden Paar ersetzt werden. In diesem zuletzt
genannten Fall ergibt sich ein verfügbares Moment, das im Verlauf
der Sperrphase des Transistors 12 größer ausfällt.
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In 5 ist eine Variante eines
erfindungsgemäßen Anlassers
dargestellt, bei der ein an der Batterie zu Beginn des Anlaßvorgangs
angelegter zusätzlicher
Verbraucher 10 mit dem Elektromotor parallel geschaltet
ist.
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Dazu
weist die Schaltung von 5 an
einem mit dem Motor parallel geschalteten Nebenschlußstrang
einen Widerstand 10 auf, der mit einem Transistor 12 in
Reihe geschaltet ist, der durch seine Gate mit der Steuereinheit 5 verbunden
ist.
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In
einer Anfangsphase zu Beginn des Anlaufens des Elektromotors M,
deren Durchführungsbefehl
sowie deren Ende durch die Steuereinheit 5 erkannt werden,
bleibt der Transistor 12 durchgeschaltet, so daß die Batterie
dann eine Gruppe von zwei Verbrauchern speist, bei denen es sich
um das Motordrehmoment M und den Widerstand 10 handelt, wie
dies in 6 veranschaulicht
ist.
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In 6 stehen Eb und Rb für die elektromotorische
Kraft und den Innenwiderstand der Batterie, R1 für den Widerstand der Erregerwick- lung 3 des Elektromotors
M und R3 für
den Widerstand des durch den Widerstand 10 und den Transistor 12 gebildeten
Nebenschlußstromkreises.
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Das
Ansetzen einer Gleichung für
diesen Stromkreis ergibt, daß der
Reduktionskoeffizient K des Stroms, das heißt das Verhältnis zwischen dem Strom ohne
Nebenschlußstromkreis
R3 und dem Strom mit Nebenschlußstromkreis,
solange der Motor noch abgeschaltet ist, K = 1 + R2(R1 + Rb)/R3(Rb +
R1 + R2) lautet. Das Verhältnis
K ist bei einem endlichen Wert von R3 deutlich größer als
1.
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Die
vorliegende Vorrichtung, wie sie in 5 dargestellt
ist, funktioniert nach einer Abfolge von Schritten, die im Flußdiagramm
von 10 dargestellt sind.
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Nach
der Erfassung des Anlaßbefehls
legt die Steuereinheit 5 an das Gate des Transistors 12 eine
Gleichspannung an, die in der Lage ist, ihn durchgeschaltet zu halten,
woraufhin sie die Speisung der Schützspule 2 durch das
Durchschalten des Transistors 4 herbeiführt, so daß die Verbraucher 10 und
M durch die Batterie gespeist werden. Der Elektromotor M weist an
seinen Klemmen eine Spannung auf, die niedriger als die Spannung
ausfällt,
die er bei Nichtvorhandensein des Widerstands 10 erhalten würde.
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Der
so unter reduzierter Spannung gespeiste Elektromotor nimmt eine
Stromspitze mit niedriger Amplitude auf, die ausreicht, um dem Elektromotor eine
niedrige Drehzahl zu geben.
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Ein
Modul der Steuereinheit 5, das erfindungsgemäß vorgesehen
ist, um das Ende des Peaks zu erfassen und das ähnlich wie das Modul der Vorrichtung
von 3 ausgeführt ist,
bestimmt das Peakende, so daß die
Steuereinheit 5 dann das Gate des Transistors 12 mit
einer Durchgangsgleichspannung speist und ihn durchgeschaltet hält. Die Stromabzweigung
im Widerstand 10 entfällt
dabei, so daß der
Elektromotor mit voller Leistung gespeist wird.
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Daraufhin
stellt sich ein zweiter Stromstärkepeak
im Elektromotor M ein, dessen Amplitude niedriger ausfällt, da
der Motor bereits läuft,
wenn die volle Batterieleistung an ihn angelegt und das Ende des ersten
Peaks erfaßt
wird.
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Nach
einer in 7 dargestellten
Variante, bei der der Elektromotor M mehrere Erregerwicklungen 3a und 3b umfaßt, kann
sich der Nebenschlußstrang
von einem Punkt aus erstrecken, der sich zwischen diesen zwei Erregerwicklungen 3a und 3b befindet.
