EP0754347B1 - Schutzeinrichtung gegen wärmeüberlastung eines elektrokleinmotors für hohe thermische belastbarkeit - Google Patents

Schutzeinrichtung gegen wärmeüberlastung eines elektrokleinmotors für hohe thermische belastbarkeit Download PDF

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EP0754347B1
EP0754347B1 EP95915749A EP95915749A EP0754347B1 EP 0754347 B1 EP0754347 B1 EP 0754347B1 EP 95915749 A EP95915749 A EP 95915749A EP 95915749 A EP95915749 A EP 95915749A EP 0754347 B1 EP0754347 B1 EP 0754347B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
protective device
carrier unit
bimetallic element
heat
motor
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP95915749A
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English (en)
French (fr)
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EP0754347A1 (de
Inventor
Rögelein Dieter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ROEGELEIN, DIETER
Original Assignee
ROEGELEIN DIETER
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Filing date
Publication date
Application filed by ROEGELEIN DIETER filed Critical ROEGELEIN DIETER
Publication of EP0754347A1 publication Critical patent/EP0754347A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0754347B1 publication Critical patent/EP0754347B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H81/00—Protective switches in which contacts are normally closed but are repeatedly opened and reclosed as long as a condition causing excess current persists, e.g. for current limiting
    • H01H81/02—Protective switches in which contacts are normally closed but are repeatedly opened and reclosed as long as a condition causing excess current persists, e.g. for current limiting electrothermally operated

Definitions

  • the invention relates to a protective device against heat overload Small electric motor for high thermal resilience, especially equipped with a stator made of permanent magnet material and one an electrically powered one Winding rotor and used as a short-term motor for motor vehicle equipment parts, the one switched into the motor feed circuit Interrupter contact, the contact at certain by a bimetallic element Warming - preferably suddenly, e.g. like a snap disk - Is actuated opening, which on a one-part or multi-part support part is held, the interrupter contact, the bimetallic element and the supporting part are arranged in electrical series connection and the bimetal element and the support part with respect to the respective electrical resistance and the respective Heat storage capacity have certain relationships to each other and spatially roughly parallel overlapping assignment to each other are arranged.
  • Small electric motors of the type in question are used in large numbers for various additional functions built into motor vehicles, e.g. For the automatic raising and lowering of windows, the adjustment of the seats, for roof adjustment, convertible top drives, drive motors for pneumatic and hydraulic pumps and antenna drives.
  • These as DC permanent magnet motors Trained drives work with a nominal operating voltage of 12 or 24 volts, they are usually a gearbox with one downstream high gear ratio. Although for the most part only for short periods of time are turned on, they must be considerable during these short periods Provide services.
  • an initial blocking current at 15 V of 42.3 to 52.6 A can be switched off in times of less than 12 seconds.
  • an initial blocking current of 25.4 to 31.6 A must be smaller at times 45 seconds.
  • an initial blocking current at 15 V of 26.4 to 32.4 A should be switched off in times greater than 2 seconds to be sufficient long operating time when the window lift system is difficult to operate to be able to ask.
  • the protective device must therefore in the entire ambient temperature range and Operating voltage range currents from 15.7 to 52.6 A when blocked as Master switching currents and at the same time have sufficiently long operating times in the Provide heavy-duty operation close to the closing moment.
  • the supply of heat or the obstruction of heat discharge can moreover take place by means of components which are connected in a heat-conducting manner and / or are arranged in a heat-radiating assignment and which serve as heat stores.
  • the bimetallic element is made by thermally conductive connection with a brush or its then metallic Cooker heat supplied, the order of magnitude of the heating of the Corresponds to the armature winding of the motor and therefore with high heat load the motor, for example in the event of a short circuit, supplies heat to the bimetal element, if its previously in the switch-on phase, in particular in the phase of Open contacts after the motor has been switched on specifically, generated electricity heat drops, so that a quick return of the bimetallic element in the Switch-on position of the interrupter contact and thus the renewed current application the engine is decelerated.
  • An example of this is the DE-PS 2811503 referenced.
  • GB-PS 936801 mentions that a parallel to a bimetallic element electrical connection specifically resistive and thus heat-storing is formed and thus as a heating element for the bimetallic element serves. This should be done over an extended section, at least engages over a portion of the bimetallic element and with it intimately Contact is there. From this, the idea of a heat transfer can rather be conceived Remove heat conduction and less by heat radiation.
  • the switch-on or hold times increase, the pause times remain approximately in the subsequent switching cycles constant and then increase slightly when there is feedback in the control loop achieved by increasing the ambient temperature at the protective device becomes. This increases the ratio of the on-time to the off-time, so that there is increasing heating in the winding or in the carbon brush.
  • the invention has for its object that by means of a protective device of the type in question achievable protective effect by limiting the brush and winding temperature increases even in the event of long-term malfunction To improve the overload condition of the motor while maintaining the Service life of the motors in the entire service temperature range and To improve the operating voltage range for the usable short-term overload condition.
  • This object is achieved according to the invention by dimensioning the conditions the electrical resistance values and the heat storage capacity of the bimetal element alone and trained as a large-area heat radiator and arranged support part such that the on a first by normal switching on of the motor and the first heat overload cut-off have a certain holding time If the overload continues and the current is constant, switch on following cycles increasingly shorter duty cycle result. If the Despite the falling blocking current, the motors have almost constant duty cycles until the feedback due to an increase in the ambient temperature at the installation site the protective device takes effect and a thermal equilibrium state is achieved with a low duty cycle (ED).
