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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine Drehvorrichtung zum Umwandeln einer Energieform in eine andere Energieform, wie zum Beispiel ein Elektromotor, umfasst in der typischen Weise einen Stator und einen Rotor. Bei einem elektrischen Bürstenmotor kann der Rotor zum Beispiel eine an einem Rotorkern befestigte Rotorwelle und einen Kommutator umfassen. Magnetelemente wie Feldspulen sind an dem Rotorkern montiert und mit dem Kommutator elektrisch verbunden. Elektrische Bürsten, die für einen Kontakt mit dem Kommutator ausgebildet sind, versorgen die Magnetelemente an dem Rotor mit Strom und ermöglichen eine Drehung des Rotors.
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Viele Drehvorrichtungen haben eine Überstromschutzkomponente oder eine Überstromschutzschaltung (im Folgenden kollektiv als ”Komponente” bezeichnet), wie zum Beispiel eine Sicherung, um zu verhindern, dass der Motor durch Überstrom beschädigt wird. Ist der Strom in dem Motor zu hoch, unterbricht das Überstromschutzelement den Stromkreis in dem Motor, schneidet die Stromzufuhr ab und verhindert auf diese Weise, dass der Motor überhitzt wird und eventuell Feuer fängt. Überstromschutzvorrichtungen sind jedoch häufig teuer und erhöhen die Kosten des Motors. Außerdem ist es oftmals eine Herausforderung, in dem Elektromotor ausreichend Raum für die Montage oder den Einbau des Überstromschutzelements zu finden.
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Aus diesem Grund wird eine kleinere und weniger teure Überstromschutzvorrichtung gewünscht, die in Elektromotoren verwendet werden kann.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Einige Ausführungsformen sind auf ein kleinere und weniger teure Sicherungskomponente als Überstromschutz für eine Drehvorrichtung gerichtet, wobei die Sicherungskomponente derart konfiguriert ist, dass sie den Stromkreis unterbricht oder dass sie schmilzt, wenn sie einem Strom ausgesetzt ist, der eine vorgegebene Schwelle übersteigt.
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In einigen Ausführungsformen ist die Drehvorrichtung ein Elektromotor, dessen Sicherungskomponente als Teil des Motors konfiguriert ist. Der Elektromotor umfasst einen Stator, einen Rotor, der für eine Drehung in dem Stator ausgebildet ist, und eine Platine, die an dem Stator montiert ist. Die Platine umfasst einen Schaltkreis für die Übertragung von elektrischem Strom zu dem Rotor. Die Sicherungskomponente kann auf der Platine montiert und mit dem Schaltkreis in Reihe geschaltet sein.
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Die Sicherungskomponente kann einen Sicherungsbereich und ein isolierendes Außengehäuse umfassen, das den Sicherungsbereich zumindest teilweise umschließt. In einigen Ausführungsformen kann der Sicherungsbereich ein gerader oder gekrümmter Draht sein. In anderen Ausführungsformen kann der Sicherungsbereich eine Spirale sein, die einen Draht in einer Vielzahl von koaxialen Windungen umfasst. Die koaxialen Windungen können im Wesentlichen kreisförmig konfiguriert sein. In einigen Ausführungsformen kann der Spiralsicherungsbereich einen inneren Spiralbereich und einen äußeren Spiralbereich umfassen.
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Der Draht des Sicherungsbereichs kann aus Kupfer, Aluminium oder einem anderen Material bestehen, das für die Herstellung von Sicherungskomponenten geeignet ist, zum Beispiel Zink, Silber oder einige Legierungen. In einigen Ausführungsformen kann der Draht des Sicherungsbereichs ein kupferplattierter Aluminiumdraht sein. Das Verhältnis von Kupfer zu Aluminium des Drahts kann so bemessen sein, dass es zwischen 20% und 40% beträgt. Der Draht kann einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
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In einigen Ausführungsformen kann das Außengehäuse aus einem Isoliermaterial wie Bakelit, Keramik oder Glas bestehen. Das Außengehäuse kann im Wesentlichen zylindrisch sein.
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Die Sicherungskomponente kann ferner eine Vielzahl von Stopfen oder Endstücken aufweisen, die in eines oder mehrere offene Enden des Außengehäuses eingepasst sind. In einigen Ausführungsformen umfassen die Endstücke einen im Wesentlichen zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Verschlussbereich, der für ein Einpassen in ein offenes Ende des Außengehäuses konfiguriert ist. Die Endstücke können verwendet werden, um die offenen Enden des Außengehäuses zu verschließen und den sich darin befindenden Sicherungsbereich vor Außentemperaturen und anderen Umwelteinflüssen zu schützen.
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In einigen Ausführungsformen sind die Endstücke elektrisch leitend und sind mit den Drahtenden des Sicherungsbereichs verbunden. In anderen Ausführungsformen können die Endstücke elektrisch isolierend sein und derart konfiguriert sein, dass die Drahtenden des Sicherungsbereichs durch die Endstücke hindurchtreten können.
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In einigen Ausführungsformen kann die Sicherungskomponente ferner einen Ferrit- oder Magnetkern aufweisen. Dadurch kann die Sicherungskomponente für die Drehvorrichtung auch die Funktion eines Induktors zum Filtern von EMI ausüben.
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In einigen Ausführungsformen kann die Stromschwelle der Sicherungskomponente konfiguriert werden, indem die Anzahl von Drahtwindungen in der Spirale oder der Durchmesser oder die Querschnittfläche des Drahts geändert werden.
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In einigen Ausführungsformen kann die Sicherungskomponente in der Drehvorrichtung montiert sein. In anderen Ausführungsformen kann die Sicherungskomponente außerhalb der Drehvorrichtung montiert sein, zum Beispiel als Teil eines Widerstand-Einstellmechanismus, der zur Drehzahleinstellung der Drehvorrichtung verwendet wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In den Zeichnungen sind Konstruktion und Zweckmäßigkeit von Ausführungsformen dargestellt, wobei ähnliche Elemente mit den gleichen allgemeinen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Weitere Merkmale, Vorteile und Aufgaben der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen, die lediglich Ausführungsbeispiele darstellen und somit nicht als Einschränkung des Schutzumfangs der Ansprüche zu betrachten sind.
