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Die
vorliegende Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Steuerung eines
Kraftfahrzeuganlassers.
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Wie
in 1 veranschaulicht,
umfaßt
ein Anlasser nach dem Stand der Technik, der beispielsweise in 1 der FR-A-2 749 451 dargestellt
ist, auf die zu weiteren Einzelheiten verwiesen werden kann, einen
Elektromotor M, der mit einem elektromagnetischen Relais 1 zwischen
der Plusklemme einer Batterie und der Masse in Reihe geschaltet
ist.
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Das
Relais 1 wird durch eine Spule 2 betätigt, die
mit einem Transistor 4 zwischen der Plusklemme der Batterie
und der Masse in Reihe geschaltet ist, wobei der Transistor 4 durch
ein Steuerorgan 5 angesteuert wird.
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Darüber hinaus
hat die Spule 2 die Funktion, das Ritzel anzutreiben, das
an der Ausgangswelle des Elektromotors M gelagert und dazu bestimmt
ist, mit der Zahnung des Anlaßzahnkranzes
des Verbrennungsmotors zusammenzuwirken.
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Wenn
ein zwischen der Plusklemme der Batterie und einem Eingang e1 des
Steuerorgans 5 angeordneter Zündschlüsselschalter 6 durch
einen Benutzer betätigt
wird, schaltet das Steuerorgan 5 den mit seinem Ausgang
s1 verbundenen Transistor 4 durch, so daß die Spule 2 gespeist
wird, der Kontakt 1 sich schließt und der Strom im Elektromotor
M zu fließen
beginnt, bei dem es sich bekannterweise um einen Elektromotor mit
hoher Leistung handelt, der eine Erregerwicklung 3 und
einen Anker umfaßt.
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In 2 ist der Verlauf des Stroms
dargestellt, der beim Starten durch den Elektromotor fließt. Zu Beginn
läuft der
Elektromotor M nicht, und der im Elektromotor fließende Strom
wächst
rasch an, da er nur durch die Induktivität und den Widerstand des Elektromotors
begrenzt ist. In Abhängigkeit
von der Trägheit
des Läufers
des Elektromotors M und von den Drehmoment/Drehzahl-Eigenschaften
des Elektromotors steigt die Drehzahl des Elektromotors allmählich an.
Dabei wirkt eine gegenelektromotorische Kraft der Antriebskraft
der Batterie entgegen, wodurch sich der durch den Elektromotor M
aufgenommene Strom entsprechend verringert; der daraufhin auf einen
mittleren Pegel N absinkt, welcher von der mit dem Elektromotor
M verbundenen mechanischen Last abhängig ist.
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So
ist in 2 eine anfängliche
Stromspitze im Elektromotor zu erkennen, auf die eine Phase mit stabilisiertem
Antrieb des Verbrennungsmotors folgt, während der der Strom leicht
um einen Mittelwert N schwankt. In der Praxis stellt sich häufig eine
Stromspitze ein, die größer als
der zwei- bis dreifache mittlere Antriebswert N ausfällt.
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Diese
Stromspitzen führen
zu Überspannungen
und Überstromstärken, die
durch Funkenbildung und Lichtbögen
einen erheblichen Verschleiß der Kohlebürsten und
des Kommutators des Elektromotors verursachen, der zu dem beim effektiven
Antrieb des Verbrennungsmotors bewirkten Verschleiß hinzukommt.
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In
der unter der Nummer FR-A-2 749 451 veröffentlichen FR 96 06857 ist
außerdem
vorgeschlagen worden, in die Spule 2 ein Rechtecksignal des
Typs mit Pulsweitenmodulation (englisch: Puls Width Modulation)
einzuspeisen, um das Relais nach einer ausgewählten Öffnungs-/Schließsequenz zu steuern.
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Bei
einer derartigen Vorrichtung können
die Durchschalt- und Sperrzeiten nur größer als die mechanische Ansprechzeit
des Schützes
gewählt
werden, das heißt
nach Frequenzen unter 100 Hz, die von den Masse-, Induktivitäts- und
Widerstandseigenschaften sowie von den Anziehungskräften des Schützes abhängig sind.
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Die
Zeitspanne der in der Schützspule
angelegten zerhackten Spannung fällt
daher relativ lang aus, so daß bei
jedem Spannungsrechteck in der Spule, das heißt bei jeder Schließ-/Öffnungssequenz des Schützes, der
Strom im Elektromotor Zeit hat, einen Stromstärkepeak zu erreichen und auf
null zurückzugehen.
