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Die Erfindung betrifft ein Haushaltsgerät, vorzugsweise einen Staubsauger wie einen Bodenstaubsauger oder einen Handstaubsauger, gemäß dem Patentanspruch 1.
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Zu den Reinigungsgeräten gehören die Staubsauger, welche Luft samt Schmutz von einem Untergrund in sich einsaugen und die Luft zumindest im Wesentlichen vom Schmutz gereinigt wieder nach außen hin abgeben können. Derartige Staubsauger können zum Betrieb mit einem Kabel mit einer Steckdose verbunden werden. Es kann jedoch für den Benutzer komfortabler sein, das Kabel beim Staubsaugen nicht beachten zu müssen, weshalb auch Akkustaubsauger bekannt und verbreitet sind, welche einen Akku bzw. einen Akkumulator als wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher aufweisen. Insbesondere die vergleichsweise kompakten und leichten Handstaubsauger werden häufig akkubetrieben hergestellt, um den Einsatz für den Benutzer schneller und einfacher zu ermöglichen.
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Ein Staubsauger weist ein Gebläse auf, welches den Luftstrom erzeugen kann. Auf der Ansaugseite des Gebläses kann hierdurch ein Unterdruck erzeugt werden, welcher für ein Nachströmen von Luft sorgen kann; dieser Abschnitt des Staubsaugers kann auch als Unterdruckbereich des Staubsaugers bezeichnet werden.
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Auf der gegenüberliegenden Seite des Gebläses, zu der der Luftstrom hin gerichtet ist, befinden sich üblicherweise wenigstens ein Filter bzw. ein Filtersystem, durch den der Luftstrom hindurchgeführt wird. Dieser Abschnitt des Staubsaugers kann auch als Überdruckbereich des Staubsaugers bezeichnet werden. Der Filter kann den Schmutz wie z.B. Staub, insbesondere Hausstaub, sowie sonstige kleinere Partikel aus dem Luftstrom zurückhalten und hierdurch den Luftstrom filtern, welcher dann den Staubsauger sauberer als beim Einsaugen verlassen kann. Hierdurch kann der Untergrund vom Schmutz gereinigt werden. Der Untergrund kann eine beliebige Oberfläche wie z.B. ein Fußboden bzw. dessen Bodenbelag sein.
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Die Führung des Luftstroms samt Schmutz kann, je nach Ausführungsform des Staubsaugers, direkt über eine Saugdüse als Ansaugöffnung erfolgen, welche Bestandteil des Staubsaugers selbst ist. Die Saugdüse, welche auch als Bodendüse bezeichnet werden kann, kann jedoch auch über einen Saugschlauch und ggfs. über ein zusätzliches Teleskoprohr mit dem Staubsauger verbunden sein; in diesem Fall können der Staubsauger und die übrigen Komponenten wie Saugdüse, Saugschlauch und ggfs. Teleskoprohr zusammen auch als Staubsaugersystem bezeichnet werden. In jedem Fall kann die Saugdüse von einem Benutzer über einen Untergrund geführt werden, um von dort Schmutz mit der eingesogenen Luft aufzunehmen.
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Zur Verbesserung der Reinigungswirkung kann im Bereich der Saugdüse eine Bürste angeordnet sein, welche rotierend angetrieben werden kann, um den zu reinigenden Untergrund zu bürsten und hierdurch Schmutz zum Beispiel aus den Fasern eines Teppichs zu lösen, damit der gelöste Schmutz wirkungsvoller vom Luftstrom abgeführt werden kann. Dies kann die Reinigungswirkung des Staubsaugers verbessern. Diese Bürste kann auch als Bodenbürste oder als Borstwalze bezeichnet werden.
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Das Gebläse derartiger Staubsauger wird üblicherweise von einem elektrischen Motor betrieben. Die Bodenbürste kann ebenfalls mit einem elektrischen Motor betrieben werden.
