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Oberlastungsschutz für Elektromotoren zum Anschluß an Gleich- und
Wechselstrom Die Erfindung betrifft einen Überlastungsschutz für Elektromotoren,
die zum Anschluß an Gleich- und Wechselstrom bestimmt sind und im Betriebe starken
Schwankungen der Belastung unterliegen, insbesondere für raschlaufende Elektromotoren
zum Antrieb von Elektrowerkzeugen. Für solche Zwecke sind an sich Kommutatorhauptstrommotoren
besonders geeignet, weil sie bekanntlich für ' jede Stromart benutzbar sind und
außerdem gegenüber den sonst für derartige Antriebe gebräuchlichen Wechselstromsynchronmotoren
den Vorteil der Freduenzunabhängigkeit haben, so daß sie mit wesentlich höheren
Drehzahlen als diese betrieben und demnach für die benötigte Leistung besonders
klein und leicht ausgebildet werden können. Ihrer Verwendung zum Antrieb von Elektrowerkzeugen
o. dgl, stand aber bisher der Mangel entgegen, daß die im Hauptschluß geschalteten
Motoren nur in geringen Grenzen überlastbar sind. Dies rührt bekanntlich daher,
daß sich die Drehzahl und mit ihr der indukticeWiderstand der Maschine mit steigender
Belastung merklich vermindern; bei völliger Festbremsung verbleibt überhaupt nur
der Ohmsche Widerstand, der aber bekanntlich zwecks Erzielung eines guten Wirkungsgrades
so klein wie möglich zu bemessen ist. Wird also ein solcher Motor zu stark abgebremst,
z. B. bei einer Schleifmaschine durch zu starkes Andrücken des Werkzeuges oder bei
einer Bohrmaschine durch Yerklemmen des Bohrers, so steigt mit dem fast verschwindenden
Widerstand die Energieaufnahme und dementsprechend die Wärmeerzeugung im Motor derart,
daß die Ankerwicke-lung durchbrennen kann. Diese Gefahr ist
bei
raschlaufenden Maschinen uni so größer, als bei diesen die zur Wärmeabfuhr zur Verfügung
stehende Ankeroberfläche im Verhältnis zur Leistung besonders gering ist.
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Die Erfindung hat zum Ziele, den Motor yor Überlastung zu schützen
und seine Charakteristik so zu gestalten, daß die Energieaufnahme heim Festbremsen
der Maschine nur bis zu einem bestimmten Höchstwert ansteigen kann, gegebenenfalls
sogar noch unter den für Normalbelastung in Betracht kommenden Wert absinkt. Dies
wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß der Motor nur für einen Teil der
Netzspannung ausgelegt und ihm ein Schutzwiderstand vorgeschaltet wird, der größer
als der Eigenwiderstand des Motors und so bemessen ist, daß er bei nörmaler Belastüng
des Motors den geringeren Teil, dagegen bei starker Belastung den Hauptteil der
Netzspannung aufnimmt. Der Nutzen eines solchen Schutzwiderstandes macht sich in
zweierlei `reise geltend, einmal durch Herabsetzung der bei Abbremsung dem Netz
überhaupt entnommenen elektrischen Energie, sodann durch Aufteilung der so verminderten
Energie auf den vorgeschalteten und den eigenen `'Widerstand der Maschine entsprechend
der sich nunmehr einstellenden Spannungsverteilung. Beträgt beispielsweise der zugeschaltete
Widerstand das Doppelte des Ohmschen Widerstandes der Maschine, so nimmt diese beim
völligen Stillstand nur ein Neuntel derjenigen Belastung auf, die beim Fehlen des
Schutzwiderstandes. in den Motor gelangen würde; andererseits ist die bei Normalbetrieb
im Schutzwiderstand verzehrte elektrische Leistung doch nur geringfügig, weil dann
noch die besonders hohe elektromotorische Gegenkraft der Maschine in Reihe geschaltet
ist, so ctaß auf den Vorschaltwiderstand nur ein kleiner Bruchteil der Netzspannung
bz«-. der Gesamtleistung entfällt. Der Wirkungsgrad wird also nur unbedeutend verschlechtert;
auf jeden Fall werden die geringen 1Jehrkosten für die Stromaufnahme reichlich dadurch
aufgewogen, daß die bei Maschinen ohne Schutzwiderstand unvermeidlichen häufigen
Ausgaben für die Wiederinstandsetzung des beschädigten Motors und die Verluste durch
Arbeitsausfall in Fortfall kommen.
