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Diese Erfindung bezieht sich auf die Begrenzung eines übermäßigen
Ankerstromes in einem elektrischen Motor mit gewickeltem Anker und insbesondere auf solch
eine Begrenzung durch Polymer-PTC- (positiver Temperaturkoeffizient-) Elemente, die
in Reihe mit dem Motoranker angeordnet sind, um den Ankerstrom zu übertragen.
Das Material solcher Polymer-PTC-Elemente besitzt einen Widerstand unterhalb einer
Auslösetemperatur, der ausreichend niedrig ist, um nicht signifikant den Ankerstrom
zu beeinflussen, wobei der Widerstand scharf und in außerordentlichem Maße oberhalb
der Auslösetemperatur ansteigt.
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Polymer-PTC-Materialien, die einen Kaltwiderstand in der Größenordnung von 0,5
Ohm oder weniger und eine sehr scharfe Widerstandsänderung bei der
Auslösetemperatur aufweisen können, sind geeigneter als andere PTC-Materialien, so wie
Bariumtitanat (wie zum Beispiel in US-Patent No. 3886401 dargestellt), zur Verwendung direkt
in Reihe mit einem Motoranker, da sie einen vergleichsweise niedrigen Spannungsabfall
und Verlustleistung besitzen. Das Material wird direkt durch den Ankerstrom da
hindurch erwärmt und löst aus, wenn die durch den Ankerstrom erzeugte Wärme einen
Anstieg von dessen Temperatur auf die Auslösetemperatur veranlaßt. Jedoch hängt
die Auslösezeit für einen übermäßigen Ankerstrom, da die Auslösetemperatur im
wesentlichen konstant ist, von der Starttemperatur des PTC-Materials ab. Solch eine
Starttemperatur ist gewöhnlich die Umgebungstemperatur, die in einigen
Umgebungen, so wie in Motorfahrzeugen, stark variieren kann.
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Die Auslösezeit, die dem Einsetzen eines übermäßigen Ankerstromes folgt, muß bei
niedrigen Umgebungstemperaturen kurz genug sein, um einen Anstieg im Widerstand
zum Schutz des Motor rechtzeitig zu gestatten. Jedoch muß die Auslösezeit bei hohen
Umgebungstemperaturen ausreichend lang sein, um ein störendes Auslösen bei kurzen
vorübergehenden Überlastströmen, die den Motor nicht schädigen, zu verhindern. Das
Problem wird in Figur 3 veranschaulicht, die die Veränderung des Widerstandes mit der
Zeit für ein einzelnes, typisches, herkömmliches Polymer-PTC-Element zeigt, das einen
übermäßigen Motorankerstrom überträgt. Man kann erkennen, daß die Auslösezeit
invers mit der Umgebungstemperatur äußerst variabel ist. Es ist wünschenswert, diese
Variabilität zu reduzieren.
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US-A-3 673 538 legt eine Ankerstromregelungsschaltung unter Verwendung eines
Paares von PTC-Elementen, wie in dem Oberbegriff von Anspruch 1, dar.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist, eine Ankerstromregelungsschaltung für
einen Elektromotor mit einer Schutzvorrichtung zu schaffen, die einen Ankerstrom bei
einer übermäßigen Temperatur begrenzt, in welcher die Variation in der Auslösezeit
reduziert ist.
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Zu diesem Zweck ist eine Ankerstromregelungsschaltung für einen Elektromotor
gemäß der vorliegenden Erfindung gekennzeichnet über US-A-3 673 538 durch die in
dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 spezifizierten Merkmale.
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Die Erfindung ist eine Ankerstromregelungsschaltung für einen Elektromotor, die
einen Elektromotor mit einem Feld und einem Anker mit Ankerwicklungen, eine
elektrische Energieversorgung und eine Schutzvorrichtung aufweist, die in Reihe geschaltet ist
mit den Motorankerwicklungen und der elektrischen Energieversorgung, wodurch ein
Ankerwicklungsstrom auch durch die Schutzvorrichtung fließt. Die Schutzvorrichtung
weist ein Paar von Polymer-PTC-Elementen auf, die in elektrischer Reihenschaltung
mit den Motorankerwicklungen und in elektrischer Parallelschaltung und thermischem
Kontakt miteinander verbunden sind.
