CN103503308B - 电驱动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种特别是用于电动工具的电驱动装置（70），具有转子、定子和第一线圈装置，该第一线圈装置设计用于借助第一旋转场来驱动转子，以及该电驱动装置具有第一电机控制装置（90），该第一电机控制装置设计用于供应电流给第一线圈装置（86）以用于产生第一旋转场。定子具有第二线圈装置（88）以用于产生第二旋转场。能独立于第一线圈装置（86）对第二线圈装置（88）进行控制和通电，以便在任意换向序列中控制第二线圈装置（88）。

Description

电驱动装置
技术领域
本发明涉及一种特别是用于电动工具的电驱动装置，具有转子、固定的定子和第一线圈装置，该线圈装置设计用于借助第一旋转场来驱动转子，以及该电驱动装置具有第一电动机控制装置，该电动机控制装置设计用于供应电流给第一线圈装置以用于产生第一旋转场，其中，电驱动装置具有第二线圈装置以用于产生第二旋转场，该第二线圈装置固定地配属于第一线圈装置，并与第一线圈装置磁耦合。
本发明还涉及一种用于控制特别是电动工具的电驱动装置的方法，其中电驱动装置具有转子和固定的定子，其中第一线圈装置通过电动机控制装置来供应电流以用于产生第一旋转场，其中借助第二线圈装置产生第二旋转场，第二线圈装置固定地配属于第一线圈装置，并与第一线圈装置至少部分地磁耦合。
背景技术
由DE 10 2007 040 725 A1已知这种驱动装置和这种方法。该电机具有引起永磁的转子和具有多个绕组的定子，该定子一方面可以较低的转速以及另一方面以较高的转速运转。为此，定子绕组的部分断开或在特定的线圈部段的串联连接和并联连接之间切换。通过这一切换应在正常运转和具有较高转速范围的所谓的场减弱运转之间切换。
借助这种电机可以实现不同的转速范围。然而该电驱动装置的缺点是，通过切换线圈的电阻变化，因而绕组中的电流强度强烈变化。因此，绕组中的欧姆损耗在场减弱运转中倍增，因而电机的效率强烈变化。此外，这种运转模式不能被持续使用，因为电驱动装置由于欧姆损耗会热过载。
此外已知的是，通过改变电源电压来控制电驱动装置、特别是多相电机的转速。在这里，转速基本上是受电源电压直接影响。然而这种控制下的转矩不能被相应地影响。
此外，由DE 10 2006 036 986 A1已知一种具有机械的场减弱装置的电动机，其中定子相对于转子在轴向方向上移动，以便减少永磁铁对绕组的影响，从而实现场减弱。
这里的缺点是，转子和定子的相对移动在力学技术上是复杂的，并且只能非常缓慢地切换。
发明内容
在此背景下，本发明的目的在于提供一种改进的电驱动装置，其中利用简单的装置能改变输出转矩和/或输出转速。
该目的在开始时提到的类型的电驱动装置中根据本发明这样实现，即能独立于第一线圈装置对第二线圈装置进行控制和通电，以便在任意换向序列中控制第二线圈装置。
该目的在开始时提到的类型的方法中根据本发明这样实现，即能独立于第一线圈装置对第二线圈装置进行控制和通电。
在本发明的意义内，两个线圈装置彼此固定地配属意味着在电驱动装置的运转中不相对于彼此运动。换句话说，该线圈装置例如两个配属于定子或两个配属于转子。
因此电驱动装置可以被带入至不同的运转模式，在该运转模式中通过两个线圈装置可以通过电切换产生不同强度和不同指向的旋转场。
由此旋转场可被带入到至少两种状态，在该状态中在基本相同的功率输出下可实现不同的转速和不同的转矩。因此其结果是，转速在相同的相电压下、即转速恒定时电子地变化并模拟传动特性。
第二线圈装置的控制因此可根据极化方向引起旋转场的减弱或加强，由此使转速和输出转矩可以电子地改变。
特别优选的是，当第二线圈装置这样通电时，即第二旋转场至少部分地与第一旋转场相反地指向或第一和第二旋转场至少相同地指向。
因此相应的磁通重叠，由此可实现场减弱或场加强。
根据本发明的一个改进方案，第一线圈装置具有第一多个线圈束，并且第二线圈装置具有第二多个线圈束，其中第一线圈装置的线圈束中的至少一个与第二线圈装置中的一个线圈束磁耦合。
换句话说，第一线圈装置的至少一个线圈束与第二线圈装置的线圈束彼此磁耦合，因而第二线圈装置的旋转场可以减弱或加强第一线圈装置的旋转场。因此通过简单的方式实现场减弱或者说电动势的减弱(EMK弱化)或场加强。
在本发明的一个改进方案中，第一和第二线圈装置具有相同数量的多个线圈束，该线圈束分别彼此配属，并且彼此磁耦合。
换句话说，第二线圈装置的线圈束配属给第一线圈装置的每一个线圈束，由此第一线圈装置的每一个线圈束的旋转场可以减弱或增强。因此对称的和均匀的场减弱或场增强是可能的。
在一个优选的设计方式中，第一线圈装置的多个线圈束和第二线圈装置的多个线圈束能同时通电。
因此，可产生多相位旋转场以用于驱动电驱动装置，由此可提供更有效的驱动。
在此优选的是，即第二线圈装置的至少一个线圈束通电，该线圈束配属于第一线圈装置的没有通电的线圈束。
由此可产生相应引起的总场或微分场，其只具有细微的电动势减弱或细微的场减弱，由此可提供带有更精密经过分级的特性曲线场的其它控制变体。
此外优选的是，即具有第一多个相位的第一线圈装置能通电且具有第二多个相位的第二线圈装置能通电。
换句话说，线圈装置可以多相位地通电，由此能实现多相位的交流电机。
此外优选的是，即第一多个相位和第二多个相位数量相同。
由此，第一线圈装置和第二线圈装置利用相同的控制装置来控制。
此外优选的是，即第一多个相位多于第二多个相位。
由此，第二线圈装置可更容易且可利用更少的部件来控制。
