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Die Erfindung bezieht sich auf ein NTC (Negative Temperature Coefficient)-Widerstandsmodul im Stromkreis einer elektrisch betätigbaren Einrichtung, beispielsweise im Stromkreis einer elektrischen Maschine, zum Beispiel einem elektrischen Antriebsmotor oder einem elektrischen Startermotor in einer Startvorrichtung für eine Brennkraftmaschine.
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Stand der Technik
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Bekannt sind Startvorrichtungen für Brennkraftmaschinen, die ein axial verstellbares Starterritzel auf einer antreibbaren Welle aufweisen, welche von einem elektrischen Startermotor angetrieben wird. Das Starterritzel wird von einem elektromagnetischen Starterrelais von einer zurückgezogenen Außereingriffsposition in eine vorgerückte Eingriffsposition mit einem Zahnkranz der Brennkraftmaschine verstellt.
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Aus der
DE 10 2007 036 789 A1 ist eine Startvorrichtung für Brennkraftmaschinen bekannt, bei der ein NTC-Widerstandselement (Negative Temperature Coefficient) im Stromkreis einer Wicklung des Starterrelais angeordnet ist.
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Aus der
DE 10 2016 215 142 A1 ist eine Startvorrichtung für Brennkraftmaschinen bekannt, bei der in den Stromkreis des elektrischen Startermotors ein NTC-Widerstandselement integriert ist.
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Mithilfe des NTC-Widerstandselements, das bei tiefen Temperaturen einen höheren elektrischen Widerstand und mit zunehmender Temperatur einen geringeren Widerstand aufweist, ist es möglich, den Starterstrom beim Start der Brennkraftmaschine zu begrenzen. Aufgrund der stromreduzierenden Wirkung des NTC-Widerstandselements kann der Spannungseinbruch im Bordnetz reduziert werden.
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Aus der
DE 103 17 466 A1 ist es bekannt, in den Hauptstrompfad eines elektrischen Startermotors in einer Startvorrichtung eine NTC-Widerstandsbaugruppe mit einem Widerstandselement zu integrieren, das von einer Kunststoffspritzgusshülle umgeben ist. In die Kunststoffspritzgusshülle ist zudem ein Gewindebolzen mit einem Innengewinde eingebracht, in das ein korrespondierender Bolzen mit Außengewinde einschraubbar ist. Der von der Kunststoffspritzgusshülle umgebene Gewindebolzen steht elektrisch in Kontakt mit dem NTC-Widerstand.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße NTC (Negative Temperature Coefficient)-Widerstandsmodul kann im Stromkreis einer elektrisch betätigbaren Einrichtung, beispielsweise im Stromkreis einer elektrischen Maschine. Es kommt zum Beispiel eine Verwendung des NTC-Widerstandsmoduls in einem elektrischen Antriebsmotor für ein Fahrzeug in Betracht. In einer weiteren Anwendungsmöglichkeit wird das NTC-Widerstandsmodul in einer elektrisch betätigbaren Einrichtung einer Startvorrichtung zum Starten einer Brennkraftmaschine verwendet, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, wobei die Startvorrichtung als elektrisch betätigbare Einrichtungen einen Startermotor sowie ein elektromagnetisches Starterrelais aufweist. Über das Starterrelais kann das Starterritzel der Startvorrichtung zwischen einer zurückgezogenen Außerfunktionsposition und einer vorgerückten Eingriffsposition verstellt werden, in der das Starterritzel in Eingriff mit einem Zahnkranz der Brennkraftmaschine steht. Der Startermotor treibt das Starterritzel drehend an.
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Im Stromkreis einer elektrisch betätigbaren Einrichtung ist ein NTC-Widerstandsmodul mit einem NTC-Element aus einem NTC-Material angeordnet, dessen elektrischer Widerstand mit zunehmender Temperatur abnimmt. Das NTC-Element in dem NTC-Widerstandsmodul weist beispielhaft bei einer Verwendung in einem elektrischen Antriebsmotor oder in einer Startvorrichtung beim erstmaligen Starten der Brennkraftmaschine aufgrund der niedrigen Temperatur einen erhöhten elektrischen Widerstand auf, wodurch der elektrische Strom begrenzt und Stromspitzen vermieden werden. Da die elektrische Einrichtung, in deren Stromkreis das NTC-Widerstandsmodul integriert ist, an der Spannungsversorgung des Bordnetzes hängt, wird mithilfe des NTC-Widerstandsmoduls ein Spannungseinbruch im Bordnetz vermieden, zumindest aber reduziert.
