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Dokumentenidentifikation DE10146091A1 11.09.2003
Titel Überlastsicherung für Elektromotoren und Verfahren zur Überlastsicherung von Elektromotoren
Anmelder Pierburg GmbH, 41460 Neuss, DE
Erfinder Zacher, Wolfgang, Dr., 04720 Döbeln, DE;
Teubel, Jens, 04720 Döbeln, DE;
König, Knut, 06886 Lutherstadt Wittenberg, DE;
Beyer, Stefan, 04654 Frohburg, DE
Vertreter Patentanwälte von Kreisler, Selting, Werner et col., 50667 Köln
DE-Anmeldedatum 19.09.2001
DE-Aktenzeichen 10146091
Offenlegungstag 11.09.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.09.2003
IPC-Hauptklasse H02H 7/08
IPC-Nebenklasse H02M 5/04   H02P 7/00   F01P 11/00   
Zusammenfassung Eine Überlastsicherung für Elektromotoren weist einen Temperatursensor (10) zum Erfassen einer Temperatur eines oder mehrerer Bauteile des Motors auf. Der Temperatursensor ist mit einer Steuereinheit (12, 14) verbunden, durch die der Motor bei Auftreten von Überlastungen abgeschaltet wird. Erfindungsgemäß wird zusätzlich zu dem Temperatursensor (10) ein Drehzahlsensor (18) vorgesehen, der mit einer Antriebswelle des Motors verbunden ist. Das Signal des Drehzahlsensors wird von der Steuereinheit (12, 14) verarbeitet, wobei der Motor bei Erreichen einer Grenztemperatur und einer Grenzdrehzahl abgeschaltet wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Überlastsicherung für Elektromotoren sowie ein Verfahren zur Überlastsicherung für Elektromotoren.

Beispielsweise bei in Kraftfahrzeugen eingesetzten Wasserumwälzpumpen muss sichergestellt sein, dass das Pumpenrad nicht blockiert. Bei einem Blockieren des Pumpenrades fließt ein hoher Blockierstrom, der die Kupferwicklung des Pumpenmotors stark aufheizt und nach kurzer Zeit zerstört. Um ein Zerstören oder Beschädigen der Kupferwicklung zu vermeiden, ist es bekannt, die Temperatur in der Umgebung des Motors bzw. der Wicklung zu messen und bei Erreichen einer vorgegebenen Grenztemperatur den Motor abzuschalten. Dieses Verfahren wird bei den unterschiedlichsten Einsatzgebieten von Motoren, insbesondere Gleichstrommotoren, angewendet.

Aus der unveröffentlichten Deutschen Patentanmeldung 101 15 675 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Motors bekannt, bei dem auf Grund eines aktuellen Motorstroms und der am Motor anliegenden Speisespannung die aktuelle Leistungsaufnahme des Motors ermittelt wird. Hieraus wird indirekt auf eine Wicklungstemperatur geschlossen. Auf Grundlage dieser berechneten Wicklungstemperatur erfolgt sodann das Abschalten des Motors bei Überschreiten einer vorgegebenen Grenztemperatur.

Beim Bestimmen der Temperatur der Wicklung durch Messen der Umgebungstemperatur mit Hilfe eines Temperatursensors sowie bei der indirekten Berechnungen der Wicklungstemperatur treten stets Ungenauigkeiten auf. Beispielsweise wird die vom Temperatursensor gemessene Umgebungstemperatur auch von anderen Einflußfaktoren, wie beispielsweise der Motortemperatur des Kraftfahrzeugs, beeinflußt, so dass eine exakte Messung der Wicklungstemperatur durch einen die Umgebungstemperatur messenden Sensor nicht möglich ist. Auch die Berechnung der Wicklungstemperatur auf Grundlage der aktuellen Leistungsaufnahme des Motors ist nur mit Hilfe empirisch ermittelter Vergleichswerte möglich. Dies hat stets Ungenauigkeiten zur Folge.

Insbesondere wenn ein Motor im Bereich der Grenztemperaturen betrieben werden soll, ist eine möglichst exakte Bestimmung der Wicklungstemperatur erforderlich, um ein Blockieren des Motors und damit verbundenes Zerstören der Wicklung zu vermeiden. Werden beispielsweise Wasserumwälzpumpen bei Kraftfahrzeugen im Bereich der Grenztemperaturen betrieben, erfolgt ein zyklisches An- und Abschalten der Pumpe.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Überlastsicherung für Elektromotoren sowie ein Verfahren zur Überlastsicherung für Elektromotoren zu schaffen, durch die bzw. durch das ein Betreiben von Elektromotoren in Temperatur-Grenzbereichen möglich wird.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 bzw. 7.

