DE102007030383A1

DE102007030383A1 - Schaltungsanordnung und Verfahren zum Ansteuern eines oszillierenden Elektromotors sowie Elektrokleingerät

Info

Publication number: DE102007030383A1
Application number: DE102007030383A
Authority: DE
Inventors: Torsten Klemm; Ingo Vetter; Bernhard Kraus; Frank Stefan Skopp
Original assignee: Braun GmbH
Current assignee: Braun GmbH
Priority date: 2007-06-29
Filing date: 2007-06-29
Publication date: 2009-01-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines oszillierenden Elektromotors (M), die einen Kondensator (CM), einen ersten und einen zweiten elektronischen Schalter (V1; V0), eine Steuerschaltung (uC), die mit den Steueranschlüssen der beiden elektronischen Schalter (V1; V0) verbunden ist, und eine Versorgungsspannungsquelle (A) aufweist. Die Hauptstromstrecken der beiden elektronischen Schalter (V1; V0) sind hintereinander geschaltet, und die Reihenschaltung der Hauptstromstrecken der beiden elektronischen Schalter (V1; V0) ist parallel zur Versorgungsspannungsquelle (A) geschaltet. Der oszillierende Elektromotor (M) und der Kondensator (CM) sind hintereinander geschaltet, und die Reihenschaltung aus dem oszillierenden Elektromotor (M) und dem Kondensator (CM) ist parallel zur Hauptstromstrecke des ersten elektronischen Schalters (V1) geschaltet. Die Erfindung betrifft ferner ein Elektrokleingerät mit einer derartigen Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Ansteuern eines oszillierenden Elektromotors (M).

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Ansteuern eines oszillierenden Elektromotors, sowie ein Elektrokleingerät mit einer derartigen Schaltungsanordnung, das durch einen oszillierenden Elektromotor angetrieben wird.
Aus der DE 102 46 520 A1 ist eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Ansteuern eines oszillierenden Elektromotors eines batteriebetriebenen Elektrokleingeräts mittels einer Brückenschaltung bekannt. Bei einer derartigen Schaltung fließt kein sinusförmiger Strom durch den Motor, der mit zunehmender Belastung des Motors ansteigt. Zumindest bei höheren Motorleistungen ist ein Regelkreis für die Amplitude und die Frequenz des Motorstroms erforderlich, wenn ein Wirkungsgrad erreicht werden soll, der für ein batteriebetriebenes Elektrokleingerät noch vertretbar ist. Diese Schaltungsanordnung ist daher recht aufwendig.
Bekannte Elektrokleingeräte mit einem durch einen oszillierenden Elektromotor antreibbaren Werkzeug sind beispielsweise elektrische Rasierapparate oder elektrische Zahnbürsten.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Ansteuern eines oszillierenden Elektromotors anzugeben, die/das bei schaltungstechnisch einfachem Aufbau einen hohen Wirkungsgrad aufweist, sowie ein durch einen oszillierenden Elektromotor antreibbares Elektrokleingerät mit einer derartigen Schaltungsanordnung.
Diese Aufgabe ist durch eine Schaltungsanordnung gelöst, die einen Kondensator, einen ersten und einen zweiten elektronischen Schalter, eine Steuerschaltung, die mit den Steueranschlüssen der beiden elektronischen Schalter verbunden ist, und eine Versorgungsspannungsquelle aufweist, wobei die Hauptstromstrecken der beiden elektronischen Schalter hintereinandergeschaltet und die Reihenschaltung der Hauptstromstrecken der beiden elektronischen Schalter parallel zur Versorgungsspannungsquelle geschaltet sind, und wobei der oszillierende Elektromotor des Elektrokleingeräts und der Kondensator hintereinandergeschaltet sind, und die Reihenschaltung aus dem oszillierenden Elektromotor und dem Kondensator parallel zur Hauptstromstrecke des ersten elektronischen Schalters geschaltet ist. Die Steuerschaltung ist ebenfalls mit der Versorgungsspannungsquelle verbunden.