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Das NTC-Element ist von einer elektrisch isolierenden Vergussmasse umhüllt, die einen Hüllkörper bildet und einen keramischen Füllstoff in einem Bindemittel aufweist. Das NTC-Widerstandsmodul umfasst somit das NTC-Element sowie den Hüllkörper aus keramischem Füllstoff in einem Bindemittel. Am NTC-Widerstandsmodul befinden sich außerdem elektrische Anschlüsse für die Kontaktierung des NTC-Elementes, wobei die elektrischen Anschlüsse vorzugsweise von Elektroden gebildet sind, mit denen das NTC-Element in Kontakt steht. Die Elektroden ragen in bevorzugter Ausführung in den Hüllkörper aus keramischem Füllstoff und Bindemittel hinein und teilweise aus dem Hüllkörper heraus. Dies erleichtert die Kontaktierung des NTC-Widerstandsmoduls über die Elektroden.
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Der Hüllkörper aus keramischem Füllstoff im Bindemittel weist insbesondere eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, vorzugsweise von mindestens 5 W/mK. Diese verhältnismäßig hohe thermische Leitfähigkeit des Hüllkörpers verbessert die Abkühlung des NTC-Widerstandsmoduls nach der Startphase. Die Wärme, die von dem NTC-Widerstandsmodul erzeugt wird, kann innerhalb kurzer Zeit abgeleitet werden, so dass das NTC-Widerstandsmodul entsprechend schnell abkühlt.
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Ein weiterer Vorteil des Hüllkörpers aus keramischem Füllstoff im Bindemittel liegt in der Langzeitstabilität bei den üblicherweise auftretenden Betriebstemperaturen des NTC-Widerstandsmoduls. Außerdem ist eine gute Haftung der Vergussmasse, die den Füllkörper bildet, mit den üblicherweise aus Kupfer gefertigten Elektroden gegeben. Die verbesserte Haftung der Vergussmasse mit dem Kupfermaterial erlaubt eine Herstellung unter Atmosphärendruck. Des Weiteren ist das NTC-Widerstandsmodul mechanisch stabil und robust beispielsweise gegen Schwingungen und Vibrationen. Die Vergussmasse ist gegen schwache Säuren beständig und kann in einfacher Weise verarbeitet werden.
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Vorteilhaft ist es außerdem, dass die Vergussmasse einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das NTC-Element aufweist, wodurch Eigenspannungen und Grenzflächenspannungen minimiert werden.
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Der keramische Füllstoff in der Vergussmasse ist vorteilhafterweise eine oxidische Keramik, beispielsweise Al2O3. In Betracht kommt als keramischer Füllstoff auch eine nicht-oxidische Keramik wie beispielsweise AIN, Si3N4, BN, SiC oder B4C. Es ist sowohl möglich, ausschließlich eine oxidische Keramik oder ausschließlich eine nicht-oxidische Keramik als auch Mischungen von oxidischen Keramiken und nicht-oxidischen Keramiken für den keramischen Füllstoff vorzusehen.
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Das Bindemittel ist, gemäß weiterer vorteilhafter Ausführung, eine reaktive Tonerde oder ein Zement, beispielsweise ein Tonerdezement oder ein Säure-Base-Zement.
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Die Vergussmasse kann durch Mischen der Bindemittel und des Füllstoffes, beispielsweise als Rohstoffpulver, mit Wasser und gegebenenfalls unter Zusatz von Additiven hergestellt werden. Hierbei kann eine fließfähige Masse erzeugt werden, welche im fließfähigen Zustand in der Weise aufgebracht wird, dass das NTC-Element von der Vergussmasse umhüllt ist, woraufhin die Vergussmasse aushärtet. Über die Additive, welche der Vergussmasse beigegeben werden, kann die Vergussmasse in fließfähigem Zustand hinsichtlich rheologischer und mechanischer Eigenschaften optimiert werden.
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Die Elektroden, welche in elektrischem Kontakt mit dem NTC-Element stehen, können Bestandteil des NTC-Widerstandsmoduls sein. In diesem Fall sind auch die Elektroden von der Vergussmasse umhüllt und ebenso wie das NTC-Element fest in der Vergussmasse aufgenommen. Die Elektroden ragen vorteilhafterweise aus dem von der Vergussmasse gebildeten Hüllkörper heraus.
