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Patent Searching and Data


Title:
CURRENT INTERRUPTION DEVICE FOR PROTECTING AN ELECTRIC MOTOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2020/079099
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a current interruption device (1) which can be integrated in the current supply (2) of an electric motor (3) and is designed to interrupt the current supply (2) when a defined temperature TG is reached. The device is designed with an accommodating housing (10) which accommodates an electrically conductive substance (20) which can be changed in volume by increasing the temperature. A first and a second terminal (11a, 11b) are provided for series connection to the current supply (2), and at least one of the terminals (11a, 11b) is brought into electrical contact with or isolated from the conductive substance (20) depending on the temperature-dependent volume of the conductive substance (20), and a current flow from the first terminal (11a) to the second terminal (11b) is hence either made possible or interrupted.

More Like This:
JPS57141821MERCURY SWITCH
Inventors:
WYSTUP RALPH (DE)
HUMM MARKUS (DE)
ROSENBERGER DANIEL (DE)
Application Number:
PCT/EP2019/078120
Publication Date:
April 23, 2020
Filing Date:
October 16, 2019
Export Citation:
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Assignee:
EBM PAPST MULFINGEN GMBH & CO KG (DE)
International Classes:
H01H29/06; H01H29/30; H01H37/36; H01H37/46
Foreign References:
DE10307933B32004-06-03
US0475340A1892-05-24
CN102592883B2014-06-11
JPH07177790A1995-07-14
EP2535993A12012-12-19
Attorney, Agent or Firm:
PETER, Julian (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Stromunterbrechungsvorrichtung (1) integrierbar in die Stromzuführung (2) eines Elektromotors (3) ausgebildet zur Unterbrechung der Stromzuführung (2) bei Erreichen einer definierten Temperatur TG ausgebildet mit einem Aufnahmegehäuse (10) in dem eine durch

Temperaturerhöhung volumenveränderbare elektrisch leitfähige Sub stanz (20) aufgenommen ist, wobei ein erster und zweiter Anschluss (11a, 11b) zum seriellen Anschluss in die Stromzuführung (2) vorgesehen ist und wenigstens einer der Anschlüsse (11 a, 11 b) je nach dem temperaturabhängigen Volumen der leitfähigen Substanz (20) mit der leitfähigen Substanz (20) elektrisch kontaktiert oder getrennt wird und dadurch ein Stromfluss von dem ersten Anschluss (11a) zu dem zweiten Anschluss (11b) entweder ermöglicht oder unterbrochen wird.

2. Stromunterbrechungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1 , dadurch ge- kennzeichnet, dass wenigstens die Temperatur TG bei der eine Unter brechung zwischen den beiden Anschlüssen (11a, 11 b) erfolgen soll eine Temperatur ist, bei der die elektrisch leitfähige Substanz (20) ih ren Phasenübergang vom festen in den flüssigen Zustand besitzt.

3. Stromunterbrechungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Substanz (20) eine me tallische Legierung ist, die eine Dichteanomalie im Temperaturbereich um die Temperatur TG herum besitzt.

4. Stromunterbrechungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige Substanz (20) eine Bismut-Legierung, vorzugsweise eine Bismut-Zinn-

Legierung ist.

5. Stromunterbrechungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine Erfassungsein richtung (5) vorgesehen ist, um zu ermitteln, ob sich die elektrisch leit fähige Substanz (20) in einem ausgedehnten oder einem im Volumen verringerten Zustand befindet. 6. Stromunterbrechungsvorrichtung (1) nach dem vorhergehenden An- spruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (5) ein Füllstandsensor ist, der mit einem Sensorelement (5a) durch eine Öffnung in den Aufnahmeraum im Aufnahmegehäuse (10), vorzugs weise an einer Stelle unmittelbar benachbart zu demjenigen An- Schluss (11a, 11 b) zwischen dem eine leitfähige Verbindung hergestellt oder getrennt ist, so dass je nach dem temperaturabhängigen Volumen der leitfähigen Substanz (20) das Sensorelement (5a) mit der leitfähigen Substanz (20) mehr oder weniger elektrisch kontaktiert oder komplett getrennt wird.