Die Schaltungsanordnung ist für ein Elektrokleingerät gedacht, das ein durch einen oszillierenden Elektromotor antreibbares Werkzeug aufweist, wobei der oszillierende Elektromotor beispielsweise durch einen Linearmotor oder einen Schwingankermotor realisiert sein kann. Beispielsweise ist das Elektrokleingerät ein elektrischer Rasierapparat, dessen Schneidwerkzeug durch den oszillierenden Elektromotor in an sich bekannter Weise hin und her bewegbar ist, oder eine elektrische Zahnbürste, deren Putzwerkzeug durch den oszillierenden Elektromotor in an sich bekannter Weise bewegbar ist. Das Elektrokleingerät wird aus einer Versorgungsspannungsquelle, beispielsweise einer Primär- oder einer Sekundärbatterie, mit Strom versorgt und der oszillierende Elektromotor mittels der oben beschriebenen Schaltungsanordnung gesteuert. Die schwingungsfähigen Teile des Elektrokleingeräts, d. h. der mit dem Werkzeug gekoppelte Oszillationsmotor, besitzen eine mechanische Resonanzfrequenz. Nachfolgend wird in der Beschreibung und in den Patentansprüchen vereinfachend lediglich von der „mechanischen Resonanzfrequenz des oszillierenden Elektromotors" gesprochen. Vorzugsweise weist die Reihenschaltung aus dem oszillierenden Elektromotor und dem Kondensator eine elektrische Resonanzfrequenz auf, die auf die mechanische Resonanzfrequenz des oszillierenden Elektromotors abgestimmt ist.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Ansteuern eines oszillierenden Elektromotors, der über von einer Steuerschaltung gesteuerte elektronische Schalter aus einer Versorgungsspannungsquelle mit Strom versorgt wird, wird während einer ersten Zeitspanne der oszillierende Elektromotor von der Versorgungsspannungsquelle mit Strom versorgt und gleichzeitig ein Speicher für elektrische Energie aufgeladen, und während einer zweiten Zeitspanne wird der oszillierende Elektromotor aus dem Speicher für elektrische Energie mit Strom versorgt wird. Der Speicher für elektrische Energie besteht vorzugsweise aus einem Kondensator. Wenn der oszillierende Elektromotor mit dem Kondensator in Reihe geschaltet ist, öffnet und schließt die Steuerschaltung die elektronischen Schalter abwechselnd in einem Takt, dessen Taktfrequenz vorzugsweise auf die elektrische Resonanzfrequenz der Reihenschaltung abgestimmt ist, um einen besonders guten Wirkungsgrad, d. h. geringe Energieverluste, zu erzielen. Das Verfahren ist für das oben beschriebene Elektrokleingerät gut geeignet.
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Ansteuern eines oszillierenden Elektromotors erläutert, die in 1 dargestellt ist. 2 veranschaulicht das erfindungsgemäße Verfahren. 3 zeigt schematisch ein Elektrokleingerät, nämlich eine elektrische Zahnbürste, mit einem Handteil 2, auf das eine Aufsteckbürste 1 aufgesteckt ist, die von einem oszillierenden Elektromotor M antreibbar ist, der über Drähte 4 mit einer Steuerschaltung uC verbunden ist.
Die in 1 dargestellte Schaltungsanordnung enthält einen oszillierenden Elektromotor M, einen Kondensator CM, einen ersten und einen zweiten elektronischen Schalter V1, V0, eine Steuerschaltung uC, die mit den Steueranschlüssen der beiden elektronischen Schalter V1, V0 verbunden ist, und eine Versorgungsspannungsquelle A. Die Hauptstromstrecken der beiden elektronischen Schalter V1, V0 sind hintereinandergeschaltet, und die Reihenschaltung der Hauptstromstrecken der beiden elektronischen Schalter V1, V0 ist parallel zur Versorgungsspannungsquelle A geschaltet. Der oszillierende Elektromotor M und der Kondensator CM sind hintereinandergeschaltet, und die Reihenschaltung aus dem oszillierenden Elektromotor M und dem Kondensator CM ist parallel zu der Hauptstromstrecke des ersten elektronischen Schalters V1 geschaltet. Die Steuerschaltung uC ist parallel zur Versorgungsspannungsquelle A geschaltet.
Die Funktionsweise der in 1 dargestellten Schaltungsanordnung wird nachstehend beschrieben. In der zunächst betrachteten Ausgangssituation befindet sich die Schaltungsanordnung in einem Zustand, in dem die Steuerschaltung uC den ersten elektronischen Schalter V1 geöffnet und den zweiten elektronischen Schalter V0 geschlossen hat. Es kann dann aus der Versorgungsspannungsquelle A ein Strom durch den Motor M und den Kondensator CM fließen (vgl. Pfeil 1 in 2a), der den Motor M in Bewegung setzt/hält und den Kondensator CM auflädt. Die Spannung U_M am Motor M setzt sich zusammen aus der Spannung U_A der Versorgungsspannungsquelle A abzüglich der Spannung U_CM am Kondensator CM und der durch die Bewegung des Motors M im Motor M induzierten Spannung U_ind, UM = UA – UCM – Uind.
Die Spannung U_M am Motor M wird mit der Zeit kleiner, da mit fortschreitendem Aufladen des Kondensators CM die Spannung am Kondensator CM ansteigt. Daher nimmt der anfangs große Strom durch den Motor M und den Kondensator CM wieder ab.
Wenn der durch den Motor M fließende Strom praktisch auf Null zurückgegangen ist, schaltet die Steuerschaltung uC die beiden elektronischen Schalter V1, V0 gleichzeitig um, d. h. jetzt ist der erste elektronische Schalter V1 geschlossen und der zweite elektronische Schalter V0 geöffnet. Es kann nun aus dem aufgeladenen Kondensator CM über den geschlossenen ersten Schalter V1 ein Strom in Gegenrichtung durch den Motor M fließen (vgl. Pfeil 2 in 2a), der den Motor M in Bewegung setzt/hält und den Kondensator CM entlädt. Die Spannung U_M am Motor M setzt sich jetzt zusammen aus der Spannung U_CM am Kondensator CM und der durch die Bewegung des Motors M im Motor M induzierten Spannung UM = UCM – Uind.
Die Spannung U_M am Motor M wird mit der Zeit kleiner, da mit fortschreitendem Entladen des Kondensators CM die Spannung am Kondensator CM abnimmt. Daher nimmt der anfangs große Strom durch den Motor M und den Kondensator CM wieder ab. Wenn der durch den Motor M fließende Strom praktisch auf Null zurückgegangen ist, schaltet die Steuerschaltung uC die beiden elektronischen Schalter V1, V0 gleichzeitig um, sodaß wieder die oben bereits beschriebene Ausgangssituation vorliegt.
Der zeitliche Verlauf des Motorstroms ist in 2b dargestellt. Wie aus 2b ekennbar ist, ist der Motorstrom sinus-ähnlich. Ein derartiger Stromverlauf sorgt für geringe Verluste und somit für einen hohen Wirkungsgrad, d. h. bei einem batteriebetriebenen Elektrokleingerät für eine lange Batterielaufzeit. Während der ersten Halbwelle wird der Strom von der Versorgungsspannungsquelle geliefert, und während der zweiten Halbwelle vom Kondensator. Da der oszillierende Elektromotor M die Eigenschaft hat, bei zunehmender mechanischer Belastung eine kleinere Bewegungsamplitude abzugeben, was zu einer Abnahme der im Motor M induzierten Spannung U_ind führt, erhöht sich bei zunehmender mechanischer Belastung der Strom, der durch den Motor M fließt und den Kondensator CM auflädt. Die in 2b dargestellte Kurve mit der größeren Stromamplitude stellt sich somit bei größerer mechanischer Belastung des oszillierenden Elektromotors M ein, und die Kurve mit der kleineren Stromamplitude bei kleinerer mechanischer Belastung. Auf diese Weise ergibt sich eine Stabilisierung der Amplitude der vom oszillierenden Elektromotor ausgeführten Bewegung.