Bei der erfindungsgemäßen Überlastsicherung wird zusätzlich zu dem Erfassen der Temperatur mit Hilfe eines Temperatursensors die Drehzahl der Antriebswelle des Motors mit Hilfe eines Drehzahlsensors erfasst. Die beiden Sensoren sind mit einer Steuereinheit verbunden, wobei der Motor bei Erreichen einer Grenztemperatur und gleichzeitig einer Grenzdrehzahl abgeschaltet wird. Da ein Abschalten des Motors nur erfolgt, wenn beide Bedingungen erfüllt sind, ist es ausgeschlossen, dass der Motor bereits bei Überschreiten einer Grenztemperatur abgeschaltet wird, obwohl die Antriebswelle des Motors bzw. das Pumpenrad einer Wasserumwälzpumpe noch nicht blockiert. Da ein Abschalten des Motors erst erforderlich ist, wenn ein tatsächliches Blockieren auftritt und hierdurch ein erhöhter Blockierstrom hervorgerufen wird, kann ein derartiger Motor auch im Bereich von Grenztemperaturen betrieben werden.

Der Temperatursensor, der üblicherweise in der Nähe der Motorwicklung angeordnet ist und die Umgebungstemperatur der Motorwicklung misst, muss bei der erfindungsgemäßen Überlastsicherung keine besonderen Anforderungen erfüllen. Insbesondere ist eine relativ ungenaue Temperaturmessung ausreichend, da die gemessene Temperatur mit dem Signal des Drehzahlsensors verknüpft wird.

Die Drehzahl des Motors kann an einer Welle, einem Läufer o. dgl. gemessen werden.

Bei einer ersten Ausführungsform wird von dem Drehzahlsensor lediglich festgestellt, ob sich die Antriebswelle des Motors dreht oder nicht. Solange sich die Antriebswelle dreht, erfolgt unabhängig von der Temperatur kein Abschalten des Motors.

Vorzugsweise erzeugt der Drehzahlsensor ein drehzahlproportionales Drehzahl-Signal. Dieses wird an die Steuereinheit des Motors übermittelt. Ein Abschalten des Motors erfolgt sodann bei Unterschreiten einer Grenzdrehzahl und gleichzeitigem Überschreiten einer Grenztemperatur. Dies hat den Vorteil, dass das Abschalten des Motors nicht erst erfolgt, wenn die Antriebswelle vollständig blockiert, sondern bereits zu einem früheren Zeitpunkt, wenn sich die Drehzahl unmittelbar vor dem Blockieren verringert. Hierbei kann es sich bei der Grenzdrehzahl um einen fest vorgegebenen, vorzugsweise in der Steuereinheit gespeicherten, Grenzwert handeln. Ebenso ist es möglich, dass dieser Grenzwert von der momentanen Betriebssituation des Motors abhängig bzw. an diese angepasst ist. Als Kriterium kann auch ein in kurzer Zeit erfolgendes Abnehmen der Motordrehzahl herangezogen werden.

Vorzugsweise wird die erfindungsgemäße Überlastsicherung bei Wasserumwälzpumpen für Kraftfahrzeuge eingesetzt, wobei mit der Antriebswelle des Motors ein Pumpenrad verbunden ist. Durch die erfindungsgemäße Überlastsicherung ist somit auch beim Betreiben der Wasserumwälzpumpe in Temperatur-Grenzbereichen vermieden, dass die Pumpe zyklisch ab- und angeschaltet wird. Ein kontinuierliches Fördern des Kühlwassers ist somit gewährleistet.

Gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überlastsicherung von Elektromotoren wird die Temperatur eines oder mehrerer Bauteile des Motors erfasst. Entsprechend der vorstehend beschriebenen Überlastsicherung erfolgt vorzugsweise ein Erfassen der Temperatur der Motorwicklung, insbesondere der Umgebungstemperatur der Motorwicklung. Ferner wird die Drehzahl einer Antriebswelle des Motors, beispielsweise wie vorstehend beschrieben, erfasst. Erfindungsgemäß wird der Motor bei Erreichen einer Grenztemperatur und einer Grenzdrehzahl abgeschaltet. Vorzugsweise erfolgt das Abschalten des Motors erst bei Überschreiten der Grenztemperatur und gleichzeitigem Unterschreiten der Grenzdrehzahl. Das Verfahren kann, wie vorstehend anhand der Überlastsicherung beschrieben, vorteilhaft weitergebildet sein. Insbesondere erfolgt die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Wasserumwälzpumpen für Kraftfahrzeuge.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer elektrischen Schaltung zur Realisierung der Erfindung.

Ein Temperaturfühler 10 misst die Temperatur der Motorwicklung bzw. eine Umgebungstemperatur der Motorwicklung. Ein Ausgangssignal des Temperatursensors 10 wird beispielsweise mit Hilfe eines Schmitt-Triggers 12 ausgewertet. Ohne das Vorsehen einer erfindungsgemäßen Zusatzschaltung 14 wird bei einer Kipptemperatur, die am Sensor auftritt, der Motor abgeschaltet. Dies erfolgt dadurch, dass an einer Leitung 16 auf Grund des bei erhöhter Temperatur erhöhten Widerstandes des Temperatursensors 10 die Spannung abfällt.

