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.