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Dokumentenidentifikation DE4336162A1 27.04.1995
Titel Fahrzeug
Anmelder Mundhenke, Erich, 31848 Bad Münder, DE
Erfinder Mundhenke, Erich, 31848 Bad Münder, DE
DE-Anmeldedatum 22.10.1993
DE-Aktenzeichen 4336162
Offenlegungstag 27.04.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.04.1995
IPC-Hauptklasse H02K 23/52
IPC-Nebenklasse H02K 23/54   H02K 7/10   F02N 11/04   
Zusammenfassung Bekanntlich sind praktisch alle von einem Treibstoffmotor angetriebenen Fahrzeuge mit einem Elektromotor als sogenannten Anlasser oder Starter und einem Elektrogenerator als sogenannte Lichtmaschine ausgerüstet. Während der Anlasser nur zum Starten des Treibstoffmotors eingesetzt wird, dient die Lichtmaschine zur Erzeugung der elektrischen Energie, die entweder in einem angeschlossenen Akkumulator gespeichert wird oder direkt zur Versorgung der elektrischen Bauteile des Fahrzeugs verwendet wird.
Anlasser und Lichtmaschine brauchen einen eigenen Platz im Motorraum des Fahrzeugs und werden unabhängig voneinander hergestellt, obwohl beide Bauteile viele im Prinzip gemeinsame Bauteile aufweisen.
Hier setzt die Erfindung an, der die Aufgabe zugrunde liegt, mit möglichst wenig Kosten- und Materialaufwand einen Anlasser und eine Lichtmaschine zu schaffen, die überdem noch platzsparend im Motorraum untergebracht werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Fahrzeug der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß Anlasser und Lichtmaschine zu einer einzigen Maschine vereinigt sind und daß die Maschine auf der Kurbelwelle des Treibstoffmotors sitzt.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß Anlasser wie auch Lichtmaschine aus im wesentlichen der gleichen Baueinheit vorteilhaft gebildet werden können, wenn diese Baueinheit eine Gleichstrom-Scheibenläufer-Maschine ist, die je nach Ansteuerung als Anlasser oder Lichtmaschine arbeitet. Dabei ist von großem ...

Beschreibung[de]

Bekanntlich sind praktisch alle von einem Treibstoffmotor angetriebenen Fahrzeuge mit einem Elektromotor als sogenannten Anlasser oder Starter und einem Elektrogenerator als sogenannte Lichtmaschine ausgerüstet. Während der Anlasser nur zum Starten des Treibstoffmotors eingesetzt wird, dient die Lichtmaschine zur Erzeugung der elektrischen Energie, die entweder in einem angeschlossenen Akkumulator gespeichert wird oder direkt zur Versorgung der elektrischen Bauteile des Fahrzeugs verwendet wird.

Anlasser und Lichtmaschine brauchen einen eigenen Platz im Motorraum des Fahrzeugs und werden unabhängig voneinander hergestellt, obwohl beide Bauteile viele im Prinzip gemeinsame Bauteile aufweisen.

Hier setzt die Erfindung an, der die Aufgabe zugrunde liegt, mit möglichst wenig Kosten- und Materialaufwand einen Anlasser und eine Lichtmaschine zu schaffen, die über dem noch platzsparend im Motorraum untergebracht werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Fahrzeug der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß Anlasser und Lichtmaschine zu einer einzigen Maschine vereinigt sind und daß die Maschine auf der Kurbelwelle des Treibstoffmotors sitzt.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß ein Anlasser wie auch Lichtmaschine aus im wesentlichen der gleichen Baueinheit gebildet vorteilhaft werden können, wenn diese Baueinheit eine Gleichstrom-Scheibenläufer-Maschine ist, die je nach Ansteuerung als Anlasser oder Lichtmaschine arbeitet. Dabei ist es von großem Vorteil, wenn die Gleichstrom-Scheibenläufermaschine auf der Kurbelwelle des Motors sitzt.

Durch die Erfindung können nicht nur erhebliche Kosten und Material eingespart werden, die bislang separat für Anlasser und Lichtmaschine aufgewendet werden müssen, auch eine erhebliche Platzersparnis läßt sich erzielen, was im ohnehin räumlich eng bemessenen Motorraum zu einer leichteren Bedienbarkeit auch anderer Instrumente oder Bauteile führt. Darüber tritt eine nicht zu vernachlässigende Gewichtsersparnis ein, die sich in einem geringeren Treibstoffverbrauch niederschlägt. Auch wird der Zusammenbau des Motors bzw. des Fahrzeugs vereinfacht und die Reparaturanfälligkeit wegen des Einsatzes von weniger Teilen herabgesetzt.