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Händelt es sich uni eine Maschine mit einer Betriebsleistung von mehr
als 150 Watt oder um eine iMaschine mit einem so kleinen ()lirnschen
Widerstand, date ein :;ro@Llc#r Vorschaltwiderstand erforderlich sein würde, so
wird der Überlastungsschutz zweckmäßig aus zwei Teilen zusammengesetzt. Der eine
Teil ist dem :Motor dauernd vorgeschaltet und so bemessen, daß er bei Festbremsung
des Motors ungefähr ; o °/o der Netzspannung aufnimmt. Dein zweiten- Teil ist ein
Relais parallel geschaltet" welches diesen zusätzlichen Widerstand bei gewöhnlichem
Betrieb kurzschließt, jedoch dprch die. Klemmenspannung des ersten Teilss sa gesteuert
wird, daß es bei Überschreiten einer bestimmten Belastung den Zusatzwiderstand einschaltet.
Der Gesamtwiderstand ist von solcher Größe, daß die Leistungsaufnahme des Motors
auch bei vollständiger Festbremsung unterhalb des zulässigen Wertes bleibt.
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Vorschaltwiderstände an Elektromotoren sind an sich bekannt, doch
dienen sie in diesen Fällen anderen Zwecken; sie sind daher auch entweder abweichend
geschaltet oder mindestens von anderer Bemessung und anderen Eigenschaften. So hat
man sich beispielsweise die Aufgabe gestellt, die Drehzahl von Elektromotoren bei
Entlastung nicht über einen Höchstwert ansteigen zu lassen; hierzu ist der Ankerwicklung
ein Widerstand parallel geschaltet, damit die Magnete durch einen Mindeststrom erregt
bleiben und die Feldstärke nicht unter einen bestimmten Wert absinken kann. Es sind
auch Elektromotoren für den Antrieb x=on Sprechmaschinen bekannt, bei denen dem
Motor ein Eisenwiderstand vorgeschaltet ist, der' die .Aufgabe hat, auch bei Ände;ungen
der zugeführten Netzspannung die Klemmenspannung des Motors und damit die Drehzahl
konstant zu halten. Seine Wirkung beruht darauf, daß der Widerstand des Eisens sich
mit der Temperatur schnell ändert, wodurch innerhalb beschränkter Grenzen bei richtiger
Bemessung des Eisenwiderstandes der Ausgleich der Spannungsschwankungen erreichbar
ist. Die Regelung durch den Widerstand hört aber auf, sobald die Grenzen überschritten
werden. Solche empfindlichen Eisenwiderstände kommen für :Maschinen mit stark schwankender
Belastung überhaupt nicht in Betracht, abgesehen von (lern wesentlichen Unterschied,
daß bei dem Überlastungsschutz nach der Erfindung die Klemmenspannung des Motors
keineswegs konstant gehalten, sondern im Gegenteil mit absinkender Drehzahl weitgehend
vermindert werden soll. -Zur näheren Erläuterung des Erfindungsgegenstandes sei
auf das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel verwiesen. Abb. I zeigt
das Schaltbild eines gemäß der Erfindung mit einem Schutzwiderstand R verseltenen
Hauptstrommotors, dessen Kollektor fnit It ui r1 dessen @rre@er@rickluri finit Il'
bezeichnet ist. Es ist vorteilhaft, den Schutz-Nviderstand R so anzuordnen, daß
er den Benutzer bei der @l#,rbeit nicht stört und auch nicht etwa willkürlich beseitigt
werden kann. Er kann in einem besonderen Gehäuse untergebracht sein, welches in
der Nähe des Arbeitsplatzes
aufgestellt oder aufgehiingt werden
kann. .Dieses Gehäuse ist dann mit deni Elektrowerkzeug n. <!-l. durch ein nicht
trennbares Kabel verbunden und außerdem niit einer Anschlußleitung finit üblichem
Stecker versehen.
