用於內燃機的起動裝置的旋轉電機以及起動裝置和車輛的製作方法

2023-04-25 02:38:11 1

專利名稱：用於內燃機的起動裝置的旋轉電機以及起動裝置和車輛的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於內燃機的起動裝置的旋轉電機，該旋轉電機包括轉子和至少一個多層電刷，所述轉子具有由多個導體段構成的換向器，所述至少一個多層電刷在旋轉電機工作時在換向器上滑動，所述多層電刷具有沿換向器的旋轉方向依次布置的、具有不同電阻值的多個層。本發明還涉及一種用於車輛內燃機的起動裝置和一種車輛。
背景技術：
開頭所述類型的旋轉電機由現有技術已知。它們通常是用於內燃機的起動裝置的組成部分，並且相應地用於在起動內燃機時使該內燃機旋轉。旋轉電機具有換向器以及與該換向器共同作用的電刷或多層電刷。換向器通常由多個導體段組成並且被分配給旋轉電機的轉子。多層電刷被設置為，可以在旋轉電機工作時在換向器上滑動。換向器和多層電刷在此基本上構成逆變器，以給轉子的電樞繞組施以周期性變換極性的電流。電刷(也可稱為碳刷)由多層構成，這些層沿換向器的旋轉方向依次布置，也就是說在電流流動方面而言相互並列地設置。因此，通過層可以並行地給導體段輸送電流，其中，電刷的層並非必須與導體段中的同一個電接觸。就此而言，旋轉電機作為直流電機存在。在該直流電機中，多層電刷承擔電流換向和將電流從旋轉電機的外用端子傳遞到換向器的導體段的功能。在起動裝置的旋轉電機中，經常使用兩層電刷作為多層電刷。在此，其中一層具有高的導電性，而另一層具有低的導電性。具有高導電性的層被稱為功率層，具有低導電性的層被稱為換向層。為了改善在內燃機起動和旋轉時在旋轉電機作為電動機運轉時的換向，換向層沿旋轉方向布置在多層電刷的後側。通過這種方式，減小旋轉電機在作為電動機運轉期間的電損耗。由現有技術例如已知W02009/083433A1。其涉及一種多層電刷，該多層電刷主要具有由石墨成分以及銅成分組成的複合結構以及層狀的結構，其中，第一層含有高的銅成分，另一層含有較低的銅成分。此外，由JP2001-351758A已知一種用於小直流電動機的電刷，該電刷構造為多層電刷，並且示出了一個位於具有大電阻的兩層之間的具有較小電阻的層。

發明內容
與此相對，具有權利要求1中所述特徵的旋轉電機呈現出如下優點:特別是在旋轉電機惰性運轉期間的多層電刷的升溫降低，因此多層電刷的使用壽命得以延長。在此，惰性運轉可以理解為旋轉電機的一種工作狀態，在該工作狀態下，旋轉電機的轉子由於慣性在主電流切斷之後且特別是在內燃機起動或旋轉之後仍繼續轉動，並且在這種情況下通過電的和機械的制動力矩被制動。根據本發明的優點通過如下方式實現，即，使多個層中的沿旋轉方向布置在前側的層與多個層中的沿旋轉方向布置在後側的層相比具有更大的電阻率。因此,與現有技術中已知旋轉電機相反，現在應規定，將具有較大電阻率或者說具有較小導電性的換向層沿旋轉方向布置在多層電刷的前側。與此相反，沿旋轉方向位於多層電刷後側的、例如構成功率層的層應具有較小的電阻率或者說具有較大的導電性。惰性運轉期間旋轉電機電刷中的電損耗通過電流產生，該電流在旋轉電機的內部流過轉子的電樞繞組，進而流經電刷和換向器的導體段之間的觸點。在該觸點上產生主要部分的電損耗。電刷和導體段之間的電流的時間變化曲線，更確切地說其與轉子位置有關的變化曲線確定了功率損耗並影響電刷的使用壽命。通過在多層電刷的沿旋轉方向位於前面的側面(亦被稱為前緣稜邊)上的、導電性較低的層，也就是說電阻率較大的層，在旋轉電機惰性運轉期間可以實現有利的電流形式，使電功率損耗降低並且使電刷的使用壽命延長。因此，這樣構造的旋轉電機特別是在作為發電機運轉時具有低損耗，而在作為電動機運轉時的損耗比在已知的實施方式中高。儘管如此，根據本發明的用於起動內燃機的旋轉電機被應用於電動機工作模式。