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Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromagnetisches Relais, insbesondere ein Starterrelais, auf eine Startvorrichtung mit einem Starterrelais sowie auf ein Verfahren zum Betätigen der Startvorrichtung mit einem Starterrelais.
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Stand der Technik
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In der
DE 10 2008 007 077 A1 wird ein Starterrelais für eine Startvorrichtung beschrieben, die zum Starten einer Brennkraftmaschine eingesetzt wird. Das Starterrelais verstellt ein axial verschieblich gelagertes Starterritzel in eine Eingriffsposition mit einem Zahnkranz der Brennkraftmaschine, woraufhin ein elektrischer Startermotor zum Antreiben des Starterritzels in Gang gesetzt wird. Das Starterrelais weist in einem Gehäuse einen verstellbar gelagerten Hubanker auf, der bei Bestromung einer Einzugswicklung eine Stellbewegung ausführt und über einen Übertragungshebel das Starterritzel verstellt. Des Weiteren umfasst das Starterrelais einen Schaltanker, dem eine Schaltwicklung zugeordnet ist, wobei mit Bestromung der Schaltwicklung der Schaltanker ausgelenkt wird und den elektrischen Startermotor einschaltet.
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In einer Ausführungsvariante, die in der
DE 10 2008 007 077 A1 beschrieben wird, ist dem Hubanker zusätzlich zur Einzugswicklung auch eine Haltewicklung zugeordnet, die alternativ zur Einzugswicklung bestromt werden kann. Zum Vorspulen des Hubankers wird zunächst nur die Einzugswicklung bestromt, nach dem Erreichen einer Zwischenposition wird von der Einzugswicklung auf die Haltewicklung umgeschaltet, die daraufhin den Hubanker in der Zwischenposition hält.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße elektromagnetische Relais weist einen axial verstellbaren Anker sowie eine Einzugswicklung, eine Haltewicklung und eine Schaltwicklung auf. Der Anker wird bei einer Bestromung der Einzugswicklung zwischen einer Ausgangsposition und einer ausgelenkten Position verstellt, wobei die Verstellbewegung als Arbeits- oder Antriebsbewegung genutzt werden kann, insbesondere für die Verstellung eines Starterritzels in einer Startvorrichtung für eine Brennkraftmaschine. Die Haltewicklung ist mit der Einzugswicklung in Reihe geschaltet. In verschiedenen Phasenabschnitten wird entweder die Einzugswicklung alleine bestromt oder es werden sowohl die Einzugswicklung als auch die in Reihe geschaltete Haltewicklung gemeinsam bestromt. Die Schaltwicklung kann dazu genutzt werden, einen Anker im Relais eine Schaltbewegung aufzuprägen, insbesondere um einen elektrischen Motor zu starten.
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Das Relais weist vorzugsweise zwei unterschiedliche, getrennt ausgebildete Anker auf, von denen der erste Anker einen Hubanker bildet, der der Einzugswicklung und der Haltewicklung zugeordnet ist, und der zweite Anker einen Schaltanker, der der Schaltwicklung zugeordnet ist. der Hubanker und der Schaltanker sind vorzugsweise koaxial gelagert. Es sind aber auch Ausführungen möglich, bei denen nur ein Anker im Relais vorhanden ist, auf den sowohl die magnetische Kraft der bestromten Einzugswicklung und Haltewicklung als auch der bestromten Schaltwicklung einwirkt. In jedem Fall wird die Schaltwicklung vorteilhafterweise erst zu einem Zeitpunkt bestromt, in dem der Anker, der der Einzugs- und Haltewicklung zugeordnet ist, durch Bestromen einer oder beider dieser Wicklungen bereits ausgelenkt ist.
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Die Reihenschaltung von Einzugswicklung und Haltewicklung hat den Vorteil, dass mit einem verhältnismäßig kleinen Strom eine hohe Magnetkraft auf den Anker erzeugt werden kann. Sowohl die Einzugswicklung als auch die Haltewicklung werden in einem definierten Phasenabschnitt aufgrund ihrer Reihenschaltung beide bestromt, wobei die Stromhöhe vorteilhafterweise geringer ist als bei einer ausschließlichen Bestromung der Einzugswicklung. Der reduzierte Strom hat eine geringere Erwärmung des Relais zur Folge, wodurch die Lebensdauer des Relais verbessert wird.