根据一个改进方案，第一和第二线圈装置分别具有三个线圈束，该线圈束分别连接在星形联结或三角形联结中或者连接在星形三角形联结中。
换句话说，第一线圈装置和第二线圈装置连接在星形联结中或第一和第二线圈装置连接在三角形联结中或第一线圈装置连接在星形联结中而第二线圈装置连接在三角形联结中或反之亦然，以便产生相应的旋转场。
由此根据应用可产生不同的场减弱。
此外优选的是，即驱动器设计为可电子换向的直流电机或者是永磁激励的同步电机时，其中第一和第二线圈装置在多个换向步骤中能不同地通电。
电驱动装置由此可以在不同的模式中电子地控制或调节，而不需要使用附加的机械件或滑动触点。
此外优选的是，即第二线圈装置在换向步骤的至少一个中这样通电，即第二旋转场与第一旋转场相反地指向。
因此可以在单个的换向步骤中产生场减弱，由此能实现多个不同转速的转矩特性曲线。
此外优选的是，即第二线圈装置在换向步骤的至少一个中这样通电，即第二旋转场和第一旋转场相同地指向。
换句话说，第二线圈装置在定子旋转的不同的换向步骤中既可以加强第一线圈装置的现有的旋转场，也可以减弱它，从而形成椭圆形的旋转场作为所产生的旋转场。
因此，多个不同转速转矩特性曲线是可实现的，由此可在多方面使用电驱动装置。
此外优选的是，即第二线圈装置能通过第二电机控制装置来控制并利用电流通电。
换句话说，第一线圈装置通过第一电机控制装置以及第二线圈装置通过第二电机控制装置来控制并供给电流。两个线圈装置由此单独控制或通电，由此产生多个独立控制的可能性。
此外优选的是，即第一和第二线圈装置可由同一电流通电。
换句话说，两个电机控制装置不同地控制线圈装置，其中电机控制装置由同一电流供电，该电流流经两个线圈装置。因此，电机的功率输出在不同的控制下保持相同，由此使例如欧姆损耗在不同的控制类型下基本上保持相同。
根据本发明的一个改进方案，两个电机控制装置设计用于使发动机以第一转速转矩特性曲线和第二转速转矩特性曲线运转，第二转速转矩特性曲线具有与第一转速转矩特性曲线不同的斜率。
在这里，相对负荷视为一方面空转转速n0和负荷转速nL之间的转速差和另一方面空转转速n0之比，即或替代的是负载力矩ML和(在饱和或电流限制下由特性曲线斜率计算出)保持转矩MH之比，即
通过这种方式，驱动装置的特性可具有可切换的传动装置的功能。在此可得出第一和第二特性曲线的转速或转矩之间的与传动有关的关联，例如传动比系数或减速系数或者说分散范围(Spreizung)。
换句话说，在由第一特性曲线向第二特性曲线过渡时，转速以该系数上升，转矩以该系数下降。
在一个改进方案中，转速转矩特性曲线的相应的斜率能根据第一和第二旋转场的方向和/或单个换向步骤的顺序来调节。
换句话说，通过有针对性的场减弱或加强或者说通过所产生的椭圆形的旋转场，转速转矩特性曲线的斜率是可改变的，使得线圈装置在单个的换向步骤中的极性变换能实现转速或转矩之间的另一个传动比系数或减速系数或者说扩展。
在本发明的一个适当的设计方案中，第一线圈装置的彼此配属的线圈束具有第一绕组数目z1，以及第二线圈装置具有第二绕组数目z2，其中如果相应的旋转场相同方向地指向，在通过电机控制装置通电的情况下产生和场，如果相应的旋转场相反方向地指向，则产生微分场。
通过这种方式可实现多档变速器的功能。
如果第一线圈装置的线圈束和第二线圈装置的线圈束被相同地极化，得出一个总绕组数m，其等于第一绕组数目m1和第二绕组数目z2的总和。因此该线圈束性能如同带有m个绕组的单个线圈。
在线圈束或线圈装置的相反的极性状态下，即如果第二旋转场反作用第一旋转场，那么与第二线圈部段耦合的通量对在第一线圈部段内产生的通量起反作用。相关联的磁场和感应电压因此部分抵消。有效的绕组数目z*因而保持不变，该数目与第一绕组数目m1以及第二绕组数目z2的差值相符合。
由有效的绕组数目z*与总绕组数目z的比可确定系数f，该系数表示利用第一线圈部段和第二线圈部段的相应的设计可影响的转速的传动比的程度。以同样的方式(也就是说与此成反比)，可以给出与此同时所产生的转矩。
在场中和或场减弱的这种类型中，输出功率P2(n大一些，M小一些)和欧姆损耗在相同的相对负荷下基本保持不变，使得发动机的热设计可同样地考虑到这两种状态。持续运行的适宜性从而明显改善。
根据一个特别的设计方式，第二线圈装置的线圈束的绕组数目m2小于第一线圈束的绕组数目m1，该第二线圈装置的线圈束与第一线圈装置的线圈束耦合。通过这种方式，根据在实践中可实现的绕组数目几乎可实现每一个任意的传动比比例。在这种情况下，一方面可促使传动比快速或缓慢地例如在由第一特性曲线向第二特性曲线过渡中实现。
由此，通过在不同的换向步骤中的多个不同组合，多个转速转矩特性曲线利用不同斜率是可调节的，相应地可引起许多“传动比比例”，使得多档变速器的功能是可调节的。
特别优选的是，即驱动装置在电动工具、特别是在提供独立的电能的手持式电动工具中使用，该电动工具可以与工具主轴(Werkzeugspindel)耦合以驱动该工具(Werkzeug)。
电动工具可以涉及用于拧紧、钻、锯、切割、研磨或抛光的工具。
这种电动工具被用于各种用途，因此常常希望影响工具的从动运动，例如通过从动转矩或从动转速的变化。
这样的变化可借助机械变速器实现，该变速器可具有多个换转等级，该换转等级一方面可影响从动转速或从动转矩，另一方面例如还可影响旋转方向。在这里，在机械变速器中、特别是在齿轮变速器中，每一个传动等级一般配属一个恒定的传动比f。
根据本发明，这种类型的特征也可直接受驱动装置影响，因此这种变速器可被替换或补充一个扩展的功能。