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In alternativer Ausführung sind die Elektroden nicht fester Bestandteil des NTC-Widerstandsmoduls, sie können aber gegebenenfalls in den von der Vergussmasse gebildeten Hüllkörper zur Kontaktierung des NTC-Elements eingesteckt werden.
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Der Hüllkörper kann in der Weise von der Vergussmasse gebildet sein, dass ein Hohlraum gebildet ist, in welchem sich das NTC-Element befindet. Hierbei kann es vorteilhaft sein, dass die Vergussmasse des Hüllkörpers auf Abstand zu dem NTC-Element liegt, das insbesondere von den beiden Elektroden in dem Hohlraum innerhalb des Hüllkörpers gehalten wird. Vorteilhafterweise sind die Elektroden fest in die Vergussmasse eingebunden und in der Vergussmasse fixiert.
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In alternativer Ausführung ist es auch möglich, dass die Vergussmasse in Kontakt mit dem NTC-Element steht. In dieser Ausführung wird das NTC-Element von der Vergussmasse gestützt und fixiert.
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Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist der Hüllkörper, welcher von der Vergussmasse gebildet ist, quaderförmig ausgebildet. In Betracht kommen aber auch kugelförmige Ausführungen des Hüllkörpers oder Ausbildungen als Ellipsoid. In jedem Fall kann der Füllkörper entweder als massiver Körper ausgebildet sein, dessen Vergussmasse das NTC-Element einschließt und auf Berührung zum NTC-Element steht, oder als Hohlkörper mit einem Hohlraum, wobei in diesem Fall die Vergussmasse des Hüllkörpers teilweise oder bevorzugt vollständig auf Abstand zu dem NTC-Element liegt.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
- 1 einen Schnitt längs durch eine Startvorrichtung für eine Brennkraftmaschine, wobei im Stromkreis eines elektrischen Startermotors ein NTC-Widerstandsmodul angeordnet ist,
- 2 eine Seitenansicht eines NTC-Widerstandsmoduls, mit einem kugelförmigen Hüllkörper, bestehend aus einer Vergussmasse mit keramischem Füllstoff in einem Bindemittel, mit seitlich herausstehenden Elektroden,
- 3 das NTC-Widerstandsmodul im Schnitt in einer weiteren Schnittebene,
- 4 ein NTC-Widerstandsmodul in einer Ausführungsvariante mit einem Hohlraum im Hüllkörper,
- 5 ein weiterer Schnitt durch das NTC-Widerstandsmodul gemäß 4, in einer weiteren Schnittebene,
- 6 eine schematische Darstellung eines weiteren NTC-Widerstandsmoduls mit einem elliptischen Hüllkörper,
- 7 das NTC-Widerstandsmodul aus 6 in Draufsicht,
- 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines NTC-Widerstandsmoduls mit quaderförmigem Hüllkörper,
- 9 das NTC-Widerstandsmodul aus 8 in Draufsicht.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die in 1 dargestellte Startvorrichtung 1 wird zum Starten von Brennkraftmaschinen eingesetzt und weist in einem ein Lagerschild bildendes Gehäuse 2 einen elektrischen Startermotor 3 auf, ein Getriebe 4, das als Planetengetriebe ausgeführt ist, eine Antriebswelle 5, eine Freilaufkupplung 6 sowie ein Starterritzel 7, das axial zwischen einer zurückgezogenen Außereingriffsposition und einer vorgerückten Eingriffsposition (gestrichelt dargestellt) zu verstellen ist, in der das Starterritzel 7 in Eingriff mit einem Zahnkranz 23 der Brennkraftmaschine steht. Die axiale Verstellbewegung des Starterritzels 7 wird mithilfe eines elektromagnetischen Starterrelais 8 durchgeführt, das am Lagerschild 2 der Startvorrichtung 1 gehalten bzw. angeflanscht ist.
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Der Startermotor 3 ist im Ausführungsbeispiel als permanenterregter Gleichstrommotor mit Permanentmagneten 9 an der Innenseite des Motor- bzw. Polgehäuses 10 ausgeführt. Der Startermotor 3 weist einen Anker 11 mit einer rotierend gelagerten Ankerwelle 12 auf, einem auf der Ankerwelle 12 aufsitzenden Ankerpaket 13 mit bestrombaren Wicklungen sowie einer Kommutierungseinrichtung 30 mit einem Kollektor 14 zur Stromübertragung und -wendung an die Wicklungen des Ankerpakets 13.
