DE2811503C2 - Schutzeinrichtung gegen Wärmeüberlastung eines thermisch hoch belastbaren Elektro-Kleinmotors - Google Patents

Description

a) die Betätigungseinrichtung (20; 34; 42; 52; 66; 70; 89; 94; 110) arbeitet stromabhängig und ist in Reihe in dem Stromkreis geschaltet;

b) die Betätigungseinrichtung arbeitet zusätzlich temperaturabhängig und s'eht in gut wärmeleitender Verbindung mit einer Bürste (8; 38; 74; 82);

c) die Betätigungseinrichtung ist derart ausgelegt, daß unter Berücksichtigung anzusetzender Toleranzgrenzwerte für die Umgebungstemperatur und die Betriebsspannung nur die Summe der Erwärmungen durch den Strom und die Wärmeleitung zur Betätigung der Stromsteuereinrichtung führt

11. Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche } bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (z. B. 34,36) bzw. der PTC-Widerstand und/oder der Bürstenhalter (z. B. 6) und/oder der elektrische Leiter (z. B. 46; 72) derart angeordnet sind bzw. ist, daß sie bzw. er einem kühlenden Luftstrom von einem drehbaren Teil (z. B. 2% 112) des Motors ausgesetzt sind bzw. ist

Die Erfindung betrifft eine Schutzeinrichtung gegen Wärmeüberlastung eines thermisch hoch belastbaren Elekti-okleinmotors mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches \.

Elektrokleinmotoren der hier in Frage stehenden Art werden in großer Zahl für die verschiedensten Zusatzfunktionen in Kraftfahrzeugen eingebaut so z. B. für das

μ automatische Anheben und Absenken von Fenstern, das Verstellen der Sitze, für die Scheibenwaschanlage sowie für die Scheiben- und Scheinwerfer-Wischer. Diese als Gleichstrom-Dauermagnet-Motoren ausgebildeten Antriebe arbeiten mit einer Betriebsspannung von 12 V

oder 24 V, ihnen ist normalerweise ein Getriebe mit einem hohen Übersetzungsverhältnis nachgeschaltet. Obwohl SK zum Großteil nur für kurze Zeitspannen eingeschaltet sind, müssen sie während dieser Kurzzeiten eine erhebliche Leistung erbringen. Da derartige

2. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Betätigungseinrichtung (20;

34; 42; 52; 66; 70; 89; 94; 110) einen Bimetall-Schal- 30 Motoren häufig falsch bedient werden, so daß sie wegen ter-Betätigungsteil (28; 36) aufweist mechanischer Überlastung zum Stillstand gelangen, be-

3. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß ein Widerstand mit einem positiven Temperatur-Koeffizienten (PTC-Widerstand) vorgesehen ist.

4. Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (20; 34; 42; 52; 66; 70; 89; 94; 110) bzw. der PTC-Widerstand direkt an einen Bürstenhalter (6; 32; 54) angeschlossen ist.

5. Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß die Bürste (38; 74; 82) über einen Nebenschlußdraht (40; 55; 78; 86; 108) mit dem Anschluß (77; 87; 106) verbunden ist, steht die Gefahr einer elektrischen Störung oder einer Überlastung, wodurch ein Überhitzen des Motors verursacht wird. Für diese und ähnliche Einsatzzwecke die- ser Kleinmotoren besteht darüber hinaus die Forderung nach geringer Baugröße und kleinem Gewicht weshalb die abgeforderte Leistung nur bei einer Betriebsbeiastung erbracht werden kann, die nahe der Kurzschlußbzw. Stillstandsbelastung liegt, was vor allem für die kurzzeitig betriebenen Motore der vorstehenden Art gilt.

Bei einem Motor mit den eingangs genannten Merkmalen (DE-PS 12 68 266) ist ein Temperaturfühler in Form einer Bimetallschnappscheibe im Nahbereich der

an dem der Schalter (34; 52; 70; 89; 110) bzw. der 45 über den Rotorkörper hinausragenden Wicklungsköpfe PTC-Widerstand direkt oder indirekt angeschlossen angeordnet, die auf diese Weise durch Wärmeabgabe ist. der Wicklung, die in erster Linie durch Strahlung er-

6. Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 folgt betätigt werden soll und im Falle der entsprechenbis 3 und 5, dadurch gekennzeichnet daß zwischen den Überhitzung den Speisestrom zu der RotorwickdenBürstenhalter(44,49)bzw.denAnschluß(77;87; 50 lung dadurch unterbricht, daß eine der Bürsten vom 106) und den Schalter (42; 70; 89; 110) bzw. den Kollektor abgehoben wird. Die Bimetallschnappscheibe PTC-Widerstand ein elektrischer Leiter (46; 72; 88; ist nicht in den Speisestromkreis eingeschlossen und er-104) eingeschaltet ist, der bei Überlastung des Mo- hält dadurch keine Eigenaufheizung durch Stromwärtors mit einer Erhöhung seiner Temperatur reagiert, me. Die Bimetallscheibe ist im Außenbereich des Sta-

7. Schutzeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch 55 tors abgestützt, sie wird also praktisch durch Wärmeleigekennzeichnet daß der Leiter ein länglicher Streifen (46) ist, in welchem ein ausgesparter Abschnitt

(48) geringerer Breite vorgesehen ist

8. Schutzeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter eine Dämpfungswicklung (72; 88; 104) ist.

9. Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem an den Bürstenhalter (92, 98) angeschlossenen Schalter (94) eine Dämpfungswicklung (96) vorgeschaltet ist.

10. Schutzeinrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungswicklung (72; 96) nahe an dem Schalter (70; 94) angeordnet ist.