In 2c ist der zeitliche Verlauf der von der Steuerschaltung uC abgegebenen Steuersignale dargestellt, mit denen die beiden elektronischen Schalter V1, V0 gesteuert werden. Es ist erkennbar, daß die beiden elektronischen Schalter V1, V0 gleichzeitig umgeschaltet werden, wobei der eine Schalter immer dann geöffnet ist, wenn der andere Schalter geschlossen ist und umgekehrt. Es reicht daher aus, wenn die Sterschaltung uC ein einziges Steuersignal erzeugt, dessen Taktfrequenz vorzugsweise auf die Resonanzfrequenz der Reihenschaltung aus Motor M und Kondensator CM abgestimmt ist, und das dem Steueranschluß des einen elektronischen Schalters direkt und dem Steueranschluß des anderen elektronischen Schalters invertiert zugeführt wird. Daher muß die Steuerschaltung nicht unbedingt durch einen Mikrokontroller sondern kann auch durch wesentlich einfachere takterzeugende Schaltungen realisiert sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10246520 A1 [0002]

Claims

Schaltungsanordnung mit einem oszillierenden Elektromotor (M), einem Kondensator (CM), einem ersten und einem zweiten elektronischen Schalter (V1; V0), einer Steuerschaltung (uC), die mit den Steueranschlüssen der beiden elektronischen Schalter (V1; V0) verbunden ist, und mit einer Versorgungsspannungsquelle (A), wobei die Hauptstromstrecken der beiden elektronischen Schalter (V1; V0) hintereinandergeschaltet und die Reihenschaltung der Hauptstromstrecken der beiden elektronischen Schalter (V1; V0) parallel zur Versorgungsspannungsquelle (A) geschaltet sind, und wobei der oszillierende Elektromotor (M) und der Kondensator (CM) hintereinandergeschaltet sind, und die Reihenschaltung aus dem oszillierenden Elektromotor (M) und dem Kondensator (CM) parallel zu der Hauptstromstrecke des ersten elektronischen Schalters (V1) geschaltet ist.
Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (uC) mit der Versorgungsspannungsquelle (A) verbunden ist.
Elektrokleingerät mit einer Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Elektrokleingerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrokleingerät ein Werkzeug aufweist, das vom oszillierenden Elektromotor (M) periodisch hin- und her bewegbar ist.
Elektrokleingerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der oszillierende Elektromotor (M) eine mechanische Resonanzfrequenz aufweist.
Elektrokleingerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung aus dem oszillierenden Elektromotor (M) und dem Kondensator (CM) eine elektrische Resonanzfrequenz aufweist, die auf die mechanische Resonanzfrequenz des oszillierenden Elektromotors (M) abgestimmt ist.
Verfahren zum Ansteuern eines oszillierenden Elektromotors (M), der über von einer Steuerschaltung (uC) gesteuerte elektronische Schalter (V1; V0) aus einer Versorgungsspannungsquelle (A) mit Strom versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, daß während einer ersten Zeitspanne der oszillierende Elektromotor (M) von der Versorgungsspannungsquelle (A) mit Strom versorgt wird und gleichzeitig ein Speicher für elektrische Energie (CM) aufgeladen wird, und daß während einer zweiten Zeitspanne der oszillierende Elektromotor (M) aus dem Speicher für elektrische Energie (CM) mit Strom versorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher für elektrische Energie (CM) ein Kondensator ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der oszillierende Elektromotor (M) mit dem Kondensator (CM) in Reihe geschaltet ist, und daß die Steuerschaltung (uC) die elektronischen Schalter (V1; V0) in einem Takt abwechselnd öffnet und schließt, dessen Taktfrequenz auf die elektrische Resonanzfrequenz der Reihenschaltung abgestimmt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch die Anwendung bei einem Elektrokleingerät nach einem der Ansprüche 3 bis 6.