DE3534500A1 - Ueberlastschutz fuer vorwiderstaende von elektromotoren, insbesondere von elektromotorisch angetriebenen lueftergeblaesen von fahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Überlastschutz für Vorwiderstände von Elektromotoren, insbesondere von elektromotorisch angetriebenen Lüftergebläsen von Fahrzeugen nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Zur Zwangsbelüftung von Brennkraftmaschinenräumen bzw. -kühlern und Fahrgastzellen von Fahrzeugen werden in zunehmendem Maße elektromotorisch angetriebene Lüfter verwendet, nicht zuletzt, weil sie sich relativ leicht steuern lassen und wenig Antriebsenergie benötigen. Somit läßt sich der Wärmehaushalt von Brennkraftmaschinen gezielt regeln und die Temperatur bzw. der Luftdurchsatz in der Fahrgastzelle bedarfsgerecht anpassen.

Insbesondere aus Gründen der Lärmemission besteht jedoch häufig der Wunsch, in Zeiten verminderten Luftbedarfs die Drehzahl der Lüftergebläse zu vermindern. Dazu werden in der Regel Vorwiderstände eingesetzt, mit denen sich eine ein- bzw. mehrstufige, oder im Falle kontinuierlich veränderbarer Vorwiderstände, eine kontinuierliche Drehzahlreduzierung erreichen läßt.

Die Vorwiderstände sind prinzipbedingt niederohmig auslgelegt und müssen einer erheblichen thermischen Belastung standhalten. Im Falle einer Blockierung des Lüftergebläses, z. B. durch Eindringen von Fremdkörpern in ihren Arbeitsbereich oder durch Kurzschluß am oder im Elektromotor, kann es jedoch zu einer übermäßigen Erwärmung und damit evtl. zu einer Zerstörung des Vorwiderstands kommen, ohne daß eine Sicherung in der Stromzuführung zum Lüftergebläse anspricht, da ja der fließende Überstrom durch den Vorwiderstand teilweise begrenzt ist. Zur Lösung dieses Problems werden üblicherweise entweder die Vorwiderstände überdimensioniert oder sie werden mittels eines Thermoschalters überwacht und von der Stromzuführung getrennt.

Nachteilig an der ersten Lösung sind erhebliche Mehrkosten sowie Unterbringungs- und Wärmeabfuhrprobleme. Die zweite Lösung ist ebenfalls kostenintensiv; nachteilig ist zusätzlich ein sehr schwer zu erreichender ausreichender Wärmeübergang vom Widerstand zum Thermoschalter, da beide Teile zumindest bereichsweise elektrisch voneinander isoliert sein müssen, was wiederum einen schlechten Wärmeübergang impliziert.

Aus der DE-PS 5 58 872 geht eine Schutzeinrichtung für Anlaßwiderstände von Motoren gegen Überlastung hervor. In dieser bekannten Schaltung ist ebenfalls eine relaisgesteuerte Überbrückung des Widerstands vorgesehen. Die Überbrückung dient jedoch nicht dem Schutz des Widerstands bei Blockieren des Motors, sondern zum Herausnehmen dieses anlaufstrombegrenzenden Widerstandes aus dem Stromkreis des Motors nach erfolgtem Anlauf. Der Anlaßwiderstand wird somit bei stehendem (blockiertem) Motor nicht überbrückt, sondern im Gegensatz dazu zugeschaltet. Da seine Funktion jedoch von der eines drehzahlreduzierenden Vorwiderstands gänzlich verschieden ist, ist er nebenbei auch vollkommen anders zu dimensionieren. Zum Schutz dieses Anlaufwiderstands ist nun, direkt in Reihe zu ihm, eine träge Sicherung innerhalb der Überbrückungsschaltung vorgesehen. Nachteilig an dieser Schaltung ist sowohl, daß eine zusätzliche Sicherung notwendig ist, als auch, daß deren Einbauort mit dem Ort des Anlaufwiderstands bzw. seiner Überbrückungsschaltung festgelegt ist. Von Nachteil ist ferner, daß bei einmalig angesprochener Sicherung die Schaltung nicht mehr funktionsfähig ist, da einfachere Blockiervorgänge, die sich durch erhöhtes Anlaufmoment beseitigen ließen, damit nicht gelöst werden können (die Anlaßschaltung wird bei Hochlauf aus dem Stillstand immer in Betrieb gesetzt).