65 tung nicht erreicht, weil die große Statormasse sich bei Überlastung des Motors nur sehr langsam erwärmt. Die damit praktisch ausschließlich erfaßte Wärmestrahlung der Wicklung wird nur zu einem geringen Teil der angebotenen Aufnahmefläche der Bimetallscheibe zugeführt, die Wärmeaufnahmeverhältnisse lassen sich schlecht definieren und insbesondere nicht anpassen. Durch die ausschließliche Erwärmung der Scheibe durch Wärmestrahlung sind darüber hinaus in großen Bereichen schwankende Umgebungstemperaturen nicht beherrschbar. Da der Motor bei niedrigen Umgebungstemperaturen geschützt werden muß. während er andererseits bei hohen Umgebungstemperaturen sein

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volles Drehmoment abgeben können soll, muß die tung über die Stromsteuereinrichtung den Speisestrom Schaltschwelle der Bimetallscheibe entsprechend nied- unterbricht Der Motor heizt sich dabei bis zu einem rig gelegt werden, so daß sie praktisch bei Auftreten des gewissen, für ihn erträglichen Gicnzwert auf. Die wäh-Oberlaststromes so schnell abschaltet, daß der verlang- renddessen im Rotor und in den Bürsten erzeugte te Kurzzeit-Vollbetrieb des Motors nicht erreicht wird. 5 Stromwärme wird in Form einer Wärmeleitung der Be-

Eine weitere bekanntgewordene Schutzschaltung tätigungseinrichtung zugeführt, was eine bestimmte (DE-AS 11 29 606) arbeitet mit durch die Größenord- Zeit in Anspruch nimmt

nung des Speisestromes entsprechend aufgeheizten Bi- Folgende Toleranzgrenzwerte und Arbeitsbedingun-

metallen und mit einem weiteren, in einen eigenen gen sind zu berücksichtigen:

Stromkreis eingeschalteten Bimetall, das von einem io Zunächst muß der Motor unter abweichenden VerTemperaturfühler in Gestalt eines PTC-Widerstandes sorgungsspannungen arbeiten. Bei einer 12 Volt-Battegesteuert wird, der die Temperatur des Motors selbst rie variiert die Spannung beispielsweise von 14 Volt bis überwacht Dies kann — ohne aufwendige Stromlei- 10 Volt Die Umgebungstemperatur kann zwischen tur.gseinrichtungen wie beispielsweise Schleifringen — — 4d^eCund +80° C schwanken.

nur im stillstehenden Motorteil geschehen. Diese Art 15 Abhängig von der Art des im Motor verwendeten der Temperaturabfühlung des Motors ist daher bei den Isoliermaterials können die Motorwicklungen eine mahier in Frage stehenden Dauermagnet-Gleichstrom- ximale Temperatur von 180° C und sogar bis 400° C aufMotoren, bei denen nur der Rotor gespeist wird, inso- weisen, obwohl für solch hohe Temperaturen geeigneweit nicht durchführbar. Ohne diese Überwachung der tes Material verhältnismäßig teuer ist. So kann das Kup-Wicklungstemperatur des Rotors würde also nur die 20 fer in den Motorwicklungen einen Temperaturbereich Erwärmung der Bimetalle durch den Speisestrom er- von—40° C bis +400° C aushalten. Ein derartiger Temreicht was wiederum angesichts der weiten Bereiche peraturunterschied verursacht eine starke Veränderung der Arbeitsbedingungen, für die der hier in Frage ste- des Widerstandswertes des Kupfers in den Wicklungen; hende Elektrokieinrr.oior ausgelegt und sicher ge- so verdoppelt sich beispielsweise der Widerstandswert schützt sein soll, eine zu geringe Schaltschwelie bzw. die 25 innerhalb einer Temperaturschwankung zwischen Gefahr der 0 berlastung des Moiors bedingt. — 30° C und +180⁰C

Bei einer weiterhin bekanntgewordenen Schutzvor- Diese Variablen der Betriebsspannung und der Um-

richtung mit Wärmefühler für elektrische Maschinen gebungstemperatur sowie der Nebeneffekt der Verän-(DE-GM 18 27 083) ist ein Temperaturfühler an einem derung des Widerstandswertes des Kupfers, wodurch oder mehreren Bürstenhaltern einer Kommutator-Ma- 30 wechselnde Ströme für jede Spannung auftreten, maschine angeordnet, der ein von der Temperatur des Bür- chen es schwer, die Stromsteuerungseinrichtung an die stenhalters abhängiges Signal erzeugt und über eine Charakteristika des Motors anzupassen,
elektrische Anschlußleitung abgibt Ein Schaltelement, Da ein in einem Kraftfahrzeug angeordneter Elektro-

insbesondere ein solches, das durch den Speisestrom motor üblicherweise ohne den Einsatz von Werkzeugen aufgeheizt wird, enthält dieser Vorschlag nicht. 35 nicht zugänglich ist werden in der Praxis selbsttätig

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Mo- rückstellfähige Stromsteuerungseinrichtungen eingetor der eingangs genannten Art zur Verfügung zu ste!- setzt so daß nach Abkühlen der Betätigungseinrichtung len, der unter allen auftretenden Bedingungen, vor allem der Motor wieder anläuft.

auch in einem weiten Umgebungstemperaturbereich, Eine selbsttätig rückstellfähige Stromsteuerungseinunter Ausnutzung seines vollen Drehmomentes betrie- 40 richtung kann schneller abkühlen als die Motorwicklunben werden kann und zugleich vor thermischer Überla- gen, insbesondere dort, wo die Einrichtung durch die stung zuverlässig geschützt ist. Umgebungstemperatur beeinflußt -wird. Bei — 40°C

Ausgehend von einer Schutzeinrichtung mit den kühlt die Einrichtung rasch ab und stellt sich ebenso Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 wird rasch zurück, wodurch es möglich wird, daß die Tempediese Aufgabe erfindungsgemäß durch dessen Kennzei- 45 ratur in den Wicklungen weiter ansteigt. Es ergibt sich chen gelöst. dadurch ein Regelvorgang, der sich nach einigen Schalt-

