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Die Erfindung betrifft ein Blasgerät mit einem elektrischen Antriebsmotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Blasgeräte mit einem elektrischen Antriebsmotor sind allgemein bekannt. In einem Gehäuse des Blasgerätes ist ein drehbar gelagertes Gebläserad zur Erzeugung eines Blasluftstroms angeordnet. Über einen Auslass aus dem Gehäuse wird der Blasluftstrom einem Blasrohr zugeführt, das zur Führung des Blasluftstroms durch den Benutzer dient. In dem Gehäuse ist der das Gebläserad antreibende elektrische Antriebsmotor angeordnet, der über ein Steuergerät an eine Energiequelle angeschlossen ist.
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Das Gebläserad ist im Gehäuse derart reibungsarm gelagert, dass nur geringe Antriebsverluste auftreten. Aufgrund der geringen Reibung und der Massenträgheit des Gebläserades und der mit dem Gebläserad rotierenden Massen wie der Rotor des Antriebsmotors treten trotz Ausschalten des Motors hohe Nachlaufzeiten von 3 bis 5 Sekunden auf, in denen das Blasgerät noch einen deutlich feststellbaren Blasluftstrom abgibt, der jedoch vom Benutzer nicht mehr gewünscht wird. Der sich durch die Nachlaufzeiten ergebende andauernde Blasluftstrom stört beim Zusammenblasen von Laub oder dgl. leichten Materialien.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Blasgerät mit einem elektrischen Antriebsmotor derart auszubilden, dass der Volumenstrom eines Blasluftstroms nach Abschalten des Blasgerätes durch den Benutzer rasch zum Erliegen kommt.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Das für die Steuerung des elektrischen Antriebsmotors angeordnete Steuergerät ist derart ausgelegt, dass bei der Verzögerung des Antriebsmotors zur raschen Reduzierung des Blasluftstroms das Steuergerät die Verzögerung der rotierenden Massen durch einen Bremsstrom unterstützt. Der Bremsstrom wird durch das Steuergerät derart eingestellt, dass eine effektive Bremsung mit einem signifikanten Einbruch des Blasluftstroms auftritt, so dass der Benutzer ein zeitnahes Einbrechen des Blasluftstroms im Sinne eines ”Ausschaltens” des Blasluftstroms feststellt.
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Überraschend hat sich herausgestellt, dass zur Erzielung eines raschen Einbruchs des Volumenstroms auf einen quasi wirkungslosen Restvolumenstrom eine derartige Steuerung des Bremsstroms vorteilhaft ist, durch die bei einer Bremsung aus einer Betriebsdrehzahl bis auf weniger als 10% der Betriebsdrehzahl der Drehzahlverlauf des Antriebsmotors über der Zeit einer Kennlinie folgt, die über mehr als 60% der Bremszeit eine im Wesentlichen gleiche negative Steigung aufweist. Wird durch die Steuerung des Bremsstroms ein derartig abfallender Drehzahlverlauf erreicht, ergibt sich ein rasch abklingender Blasluftstrom, der innerhalb kurzer Zeit so weit zum Erliegen kommt, dass er auf das zusammengeblasene Gut keine Wirkung mehr hat. Der Benutzer kann den Blasluftstrom bedarfsgerecht quasi ”ein- bzw. ausschalten”.
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Die Einstellung des Drehzahlverlaufs nach einer Kennlinie mit im Wesentlichen gleicher negativer Steigung dient auch dazu, die durch die Verzögerung beim Bremsen im Handgelenk des Benutzers auftretenden Momente auf Werte zu begrenzen, die vom Benutzer nicht als störend empfunden werden.
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Vorteilhaft erfolgt die gesteuerte Bremsung bis auf eine Drehzahl von weniger als 5% der Betriebsdrehzahl, wobei der Blasluftstrom bereits vor Erreichen der Untergrenze von weniger als 5% signifikant einbricht und damit quasi ausgeschaltet ist.
