WO2008000546A1 - Sensorless motor temperature monitoring - Google Patents

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WO2008000546A1
WO2008000546A1 PCT/EP2007/054365 EP2007054365W WO2008000546A1 WO 2008000546 A1 WO2008000546 A1 WO 2008000546A1 EP 2007054365 W EP2007054365 W EP 2007054365W WO 2008000546 A1 WO2008000546 A1 WO 2008000546A1
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WO
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hand tool
electric
temperature
electric motor
motor
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PCT/EP2007/054365
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German (de)
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Inventor
Volker Bosch
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Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H7/00—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions
    • H02H7/08—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors
    • H02H7/0833—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for dynamo-electric motors for electric motors with control arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H6/00—Emergency protective circuit arrangements responsive to undesired changes from normal non-electric working conditions using simulators of the apparatus being protected, e.g. using thermal images

Definitions

  • the invention relates to an electric hand tool that has as components an electric motor and an electric / electronic drive control and with a temperature detection for monitoring the engine temperature of the electric motor.
  • Electric hand tools which have a temperature sensor which is mounted on or in the housing of the electric motor of the electric hand tool and detects the temperature of the electric motor.
  • the arrangement of a temperature sensor on the motor housing is rather unfavorable, since the temperature of the rotor winding of the motor can not be measured directly.
  • such a temperature sensor is a significant additional installation effort in the manufacture of a power hand tool and another source of error that can affect the reliability of the tool is.
  • the temperature is detected by an evaluation of at least one operationally changing parameter of at least one of the components taking place by the drive control.
  • the drive control system therefore detects changing parameters of at least one of the components present in the electric hand tool, which become visible during operation of the electric power tool. Hand tools change, and evaluates them. In this case, an estimate takes place, which allows a reliable statement about the engine temperature of the electric motor.
  • the embodiment of the electric hand tool according to the invention leads to the advantage that the costs for a motor temperature sensor, as used in the prior art, and a complicated production omitted. In addition to the pure component costs also eliminates the relatively complex assembly of a motor temperature sensor and the laying of its connecting cables.
  • the parameter is the motor current of the electric motor, the motor speed of the electric motor and / or the temperature of the drive control.
  • the temperature of the drive control is advantageously detected by means of a temperature sensor.
  • the motor current and the motor speed of the electric motor and the temperature of the drive control during operation of the electric hand tool change.
  • the drive control has a power electronics whose temperature serves as a parameter. This temperature increases with the duration of use of the electric hand tool and / or with a user requested drive torque.
  • the drive control has a microcontroller for the evaluation of the parameters.
  • a microcontroller is a so-called one-chip computer system in which the most important components, such as processor, program and memory memory and input and output interfaces, are housed on a single chip.
  • the microcontroller can evaluate the detected parameters and estimate the temperature of the electric motor.
  • the power electronics reduce the motor current of the electric motor to a permissible level as a function of the result of the evaluation by the microcontroller.
  • the permissible motor current is advantageously selected by the microcontroller so that the estimated temperature of the electric motor does not exceed a certain value.
  • the electric motor is turned off by the power electronics, if the temperature of the electric motor should still exceed a critical value.
  • the drive control controls a light source, by which the user is made aware of an overheating of the electric motor.
  • the temperature detection has an interval operation. This means that the parameters are recorded at regular time intervals. This makes it possible, inter alia, for the drive control, to estimate a time at which the temperature of the electric motor will exceed a certain value, so that the motor current can be reduced before exceeding this value.
  • the engine speed is an average engine speed. Since the electric hand tool considered here has no speed sensor, the current engine speed can only be roughly estimated.
  • a plurality of operating states of the electric hand tool are assigned to different average engine speeds, and the average engine speed is used for the evaluation, which corresponds to the current operating state of the electric hand tool.
  • the torque-speed Characteristic of the electric motor of the electric hand tool exploited.
  • This characteristic can be divided into three areas: In a first area, the so-called parking area, the power electronics keep the speed almost constant by determining the armature voltage drop of the electric motor via the measured current and correspondingly increasing the armature voltage. This area passes into a second area, which represents the natural characteristic of the electric motor. Here, the maximum available voltage is applied to the electric motor. The third area, which adjoins directly, is the area of so-called current limitation. In this area, the power electronics reduce the motor voltage, with the aim of not exceeding the maximum output current of a source.
  • Each of these three ranges can be assigned an average engine speed that is used for evaluation by the drive controller.
  • the invention relates to a method for operating an electric hand tool having a component as an electric motor and an electric / electronic drive control and with a tempe- raturer linear for monitoring the motor temperature of the electric motor, wherein the temperature detection by an evaluation carried out by the drive control of at least one, operationally changing parameters of at least one of the components takes place.
  • the components already present in the electric hand tool or parameters of these components which change as a result of the operation are used in order to make a statement about the temperature of the electric motor.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an inventive electric hand tool and Figure 2 is a speed-torque diagram of the electric motor of the electric hand tool.
  • the electric hand tool 1 shows in an embodiment a schematic representation of an electric hand tool 1 according to the invention.
  • the electric hand tool 1 has a housing 2 in which an electric motor 3 is arranged, which is operatively connected to a gear 4 and a fan 5, the gear 4 and the fan 5 are located on opposite sides of the electric motor 3.
  • the transmission 4 is further operatively connected to a drill chuck 6, which is arranged outside the housing.
  • a setpoint generator 7 is also arranged, which is actuated by an outside of the housing 2 arranged pusher 8.
  • an electrical line 9 to an input 10 of a voltage supply 11 and a further electrical line 12 to an input 13 of a microcontroller 14th
  • an electrical line 15 leads to an input 16 of the microcontroller 14, and from the microcontroller 14 leads an electrical line 17 to an input 18 of the power supply 11.
  • the microcontroller 14 in this case has an interval timer 19, among others determines at which intervals operationally changing parameters of components of the electric hand tool 1 are detected.
