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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Elektrowerkzeugs nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
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Akkubetriebene Elektrowerkzeuge, z.B. Akku-Schrauber, Akku-Bohrschrauber, Akku-Kreissägen, Akku-Stichsägen, Akku-Hobel, Akku-Bohrhämmer, Akku-Schlagbohrmaschinen können so stark belastet werden, dass die Lebensdauer mechanischer oder elektrischer Komponenten reduziert wird.
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Es gibt Lastbereiche vor Erreichen der blockierten Situation, in denen das Elektrowerkzeug nicht dauerhaft betrieben werden kann, da bei andauerndem Betrieb auf diesem Lastniveau eine bzw. mehrere Komponenten sich über ihr zulässiges thermisches Niveau erhitzen und/oder mechanisch versagen.
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Typischerweise wird bei akkubetriebenen Elektrowerkzeugen die thermische Widerstandsfähigkeit durch die Verwendung hochtemperaturfester bzw. niederohmiger Bauteile gesteigert, wobei durch diese Maßnahme meist nur der Zeitpunkt des thermischen Versagens verzögert wird. Für mechanische Komponenten werden entweder hochfeste oder größer dimensionierte Komponenten verwendet, welche jedoch typischerweise teurer, größer und/oder schwerer sind.
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Alternativ ist hierzu eine analoge elektrische Abschaltung bekannt, die bei Erreichen eines bestimmten Stromniveaus der Stromkreis elektrisch getrennt wird. Die hierzu notwendigen Bauteile sind teuer und können, je nach Ausführung, die Leistungsfähigkeit des Elektrowerkzeugs beeinträchtigen, Bei festen Stromgrenzen wird beispielsweise der zeitliche Einfluss nicht berücksichtigt, so dass kurzfristige Stromspitzen nicht zugelassen werden, obwohl das Elektrowerkzeug diese tolerieren könnte.
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Aus der
DE 10 2008 003 786 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine Vorausberechnung und ein vorauseilendes Energiemanagement eingesetzt wird. Der Strom-Zeit-Temperatur-Zusammenhang kritischer Komponenten des Elektrowerkzeugs ist als mathematische Formel hinterlegt. Aus dem tatsächlichen Stromprofil wird die zukünftige Temperatur berechnet und die kritische Komponente in ihrer Leistung begrenzt, bevor eine kritische Temperatur gemessen wird. Vorteilhaft ist dabei die Möglichkeit, die Leistung des Elektrowerkzeugs maximal auszunützen. Mechanische Grenzen, etwa des Getriebes, können jedoch nicht ausreichend berücksichtigt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben eines Elektrowerkzeugs mit einem Elektromotor, der im Betrieb durch Betriebsstrom und Betriebsspannung versorgt wird.
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Es wird vorgeschlagen, dass bei Erreichen oder bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwerts einer elektrischen Abgabeleistung des Elektromotors ein Effektivwert der Abgabeleistung des Elektromotors so geregelt wird, dass dieser höchstens den Grenzwert erreicht.
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Als Effektivwert der Abgabeleistung des Elektromotors soll die Abgabeleistung verstanden werden, die innerhalb einer oder über mehrere Periodendauern gemittelt dem Mittelwert der Abgabeleistung entspricht, beispielsweise in einem diskontinuierlichen Betrieb. Ein günstiger Zeitraum liegt im Bereich mehrerer zehn Mikrosekunden, z.B. um 0,0625 msec.
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Vorteilhaft kann damit erreicht werden, dass die thermisch und auch die mechanische Robustheit des Elektrowerkzeugs verbessert wird. Es können kleinere und auch preisgünstigere Bauteile verwendet werden. Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) des Elektrowerkzeugs wird verbessert, weil im Bereich hoher Ströme die Anzahl der Kommutierungswechsel reduziert wird. Bei Elektromotoren mit Kohlebürsten kann die Kohlestandzeit verlängert werden, da diese weniger belastet werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Abgabeleistung durch Modulation von Betriebsstrom und/oder Betriebsspannung, insbesondere durch einen diskontinuierlichen Betrieb, eingestellt werden. Eine günstige Modulationsart ist die Pulsweitenmodulation von Betriebsstrom und/oder Betriebsspannung. Es können jedoch auch andere Modulationsarten eingesetzt werden, etwa Pulsfrequenzmodulation (PFM), Pulsamplitudenmodulation (PAM), Pulscodemodulation (PCM) oder Pulsphasenmodulation (PPM).
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Betriebsstrom und/oder die Betriebsspannung kontinuierlich oder quasikontinuierlich erfasst werden. Aus den Werten des Betriebsstroms und/oder der Betriebsspannung kann die Aufnahmeleistung und daraus die Abgabeleistung des Elektromotors auf einfache Weise abgeleitet werden. Quasikontinuierlich soll so verstanden werden, dass die Werte häufig, jedoch mit kleinen Pausen zwischen der Messwerterfassung erfasst werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Abgabeleistung des Elektromotors kontinuierlich oder quasikontinuierlich mit dem Grenzwert der Abgabeleistung verglichen werden. Auf diese Weise kann schnell erfasst werden, wenn sich die Abgabeleistung dem Grenzwert nähert oder ihn erreicht.
