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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Haushaltsgerät mit einer
im Betrieb des Geräts wenigstens
zum Teil mit Flüssigkeit
gefüllten
Kammer und einer von einem Motor angetriebenen Pumpe zum Umwälzen der
Flüssigkeit.
Bei einem solchen Haushaltsgerät
kann es sich insbesondere um eine Spülmaschine oder Waschmaschine
handeln, und bei der Pumpe um eine Laugenpumpe, die Reinigungslauge
aus einem unteren Teil der Kammer absaugt, um sie auf in der Kammer
angeordnetes, zu reinigendes Gut zu sprühen oder aus der Kammer abzupumpen.
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Die
Reinigungslauge in einem solchen Haushaltsgerät muss auf einer vorgegebenen
Betriebstemperatur gehalten werden. Zum Erfassen der Temperatur
ist im allgemeinen ein Temperatursensor wie etwa ein Thermoelement
in möglichst
engem thermischem Kontakt mit der Reinigungslauge platziert. Der Einbau
eines solchen Sensors erfordert Kosten und Arbeitsaufwand.
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Um
Teilekosten und Montageaufwand einzusparen, wäre es wünschenswert, über ein
Haushaltsgerät
zu verfügen,
bei dem zur Erfassung der Temperatur der Reinigungslauge oder einer
anderem in dem Gerät
zirkulierenden Flüssigkeit
ein solcher Temperatursensor nicht erforderlich ist.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch ein Haushaltsgerät
mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Die
Erfindung nutzt die Tatsache, dass die Wicklungen eines zum Pumpen
der Flüssigkeit
eingesetzten Pumpenmotors häufig
in thermischem Kontakt mit die Flüssigkeit führenden Teilen stehen, so dass
ihre Temperatur eng der der Flüssigkeit
folgt, und dass die meisten für
die Herstellung der Wicklung geeigneten Materialien einen temperaturabhängigen spezifischen
Widerstand haben, so dass aus Schwankungen des Widerstandswertes
der Wicklungen ein Rückschluss
auf die Temperatur der Wicklungen möglich ist, die wiederum mit
der der Flüssigkeit eng
korreliert ist. Aus der Entwicklung des elektrischen Widerstandswertes
der Wicklungsanordnung ist daher ein Rückschluss auf die Temperatur
der Flüssigkeit
möglich.
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Im
Allgemeinen verfügt
ein Haushaltsgerät der
oben genannten Art über
eine Heizeinrichtung zum Erhitzen der Flüssigkeit und eine Steuereinrichtung
zum Steuern des Betriebs der Heizeinrichtung. Diese kann zweckmäßigerweise
den erfassten Widerstandswert für
die Temperaturregelung nutzen.
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Vorzugsweise
hat der Motor der Pumpe der erfindungsgemäßen Maschine einen Nassläufer, d. h.
der Läufer
ist in einer mit der Flüssigkeit
gefüllten Kammer
untergebracht, die einen Teil der Pumpe bildet. Diese Bauweise gewährleistet
eine enge thermische Kopplung sowohl des Läufers als auch des die Kammer
umgebenden Ständers
des Motors an die Flüssigkeit.
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Die
Wicklungsanordnung, deren Widerstand gemessen wird, kann eine einzelne
Wicklung, die Gesamtheit der Wicklungen des Motors oder eine zwischen
diesen beiden Extremen liegende Zahl von Wicklungen umfassen. Im
Falle eines Motors mit Wicklungen in Sternkonfiguration ist die
Widerstandsmessung an der Gesamtheit der Wicklungen oder an einer
Reihenschaltung von zwei Wicklungen besonders einfach realisierbar.
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Um
eine Beeinträchtigung
der Genauigkeit der Widerstandsmessung durch Induktionen im Motor
zu vermeiden, führt
die Messschaltung die Widerstandsmessung vorzugsweise bei stehendem
Motor aus.
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Wenn
der Motor über
einen Wechselrichter versorgt ist, sind zur Erfassung des Widerstandswertes
der Wicklungsanordnung vorzugsweise eine Strommessschaltung zum
Messen des Stromflusses durch den Wechselrichter und/oder eine Spannungsmessschaltung
zum Messen der Eingangsspannung des Wechselrichters vorgesehen,
aus deren Messergebnissen der Widerstandswert unter Berücksichtigung
des Spannungsabfalls im Wechselrichter berechnet werden kann.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren. Es zeigen:
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1 einen
schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Geschirrspülmaschine;
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2 ein
Blockdiagramm des Motors der Umwälzpumpe
der Spülmaschine
aus 1 sowie von dessen Versorgungselektronik;
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3 einen
Schnitt durch eine Baugruppe, in der die Pumpe, der Motor und die
Versorgungselektronik zusammengefasst sind.