本发明的一个特别的优点在于，切换可以在负载之下实现。在这里，机械的驱动系没有变化。切换点的位置可以自由选择。与此相反，在机械变速器中，切换通常必须在静止状态下实现。此外，切换件必须机械地运动。
根据本发明可切换的电动工具因此可以特别容易简单地构成，但可覆盖广泛的应用范围。
在这里，电机控制装置可设计用于检测运行状态变量或评估供给该电机控制装置的运行状态变量，以便根据运行状态变量不同地控制线圈装置。
例如已确定，在一个较高的相对负载基础上转速下降，使得例如线圈装置中的一个会被控制，以便引起基本上更高的从动转矩。
相反例如已确定，只施加一个较低的相对负载，线圈装置可以这样控制，即使得例如在一个螺丝刀中实现高速档。
电动工具的性能因而可以总体上上升，可以灵活地使用电动工具。
根据本发明的一个特别的设计方式，为了控制第一和第二线圈装置电机控制装置这样彼此连接，即相同的电流流过两个线圈装置。在这里，电机控制装置分别具有三个各自具有两个可控开关的并联的电流通路，在该电流通路之间形成用于线圈装置的相应的相位的分接头。因而通过更为简单的方式，两个线圈装置被单独控制，其中功率消耗基本上是恒定的，因为相同的电流流过两个线圈装置。在一个特别的设计方式中，可控开关由半导体开关件构成。因此，与换向速度相应地快速的切换是可能的。
根据本发明的另一个设计方案，电动工具具有用于提供电能的能量供给单元，该能量供给单元优选地与直流电源以及更优选地与一个蓄电池连接。
特别是在独立的，优选的手提式电动工具中，因此可在没有明显的附加重量下实现转速转矩特性曲线的变化，该特性曲线的作用在于改善电动工具的性能。
在具有可永久激励的电子换向的电动机的电动工具中，该电动机的电机控制装置与直流电源连接，根据本发明的驱动装置在及其低的数目情况下可特别容易实现转换附加必要的构件。
总体上利用本发明提供了一种新型的驱动装置，其特别适用于电动工具并且其在很大程度上可以模仿“传动功能”。在此可以实现多种转速转矩组合。
在很高的效率情况下以及在避免驱动装置的磨损导致的状态的情况下，特别是鉴于热的负荷通过欧姆损坏实现传动功能的模仿。
根据本发明的驱动装置原则上用于作为电机，例如用于发电机应用中。
可以理解的是，前面所述的以及后面还要阐述的特征不仅用于分别给出的组合中，还用于其它组合中或用于单独方式中，而不脱离本发明的范畴。
附图说明
本发明的实施例在附图中示出并在接下来的描述中进一步阐述。附图示出：
图1是具有根据本发明的驱动装置的电动工具的示意图；
图2是具有一个铁心和分别两个独立的线圈装置的根据本发明的驱动装置的示意图；
图3是具有两个独立的控制装置的驱动装置的简化的电路图；
图4a-h是用于产生场加强或场减弱的线圈装置的不同的控制模式；
图5是具有一个线圈装置的可电换向的直流电机的六个换向步骤；
图6a-f是可能的换向顺序的不同变体；
图7是用于两个不同的控制状态的理想化的转速转矩特性曲线；
图8是用于控制星形联结中的两个线圈装置的控制单元的简化的示意性电路图；
图9是用于控制三角形联结中的两个线圈装置的控制单元的简化的示意性电路图；
图10是用于阐述图8和图9中的控制单元的可能的开关状态的表格，该控制单元用于控制在正常运行中的电机的两个线圈装置；
图11a，b是用于阐述图8和图9中的控制单元的可能的开关状态的两个表格，该控制单元用于控制在六个不同的换向步骤中的电动势减弱运行中的两个线圈装置。
具体实施方式
图1示出了电动工具的简化了的示意图，该电动工具总体上由10表示。
示范性的，电动工具10作为用于钻孔或拧紧的工具而呈现。可以理解的是，所述电动工具也可涉及用于冲击钻孔、冲击拧紧、锯、锤、切割、研磨或抛光的工具。
根据使用用途，从动运动在这里可以设计为线性的、旋转的、间歇性的或振荡的。在本图中该电动工具10具有一个带有手柄区域14的壳体12，操作者可以在该手柄上面握住并操作电动工具10。
在壳体12的内部或上面设置有驱动装置16，该驱动装置具有发动机18和电机控制装置20。发动机18用于驱动发动机轴22，该发动机轴与工具主轴23耦合，该工具主轴与工具24(仅断裂地示出)共同起作用。
工具24通过工具容纳架26，例如卡盘固定在工具主轴23上。
离合器28或变速器30可以布置在工具主轴23和发动机轴22之间。变速器30可以设计为例如齿轮变速器并具有恒定的传动比或具有几个可切换的传动比等级。离合器28可设计为例如打滑离合器或换档离合器，并且用于过载保护或在空转功能框架下将工具主轴23与发动机轴22分离。此外，离合器28例如可具有停止功能，即可固定在壳体12的对面，以便允许简单的工具转换或这一类的转换。
优选地发动机18设计为可永久激励的电换向的电动机，也称为EC发动机。在这里电机控制装置20控制发动机18以产生旋转场。为了这个目的，电机控制装置20通过电线32，34，36与发动机18连接。
此外，电机控制装置20可通过供电线路38，40与能量供给装置42连接，该装置在图1中示例性地设计为蓄电池44。
蓄电池44在这里用作直流电源，该直流电源将电源电压通过电机控制装置20转变为电压，该电压通过电线32，34，36加载在发动机18上。电线32，34，36中的每一根在这里例如可配属于相位U，V，W。
可替换的是，电动工具10还可与稳定的电源连接，例如与电力输送网。为了将交流电压转变为直流电压，在这里可设置整流器装置。
在图1中，电机控制装置20还可示例性地与传感器46，50连接，在这里信号传输通过传感器线路48a，48b和52a，52b实现。传感器46，50可设计用于检测用于说明电动工具10的运行状态的运行状态变量，并将该变量传输给电机控制装置20或者在该电机控制装置中设置的或与该电机控制装置连接的控制装置。
