AT519142B1

AT519142B1 - Verfahren und Vorrichtung zum Abbauen elastisch gespeicherter Energie

Info

Publication number: AT519142B1
Application number: ATA50808/2017A
Authority: AT
Inventors: Essig Matthias; Spielmann Andreas
Original assignee: Wittenstein Se
Priority date: 2016-09-26
Filing date: 2017-09-22
Publication date: 2020-04-15
Also published as: AT519142A2; US20180091084A1; US10411639B2; DE102016118170A1

Abstract

Verfahren zum Abbauen der elastisch gespeicherten Energie eines mit einem Elektromotor (20) betriebenen Werkzeugs, mit Bestimmen der Drehzahl des Elektromotors; Bestimmen eines Grenzmoments für den Elektromotor (20) unter Verwendung der Drehzahl, bei welchem Grenzmoment die Energie zumindest zum überwiegenden Teil in Kupferverluste des Elektromotors umgesetzt wird und Antreiben des Elektromotors (20) mittels einer Drehzahlregelung mit einer sich verringernden Drehzahl, unter Einhaltung des Grenzmoments als Motordrehmoment-Obergrenze.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft Verfahren zum Abbauen einer elastisch gespeicherten Energie eines mit einem Elektromotor betriebenen Werkzeugs und ein Werkzeug mit einem Elektromotor.

[0002] Aus dem Stand der Technik sind mit einem Elektromotor betriebene so genannte Kraftschrauber oder Schwerlastschrauber bekannt, bei welchen der Elektromotor eine Arbeitsspindel unter Zwischenschaltung eines Getriebes antreibt. Die Getriebeübersetzung ist hoch, so dass u. a. durch die Steifigkeit des Getriebes während eines Schraubvorganges elastische Energie in dem mechanischen System gespeichert wird. Ein Beispiel für die gespeicherte elastische Energie umfasst die Torsionsenergie.

[0003] Bei einem Schraubvorgang rotiert die Arbeitsspindel in einer Anzugsrichtung oder Befestigungsrichtung eines Elements der herzustellenden Schraubverbindung, beispielsweise einen Bolzen oder einer Mutter. Der Schraubvorgang wird beendet, wenn ein gewünschtes Anzugsmoment erreicht ist. Die gespeicherte elastische Energie kann nach Beendigung des Schraubvorganges eine Beschleunigung der Arbeitsspindel entgegen der Anzugsrichtung bewirken. Dies kann dazu führen, dass der Elektromotor mit einer Drehzahl rotiert, welche dessen Nenndrehzahl oder Auslegungsdrehzahl überschreitet.

[0004] Aus der Druckschrift US 5,285,857 A ist ein Verfahren zum Abbremsen eines Schwerlastschraubers mit Elektromotor und Getriebe bekannt. Bei dem herkömmlichen Verfahren wird der Rotor des Elektromotors intervallartig blockiert (siehe z. B. Fig. 3 der US 5,285,857 A). Es ergibt sich ein ruckartiges Verhalten des Elektromotors. Der Abbau der Energie erfolgt vergleichsweise langsam, und Motor und Getriebe werden durch die ruckartigen Stöße stark belastet.

[0005] Die US 2007/200528 A1 offenbart eine Regelung für Permanentmagnet-Synchronmotoren, welche eine in einem Generatorbetrieb des Motors auftretende elektrische Leistung durch geeignete Wahl der Ströme im Motor in Verlustleistung umsetzt.

[0006] Aus der DE 39 29 407 A1 geht ein Verfahren zur Ansteuerung eines Motors hinsichtlich seiner Laufgeschwindigkeit hervor. Dabei wird eine in einem Generatorbetrieb eines Motors erzeugte elektrische Energie in dem Motor durch Überlagerung eines Stromes in Wärmeenergie umgewandelt.

[0007] Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren zum Abbauen der elastisch gespeicherten Energie eines mit einem Elektromotor betriebenen Werkzeugs oder ein mit einem Elektromotor betriebenes Werkzeug zum Durchführen des Verfahrens anzugeben, wobei der Abbau der Energie insbesondere schnell oder schonend erfolgen soll.

[0008] Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 bzw. durch ein Werkzeug nach dem nebengeordneten Anspruch.

[0009] Ein typisches erfindungsgemäßes Verfahren umfasst ein Bestimmen der Drehzahl des Elektromotors; ein Bestimmen des Grenzmoments für den Elektromotor unter Verwendung der Drehzahl, bei welchem Grenzmoment die Energie zumindest zum überwiegenden Teil in Kupferverluste des Elektromotors umgesetzt wird; und ein Antreiben des Elektromotors mittels einer Drehzahlregelung mit einer sich verringernden Drehzahl, unter Einhaltung des Grenzmoments als Motordrehmoment Obergrenze.

[0010] Das Werkzeug ist beispielsweise ein Schraubwerkzeug, typischerweise ein Kraftschrauber oder Schwerlastschrauber. Das Werkzeug kann netzbetrieben oder batterie-/akkubetrieben ausgeführt sein. Das Werkzeug kann beispielsweise auch auf Werkstücke einwirken oder als Teil einer Maschine ausgeführt sein. Ausführungsformen der Erfindung sind als stationäre Maschinen oder als Teil solcher Maschinen ausgebildet. Weitere Ausführungsformen sind als handbetriebene („hand-held“) Geräte ausgebildet.

[0011] Die Drehzahl des Elektromotors kann beispielsweise mittels eines geeigneten Drehzahl

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AT 519 142 B1 2020-04-15 österreichisches patentamt gebers oder Drehzahlencoders bestimmt werden.

