专利名称：用于内燃机的起动装置的旋转电机以及起动装置和车辆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于内燃机的起动装置的旋转电机，该旋转电机包括转子和至少一个多层电刷，所述转子具有由多个导体段构成的换向器，所述至少一个多层电刷在旋转电机工作时在换向器上滑动，所述多层电刷具有沿换向器的旋转方向依次布置的、具有不同电阻值的多个层。本发明还涉及一种用于车辆内燃机的起动装置和一种车辆。
背景技术：
开头所述类型的旋转电机由现有技术已知。它们通常是用于内燃机的起动装置的组成部分，并且相应地用于在起动内燃机时使该内燃机旋转。旋转电机具有换向器以及与该换向器共同作用的电刷或多层电刷。换向器通常由多个导体段组成并且被分配给旋转电机的转子。多层电刷被设置为，可以在旋转电机工作时在换向器上滑动。换向器和多层电刷在此基本上构成逆变器，以给转子的电枢绕组施以周期性变换极性的电流。电刷(也可称为碳刷)由多层构成，这些层沿换向器的旋转方向依次布置，也就是说在电流流动方面而言相互并列地设置。因此，通过层可以并行地给导体段输送电流，其中，电刷的层并非必须与导体段中的同一个电接触。就此而言，旋转电机作为直流电机存在。在该直流电机中，多层电刷承担电流换向和将电流从旋转电机的外用端子传递到换向器的导体段的功能。在起动装置的旋转电机中，经常使用两层电刷作为多层电刷。在此，其中一层具有高的导电性，而另一层具有低的导电性。具有高导电性的层被称为功率层，具有低导电性的层被称为换向层。为了改善在内燃机起动和旋转时在旋转电机作为电动机运转时的换向，换向层沿旋转方向布置在多层电刷的后侧。通过这种方式，减小旋转电机在作为电动机运转期间的电损耗。由现有技术例如已知W02009/083433A1。其涉及一种多层电刷，该多层电刷主要具有由石墨成分以及铜成分组成的复合结构以及层状的结构，其中，第一层含有高的铜成分，另一层含有较低的铜成分。此外，由JP2001-351758A已知一种用于小直流电动机的电刷，该电刷构造为多层电刷，并且示出了一个位于具有大电阻的两层之间的具有较小电阻的层。
发明内容
与此相对，具有权利要求1中所述特征的旋转电机呈现出如下优点:特别是在旋转电机惰性运转期间的多层电刷的升温降低，因此多层电刷的使用寿命得以延长。在此，惰性运转可以理解为旋转电机的一种工作状态，在该工作状态下，旋转电机的转子由于惯性在主电流切断之后且特别是在内燃机起动或旋转之后仍继续转动，并且在这种情况下通过电的和机械的制动力矩被制动。根据本发明的优点通过如下方式实现，即，使多个层中的沿旋转方向布置在前侧的层与多个层中的沿旋转方向布置在后侧的层相比具有更大的电阻率。因此,与现有技术中已知旋转电机相反，现在应规定，将具有较大电阻率或者说具有较小导电性的换向层沿旋转方向布置在多层电刷的前侧。与此相反，沿旋转方向位于多层电刷后侧的、例如构成功率层的层应具有较小的电阻率或者说具有较大的导电性。惰性运转期间旋转电机电刷中的电损耗通过电流产生，该电流在旋转电机的内部流过转子的电枢绕组，进而流经电刷和换向器的导体段之间的触点。在该触点上产生主要部分的电损耗。电刷和导体段之间的电流的时间变化曲线，更确切地说其与转子位置有关的变化曲线确定了功率损耗并影响电刷的使用寿命。通过在多层电刷的沿旋转方向位于前面的侧面(亦被称为前缘棱边)上的、导电性较低的层，也就是说电阻率较大的层，在旋转电机惰性运转期间可以实现有利的电流形式，使电功率损耗降低并且使电刷的使用寿命延长。因此，这样构造的旋转电机特别是在作为发电机运转时具有低损耗，而在作为电动机运转时的损耗比在已知的实施方式中高。尽管如此，根据本发明的用于起动内燃机的旋转电机被应用于电动机工作模式。因为电动机式的运转总是仅短暂地进行，即直到成功地起动内燃机，所以在作为发电机运转时的惰性运转与作为电动机运转时相比，持续得更长，从而这里产生的损耗对于旋转电机使用寿命的影响要总体上大于在作为电动机运转期间产生的损耗影响。