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Das erste Polymer-PTC-Element besitzt einen effektiven Widerstand, um Wärme
mit einem Ankerwicklungsstromfluß da hindurch zu erzeugen, und eine erste
Auslösetemperatur, die höher als die maximale, erwartete Umgebungstemperatur ist,
der das erste Polymer-PTC-Element bei einem Motorbetrieb ausgesetzt werden soll.
Oberhalb der ersten Auslösetemperatur nimmt sein Widerstand von einem niedrigen
Widerstand, der in seiner Wirkung auf den Ankerwicklungsstrom im wesentlichen
vernachlässigbar ist, auf einen hohen Widerstand stark zu. Die durch einen normalen
Ankerstrom erzeugte Wärme ist effektiv, um die Temperatur des ersten Polymer-
PTC-Elements über die erste Auslösetemperatur anzuheben; und der resultierende
hohe Widerstand ist effektiv, um einen elektrischen Strom da hindurch ausreichend
zu vermindern, um das erste Polymer-PTC-Element selbstregulierend bei der ersten
Auslösetemperatur zu machen.
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Das zweite Polymer-PTC-Element wird durch das erste durch thermischen Kontakt
mindestens bei der ersten Auslösetemperatur gehalten. Das zweite Polymer-PTC-
Element besitzt einen effektiven Widerstand, um Wärme mit einem Ankerwicklungs
stromfluß da hindurch zu erzeugen, und eine zweite Auslösetemperatur, die
ausreichend
höher als die erste liegt, um einen übermäßigen Ankerwicklungsstrom zur
Anhebung von dessen Temperatur auf die zweite Auslösetemperatur zu erfordern.
Oberhalb der zweiten Auslösetemperatur nimmt der Widerstand des zweiten Polymer-PTC-
Elements von einem niedrigen Widerstand, der niedriger als der des ersten Polymer-
PTC-Elements und im wesentlichen vernachlässigbar in seiner Wirkung auf den
Ankerwicklungsstrom ist, auf einen hohen Widerstand stark zu, der schützend den
Ankerwicklungsstrom begrenzt. Das erste Polymer-PTC-Element besitzt auch bei der
zweiten Auslösetemperatur einen hohen Widerstand, der schützend den
Ankerwicklungsstrom begrenzt. Daher begrenzt die Schutzvorrichtung einen übermäßigen
Ankerwicklungsstrom nach einer Zeitspanne unabhängig von der Umgebungstemperatur.
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Die vorliegende Erfindung wird nun beispielhaft beschrieben werden unter
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen:
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Figur 1 eine kombinierte perspektivische Ansicht und Schaltungsdiagramm einer
bevorzugten Ausführungsform dieser Erfindung ist, wobei die Ansicht eine
Ankerstromregelungsschaltung für einen Motor mit einer Schutzvorrichtung und den Aufbau der
Schutzvorrichtung zeigt;
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Figur 2 eine Kurve des elektrischen Widerstandes1 aufgetragen gegen die Zeit, für
die Ausführungsform von Figur 1 ist; und
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Figur 3 eine Kurve des elektrischen Widerstandes, aufgetragen gegen die Zeit, für
eine herkömmliche Anordnung eines einzelnen Polymer-PTC-Elements ist, welche die
große Variabilität der Auslösezeit invers mit der Umgebungstemperatur zeigt.
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Nach Figur 1 wird eine Quelle für elektrische Gleichstromenergie als eine Batterie
10 dargestellt, die eine geerdete Anschlußstelle und eine weitere bei einer
Versorgungsspannung B+ besitzt, die durch einen Schalter 11 mit einer Anschlußstelle 12 einer
Schutzvorrichtung 13 verbunden ist. Die Schutzvorrichtung 13 besitzt eine andere
Anschlußstelle 15, die in Reihe mit dem Anker eines (Gleichstrom-Permanentmagnet-)
Motors 16 an Masse geschaltet ist. Somit fließt, wenn der Schalter 11 geschlossen ist,
von der Batterie 10 ein Ankerstrom durch die Schutzvorrichtung 13 in Reihenschaltung
mit dem Anker des Motors 16.