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1 zeigt eine Gebläseanordnung, die in einigen Ausführungsformen verwendet werden kann;
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2A und 2B zeigen jeweils einen Elektromotor, der in einigen Ausführungsformen verwendet werden kann;
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2C ist eine schematische Darstellung eines Elektromotors gemäß einigen Ausführungsformen;
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3A zeigt eine Sicherungskomponente gemäß einigen Ausführungsformen;
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3B–C zeigen jeweils eine Sicherungskomponente mit einer Vielzahl von Endstücken gemäß einigen Ausführungsformen;
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4A–C zeigen alternative Sicherungskomponenten-Konfigurationen gemäß einigen Ausführungsformen;
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5A und 5B zeigen jeweils alternative Sicherungskomponenten mit nichtrunden Drahtwindungen gemäß einigen Ausführungsformen;
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6A und 6B zeigen jeweils alternative Sicherungskomponenten mit mehr als einem Spiralbereich gemäß einigen Ausführungsformen;
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7A und 7B zeigen jeweils alternative Sicherungskomponenten mit einem nichtrunden Drahtquerschnitt in einigen Ausführungsformen;
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8 zeigt eine alternative Sicherungskomponente gemäß einigen Ausführungsformen;
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9A und 9B zeigen jeweils eine Motor-Platine, die in einigen Ausführungsformen verwendet werden kann;
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10 zeigt eine alternative Sicherungskomponente gemäß einigen Ausführungsformen, wobei die Sicherungskomponente auch für eine Funktion als Induktor konfiguriert ist.
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11 zeigt einen Draht für eine Sicherungskomponente gemäß einigen Ausführungsformen.
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12A–B zeigen jeweils eine alternative Ausführungsform für die Montage einer Sicherungskomponente.
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DETAILBESCHREIBUNG
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Nachstehend werden verschiedene Merkmale unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es sollte beachtet werden, dass die Figuren nicht notwendigerweise maßstabsgetreu sind und dass konstruktions- oder funktionsgleiche Elemente in sämtlichen Figuren mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. Ebenfalls sollte beachtet werden, dass die Figuren lediglich dem Zweck der Erläuterung und der besseren Beschreibung von Merkmalen dienen, sofern in der Beschreibung nicht ausdrücklich anders erwähnt und sofern in einem oder mehreren Ansprüchen nicht ausdrücklich anders beansprucht. Die Zeichnungsfiguren und die hier beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen sind keine erschöpfende Darstellung oder Beschreibung von verschiedenen weiteren Ausführungsformen und stellen keine Einschränkung des Schutzumfangs der Ansprüche oder des Umfangs einiger anderer Ausführungsformen dar, die sich dem Fachmann angesichts der in vorliegender Anmeldung beschriebenen Ausführungsformen erschließt. Im Übrigen muss eine dargestellte Ausführungsform nicht sämtliche der dargestellten Aspekte und Vorteile enthalten bzw. aufweisen.
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Ein in Verbindung mit einer speziellen Ausführungsform beschriebener Aspekt oder Vorteil ist nicht notwendigerweise auf diese Ausführungsform beschränkt und kann auch in einer der anderen Ausführungsformen enthalten sein, selbst wenn dies so nicht dargestellt oder ausdrücklich beschrieben ist. Wenn in der gesamten Beschreibung auf ”einige Ausführungsformen” oder ”andere Ausführungsformen” Bezug genommen wird, bedeutet das, dass ein bestimmtes Merkmal, eine bestimmte Konstruktion, ein bestimmter Prozess oder eine bestimmte Charakteristik, die in Verbindung mit den Ausführungsformen beschrieben werden, in mindestens einer Ausführungsform enthalten sind. Deshalb beziehen sich die Formulierungen ”in einigen Ausführungsformen”, ”in einer oder mehreren Ausführungsformen” oder ”in anderen Ausführungsformen” an verschiedenen Stellen in der Beschreibung nicht notwendigerweise auf dieselbe Ausführungsform oder dieselben Ausführungsformen.
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Ausführungsformen sind auf ein Überstromschutzelement oder eine Überstromschutzschaltung oder eine Sicherungskomponente oder eine Sicherungsschaltung (nachstehend kollektiv als ”Sicherungskomponente” bezeichnet) für einen Elektromotor gerichtet. Zu Beschreibungszwecken kann sich eine Sicherungskomponente auf ein elektrisches Element beziehen, das ausgebildet ist für die Verhinderung einer Übererwärmung oder eines anderen Schadens an einem elektrischen System, der durch eine zu hohe Stromstärke oder durch einen Strom verursacht wird, der eine vorgegebene Schwelle wie beispielsweise einen Nennstrom, der den Maximalstrom angibt, den die Sicherung ohne Unterbrechung des Stromkreises kontinuierlich leiten kann, überschreitet. Es sollte beachtet werden, dass verschiedene der nachstehend beschriebenen Aspekte trotz der vorliegenden Beschreibung verschiedener Ausführungsformen in Bezug auf einen Elektromotor vollkommen wirkungsgleich bei anderen Drehvorrichtungen verwendet werden können, zum Beispiel bei einem elektrischen Generator im Hinblick auf eine Filterung von elektromagnetischen Störungen oder Geräuschen und als Überstromschutz.