因為電動機式的運轉總是僅短暫地進行，即直到成功地起動內燃機，所以在作為發電機運轉時的惰性運轉與作為電動機運轉時相比，持續得更長，從而這裡產生的損耗對於旋轉電機使用壽命的影響要總體上大於在作為電動機運轉期間產生的損耗影響。以這種方式，通過根據本發明實施的旋轉電機，電刷或多層電刷的使用壽命能夠明顯得以改善。本發明的一種改進方案規定，僅設有兩個層。顯然可以規定，多層電刷具有任意數量的層，其中僅僅是沿旋轉方向布置在前側的層與沿旋轉方向布置在後側的層相比應具有較大的電阻率，而有利的是，僅設有兩個層。通過這種方式，可以實現多層電刷簡單且低廉的製造，通過該多層電刷已經可以實現根據本發明的優點。出於此目的，層的數量的進一步增加是沒有必要的，而僅會增加製造時的花費。該方案特別適用於在只能以唯一的旋轉方向驅動旋轉電機時的這種情況。本發明的一種改進方案規定，設有多個多層電刷，這些多層電刷成對地關於換向器對置地布置。通過較多數量的多層電刷，能夠使輸送給轉子的電流的電流強度增大，而不需要使多層電刷本身增大。對於正常的工作，有意義的是，每兩個多層電刷彼此沿直徑對立地設置。在此，使每兩個、特別是對置的多層電刷相反地極化，例如一個與正極連接而另一個與負極連接。本發明的一種改進方案規定，多個層中的沿旋轉方向布置在前側的層與多個層中的沿旋轉方向布置在後側的層相比具有更小的延伸長度。也就是說，具有較小電阻率的層應優選地能夠通過較大的面與導體段產生電連接，以能夠傳遞足夠大的功率。與此相反，具有較大電阻率的層主要用於降低損耗，但只在較小的範圍內用於傳輸電流。出於這個原因，在旋轉方向上看，它可以具有明顯更小的延伸長度。例如，沿旋轉方向布置在後側的層的延伸長度是沿旋轉方向布置在前側的層的延伸長度的幾倍，特別是整數倍。本發明的一種改進方案規定，在每兩個導體段之間分別設有一個段間隙，其中，段間隙在旋轉方向上的延伸長度小於多個導體段中的一個的延伸長度。段間隙用於將導體段彼此電絕緣。段間隙被設置為，它們沿換向器的旋轉方向分別將每兩個導體段間隔開。就此而言，在兩個直接相鄰的導體段之間分別存在一個段間隙。但在此，段間隙在旋轉方向上的延伸長度應(明顯)小於多個導體段中的一個的延伸長度。本發明的一種改進方案規定，多個層中的沿旋轉方向布置在後側的層的延伸長度大於多個導體段中的一個延伸長度，和/或小於該導體段與相鄰的段間隙中的至少一個段間隙的總延伸長度。因此，在相應布置的情況下，具有較小電阻率的層應沿旋轉方向延伸超出相應的導體段，也就是說大於該導體段。但附加地或替代地，具有較小電阻率的層的延伸長度小於導體段和與該導體段相鄰的段間隙中的至少一個段間隙的總延伸長度。在層和導體段相對彼此對中地布置的情況下，層相應地超出導體段，但不與相鄰的導體段接觸，而是位於導體間隙上方。本發明的一種改進方案規定，多層電刷是可以更換的。旋轉電機的電刷屬於在工作期間經受劇烈磨損的部件。出於這個原因，會出現儘管旋轉電機的其他組成部件仍可運轉但電刷用壞的情況。因此規定，可以更換多層電刷並且通過這種方式延長旋轉電機的使用壽命。同樣可以規定，通過多層電刷的可更換性，可以給已有的旋轉電機裝備以其他方式構造的電刷或根據本發明的多層電刷。本發明的一種改進方案規定，所述旋轉方向是以內燃機起動定向的。旋轉電機是起動裝置的組成部分，藉助於該起動裝置可以將內燃機起動。為了起動內燃機，驅動旋轉電機，由此轉子沿旋轉方向轉動。在此，這個旋轉方向確定為，通過該旋轉方向可以起動內燃機。就此而言，旋轉方向是旋轉電機的優選的旋轉方向。特別地，旋轉電機僅設計用於這個旋轉方向，從而不能以相反的旋轉方向工作。本發明還涉及一種用於車輛內燃機的起動裝置，該起動裝置具有旋轉電機，特別是根據以上實施方式所述的旋轉電機，其中，所述旋轉電機包括轉子和至少一個多層電刷，所述轉子具有由多個導體段構成的換向器，所述至少一個多層電刷在旋轉電機工作時在換向器上滑動，所述多層電刷具有沿換向器的旋轉方向依次布置的、具有不同電阻值的多個層。在此規定，多個層中的沿旋轉方向布置在前側的一個層與多個層中的沿旋轉方向布置在後側的一個層相比具有更大的電阻率。就此而言，起動裝置包括旋轉電機，特別是上文已描述的旋轉電機。