7. Stromunterbrechungsvorrichtung (1) nach dem Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (5) ein Sen- sor ist, der mit einem Sensorelement (5a) an einer Öffnung am Auf- nahmegehäuse (10) im Bereich eines Überlaufkanals (12) angebracht ist und je nach dem temperaturabhängigen Volumen der leitfähigen Substanz (20) diese infolge einer Volumenausdehnung in den Überlaufkanal eintritt und dort vom Sensor (5) detektiert werden kann, um davon abhängig eine Stromunterbrechung zu bewirken.

8. Stromunterbrechungsvorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, dass die Erfassungseinrichtung (5) eine Einrichtung zur Spannungsmessung oder zur Widerstandsmessung zur Bestimmung des Füllstands im Überlaufkanal (12) besitzt.

9. Elektromotor mit einer Stromzuführung, wobei eine Stromunterbre- chungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche in die Stromzuführung seriell mit den beiden Anschlüssen (11a, 11b) integriert ist.

Description:
Stromunterbrechungsvorrichtung zum Schutz eines Elektromotors

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft eine Stromunterbrechungsvorrichtung zum Schutz ei nes Geräts, insbesondere eines Elektromotors, vor einer thermischen Über- lastung.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass zum Schutz vor thermischer Motorüberlastung neben einem Überlastrelais, das anhand der Motorstromaufnahme eine Überlastung des Motors erkennt, z. B. auch Thermistor schutzschaltungen verwendet werden, die die Temperatur einer Motorwick- lung detektieren und auswerten. Zur Erfassung der Temperatur der Motor wicklung kommen dabei verschiedene Temperaturdetektorelemente bzw. Sensoren, wie z. B. Temperaturfühler, insbesondere PTC-Thermistoren (PTC: positive temperature coefficient), PTIOO-Fühler und KTY-Fühler (mit PTC-Charakteristik), deren elektrischer Widerstand sich abhängig von der detektierten Temperatur ändert zur Anwendung. Die Funktionsweise des Übertemperaturschutzes aus den im Stand der Technik bekannten Lösungen mit einem PTC-Fühler basiert auf dem Prinzip, dass zwei temperaturabhän- gige Widerstandsbereiche verwendet werden. Es liegt der Widerstand eines solchen Temperaturdetektorelementes in einem ersten Widerstandsbereich, solange sich die Motorwicklung in einem Temperaturbereich befindet, der unproblematisch ist. Der zweite Widerstandsbereich, dessen Widerstands- werte beispielsweise größer sind als die des ersten Widerstandsbereichs, entspricht dann einer Temperatur über einem systemspezifischen Schwel- lenwert.

Bei den genannten Temperaturdetektorelementen, den Temperaturfühlern, wird die Überlast des Motors durch die Widerstandsänderung der Tempera turdetektorelemente innerhalb vordefinierter Wertebereiche ausgewertet. Dagegen trennt ein sogenanntes Thermo-Click-Element in seinem üblichen Anwendungsgebiet bei Erreichen des Temperaturschwellwerts den Stromkreis durch eine Motorwicklung.

Temperaturfühler werden dagegen mittels einer Schutzschaltung ausgewer tet, die im Wesentlichen den elektrischen Widerstand der betreffenden Temperaturdetektorelemente bestimmt, und ein Meldungssignal an einen Schal- ter, an eine Auswerteschaltung oder dergleichen ausgibt, wodurch z. B. ein

Abschalten des Gerätes ausgelöst bzw. eine sonstige vorbestimmte Funktion gestartet wird, wenn abhängig von der gemessenen Temperatur eine thermi sche Überlast erkannt wird. Bei größeren Wicklungsströmen schaltet dabei das Sensorelement oder der Temperaturwächter nicht direkt den Wicklungs- ström, sondern wirkt auf die Stromversorgung oder die Ansteuerung der Leis tungsendstufe.

Aus der EP 2535993 A1 ist eine Ansteuerschaltung für einen kollektorlosen, elektronisch kommutierten Gleichstrom-Motor, d. h. für einen so genannten EC-Motor mit einer an einer Versorgungsgleichspannung liegenden Halbleiter-Endstufe bekannt, die von einer elektronischen Kommutierungssteuerung über eine Treiberstufe zum zeitlich versetzten Ansteuern von

Statorwicklungen des Motors zwecks Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes für einen Rotor in Abhängigkeit von der Rotor-Drehstellung ange- steuert wird.

Solche EC-Motoren müssen entsprechend gültiger nationaler und internationaler Normbestimmungen vor Überhitzungen im Falle von abnormalen Be triebssituationen geschützt werden.

Die in der Praxis bisher eingesetzten Verfahren haben nahezu alle einen sys- temspezifischen Nachteil aufgrund der spezifischen Lösung, die man ver- wendet. Einerseits gibt es Platzprobleme, um die Sensoren unter zu bringen. Andererseits bedarf es zusätzlicher kostenintensiver Baugruppen und Mon tagen, um die jeweilige Temperaturüberwachung in dem Motor zu implemen tieren. Ferner gibt es Probleme, die es in der Praxis aufgrund eines schnellen Tem peraturanstieges zu berücksichtigen gibt. So kann es z. B. im Falle einer Rotorblockierung des Motors abhängig von der Wicklungsauslegung zu schnellen Wicklungstemperaturanstiegen kommen. In der Folge treten unzulässig hohe Wicklungstemperaturen auf, die aber auf Grund der trägen Tempera- tursensoren nicht rechtzeitig die Abschaltung der Bestromung des Motors bewirkt, da das Ansprechverhalten dafür zu langsam ist. Der vorliegenden Erfindung liegt demnach die Aufgabe zu Grunde, eine Vor richtung zu schaffen, die eine erhöhte Betriebssicherheit zur Vermeidung von Motor-Überhitzungen gewährleistet und zuverlässig einen Temperaturanstieg insbesondere oberhalb einer zulässigen Grenztemperatur erfasst und den Motor vor einer Überhitzung schützt.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Anspruch 1 ge- löst.

Erfindungsgemäß wird hierzu eine Stromunterbrechungsvorrichtung integ rierbar in die Stromzuführung eines Elektromotors vorgeschlagen, die aus- gebildet ist, zur Unterbrechung der Stromzuführung bei Erreichen einer definierten Temperatur TG, wobei diese mit einem Aufnahmegehäuse ausgebil- det ist, in dem eine durch Temperaturerhöhung volumenveränderbare (infol ge der Veränderung der Dichte) elektrisch leitfähige Substanz aufgenommen ist. Ferner sind ein erster und zweiter Anschluss zum seriellen Anschluss in die Stromzuführung vorgesehen ist und wenigstens einer der Anschlüsse je nach dem temperaturabhängigen Volumen der leitfähigen Substanz mit der leitfähigen Substanz (aufgrund einer Volumenänderung) elektrisch kontaktiert oder getrennt wird und dadurch ein Stromfluss von dem ersten Anschluss (zu dem zweiten Anschluss entweder ermöglicht oder unterbrochen wird. Bevorzugt ist dabei eine Ausgestaltung bei der wenigstens die Temperatur T G bei der eine Unterbrechung zwischen den beiden Anschlüssen erfolgen soll, eine Temperatur ist, bei der die elektrisch leitfähige Substanz ihren Pha senübergang vom festen in den flüssigen Zustand besitzt.

