DE4109867A1

DE4109867A1 - Schutzeinrichtung fuer elektromotoren

Info

Publication number: DE4109867A1
Application number: DE4109867A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Cornelius
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1991-03-26
Filing date: 1991-03-26
Publication date: 1992-10-01
Anticipated expiration: 2011-03-27
Also published as: ITMI920614A0; KR100221904B1; FR2674702A1; ITMI920614A1; JPH0591654A; US5323287A; FR2674702B1; KR920018555A; IT1254680B; DE4109867C2

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Schutzeinrichtung für Elektro motoren, insbesondere Stellmotoren, gegen eine zu hohe Be triebstemperatur nach der Gattung des Anspruchs 1.

Zu hohe Betriebstemperaturen entstehen bei Elektromotoren entweder bei zu hoher und/oder zu langer Belastung im Betrieb oder aber beispielsweise auch dann, wenn der Elektromotor blockiert ist, jedoch weiter an ein Netz oder eine Batterie angeschlossen bleibt. Zu hohe Betriebstemperaturen können zu einem erhöhten Verschleiß von Kohlen, Kommutatoren und Lagern führen, wobei im Extremfall auch Windungskurzschlüsse durch Beschädigung der Isolation auftreten können.

Um unzulässig hohe Betriebstemperaturen zu verhindern, ist es bekannt, derartige Elektromotoren mit Thermoschutzschaltern zu versehen, die beispielsweise als Bimetallschalter im Stromkreis des Elektromotors angeordnet sind. Bei der Über schreitung einer zu hohen Temperatur öffnet sich der Bi metallkontakt, und der Elektromotor wird dadurch abgeschaltet. Ein derartiger Bimetallschalter ist jedoch nicht nur platz aufwendig und teuer, sondern auch sehr ungenau. Darüber hinaus ist es oft sehr schwer möglich, ihn an den bezüg lich einer Temperaturerhöhung kritischen Stellen anzuordnen.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schutzeinrichtung mit den kennzeichnen den Merkmalen des Hauptanspruchs hat den Vorteil, daß auf einen Thermoschalter verzichtet werden kann und daß die Erfassung der Betriebstemperatur durch präzise elektronische Mittel erfolgt. Da die Betriebstemperatur indirekt aus anderen Betriebsparametern des Elektromotors erfaßt wird, spielt der Einbauort zur Erfassung der Temperatur keine Rolle mehr. Eine zu lange und zu hohe Belastung, die zu einer zu hohen Betriebstemperatur führen würde, kann sehr schnell erfaßt werden, da die Wärmeleitung zu einem Thermoschalter keine Rolle spielt. Bei dem bekannten Thermoschalter kann nämlich der Fall eintreten, daß zwar auf Grund einer sehr hohen Belastung oder eines Kurzschlusses eine unzulässig hohe Temperatur auftritt, daß jedoch infolge der Wärmeleitung zum Thermoschalter dennoch die Abschaltung zu spät erfolgt. Durch die elektronischen Mittel zur Abschaltung des Elektro motors kann eine gewünschte Abschalttemperatur sehr exakt festgelegt werden, und konstruktiv bedingte Schwankungen spielen praktisch keine Rolle. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß insbesondere bei ohnehin vorliegender Drehzahl erfassung des Elektromotors und elektronischer Steuerung durch einen Mikrorechner für die Schutzeinrichtung keine zusätzlichen Bauteile benötigt werden, wodurch die Schutz einrichtung sehr kostengünstig wird.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Schutzeinrichtung möglich.

Die anderen Betriebsparameter zur indirekten Erfassung der Betriebstemperatur sind vorzugsweise die Einschaltdauer in Verbindung mit der Versorgungsspannung und/oder der Anker drehzahl. Bestimmt man die Betriebstemperatur nur aus der Einschaltdauer in Verbindung mit der Versorgungsspannung, so werden keine zusätzlichen Bauteile auch dann benötigt, wenn keine Drehzahlerfassung vorgesehen ist. Präziser wird die Erfassung der Betriebstemperatur selbstverständlich dann, wenn die Versorgungsspannung und die Ankerdrehzahl berücksichtigt werden. Die Erfassung der Versorgungsspannung ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn die Versorgungs spannung eine Batteriespannung ist, da diese in Abhängigkeit der Belastung und des Ladezustands zu sehr unterschiedlichen Belastungszuständen im Elektromotor führt.