旋轉電機還可以根據上文所述的實施方式進行改進。本發明還涉及一種車輛，特別是機動車輛，其具有這種類型的起動裝置，其中所述車輛還裝備有起停系統。當車輛不需要牽引功率時，例如當車輛靜止且在車輛內燃機和傳動系之間的起動離合器打開時，藉助於起停系統使內燃機停止。如果內燃機提供驅動力矩，那麼必須儘可能快速地將內燃機重新起動。但這意味著，由起停系統所決定地，起動裝置必須較為頻繁地起動內燃機，為此使旋轉電機工作。特別地，在這種情況下，實現了開頭提及的旋轉電機惰性運轉期間的損耗降低以及隨之產生的電刷使用壽命的延長。因此，當安裝了多層電刷的車輛具有起停系統時，優選地規定，如上文已描述地，使用多層電刷。


下面依據附圖中所示的實施例對本發明進行詳細闡述，但本發明並不局限於此。在此，附圖中:圖1示出了旋轉電機的示意圖，以及圖2示出了旋轉電機的另一示意圖。
具體實施例方式圖1示出了旋轉電機I的示意圖，其中，特別地示出了旋轉電機I的未詳細繪出的轉子的波形繞組2。波形繞組2與換向器4的導體段3(僅示例性繪出了其中幾個)電連接。導體段3被段間隙3』相互間隔開。旋轉電機I的電刷5可以根據轉子的旋轉位置進而根據導體段3的旋轉位置而與導體段3產生電連接。轉子的旋轉方向進而導體段3的運動方向通過箭頭6表示。明顯的是，電刷5中的兩個與旋轉電機I未示出的供電裝置的正極連接，並且電刷5中的兩個與其負極連接。與相應的導體段3的極性相關地，在波形繞組2中產生一個磁場，由此使轉子作旋轉運動。這裡使用的電刷5為多層電刷。這意思是，電刷由多個層組成，在這裡所示的實施例中該電刷由兩個層7和8組成。在此，層7分別沿旋轉方向(箭頭6)布置在電刷5的前緣稜邊(Auflaufende Kante)的前側，也就是說,在轉子旋轉時導體段3首先經過層7。與此相反，層8沿旋轉方向布置在後緣稜邊(ablaufende Kante)的後側，也就是說，導體段3最後才到達層8，然而，層8還是直到導體段3完全離開電刷5為止與導體段3處於電接觸的那一層。層7和8沿換向器4的旋轉方向依次布置，因此可以彼此平行地建立各個電刷5與其中至少一個導體段3的電連接。就此而言，層7和8在電的方面是彼此並聯的。在此規定，與沿旋轉方向布置在後側的層8相比，沿旋轉方向布置在前側的層7具有更大的電阻率。這意味著，層7的導電性比層8小。在此，層7也可稱為換向層，層8可稱為功率層，因為層7用於改善換向而通過層8傳遞大部分的電功率。圖2示出了旋轉電機I的另一示意圖,更確切地說示出了旋轉電機I的橫截面圖。可以看到導體段3和段間隙3』(又僅示例性地標出了其中幾個)，其存在於旋轉電機I的轉子上並且是換向器4的組成部分。轉子的旋轉方向通過箭頭6標出，旋轉軸線用附圖標記9表示。在這裡的實施例中設有六個電刷5，其中，電刷5中的每兩個分別沿直徑相對設置。又示出了電刷5的極性。如上文已描述的，各電刷5分別由層7和8組成。這些層根據轉子的旋轉位置而與導體段3電連接，以便向轉子或更確切地說向其電樞繞組輸送電流。可以看到的是，層7總是設置在相應的電刷5的前緣稜邊上，而層8位於後緣稜邊上。這意味著，具有較大電阻率的層7在旋轉方向上非常靠前地位於電刷5上，具有較小電阻率的層8非常靠後地位於電刷5上。在旋轉電機I惰性運轉期間，其處於發電機的工作模式。由於轉子的電樞繞組在旋轉電機I定子的永久磁鐵的激勵磁場中的運動，在波形繞組2中感應引起電流。該電流產生在旋轉電機I的轉子上的制動力矩。此外，由於在電刷5和導體段3之間的過渡處的歐姆損耗，感應電流使得電刷5和導體段3亦或是換向器4升溫。與現有技術已知的旋轉電機I (其中層7位於後緣稜邊上)相比，通過將層7布置在前緣稜邊上，能夠使在旋轉電機I惰性運轉期間的、電刷5和導體段3之間的過渡處的電功率損耗明顯減小。通過減小的功率損耗，特別地可以影響電刷5溫度上升的時間變化曲線。通過將層7布置在前緣稜邊上，在旋轉電機的惰性運轉期間避免了在前緣稜邊上非常高的局部功率損耗。通過這種方式還可以提高電刷5的使用壽命。