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Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Sicherungskomponente klein und einfach gebaut sein und ermöglicht dadurch eine Reduzierung von Materialkosten und mehr Flexibilität beim Einbau und bei der Platzierung. Zum Beispiel wurde festgestellt, dass eine Sicherungskomponente gemäß einer bestimmten Ausführungsform fünfzig Cent billiger ist als eine Federplatten-Sicherungskomponente bei ähnlichen Anwendungen. Die Sicherungskomponente umfasst einen einzigen kontinuierlichen Draht und kann wahlweise ein Außengehäuse aufweisen, das zumindest einen Abschnitt des Drahts umschließt. In einigen Ausführungsformen ist der Draht als Spirale mit einer Vielzahl von im Wesentlichen koaxialen Drahtwindungen konfiguriert. Es sollte beachtet werden, dass trotz dieser Ausführungsformen der Sicherungskomponente mit perfekt koaxialen Drahtwindungen aus einem Einzeldraht die Konfiguration an beiden Enden der Spirale von dieser perfekt koaxialen Drahtwindungskonfiguration abweichen kann und zum Beispiel gerade Segmente aufweisen kann, um die Verbindungen mit der Sicherungskomponente zu vereinfachen. Außerdem können auch Herstellungstoleranzen und Lockerungen, Handhabungs- oder Betriebsbedingungen wie beispielsweise hohe Temperaturen, Vibrationen etc. ausschlaggebend dafür sein, dass die Sicherungskomponente von ihren konzipierten geometrischen Charakteristiken (z. B. Koaxialität) abweicht. Aus diesem Grund wird der Fachmann verstehen, dass diese Drahtwindungen nicht koaxial, sondern im Wesentlichen koaxial sind, um zumindest solche Fabrikations- und Herstellungstoleranzen, Lockerungen in verschiedenen gepaarten Teilen oder Anordnungen, Handhabungs- und Betriebsbedingungen sowie Kombinationen dieser Kriterien zu berücksichtigen.
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Eine oder mehrere Charakteristiken der Sicherungskomponente, zum Beispiel die Strom- oder Temperaturschwelle, können konfiguriert werden, indem die Anzahl von Windungen in dem Spiralbereich der Sicherungskomponente und/oder die Querschnittfläche des Drahts geändert werden. Es sollte beachtet werden, dass der Begriff ”Windung” nicht notwendigerweise eine kreisrunde Form bedeutet, sondern dass eine Drahtwindung verschiedene andere Formen annehmen kann, unter anderem verschiedene polygonale Formen mit verschiedenen Krümmungsradien oder eine ovale Form oder andere Formen nach Wahl, ohne hierauf beschränkt zu sein.
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In einigen Ausführungsformen umfasst die Sicherungskomponente ferner ein oder mehrere Endstücke, die eine Schnittstelle für die Verbindung mit einem oder mehreren der offenen Enden der isolierenden äußeren Umschließung bilden. Die Endstücke können derart konfiguriert sein, dass sie die offenen Enden des isolierenden Außengehäuses abdecken oder versiegeln, zum Schutz des eingeschlossenen Drahts vor Außentemperaturen oder anderen Umgebungseinflüssen.
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In einigen Ausführungsformen kann die Sicherungskomponente ferner einen Magnetkern oder einen Ferritkern aufweisen, der in dem Spiralbereich eingebaut ist, so dass die Sicherungskomponente auch als Induktor wirken kann, um beispielsweise elektromagnetische Störungen (EMI) oder Geräusche zu filtern, die den Motor oder umliegende externe Vorrichtungen beeinträchtigen. In anderen Ausführungsformen kann die Sicherungskomponente auch einen Widerstands-Einstellmechanismus umfassen, so dass die Sicherungskomponente in diesem Fall auch für die Einstellung der Drehzahl des Motors verwendet werden kann. In diesen Ausführungsformen kann die Sicherungskomponente eingestellt werden, um die Ankerspannung oder den Feldstrom und damit die Drehzahl des Motors zu ändern, die proportional zur Ankerspannung oder umgekehrt proportional zu dem Magnetfluss des Elektromotors ist. Der Draht der Sicherungskomponente kann einen kupferplattierten Aluminiumdraht, einen Aluminiumdraht, einen Kupferdraht, einen Zinkdraht oder ein anderes Material umfassen, das für Sicherungskomponenten geeignet ist.
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Verschiedene Ausführungsformen können bei Anwendungen zum Einsatz kommen, bei denen ein Elektromotor verwendet wird. Wie in 1 gezeigt ist, können einige Ausführungsformen zum Beispiel bei einem Elektrogebläse 10 angewendet werden. Das Gebläse 10 hat einen Elektromotor 20 für den Antrieb eines Antriebsrads 12 oder einer Vielzahl von Gebläseflügeln. Das Gebläse 10 kann bei einer Vielfalt von verschiedenen Anwendungen zum Einsatz kommen, zum Beispiel bei Anwendungen für die Kühlung von Fahrzeugen. In einigen Ausführungsformen kann der Elektromotor 20 ein DC-Motor (Gleichstrommotor) sein, der durch DC-Quellen wie Stromrichter oder Batterien versorgt wird. In anderen Ausführungsformen kann der Elektromotor 20 ein AC-Motor (Wechselstrommotor) sein, der durch AC-Quellen versorgt wird. Der Elektromotor 20 kann ein Bürstenmotor oder ein bürstenloser Motor sein. Zu Darstellungszwecken und zur einfacheren Beschreibung können sich die nachstehend erläuterten Ausführungsformen auf den Elektromotor 20 als Bürstenmotor beziehen, wenngleich der Fachmann erkennen wird, dass einige Konzepte auch bei anderen Motortypen (z. B. bürstenlose Motoren, Permanentmagnetmotoren etc.) mit der völlig gleicher Wirkung Anwendung finden können, ohne von dem Grundgedanken der Erfindung abzuweichen oder den Rahmen der Ausführungsformen zu verlassen.
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Die 2A und 2B zeigen einen Elektromotor 20, der in einigen Ausführungsformen verwendet werden kann. Wie in den 2A und 2B dargestellt ist, ist der Elektromotor 20 ein Gleichstrom-Bürstenmotor mit einem Stator 21 und einem Rotor 24. Der Rotor 24 ist für eine Drehung in dem Stator 21 konfiguriert, wenngleich in anderen Ausführungsformen ein Rotor nur teilweise von dem Stator umschlossen sein kann oder für eine Drehung außerhalb des Stators konfiguriert ist. In einigen Ausführungsformen kann der Stator 21 ein offenes Ende haben, an dem eine Endabdeckung 29 befestigt sein kann.