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In
den 3 und 4 sind der impulsbezogene Verlauf
der Stromstärke
durch den Elektromotor bzw. der abgehackte Verlauf der Drehzahl
des Motors dargestellt worden.
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Diese
großen
Veränderungen
der Stromstärke
bewirken eine intensive Funkenbildung im Elektromotor sowie eine
besondere Beanspruchung der Kohlebürsten und des Kommutators dieses
Elektromotors.
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Bei
einer derartigen Vorrichtung wird daher zwar der Elektromotor mit
einer reduzierten mittleren Spannung beim Starten gespeist, wobei
sich die starken Veränderungen
der Stromstärke
in diesem Motor dadurch jedoch nicht verringern.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Anlasser vorzuschlagen,
der es ermöglicht,
den Elektromotor anlaufen zu lassen, ohne eine erhebliche Stromspitze
in diesem Motor zu erzeugen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Vorrichtung zur Steuerung der Speisung des Elektromotors eines Anlassers,
insbesondere eines Kraftfahrzeuganlassers, gelöst, die einen Leistungsschalter,
der mit dem besagten Elektromotor in Reihe geschaltet ist, um dessen
Speisung zu steuern, und Mittel zur Reduzierung der Speisespannung
des besagten Elektromotors zu Beginn des Anlaßvorgangs umfaßt, dadurch
gekennzeichnet, daß der
Schalter aus einem ansteuerbaren elektronischen Leistungsbauteil
besteht.
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Dank
der Erfindung steuert die Spule kein Relais mehr, und der Verschleiß der Kohlebürsten verringert
sich, wobei gleichzeitig der Kommutator des Elektromotors geschont
wird, der dadurch eine längere
Lebensdauer aufweist, was in einfacher und wirtschaftlicher Weise
herbeigeführt
wird.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung. Diese Beschreibung dient nur zur Veranschaulichung und
hat keine einschränkende
Wirkung. Sie ist unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen zu lesen;
darin zeigen im einzelnen:
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die
bereits analysierte 1 ein
Funktionsschaltbild eines Kraftfahrzeuganlassers nach dem bisherigen
Stand der Technik;
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die
bereits analysierte 2 ein
Diagramm zur Darstellung der Entwicklung des Stroms in dem Elektromotor
ebendieses Anlassers bei dessen Anlaufen;
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die
bereits analysierte 3 ein
Diagramm zur Darstellung des Verlaufs des Stroms in einem Elektromotor
eines Anlassers nach dem Stand der Technik, bei dem die Schützspule
durch eine Rechteckspannung gespeist wird;
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die
bereits analysierte 4 ein
Diagramm zur Darstellung des Verlaufs der Drehzahl des Elektromotors
ebendieses Anlassers;
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5 ein Funktionsschaltbild
zur Darstellung eines erfindungsgemäßen Anlassers;
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6 ein Diagramm zur Darstellung
des Verlaufs der Stromstärke
im Elektromotor ebendieses Anlassers bei dessen Anlaufen;
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7 ein Funktionsschaltbild
zur Darstellung eines Anlassers nach einer zweiten Variante der Erfindung;
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8 ein Flußdiagramm
zur Veranschaulichung verschiedener Schritte, die durch ein Steuerorgan
der Vorrichtung von 5 zur
Anwendung gebracht werden.
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Der
erfindungsgemäße Anlasser,
wie er in 5 dargestellt
ist, unterscheidet sich von dem unter Bezugnahme auf 1 analysierten Anlasser
dadurch, daß das
elektromagnetische Schütz 1 durch ein
elektronisches Leistungsbauteil ersetzt wird, bei dem es sich hier
um einen Transistor 1, beispielsweise um einen MOSFET-Transistor
handelt, der ein Gate, eine Source und ein Drain aufweist.
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Dieser
Transistor wird durch ein Steuerorgan 5 gesteuert, bei
dem es sich hier um einen Mikroprozessor handelt, wobei er mit einem
Ausgang s2 dieses Steuerorgans durch sein Steuergate verbunden ist.
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Die
durch die gleichen Mittel wie in 1 gesteuerte
Spule 2, die durch eine ihrer Klemmen mit einem Eingang
e2 der Steuereinheit 5 verbunden ist, ist hier auf ihre
Antriebsfunktion für
das Ritzel des Elektromotors M reduziert.
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Außerdem umfaßt diese
Schaltungsanordnung eine Diode 7, die zwischen der Masse
und einem Punkt geschaltet ist, der sich zwischen dem Transistor 1 und
einer direkt vor dem Elektromotor M geschalteten Erregerwicklung 3 befindet,
und die von der Masse zu diese Punkt durchgeschaltet oder leitend
ist.