在这里，需要检测的运行状态变量原则上可以是转速或转矩、例如在驱动装置或在从动装置上，开关的开关状态，例如变速器30或蓄电池44的温度，或者是一个数值，该数值具体表示加载在电线32，34，36上的电压或流过该电线的电流。
传感器46例如可设计用于检测离合器28的开关状态。可替换地，传感器46可设计用于作为磨损或负载指示器检测离合器28的温度。
同样，传感器50可设计用于检测变速器30的开关状态，例如当前所选择的接通位置或者检测标明瞬时负荷的温度。
在电动工具10的手柄区域14还设置控制开关54，操作员可通过其有选择地激活或是停用电动工具10。控制开关54同样与电机控制装置20连接。
此外，在电动工具10的壳体12上设置选择开关56，该选择开关通过选择开关线路60a，60b与电机控制装置20连接。选择开关56可以，如由58表示的箭头所指示的那样，在第一位置和第二位置之间来回切换。操作员通过该选择开关56可以将电动工具10的驱动装置16在例如具有第一转速转矩特性曲线的第一状态和具有第二转速转矩特性曲线的第二状态之间进行切换。
在图2中示意性地示出根据本发明的驱动装置。
电驱动装置在图2中普遍地用70来表示。电驱动装置70具有定子72和转子74。定子72具有一个带有径向铁心部段77的铁环76，在该铁心部段上分别布置有线圈78。定子72在这种情况下具有九个线圈78，这些线圈通过电线80供给电能。电线80将线圈78与三个相位U，V，W连接。在目前情况中，线圈78中分别三个并联地连接，并形成一个线圈束，其中所得到的三个线圈束在星形联结中连接在一起。
线圈78产生磁性的旋转场，该旋转场对永磁转子74起作用，并在驱动方向上驱动该转子。通过相位U，V，W来对线圈束进行交替控制，产生旋转的旋转场，该旋转场相应地驱动该永磁转子74。
在径向上指向的铁心77上还分别布置附加线圈82，该附加线圈借助电线84连接，并可通过三个相位U'，V'，W'利用电流通电。线圈78和附加线圈82通过铁心部段77分别彼此磁耦合。附加线圈82产生第二旋转场，该旋转场对永磁转子74起作用。由线圈78产生的第一磁性旋转场和由附加线圈82产生的第二磁性旋转场相重叠，使得根据两个旋转场的方向产生一个总和场，该总和场大于相应的单独的旋转场，或产生一个微分场，该微分场小于旋转场中的一个。在这里，第一旋转场和第二旋转场的磁通量相加，并形成一个总和磁通量。由此附加线圈82根据其控制方向引起场减弱(EMK减弱)或场加强。附加线圈82在本情况中如线圈78一样分成三个线圈束在星形联结中连接在一起，并可通过相位U'，V'，W'这样来供给电流，使得产生旋转的旋转场。
线圈78分别具有绕组数z1，以及附加线圈具有绕组数z2。绕组数z2优选地小于绕组数z1。优选的是，如果绕组数的比例z1：z2小于1：2。在一个特别的设计方式中，该比例小于1：3或小于1：4。在一个可替换的设计方式中，绕组数z1，z2是相同的。
在图3中示出了电驱动装置70的示意性电路图。在这里，仅仅示出两个独立的线圈装置86，88的线圈束，其中第一线圈装置86的线圈束在这里普遍用L1，L2，L3表示，并且第二线圈装置88的线圈束在这里普遍用L1'，L2'，L3'表示。想要的线圈束L1，L1'以及L2，L2'和L3，L3'分别配属于彼此并如在图2中所示出的那样彼此磁耦合。线圈束L1，L2，L3通过相位U，V，W来供给电能。线圈束L1，L2，L3通过线路80与控制单元90连接。线圈束L1'，L2'，L3'通过相位U'，V'，W'来供给电能。第二线圈装置88的线圈束通过线路80与第二控制装置92相连接。控制装置90，92独立地供给线圈装置86，88电能，使得可产生独立的旋转场，该旋转场根据控制相加或相减地重叠。
因此，借助两个线圈装置86，88和两个控制装置90，92来提供一种电驱动装置70，该电驱动器根据控制引起场减弱或者说所谓的电动势的减弱(EMK减弱)或场加强，由此可以产生带有不同转矩的不同转速。
在图4a到4h中示出线圈束L1至L3和L1'至L3'的不同的开关状态或励磁状态或极化。线圈装置86，88等同于在图3中示出的线圈装置86，88。相同的元件附有相同的参考标号，其中这里只示出了区别。在图4a中线圈装置86，88通过相位U，V和U'，V'这样来控制或通电，即使得线圈束L1和L1'以及L2和L2'在同一方向上产生旋转场94，96，使的形成一个加强的总和场。
在图4b中线圈装置86，88通过相位V，W和V'，W'这样来控制，即使得线圈束L2和L2'以及L3和L3'分别产生旋转场94，96，该磁场指向同一方向，使得其与总和场相加。
在图4c中示出线圈装置86，88的另一个控制状态，其中由线圈束L1，L1'和L2，L2'所产生的旋转场94，96与加强的总和场相加。
可以理解的是，在图4a至图4c中所示出的状态也可分别在相反的方向上产生。
在图4d至4f中示例性地示出线圈布置装置86，88的三个不同的控制状态，在该控制状态中旋转场94，96彼此反向，使得第二线圈装置的旋转场96减弱第一线圈装置的旋转场94。在此产生微分场。在图4d中线圈装置86，88这样控制，即，使得线圈束L1和L2产生旋转场94，其中第二线圈装置88这样控制，即，使相应的线圈束L1'，L2'产生旋转场96，该旋转场与旋转场94相反。因此，旋转场96可以减弱旋转场94，并形成一个微分场。
在图4e至f中示出其它的开关状态，在该状态下旋转场96与旋转场94相反地指向。