以这种方式，通过根据本发明实施的旋转电机，电刷或多层电刷的使用寿命能够明显得以改善。本发明的一种改进方案规定，仅设有两个层。显然可以规定，多层电刷具有任意数量的层，其中仅仅是沿旋转方向布置在前侧的层与沿旋转方向布置在后侧的层相比应具有较大的电阻率，而有利的是，仅设有两个层。通过这种方式，可以实现多层电刷简单且低廉的制造，通过该多层电刷已经可以实现根据本发明的优点。出于此目的，层的数量的进一步增加是没有必要的，而仅会增加制造时的花费。该方案特别适用于在只能以唯一的旋转方向驱动旋转电机时的这种情况。本发明的一种改进方案规定，设有多个多层电刷，这些多层电刷成对地关于换向器对置地布置。通过较多数量的多层电刷，能够使输送给转子的电流的电流强度增大，而不需要使多层电刷本身增大。对于正常的工作，有意义的是，每两个多层电刷彼此沿直径对立地设置。在此，使每两个、特别是对置的多层电刷相反地极化，例如一个与正极连接而另一个与负极连接。本发明的一种改进方案规定，多个层中的沿旋转方向布置在前侧的层与多个层中的沿旋转方向布置在后侧的层相比具有更小的延伸长度。也就是说，具有较小电阻率的层应优选地能够通过较大的面与导体段产生电连接，以能够传递足够大的功率。与此相反，具有较大电阻率的层主要用于降低损耗，但只在较小的范围内用于传输电流。出于这个原因，在旋转方向上看，它可以具有明显更小的延伸长度。例如，沿旋转方向布置在后侧的层的延伸长度是沿旋转方向布置在前侧的层的延伸长度的几倍，特别是整数倍。本发明的一种改进方案规定，在每两个导体段之间分别设有一个段间隙，其中，段间隙在旋转方向上的延伸长度小于多个导体段中的一个的延伸长度。段间隙用于将导体段彼此电绝缘。段间隙被设置为，它们沿换向器的旋转方向分别将每两个导体段间隔开。就此而言，在两个直接相邻的导体段之间分别存在一个段间隙。但在此，段间隙在旋转方向上的延伸长度应(明显)小于多个导体段中的一个的延伸长度。本发明的一种改进方案规定，多个层中的沿旋转方向布置在后侧的层的延伸长度大于多个导体段中的一个延伸长度，和/或小于该导体段与相邻的段间隙中的至少一个段间隙的总延伸长度。因此，在相应布置的情况下，具有较小电阻率的层应沿旋转方向延伸超出相应的导体段，也就是说大于该导体段。但附加地或替代地，具有较小电阻率的层的延伸长度小于导体段和与该导体段相邻的段间隙中的至少一个段间隙的总延伸长度。在层和导体段相对彼此对中地布置的情况下，层相应地超出导体段，但不与相邻的导体段接触，而是位于导体间隙上方。本发明的一种改进方案规定，多层电刷是可以更换的。旋转电机的电刷属于在工作期间经受剧烈磨损的部件。出于这个原因，会出现尽管旋转电机的其他组成部件仍可运转但电刷用坏的情况。因此规定，可以更换多层电刷并且通过这种方式延长旋转电机的使用寿命。同样可以规定，通过多层电刷的可更换性，可以给已有的旋转电机装备以其他方式构造的电刷或根据本发明的多层电刷。本发明的一种改进方案规定，所述旋转方向是以内燃机起动定向的。旋转电机是起动装置的组成部分，借助于该起动装置可以将内燃机起动。为了起动内燃机，驱动旋转电机，由此转子沿旋转方向转动。在此，这个旋转方向确定为，通过该旋转方向可以起动内燃机。就此而言，旋转方向是旋转电机的优选的旋转方向。特别地，旋转电机仅设计用于这个旋转方向，从而不能以相反的旋转方向工作。本发明还涉及一种用于车辆内燃机的起动装置，该起动装置具有旋转电机，特别是根据以上实施方式所述的旋转电机，其中，所述旋转电机包括转子和至少一个多层电刷，所述转子具有由多个导体段构成的换向器，所述至少一个多层电刷在旋转电机工作时在换向器上滑动，所述多层电刷具有沿换向器的旋转方向依次布置的、具有不同电阻值的多个层。在此规定，多个层中的沿旋转方向布置在前侧的一个层与多个层中的沿旋转方向布置在后侧的一个层相比具有更大的电阻率。就此而言，起动装置包括旋转电机，特别是上文已描述的旋转电机。旋转电机还可以根据上文所述的实施方式进行改进。