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Die
Erfindung betrifft eine Vorwiderstandsbaugruppe für einen
Elektromotor und Verwendung einer Vorwiderstandsbaugruppe in einer
Schaltungsanordnung zum Betreiben eines Elektromotors, insbesondere
eines elektrisch angetriebenen Lüftergebläses für ein Fahrzeug.
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In
Fahrzeugen, insbesondere Verbrennungsmaschinen werden zur Kühlung der
Verbrennungsmaschinen Elektromotoren, insbesondere elektrisch betriebene
Lüftergebläse eingesetzt.
Hierdurch ist eine gezielte Steuerung und Regelung des Wärmehaushalts
der Verbrennungsmaschine möglich.
Dabei wird das Lüftergebläse oder
der Lüfter üblicherweise
mittels einer Vorwiderstandsbaugruppe in einer oder mehreren Drehzahlstufen
betrieben. Einfache Lüfter
zur Motorkühlung
bestehen dabei aus so genannten Bürstenmotoren mit vorgeschalteten
Vorwiderständen,
die gewöhnlich
in einer Vorwiderstandsbaugruppe zusammengefasst sind. Diese Vorwiderstandsbaugruppe
dient der Drehzahlsteuerung des Lüfters. In den unteren Drehzahlstufen
ist die Vorwiderstandsbaugruppe in Reihe mit dem Elektromotor geschaltet,
wohingegen in den maximalen Drehzahlstufen der Elektromotor über eine
herkömmliche
Bordnetzsicherung direkt an eine Bordnetzspannung angeschlossen
ist.
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Im
Falle einer Schwergängigkeit
oder Blockierung des Bürstenmotors
in den unteren Drehzahlstufen kann es dabei durch die Strombelastung zu
einer thermischen Überlastung
des Vorwiderstands kommen. Speziell zum Schutz des Lüftersystems
gegenüber
einem Brand durch eine derartige Überlastung in den unteren Drehzahlstufen
ist daher im allgemeinen in der Vorwiderstandsbaugruppe eine Temperatursicherung,
insbesondere eine temperaturabhängige
Mikro-Temperatursicherung vorgesehen. Diese Temperatursicherung
ist im Allgemeinen in Reihe zum Vorwiderstand geschaltet, so dass
bei einer thermischen Überlastung
des Vorwiderstands die Temperatursicherung rechtzeitig anspricht
und somit ein einfacher Brandschutz gegeben ist. Nachteilig dabei
ist, dass die Temperatursicherung nicht reversibel ausgebildet ist,
so dass im Fehlerfall die komplette Vorwiderstandsbaugruppe ausgetauscht werden
muss.
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Ferner
kann es zu einem früheren
Ansprechen der Temperatursicherung in ungewollten Fällen kommen
wie beispielsweise durch eine temporäre Blockierung des Lüfters durch
einen Fremdkörper. Ein
zu frühes
Ansprechen der Temperatursicherung führt zu einer Abschaltung des
Lüfters
in den unteren Drehzahlstufen und kann zu einer Überhitzung des Kühlsystems
und möglicherweise
zu einer Schädigung
des Verbrennungsmotors führen,
wenn der Fehler nicht rechtzeitig erkannt wird. Ein vorzeitiges Auslösen der
Temperatursicherung ermöglicht
daneben nur noch einen Betrieb des Lüfters in der maximalen Drehzahlstufe.
Wird der Elektromotor, z.B. ein Bürstenmotor, dauernd in der
maximalen Drehzahlstufe gestartet und betrieben, so führt dies
zu einer wesentlichen Verkürzung
der Lebensdauer des Elektromotors.
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Somit
ist, abhängig
von der Konfiguration des Lüftersystems,
eine Absicherung durch einfache Bauelemente wie beispielsweise der
Einsatz von Schmelzsicherungen nicht immer in allen Spezifikationsbereichen
zu realisieren und muss oft durch erhebliche Zusatzmaßnahmen
gelöst
werden.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorwiderstandsbaugruppe
für einen Elektromotor
anzugeben, welche eine hinreichend gute Absicherung, insbesondere
auch in unteren Drehzahlstufen bewirkt ohne, dass eine Absicherung vorzeitig
und ungewollt ausgelöst
wird. Des Weiteren ist eine bevorzugte Verwendung einer Vorwiderstandsbaugruppe
für einen
Elektromotor anzugeben.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Vorwiderstandsbaugruppe für
einen Elektromotor, insbesondere für ein elektrisch angetriebenes
Lüftergebläse für ein Fahrzeug,
umfassend einen Vorwiderstand zur Drehzahlsteuerung des Elektromotors
in mehreren Drehzahlstufen ggf. mit einer zum Vorwiderstand in Reihe
geschalteten Temperatursicherung, wobei ein reversibles Schaltelement
für mindestens
eine der Drehzahlstufen integriert ist.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Erfindung geht dabei von der Überlegung aus,
dass es im Falle von Überlastung
an einem der Elektromotoren, z.B. durch Schwergängigkeit oder durch Blockierung
eines durch den Elektromotor angetriebenen Lüfters beispielsweise aufgrund
eines Eindringen eines Fremdkörpers,
zu einer erheblichen thermischen Belastung, insbesondere zu einer übermäßigen Erwärmung kommen
kann, welche folglich auch zu einem Ansteigen der Temperatur des
Vorwiderstands und des Elektromotors führt. Dies wiederum führt dazu,
dass eine im Stromkreis des Elektromotors in einer Vorwiderstandsbaugruppe
angeordnete irreversible Temperatursicherung aufgrund der erhöhten Temperatur
des Vorwiderstands anspricht, so dass ein Betreiben des Elektromotors
in unteren Drehzahlstufen erst nach einem Austausch der Vorwiderstandsbaugruppe
wieder ermöglicht
ist. Daher ist erfindungsgemäß die Vorwiderstandsbaugruppe mit
einem zusätzlichen
Schaltelement versehen, das reversibel ausgebildet ist. Bevorzugt
ist das zusätzliche
Schaltelement mit einem Anschluss des Vorwiderstands kontaktiert.