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Nach
einer Variante kann der Nebenschlußwiderstand 10 durch
den Eigeninnenwiderstand des Schalters 12 gebildet werden.
Bei dem Widerstand kann es sich außerdem um den Widerstand einer Wicklung
handeln, die als Nebenschlußwicklung
arbeitet. In diesem Fall findet ein zusätzlicher Fluß im Nebenschlußstrang
statt, der zu einem zusätzlichen Moment
führt,
das ein schnelleres Anlaufen des Ankers ermöglicht und zu einer Minimierung
der Stromspitze beiträgt.
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In
den beschriebenen Ausführungsbeispielen
kann der Transistor 12 außerdem durch eine Gate-Spannungsrampe
gespeist werden, die in der Lage ist, ihn allmählich vom gesperrten Zustand
in den durchgeschalteten Zustand zu versetzen. Eine derartige Spannungsrampe
kann eine veränderliche Gleichspannung
oder eine mit veränderlichem
Taktverhältnis
zerhackte Spannung liefern.
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Bei
dem Schalter 12 kann es sich um ein elektromechanisches
Relais handeln.
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Das
Schütz 1 kann
aus einem elektronischen Schalter bestehen, oder es kann sich herkömmlicherweise
um ein Doppelspulenschütz
handeln.
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Wie
dies in den 4 und 8 veranschaulicht ist, können die
durch den Widerstand 10 und den Schalter 12 gebildete
Schaltung und ihre zugehörige Steuerschaltung 5 eine
außerhalb
des Anlassers angebrachte Baugruppe bilden.
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Die
hier vorgestellten verschiedenen Vorrichtungen ermöglichen
die Verwendung von Batterien mit sehr hoher Leistung ohne Beschädigung des
Anlassers dank der allmählichen
Einschaltung des Elektromotors M.
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Die
hier verwendeten Mittel ermöglichen grundsätzlich einen
geringeren Verschleiß der
Kohlebürsten
und Kommutatoren durch Lichtbögen
beim Schließen
des Schützes 1 sowie
eine Verringerung der mechanischen Beanspruchungen der verschiedenen
zwischen dem Elektromotor M und seinem Ausgangsritzel enthaltenen
Untergruppen beim Starten des Anlassers.
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Derartige
Vorrichtung mit Einschaltung eines Verbrauchers durch gesteuertes
Umschalten zusammen mit dem Elektromotor M sind besonders nützlich im
Falle einer Benutzung im "Stop
and go"-Betrieb, das
heißt
im Falle eines Fahrzeugs mit Mitteln zur automatischen Abschaltung
seines Verbrennungsmotors beim Anhalten des Fahrzeugs sowie mit
Mitteln zum Erfassen und Wiederanlassen, die auf den seitens des
Fahrers geäußerten Wunsch
weiterzufahren reagieren.
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Nach
einer in den Flußdiagrammen
der 9 und 10 mit gestrichelten Linien
dargestellten Variante, kann der Übergang zur vollen Leistung nach
einer festen Dauer (Zeitschaltung) nach dem Sperren des Transistors 12 ausgelöst werden.
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Diese
Dauer ist im Verhältnis
zu einem Stromstärke-
oder Spannungspegel vorgegeben, welcher der Erfassung des Endes
einer Stromspitze entspricht.
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Text zu den Figuren
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9
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- Ordre de démarrage:
Anlaßbefehl
- Détection
de la commande d'alimentation
du moteur électrique:
Erfas sung des Befehls zum Speisen des Elektromotors
- Blocage du transistor: Sperren des Transistors
- Détection
du passage de pointe de courant: Erfassung des Durchgangs einer
Stromspitze
- Déblocage
du transistor: Entsperren des Transistors
- suite du processus de démarrage:
Fortsetzung des Anlaßprozesses
- temporistation: Zeitschaltung
-
10
-
- Ordre de démarrage:
Anlaßbefehl
- Détection
de la commande d'alimentation
du moteur électrique:
Erfas sung des Befehls zum Speisen des Elektromotors
- Fermeture du circuit de dérivation:
Schließen
des Nebenschlußstrom
kreises
- Détection
du passage de pointe de courant: Erfassung des Durchgangs einer
Stromspitze
- Ouverture du circuit de dérivation: Öffnen des
Nebenschlußstromkrei
ses
- suite du processus de démarrage:
Fortsetzung des Anlaßprozesses
- temporistation: Zeitschaltung