CN101926076B - 具有定子和转子的驱动电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有定子(35)和转子(38)的驱动电机，其中，转子(38)在多个槽(46)中具有转子绕组(49)，所述转子绕组能够通过由一个换向器(52)和多个滑动触头(58)组成的供电系统被供电，其中压在换向器(52)表面上的所述滑动触头(58)具有至少两个各由一个正极滑动触头(581)和一个负极滑动触头(582)组成的触头对，其中，在至少一个由一个正极滑动触头(581)和一个负极滑动触头(582)组成的第一触头对中，正极滑动触头(581)和负极滑动触头(582)以不同于180°的夹角γ对置。

Description

具有定子和转子的驱动电机

技术领域

本发明涉及一种具有定子和转子的驱动电机(用于起动装置的电动机)，其中转子能够通过一个换向器和多个滑动触头(电刷)被提供电流。

背景技术

这类电机被广泛地使用。在这里，用于使驱动电机运转的电流通过一对或多对滑动触头经由换向器被引入转子绕组(电枢绕组)中。这些滑动触头大多由主要含有石墨成分的烧结材料制成。这些滑动触头和换向器在运转时受到磨损。起动装置通常是为短时间工作而设计的，并且通常适用于30000到60000次开关操作循环，即起动过程。

如果要实现更高的负载和更大的开关次数，则滑动触头必须具有均匀的负载，由此才能实现最大可能开关次数。目前为带4个或6个滑动触头的系统选择这样的布置，即滑动触头相互间具有60°的角度间隔。这意味着，在带6个滑动触头的系统中，在滑动触头之间各存在60°的夹角。在带4个滑动触头的系统中，一方面，总有一个正极滑动触头和一个负极滑动触头正对布置，即以180°的夹角布置，且又是以180°间隔的第二滑动触头对是这样布置，使得该第二滑动触头对以其负极滑动触头相对于第一滑动触头对的正极滑动触头错开60°。由于用于起动电动机(驱动电机)的换向器采用不能被定子极数整除的薄片数(通常28个薄片或23个薄片)，正极以及负极滑动触头受到不同负载，因为滑动触头对在转子绕组的导线接通时和在转子绕组导线断开时在薄片上占据不同的位置。这种差别使得滑动触头对受到不同的负载，也就是说对于各个滑动触头对产生不同的负载特性。对于驱动电机的转动方向，各个滑动触头对在滑到薄片上时以及在从薄片离开时被加载不同的电流负载。因此碳刷以程度不同老化或磨损，这样，由于个别滑动触头较为严重的磨损而不必要地减少了可实现的使用寿命。

发明内容

因此本发明的任务是，通过使各个滑动触头的使用寿命彼此尽可能相同，延长上面提到的类型的驱动电机可实现的使用寿命。例如可能发生，在轿车的使用寿命结束时，起动装置在机械学方面也已到达了它的使用寿命的终点。如果那时对滑动触头进行观察，则常常会发现在四个使用的滑动触头中仅有一个滑动触头磨损了规定的长度，而同一个起动装置中的其他滑动触头有时才磨损了滑动触头的规定磨损长度的1/3。如果现在必要的开关次数进而起动机必要的起动次数由于在内燃机上频繁重复起动的操作而增加，则必须确保滑动触头的电流负载和负载峰值的最优分布。其它的替代方案，即，加长特别受到负载的滑动触头或加长全部的滑动触头，通常因驱动电机的极管较大的直径而无法布置而失败。特别是在电枢或转子带有波形绕组并且定子的薄片数与极数的比值不是整数时，可通过滑动触头在换向器的整个周边上的特别分布来实现滑动触头的电流负载以及负载峰值的最优分布。为了在滑动触头在薄片上的覆盖足够大时获得负载和负载峰值在滑动触头上的理想分配，我们已发现，滑动触头的最优布置并不在于滑动触头相互之间的等角度间隔。根据转动方向，一个或多个滑动触头以大约1°到大小为由360°与换向器的薄片数的商的角度数值，相对于在相应的角度(360°与极数的商)上的对称值沿着或者逆着转动方向偏置。由此实现了在各个滑动触头中的电流负载最大值的最小化并且也实现了滑动触头之间尽可能小的差异。因此，负载峰值和总电流可以下降最高达25％并且也可以最小化从耐久试验中已知的各个滑动触头的磨损差别。该均等在个别的起动系统中可以指最多为2mm的在整个使用寿命期间内的磨损差别，这同时也可以指最大为超过滑动触头的可能的磨损长度的30％。