本发明还涉及一种车辆，特别是机动车辆，其具有这种类型的起动装置，其中所述车辆还装备有起停系统。当车辆不需要牵引功率时，例如当车辆静止且在车辆内燃机和传动系之间的起动离合器打开时，借助于起停系统使内燃机停止。如果内燃机提供驱动力矩，那么必须尽可能快速地将内燃机重新起动。但这意味着，由起停系统所决定地，起动装置必须较为频繁地起动内燃机，为此使旋转电机工作。特别地，在这种情况下，实现了开头提及的旋转电机惰性运转期间的损耗降低以及随之产生的电刷使用寿命的延长。因此，当安装了多层电刷的车辆具有起停系统时，优选地规定，如上文已描述地，使用多层电刷。
下面依据附图中所示的实施例对本发明进行详细阐述，但本发明并不局限于此。在此，附图中:图1示出了旋转电机的示意图，以及图2示出了旋转电机的另一示意图。
具体实施例方式图1示出了旋转电机I的示意图，其中，特别地示出了旋转电机I的未详细绘出的转子的波形绕组2。波形绕组2与换向器4的导体段3(仅示例性绘出了其中几个)电连接。导体段3被段间隙3’相互间隔开。旋转电机I的电刷5可以根据转子的旋转位置进而根据导体段3的旋转位置而与导体段3产生电连接。转子的旋转方向进而导体段3的运动方向通过箭头6表示。明显的是，电刷5中的两个与旋转电机I未示出的供电装置的正极连接，并且电刷5中的两个与其负极连接。与相应的导体段3的极性相关地，在波形绕组2中产生一个磁场，由此使转子作旋转运动。这里使用的电刷5为多层电刷。这意思是，电刷由多个层组成，在这里所示的实施例中该电刷由两个层7和8组成。在此，层7分别沿旋转方向(箭头6)布置在电刷5的前缘棱边(Auflaufende Kante)的前侧，也就是说,在转子旋转时导体段3首先经过层7。与此相反，层8沿旋转方向布置在后缘棱边(ablaufende Kante)的后侧，也就是说，导体段3最后才到达层8，然而，层8还是直到导体段3完全离开电刷5为止与导体段3处于电接触的那一层。层7和8沿换向器4的旋转方向依次布置，因此可以彼此平行地建立各个电刷5与其中至少一个导体段3的电连接。就此而言，层7和8在电的方面是彼此并联的。在此规定，与沿旋转方向布置在后侧的层8相比，沿旋转方向布置在前侧的层7具有更大的电阻率。这意味着，层7的导电性比层8小。在此，层7也可称为换向层，层8可称为功率层，因为层7用于改善换向而通过层8传递大部分的电功率。图2示出了旋转电机I的另一示意图,更确切地说示出了旋转电机I的横截面图。可以看到导体段3和段间隙3’(又仅示例性地标出了其中几个)，其存在于旋转电机I的转子上并且是换向器4的组成部分。转子的旋转方向通过箭头6标出，旋转轴线用附图标记9表示。在这里的实施例中设有六个电刷5，其中，电刷5中的每两个分别沿直径相对设置。又示出了电刷5的极性。如上文已描述的，各电刷5分别由层7和8组成。这些层根据转子的旋转位置而与导体段3电连接，以便向转子或更确切地说向其电枢绕组输送电流。可以看到的是，层7总是设置在相应的电刷5的前缘棱边上，而层8位于后缘棱边上。这意味着，具有较大电阻率的层7在旋转方向上非常靠前地位于电刷5上，具有较小电阻率的层8非常靠后地位于电刷5上。在旋转电机I惰性运转期间，其处于发电机的工作模式。由于转子的电枢绕组在旋转电机I定子的永久磁铁的激励磁场中的运动，在波形绕组2中感应引起电流。该电流产生在旋转电机I的转子上的制动力矩。此外，由于在电刷5和导体段3之间的过渡处的欧姆损耗，感应电流使得电刷5和导体段3亦或是换向器4升温。与现有技术已知的旋转电机I (其中层7位于后缘棱边上)相比，通过将层7布置在前缘棱边上，能够使在旋转电机I惰性运转期间的、电刷5和导体段3之间的过渡处的电功率损耗明显减小。通过减小的功率损耗，特别地可以影响电刷5温度上升的时间变化曲线。通过将层7布置在前缘棱边上，在旋转电机的惰性运转期间避免了在前缘棱边上非常高的局部功率损耗。通过这种方式还可以提高电刷5的使用寿命。特别地在具有带旋转电机I的起动装置且还附加地具有起停系统的车辆中，层7相对于层8的这种布置方式是很吸引人的。由这种车辆所决定，内燃机必须相对较为频繁地起动，使得惰性运转即作为发电机运转相较于作为电动机运转(通过作为电动机运转，将内燃机起动以及使内燃机旋转)在时间上所占的份额特别高。在根据本发明的旋转电机I的设计方案中，在作为电动机运转期间，也就是在使内燃机起动及旋转期间，能量损耗高于现有技术已知的实施方式。但这种情况随着旋转电机I开始惰性运转，也就是开始以发电机的方式工作而发生变化。总体而言，通过将层7布置在电刷5的前缘棱边上实现了比在其他实施方式中更小的能量损耗。