  • an electrical lead 20 leads to an input 21 of a power electronics 22, which controls the electric motor 3.
  • a further electrical line 28 leads to an input 29 of the microcontroller 14. Via the electrical line 28, the microcontroller 14 thus detects the current supplied to the electric motor 3 and can evaluate it in relation to the motor temperature of the electric motor 3.
  • the power electronics 22 is associated with a heat sink 30, which dissipates the heat generated in the power electronics 22.
  • a temperature sensor 31 is also arranged, which is connected via a connection 32 to an input 33 of the microcontroller 14.
  • the microcontroller 14 can detect a temperature within the housing 2, in particular the temperature of the heat sink 30 of the power electronics 22.
  • an electrical lead 34 leads to a light source 35, such as a light emitting diode (LED), which the microcontroller 14 can turn on to give a user an indication, for example, of an excessive temperature of the electric motor 3.
  • a light source 35 such as a light emitting diode (LED)
  • the microcontroller 14 is connected via a connection 36 to a non-volatile memory 37.
  • non-volatile memory 37 both currently detected and previously measured values are advantageously stored, as well as constants necessary for the evaluation of the detected parameters.
  • the battery 38 which is connected via an electrical line 39 to the power supply 11 and a further e- lektrischen line 40 to an input 41 of the power electronics 22. Since in such an electric hand tool, the battery 38, which is advantageously designed as a battery, is usually releasably secured as a battery unit to the housing 2, the electrical lines 39 and 40 are not considered as continuous lines. Rather, these, not shown here, contact elements which cooperate with, also not shown, counter contact elements of the battery 38.
  • the microcontroller 14, the power electronics 22, the Stromerfas- sungs owned 25 and the setpoint generator 7 in this case represent the essential components of a drive control 45 of the electric hand tool 1.
  • the microcontroller 14 If the electric hand tool 1 is put into operation by operation of the pusher 8 after a long break, the microcontroller 14 is supplied via the power supply 11. The microcontroller 14 estimates the starting temperature of the electric motor 3 via the temperature sensor 31 on the heat sink 30 of the power electronics 22. Since the components present in the electric hand tool 1 have approximately the same temperature after an extended break in operation, this is a simple way of determining the temperature of the Electric motor 3 to determine relatively accurate.
  • the microcontroller 14 estimates at regular time intervals, which are specified by the interval generator 19, the engine losses of the electric motor 3, which are proportional to the square of the motor current in the first approximation. With the aid of the thermal time constant of the electric motor 3, the mean engine temperature of the current time interval is now estimated.
  • the electric motor 3 Since the electric motor 3 is cooled by the fan 5, which sits directly on the electric motor shaft, the heat dissipation of the electric motor is dependent not only on its current temperature, but also on the current engine speed. Since the electrical trade 1 has no speed sensor, the current engine speed can only be roughly estimated.
  • the torque-speed characteristic 50 of the electric hand tool shown in FIG. 2 is utilized.
  • the characteristic curve 50 is plotted as the rotational speed n via the electric motor torque M.
  • the characteristic 50 is divided by two dashed lines 51 and 52 into three areas I 1 II and III.
  • the first area I represents the so-called setting range.
  • the drive control of the electric hand tool 1 keeps the speed N almost constant by determining the armature voltage drop of the armature of the electric motor 3 via the measured current and correspondingly increasing the armature voltage.
  • This region I merges into the natural characteristic curve of the electric motor 3 in region II.
  • the maximum available voltage is applied to the electric motor 3.
  • the natural characteristic curve of the motor in the area II is followed by the area III of the current limitation.
  • the drive controller reduces the electric motor voltage, with the aim of not exceeding the maximum output current of the power source, in this case the battery 38.
  • Each of these three areas can be assigned a mean electric motor speed, to which in turn the dissipated amount of heat of the electric motor 3 in first Nährung is proportional.
  • the microcontroller 14 determines in the predetermined by the interval timer 19 regular time intervals, the difference between the supplied and abillerrer amount of heat of the electric motor 3 and thus estimates its temperature.
  • the aforementioned proportionality factors such as the thermal time constant of the electric motor 3, must first be determined metrologically and stored in the program code of the microcontroller 14 or in the non-volatile memory 37.
  • the microcontroller 14 can send this to the user via the Signal illuminant 35.
  • the microcontroller 14 preferably reduces the permissible motor current in order to completely switch off the electric motor 3 when a further threshold is reached.
  • the microcontroller 14 If the microcontroller 14 is deactivated when the electric motor 3 is heated, for example by removing the battery 38 from the electric hand tool 1, by disconnecting a network connection or initiated by software of the microcontroller 14 when a time interval predetermined by the interval timer 19 has elapsed, the microcontroller can Ler 14 no longer follow the cooling process of the electric motor 3 and thus does not know the current electric motor temperature at a later restart of the electric hand tool 1. Two strategies are possible for determining or estimating the current electric motor temperature.
  • the first strategy has already been mentioned: If the microcontroller 14 is activated, ie the electric hand tool is switched on or supplied with power, then the microcontroller 14 estimates the electric motor temperature based on the temperature of the heat sink 30 detected by the temperature sensor 31. This results in the problem that the heat sink 30 and the electric motor 3 have different thermal time constants and, depending on the load case, heat or cool differently.
  • the second advantageous strategy is based on the two mentioned thermal time constants and uses the nonvolatile memory 37 shown in dashed lines. If the microcontroller 14 is deactivated as described above, it stores the current temperatures of electric motor 3 and heat sink 30 in the non-volatile memory 37. Volatile memory 37. In a later activate the microcontroller 14 this can then estimate the current electric motor temperature based on the stored temperatures, the measured heat sink temperature and the two thermal time constants. By using the components already present in the electric hand tool 1, in addition to the pure component costs for a temperature sensor, the comparatively complicated assembly of the temperature sensor and the laying of its connection leads are also eliminated.