Mit der DE-OS 27 36 724 ist eine Schutzschaltung für einen Gleichstrommotor bekannt geworden. Diese sieht einen in Reihe zum Motor liegenden Serienwiderstand vor. Der an diesen Serienwiderstand abfallende, dem Motorstrom proportionale Spannungsabfall wird überwacht. Übersteigt dieser einen Grenzwert, so wird über ein Zeitverzögerungsglied ein Abschaltsignal an einen in Reihe zum Motor liegenden Schaltkontakt angegeben.

Der darin genannte Serienwiderstand dient somit reinen Meßzwecken und ist für die Strombegrenzung zur Drehzahlreduzierung nicht geeignet. Eine an diesen angeschlossene Elektronik überwacht somit den Motor und nicht einen Vorwiderstand. Aus diesem Grumde ist er auch völlig anders zu dimensionieren; wegen der Eigentümlichkeit der Schaltung ist er ferner kurzschlußfest auszulegen. Zur Drehzahlreduzierung wäre also ein weiterer Vorwiderstand einzusetzen, der unter Umständen mit einer getrennten Vorrichtung überwacht werden müßte.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Überlastschutz für Vorwiderstände von Elektromotoren, insbesondere für elektromotorisch angetriebene Lüftergebläse von Fahrzeugen mit einem oder mehreren Vorwiderständen zur Drehzahlreduzierung zu schaffen, der die erwähnten Nachteile elektrothermischer Überlastschutzvorrichtungen vermeidet, eine erhöhte Belastung an wenigstens einem dieser Vorwiderstände erkennt und diese vor Überlastung oder Zerstörung sicher schützt.

Die Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Mitteln des Anspruchs 1 gelöst. Weitere, die Erfindung in vorteilhafter Weise ausgestaltende Merkmale sind in den Unteransprüchen enthalten.

Die Vorteile der Erfindung sind in erster Linie darin zu sehen, daß ein Überlastschutz für Vorwiderstände von Elektromotoren, insbesondere von elektromotorisch angetriebenen Lüftergebläsen eines Fahrzeugs geschaffen ist, der eine auftretene Überlastung an Vorwiderständen, die beispielsweise durch eine Blockierung des Lüfters hervorgerufen ist, erkennt und die Vorwiderstände sicher schützt. Dies wird mit einfachen und kostengünstigen Mitteln erreicht; die dazu notwendigen Bauelemente beanspruchen wenig Raum, sind problemlos in einem Lüftersteuergerät unterbringbar und benötigen keinen zusätzlichen Verdrahtungsaufwand.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Beispielen näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild für ein zweistufiges, elektromotorisches Lüftergebläse mit Überwachung eines Vorwiderstands durch einen Thermoschalter nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 ein Beispiel nach Fig. 1, jedoch mit einer elektronischen Überwachung des Vorwiderstands nach der Erfindung,

Fig. 3 ein Beispiel nach Fig. 2, jedoch mit einem zusätzlichen Zeitverzögerungsglied.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Stromversorgungskreis eines elektromotorisch angetriebenen Lüftergebläses 2 nach dem Stand der Technik gezeigt, das über einen Zündschalter 3 und Fahrzeugmasse 4 mit einer Fahrzeugbatterie 5 verbunden ist. Der Stromversorgungskreis 1 ist über eine Sicherung 6 abgesichert; die Sicherung 6 ist so dimensioniert, daß sie den höchstmöglichen Anlaufstrom IMA eines Elektromotors 7 des elektromotorisch angetriebenen Lüftergebläses 2 kurzzeitig und mindestens den maximal zulässigen Nennstrom IMN des Elektromotors 7 dauernd zuläßt, ohne anzusprechen.

Der Elektromotor 7 ist mit seiner einen Anschlußklemme mit Fahrzeugmasse 4 verbunden und kann mit seiner anderen Anschlußklemme, jeweils über die Sicherung 6, entweder über einen Schließerkontakt 8 eines ersten Relais 9 (Gebläsestufe I) in Reihe mit einem Vorwiderstand R 1 oder über einen Schließerkontakt 10 eines zweiten Relais 11 (Gebläsestufe II) direkt mit Betriebsstrom versorgt werden.