Erfindungsgemäß wird demnach die Betätigungsein- Wechselspielen dahin einpendeln muß, daß vor dem Hinrichtung zum einen gut wärmeleitend an eine den Spei- tergrund der Einschalt- und damit Aufheizzeit und der sestrom führende Bürste des Motors angeschlossen und Ausschalt- und Abkühlzeit die Wicklung unterhalb der zum anderen durch die Einschaltung in den Speise- 50 zulässigen Maximaltemperatur bleibt.
Stromkreis selbst durch Stromwärme beaufschlagt. Da Mit dem Trend zu kleinen Motoren in Kraftfahrzeu-

die Betätigungseinrichtung dabei derart ausgelegt ist, gen mit 24 V-Batterien ist es notwendig, die Aggregate daß sie unter Berücksichtigung anzusetzender ToIe- bereits bei entsprechend geringen Motorströmen zu ranzgrenzwerte für die Umgebungstemperatur und die schützen. Da die in der Stromsteuerungseinrichtung er-Betriebsspannung nur unter der Summe der Erwärmun- 55 zeugte Wärme proportional dem Quadrat des Stromgen durch den Strom und die Wärmeleitung die Strom- wertes ist, muß bei diesen Motoren mit geringem Besteuereinrichtung betätigt, wird erreicht, Qaß die Betäti- triebsstrom die Empfindlichkeit der Schutzeinrichtung gungseilrichtung durch die Eigenstromwärme zunächst erhöht und deren Wärmespeichorvermögen auf ein Mivorbereitend auf den Schaltzustand hin erwärmt wird, nimum reduziert werden, damit eine dem durch sie hindiesen Sinschakstrom aber ohne die Stromsteuerein- 60 durch fließenden Strom gegenüber ausreichende Emprichtung zu betätigen aufnimmt, bis die Erwärmung der findlichkeit erreicht wird. Eine Verringerung des Wär-Ankerw'icklung gewissermaßen als Rückmeldung eben- merpeichervermögens der Einrichtung trägt zwar zur falls die Betätigungseinrichtung erreicht. Erst dann wird Stromempfindlichkeit bei, beschleunigt aber andererdie StrOmsteu^'i-einrichtung betätigt und der Speise- seits in unangenehmer Weise eine schnelle Abkühlung. Stromkreis unterbrochen. 65 Die Stromsteuerungseinrichtung soll möglichst inten-

Das bedeutet, daß ein derart geschützter Motor siv durch die Temperaturbedingungen innerhalb des durchaus eine kurze Zeit unter seiner Grenzwertbela- Motors beeinflußt werden, um bestmöglichen Schutz stung arbeiten kann, ohne daß die Betätigungseinrich- durch engen Kontakt zu den thermischen Motorver-

hältnissen zu erreichen. Würde die Stromsteuerungseinrichtung weitab liegen, die thermischen Motorverhältnisse also nicht aufnehmen, so würde die Schutzeinrichtung nur auf die Auswertung des Durchgangsstromes angewiesen sein. Da der Motorstrom bei einer Änderung der Umgebungstemperatur von —30⁰C bis +180° C in den Motorwicklungen halbiert wird, vermindert sich die Erwärmung durch den Strom in der Schutzeinrichtung auf ein Viertel. Die Einrichtung könnte danach bei niedriger Umgebungstemperatur und hohem Überlaststrom arbeiten, wenn auch mit rascher Rückstellung; bei Erwärmung des Motors fiele aber der Strom ab, so daß die Einrichtung nicht arbeiten könnte, wenn die Wicklungen den Gefahrenpunkt erreichen.

Die erfindungsgemäß vorgesehene, auf Wärme ansprechende Stromsteuerungseinrichtung ist in einen Stromkreis mit den Motorwicklungen zu diesen in Reihe geschaltet und weist eine auf Wärme ansprechende Betätigungseinrichtung auf, die direkt mit einem Elektroanschluß der Stromsteuerungseinrichtung verbunden ist, der wiederum direkt oder indirekt mit einer in den Motorstromkreis eingeschalteten Bürste verbunden ist, wobei die Temperatur dieser Bürste aufgrund einer guten Wärmeleitung der Betätigungseinrichtung zugeführt wird, so daß dieser von der Bürste stammende Wärmefluß erheblich zur Erwärmung der Stromsteuerungseinrichtung bei Überhitzung des Motors beiträgt. Deshalb kann der Beitrag der Selbsterwärmung der Betätigungseinrichtung aufgrund des durchfließenden Stromes geringer sein. Dadurch wird die Abhängigkeit der Zuverlässigkeit der Schutzeinrichtung in bezug auf eine Betätigung bei Selbsterwärmung durch Stromwärme verringert

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Schutzeinrichtung gestattet es, ihre besonderen Merkmale denen des Motors derart anzupassen, daß letzterer bei niedrigen Temperaturen vollkommen geschützt ist, während er unter normalen Betriebsbedingungen bei hohen Umgebungstemperaturen sein volles Drehmoment entwikkeln kann und infolgedessen ein hoher Strom durch die Wicklungen und die Stromsteuerungseinrichtung fließt, ohne daß letztere betätigt wird.