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Seitens der Bodenbürste bzw. dessen elektrischem Motor kann sich die Drehzahl verringern und damit dessen Reinigungswirkung bzw. Reinigungsleistung reduzieren, falls die Bodenbürste zum Beispiel durch den Kontakt zu einem sehr dichten Teppich eine vergleichsweise große Belastung erfährt. Die üblicherweise konstant geregelte Spannung des elektrischen Motors der Bodenbürste kann einer derartigen Belastung nicht entgegenwirken und die Drehzahl konstant bzw. ausreichend hoch halten, um die gewünschte bzw. eine zumindest akzeptable Reinigungswirkung in dieser Situation zu erreichen.
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Daher ist aus der
DE 10 2020 124 062 A1 ein Staubsauger, vorzugsweise ein Handstaubsauger, mit einem Gebläse mit einem Laufrad zur Erzeugung eines Luftstroms, mit einem ersten elektrischen Motor zum Antreiben des Laufrads des Gebläses, mit einer Saugdüse mit einer rotierbaren Bürste und mit einem zweiten elektrischen Motor zum Antreiben der rotierbaren Bürste bekannt, bei dem der zweite elektrische Motor drehzahlgeregelt mit einer vorbestimmten Soll-Drehzahl betrieben werden kann. Die Ist-Drehzahl des zweiten elektrischen Motors wird sensorisch erfasst und diese Information der Steuerungseinheit zur Verfügung gestellt. Entsprechend kann die vorbestimmte Soll-Drehzahl von dem zweiten elektrischen Motor auch dann zumindest im Wesentlichen erreicht und gehalten werden, wenn vergleichsweise große und bzw. oder schwankende Belastungen der rotierbaren Bürste auftreten, so dass auch dann das gewünschte Reinigungsergebnis erreicht bzw. verbessert werden kann.
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Nachteilig hieran ist jedoch, dass ein zusätzlicher Sensor erforderlich ist, um die Ist-Drehzahl des elektrischen Motors zu erfassen. Dies kann zum Beispiel mittels einer Lichtschranke oder mittels eines Hall-Sensors erfolgen. Dies führt zu zusätzlichen Material- und Montagekosten, erfordert zusätzlichen Bauraum für den zusätzlichen Sensor und bzw. oder kann den Energieverbrauch des Staubsaugers erhöhen. Die erhöhten Material- und Montagekosten sowie der zusätzlich erforderliche Bauraum ergeben sich insbesondere daraus, dass Sensoren üblicherweise zwei Teile aufweisen, von denen ein Teil auf dem Rotor des elektrischen Motors montiert werden muss, um sich mit dem Rotor mitzudrehen. Der andere Teil des Sensors wird an dem Stator des elektrischen Motors befestigt. Zudem können zum Beispiel optische Systeme im Sauger nach einer gewissen Zeit verschmutzen, was sie für derartige Anwendungen grundsätzlich weniger geeignet macht.
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Dies gilt vergleichbar für den elektrischen Motor von Staubsaugern, welcher das Gebläse antreibt. Dies gilt ebenso für elektrische Motoren bei Haushaltsgeräten und auch sonstige Anwendungen. Somit ist es allgemein von Interesse, die Ist-Drehzahl eines elektrischen Motors eines Haushaltsgeräts zu erfassen, ohne hierfür einen zusätzlichen Sensor verwenden zu müssen.
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Der Erfindung stellt sich somit das Problem, ein Haushaltsgerät zur Verfügung zu stellen, so dass eine Regelung eines ersten elektrischen Motors einfacher als bisher bekannt erfolgen kann. Insbesondere soll die Erfassung der Ist-Drehzahl des ersten elektrischen Motors vereinfacht werden. Dies soll vorzugsweise möglichst einfach, kostengünstig, bauraumsparend und bzw. oder energiesparend erfolgen. Dies soll vorzugsweise für einen Staubsauger und dessen Gebläsemotor als ersten elektrischen Motor erfolgen können, optional auch für einen zweiten elektrischen Motor einer Bodenbürste. Zumindest soll eine Alternative zu bekannten derartigen Haushaltsgeräten geschaffen werden.
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Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch ein Haushaltsgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Unteransprüchen.