特別地在具有帶旋轉電機I的起動裝置且還附加地具有起停系統的車輛中，層7相對於層8的這種布置方式是很吸引人的。由這種車輛所決定，內燃機必須相對較為頻繁地起動，使得惰性運轉即作為發電機運轉相較於作為電動機運轉(通過作為電動機運轉，將內燃機起動以及使內燃機旋轉)在時間上所佔的份額特別高。在根據本發明的旋轉電機I的設計方案中，在作為電動機運轉期間，也就是在使內燃機起動及旋轉期間，能量損耗高於現有技術已知的實施方式。但這種情況隨著旋轉電機I開始惰性運轉，也就是開始以發電機的方式工作而發生變化。總體而言，通過將層7布置在電刷5的前緣稜邊上實現了比在其他實施方式中更小的能量損耗。
權利要求
1.一種用於內燃機的起動裝置的旋轉電機(I)，該旋轉電機包括轉子和至少一個多層電刷(5)，所述轉子具有由多個導體段(3)構成的換向器(4)，所述至少一個多層電刷在所述旋轉電機(I)工作時在所述換向器(4)上滑動，所述多層電刷具有沿所述換向器(4)的旋轉方向依次布置的、具有不同電阻值的多個層(7、8)，其特徵在於，多個層中的沿旋轉方向(6)布置在前側的層(7)與多個層中的沿旋轉方向(6)布置在後側的層(8)相比具有更大的電阻率。
2.按照權利要求1所述的旋轉電機，其特徵在於，只設有兩個層(7、8)。
3.按照上述權利要求中任一項所述的旋轉電機，其特徵在於，設有多個多層電刷(5),這些多層電刷分別成對地關於所述換向器(4)對置布置。
4.按照上述權利要求中任一項所述的旋轉電機，其特徵在於，多個層中的沿旋轉方向(6)布置在前側的層(7)與多個層中的沿旋轉方向(6)布置在後側的層(8)相比具有更小的延伸長度。
5.按照上述權利要求中任一項所述的旋轉電機，其特徵在於，在每兩個導體段(3)之間存在一個段間隙(3』)，其中，所述段間隙(3』)在旋轉方向上的延伸長度小於所述導體段(3)的延伸長度。
6.按照上述權利要求中任一項所述的旋轉電機，其特徵在於，多個層中的沿旋轉方向(6)布置在後側的層(8)的延伸長度大於所述多個導體段(3)中的一個的延伸長度和/或小於該導體段⑶與相鄰的段間隙(3』 )中的至少一個段間隙的總延伸長度。
7.按照上述權利要求中任一項所述的旋轉電機，其特徵在於，所述多層電刷(5)是能夠更換的。
8.按照上述權利要求中任一項所述的旋轉電機，其特徵在於，所述旋轉方向(6)是以所述內燃機的起動定向的。
9.一種用於車輛內燃機的起動裝置，該起動裝置具有旋轉電機(1)，特別是按照上述權利要求中任一項或多項所述的旋轉電機，其中，所述旋轉電機(I)包括轉子和至少一個多層電刷(5)，所述轉子具有由多個導體段(3)構成的換向器(4)，所述至少一個多層電刷在所述旋轉電機(I)工作時在所述換向器上滑動，所述多層電刷具有沿所述換向器(4)的旋轉方向(6)依次布置的、具有不同電阻值的多個層(7、8)，其特徵在於，多個層中的沿旋轉方向布置在前側的層(7)與多個層中的沿旋轉方向(6)布置在後側的層(8)相比具有更大的電阻率。
10.一種車輛，該車輛具有按照權利要求9所述的起動裝置，其特徵在於，設有起停系統。
全文摘要
本發明涉及一種用於內燃機的起動裝置的旋轉電機以及起動裝置和車輛，具體地提出一種用於內燃機的起動裝置的旋轉電機(1)，該旋轉電機包括轉子和至少一個多層電刷(5)，所述轉子具有由多個導體段(3)構成的換向器(4)，所述至少一個多層電刷在旋轉電機(1)工作時在換向器(4)上滑動，所述多層電刷具有沿換向器(4)的旋轉方向依次布置的、具有不同電阻值的多個層(7、8)。在此規定，多個層中的沿旋轉方向(6)布置在前側的層(7)與多個層中的沿旋轉方向(6)布置在後側的層(8)相比具有更大的電阻率。本發明還涉及一種用於車輛內燃機的起動裝置和一種車輛。
文檔編號H02K13/00GK103107650SQ20121037976
公開日2013年5月15日 申請日期2012年9月28日 優先權日2011年9月30日
發明者T·克諾爾, J·梅斯 申請人:羅伯特·博世有限公司