  • ED low duty cycle
  • the ratios of the heat storage capacity - the resistance materials provided here are in the range of the specific heat capacity of 0.095 kcal / kg grd. and 0.114 kcal / kg grd. and with weights from 8,600 kp / m 3 to 7,900 kp / m 3 , so that the masses are at least approximately comparable in relation to their heat storage capacity - and the choice of the ratio of the electrical resistance and the mass of the support part as heat storage to electrical resistance and mass of the bimetal is decisive for the fact that in the switching cycles following the first hold time (first switch-on interval), with continuously sustained overload, the switch-on times become increasingly shorter until thermal equilibrium is reached and the ratio of switch-on duration to switch-off duration increases.
  • This behavior in particular means that a steady state of equilibrium can be achieved without overshoot of the brush and the winding temperatures, and preferably in such a way that after the first, as long as possible holding time, the following pause time is less than or equal to 15 seconds and the second holding time is not less than 0.7 seconds.
  • the limitation of the switch-off duration in this scope is recommended because the user of the motor or the object driven thereby tends to assume a real error.
  • the switching temperature difference (Delta K) between the effectively reached final temperature of the bimetal switching element and the fixed switch-back temperature of the switching element increases with increasing current load the superimposed hysteresis of the thermal feedback.
  • the specifically dimensioned Heat storage or the aforementioned relationships of heat storage capacity and electrical resistance of the support part as a heat store on the one hand and the bimetallic element can be achieved with one and the same Protective device covered a wide range of different sensitivities can be.
  • the current / time tripping characteristics that can be achieved are very high steep and result in long first holding times at high current and high ambient temperature as well as high current sensitivity in the holding time range of 30 Sec., For short-term engines with high temperature change speeds and therefore low time constants are very important (e.g. at ambient temperature -40 ° C and the lower limit voltage of 9 V).
  • Such a protective device of the type according to the invention is particularly notable characterized in that the support part as a flat heat radiator essentially parallel to the surface and partially covering a small distance from at least one of the two broad areas of the bimetallic element is arranged so that the Ratio of the heat storage capacity (masses) of the supporting part to the bimetallic element greater than / equal to 1.5: 1 to 3.5: 1 and that the ratio of the electrical Resistance from support to bimetal element greater than / equal to 4: 1 to 8: 1 is.
  • the support part is as Heat storage adapted to the aforementioned conditions, and defined zones for the determination by specific shaping of certain areas electrical resistance and thermal conductivity.
  • a zone can be formed in particular by one or more cutouts be formed in the support member.
  • the support part can be formed in one or more parts and adjacent to only extend one of the wide areas of the bimetallic element, but it can also between corresponding sections, the bimetal element on both sides of the Take up wide areas between them.
  • the bimetal element is in the form of a broad surface Snap disc element with an inwardly projecting root for fixing provided on a fastening end that is cranked out of the plane of the supporting part and with one of the fixed contact parts carried by a terminal lug outwardly protruding tongue formed by the heat-dependent Snap movement of the bimetallic element moving contact part carries.
  • the support part has a root and adjoining areas of the bimetallic element large covering web and two at its end areas striving in the same direction, one of which is shorter in the to the other end of the leg, bent, then the fastening end flows, while the other leg is longer formed in a connecting lug transforms.
  • the protective device can be a bimetallic element and Have support part enveloping housing, which by means of the individual parts and Connections holding base is closable.
  • the exemplary protective device shown overall with 1 in the three representations has a base 2, which all components of the protective device holds and serves to attach a housing, not shown, which in plugged-in state of the components with the exception of those emerging from the base Includes lugs 4 and 5.
  • a flat support part 3 passes through the base 2 and opens out into the Terminal lug 4, and a further terminal lug 5 passes through the base 2 and carries the fixed at an angled to the other flag 4 end portion Contact part 7 of a total of 6 breaker contact.
  • a movable contact part 8 is on an outward on the fixed contact part 7 to directed tongue 9 of a bimetallic element designed as a snap disk 10 attached, which in turn over a root area protruding into the interior of the ring 11 with a fastening end 12 which is bent to the ring plane of the supporting part 3 is fixed thereon, for example by spot welding or the like. permanent attachment.
  • the support part 3 is in its area facing away from the connecting lug 4 with a Web 15 provided, the transverse to the longitudinal direction of the connecting lugs 4 and 5 over the width of the flat bimetallic element 10 partially covering its wide area is guided and projecting legs at right angles at both ends, one of which 13 directed towards the terminal lug 5 and then bent at right angles opens into the cranked fastening end 12, while the other Leg 14 passes straight into the connecting lug 4.
  • the support part 3 forms a heat store, between the and the bimetallic element 10 heat transfer takes place primarily through heat radiation.
  • the bimetallic element 10 is in terms of its mass and its electrical Resistance specified much further than the supporting part, so that this as Heat storage with regard to its heat storage capacity or its mass and its electrical resistance to be adapted to the bimetal element can, in a ratio of 1.5: 1 to 3.5: 1 in terms of mass Support part as heat storage to mass bimetal element and in the ratio of 4: 1 to 8: 1 with regard to the electrical resistance of the supporting part to electrical Resistance bimetallic element.
  • a corresponding adjustment option lets through recesses and recesses, as in the web 15 of the support part 3 16 shown.
  • Rod-shaped zones 17 and 18 determine in addition to the electrical resistance also the thermal conductivity, so that the heat flow from the support member 3 over the cranked fastening end 12 in the root region 11 of the bimetal element 10 or vice versa can also be influenced.