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Somit betrifft die Erfindung ein Haushaltsgerät, vorzugsweise einen Staubsauger, mit wenigstens einem ersten bürstenbehafteten elektrischen Motor, vorzugsweise zum Antreiben eines Laufrads eines Gebläses zur Erzeugung eines Luftstroms.
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Das Haushaltsgerät ist gekennzeichnet durch eine Steuerungseinheit, welche ausgebildet und eingerichtet ist,
- • einen Wechsel eines Kontakts der Bürsten des ersten elektrischen Motors gegenüber den Lamellen des Kommutators des ersten elektrischen Motors zu erfassen,
- • die Anzahl der erfassten Wechsel des Kontakts der Bürsten gegenüber den Lamellen in einem Zeitintervall zu zählen, und
- • aus der gezählten Anzahl der erfassten Wechsel in dem Zeitintervall die Drehzahl des ersten elektrischen Motors zu bestimmen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Wechsel des Kontakts der Bürsten, wie etwa Kohlebürsten, gegenüber den Lamellen in einer gewissen Welligkeit des Motorstroms des ersten elektrischen Motors widerspiegeln und somit aus einem erfassten Signal des Motorstroms des ersten elektrischen Motors herausgelesen werden können. Dies kann vorzugsweise durch geeignete Filterung und Verarbeitungen des erfassten Motorstroms des ersten elektrischen Motors erfolgen, um diesen Wechsel deutlicher erkennen zu können, wie weiter unten näher beschrieben werden wird.
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In jedem Fall kann hierdurch auf einen entsprechenden zusätzlichen Sensor verzichtet werden. Auch kann die sensorlose Erfassung der Drehzahl des ersten elektrischen Motors auf diese Art und Weise vergleichsweise einfach erfolgen, insbesondere mit vergleichsweise einfachen Berechnungen und bzw. oder Elektronik, was die entsprechenden Kosten geringhalten kann. Auch kann sich dies positiv auf den erforderlichen Bauraum auswirken und bzw. oder den Energieverbrauch geringhalten.
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Hierzu ist als erster elektrischer Motor ein bürstenbehafteter elektrischer Motor zu verwenden, um Wechsel des Kontakts der Bürsten, etwa Kohlebürsten, gegenüber den Lamellen erfindungsgemäß erfassen zu können.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist die Steuerungseinheit einen Strommesser auf, vorzugsweise in Form eines Shunts mit Operationsverstärker, welcher ausgebildet und eingerichtet ist, einem Motorstrom des ersten elektrischen Motors zu erfassen. Dies kann eine vergleichsweise einfache und bzw. oder verlässliche Möglichkeit darstellen, den Motorstrom des ersten elektrischen Motors zu erfassen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Steuerungseinheit einen Hochpassfilter auf, welcher ausgebildet und eingerichtet ist, den erfassten Motorstrom des ersten elektrischen Motors zu filtern. Hierdurch kann das Signal des erfassten Motorstroms des ersten elektrischen Motors auf dessen hochfrequente Anteile reduziert werden, so dass tieffrequente Anteile des Signals wie beispielsweise die Grundwelle des Motorstroms des ersten elektrischen Motors nicht mehr im Signal enthalten sind. Die Welligkeit des erfassten Motorstroms des ersten elektrischen Motors, welche aus den Wechseln des Kontakts der Bürsten gegenüber den Lamellen resultiert, kann hierdurch deutlicher erkannt und ausgewertet werden, was die Qualität der Auswertung bzw. das Zählen der Wechsel des Kontakts der Bürsten gegenüber den Lamellen verbessern bzw. erleichtern kann.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Steuerungseinheit einen Tiefpassfilter auf, welcher ausgebildet und eingerichtet ist, den hochpassgefilterten Motorstrom des ersten elektrischen Motors zu filtern. Hierdurch kann eine Glättung des hochpassgefilterten Signals des erfassten Motorstroms des ersten elektrischen Motors erfolgen, so dass eine Art gleitender Mittelwert des Motorstroms des ersten elektrischen Motors mit einer gewissen Phasenverschiebung erzeugt werden kann. Dies kann die Qualität der Auswertung bzw. das Zählen der Wechsel des Kontakts der Bürsten gegenüber den Lamellen verbessern bzw. erleichtern.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist die Steuerungseinheit einen Komparator auf, welcher ausgebildet und eingerichtet ist, den hochpassgefilterten Motorstrom des ersten elektrischen Motors und den tiefpassgefilterten Motorstrom des ersten elektrischen Motors zu vergleichen und als Ergebnis des Vergleichens ein Rechtecksignal auszugeben. Dies kann eine Möglichkeit darstellen, das Zählen der Anzahl der erfassten Wechsel des Kontakts der Bürsten gegenüber den Lamellen elektronisch umzusetzen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die Steuerungseinheit ausgebildet und eingerichtet,
- • die Anzahl der erfassten Wechsel des Kontakts der Bürsten gegenüber den Lamellen in dem Zeitintervall anhand der Anzahl der Rechtecke des Rechtecksignals zu zählen und
- • aus der gezählten Anzahl der erfassten Wechsel in dem Zeitintervall die Drehzahl des ersten elektrischen Motors zu bestimmen.