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  • Control Of Electric Motors In General (AREA)

Abstract

The invention relates to an electric hand tool, comprising the components electric motor and an electric/electronic drive controller with a temperature recorder for monitoring the motor temperature of the electric motor, wherein the temperature recording is carried out by analysis by the drive controller (45) of at least one parameter of at least one of the components which alters according to operating conditions.

Description

Titel Sensorlose Motortemperaturüberwachung Title Sensorless motor temperature monitoring
Die Erfindung betrifft ein Elektrohandwerkzeug, dass als Bauteile einen Elektromotor und eine elektrische/elektronische Antriebssteuerung aufweist und mit einer Temperaturerfassung zur Überwachung der Motortemperatur des Elektromotors.The invention relates to an electric hand tool that has as components an electric motor and an electric / electronic drive control and with a temperature detection for monitoring the engine temperature of the electric motor.
Stand der TechnikState of the art
Viele der heute erhältlichen Elektrohandwerkzeuge verzichten auf eine Überwachung der Motortemperatur. Betreibt ein Benutzer ein solches Elektrohandwerkzeug über einen längeren Zeitraum hinweg in einem für den Elektromotor ungünstigen Arbeitspunkt, kann dies zu einer Überhitzung und zu einer Zerstörung des Motors führen.Many of the electric hand tools available today do without motor temperature monitoring. If a user operates such an electric hand tool over an extended period of time in an unfavorable operating point for the electric motor, this can lead to overheating and destruction of the motor.
Es sind Elektrohandwerkzeuge bekannt, die einen Temperatursensor aufweisen, welcher am oder im Gehäuse des Elektromotors des E- lektrohandwerkzeugs angebracht ist, und die Temperatur des Elekt- romotors erfasst. Die Anordnung eines Temperatursensors an dem Motorsgehäuse ist dabei eher ungünstig, da die Temperatur der Rotorwicklung des Motors so nicht direkt gemessen werden kann. Darüber hinaus stellt ein derartiger Temperatursensor einen nicht unerheblichen zusätzlichen Montageaufwand bei der Fertigung eines Elektrohandwerkzeugs und eine weitere Fehlerquelle, die die Zuverlässigkeit des Werkzeugs beeinflussen kann, dar.Electric hand tools are known which have a temperature sensor which is mounted on or in the housing of the electric motor of the electric hand tool and detects the temperature of the electric motor. The arrangement of a temperature sensor on the motor housing is rather unfavorable, since the temperature of the rotor winding of the motor can not be measured directly. In addition, such a temperature sensor is a significant additional installation effort in the manufacture of a power hand tool and another source of error that can affect the reliability of the tool is.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß erfolgt die Temperaturerfassung durch eine von der Antriebssteuerung erfolgende Auswertung von mindesten einem, sich betriebsbedingt ändernden Parameter von mindestens einem der Bauteile. Die Antriebssteuerung erfasst also sich ändernde Parameter von mindestens einem der in dem Elektrohandwerkzeug vorhandenen Bauteile, die sich während des Betriebs des Elektro- handwerkzeugs verändern, und wertet diese aus. Dabei findet eine Abschätzung statt, die eine zuverlässige Aussage über die Motortemperatur des Elektromotors erlaubt. Die erfindungsgemäße Ausführungsform des Elektrohandwerkzeugs führt zu dem Vorteil, dass die Kosten für einen Motortemperatursensor, wie er im Stand der Technik verwendet wird, und eine aufwendige Herstellung entfallen. Neben den reinen Bauteilkosten entfällt darüber hinaus auch die vergleichsweise aufwendige Montage eines Motortemperatursensors sowie die Verlegung dessen Anschlussleitungen.According to the invention, the temperature is detected by an evaluation of at least one operationally changing parameter of at least one of the components taking place by the drive control. The drive control system therefore detects changing parameters of at least one of the components present in the electric hand tool, which become visible during operation of the electric power tool. Hand tools change, and evaluates them. In this case, an estimate takes place, which allows a reliable statement about the engine temperature of the electric motor. The embodiment of the electric hand tool according to the invention leads to the advantage that the costs for a motor temperature sensor, as used in the prior art, and a complicated production omitted. In addition to the pure component costs also eliminates the relatively complex assembly of a motor temperature sensor and the laying of its connecting cables.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist der Parameter der Motorstrom des Elektromotors, die Motordrehzahl des Elektromotors und/oder die Temperatur der Antriebssteuerung. Wobei die Temperatur der Antriebssteuerung vorteilhafterweise mittels eines Tempera- tursensors erfasst wird. Logischerweise verändern sich der Motorstrom und die Motordrehzahl des Elektromotors und die Temperatur der Antriebssteuerung während des Betriebs des Elektrohandwerk- zeuges. Durch diese Parameter lässt sich dabei auf die Motortemperatur zurückschließen. Vorteilhafterweise sind dafür Proportionalitäts- faktoren und/oder Vergleichswerte, die beispielsweise vorher messtechnisch ermittelt wurden, in einem Speicher der Antriebssteuerung hinterlegt.According to a development of the invention, the parameter is the motor current of the electric motor, the motor speed of the electric motor and / or the temperature of the drive control. Wherein the temperature of the drive control is advantageously detected by means of a temperature sensor. Logically, the motor current and the motor speed of the electric motor and the temperature of the drive control during operation of the electric hand tool change. These parameters can be used to draw conclusions about the engine temperature. Advantageously, proportionality factors and / or comparison values, which were previously determined by measurement for example, are stored in a memory of the drive control.