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Vorteilhaft kann ein Einschalten der Regelung der Abgabeleistung erfolgen, wenn diese den Grenzwert überschreitet und das Abschalten der Regelung dann, wenn die Regelamplitude Null wird bzw. der Effektivwert der Abgabeleistung auf einen Wert kleiner oder gleich dem Grenzwert fällt.
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Die Erfindung geht bei einem weiteren Aspekt der Erfindung aus von einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß wenigstens einer der vorstehend beschriebenen Ausgestaltungen.
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Es wird vorgeschlagen, dass eine Überwachungseinrichtung vorgesehen ist, wobei bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwerts einer elektrischen Abgabeleistung des Elektromotors eine Regelvorrichtung so ansteuerbar ist, dass eine Abgabeleistung des Elektromotors so führbar ist, dass diese höchstens den Grenzwert erreicht.
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Vorteilhaft ist die Regelvorrichtung so lange aktivierbar wie ein Überschreiten des Grenzwerts zu befürchten ist, so dass eine thermische oder mechanische Überlastung von Komponenten des Elektrowerkzeugs vermieden werden kann.
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Gemäß einer günstigen Weiterbildung kann eine Messeinrichtung zur kontinuierlichen oder quasikontinuierlichen Messung von Betriebsstrom und/oder Betriebsspannung vorgesehen sein, so dass eine Annäherung an den Grenzwert schnell erkannt werden kann.
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Gemäß einer günstigen Weiterbildung kann eine Vergleichseinrichtung vorgesehen sein, um eine Abgabeleistung des Elektromotors mit dem Grenzwert der Abgabeleistung kontinuierlich oder quasikontinuierlich zu vergleichen. Ein Erreichen oder Überschreiten des Grenzwerts kann schnell erkannt und durch Aktivieren der Regelvorrichtung ein Überschreiten verhindert werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Elektrowerkzeug vorgeschlagen, insbesondere akkubetriebenes Elektrowerkzeug, umfassend eine Vorrichtung mit einer Überwachungseinrichtung, wobei bei Überschreiten eines vorgegebenen Grenzwerts einer elektrischen Abgabeleistung des Elektromotors eine Regelvorrichtung so ansteuerbar ist, dass eine Abgabeleistung des Elektromotors so führbar ist, dass diese höchstens den Grenzwert erreicht.
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Vorteilhaft kann der Elektromotor ein Universalmotor sein, oder auch ein Gleichstrommotor oder Wechselstrommotor. Das Elektrowerkzeug kann beispielsweise eines aus der Gruppe sein: Akku-Schrauber, Akku-Bohrschrauber, Akku-Kreissäge, Akku-Stichsäge, Akku-Hobel, Akku-Bohrhammer, Akku-Schlagbohrmaschine.
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Zeichnung
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines günstigen Ausführungsbeispiels eines Akkuschraubers gemäß der Erfindung; und
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2 eine idealisierte Motorkennlinie des Akkuschraubers aus 1 mit einem Regelbereich.
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Ausführungsform der Erfindung
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In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
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Die Erfindung wird beispielhaft anhand eines Akkuschraubers beschrieben.
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1 zeigt in schematischer Darstellung ein als Akkuschrauber ausgebildetes handgeführtes Elektrowerkzeug 10. Das Elektrowerkzeug 10 weist als Antrieb einen Elektromotor 12 auf, der von einem Akkupack 14 gespeist wird. Der Akkupack kann lösbar am Elektrowerkzeug 10 befestigt sein oder direkt fest eingebaut sein.
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Im Stromkreis zwischen dem Akkupack 14 und dem Elektromotor 12 befindet sich ein Bedienelement 16, über welches ein Anwender den Stromkreis öffnen oder schließen kann. Im Stromkreis ist eine Regelvorrichtung 18 sowie eine Strommesseinrichtung 20 und eine Spannungsmesseinrichtung 26 angeordnet.
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Die Strommesseinrichtung 20 misst den Betriebsstrom I_B, die Spannungsmesseinrichtung 26 misst die Betriebsspannung U_B des Elektromotors 12.
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Eine Überwachungseinrichtung 22 umfasst eine Regel- und/oder Steuereinheit 28, in der die Signalverarbeitung und die Signalerzeugung zum Beaufschlagen des Elektromotors 12 mit Betriebsstrom U_I und Betriebsspannung U_B stattfindet. Ferner sind dort auch Parameter abgespeichert, wie z.B. eine Funktion f(P_AUF) = P_AB, die den Zusammenhang zwischen elektrischer Aufnahmeleistung P_AUF und Abgabeleistung P_AB des Elektromotors 12 beschreibt.
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Im regulären Betrieb wird fortlaufend der Betriebsstrom I_B und die Betriebsspannung U_B gemessen. Aus den Messwerten wird in der Regel- und/oder Steuereinheit 28 die Betriebsleistung P_B aus dem Produkt von Betriebsstrom I_B und Betriebsspannung U_B ermittelt, welche der Aufnahmeleistung P_AUF entspricht. Bei bekanntem Elektromotor 12 bzw. bei bekannten Kenngrößen des Elektromotors 12 kann von der elektrischen Aufnahmeleistung P_AUF auf dessen elektrische Abgabeleistung P_AB geschlossen werden, beispielsweise ist die Abgabeleistung P_AB als Funktion der Aufnahmeleistung P_AUF.