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Es kann zweckmäßig sein, für einen raschen Stillstand des Antriebsmotors und des mitdrehenden Gebläserades am Ende einer Bremsung die Feldwicklungen des Antriebsmotors kurzzuschließen. Vorteilhaft erfolgt der Kurzschluss über einen Widerstand, der als Bremswiderstand den fließenden Strom begrenzt.
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Die Steigung der Kennlinie ist derart gewählt, dass die Bremszeit etwa 400 bis 2.000 Millisekunden, vorzugsweise etwa 500 bis 1.500 Millisekunden beträgt. Dabei kann die Steigung der Bremskennlinie im Wesentlichen der Anfangssteigung des Drehzahlverlaufs zu Beginn einer Bremsung entsprechen.
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Zweckmäßig ist die Kennlinie des Drehzahlverlaufs des Antriebsmotors über der Zeit so ausgebildet, dass die negative Steigung über etwa 80% der Bremszeit gleich ist. Die negative Steigung kann dabei einem Drehzahlabfall von etwa 1.000 1/min pro 100 Millisekunden entsprechen.
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In einer Ausführungsform weist die rotierende Baueinheit aus mindestens einem Gebläserad und dem Rotor des Antriebsmotors ein Massenträgheitsmoment im Bereich von 3 × 105 bis 5 × 105 g/mm2 auf; vorteilhaft ist ein eingestelltes Massenträgheitsmoment von etwa 4 × 105 g/mm2.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist die Energiequelle als Akku ausgebildet, der insbesondere aus auf Lithium basierenden Einzelzellen aufgebaut ist. Als elektrischer Antriebsmotor ist ein elektronisch kommutierter Motor zweckmäßig, der insbesondere als Außenläufer ausgebildet ist. Das Gebläserad kann unmittelbar an den Außenläufer des elektrischen Antriebsmotors angeflanscht sein.
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Der während einer Bremsung auftretende Bremsstrom wird in besonderer Weise als elektrischer Ladestrom dem Akku zugeführt, wobei eine Strombegrenzung in Abhängigkeit der Betriebsdaten der Akkuzellen vorteilhaft ist.
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Das Steuergerät zur Einstellung des elektrischen Bremsstroms ist vorteilhaft eine elektronische Steuereinheit, mit der rasch auf Änderungen von Betriebsbedingungen während einer Bremsung reagiert werden kann. So kann die gewünschte Kennlinie ohne größere Abweichungen sicher eingehalten werden. Zweckmäßig umfasst die Steuereinheit einen Mikroprozessor zur raschen Berechnung der einzustellenden Parameter einer Bremsung.
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Vorteilhaft wird der Bremsstrom auf einen Wert begrenzt, der durch ein zulässiges maximales Drehmoment auf das Gehäuse des Blasgerätes bestimmt ist. Dieser Wert kann bestimmt sein durch die Kraft, die der Benutzer beim Halten des Blasgerätes an einem Handgriff dem Bremsmoment gegenhalten muss, damit das Blasgerät seine Stellung nicht verändert.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung, in der nachfolgend im Einzelnen beschriebene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Es zeigen:
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1 in Seitenansicht schematisch ein Blasgerät mit einem Elektromotor,
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2 eine schematische Prinzipdarstellung der elektrischen Schaltung zum Betrieb des elektrischen Antriebsmotors,
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3 ein Diagramm des Drehzahlverlaufs des Antriebsmotors über der Zeit während einer Bremsung,
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4 den Drehzahlverlauf des Antriebsmotors über der Zeit nach dem Stand der Technik,
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5 in Seitenansicht ein Axialblasgerät mit einem Elektromotor,
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6 einen schematischen Schnitt durch das Axialblasgerät nach 5.
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Das in 1 dargestellte Blasgerät 1 weist ein Gehäuse 2 mit einer Gebläsespirale 3 auf, in der ein Gebläserad 4 läuft. Die Gebläsespirale 3 weist einen Auslass 5 auf, an welchen ein Blasrohr 6 anschließt. Das Blasrohr 6 kann als getrenntes Bauteil ausgeführt und über einen Anschluss 7 am Auslass 5 befestigt sein; es kann auch vorteilhaft sein, das Blasrohr 6 einteilig mit dem Gehäuse 2 des Blasgerätes 1 auszubilden.