Landscapes

  • Protection Of Generators And Motors (AREA)
  • Thermally Actuated Switches (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft eine Schutzeinrichtung gegen Wärmeüberlastung eines Elektro-Kleinmotors für hohe thermische Belastbarkeit, insbesondere ausgerüstet mit einem Stator aus Dauermagnetwerkstoff und einem eine elektrisch gespeiste Wicklung aufweisenden Rotor und eingesetzt als Kurzzeitläufer-Motor für Kraftfahrzeug-Ausrüstungsteile, die einen in den Motorspeisekreis eingeschalteten Unterbrecherkontakt aufweist, der durch ein Bimetallelement den Kontakt bei bestimmter Erwärmung - vorzugsweise schlagartig, z.B. nach Art einer Schnappscheibe - öffnend betätigt ist, welches an einem ein- oder mehrteiligen Tragteil gehalten ist, wobei der Unterbrecherkontakt, das Bimetallelement und das Tragteil in elektrischer Reihenschaltung angeordnet sind sowie das Bimetallelement und das Tragteil hinsichtlich des jeweiligen elektrischen Widerstandes und des jeweiligen Wärmespeichervermögens bestimmte Verhältnisse zueinander aufweisen und räumlich in etwa breitflächig paralleler überlappender Zuordnung zueinander angeordnet sind.
Elektrokleinmotoren der hier in Rede stehenden Art werden in großer Zahl für die verschiedensten Zusatzfunktionen in Kraftfahrzeugen eingebaut, so z.B. für das selbsttätige Anheben und Absenken von Fenstern, das Verstellen der Sitze, für Scheibedachverstellung, Verdeckantriebe, Antriebsmotoren für pneumatische und hydraulische Pumpen sowie Antennenantriebe. Diese als Gleichstrom-Dauermagnet-Motoren ausgebildeten Antriebe arbeiten mit einer Nenn-Betriebsspannung von 12 oder 24 Volt, ihnen ist normalerweise ein Getriebe mit einem hohen Übersetzungsverhältnis nachgeschaltet. Obwohl sie zum Großteil nur für kurze Zeitspannen eingeschaltet sind, müssen sie während dieser Kurzzeiten erhebliche Leistungen erbringen. Da derartige Motoren in einer Normalbetriebsphase durch Blockierung des angetriebenen Gegenstandes innerhalb der vorgeschriebenen Wegstrecke, durch zu häufiges Bedienen oder Falschbedienung der Einschalttaste mechanische Überlastungen bis zum Stillstand erlangen, besteht die Gefahr einer Überhitzung des Motors, insbesondere dessen Rotorwicklung und dessen Kommutatorbürsten oder deren Bürstenführungen.
Für diese und ähnliche Einsatzzwecke derartiger Kleinmotoren besteht darüberhinaus die Forderung nach geringer Baugröße und kleinem Gewicht, weshalb die angeforderte Leistung nur bei einer Betriebsbelastung erbracht werden kann, die vorwiegend im Bereich zwischen P2 max. und der Kurzschluß- bzw. Stillstandsbelastung liegt, was vor allem für sogenannte Kurzzeitläufer-Motoren zutrifft. Weitere kritische Umstände für den Betrieb solcher Kleinmotoren in Kraftfahrzeugen bestehen darin, daß Außentemperatur und Batteriespannung starken Abweichungen unterworfen sind, Anwendungstemperaturbereiche sind von -40°C bis +80°C, und Betriebsspannungsbereiche liegen zwischen 9 und 15 Volt bzw. zwischen 18 und 30 Volt. Zusätzlich müssen für den Blockierfall die Überdeckungsverhältnisse Kohlebürsten zu Kollektorlamellen berücksichtigt werden, die z.B. bei einem typischen Fensterhebermotor mit 10-nutigem Anker bei Überdeckungsverhältnissen von 2 Lamellen einen Gesamtwiderstand von 0,479 Ohm ergeben und bei 4 Lamellen Überdeckung einen Widerstandswert von 0.385 Ohm. Daraus ergibt sich bereits bei einer konstanten Betriebsspannung von z.B. 13 Volt und einer Umgebungstemperatur von +25°C, daß entsprechend den bei der Blockierung gegebenen Überdeckungsverhältnissen Anfangsblockierströme von 27,1 A bei 2 Lamellen und 33,7 A bei 4 Lamellen gegeben sind. Durch die parziell überbrückten Wicklungsteile bei 4 Lamellen Überdeckung ergeben sich aufgrund des niedrigeren Ankerwiderstandes und der geringeren im Stromkreis liegenden Masse höhere Temperaturänderungs-Geschwindigkeiten und daraus kürzere Zeitkonstanten.
Über den Verwendungstemperaturbereich von -40°C bis +80°C ergeben sich dann bei Betriebsspannungen von 13 Volt und durch die unterschiedlichen Überdeckungsverhältnisse am Kollektor sowie die Widerstandsveränderungen über den Temperaturgradienten der Kupferwicklung Blockierströme von 36,7 bis 45,6 A bei einer Umgebungstemperatur von -40°C und von 27,1 bis 33,7 A bei einer Umgebungstemperatur von +25°C und von 22,7 bis 28,5 A bei einer Umgebungstemperatur von +80°C.
Für die Schutzeinrichtung ergeben sich dadurch im obigen Beispiel folgende Forderungen für den Blockierfall:
Bei Umgebungstemperatur +25°C: Ein Anfangsblockierstrom bei 13 V von 27,1 bis 33,7 A in einer Zeit von größer 4 Sek. / kleiner 10 Sek. abzuschalten.