Die Anpassungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Schutzeinrichtung kann im Rahmen der in den Unteransprüchen enthaltenen bevorzugten Ausführungen noch wesentlich erhöht werden:

So kann die Schutzeinrichtung in einer ersten bevorzugten Ausführungsform als Betätigungseinrichtung einen Bimetall-Schalter-Betätigungsteil aufweisen, sie kann in anderer bevorzugter Ausführung auch einen Widerstand mit einem positiven Temperaturkoeffizienten umfassen. Damit hat man nicht nur eine Anpassungsmöglichkeit über unterschiedliche Charakteristiken dieser Schalterausbildungen, zugleich handelt es sich dabei um solche, die selbsttätig rückstellfähig sind

Der Bimetall-Schalter-Betätigungsteil bzw. der PTC-Widerstand kann direkt an einen Bürstenhalter angeschlossen sein, es kann aber auch ein elektrischer Leiter dazwischengeschaltet sein, der selbst in Abhängigkeit von dem ihn durchsetzenden Strom erwärmt wird und vorzugsweise diese Erwärmung dem Schalter bzw. PTC-Widerstand zuführt Solche elektrischen Leiter können gut wärmeleitende Bleche sein, deren elektrischer Widerstand durch Aussparungen bestimmbar ist Es kann sich dabei aber auch um Dämpfungswicklungen handeln.

In weiterhin bevorzugter Ausführung ist die Bürste selbst über einen gut wärmeleitenden elektrischen Leiter mit dem Anschluß bzw. Teil des Bürstenhalters verbunden, an welchem der Schalter direkt oder über einen der vorgenannten elektrischen Leiter angeschlossen ist. Schließlich lassen sich ein oder mehrere der vorgenannten Teile so anordnen, daß sie mehr oder weniger stark vom Kühlluftstrom des Motors umstrichen werden, wodurch ein weiteres Mal eine Anpassung Platz greift.
Weiterhin wird die Wärmespeicherfähigkeit der Stromsteuerungseinrichtung durch diejenige des Bürstenhalters erhöht. Die Metallteile im Bürstenhalter sind elektrisch nicht kritisch, und daher sind die Teile im Hinblick auf Größe und Material derart gestaltet, daß sie den Charakteristika der Stromsteuerungseinrichtung genügen. Die Bürste selbst kann im Hinblick auf Größe und Widerstandswert verändert werden, um die Stromsteuerungseinrichtung zu ergänzen.

Da die Stromsteuerungseinrichtung in guter thermischer Verbindung mit einer Bürste innerhalb des Motors angeordnet ist, befindet sie sich in besonders engem thermalem Kontakt mit dem größten Teil des Motors, insbesondere den Motorwicklungen. Dies ist von Bedeutung bei der Verlangsamung des thermalen zyklusartigen Ablaufes zwischen Ausschalten und Einschalten des Motors, da dieser als Wärmespeicher wirkt und dem Abkühlen der Stromsteuerungseinrichtung mit dessen geringer Wärmemasse entgegenwirkt. Läuft dieser An- und Abschaltzyklus zu rasch, so kann das mit dem Motor verbundene Getriebe beschädigt werden.

Die Anordnung der Stromsteuerungseinrichtung und der Bürste, ihrer Halterung bzw. der verbindenden Drähte und Leiter im Luftstrom, der durch den umlaufenden Anker entsteht, bewirkt eine Verlangsamung des Temperaturanstieges der Stromsteuerungseinrichtung, wodurch es dem Motor möglich wird, bei hohen Umgebungstemperaturen ein höheres Drehmoment zu entwickeln, bevor die Stromsteuerungseinrichtung zu arbeiten beginnt. Darüber hinaus wird die Geschwindigkeit der Schaltfolge der Stromsteuerungseinrichtung herabgesetzt

Aufgrund der zweiseitigen Erwärmung durch den Stromdurchgang einerseits und Zuleitung von Wärme andererseits kann die erfindungsgemäß ausgestaltete Stromsteuerungseinrichtung eine höhere Betriebstemperatur und auch einen niedrigeren elektrischen Widerstand aufweisen als diejenigen nach dem Stand der Technik für den Schutz ähnlicher Motoren. So kann die Betriebstemperatur beispielsweise 150° C betragen im Gegensatz zu 125⁰C bei bekannten Schutzeinrichtungen. Dies gestattet einen höheren Stromfluß durch die Stromsteuerungseinrichtung und auf diese Weise ein höheres, vom Motor entwickeltes Drehmoment

Da es erfindungsgemäß möglich ist, die besonderen Merkmale der Stromsteuerungseinrichtungen denjenigen des Motors verhältnismäßig eng anzupassen, ist es auch möglich, weniger teueren Draht für die Motorwicklungen zu verwenden, da diese Wicklungen keinen gefährlichen Temperaturen ausgesetzt werden. Darüber hinaus können billigere und weniger starke Getriebe eingesetzt werden, da diese nicht so häufigem Anhalten und Anlaufen unterzogen werden.

In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele wiedergegeben, auf die besonders bezug genommen wird und deren nachfolgende Beschreibung die Erfindung näher erläutert Es zeigt

Fig-1 eine Draufsicht auf einen Dauermagnet-Gleichstrommotor für einen Rückfensterwischer, mit einer Stromsteuerungseinrichtung, die mit einem im Mo-

tor angeordneten Bürstenhalter verbunden ist;

F i g. 2 eine Draufsicht auf eine Stromsteuerungseinrichtung, die mit einem an einem Rahmenteil eines Scheibenwischer-Motors festgelegten Bürstenhalter verbunden ist;

F i g. 3 und 4 Draufsichten auf ein Rahmenteil für einen Scheibenwischer-Motor mit festgelegten Bürstenhaltern, wobei eine Stromsteuerungseinrichtung auf unterschiedliche Weise mit einem Bürstenhalter verbunden ist;

F i g. 5 eine Draufsicht auf eine mit einem Bürstenhalter eines Motors für eine Waschanlagenpumpe verbundene Stromsteuerungseinrichtung;

F i g. 6 eine Seitenansicht eines Festiegerahmens für Bürsten eines Motors, wobei eine Stromsteuerungseinrichtung mit einer Dämpfungsspule verbunden ist;