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Es
folgt nun eine Funktionsbeschreibung dieser Schaltung unter Bezugnahme
auf die 6 und 8.
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Wenn
der Zündschlüsselschalter 6 durch den
Benutzer betätigt
wird, geht die Ausgangsspannung s1, die den Transistor 4 steuert,
auf ihren hohen Pegel über,
so daß das
Antriebsritzel, das drehfest mit dem Hochleistungselektromotor M
verbunden, aber im Verhältnis
zu diesem axial verschiebbar gelagert ist, am Anlaßzahnkranz
des Verbrennungsmotors einspurt.
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Die
Steuereinheit 5 überträgt eine
Steuerspannung an das Gate des Transistors 1 erst nach Ablauf
einer Verzögerungszeit
im Anschluß an
die Durchschaltung des Transistors 4, bei dem es sich beispielsweise
um einige Zehntelsekunden handelt, wobei der Transistor 1 während dieser
Verzögerungszeit
gesperrt ist und kein Strom im Elektromotor M fließt.
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Die
Steuereinheit 5 legt dann an das Gate des Transistors 1 eine
zerhackte Spannung mit einem ausgewählten Taktverhältnis an,
wie im Verlauf 12 von 6 dargestellt.
Die Erregerwicklung 3 und der Elektromotor M weisen beide
einen Widerstand und eine Induktivität von nicht unerheblichem Ausmaß auf, und
wenn die Zerhackungsperiode bezogen auf die Werte dieser Induktivitäten ausreichend lang
gewählt
wird, ist, wie in 6 dargestellt,
eine Entwicklung der Stromstärke
des Elektromotors M nach Schwingungen mit geringer Amplitude um
eine mittlere Kurve 13 festzustellen.
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Die
Diode 7 hat die Funktion einer Freilaufdiode, um Überspannungen
zu verhindern, wenn der Transistor 1 in den gesperrten
Zustand schaltet, das heißt
bei jedem an sein Gate übertragenen
Spannungspuls.
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Die
Zerhackungsperiode wird so gewählt, daß die Stromstärke im Elektromotor
keine Zeit hat, während
einer Sperrzeit des Transistors 1 wieder auf null abzusinken.
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Im
vorliegenden Fall finden die Stromstärkeschwingungen im Elektromotor
schnell genug statt, damit ihre Amplitude sehr gering ausfällt im Verhältnis zur
allgemeinen Amplitude der mittleren Stromstärkekurve 13, praktisch
hier entsprechend einer Schwingungsamplitude in der Größenordnung
von einem Zehntel der Amplitude der mittleren Kurve 13.
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Der
Elektromotor verhält
sich daher beim Laufen, als ob er mit einer kontinuierlichen Stromstärke mit
dem gleichen Verlauf wie die mittlere Kurve 13 gespeist
würde.
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Die
Schwingungen der Stromstärke
um die mittlere Kurve 13 haben daher keinen Einfluß auf die Kinetik
des Elektromotors.
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Das
Taktverhältnis
der an das Gate des Transistors 1 angelegten zerhackten
Spannung wird gleich einem Wert x zwischen 0,5 und 0,8 gewählt. Die
Schließrate
des Transistors ist gleich diesem Wert, während die an das Paar Erregerwicklung 3/Elektromtor
M angelegte Effektivspannung gleich x·U ausfällt, wobei U für die Batteriespannung
steht.
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Unter
dem Einfluß dieser
Spannung wird der Elektromotor von einem Strom durchflossen, der beim
Anlaufvorgang einen Stromstärkepeak
erreicht, dessen Amplitude deutlich niedriger als die Amplitude
des bei einem Anlaßvorgang
unter voller Batteriespannung erreichten Peaks ausfällt.
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Zum
Vergleich ist in 6 mit
gestrichelter Linie ein solcher Stromstärkepeak in einer Vorrichtung
nach dem bisherigen Stand der Technik dargestellt worden.
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Nach
dem Durchgang dieses leichten Stromstärkepeaks legt die Steuereinheit 5 an
den Transistor eine Steuergleichspannung an, die ihn im durchgeschalteten
Zustand hält.
Der Elektromotor M wird dann durch die volle Batteriespannung gespeist.
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Insoweit
der Elektromotor M nach dem Durchgang des Anfangspeaks eine Drehzahl
ungleich null aufweist und daher eine gegenelektromotorische Kraft
in diesem Elektromotor vorhanden ist, bewirkt das Anlegen der vollen
Batteriespannung nicht das Auftreten eines hohen Stromstärkepeaks, sondern
eines zweiten Stromstärkepeaks
mit niedriger Amplitude.