Bevorzugt ist das Schaltelement den Vorwiderstand thermisch kontaktierend
angeordnet. Durch eine derartige Integration eines Schaltelements
unmittelbar am Vorwiderstand, insbesondere an einer Stelle, an welcher
die höchsten Temperaturen
im Betrieb oder bei Blockierung einzelner Drehzahlstufen auftreten
können,
ist die Basis einer besonders einfachen Schutzschaltung zum reversiblen
Schalten einzelner oder mehrerer Drehzahlstufen gegeben. Daneben
ist für
eine mehrstufige temperaturabhängige
Schutzschaltung der Dreh zahlstufe eine herkömmliche Temperatursicherung vorgesehen,
die in Reihe zum Vorwiderstand geschaltet ist.
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Um
einen temperaturbedingten Fehlerfall sicher erkennen zu können, ist
das Schaltelement zweckmäßigerweise
als ein temperaturabhängiges Bauelement
ausgeführt.
Vorteilhafterweise ist das Schaltelement als ein reversibler Thermoschutzschalter,
als ein Halbleiter-Bauelement oder als ein temperaturabhängiger Widerstand
ausgebildet. In einer möglichen
Ausführungsform
kann das als reversibler Thermoschutzschalter ausgebildete Schaltelement
als Bimetallstreifen ausbildet sein. Derartige thermische, insbesondere
reversible Auslöser,
biegen sich bei Erwärmung
durch und lösen
somit bei einer Übertemperatur
aus. Alternativ kann das Schaltelement als Halbleiterbauelement,
z.B. ein TEMPFET, oder als ein temperaturabhängiger Widerstand ausgebildet
sein. Auch können
weitere alternative elektronische oder mechanische Bauteile mit
entsprechenden temperaturabhängigen
Kennlinien, wie beispielsweise PTC-Widerstände oder auch Halbleiterschalter,
als Schaltelemente verwendet werden. Mit anderen Worten: Indem die
kritischen Temperaturen direkt am die Temperaturerhöhung bewirkenden Element – dem Vorwiderstand – mittels
des Schaltelements selbst erfasst werden, ist durch Auslösen des
temperaturabhängigen
Schaltelements ein möglichst
schneller und sicherer Brand- und Überhitzungsschutz gegeben.
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Je
nach Art und Aufbau der Anordnung kann das Schaltelement als Öffner, Schließer oder
Wechselschalter ausgebildet sein. Für eine besonders sichere und
einfache Detektion von Übertemperaturen am
Vorwiderstand ist das Schaltelement thermisch kontaktierend zum
Vorwiderstand angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Schaltelement in der Vorwiderstandsbaugruppe, insbesondere zwischen
dem Vorwiderstand und der Temperatursicherung oder auch neben der
Temperatursicherung integriert. Hierdurch ist eine hinreichend gute
thermische Kontaktierung und somit ein möglichst guter Wärmeübergang
zum betreffenden wärmeinduzierenden
Element – dem
Vorwiderstand – zur
Identifizierung der Übertemperaturen
und somit der Überlast
einer der Drehzahlstufen am Elektromotor gegeben. Darüber hinaus
beansprucht eine derartige Anordnung des Schaltelements wenig Bauraum
und ist somit besonders einfach und problemlos in vorhandene Freiräume einbringbar
und demzufolge leicht nachrüstbar.
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Vorteilhafterweise
ist ein das Schaltelement repräsentierender
erster thermischer Schaltpunkt gegenüber einem die Temperatursicherung
repräsentierenden
zweiten thermischen Schaltpunkt niedriger, insbesondere um mindestens
5°C niedriger
eingestellt ist. Mit anderen Worten: Das Schaltelement ist bevorzugt
derart ausgelegt, dass eine Auslösung
bei einer Temperatur von größer 50°C erfolgt
und somit wesentlich früher
auslöst
als die Temperatursicherung. Für
eine einfache und kostengünstige
Ausführung
des Schaltelements ist es ausreichend, dass dessen Toleranzbereiche
zum Auslösen
im oberen, kritischen Temperaturbereich des Vorwiderstands liegt.
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Für eine besonders
schnelle Erfassung und Überwachung
eines den Schutz bewirkenden Auslösesignals umfasst die Vorwiderstandsbaugruppe
einen mehrpoligen Anschluss mit mindestens drei Anschlusselementen,
von denen einer als Versorgungsanschluss, ein weiterer als Lastanschluss
und ein weiterer als Steuerkontakt ausgebildet sind. Insbesondere
mittels des Steuerkontaktes des mehrpoligen Anschlusses ist ein
besonders genaues und schnelles Auslösen bei Überhitzung und somit in einem
Fehlerfall auch nur in einer einzelnen Drehzahlstufe bei gleichzeitig
einer besonders einfachen und hinreichend guten Überwachung und Plausibilitätsprüfung des
Auslösens
des Schaltelements ermöglicht.
Zweckmäßigerweise
ist der mehrpolige Anschluss der Vorwiderstandsbaugruppe als Steck- oder
Kabelanschluss ausgeführt.
Beispielsweise ist der mehrpolige Anschluss als 3-poliger Steckanschluss
oder analog dazu in einer alternativen Ausführungsform als ein 3-adriger Kabelanschluss
ausgeführt.
Somit kann ein zugehöriger
Motoranschluss standardmäßig durch
einen Stecker oder durch eine entsprechende Kabelanbindung erfolgen.
Je nach Vorgabe kann der mehrpolige Anschluss verschiedenartig ausgeführt sein.
