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Einrichtung zur Überwachung des Betriebszustandes eines
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Elektromotors Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung zur Überwachung
des Betriebszustandes eines Elektromotors, insbesondere eines Permanentmagnetmotors,
gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus der DE-OS 24 54 660 ist bereits eine Temperaturüberwachungsvorrichtung
bekannt, bei der ein Temperaturfühler in Form eiones druckerzeugenden Thermometers
in Wärmeverbindung mit dem umlaufenden Matorteil gehalten ist. Dieses durckerzeugende
Thermometer wirkt als Kraftglied auf eine Schleifbürste, die mit einem ortsfest
angeordneten, als Signalaufnehmer dienenden Schleifring zusammenwirkt.
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Bei Übertemperatur wird die als Signal geber anzusehende Schleifbürste
in Berührung mit dem ortsfesten Schleifring gebracht und damit in einer Überwachungsstufe
ein Stromkreis für ein Relais geschlossen, das den Motor abschaltet oder eine Warnleuchte
einschaltet. Durch diese Einrichtung soll der Elektromotor vor einer Überlastung
geschützt werden.
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Eine solche Überwachunfseinrichtung hat gegenüber anderen bekannten
Ausführungen mit einem in den Motorstromkreis eingeschleiften Thermoschalter, der
aber am feststehenden Motorteil angeordnet ist, , den Vorteil, daß die Temperatur
an der kritischen Stelle, nämlich der Ankerwicklung überwacht wird. Allerdings ist
diese bekannte Ausführung wegen des technischen Aufwandes insbesondere für Motoren
kleinerer Leistung nicht geeignet, denn die Unterbringung der beweglichen Teile
bereitet dort erhebliche Schwierigkeiten. Außerdem spricht diese bekannte Überwachungseinrichtung
auch bei einem blockierten Motor erst dann an, wenn die Übertemperatur erreicht
ist. Dies ist ein erheb-
licher Nachteil, weil Bei majjchen Anwendungsfällen
der Störungsfall eines blockierten Motors sofort angezeigt werden muß und weil im
übrigen die Versorgung eines blockierten Motors aus der Spannungsquelle rneist schon
deshalb nicht sinnvoll ist, weil dabei nur unnötigerweise Energie in Wärme umgesetzt
wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugninde, eine
Einrichtung zur Überwachung des Retriebszustandes eines Elektromotors zu schaffen,
mit der sowohl die Übertemperatur der Ankerwicklung als auch der Stillstand des
Ankers zuverlässig festgestellt wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
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Der Erfindung liegt dabei die Überlegung zugrunde, daß ein blockierter
Motor sofort abgeschaltet werden sollte, so daß in diesem Betriebsfall die Überwachung
der Aiikertemperatur nicht mehr notwendig ist. Im Gegensatz zu der bekannten Ausführung,
bei der eine Signal übertragung (Kontakt zwischen Schleifbürsteund Schleifring)
bei jeder beliebigen Winkelstellung des Ankers möglich ist, soll gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Übertragung des Signals zwischen Signalgeber und Signalaufnehmer
nur während eines bestimmten Drehwinkelteilbereichs des Ankers stattfinden, wobei
dafür zu sorgen ist, daß bei Übertemperatur der Ankerwicklung die Auslösung eines
Signals durch den Signal geber unterbunden ist. Im Ergebnis werden dabei ton dem
Signal aufnehmer bzw.
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der nachgeschalteten Überwachungsstufe drehzahlabhängige Impulse ausgelöst,
solange sich der Anker dreht und die Temperatur einen zugelassenen Grenzwert nicht
übers chreitet. Steht dagegen der Anker oder ist die Ankertemperatur zu hoch, werden
keine Impulse mehr erzeugt. Dieser Signalunterschied kann zum Abschalten des Elektromotors
ausgenutzt werden. Da sich Schleifkontakte während der Betriebszeit abnutzen und
damit eine einwandfreie Funktion der
Überwachungseinrichtung nicht
mehr gewährleistet ist, wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung
vorgeschlagen, daß der Signalaufnehmer und der Signal geber berührungslos miteinander
gekoppelt sein sollen. Diese berührungslose Kopplung kann optisch, induktiv oder
auch kapazitiv wirken.