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In Abb.2 besteht der Überlastungsschutz aus den beiden hintereinandergeschalteten
Widerständen R1 und R.. Der Zusatzwiderstand R2 wird mittels der Leitung U durch
den Kontakt S des Relais Re bei gewöhnlichem Betriebe kurzgeschlossen. Das Relais
Re ist- dem Widerstande R1 parallel geschaltet. Wird der Motor überlastet, so wird
der auf den Motor entfallende Teil der Netzspannung kleiner, während der an den
Enden des Widerstandes wirkende Spannungsteil entsprechend größer wird. Bei weitergehen-..der
Abbremsung des Motors steigt der letztere Spannungswert so weit, daß da'"
IZelaisR, anspricht und den Zusatzwiderstand R. zuschaltet. Bei Steigerung der -Drehzahl
wird der Zusatzwiderstand durch das Relais R, wieder kurzgeschlossen.
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In Abb. 3 ist das Verhalten des gemäß der 1?rfindung ausgebildeten
'Motors durch einige auf Grund von Meßversuchen, festgestellte Kennlinien veranschaulicht.
Die Leistungsaufnahme ist in Watt in Abhängigkeit von der niinutlichen Drehzahl
aufgetragen. Die Kurve a zeigt die Verhältnisse bei einem gewöhnlichen Kornmutatör-Häuptstrommotor,
welcher ohne Schutzwiderstand arbeitet.. Die Maschine hat einen Eigenwiderstand
. von etwa 45 Ohm. Bei einer Drehzahl fit = 2200o, für welche der Motor ausgelegt
ist, beträgt die Energieäufnahme etwa 97 Watt. Bei Verringerung der Drehzahl steigt
dann die Wattaufnahme zunächst in mäßigem, sodann in ständig wachsendem Grade an;
sie beträgt bei einer Drehzahl n = Sooo schon nahezu 50o Watt, um bei Annäherung
an den Stillstand so hohe Werte zu erreichen; daß die Maschine der Wärmebelastung
nicht mehr gewachsen ist.
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Die drei anderen Kennlinien b, c und d entsprechen dem
gleichen Motor, der mit einem Schutzwiderstand gemäß der Schaltung nach Abb. i versehen
ist. Dieser beträgt im Falle b 70, im Falle c ioo und im Falle d res Ohm. Die Kennlinien
zeigen, daß sich die Leistungsaufnahme über einen verhältnismäßig großen Drehzahlbereich
nur wenig ändert; im Falle d ist beispielsweise zwischen n = 8ooo und
n = 2q.ooo kaum eine nennenswerte Änderung der Wattaufnahme festzu. stellen:
Die Belastung des Motors steigt bei Abbremsung gegenüber derjenigen bei normaler
Drehzahl bis zu einem 'wenig höher liegenden Größtwert und sinkt dann bei weiterer
Annäherung an den Stillstand wieder. Wie aus den Kurven c und insbesondere d ersichtlich
ist, kann nian es durch passende Bemessung des 1 Therlastungsschutzes so einrichten,
dal3 die Energieauinalinie bei vollkommener Festbremsung geringer als bei der gewöhnlichen
Unilaufzalil des x[otors ist. Bei den drei Kurven b, c und (i beträgt die Energicaufnahine
bei Ia = 22 ooo etwa 133
bzw. 126 bzw. 93 Watt und bei Stillstand des
Motors 15o bzw. ioo bzw. 7o Watt. Die Höchstwerte liegen in den drei Fällen bei
etwa 162, 125 und 98 Watt. Die Schaulinien zeigen, daß eine ungeschickte
Handhabung des Werkzeuges dein Motor nicht mehr schaden kann, wenn dieser mit einem
Überlastungsschutz nach der Irrfindung ausgeriistet ist.