在图4g中示例性地示出线圈装置86，88的控制状态，在该控制状态下线圈装置86，88这样通电，即，使得彼此磁耦合的线圈束L1和L1'通电，此外线圈束L2'和L3这样通电，即，使得其没有彼此磁耦合。由此旋转场94，96只是部分地重叠。因此在线圈装置86，88的控制中可以实现另一个变化，其中产生一个总和场，该总和场的数值小于在图4a至4c中所产生的总和场的数值。
在图4h中示例性地示出线圈装置86，88的另一个控制状态，在该状态下两个磁耦合的线圈束的旋转场94，96彼此反向。线圈装置86，88这样通电，即，使得线圈束L1的旋转场94与线圈束L1'的旋转场96反向，并且两个其它的没有彼此磁耦合的线圈束L2'，L3通电。因此产生一个微分场，该微分场与图4d至4f中的微分场相区别。因此可提供线圈装置86，88的控制的其它变体。
可以理解的是，在图4d至4h中所示出的开关状态也可分别在线圈装置86，88的相反的极化方向上实现。
在图5中示出电旋转场机器的六个换向步骤，例如第一线圈装置86在运行中通过相位U，V，W控制。
示例性地在此示出带有三个相位U，V，W的系统，其具有三个与极数或相数相适应的线圈组。该线圈组分别由两个同时控制的线圈束L1，L2，L3构成的。根据控制，由线圈束L1，L2或L2，L3或L1，L3组成的线圈组因而通电。该线圈组也被称为换向组。三个可能的换向组可分别在两个电流方向上通电，其中具有相应的电流方向的换向组中的一个被称为换向步骤。因而在这里示例性地示出的系统中有六个换向步骤。在六个换向步骤中所完成的排列顺序决定完整的换向序列。通常情况下，带有同一电流方向的三个换向组首先通电，其中通过该排列顺序确定转子的旋转方向。这三个换向组或者说换向步骤对应于图5中的步骤1至步骤3。带有相反电流方向的换向步骤那么在同一排列顺序中完成。这些换向步骤对应于图5中的步骤4至6。换向步骤这样描述的序列一般被称为基本状态。
通过这六个在图5中所示出的步骤，旋转场94以旋转的形式产生，以便驱动永磁转子74。在这一所谓的整体式换向(Blockkommutierung)中，对应于转子74的旋转位置，特定的线圈组通电，以便在定子72的特定的角位置产生旋转场94，并相应地驱动转子74。在整体式换向中，如上所述分别一个线圈或者说换向组，即三个线圈束L1，L2，L3的两个分别以一种方式通电，使得旋转场94围绕转子74旋转，以便以相应的方式来驱动该转子。在图5中示出六个换向步骤，确切地说根据转子74的角位置。可以理解的是，在其它线圈装置中，整体式换向步骤的另一个数量是可能的。在图5中所示出的六个步骤中，分别一个换向组，即线圈束L1，L2，L3中的两个通电，确切地说根据步骤，要么在第一方向上要么在相反的第二方向上。换句话说，线圈束L1和L2在步骤1中在0°时在第一方向上极化，在步骤4中在180°时线圈束L1，L2在相反的第二方向上极化。相应地适用于步骤2和5或3和6。
以相同的方式，线圈装置88也通电，使得在每一个单独的换向步骤中控制相应的线圈组，使得两个旋转场94，96根据电流方向可以在同一方向上或在相反的方向上起作用或指向，如在图4a-f中所示出的。因此在每一个单独的换向步骤内可以产生不同的总和场或微分场，由此可以产生对称的或不对称的椭圆形的旋转场。可替换地，不同的线圈组也可在换向步骤内控制或通电，如在图4g和4h中所示出的。
在图6a至f中示出电驱动装置70的不同的换向顺序，其中线圈装置86和线圈装置88被控制。在图6a至f中示意性地通过箭头示出由第一线圈装置86所产生的旋转场94和由线圈装置88所产生的旋转场96。相应的旋转场94，96的极化由箭头的方向示出，其中指向上方的方向示出转子74的驱动方向，指向下方的方向示出与驱动方向相反作用的旋转场。图6中的六个单独的换向步骤并排示出，并由相应的数字表示。对于在图6a至6f中所示出的换向顺序，分别给出一个减弱系数f，该系数确定线圈装置86，88的绕组数目比例为1：3。减弱系数可由以下公式确定：
f = H A 1 · z 1 + H A 2 · z 2 + H B 2 · z 2 H A 1 · z 1 + H A 2 · z 2 - H B 2 · z 2
其中HA1是该换向步骤的数目，其中第一旋转场94在驱动方向上极化。HA2是该换向步骤的数目，其中第二旋转场96在驱动方向上极化，以及HB2是该换向步骤的数目，其中第二旋转场与驱动方向相反地极化。z1和z2是第一和第二线圈装置86，88的绕组数目。
在图6a中示出了所有换向步骤1至6的增强状态。在此旋转场94，96在换向步骤1-6的每一个步骤中在驱动方向上极化，使得在换向步骤1-6的每一个步骤中产生场加强，即提高了的总和场，使得转子74利用加强对称的非椭圆形旋转场来驱动。在这种情况中，不存在旋转场94的场减弱。减弱系数f＝1。
在图6b中示出了正常的换极状态，其中在换向步骤1-6的每一个步骤中旋转场96与旋转场94方向。这一普通的换极状态是由此实现的，即第二线圈装置88在换向步骤的每一个步骤中在与第一线圈装置86相反的方向上极化。在该普通的换极状态中场减弱系数f＝2。
在下面的附图中示出了可能的换极状态，其中第二线圈装置86，88只在单独的换向步骤中与驱动方向反向地极化。
在图6c中示出了一个换向顺序，其中旋转场96仅在第一和第四换向步骤中与驱动方向相反地极化，而在其余的换向步骤2，3和5，6中在驱动方向上极化。因此旋转场94仅在第一和第四换向步骤中减弱，而在其余的换向步骤中加强。因此产生椭圆形的旋转场。因为第一半波(Halbwelle)的换向步骤、即换向步骤1至3，与第二半波的换向步骤、即换向步骤4-6相同，因而产生对称的椭圆形旋转场。在图6c中所示出的换向顺序中产生的场减弱系数f＝1.2。