[0012] Die Drehzahl wird bei Ausführungsbeispielen geberlos bestimmt. Eine geberlose Bestimmung der Drehzahl ist beispielsweise möglich wie in dem Dokument „Positionsgeberloser Betrieb von permanentmagneterregten Synchronmaschinen“; Dr. Karsten Wiedmann; Fakultät für Elektrotechnik und Informatik der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover; 2012 beschrieben.

[0013] Es ist auch möglich, die Drehzahl des Elektromotors indirekt zu bestimmen, beispielsweise über eine Bestimmung der Ausgangsdrehzahl am Ausgang des Getriebes oder am Ausgang des Elektromotors.

[0014] Das Grenzmoment für den Elektromotor wird unter Verwendung der Drehzahl des Elektromotors bestimmt. Bei dem Grenzmoment wird die Energie zumindest zum überwiegenden Teil in Kupferverluste des Elektromotors umgesetzt.

[0015] Bei einer beispielhaften Beschreibung des Elektromotors im d/q-Koordinatensystem ergibt sich die elektrische Verlustleistung P_v des Elektromotors, bei welcher zum überwiegenden Teil Kupferverluste erzeugt werden, in der Näherung zu ³

Pv — 2 Rq [0016] wobei R_q der elektrische Widerstand in der q-Achse ist, und wobei i_q der Strom in der qAchse ist.

[0017] Die mechanische Leistung des Elektromotors ergibt sich als das Produkt aus dem momentanen Motordrehmoment M und der mechanischen Winkelgeschwindigkeit u)_mech.

[0018] Durch Gleichsetzen ergibt sich ³

M ' ^mech ~ 2 Rq iq [0019] Das Motordrehmoment M ist von der Winkelgeschwindigkeit und damit von der Drehzahl n abhängig.

[0020] Unter Verwendung der bestimmten Drehzahl wird typischerweise das Moment M als Grenzmoment M_Lim bestimmt, bei welchem die Energie in dem Elektromotor zumindest zum überwiegenden Teil, typischerweise zu mehr als 90% oder zu mehr als 95% oder zumindest im Wesentlichen vollständig, in Kupferverluste umgesetzt wird. Dabei bedeutet „zumindest im Wesentlichen“ typischerweise, dass zusätzlich zu den Kupferverlusten insbesondere innerhalb des Getriebes und Motors Reibungsverluste auftreten, so dass ein 100% Abbau der Energie in Kupferverluste nicht erfolgt. Abgesehen von solchen nicht absichtlich herbeigeführten Verlusten soll bei typischen Ausführungsbeispielen die Energie möglichst vollständig in Kupferverluste umgesetzt werden.

[0021] Der Elektromotor wird typischerweise mit einer Drehzahlregelung angetrieben. Ein Antreiben im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens ist typischerweise ein elektrisches Betreiben des Elektromotors, also eine Bestromung bzw. Kommutierung des Elektromotors.

[0022] Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Drehzahlregelung zum Abbau der elastisch gespeicherten Energie so betrieben, dass sich die Drehzahl verringert, wobei gemäß dem Verfahren das Grenzmoment M_Lim als Obergrenze für das Motordrehmoment M durch die Drehzahlregelung eingehalten wird.

[0023] Das Grenzmoment M_Lim geht typischerweise als Begrenzung in die Drehzahlregelung ein. Typischerweise wird als Verringerung der Drehzahl eine Drehzahl von 0 vorgegeben; es ist jedoch auch möglich, eine Drehzahl vorzugeben, die von 0 verschieden ist, solange sie betragsmäßig kleiner ist als die momentane Drehzahl n.

[0024] Typischerweise wird mit der Ausführung des Verfahrens unmittelbar nach der Beendigung eines Schraubvorganges begonnen.

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AT 519 142 B1 2020-04-15 österreichisches patentamt [0025] Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die gespeicherte elastische Energie schnell abgebaut werden, ohne dass der Elektromotor oder das Getriebe übermäßig belastet werden, insbesondere ohne dass der Elektromotor oder das Getriebe ruckartig belastet werden.

[0026] Der Elektromotor oder das Getriebe können geschont werden. Eine Zerstörung eines Motor-Zwischenkreises durch eine überhöhte Drehzahl und eine damit einhergehende hohe induzierte Spannung kann vermieden werden. Ferner kann erreicht werden, dass während der Durchführung des Verfahrens keine Einspeisung von Energie in den Zwischenkreis erfolgt.

[0027] Es kann ein vorteilhaftes, typischerweise ein kontinuierliches oder homogenes Schraubgefühl erzielt werden.

[0028] Bei einem Werkzeug, an welchem das erfindungsgemäße Verfahren verwendet wird, kann auf zusätzliche Bauteile verzichtet werden, insbesondere auf zusätzliche Schaltungen zum Begrenzen des Stroms oder der Spannung.

[0029] Bei typischen Ausführungsformen umfasst das Verfahren, dass die folgenden Verfahrensanweisungen wiederholt durchgeführt werden, bis ein Abbruchkriterium erfüllt ist: Bestimmen der Drehzahl des Elektromotors; ein Bestimmen des Grenzmoments für den Elektromotor unter Verwendung der Drehzahl, bei welchem Grenzmoment die Energie zumindest zum überwiegenden Teil in Kupferverluste des Elektromotors umgesetzt wird; und ein Antreiben des Elektromotors mittels einer Drehzahlregelung mit einer sich verringernden Drehzahl, unter Einhaltung des Grenzmoments als Motordrehmoment-Obergrenze. Typischerweise werden die genannten Verfahrensanweisungen in der angegebenen Reihenfolge nacheinander ausgeführt, wobei nach Ausführung der letztgenannten Verfahrensanweisung wieder mit der erstgenannten Verfahrensanweisung fortgefahren wird.