Der Vorwiderstand R 1 ist zur Temperaturüberwachung mit einem Thermoschalter 12 versehen, der einen Schließerkontakt 13 in der Stromzu- bzw. ableitung des Vorwiderstands R 1 betätigt und mit diesem in der Regel in einem gemeinsamen Gehäuse 14 untergebracht ist. Vorwiderstand R 1 und Thermoschalter 12 sollten dabei in möglichst guter, wärmeleitender Verbindung stehen.

Ansteuerleitungen 15, 16 des ersten und zweiten Relais 9, 11 (erste und zweite Gebläsestufe) können hierbei entweder direkt über zwei, bei unterschiedlichen Temperaturgrenzwerten eines Kühlmediums auslösenden Thermoschaltern oder über eine Temperatursteuerlogik auch von einem einzigen Thermofühler und/oder anderen motor- oder fahrzeugspezifischen Parametern angesteuert werden (nicht gezeigt).

Fig. 2 zeigt nun, wie der Vorwiderstand 1 besser bzw. effektiver gegen Überlast geschützt werden kann. Ein Spannungsabfall UR 1 am Widerstand R 1 kann als Maß für die an ihm anfallende Verlustleistung herangezogen werden; ebenso kann dies mittels eines Spannungsabfalls UM am Elektromotor 7 erfolgen, der sich ja aus der Differenz der am Vorwiderstand R 1 und am Elektromotor 7 abfallenden Gesamtspannung UM + UR 1 und dem Spannungsabfall UR 1 am Vorwiderstand R 1 ergibt; hierdurch vereinfacht sich die Schaltung weiter. Der Spannungsabfall UM am Elektromotor 7 wird über einen Widerstand R 2 in einen invertierenden Komparator 17 eingekoppelt und von diesem mit einem Referenzwert verglichen, der über einen Spannungsteiler R 3, R 4 aus der am Vorwiderstand R 1 und am Elektromotor 7 abfallenden Gesamtspannung UM + UR 1 gewonnen wird und gleichzeitig als Betriebsspannung für den Komparator 17 dient; somit werden Spannungsschwankungen der Batterie 5 ausgeglichen. Der Referenzwert wird über einen Widerstand R 5 in den Komparator eingekoppelt. Der Ausgang des Komparators 17 ist mit dem zweiten Relais 11 verbunden.

Ist die Gebläsestufe I angesteuert (Relais 9 angezogen), so fließt der Strom aus der Batterie 5 über den Zündschalter 3, die Sicherung 6, den Schließerkontakt 8 und den Widerstand R 1 zum Elektromotor 7 und von dort über die Fahrzeugmasse 4 auf die Batterie zurück. Im normalen Nennbetrieb der Gebläsestufe I ist an den Motoranschlüssen außer einem Wicklungswiderstand bekanntlich die sogenannte elektromotorische Kraft wirksam, die (drehzahlabhängig) der an den Anschlüssen angelegten Betriebsspannung UM entgegenwirkt und so den Innenwiderstand des Elektromotors virtuell erhöht. Aufgrund dessen ist der Spannungsabfall am Vorwiderstand R 1 auch relativ gering, solange der Motor läuft. Ein Beispiel dazu ist der untenstehenden Tabelle zu entnehmen, darin ist: Stromaufnahme IM des Motors 7 in Ampère (A), Spannungsabfall UM am Motor 7 in Volt (V), Spannungsabfall UR 1 am Vorwiderstand R 1 in Volt (V), Verlustleistung PR 1 am Vorwiderstand R 1 in Watt (W).

Tabelle

Tritt nun aus irgendeinem Grund eine Blockierung des Lüfters in der Lüfterstufe I auf, so ist die elektromotorische Kraft gleich Null; an den Anschlüssen des Elektromotors 7 ist somit nur noch der (sehr kleine) Wicklungswiderstand wirksam. Der aufgenommene Strom IMB 1 (Blockierstrom) wächst stark an, am Vorwiderstand R 1 fällt nahezu die gesamte Betriebsspannung ab; die Verlustleistung PR 1 am Vorwiderstand R 1 wächst stark an und kann ihn in einem derartigen Maß erwärmen, daß er zerstört wird.