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Bei einer optischen Signalkopplung kann der Signalaufnehmer einen
Lichtempfänger und der Signalgeber eine Lichtquelle aufweisen, wobei der Lichtempfänger
bei umlaufendem Anker periodisch von der Lichtquelle angestrahlt wird. Derartige
Ausfiihrungen sind zur Drebzahimessung an sich bekannt, wobei jedoch üblicherweise
die Licht quelle am feststehenden Teil angeordnet ist und mit eine, am Anker befestigten
Lochscheibe zusammenwirkt. Bei der voriiegenden Weiterbildung der Erfindung soll
jedoch die Lichtquelle am Anker angebracht sein, damit die Helligkeit in Abhängigkeit
von der vom Fühler erfaßten Temperatur der Ankerwicklung verändert werden kann.
Beispielsweise könnte in den Stromkreis der Lichtquelle ein temperaturabhängiger
Widerstand eingeschleift sein, der so ausgelegt ist, daß bei Übertemperatur die
Leistung der Lichtquelle so herabgesetzt wird, daß der Signalaufnehmer nicht mehr
anspricht. Obwohl periodisch eine Kopplung zwischen dem Signalgeber und dem Signal
aufnehmer während eines bestimmten Drehwinkelteilbereiches des Ankers stattfindet,
nämlich dann, wenn sich Lichtquelle und Lichtempfänger axial gegenüberstehen, wird
also bei Übertemperatur vom Lichtempfänger kein Signal mehr wahrgenommen. Der Elektromotor
wird damit abgeschaltet. Derselbe Schaltzustand ergibt sich fiir den Signal aufnehmer
mit der nachgeschalteten Überwachungsstufr, wenn soch der Anker nicht riiehr dreht,
da dann eine periodische Kopplung zwischen Signalgeber und Signalaufnehmer nicht
mehr stattfindet.
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Als kostengünstige Lichtquelle tür diesen Anwendungsfall würde man
normalerweise beim heutigen Stand der Technik Leuchtdioden bevorzugen. Die Bctri
ebstemperatur derartiger
Leuchtdioden liegt jedoch meist unterhalb
der zugelassenen Grenztemperatur der Ankerwicklung eines Elektromotors. Daher wird
gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
vorgeschlagen, daß der Signalaufnehmer und der Signalgeber induktiv miteinander
gekoppelt werden. Die induktive Üvertragung eines Signals von einem drelienden Bauteil
zu einem feststehenden Bauteil ist ebenfalls seit langem beispielsweise bei sogenannten
Reifendrucküberwachungsanlagen bekannt. Besonders bevorzugt wird der eine Ausführung,
bei der Signalaufnehmer einen Oszillator und der Signalgeber Mittel zur Beeinflussung
der Schwingung dieses Oszillators aufweist, wobei die Beeinflussung der Oszillatorschwingung
in Abhängigkeit von der vom Fühler erfaßten Temperatur der Ankerwicklung verändert
wird. Dieses Prinzip kann man nämlich mit den an sich bekannten Näherungsschaltern
verwirklichen, die als integrierte Schaltkreise preisgünstig zur Verfügung stehen.
Mit einem solchen Näherungsschalter kann man ein System aufbauen, bei die der ortsfest
angeordnete Oszillatorspule mit einer am Anker fixierten Spule zusarnrnenwirkt,
wobei diese Spule in einen Schaltkreis mit dem temperaturabhängigen Fühler derart
geschaltet ist, daß die Oszillatorschwingungen des Näherungsschalters bei zugelassener
Temperatur der Ankerwicklung periodisch gedämpft wird, wenn sich die Oszillatorspule
und die umlaufende Spule gegenüberstehen. Dagegen soll die Oszillatorschwingung
nicht gedämpft werden, wenn vom Fühler eine Übertemperatur der Ankerwicklung erfaßt
wird. Ein solches System läßt sich kostengünstig herstellen, da man als Temperaturfühler
llandc-lsübliclie Bauteile, beispielsweise einen PTC-Widcrstan<] oder einen STTC-Wide.rstand
oder einen Bimetallschal t er einsetzen karzn.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand des in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 ein Prinzipsclaltbi ld, Fig. 2 einen Teilschnitt
durch einen Elektromotor mitt einem Anker und Fig. 3 Diagramme des Ausgangssignales
des Überwachungss ciial tkreises in Abhängigkeit von der Zeit bei verschiedenen
Betriebszuständen des Elektroniotors.