[0030] Typischerweise umfasst ein wiederholtes Durchführen der Verfahrensanweisungen, dass die Verfahrensanweisungen kontinuierlich ausgeführt werden. Typischerweise wird der Elektromotor mit der Drehzahlregelung unter Einhaltung des Grenzmoments als Motordrehmoment-Obergrenze kontinuierlich angetrieben. Der schonende Betrieb des Elektromotors oder des Getriebes und/oder das Schraubgefühl können weiter verbessert werden.

[0031] Bei Ausführungsformen wird bestimmt, dass das Abbruchkriterium erfüllt ist, wenn die Drehzahl eine minimale Drehzahl unterschreitet.

[0032] Die Drehzahl bezieht sich typischerweise auf eine Drehzahl in der Gegendrehrichtung. Die Gegendrehrichtung ist der Anzugsrichtung bzw. Befestigungsrichtung entgegengesetzt. Wenn unmittelbar nach der Beendigung eines Schraubvorganges mit der Ausführung des Verfahrens begonnen wird, ist die tatsächliche Motordrehzahl zunächst 0, und nimmt dann, bedingt durch die gespeicherte elastische mechanische Energie, in der Gegendrehrichtung einen von 0 verschiedenen Wert an. Wenn als Abbruchkriterium bestimmt wird, ob die minimale Drehzahl unterschritten ist, erfolgt dies erst, nachdem in der Gegendrehrichtung der von 0 verschiedene Wert angenommen wurde.

[0033] Die minimale Drehzahl ist vorab festgelegt oder festlegbar, typischerweise in Abhängigkeit von den Motor-Kenndaten einstellbar.

[0034] Bei Ausführungsformen wird bestimmt, dass das Abbruchkriterium erfüllt ist, wenn das Grenzmoment ein minimales Moment unterschreitet.

[0035] Das minimale Moment ist vorab festgelegt oder festlegbar, typischerweise in Abhängigkeit von den Motor-Kenndaten einstellbar.

[0036] Typischerweise wird bestimmt, dass das Abbruchkriterium erfüllt ist, wenn die Drehzahl eine minimale Drehzahl unterschreitet und wenn das Grenzmoment ein minimales Moment unterschreitet.

[0037] Bei Ausführungsformen wird bestimmt, dass das Abbruchkriterium erfüllt ist, wenn die Drehzahl eine minimale Drehzahl während eines definierten Zeitraums unterschreitet. Bei Ausführungsformen wird bestimmt, dass das Abbruchkriterium erfüllt ist, wenn das Grenzmoment

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AT 519 142 B1 2020-04-15 österreichisches patentamt ein minimales Moment während eines definierten Zeitraums unterschreitet. Typischerweise wird bestimmt, dass das Abbruchkriterium erfüllt ist, wenn die Drehzahl eine minimale Drehzahl während eines definierten Zeitraums unterschreitet und wenn das Grenzmoment ein minimales Moment während eines definierten Zeitraums unterschreitet.

[0038] Der definierte Zeitraum ist typischerweise auf einen Zeitraum länger als 20 ms oder länger als 50 ms eingestellt und kürzer als 1 s oder kürzer als 500 ms eingestellt. Beispielsweise ist der definierte Zeitraum länger als 100 ms und kürzer als 200 ms eingestellt.

[0039] Die Abbruchkriterien werden ab Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens durch die Steuereinrichtung überwacht. Durch den definierten Zeitraum wird ausgeschlossen, dass beim Anlaufen bei eventuell anfänglich geringer Drehzahl bzw. Grenzmoment das Verfahren sofort abgebrochen wird. Außerdem kann durch den definierten Zeitraum ausgeschlossen werden, dass ein kleines Schwingen der Zustandsgrößen sofort zu einem Abbruch des Verfahrens führt.

[0040] Bei Ausführungsformen ist die minimale Drehzahl kleiner als 10% einer Nenndrehzahl des Elektromotors. Typischerweise ist die minimale Drehzahl kleiner als 5% oder kleiner als 3% der Nenndrehzahl des Elektromotors. Dadurch kann beispielsweise das Verfahren so lange durchgeführt werden, bis ein schonender Betrieb des Elektromotors oder des Getriebes auch im Freilauf möglich ist, und eine weitere Erwärmung des Elektromotors kann verringert werden.

[0041] Bei Ausführungsformen ist das minimale Moment kleiner als 20% eines Nenndrehmoments des Elektromotors. Typischerweise ist das minimale Moment kleiner als 15% oder kleiner als 10% des Nenndrehmoments des Elektromotors. Dadurch kann beispielsweise das Verfahren so lange durchgeführt werden, bis ein schonender Betrieb des Elektromotors oder des Getriebes auch im Freilauf möglich ist, und eine weitere Erwärmung des Elektromotors kann verringert werden.

[0042] Bei Ausführungsformen wird das Grenzmoment unter Verwendung einer Motorkenngröße des Elektromotors bestimmt, wobei die Motorkenngröße die Motor-Spannungskonstante des Elektromotors umfasst. Die Motor-Spannungskonstante des Elektromotors ist typischerweise der Quotient aus der Spannung im Motor und der Winkelgeschwindigkeit ω des Elektromotors.