Einen Anfangsblockierstrom bei 9 V von 18,3 - 23,4 A in einer Zeit kleiner 30 Sek. abzuschalten, d.h. innerhalb der Zeitkonstante des Motors bezogen auf den Betriebsfall bevor die zulässigen Grenztemperaturen der Wicklung bzw. der Kohlebürsten erreicht werden.
Bei -40°C Umgebungstemperatur muß ein Anfangsblockierstrom bei 15 V von 42,3 bis 52,6 A in Zeiten kleiner 12 Sek. abgeschaltet werden.
Bei 9 Volt muß ein Anfangsblockierstrom von 25,4 bis 31,6 A in Zeiten kleiner 45 Sek. abgeschaltet werden.
Bei +80°C Umgebungstemperatur muß ein Anfangsblockierstrom bei 15 V von 26,4 bis 32,4 A in Zeiten größer 2 Sek. abgeschaltet werden, um noch ausreichend lange Betriebszeit bei Schwergängigkeit der Fensterheber-Anlage zur Verfügung stellen zu können.
Die Schutzeinrichtung muß also im gesamten Umgebungstemperaturbereich und Betriebsspannungsbereich Ströme von 15,7 bis 52,6 A im Blockierfalle als Schaltströme beherrschen und gleichzeitig ausreichend lange Betriebszeiten im Schwerlastbetrieb nahe dem Kunzschlußmoment zur Verfügung stellen.
Vorstehende Umstände führen dazu, daß ein thermisch nicht geschützter Motor dieser Art im Kurzschlußbetrieb nur etwa 20 - 30 Sekunden betrieben werden kann, ohne Schaden an der Wicklung oder sonstigen Bauteilen zu nehmen, da Wicklungstemperaturen von z.B. größer 300 °C oder Kohlebürsten-Temperaturen von größer 200°C zur Zerstörung führen. Mit herkömmlichen Schutzeinrichtungen nach dem bekannten Prinzip von Thermoschaltern lassen sich die Kurzschluß-Betriebszeiten vergrößern, jedoch kann der gesamte Betriebstemperaturbereich und der gesamte Betriebsspannungsbereich nur unzureichend abgedeckt werden. Es müssen hier Kompromisse eingegangen werden hinsichtlich der zulässigen Betriebszeit im Schwerlastbetrieb bei +80°C oder bei der Absicherung des Blockierfalles bei der tiefsten Umgebungstemperatur von -40°C und Unterspannungen von 9 - 11 V. Es werden vorwiegend Kompromisse gewählt, die über eine höhere thermische Empfindlichkeit und höhere Stromempfindlichkeit sehr kurze Betriebszeiten im Schwerlastbetrieb bei den hohen Umgebungstemperaturen zulassen, um eine Kurzschlußfestigkeit im tiefen Umgebungstemperaturbereich bei - 40°C und Unterspannung sicherzustellen. Die Motoren sind dann im Regelfalle hinsichtlich ihres nutzbaren Momentes bei Raumtemperatur und erhöhten Umgebungstemperaturen eingeschränkt verwendbar (overprotected).
Bekannte Schutzeinrichtungen, die einer Überhitzung bei Fehlbetrieb oder bei mechanisch behindertem Betrieb entgegenwirken, arbeiten mit temperatur- und stromabhängigen Schaltgliedern, hier vor allem Bimetallelementen, (hier auch für Trimetalle etc. zu lesen), die aufgrund von in Parallelanordnung miteinander verbundener Metallschichten unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten bei Erwärmung eine Formänderung annehmen, die im Rahmen dieser Schutzeinrichtung zur Betätigung eines Unterbrecherkontaktes ausgenutzt werden. Solche Bimetallelemente und deren Einsatzmöglichkeit im vorliegenden Falle sind bekannt. Solche Bimetalle reagieren auf jedwede Erwärmung, auf die Umgebungstemperatur (Außentemperatur) sowie auch auf die Eigenerwärmung aufgrund von Stromdurchfluß (sogenannte Stromwärme I2R). Sie reagieren ebenfalls auf Umgebungstemperaturanstieg am Einbauort der Schutzeinrichtung durch Wärmeentwicklung der überlasteten Bauteile, die über die Zeitkonstante des Motors als Rückführwärme wirkt und die Haltezeiten verkürzt und die Pausezeiten verlängert bis ein thermischer Gleichgewichtszustand erreicht wird. Wärmezufuhr bzw. die Behinderung von Wärmeabfluß kann darüberhinaus durch wärmeleitend angeschlossene und/oder in wärmestrahlender Zuordnung angeordnete Bauteile erfolgen, die insoweit als Wärmespeicher dienen.
In einer ersten Vorstellung bekannter Art wird dem Bimetallelement durch wärmeleitende Verbindung mit einer Bürste bzw. deren dann metallischem Kocher Wärme zugeführt, deren Größenordnung der Betriebserwärmung der Ankerwicklung des Motors entspricht und die somit bei hoher Wärmebelastung des Motors, bspw. im Kurzschlußfall, dem Bimetallelement Wärme zuführt, wenn dessen vorhergehend in der Einschaltphase, insbesondere in der Phase der geöffneten Kontakte nach gezieltem Einschalten des Motors, erzeugte Stromwärme absinkt, so daß ein schnelles Zurückkehren des Bimetallelementes in die Einschaltstellung des Unterbrecherkontaktes und damit die erneute Strombeaufschlagung des Motors verzögert wird. Als Beispiel hierfür wird auf die DE-PS 2811503 verwiesen.