F i g. 7 eine Draufsicht auf eine Dämpfungsspulenanordnung an einem Festlegerahmen für Bürsten eines Motors, wobei eine Stromsteuerungseinrichtung mit einer Spule verbunden ist;

F i g. 8 eine Draufsicht auf eine Stromsteuerungseinrichtung, die mit einer Dämpfungswicklung verbunden ist, welche an einem Festlegerahmen für Bürsten eines Elektromotors gehalten ist;

F i g. 9 eine Draufsicht auf eine Stromsteuerungseinrichtung, die mit einer Dämpfungswicklung verbunden ist, welche am Festlegerahmen für Bürsten eines Ventilatormotors angeordnet ist;

Fig. 10 eine graphische Darstellung der Temperatur der Motorwicklung in bezug auf die Zeit für verschiedene Anordnungen des Überhitzungsschutzes bei Abdrosseln des Motors;

F i g. 11 eine graphische Darstellung der Temperatur verschiedener Motorteile bzw. -bereiche bei Überlastung in Abhängigkeit von der Zeit;

Fig. 12 eine graphische Darstellung der Temperatur über der Zeit an verschiedenen Punkten in einem Motor in bezug auf zwei verschiedene Ausführungen des Überhitzungsschutzes; und

Fig. 13 eine Vergleichstabelle des erfindungsgemäß maximal erreichbaren Stromes für den Motor nach Fig. 12 und einer Überhitzungsschutzanordnung gemäß dem Stand der Technik.

In F i g. 1 ist ein Motor dargestellt, der als Rückfensterwischer-Motor eingesetzt wird. Dieser Motor weist einen Anker 2 auf, der von einem Dauermagneten 4 umfaßt ist. Zwei einander diametral gegenüberliegende Bürstenhalter 6 führen Bürsten 8, die den Kommutator 10 des Ankers berühren. Der Bürstenhalter 6 weist einen geformten Kuprerteii auf, an dessen einem Ende eine Manschette 12 angeordnet ist, die die Bürste 8 umfaßt

Die Bürste 8 ist durch eine Feder 14 gegen den Kommutator 10 vorgespannt Der Bürstenhalter ist bei 16 zwischen zwei thermisch isolierenden Unterlegscheiben 18 festgelegt Am anderen Ende des Bürstenhalters ist eine Stromsteuerungseinrichtung in Form eines sich automatisch rückstellenden, auf Wärme reagierenden Bimetall-Schnappschalters 20 festgelegt Der Schalter 20, der bei allen hier beschriebenen Ausführungsbeispielen in Einsatz kommt, weist zwei elektrische Anschlußteile 22,24 auf, die in einem Körper aus thermisch isolierendem Kunststoff 26 eingebettet sind, wobei ein Anschluß 24 einen auf Wärme ansprechenden Bimetall-Schnapp-Betätigungsteil 28 festlegt, wie er in der GB-PS 6 57 434 beschrieben ist; dies ist ein im wesentlichen rechteckiges Bimetallblech mit einer mittig angeordneten Zunge, die zwischen zwei äußeren Schenkeln angeordnet ist, deren dem freien Ende der Zunge benachbarte Enden durch einen gesickten Brücken- bzw. Stegteil verbunden sind. Das freie Ende der Zunge trägt einen beweglichen elektrischen Kontakt, und der gesickte Brückenteil ist an den Anschlußteil 24 angeschweißt. Der andere Schalter-Anschlußteil 22 trägt einen ortsfesten elektrischen Kontakt (nicht gezeigt).

Da eine gute und direkte Wärmeleitung zwischen dem Betätigungsteil 28 und dem Bürstenhalter 6 besteht, reagiert der Schalter auf an der Bürste auftretende Wärme und auf bei Überhitzung durch den Schalter fließenden überhöhten Strom. Der Schalter und der Bürstenhalter sind derart angeordnet, daß sie einem kühlenden Luftstrom ausgesetzt sind, der entsteht, wenn der Anker umläuft, wodurch eine zwangsläufige Kühlwirkung hervorgerufen wird. Wenn der Motor überhitzt wird und die Temperatur des Schalters ausreichend hoch ansteigt, um den Motor abzuschalten, dient die Wärmemasse des Motors, nahe dem der Schalter und der Bürstenhalter angeordnet sind, als Wärmereservoir und verlangsamt so die Abkühlung, so daß der Schalter nach einem verhältnismäßig langen Zeitraum wieder neu betätigbar ist.

Fig. 10 gibt einen Anhalt für den Betrieb vorliegender Erfindung, bei abgedrosseltem Motor. Ein Motor und ein Bürstenhalter gemäß F i g. 1 und 2 wurden bei Zimmertemperatur ( + 20⁰C) mit einer 13 V-Versorgung getestet Die Temperatur der Motorwicklungen wurde in Intervallen für drei verschiedene Anordnungen eines Überhitzungsschutzes bei Überlastungszustand gemessen. Der durch Linie 1 gezeigte Zustand bezieht sich auf die Anordnung nach F i g. 1, bei welcher der Anschluß 24 des Schalters direkt am Bürstenhalter festgelegt ist Linie 2 betrifft eine ähnliche Anordnung, bei der jedoch der ortsfeste Anschlußkontakt 22 des elektrischen Schalters direkt am Bürstenhalter festgelegt ist Linie 3 bezieht sich auf einen Schalter, der im Inneren des Motors angeordnet ist, jedoch nicht in unmittelbarem thermischen Kontakt mit dem Bürstenhalter. Der eingesetzte Schalter-Betätigungsteil hatte eine obere Grenzwerttemperatur (Stromkreisunterbrechung) von 151⁰C und eine untere Grenzwerttemperatur (Wiedereinschalten des Stromkreises) von 103⁰C, d. h. ein Unterschied von 48° C.