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Da der Arbeiter nunmehr bei stärker abgebremstem i\,lotoi- keine zunehmende
1Jrwärinung fühlt, ist es zweckmäßig, ihm durch andere Mittel einen Anhalt zu geben,
wie er den Andruck jeweils zu bemessen hat, um den Motor auf der gewollten günstigsten
Drehzahl zu halten. Zu diesem "!.weck kann der Motor mit einer Anzeigevorrichtung
versehen sein, welche den jeweils vorn 1Iotor aufgenommenen Teil der Netzspannung
erkennen läßt. Diese Anzeigevorrichtung kann aus zwei Glühlampen bestehen, von denen
die eine an das Netz und die andere an die Pole des Elektromotors geschaltet ist;
beide #_anipen sind dann nebeneinander z. B. am Gehäuse des Schutzwiderstandes so
angeordnet, claß sie in hezug auf ihre Helligkeit verglichen werden können. Es können
zwei Lampen mit Glühfäden verschiedener Länge, oder zwei gleichartige Lampen benutzt
werden, wobei in letzterem Falle die Helligkeit der- am Netz liegenden Lampe durch
eine Mattscheibe o. dgl. so weit geschwächt wird, daß sie mit der Helligkeit der
anderen Lampe bei Normalbetrieb übereinstimmt. Wird nun der Andruck des-Werkzeuges
gegenüber dem vorgeschriebenen Wert der Leistungsaufnahme geändert, z. B. vermindert,
so ergibt sich eine entsprechende Änderung der Klemmenspannung des Motors, welche
an der Anzeigevorrichtung durch einen Helligkeitsunterschied erkennbar ist und somit
dem Arbeiter zeigt, daß er von der günstigsten Drehgeschwindigkeit des Werkzeuges
abgewichen ist. An Stelle der Glühlampen können auch spannungsanzeigende Meßvorrichtungen
benutzt werden, die so angeordnet sind, daß ihre Ausschläge vergleichbar sind. *
-Man kann es natürlich auch so einrichten, daß eine gewisse Drehzahlverminderung
noch unbemerkbar bleibt. Bei den Beispielen der Kemilinien b-d könnte beispielsweise
eine Absenkung bis auf 11 = 18 000 ohne weiteres zugelassen werden.
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Die Anzeigevorrichtung für die Drehzahl braucht nicht mit den
Polen des Motors verbunden zu sein; sie kann auch an die beiden Enden des Schutzwiderstandes
geschaltet sein, da sich j a mit der Klemmenspannung des Motors auch die Klemmenspannung
des Schutzwiderstandes ändert, und zwar in umgekehrtem Sinne. Diese Anordnung bietet
die Möglichkeit zu prüfen, ob der Motor in ordnungsmäßigem Zustande oder der Stromlauf
durch einen Fehler z. B. durch Verschleiß der Kommutatorbürsten unterbrochen ist.
Setzt sich der Motor beim Einschalten nicht in Bewegung und leuchtet gleichzeitig
die Lampe auch nicht auf, so ist das ein Zeichen dafür, daß im Motor irgend etwas
nicht in Ordnung ist. Andererseits ist es wünschenswert, daß die Beobachtungslampe
mit dem Ausschalten des Motors regelmäßig erlischt. Sodann ist es günstig, daß das
Spannungsgefälle im Schutzwiderstand bei absinkender Drehzahl größer wird, folglich
die Helligkeit der angeschalteten Vergleichslampe zunimmt, während diese sich bei
Anschaltung an die Motorklemmen mit abnehmender Drehzahl vermindert. Das Hellerwerden
der einen Lichtfläche im Verhältnis zur anderen ist leichter zu erkennen als das
Dunkelwerden.
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In Fällen, wo das Gerät bequem tragbar sein, soll, um damit an den
verschiedensten Stellen arbeiten zu können. empfiehlt es sich, den Schutzwiderstand
in das Zuleitungskabel des Motors zu verlegen. In diesem Fall werden die Adern des
Kabels anstatt aus Kupfer zweckmäßig aus einem z. B. in üblicher Weise mittels Asbest
isolierten Widerstandsdraht gebildet, der eine genügende Länge besitzt, um den erforderlichen
Widerstand zu erzeugen. Bei dieser Ausbildung des Kabels kommt also jegliches Zusatzgerät
in Fortfall. Ein Kabel üblichen Durchmessers besitzt schon bei einer Länge von etwa
5 in eine genügend große Oberfläche, um die im Widerstand erzeugte Wärme nach außen
auszustrahlen.