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In Fig. 1 ist mit 10 insgesamt ein Signalgeber bezeichnet, der in
einem Reihenschaltkreis eine Spule 11, einen Fühler 12 sowie einen Kondensator 13
aufweist. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist als Fehler 12 ein PTC-Widerstand
verwendet, bei dem sich also der Widerstandswert bei steigender Temperatur erhöht.
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Als Signalaufnelrner 20 dient eine Oszillatorspule 21, die einem Kondensator
22 parallel geschaltet ist. Mit 30 ist eine Überwachungsstufe bezeichnet, die gemäß
dem dargestellten Blockschaltbild im einzelnen aus folgenden Kompenenten besteht:
Ein Oszillator 31 erzeugt eine Schwingung, die über die Spule 21 abgestrahlt wird.
Diese Oszillatorschwingung wird in einem Gleichrichter 32 gleichgerichtet, dessen
Ausgangssignal einem Schwellwertschalter 33 zugefiihrt wird, der Ausgangsstufen
34 und schließlich die beiden Transistoren 35 und 36 ansteuert. Zudem gehört zur
Uberwachungsstufe noch ein Spannungsregler 37 sowie eine Verzögerungsschaltung 38.
Die übrigen in der Schaltung noch dargestellten Widerstände und Kondensatoren dienen
zur Einstellung der Hysterese und der Einschaltverzögerung. Eine solche Überwachungsstufe
wird als integrierter Schaltkreis unter der Bezeichnullg TCA 205 von der Firma Siemens
serienmäßig geliefert. Es genügt dalier, wenn im folgenden nur kurz die für die
vorliegeiide Erfindung wesentliche Funktion dieses
Schaltkreises
beschrieben wird.
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Solange der Oszillator 31 mit einer bestimmten Amplitude schwingt,
nimmt- der Schwellwertschalter 33 seinen einen Schaltzustand ein, in der der Transistor
36 angesteuert, der Transistor 35 dagegen gesperrt wird. Damit liegt am Ausgang
A des Schal ikrei ses Massepotential, am komplementären Ausgang A dagegen positives
Potential. Reißt dagegeil die Schwingung des Oszillators 31 ab, nimrnt der Schwellwertschalter
33 einen solchen Schaltzustand ein, daß der Transistor 35 leitet und der Transistor
36 sperrt ist. Damit liegt am komplementären Ausgang A Massepotential, am Ausgang
A dagegen positives Potential an.
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Fig. 2 zeigt einen Teilschnitt durch einen insgesamt mit 40 bezeichneten
Anker eines Elektromotors, der in einem nicht näher dargestellten Gehäuse eines
Permanentmagnetmotors drehbar gelagert ist. Zu dem Anker gehört eine Ankerwelle
41, die ein Blechpaket 42 trägt. Dieses Blechpaket 42 hat Längsnuten 43, die in
bekannter Weise die AnkerwickZung 414 aufnehmen. Über die Wickelköpfe der Ankerwicklung
44 sind wannenförmige Abdeckkappen 45 gestülpt, von deren Rand Stege 46 ausgehen,
die in die Längsnuten 43 in diesem Blechpaket 42 hineingesteckt sind. Diese Abdeckkappen
45 sind also drehfest mit dem Anker 40 verbunden. An dieser Abdeckkappe 45 ist nun
ein Spulenkörper 47 befestigt, der die Spu]e 11 auf nimmt. Ein Spulenkörper 48 für
die Oszillatorspule 21 istortsfest im Motorgehiiuse untergebracht, beispielsweise
an der nur angedeuteten Bürstentragplatte 149 befestigt.
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Bei jeder Umdrehung des Ankers 40 stehen sich folglich die Spulen
11 und 21 nur während einer ganz bestimmten Winkelstellung des Ankers kurzzeitig
gegenüber. Nur während diesem bestimmten Drhwinkelteilbereich des Ankers ist eine
Signalübertragung von der Sigi'algeberspule 11 auf die Signalaufnehmerspule 21 möglich.