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In einigen Ausführungsformen kann der Stator 21 ein Außengehäuse 22 aufweisen. Ein Ende des Außengehäuses 22 kann offen sein, damit der Rotor 24 in dem Stator 22 angeordnet werden kann. Eine Vielzahl von Magnetelementen 23 kann an der Innenseite des Gehäuses 22 befestigt sein. In einigen Ausführungsformen können die Magnetelemente 23 einen oder mehrere Permanentmagnete, einen oder mehrere Elektromagnete, einen oder mehrere Ferromagnete, ein oder mehrere diamagnetische Elemente mit einer geeigneten magnetischen Suszeptibilität für eine Magnetisierung, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt sind, oder andere Mittel zum Erzeugen eines Magnetfelds umfassen. Magnetelemente 23 können auch an anderen Stellen oder durch andere Mittel an dem Stator 21 befestigt sein.
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In einigen der dargestellten Ausführungsformen umfasst der Rotor 24 einen Rotorkern 26 und einen Kommutator 27, der an einer Rotorwelle 25 befestigt ist. Eine Vielzahl von Magnetelementen 28 kann an dem Kern 26 montiert oder befestigt sein. In einigen Ausführungsformen können die Magnetelemente 28 Feldspulen oder Wicklungen aufweisen. Die Magnetelemente 28 sind mit dem Kommutator 27 elektrisch verbunden, so dass elektrischer Strom durch den Kommutator 27 zu den Magnetelementen 28 übertragen werden kann.
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Die Endabdeckung 29 kann passend für das offene Ende des Gehäuses 22 konfiguriert sein und kann ein oder mehrere Lager 19, Hülsen oder andere Elemente tragen, die für eine mechanische Verbindung (z. B. eine Lagerfläche) zwischen beweglichen und stationären Teilen sorgen und ermöglichen, dass die mit dem Rotor 24 verbundene Rotorwelle 25 durch die Endabdeckung 29 hindurchtritt und die Übertragung der Ausgangsleistung des Motors 20 direkt oder indirekt über einen Getriebemechanismus auf eine externe Anwendung wie beispielsweise ein Antriebsrad, eine Achse, Riemenscheibe oder ein Zahnrad etc. erlaubt.
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In einigen Ausführungsformen kann an der Endabdeckung 29 eine Platine 30 befestigt sein. In anderen Ausführungsformen kann die Platine 30 stattdessen an dem Stator 21 oder an einem anderen stationären Bereich des Motors 20 montiert sein. Die Platine 30 hat eine dem Rotorkern 26 zugewandte erste Fläche 31, die einer zweiten Fläche 32 gegenüberliegt. In einigen Ausführungsformen ist eine Vielzahl von elektrischen Bürsten 33 an der ersten Fläche 31 der Platine 30 befestigt. Die Vielzahl von elektrischen Bürsten 33 kann in einer Vielzahl von Bürstenhaltern 34 angeordnet sein. Die Bürstenhalter 34 können eine beliebige Art einer Halterung, eines Schlitzes oder eines anderen Bauelements zum Halten einer elektrischen Bürste 33 in ihrer Lage umfassen.
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Die elektrischen Bürsten 33 des Motors 20 können in einigen Ausführungsformen in einem radialen Muster angeordnet sein, so dass sich während des Motorbetriebs ein Ende einer elektrischen Bürste 33 mit dem Kommutator 27 in Gleitkontakt befinden kann, damit elektrischer Strom von den Bürsten 33 über den Kommutator 27 zu der Vielzahl von Magnetelementen 28 an dem Rotorkern 26 übertragen werden kann.
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Außerdem kann die Platine 30 eine Vielzahl von Induktoren 35 umfassen. Die dargestellte Ausführungsform umfasst beispielsweise zwei Induktoren 35. In diesen Ausführungsformen sind die beiden Induktoren 35 derart positioniert, dass sie relativ zueinander im Wesentlichen parallel und auf gegenüberliegenden Seiten 31 der Platine 30 jeweils zwischen einem Paar von Bürsten 33 liegen. Die Induktoren 35 können als Drossel für den Elektromotor 20 wirken, wobei sie während der Wirkung als EMI-Filter für einen Schutz gegen ein Abwürgen sorgen.
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Die zweite Fläche 32 des Platine 30 kann eine oder mehrere Sicherungskomponenten 36 aufweisen, die mit einer oder mehreren der Bürsten 33 in Reihe geschaltet sind, und einen Verbindungsanschluss 37. Der Verbindungsanschluss 37 kann über einen Verbinder mit einer externen Stromquelle (nicht gezeigt) wie beispielsweise einer Batterie, einem Stromrichter oder einer anderer Stromquelle verbunden sein, um über die Bürsten 33 Strom zu dem Kommutator 27 und zu den Magnetelementen 28 des Rotors 24 zu leiten. Es versteht sich, dass die Sicherungskomponente 36 in anderen Ausführungsformen nicht auf die Montage an der zweiten Fläche 32 der Platine 30 beschränkt ist. Die Sicherungskomponente 36 kann stattdessen zum Beispiel an der ersten Fläche 31 der Platine 30 oder an anderen Bereichen des Motors 20 oder in einigen Ausführungsformen außerhalb des Motors 20 montiert sein.
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2C ist eine schematische Darstellung eines Motors 20. Wie in der Figur gezeigt ist, ist die Sicherungskomponente 36 mit den elektrischen Komponenten des Rotors 24 derart in Reihe geschaltet, dass ein Bruch oder eine Unterbrechung in der Sicherungskomponente 36 verhindert, dass der Strom den Rotor 24 erreicht.
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3A zeigt eine Sicherungskomponente 36, die einen Sicherungsbereich 38 gemäß einigen Ausführungsformen umfasst. In einigen Ausführungsformen kann der Sicherungsbereich 38 aus einem Kupferdraht oder einem Aluminiumdraht hergestellt sein. In anderen Ausführungsformen können andere Materialien verwendet werden, zum Beispiel Blei, Zinn, Bismut, Cadmium, Zink oder Silber. Wenn während des Betriebs des Motors 20 ein durch den Sicherungsbereich 38 fließender Strom eine vorgegebenen Schwelle übersteigt, bricht oder schmilzt der Sicherungsbereich 38 oder unterbricht die Stromübertragung zu dem Motor 20 auf andere Weise und verhindert eine potenzielle Übererwärmung des Motors 20 oder dass der Motor Feuer fängt oder aufgrund der hohen Stromstärke anderweitig beschädigt wird.
