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Die Erfindung betrifft eine Stromunterbrechungsvorrichtung zum Schutz eines Geräts, insbesondere eines Elektromotors, vor einer thermischen Überlastung.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass zum Schutz vor thermischer Motorüberlastung neben einem Überlastrelais, das anhand der Motorstromaufnahme eine Überlastung des Motors erkennt, z. B. auch Thermistorschutzschaltungen verwendet werden, die die Temperatur einer Motorwicklung detektieren und auswerten. Zur Erfassung der Temperatur der Motorwicklung kommen dabei verschiedene Temperaturdetektorelemente bzw. Sensoren, wie z. B. Temperaturfühler, insbesondere PTC-Thermistoren (PTC: positive temperature coefficient), PTIOO-Fühler und KTY-Fühler (mit PTC-Charakteristik), deren elektrischer Widerstand sich abhängig von der detektierten Temperatur ändert zur Anwendung. Die Funktionsweise des Übertemperaturschutzes aus den im Stand der Technik bekannten Lösungen mit einem PTC-Fühler basiert auf dem Prinzip, dass zwei temperaturabhängige Widerstandsbereiche verwendet werden. Es liegt der Widerstand eines solchen Temperaturdetektorelementes in einem ersten Widerstandsbereich, solange sich die Motorwicklung in einem Temperaturbereich befindet, der unproblematisch ist. Der zweite Widerstandsbereich, dessen Widerstandswerte beispielsweise größer sind als die des ersten Widerstandsbereichs, entspricht dann einer Temperatur über einem systemspezifischen Schwellenwert.
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Bei den genannten Temperaturdetektorelementen, den Temperaturfühlern, wird die Überlast des Motors durch die Widerstandsänderung der Temperaturdetektorelemente innerhalb vordefinierter Wertebereiche ausgewertet. Dagegen trennt ein sogenanntes Thermo-Click-Element in seinem üblichen Anwendungsgebiet bei Erreichen des Temperaturschwellwerts den Stromkreis durch eine Motorwicklung.
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Temperaturfühler werden dagegen mittels einer Schutzschaltung ausgewertet, die im Wesentlichen den elektrischen Widerstand der betreffenden Temperaturdetektorelemente bestimmt, und ein Meldungssignal an einen Schalter, an eine Auswerteschaltung oder dergleichen ausgibt, wodurch z. B. ein Abschalten des Gerätes ausgelöst bzw. eine sonstige vorbestimmte Funktion gestartet wird, wenn abhängig von der gemessenen Temperatur eine thermische Überlast erkannt wird. Bei größeren Wicklungsströmen schaltet dabei das Sensorelement oder der Temperaturwächter nicht direkt den Wicklungsstrom, sondern wirkt auf die Stromversorgung oder die Ansteuerung der Leistungsendstufe.
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Aus der
EP 2535993 A1 ist eine Ansteuerschaltung für einen kollektorlosen, elektronisch kommutierten Gleichstrom-Motor, d. h. für einen so genannten EC-Motor mit einer an einer Versorgungsgleichspannung liegenden Halbleiter-Endstufe bekannt, die von einer elektronischen Kommutierungssteuerung über eine Treiberstufe zum zeitlich versetzten Ansteuern von Statorwicklungen des Motors zwecks Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes für einen Rotor in Abhängigkeit von der Rotor-Drehstellung angesteuert wird.
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Solche EC-Motoren müssen entsprechend gültiger nationaler und internationaler Normbestimmungen vor Überhitzungen im Falle von abnormalen Betriebssituationen geschützt werden.
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Die in der Praxis bisher eingesetzten Verfahren haben nahezu alle einen systemspezifischen Nachteil aufgrund der spezifischen Lösung, die man verwendet. Einerseits gibt es Platzprobleme, um die Sensoren unter zu bringen. Andererseits bedarf es zusätzlicher kostenintensiver Baugruppen und Montagen, um die jeweilige Temperaturüberwachung in dem Motor zu implementieren.