具有权利要求1所述的特征的驱动电机具有以下优点：与如前文所述滑动触头具有等距离的角度间隔的解决方案相比，可以实现驱动电机使用寿命显著的延长。因为该优点在与从属权利要求的特征的结合中也适用于驱动电机，所以不再另外提及该优点。当驱动电机是(在此特别是汽车)内燃机起动装置的一部分时，本发明是特别有优势的。采用带有具有根据后面给出的权利要求的特征之一的驱动电机的起动装置是特别有优势的，如果汽车通过该起动装置工作在被称为起动-停止模式下的话。起动-停止模式例如存在于以下情况中：车辆自动地识别汽车的停车状态并且在这种关联下关闭内燃机或内燃发动机，在停车状态下所述起动装置被运转。这类起动-停止系统的另一个特点是，车辆识别驾驶员给出的信号，所述信号表明要再次开动车辆，并且因此通过起动装置可以自动地(也就是无需人为地操作起动机开关)启动通常的起动过程(预啮合、啮合、起动、断开起动机继电器、退出啮合)。此外，这类的起动-停止系统也可以包括所谓的飞轮-利用模式，在该模式中，在车辆不要往行车道上传递传动能量的各种情况中，同样也自动地关闭内燃机并且在驾驶员有将再次传递传动能量的愿望的情况下如前文所述启动如在起动-停止模式中的起动过程。

附图说明

下面借助附图对本发明进行详细的示例性阐述：

图1以纵剖视图示出了起动装置，

图2示出了根据图1描述的极管的横截面以及四个滑动触头的视图，

图3示出了驱动电机的极管的断面示意图，其中示出了定子的各极以及滑动触头装置相对于定子各极的相对位置。

具体实施方式

图1以纵剖视图示出了起动装置。在图1中示出了起动装置10。该起动装置10例如具有起动电动机13和接通继电器16。起动电动机13和接通继电器16都固定在一个共同的驱动端轴承壳19中。当起动小齿轮22啮合在内燃机(这里未示出)的齿圈25中时，起动电动机13在功能上可用于驱动起动小齿轮22。

作为起动装置的驱动电机的所述起动电动机13具有作为壳体的极管28，该极管在其内周上具有各自由励磁绕组34缠绕的多个极靴31。极靴31又围绕着电枢37(即转子38)，所述电枢具有由薄片40构成的电枢铁心43以及设置在多个槽46中的电枢绕组或转子绕组49。所述电枢铁心43压紧在驱动轴44上。在驱动轴44远离起动小齿轮22的一端上还安装了换向器52，该换向器尤其是由多个单个的换向器薄片55构成的。换向器薄片55按照已知的方式与电枢绕组49电连接，从而使在通过碳刷或者说滑动触头58给换向器薄片55通电时，在极管28中产生电枢37的旋转运动。设置在接通继电器16和起动电动机13之间的电流引线61在接通状态下不仅向碳刷58也向励磁绕组34供电。所述驱动轴44在换向器侧以轴颈64支撑在滑动轴承67中，所述轴承又位置固定地保持在换向器轴承盖70中。所述换向器轴承盖70又借助拉杆73固定在驱动端轴承壳19中，所述拉杆分布地设置在极管28的整个周边上(螺杆，例如2个、3个或4个)。在此，所述极管28支撑在驱动端轴承壳19上，换向器轴承盖70支撑在极管28上。