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Das Planetengetriebe 4 wird von der Ankerwelle 12 des Startermotors 3 angetrieben und weist ein gehäusefest gehaltenes Hohlrad 15 mit Innenverzahnung, Planetenräder 17 an einem Planetenträger 18 sowie ein zentrales Sonnenrad 19 auf. Die Getriebeteile sind in einem Getriebegehäusebauteil 16 aufgenommen. Das Sonnenrad 19 sitzt an der Stirnseite der Ankerwelle 12 auf und ist drehfest mit der Ankerwelle 12 verbunden. Das Sonnenrad 19 kämmt mit den Planetenrädern 17, die zugleich an der verzahnten Innenseite des Hohlrades 15 abrollen. Die Planetenräder 17 sind drehbar an Wellen am Planetenträger 18 gelagert, der drehfest mit der Antriebswelle 5 verbunden ist, auf der das Starterritzel 7 aufsitzt. Auf diese Weise wird die Antriebsbewegung der Ankerwelle 12 des Startermotors 3 über das Planetengetriebe 4 in eine Drehbewegung der Antriebswelle 5 umgesetzt. Das Getriebe 4 hat die Funktion eines Untersetzungsgetriebes.
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Die Freilaufkupplung 6 umfasst einen Mitnehmer 20 und sitzt auf der Antriebswelle 5 auf. Der Mitnehmer 20 ist über ein Steilgewinde 21 mit der Antriebswelle 5 gekoppelt. Zur Freilaufkupplung 6 gehört des Weiteren eine Ritzelwelle 22, welche einteilig mit dem Starterritzel 7 ausgebildet und mit dem der Mitnehmer 20 über Wälzkörper drehgekoppelt ist. Die Freilaufkupplung 6 erlaubt eine Momentenübertragung in Dreh- bzw. Antriebsrichtung des Startermotors, wohingegen in Gegenrichtung keine Bewegungs- bzw. Momentenübertragung möglich ist. Damit ist gewährleistet, dass nach dem Starten der Brennkraftmaschine bei einem Überholen des Zahnkranzes gegenüber dem Starterritzel eine Schädigung des Startermotors vermieden wird.
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Die axiale Verstellbewegung des Starterritzels 7 wird durch eine Betätigung des elektromagnetischen Starterrelais 8 erzeugt, das einen axial verstellbaren Hubanker 24 aufweist, welcher über einen Gabelhebel 25 mit dem Mitnehmer 20 gekoppelt ist. Bei Betätigung des Starterrelais 8 wird der Hubanker 24 axial verstellt, diese Stellbewegung wird über den Gabelhebel 25 in eine axiale Auslenkbewegung von Mitnehmer 20 und Starterritzel 7 umgesetzt. Aufgrund der Kopplung des Mitnehmers 20 über das Steilgewinde 21 mit der Antriebswelle 5 führt bei der axialen Vorschubbewegung die Freilaufkupplung 6 einschließlich Starterritzel 7 eine Rotationsbewegung aus, was das Einspuren in den Zahnkranz bei einer Zahn-auf-Zahn-Stellung erleichtert.
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Sobald das Starterritzel 7 seine axial vorgerückte Eingriffsposition mit dem Zahnkranz erreicht hat, wird der elektrische Startermotor 3 gestartet und die Rotationsbewegung der Ankerwelle 12 auf das Starterritzel 7 übertragen.
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Die Startvorrichtung 1 ist frei ausstoßend ausgebildet. Die Antriebswelle 5 ist im Bereich ihrer freien Stirnseite im Gehäuse bzw. Lagerschild 2 in einer offenen Ausnehmung aufgenommen und dort in einem Lager 26 drehbar gelagert. Axial benachbart zum Lager 26 befindet sich auf der Innenseite des Lagerschilds 2 ein Anschlagring 27 auf der Antriebswelle 5, der axial fest mit der Antriebswelle 5 verbunden ist. Die Antriebswelle 5 weist hierzu eine umlaufende Nut auf, in die der Anschlagring 27 oder ein den Anschlagring 27 tragender Sicherungsring eingesetzt ist.