Aus der Linie 1 ist ersichtlich, daß die erste Unterbrechung des Schalters nach Einschalten des Motors bei 200°C erfolgte, und zwar nach 270SeIc, bei Überlastungszustand. Der Motor kühlte dann 55 Sek. lang ab, bis eine Temperatur erreicht war, bei welcher der Betätigungsteil automatisch zurückgestellt wurde und der Motor neu gestartet wurde. Nach einer Reihe von Zyklen stabilisierte sich der Schalter in einem Zyklus mit einem Unterbrechungszeitraum von 4OSeIc, während dem der Motor eingeschaltet ist und einem Wiederherstellungszeitraum von 160 Sek. während welchem der Motor abgeschaltet ist das sind 18 Zyklen pro Stunde. Diese Größenordnung reicht aus, um das mit dem Motor verbundene Getriebe nicht zu beschädigen. Es ist ersichtlich, daß die Temperatur des Motors zwischen etwa 170⁰C und 23O⁰C hin und her pendelte.

Wie aus Linie 2 hervorgeht — der Bürstenhalter ist mit dem Anschluß 22 verbunden — erfolgte die erste Unterbrechung nach 355 Sek, bei 220° C Daraufhin kühlte der Motor 33 Sek. lang ab, bis die Wiedereinsetzungstemperatur des Betätigungsteils bei einer Motortemperatur von 190⁰C ereicht war. Nach der Stabilisierung lief der Motor mit 25 Schwingungen pro Stunde, und zwar mit einer Unterbrechungsdauer von 28 Sek.

und einer Wiedereinsetzungsdauer von 115 Sek. Dies iiegt klar unter der aus Linie 1 ersichtlichen Anordnung.

Aus Linie 3 geht hervor, daß die erste »Unterbrechung« bei 206⁰C nach 425 Sek. erfolgte, der Motor kühlte dann über einen Zeitraum von 8 Sek. ab, bis der Betätigungsteil zurückgestellt war. Nach seiner Stabilisierung arbeitete der Motor abwechselnd mit einer Unterbrechungszeit von 12 Sek. und einer Wiedereinsetzungszeit von 25 SeIc, wodurch ein Zyklus von 97 Schwingungen pro Stunde auftrat. Dies Iiegt deutlich unter den Linien 1 und 2.

Fig. 11 vermittelt eine Angabe der Temperaturen, die bei Überlastung im Motor entstehen. Aus dieser Figur geht hervor, daß die Temperatur des Bürstenhalters in sehr enger Anlehnung an die Temperatur der Wicklungen ansteigt und daß bei einer maximalen Wicklungstemperatur von 250° C die Temperatur des Bürstenhalters bei etwa 200⁰C Iiegt. Die Lufttemperatur ist weitaus niedriger, sie liegt bei etwa 120° C. Daraus geht hervor, daß durch Verbinden der Stromsteuerungseinrichtung mit dem Bürstenhalter die Einrichtung eine Temperatur aufweist, die näher an die eigentliche Tempratur der Wicklungen herankommt. Wenn die Einrichtung mit dem Bürstenhalter verbunden wird, beeinflussen die bei laufendem Motor vorhandene Kühlluft und die Speicherwärme des Motors die Temperatur der Stromsteuerungseinrichtung, wodurch der zyklische thermische Ablauf des Motors verlangsamt wird. Die Kühlluft setzt auch die Temperaturschwelle herauf, bei der die Einrichtung zu arbeiten beginnt. Diese Faktoren ermöglichen einen viel besseren Schutz des Motors unter verschiedenen Bedingungen, die eintreten können, wenn der Motor ein höheres Drehmoment abgeben soll als in bekannten Einrichtungen.

In der graphischen Darstellung der Fig. 12 ist die Temperatur über der Zeit angegeben, die an verschiedenen Punkten innerhalb eines überlasteten Motors auftritt. Der getestete Motor war ein Scheibenwischer-Motor mit Wicklungen, die einen Temperaturbereich von 240°C aufweisen. Die Darstellung veranschaulicht (Linien »B«) Kurven für den Motor mit erfindungsgemäß ausgebildeter Stromsteuerungseinrichtung und Kurven (Linien »A«) für den Einsatz einer Stromsteuerungseinrichtung nach dem vorbeschriebenen Stand der Technik, d. h. diese Einrichtung ist nicht mit einem Teil des Motors thermisch verbunden.

Die eingesetzte Stromsteuerungseinrichtung ist ähnlich dem Schalter gemäß F i g. 1 und hat eine Unterbrechungstemperatur von 151'/2°C sowie eine Wiedereinsetzungstemperatur von 112'/2⁰C, d.h. es besteht ein Unterschied von 39°C Die Linien IA und ISzeigen die Temperatur der Wicklungen für die beiden unterschiedlichen Anordnungen des Überhitzungsschutzes. Die maximale zuzugestehende Wicklungstemperatur liegt bei ungefähr 240°C; aus Linie 1/4 geht hervor, daß;diese Temperatur bei Ausbildung der Stromsteuerungseinrichtung in bekannter Weise ohne thermische Verbindung mit irgendeinem Teil des Motors tatsächlich erreicht wird. Somit ist der Motor bei dieser Anordnung nicht gegen ein Überhitzen geschützt Bezüglich der Stromsteuerungseinrichtung, die thermisch mit dem Motor verbunden angeordnet ist, zeigt die Linie XB, daß die Temperatur der Wicklung nach 220 Sek. auf etwa 201⁰C ansteigt, bei welchem Punkt die Stromsteuerungseinrichtung betätigt wird. Daraufhin sinkt die Temperatur der Wicklung in etwa 60 Sek. auf 135°C ab. Bei diesem Punkt setzt der Betätigungsteil der Stromsteuerungseinrichtung wieder ein, und die Temperatur in den Wicklungen steigt in etwa 30 Sek. auf etwa ISO⁰C. Nach einer Reihe von Zyklen stabilisiert sich der Schalter in einem Zyklus mit einer Schwingungsfrequenz von 0,6 pro Minute.