Vorteilhafterweise weist die Antriebssteuerung eine Leistungselekt- ronik auf, deren Temperatur als Parameter dient. Diese Temperatur nimmt mit der Dauer der Benutzung des Elektrohandwerkzeugs und/oder mit einem vom Benutzer angeforderten Antriebsdrehmoment zu.Advantageously, the drive control has a power electronics whose temperature serves as a parameter. This temperature increases with the duration of use of the electric hand tool and / or with a user requested drive torque.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Antriebssteuerung einen MikroController für die Auswertung der Parameter auf. Ein Mik- rocontroller ist ein sogenanntes Ein-Chip-Computersystem, bei welchem die wichtigsten Komponenten, wie Prozessor, Programm- und Arbeitsspeicher und Ein- und Ausgabeschnittstellen, auf einem einzi- gen Chip untergebracht sind. Durch einen im Programmspeicher ab- gelegten Programmcode kann der MikroController die erfassten Parameter auswerten und die Temperatur des Elektromotors abschätzen.According to a development of the invention, the drive control has a microcontroller for the evaluation of the parameters. A microcontroller is a so-called one-chip computer system in which the most important components, such as processor, program and memory memory and input and output interfaces, are housed on a single chip. By a program memory in the program code set, the microcontroller can evaluate the detected parameters and estimate the temperature of the electric motor.
Zweckmäßigerweise reduziert die Leistungselektronik in Abhängigkeit des Ergebnisses der Auswertung durch den MikroController den Motorstrom des Elektromotors auf ein zulässiges Maß. Dabei wird durch den MikroController der zulässige Motorstrom vorteilhafterweise so gewählt, dass die geschätzte Temperatur des Elektromotors einen bestimmten Wert nicht überschreitet. Zweckmäßigerweise wird der Elektromotor durch die Leistungselektronik abgeschaltet, wenn die Temperatur des Elektromotors dennoch einen kritischen Wert überschreiten sollte. Alternativ dazu oder zusätzlich steuert die Antriebssteuerung ein Leuchtmittel an, durch welches der Benutzer auf eine Überhitzung des Elektromotors aufmerksam gemacht wird.Expediently, the power electronics reduce the motor current of the electric motor to a permissible level as a function of the result of the evaluation by the microcontroller. In this case, the permissible motor current is advantageously selected by the microcontroller so that the estimated temperature of the electric motor does not exceed a certain value. Conveniently, the electric motor is turned off by the power electronics, if the temperature of the electric motor should still exceed a critical value. Alternatively or additionally, the drive control controls a light source, by which the user is made aware of an overheating of the electric motor.
Vorteilhafterweise weist die Temperaturerfassung einen Intervallbetrieb auf. Das heißt, dass die Parameter in regelmäßigen Zeitinterval- len erfasst werden. Dadurch ist es, unter anderem, für die Antriebssteuerung auch möglich, einen Zeitpunkt abzuschätzen, an dem die Temperatur des Elektromotors einen bestimmten Wert überschreiten wird, so dass der Motorstrom noch vor Überschreiten dieses Wertes reduziert werden kann.Advantageously, the temperature detection has an interval operation. This means that the parameters are recorded at regular time intervals. This makes it possible, inter alia, for the drive control, to estimate a time at which the temperature of the electric motor will exceed a certain value, so that the motor current can be reduced before exceeding this value.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Motordrehzahl eine mittlere Motordrehzahl. Da das hier betrachtete Elektrohandwerk- zeug über keinen Drehzahlsensor verfügt, kann die aktuelle Motordrehzahl lediglich grob abgeschätzt werden.According to a development of the invention, the engine speed is an average engine speed. Since the electric hand tool considered here has no speed sensor, the current engine speed can only be roughly estimated.
Zweckmäßigerweise sind mehrere Betriebszustände des Elektro- handwerkzeugs unterschiedlichen mittleren Motordrehzahlen zugeordnet und es wird die mittlere Motordrehzahl für die Auswertung verwendet, die dem momentanen Betriebszustand des Elektrohand- Werkzeugs entspricht. Hierzu wird die Drehmoment-Drehzahl- Kennlinie des Elektromotors des Elektrohandwerkzeugs ausgenutzt. Diese Kennlinie kann in drei Bereiche unterteilt werden: In einem ersten Bereich, dem sogenannten Stellbereich, hält die Leistungselektronik die Drehzahl nahezu konstant, indem sie über den gemes- senen Strom den Ankerspannungsabfall des Elektromotors ermittelt und die Ankerspannung entsprechend erhöht. Dieser Bereich geht über in einen zweiten Bereich, der die natürliche Kennlinie des Elektromotors darstellt. Hierbei liegt am Elektromotor die maximale zur Verfügung stehende Spannung an. Der dritte Bereich, der sich direkt daran anschließt, ist der Bereich der sogenannten Strombegrenzung. In diesem Bereich reduziert die Leistungselektronik die Motorspannung, mit dem Ziel, den maximalen Ausgangsstrom einer Quelle nicht zu überschreiten. Jedem dieser drei Bereiche kann eine mittlere Motordrehzahl zugeordnet werden, die zur Auswertung durch die Antriebssteuerung verwendet wird.Expediently, a plurality of operating states of the electric hand tool are assigned to different average engine speeds, and the average engine speed is used for the evaluation, which corresponds to the current operating state of the electric hand tool. For this purpose, the torque-speed Characteristic of the electric motor of the electric hand tool exploited. This characteristic can be divided into three areas: In a first area, the so-called parking area, the power electronics keep the speed almost constant by determining the armature voltage drop of the electric motor via the measured current and correspondingly increasing the armature voltage. This area passes into a second area, which represents the natural characteristic of the electric motor. Here, the maximum available voltage is applied to the electric motor. The third area, which adjoins directly, is the area of so-called current limitation. In this area, the power electronics reduce the motor voltage, with the aim of not exceeding the maximum output current of a source. Each of these three ranges can be assigned an average engine speed that is used for evaluation by the drive controller.