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Die Bestromung der Wicklungen erfolgt durch Schalter bzw. Transistoren im Relais. Über eine entsprechende Ansteuerung können die Wicklungen in verschiedenen Phasenabschnitten der Einspurbewegung in unterschiedlicher Weise alleine oder gemeinsam bestromt werden.
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Vorteilhafterweise liegen die Einzugswicklung und die Haltewicklung im gleichen Magnetkreis. Die Einzugs- und die Haltewicklung können auf dem gleichen Wicklungsträger angeordnet sein. Bei der Ansteuerung der Einzugs- und Haltewicklung ist es gegebenenfalls möglich, die Haltewicklung unabhängig von der Einzugswicklung zu bestromen, so dass in einem bestimmten Phasenabschnitt ausschließlich die Haltewicklung bestromt ist und die Einzugswicklung unbestromt ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist die Haltewicklung kleiner dimensioniert als die Einzugswicklung und weist beispielsweise eine geringere Windungsanzahl als die Einzugswicklung auf, so dass beispielsweise bei einer ausschließlichen Bestromung der Haltewicklung eine geringere magnetische Kraft ausgeübt wird, die auf den verstellbaren Anker wirkt.
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Die Einzugswicklung und die Haltewicklung sind vorteilhafterweise unabhängig voneinander bestrombar. Dies erlaubt es, insbesondere in den verschiedenen Phasenabschnitten während der Einspurphase entweder nur die Einzugswicklung oder nur die Haltewicklung oder sowohl die Einzugswicklung als auch die Haltewicklung zu bestromen und mit unterschiedlich hohen Strömen unterschiedliche magnetische Kräfte auf den Anker auszuüben, so dass dieser in verschiedenen Phasenabschnitten der Einspurphase schneller oder langsamer beschleunigt wird bzw. eine höhere oder geringere magnetische Kraft in Richtung der Auslenkung erfährt.
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Der Anker ist insbesondere von der Kraft eines Federelementes in die Ausgangsstellung beaufschlagt, so dass bei einer Bestromung der Einzugswicklung und/oder der Haltewicklung eine magnetische Kraft auf den Anker entgegengesetzt zur Federkraft ausgeübt wird.
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Die Einspurphase umfasst sämtliche Phasenabschnitte bei der Überführung des Ankers von seiner Ausgangsposition in die verstellte Einspurposition, die vorzugsweise die maximal ausgelenkte Position des Ankers darstellt. Auch das Halten des Ankers in der Einspurposition ist von der Einspurphase umfasst. Im Falle einer Startvorrichtung und eines Starterrelais greift in der Einspurposition das Starterritzel in den Zahnkranz der Brennkraftmaschine ein.
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Die Schaltwicklung, mit der im Fall einer Ausführung des elektromagnetischen Relais als Starterrelais für eine Startvorrichtung der elektrische Startermotor gestartet werden kann, wirkt vorteilhafterweise in einem unterschiedlichen Magnetkreis. Somit liegen die Einzugswicklung und die Haltewicklung in einem ersten Magnetkreis und die Schaltwicklung in einem zweiten Magnetkreis.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betätigen einer Startvorrichtung, die mit einem vorbeschriebenen Relais ausgestattet ist, werden in verschiedenen Phasenabschnitten der Einspurphase die Einzugswicklung und die Haltewicklung in unterschiedlicher Weise bestromt. Vorteilhafterweise wird während eines ersten Phasenabschnittes der Einspurphase nur die Einzugswicklung im Starterrelais bestromt, so dass in der Einzugswicklung ein verhältnismäßig hoher Strom wirksam ist und die Einzugswicklung eine verhältnismäßig große magnetische Kraft auf den Anker ausübt. Im weiteren Verlauf der Einspurphase kann in einem sich an den ersten Phasenabschnitt anschließenden, weiteren Phasenabschnitt zusätzlich die in Reihe geschaltete Haltewicklung bestromt werden. Hierdurch sinkt das Stromniveau in der Einzugswicklung und Haltewicklung ab, wodurch die Erwärmung des Starterrelais begrenzt wird. Die Bestromung der Haltewicklung erfolgt insbesondere in einer Phase, in der der Anker bereits seine Einspurposition erreicht hat, in welcher das Starterritzel in Eingriff mit dem Zahnkranz der Brennkraftmaschine steht. Diese Phase kann auch als Wartephase bezeichnet werden, die die Startvorrichtung einnimmt, wenn die Brennkraftmaschine abgeschaltet ist, jedoch innerhalb kurzer Zeit wieder gestartet werden soll, beispielsweise im Falle eines Ampelstopps des Fahrzeugs, in das die Brennkraftmaschine einschließlich Startvorrichtung eingebaut ist.