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Ferner gibt es Probleme, die es in der Praxis aufgrund eines schnellen Temperaturanstieges zu berücksichtigen gibt. So kann es z. B. im Falle einer Rotorblockierung des Motors abhängig von der Wicklungsauslegung zu schnellen Wicklungstemperaturanstiegen kommen. In der Folge treten unzulässig hohe Wicklungstemperaturen auf, die aber auf Grund der trägen Temperatursensoren nicht rechtzeitig die Abschaltung der Bestromung des Motors bewirkt, da das Ansprechverhalten dafür zu langsam ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt demnach die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine erhöhte Betriebssicherheit zur Vermeidung von Motor-Überhitzungen gewährleistet und zuverlässig einen Temperaturanstieg insbesondere oberhalb einer zulässigen Grenztemperatur erfasst und den Motor vor einer Überhitzung schützt.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird hierzu eine Stromunterbrechungsvorrichtung integrierbar in die Stromzuführung eines Elektromotors vorgeschlagen, die ausgebildet ist, zur Unterbrechung der Stromzuführung bei Erreichen einer definierten Temperatur TG, wobei diese mit einem Aufnahmegehäuse ausgebildet ist, in dem eine durch Temperaturerhöhung volumenveränderbare (infolge der Veränderung der Dichte) elektrisch leitfähige Substanz aufgenommen ist. Ferner sind ein erster und zweiter Anschluss zum seriellen Anschluss in die Stromzuführung vorgesehen ist und wenigstens einer der Anschlüsse je nach dem temperaturabhängigen Volumen der leitfähigen Substanz mit der leitfähigen Substanz (aufgrund einer Volumenänderung) elektrisch kontaktiert oder getrennt wird und dadurch ein Stromfluss von dem ersten Anschluss (zu dem zweiten Anschluss entweder ermöglicht oder unterbrochen wird.
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Bevorzugt ist dabei eine Ausgestaltung bei der wenigstens die Temperatur TG bei der eine Unterbrechung zwischen den beiden Anschlüssen erfolgen soll, eine Temperatur ist, bei der die elektrisch leitfähige Substanz ihren Phasenübergang vom festen in den flüssigen Zustand besitzt.
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Erfindungsgemäß werden zwei Konzepte vorgeschlagen. Bei dem ersten Konzept wird die Dichteanomalie von flüssigen Substanzen ausgenutzt, bei der sich bei einer Temperaturerhöhung die Dichte erhöht und damit das Volumen reduziert wird. Hierdurch kann erreicht werden, dass bei Einstellung der richtigen Füllmenge sich das Volumen bei einer bestimmten Temperatur mindestens so weit verringert, dass der elektrische Kontakt zwischen einer Kontaktfläche des betreffenden Anschlusses und der leitfähigen Substanz unterbrochen wird und dazwischen ein Spalt liegt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass die elektrisch leitfähige Substanz eine metallische Legierung ist, die eine Dichteanomalie im Temperaturbereich um die Temperatur TG herum besitzt. Durch Wahl der Legierungselemente und deren Masse-%-Beitrag lässt sich daher für einen bestimmten Temperaturbereich eine Dichteanomalie auch einstellen und spezifisch nutzen.
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Vorteilhaft ist es, wenn die elektrisch leitfähige Substanz eine Bismut-Legierung, vorzugsweise eine Bismut-Zinn-Legierung ist.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ferner eine Erfassungseinrichtung verwendet wird, um zu ermitteln, ob sich die elektrisch leitfähige Substanz in einem (z. B. festen) ausgedehnten oder einem im Volumen verringerten (z. B. flüssigen) Zustand befindet.
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Weiter ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Erfassungseinrichtung ein Füllstandsensor ist, der mit einem Sensorelement durch eine Öffnung in den Aufnahmeraum im Aufnahmegehäuse, vorzugsweise an einer Stelle unmittelbar benachbart zu demjenigen Anschluss zwischen dem eine leitfähige Verbindung hergestellt oder getrennt ist, so dass je nach dem temperaturabhängigen Volumen der leitfähigen Substanz das Sensorelement mit der leitfähigen Substanz mehr oder weniger elektrisch kontaktiert oder komplett getrennt wird.
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Ein alternatives Konzept sieht vor, dass nicht die Dichteanomalie, sondern die Volumenausdehnung einer Substanz mit zunehmender Temperaturerhöhung ausgenutzt wird, um den elektrischen Kontakt zwischen einer Kontaktfläche des betreffenden Anschlusses und der leitfähigen Substanz zu unterbrechen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit diesem Konzept ist daher vorgesehen, dass die Erfassungseinrichtung ein Sensor ist, der mit einem Sensorelement an einer Öffnung am Aufnahmegehäuse im Bereich oder innerhalb eines Überlaufkanals angebracht ist und je nach dem temperaturabhängigen Volumen der leitfähigen Substanz diese infolge einer Volumenausdehnung in den Überlaufkanal eintritt und dort vom Sensor detektiert werden kann, um davon abhängig eine Stromunterbrechung zu bewirken oder zu veranlassen.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit diesem Konzept ist vorgesehen, dass die Erfassungseinrichtung eine Einrichtung zur Spannungsmessung oder zur Widerstandsmessung zur Bestimmung des Füllstands im Überlaufkanal besitzt.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einer Stromzuführung, wobei eine Stromunterbrechungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Konzepte in die Stromzuführung seriell mit den beiden Anschlüssen integriert ist.