Wenn es zweckmäßig ist, kann zwischen der Kurbelwelle und der Gleichstrom-Scheibenläufer- Maschine ein einstellbares Getriebe, z. B. ein Planetengetriebe, vorgesehen werden, so daß für den Generatorbetrieb der Scheibenläufer sich mit einer anderen Geschwindigkeit dreht als im Motorbetrieb.

Je nach Bedarf kann auch die Zahl der Magneten des Scheibenläufers bzw. der magnetische Fluß, der den Scheibenläufer durchsetzt, auf einfache Weise variiert werden, um z. B. die gewünschte elektrische Leistung bei vorgegebenen Motordrehzahlen zu erzeugen.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand eines in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 Prinzipbild eines Motors mit daran befestigter Anlasser/Lichtmaschinen-Baueinheit

Fig. 2 Alternativdarstellung zu Fig. 1

Fig. 3 einen Querausschnitt aus dem Scheibenläufer

Fig. 4 eine Alternativdarstellung zu Fig. 2, bei der zwischen Anlasser/Lichtmaschine und Treibstoffmotor ein Getriebe vorgesehen ist.

Fig. 5 einen Teilschnitt durch die Baueinheit gemäß Fig. 1,

Fig. 6 einen Teilschnitt durch die Baueinheit gemäß Fig. 2.

In Fig. 1 ist eine Prinzipdarstellung der Erfindung gezeigt mit einem Verbrennungsmotor 1, einer Anlasser- und Generatoreinheit 2, die am Motor 1 angebracht auf der Kurbelwellenachse 15 des Motors sitzt. An der Baueinheit 2 schließt sich eine Kupplung 3 als Wandler und daran ein Getriebe, vorzugsweise ein Automatikgetriebe 4 an. Die Kupplung kann auch als Strömungskupplung ausgebildet sein.

Fig. 2 zeigt eine Alternativdarstellung zu Fig. 1. Anlasser- und Generatorbaueinheit 2 sowie Kupplung 3 sind an gegenüberliegenden Enden der Kurbelwellenachse 15 des Motors 1 angebracht.

Fig. 3 zeigt einen Querausschnitt des Scheibenläufers, bei dem auf jeder Seite strahlenförmig Leiterzüge angeordnet sind. In der Fig. 3 bedeutet Ê (Pfeilspitze), daß der Strom durch den Leitzerzug auf den Betrachter zukommt, und ⊷ (Pfeilrücken), daß der Strom vom Betrachter wegfließt. Die Elektromagnete bewirken durch entsprechende Wicklungen, daß das Magnetfeld senkrecht auf den Leiterzügen steht, wobei sich jeweils die Nord- (oder Süd-) Pole der Magnete wie in der Fig. gezeigt, gegenüberstehen. Somit entsteht eine quasi Linearmotor/Generator- Anordnung. Eine andere Anordnung der Nord- oder Südpole ist ebenso denkbar.

Fig. 4 zeigt eine weitere Alternativdarstellung zu Fig. 2, bei der zwischen der Anlasser- und Generator-Baueinheit 2 und dem Verbrennungsmotor 1 ein Getriebe 5 vorgesehen ist, welches beim Anlasserbetrieb für eine andere Übersetzung sorgt, als beim Generatorbetrieb der Baueinheit 2. Vorzugsweise ist das Getriebe 5 ein Planetengetriebe.

Fig. 5 zeigt einen Teilschnitt durch die Darstellung gemäß Fig. 1. Die Anlasser- und Generator- Baueinheit 2 ist als Gleichstrom- Scheibenläufer-Maschine ausgeführt. Dabei dreht sich der Scheibenläufer 7, der auch als Barlowsches Rad bezeichnet wird mit seinen radialen Endbereich 28 zwischen Magneten 8 und 9. Diese Magnete können aus ringförmig angeordneten mehreren Polpaaren bestehen, so daß das Magnetfeld im wesentlichen senkrecht auf der Läuferscheibe steht. Die Magnete 8 und 9 können sowohl als Dauermagnete als auch als Elektromagnete ausgeführt werden. Die gesamte Baueinheit ist in einem Gehäuse 6 angeordnet, welches von der Kurbelwelle bzw. dessen Achse durchsetzt ist. Der Scheibenläufer hat in der dargestellten Ausführung einen in Achsnähe 15 rohrförmigen Bereich 29, auf dem ein Kommutator 11 sowie daneben ein Schleifring 10 sitzt. Auf dem Kommutator und dem Schleifring sind Kohlebürstenhalter angeordnet. Sind die Magnete 8 und 9 als Elektromagnete ausgeführt, wird über ein Anschlußkasten 13 und elektrischer Verbindungsleitungen den Magneten (Fig. 3) Strom zugeführt.