Da auch wechselnde Außentemperaturen einen Einfluß auf die Betriebstemperatur des Elektromotors haben, wird zweckmäßiger weise auch die Außentemperatur als Korrekturgröße für die berechnete Betriebstemperatur eingesetzt.

Die zur automatischen Abschaltung dienenden elektronischen Mittel weisen in vorteilhafter Weise eine Schalthysterese auf, damit ein ständiges Hin- und Herschalten im Bereich der Grenz-Betriebstemperatur vermieden wird und damit eine Abkühlung eintritt, bevor der Elektromotor erneut einge schaltet werden kann.

Die Erfassung der Ankerdrehzahl und/oder der Versorgungs spannung kann zusätzlich als schnell wirkende Sicherheits einrichtung gegen ein Blockieren oder eine extrem hohe Be lastung des Elektromotors verwendet werden. Bei einer Blockie rung oder einer extrem hohen Last geht nämlich die Anker drehzahl gegen den Wert Null, und die Versorgungsspannung bricht mehr oder weniger zusammen, insbesondere dann, wenn es sich um eine Batteriespannung handelt. Unterschreiten die genannten Betriebsparameter daher einen vorgebbaren unteren Grenzwert, so kann nach sehr kurzer Einschaltdauer bereits die Sicherheitseinrichtung zur Abschaltung des Elektro motors aktiviert werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Überschreitung eines oberen Grenzwerts des elektri schen Erregerstroms hierfür herangezogen werden.

Zur Realisierung der Erfassung der Betriebstemperatur wird zweckmäßiger eine Zählvorrichtung in der elektronischen Einrichtung verwendet, die während der Einschaltdauer des Elektromotors eine Zählfrequenz zählt, wobei diese Zähl frequenz in Abhängigkeit der Versorgungsspannung und/oder der Ankerdrehzahl und/oder der Außentemperatur im gleichen Sinne entsprechend veränderbar ist. Die vorgebbare Grenz-Betriebs temperatur entspricht dann einem vorgebbaren Zähler wert oder dem maximalen Zählerwert, so daß ein Überlauf signal als Abschaltsignal eingesetzt werden kann.

In einer weiter verbesserten Ausführung kann noch zusätzlich zur Simulation des Abkühlvorgangs eine zweite Zählfrequenz in der entgegengesetzten Zählrichtung gezählt werden. Hier durch wird vermieden, daß bei geringer Belastung nach einer ausreichend großen Einschaltzeit in unnötiger Weise die Überschreitung der Grenz-Betriebstemperatur erkannt wird. Diese zweite Zählfrequenz ist ebenfalls zweckmäßigerweise in Abhängigkeit der Außentemperatur veränderbar.

Die elektronische Einrichtung zur Berechnung der Betriebs temperatur und die Mittel zur automatischen Abschaltung sind zweckmäßigerweise als Mikrorechner ausgebildet, da dann keine zusätzlichen Bauteile zur Realisierung dieser Schutzeinrichtung benötigt werden.

Alternativ zu der vorstehend beschriebenen Lösung kann die Erfassung der Betriebstemperatur und die automatische Ab schaltung des Elektromotors bei Überschreitung einer vorgeb baren Grenz-Betriebstemperatur durch rein elektronische Mittel auch dadurch realisiert werden, daß zur Erfassung der Betriebstemperatur ein temperaturabhängiger Widerstand und ein in Abhängigkeit vom Spannungsabfall an diesem Wider stand schaltender, auf die Mittel zur automatischen Abschal tung einwirkender Komparator vorgesehen ist. Die Abschaltung selbst erfolgt dann auf die gleiche Weise, jedoch wird die Betriebstemperatur direkt durch den temperaturabhängigen Widerstand erfaßt. Da dieser eine sehr kleine Baugröße auf weisen kann, kann er an praktisch beliebigen Stellen im Elektromotor angeordnet werden. Um mehrere kritische Stellen direkt überwachen zu können, können auch mehrere derartige Widerstände vorgesehen sein.

Dieser temperaturabhängige Widerstand ist zweckmäßigerweise als NTC-Widerstand ausgebildet.