朝传动方向有一个所谓的太阳轮80与电枢37相接，该太阳轮是行星齿轮系83的一部分。所述太阳轮80被多个行星齿轮86围绕，通常是借助于滚动轴承89支撑在轴颈92上的三个行星齿轮。所述行星齿轮86在以外侧支承于极管28中的齿圈95中滚动。朝向输出端的方向有一个行星架98与所述行星齿轮86相接，轴颈92容纳在所述行星架中。所述行星架98又支承在中间支承件101和设置在所述中间支承件中的滑动轴承104中。所述中间支承件101被设计为盆形，这样既可以在其中容纳所述行星架98又可以容纳行星齿轮86。此外，在盆形的中间支承件101还设置了齿圈95，所述齿圈最后通过盖107相对于电枢37封闭。中间支承件101通过其外周支撑在极管28的内侧上。电枢37在驱动轴44背向换向器52的端部上具有另一个同样地容纳在滑动轴承113中的轴颈110。所述滑动轴承113又容纳在行星架98的中央孔中。所述行星架98与输出轴116一体地连接。所述输出轴116以其远离中间支承件116的端部119支撑在另一个轴承122中，所述轴承固定在驱动端轴承壳19中。所述输出轴116被分成不同的区段：这样在设置于中间支承件101的滑动轴承104中的区段之后的是带有所谓的直齿125(内齿)的区段，该直齿是所谓的轴-毂连接结构的一部分。该轴-毂连接结构128在这种情况下使带动件131沿轴向直线滑动成为可能。该带动件131是套筒状的突出部，该突出部与自由轮机构137的盆形外环132为一体。该自由轮机构137(定向止动器)此外还包括沿径向设置在外环132内部的内环140组成。在内环140和外环132之间还设置了夹紧体138。该夹紧体138与内环和外环共同作用防止所述外环和所述内环之间朝第二个方向的相对转动。换句话说：自由轮机构137能实现内环140和外环132之间仅朝一个方向的相互运动。在本实施例中，所述内环140被实施为与起动小齿轮22以及所述小齿轮的斜齿143(外斜齿)为一体。

为了完整起见，这里还要讨论啮合机构。所述接通继电器16具有螺栓150，该螺栓是电接触件并且与在这里未示出的起动机电池的正极连接。所述螺栓150穿过继电器盖153。所述继电器盖153封闭了继电器壳体156，所述壳体通过多个固定元件159(螺钉)固定在驱动端轴承壳19上。在接通继电器16中还设置了吸引绕组162和所谓的保持绕组165。所述吸引绕组162和保持绕组165两者在通电的状态下各自产生一个电磁场，所述电磁场流经继电器壳体156(由电磁传导材料制成)、线性运动的衔铁168以及衔铁轭铁171(Ankerrueckschluss)。所述衔铁168具有推杆174，所述推杆在线性吸引所述衔铁168时向着控制螺栓177的方向运动。通过所述推杆174向控制螺栓177运动，使所述控制螺栓从其静止位置向着两个接触件180和181的方向运动，这样，安装在控制螺栓177朝向所述接触件180和181的端部上的接触桥184使两个接触件180和181相互电连接。由此电功率从螺栓150经过接触桥184传输到电流引线61并由此传输到碳刷58。所述起动电动机13在此时被通电。

但是，所述接触继电器16或者说衔铁168此外还有一项任务，即，通过牵引元件187使可转动运动地设置在驱动端轴承壳19中的杠杆运动。通常被实施为叉形杠杆的杠杆190通过两个在这里未示出的“尖齿”咬住两个盘片193和194的外周，以便使夹在两个盘片之间的传动环197克服弹簧200的阻力朝向自由轮机构137运动并且由此使起动小齿轮22啮合在齿圈25中。

在此描述的换向器52被实施为筒式换向器，所述换向器的换向器薄片55分别相互平行地定向并且所述薄片的电隔离在周向上实施。也就是说，所述换向器薄片55不具有斜度。转子38的槽46平行于转子38的转动轴线201定向，转子绕组设置在槽46中。