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Die Schutzvorrichtung 13 weist zwei Polymer-PTC-Elemente 17 und 18 auf,
wobei jedes eine unterschiedliche Auslösetemperatur zwischen niedrigen und hohen
Widerständen besitzt. Der niedrige Widerstand von jedem (welche nicht notwendigerweise
die gleichen sind) ist ein Wert, der im wesentlichen für eine Beeinflussung des
Ankerstromes des Motors 16 vernachlässigbar ist, so wie 0,5 Ohm oder weniger. Dieser
Widerstand ist beinahe konstant bis zu der Auslösetemperatur, oberhalb der er bis auf
einen Wert, so wie fünfzig Ohm oder mehr, stark zunimmt, welcher effektiv ist, um
den Ankerstrom des Motors 16 zu dessen Schutz zu begrenzen.
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Die Polymer-PTC-Elemente 17 und 18 befinden sich beide in elektrischem und
thermischen Kontakt mit einer Verlängerung 20 der Anschlußstelle 15. Das Polymer-
PTC-Element 17 befindet sich in elektrischem Kontakt mit einer Verlängerung 21 der
Anschlußstelle 12; und das Polymer-PTC-Element 18 befindet sich in elektrischem
Kontakt mit einem elektrisch leitenden Bauteil 22, das mit der Anschlußstelle 12
verbunden ist. Die Verlängerung 21 und das elektrisch leitende Bauteil 22 erstrecken
sich von der Anschlußstelle 12 in einer Y-Konfiguration parallel zueinander und zu der
Verlängerung 20 der Anschlußstelle 15, wobei die Verlängerung 20 sich da hinein von
dem offenen Ende des Ys erstreckt. Die Verlängerung 20 ist zwischengelegt zwischen
den Polymer-PTC-Elementen 17 und 18, wobei die Kombination davon zwischen der
Verlängerung 21 und dem elektrisch leitenden Bauteil 22 zwischengelegt ist. Somit sind
die Polymer-PTC-Elemente 17 und 18 elektrisch parallel miteinander und in Reihe mit
den Anschlußstellen 12 und 15 geschaltet. Zusätzlich befinden sich die Polymer-PTC-
Elemente 17 und 18 in thermischem Kontakt über eine ausgedehnte Fläche durch die
Verlängerung 20, so daß Wärme von einem die Temperatur des anderen erhöht.
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Das Polymer-PTC-Element 17, das die Umgebungstemperatur kompensierende
Element, besitzt einen Kaltwiderstand unterhalb einer Auslösetemperatur, der mit dem da
hindurch fließenden Ankerstrom zur Wärmeerzeugung effektiv ist, um seine
Temperatur auf die Auslösetemperatur zu erhöhen, bei welcher der Widerstand stark auf einen
höheren Widerstand zunimmt, der effektiv ist, um das Element bei der
Auslösetemperatur selbstregulierend zu machen. Die Auslösetemperatur wird gerade oberhalb der
maximalen, erwarteten Umgebungstemperatur eingestellt, der die Schutzvorrichtung
13 ausgesetzt werden soll. Wenn der Schalter 11 zuerst geschlossen wird, fließt ein
Strom durch das Polymer-PTC-Element 17, um es schnell auf seine
Auslösetemperatur zu erwärmen, die zum Beispiel 85 Grad Celsius betragen kann. Die durch das
Polymer-PTC-Element 17 erzeugte Wärme erhöht auch die Temperatur des Polymer-
PTC-Elements 18, da die zwei sich in thermischem Kontakt befinden. Wenn das
Polymer-PTC-Element 17 auslöst, nimmt sein Widerstand stark zu, was seine
Verlustleistung vermindert. Von diesem Punkt an, arbeitet es wie ein selbstregulierendes
Element zur Temperaturaufrechterhaltung für das Polymer-PTC-Element 18.
