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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Elektromotoren,
und genauer auf eine wärmeempfindliche
Schutzvorrichtung für
solch einen Motor.
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Stand der
Technik
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Elektromotoren
beinhalten oft Mechanismen, die den Betrieb des Motors in Abhängigkeit
thermischer Überlastungsbedingungen
beenden, die zu einem dauerhaften Schaden des Motors oder der zugehörigen Ausstattung
führen
können.
Eine thermische Überlastung,
wie zum Beispiel eine extrem hohe Wicklungs- oder Rotortemperatur,
kann als Folge eines blockierten Rotors, einer hohen mechanischen
Belastung, einer Netzüberspannung,
einer hohen Umgebungstemperatur oder einigen Kombinationen dieser
Bedingungen auftreten.
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Thermoauslöser (TCO)
sind ein gut bekannter Mechanismus, der verwendet werden kann, um einen
Elektromotor zu schützen.
Konventionelle TCOs basieren auf einem wärmeempfindlichen Element, das
in Abhängigkeit
einer thermischen Überlastungsbedingung
schmilzt, wodurch der Strom der Elektroenergie zu der geschützten Vorrichtung
unterbrochen wird. Eine typische Methode verwendet einen federbelasteten
Kontaktstift oder -draht, der in elektrischer Verbindung mit einem
gegenüberliegenden
Kontakt durch ein schmelzbares Material, wie zum Beispiel einem
Lötmittel,
gehalten wird. Eine andere typische Methode verwendet eine oder
mehrere Federn, die unabhängig
von einem Paar elektrischer Kontakte sind, und die die elektrischen
Kontakte auseinander drängen,
wenn ein Unterbrechungsmaterial in Abhängigkeit einer erhöhten Temperatur
schmilzt. Beide Methoden sind unerwünscht, da der TCO typischerweise
eine komplexe Anordnung von Federn und Kontaktelementen umfasst,
die in einem Gehäuse
montiert sind. Daher sind diese Methoden an sich schon teuer und
gestatten keine direkte Überprüfung des
TCO, da das schmelzbare Material und die Kontaktbedingungen üblicherweise
durch das Gehäuse nicht
sichtbar sind.
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Konventionelle
Stromsicherungen können auch
verwendet werden, um einen Elektromotor gegenüber thermischen Überlastungsbedingungen
zu schützen.
Stromsicherungen, wie zum Beispiel patronenartige Sicherungen, können seriell
in dem Strompfad der Motorwicklungen zwischengeschaltet sein. Typischerweise
wird die Stromsicherung so ausgewählt, dass sie die Energie,
die in den Motor eingespeist wird, bei einem vorbestimmten Stromniveau unterbricht,
wie zum Beispiel einem Stromniveau, das zu einer gefährlich hohen
Wicklungstemperatur führen
kann. Stromsicherungen sind als thermischer Überlastungsschutzmechanismus
unerwünscht,
da sie im Wesentlichen betriebsbedingt unempfindlich gegenüber den
eigentlichen Temperaturbedingungen in einem Motor sind, was zum
Betrieb des Motors bei einer gefährlich
hohen Wicklungstemperatur führen kann.
Alternativ dazu kann eine Stromsicherung den Betrieb eines Motors
in Bezug auf Wicklungseinschwingströme vorzeitig beenden, die unzureichend sind,
um die thermisch wirksame Masse des Motors zu erhitzen, um eine
gefährlich
hohe Wicklungstemperatur zu verursachen.
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Es
ist aus der US-A-4,132,913 eine wärmeempfindliche Schutzvorrichtung
mit einem schmelzbaren Stift bekannt, der in einer Nut zwischen
elektrischen Kontakten angeordnet ist. Ein Wärmeübergang ist in einer Oberfläche, die
an eine Wicklung eines Motors angrenzt, ausgebildet.
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Das
Dokument EP-A-1 074 084, vor dem Prioritätsdatum eingereicht und danach
veröffentlicht, ist
demzufolge ein Stand der Technik im Sinne von Art 54(3)EPÜ. Dieses
Dokument offenbart eine wärmeempfindliche
Schutzvorrichtung für
einen Elektromotor, die einen isolierenden Träger umfasst. Eine Oberfläche dieses
Trägers,
die an eine Wicklung des Motors angrenzt, sieht einen Wärmeübergang
vor. Ein thermisch deformierbarer schmelzbarer leitender Stift steht
mit einem seiner Enden in Eingriff mit elektrischen Kontakten. Einer
dieser Kontakte drängt
den Stift in Kontakt mit einer Wand.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung, wie in Anspruch 1 dargelegt, umfasst
eine wärmeempfindliche
Schutzvorrichtung für
einen Elektromotor einen elektrisch isolierenden Träger mit einer
Oberfläche,
die an eine Wicklung des Motors grenzt. Die Oberfläche stellt
einen Wärmeübergang zwischen
der Oberfläche
des Trägers
und einem Hohlraum in dem Träger
bereit. Die Schutzvorrichtung umfasst erste und zweite elektrische
Kontakte, die voneinander beabstandet und an dem Träger befestigt
sind, und einen schmelzbaren elektrisch leitenden Stift, der in
dem Hohlraum angeordnet ist, und erste und zweite Endabschnitte
aufweist. Die ersten und zweiten Endabschnitte stehen mit den Kontakten in
Eingriff und mindestens einer der Kontakte drückt den Stift gegen eine Wand,
die zumindest einen Abschnitt des Hohlraums definiert. Die Oberfläche umfasst
außerdem
eine Öffnung,
die den Wärmeübergang
zwischen der Oberfläche
des Trägers
und dem Hohlraum in dem Träger
ausbildet.
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Die
Erfindung selbst, zusammen mit anderen Zielen und zugehörigen Vorteilen,
wird am besten unter Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung im
Zusammenhang mit den zugehörigen
Zeichnungen verstanden werden.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Ansicht von oben einer Elektromotoranordnung, die eine wärmeempfindliche Schutzvorrichtung
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung umfasst;
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2 ist
eine isometrische Ansicht, die die wärmeempfindliche Schutzvorrichtung
der 1 detaillierter darstellt;
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3 und 4 sind
Aufrissansichten, teilweise im Schnitt, die eine Art und Weise veranschaulichen,
in der die in 1 und 2 gezeigte
Schutzvorrichtung an der Halterung aus 1 befestigt
werden kann; und
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5 ist
eine isometrische Ansicht, die die Schutzvorrichtung der 1-4,
die an der in 1 und 3 gezeigten
Halterung befestigt ist, veranschaulicht.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
eine Ansicht von oben einer Elektromotoranordnung 10 dargestellt,
die eine wärmeempfindliche
Schutzvorrichtung 12 gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung umfasst. Die Motoranordnung 10 umfasst
einen Elektromotor 14 und eine elektrisch isolierende Halterung 16,
die die wärmeempfindliche
Schutzvorrichtung 12 an der Motoranordnung 10 angrenzend
an eine Wicklung 18 des Motors 14 befestigt. Wie
in 1 veranschaulicht, weist eine Oberfläche 20 der
Halterung 16 eine Öffnung 22 auf,
die die Wärmeleitung
von der Wicklung 18 zu der Schutzvorrichtung 12 vereinfacht, wie
unten genauer beschrieben ist.
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2 veranschaulicht
die wärmeempfindliche
Schutzvorrichtung 12 gemäß der vorliegenden Erfindung
genauer. Die Schutzvorrichtung 12 ist zur Klarheit von
der Halterung 16 entfernt gezeigt. Die Schutzvorrichtung 12 umfasst
einen ersten elektrischen Kontakt 24 und einen zweiten
elektrischen Kontakt 26, der von dem ersten elektrischen
Kontakt 24 beabstandet ist. Die Kontakte 24 und 26 sind
an einem elektrisch isolierenden Träger 28 in entsprechenden
Schlitzen 30 und 32 befestigt. Die ersten und
zweiten Kontakte 24 und 26 sind vorzugsweise aus
Messing oder einem anderen geeigneten elektrischen Kontaktmaterial
gefertigt und können
unter Anwendung von Stanzarbeitsschritten in einem Folgewerkzeug
gefertigt sein, um die Kosten zu minimieren. Zum Beispiel kann ein
kommerziell erhältlicher Kontakt,
wie zum Beispiel Produkt Nr. 62447-2, hergestellt durch AMP Inc.,
für die
Kontakte 24 und 26 verwendet werden. Ein Fachmann
wird jedoch erkennen, dass die Kontakte 24 und 26 durch
eine Vielzahl bekannter Kontakttypen ersetzt werden können, ohne
von dem Umfang der Erfindung abzuweichen.
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Die
Schutzvorrichtung 12 umfasst weiter einen schmelzbaren
elektrisch leitenden Stift 34, der ein erstes Ende 36,
das mit dem ersten Kontakt 24 in Eingriff steht, und ein
zweites Ende 38 aufweist, das mit dem zweiten Kontakt 26 in
Eingriff steht, wodurch ein elektrischer Pfad zwischen dem ersten
und dem zweiten Kontakt 24 und 26 bereitgestellt
wird. Außerdem
umfasst die Schutzvorrichtung 12 eine erste Feder 40 und
eine zweite Feder (nicht dargestellt), die entsprechend den ersten
und den zweiten Kontakt 24 und 26 in elektrischen
Kontakt mit dem Stift 34 drängen und die, wie im Folgenden
im einzelnen diskutiert wird, die Kontakte 24 und 26 an
dem Träger 28 sichern
können.
Die erste Feder 40 und die zweite Feder sind vorzugsweise
Blattfedern, die jede in eine U-Form gebogenen sind und die zum
Beispiel aus einem Metall wie zum Beispiel Edelstahl gefertigt sein können. Alternativ
können
andere Federtypen (z. B. Spiralfedern) und Materialien verwendet
werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Der Träger 28 umfasst
weiter eine Ausnehmung 41, die die erste Feder 40 hält, und
eine gleiche Ausnehmung (nicht dargestellt), die die zweite Feder
(auch nicht dargestellt) hält.
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Ein
Spulendraht 42 ist mit der Wicklung 18 und einem
Verbindungsabschnitt 44 des ersten Kontakts 24 verbunden,
und ein Stromzuführungsdraht 46 von
einer Spannungsquelle (nicht dargestellt) ist an einem Verbindungsabschnitt 48 des
zweiten Kontakts 26 gesichert. Daher ist die Schutzvorrichtung 12 seriell
in den Pfad der in die Wicklung 18 des Motors 14 eingespeisten
Spannung zwischengeschaltet. Außerdem
ist die Schutzvorrichtung 12 in der Motoranordnung 10 angeordnet,
um im Wesentlichen empfindlich gegenüber der Temperatur der Wicklung 18 zu
sein. Die Schutzvorrichtung 12 kann zum Beispiel angrenzend
an die Wicklung 18 des Motors wie in 1 gezeigt
angeordnet sein.
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Wie
in 2 gezeigt, umfasst der Träger 28 einen Hohlraum 50,
in dem der Stift 34 angeordnet ist, und umfasst weiter
einen Durchlass 52, der einen Wärmeübergang zwischen einer Oberfläche 54 des Trägers 28 und
dem Hohlraum 50 ausbildet, wodurch die Wärmeleitung
von der Motorwicklung 18 zu dem Stift 34 vereinfacht
wird. Vorzugsweise umfasst der Hohlraum 50 Hohlraumwände 56 und 58.
Die erste Feder 40 und die zweite Feder (nicht dargestellt) drängen den
ersten und den zweiten Kontakt 24 und 26 gegen
den Stift 24, wodurch der Stift 34 in Kontakt mit
den Hohlraumwänden 56 und 58 gedrückt wird.
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Lediglich
beispielhaft ist der Stift 34 zylindrisch ausgeformt, und
die Hohlraumwände 56 und 58 sind
im Wesentlichen auf die Form des Stifts 34 abgestimmt.
Die Form der Hohlraumwände 56 und 58 muss
jedoch nicht auf die des Stifts 34 abgestimmt sein. Tatsächlich kann
es in einigen Anwendungen wünschenswert
sein, die Hohlraumwände 56 und 58 so
auszuformen, dass jede der Hohlraumwände 56 und 58 den
Stift entlang einer Linie oder eines Punkts kontaktiert. Durch Minimierung
des Kontaktbereichs zwischen dem Stift 34 und den Hohlraumwänden 56 und 58 kann
der Wärmewiderstand
zwischen dem Stift 34 und dem Träger 28 maximiert werden,
so dass der Stift 34 im Wesentlichen wärmeempfindlich gegenüber der
Umgebungstemperatur in dem Durchlass 52 bleibt, wodurch
der Stift 34 im Wesentlichen wärmeempfindlich gegenüber der
Temperatur der Wicklung 18 bleiben kann. Der Hohlraum 50 ist
vorzugsweise größer als
der Stift 34, so dass, wenn der Stift 34 durchbrennt
(d.h. schmilzt), wie unten im Einzelnen beschrieben, die Hohlraumwände 56 und 58 die
Bildung eines offenen Stromkreises entlang der Länge des Stifts 34 nicht
behindern oder unterbinden.
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Außerdem,
während
der Durchlass 52 als ein Schlitz gezeigt ist, der die Breite
der Oberfläche 54 vollständig quert,
wird ein Fachmann erkennen, dass andere Öffnungsgeometrien und -größen verwendet werden
können,
ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Zum Beispiel kann
stattdessen eine rechteckige Öffnung,
eine kreisförmige Öffnung oder
eine unregelmäßig geformte Öffnung verwendet werden,
von denen jede die Oberfläche 54 vollständig queren
kann oder nicht.
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Der
elektrisch isolierende Träger 28 ist
vorzugsweise aus einem thermoplastischen Material oder einem anderen
geeigneten elektrisch isolierenden Material gefertigt. Der Träger 28 kann
zum Beispiel spritzgegossen sein, so dass einige oder alle der strukturellen
Merkmale, die für
die Anordnung und die Sicherung des Stifts 34 benötigt werden,
die Kontakte 24 und 25 und die Federn integral
in den Träger 28 geformt
werden können,
um die Anzahl der Komponenten zu minimieren, die für die Herstellung der
Schutzvorrichtung 12 benötigt werden.
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Das
für den
Stift 34 verwendete Material bestimmt im Wesentlichen die
Wicklungstemperatur, bei der die Schutzvorrichtung 12 schmelzen
und den Betrieb des Motors 14 beenden wird. Der Stift 34 ist vorzugsweise
aus einem elektrisch leitenden, thermisch deformierbaren Material
gefertigt, das bei einer Temperatur schmilzt, die bei oder unter
der maximalen sicheren Betriebstemperatur der Wicklung 18 des
Motors 14 liegt. Zum Beispiel stellt ein Lötmittel, das
einen Schmelzpunkt von 255°F
aufweist, einen adäquaten Überlastungsschutz
für einen
typischen Elektromotor zur Verfügung.
Verschiedene Lötmittelzusammensetzungen,
andere Materialien oder Kombinationen von Materialien, die verschiedene Schmelzpunkte
bereitstellen, können
eingesetzt werden um den Stift 34 zu bilden, ohne von dem
Umfang der Erfindung abzuweichen.
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Das
Material und die Geometrie des Stifts 34 bestimmen im Wesentlichen
den Widerstand, der durch die Schutzvorrichtung 12 seriell
in dem Strompfad des Motors 14 zwischengeschaltet ist,
welche wiederum den maximalen Betrag des Dauerstroms bestimmt, den
die Schutzvorrichtung 12 zu der Wicklung 18 des
Motors 14 bei einer gegebenen Umgebungstemperatur leiten
kann. Wie im Stand der Technik bekannt ist, ist der Widerstand des
Stifts 34 direkt proportional zu dem Widerstand des Materials,
das für
den Stift 34 verwendet wird, und zu der Länge des Stifts 34,
und der Widerstand des Stifts 34 ist umgekehrt proportional
zu der Querschnittsfläche
des Stifts 34. Der Wicklungsstrom, der durch den Widerstand
des Stifts 34 tritt, erhitzt den Stift 34 von
innen und erzeugt einen Selbstheizungs-Offset, der einen Anstieg
der Temperatur des Stifts 34 über die lokale Umgebungstemperatur
hinaus verursacht. Daher wird der Stift 34 schmelzen und
den Betrieb des Motors 14 beenden, wenn der Selbstheizungs-Offset aufgrund
des Wicklungsstroms plus der lokalen Umgebungstemperatur die Schmelztemperatur
des Stifts 34 erreicht.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung wird die Geometrie des Stifts 34 so
ausgewählt,
dass der Selbstheizungs-Offset bei maximalem Wicklungsstrom relativ klein
ist (zum Beispiel unter Bedingungen eines blockierten Rotors). Als
Folge wird das Schmelzen der Schutzvorrichtung 12 im Wesentlichen
durch die lokale Umgebungstemperatur bestimmt, die im Wesentlichen
durch die eigentliche Temperatur der Motorwicklung 18 bestimmt
ist. Daher wird die Schutzvorrichtung 12 den Betrieb des Motors 14 in
Bezug auf Einschwingströme
oder unter Lastbedingungen, die keine hohen Wicklungstemperaturen
verursachen, nicht unsachgemäß beenden. Zum
Beispiel kann aufgrund der thermisch wirksamen Masse des Motors 14 die
Schutzvorrichtung 12 zulassen, dass der Motor 14 bei
sehr hohen Belastungen für
eine kurze Dauer betrieben wird. Alternativ kann die Schutzvorrichtung 12 zulassen,
dass der Motor 14 bei höheren
Dauerbetriebsbelastungen betrieben wird, wenn die Umgebungstemperaturbedingungen
dies zulassen.
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Der
Stift 34 weist vorzugsweise eine zylindrische oder rechteckige
Querschnittsform auf und kann aus einem fortlaufenden Lagermaterial
abgeschnitten sein, um Kosten zu minimieren. Es kann für einige
Anwendungen wünschenswert
sein, komplexere Stiftgeometrien zu verwenden, die zuverlässiger und/oder
genauer definieren, wo der Stift 34 entlang seiner Länge schmelzen
wird. Zum Beispiel kann das Profil des Stifts 34 spitz
zulaufend sein, so dass sein kleinster Querschnittbereich zwischen
dem ersten und dem zweiten Kontakt 24 und 26 liegt.
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3 und 4 sind
seitliche Aufrissansichten, teilweise im Schnitt, die eine Art und
Weise veranschaulichen, in der die Schutzvorrichtung 12 an der
Halterung 16 befestigt sein kann. Zum Beginn, wie in 3 gezeigt,
ist der Stift 34 in dem Hohlraum 50 angeordnet,
ist die erste Feder 40 in der Ausnehmung 41 befestigt,
ist die zweite Feder in ihrer entsprechenden Ausnehmung befestigt
und ist der Träger 28 (einschließlich der
Federn und des Stifts 34) in einem Aufnahmebereich 62 in
der Halterung 16 angeordnet, so dass die Oberfläche 54 des
Trägers 28 nahe
der Oberfläche 20 der Halterung 16 ist,
und so dass ein rückwärtiger Rand 64 des
Trägers 28 von
einer Haltelippe 66 der Halterung 16 beabstandet
ist (und somit nicht darunter liegt).
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Wie
in 4 gezeigt, wenn der erste Kontakt 24 in
den entsprechenden Schlitz 30 eingeführt ist, tritt eine Spitze 68 des
ersten Kontakts 24 in Eingriff mit und gleitet entlang
einer geneigten Oberfläche 70 der
Halterung 16, um den rückwärtigen Rand 64 des Trägers 28 unter
die Haltelippe 66 zu bewegen. Der Kontakt 24 wird
schließlich
ausreichend weit herunter geschoben, damit sich die Spitze 68 unter
einem Anschlag 72 erstrecken kann. Die Behinderung der
Spitze 68 durch den Anschlag 72 verhindert, dass
die Schutzvorrichtung 12 vertikal aus der Halterung 16 herausgezogen
wird. Wenn der erste Kontakt 24 vollständig in den Träger 28 eingeführt ist,
erstreckt sich die Spitze 68 in ein Bohrloch 74,
um zu verhindern, dass die Schutzvorrichtung 12 sich zurück zu der Oberfläche 20 der
Halterung 16 bewegt, wobei die Schutzvorrichtung 12 an
der Halterung 16 gesichert wird. Außerdem weist der erste Kontakt 24 einen
abgesetzten Abschnitt 76 auf, der mit einer Spitze 78 der
Feder 40 in Eingriff kommt, um zu verhindern, dass der
Kontakt 24 aus dem Schlitz 30 herausgezogen wird,
sobald er vollständig
eingeführt
wurde (der zweite Kontakt weist einen gleichen abgesetzten Abschnitt
auf und kommt in gleicher Weise mit der zweiten Feder in Eingriff).
Obwohl in den 1-4 nicht
dargestellt, kann die Halterung 16 Zugangsöffnungen
umfassen, die zulassen, dass ein Werkzeug, wie zum Beispiel eine
Schraubendreherspitze, verwendet werden kann, um die Spitzen der
Federn von den abgesetzten Abschnitten der Kontakte 24 und 26 zu
lösen,
wodurch die Entfernung der Kontakte 24 und 26 und,
falls gewünscht,
die Entfernung der Schutzvorrichtung 12 aus der Halterung 16 zugelassen
werden würde.
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5 ist
eine isometrische Ansicht, die die in der Halterung 16 gesicherte
Schutzvorrichtung 12 der 1-4 veranschaulicht.
Wie oben beschrieben, ist die Schutzvorrichtung 12 in der
Halterung 16 gesichert, so dass die Wärme aus der Wicklung 18 durch
die Öffnung 22,
den Durchlass 52 und zu dem Stift 34 geleitet
wird, damit der Stift 34 wärmeempfindlich gegenüber der
Temperatur der Wicklung 18 sein kann.
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Im
Betrieb verursacht eine thermische Überlastungsbedingung in dem
Motor eine Wärmeerzeugung
in der Wicklung 18. Die Wärme von der Wicklung 18 wird
durch den Durchlass 52 zu dem Stift 34 geleitet,
und wenn die Umgebungstemperatur, die den Stift 34 umgibt,
ausreichend hoch wird, schmilzt der Stift 34, um dauerhaft
den Energiestrom zu der Wicklung 18 des Motors 14 zu
unterbrechen. In bevorzugten Ausführungsbeispielen ist die Schutzvorrichtung 12 als
eine Sicherheitsvorrichtung für
einen einmaligen Betrieb ausgelegt und ist nicht in der Anlage reparierbar/rücksetzbar,
aber es ist vorgesehen, dass einige Anwendungen zum Beispiel eine
Reparatur durch einen Ersatz des Stifts 34 zulassen können.