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Insbesondere in der Ausführung mit separat ausgebildetem Hubanker, welcher der Einzugswicklung und der Haltewicklung zugeordnet ist, und Schaltanker, welcher der Schaltwicklung für das Einschalten des elektrischen Startermotors zugeordnet ist, lassen sich in einer vorteilhaften Weise auch Situationen meistern, in denen die Brennkraftmaschine unmittelbar nach dem Abschalten wieder gestartet werden soll.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung schließt sich an den ersten Phasenabschnitt der Einspurphase, in dem nur die Einzugswicklung bestromt wird, ein weiterer Phasenabschnitt an, in dem nur die Haltewicklung bestromt wird. Die Haltewicklung wird in dieser Situation noch vor dem Erreichen der maximal ausgelenkten Position des Ankers bestromt, so dass mit dem Bestromen der Haltewicklung eine magnetische Stellkraft auf den Anker wirkt, die diesen in Richtung der ausgelenkten Position verstellt. Mit dem Bestromen der Haltewicklung wirkt im Vergleich zur Einzugswicklung eine geringere magnetische Kraft auf den Anker, so dass dieser mit geringerer Geschwindigkeit in Richtung der ausgelenkten Position verstellt wird. In diesem Phasenabschnitt sind die Belastungen im Starterrelais, insbesondere im Hinblick auf die Wärmeentwicklung reduziert.
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Gegebenenfalls kann der Einspurvorgang, falls erforderlich, noch vor dem Erreichen der maximal ausgelenkten Position wieder durch Umschalten der Bestromung ausschließlich auf die Einzugswicklung beschleunigt werden. Hierbei wird das Einspuren des Starterritzels in den Zahnkranz der Brennkraftmaschine mit hoher Sicherheit erreicht.
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Falls sich die Startvorrichtung in einer Wartephase befindet, in der der Anker sich in der Einspurposition befindet und das Starterritzel in Eingriff mit dem Zahnkranz der Brennkraftmaschine steht, jedoch die Brennkraftmaschine noch abgeschaltet bleibt, ist es zweckmäßig, dass sowohl die Einzugswicklung als auch die Haltewicklung bestromt werden, wodurch die eingespurte Position des Starterritzels beibehalten wird, jedoch ein reduzierter Strom im Starterrelais wirkt.
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Sobald die Brennkraftmaschine gestartet werden soll, wird die Schaltwicklung bestromt, wodurch der elektrische Startermotor gestartet wird.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
- 1 eine Startvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit einem Starterrelais zum Verstellen eines Starterritzels,
- 2 die Startvorrichtung mit detaillierter Darstellung des Starterrelais,
- 3 die Verschaltung des Starterrelais,
- 4 die Verschaltung des Starterrelais in einer Ausführungsvariante.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die in 1 dargestellte Startvorrichtung 1 für eine Brennkraftmaschine weist ein Starterritzel 2 auf, das zum Starten der Brennkraftmaschine 4 in Eingriff mit einem Zahnkranz 3 der Brennkraftmaschine gebracht wird. Das Starterritzel 2 ist auf einer Welle 5 wie mit dem Doppelpfeil gekennzeichnet axial verschieblich gelagert, wobei das Starterritzel 2 drehfest mit der Welle 5 gekoppelt ist. Das Starterritzel 2 wird zwischen einer zurückgezogenen Außerfunktionsposition und einer vorgerückten Eingriffsposition mit dem Zahnkranz 3 der Brennkraftmaschine 4 über ein Starterrelais 6 verstellt, das elektromagnetisch ausgebildet ist und bestrombare Relaiswicklungen 7 sowie einen Hubanker 8 umfasst, der durch Federkraft in eine Ausgangsposition belastet ist und bei Bestromung einer Einzugswicklung, die Teil der Relaiswicklungen 7 ist, in eine Einspurposition verstellt wird. Der Hubanker 8 ist über einen Einrückhebel 9 kinematisch mit dem Starterritzel 2 gekoppelt, so dass die axiale Verstellbewegung des Hubankers 8 zwischen der Ausgangsposition und der Einspurposition in eine korrespondierende axiale Stellbewegung des Starterritzels 2 zwischen der Außerfunktionsposition und der Eingriffsposition umgesetzt wird.