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Das Polymer-PTC-Element 18 besitzt auch einen Widerstand, der Wärme erzeugt;
aber es löst bei einer höheren Temperatur aus, als es das Polymer-PTC-Element 17
tut, und zwar um einen Betrag, der genügt, um einen übermäßigen Ankerstrom zur
Erhöhung von dessen Temperatur auf seine Auslösetemperatur zu erfordern. Eine
geeignete Auslösetemperatur für das Polymer-PTC-Element 18 ist 135 Grad Celsius.
Sein Widerstand unterhalb seiner Auslösetemperatur ist niedriger als der des Polymer-
PTC-Elements 17 und im wesentlichen vernachlässigbar in seiner Wirkung auf den
Ankerstrom des Motors 16; aber, wenn es auslöst, nimmt sein Widerstand stark auf
einen Pegel zu, der ausreicht, um schützend den Ankerstrom des Motors 16 zu
begrenzen.
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Nachdem sich das Polymer-PTC-Element 17 auf seine Auslösetemperatur von 85
Grad Celsius erwärmt, hält es das Element 18 bei dieser Temperatur, bis sich ein
Zustand entwickelt, welcher einen übermäßigen Stromfluß durch den Motor 16 und
die Schutzvorrichtung 13 verursacht. Der Großteil dieses Stromflusses wird durch das
Polymer-PTC-Element 18 gehen, da der Widerstand des Polymer-PTC-Elements 17,
der größer als der des Polymer-PTC-Elements 18 im kalten Zustand ist, noch
weiter zugenommen hat. Da das Polymer-PTC-Element 18 im wesentlichen immer von
der gleichen Temperatur startet, ungeachtet der Umgebungstemperatur, benötigt es
stets annähernd die gleiche Zeit, um auszulösen; und diese Zeit ist regelbar durch die
Konstruktionsparameter der Schutzvorrichtung 13. Der übermäßige Strom kann ein
Fehlerstrom sein, so wie er aus einem Kurzschluß resultiert, aber er muß es nicht sein.
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Einige Motoren werden für einen kurzzeitigen, intermittierenden Gebrauch
konstruiert mit einem Ankerstrom, der bei solch einem Gebrauch nicht schädigt, aber
den Motor bei einem kontinuierlichen Langzeitbetrieb durchbrennen kann. In dem
letztgenannten Fall tritt ein übermäßiger Strom auf, sobald der Schalter geschlossen
wird; und der Fehlerzustand ist ein Betrieb des Motors, kontinuierlich für eine zu lange
Zeitspanne. Die Schutzvorrichtung 13 wird gegen jede Art von Fehler schützen.
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Die Wirkung des Temperatur kompensierenden Polymer-PTC-Elements kann aus
einem Vergleichen von Figur 2, Widerstand gegen die Zeit aufgetragen, mit dem
Element (Figur 3, Widerstand gegen die Zeit aufgetragen) ohne dieses ersehen werden.
Die Zeit- und Widerstandsskalen der Figuren sind nicht notwendigerweise identisch:
die Figuren zeigen das allgemeine Verhalten der Schutzvorrichtungen. In Figur 3 ist
die Zeit von einem anfänglichen übermäßigen Strom bis zur Auslösetemperatur für drei
Umgebungstemperaturen dargestellt: +85ºC, +24ºC und -24ºC. Die Auslösezeit kann
als der Teil der Kurve identifiziert werden, wo der Widerstand stark zunimmt, wobei
dieser Teil mit der Umgebungstemperatur versehen ist. Man sieht, daß die Zeit invers
mit der Umgebungstemperatur stark variiert. Figur 2 zeigt die Zeiten für die gleichen
Umgebungstemperaturen für die vorliegende Erfindung. Aufgrund der Tatsache, daß
das Temperatur kompensierende Polymer-PTC-Element die Schutzvorrichtung
veranlaßt, von annähernd der gleichen Temperatur, ungeachtet der Umgebungstemperatur,
zu starten, wird die Zeitdifferenz stark vermindert.