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Elektrohandwerkzeugs, das als Bauteil einen Elektromotor und eine elektrische/elektronische Antriebssteuerung aufweist und mit einer Tempe- raturerfassung zur Überwachung der Motortemperatur des Elektromotors, wobei die Temperaturerfassung durch eine von der Antriebssteuerung erfolgende Auswertung von mindestens einem, sich betriebsbedingt ändernden Parameter von mindestens einem der Bauteile erfolgt. Es werden also die bereits im Elektrohandwerkzeug vor- handene Bauteile beziehungsweise sich betriebsbedingt ändernde Parameter dieser Bauteile genutzt, um eine Aussage über die Temperatur des Elektromotors zu machen.Furthermore, the invention relates to a method for operating an electric hand tool having a component as an electric motor and an electric / electronic drive control and with a tempe- raturerfassung for monitoring the motor temperature of the electric motor, wherein the temperature detection by an evaluation carried out by the drive control of at least one, operationally changing parameters of at least one of the components takes place. Thus, the components already present in the electric hand tool or parameters of these components which change as a result of the operation are used in order to make a statement about the temperature of the electric motor.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von zwei Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigenIn the following, the invention will be explained in more detail with reference to two figures. Show
Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemä- ßen Elektrohandwerkzeugs und Figur 2 ein Drehzahl-Drehmoment-Diagramm des Elektromotors des Elektrohandwerkzeugs.1 shows a schematic representation of an inventive electric hand tool and Figure 2 is a speed-torque diagram of the electric motor of the electric hand tool.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Die Figur 1 zeigt in einem Ausführungsbeispiel eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Elektrohandwerkzeugs 1. Das Elektrohandwerkzeug 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dem ein Elekt- romotor 3 angeordnet ist, der mit einem Getriebe 4 und einem Lüfter 5 wirkverbunden ist, wobei das Getriebe 4 und der Lüfter 5 sich auf gegenüberliegenden Seiten des Elektromotors 3 befinden. Das Getriebe 4 ist weiterhin mit einem Bohrfutter 6, welches außerhalb des Gehäuses angeordnet ist, wirkverbunden.1 shows in an embodiment a schematic representation of an electric hand tool 1 according to the invention. The electric hand tool 1 has a housing 2 in which an electric motor 3 is arranged, which is operatively connected to a gear 4 and a fan 5, the gear 4 and the fan 5 are located on opposite sides of the electric motor 3. The transmission 4 is further operatively connected to a drill chuck 6, which is arranged outside the housing.
In dem Gehäuse 2 ist außerdem ein Sollwertegeber 7 angeordnet, der von einem außen am Gehäuse 2 angeordneten Drücker 8 betätigt wird. Innerhalb des Gehäuses 2 führt von dem Sollwertgeber 7 eine elektrische Leitung 9 zu einem Eingang 10 einer Spannungs- Versorgung 11 und eine weitere elektrische Leitung 12 zu einem Eingang 13 eines MikroControllers 14.In the housing 2, a setpoint generator 7 is also arranged, which is actuated by an outside of the housing 2 arranged pusher 8. Within the housing 2 leads from the setpoint generator 7, an electrical line 9 to an input 10 of a voltage supply 11 and a further electrical line 12 to an input 13 of a microcontroller 14th
Von der Spannungsversorgung 11 führt eine elektrische Leitung 15 zu einem Eingang 16 des MikroControllers 14, und von dem Mikro- Controller 14 führt eine elektrische Leitung 17 zu einem Eingang 18 der Spannungsversorgung 11. Der MikroController 14 weist dabei einen Intervallgeber 19 auf, der unter anderem bestimmt, in welchen Intervallen sich betriebsbedingt verändernde Parameter von Bauteilen des Elektrohandwerkzeugs 1 erfasst werden.From the power supply 11, an electrical line 15 leads to an input 16 of the microcontroller 14, and from the microcontroller 14 leads an electrical line 17 to an input 18 of the power supply 11. The microcontroller 14 in this case has an interval timer 19, among others determines at which intervals operationally changing parameters of components of the electric hand tool 1 are detected.
Von dem MikroController 14 führt eine elektrische Leitung 20 zu einem Eingang 21 einer Leistungselektronik 22, die den Elektromotor 3 steuert. Dazu führt von der Leistungselektronik 22 eine elektrische Leitung 23 zu einem Eingang 24 einer Stromerfassungseinrichtung 25, von der eine weitere elektrische Leitung 26 zu einem Eingang 27 des Elektromotors 3 führt.From the microcontroller 14, an electrical lead 20 leads to an input 21 of a power electronics 22, which controls the electric motor 3. This leads from the power electronics 22, an electrical line 23 to an input 24 of a current detection device 25, from which a further electrical line 26 leads to an input 27 of the electric motor 3.
Von der Stromerfassungseinrichtung 25 führt eine weitere elektrische Leitung 28 zu einem Eingang 29 des MikroControllers 14. Über die elektrische Leitung 28 erfasst der MikroController 14 somit den dem Elektromotor 3 zugeführten Strom und kann diesen in Bezug auf die Motortemperatur des Elektromotors 3 auswerten.From the current detection device 25, a further electrical line 28 leads to an input 29 of the microcontroller 14. Via the electrical line 28, the microcontroller 14 thus detects the current supplied to the electric motor 3 and can evaluate it in relation to the motor temperature of the electric motor 3.
Der Leistungselektronik 22 ist ein Kühlkörper 30 zugeordnet, der die in der Leistungselektronik 22 entstehende Wärme abführt. An dem Kühlkörper 30 ist außerdem ein Temperatursensor 31 angeordnet, welcher über eine Verbindung 32 mit einem Eingang 33 des Mikro- controllers 14 verbunden ist. Darüber kann der MikroController 14 eine Temperatur innerhalb des Gehäuses 2, insbesondere die Temperatur des Kühlkörpers 30 der Leistungselektronik 22, erfassen.The power electronics 22 is associated with a heat sink 30, which dissipates the heat generated in the power electronics 22. On the heat sink 30, a temperature sensor 31 is also arranged, which is connected via a connection 32 to an input 33 of the microcontroller 14. In addition, the microcontroller 14 can detect a temperature within the housing 2, in particular the temperature of the heat sink 30 of the power electronics 22.