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Die
Stromstärke
des Elektromotors stabilisiert sich anschließend um einen Mittelwert N,
um den sie während
der installierten Antriebsphase des Elektromotors leicht schwingt.
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Es
wird daher eine zerhackte Steuerspannung des Transistors 1 mit
einer ausreichend hohen Frequenz verwendet, damit die Selbstinduktivität des Elektromotors
M und die der Erregerwicklung 3 eine Filterung der an sie
angelegten zerhackten Spannung durchführen, so daß die Stromstärke im Elektromotor
M geglättet
wird und keine zerstörerische Funkenbildung
für die
Kohlebürsten
am Kommutator des Elektromotors verursacht. Bei den Induktivitätswerten
der üblichen
Elektromotoren und Erregerwicklungen liegt eine solche Frequenz
zwischen etwa 100 Hz und 2 kHz.
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Die
Funktionsweise des Steuerorgans 5, wie sie im Flußdiagramm
von 8 veranschaulicht
ist, läßt sich
wie folgt beschreiben.
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Ein
Benutzer erteilt der Vorrichtung einen Anlaßbefehl durch das Schließen des
Zündschlüssels 6.
Das Auftreten dieses Befehls wird durch Überwachungsmittel 100 zur Überwachung
de Spannung an dem Kabel, das den Zündschlüssel mit dem Anlasser verbindet,
festgestellt.
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Nach
einer Variante können
derartige Überwachungsmittel 100 aus
einem Organ zur Überwachung
der Spannung oder des Stroms an den Klemmen der Steuerspule 2 des
Ritzels oder aber aus einem Organ zur Überwachung der Spannung bzw. des
Stroms an einem Punkt des Schaltungszweigs, in dem der Elektromotor
geschaltet ist, bestehen.
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Im
Anschluß an
diese Erfassung übertragen diese Überwachungsmittel
ein Erfassungssignal zur Erfassung des Anlaßbefehls an ein Steuermittel
des Transistors 1, das daraufhin an das Gate des Transistors 1 eine
Spannung mit Pulsweitenmodulation (PMW, englisch: Puls Width Modulation)
anlegt und Mittel 200 zur Erfassung des Durchgangs der
Anfangsstromspitze im Elektromotor M aktiviert.
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Das
Gate des Transistors 1 wird daher zunächst mit einer zerhackten Spannung
gespeist, um den Elektromotor M des Anlassers zeitweise unter einer
reduzierten Effektivspannung zu speisen, ohne daß eine für die Lebensdauer des Anlassers
abträgliche
Stromspitze auftritt.
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Die
Mittel 200 zur Erfassung des Durchgangs der Stromspitze
können
aus einem Mittel bestehen, das in der Lage ist, die Stromstärke bzw.
die Spannung, die an den Klemmen des Elektromotors M entnommen wird,
mit einem ausgewählten
Spannungs- oder Stromstärkepegel
zu vergleichen, um ein Unterschreiten dieses ausgewählten Pegels
zu erfassen und um diese Unterschreitung als das Ende der Stromspitze
zu interpretieren.
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Im
vorliegenden Fall ist dieses Mittel 200 zur Erfassung des
Durchgangs der Stromspitze ein Mittel zum Messen und Vergleichen
einer Stromstärke
in dem Schaltungszweig, in dem der Elektromotor M geschaltet ist.
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Im
Anschluß an
die Erfassung dieses Stromschwellenwerts durch das Mittel 200 löst das Steuerorgan 5 die
Aktivierung eines zweiten Mittels zur Erfassung des Durchgangs eines
Bezugsspannungsschwellenwerts 300 aus.
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Wenn
der zweite Spannungsschwellenwert durch dieses zweite Erfassungsmittel
als überschritten
betrachtet wird, legt das Steuerorgan 5 an den Transistor 1 eine
Steuergleichspannung zum Durchschalten an.
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Nach
einer Variante ist die Steuereinheit 5 vorgesehen, um den
Durchgang des Stromstärkepeaks
auszulösen,
wobei eine deutliche Erhöhung des
Schließtaktverhältnisses
dieses Transistors einer deutlichen Erhöhung der an den Elektromotor
angelegten Effektivspannung entspricht.
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Das
Steuerorgan 5 kann auch vorgesehen sein, um die Öffnungsrate
allmählich
zu einer 100%-Öffnung
hin zu verändern.