[0043] Bei Ausführungsformen wird das Grenzmoment unter Verwendung einer Motorkenngröße des Elektromotors bestimmt, wobei die Motorkenngröße den verketteten Außenleiterwiderstand des Elektromotors umfasst.

[0044] Typischerweise wird das Grenzmoment unter Verwendung einer Motorkenngröße des Elektromotors bestimmt, wobei die Motorkenngröße die Motor-Spannungskonstante und den verketteten Außenleiterwiderstand des Elektromotors umfasst.

[0045] Beispielsweise wird das Grenzmoment M(n) in Abhängigkeit von der mechanischen Drehzahl n gemäß dem folgenden Ausdruck bestimmt:

M(ri) = cn mite = p² Ψρ 2 π k² π ² 60 60 [0046] Hierbei ist k_e die Motor-Spannungskonstante, und R_tt ist der verkettete Außenleiterwiderstand. Diese Größen sind typischerweise für den Motor verfügbar und leicht vorgebbar.

[0047] Bei Ausführungsformen wird das Grenzmoment als ein von Null verschiedener Wert bestimmt, der bei der bestimmten Drehzahl des Elektromotors im Bereich von 80% bis 120%, typischerweise zumindest im Wesentlichen im Bereich des Schnittpunkts zwischen der mechanischen Leistung des Elektromotors und der elektrischen Kupferverlustleistung des Elektromotors liegt.

[0048] Die mechanische Leistung des Elektromotors und die elektrische Kupferverlustleistung des Elektromotors werden beispielsweise, für die bestimmte Drehzahl, als Kennlinien über dem jeweiligen Drehmoment aufgetragen. Der Schnittpunkt ergibt sich typischerweise durch Gleich

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AT 519 142 B1 2020-04-15 österreichisches patentamt setzen der mechanischen Leistung mit der elektrischen Kupferverlustleistung. Bei anderen Drehzahlen kann sich ein anderer Schnittpunkt ergeben.

[0049] Ein Werkzeug gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen Elektromotor, eine typischerweise geberlose Drehzahl-Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen der Drehzahl des Elektromotors, eine Regelungseinrichtung zum geregelten Antreiben des Elektromotors unter Verwendung der bestimmten Drehzahl und eine Steuerungseinrichtung. Die Steuerungseinrichtung ist dazu eingerichtet, ein hierin beschriebenes Verfahren zum Abbauen der elastisch gespeicherten Energie durchzuführen. Die Steuerungseinrichtung ist typischerweise dazu eingerichtet, zum Durchführen des Verfahrens die Regelungseinrichtung entsprechend anzusteuern.

[0050] Der Elektromotor wird typischerweise zielgerichtet so betrieben oder bestromt, dass die elastische mechanische Energie kontinuierlich abgebaut wird und nur in Kupferverluste des Elektromotors umgewandelt wird, ohne dass sich ein ruckartiger Betrieb ergibt.

[0051] Bei Ausführungsformen ist die Steuerungseinrichtung dazu eingerichtet, ein hierin beschriebenes Verfahren durchzuführen, welches umfasst: Bestimmen der Drehzahl des Elektromotors; ein Bestimmen des Grenzmoments für den Elektromotor unter Verwendung der Drehzahl, bei welchem Grenzmoment die Energie zumindest zum überwiegenden Teil in Kupferverluste des Elektromotors umgesetzt wird; und ein Antreiben des Elektromotors mittels einer Drehzahlregelung mit einer sich verringernden Drehzahl, unter Einhaltung des Grenzmoments als Motordrehmoment-Obergrenze.

[0052] Weitere Vorteile und Merkmale bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert, wobei die Figuren zeigen:

[0053] Fig. 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Schwerlastschraubers zur Verdeutlichung von Ausführungsformen der Erfindung;

ist ein Blockschaltbild für ein Werkzeug, das zum Ausführen eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eingerichtet ist;

ist ein schematisches Reglerschaltbild zum Ausführen eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

ist ein kombiniertes Diagramm, das das Drehmoment und die Drehzahl des Elektromotors während eines Schraubvorganges und nach Beendigung eines Schraubvorganges zeigt, ohne Durchführung eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

ist ein kombiniertes Diagramm, das das Drehmoment und die Drehzahl des Elektromotors während eines Schraubvorganges und nach Beendigung eines Schraubvorganges zeigt, mit Durchführung eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

ist ein Diagramm, das die Bestimmung des Grenzmoments zeigt, bei einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

ist ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

[0060] Nachfolgend werden typische Ausführungsformen anhand der Figuren beschrieben, wobei die Erfindung nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt ist, vielmehr wird der Umfang der Erfindung durch die Ansprüche bestimmt.

[0061] In der Fig. 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Schwerlastschraubers 1 zur Verdeutlichung von Ausführungsformen der Erfindung gezeigt. Der Schwerlastschrauber gemäß der in Fig. 1 gezeigten Darstellung ist als Winkelschrauber gezeigt; jedoch ist die Erfindung nicht auf solcherlei Werkzeuge beschränkt, und es können beispielsweise auch nichtwinklig arbeitende Werkzeuge mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden.

[0062] In einem Gehäuse 11 des Schwerlastschraubers 1 sind ein (in Fig. 1 nicht erkennbarer) [0054] Fig. 2 [0055] Fig. 3 [0056] Fig. 4 [0057] Fig. 5 [0058] Fig. 6 [0059] Fig. 7

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Elektromotor und ein (ebenfalls in Fig. 1 nicht dargestelltes) Getriebe zusammen mit einer Drehzahl-Bestimmungseinrichtung, einer Regelungseinrichtung und einer Steuereinrichtung aufgenommen.