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Würde die Betriebsleistung P_B einen vordefinierten Grenzwert P_LIM überschreiten, wird die Regelvorrichtung 18 aktiviert, die über eine Modulation (beispielsweise Pulsweitenmodulation PWM oder dergleichen) des Betriebsstroms I_B und/oder der Betriebsspannung U_B einen Effektivwert der Betriebsleistung P_B unterhalb des Grenzwerts P_LIM hält oder bis maximal zum Grenzwert P_LIM ansteigen lässt. Als Effektivwert der Betriebsleistung P_B ist der zeitliche Mittelwert des Produkts der modulierten Betriebsstroms I_B und/oder der Betriebsspannung U_B zu verstehen. Aus dem Effektivwert der Betriebsleistung P_B bzw. dem daraus abgeleiteten Effektivwert der Aufnahmeleistung P_AUF ergibt sich der Effektivwert der Abgabeleistung P_AB während des Modulationsbetriebs der Regelvorrichtung 18..
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Die Regelvorrichtung 18 erzeugt über Schalter oder alternative Regelvorrichtungen einen modulierten Betrieb, z.B. einen PWM-Betrieb oder einen vergleichbaren diskontinuierlichen Betriebsmodus des Elektromotors 12.
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Die Betriebsleistung P_B entspricht der Aufnahmeleistung P_AUF des Elektromotors 12, ist jedoch über den Wirkungsgrad des Elektromotors 12 direkt mit der Abgabeleistung P_AB des Elektromotors 12 gekoppelt.
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Sobald die Betriebsleistung P_B wieder auf den Effektivwert der Betriebsleistung P_B fällt, wird die Regelvorrichtung 18 wieder deaktiviert. In einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform wird die Regelvorrichtung 18 deaktiviert bei Unterschreiten von z.B. 95% des Grenzwerts P_LIM.
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Dadurch kann das Leistungsniveau des Elektromotors 12 elektrisch wie mechanisch zuverlässig unterhalb der vorgegebenen Grenzleistung P_LIM gehalten werden, und das mechanische wie das elektrische System des Elektrowerkzeugs 10 kann darauf hinsichtlich Kosten für Komponenten, Abmessungen, Gewicht und thermische Eigenschaften optimiert werden.
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In 2 ist beispielhaft eine idealisierte Motorkennlinie des Elektromotors 12 des Elektrowerkzeugs 10 aus 1 dargestellt. Die Motordrehzahl n, die Aufnahmeleistung P_AUF, die Abgabeleistung P_AB und der Betriebsstrom I_B sind über dem Motormoment M aufgetragen. Bei bekannten Systemen steigt bei zunehmender Belastung des Elektromotors bis zur der maximalen Abgabeleistung P_2max, dem Maximum der P_AB-Kurve an, um dann bei weiterer Belastung wieder abzunehmen. Gemäß der Erfindung wird die Abgabeleistung P_AB bei zunehmender Belastung bis zum Grenzwert P_LIM der Abgabeleistung P_AB ansteigen. Der Grenzwert P_LIM wird so gewählt, dass er sicher unterhalb der maximalen Abgabeleistung P_2max liegt, z.B. bei etwa 80% der maximalen Abgabeleistung P_2max, wobei der Wert abhängig von der Mechanik des Elektromotors 12 bzw. des Elektrowerkzeugs 10 ausgewählt wird.
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Ist die Abgabeleistung P_AB bei zunehmender Belastung bis zum Grenzwert P_LIM der Abgabeleistung P_AB angestiegen, regelt die Regelvorrichtung 18 den Betriebsstrom I_B und/oder die Betriebsspannung U_B so, dass die Abgabeleistung P_AB trotz weiter ansteigendem Moment M im modulierten Betrieb höchstens auf dem Grenzwert P_LIM gehalten wird. Dies ist als Kennlinie P_12 dargestellt, deren Flanken außerhalb des Regeleingriffsbereichs R auf der Kurve P_AB liegen und innerhalb des Regeleingriffsbereichs R waagrecht verläuft und den Wert P_LIM einnimmt. P 2max wird nicht mehr erreicht.
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Erst wenn die natürliche Kennlinie wieder unter den Grenzwert P_LIM fällt, wird der modulierte Betrieb beendet. Als natürliche Kennlinie ist die Kennlinie ohne Regeleingriff der Regelvorrichtung 18 zu verstehen. Solange die Regelvorrichtung 18 aktiviert ist, dreht der Elektromotor 12 vorzugsweise langsamer als er dies ohne Aktivierung der Regelvorrichtung 18 würde. Daher weicht im Regeleingriffsbereich R die Drehzahlkennlinie n von einer Linie ab und verläuft unterhalb einer Geraden, welche die Drehzahlkennlinie n außerhalb des Regeleingriffsbereichs R darstellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008003786 A1 [0006]