Es versteht sich von selbst, daß gerade bei Verwendung von Elektromagneten 8 und 9 die Zahl der Elektromagnete bzw. der durch die Magnetische erzeugte magnetische Fluß durch den Scheibenläufer individuell eingestellt werden kann, was unter Umständen bei großen Drehzahlen im Generatorbetrieb notwendig sein kann. Ebenso ist es selbstverständlich, daß statt eines einzigen Scheibenläufers 7 mehrere in Achsrichtung hintereinander angeordnete Scheibenläufer 7 vorgesehen werden können, wobei sich mit jedem weiteren Scheibenläufer 7 eine weitere Magnetebene ergibt, die eine andere Polung als die in Achsrichtung benachbarten Magnete aufweisen.

Eine weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 6 dargestellt. Die Anlasser- Generator-Baueinheit ist ebenfalls wieder als Gleichstrom- Scheibenläufer-Maschine ausgeführt. Dabei ist das Barlowsche Rad als gekröpfte Scheibe 17 ausgeführt, die in Achsnähe einen im Querschnitt T-förmigen Bereich 30 aufweist, auf dessen einem Schenkel Schleifring und Kommutator mit Kohlebürstenhalter 12 angeordnet sind und auf dessen anderem Schenkel ein Freilauf 19 für den Anlasserbetrieb ruht. Auf dem Freilauf 19 sitzt ein Zahnkranz 24 mit Außenverzahnung, der mit Planetenrädern 22, die einen weiteren Zahnkranz 23 mit Innenverzahnung aufweisen, im Eingriff steht. Die Planetenräder werden durch einen Träger 21 gehalten, welcher seinerseits wiederum über einen Freilauf bzw. Kugellager 26 mit einer Hohlwelle 27 verbunden ist, die auf der Kurbelwelle 15 sitzt. In seinem radialen Bereich ist der Scheibenläufer von Magnetpolpaaren 8 und 9 umgeben, die ein Magnetfeld erzeugen, daß im wesentlichen senkrecht auf dem Scheibenläufer steht. Die gesamte Anlasser-Generator- Baueinheit ist in einem Gehäuse 18 untergebracht.

Zwischen der Kurbelwelle und dem Scheibenläufer ist ein weiterer Freilauf 20 vorgesehen, der im Anlasserbetrieb dafür sorgt, daß die Kräfte nicht direkt auf die Kurbelwelle übertragen werden, sondern über das Planetengetriebe 16. Im Lichtmaschinenbetrieb ist der Freilauf gesperrt und die Kurbelwelle treibt den Scheibenläufer direkt an, während dann der Freilauf 19 des Planetengetriebes dafür sorgt, daß das Getriebe nicht mit angetrieben wird, um Schäden am Getriebe bei zu hohen Drehzahlen zu vermeiden.

Motor- oder Anlasserbetrieb:

Im Motorbetrieb wird über die Kohlebürstenhalter 12, die mit dem Akkumulator des Fahrzeugs verbunden sind, Strom durch den Scheibenläufer geleitet, so daß sich der Strom auf dem Scheibenläufer aufgrund der strahlenförmigen Leiterzuganordnung (nicht dargestellt) in radialer Richtung fließt. Das das Magnetfeld senkrecht auf der Läuferscheibe 7 bzw. 17 steht, wirkt auf den stromdurchflossenen Leiter im Magnetfeld eine Kraft, so daß sich der Scheibenläufer bzw. Rotor dreht.

Durch das Fehlen des Eisens im Anker wird nicht nur das Gewicht der drehenden Teile reduziert, es ergeben sich außerdem sehr kleine Werte für die Ankerinduktion. Dadurch entsteht auch bei großen Stromansteigsgeschwindigkeiten kein Bürstenfeuer an den Kohlebürsten. Die Folge ist, daß die Kohlebürsten sehr lange halten, in der Regel mehr als 5,4 × 10 exp. 8 Umdrehungen. Wenn die Felderregung wie dargestellt über mehrere z. B. 10 gegenüberstehende Dauer- oder Elektromagnetpaare erfolgt, die auf der Stirnseite des Gehäuses angeordnet sind, erfolgt der magnetische Rückschluß durch die Eisenteile des Anlasser-Generator-Gehäuses. Die Stromzufuhr erfolgt über Spezialkohlebürsten direkt auf die Leiterzüge.