Weitere Vorstellungen schließen eine Wärmezufuhr von einem Wärmespeicher auf das Bimetallelement nicht nur unter dem Gesichtspunkt der Wärmeleitung, sondern auch unter demjenigen der Wärmestrahlung bis hin zur Wärmeströmung ein. So arbeitet bspw. eine bekannte Schutzeinrichtung - EP 0 226 663 A1 - mit Abstandselementen aus einem Material mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC), die im vorgenannten Sinne auf ein Bimetallelement einwirken sollen, zu dessen Breitfläche jedoch eher senkrecht verlaufen, so daß der Wärmestrahlungseinfluß eher als gering anzusehen ist. Im Rahmen der EP 0 104 809 B1 ist bspw. die Anordnung eines gewendelten Heizelementes bekannt geworden, das sich mehr oder weniger parallel zu einem Bimetallelement erstreckt und das - auch wegen der dortigen Erwähnung des Abstandseinflußes zwischen Heizelement und Bimetallelement - eine Erwärmung des Bimetallelementes in erster Linie durch Wärmestrahlung bewirken dürfte.
In der GB-PS 936801 ist erwähnt, daß ein zu einem Bimetallelement parallel verlaufender elektrischer Anschluß gezielt widerstandsbehaftet und damit wärmespeichernd ausgebildet ist und somit als Heizelement für das Bimetallelement dient. Dies soll über einen verlängerten Abschnitt geschehen, der zumindest einen Teilbereich des Bimetallelementes übergreift und mit diesem in innigem Kontakt steht. Daraus läßt sich eher die Vorstellung eines Wärmetransfers durch Wärmeleitung und weniger durch Wärmestrahlung entnehmen.
Zu den Bimetallelementen der hier in Rede stehenden Art wird auf die DE-OS 3401968 einschließlich der dort zum Stand der Technik gemachten Ausführungen und zu den auch hier relevanten Einsatzzwecken verwiesen.
Schutzeinrichtungen der in Rede stehenden Art nach dem Stand der Technik zeigen die Tendenz, daß bei steigendem Schaltstrom die Ausschaltdauer (Pausezeit) nach der ersten Abschaltung (wärmeüberlastbedingte Beendigung der durch normales Einschalten begonnenen Einschalt- bzw. Haltezeit) in dem darauf folgenden Schaltzyklus bei andauernder Überlastung kürzer wird. Erst bei anhaltender Blockierung ergibt sich eine geringfügige Erhöhung der Pausezeiten, so daß zunächst, durch die Wicklungserwärmung verursacht, ein ansteigendes Verhältnis bei der Einschaltdauer (ED) erreicht wird. Die Einschalt- bzw. Haltezeiten nehmen zu, die Pausezeiten bleiben in den Folgeschaltzyklen näherungsweise konstant und nehmen dann geringfügig zu, wenn eine Rückführung im Regelkreis durch Anstieg der Umgebungstemperatur an der Schutzeinrichtung erreicht wird. Damit wächst das Verhältnis von Einschaltdauer zu Ausschaltdauer, so daß eine wachsende Erwärmung in der Wicklung bzw. in der Kohlebürste auftritt. Ein lang anhaltender Störfall, besonders unter Berücksichtigung der Extremsituationen, niedrigste Umgebungstemperatur von -40°C und geringste Betriebsspannung von z.B. 9 V, schließt somit eine schädigende Überhitzungsgefahr nicht aus, wobei nur zur Verdeutlichung darauf hingewiesen werden darf, daß geräuscharm arbeitende und billig herzustellende Kohlebürstenführungen aus Kunststoff, regelmäßig aus Polyamid, mit einer Wärmebelastbarkeit von ca. 200 °C bestehen.
Weitere Schutzeinrichtungen sind aus US-A-4 086 558 and EP-A-0 090 491 bekannt.
Durch Verwendung von Schutzeinrichtungen höherer Stromempfindlichkeiten kann die Gefahr für die thermische Überlastung verringert werden, jedoch ergeben sich dann Einschränkungen in der Nutzungsdauer der Motoren bei den höchsten Verwendungstemperaturen von +80°C und kurzzeitigen Überlastungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mittels einer Schutzeinrichtung der in Rede stehenden Art erreichbare Schutzwirkung durch Begrenzung der Bürsten- und Wicklungstemperaturanstiege auch bei lang anhaltendem störungsbedingtem Überlastzustand des Motors zu verbessern und gleichzeitig die Nutzungsdauer der Motoren im gesamten Verwendungstemperaturbereich und Betriebsspannungsbereich für den nutzbaren kurzzeitigen Überlastzustand zu verbessern.
Ausgehend von einer Schutzeinrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Bemessung der Verhältnisse der elektrischen Widerstandswerte und der Wärmespeichervermögen von allein Bimetallelement und zu diesem als großflächiger Wärmestrahler ausgebildeten und angeordneten Tragteil derart, daß die auf eine erste durch normales Einschalten des Motors und der ersten Wärmeüberlastungsabschaltung bestimmte Haltezeit bei anhaltender Überlastung und konstantem Strom folgenden Schaltzyklen eine zunehmend kürzer werdende Einschaltdauer ergeben. Bei Blockierung des Motors ergeben sich trotz des abfallenden Blockierstromes nahezu konstante Einschaltdauern bis die Rückführung durch Umgebungstemperaturanstieg am Einbauort der Schutzeinrichtung wirksam wird und ein thermischer Gleichgewichtszustand bei einer geringen Einschaltdauer (ED) erreicht wird.