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Grundsätzlich wird
die zerhackte Gatespannung vorteilhafterweise durch eine PWM-Schaltung erzeugt,
die eine Steuerung dieser Spannung mit einem Taktverhältnis nach
einem vorbestimmten Verlauf, gegebenenfalls mit Korrekturparameter
erzeugt, die in Abhängigkeit
von der Umgebungstemperatur, von der Batteriespannung oder von der
Stromstärke des
Anlassers ausgewählt
werden.
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Der
Strom I ergibt sich aus der Gleichung: I = (Um – E(t))·(1 – Exp(k·t/R)),
wobei E für
die gegenelektromotorische Kraft des Elektromotors als steigende
Funktion der Drehzahl steht; k ist eine Funktion des Widerstands
und der Induktivität
des Elektromotors; R ist der Gesamtwiderstand der Leistungsschaltung.
Das Taktverhältnis
der PWM ermöglicht
daher eine Einstellung der Spannung Um zwischen
0,5 und 0,8·U,
wobei U für
die Batteriespannung steht.
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In
einer anderen Variante der Erfindung kann das Steuerorgan 5 vorgesehen
sein, um an den Transistor 1 während einer vorbestimmten Dauer
eine reduzierte Effektivspannung anzulegen. Bei dieser Funktionsweise
kommt eine Zeitverzögerung
zur Anwendung; sie ist in 8 durch
den gestrichelt eingezeichneten Schaltungszweig dargestellt.
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In
diesem Fall ist es vorteilhaft, die Dauer der Zeitverzögerung mit
einem an den Klemmen der Batterie gemessenen Strom- oder Spannungspegel
oder bezogen auf die Umgebungstemperatur vorzugeben, um die Auswirkungen
dieser Parameter auf die Anlaufdauer des Elektromotors M auszugleichen
und um insbesondere sicherzustellen, daß die Stromspitze vor dem Auslösen der
Funktionsweise mit 100%-Speisung des Elektromotors weitgehend zurückgegangen
ist.
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Nach
einer in 7 dargestellten
Variante können
der Transistor 1 und seine Steuermittel ein separates Modul
bilden, das außerhalb
des Anlassers angeordnet ist.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
die Verwendung von Batterien mit sehr hoher Leistung, ohne den Anlasser
zu beschädigen.
Außerdem
ermöglicht
sie eine Verringerung der mechanischen Beanspruchungen der verschiedenen
Untergruppen, die zwischen dem Elektromotor M und dem Antriebsritzel
angeordnet sind.
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Diese
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist besonders nützlich
im Falle einer Benutzung des Anlassers im "Stop and go"-Betrieb, um Kraftstoff einzusparen,
das heißt
im Falle eines Fahrzeugs mit Mitteln zur automatischen Abschaltung
seines Verbrennungsmotors beim Anhalten des Fahrzeugs sowie mit
Mitteln zum Erfassen und Wiederanlassen, die auf den seitens des
Fahrers geäußerten Wunsch weiterzufahren
reagieren.
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Wie
verständlich
geworden sein dürfte,
wird der Anlasser kurzzeitig unter reduzierter Spannung gespeist,
und wenn der Transistor T1 durchgeschaltet ist, ermöglicht die
Spule 2 die Vorwärtsbewegung der
mit dem Einspurritzel verbundenen Ritzeleinrückvorrichtung, wobei die Spule 2 einen
Tauchanker steuert, der beispielsweise über eine Einrückgabel auf
die Ritzeleinrückvorrichtung
einwirkt.
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Über diese
Ritzeleinrückvorrichtung,
die innen mit Spiralnuten versehen ist, die sich wiederum mit Spiralnuten
der Ausgangswelle des Elektromotors M im Eingriff befinden, kann
sich das Kitzel im Verhältnis
zur Welle axial verschieben.
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Dank
der Erfindung verkürzt
sich die Schaltzeit der Ritzeleinrückvorrichtung.
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Text zu den Figuren
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7
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- commande du PWM: PWM-Steuerung
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8
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- Ordre de démarrage:
Anlaßbefehl
Détection
de la commande d'alimentation
du moteur électrique:
Erfassung der Ansteuerung der Speisung des Elektromotors
Fonctionnement
en PWM: PWM-Betrieb
Détection
du passage de pointe de courant: Erfassung des Durchgangs einer
Stromspitze
Détection
du passage du seuil de référence:
Erfassung des Durchgangs des Bezugsschwellenwerts
Rapport cyclique
100% du PWM: Taktverhältnis 100%
der PWM
Suite du processus de démarrage: Fortsetzung des Anlaßprozesses
temporisation:
Verzögerung