[0063] Der Schwerlastschrauber 1 ist mit einem Handgriff 16 versehen, an welchem ein Bedienschalter 17 vorgesehen ist, mit welchem ein Schraubvorgang gestartet werden kann.

[0064] Eine abtriebsseitige Arbeitsspindel-Aufnahme 13 dient der Aufnahme eines Schraubenkopfes. Eine Drehmomentstütze 14 ist vorgesehen, um für den Schraubvorgang ein Gegenmoment aufbringen zu können. Der dargestellte Schwerlastschrauber 1 ist als netzbetriebenes Werkzeug ausgebildet; eine Zuleitung 15 dient dem Anschluss des Schwerlastschraubers 1 an eine Spannungsversorgung.

[0065] Bei einem Schraubvorgang ist ein Schraubsollmoment für den Schwerlastschrauber 1 vorgebbar. Ein Schraubsollmoment, das bei einem typischen Schwerlastschrauber 1 vorgebbar ist, ist beispielsweise größer als 5000 Nm oder größer als 8000 Nm. Während des Schraubvorgangs wird elastische mechanische Energie in den Bauteilen des Schwerlastschraubers gespeichert. Dies kann beispielsweise die Verwindungsenergie (Torsionsenergie) des Getriebes oder der Drehmomentstütze 14 oder die Rotationsenergie in dem Elektromotor oder in dem Getriebe umfassen.

[0066] Fig. 2 ist ein Blockschaltbild für ein Werkzeug, das zum Ausführen eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung eingerichtet ist. Das Werkzeug ist beispielsweise der in Fig. 1 dargestellte Schwerlastschrauber 1.

[0067] Ein Elektromotor 20 mit einem ausgangsseitigen Getriebe 12 ist schematisch in Fig. 2 dargestellt.

[0068] Einer Drehzahl-Bestimmungseinrichtung 30 wird ein Encoder-Signal 31 aus dem Elektromotor 20 zugeführt. Die Drehzahl-Bestimmungseinrichtung 30 ist dazu eingerichtet, aus dem Encoder-Signal 31 ein Drehzahlsignal 32 zu bestimmen, wobei das Drehzahlsignal 32 zu der momentanen Drehzahl des Elektromotors 20 korrespondiert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine encoderbasierte Drehzahlbestimmung beschränkt. Die Ermittlung der momentanen Drehzahl des Motors durch die Drehzahl-Bestimmungseinrichtung kann auch geberlos oder encoderlos erfolgen, beispielsweise nach dem Verfahren, das in dem Dokument „Positionsgeberloser Betrieb von permanentmagneterregten Synchronmaschinen“; Dr. Karsten Wiedmann; Fakultät für Elektrotechnik und Informatik der Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover; 2012 beschrieben ist. Aus dem Stand der Technik können weitere geberlose Regelungen bekannt sein und verwendet werden.

[0069] Das Drehzahlsignal 32 wird einer Regelungseinrichtung 40 zugeführt. Die Regelungseinrichtung 40 gibt ein Ausgangssignal 41 an den Elektromotor 20 aus und steuert ihn damit unter Verwendung der momentanen Drehzahl des Elektromotors an, die sich aus dem Drehzahlsignal 32 ergibt.

[0070] Das Drehzahlsignal 32 wird ferner einer Steuereinrichtung 50 zugeführt. Die Steuereinrichtung 50 ist dazu eingerichtet, unter Verwendung der Drehzahl aus dem Drehzahlsignal 32 ein Grenzmoment für den Elektromotor 20 zu bestimmen, bei welchem Grenzmoment die Energie zumindest zum überwiegenden Teil in Kupferverluste des Elektromotors umgesetzt wird.

[0071] Die Steuereinrichtung gibt ein Grenzmoment-Signal 51 an die Regelungseinrichtung 40 aus. Für ein Verfahren zum Abbauen der elastisch gespeicherten Energie gemäß Ausführungsformen der Erfindung steuert die Regelungseinrichtung 40 den Elektromotor 20 so an, dass die Drehzahl verringert wird; gleichzeitig verwendet sie das Grenzmoment-Signal 51, um sicherzustellen, dass das Motordrehmoment das vorgegebene Grenzmoment aus dem GrenzmomentSignal 51 nicht überschreitet.

[0072] Beispielsweise wird als Sollwert für die Drehzahl, auf welche die Regelungseinrichtung 40 den Elektromotor 20 regeln soll, eine geringe Drehzahl angegeben, die kleiner ist als einige hundert Umdrehungen pro Minute, beispielsweise kleiner als 200min'¹ oder kleiner als 100min'¹,

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AT 519 142 B1 2020-04-15 österreichisches patentamt typischerweise von 0min'¹.

[0073] Die Steuereinrichtung 50 bestimmt das Grenzmoment für den Elektromotor 20 regelmäßig, typischerweise kontinuierlich oder in festgelegten Zeitintervallen. Beispielsweise wird die Drehzahl bei der Ausführungsform durch die Drehzahl-Bestimmungseinrichtung 30 mit einer Abtastfrequenz von 1 kHz bestimmt und der Steuerungseinrichtung 50 als Drehzahlsignal 32 zugeführt. Wenn sich die Drehzahl des Elektromotors ändert, dann ändert sich typischerweise auch das Grenzmoment. Die Steuerungseinrichtung 50 kann beispielsweise ebenfalls mit einer Taktfrequenz von 1 kHz das Grenzmoment bestimmen und der Regelungseinrichtung 40 zuführen, so dass eine kontinuierliche Anpassung der Vorgabe der Obergrenze für das Motordrehmoment in der Regelungseinrichtung 40 erfolgt.