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1 zeigt
einen schematischen Schnitt durch eine Spülmaschine mit einer Spülkammer 1,
in der in üblicher
Weise Körbe 2, 3 auf
Schienen geführt herausziehbar
angeordnet sind. In einer Vertiefung am Boden der Spülkammer 1 befindet
sich ein Spülwasserfilter 4,
durch das hindurch eine später
mit Bezug auf 2 und 3 genauer
erläuterte
Pumpe 5 Spüllauge
absaugt, um damit über
Leitungen 12, 13 drehbar gelagerte Düsenarme 6, 7 zu
speisen, die jeweils unter den Körben 2, 3 montiert
sind, um das darin enthaltene Spülgut
anzusprühen.
Ein elektrischer Heizstab 8 ist am Boden der Spülkammer 1 montiert und
dient zum Erhitzen der Spüllauge.
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Die
Pumpe 5 ist von einem bürstenlosen Gleichstrommotor 9 angetrieben.
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Ein
Elektronikblock zum Ansteuern des Motors 9 und des Heizstabs 8 gemäß einem
vom Benutzer ausgewählten
Spülprogramm
ist in 1 zusammenfassend mit 20 bezeichnet. 2 zeigt
detaillierter in Form eines Blockdiagramms den Aufbau des Elektronikblocks 20.
Der Motor 9 hat drei Ständerwicklungen,
mit U, V, W bezeichnet, die hier in einer Sternkonfiguration verschaltet
sind. Der Versorgungselektronikblock 20 umfasst einen Netzgleichrichter 21,
der eine Zwischengleichspannung liefert. Diese Zwischengleichspannung
speist drei Phasen eines Wechselrichters 22, von denen
jede zwei in Reihe geschaltete Schalter SU1, SU2 bzw. SV1, SV2 bzw.
SW1, SW2, jeweils in Form eines Leistungstransistors mit paralleler
Freilaufdiode, umfasst. Der Punkt zwischen zwei Schaltern jeder
Phase ist mit jeweils einer zugeordneten Wicklung U, V oder W des Motors
verbunden. Der Zustand, offen oder geschlossen, jeden Schalters
ist durch einen Schaltmustergenerator 23 gesteuert, der
ein für
die momentane Phase φ der
Motorwelle repräsentatives
Signal von einem Phasendetektor 24 empfängt und anhand dieses Phasensignals
die Bestromung der Ständerwicklungen
U, V, W des Motors 9 so festlegt, dass das von den Ständerwicklungen
U, V, W im Motor 9 erzeugte Magnetfeld einen gewissen Vorsprung vor
der Phase von dessen Läufer
hat und diesen antreibt.
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Der
Phasendetektor 24 kann durch einen oder mehrere Magnetfeldsensoren
wie etwa Hall-Sensoren gebildet sein, die dem Magnetfeld des Läufers oder
von gekoppelt mit dem Läufer
rotierenden Magneten ausgesetzt sind. Vorzugsweise handelt es sich
um einen rein elektronischen Phasendetektor, wie z. B. in US-A-5859520
beschrieben, der einen Nullpunktdurchgang der in einer zeitweilig
unbestromten Wicklung U, V oder W des Motors durch das Magnetfeld
des Läufers
induzierten elektromotorischen Kraft auswertet, um daraus die Phase φ des Läufers abzuleiten.
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Das
vom Phasendetektor 24 gelieferte Phasensignal wird auch
von einer Drehzahlmessschaltung 25 empfangen, die die Drehzahl
n des Motors 9 daraus durch Bilden einer zeitlichen Ableitung,
Messen der Periode oder dgl. ermittelt.
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Die
Drehzahlmessschaltung 25 liefert ein für die erfasste Drehzahl n repräsentatives
Signal an eine Überwachungsschaltung 26.
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Eine
Strommessschaltung 27 hat zwei Eingänge, die mit den zwei Anschlussklemmen
eines Messwiderstandes 28 verbunden sind, der in Reihe mit
dem Wechselrichter 22 zwischen die Ausgangsklemmen des
Netzgleichrichters 21 geschaltet ist. Der durch den Messwiderstand 28 fließende Strom ist
daher die Summe der durch die drei Phasen des Wechselrichters 22 fließenden Ströme.