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Die drehende Antriebsbewegung auf die Welle 5 bzw. das Starterritzel 2 wird mithilfe eines elektrischen Startermotors 11 erzeugt, der über ein Planetengetriebe 12 mit der Welle 5 gekoppelt ist. Bei einer Betätigung des elektrischen Startermotors 11 wird die Welle 5 und damit auch das Starterritzel 2 in Drehung versetzt.
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Der Startvorrichtung 1 ist ein Steuergerät 10 zugeordnet, über das die Funktionen des Starterrelais 6 sowie des Startermotors 11 gesteuert werden.
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Nachdem der Hubanker 8 die Einspurposition erreicht hat, kann der elektrische Strom für den Startermotor 11 eingeschaltet werden, indem im Starterrelais 6 eine Schaltwicklung bestromt und ein Schaltanker 13 verstellt wird. Auch die Schaltwicklung ist Bestandteil der Relaiswicklungen 7. Der Startermotor 11 treibt im eingeschalteten Zustand die Welle 5 sowie das Starterritzel 2 drehend an.
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In 2 ist das Starterrelais 6 detaillierter dargestellt. Das Starterrelais 6 umfasst in einem Gehäuse den Hubanker 8, dem zwei in Reihe geschaltete Wicklungen 14, 15 zugeordnet sind, von denen die Wicklung 14 eine Einzugswicklung und die Wicklung 15 eine Haltewicklung bilden. Des Weiteren umfasst das Starterrelais 6 den Schaltanker 13, der separat vom Hubanker 8 ausgebildet und dem die Schaltwicklung 16 zugeordnet ist. Die Einzugswicklung 14 und die in Reihe geschaltete Haltewicklung 15 liegen in einem ersten Magnetkreis, zu dem auch der Hubanker 8 gehört, wohingegen die Schaltwicklung 16 und der Schaltanker 13 in einem zweiten Magnetkreis liegen. Die Bestromung der Einzugswicklung 14, der Haltewicklung 15 und der Schaltwicklung 16 erfolgt unabhängig voneinander über eine im Steuergerät 10 angeordnete Schaltlogik. Die Schaltwicklung 16 liegt axial versetzt zu der Einzugswicklung 14 und der Haltewicklung 15.
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Bei einem Startvorgang der Brennkraftmaschine wird die Einzugswicklung 14 bestromt, woraufhin der Hubanker 8 in die Einzugswicklung 14 und die Haltewicklung 15 hineingezogen und der Einrückhebel 9 verstellt wird, so dass das Starterritzel 2 eingespurt wird und in Eingriff mit dem Zahnkranz 3 der Brennkraftmaschine gelangt. Nach dem Einspuren wird die Schaltwicklung 16 bestromt; der Schaltanker 13 wird verstellt und ein elektrischer Kontakt geschlossen, woraufhin der Startermotor 11 gestartet wird, der an die Fahrzeugbatterie 17 angeschlossen ist.
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In 3 ist eine Schaltlogik mit einer Schalteinrichtung 18 für die Ansteuerung und Bestromung der Einzugswicklung 14, der Haltewicklung 15 und der Schaltwicklung 16 dargestellt. Die Schalteinrichtung 18 kann Bestandteil des Steuergerätes 10 sein bzw. kommuniziert mit dem Steuergerät 10.
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Die Steuereinrichtung 18 umfasst drei Schalter 19, 20 und 21, von denen die Schalter 19 und 20 der Einzugswicklung 14 und der in Reihe geschalteten Haltewicklung 15 und der Schalter 21 der Schaltwicklung 16 zugeordnet sind. Indem der Einzugs- und Haltewicklung 14, 15 zwei Schalter 19, 20 zugeordnet sind, können verschiedene Schaltzustände und Bestromungen der Wicklungen 14, 15 realisiert werden.
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Zum Vorspuren des Starterritzels in die eingespurte Position mit dem Zahnkranz der Brennkraftmaschine wird der Schalter 19 betätigt und ausschließlich die Einzugsspule 14 bestromt. Dagegen bleiben die Haltespule 15 und die Schaltspule 16 zunächst unbestromt. Mit dem Erreichen der eingespurten Position wird, sofern ein Startwunsch vorliegt, zusätzlich der Schalter 21 betätigt und die Schaltwicklung 16 bestromt, woraufhin der elektrische Startermotor betätigt wird und das Starterritzel in Drehung versetzt wird. Nachdem die Brennkraftmaschine gestartet ist, werden die Wicklungen 14 und 16 abgeschaltet.