Eine vorteilhafte Realisierung der Mittel zur Erfassung der Betriebstemperatur kann dadurch erfolgen, daß der tempera turabhängige Widerstand mit einem weiteren Widerstand einen von einer Versorgungsspannung beaufschlagten Spannungsteiler bildet, dessen Abgriff mit einem Eingang des Komparators zum Vergleich mit einer Referenzspannung zugeführt ist. Dieser Komparator sollte zweckmäßigerweise ebenfalls eine Schalthysterese aufweisen.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Schutz schaltung mit indirekter Erfassung der Betriebs temperatur als erstes Ausführungsbeispiel und

Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild einer Schutz einrichtung mit einer Erfassung der Betriebstempera tur über einen temperaturabhängigen Widerstand als zweites Ausführungsbeispiel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Mikrorechner 10 zur Steuerung eines Elektromotors 11 über eine Leistungsendstufe 12 mit diesem verbunden. Diese Leistungsendstufe kann als Relais-Endstufe oder durch Halb leiterschalter realisiert sein. Die Stellbefehle für den Betrieb des Elektromotors 11 werden dem Mikrorechner 10 von einer Einstellvorrichtung 13 zugeführt, um beispiels weise eine bestimmte Drehzahl n, ein bestimmtes Drehmoment H oder den Einschalt- oder Ausschaltzustand A/E vorzugeben. Hierzu kann die Einstellvorrichtung 13 in an sich bekannter Weise Potentiometer, Stufenschalter oder sonstige Schalter aufweisen. Die Einwirkung einer derartigen Einstellvorrich tung 13 auf einen Mikrorechner oder eine sonstige elektro nische Schaltung zur Erzeugung des gewünschten Betriebs verhaltens des Elektromotors ist im Stand der Technik vielfach bekannt, so daß hier auf eine näheres Eingehen verzichtet werden kann.

Die im Mikrorechner 10 gestrichelt dargestellten Bauelemente dienen lediglich zur Erläuterung der prinzipiellen Wirkungs weise, wobei die entsprechenden Funktionen durch üblicher weise in Mikrorechnern enthaltene Bauelemente realisiert werden.

Zur Erfassung der Ankerdrehzahl sind zwei Hall-Geber 14, 15 am Elektromotor 11 angeordnet, deren Signale einem Frequenz generator 16 im Mikrorechner 10 zugeführt werden, um dessen Frequenz in Abhängigkeit der Ankerdrehzahl zu verändern. Weiterhin sind diesem Frequenzgenerator 16 zur Veränderung seiner Drehzahl die Versorgungsspannung U und die Außen temperatur Ta zugeführt. Die Außentemperatur Ta wird dabei durch einen Temperatursensor 17 erfaßt und über eine MUX-Schnittstelle 18 dem Mikrorechner 10 zugeführt. Eine Erhöhung der Ankerdrehzahl, der Versorgungsspannung oder der Außen temperatur führt jeweils zu einer Erhöhung der Frequenz des Frequenzgenerators 16. Zur Realisierung dieses Frequenz generators 16 kann die im Mikrorechner 10 ohnehin vorhandene Taktfrequenz herangezogen werden, die bei Bedarf herunter geteilt wird und in Abhängigkeit der genannten Betriebs parameter durch Rechenvorgänge im Mikrorechner verändert wird. Gegebenenfalls erforderliche Analog-Digital-Wandler zur Umwandlung der erfaßten Betriebsparameter in digitale Werte sind zur Vereinfachung nicht dargestellt, können jedoch selbstverständlich bei Bedarf vorgesehen sein.

Die erzeugte Ausgangsfrequenz des Frequenzgenerators 16 wird im Vorwärtszähleingang V einer Zähleinrichtung 19 zu geführt. Gleichzeitig wird deren Rückwärtszähleingang R eine weitere Frequenz des Frequenzgenerators 16 zugeführt, die den Abkühlvorgang simuliert, also die vom Elektromotor 11 nach außen abgegebene Wärme. Diese Rückwärtszählfrequenz kann ebenfalls von der Außentemperatur Ta in dem Sinne be einflußt werden, daß sich diese Rückwärtszählfrequenz erhöht, wenn die Außentemperatur Ta abnimmt. Durch eine nicht darge stellte Batteriepufferung kann erreicht werden, daß dieser die Abkühlung simulierende Abwärtszählvorgang auch dann fortgesetzt wird, wenn der Elektromotor 11 bzw. die Ver sorgungsspannung abgeschaltet wird.

In einer einfacheren Ausführung kann auch auf die Beeinflus sung durch die Außentemperatur Ta verzichtet werden. Außerdem kann die indirekte Ermittlung der Betriebstemperatur auch dadurch erfolgen, daß nur die Versorgungsspannung U oder nur die Ankerdrehzahl als beeinflussender Betriebsparameter vorgesehen ist.