[0074] Bei Ausführungsformen werden Abtastraten für die Drehzahl mit bspw. mindestens 0,5 kHz, mindestens 1 kHz oder mindestens 2 kHz verwendet. Bei typischen Ausführungsformen wird das Grenzmoment mit einer Taktfrequenz von mindestens 0,5 kHz, mindestens 1 kHz oder mindestens 2 kHz bestimmt. Typischerweise werden die Schritte a) bis c) mit einer Frequenz von mindestens 0,5 kHz, mindestens 1 kHz oder mindestens 2 kHz wiederholt ausgeführt.

[0075] Die Erfindung ist nicht dahingehend einschränkend zu verstehen, dass die Regelungseinrichtung 40, die Drehzahl-Bestimmungseinrichtung 30 und/oder die Steuereinrichtung 50 als separate Bauteile oder Schaltungen vorgesehen sein müssen. Diese Differenzierung wird hierin nur aus Gründen der Verständlichkeit vorgenommen, und die Regelungseinrichtung 40, die Drehzahl-Bestimmungseinrichtung 30 und/oder die Steuereinrichtung 50 können auch integriert ausgebildet sein, als gemeinsame Schaltung(en) ausgebildet sein etc.

[0076] Fig. 3 ist ein schematisches Reglerschaltbild zum Ausführen eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Einem Block 60 zur Bestimmung der Motorkenngröße c wird der Betrag |n| der mechanischen Drehzahl, beispielsweise das Drehzahlsignal 32 aus der Drehzahl-Bestimmungseinrichtung 30, zugeführt. Die Motorkenngröße c wird gemäß der Ausführungsform wie folgt bestimmt:

p² Ψρ 2 π k² π

60 60 [0077] Hierbei ist k_e die Motor-Spannungskonstante, und R_tt ist der verkettete Außenleiterwiderstand. Diese Größen sind typischerweise für den Motor verfügbar und leicht vorgebbar.

[0078] In einer sich anschließenden Dynamikregelung, die in Fig. 3 insgesamt mit 70 bezeichnet ist, wird bei der dargestellten Ausführungsform durch die Konstanten K_p, T_N vorgegeben, dass eine Regelung auf eine Drehzahl von 0 innerhalb eines begrenzten Zeitraums, beispielsweise innerhalb von 3 Sekunden oder innerhalb von 1 Sekunde, erfolgen soll. Daraus wird ein Grenzmoment M_Lim bestimmt, das der Regelungseinrichtung 40 als Grenzmoment-Signal 51 vorgegeben wird. Die Regelungseinrichtung ist derart eingerichtet, dass der Wert, der über das Grenzmoment-Signal 51 vorgegeben wird, als Motordrehmoment-Obergrenze bei der Ansteuerung des Elektromotors 20 nicht überschritten wird. Typischerweise ist die Regelungseinrichtung derart eingerichtet, dass der Wert, der über das Grenzmoment-Signal 51 als Wert der Motordrehmoment-Obergrenze vorgegeben wird, zumindest nahezu erreicht wird, aber nicht überschritten wird. Der Regelungseinrichtung 40 wird ferner als Soll-Drehzahl ns ein Wert von 0 vorgebeben. Die Regelungseinrichtung 40 gibt ein Ausgangssignal 41 an den Elektromotor aus, für welches diese Vorgaben erfüllt sind.

[0079] Mit der in Fig. 3 gezeigten Dynamikregelung kann das Einschwingverhalten des Grenzmoments M_Ljm eingestellt werden. Die Dynamikregelung 70 ist aber nur beispielhaft, und die Erfindung ist nicht auf die Verwendung einer Dynamikregelung 70 beschränkt. Beispielsweise kann auf eine Dynamikregelung 70 bei typischen hierin beschriebenen Verfahren auch verzichtet werden. Typischerweise wird das Grenzmoment M_Lj_m direkt aus dem Produkt der Motorkenngröße c und der Drehzahl n ermittelt werden.

[0080] Fig. 4 ist ein kombiniertes Diagramm, das den zeitlichen Verlauf des Drehmoments M

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AT 519 142 B1 2020-04-15 österreichisches patentamt und der Drehzahl N des Elektromotors 20 während eines Schraubvorganges und nach Beendigung eines Schraubvorganges zeigt, ohne Durchführung eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

[0081] Nach kurzer Anlaufphase bis ca. 177s verringert sich allmählich die Drehzahl n, und das Drehmoment M baut sich auf. Zwischen 186s und 187s ist das Solldrehmoment erreicht. Dann wird kein Drehmoment an den Motor angelegt und die gespeicherte elastische Energie entlädt sich schlagartig. Im in Fig. 4 dargestellten Fall ohne Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens springt der Motor von ca. -500 min'¹ über 0 min'¹ auf eine hohe Rückwärts-Drehzahl von ca. 5000 min'¹. Dies kann eine mechanische Belastung für den Elektromotor oder das Getriebe darstellen; ferner kann eine solche hohe Rückwärtsdrehzahl dazu führen, dass im Zwischenkreis des Elektromotors unerwünscht hohe oder unzulässig hohe Spannungen induziert werden.

[0082] Der bei ca. 188s erfolgende Anstieg der Drehzahl entspricht einer gewollten (gezielten, angesteuerten) Rückwärtsdrehung des Motors, um das Werkzeug abnehmen zu können.