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Im Gehäuse 2 ist ein elektrischer Antriebsmotor 8 gelagert, der das Gebläserad 4 um eine Drehachse 9 in Pfeilrichtung 10 antreibt.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Gehäuse 2 des Blasgerätes 1 Standfüße 11 auf, mit denen es auf einem Boden 12 abstellbar ist.
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Auf der den Standfüßen 11 gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 2 ist im oberen Bereich des Blasgerätes 1 ein Handgriff 13 festgelegt, der zweckmäßig über AV-Elemente 14 an beiden Enden mit dem Gehäuse 2 verbunden ist. Auf der dem Gehäuse 2 zugewandten Innenseite des Handgriffs 13 ist ein Betriebselement in Form eines Drehzahlstellers 15 vorgesehen, der ähnlich einem Gasgriff ausgebildet ist.
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Zur elektrischen Energieversorgung des Antriebsmotors 8 ist – vorzugsweise im Gehäuse 2 integriert – eine Energiequelle 19 vorgesehen, die bevorzugt als Akku 20 mit einer Ausgangsspannung aufgebaut ist. Der Akku 20 ist aus einer Vielzahl von Einzelzellen 21 zusammengesetzt, die insbesondere auf Lithium basierende Einzelzellen sind. So können die Einzelzellen Lithium-Ionen-, Lithium-Polymer-, Lithium-Metall- oder dgl. Zellen sein.
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Der elektrische Antriebsmotor 8 ist bevorzugt ein elektronisch kommutierter Motor, der insbesondere als Außenläufer ausgebildet ist. Die Feldwicklungen des Stators 18 sind über ein Steuergerät 17 mit der Energiequelle 19 verbunden. Der Rotor 16 des elektrischen Antriebsmotors 8 umgibt den Stator 18; der Rotor 16 ist drehfest mit dem Gebläserad 4 verbunden. Das Steuergerät 17 ist vorteilhaft eine elektronische Steuereinheit und umfasst einen Mikroprozessor 27.
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Der im Handgriff 13 angeordnete Drehzahlsteller 15 in Form eines Gashebels ist mit einer Steuerleitung 22 mit dem Steuergerät 17 verbunden. In Abhängigkeit von der Schwenkbewegung des Drehzahlstellers in Pfeilrichtung 23 erfolgt von dem Steuergerät 17 die Steuerung des Drehfeldes des elektrischen Antriebsmotors, so dass in Abhängigkeit von der Stellung des Drehzahlstellers 15 der elektrische Antriebsmotor 8 und damit das Gebläserad 4 mit entsprechender Drehzahl angetrieben ist. Ist der Drehzahlsteller 15 vollständig niedergedrückt, läuft der Antriebsmotor 8 mit Nenndrehzahl; lässt der Benutzer den Drehzahlsteller 15 los, wird die Drehzahl des Antriebsmotors 8 auf Null zurückgefahren. Der Antriebsmotor 8 und das Gebläserad 4 stehen.
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Im Gebrauch trägt der Benutzer das Blasgerät 1 am Handgriff 13 und steuert mit dem Drehzahlsteller 15 die Drehzahl des elektrischen Antriebsmotors 8 und damit den Volumenstrom des Blasluftstroms 50.
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Während dem Arbeiten ist es immer wieder erforderlich, den Blasluftstrom ”abzustellen”, wozu der Benutzer den niedergedrückten Drehzahlsteller 15 freigibt, so dass dieser in seine Null-Stellung entsprechend Pfeilrichtung 23 zurückfällt. Aufgrund der z. B. mit Nenndrehzahl von 8.000 Umdrehungen pro Minute rotierenden Massen aus Rotor 16 und Gebläserad 4 ergibt sich ungebremst eine Nachlaufzeit, die in 4 dargestellt ist. Mit Loslassen des Drehzahlstellers 15 bei einer Nenndrehzahl von ca. 8.000 Umdrehungen pro Minute vergehen ungefähr 4.500 Millisekunden bis die Drehzahl n auf Null abgefallen ist. Die Drehzahlkennlinie ist die in 4 dargestellte obere Kennlinie 40, während der Volumenstrom des Blasluftstroms – in Kubikmeter pro Stunde angegeben – als untere Kennlinie 41 dargestellt ist. Die Kennlinien 40 und 41 haben etwa einen gleichen exponentialen Verlauf und fallen mit sich ändernder Steigung gegen Null.