Beispielsweise kann der mehrpolige Anschluss bevorzugt als ein 3-poliger (oder
3-adriger) Anschluss ausgebildet. Alternativ kann der Anschluss
als ein 2-poliger Anschluss (oder 2-adriger) mit einem zusätzlichen
Kontakt oder einem zusätzlichen
Kabel ausgeführt
sein, wobei der zusätzliche
Kontakt zur Erkennung von Überlastung des
Elektromotors dient.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Vorwiderstandsbaugruppe ist das zusätzliche Schaltelement auf einer
Seite mit dem Vorwiderstand und auf der anderen Seite mit einem
der Anschlusselemente der Vorwiderstandsbaugruppe, insbesondere mit
dem Steuerkontakt verbunden. Vorzugsweise ist das als ein Öffner ausgebildete
Schaltelement zwischen dem positiven Spannungsanschlusselement, d.h.
dem Versorgungsanschluss, und dem den Steuerkontakt bildenden Anschlusselement
des mehrpoligen Anschlusses geschaltet. Dies ermöglicht eine besonders einfache
und kostengünstige
Schaltung.
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Zur Überwachung
der Funktionen der Vorwiderstandsbaugruppe ist mindestens ein Anschlusselement,
insbesondere der Steuerkontakt mit einer ersten Rückmeldeleitung
zur Drehzahlsteuerung verbunden. Des Weiteren kann an mindestens
einem Anschlusselement der Vorwiderstandsbaugruppe, insbesondere
am Versorgungsanschluss eine zweite Rückmeldeleitung zur Motorsteuerung
angeschlossen sein. Auch kann zur drehzahlabhängigen Steuerung des Elektromotors
ein Umschaltelement, z.B. ein Relais zum Umschalten von einer Drehzahlstufe in
eine andere vorgesehen sein. Bevorzugt ist hierbei auch das Umschaltelement
mit einer der oder mit mehreren Rückmeldeleitungen verbunden.
Zweckmäßigerweise
ist das Schaltelement kontaktseitig, insbesondere mittels des Steuerkontakts
mit mindestens einem Umschaltelement, z.B. einem Relais zur stufenweisen
drehzahlabhängigen
Steuerung des Elektromotors verbunden.
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Erfindungsgemäß ist des
Weiteren eine Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Elektromotors
vorgesehen, die eine Vorwiderstandsbaugruppe der oben beschriebenen
Art umfasst. Für
eine möglichst
einfache Schutzschaltung des Elektromotors ist diesem ein reversibles
Schaltelement zugeordnet, das parallel zum Elektromotor diesen thermisch
kontaktierend geschaltet ist. Bevorzugt ist das weitere reversible
Schaltelement im Elektromotor integriert. Mittels des im Elektromotor
integrierten und des in der Vorwiderstandsbaugruppe integrierten
reversiblen Schaltelement ist eine einfache temperaturabhängige Schutzschaltung
und Brandschutzschaltung des Elektromotors und der Vorwiderstandsbaugruppe
ermöglicht.
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Zusätzlich zur
temperaturabhängigen
Schaltung kann zweckmäßigerweise
ein Sicherungselement zur Abschaltung eines den Elektromotor speisenden
Stromkreises bei Überschreitung
eines kritischen Grenzwertes von beispielsweise 60 A vorgesehen
sein. Mit anderen Worten: Zusätzlich
zur temperaturabhängigen
Auslösung
des oder der Schaltelementes und/oder der Temperatursicherung und
somit zu einer ersten Stufe der Fehlerbehebung durch Überlast
des fehlerbehafteten Elektromotors kann in einer zweiten Stufe ein
Sicherungselement zur stromabhängigen
Auslösung
vorgesehen sein. Hierdurch wird bei Überschreitung eines kritischen Stromwertes
von beispielsweise größer 60 A
der Stromkreis zur Stromversorgung des Elektromotors unterbrochen.
Zur Vermeidung von elektromagnetischen Störungen beim Zu- und/oder Abschalten
des Schaltelements kann zweckmäßigerweise
ein Entstörkondensator
parallel zum Schaltelement geschaltet sein. Abhängig von den Anforderungen
sind auch andere Entstörglieder
einsetzbar.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass bei einer beispielsweise durch Übertemperaturen bewirkten Erwärmung des
Vorwiderstands, einer Blockierung oder eines Kurzschlusses des Elektromotors
anhand der Integration eines thermisch mit dem Vorwiderstand kontaktierenden
Schaltelements und/oder eines thermisch mit dem Elektromotor kontaktierenden
Schaltelements selbst eine Erfassung und Überwachung der kritischen Temperaturen
direkt an der Wärmequelle
möglich
ist. Durch ein dem Vorwiderstand des Elektromotors, z.B. eines Lüfters oder
Gebläses,
zugeordnetes Schaltelement und dessen Anbindung an einen mehrpoligen,
z.B. einen 3-poligen Anschluss ist eine separate Überwachung
und somit sichere und genaue Abschaltung einzelner Drehzahlstufen reversibel
möglich.
Nach Behebung der Störung kann
die Normalfunktion des Elektromotors durch Einschalten des Schaltelements
wieder aktiviert werden.
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Mittels
des reversiblen Schaltelements ist eine besonders kostengünstige Lösung für einen Temperatur-,
Brand- und Blockierschutz gegeben, welcher ein automatisches Rücksetzen
nach Beseitigung des Fehlers ermöglicht.
Im einfachsten Fall kann auf eine Mikrotemperatursicherung verzichtet werden.
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Anderenfalls
kann mit einer zusätzlich
zum reversiblen Schaltelement vorgesehenen Mikrotemperatursicherung
ein redundanter Schutz realisiert werden.
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Gegenüber herkömmlichen
Schaltungsanordnungen mit mehreren in Serie mit dem Vorwiderstand
geschalteten Schutzelementen in Form von Temperatursicherungen,
welche durch das parallel geschaltete Schaltelement entfallen, weist
die Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung
geringere Verluste auf. Zu dem weist das reversible Schaltelement eine
längere
Lebensdauer auf.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1A bis 1D schematisch verschiedene Ausführungsbeispiele
für eine
Vorwiderstandsbaugruppe mit einem zusätzlichen Schaltelement,
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2, 3 schematisch Ausführungsformen für den Aufbau
einer Vorwiderstandsbaugruppe mit einem zusätzlichen Schaltelement und
ggf. mit einer Temperatursicherung, und
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4 bis 8 schematisch verschiedene Ausführungsbeispiele
für eine
Schaltungsanordnung zum Betrieb eines Elektromotors mit einer Vorwiderstandsbaugruppe.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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1A bis 1 D zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele
für eine
Vorwiderstandsbaugruppe 1 für einen Elektromotor M. Die
Vorwiderstandsbaugruppe 1 umfasst einen Vorwiderstand 2 zur
Drehzahlsteuerung des Elektromotors in mehreren Drehzahlstufen ST1
bis STn. Zur Schutz vor einem Überhitzen
des Vorwiderstands 2 im Fehlerfall des Elektromotors M
ist in die Vorwiderstandsbaugruppe 1 ein Schaltelement 4 zum
reversiblen Schalten mindestens einer der Drehzahlstufen ST1 bis
STn integriert. Das Schaltelement 4 ist bevorzugt als ein
temperaturabhängiges
Bauelement ausgeführt.
Beispielsweise ist das Schaltelement 4 in 1A und 1B als
ein reversibler Thermoschutzschalter TSS, z.B. als ein Bimetall
und in 1C und 1 D als ein temperaturabhängiger Widerstand
PTC ausgebildet. Alternativ kann das Schaltelement 4 auch
als ein nicht näher dargestelltes
Halbleiterbauelement, z.B. ein TEMPFET ausgebildet sein. Beispielhaft
ist das Schaltelement 4 als Öffner ausgeführt. Je
nach Anzahl der Drehzahlstufen ST1 bis STn des Elektromotors M kann
das Schaltelement 4 auch als Schließer oder Wechselschalter ausgebildet
sein. Zur Vermeidung von elektromagnetischen Störungen beim Zu- und/oder Abschalten
des Schaltelements 4 kann ein Entstörelement C, z.B. ein Entstörkondensator
parallel zum Schaltelement 4, wie beispielhaft in 1A gezeigt, geschaltet sein.
Abhängig
von den Anforderungen sind auch andere Entstörelemente einsetzbar.
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Für eine stufenweise
oder redundante temperaturabhängige
Schaltung der Vorwiderstandsbaugruppe 1 kann diese ggf.
eine in Reihe mit dem Vorwiderstand 2 geschaltete Temperatursicherung 6, z.B.
eine Mikro-Temperatursicherung
MTS umfassen, wie in den 1B und 1D dargestellt. Dabei weist
das Schaltelement 4 einen ersten thermischen Schaltpunkt ϑ1
bei einer kritischen Temperatur, z.B. bei einer Temperatur von größer 50°C auf. Die
Temperatursicherung 6 weist einen zweiten thermischen Schaltpunkt ϑ2
auf, der gegenüber
dem ersten thermischen Schaltpunkt ϑ1 des Schaltelements 4 höher, insbesondere
um eine Temperatur von größer 5°C höher ausgelegt
ist und beispielsweise erst bei einer Temperatur von größer 55°C zu einer
Auslösung
der irreversiblen Temperatursicherung 6 führt. Mit
anderen Worten: Das reversible Schaltelement 4 löst wesentlich
eher aus als die irreversible Temperatursicherung 6. Somit
ist sichergestellt, dass bei einer nur geringen und kurzzeitigen Überhitzung
nach einem Absinken der Temperatur auf einen Wert unterhalb des
ersten thermischen Schaltpunktes ϑ1 das Schaltelement 4 wieder
die zugehörige
Drehzahlstufe ST1 bis STn schaltet, ohne dass die ganze Vorwiderstandsbaugruppe 1 ausgetauscht
werden muss. Erst bei einem Überschreiten
einer äußerst kritischen Temperatur
löst die
irreversible Temperatursicherung 6 aus.
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Für eine einfache Überwachung
und Erfassung des Auslösens
des Schaltelements 4 und/oder der Temperatursicherung 6 umfasst
die Vorwiderstandsbaugruppe 1 einen mehrpoligen Anschluss 8 mit
drei Anschlusselementen 8a bis 8c, von denen einer
als Steuerkontakt K, einer als Versorgungsanschluss und einer als
Last- oder Widerstandsanschluss dient. Je nach Art und Aufbau des
Anschlusses 8 ist dieser als Steck- oder Kabelanschluss
ausgebildet.
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Das
Schaltelement 4 ist dabei mit dem einen Ende spannungsseitig
mit dem Vorwiderstand 2 verbunden, der an den Versorgungsanschluss „+" angeschlossen ist.
Bei einer in Reihe mit dem Vorwiderstand 2 geschalteten
Temperatursicherung 6 kann das Schaltelement 4 auch
mit der Temperatursicherung 6 am Versorgungsanschluss "+" angeschlossen sein. Mit dem anderen
Ende ist das Schaltelement 4 mit dem Steuerkontakt K zur
Steuerung der Drehzahlstufen ST1 bis STn verbunden. In bevorzugter Weise
ist das reversible Schaltelement 4 so ausgelegt, dass dieses
im Normalbetrieb durchgeschaltet ist, d.h. es ist leitend. Da das
Schaltelement 4 mit einem Kontakt spannungsseitig an dem
Versorgungsanschluss "+" angeschlossen ist,
ist dann auch der Steuerkontakt K des Schaltelements 4 spannungsführend.
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Die 1A bis 1D zeigen eine einstufige Vorwiderstandsbaugruppe 1 für zwei Drehzahlstufen ST1
bis ST2 des Elektromotors M. Je nach Aufbau des Elektromotors M
kann die Anzahl der Vorwiderstände 2 und
die Art des Schaltelements 4 variieren.
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Um
eine hinreichend schnelle und genaue Erfassung der Erwärmung des
Vorwiderstands 2 zu ermöglichen,
ist vorzugsweise das Schaltelement 4 parallel zum Vorwiderstand 2 diesen
thermisch kontaktierend angeordnet, wie in 2 und 3 gezeigt. Bei
einem mehrstufigen temperaturabhängigen Schalten
der Vorwiderstandsbaugruppe 1 mittels des Schaltelements 4 und
der Temperatursicherung 6 ist das reversible Schaltelement 4 zwischen
oder neben dem Vorwiderstand 2 und der Temperatursicherung 6 angeordnet.
D.h. das Schaltelement 4 ist den Vorwiderstand 2 thermisch
kontaktierend angeordnet. Bevorzugt ist die Temperatursicherung
6 im Abstand zum Vorwiderstand 2 unter Zwischenanordnung
des Schaltelements 4 in der Vorwiderstandsbaugruppe 1 angeordnet.
Für eine
einfache modulartige Ausführung
der Vorwiderstandsbaugruppe 1 sind der Vorwiderstand 2,
das Schaltelement 4 und ggf. die Temperatursicherung 6 auf
einer gemeinsamen Trägereinheit 10 angeordnet.
Der Anschluss 8, insbesondere die Anschlusselemente 8a bis 8c sind
zum Schutz vor mechanischen Belastungen und somit zum Schutz vor
einem Verbiegen von einem Gehäuse 12 umgeben.
Durch eine derartige als Steckmodul ausgebildete Vorwiderstandsbaugruppe 1 ist
ein leichter Ein- und Ausbau ermöglicht.
Darüber
hinaus ist durch die sandwichartige Anordnung der Elemente – Vorwiderstand 2,
Schaltelement 4 und ggf. Temperatursicherung 6 – der Vorwiderstandsbaugruppe 1 ein möglichst
einen kleinen Bauraum benötigendes Steckmodul
gegeben.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel
für eine Schaltungsanordnung 14 zum
Betrieb eines Elektromotors M mit einer Vorwiderstandsbaugruppe 1 zur drehzahlabhängigen Steuerung
des Elektromotors M in zwei Drehzahlstufen ST1 und ST2. Bei dem
Elektromotor M handelt es sich beispielsweise um einen Antrieb für einen
nicht näher
dargestellten Lüfter
oder ein Gebläse
eines nicht näher
dargestellten Fahrzeugs zur Lüftung
einer nicht näher
dargestellten Verbrennungsmaschine des Fahrzeugs. Sind für das Lüftersystem
mehrere Drehzahlstufen ST1 bis STn erforderlich, so kann die Schaltungsanordnung 14 in nicht
näher dargestellter
Art und Weise mehrstufige Vorwiderstände 2 in einer oder
mehreren Vorwiderstandsbaugruppen 1 umfassen.
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Sowohl
zur Spannungsversorgung als auch zur Überwachung des Elektromotors
M ist ein mehrpoliger, z.B. ein 2-poliger Motoranschluss 16 mit
zwei Motoranschlusselementen 16a bis 16b vorgesehen. Je
nach Art und Aufbau des mehrpoligen Motoranschlusses 16 kann
dieser als Steck- oder Kabelanschluss ausgebildet sein.
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Die
beiden Motoranschlusselemente 16a und 16b des
2-poligen Motoranschlusses 16 dienen der Spannungsversorgung
des Elektromotors M und sind über
eine Plusleitung 18 mit dem Pluspol "+" einer
nicht näher
darge stellten Batterie und über
eine Minusleitung 20 mit dem Minuspol "–" der Batterie verbunden.
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Über den
Motoranschluss 16 ist der Elektromotor M mit den parallel
zueinander geschalteten Drehzahlstufen ST1 und ST2 verbunden. Die
Drehzahlstufen ST1 und ST2 umfassen als ein Umschaltelement U jeweils
ein zugehöriges
Relais R1 bzw. R2 mit zugehörigen
Schaltern S1 bzw. S2. Das jeweilige Relais R1 oder R2 wird über den
zugehörigen
Schalter S1 bzw. S2 angesteuert, wodurch jeweils zugehörige Hochstromschalter
HR1 bzw. HR2 für
die jeweilige Drehzahlstufe ST1 bzw. ST2 geschaltet werden. Die
untere Drehzahlstufe ST1 wird dabei über die dem Elektromotor M über das
Relais R1 und den Hochstromschalter HR1 vorgeschaltete Vorwiderstandsbaugruppe 1 eingestellt.
Die maximale Drehzahlstufe ST2 erfolgt durch die Aktivierung des
Relais R2 und dessen Hochstromschalter HR2, indem der Elektromotor
M direkt an die Plusleitung 18 angeschlossen wird. Die
Plusleitung 18 ist in Richtung der Batterie über eine
zugehörige
Sicherung 22, auch Bordnetzsicherung 22 genannt,
abgesichert.
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Die
Vorwiderstandsbaugruppe 1 kann je nach Art und Funktion
des Elektromotors M wie oben anhand der 1A bis 1D beschrieben
verschiedenartig ausgebildet sein. Zur elektrischen Kontaktierung der
Vorwiderstandsbaugruppe 1 in der Schaltungsanordnung 14 ist
der Anschluss 8 mit den Anschlusselementen 8a bis 8c versehen,
die als Steuerkontakt K, Lastanschluss N und Versorgungsanschluss
zum Pluspol "+" dienen. Die Vorwiderstandsbaugruppe 1 ist
dabei in Reihe zur unteren Drehzahlstufe ST1 geschaltet.
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Zusätzlich kann
parallel zu den Drehzahlstufen ST1 und ST2 in Reihe zur Vorwiderstandsbaugruppe 1 unmittelbar
nach dem Ausgang des Motoranschlusselements 16a an einem
Relaiskontakt L zum Elektromotor M eine erste Rückmeldeleitung 24a (auch Überwachungsleitung
genannt) angeordnet sein. Die Rückmeldeleitung 24a ist
beispielsweise mit einem Eingang eines Steuergerätes SG, z.B. eines Motor- oder
Batteriesteuergeräts
verbunden. Die Rückmeldeleitung 24a ist
dabei die bevorzugte Überwachungs leitung,
da durch ihre Anordnung erfasst wird, ob die Spannungsversorgung
des Elektromotors M vorhanden ist.
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Im
Betrieb der Schaltungsanordnung 14 wird einer der Schalter
S1 oder S2 für
die Drehzahlstufe ST1 bzw. ST2 des Elektromotors M betätigt, so
dass der Elektromotor M gestartet wird. Dabei fließt der Steuerstrom
für das
betreffende Relais R1 oder R2 über
eine in der Plusleitung 18 ggf. geschaltete Bordnetzsicherung 22,
in einem Stromkreis von der Plusleitung 18 über das
betreffende Relais R1 bzw. R2 und in Abhängigkeit von der Drehzahlstufe
ST1 oder ST2, im Fall der unteren Drehzahlstufe ST1 auch über die
Vorwiderstandsbaugruppe 1 zur Minusleitung 20.
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Die
Aktivierung und Schutzfunktion der unteren Drehzahlstufe ST1 des
Elektromotors M wird dabei mittels der Schaltungsanordnung 14 wie
folgt ausgeführt.
Der Steuerstrom, d.h. der Schalter S1 der unteren Drehzahlstufe
ST1 ist aktiviert, fließt
von der Bordnetzsicherung 22 über die Plusleitung 18 über das
Schaltelement 4 der Vorwiderstandsbaugruppe 1,
den geschlossenen Schalter S1, über
die Wicklung des Relais R1 zur Minusleitung 20. Damit wird
der Kontakt – der
Hochstromschalter HR1 – des
Relais R1 geschlossen, so dass der Elektromotor M über den
Vorwiderstand 2 der Vorwiderstandsbaugruppe 1 mit
Strom versorgt wird.
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Kommt
es nun in den unteren Lüfterstufen – der unteren
Drehzahlstufe ST1 – zu
einem Stromanstieg des Elektromotors M, beispielsweise durch Blockierung
des Lüfters,
wodurch es auch zu einer Überlastung
und somit auch zu einer Erhitzung des Vorwiderstands 2 in
einen unzulässigen
Temperaturbereich kommen kann, so löst das thermisch mit dem Vorwiderstand 2 kontaktierende
Schaltelement 4 aus. D.h. Der Stromkreis der unteren Drehzahlstufe ST1
wird hierdurch unterbrochen, indem das Relais R1 abfällt. Der
Elektromotor M wird stromlos geschaltet. Nach Fehlerbeseitigung
wird die Schaltanordnung 14 ohne Austausch der Vorwiderstandsbaugruppe 1 durch
Aktivierung der Drehzahlstufe ST1 wieder in Betrieb genommen, indem
das Schaltelement 4 in seinen Ursprungszustand schaltet.
Das reversible Schaltelement 4 dient somit der direkten
Erfassung der Widerstandstemperatur. D.h. das Schaltelement 4 schützt den
Vorwiderstand 2 gegenüber Überhit zung
und Brand. Dies kann beispielsweise auch der Fall sein, wenn der
Vorwiderstand 2 aufgrund eines Fehlers im Elektromotor
M überlastet wird.
Das Schaltelement 4 wirkt in der Schaltungsanordnung 14 nach 4 nur auf die untere Drehzahlstufe
ST1.
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Über die
Rückmeldeleitung 24a ist
die Schaltungsanordnung 14 darüber hinaus fortlaufend auf den
aktuellen Zustand überwachbar,
z.B. von einem Fehlermanagement eines nicht näher dargestellten Steuergeräts. Sobald
eine der Drehzahlstufen ST1 oder ST2 aktiviert wurde, liegt über den
Pluspol "+" der Batterie ein
positiver Spannungspegel an. Ist die Drehzahlstufe ST1 aktiviert
und das Schaltelement 4 spricht an, so wird der Pegel der
Rückmeldeleitung 24a auf
Minus-Potential gelegt. D.h. Mit der Unterbrechung des Stromkreises
durch das Schaltelement 4 wird die Rückmeldeleitung 24a auf
Minus-Potential gelegt. Bevorzugt ist das Schaltelement 4 mit
einer Schalthysterese für
Toleranzbereiche mit verschiedenen thermischen Schaltpunkten ϑ1
versehen.
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Zusätzlich zur
temperaturabhängigen Schutzauslösung des
Schaltelements 4 bei Überlastung
des Vorwiderstands 2 ist als stromabhängige Schutzauslösung die
Bordnetzsicherung 22 vorgesehen, die insbesondere einen
Kabelbaum vor Überhitzung
sowie den Elektromotor M gegenüber
einer Blockierung in der maximalen Drehzahlstufe ST2 schützt. Dabei
fließt
ein Steuerstrom für
die maximale Drehzahlstufe ST2 vom Pluspol "+" der
Batterie über die
Bordnetzsicherung 22, über
den zur Aktivierung der Drehzahlstufe ST2 geschlossenen Schalter
S2 und über
die Wicklung des Relais R2 zum Minuspol "–" der Batterie. Damit
wird der Kontakt oder Hochstromschalter HR2 des Relais R2 geschlossen
und der Elektromotor M direkt über
die Bordnetzsicherung 22 mit Strom versorgt. Bei einer
Auslösung
der Bordnetzsicherung 22 wird dann der Stromkreis für das Relais
R2 unterbrochen und der Hochstromschalter HR2 geöffnet, so dass der Elektromotor
M stromlos geschaltet wird.
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Nachfolgend
werden anhand der weiteren Figuren verschiedene schaltungstechnische
Ausführungsformen
für eine
Schaltungsanordnung 14 mit verschiedenen Vorwiderstandsbaugruppen 1,
mit verschiedenen Schutzstu fen vor Überlastung des Elektromotors
M und/oder des Vorwiderstands 2 mit einer oder mehreren
Rückmeldeleitungen 22 näher beschrieben.
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In 5 ist die Schaltungsanordnung 14 gemäß 4 mit einer alternativen
Vorwiderstandsbaugruppe 1 dargestellt. Zusätzlich zum
reversiblen Schaltelement 4 umfasst die Vorwiderstandsbaugruppe 1 zur
redundanten oder stufenweisen temperaturabhängigen Schutzfunktion der ersten
Lüfter- oder Drehzahlstufe
ST1 zusätzlich
eine in Serie mit dem Vorwiderstand 2 geschaltete Temperatursicherung 6,
insbesondere eine Mikrotemperatursicherung MTS.
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In 6 ist eine alternative Schaltungsanordnung 14 mit
einer Vorwiderstandsbaugruppe 1 gemäß 5 dargestellt. Gegenüber der Schaltungsanordnung 14 nach 5 umfasst die Schaltungsanordnung 14 nach 6 eine weitere Rückmeldeleitung 24b,
welche unmittelbar vom Steuerkontakt K der Vorwiderstandsbaugruppe 1 abgeht.
Dabei zeigt die Rückmeldeleitung 24b bei
einem positiven Spannungspegel an, dass das Schaltelement 4 der
Vorwiderstandsbaugruppe 1 nicht ausgelöst hat und somit kein Fehler
vorliegt. Wird hingegen die Rückmeldeleitung 24b auf
Minus-Potenzial oder potenzialfrei gelegt, so wird hiermit das Auslösen des
Schaltelements 4 der Vorwiderstandsbaugruppe 1 angezeigt.
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Je
nach Art und Anbindung der Rückmeldeleitung/en 24a, 24b kann
nunmehr beispielsweise eine angeschlossene Motorsteuerung oder ein
anderes Steuergerät
SG anhand des anliegenden Pluspotenzials den Elektromotor M ansteuern,
wobei gleichzeitig die Fehlermeldung „Überlastung des Elektromotors
M" durch indirekt
erhöhte
Temperatur des Vorwiderstands 2 ausgegeben und ggf. angezeigt wird.
In Abhängigkeit
von der Funktionalität
der betreffenden Motorsteuerung kann ggf. nach Fehlerbehebung und/oder
entsprechender Abkühlung
des Vorwiderstands 2, durch entsprechende Ansteuerung,
das Schaltelement 4 wieder automatisch in den Ursprungszustand
zurückgesetzt
und die Schaltungsanordnung 14 in Betrieb gesetzt werden.
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Um
auch den Lüfter
und dessen Elektromotor M gegen eine Überlast, wie dies beispielsweise bei
einer Blockierung des Gebläses
oder des Lüfters auftreten
kann, zu schützen,
umfasst eine alternative Schaltungsanordnung 14 gemäß den 7 und 8 neben einem reversiblen Schaltelement 4 in
der Vorwiderstandsbaugruppe auch ein reversibles Schaltelement 4,
das parallel zum Elektromotor M geschaltet ist. Da beide reversiblen
Schaltelemente 4 zur temperaturabhängigen Schutzschaltung vorgesehen sind,
sind diese gleichartig wie oben bereits beschrieben ausgebildet.
Das Schaltelement 4 ist bevorzugt als ein temperaturabhängiges Bauelement
ausgeführt,
z.B. als ein reversibler Thermoschutzschalter beispielsweise in
Form eines Bimetallstreifens.
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Das
Schaltelement 4 des Elektromotors M ist direkt in diesem
integriert. D.h. Für
eine sicher thermisch kontaktierende Anordnung des Schaltelements 4 ist
dieses unmittelbar am Elektromotor M beispielsweise an einer geeigneten
Stelle, insbesondere unmittelbar in Nähe eines Ortes, an welchem die
größte Wärme im Störungsfall
entsteht, angebracht. In bevorzugter Ausführungsform wird das Schaltelement 4 beispielsweise
auf der Bestückungsseite
einer nicht näher
dargestellten Bürstenplatte
des Elektromotors M angeordnet. Alternativ kann das Schaltelement 4 auch
an einer anderen für eine
thermische Auslösung
sicher geeigneten Stelle angebracht sein. Somit erfasst das reversible
Schaltelement 4 des Elektromotors M dessen Temperatur direkt
und schützt
den Elektromotor M gegenüber Schwergängigkeit, Übertemperatur
oder Blockierung.
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Zur Überwachung
und Erfassung der Auslösung
des Schaltelements 4 des Elektromotors M weist dieser in
den Ausführungsbeispielen
nach 7 und 8 einen dreipoligen Motoranschluss 16 auf,
wobei ein drittes Motoranschlusselement 16c mit einem Kontakt
des Schaltelements 4 verbunden ist. Bedingt durch die lediglich
schaltungsseitige Belegung des mittleren Motoranschlusselements 16c kann
dieses für
niedrige Ströme
ausgebildet sein.
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Im
Fehlerfall des Elektromotors M, z.B. durch Blockierung kann es zu Übertemperaturen
kommen. Beispielsweise liegt die kritische Temperatur je nach Anwendungsfall
bei ca. 180°C.
Diese Temperaturüberschreitung
am Elek tromotor M führt
dazu, dass der Innenwiderstand Ri des Elektromotors M einen zur
Auslösung
einer herkömmlichen
Bordnetzsicherung 22 erforderlichen Auslösestrom,
beispielsweise einen Grenzwert von 60 A unterschreitet, was wiederum
eine erhebliche thermische Belastung zur Folge hat. Zur Vermeidung
derartiger thermischer Belastungen ist das Schaltelement 4 des
Elektromotors M beispielsweise derart ausgelegt, dass bedingt durch dessen
thermisch kontaktierende Anordnung mit dem Elektromotor M eine Auslösung bei
einer Temperatur von größer 50°C erfolgt,
wodurch bei Auslösen
des Schaltelements 4 der Steuerstromkreis der Relais R1
und R2 und damit indirekt die Spannungsversorgung des Elektromotors
M unterbrochen wird. Mit anderen Worten: Das Schaltelement 4 des
Elektromotors M schützt
diesen direkt gegenüber Schwergängigkeit,
Blockierung oder Übertemperatur und
spricht im Fehlerfall vor einer Auslösung der Bordnetzsicherung 22 an.
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Da
das Schaltelement 4 des Elektromotors M in der gemeinsamen
Minusleitung 20 der beiden Relais R1 und R2 der Drehzahlstufen
ST1 bzw. ST2 geschaltet ist, wirkt eine Auslösung des Schaltelements 4 des
Elektromotors M auch für
die Drehzahlstufen ST1 und ST2. Nach der Fehlerbeseitigung wird
die Schaltungsanordnung 14 wieder aktiviert. Dabei wird das
reversible Schaltelement 4 in den bestimmungsgemäßen Zustand
geschaltet, sofern einer der Drehzahlstufen ST1 oder ST2 noch durch
den zugehörigen
geschlossenen Schalter S1 bzw. S2 aktiviert ist, läuft der
Elektromotor M wieder an.
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In
dem Ausführungsbeispiel
nach 7 ist darüber hinaus
der Pluspol "+" der Batterie, d.h.
die Plusleitung 18, über
das Schaltelement 4 der Vorwiderstandsbaugruppe 1 direkt
mit den Stromkreisen der Drehzahlsteuerung in den Drehzahlstufen
ST1 und ST2 verbunden und führt
somit Spannung über das
Schaltelement 4 der Vorwiderstandsbaugruppe 1 sowohl
auf den Schalter S1 als auch auf den Schalter S2. Hierdurch kann
gegenüber
den Ausführungsbeispielen
nach 4 bis 6 und 8 eine Zuleitung gespart werden. Bei
Ansprechen des Schaltelements 4 der Vorwiderstandsbaugruppe 1 wird
die Schaltungsanordnung 14 stromlos geschaltet. Der Elektromotor
M ist dann weder in der unteren Drehzahlstufe ST1 noch in der maximalen
Drehzahlstufe ST2 betreibbar.
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Ferner
umfassen die jeweilige Schaltungsanordnung 14 nach 7 und 8 eine weitere dritte Rückmeldeleitung 24c.
Diese Rückmeldeleitung 24c wird
vom mittleren Motoranschluss 16c abgeführt und liegt im Normalbetrieb über das
Schaltelement 4 des Elektromotors M auf dem Minuspol "–" der Minusleitung 20. Kommt
es im Fehlerfall zu einem Ansprechen des Schaltelements 4 des
Elektromotors M, so liegt die dritte Rückmeldeleitung 24c auf Pluspotenzial.
Dies ist nach 7 in beiden
Drehzahlstufen ST1 und ST2 und nach 8 in
der unteren Drehzahlstufe ST1 nur der Fall, wenn das Schaltelement 4 der
Vorwiderstandsbaugruppe 1 nicht ausgelöst hat und somit keine Überlastung
des Vorwiderstands 2, sondern lediglich ein Fehler des
Elektromotors M vorliegt. Über
ein an die Rückmeldeleitung 24c angeschlossenes
Steuergerät
SG, z.B. ein Motorsteuergerät,
wird anhand der Pegel der Rückmeldeleitung 24c ggf.
eine Fehlermeldung ausgegeben. Ebenso lässt sich über die entsprechend verschalteten
weiteren Rückmeldeleitungen 24a und 24b der
Betriebszustand des Elektromotors M und des Lüfters detektieren.
-
- 1
- Vorwiderstandsbaugruppe
- 2
- Vorwiderstand
- 4
- Schaltelement
- 6
- Temperatursicherung
- 8
- mehrpoliger
Anschluss
- 8a,
8b, 8c
- Anschlusselemente
- 10
- Trägereinheit
- 12
- Gehäuse
- 14
- Schaltungsanordnung
- 16
- Motoranschluss
- 16a
bis 16c
- Motoranschlusselemente
- 18
- Plusleitung
- 20
- Minusleitung
- 22
- Sicherung
- 24,
24b
- Rückmeldeleitung
- C
- Entstörelement
- HR1,
HR2
- Hochstromschalter
- K
- SteuerkontaktL
- L
- Relaiskontakte
zum Elektromotor
- M
- Elektromotor
- MTS
- Mikro-Temperatursicherung
- N
- Lastanschluss
- R
- Widerstand
- R1,
R2
- Relais
- U
- Umschaltelement
- SG
- Steuergerät
- ST1,
ST2, STn
- Drehzahlstufen
- S1,
S2
- Schalter
- TSS
- Thermoschutzschalter
- ϑ1
- erster
thermischer Schaltpunkt
- ϑ2
- erster
thermischer Schaltpunkt