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In einigen Ausführungsformen umfasst der Sicherungsbereich 38 einen einzigen durchgehenden Draht. Der Draht kann einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. In einigen Ausführungsformen umfasst der Sicherungsbereich 38 einen spiral- oder schraubenförmigen Bereich 41 (im Folgenden Spiralbereich genannt) und Anschlüsse 42, wie in 3A gezeigt. Der Spiralbereich 41 kann eine Reihe von verbundenen koaxialen Drahtwindungen 44 umfassen. In der dargestellten Ausführungsform sind die Drahtwindungen 44 im Wesentlichen kreisförmig. Zwei Anschlüsse 42 liegen an den entgegengesetzten Enden des Spiralbereichs 41 und können sich parallel zur Achse des Spiralbereichs 41 nach außen erstrecken.
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In einigen Ausführungsformen umfasst die Sicherungskomponente 36 auch ein Außengehäuse 39. Das Außengehäuse 39 kann aus Bakelit, Keramik, Glas oder anderen Arten von Isoliermaterialien hergestellt sein. Das Material des Außengehäuses 39 ist vorzugweise hochtemperaturbeständig oder schwer entflammbar, um zu verhindern, dass andere Komponenten des Motors 20 beschädigt werden, wenn der Sicherungsbereich 38 schmilzt oder bricht. Das Außengehäuse 39 kann im Wesentlichen zylinderförmig sein und koaxial zu dem Sicherungsbereich 38 orientiert sein, so dass es geeignet ist, den Sicherungsbereich 38 einzukapseln.
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Die 3B–C zeigen eine Sicherungskomponente gemäß einigen Ausführungsformen, ferner umfassend ein Paar von Endstücken 45, die Stopfen, Dichtungen oder andere Arten von Elementen sein können, die derart konfiguriert sind, dass sie in ein offenes Ende des Außengehäuses 39 eingepasst werden können. In einigen Ausführungsformen sind die Endstücke 45 so konfiguriert, dass sie nach dem Einpassen in das Außengehäuse 39 die offenen Enden des Außengehäuses 39 verstöpseln, versiegeln oder abdecken, damit eine Beeinflussung der Temperatur des Sicherungsbereich 38 in dem Außengehäuse 39 durch die äußere Umgebung verhindert und die Zuverlässigkeit der Sicherungskomponente erhöht wird. In einigen Ausführungsformen umfassen die Endstücke 45 ein leitfähiges Material wie beispielsweise Kupfer. In anderen Ausführungsformen umfassen die Endstücke 45 hochtemperaturbeständiges oder schwer entflammbares Isoliermaterial wie Bakelit oder Keramik.
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Jedes der Endstücke 45 kann einen Endbereich 47 und einen Verschlussbereich 46 umfassen, der sich von dem Ende des Endbereichs 47 erstreckt. In einigen Ausführungsformen ist der Endbereich 47 im Wesentlichen zylinderförmig. In einigen Ausführungsformen umfasst jedes Endstück 45 ferner eine Durchgangsöffnung 49. Die Durchgangsöffnung 49 kann derart konfiguriert sein, dass sie sich durch die Mitte des Endbereichs 47 erstreckt, damit ein Anschluss 42 des Sicherungsbereichs 38 durch die Durchgangsöffnung 49 hindurchgeführt werden kann.
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In einigen Ausführungsformen erstreckt sich der Verschlussbereich 46 von einem Ende des Endbereichs 47 radial nach außen und dann in Richtung auf das andere Ende des Endbereichs 47 und bildet dabei einen im Wesentlichen zylinderförmigen oder kegelstumpfförmigen Flansch mit einer großen Kontaktfläche. In anderen Ausführungsformen kann der Verschlussbereich 46 des Endstücks 45 eine im Wesentlichen vollzylindrische oder voll kegelstumpfartige Form aufweisen (mit Ausnahme der Durchgangsöffnung 49, die sich durch seine Mitte erstreckt), wobei die Kontaktfläche die Außenfläche des Zylinders umfasst. Der Außendurchmesser der Kontaktfläche des Verschlussbereichs 46 ist so konfiguriert, dass er im Wesentlichen gleich dem Innendurchmesser eines offenen Endes des Außengehäuses 39 entspricht, so dass das Endstück 45 in ein offenes Ende des Außengehäuses 39 eingepasst werden kann und der Verschlussbereich 46 dadurch das offene Ende des Außengehäuses 39 im Wesentlichen dicht verschließen oder abdecken kann. Es versteht sich, dass der Verschlussbereich 46 auch auf andere Weise implementiert sein kann und andere Formen oder Konfigurationen aufweisen kann, solange der Verschlussbereich geeignet ist, ein offenes Ende des Außengehäuses 39 dicht zu verschließen oder abzudecken.
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In einigen Ausführungsformen ist der Anschluss 42 des Sicherungsbereichs 38 konfiguriert für das Einpassen durch die Durchgangsöffnung 49 derart, dass zumindest ein Teil des Anschlusses 42 in dem Endbereich 46 des Endstücks 45 liegt. In Ausführungsformen, in denen das Endstück 45 aus leitendem Material besteht, kann der Anschluss 42 für einen Presssitz in dem Endbereich 47 konfiguriert sein. Die Sicherungskomponente 38 kann dann durch Schweißen, Löten oder eine andere Vorgehensweise zum Befestigen des Anschlusses 42 und des Endbereichs 47 an dem Schaltkreis in den Schaltkreis integriert werden. In anderen Ausführungsformen, in denen das Endstück 45 aus Isoliermaterial hergestellt ist, kann sich der Anschluss 42 durch die Durchgangsöffnung 49 hindurch zur Außenseite des Endstücks 45 erstrecken, wo der Anschluss mit dem Schaltkreis verschweißt, verlötet oder anderweitig verbunden werden kann.
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Die 4 bis 8 zeigen alternative Konfigurationen für den Sicherungsbereich einer Sicherungskomponente gemäß einigen Ausführungsformen.