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Um ein schnelleres Abklingen des Blasluftstroms 50 zu gewährleisten, ist vorgesehen, durch das Steuergerät 17 im Stator 18 einen Bremsstrom I einzustellen, wodurch ein rascheres Abbremsen des Elektromotors sowie des Gebläserades 4 erzielt ist. Dabei wird nach der Erfindung der Bremsstrom I von dem Steuergerät 17 derart eingestellt, dass der Drehzahlverlauf 33 des Antriebsmotors 8 über der Zeit gemäß 3 einer Kennlinie 30 folgt, die über mehr als 60% einer Bremszeit B eine im Wesentlichen gleiche negative Steigung hat. In anderen Worten ausgedrückt, wird durch Steuerung des Bremsstroms I ein Drehzahlverlauf 33 der Drehzahl n des Antriebsmotors 8 über der Zeit t der Kennlinie 30 folgen, die über mehr als 60% der Bremszeit B eine im Wesentlichen gleiche negative Steigung 35 aufweist. Durch diese Steuerung des Bremsstroms I wird der Volumenstrom des Blasluftstroms 50 linear stetig abnehmen, wodurch der Blasluftstrom 50 durch den Benutzer gut steuerbar wird.
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Die Bremszeit B ist die Zeit, innerhalb der die Drehzahl n aus einer Betriebsdrehzahl – im Ausführungsbeispiel die Nenndrehzahl von 8.000 1/min – auf weniger als 10% der Betriebsdrehzahl – im Ausführungsbeispiel 800 1/min – abgefallen ist. In einem Bereich von ca. 800 bis 1.500 1/min ist der Volumenstrom derart gering, dass er bei der Benutzung des Gerätes vom Benutzer nicht als störend empfunden wird. Es ist daher ausreichend, wenn eine rasche Bremsung des Antriebsmotors 8 bis auf eine niedrige Drehzahl erfolgt, die etwa 10%, vorzugsweise weniger als 5% der Betriebsdrehzahl entspricht. Dieser Drehzahlhub Δn erfolgt über eine Zeitspanne t von etwa 400 bis 2000 Millisekunden, wodurch sich eine Kurvenschar möglicher Bremszeiten im Bereich 37 ergibt. Vorzugsweise wird eine Bremszeit in engeren Grenzen von z. B. 500 bis 1.500 Millisekunden angestrebt, was zu einer Kurvenschar im Bereich 38 führt.
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In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung entspricht die Steigung 35 der Kennlinie des Drehzahlverlaufs 33 des Antriebsmotors 8 über der Zeit der Anfangssteigung 36 der Kennlinie 30 zur Beginn einer Bremsung.
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Die gleiche negative Steigung 35 wird über eine Teilbremszeit T von mehr als 60% aufrechterhalten; diese Teilbremszeit mit gleicher negativer Steigung kann bis über etwa 80% der Bremszeit B gleich sein.
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Wird bei einer Bremsung weniger als 10% der Betriebsdrehzahl erreicht, kann es zweckmäßig sein, den Antriebsmotor 8 elektrisch kurzzuschließen. Hierzu werden die Phasenanschlüsse des noch drehenden Elektromotors miteinander verbunden, so dass sich aufgrund der induzierten Spannungen des rotierenden Rotors ein Bremsstrom ausbildet, der den Rotor verzögert. Um den Bremsstrom zu begrenzen, kann ein Bremswiderstand 27 in die kurzgeschlossenen Feldwicklungen des Stators 18 eingeschleift werden (1). Eine derartige Bremsanordnung kann bei einfach ausgeführten Arbeitsgeräten mit einem elektrischen Antriebsmotor auch über die gesamte Bremszeit geschaltet werden. Im Ausführungsbeispiel läuft am Ende S einer durch das Steuergerät 17 kontrollierten Bremsung der Antriebsmotor 8 bis zum Stillstand mit kurzgeschlossenen Feldwicklungen oder mit mit einem Bremswiderstand verbundenen Feldwicklungen aus.