Die Linien 2A und 2B veranschaulichen die Temperatur des Bürstenhalters für zwei unterschiedliche Uberhitzungsschutzvorrichtungen. Es ist ersichtlich, daß die Temperatur des Bürstenhalters eng derjenigen der Wicklungen jeder Überhitzungsschutzvorrichtung folgt.

Während des thermischen periodischen Betriebsverhaltens des Motors beträgt die Temperatur des Bürstenhalters etwa durchschnittlich 25° C weniger als die Temperatur der Wicklungen. Die Lufttemperatur innerhalb des Motorgehäuses ist durch die Linien 3>4 und 3ß angegeben, die Temperatur während des thermischen Zyklus ist etwa 90° C

Es wurde herausgefunden, daß es für den Schutz eines derartigen Motors — insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen (-30⁰C) — mit der bekannten Anordnung einer nicht thermisch mit dem Bürstenhalter verbundenen Stromsteuerungseinrichtung notwendig ist, eine Stromsteuerungseinrichtung einzusetzen, die eine Schalterunterbrechungstemperatur von 130⁰C hat, und mit einem Bimetall-Materia- iiohen elektrischen Widerstandes versehen ist, um eine ausreiche-'*- Selbsterwärmung im Betätigungsteil zu erzeugen, tine derartige Schutzvorrichtung arbeitet bei einer viel niidrigeren Motorwicklungs-Temperatur, und zwar niedriger als 90° C, und zwar bei normalen Umgebungstempe- raturen von -f 20° C unter Abdrosselungsbedingungen.

Dies heißt, daß der Motor nur ein wesentlich niedrigeres Drehmoment erreichen konnte. Die Schwingungsfrequenz war stark angestiegen und lag bei etwa drei Schwingungen pro Minute.

F i g. 13 zeigt eine Tabelle, aus welcher die Verbesserung der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik hervorgeht. Im Hinblick auf den Motor gemäß Fi g. 12, der mit einem 125°C-Schalter aus einem Material mit einem hohen elektrischen Widerstand geschützt ist, wel eher kei.ie thermische Verbindung mit dem Bürstenhal ter hat, ist ersichtlich, daß der maximal durch die Wicklungen fließende Strom vor Betätigung des Schalters von 82% des bei Drosselung auftretenden Stromes für niedrige Umgebungstemperaturen bis zu 33% dieses Abbremsstromes für hohe Umgebungstemperaturen variiert. Bei einer Einrichtung mit einer Betriebstemperatur von 150⁰C und aus einem Material mit niedrigerem elektrischen Widerstand, die erfindungsgemäß mit einem Bürstenhalter verbunden ist, liegt der Maximal strom weit höher, und es geht aus der Tabelle hervor, daß bei hohen Umgebungstemperaturen der Prozentsatz des Abbremsstromes 74% beträgt und bei niedrigen Umgebungstemperaturen 147%. Das zweite Ausführungsbeispiel ist in F i g. 2 darge stellt Hier ist als Draufsicht ein Kunststoff-Festlegerah men für einen Scheibenwischer-Motor gezeigt An dem Rahmen 30 sind drei Messing-Bürstenhalter 32 festgelegt Ein im allgemeinen dem in F i g. 1 gezeigten Schalter ähnlicher Schalter 34 weist einen Anschluß auf, an welchem der Schalter-Betätigungsteil 36 festgelegt ist, der direkt mit einem Bürstenhalter 32 in Verbindung steht, um eine gute und direkte Wärmeleitung zwischen dem Teil 36 und dem Bürstenhalter 32 zur Verfügung zu stellen.

Bürsten 38 sind in Bürstenhaltern 32 angeordnet und durch Kupfer-Nebenschlußdrähte 40 — zum Beispiel in Form von verdrillten oder geflochtenen, gegebenenfalls umsponnenen Kupferlitzen — zusätzlich mit den Bür-

ti

stenhaltern elektrisch verbunden. Die Nebenschlußdrähte 40 bilden einen Teil der Bürstenhalter und sorgen für eine direkte Wärmeleitungsstrecke zwischen Bürste und Schalter 34.

im Gegensatz zu der in F i g. 1 gezeigten Anordnung ist der Schalter-Betätigungsteil nicht in einer Abdekkung umfaßt und ist in wirksamerer Weise der Kühlwirkung des durch den umlaufenden Anker verursachten Luftstromes ausgesetzt.

In der in F i g. 3 für einen Scheibenwischer-Motor ge- ίο zeigten Anordnung ist ein Kunststoffrahmen 41 vorgesehen. Ein Schalter 42, ähnlich dem der F i g. 1 und 2, ist am Bürstenhalter 44 durch einen elektrischen Leiter festgelegt, der einen Kupferstreifen 46 mit einem Abschnitt 48 kleineren Querschnitts aufweist.

Der Streifen 48 reagiert als Teil des Motors in einer Stromflußstrecke aufgrund seiner Abmessungen auf ein Überhitzen des Motors durch entsprechend empfindliche Änderung seiner Temperatur. Die Bürstenhalter 44 weisen Kunststoff-Seitenteile und ein Messing-Oberteil 49 auf. Der Streifen 46 mit verringertem Querschnitt u:H der Schalter sind derart angeordnet, daß sie der kühlenden Wirkung des Luftstromes, der sich durch den umlaufenden Anker ergibt, ausgesetzt sind.

