DE4136102C2 - Sensor zur Überwachung der Erwärmung der Ankerwicklung eines Kommutatormotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Sensor wird beispielsweise in der Braun Kom­ pakt-Küchenmaschine UK 400 verwendet, der aus einem Heizwider­ stand, der ebenfalls von dem Ankerstrom durchflossen wird, einem Temperaturfühler und einem wärmespeichernden Wärmeleitkörper besteht. Die von dem Heizwiderstand abgegebene Wärme wird über den Wärmeleitkörper dem Temperaturfühler zugeführt. Bei geeigneter Dimensionierung verhält sich die Temperatur, die von dem Wärmeleitkörper auf den Temperaturfühler übertragen wird, ähnlich wie die Temperatur in der Ankerwicklung, weil die Ankerwicklung und der Heizwiderstand von dem gleichen Ankerstrom durchflossen werden. Auf diese Weise werden die Temperaturverhältnisse in der Ankerwicklung am Temperaturfühler simuliert. Somit kann das Signal, das an dem Temperaturfühler abgreifbar ist, als ein Maß für die Grenztemperatur in der Ankerwicklung angesehen und über eine elektronische Schaltung ein Abschalten des Motors bewirkt werden. Folglich dient der Sensor im Zusammenwirken mit einer Ab­ schaltelektronik als Motorschutzvorrichtung. Dieser bekannte Sensor wird in Dickschichttechnik hergestellt, was sich jedoch als fertigungstechnisch aufwendig erwiesen hat.

Ein prinzipiell gleich wirkender Sensor ist aus JP-Abstr. 57-49 436 vom 8. Juli 1982 bekannt. Dabei wird dem Temperaturfühler allerdings nicht die von einem Heizwiderstand erzeugte Wärme zugeführt. Die zur Simulation der Temperaturverhältnisse in der Ankerwicklung notwendige Wärmezufuhr zum Temperaturfühler erfolgt vielmehr durch induktive Aufheizung eines Eisenpartikel enthaltenden Materials, in dem der Temperaturfühler eingebettet ist.

Eine funktentstörende Wirkung, wie diese beispielsweise in der DE-OS 38 13 999 für einen gattungsgemäßen Elektromotor beschrieben wird, wird jedoch mit beiden bekannten Sensoren nicht erreicht. Aus dieser Entgegenhaltung ist ein Elektromotor bekannt, der zur Funkentstörung in der Nähe beider dem Kollektor zugeordneter Bürstenhalter einen Entstörungskondensator und einen Entstörspule aufweist, die beide über Anschlußmittel mit Kontaktelementen verbunden sind. Durch eine spezielle Ausgestaltung der Anschlußmittel wird ein automatisches Zusammenbauen des Elektromotors erleichtert.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Sensor zum Detektieren der Erwärmung einer Wicklung eines Kommutatormotors zu schaffen, der die Einsparung von Funkenstörmitteln ermöglicht und der einfach herzustellen ist. Umgekehrt soll für den Fall, daß bei einem Kommutatormotor zur Funkentstörung Drosselspulen verwendet werden, die Einsparung von Bauteilen des Sensors ermöglicht werden.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des kenn­ zeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Gemäß der Erfindung wird als Heizwiderstand der reelle Widerstandsanteil des Scheinwiderstandes einer Funkentstördrossel verwendet. Funkentstördrosseln werden möglichst nahe an einem Kommutatormo­ tor angebracht, damit die von dem Motor erzeugten Funkentstörungen nicht über die Anschlußleitungen, die gleichfalls als Antennen wirken können, in andere Schaltungsteile gelangen.

Üblicherweise ist man bemüht, Widerstände möglichst induktivi­ tätsarm zu gestalten. Demgegenüber ist der Heizwiderstand nach der Erfindung induktivitätsreich aufgebaut und erfüllt in vor­ teilhafter Weise eine Doppelfunktion. Zum einen wirkt der durch den Ankerstrom erwärmte Heizwiderstand als Bestandteil des Anker­ stromsensors und zum anderen resultiert aus dem induktivitäts­ reichen Heizwiderstand die Entstörfunktion. Somit wird für den Sensor der reelle Widerstand und für die Funkentstörung der in­ duktive Widerstand des Scheinwiderstandes eines induktivitäts­ reich aufgebauten Heizwiderstandes ausgenutzt. Da sich beide Funktionen in einem Bauteil vereinen, reduziert sich der Bau­ teileaufwand erheblich. Zudem lassen sich induktivitätsreiche Heizwiderstände in einfacher Weise durch Aufwickeln eines Leiter­ drahtes zu einer Spule aufbauen.

Die als Funkentstördrosseln ausgebildeten Heizwiderstände lassen sich leicht aufwickeln oder aufschieben. Dem Wärmeleitkörper kommt somit gleichfalls eine Trägerfunktion für den Heizwider­ stand bzw. die Funkentstördrossel zu.

Bevorzugt weist der Wärmeleitkörper eine Längsnut auf, in die der Temperaturfühler geschützt vor Umgebungstemperaturen eingesetzt ist und somit eine gute Wärmeanbindung an dem Wärmeleitkörper aufweist. Wird ein Wärmeleitkörper mit einer Längsbohrung ver­ wendet, in die der Temperaturfühler einsetzbar ist, ist der Temperaturfühler weitestgehend von allen Seiten gegen äußere, thermische Störeinflüsse geschützt. Damit läßt sich auch die Bau­ form weiter verkleinern, da der Temperaturfühler geschützt durch das Isoliermaterial im Inneren des gewickelten Heizwiderstandes unterbringbar ist.

Der Wärmeübergang zwischen dem Heizwiderstand und dem Wärmeleit­ körper sowie dem Wärmeleitkörper und dem Temperaturfühler kann durch ein Wärmeleitmittel verbessert werden, das alle luftge­ füllten kleinen Zwischenräume ausfüllt. Als besonders vorteil­ haftes Material hat sich wärmeleitendes, mit Metalloxyden ge­ fülltes Kunstharz erwiesen, welches noch elektrisch isolierend wirkt.

Auf den Wärmeleitkörper lassen sich leicht Trägerscheiben aus Isoliermaterial aufstecken, die die Anschlüsse für den Tempera­ turfühler und die Heizwiderstände bzw. die Funkentstördrosseln tragen. Wenn die Trägerscheiben viereckig ausgebildet sind, wirken diese als Haltevorrichtungen für den gesamten Sensor, der sich dadurch sicher und plan auf einer Leiterplatte positionieren läßt.

Weisen die Trägerscheiben einen Zapfen auf, der verdrehsichernd in die Längsnut des Wärmeleitkörper eingreift, können sich die gewickelten Heizwiderstände und Funkentstördrosseln, die an den Anschlüssen in den Trägerscheiben angelötet sind, nicht lösen. Es ergibt sich eine kompakte Sensoreinheit.

Insbesondere runde Keramikstäbe lassen sich einfach in einem Strangpreßverfahren herstellen, wobei gleichfalls die Längsnut oder eine zentrale Mittenbohrung einbringbar ist. Jedoch in anderen Ausführungsformen kann der stabförmige Wärmeleitkörper im Querschnitt auch andere Formen, wie z. B. eine viereckige Grund­ form, aufweisen.

Meist werden zwei Drosseln zum funkentstörten Absichern eines Kommutatormotors, insbesondere eines Gleichstrommotors verwendet. Hierbei ist jede Anschlußleitung mit einer Entstördrossel ver­ sehen. Erfindungsgemäß lassen sich auch zwei Funkentstördrosseln als Heizwiderstände auf dem Wärmeleitkörper anordnen, die bevor­ zugt beidseitig zu dem Temperaturfühler liegen. Durch diese Aus­ führungsform wird der Vorteil einer höheren Wärmeausbeutung (doppelte Wärme) erzielt, denn der Ankerstrom durchfließt beide Funkentstördrosseln bzw. Heizwiderstände, und dem Temperaturfühler läßt sich so von zwei Heizwiderständen Wärme zuführen.

Bevorzugt ist der Temperaturfühler symmetrisch im gleichen Ab­ stand zu den beiden Funkentstördrosseln bzw. Heizwiderständen an­ geordnet, was die größte Wärmeausbeutung bewirkt, weil beide Heizwiderstände gleichermaßen begünstigt sind.

Wird als Temperaturfühler ein NTC-Widerstand verwendet, läßt sich ein preiswerter Sensor aufbauen.

Da die induktiven Eigenschaften der Funkentstördrosseln an die Widerstandseigenschaften der Heizwiderstände angepaßt werden müssen, lassen sich die induktiven Eigenschaften zusätzlich da­ durch variieren, indem als Keramikmaterial Ferritmaterial ver­ wendet wird.

Bevorzugt besteht der Wärmeleitkörper aus einem Stab aus Keramik, wie z. B. Aluminiumoxyd. Insbesondere Aluminiumoxyd besitzt her­ vorragende Isolations- und Wärmeleiteigenschaften, die für die erfindungsgemäße Anwendung vorteilhaft zum Tragen kommen.

Wird der erfindungsgemäße Sensor im Kühlluftstrom eines Kommuta­ tormotors angeordnet, ergibt sich der Vorteil, daß auch das Aus­ fallen des Kühlluftstromes detektiert werden kann. Denn wird beispielsweise der Motor durch einen zweiten kleinen Lüfter ge­ kühlt und fällt dieser kleine Lüfter aus, führt dies zu einer Er­ höhung der Temperatur in dem Kommutatormotor, ohne daß der Anker­ strom verändert würde. Daher ist es vorteilhaft, wenn man den erfindungsgemäßen Sensor in den Kühlluftstrom bringt und zum Aus­ gleich die Heizleistung bzw. die Wärmeabgabe um den Betrag heraufsetzt, die durch die Kühlwirkung verloren geht. Fällt die Kühlung aus, führt dies gleichermaßen zu einem schnelleren Tempe­ raturanstieg, der von dem Temperaturfühler detektierbar ist. Der erfindungsgemäße Temperatursensor läßt sich somit in mehrfacher Weise als Schutzvorrichtung für den Kommutatormotor heranziehen, indem die erwärmende Wirkung des Ankerstroms auf die Wicklung mit und ohne Kühlluftstrom überwacht wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher be­ schrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schaltung des erfindungsgemäßen Sensors,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors und

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Schnittlinie A-A in Fig. 2.

In Fig. 1 umfaßt der erfindungsgemäße Sensor zum Detektieren der Erwärmung der Wicklung eines Gleichstrommotors 9 eine erste Funkentstördrossel 7 und eine zweite Funkentstördrossel 8, einen Wärmeleitkörper 3 und einen Temperaturfühler 4. Die beiden Funkentstördrosseln 7, 8 liegen in Reihe zu dem Motor 9. In anderen Ausführungsformen ist es möglich, nur eine der Funkent­ stördrosseln 7, 8 vorzusehen. Üblicherweise werden jedoch zwei Funkentstördrosseln 7, 8 verwendet, um auf allen Anschlußleitun­ gen 10, 11, die als Antennen wirken können, Funkstörungen zu be­ seitigen.

Der über die Anschlußleitungen 10, 11 fließende Ankerstrom des Motors 9 durchfließt gleichzeitig die Funkentstördrosseln 7, 8, deren Scheinwiderstand in die beiden reellen Widerstände 1 und 5 sowie die induktiven Widerstände 2 und 6 aufteilbar ist. Die in­ duktiven Widerstände 2, 6 dienen zur Funkentstörung. Andererseits dienen die beiden reellen Widerstände 1, 5 als Wärmequelle, deren Erwärmung dann an den Temperaturfühler übertragen wird.

Der durch die reellen Widerstände 1, 5 fließende Ankerstrom er­ wärmt die beiden Widerstände. Die Wärme wird an einen Wärmeleit­ körper 3 abgegeben und einem Temperaturfühler 4 zugeführt, bei dem es sich bevorzugt um einen NTC-Widerstand handelt. Die ab­ gegebene Wärme ist ein Maß für die Ankerstromverluste, die wiederum den Temperaturfühler 4 auf einen bestimmten Meßwert ein­ stellt. Dieser Meßwert des Temperaturfühlers 4 kann an den Klemmen 12, 13 abgegriffen werden. Folglich läßt sich an den Klemmen 12, 13 ein Meßwertsignal abgreifen, das die Temperatur des Ankers "simuliert", wobei die Koppelung zwischen den zwei Stromkreisen 10, 11 und 12, 13 ausschließlich auf thermischem Wege über den Wärmeleitkörper 3 erfolgt.

Üblicherweise werden die Funkentstördrosseln 7, 8 nicht als Heiz­ widerstände aufgebaut. Umgekehrt versucht man auch, Heizwider­ stände 1, 5 möglichst induktivitätsarm aufzubauen. Demgegenüber sind nach der Erfindung die Funkentstördrosseln 7, 8 als Heiz­ widerstände gestaltet, bzw. die Heizwiderstände 1, 5 induktivi­ tätsreich gehalten.

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des Sensors aus Fig. 1. Als Wärmeleitkörper 3 wird ein Keramikstab verwendet, der eine Längs­ nut 20 aufweist. Anstelle der Längsnut 20 kann auch eine Längs­ bohrung (nicht dargestellt) verwendet werden, so daß der Wärme­ leitkörper 3 ein Rohr bildet. Die Längsnut 20 dient zur Aufnahme des Temperaturfühlers 4, bei dem es sich bevorzugt um einen kleinen, vorzugsweise scheibenförmigen, radial bedrahteten NTC-Widerstand handelt, der in die Längsnut 20 einklebbar ist. Somit wird durch die Längsnut 20 bzw. die Bohrung in dem Wärme­ leitkörper 3 ein besserer Wärmeübergang zu dem Temperaturfühler 4 erzielt. Wird eine Bohrung gewählt, so wird axial bedrahteter NTC-Widerstand verwendet.

Zusätzlich dient die Längsnut 20 als Verdrehsicherung für die Trägerscheiben 14, die auf den Keramikstab 3 aufschiebbar sind und vorzugsweise einen Zapfen 16 aufweisen, der verdrehsichernd in die Nut 20 eingreift (Fig. 3). An den Trägerscheiben 14 sind die Anschlüsse 17, 19 für die erfindungsgemäßen Funkentstördros­ seln 7, 8 und den Temperaturfühler 4 ausgebildet. Bei den Träger­ scheiben 14 handelt es sich bevorzugt um viereckige Lochscheiben, die eine Bohrung 15 im Durchmesser des stabförmigen Wärmeleitkör­ pers 3 aufweisen. Die beiden Längsscheiben 14 am linken und rechten Ende des Keramikstabes 3 können zur konstanten Abstands­ einhaltung über im Bereich der Zapfen 16 angeordnete Abstandsele­ mente (nicht dargestellt) miteinander verbunden sein.

An den freien Enden des Keramikstabes 3, sind die Funkentstör­ drosseln 7, 8 aufgewickelt, die gleichfalls und erfindungsgemäß die reellen Heizwiderstände 1, 5 enthalten. Beispielsweise be­ stehen die Funkentstördrosseln 7, 8 aus 30 Windungen von Kupfer- oder Aluminium-Lackdraht. Wird Kupfer-Lackdraht verwendet, so hat sich ein Durchmesser von 0,4 mm als vorteilhaft erwiesen.

Durch den symmetrischen Aufbau, der in Fig. 2 gezeigt ist, ergibt sich eine gleichmäßige Wärmeübertragung von beiden Seiten auf den Temperaturfühler 4. Wie zuvor ausgeführt, kann je nach Anwen­ dungsfall auch ein kürzerer Keramikstab 3 verwendet werden, der nur eine Funkentstördrossel 7 und den Temperaturfühler 4 trägt. Hier ergibt sich eine sehr kleine Bauform, wenn es sich bei dem Keramikstab 3 um eine Röhre handelt, in deren Mittenbohrung der Temperaturfühler 4 eingeschoben ist.

Der Temperaturfühler 4 und die Funkentstördrosseln 7, 8 sind in ein Wärmeleitmittel 18 eingebettet, die den Wärmeübergang zwischen den einzelnen Bauteilen verbessert. Bevorzugt wird ein wärmeleitfähiges Harz, vorzugsweise Epoxydharz, verwendet.

Durch die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform mit den viereckigen Trägerscheiben 14 läßt sich der erfindungsgemäße Sensor sicher auf einer Leiterplatte positionieren und anlöten.

Claims (13)

1. Sensor zur Überwachung der Erwärmung der Ankerwicklung eines Kommutatormotors (9), wobei der Sensor mindestens einen ebenfalls vom Ankerstrom durchflossenen Heizwiderstand (1, 2), einen Temperaturfühler (4) und einen Wärmeleitkörper (3) aufweist, der die vom Heizwiderstand (1, 5) erzeugte Wärme dem Temperaturfühler (4) zuführt, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem Sensor auch noch mindestens eine Funkentstördrossel (7, 8) zwischen dem Kommutatormotor (9) und seiner Spannungsversorgung (10, 11) geschaltet ist, und daß der Heizwiderstand durch den reellen Widerstandsanteil der darüber hinaus noch induktive Widerstandsanteile aufweisenden Funkentstördrossel (7, 8) gebildet wird.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Wärmeleitkörper (3) die Funkentstördrossel (7, 8) aufgewickelt ist.

3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeleitkörper (3) eine Längsnut (20) oder eine Längsbohrung aufweist, in die der Temperaturfühler (4) ein­ gesetzt ist.

4. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Funkentstördrossel (7, 8) und dem Wärme­ leitkörper (3), und zwischen dem Wärmeleitkörper (3) und dem Temperaturfühler (4) ein Wärmeleitmittel (18) zum besseren Wärmeübergang vorgesehen ist.

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeleitmittel (18) ein mit Metalloxyden gefülltes Kunstharz ist.

6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Wärmeleitkörper (3) Trägerscheiben (14) aus Isoliermaterial aufgesteckt sind, die die Anschlüsse (17) der Funkentstördrossel (7, 8) tragen und die vorzugsweise eine viereckige Grundform auf­ weisen.

7. Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerscheiben (14) einen Zapfen (16) aufweisen, der verdrehsichernd in die Längsnut (20) des Wärmeleitkörpers (3) eingreift.

8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeleitkörper (3) zylindrisch ist.

9. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Wärmeleitkörper (3) zwei Funkentstördrosseln (7, 8) beidseitig mit Abstand zu dem Temperaturfühler (4) ange­ ordnet sind.

10. Sensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Funkentstördrosseln (7, 8) mit gleichem Ab­ stand zu dem Temperaturfühler (4) angeordnet sind.

11. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturfühler (4) ein NTC-Widerstand ist.

12. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeleitkörper (3) aus Keramik, vorzugsweise aus Aluminiumoxyd, besteht.

13. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor im Kühlluftstrom des Motors (9) angeordnet ist.