在图6d中示出了一个换向顺序，其中旋转场94在换向步骤的每一个步骤中在驱动方向上指向，并且线圈装置88的旋转场96在步骤1，2，4和5中与驱动方向相反地指向。在其余的换向步骤中，旋转场96在驱动方向上指向。由此产生了椭圆形的旋转场的另一种可能性。这种换极状态在这种情况下使场减弱系数f＝1.5。
除了对称的旋转场以外，其中第一半波、即换向步骤1至3和第二半波、即换向步骤4至6换向相同，非对称的椭圆形的旋转场也是可能的，其中第一半波与第二半波换向不相同。图6e中示例性地示出了用于非对称的椭圆形的旋转场的换向顺序。在这里，第二线圈装置88的旋转场96在整个第一半波、即换向步骤1至3中与驱动方向相反地极化，其中旋转场96在第二半波、即换向步骤4至6中在驱动方向的方向上极化。在图6e中的换向顺序中，第一线圈装置86的旋转场94在所有换向步骤中在驱动方向上极化。通过这一换向顺序，可实现减弱系数f＝1.33。
在图6f中示出了用于产生非对称的椭圆形的旋转场的另一种可能的换向顺序，其中第二线圈装置88的旋转场96仅在步骤6中换极。因此可以实现最小的可能的场减弱系数f＝1.09。
在图6a至f中的换向顺序的实例中明确的是，单独的换向步骤的线圈装置86，88的每一个任意极化是可能的。纯粹从理论上讲，通过六个不同的换向步骤，其中可假设线圈装置88两种状态，则26＝64种开关状态是可能的。
通过线圈装置86，88的不同的极化，在不同的换向步骤中如图6a至f中示例性示出的那样可实现多个不同的减弱系数f，因此可实现转速转矩特性曲线的不同斜率的相应的数目。因此，可电地模拟变速器的功能，其中档位的数目对应减弱系数的不同数目。出于这个原因，不同的档位相似的传动状态是可实现的，如在接下来更详细地解释的那样。
在图7中示例性地示出了电动机的转速转矩特性曲线。这里，在纵坐标100上绘制的是转速n。相反，横坐标102上示出的是转矩M的值。
利用104，106，108理想化地绘制了不同的转速转矩曲线，并且转速转矩特性曲线104示例性地示出了典型的电换向的旋转场发动机的n(M)曲线。根据本发明的驱动器70可在不同的状态中驱动，该状态例如利用转速转矩特性曲线104和利用转速转矩特性曲线108说明。在这里，通过不同的转矩在不同的转速下导致与变速器相似的功能。在图7中这里仅示出两个特性曲线104，108作为根据本发明的驱动装置的可能的特性曲线，其中如之前所说明的那样多个具有不同斜率的特性曲线是可实现的。
第一特性曲线104的特征在于保持扭矩110和空转转速112。与此相反，驱动装置70可以在另一个状态中运行，该状态由特性曲线108示出，如传动变速器以传动系数i＝2中间换挡。特性曲线108的特征在于保持扭矩114和空转转速116。此外清楚的是，在所选择的实例中，空转转速116大约是空转转速112的两倍。相反，保持扭矩114对应于特性曲线108是特性曲线104的保持转矩110的一半。在这里理想化考虑的是，保持转矩110和保持转矩114的商与空转转速112和空转转速116的商成反比。
数字118指示的是两个特性曲线104，108的交点。在这个点上实现两个特性曲线之间的切换，这对于使用者是完全察觉不到的。从那里出发，要么可以在特性曲线104上要么可以在特性曲线108上继续前进。从这里出发，大量不同的场减弱系数和与之相关联的具有不同斜率的不同的转速转矩特性曲线是可实现的，并且这一理念，即在两个转速转矩特性曲线的相应的交点上切换，可实现逐段的线性的传动比，然而通过大量的不同的斜率表面上示出传动比的连续的变化。
为了进行比较，106示出另一个转速转矩特性曲线，该特性曲线根据现有技术、例如根据DE 10 2007 040 725 A1可以特性曲线104为出发点而导致。
在这里，可实现由特性曲线104过渡到特性曲线106，例如通过部分线圈的断开。所得到的特性曲线106不可以，例如在特性曲线108中那样，在保留空转转速和保持扭矩的相应的商的反比情况下推导出。
通过例如只控制线圈装置86，88中的一个的方式，这里，例如根据特性曲线106的运转可基本实现。
基本上，电驱动装置70的功率输出在特性曲线104或特性曲线108的状态内基本上是相同的，因为n·M的乘积在两个特性曲线中是相同的。这一输出的功率在忽略铁磨损和摩擦磨损情况下，即只考虑欧姆损耗情况下基本上是相同的，如果相对负载是相同的。
在图8中示意性地示出用于控制第一线圈装置86和第二线圈装置88的控制单元的电路图。该控制单元在图8中一般用120表示。线圈装置86，88在图8中示意性地连接在星形联结中，并三相地通过控制单元120供给电能。控制单元120具有电源121，该电源在这种情况下设计为电池或蓄电池。控制单元120还具有控制装置122以用于控制第一线圈装置86以及具有第二控制装置124以用于控制第二线圈装置88。
第一和第二线圈装置86，88的设计相同，并串联在电能供应装置120的电压接口之间。控制装置122，124分别具有三个并联的电流通路128，130，132，其并联地地彼此连接，并分别具有两个可控开关134。在可控开关134之间分别形成分接头136，该分接头与线路80，84相应地连接，并形成相位U，V，W，U'，V'，W'中的一个。三个并联的电流通路128，130，132在其端部分别相互电连接。