Wird in der Zählvorrichtung 19 ein vorgebbarer Zählerstand erreicht, so wird ein Ausgangssignal erzeugt, durch das eine elektronische Abschaltvorrichtung 20 betätigt wird, um die Leistungsendstufe 12 und damit den Elektromotor 11 abzuschalten. Als vorgebbarer Zählerstand kann beispiels weise der maximale Zählerstand der Zählvorrichtung 19 ver wendet werden, wobei dann das die Abschaltung auslösende Signal das Überlaufsignal der Zählvorrichtung 19 ist. Die Abschaltvorrichtung 20 kann eine Schalthysterese aufweisen, oder eine derartige Schalthysterese wird durch eine gesonderte Funktion im Mikrorechner 10 erzeugt. Hierfür kann beispiels weise ein zweiter, niedrigerer Zählerstand in der Zählvor richtung 19 vorgesehen sein, bei dessen Unterschreitung der Wiedereinschaltvorgang ausgelöst wird. Der Zählerstand der Zählvorrichtung 19 stellt die indirekt durch andere Betriebsparameter ermittelte bzw. errechnete Betriebstempera tur des Elektromotors 11 dar.

Die indirekte Ermittlung der Betriebstemperatur kann selbst verständlich auch auf andere Weise im Mikrorechner 10 er folgen, z. B. durch Verknüpfung der angelegten Betriebspara meter über vorgegebene Algorithmen, die durch das Programm des Mikrorechners 10 vorgegeben sind.

Alternativ zu einem Mikrorechner 10 kann selbstverständlich auch eine andere digital oder analog arbeitende elektroni sche Schaltung verwendet werden, in der auf entsprechende Weise die Betriebstemperatur indirekt ermittelt wird. Dies kann im Falle einer digitalen Lösung entsprechend der ge strichelt dargestellten Anordnung durch einen Frequenz generator, eine Zählvorrichtung und eine Abschaltvorrich tung erfolgen, während im analogen Falle eine variable Span nungsquelle zur Ladung oder Entladung eines Kondensators verwendet werden kann. In dieser variablen Spannungsquelle wird dann die Ausgangsspannung in Abhängigkeit der angelegten Betriebsparameter festgelegt.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind gleiche oder gleich wirkende Bauteile mit denselben Bezugs zeichen versehen und nicht nochmals beschrieben. Die in Verbindung mit dem ersten Ausführungsbeispiel genannten alternativen Ausführungsvarianten können selbstverständlich auch hier Anwendung finden.

Im oder am Elektromotor 11 ist ein als NTC-Widerstand ausge bildeter temperaturabhängiger Widerstand 21 angeordnet, der zusammen mit einem weiteren Widerstand 22 eine Reihen schaltung bildet, an der die Versorgungsspannung U angelegt ist. Hierbei kann es sich selbstverständlich auch um eine stabilisierte Spannung handeln. Der Abgriff dieses aus den beiden Widerständen 21, 22 gebildeten Spannungsteilers ist einer beispielsweise als Schmitt-Trigger ausgebildeten Schwell wertstufe 23 zugeführt, deren Ausgangssignal dem Mikrorechner 10 bzw. der elektronischen Abschaltvorrichtung 20 zur Ab schaltung des Elektromotors 11 zugeführt ist.

Bei steigender Betriebstemperatur nimmt der Widerstand des temperaturabhängigen Widerstands 21 ab, so daß die Abgriffs spannung des Spannungsteilers und damit die Eingangsspannung der Schwellwertstufe 23 ebenfalls abnimmt. Wird ein durch die Schwellwertstufe 23 vorgegegebener Schwellwert unter schritten, so wird über die Abschaltvorrichtung 20 der Elek tromotor 11 in der bereits beschriebenen Weise abgeschaltet. Infolge der Schalthysterese der Schwellwertstufe 23 erfolgt die Wiedereinschaltung dann erst bei einer um einen bestimmten Betrag abgesunkenen Betriebsspannung.

Die Funktion der Schwellwertstufe 23 kann selbstverständlich durch den Mikrorechner 10 selbst realisiert werden. So kann beispielsweise der temperaturabhängige Widerstand 21 bzw. der Spannungsteiler über einen Analog-Digital-Wandler mit dem Mikrorechner 10 verbunden sein.

In einer einfacheren Ausführungsform kann der Mikrorechner 10 auch entfallen und die Abschaltvorrichtung 20 durch einen einfachen Schalter, beispielsweise einen Halbleiterschalter, realisiert sein. Bei einer derartigen einfacheren Ausführungs form kann die Einstellvorrichtung 13 durch einen einfachen Schalter und/oder ein Potentiometer zur Einstellung der Drehzahl ersetzt sein.