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Dies kann eine Möglichkeit einer konkreten Umsetzung darstellen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das Haushaltsgerät ausgebildet, den ersten elektrischen Motor drehzahlgeregelt mit einer vorbestimmten Soll-Drehzahl zu betreiben. Diesem Aspekt der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Drehzahl des ersten elektrischen Motors des Haushaltsgeräts aufgrund äußerer Umstände reduzieren kann. Beispielsweise kann bei einem Staubsauger die Drehzahl des ersten elektrischen Motors des Gebläses und damit dessen Reinigungswirkung bzw. Reinigungsleistung reduziert werden, falls das Gebläse zum Beispiel durch den Kontakt der Saugdüse zu einem sehr dichten Teppich eine vergleichsweise große Belastung erfährt. Die konstant geregelte Spannung des ersten elektrischen Motors kann einer derartigen Belastung nicht entgegenwirken und die Drehzahl konstant bzw. ausreichend hochhalten, um die gewünschte bzw. eine zumindest akzeptable Reinigungswirkung in dieser Situation zu erreichen.
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Entsprechend wird daher die Drehzahl des ersten elektrischen Motors des Haushaltsgeräts auf eine vorbestimmte Soll-Drehzahl geregelt, wodurch der erste elektrische Motor mit bzw. nahe der vorbestimmten Soll-Drehzahl betrieben werden kann. Entsprechend kann die vorbestimmte Soll-Drehzahl von dem ersten elektrischen Motor auch dann zumindest im Wesentlichen erreicht und gehalten werden, wenn äußere Einflüsse wie beispielsweise vergleichsweise große und bzw. oder schwankende Belastungen des ersten elektrischen Motors auftreten. Entsprechend kann das gewünschte Ergebnis erreicht bzw. verbessert werden.