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Eine
Spannungsmessschaltung 29 hat zwei Eingänge, die parallel zum Wechselrichter 22 an
die zwei Ausgänge
des Netzgleichrichters 21 angeschlossen sind und so den
Wert der Zwischenspannung erfassen.
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Ausgänge der
drei Messschaltungen 25, 27, 29 sind
mit der Überwachungsschaltung 26 verbunden,
die so jederzeit die aktuellen Werte der Drehzahl n, der Zwischenkreisspannung
und des Zwischenkreisstromes abfragen kann. Anhand der Stromstärken- und
Spannungsmesswerte ist die Überwachungsschaltung 26 in
der Lage, die vom Wechselrichter (und damit letztlich vom Motor 9)
aufgenommene elektrische Leistung zu berechnen. Diese Leistung steht,
wenn die Pumpe 5 ordnungsgemäß läuft, in einem festen Zusammenhang
mit der Drehzahl n. Dieser Zusammenhang ist durch die Gestalt der
Leitungen 12, 13 festgelegt, durch welche die
Spüllauge gepumpt
wird. Dieser Zusammenhang ist in Form einer Kennkurve in einem Speicher
der Überwachungsschaltung 25 abgelegt.
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Durch
Vergleichen eines aktuellen Paars von Leistung und Drehzahl mit
dieser vorab bekannten Kennkurve ist die Überwachungsschaltung 26 in
der Lage, Störungen
der Laugenzirkulation, etwa durch zu niedrigen Wasserstand in der
Spülkammer 1 oder durch
Verstopfung des Filters 4, zu erfassen und gegebenenfalls
Maßnahmen
zum Schutz des Motors 9 zu treffen. Solche Maßnahmen
können
z.B. die Abschaltung des Motors bzw. der gesamten Spülmaschine,
ein Rückspülen des
Filter 4, um die Verstopfung zu lösen, etc. sein.
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Anhand
der von den Messschaltungen 27, 29 gelieferten
Strom- und Spannungswerte ist die Überwachungsschaltung 26 ferner
in der Lage, den ohmschen Widerstand einer Anordnung von Wicklungen
des Motors 9 zu ermitteln. Dieser ohmsche Widerstand lässt anhand
einer Widerstands-Temperaturcharakteristik des Materials der Wicklungen
U, V, W einen Rückschluss
auf deren Temperatur zu.
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Wenn
ein Programmautomat 30, der den Betrieb diverser Funktionskomponenten
der Spülmaschine
anhand eines vom Benutzer gewählten
Spülprogramms
steuert, einen Wert für
die Temperatur des Spülwassers
benötigt,
ordnet er eine zeitweilige Unterbrechung des Betriebs der Pumpe 5 an.
Hierzu wird der Motor 9 angehalten, indem die Geschwindigkeit,
mit der die vom Generator 23 ausgegebenen Schaltmuster
aufeinanderfolgen, verringert wird, bis schließlich ein einer willkürlich ausgewählten Orientierung
des Magnetfelds in Motor 9 entsprechendes Schaltmuster
erreicht ist. Von diesem Schaltmuster aus wird nicht weitergeschaltet,
so dass der Läufer des
Motors 9 in einer der Orientierung des Magnetfelds bei
diesem Schaltmuster entsprechenden Stellung verharrt. Bei diesem
Schaltmuster können
z.B. die Schalter SU1 und SV2 offen und alle anderen geschlossen
sein, so dass ein Strom in Reihe durch die Wicklungen U, V des Motors
fließt,
oder es können die
Schalter SU1, SV2, SW2 geschlossen und die anderen offen sein, so
dass Strom durch die Wicklung U fließt und sich anschließend auf
die Wicklungen V, W verteilt.
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Nachdem
der Läufer
des Motors 9 in der diesem Schaltmuster entsprechenden
Stellung zur Ruhe gekommen ist, so dass der Stromfluss durch den
Motor nicht mehr durch Induktionserscheinungen beeinflusst ist,
liest die Überwachungsschaltung 26 die
von den Messschaltungen 27, 29 erfassten Werte
von Stromstärke
und Spannung. Von der gemessenen Spannung wird ein Wert abgezogen,
der dem Spannungsabfall in hintereinandergeschalteten, stromdurchflossenen
Schaltern wie etwa SU1, SV2 des Wechselrichters entspricht, und
die erhaltene Differenz wird mit der gemessenen Stromstärke in Beziehung
gesetzt, um einen ohmschen Widerstandswert der bestromten Wicklungen
zu erhalten. Anhand einer Widerstands-Temperaturcharakteristik, die
z.B. in einem der Überwachungsschaltung 26 zugeordneten
Halbleiter-Speicherbaustein abgelegt sein kann, ermittelt die Überwachungsschaltung 26 die
dem gemessenen Widerstandswert entsprechende Temperatur der Wicklungsanordnung.