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Mithilfe der in 3 dargestellten Schalteinrichtung 18 kann auch eine Wartesituation realisiert werden, beispielsweise bei einem Ampelstopp des Fahrzeugs, in der die Brennkraftmaschine abgeschaltet ist, jedoch innerhalb kurzer Zeit wieder gestartet werden soll. Hierfür wird zunächst wie vorbeschrieben der Schalter 19 betätigt und die Einzugswicklung 14 bestromt, bis das Ritzel in den Zahnkranz der Brennkraftmaschine eingespurt ist. Nachdem die Einspurposition erreicht ist, wird der Schalter 19 abgeschaltet und stattdessen der Schalter 20 eingeschaltet, woraufhin sowohl die Einzugswicklung 14 als auch die in Reihe geschaltete Haltewicklung 15 bestromt werden, jedoch mit einem geringeren Strom. Das Starterritzel ist in den Zahnkranz der Brennkraftmaschine eingespurt und bleibt so lange in der eingespurten Position, wie der Schalter 20 eingeschaltet und die beiden Wicklungen 14 und 15 gemeinsam bestromt werden. Sobald ein Startwunsch vorliegt, wird zusätzlich die Schaltwicklung 16 durch Einschalten des Schalters 21 bestromt und der Startermotor in Drehung versetzt.
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In 4 ist eine Ausführungsvariante der Schaltlogik mit der Schalteinrichtung 18 dargestellt, bei der ein weiterer Schalter 22 vorhanden ist, welcher der Kombination von Einzugswicklung 14 und Haltewicklung 15 zugeordnet ist. Die übrigen Schalter 19 bis 21 entsprechen in ihrer Funktion den Schaltern aus 3.
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Die in 4 dargestellte Schaltlogik ermöglicht ein sanftes Einspuren des Starterritzels in den Zahnkranz mit reduzierter Geschwindigkeit. Hierzu wird in einem ersten Phasenabschnitt der Einspurphase zunächst durch Betätigen des Schalters 19 nur die Einzugswicklung 14 bestromt und der Hubanker auf eine verhältnismäßig hohe Geschwindigkeit beschleunigt. Dieser erste Phasenabschnitt dauert jedoch nur eine kurze Zeit von beispielsweise maximal 10 ms an. Hieran schließt sich ein zweiter Phasenabschnitt der Einspurphase an, bei der sowohl der Schalter 20 als auch der Schalter 22 eingeschaltet sind, der Schalter 19 jedoch ausgeschaltet ist. Mit eingeschalteten Schaltern 20 und 22 wird ausschließlich die Haltewicklung 15 bestromt, wohingegen die Einzugswicklung 14 unbestromt bleibt. Die Haltewicklung 15 ist kleiner dimensioniert als die Einzugswicklung 14, beispielsweise mit einer geringeren Windungsanzahl ausgestattet so dass der weitere Einspurvorgang mit reduzierter Geschwindigkeit durchgeführt wird.
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Nachdem die Einspurposition erreicht ist, in der das Starterritzel in Eingriff mit dem Zahnkranz der Brennkraftmaschine steht, wird nur der Schalter 20 aktiviert, wohingegen die weiteren Schalter 19 und 22 ausgeschaltet sind. Bei aktiviertem Schalter 20 werden sowohl die Einzugswicklung 14 als auch die Haltewicklung 15 bestromt, wobei die Stromhöhe geringer ist als bei einer ausschließlichen Bestromung der Einzugswicklung 14. Dieser Zustand wird für das Halten der Einspurposition mit dem Eingriff des Starterritzels in den Zahnkranz der Brennkraftmaschine so lange gehalten, bis ein Startwunsch vorliegt, woraufhin zusätzlich die Schaltwicklung 16 durch Einschalten des Schalters 21 bestromt wird.
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Für einen regulären Startvorgang ohne Wartephase, in welcher das Starterritzel in der eingespurten Position mit dem Zahnkranz gehalten werden soll, wird wie im Ausführungsbeispiel gemäß 3 die Einzugswicklung 14 durch Aktivieren des Schalters 19 bestromt, wohingegen die Haltewicklung 15 unbestromt bleibt. Nachdem das Starterritzel in Eingriff mit dem Zahnkranz steht, wird zusätzlich die Schaltwicklung 16 durch Aktivierung des Schalters 21 bestromt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008007077 A1 [0002, 0003]