Im übrigen Drehwinkelbereich des Ankers wird die Oszillatorspule 21 von der Signalgeberspule
11
dagegen nicht beeinflußt.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird im folgenden die Funktion dieser
Überwachungseinrichtung näher erläutert: Zunächst wird der ordnungdgemäße Betriebsfall
angenommen, das heißt, der Motor i,ii i.m Leerlauf betrieben und die Temperatur
der Ankerwicklung liegt damit in zulässigen Bereichen. Das bedeutet, daß der Wert
des PTC-Widerstandes verhältnismäßig klein ist. Folglich wird die Schwingung des
Oszillators 31 jeweils dann gedämpft, wenn sich die beiden Spulen 11 und 21 axial
gegenüberstehen. Im übrigen Drehwinkelbereich des Ankers wird dagegen die Oszillatorschwingung
nicht gedämpft. Dies hat zur Folge, daß am Ausgang A jeweils dann eine positive
Spannung meßbar ist, wenn sich die beiden Spulen 11 und 21 gegenüberstehen und damit
die Oszillatorschwingung gedämpft wird bzw. abreißt. Während des übrigen Drehwinkelbereiclies
schwingt dagegen der Oszillat or 31 und am Ausgang A liegt nahezu Massepotential.
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Am Ausgang A ist also der in Fig. 3a gezeichnete Spannungsverlauf
meßbar, wobei der zeitliche Abstand der Impulse ein Maß für die Drehzahl des Ankers
ist. Fig. 3b zeigt den Spannungsverlauf am Ausgang A, wenn die Drehzahl des Motors
herabgesetzt wird. Der Abstand zwischen den Impulsen vergrößert sich dann. Bei dem
Betriebsfall gemäß Fig. 3b liegt die Temperatur noch im zulässigell Bereich. Dies
gilt auch für Fig. 3c, doch hat. sich nun die Temperatur der Ankerwick)ung bereits
auf etwa 100 Grad Celsius erhöht.
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Die Breite der Impulse liat sich gegenüber Fig. 3b verringert. Fig.
3d zeigt s(}lließl.ich das Signal am Ausgang A bei einer Ankertemperatur von 170
Grad Celsius. Obwohl sich der Anker noch mit einer Drehzahl entsprechend Fig. Fig.
3b und Fig. 3c dreht, ist am Ausgang A unverändert nahezu Masse meßbar. Dies ist
ein Hinweis darauf, daß die Oszillatorschwingung nicht abreißt, auch wenn periodisch
die Spule 11 des Signal gebers der Oszillatorspule 21 axial
gegenübersteht.
Bei einer Temperatur von 170 Grad Cel.sius ist nämlich der Wert des PTC-Widerstandes
12 so stark angestiegen, daß durch den Signalgeber die Oszillatorschwingung nicht
mehr gedämpft wird. Man kaiin also sagen, daß bei Übertemperatur der Ankerwi ckl
ung die Auslösung eines Signals durch den Signalgeber 10 unterbunden ist. Am Ausgang
A ist folglich das Signal meßbar, das auch bei. einem blockierten Motor erzeugt
wird. Im Ergebnis ist daher festzustellen, daß der Elektromotor abgeschaltet werden
soll oder zumindest ein Warnsignal aufleuchten soll, wenn während einer bestimmten
Zeitdauer am Ausgang A kein positives Signal in Höhe der Betriebsspannung meßbar
ist.
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Gegenüber dem Stand der Technik zeichnet sich die Überwachungseinrichtung
also dadurch aus, daß pralitisch mit den gleichen Mitteln sowohl die Temperatur
als auch die Drehzahl des Motors berührungslos und damit verschleißfrei überwacht
wird und somit eine größere Betriebssicherheit gegeben ist.
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Die Erfindung zeichnet sich weiter durch den einfachen Aufbau aus,
da alle Teile als Serienteile preisgünstig zur Verfügung stehen. Wesentlich ist
weiter, daß die am drehbaren Teil fixierten Bauelemente, nämlich die Spule 11, der
PTC-Widerstand 12 und der Kondensator 13 keinen großen Platzbedarf erfordern und
insbesr1dere au gewichtsmäßig kaum eine Rolle spielen.
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Die Erfindung ist natürli eh nicht auf das in der Zeichnung dargestellte
Ausfüiirungsbei spiel beschränkt. Beispiel weise könnte man andere temperaturempfindliche
Fühler verwenden.
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der Das System könnte auch so ausgebildet werden, daß Oszillator
jeweils nur dann schwingt, weizen sich die Signalgeberspule und die Signalaufnahmespul
e axial gegenüberstehen. Man muß dann natürlich dafür sorgen, daß bei Übertemperatur
die Schwingung des Oszillators a1eißt oder zumindest stark gedämpft wird. Wichtig
ist nämlich auf jeden Fall, daß bei Übertemperatur am Ausgang A das gleiche Signal
ausgelöst wird wie bei einem blockierten Motor.