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Im
Prinzip ist es möglich,
sämtliche
oben erwähnten
Komponenten 23 bis 30, evtl. mit Ausnahme des
Messwiderstandes 28, in einem gemeinsamen Mikrocontroller
zu implementieren. In der Darstellung der 2 umfasst
ein als gestrichelter Rahmen symbolisierter Mikrocontroller 31 die
Komponenten 23 bis 27 und 29; der Programmautomat 30,
der nicht nur die Pumpe 5, sondern auch von ihr entfernte
Komponenten wie den Heizstab 8 sowie Ein- und Auslassventile
für die
Zu- und Abfuhr von Wasser in bzw. aus der Spülkammer steuert und Befehle
eines Benutzers verarbeitet, ist von dem Mikrocontroller 31 räumlich getrennt.
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Um
eine Regelung der Temperatur der Spüllauge anhand des Widerstandswertes
der Windungsanordnung bzw. der davon abgeleiteten Temperatur zu
ermöglichen,
müssen
die Wicklungen U, V, W in engem thermischen Kontakt mit der Spüllauge stehen. 3 zeigt
in einem Schnitt eine Ausgestaltung einer Baueinheit aus Pumpe 5,
Motor 9 und Steuerelektronik, die diese Anforderung besonders
gut erfüllt.
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Die
Pumpe 5 ist eine Flügelpumpe
mit einem Gehäuse
aus einer vorderen Gehäuseschale 41 und einem
topfförmig
eingebuchteten Schild 42, die eine einteilige Pumpenkammer 40 begrenzen.
In der Pumpenkammer 40 ist ein Flügelrad 43 und, in
die topfförmige
Einbuchtung des Schildes 42 eingreifend, ein Läufer 44 des
bürstenlosen
Gleichstrommotors 9 untergebracht. Der Läufer 44 ist
in die von der Pumpe gepumpte Flüssigkeit
eingetaucht und durch diese gekühlt.
Der im Wesentlichen ringförmige
Ständer 45 des
Motors 9, der die Wicklungen U, V, W umfasst, ist am Rand
einer Gehäuseschale 46 montiert, in
der auch eine Platine 47 verankert ist, die den Mikrocontroller 31 und
den Messwiderstand 28 trägt. Die Baueinheit aus Gehäuseschale 46 und
Ständer 45 ist
in Art eines Bechers außen über den
Schild 42 gestülpt.
Die Wicklungen U, V, W sind hier lediglich durch die Wand der topfförmigen Einbuchtung
des Schildes 42 von der Spüllauge getrennt, welche in der
Pumpenkammer 40 auch den Läufer 44 umspült. Da die
Lauge in der Pumpen kammer 40 ständig ausgetauscht wird, ist
ihre Temperatur ein guter Mittelwert für die Temperatur der Lauge
in der Spülkammer 1.
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Infolge
der engen räumlichen
Nachbarschaft ist die Temperatur der Ständerwicklungen eng an die der
Spüllauge
gekoppelt. Im einfachsten Fall wird die Temperatur der Wicklungen
mit der der Spüllauge gleichgesetzt.
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Eine
systematische Abweichung zwischen der Temperatur der Spüllauge und
der der Ständerwicklungen
kann auf in den Ständerwicklungen
im Betrieb des Motors erzeugte Joulesche Wärme zurückgehen. Einer weiterentwickelten
Ausgestaltung zufolge berücksichtigt
die Überwachungsschaltung diesen
Effekt, indem sie anhand fortlaufend gemessener oder interpolierter
Widerstandswerte R die Joulesche Leistung gemäß
ermittelt und die darauf
zurückgehende
Temperaturerhöhung ΔT gemäß
berechnet, wobei
- t0
- den Einschaltpunkt
der Spülmaschine,
- t
- den gegenwärtigen Zeitpunkt
- n
- die Wärmekapazität des Ständers in
JK–1 und
- α
- die Zeitspanne bezeichnet,
die benötigt
wird, um eine Temperaturdifferenz zwischen Ständer und Lauge auf 1/e abklingen
zu lassen.
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Zieht
man ΔT vom
anhand der Widerstandsmessung erhaltenen Temperaturwert des Ständers ab,
wird ein um den Einfluss der Jouleschen Wärme bereinigter Temperaturwert
erhalten, der die Temperatur der Lauge genau wiedergibt.