Die in Fig.4 dargestellte Anordnung ist für einen Scheibenwischer-Motor bestimmt und ist der in F i g. 3 dargestellten Anordnung sehr ähnlich. Bei dieser Anordnung ist jedoch der Schalter 32 direkt am Messing-Oberteil 49 des am Rahmen 50 festgelegten Bürstenhalters 54 festgelegt und ist direkt mit dem Nebenschlußdraht 55 verbunden. Bei dieser Anordnung entsteht ein unmittelbarer Wärmefluß von der Bürste zum Schalter, die Kühlwirkung des Luftstromes ist jedoch nicht so groß.

In F i g. 5 ist ein Rahmen 60 gezeigt, an dem zwei längliche Messingstreifen 62 festgelegt sind, welche die Bürstenhalter bilden und an deren Enden Bürsten 64 vorgesehen sind. Die Anordnung ist für den Motor einer Waschanlagenpumpe bestimmt. Ein Schalter 66, ähnlich dem Schalter gemäß Fig. 1, weist einen Anschluß auf, mit dem der auf Wärme ansprechende Betätigungsteil verbunden ist, der direkt an einem Ende eines Messing-Bürstenhalters 62 festgelegt ist, der andere Anschluß des Schalters ist direkt mit einem Anschluß 68 des Motors verbunden.

In F i g. 6 ist eine Anordnung veranschaulicht, bei welcher der Schalter 70 (ähnlich dem Schalter nach F i g. 1) seine Wärme von einer Dämpfungswicklung 72 abgeleitet erhält, die zwischen dem Schalter 70 und einer Bürste 74 in Reihe geschaltet ist. Der Anschluß des Schalters 70, mit welchem der Schalter-Betätigungsteil verbunden ist, ist direkt an ein Ende der Wicklung 72 angeschlossen. Die Bürste 74 ist in einem Kunststoff-Bürstenhalter 76 festgelegt und mit einem Anschluß 77 durch eine Kupferlitze verbunden, wobei die Wicklung 72 ebenfalls mit dem Anschluß 77 verbunden ist Wenn der Anker läuft, verringert sich die Erwärmung der Spule 72 durch die kühlenden Luftströme. Bei abgedrosseltem Motor wird jedoch die in der Spule 72 erzeugte Wärme zum Anschluß des Schalters 70 geleitet, und es erfolgt zugleich eine Abstrahlung und Konvektion von Wärme direkt zum Schalter, da letzterer nahe der Wicklung angeordnet ist

Bei der in F i g. 7 für einen flachen Motor veranschaulichten Anordnung weist ein Rahmen 80 für Bürsten 82 Kunststoff-Bürstenhalter 84 auf, von denen jeder mit einem Messingeinsatz als Oberteil versehen ist Strom wird über Anschlüsse 87 durch Kupferlitzen 86 zu den Bürsten geleitet. An der Unterseite des Rahmens, gegenüber den Bürstenhaltern sind zwei Dämpfungswicklungen 88 vorgesehen, durch welche der Strom zu den Bürsten geleitet wird. Die Spulen sind mit den Bürstenhalter-Anschlüssen verbunden, und das andere Ende einer Wicklung ist an den Anschluß eines Schalters 89 (als Endahsicht dargestellt und ähnlich dem Schalter der F i g. 1 ausgebildet) angeschlossen, mit dem der auf Wärme ansprechende Betätigungsteil direkt verbunden ist

Bei dieser Anordnung leitet der Schalter seine Wärme hauptsächlich von der in der Dämpfungswicklung erzeugten Wärme ab.

Bei der in F i g, 8 gezeigten Anordnung sind an einem Kunststoffrahmen 90 Messingmanschetten 92 festgelegt, und ein Schalter 94 (ähnlich dem der Fig. 1) ist zwischen einem Bürstenhalter 92 und einer Dämpfungswicklung 96, die über dem Schalter 94 liegt, in Reihe geschaltet. Auf diese Weise wird vom Bürstenhalter und auch von der Dämpfungswicklung 96 direkt Wärme zum Schalter 94 geleitet Der Anschluß 98 des Betätigungsteiles des Schalters ist mit dem Bürstenhalter 94 verbunden.

Bei der in F i g. 9 veranschaulichten Anordnung weist ein Kunststoffrahmen 100 für einen Ventilator-Kunststoff-Bürstenhalter 102 und Dämpfungsspulen 104 auf, wobei ein Ende jeder Spule mit einem Anschluß 106 verbunden ist, von welchem eine Kupferlitze 108 Strom zur Bürste leitet. Das andere Ende einer Spule 104 ist mit einem Anschluß eines Schalters 110 (ähnlich dem Schalter nach Fig. 1) verbunden, welcher derart angeordnet ist, daß er df*m Luftstrom des umlaufenden Ankers 112 und dem über dem Motor vorhandenen Luftstrom, der durch den vom Motor getriebenen Ventilator erzeugt wird, ausgesetzt ist.

Der andere Anschluß des Schalters, an welchem der Schalter-Betätigungsteil festgelegt ist, ist direkt mit einem elektrischen Anschluß 114 verbunden. Der Anschluß 114 ist so bemessen, daß seine Temperatur einem Überhitzen des Motors gegenüber empfindlich ist, um durch Erwärmung zur Betätigung des Schalters beizutragen.

In allen vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen kann der Bimetall-Schnappschalter durch eine PTC-Vorrichtung ersetzt werden.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Schutzeinrichtung gegen Wärmeüberlastung eines thermisch hoch belastbaren Elektrokleinmotors mit einem Stator aus dauermagnetischem Werkstoff, die eine in einen Stromkreis mit den Ankerwicklungen eingeschaltete Sitromsteuerungseinrichtung und eine auf die Erwärmung des Ankers ansprechende Betätigungseinrichtung aufweist, gekennzeichne t d u r c h die Kombination folgender Merkmale: