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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.
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Stand der Technik
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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.
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Es
sind Elektrohandwerkzeuge bekannt, die einen Temperatursensor aufweisen,
welcher am oder im Gehäuse
des Elektromotors des Elektrohandwerkzeugs angebracht ist, und die
Temperatur des Elektromotors 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.
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Offenbarung der Erfindung
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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.
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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 Temperatursensors erfasst wird.
Logischerweise verändern
sich der Motorstrom und die Motordrehzahl des Elektromotors und
die Temperatur der Antriebssteuerung während des Betriebs des Elektrohandwerkzeuges.
Durch diese Parameter lässt
sich dabei auf die Motortemperatur zurückschließen. Vorteilhafterweise sind
dafür Proportionalitätsfaktoren
und/oder Vergleichswerte, die beispielsweise vorher messtechnisch
ermittelt wurden, in einem Speicher der Antriebssteuerung hinterlegt.
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Vorteilhafterweise
weist die Antriebssteuerung eine Leistungselektronik 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.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung weist die Antriebssteuerung einen
Mikrocontroller für die
Auswertung der Parameter auf. Ein Mikrocontroller ist ein sogenanntes
Ein-Chip-Computersystem, bei welchem die wichtigsten Komponenten,
wie Prozessor, Programm- und Arbeitsspeicher und Ein- und Ausgabeschnittstellen,
auf einem einzigen Chip untergebracht sind. Durch einen im Programmspeicher ab gelegten
Programmcode kann der Mikrocontroller die erfassten Parameter auswerten
und die Temperatur des Elektromotors abschätzen.
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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.
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Vorteilhafterweise
weist die Temperaturerfassung einen Intervallbetrieb auf. Das heißt, dass die
Parameter in regelmäßigen Zeitintervallen
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.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist die Motordrehzahl eine mittlere
Motordrehzahl. Da das hier betrachtete Elektrohandwerkzeug über keinen
Drehzahlsensor verfügt,
kann die aktuelle Motordrehzahl lediglich grob abgeschätzt werden.
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Zweckmäßigerweise
sind mehrere Betriebszustände
des Elektrohandwerkzeugs unterschiedlichen mittleren Motordrehzahlen
zugeordnet und es wird die mittlere Motordrehzahl für die Auswertung verwendet,
die dem momentanen Betriebszustand des Elektrohandwerkzeugs 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 gemessenen 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.
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Ferner
betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Elektrohandwerkzeugs,
das als Bauteil einen Elektromotor und eine elektrische/elektronische
Antriebssteuerung aufweist und mit einer Temperaturerfassung 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 vorhandene Bauteile beziehungsweise
sich betriebsbedingt ändernde Parameter
dieser Bauteile genutzt, um eine Aussage über die Temperatur des Elektromotors
zu machen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand von zwei Figuren näher erläutert werden.
Dabei zeigen
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1 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Elektrohandwerkzeugs und
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2 ein
Drehzahl-Drehmoment-Diagramm des Elektromotors des Elektrohandwerkzeugs.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Die 1 zeigt
in einem Ausführungsbeispiel
eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Elektrohandwerkzeugs 1.
Das Elektrohandwerkzeug 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dem ein
Elektromotor 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.
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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 Spannungsversorgung 11 und
eine weitere elektrische Leitung 12 zu einem Eingang 13 eines
Mikrocontrollers 14.
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Von
der Spannungsversorgung 11 führt eine elektrische Leitung 15 zu
einem Eingang 16 des Mikrocontrollers 14, und
von dem Mikrocontroller 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.
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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.
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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.
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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 Mikrocontrollers 14 verbunden
ist. Darüber kann
der Mikrocontroller 14 eine Temperatur innerhalb des Gehäuses 2,
insbesondere die Temperatur des Kühlkörpers 30 der Leistungselektronik 22,
erfassen.
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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 nichtflüchtigen
Speicher 37 sind vorteilhafterweise sowohl aktuell erfasste,
als auch zuvor messtechnisch ermittelte Werte, sowie für die Auswertung der
erfassten Parameter notwendige Konstanten abgelegt.
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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 elektrischen Leitung 40 mit einem Eingang 41 der Leistungselektronik 22 verbunden
ist.
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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.
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Der
Mikrocontroller 14, die Leistungselektronik 22,
die Stromerfassungseinrichtung 25 und der Sollwertgeber 7 stellen
hierbei die wesentlichen Bestandteile einer Antriebssteuerung 45 des
Elektrohandwerkzeugs 1 dar.
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Wird
das Elektrohandwerkzeug 1 durch Betätigung des Drückers 8 nach
einer längeren
Pause in Betrieb genommen, so wird der Mikrocontroller 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 Elektrohandwerkzeug 1 vorhandenen Bauteile in etwa
die gleiche Temperatur aufweisen, ist dies eine einfache Möglichkeit,
die Temperatur des Elektromotors 3 relativ genau zu bestimmen.
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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 Motortemperatur des aktuellen Zeitintervalls abgeschätzt.
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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.
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Hierzu
wird die in der 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 I, II und III unterteilt. Der
erste Bereich I stellt den sogenannten Stellbereich dar.
In diesem Bereich hält
die Antriebssteuerung 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 II 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.
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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 Mikrocontroller 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 Elektromotors 3, zuvor
messtechnisch zu ermitteln und in den Programmcode des Mikrocontrollers 14 oder
in dem nicht-flüchtigen
Speicher 37 abzulegen.
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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 Mikrocontroller 14 beim Überschreiten
einer definierten Temperaturschwelle den zulässigen Motorstrom, um bei Erreichen
einer weiteren Schwelle den Elektromotor 3 komplett abzuschalten.
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Wird
der Mikrocontroller 14 bei erwärmten Elektromotor 3 deaktiviert,
beispielsweise durch Entnahme der Batterie 38 aus dem Elektrohandwerkzeug 1,
durch Trennen einer Netzverbindung oder, initiiert durch Software
des Mikrocontrollers 14, bei Ablauf eines von dem Intervallgeber 19 vorgegebenen Zeitintervalls,
kann der Mikrocontroller 14 den Abkühlvorgang des Elektromotors 3 nicht
mehr verfolgen und kennt somit bei einem späteren Wiedereinschalten des
Elektrohandwerkzeugs 1 nicht mehr die aktuelle Elektromotortemperatur.
Zum Bestimmen beziehungsweise Abschätzen der aktuellen Elektromotortemperatur
sind zwei Strategien möglich.
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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.
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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 Temperaturen
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.
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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 Anschlussleitungen.