Wie nun der Tabelle zu entnehmen ist, ist der aufgenommene Strom IM aber immer noch niedriger als in einem Nennbetrieb der Lüfterstufe II, so daß die Sicherung 6 nicht anspricht.

In Fig. 2 wird der Spannungsabfall UM am Elektromotor 7 jedoch permanent überwacht. Fällt er unter den durch die Widerstände R 3, R 4 eingestellten Referenzwert ab, so steuert der invertierende Komparator 17 über das Relais 11 die Lüfterstufe 2 an; der Vorwiderstand R 1 wird somit überbrückt. Durch den dann fließenden höheren und nicht durch den Vorwiderstand begrenzten Strom IMA (Anlaufstrom!) wird ein erhöhtes Anlaufmoment im Elektromotor 7 erzeugt, das in manchen Fällen eine Blockierung lösen kann. Nach erfolgtem Anlauf steigt der Spannungsabfall UM wieder an, so daß das Relais 11 wieder abfällt und der Elektromotor 7 wieder über den Vorwiderstand R 1 läuft. Bleibt die Blockierung (Blockierstrom IMB 2) jedoch bestehen oder liegt ein Kurzschluß im Stromversorgungskreis vor, so löst die Sicherung 6 aus; Vorwiderstand und sonstige Teile der Schaltung sind somit wirkungsvoll geschützt.

Das Relais 11 kann sowohl direkt an den Komparator angeschlossen werden, wobei der negative Eingang in diesem Falle mit dem Widerstand R 2 und der positive mit dem Widerstand R 5 verbunden ist, als auch über eine Zeitverzögerungsschaltung 18 und einen Treibertransistor T in einer sogenannten active-pulldown- Schaltung; dabei ist allerdings der positive Eingang mit dem Widerstand R 2 und der negative mit dem Widerstand R 5 zu verbinden, (bei nicht invertierenden Komparatoren sind die Vorzeichen entsprechend umzudrehen), siehe Fig. 3. Die Zeitverzögerungsschaltung besteht im einfachsten Fall aus einem R-C-Glied R 6, C 1, die active-pull-down-Schaltung aus dem Transistor T und dem Pull-down-Widerstand R 7.

Die Funktion erklärt sich hierbei wie folgt: Erscheint am Ausgang des invertierenden Komparators ein High-Signal (Spannungsabfall am Motor UM fällt unter den Referenzwert), so wird der Kondensator C 1 über den Widerstand R 6 aufgeladen. Übersteigt die am Kondensator C 1 abfallende Spannung die für ein Leitendwerden des Treibertransistors T notwendige Basis- Emitter-Spannung, so wird dieser leitend und zieht das auf positivem Potential liegende Potential der Ansteuerleitung 16 auf annähernd Fahrzeugmasse herunter, so daß das Relais 11 anzieht. Die durch das R-C-Glied R 6, C 1 bewirkte Zeitverzögerung ist so bemessen, daß das zweite Relais 11 erst dann anspricht, wenn der Spannungsabfall am Motor UM den Referenzwert über ein bestimmtes Zeitintervall hinaus unterschreitet, und erst dann wieder abfällt, wenn ein zweites Zeitintervall überschritten ist, das zum Anlauf bzw. zum Lösen der Blockierung und zu einem anschließenden Hochlauf des Elektromotors 7 ausreicht. Ansprech- und Abfallzeit des zweiten Relais 11 können zusätzlich unterschiedlich gewählt werden, wenn zwischen Komparator 17 und Widerstand R 6 zusätzliche eine Diode D 1 in Flußrichtung, und parallel zum Widerstand R 6 und der ersten Diode D 1, eine Reihenschaltung aus einem weiteren Widerstand R 8 und einer in Sperrichtung gepolten Diode D 2 geschaltet ist.