Erfindungsgemäß werden zwei Konzepte vorgeschlagen. Bei dem ersten Konzept wird die Dichteanomalie von flüssigen Substanzen ausgenutzt, bei der sich bei einer Temperaturerhöhung die Dichte erhöht und damit das Vo lumen reduziert wird. Hierdurch kann erreicht werden, dass bei Einstellung der richtigen Füllmenge sich das Volumen bei einer bestimmten Temperatur mindestens so weit verringert, dass der elektrische Kontakt zwischen einer Kontaktfläche des betreffenden Anschlusses und der leitfähigen Substanz unterbrochen wird und dazwischen ein Spalt liegt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass die elektrisch leitfähige Substanz eine metallische Legierung ist, die eine Dichteanomalie im Temperaturbereich um die Temperatur T G herum besitzt. Durch Wahl der Legierungselemente und deren Masse-%-Beitrag lässt sich daher für einen bestimmten Temperaturbereich eine Dichteanomalie auch einstellen und spezifisch nutzen. Vorteilhaft ist es, wenn die elektrisch leitfähige Substanz eine Bismut- Legierung, vorzugsweise eine Bismut-Zinn-Legierung ist.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ferner eine Er fassungseinrichtung verwendet wird, um zu ermitteln, ob sich die elektrisch leitfähige Substanz in einem (z. B. festen) ausgedehnten oder einem im Vo- lumen verringerten (z. B. flüssigen) Zustand befindet.

Weiter ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Erfassungseinrichtung ein Füll- standsensor ist, der mit einem Sensorelement durch eine Öffnung in den Aufnahmeraum im Aufnahmegehäuse, vorzugsweise an einer Stelle unmittelbar benachbart zu demjenigen Anschluss zwischen dem eine leitfähige Verbindung hergestellt oder getrennt ist, so dass je nach dem temperaturab hängigen Volumen der leitfähigen Substanz das Sensorelement mit der leit fähigen Substanz mehr oder weniger elektrisch kontaktiert oder komplett ge trennt wird.

Ein alternatives Konzept sieht vor, dass nicht die Dichteanomalie, sondern die Volumenausdehnung einer Substanz mit zunehmender Temperaturerhö hung ausgenutzt wird, um den elektrischen Kontakt zwischen einer Kontakt fläche des betreffenden Anschlusses und der leitfähigen Substanz zu unter- brechen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit diesem Konzept ist daher vorgesehen, dass die Erfassungseinrichtung ein Sensor ist, der mit einem Sensorelement an einer Öffnung am Aufnahmegehäuse im Bereich oder innerhalb eines Überlaufkanals angebracht ist und je nach dem temperaturabhängigen Volumen der leitfähigen Substanz diese infolge einer Volu menausdehnung in den Überlaufkanal eintritt und dort vom Sensor detektiert werden kann, um davon abhängig eine Stromunterbrechung zu bewirken oder zu veranlassen. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit diesem Kon zept ist vorgesehen, dass die Erfassungseinrichtung eine Einrichtung zur Spannungsmessung oder zur Widerstandsmessung zur Bestimmung des Füllstands im Überlaufkanal besitzt.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft einen Elektromotor mit einer Stromzuführung, wobei eine Stromunterbrechungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Konzepte in die Stromzuführung seriell mit den beiden Anschlüssen integriert ist.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Be- Schreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1a, 1b eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung und

Fig. 2a, 2b eine schematische Ansicht eines alternativen Ausführungsbei- spiels der Erfindung.

Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die Figuren 1a, 1 b und 2a, 2b näher erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche strukturelle und/oder funktionale Merkmale hinweisen.

Dabei zeigen die Figuren 1a, 1 b lediglich beispielhaft schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Stromunterbrechungsvorrichtung 1 zur Unterbre- chung einer Stromzufuhr eines Elektromotors. Dabei ist selbstredend, dass die Anordnung an einer solchen Position in der Stromzuführung zum Elekt romotor angeordnet ist, bei der die thermischen Belastungen auf die Stromunterbrechungsvorrichtung 1 entsprechend wirken. Dabei kann ganz gezielt eine Temperaturdifferenz DT zwischen der Temperatur an der Position der Stromunterbrechungsvorrichtung 1 und der Position der zu überwachenden Temperatur T G mit berücksichtigt werden und die Funktion der Volumenän- derung darauf abgestimmt werden.