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4A zum Beispiel zeigt einen Sicherungsbereich 50 mit einem Spiralabschnitt 51, der eine Vielzahl von verbunden koaxialen Drahtwindungen 54 umfasst. Die Anschlüsse 52 sind an den einander entgegengesetzten Enden des Spiralabschnitts 51 befestigt und erstrecken sich senkrecht zur Achse des Spiralabschnitts 51 in entgegengesetzte Richtungen. In einigen Ausführungsformen können die beiden Anschlüsse 52 derart konfiguriert sein, dass sie in der gleichen Ebene liegen. Wenngleich die Anschlüsse 52 in der dargestellten Ausführungsform senkrecht zur Achse der Drahtwindungen 54 liegen, können in einigen Ausführungsformen selbstverständlich nicht rechte Winkel verwendet werden.
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4B zeigt einen Sicherungsbereich 60 mit einem Spiralabschnitt 61, der eine Vielzahl von verbundenen koaxialen Drahtwindungen 64 umfasst. Die Anschlüsse 62 der Sicherungskomponente 60 sind derart konfiguriert, dass sie sich in der derselben Richtung erstrecken und im Wesentlichen parallel zur Achse des Spiralabschnitts 62 liegen, so dass die beiden Anschlüsse 62 in dieser Ausführungsform zueinander parallel sind.
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4C zeigt eine Sicherungskomponente 70 mit einem Spiralabschnitt 71, der eine Vielzahl von verbundenen koaxialen Drahtwindungen 74 umfasst. In den dargestellten Ausführungsformen erstreckt sich ein erster Anschluss 72 an einem Ende des Spiralabschnitts 71 in einer zur Achse der Drahtwindungen 74 senkrechten Richtung. Der erste Anschluss 72 und die Drahtwindung 74, von der sich dieser Anschluss erstreckt, können in diesen Ausführungsformen derart konfiguriert sein, dass sie in der gleichen Ebene liegen. Der zweite Anschluss 73, der mit dem anderen Ende des Spiralabschnitts 71 verbunden ist, ist derart konfiguriert, dass er entlang oder in der Nähe seiner Mittelachse durch den Spiralabschnitt 71 hindurch zu dem anderen Ende des Spiralabschnitts 71 verläuft. Der zweite Anschluss 73 kann sich dann entlang einer zur Mittelachse der Spiralabschnitts 71 senkrechten Achse erstrecken und eine L-Form bilden.
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Die 5A und 5B zeigen Sicherungsbereiche 80, 90 mit jeweiligen Spiralabschnitten 81 und 91, die eine Vielzahl von koaxialen Drahtwindungen 84 und 94 umfassen. In diesen dargestellten Ausführungsformen sind die Windungen 84 und 94 nicht kreisförmig konfiguriert. Stattdessen kann eine Vielfalt von geometrischen Formen gewählt werden. Die Drahtwindung 84 der Sicherungskomponente 80 ist zum Beispiel dreieckförmig, während die Drahtwindung 94 der Sicherungskomponente 90 im Wesentlichen rechteckförmig ist. Der Fachmann wird erkennen, dass gemäß einigen Ausführungsformen auch andere geometrische Formen verwendet werden können.
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Die 6A und 6B zeigen eine Sicherungskomponente 100, die gemäß einigen Ausführungsformen mehr als einen Spiralabschnitt umfasst. Die Sicherungskomponente 100 umfasst zwei Spiralabschnitte, nämlich einen inneren Spiralabschnitt 101 und einen äußeren Spiralabschnitt 102, deren jeder eine Vielzahl von koaxialen Drahtwindungen aufweist. Der äußere Spiralabschnitt 101 kann derart konfiguriert sein, dass er über dem oder rund um den inneren Spiralabschnitt 101 angeordnet ist, so dass die beiden Spiralabschnitte im Wesentlichen koaxial zueinander sind und eine Innenfläche des äußeren Spiralabschnitts 102 in der Nähe einer Außenfläche des inneren Spiralabschnitts 101 liegt oder an denselben angrenzt. In einigen Ausführungsformen kann die Sicherungskomponente 100 gebildet werden, indem zuerst der innere Spiralabschnitt 101 gewickelt und dann mit der Wicklung des äußeren Spiralabschnitts 102 fortgefahren wird.
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Die 7A und 7B zeigen Sicherungskomponenten 120 und 130 gemäß einigen Ausführungsformen, wobei der Querschnitt des Drahts der Sicherungskomponente nicht kreisförmig ist. Zum Beispiel hat der in 7A dargestellte Draht der Sicherungskomponente 120 einen im Wesentlichen quadratischen Querschnitt, während der Draht der Sicherungskomponente 130, der in 7B gezeigt ist, im Wesentlichen rechteckig ist.
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In einigen Ausführungsformen gilt, dass umso mehr Strom durch die Sicherungskomponente fließen kann, ohne den Stromkreis zu unterbrechen, je größer der Durchmesser oder die Querschnittfläche des Drahts der Sicherungskomponente ist, was einer höheren Stromschwelle (z. B. der Nennstrom) für die Sicherungskomponente entspricht. Umgekehrt gilt, dass umso weniger Strom durch die Sicherungskomponente fließen kann, je kleiner der Durchmesser oder die Querschnittfläche des Drahts ist, und dass die Stromschwelle der Sicherungskomponente niedriger ist. Hinzu kommt, dass eine große Anzahl von Drahtringen oder Windungen in dem Spiralabschnitt aufgrund des höheren Widerstands, der sich durch die größere Länge des Spiralabschnitts ergibt, möglicherweise dazu führt, dass nur eine geringere Strommenge durch die Sicherungskomponente fließen kann, wohingegen eine kleinere Anzahl von Drahtringen oder Windungen zulässt, dass die Sicherungskomponente von einer größeren Strommenge durchflossen wird. Auf diese Weise ist es möglich, die Sicherungscharakteristiken einer Sicherungskomponente (z. B. eine Stromschwelle) zu ändern, indem der Querschnitt oder Durchmesser des verwendeten Drahts geändert wird, die Anzahl von Drahtringen oder Windungen in dem Spiralabschnitt der Sicherungskomponente geändert wird oder Kombinationen dieser Parameter geändert werden.