Erfindungsgemäß sind die Verhältnisse der Wärmespeicherfähigkeit - die hier vorgesehenen Widerstandsmaterialien liegen im Bereich der spezifischen Wärmekapazität von 0,095 kcal/kg grd. und 0,114 kcal/kg grd. und bei Wichten von 8,600 kp/m3 bis 7.900 kp/m3, so daß die Massen zumindest annähernd im Verhältnis zu ihrer Wärmespeicherfähigkeit vergleichbar sind - und die Wahl des Verhältnisses des elektrischen Widerstandes und der Masse von Tragteil als Wärmespeicher zu elektrischem Widerstand und Masse des Bimetalls entscheidend dafür, daß man in dem auf die erste Haltezeit (erstes Enschaltintervall) folgenden Schaltzyklen bei anhaltender Überlast zunehmend kürzer werdende Einschaltdauern bis zum Erreichen des thermischen Gleichgewichtes erhält und das Verhältnis von Einschaltdauer zu Ausschaltdauer zunimmt. Dieses Verhalten führt insbesondere dazu, daß sich ein eingeschwungener Gleichgewichtszustand ohne Überschwingen der Bürste - und der Wicklungstemperaturen erreichen läßt, und zwar vorzugsweise derart, daß nach der ersten, möglichst langen Haltezeit, die folgende Pausezeit kleiner bis gleich 15 Sek. beträgt und die zweite Haltezeit nicht kleiner 0,7 Sek. liegt. Die Begrenzung der Ausschaltdauer in diesem Umfange empfiehlt sich, weil der Benutzer des Motors bzw. des damit angetriebenen Gegenstandes ansonsten zur Annahme eines echten Fehlers neigt.
Die Schalttemperaturdifferenz (Delta K) zwischen effektiv erreichter Endtemperatur des Bimetallschaltgliedes und der festliegenden Rückschalttemperatur des Schaltgliedes vergrößert sich gezielt mit zunehmender Strombelastung durch die überlagerte Hysterese der thermischen Rückführung. Durch den gezielt bemessenen Wärmespeicher bzw. die vorerwähnten Verhältnisse von Wärmespeichervermögen und elektrischem Widerstand des Tragteils als Wärmespeichers einerseits und des Bimetallelementes erreicht man, daß mit ein und derselben Schutzeinrichtung eine große Bandbreite unterschiedlicher Empfindlichkeiten abgedeckt werden kann. Die erzielbaren Strom-/Zeit-Auslösekennlinien sind sehr steil und ergeben lange erste Haltezeiten bei hohem Strom und hoher Umgebungstemperatur sowie hohe Stromempfindlichkeiten im Haltezeit-Bereich von 30 Sek., der für Kurzzeitmotoren mit großen Temperatur-Änderungsgeschwindigkeiten und damit geringen Zeitkonstanten sehr wichtig ist (z.B. bei Umgebungstemperatur -40°C und der unteren Grenzspannung von 9 V).
Eine derartige Schutzeinrichtung erfindungsgemäßer Art zeichnet sich insbesondere dadurch aus, daß das Tragteil als flächiger Wärmestrahler im wesentlichen flächenparallel und teilflächendeckend gering beabstandet zu wenigstens einer der beiden Breitflächen des Bimetallelementes verlaufend angeordnet ist, daß das Verhältnis der Wärmespeichervermögen (Massen) von Tragteil zu Bimetallelement größer/gleich 1,5 : 1 bis 3,5 : 1 ist und daß das Verhältnis der elektrischen Widerstände von Tragteil zu Bimetallelement größer/gleich 4 : 1 bis 8 : 1 ist.
In weiterhin bevorzugter Ausführung bzw. Vorgehensweise wird das Tragteil als Wärmespeicher an die vorerwähnten Verhältnisse angepaßt ausgestaltet, und zwar durch gezielte Formgebung bestimmter Bereiche definierte Zonen zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes und des Wärmeleitvermögens. Zu diesem Zwecke kann insbesondere eine Zonenausformung durch eine oder mehrere Aussparungen in dem Tragteil ausgebildet sein.
Das Tragteil kann ein- oder mehrteilig ausgebildet uns sich benachbart an nur einer der Breitflächen des Bimetallelementes erstrecken, es kann aber auch zwischen entsprechenden Teilabschnitten das Bimetallelement beidseitig der Breitflächen zwischen sich aufnehmen.
In praktisch bevorzugter Ausführung ist das Bimetallelement als breitflächiges Schnappscheibeelement mit einer nach innen abragenden Wurzel zur Festlegung an einem aus der Ebene des Tragteils ausgekröpften Befestigungsende versehen und mit einer von den von einer Anschlußfahne getragenen festen Kontaktteil nach außen abragenden Zunge ausgebildet, die den durch die wärmeabhängige Schnappbewegung des Bimetallelementes bewegten Kontaktteil trägt. Dabei weist das Tragteil einen die Wurzel und anschließende Bereiche des Bimetallelementes großflächig überdeckenden Steg und an dessen Endbereichen zwei gleichgerichtet abstrebende Schenkel auf, deren einer kürzer ausgebildet in das zum anderen Schenkelende hin gerichtet abgekröpft anschließende Befestigungsende mündet, während der andere Schenkel länger ausgebildet in eine Anschlußfahne übergeht. Die Schutzeinrichtung kann ein das Bimetallelement und das Tragteil einhüllendes Gehäuse aufweisen, das mittels eines die Einzelteile und Anschlüsse haltenden Sockels verschließbar ist.
Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispieles nachstehend näher erläutert. Es zeigen
Figur 1
eine schematische Seitenansicht;
Figur 2
eine schematische Stirnansicht, von der den Anschlußfahnen abgewandten Seite her und
Figur 3
eine Draufsicht etwa senkrecht zur flächigen Erstreckung von Bimetallelement und Tragteil.
Die insgesamt mit 1 in den drei Darstellungen gezeigte beispielhafte Schutzeinrichtung weist einen Sockel 2 auf, welcher sämtliche Bauteile der Schutzeinrichtung haltert und dem Aufstecken eines nicht gezeigten Gehäuses dient, das im aufgesteckten Zustand die Bauteile mit Ausnahme der aus dem Sockel austretenden Anschlußfahnen 4 und 5 einschließt.
Ein flächiges Tragteil 3 durchläuft den Sockel 2 und mündet nach außen in die Anschlußfahne 4, und eine weitere Anschlußfahne 5 durchläuft den Sockel 2 und trägt an einem zur anderen Fahne 4 hin abgewinkelten Endabschnitt den festen Kontaktteil 7 eines insgesamt mit 6 bezeichneten Unterbrecherkontaktes.
Ein beweglicher Kontaktteil 8 ist an einer nach außen auf den festen Kontaktteil 7 zu gerichteten Zunge 9 eines als Schnappscheibe ausgebildeten Bimetallelementes 10 befestigt, das seinerseits über einen ins Innere des Ringes ragenden Wurzelbereich 11 mit einem auf die Ringebene zu abgekröpften Befestigungsende 12 des Tragteils 3 an diesem festgelegt ist, bspw. durch eine Punktverschweißung oder dgl. dauerhafte Befestigung.
Das Tragteil 3 ist in seinem der Anschlußfahne 4 abgewandten Bereich mit einem Steg 15 versehen, der quer zur Längsrichtung der Anschlußfahnen 4 und 5 über die Breite des flächigen Bimetallelementes 10 dessen Breitfläche teilweise abdeckend geführt ist und an dessen beiden Enden rechtwinklig Schenkel abstehen, deren einer 13 auf die Anschlußfahne 5 zu gerichtet und dann rechtwinklig abgeknickt in das abgekröpfte Befestigungsende 12 mündet, während der andere Schenkel 14 geradlinig in die Anschlußfahne 4 übergeht. Der hier besonders interessierende Bereich des flächigen Tragteils 3, der verhältnismäßig eng benachbart dem Bimetallelement 10 zugeordnet und dieses teilflächig breitseitig überdeckend angeordnet ist, trägt in der Zeichnung hervorhebend eine Schraffur. Das Tragteil 3 bildet einen Wärmespeicher, zwischen dem und dem Bimetallelement 10 ein Wärmeübergang vor allem durch Wärmestrahlung stattfindet.
Das Bimetallelement 10 ist hinsichtlich seiner Masse und seines elektrischen Widerstandes wesentlich weiter vorgegeben als das Tragteil, so daß dieses als Wärmespeicher hinsichtlich seines Wärmespeichervermögens bzw. seiner Masse und seines elektrischen Widerstandes an das Bimetallelement angepaßt werden kann, und zwar in einem Verhältnis von 1,5 : 1 bis 3,5 : 1 hinsichtlich Masse Tragteil als Wärmespeicher zu Masse Bimetallelement und im Verhältnis von 4 : 1 bis 8 : 1 hinsichtlich des elektrischen Widerstandes Tragteil zu elektrischem Widerstand Bimetallelement. Eine entsprechende Anpassungsmöglichkeit läßt sich durch Ausnehmungen und Aussparungen, wie im Steg 15 des Tragteils 3 bei 16 gezeigt, vornehmen. Die durch diese Ausnehmung 16 im Steg 15 gebildeten stabförmigen Zonen 17 und 18 bestimmen neben dem elektrischen Widerstand auch das Wärmeleitvermögen, so daß der Wärmeabfluß aus dem Tragteil 3 über das abgekröpfte Befestigungsende 12 in den Wurzelbereich 11 des Bimetallelementes 10 oder umgekehrt gerichtet ebenfalls beeinflußbar ist.
Zwischen den Anschlußfahnen 4 und 5, die in den Speisekreis der nicht dargestellten Motorwicklung eingeschaltet sind, liegen der Unterbrecherkontakt 6, das Bimetallelement 10 und das Tragteil 13 in einer elektrischen Reihenschaltung, so daß im Falle der Motorspeisung der Speisestrom die vorgenannten Teile der Schutzeinrichtung durchfließt, wobei die im vorstehenden Verhältnis gezielt elektrisch widerstandbehafteten Bauteile Bimetallelement 10 und Tragteil 3 sich erwärmen und wiederum im vorstehenden Verhältnis Wärme speichern. Bei Überlastung des Motors öffnet das Bimetallelement 10 durch seine wärmeabhängige Verformung den Unterbrecherkontakt 6 und unterbricht damit den Stromfluß durch die Motorwicklung und die Schutzeinrichtung. Die Wärmebeaufschlagung des Bimetallelementes wird durch die getroffene Wärmespeicherung derart beeinflußt, daß bei vorausgegangener hoher Überbelastung z.B. bei hoher Betriebsspannung und daraus resultierendem hohem Strom, die nachfolgende erste Pausezeit verlängert wird und daß die nachfolgenden Haltezeiten kürzer werden und die folgenden Pausezeiten trotz des abfallenden Stromes durch die Wicklungserwärmung etwa gleich bleiben, so daß die Einschaltdauer (ED) kürzer wird, ohne daß zunächst eine Rückführung von Motorwärme durch die Ankererwärmung benötigt wird. Mit zunehmender Motorerwärmung bei anhaltender Überlastung werden die Einschaltzeiten zunehmend kürzer und die Pausezeiten länger bis ein thermischer Gleichgewichtszustand erreicht ist. Dieser Gleichgewichtszustand wird bei einer extrem niedrigen Einschaltdauer von typisch unter 5% erreicht, so daß die resultierenden Wicklungstemperaturen und Kohlebürstentemperaturen sehr niedrige Werte, z.B. typisch 150 - 180°C Wicklungstemperatur und 135 - 170°C Kohletemperatur, erreichen.