[0083] Fig. 5 ist ein kombiniertes Diagramm, das den zeitlichen Verlauf des Drehmoments M und der Drehzahl n des Elektromotors 20 während eines Schraubvorganges und nach Beendigung eines Schraubvorganges zeigt, mit Durchführung eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

[0084] Nach kurzer Anlaufphase bis ca. 138s verringert sich allmählich die Drehzahl und das Drehmoment baut sich auf. Zwischen 149s und 150s ist das Solldrehmoment erreicht. Nun wird ein Verfahren nach einer Ausführungsform der Erfindung durchgeführt. Der Motor wird nicht ausgeschaltet bzw. nicht bestromt, wie im Fall von Fig. 4, sondern wird ab ca. 149,8s so geregelt, dass eine vorgegebene drehmomentabhängige maximale Rückwärtsdrehzahl n nicht überschritten wird. Die gespeicherte elastische Energie des Systems wird graduell in elektrische Verlustenergie in Form von Kupferverlusten im Motor überführt. Das Drehmoment geht daher allmählich zwischen etwa 150s und 151s zurück.

[0085] Dadurch kann vermieden werden, dass eine hohe Rückwärtsdrehzahl des Elektromotors nach Beendigung des Schraubvorganges auftritt (obere Linie in Fig. 5), bei einem gleichzeitig guten Schraubgefühl.

[0086] Der bei ca. 151s erfolgende Anstieg der Drehzahl entspricht einer gewollten (gezielten, angesteuerten) Rückwärtsdrehung des Motors, um das Werkzeug abnehmen zu können.

[0087] Das Verfahren wird gemäß der Ausführungsform durchgeführt, bis ein Abbruchkriterium erfüllt ist. Mit dem Abbruchkriterium wird beispielsweise definiert, wann die gespeicherte elastische Energie einen unteren Schwellenwert unterschritten hat. Gemäß der Ausführungsform wird das Abbruchkriterium dann als erfüllt angenommen, wenn das berechnete Grenzmoment und die Drehzahl für einen definierten Zeitraum jeweils definierte Schwellen unterschritten haben.

[0088] Die Abbruchkriterien werden ab Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens durch die Steuereinrichtung 50 überwacht.

[0089] Die Schwellen werden typischerweise abhängig vom Motor eingestellt, wobei die Schwelle für das Grenzmoment beispielsweise im Bereich 5-15 % des maximalen Drehmoments des Elektromotors (des Nennmoments) liegt, und wobei die Schwelle für die Drehzahl beispielsweise im Bereich von 1-3% der Motornenndrehzahl liegt.

[0090] Der definierte Zeitraum kann auf beispielsweise 100 ms oder auf beispielsweise 200 ms eingestellt werden.

[0091] Fig. 6 ist ein Diagramm, das die Bestimmung des Grenzmoments zeigt, bei einem Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

[0092] In Fig. 6 sind beispielhaft die elektrische Verlustleistung P_v und die mechanische Leistung P_mech des Motors über dem Motor-Drehmoment M aufgetragen, und zwar bei einer bei

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AT 519 142 B1 2020-04-15 österreichisches patentamt spielhaft gewählten Drehzahl n von 700 Umdrehungen pro Minute (min^-1).

[0093] Ein von Null verschiedener Schnittpunkt der elektrischen Verlustleistung und der mechanischen Leistung des Motors ist in dem beispielhaft dargestellten Fall bei 6 Nm zu erkennen. [0094] Bei einem Drehmoment von 6 Nm ist bei dieser Drehzahl von 700 min'¹ die mechanische Leistung gleich der elektrischen Kupferverlustleistung. Bei Ausführungsformen wird das Grenzmoment als ein von Null verschiedener Wert bestimmt, der bei der bestimmten Drehzahl des Elektromotors im Bereich von 80% bis 120%, typischerweise zumindest im Wesentlichen im Bereich von 100% von einem solchen Schnittpunkt liegt.

[0095] Fig. 7 ist ein Ablaufdiagramm für ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

[0096] In 110 wird festgestellt, dass die Schraube festgezogen ist, also das Festschraubmoment oder der Festschraubwinkel erreicht ist.

[0097] In 120 wird das Rückstellmoment des Getriebes freigegeben. Nach 120 wird ein Verfahren gemäß einer typischen Ausführungsform der Erfindung begonnen.

[0098] In 130 wird die Drehzahl des Elektromotors bestimmt, beispielsweise mit einer Abtastfrequenz von 1 kHz gemessen.

[0099] In 140 wird ein Maximaldrehmoment oder Grenzmoment in Abhängigkeit von der Drehzahl und einer Motorkenngröße bestimmt, wie hierin beschrieben.

[00100] In 150 wird das Maximaldrehmoment in eine Begrenzungseinrichtung der Regelungseinrichtung oder des Drehzahlreglers eingegeben.

[00101] In 160 wird ein Ausgangssignal an den Elektromotor zur Regelung auf eine Drehzahl von 0 von der Regelungseinrichtung vorgegeben, wobei das Maximaldrehmoment durch die Regelungseinrichtung berücksichtigt wird.

[00102] In 170 wird bestimmt, ob oder ob nicht eine vorab festgelegte oder festlegbare Drehmomentschwelle und eine vorab festgelegte oder festlegbare Drehzahlschwelle unterschritten ist.

[00103] Im Fall, dass in 170 bestimmt wird, dass die genannten Schwellen nicht unterschritten sind, erfolgt ein Rücksprung zu 130.