通过在不同的电流通路128，130，132内打开控制装置的可控开关134中的两个，线圈束L1，L2，L3中的两个分别通电，使得通过可控开关134的切换，前述的每一个通电状态或换向状态是可实现的。如果两个可控开关在相同的电流通路128，130，132内关闭时，相应的线圈装置86，88不通电，因而不会产生旋转场94，96。
两个控制装置串联在电压点126之间，因此基本上相同的电流流过两个线圈装置86，88。因此尽管切换旋转场，整个驱动装置的电阻保持相同，从而使驱动装置70的功率输出在不同的开关状态下基本上保持相同。
利用控制单元120，通过铁心部段77彼此磁耦合的第二线圈装置88的换向序列可以与第一线圈装置86的基本状态重叠。如果第二线圈装置88在基本状态的换向组的相同的排列顺序内在相反的方向上或极性内通电，该极性分别与基本状态相反，因而产生换向序列，该换向序列对应于与场减弱或电动势加强。
第二线圈装置88的通电可任意实现。第二线圈装置88的任意一个换向步骤可以与第一线圈装置86的六个换向步骤中的每一个步骤组合。因此总共六乘以六个总状态是可能的。并不是所有的组合都能够得出一个合理的组合，但其中一些可以用于产生总线圈系统的其它转速转矩特性曲线。示例性地在下面给出两个换向序列。在该序列内在可切换的部分线圈或者说附加线圈82的基本状态和电动势减弱了的状态之间交替切换。
在图3中所示出的第一和第二控制装置90，92可分别通过控制装置122，124中的一个与三个电流通路128，130，132和六个可控开关以及分别一个电源来形成。
在图9中示出图8中的线圈装置86，88的可替换的电路图。相同的元件用相同的参考标号表示，其中在这里只示出差异。在图9中线圈装置86a，86b被连接为三角联结。线圈装置86a，86b与在图8中相同地三相地通过相位U，V，W，U'，V'，W'来供给确切地说通过控制单元120来供给。
在另一种设计方式中，线圈装置86，88中的一个可示例性地第一个连接在星形联结86中，示例性地第二个连接在三角形联结88a中或者反过来。
在一个可替换的设计方式中，第二线圈装置88可以这样设计，即，使得线圈束L1'，L2'，L3'可以彼此独立地而且单独地通电。因此，其它的换极状态是可能的，从而使可能的减弱系数的数目可以进一步提高。此外可以考虑的是，第二线圈装置88仅具有单个线圈束L1'，L2'，L3'，该线圈束配属于第一线圈装置86的相应的线圈束。因此可提供一种具有场减弱的简化了的驱动装置，其中第二线圈束88以及第二控制装置124在结构上没那么复杂。
在图10中示出一个图表，其示出了六个不同换向步骤的具有图8和图9中的参考标号的可控开关134的开关状态，并一般用140表示。换向步骤产生旋转场94，96用于正常运行。也就是说在图10中所示出的开关状态下，旋转场94，96基本上同一方向上指向，使得相应的旋转场94，96加强形成总和场。在这里，第一线圈系统86的接口UA，VA，WA上的电势和第二线圈系统88上的接口UB，VB，WB的电势用U或0来表示，用于高的或低的电势，而用X表示未定义的或浮动的电势。具有1的开关状态表示关闭的开关，带有0的开关表示打开的开关。此外，相应产生的电压指示器以极形式给出。
在图11a和11b中示出了图表，其示出了六个不同换向步骤的具有图8和图9中的参考标号的可控开关134的开关状态，用于分别示例性的场减弱运行，并通常用142或144表示。在表142中示出了场减弱运行或者说电动势减弱运行的旋转场94，96的开关状态，其中第二线圈装置在步骤2，4和6中与正常状态或正常运行相反地换极，并由此产生减弱运行或电动势减弱。
在表144中示出了可替换的减弱运行的另一种开关状态。在表144的换向步骤中，第二线圈装置80在步骤4，5和6中与正常运行相反地换极，使得调节相应的场减弱运行。在该场减弱运行中产生非对称的椭圆形的旋转场。

Claims (22)

1.一种用于电动工具(10)的电驱动装置(70)，具有转子(74)、固定的定子(72)和第一线圈装置(86)，所述第一线圈装置设计用于借助第一旋转场(94)来驱动所述转子(74)，以及所述电驱动装置具有第一电机控制装置(90，122)，所述第一电机控制装置设计用于供应电流给所述第一线圈装置(86)以用于产生所述第一旋转场(94)，其中，所述电驱动装置(70)具有第二线圈装置(88)以用于产生第二旋转场(96)，所述第二线圈装置固定地配属于所述第一线圈装置(86)，并至少部分地与所述第一线圈装置(86)磁耦合，其特征在于，
通过第二电机控制装置(92，124)能独立于所述第一线圈装置(86)对所述第二线圈装置(88)进行控制和通电，以便在任意换向序列中控制所述第二线圈装置(88)，所述第一电机控制装置和所述第二电机控制装置串联，使得所述第一线圈装置和所述第二线圈装置能由同一电流通电，其中，所述第一电机控制装置(90，122)和所述第二电机控制装置(92，124)设计用于使所述电驱动装置(70)以第一转速转矩特性曲线(104)以及以第二转速转矩特性曲线(108)运行，所述第二转速转矩特性曲线具有与所述第一转速转矩特性曲线(104)不同的斜率，其中，所述第一和第二转速转矩特性曲线(104，108)的相应的所述斜率能根据所述第一和所述第二旋转场(94，96)的方向和/或单个的换向步骤的顺序来调节。
2.根据权利要求1所述的电驱动装置，其特征在于，所述第二线圈装置(88)这样通电，即所述第二旋转场(96)至少部分地与所述第一旋转场(94)相反地指向或所述第一和所述第二旋转场(94，96)至少部分地相同地指向。