Generator- oder Lichtmaschinenbetrieb:

Im Generatorbetrieb wird der Scheibenläufer durch das Magnetfeld bewegt, da der Scheibenläufer auf der vom Verbrennungsmotor angetriebenen Kurbelwelle sitzt. Dadurch wird in den Leitern des Scheibenläufers eine Spannung induziert und die erzeugte elektrische Energie fließt über die Kohlebürsten entweder zu den elektronischen Baueinheiten des Fahrzeugs oder wird im Akkumulator gespeichert. Über eine Meßeinrichtung (nicht dargestellt), die die Erzeugung der elektrischen Leistung mißt, kann, wenn es notwendig und wünschenswert ist, der Magnetfluß, der durch die Magnete erzeugt wird, mittels einer Regelschaltung, die mit der Meßeinrichtung verbunden ist, derart gesteuert werden, daß jeweils nur die benötigte elektrische Leistung erzeugt wird.

Die Vorteile, die die Anordnung des Anlassers und des Generators in einer einzigen Scheibenläufer-Baueinheit mit sich bringen, sind offenkundig. Es werden nicht nur Bauteile für beide Betriebsarten doppelt ausgenutzt und damit insgesamt weniger Bauteile in einem Fahrzeug benötigt, was enorme Spareffekte hinsichtlich der Kosten und des Gewichts bewirkt, auch wird eine Raumersparnis im Motorraum erzielt, die nicht zu vernachlässigen ist und die Bedienungsfreundlichkeit für Wartungsarbeiten im Motorraum verbessert. Durch direkte Kraftübertragung auf die oder von der Kurbelwelle kann auf bislang benötigte Kraftübertrager wie Keilriemen, Ketten usw. verzichtet werden, was den Spareffekt erhöht und die Reparaturanfälligkeit insgesamt erniedrigt, da gerade diese Teile ständiger Gegenstand eines Austausches wegen Verschleiß sind. Darüber hinaus kann mit der Gleichstrom-Scheibenläufer- Maschine die elektrische Energie in der Form ohne Umwege erzeugt werden, wie sie von praktisch allen Bauteilen im Fahrzeug benötigt wird, nämlich als Gleichstrom. Auf eine Gleichrichtung des Stroms, der von einer Drehstrom-Lichtmaschine erzeugt wird, kann verzichtet werden. Durch die einfache Einstellmöglichkeit des magnetischen Flusses durch den Scheibenläufer kann auf einfachste Weise jeweils die benötigte Leistung eingestellt werden. Die bekannte Robustheit eines Scheibenläufer- Motors läßt den Einsatz gerade im Fahrzeug geeignet erscheinen.

Statt der Gleichstrom-Scheibenläufer-Maschine 2 kann auch eine Kurzschlußläufer-Maschine oder Drehstrom-Scheibenläufer-Maschine vorgesehen werden. Der Aufbau solcher Maschinen ist vom Prinzip her bekannt.


Anspruch[de]
  1. 1. Fahrzeug mit einem Treibstoffmotor (1) und einem als Elektromotor ausgebildeten Starter oder Anlasser und einem Genererator, der zur Erzeugung elektrischer Energie dient, dadurch gekennzeichnet, daß Elektromotor und Generator zu einer einzigen Maschine vereinigten Gleichstrom-Scheibenläufer-Maschine (2) ausgebildet sind, daß je nach Ansteuerung die Maschine der Elektromotor oder der Generator ist und daß die Maschine auf der Kurbelwelle (15) des Treibstoffmotors (1) sitzt.
  2. 2. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Maschine (2) und dem Treibstoffmotor (1) ein Getriebe (5) für unterschiedliche Übersetzungen vorgesehen ist.
  3. 3. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Maschine (2) und dem Treibstoffmotor (1) eine Strömungskupplung vorgesehen ist.
  4. 4. Gleichstrom-Scheibenläufer-Maschine, die als Anlasser oder Starter und Elektrogenerator bzw. Lichtmaschine eines Fahrzeugs ausgebildet ist oder wird.
  5. 5. Gleichstrom-Scheibenläufer-Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine mehrere Scheibenläufer aufweist, die je nach Bedarf zuschaltbar sind.
  6. 6. Gleichstromscheibenläufer-Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Fluß, der den Scheibenläufer durchsetzt, mittels einer Regelschaltung einstellbar ist.
  7. 7. Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß statt einer Gleichstrom- Scheibenläufer-Maschine (2) eine Kurzschlußläufer-Maschine oder eine Drehstrom- Scheibenläufer-Maschine vorgesehen ist.






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