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Die Wicklungen im Ankerpaket 13 werden über die Kommutierungseinrichtung 30 bestromt. In dem Stromkreis, in der die Kommutierungseinrichtung 30 angeordnet ist, liegt ein elektrisches Verbindungskabel 28, das mit einem NTC-Widerstandsmodul (Negative Temperature Coefficient) 29 elektrisch verbunden ist. Der Stromkreis der Kommutierungseinrichtung 30 wird von dem elektrischen Starterrelais 8 bei Auslenkung eines Hubankers des Starterrelais 8 geschlossen. Das NTC-Widerstandsmodul 29 im Stromkreis der Kommutierungseinrichtung 30 des elektrischen Startermotors 3 leitet bei hohen Temperaturen den elektrischen Strom besser als bei tiefen Temperaturen und kompensiert hierdurch ein umgekehrtes Verhalten des elektrischen Startermotors, so dass über einen weiteren Temperaturbereich ein ausgeglichenes Verhalten des Startermotors erreicht wird. Die Kommutierungseinrichtung 30 umfasst den Kollektor 14, der drehfest mit der Ankerwelle 12 des Startermotors 3 verbunden ist, sowie in Bürstenführungen verstellbar gelagerte Bürsten, die in dem Stromkreis liegen.
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Ein NTC-Widerstandsmodul kann gegebenenfalls auch in den Stromkreis des Starterrelais 8 integriert sein.
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In den 2 und 3 ist eine Schnittdarstellung in verschiedenen Ebenen durch ein NTC-Widerstandsmodul 29 gezeigt, das ein NTC-Element 31 umfasst sowie zwei Elektroden 32 und 33, welche an gegenüberliegenden Seiten das NTC-Element 31 kontaktieren. Das NTC-Element 31 und die Elektroden 32 und 33 sind in einem Hüllkörper 34 aufgenommen, der ebenfalls Bestandteil des NTC-Widerstandsmoduls 29 ist und aus einer Vergussmasse hergestellt ist, welche einen keramischen Füllstoff 35 in einem Bindemittel 36 aufweist. Der keramische Füllstoff ist eine oxidische Keramik wie beispielsweise Al2O3 und/oder eine nicht-oxidische Keramik wie beispielsweise AIN, Si3N4, BN, SiC oder B4C. Das Bindemittel 36 ist vorzugsweise ein Zement wie beispielsweise ein Tonerdezement und/oder ein Säure-Base-Zement und/oder eine reaktive Tonerde.
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Die Vergussmasse weist eine thermische Leitfähigkeit von mindestens 4 W/mK, insbesondere von mindestens 5 W/mK auf. Durch diese verhältnismäßig hohe Wärmeleitfähigkeit ist eine rasche Abkühlung des NTC-Widerstandsmoduls 29 nach der Startphase der Startvorrichtung gewährleistet.
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Der Hüllkörper 34, bestehend aus der Vergussmasse mit keramischem Füllstoff 35 und Bindemittel 36 und gegebenenfalls dem Zusatz von Additiven, kann im fließfähigen Zustand aufgebracht werden und kann in verschiedenen Formen vorliegen. Im Ausführungsbeispiel gemäß den 2 und 3 weist der Hüllkörper 34 Kugelform auf. Das NTC-Element 31 ist vollständig von dem Material des Hüllkörpers 34 umgeben. Die Elektroden 32 und 33 sind fest von dem Material des Hüllkörpers 34 aufgenommen, sie ragen jedoch aus dem Hüllkörper 34 heraus.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß den 4 und 5 weist grundsätzlich einen vergleichbaren Aufbau wie das Ausführungsbeispiel gemäß den 2 und 3 auf. Im Unterschied zum vorhergehenden Ausführungsbeispiel ist jedoch bei 4 und 5 ein innenliegender Hohlraum 37 im Hüllkörper 34 gebildet, in welchem sich das NTC-Element 31 befindet. Das NTC-Element 31 wird innerhalb des Hohlraums 37 von den beiden Elektroden 32 und 33 gehalten, die durch die Wandung des Hüllkörpers 34 hindurchragen und von dem Material des Hüllkörpers 34 fixiert werden. Die Innenwand des Hohlraums 37 im Hüllkörper 34 liegt auf Abstand zu dem NTC-Element 31.
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Die 6 und 7 bzw. 8 und 9 zeigen jeweils ein weiteres Ausführungsbeispiel eines NTC-Widerstandsmoduls 29 mit weiteren Geometrieformen des Hüllkörpers 34. Gemäß den 6 und 7 ist der Hüllkörper 34 als elliptischer Körper ausgebildet. Gemäß den 8 und 9 weist der Hüllkörper 34 Quaderform auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007036789 A1 [0003]
- DE 102016215142 A1 [0004]
- DE 10317466 A1 [0006]