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8 zeigt eine Sicherungskomponente 140 gemäß einigen anderen Ausführungsformen. Anders als die vorstehend dargestellte Sicherungskomponente umfasst die Sicherungskomponente 140 keinen Spiral- oder Spulenabschnitt. Stattdessen umfasst die Sicherungskomponente 140 ein einziges geradliniges oder gekrümmtes Drahtsegment. Die Sicherungscharakteristiken der Sicherungskomponente 40 können durch eine Änderung des Durchmessers oder der Querschnittfläche des Drahtsegments eingestellt werden.
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Die kleine Größe und die einfache Konstruktion der erfindungsgemäßen Sicherungskomponente in den verschiedenen Ausführungsformen sorgen für Flexibilität hinsichtlich des Ortes der Installation der Sicherungskomponente in bzw. an dem Elektromotor. Dadurch, dass die Sicherungskomponente in einigen Ausführungsformen gleichzeitig als Induktor dienen kann, ist eine weitere Vereinfachung der Konstruktion und ferner ein Verminderung des Raumbedarfs möglich. Die 9A und 9B zeigen verschiedene Anordnungen für eine Sicherungskomponente 36 auf einer ersten Fläche 31 einer Platine 30. Bei der in 9A gezeigten Platine 30 ist die Sicherungskomponente 36 zwischen einem Induktor 35 und einer elektrischen Bürste 33 installiert. In 9B ist die Sicherungskomponente 36 zwischen benachbarten elektrischen Bürsten 33 installiert.
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10 zeigt eine alternative Platine 200 gemäß einigen Ausführungsformen. Bei der Platine 200 können beiden Funktionen, die einer Sicherungskomponente und die einer Induktorkomponente, von einem einzigen elektrischen Bauteil erfüllt werden. Mit anderen Worten: die Sicherungskomponente 201 ist derart konfiguriert, dass sie über eine höhere induktive Wirkung verfügt, so dass sie auch als Induktorkomponente wirken kann, wodurch die Notwendigkeit eines separaten Induktorelements (z. B. des Induktors 35 in der in den 2A und 9A–B dargestellten Ausführungsform) entfällt.
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In einigen Ausführungsformen umfasst die Sicherungskomponente 201 einen spiralförmigen Sicherungsbereich 202 und einen in dem oder innerhalb des Sicherungsbereichs 202 angeordneten Magnetkern oder Ferritstab 203. Der spiralförmige Sicherungsbereich 202 kann zumindest einen Teil des Magnetkerns 203 umschließen, so dass der spiralförmige Sicherungsbereich 202 und der Magnetkern 203 in einigen dieser Ausführungsformen im Wesentlichen koaxial sind. Der Magnetkern 203 kann verwendet werden, um die Stärke des Magnetfeldes innerhalb des Sicherungsbereichs 202 und dadurch die Induktanz des Elements 201 zu erhöhen.
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In einigen Ausführungsformen umfasst der spiralförmige Sicherungsbereich 202 einen Kupferdraht, einen Aluminiumdraht oder ein anderes hier beschriebenes geeignetes Material. Der Durchmesser oder Querschnitt des Drahts kann kleiner sein, als dies sonst bei einem separaten Induktorelement üblich ist, so dass die Sicherungskomponente 201 geeignet ist für die Ausübung beider Funktionen, die eines Induktors und die einer Sicherungskomponente. Der Draht des Spiralbereichs 202 kann eine isolierende Außenschicht oder Kapselung aufweisen, so dass der spiralförmige Sicherungsbereich 202 von dem Magnetkern 203 elektrisch isoliert wird.
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In einigen Ausführungsformen kann die Sicherungskomponente 201 auch ein Außengehäuse 205 aufweisen. Das Außengehäuse 205 kann aus Bakelit, Keramik, Glass, Epoxid, Harz oder einigen anderen Isoliermaterialien hergestellt sein. Der spiralförmige Sicherungsbereich 202 ist für die Einpassung in das Außengehäuse 205 konfiguriert.
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Da die Induktanzcharakteristiken primär von der Anzahl von Windungen in einem Spulen- oder Spiralbereich abhängig sind, während Sicherungsparameter durch eine Änderung der Resistivität, der Schmelztemperatur, der Länge, des Durchmessers oder Querschnitts des Drahts geändert werden können, ist die Einstellung der Charakteristiken der Sicherungskomponente 201 (z. B. Induktanz oder Sicherungscharakteristik) möglich, indem die Anzahl der Drahtringe in dem spiralförmigen Sicherungsbereich 202 geändert wird, die Größe (Querschnitt oder Durchmesser) der den spiralförmigen Sicherungsbereich 202 umfassenden Drähte oder beides geändert wird. Durch die Kombination der Sicherungskomponente und der Induktorkomponente zu einer einzigen Sicherungskomponente können die Herstellungs- und Materialkosten gesenkt werden. Zusätzlich oder wahlweise ermöglicht die Verwendung eines Elements anstelle von zwei Elementen Flexibilität im Hinblick auf die Konzeption und die Montage des Elektromotors und eine potenzielle Raumeinsparung auf der Platine des Elektromotors.
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11 zeigt eine Schnittansicht eines Drahts 301, der in einer Sicherungskomponente gemäß einigen Ausführungsformen verwendet werden kann. Der Draht 301 hat einen Drahtkern 302 und eine Isolierschicht 303, die zumindest einen Teil des Drahtkerns 302 einkapselt. Der Drahtkern 302 kann ein kupferplattierter Aluminiumdraht sein, der einen Aluminiumkern 304 und eine Kupferplattierungsschicht 305 hat. In einigen Ausführungsformen kann das Verhältnis von dem Kupfer in der Kupferplattierung 305 zu dem Aluminium in dem Aluminiumkern 304 zwischen 20% und 40% betragen.
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Die elektrische Leitfähigkeit und die Schweißfähigkeit von Kupfer sind üblicherweise höher als die von Aluminium. Jedoch ist Aluminium generell leichter und weniger teuer als Kupfer. Insofern wird eine gute Kosten-Leistungs-Bilanz erzielt, wenn für den Drahtkern 302 kupferplattierter Aluminiumdraht verwendet wird.