Die Stromunterbrechungsvorrichtung 1 ist integriert in die Stromzuführung 2 des Elektromotors 3. Die Stromunterbrechungsvorrichtung 1 ist mit einem Aufnahmegehäuse 10 ausgebildet, in dem eine durch Temperaturerhöhung volumenveränderbare elektrisch leitfähige Substanz 20 aufgenommen ist.

Ferner sind ein erster und zweiter Anschluss 11a, 11b zum seriellen An- schluss in die Stromzuführung 2 vorgesehen. Der in der Figur 1a obere Anschluss 11a der beiden Anschlüsse 11a, 11b ist so angeordnet und ausge- bildet, dass dieser je nach dem temperaturabhängigen Volumen der leitfähi gen Substanz 20 mit der leitfähigen Substanz 20 elektrisch kontaktiert oder getrennt wird und dadurch ein Stromfluss von dem ersten Anschluss 11a zu dem zweiten Anschluss 11 b entweder ermöglicht oder unterbrochen wird.

Der Zustand bei der die Stromzuführung zum Elektromotor 2 verbunden ist, ist in der Ansicht der Figur 1a gezeigt, während der getrennte Zustand in der

Figur 1 b dargestellt ist. Das Volumen der leitfähigen Substanz 20 hat sich infolge einer Erwärmung und einem Dichte-Anomalie-Effekt soweit verringert, dass kein elektrischer Kontakt zwischen der Substanz 20 und dem oberen Anschluss 11a besteht.

Dabei wurde das Ausführungsbeispiel so gewählt, dass wenigstens die Tem peratur T G bei der eine Unterbrechung zwischen den beiden Anschlüssen 11a, 11b, wie in der Fig. 1b erfolgen soll, eine Temperatur ist, bei der die elektrisch leitfähige Substanz 20 ihren Phasenübergang vom festen in den flüssigen Zustand besitzt. Dies bedeutet, dass der Zustand in der Fig. 2b ein flüssiger Zustand ist.

Insofern ist bei der Implementierung in der Anwendung darauf zu achten, dass die Stromunterbrechungsvorrichtung 1 geeignet orientiert angeordnet ist, so dass sich ein stromunterbrechender Spalt zwischen dem Anschluss 11a und der Substanz 20 ergibt.

In den Figuren 2a und 2b ist lediglich beispielhaft schematisch ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Stromunterbrechungsvorrichtung 1 zur Unter brechung einer Stromzufuhr eines Elektromotors 2 gezeigt. Dabei zeigt die Abbildung in der Fig. 2b einen gegenüber der Abbildung in der Figur 2a erwärmten Zustand. Hier erfolgt die Volumenausdehnung gera de in umgekehrter Richtung. D. h. mit zunehmender Temperatur vergrößert sich das Volumen der Substanz im relevanten Temperaturbereich.

Bei dieser Ausführungsform ist eine Erfassungseinrichtung 5 vorgesehen, um zu ermitteln, ob sich die elektrisch leitfähige Substanz 20 in einem ausge dehnten oder einem im Volumen verringerten Zustand befindet.

Die Erfassungseinrichtung 5 ist hier ein Füllstandsensor, der mit einem Sen sorelement 5a durch eine Öffnung in den Aufnahmeraum im Aufnahmege häuse 10 geführt ist. So kann je nach dem temperaturabhängigen Volumen der leitfähigen Substanz 20 das Sensorelement 5a mit der leitfähigen Sub stanz 20 infolge einer Volumenausdehnung in den Überlaufkanal 12 eintreten und dort vom Sensorelement 5a detektiert werden, um davon abhängig eine Stromunterbrechung zu bewirken.

In der Figur 2a ist ein Zustand gezeigt, bei dem sich keine Substanz 20 im Bereich des Überlaufkanals 12 befindet.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.