Claims (10)

  1. Schutzeinrichtung (1) gegen Wärmeüberlastung eines Elektro-Kleinmotors für hohe thermische Belastbarkeit, insbesondere ausgerüstet mit einem Stator aus Dauermagnetwerkstoff und einem eine elektrisch gespeiste Wicklung aufweisenden Rotor und eingesetzt als Kurzzeitläufer-Motoren für Kraftfahrzeug-Ausrüstungsteile, die einen in den Motorspeisekreis eingeschalteten Unterbrecherkontakt (6) aufweist, der durch ein Bimetallelement (10) den Kontakt bei bestimmter Erwärmung - vorzugsweise schlagartig, z.B. nach Art eines Schnappringes öffnend betätigt ist, welches an einem ein- oder mehrteiligen Tragteil (3) gehalten ist, wobei der Unterbrecherkontakt (6), das Bimetallelement (10) und das Tragteil (3) in elektrischer Reihenschaltung angeordnet sind sowie das Bimetallelement (10) und das Tragteil (3) hinsichtlich des jeweiligen elektrischen Widerstandes und des jeweiligen Wärmespeichervermögens bestimmte Verhältnisse zueinander aufweisen und räumlich in etwa breitflächig paralleler überlappender Zuordnung zueinander angeordnet sind,
    gekennzeichnet durch
    die Bemessung der Verhältnisse der elektrischen Widerstandswerte und der Wärmespeichervermögen von allein Bimetallelement (10) und zu diesem als großflächiger Wärmestrahler ausgebildeten und angeordneten Tragteil (3) derart, daß die auf eine erste durch normales Einschalten des Motors und der ersten Wärmeüberlastungsabschaltung bestimmte Haltezeit bei anhaltender Überlastung und konstantem Strom folgenden Schaltzyklen eine zunehmend kürzer werdende Einschaltdauer ergeben und ein zunehmendes Verhältnis von Ausschaltdauer zu Einschaltdauer aufweisen.
  2. Schutzeinrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß bei anhaltender Überlastung des Motors die an die Haltezeit anschließende Schaltzyklenfolge einen eingeschwungenen Enderwärmungszustand ohne Überschwingen der Bürsten- und Wicklungstemperatur erreicht.
  3. Schutzeinrichtung nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß im eingeschwungenen Zustand die Einschaltdauer nicht kleiner als 0,7 sek. und die Ausschaltdauer kleiner bis gleich 15 sek. beträgt.
  4. Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Tragteil (3) als flächiger Wärmestrahler im wesentlichen flächenparallel und teilflächendeckend gering beabstandet zu wenigstens einer der beiden Breitflächen des Bimetallelementes (10) verlaufend angeordnet ist,
    daß das Verhältnis der Wärmespeichervermögen, d.h. Massen, von Tragteil (3) zu Bimetallelement (10) größer/gleich 1,5 : 1 bis 3,5 :1 ist und
    daß das Verhältnis der elektrischen Widerstände von Tragteil (3) zu Bimetallelement (10) größer/gleich 4 : 1 bis 8 : 1 ist.
  5. Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Tragteil (3) durch gezielte Formgebung bestimmter Bereiche definierte Zonen (17, 18) zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes und des Wärmeleitvermögens des Tragteils (3) aufweist.
  6. Schutzeinrichtung nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Zonenausformung durch eine oder mehrere Aussparungen (16) gebildet ist.
  7. Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Bimetallelement (10) als breitflächiges Schnappringelement mit einer nach innen abragenden Wurzel (11) zur Festlegung an einem aus der Ebene des Tragteils (3) ausgekröpften Befestigungsende (12) und mit einer von den von einer Anschlußfahne (5) getragenen festen Kontaktteil (7) nach außen abragenden Zunge (9) ausgebildet ist, die den durch die wärmeabhängige Schnappbewegung des Bimetallelementes (10) bewegten Kontaktteil (8) trägt.
  8. Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Tragteil (3) einen die Wurzel (11) und anschließende Bereiche des Bimetallelementes (10) großflächig überdeckenden Steg (15) und an dessen Endbereichen zwei gleichgerichtet abstrebende Schenkel (13, 14) aufweist, deren einer (13) kürzer ausgebildet in das zum anderen Schenkelende (14) hin gerichtet abgekröpft anschließende Befestigungsende (12) mündet, während der andere Schenkel (14) länger ausgebildet in eine Anschlußfahne (4) übergeht.
  9. Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß in den Steg (15) des Tragteils (3) eine Aussparung (16) eingebracht ist.
  10. Schutzeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Anschlußfahnen (4, 5) in einem Sockel (2) gehalten sind, auf den ein das Bimetallelement (10) und das Tragteil (3) umgreifendes Gehäuse aufsetzbar ist.
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