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Wenn in einigen Ausführungsformen die Temperatur des Drahts 301 während des Betriebs des Motors etwa 700°C erreicht (der Schmelzpunkt von Aluminium liegt bei etwa 660°C), schmilzt der Aluminiumkern 304 und bildet schmelzflüssiges Aluminium. Aufgrund der Wärmedehnung dehnt sich das Volumen des geschmolzenen Aluminiums des Aluminiumkerns 304 aus und sprengt möglicherweise die Kupferplattierungsschicht 305, was zu einem scharfen Anstieg des Widerstands an der Bruchstelle in der Kupferplattierungsschicht 305 führt. Dies wiederum führt zu einem Temperaturanstieg an diesem Punkt, mit dem Ergebnis, dass die schadhafte Stelle in der Kupferplattierungsschicht 305 vollständig aufbricht und den Stromkreis des Elektromotors unterbricht und somit verhindert, dass der Motor überhitzt wird oder möglicherweise Feuer fängt.
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Bei einigen Anwendungen, zum Beispiel bei der vorstehend dargestellten Gebläseanordnung 10, kann der Motor 20 an einer Befestigungskonstruktion befestigt sein. In einigen Ausführungsformen umfasst die Gebläseanordnung 10 einen Rahmen (nicht gezeigt), an dem der Motor 20 festgelegt oder montiert werden kann.
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In einigen Ausführungsformen kann für die Einstellung der Drehzahl des Motors 20 ein Widerstand 55 verwendet werden. Zum Beispiel kann in einer Gebläseanordnung 10 für die Kühlung eines Fahrzeugs ein Widerstand 55 verwendet werden, um die Kühlleistung des Gebläses den verschiedenen Bedingungen anzupassen (z. B. kann ein für die Kühlung eines Fahrzeugs verwendetes Gebläse einen Parkmodus und einen Antriebsmodus aufweisen, so dass sich das Gebläse in dem jeweiligen Modus mit unterschiedlicher Geschwindigkeit dreht). In einigen 56 ist der Widerstand 55 an einem Abschnitt eines Gebläserahmens montiert und ist über einen Verbinder 58 mit dem Motor 20 verbunden.
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In einigen Ausführungsformen umfasst der Widerstand 55 einen Drehzahlsteuerungswiderstand, der mit dem Rotor 24 in dem Motor 20 in Reihe geschaltet ist. Wie in 12A dargestellt ist, dreht sich das Gebläse langsamer, wenn der durch den Motor 20 fließende Strom durch den Drehzahlsteuerungswiderstand 56 fließt. Fließt der Strom nicht durch Drehzahlsteuerungswiderstand 56, dreht sich das Gebläse schneller.
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Der Widerstand 55 hat ferner eine Sicherungskomponente 57 gemäß den vorstehend dargestellten Ausführungsformen, die mit dem Drehzahlsteuerungswiderstand 56 in Reihe geschaltet ist, so dass der Motor 20 über einen Überstromschutz verfügt. In einigen Ausführungsformen, wie beispielsweise in 12B dargestellt, kann die Sicherungskomponente 57 außerhalb des Drehzahlsteuerungswiderstands 56 liegen. In anderen Ausführungsformen kann sich die Sicherungskomponente 57 in dem Drehzahlsteuerungswiderstand 56 befinden und sich dasselbe Gehäuse mit dem Drehzahlsteuerungswiderstand 56 teilen. In der dargestellten Ausführungsform sorgt die Sicherungskomponente 57 für einen Überstromschutz für den Motor 20, wenn sich der Motor in seinem Schwachstromzustand befindet. Befindet sich der Motor 20 in seinem Hochstromzustand, kann der Überstromschutz durch die Gesamtsicherungskomponente für das Fahrzeug (nicht dargestellt) oder ein anderes System, von dem die Gebläseanordnung ein Teil ist, bereitgestellt werden. Es ist daher nicht notwendig, dass der Motor 20 in Ausführungsformen, in denen eine Sicherungskomponente 57 mit einem Widerstand 55 verwendet wird, seine eigene interne Sicherungskomponente hat.
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Zu Darstellungs- und Beschreibungszwecken wurden die vorstehenden Ausführungsformen im Zusammenhang mit einem Bürstenmotor beschrieben. Verschiedene Ausführungsformen sind jedoch nicht auf einen Bürstenmotor beschränkt, sondern können bei bürstenlosen Motoren, bei anderen Arten von Elektromotoren oder bei anderen Drehvorrichtungen für die Umwandlung von Energie zwischen zwei Energieformen, bei denen eine Sicherungskomponente verwendet wird, angewendet werden. Außerdem sind verschiedene Ausführungsformen nicht auf einen Motor beschränkt, der in einem Fahrzeugkühlgebläse eingesetzt wird, sondern eignen sich für jede Anwendung, bei der ein Elektromotor verwendet werden kann.
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In der vorstehenden Beschreibung wurden verschiedene Aspekte mit Bezug auf spezielle Ausführungsformen dargelegt. Jedoch ist offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Änderungen möglich sind, ohne von dem Grundgedanken der Erfindung abzuweichen und ohne den Rahmen der verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen zu verlassen. Zum Beispiel wurden die vorstehend beschriebenen Systeme oder Module mit Bezug auf eine spezielle Anordnung von Komponenten beschrieben. Dennoch kann die Ordnung dieser Elemente oder deren räumliche Beziehung bei vielen der beschriebenen Elemente ohne Einfluss auf den Umfang oder die Funktion und Wirkung der verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen geändert werden. Ferner wurde vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit speziellen Merkmalen beschrieben, die jedoch weder den Schutzumfang der Ansprüche noch den Umfang anderer Ausführungsformen einschränken sollen. Der Fachmann wird vielmehr erkennen, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich sind, ohne den Rahmen der verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen zu verlassen. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen lediglich dem Zweck der Darstellung und der Erläuterung und sind nicht im Sinne einer Einschränkung der Erfindung zu verstehen. Durch die beschriebenen Ausführungsformen sind Alternativen, Modifikationen und Äquivalente erfasst.