对应图1中的标记，图2示出了起动装置10的极管29的横截面。所述电流引线61通过两条供电导线610将电压引到正极滑动触头581上。换向器52在这里仅示意地通过用虚线绘出的圆周线205示出。在本实施例中的两个另外的滑动触头58是负极滑动触头582，因为它们与在此未示出的起动机电池的负极相连接。两个负极滑动触头582借助两条以绞合线实施的负极导线583在这种情况下通过焊接连接与一个共用的接触板584连接。所述接触板584又通过与极管28的内侧接触而与起动机电池的负极相连接。

在图2中所示的布置中，总共4个滑动触头58形成了总共2个触头对。第一触头对包括以标准的模拟时钟表盘为参照位于10点钟位置上的正极滑动触头581以及在那里大约在4点钟位置上画出的负极滑动触头582。这里在4点钟位置上示出的电刷582实际位于偏离4点钟的位置上。该偏差由夹角γ指出，所述角描述了从正极滑动触头581和负极滑动触头582开始到中心，即转动轴线201的两条半径之间的夹角。在由另一个由正极滑动触头581和另一个负极滑动触头582组成的第二个触头对中，在本实施例中，两个滑动触头581和582对置，从而使从两个滑动触头581和582开始的半径之间的夹角为180°。

因此，示出了带定子35和转子38的驱动电机(起动电动机13)，其中转子38在多个槽46中具有转子绕组49，所述绕组能够通过由换向器52和多个滑动触头58组成的供电系统供电，其中压在换向器52表面上的所述滑动触头58具有至少两个各由一个正极滑动触头581和一个负极滑动触头582组成的触头对。在至少一个由一个正极滑动触头581和一个负极滑动触头582组成的第一触头对中，正极滑动触头581和负极滑动触头582以不同于180°的夹角γ对置。“以不同于180°的夹角γ对置”在本申请中需理解为，两个电刷可以以夹角γ对置，所述夹角γ可以最多以28°的偏差偏离180°，因此最大可以是152°。换句话说：所述夹角γ为152°到179°之间。在这里，所述夹角γ是两个滑动触头581和582之间的夹角，其中在围住的区域中设置另一个触头对的负极滑动触头582。

偏离180°的对置位置最多28°的偏差是由经验得出的，据此，与180°夹角的偏差最大为360°与换向器52的薄片数N_L的商，其中，薄片数N_L为13到17之间、或19到23之间、或35到29之间、或31到35之间，并且上述范围分别都包括两端值。在这里，已经得出特别有利的是，薄片数N_L＝23和28。所述第一滑动触头对的负极滑动触头582和正极滑动触头581之间的夹角因此应小于180°。该夹角围住了另一个滑动触头对的负极滑动触头582。图2实施例的另一个条件例如可以是，第二滑动触头对的正极滑动触头581和负极滑动触头582之间的夹角δ为180°的夹角δ。在这里，可以规定，如在这里在本实施例中所示，第二触头对的正极滑动触头581与第一触头对的正极滑动触头沿转子转动方向间隔120°。驱动电机的定子35应实施为六极定子35。与前面提到的描述相反，极靴31不是仅能通过励磁绕组34电激励，而是作为替代，所述极靴也可以是具有永磁性。此外，鉴于换向器52的薄片数N_L和定子35的极数N_P的比值，薄片数N_L和定子35的极数N_P的商不是整数，也应作为条件起作用。