An dem MikroController 14 führt eine elektrische Leitung 34 zu einem Leuchtmittel 35, wie zum Beispiel eine Leuchtdiode (LED), welches der MikroController 14 einschalten kann, um einen Benutzer einen Hinweis, zum Beispiel auf eine überhöhte Temperatur des Elektromotors 3, zugeben. Weiterhin ist der MikroController 14 über eine Verbindung 36 mit einem nicht-flüchtigen Speicher 37 verbunden. In dem nicht-flüchtigen Speicher 37 sind vorteilhafterweise sowohl ak- tuell erfasste, als auch zuvor messtechnisch ermittelte Werte, sowie für die Auswertung der erfassten Parameter notwendige Konstanten abgelegt.At the microcontroller 14, an electrical lead 34 leads to a light source 35, such as a light emitting diode (LED), which the microcontroller 14 can turn on to give a user an indication, for example, of an excessive temperature of the electric motor 3. Furthermore, the microcontroller 14 is connected via a connection 36 to a non-volatile memory 37. In the non-volatile memory 37, both currently detected and previously measured values are advantageously stored, as well as constants necessary for the evaluation of the detected parameters.
Zur Stromversorgung der Elektrohandwerkzeugs 1 dient eine am Gehäuse 2 angeordnete Batterie 38, die über eine elektrische Leitung 39 mit der Spannungsversorgung 11 und mit einer weiteren e- lektrischen Leitung 40 mit einem Eingang 41 der Leistungselektronik 22 verbunden ist. Da bei einem solchen Elektrohandwerkzeug die Batterie 38, die vorteilhafterweise als Akku ausgeführt ist, in der Regel lösbar als Batterieeinheit an dem Gehäuse 2 befestigt ist, sind die elektrischen Leitungen 39 und 40 nicht als durchgehende Leitungen anzusehen. Vielmehr weisen diese, hier nicht dargestellte, Kontaktelemente auf, die mit, hier ebenfalls nicht dargestellten, Gegenkontaktelementen der Batterie 38 zusammenwirken.To power the electric hand tool 1 is a arranged on the housing 2 battery 38 which is connected via an electrical line 39 to the power supply 11 and a further e- lektrischen line 40 to an input 41 of the power electronics 22. Since in such an electric hand tool, the battery 38, which is advantageously designed as a battery, is usually releasably secured as a battery unit to the housing 2, the electrical lines 39 and 40 are not considered as continuous lines. Rather, these, not shown here, contact elements which cooperate with, also not shown, counter contact elements of the battery 38.
Der MikroController 14, die Leistungselektronik 22, die Stromerfas- sungseinrichtung 25 und der Sollwertgeber 7 stellen hierbei die wesentlichen Bestandteile einer Antriebssteuerung 45 des Elektro- handwerkzeugs 1 dar.The microcontroller 14, the power electronics 22, the Stromerfas- sungseinrichtung 25 and the setpoint generator 7 in this case represent the essential components of a drive control 45 of the electric hand tool 1.
Wird das Elektrohandwerkzeug 1 durch Betätigung des Drückers 8 nach einer längeren Pause in Betrieb genommen, so wird der Mikro- controller 14 über die Spannungsversorgung 11 versorgt. Über den Temperatursensor 31 am Kühlkörper 30 der Leistungselektronik 22 schätzt der MikroController 14 die Ausgangstemperatur des Elektromotors 3. Da nach einer längeren Betriebspause die in dem Elektro- handwerkzeug 1 vorhandenen Bauteile in etwa die gleiche Temperatur aufweisen, ist dies eine einfache Möglichkeit, die Temperatur des Elektromotors 3 relativ genau zu bestimmen.If the electric hand tool 1 is put into operation by operation of the pusher 8 after a long break, the microcontroller 14 is supplied via the power supply 11. The microcontroller 14 estimates the starting temperature of the electric motor 3 via the temperature sensor 31 on the heat sink 30 of the power electronics 22. Since the components present in the electric hand tool 1 have approximately the same temperature after an extended break in operation, this is a simple way of determining the temperature of the Electric motor 3 to determine relatively accurate.
Über die Stormerfassungseinrichtung 25, die den dem Elektromotor 3 zugeführten Strom erfasst, schätzt der MikroController 14 in regelmäßigen Zeitintervallen, die durch den Intervallgeber 19 vorgegeben werden, die Motorverluste des Elektromotors 3, die in erster Nährung dem Quadrat des Motorstroms proportional sind. Mit Hilfe der thermischen Zeitkonstante des Elektromotors 3 wird nun die mittlere Motor- temperatur des aktuellen Zeitintervalls abgeschätzt.About the Stormerfassungseinrichtung 25, which detects the current supplied to the electric motor 3, the microcontroller 14 estimates at regular time intervals, which are specified by the interval generator 19, the engine losses of the electric motor 3, which are proportional to the square of the motor current in the first approximation. With the aid of the thermal time constant of the electric motor 3, the mean engine temperature of the current time interval is now estimated.
Da der Elektromotor 3 durch den Lüfter 5, der direkt auf der Elektromotorwelle sitzt, gekühlt wird, ist die Wärmeabfuhr des Elektromotors nicht nur von dessen augenblicklicher Temperatur, sondern auch von der momentanen Motordrehzahl abhängig. Da das Elektrohandwerk- zeug 1 über keinen Drehzahlsensor verfügt, kann die aktuelle Motordrehzahl lediglich grob abgeschätzt werden.Since the electric motor 3 is cooled by the fan 5, which sits directly on the electric motor shaft, the heat dissipation of the electric motor is dependent not only on its current temperature, but also on the current engine speed. Since the electrical trade 1 has no speed sensor, the current engine speed can only be roughly estimated.