Die erfindungsgemäße Zusatzschaltung 14, die unmittelbar an eine vorhandene, auf eine Temperaturmessung bezogene Schaltung angeschlossen werden kann, weist einen Drehzahlsensor 18 auf, der mit einer Antriebswelle des Motors bzw. dem Pumpenrad verbunden ist. Vorzugsweise wird zur Erfassung der Drehzahl ein vorhandener Drehzahlsensor, wie beispielsweise das Ausgangssignal eines Hall-Sensors, verwendet. Mit Hilfe eines in der Zusatzschaltung vorhandenen Transistors 20 wird ein Kippen des Schmitt-Triggers 12 verhindert. An der Leitung 16 liegt somit auch dann noch ein Signal an, wenn am Temperatursensor 10 bereits die Knicktemperatur überschritten ist. Solange vom Drehzahlsensor 18 ein Signal abgegeben wird, erfolgt ein Überbrücken des Temperatursensors 10. Durch das Vorsehen von Kondensatoren und Widerständen sowie ggf. anderen geeigneten Bauteilen kann ein Überbrücken des durch den Temperatursensor 10 ausgelösten Signals drehzahlabhängig erfolgen. Die Wahl der elektronischen Bauteile ist hierbei von der Art des drehzahlproportionalen Signals, das von dem Drehzahlsensor 18 abgegeben wird, abhängig.

Wird die Schaltung beispielsweise bei Wasserumwälzpumpen für Kraftfahrzeuge eingesetzt, ist als Grenzdrehzahl vorzugsweise eine Grenzdrehzahl von etwa 1.000 U/min. gewählt. Bei Unterschreiten der Grenzdrehzahl von 1.000 U/min. tritt keine Überbrückung des Temperatursensors 10 mehr auf, so dass bei Unterschreiten dieser Grenzdrehzahl der Motor abgeschaltet wird, wenn gleichzeitig die Temperatur einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.

Anstatt der vorstehend beschriebenen Schaltung, die den Vorteil hat, dass die Schaltungserweiterung 14 an bestehende Schaltungen angeschlossen werden kann, ist es auch möglich, die von einem Temperatursensor und einem Drehzahlsensor abgegebenen Signale mit Hilfe von Software zu verarbeiten. Das Verwenden von Software hat den Vorteil, dass Grenzumdrehungszahlen und Grenztemperaturen auf einfache Weise geändert und an die entsprechenden Umgebungsbedingungen angepasst werden können.


Anspruch[de]
  1. 1. Überlastsicherung für Elektromotoren, mit

    einem Temperatursensor (10) zum Erfassen der Temperatur eines oder mehrerer Bauteile des Motors und

    einer mit dem Temperatursensor (10) verbundenen Steuereinrichtung (12, 14), durch die der Motor bei Auftreten von Überlastungen abgeschaltet wird,

    gekennzeichnet durch

    einen die Drehzahl einer Antriebswelle des Motors erfassenden, mit der Steuereinrichtung (12, 14) verbundenen Drehzahlsensors (18), wobei der Motor bei Erreichen einer Grenztemperatur und gleichzeitig einer Grenzdrehzahl abgeschaltet wird.
  2. 2. Überlastsicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (10) die Temperatur der Motorwicklung und/oder die Umgebungstemperatur der Motorwicklung misst.
  3. 3. Überlastsicherung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehzahlsensor (18) ein drehzahlproportionales Drehzahlsignal erzeugt und die Steuereinheit (12, 14) den Motor abschaltet, wenn die Grenzdrehzahl unterschritten und gleichzeitig die Grenztemperatur überschritten ist.
  4. 4. Überlastsicherung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12, 14) einen mit dem Temperatursensor (10) verbundenen Schmitt-Trigger (12), der bei Erreichen der Grenztemperatur den Motor abschaltet, und einen Transistor (20) aufweist, der bei Anliegen eines Drehzahlsignale den Temperatursensor (10) überbrückt.
  5. 5. Überlastsicherung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Überbrückung nur erfolgt, wenn die Grenzdrehzahl überschritten ist.
  6. 6. Wasserumwälzpumpe für Kraftfahrzeuge mit einer Überlastsicherung nach einem der Ansprüche 1-5, wobei die Antriebswelle des Motors mit einem Pumpenrad verbunden ist.
  7. 7. Verfahren zur Überlastsicherung von Elektromotoren, bei welchem

    die Temperatur eines oder mehrerer Bauteile des Motors erfasst wird,

    die Drehzahl einer Antriebswelle des Motors erfasst wird und

    der Motor bei Erreichen einer Grenztemperatur und gleichzeitig einer Grenzdrehzahl abgeschaltet wird.
  8. 7. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem der Motor bei Überschreiten der Grenztemperatur und Unterschreiten der Grenzdrehzahl abgeschaltet wird.
  9. 8. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 6 oder 7 bei einer Wasserumwälzpumpe für Kraftfahrzeuge.






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