权利要求
1.一种用于内燃机的起动装置的旋转电机(I)，该旋转电机包括转子和至少一个多层电刷(5)，所述转子具有由多个导体段(3)构成的换向器(4)，所述至少一个多层电刷在所述旋转电机(I)工作时在所述换向器(4)上滑动，所述多层电刷具有沿所述换向器(4)的旋转方向依次布置的、具有不同电阻值的多个层(7、8)，其特征在于，多个层中的沿旋转方向(6)布置在前侧的层(7)与多个层中的沿旋转方向(6)布置在后侧的层(8)相比具有更大的电阻率。
2.按照权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，只设有两个层(7、8)。
3.按照上述权利要求中任一项所述的旋转电机，其特征在于，设有多个多层电刷(5),这些多层电刷分别成对地关于所述换向器(4)对置布置。
4.按照上述权利要求中任一项所述的旋转电机，其特征在于，多个层中的沿旋转方向(6)布置在前侧的层(7)与多个层中的沿旋转方向(6)布置在后侧的层(8)相比具有更小的延伸长度。
5.按照上述权利要求中任一项所述的旋转电机，其特征在于，在每两个导体段(3)之间存在一个段间隙(3’)，其中，所述段间隙(3’)在旋转方向上的延伸长度小于所述导体段(3)的延伸长度。
6.按照上述权利要求中任一项所述的旋转电机，其特征在于，多个层中的沿旋转方向(6)布置在后侧的层(8)的延伸长度大于所述多个导体段(3)中的一个的延伸长度和/或小于该导体段⑶与相邻的段间隙(3’ )中的至少一个段间隙的总延伸长度。
7.按照上述权利要求中任一项所述的旋转电机，其特征在于，所述多层电刷(5)是能够更换的。
8.按照上述权利要求中任一项所述的旋转电机，其特征在于，所述旋转方向(6)是以所述内燃机的起动定向的。
9.一种用于车辆内燃机的起动装置，该起动装置具有旋转电机(1)，特别是按照上述权利要求中任一项或多项所述的旋转电机，其中，所述旋转电机(I)包括转子和至少一个多层电刷(5)，所述转子具有由多个导体段(3)构成的换向器(4)，所述至少一个多层电刷在所述旋转电机(I)工作时在所述换向器上滑动，所述多层电刷具有沿所述换向器(4)的旋转方向(6)依次布置的、具有不同电阻值的多个层(7、8)，其特征在于，多个层中的沿旋转方向布置在前侧的层(7)与多个层中的沿旋转方向(6)布置在后侧的层(8)相比具有更大的电阻率。
10.一种车辆，该车辆具有按照权利要求9所述的起动装置，其特征在于，设有起停系统。
全文摘要
本发明涉及一种用于内燃机的起动装置的旋转电机以及起动装置和车辆，具体地提出一种用于内燃机的起动装置的旋转电机(1)，该旋转电机包括转子和至少一个多层电刷(5)，所述转子具有由多个导体段(3)构成的换向器(4)，所述至少一个多层电刷在旋转电机(1)工作时在换向器(4)上滑动，所述多层电刷具有沿换向器(4)的旋转方向依次布置的、具有不同电阻值的多个层(7、8)。在此规定，多个层中的沿旋转方向(6)布置在前侧的层(7)与多个层中的沿旋转方向(6)布置在后侧的层(8)相比具有更大的电阻率。本发明还涉及一种用于车辆内燃机的起动装置和一种车辆。
文档编号H02K13/00GK103107650SQ20121037976
公开日2013年5月15日 申请日期2012年9月28日 优先权日2011年9月30日
发明者T·克诺尔, J·梅斯 申请人:罗伯特·博世有限公司