Zu bemerken ist ferner, daß die Überwachungsschaltung für den Vorwiderstand problemlos in ein Steuergerät bzw. Relaisgehäuse an zentraler Stelle (Zentralelektrik) im Fahrzeug unterbringbar ist. Besondere Leitungen (Meßleitungen) zum Motor bzw. Vorwiderstand müssen nicht verlegt werden, da die Ausgangsleitungen von den Schließerkontakten 8, 10 der Relais 9, 11 bereits zu den entsprechenden Meßpunkten hinführen. Die Überwachungsschaltung ist somit äußerst einfach im Aufbau und daher hervorragend zur Nachrüstung geeignet.

Claims (8)

1. Überlastschutz für Vorwiderstände von Elektromotoren, insbesondere von elektromotorisch angetriebenen Lüftergebläsen eines Fahrzeugs, in deren Stromversorgungskreis eine auf maximale Betriebsstrombelastung ausgelegte Sicherung und zur Drehzahlreduzierung ein oder mehrere Vorwiderstände geschaltet sind, wobei die Vorwiderstände zur Ansteuerung von verschiedenen Drehzahlstufen (Gebläsestufe I und II) durch Relais zuschaltbar bzw. überbrückbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei Auftreten einer erhöhten Verlustleistung (PR 1) an wenigstens einem dieser Vorwiderstände (R 1) eine Drehzahlstufe (Gebläsestufe II) mit voller Leistung angesteuert wird.

2. Überlastschutz für Vorwiderstände von Elektromotoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Ansteuerung der Drehzahlstufe mit voller Leistung (Gebläsestufe II) entweder eine, die erhöhte Verlustleistung (PR 1) verursachende Lüfterblockierung infolge eines erhöhten Anlaufmoments des Elektromotors (7) selbsttätig gelöst oder die Sicherung durch einen Blockierstrom (IMB 2) des Elektromotors (7) ausgelöst wird.

3. Überlastschutz für Vorwiderstände von Elektromotoren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Maß für die Verlustleistung (PR 1) ein Spannungsabfall (UM) am Elektromotor (7) herangezogen wird.

4. Überlastschutz für Vorwiderstände von Elektromotoren, insbesondere für elektromotorisch angetriebene Lüftergebläse von Fahrzeugen, in deren Stromversorgungskreis eine Sicherung angeordnet ist, wobei das elektromotorisch angetriebene Lüftergebläse über ein erstes Relais (Gebläsestufe I), in Reihe mit einem Vorwiderstand, und über ein zweites Relais (Gebläsestufe II) direkt in den Stromversorgungskreis geschaltet werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Komparators ein Spannungsabfall (UM) am Elektromotor (7) mit einem Referenzwert verglichen und, bei Unterschreiten des Referenzwertes, das zweite Relais (11) durch den Komparator (17) angesteuert wird.

5. Überlastschutz für Vorwiderstände von Elektromotoren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine am Vorwiderstand (R 1) und dem elektromotorisch angetriebenen Lüftergebläse (2) abfallende Gesamtspannung (UM + UR 1) zur Stromversorgung des Komparators (17) dient und der Referenzwert durch einen Spannungsteiler (R 3, R 4) aus dieser Spannung abgeleitet wird.

6. Überlastschutz für Vorwiderstände von Elektromotoren nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherung (6) so ausgelegt ist, daß sie einen kurzfristig auftretenden erhöhten Anlaufstrom (IMA) des Lüftergebläses (2) ohne Ansprechen sicher beherrscht.

7. Überlastschutz für Vorwiderstände von Elektromotoren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in eine Ansteuerleitung zwischen dem Komparator (17) und dem zweiten Relais (11) eine Zeitverzögerungsschaltung (12), vorzugsweise R-C-Glied (R 6, C 1 bzw. R 6, D 1, R 8, D 2, C 1) geschaltet ist, dessen Zeitverzögerung so bemessen ist, daß das zweite Relais (11) erst dann anspricht, wenn der Spannungsabfall (UM) den Referenzwert über ein zu einem Anlauf des Elektromotors (7) ausreichendes erstes Zeitintervall hinaus unterschreitet und erst dann wieder abfällt, wenn eine Blockierung gelöst und der Elektromotor (7) angelaufen ist oder die Sicherung (6) angesprochen hat.

8. Überlastschutz für Vorwiderstände nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und/oder zweite Relais (9, 11) als elektronisches, mit einem Überlastschutz versehenes Relais ausgeführt ist.