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Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung 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, so lange 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 Temperaturüberwachungs- und Schutzschaltung der eingangs beschriebenen, gattungsgemäßen Art zu schaffen, die eine erhöhte Betriebssicherheit zur Vermeidung von Motor-Überhitzungen gewährleistet und zuverlässig eine Temperaturanstieg insbesondere oberhalb einer zulässigen Grenztemperatur erfasst.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass man zur Temperaturüberwachung den Effekt zu Nutze macht, dass bestimmte Metalle und deren Legierungen eine jeweils andere Eigenschaft betreffend dem Verlust ihrer magnetischen Eigenschaften besitzen. Bei Erreichen der sogenannten Curie-Temperatur, welche stoffspezifisch jeweils anders ist, verlieren solche Stoffe ihre magnetischen Eigenschaften nahezu vollständig bis vollständig.
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Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung besteht darin, eine ganz bestimmte Kombination aus Stoffen in einem Zahn eines Motors zu verwenden, deren Curie-Temperatur voneinander abweicht und dasjenige Material bzw. ein Legierungsmaterial so in seiner Legierung zusammenzusetzen, dass dessen Curie-Temperatur deutlich unterhalb der Curie-Temperatur des Materials des Zahns liegt.
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Erfindungsgemäß wird hierzu folgendes vorgeschlagen: eine Temperaturüberwachungs- und Schutzschaltung zur Überwachung einer definierten Motorgrenztemperatur TG ausgebildet aus wenigstens einem Zahn, insbesondere einem Zahn eines Blechpakets eines Motors umfassend eine Erfassungsvorrichtung zum Erfassen eines magnetischen Flusses in dem Zahn, wobei der Zahn wenigstens eine Kavität (oder eine Vielzahl von Kavitäten) aufweist in dem ein ferromagnetisches Material eingebracht ist, deren Curie-Temperatur TC unterhalb oder nahe bei der Motorgrenztemperatur liegt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das ferromagnetische Material ein spezifisch zusammengesetztes Legierungsmaterial ist, bei dem die Legierungselemente in ihrem Masse-%-Anteil bestimmungsgemäß so ausgewählt sind, dass sich folgende Bedingung für die Curie-Temperatur der Legierung ergibt:
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Curie-Temperatur in einem zwischen 0,95 und 0,96 der zu überwachenden Temperatur liegt. Dies hat den Vorteil, dass man rechtzeitig vor, allerdings nicht zu früh eine signifikante Änderung des magnetischen Flusses detektiert, sobald sich die Temperatur des Motors der zu überwachenden Temperatur oder der Grenztemperatur nähert.
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Es bleiben dann einerseits ausreichende Reserven, um eine Abschaltvorrichtung zu Aktivieren, bevor eine Überhitzung stattfand. Andererseits kann der Motor auch bis in einen relativ hohen Temperaturbereich nahe z. B. einer Grenztemperatur genutzt werden, was aufgrund der Trägheit von klassischen Temperatursensoren nicht der Fall ist.
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Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn ein Bestandteil der Legierung des ferromagnetischen Materials eine oder mehrere Metalle sind, die zu der Gruppe der seltenen Erden, vorzugsweise den Lanthanoiden gehören.
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Eine ebenfalls vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass ein Bestandteil der Legierung des ferromagnetischen Materials eine oder mehrere Metalle sind, die zu der Gruppe der seltenen Erden gehören.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist dabei vorgesehen, die Erfassungseinrichtung ein Teil der Kommutierungselektronik für einen EC-Motor darstellt. Hierdurch kann bereits die ohnehin vorhandene Motorelektronik dazu verwendet werden, um den magnetischen Fluss und Asymmetrien aufgrund der Beeinflussung des magnetischen Flusses im Zahn zu detektieren.
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Die Erfassungseinrichtung ist weiter bevorzugt so ausgebildet, dass diese bei Erhöhen der Temperatur des Motors zunehmend eine Veränderung des magnetischen Flusses detektieren kann, so dass auch eine kontinuierliche Temperaturüberwachung erfolgen kann. Hierzu könne z.B. in einem Datenspeicher Referenzwerte für jede Temperatur hinterlegt sein, so dass eine Datenauswertung durch Vergleich der gemessenen Ist-Werte des magnetischen Flusses und der Referenz-Werte erfolgen kann. Hierzu kann zuvor eine Messkurve für einen bestimmten Motor-Typ aufgezeichnet werden, bei dem der Zusammenhang zwischen Temperaturerhöhung und Veränderung aufgrund des in der oder den Kavitäten dieses Motors eingebrachten Legierungsmaterials erfasst wurde. Diese Kurve kann z. B. als Referenzkurve beim Einsatz des Motors im Feld verwendet werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Erfassungseinrichtung ausgebildet ist, bei Erreichen der Curie-Temperatur einen Phasenübergang in den nicht ferromagentischen Zustand zu detektieren.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass ferner eine Abschaltvorrichtung vorgesehen ist, welche bei Erreichen einer bestimmten Änderung des gemessenen magnetischen Flusses durch den Zahn die Bestromung der Motorspulen bzw. des Motors zu unterbrechen.
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Bei dem Material des Zahns ist ein Material zu wählen, welches entweder keine oder nur eine geringe Änderung des magnetischen Flusses im Bereich der zu überwachenden Motortemperatur aufweist. Hierzu kann z. B. ein Material mit vergleichsweise sehr viel höherer Curie-Temperatur vorgesehen sein. Somit ist ausgeschlossen, dass sich die Effekte teilweise überlagern oder der Einfluss auf die Veränderung des magnetischen Flusses nicht klar zugeordnet werden kann.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen der Motortemperatur eines Motors, insbesondere eines EC-Motors, wobei in mindestens einem Zahn einer Zahnspule des Motors mindestens eine Kavität vorgesehen ist, in dem ein ferromagnetisches Material eingebracht ist, deren Curie-Temperatur TC unterhalb der Motorgrenztemperatur oder einer zu überwachenden Motortemperatur liegt, wobei mittels einer Erfassungseinrichtung die Veränderung des magnetischen Flusses bedingt durch die Veränderung der Eigenschaften des ferromagnetischen Materials detektiert wird und aus dieser mittels Auswertevorrichtung eine Temperaturermittlung des Motors erfolgt.
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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 zeigt:
- 1 eine schematische Ansicht von Komponenten einer Temperaturüberwachungs- und Schutzschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Dabei zeigt die 1 lediglich beispielhaft schematisch eine Temperaturüberwachungs- und Schutzschaltung 1 zur Überwachung einer definierten Motorgrenztemperatur TG oder einer zu überwachenden Motortemperatur.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt mindestens einen Zahn 2, wie er schematisch dargestellt ist. Der Zahn 2 besitzt eine Kavität 3, in der ein ferromagnetisches Material 4 eingebracht ist, deren Curie-Temperatur TC unterhalb oder nahe bei der Motorgrenztemperatur oder einer zu überwachenden Motortemperatur lieg.
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Gezeigt ist ferner eine Erfassungsvorrichtung 5 zum Erfassen eines magnetischen Flusses in dem Zahn, wobei hierzu die Änderung des Stroms infolge der Änderung des magnetischen Flusses erfasst wird.
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Da der Fluss durch den Strom erzeugt wird, ändert sich der Strom bei eingeprägter Spannung, da sich der Flusspfad bei einer Temperaturänderung aufgrund einer Änderung der Induktivität der Zahnspule ändert.
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Die Erfassungseinrichtung 5 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Bestandteil der Kommutierungselektronik für einen EC-Motor. Es kann hierdurch auch durch Messung der Flussänderung mittels einer Strommessung in der Wicklung eine Asymmetrie im Strom detektiert werden.
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Das ferromagnetische Material 4 ist ein Legierungsmaterial, bei dem die Legierungselemente in ihrem Masse-%-Anteil so ausgewählt sind, dass sich eine niedrige Curie-Temperatur ergibt. So kann man z. B. eine Neodym-Eisen-Bor-Legierung verwenden, dessen Curie-Temperatur je nach Legierungsbestandteile zwischen 120°C und 150 °C liegt. Weniger geeignet sind anisotrop gesinterte Neodym-Eisen-Bor-Legierungen wie zum Beispiel Nd2Fe14B, da deren Curie-Temperatur vergleichsweise hoch liegt. Zur Umsetzung der Erfindung muss der Fachmann daher eine geeignete Legierung zusammenstellen, die spezifisch für den Motor-Typ ausgebildet. Generell bieten sich homogene Mischlegierungen als auch heterogene Legierungen aus mehreren Metallen an, bei denen ein oder mehrere der Metalle aus der Gruppe der seltenen Erden, vorzugsweise den Lanthanoiden stammen.
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Ferner ist eine Abschaltvorrichtung 6 vorgesehen, welche bei Erreichen einer bestimmten Änderung des gemessenen magnetischen Flusses die Bestromung der Motorspulen unterbrechen kann. Hierzu können herkömmliche und im Stand der Technik umfangreich bekannte Stromunterbrechungseinrichtungen verwendet werden, die folglich nicht näher beschrieben werden und z. B. Hallsensoren.
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Das Material des Zahns 2 sollte aus einem Material bestehen, welches entweder keine oder nur eine geringe Änderung des magnetischen Flusses im Bereich der zu überwachenden Motortemperatur aufweist bzw. eine deutlich und signifikant höhere Curie-Temperatur aufweist, wie z. B. > 300°C.
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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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