Alternativ zu der beschriebenen Schalthysterese in beiden Ausführungsbeispielen kann selbstverständlich auch eine Zeitsteuerung vorgesehen sein, das heißt, nach der Abschaltung des Elektromotors 11 wird über ein Zeitglied oder ein Ver zögerungsglied die Wiedereinschaltung um eine feste Zeit verzögert.

Claims

1. Schutzeinrichtung für Elektromotoren, insbesondere Stell motoren, gegen eine zu hohe Betriebstemperatur, mit Mitteln zur Erfassung der Betriebstemperatur des Elektromotors und mit Mitteln zur automatischen Abschaltung des Elektromotors bei Überschreitung einer vorgebbaren Grenz-Betriebstemperatur, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Betriebstemperatur indirekt aus anderen Betriebsparametern des Elektromotors (11) berechnende elektronische Einrichtung (16, 19) vorge sehen ist und daß die Mittel (20) zur automatischen Abschal tung des Elektromotors (11) als elektronische Mittel ausge bildet sind.

2. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die anderen Betriebsparameter die Einschaltdauer in Verbindung mit der Versorgungsspannung und/oder der Anker drehzahl ist.

3. Schutzeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Versorgungsspannung eine Batteriespannung ist.

4. Schutzeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn zeichnet, daß zur Erfassung der Ankerdrehzahl wenigstens ein Hall-Geber (14, 15) vorgesehen ist.

5. Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Außentemperatur (Ta) als Korrekturgröße für die berechnete Betriebstemperatur vorge sehen ist.

6. Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zur automatischen Abschaltung dienenden elektronischen Mittel (20) eine Schalthysterese aufweisen.

7. Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß eine bei Unterschreitung eines unteren Grenzwerts von Ankerdrehzahl und/oder Ver sorgungsspannung oder bei Überschreitung eines oberen Grenz werts des elektrischen Erregerstroms während eines vorgeb baren Einschaltdauer-Intervalls den Elektromotor (11) ab schaltende Sicherheitseinrichtung vorgesehen ist.

8. Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zählvorrichtung (19) in der elektronischen Einrichtung vorgesehen ist, die während der Einschaltdauer des Elektromotors eine Zählfrequenz zählt, wobei die Zählfrequenz in Abhängigkeit der Versorgungsspan nung und/oder der Ankerdrehzahl und/oder der Außentemperatur im gleichen Sinne entsprechend veränderbar ist, und daß die vorgebbare Grenz-Betriebstemperatur einem vorgebbaren Zählerwert oder dem maximalen Zählerwert zugeordnet ist.

9. Schutzeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich net, daß zur Simulation des Abkühlvorgangs eine zweite Zähl frequenz in der entgegengesetzten Zählrichtung gezählt wird.

10. Schutzeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich net, daß diese zweite Zählfrequenz in Abhängigkeit der Außen temperatur veränderbar ist.

11. Schutzeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Einrich tung zur Berechnung und die Mittel zur automatischen Ab schaltung als Mikrorechner (10) ausgebildet sind.

12. Schutzeinrichtung für Elektromotoren, insbesondere Stell motoren, gegen eine zu hohe Betriebstemperatur, mit Mitteln zur Erfassung der Betriebstemperatur des Elektromotors und mit Mitteln zur automatischen Abschaltung des Elektromotors bei Überschreitung einer vorgebbaren Grenz-Betriebstempera tur, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Betriebs temperatur ein temperaturabhängiger Widerstand (21) und ein in Abhängigkeit vom Spannungsabfall an diesem Widerstand schaltender, auf die Mittel (20) zur automatischen Abschaltung einwirkender Komparator (23) vorgesehen sind, und daß die Mittel (20) zur automatischen Abschaltung des Elektromotors als elektronische Mittel ausgebildet sind.

13. Schutzeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich net, daß der temperaturabhängige Widerstand als NTC-Wider stand ausgebildet ist.

14. Schutzeinrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der temperaturabhängige Widerstand (21) mit einem weiteren Widerstand (22) einen von der Ver sorgungsspannung beaufschlagten Spannungsteiler bildet, dessen Abgriff mit einem Eingang des Komparators (23) zum Vergleich mit einer Referenzspannung zugeführt ist.

15. Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (23) eine Schalt hysterese aufweist.