3.根据权利要求1或2所述的电驱动装置，其特征在于，所述第一线圈装置(86)具有第一多个线圈束(L1，L2，L3)，并且所述第二线圈装置(88)具有第二多个线圈束(L1'，L2'，L3')，其中所述第一线圈装置(86)的所述线圈束(L1，L2，L3)中的至少一个与所述第二线圈装置(88)的一个线圈束(L1'，L2'，L3')磁耦合。
4.根据权利要求1或2所述的电驱动装置，其特征在于，所述第一和所述第二线圈装置(86，88)具有相同数量的多个线圈束(L1，L2，L3，L1'，L2'，L3')，所述线圈束分别彼此配属，并且分别彼此磁耦合。
5.根据权利要求3所述的电驱动装置，其特征在于，所述第一和所述第二线圈装置(86，88)具有相同数量的多个线圈束(L1，L2，L3，L1'，L2'，L3')，所述线圈束分别彼此配属，并且分别彼此磁耦合。
6.根据权利要求3所述的电驱动装置，其特征在于，所述第一线圈装置(86)的多个线圈束(L1，L2，L3)和所述第二线圈装置(88)的多个线圈束(L1'，L2'，L3')能同时通电。
7.根据权利要求5所述的电驱动装置，其特征在于，所述第一线圈装置(86)的多个线圈束(L1，L2，L3)和所述第二线圈装置(88)的多个线圈束(L1'，L2'，L3')能同时通电。
8.根据权利要求7所述的电驱动装置，其特征在于，所述第二线圈装置(88)的至少一个线圈束(L1'，L2'，L3')能通电，所述第二线圈装置的线圈束配属于所述第一线圈装置(86)的没有通电的线圈束(L1，L2，L3)。
9.根据权利要求1或2所述的电驱动装置，其特征在于，具有第一多个相位(U，V，W)的所述第一线圈装置(86)能通电以及具有第二多个相位(U'，V'，W')的所述第二线圈装置(88)能通电。
10.根据权利要求8所述的电驱动装置，其特征在于，具有第一多个相位(U，V，W)的所述第一线圈装置(86)能通电以及具有第二多个相位(U'，V'，W')的所述第二线圈装置(88)能通电。
11.根据权利要求10所述的电驱动装置，其特征在于，所述第一多个相位(U，V，W)和所述第二多个相位(U'，V'，W')数量相同。
12.根据权利要求10所述的电驱动装置，其特征在于，所述第一多个相位(U，V，W)多于所述第二多个相位(U'，V'，W')。
13.根据权利要求1或2所述的电驱动装置，其特征在于，所述第一和所述第二线圈装置(86，88)分别具有三个线圈束(L1，L2，L3，L1'，L2'，L3')，所述线圈束分别连接在星形联结或三角形联结中或者连接在星形三角形联结中。
14.根据权利要求12所述的电驱动装置，其特征在于，所述第一和所述第二线圈装置(86，88)分别具有三个线圈束(L1，L2，L3，L1'，L2'，L3')，所述线圈束分别连接在星形联结或三角形联结中或者连接在星形三角形联结中。
15.根据权利要求1或2所述的电驱动装置，其特征在于，所述电驱动装置(70)设计为能电子换向的直流电机，其中所述第一和所述第二线圈装置(86，88)在多个换向步骤中能不同地通电。
16.根据权利要求14所述的电驱动装置，其特征在于，所述电驱动装置(70)设计为能电子换向的直流电机，其中所述第一和所述第二线圈装置(86，88)在多个换向步骤中能不同地通电。
17.根据权利要求16所述的电驱动装置，其特征在于，所述第二线圈装置(88)在所述换向步骤的至少一个中这样通电，即所述第二旋转场(96)与所述第一旋转场(94)相反地指向。
18.根据权利要求16所述的电驱动装置，其特征在于，所述第二线圈装置(88)在所述换向步骤的至少一个中这样通电，即所述第二旋转场(96)和所述第一旋转场(94)相同地指向。
19.根据权利要求17所述的电驱动装置，其特征在于，所述第二线圈装置(88)在所述换向步骤的至少一个中这样通电，即所述第二旋转场(96)和所述第一旋转场(94)相同地指向。
20.根据权利要求1或2所述的电驱动装置，其特征在于，所述第一电机控制装置(90，122)和所述第二电机控制装置(92，124)设计用于使所述电驱动装置(70)以第一转速转矩特性曲线(104)以及以第二转速转矩特性曲线(108)运行，所述第二转速转矩特性曲线具有与所述第一转速转矩特性曲线(104)不同的斜率。
21.一种电动工具(10)，其特征在于根据前述权利要求中任一项所述的电驱动装置，所述电驱动装置能与工具主轴(23)连接以驱动所述工具(10)。
22.一种用于驱动用于电动工具(10)的电驱动装置(70)的方法，其中所述电驱动装置(70)具有转子(74)、固定的定子(72)，其中第一线圈装置(86)通过第一电机控制装置(90，122)供电以产生第一旋转场(94)，其中借助第二线圈装置(88)产生第二旋转场(94)，所述第二线圈装置固定地配属于所述第一线圈装置(86)，并与所述第一线圈装置至少部分地磁耦合，其特征在于，能独立于所述第一线圈装置(86)对所述第二线圈装置(88)进行控制和通电，其中，用于所述第一线圈装置的第一电机控制装置和用于所述第二线圈装置的第二电机控制装置串联，使得所述第一线圈装置和所述第二线圈装置能由同一电流通电，其中，所述第一电机控制装置(90，122)和所述第二电机控制装置设计用于使所述电驱动装置(70)以第一转速转矩特性曲线(104)以及以第二转速转矩特性曲线(108)运行，所述第二转速转矩特性曲线具有与所述第一转速转矩特性曲线(104)不同的斜率，其中，所述第一和第二转速转矩特性曲线(104，108)的相应的所述斜率能根据所述第一和所述第二旋转场(94，96)的方向和/或单个的换向步骤的顺序来调节。
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