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In 3 ist eine Kennlinie 31 des Drehzahlverlaufs punktiert wiedergegeben, deren negative Steigung 35 etwa einem Drehzahlabfall von 1.000 1/min pro 100 Millisekunden entspricht.
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Die im Ausführungsbeispiel wiedergegebenen Bremszeiten werden bei einem Blasgerät erzielt, dessen rotierende Massen ein Massenträgheitsmoment im Bereich von 3 × 105 bis 5 × 105 g/mm2 aufweisen. Insbesondere haben die rotierenden Massen aus mindestens einem Gebläserad 4 und dem Rotor 16 des antreibenden Elektromotors 8 ein Massenträgheitsmoment von etwa 4 × 105 g/mm2.
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Der von dem Steuergerät 17 eingestellte Bremsstrom I wird bevorzugt als elektrischer Ladestrom IL dem Akku 20 zugeführt. Die bei einer Bremsung induzierten Ströme dienen somit der Ladung der Einzelzellen 21 des Akkus 20, wodurch Energie rückgewonnen wird. Vorgesehen ist, den Ladestrom IL nicht über 8 Ampere anwachsen zu lassen. Durch die Ladung des Akkus im Bremsbetrieb des Blasgerätes kann die Gesamtbetriebszeit des Blasgerätes mit einem elektrischen Antriebsmotor verbessert werden.
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Die Steuerung des Bremsstroms I ist auch von der Bedingung abhängig, dass das durch eine Bremsung auftretende Drehmoment 44 im Handgelenk 45 des Benutzers nicht zu groß wird. In 1 ist der Arm 46 eines Benutzers und dessen Handgelenk 45 schematisch angedeutet.
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Das Ausführungsbeispiel nach den 5 und 6 zeigt ein Blasgerät 1, welches als Axialblasgerät 25 ausgebildet ist. Es besteht aus einem länglich gestreckten Gehäuse 2, welches am vorderen Ende ein Blasrohr 6 trägt und am hinteren Ende eine Aufnahme 24 für einen einzuschiebenden Akku 20. Zwischen der Aufnahme 24 und dem Gehäuse 2 ist ein Handgriff 13 vorgesehen, auf dessen dem Gehäuse 2 zugewandter Innenseite ein Drehzahlsteller 15 in Form eines Gashebels vorgesehen ist. Der Drehzahlsteller 15 ist durch eine Sperre 28 blockiert. Erst nach Niederdrücken der Sperre 28 kann der Drehzahlsteller betätigt werden.
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Im Gehäuse 2 ist – wie 6 zeigt – unterhalb des Handgriffs 13 der elektrische Antriebsmotor 8 angeordnet, dessen Drehachse 9 etwa auf der Längsmittelachse 29 des Axialblasgerätes 25 liegt. Der Rotor des Elektromotors 8 treibt zwei axial hintereinander liegende Gebläseräder 4a und 4b an, denen jeweils ein Luftleitrad 51 zugeordnet ist.
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Der Blasluftstrom 50 tritt an der Austrittsöffnung 52 aus dem Gehäuse 2 aus; auf der gegenüberliegenden Stirnseite des länglichen Gehäuses 2 liegt ein Ansaugluftfenster 53, welches durch ein Gitter abgedeckt ist.
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Das Steuergerät 17 liegt bevorzugt im Gehäuse 2 nahe dem Elektromotor 8 und steuert den Elektromotor entsprechend der schematischen Darstellung in 2 an. Der bei Loslassen des Drehzahlstellers 15 ausgelöste Bremsvorgang folgt der Kennlinie 30, wie er in 3 wiedergegeben ist.
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Die Energiequelle kann als Spannungsquelle oder Stromquelle ausgebildet sein, wobei eine feste Ausgangsspannung oder fester Ausgangsstrom eingestellt sein kann.