Hierzu wird die in der Figur 2 dargestellte Drehmoment-Drehzahl- Kennlinie 50 des Elektrohandwerkzeugs ausgenutzt. Die Kennlinie 50 ist dabei als Drehzahl n über das Elektromotor-Drehmoment M aufgetragen. Die Kennlinie 50 wird durch zwei gestrichelte Linien 51 und 52 in drei Bereiche I1 II und III unterteilt. Der erste Bereich I stellt den sogenannten Stellbereich dar. In diesem Bereich hält die An- triebssteuerung des Elektrohandwerkzeugs 1 die Drehzahl N nahezu konstant, indem sie über den gemessenen Strom den Ankerspannungsabfall des Ankers des Elektromotors 3 ermittelt und die Ankerspannung entsprechend erhöht. Dieser Bereich I geht über in die natürliche Kennlinie des Elektromotors 3 im Bereich II. Hier liegt am Elektromotor 3 die maximale zur Verfügung stehende Spannung an. An die natürliche Kennlinie des Motors im Bereich Il schließt sich der Bereich III der Strombegrenzung an. Hier reduziert die Antriebssteuerung die Elektromotorspannung, mit dem Ziel, den maximalen Ausgangsstrom der Stromquelle, in diesem Fall die Batterie 38, nicht zu überschreiten.For this purpose, the torque-speed characteristic 50 of the electric hand tool shown in FIG. 2 is utilized. The characteristic curve 50 is plotted as the rotational speed n via the electric motor torque M. The characteristic 50 is divided by two dashed lines 51 and 52 into three areas I 1 II and III. The first area I represents the so-called setting range. In this area, the drive control of the electric hand tool 1 keeps the speed N almost constant by determining the armature voltage drop of the armature of the electric motor 3 via the measured current and correspondingly increasing the armature voltage. This region I merges into the natural characteristic curve of the electric motor 3 in region II. Here, the maximum available voltage is applied to the electric motor 3. The natural characteristic curve of the motor in the area II is followed by the area III of the current limitation. Here, the drive controller reduces the electric motor voltage, with the aim of not exceeding the maximum output current of the power source, in this case the battery 38.
Jedem dieser drei Bereiche kann eine mittlere Elektromotordrehzahl zugeordnet werden, zu der wiederum die abgeführte Wärmemenge des Elektromotors 3 in erster Nährung proportional ist. Der Mikro- Controller 14 ermittelt nun in den von dem Intervallgeber 19 vorgegebenen regelmäßigen Zeitintervallen die Differenz zwischen zugeführter und abgeführtrer Wärmemenge des Elektromotors 3 und schätzt so dessen Temperatur. Hierzu sind die erwähnten Proportionalitätsfaktoren, wie zum Beispiel die thermische Zeitkonstante des Elekt- romotors 3, zuvor messtechnisch zu ermitteln und in den Programmcode des MikroControllers 14 oder in dem nicht-flüchtigen Speicher 37 abzulegen.Each of these three areas can be assigned a mean electric motor speed, to which in turn the dissipated amount of heat of the electric motor 3 in first Nährung is proportional. The microcontroller 14 then determines in the predetermined by the interval timer 19 regular time intervals, the difference between the supplied and abgeführtrer amount of heat of the electric motor 3 and thus estimates its temperature. For this purpose, the aforementioned proportionality factors, such as the thermal time constant of the electric motor 3, must first be determined metrologically and stored in the program code of the microcontroller 14 or in the non-volatile memory 37.
Nähert sich die so ermittelte Elektromotortemperatur einem kritischen Wert, so kann der MikroController 14 dieses dem Benutzer über das Leuchtmittel 35 signalisieren. Vorzugsweise reduziert der Mikrocont- roller 14 beim Überschreiten einer definierten Temperaturschwelle den zulässigen Motorstrom, um bei Erreichen einer weiteren Schwelle den Elektromotor 3 komplett abzuschalten.If the thus determined electric motor temperature approaches a critical value, the microcontroller 14 can send this to the user via the Signal illuminant 35. When a defined temperature threshold is exceeded, the microcontroller 14 preferably reduces the permissible motor current in order to completely switch off the electric motor 3 when a further threshold is reached.
Wird der MikroController 14 bei erwärmten Elektromotor 3 deaktiviert, beispielsweise durch Entnahme der Batterie 38 aus dem Elektro- handwerkzeug 1 , durch Trennen einer Netzverbindung oder, initiiert durch Software des MikroControllers 14, bei Ablauf eines von dem Intervallgeber 19 vorgegebenen Zeitintervalls, kann der Mikrocontrol- ler 14 den Abkühlvorgang des Elektromotors 3 nicht mehr verfolgen und kennt somit bei einem späteren Wiedereinschalten des Elektro- handwerkzeugs 1 nicht mehr die aktuelle Elektromotortemperatur. Zum Bestimmen beziehungsweise Abschätzen der aktuellen Elekt- romotortemperatur sind zwei Strategien möglich.If the microcontroller 14 is deactivated when the electric motor 3 is heated, for example by removing the battery 38 from the electric hand tool 1, by disconnecting a network connection or initiated by software of the microcontroller 14 when a time interval predetermined by the interval timer 19 has elapsed, the microcontroller can Ler 14 no longer follow the cooling process of the electric motor 3 and thus does not know the current electric motor temperature at a later restart of the electric hand tool 1. Two strategies are possible for determining or estimating the current electric motor temperature.
Die erste Strategie wurde bereits genannt: Wird der MikroController 14 aktiviert, also das Elektrohandwerkzeug eingeschaltet beziehungsweise mit Strom versorgt, so schätzt der MikroController 14 die Elektromotortemperatur anhand der Temperatur des Kühlkörpers 30, die von dem Temperatursensor 31 erfasst wird. Hierbei ergibt sich das Problem, dass der Kühlkörper 30 und der Elektromotor 3 unterschiedliche thermische Zeitkonstanten besitzen und sich, je nach Belastungsfall, unterschiedlich erwärmen oder abkühlen.The first strategy has already been mentioned: If the microcontroller 14 is activated, ie the electric hand tool is switched on or supplied with power, then the microcontroller 14 estimates the electric motor temperature based on the temperature of the heat sink 30 detected by the temperature sensor 31. This results in the problem that the heat sink 30 and the electric motor 3 have different thermal time constants and, depending on the load case, heat or cool differently.