设置在槽46中的电枢绕组或转子绕组49实施为所谓的波形绕组。

所述槽46在此平行于转动轴线201定向。

所述滑动触头58的数目小于换向器52的薄片55的数目N_L。

图3以示意的方式示出了与图2中的视图类似的极管28的另一种横截面。可以看到的区别是，六极驱动电机也具有6个滑动触头58。与对图2的描述类似，本实施例也具有由一个正极滑动触头581和一个负极滑动触头582组成的第一滑动触头对。所述正极滑动触头581在此同样大致位于10点钟位置上。所述负极滑动触头582类似地位于4点钟位置上。在第一滑动触头对的两个滑动触头之间也同样存在一个不同于180°的夹角γ。第二滑动触头对在这里也由分别在2点钟和8点钟位置上的一个正极滑动触头581和一个负极滑动触头582组成。在这两个滑动触头之间形成180°的夹角δ。同样地，还设有由在此同样以180°的夹角相互定向的正极滑动触头581和负极滑动触头582组成的第三滑动触头对。相应的滑动触头在此位于6点钟和12点钟位置上。电刷位置的相应“钟面时刻数据”在本申请中仅是近似值，不表示精确的角度数据。

图3中的夹角τ的大小总是60°。

所有的滑动触头58都安装在刷盒59中，这些刷盒垂直于换向器52的表面地引导滑动触头58。所述滑动触头58在此借助于弹簧元件62压在换向器52的表面。

在此在图3中所示的这6个滑动触头此外还具有相对于定子35的极靴31的特殊的相对位置。极靴31以60°的夹角α相互间均匀地间隔开，而如从前面的叙述可知，在滑动触头58中无论如何只有部分是如此。此外，第一滑动触头对(8点钟和2点钟位置)的滑动触头58相对于极靴31转动了一个角β。该角β是有规律间隔的电刷相对于极靴31的所谓的电刷转动的范围。

所述滑动触头58在刷盒59中具有垂直于换向器表面定向的滑动方向。

本发明规定，所述驱动电机是起动电动机13，所述电动机是用于内燃机或内燃发动机的起动装置10的一部分。因为，开头提到的优点(滑动触头特别的耐用度以及滑动触头耐用度的特别均匀的分布)尤其是在该起动装置是可实现所谓的起动-停止模式的车辆组成部分时起作用，所以本发明规定该起动装置10用在执行启动-停止过程作为特殊的工作模式的汽车中。

Claims (7)

1.具有定子(35)和转子(38)的驱动电机，其中，转子(38)在多个槽(46)中具有转子绕组(49)，所述转子绕组能够通过由一个换向器(52)和多个滑动触头(58)组成的供电系统被供电，其中，压在换向器(52)表面上的所述滑动触头(58)具有至少两个各由一个正极滑动触头(581)和一个负极滑动触头(582)组成的触头对，以及其中在至少一个由一个正极滑动触头(581)和一个负极滑动触头(582)组成的第一触头对中，正极滑动触头(581)和负极滑动触头(582)以不同于180°的夹角γ对置，其中的换向器(52)的薄片数N_L与定子(35)的极数N_P的商不是整数，其特征在于，触头对的负极滑动触头(582)和正极滑动触头(581)之间的夹角γ小于180°角，其中所述触头对的负极滑动触头(582)和正极滑动触头(581)之间的夹角γ与180°角的偏差为最小大约为1度，最大为360°与换向器(52)的薄片数N_L的商，其中，薄片数N_L为13到17之间、或者19到23之间、或者25到29之间、或者31到35之间，并且上述范围分别都包含两端值，并且第二触头对的正极滑动触头(581)和负极滑动触头(582)彼此之间的夹角δ为180°。

2.按照权利要求1所述的驱动电机，其特征在于，所述第二触头对的正极滑动触头(581)与所述第一触头对的正极滑动触头(581)在转子转动方向间隔120°。

3.按照权利要求1所述的驱动电机，其特征在于，所述定子(35)是六极的。

4.按照权利要求1所述的驱动电机，其特征在于，设置在转子(38)的槽(46)中的转子绕组(49)是波形绕组。

5.按照权利要求1所述的驱动电机，其特征在于，滑动触头(58)的数目小于换向器(52)的薄片(55)的数目N_L。

6.起动装置，其特征在于，该起动装置包括按照上述权利要求中任一项所述的驱动电机。

7.使汽车运转的方法，其中该方法使用按照权利要求6所述的起动装置(10)，其特征在于，所述方法包括起动-停止过程。

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