[00104] Im Fall, dass in 170 bestimmt wird, dass die genannten Schwellen unterschritten sind, wird mit 180 fortgefahren.

[00105] In 180 wird das erfindungsgemäße Verfahren nach der Ausführungsform beendet.

[00106] Der Ablauf eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend erläutert. Für den Schraubvorgang, also vor dem Start des Verfahrens zum Abbauen der elastisch gespeicherten Energie gemäß der Ausführungsform, wird ein Schraubsollmoment vorgegeben, welches im Schraubvorgang erreicht wird.

[00107] Dies führt dazu, dass beim Beginn des Verfahrens zum Abbauen der elastisch gespeicherten Energie gemäß der Ausführungsform die Schraube zunächst festgehalten wird. Zu diesem Zeitpunkt entspricht das Grenzmoment dem Schraubsollmoment. Das Grenzmoment ist das Ausgangsmoment, bei welchem die mechanische Leistung im Gleichgewicht mit den Kupferverlusten des Elektromotors ist. Dies wiederum führt dazu, dass sich der Motor zu diesem Zeitpunkt nicht dreht, worauf n*c = 0 folgt.

[00108] Daraus resultiert ein sinkendes Grenzmoment, wobei das Absinken des Grenzmoments gemäß der Ausführungsform über die Dynamikreglung 70 einstellbar ist. Daraus folgt eine geregelte Drehbewegung des Motors.

[00109] Bei der Ausführungsform wird mit einer konstanten Abtastfrequenz, beispielsweise von 1kHz oder von 2kHz, nun laufend die Drehzahl n bestimmt und das entsprechende Grenzmoment aus n*c errechnet.

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AT 519 142 B1 2020-04-15 österreichisches patentamt [00110] Dieses Grenzmoment geht in eine Begrenzungseinrichtung der Regelungseinrichtung 40 ein, die als Drehzahlregler ausgebildet ist. Die Regelungseinrichtung 40 gibt eine Motordrehmoment-Obergrenze zur Regelung auf Drehzahl 0 vor. Die Regelungseinrichtung 40 reduziert also nun kontinuierlich die Drehzahl unter Berücksichtigung der MotordrehmomentObergrenze, die dem zuletzt von der Regelungseinrichtung 40 erhaltenen Wert für das Grenzmoment entspricht. Sobald die Regelungseinrichtung 40 einen neuen Wert für das Grenzmoment erhält, passt die Regelungseinrichtung 40 die Motordrehmoment-Obergrenze entsprechend an. Das Grenzmoment entspricht der Motordrehmoment-Obergrenze während des Abbaus der elastisch gespeicherten Energie gemäß dem Verfahren nach der Ausführungsform.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Abbauen der elastisch gespeicherten Energie eines mit einem Elektromotor (20) betriebenen Werkzeugs, mit:

a) Bestimmen der Drehzahl des Elektromotors;

b) Bestimmen eines Grenzmoments für den Elektromotor (20) unter Verwendung der Drehzahl, bei welchem Grenzmoment die Energie zumindest zum überwiegenden Teil in Kupferverluste des Elektromotors umgesetzt wird;

c) Antreiben des Elektromotors (20) mittels einer Drehzahlregelung mit einer sich verringernden Drehzahl, unter Einhaltung des Grenzmoments als Motordrehmoment-Obergrenze.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verfahrensanweisungen a)-c) insbesondere mit einer Frequenz von mindestens 0,5 kHz wiederholt ausgeführt werden, bis ein Abbruchkriterium erfüllt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Abbruchkriterium erfüllt ist, wenn die Drehzahl eine minimale Drehzahl unterschreitet.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Abbruchkriterium erfüllt ist, wenn das Grenzmoment ein minimales Moment unterschreitet.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Abbruchkriterium erfüllt ist, wenn das Grenzmoment das minimale Moment unterschreitet und die Drehzahl die minimale Drehzahl unterschreitet.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Abbruchkriterium erreicht ist, wenn die Drehzahl die minimale Drehzahl während eines definierten Zeitraums unterschreitet bzw. wenn das Grenzmoment das minimale Moment während eines definierten Zeitraums unterschreitet.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die minimale Drehzahl kleiner als 10% oder kleiner als 5% oder kleiner als 3% einer Nenndrehzahl des Elektromotors (20) ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei das minimale Moment kleiner als 20% oder kleiner als 15% oder kleiner als 10% des Nenndrehmoments des Elektromotors (20) ist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Grenzmoment unter Verwendung einer Motorkenngröße des Elektromotors (20) bestimmt wird, wobei die Motorkenngröße die Motor-Spannungskonstante des Elektromotors (20) umfasst.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Motorkenngröße den verketteten Außenleiterwiderstand des Elektromotors (20) umfasst.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Grenzmoment als ein von null verschiedener Wert bestimmt wird, der bei der bestimmten Drehzahl des Elektromotors (20) im Bereich von 80% bis 120% oder zumindest im Wesentlichen im Bereich des Schnittpunkts zwischen der mechanischen Leistung des Elektromotors (20) und der elektrischen Kupfer-Verlustleistung des Elektromotors (20) liegt.
12. Werkzeug mit:

einem Elektromotor (20);

einer Drehzahl-Bestimmungseinrichtung (30) zum Bestimmen der Drehzahl des Elektromotors (20);

einer Regelungseinrichtung (40) zum geregelten Antreiben des Elektromotors (20) unter Verwendung der bestimmten Drehzahl; und einer Steuereinrichtung (50), welche dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.