Die zweite vorteilhafte Strategie basiert auf den beiden genannten thermischen Zeitkonstanten und nutzt dabei den gestrichelt dargestellten nicht-flüchtigen Speicher 37. Wird der MikroController 14 wie oben beschrieben deaktiviert, so speichert er die aktuellen Tempera- turen von Elektromotor 3 und Kühlkörper 30 in dem nicht-flüchtigen Speicher 37. Bei einem späteren aktivieren des MikroControllers 14 kann dieser dann anhand der gespeicherten Temperaturen, der gemessenen Kühlkörpertemperatur und den beiden thermischen Zeitkonstanten die aktuelle Elektromotortemperatur abschätzen. Durch die Verwendung der bereits in dem Elektrohandwerkzeug 1 vorhandenen Bauteile, entfallen neben den reinen Bauteilkosten für einen Temperatursensor auch die vergleichsweise aufwendige Montage des Temperatursensors sowie die Verlegung von dessen An- Schlussleitungen. The second advantageous strategy is based on the two mentioned thermal time constants and uses the nonvolatile memory 37 shown in dashed lines. If the microcontroller 14 is deactivated as described above, it stores the current temperatures of electric motor 3 and heat sink 30 in the non-volatile memory 37. Volatile memory 37. In a later activate the microcontroller 14 this can then estimate the current electric motor temperature based on the stored temperatures, the measured heat sink temperature and the two thermal time constants. By using the components already present in the electric hand tool 1, in addition to the pure component costs for a temperature sensor, the comparatively complicated assembly of the temperature sensor and the laying of its connection leads are also eliminated.

Claims

Ansprüche claims
1. Elektrohandwerkzeug, das als Bauteile einen Elektromotor und eine elektrische/elektronische Antriebssteuerung aufweist und mit einer Temperaturerfassung zur Überwachung der Motortemperatur des Elektromotors, dadurch gekennzeichnet, dass die Tempera- turerfasssung durch eine von der Antriebssteuerung (45) erfolgende Auswertung von mindestens einem, sich betriebsbedingt ändernden Parameter von mindestens einem der Bauteile erfolgt.1. Electric hand tool having as components an electric motor and an electric / electronic drive control and with a temperature detection for monitoring the motor temperature of the electric motor, characterized in that the temperature turerfasssung by one of the drive control (45) taking place evaluation of at least one operationally changing parameters of at least one of the components takes place.
2. Elektrohandwerkzeug nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter der Motorstrom des Elektromotors (3), die Motordrehzahl des Elektromotors (3) und/oder die Temperatur der Antriebssteuerung (45) ist.2. Electric hand tool according to claim 1, characterized in that the parameter of the motor current of the electric motor (3), the engine speed of the electric motor (3) and / or the temperature of the drive control (45).
3. Elektrohandwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebssteuerung (45) eine Leistungselektronik (22) aufweist, deren Temperatur als Parameter dient.3. Electric hand tool according to one of the preceding claims, characterized in that the drive control (45) has power electronics (22) whose temperature serves as a parameter.
4. Elektrohandwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik (22) einen Kühlkörper (30) aufweist, dessen Temperatur als Parameter dient.4. Electric hand tool according to one of the preceding claims, characterized in that the power electronics (22) has a heat sink (30) whose temperature serves as a parameter.
5. Elektrohandwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebssteuerung (45) einen MikroController (14) für die Auswertung der Parameter aufweist.5. Electric hand tool according to one of the preceding claims, characterized in that the drive control (45) has a microcontroller (14) for the evaluation of the parameters.
6. Elektrohandwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit des Ergebnisses der Auswertung die Leistungselektronik (22) den Motorstrom auf ein zulässiges Maß reduziert. 6. Electric hand tool according to one of the preceding claims, characterized in that, depending on the result of the evaluation, the power electronics (22) reduces the motor current to a permissible level.
7. Elektrohandwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturerfassung einen Intervallbetrieb aufweist.7. Electric hand tool according to one of the preceding claims, characterized in that the temperature detection has an interval operation.
8. Elektrohandwerkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Motordrehzahl eine mittlere Motordrehzahl ist.8. Electric hand tool according to one of the preceding claims, characterized in that the engine speed is an average engine speed.
9. Elektrohandwerkzeug nach einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Betriebszustände des Elektrohandwerkzeugs (1 ) unterschiedlichen mittleren Motordrehzahlen zugeordnet sind und dass die mittlere Motordrehzahl für die Auswertung verwendet wird, die dem momentanen Betriebszustand des Elektrohandwerkzeugs (1 ) entspricht.9. Electric hand tool according to one of the preceding claims, characterized in that several operating states of the electric hand tool (1) are associated with different average engine speeds and that the average engine speed is used for the evaluation, which corresponds to the current operating state of the electric hand tool (1).
10. Verfahren zum Betrieb eines Elektrohandwerkzeugs, das als Bauteile einen Elektromotor und eine elektrische/elektronische Antriebssteuerung aufweist und mit einer Temperaturerfassung zur LJ- berwachung der Motortemperatur des Elektromotors, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Temperaturerfassung durch von der Antriebssteuerung (45) erfolgende Auswertung von mindestens einem, sich betriebsbedingt ändernden Parameter von mindestens einem er Bauteile erfolgt. 10. A method for operating an electric hand tool having as components an electric motor and an electric / electronic drive control and with a temperature detection for LJ monitoring the motor temperature of the electric motor, characterized in that the temperature detection by the drive control (45) taking place evaluation at least one, operationally changing parameters of at least one of he components takes place.
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