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Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
- 1a, 1b eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung und
- 2a, 2b eine schematische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels der Erfindung.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die 1a, 1b und 2a, 2b näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche strukturelle und/oder funktionale Merkmale hinweisen.
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Dabei zeigen die 1a, 1b lediglich beispielhaft schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Stromunterbrechungsvorrichtung 1 zur Unterbrechung einer Stromzufuhr eines Elektromotors. Dabei ist selbstredend, dass die Anordnung an einer solchen Position in der Stromzuführung zum Elektromotor angeordnet ist, bei der die thermischen Belastungen auf die Stromunterbrechungsvorrichtung 1 entsprechend wirken. Dabei kann ganz gezielt eine Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Temperatur an der Position der Stromunterbrechungsvorrichtung 1 und der Position der zu überwachenden Temperatur TG mit berücksichtigt werden und die Funktion der Volumenänderung darauf abgestimmt werden.
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Die Stromunterbrechungsvorrichtung 1 ist integriert in die Stromzuführung 2 des Elektromotors 3. Die Stromunterbrechungsvorrichtung 1 ist mit einem Aufnahmegehäuse 10 ausgebildet, in dem eine durch Temperaturerhöhung volumenveränderbare elektrisch leitfähige Substanz 20 aufgenommen ist.
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Ferner sind ein erster und zweiter Anschluss 11a, 11b zum seriellen Anschluss in die Stromzuführung 2 vorgesehen. Der in der 1a obere Anschluss 11a der beiden Anschlüsse 11a, 11b ist so angeordnet und ausgebildet, dass dieser je nach dem temperaturabhängigen Volumen der leitfähigen Substanz 20 mit der leitfähigen Substanz 20 elektrisch kontaktiert oder getrennt wird und dadurch ein Stromfluss von dem ersten Anschluss 11a zu dem zweiten Anschluss 11b entweder ermöglicht oder unterbrochen wird.
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Der Zustand bei der die Stromzuführung zum Elektromotor 2 verbunden ist, ist in der Ansicht der 1a gezeigt, während der getrennte Zustand in der 1b dargestellt ist. Das Volumen der leitfähigen Substanz 20 hat sich infolge einer Erwärmung und einem Dichte-Anomalie-Effekt soweit verringert, dass kein elektrischer Kontakt zwischen der Substanz 20 und dem oberen Anschluss 11a besteht.
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Dabei wurde das Ausführungsbeispiel so gewählt, dass wenigstens die Temperatur TG bei der eine Unterbrechung zwischen den beiden Anschlüssen 11a, 11b, wie in der 1b erfolgen soll, eine Temperatur ist, bei der die elektrisch leitfähige Substanz 20 ihren Phasenübergang vom festen in den flüssigen Zustand besitzt. Dies bedeutet, dass der Zustand in der 2b ein flüssiger Zustand ist.
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Insofern ist bei der Implementierung in der Anwendung darauf zu achten, dass die Stromunterbrechungsvorrichtung 1 geeignet orientiert angeordnet ist, so dass sich ein stromunterbrechender Spalt zwischen dem Anschluss 11a und der Substanz 20 ergibt.
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In den 2a und 2b ist lediglich beispielhaft schematisch ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Stromunterbrechungsvorrichtung 1 zur Unterbrechung einer Stromzufuhr eines Elektromotors 2 gezeigt.
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Dabei zeigt die Abbildung in der 2b einen gegenüber der Abbildung in der 2a erwärmten Zustand. Hier erfolgt die Volumenausdehnung gerade in umgekehrter Richtung. D. h. mit zunehmender Temperatur vergrößert sich das Volumen der Substanz im relevanten Temperaturbereich.
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Bei dieser Ausführungsform ist eine Erfassungseinrichtung 5 vorgesehen, um zu ermitteln, ob sich die elektrisch leitfähige Substanz 20 in einem ausgedehnten oder einem im Volumen verringerten Zustand befindet.
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Die Erfassungseinrichtung 5 ist hier ein Füllstandsensor, der mit einem Sensorelement 5a durch eine Öffnung in den Aufnahmeraum im Aufnahmegehäuse 10 geführt ist. So kann je nach dem temperaturabhängigen Volumen der leitfähigen Substanz 20 das Sensorelement 5a mit der leitfähigen Substanz 20 infolge einer Volumenausdehnung in den Überlaufkanal 12 eintreten und dort vom Sensorelement 5a detektiert werden, um davon abhängig eine Stromunterbrechung zu bewirken.
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In der 2a ist ein Zustand gezeigt, bei dem sich keine Substanz 20 im Bereich des Überlaufkanals 12 befindet.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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