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Bei einem Staubsauger kann dies für dessen ersten elektrischen Motor angewendet werden. Wird eine Saugdüse mit rotierbarer Bodenbürste verwendet und mit einem zweiten bürstenbehafteten elektrischen Motor angetrieben, kann dieser Aspekt der Erfindung ebenso bei dem zweiten elektrischen Motor der Bodenbürste angewendet werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist die vorbestimmte Soll-Drehzahl des ersten elektrischen Motors konstant. Dies kann eine konstante Leistung auch bei sich ändernden Randbedingungen bzw. äußeren Einwirkungen ermöglichen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die vorbestimmte Soll-Drehzahl des ersten elektrischen Motors von einem Benutzer vorgegeben und bzw. oder verändert werden. Dies kann beispielsweise mittels eines entsprechenden Bedienelements des Haushaltsgeräts erfolgen, welches vorzugsweise vom Benutzer mit der Hand eingestellt bzw. verändert werden kann. Dies kann beispielsweise mittels eines Drehknopfs oder dergleichen erfolgen. Die Einstellungen können in Stufen oder stufenlos vorgenommen werden. Hierdurch kann der Benutzer Einfluss auf die Drehzahl des ersten elektrischen Motors und damit auf dessen Leistung sowie auf die hierdurch verbrauchte elektrische Energie und den hierdurch erzeugten Lärmpegel nehmen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die vorbestimmte Soll-Drehzahl des ersten elektrischen Motors von dem Haushaltsgerät selbsttätig in Abhängigkeit einer erkannten Randbedingung vorgegeben und bzw. oder verändert werden. Dies kann eine selbstständige Einstellung der Soll-Drehzahl des ersten elektrischen Motors in Abhängigkeit der äußeren Umstände wie beispielsweise bei einem Staubsauger in Abhängigkeit des jeweiligen Untergrunds ermöglichen. Die Randbedingung kann beispielsweise durch die Veränderung der Werte bzw. durch die aktuell anliegenden Werte unterschiedlicher physikalischer Größen selbstständig von dem Haushaltsgerät bzw. dessen Steuerungseinheit erkannt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist das Haushaltsgerät, vorzugsweise die Steuerungseinheit, ausgebildet, den ersten elektrischen Motor pulsweitenmoduliert mit variabler Frequenz zu betreiben. Dies kann eine Möglichkeit darstellen, den ersten elektrischen Motor zu betreiben.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist das Haushaltsgerät einen wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher auf, welcher ausgebildet ist, wenigstens den ersten elektrischen Motor, vorzugsweise und eine Steuerungseinheit, elektrisch zu versorgen. Der wiederaufladbare elektrische Energiespeicher kann insbesondere ein Akkumulator bzw. ein Akku sein. Dies kann die Verwendung des Haushaltsgeräts für den Benutzer ohne störendes Kabel für die elektrische Stromversorgung ermöglichen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt
- 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Haushaltsgeräts in Form eines erfindungsgemäßen Handstaubsaugers;
- 2 eine Auswerteschaltung einer Steuerungseinheit des erfindungsgemäßen Haushaltsgeräts;
- 3 einen Kommutator des Ankers des ersten elektrischen Motors des erfindungsgemäßen Haushaltsgeräts in einer ersten Stellung;
- 4 die Darstellung der 3 in einer zweiten Stellung des Kommutators;
- 5 den Motorstrom des ersten elektrischen Motors des erfindungsgemäßen Haushaltsgeräts über der Zeit mit einem Phasenanschnitt; und
- 6 den Motorstrom in verschiedenen Verarbeitungsschritten der Auswerteschaltung der 2.
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Die 1 wird in kartesischen Koordinaten betrachtet. Es erstreckt sich eine Längsrichtung X, welche auch als Tiefe X oder als Länge X bezeichnet werden kann. Senkrecht zur Längsrichtung X erstreckt sich eine Querrichtung (nicht dargestellt), welche auch als Breite bezeichnet werden kann. Senkrecht sowohl zur Längsrichtung X als auch zur Querrichtung erstreckt sich eine vertikale Richtung Z, welche auch als Höhe Z bezeichnet werden kann und der Richtung der Schwerkraft entspricht. Die Längsrichtung X und die Querrichtung bilden gemeinsam die Horizontale, welche auch als horizontale Ebene bezeichnet werden kann.
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1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Haushaltsgeräts 1 am Beispiel eines Staubsaugers 1 in Form eines Handstaubsaugers 1. Der Handstaubsauger 1 weist ein Gehäuse 10 auf, welches mittels eines Griffs 11 von einem Benutzer gehalten und geführt werden kann. In dem Gehäuse 10 ist ein Gebläse 12 samt eines ersten elektrischen Motors 12a zum Antreiben des Gebläses 12 angeordnet. Der erste elektrische Motor 12a ist bürstenbehaftet ausgebildet. Ferner sind mindestens ein Filter und eine Ausblasöffnung vorhanden (nicht dargestellt).
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Dem Griff 11 gegenüberliegend ist ein Saugrohr 13 an dem Gehäuse 10 angeordnet. An dem von dem Gehäuse 10 abgewandten Ende des Saugrohrs 13 ist eine Saugdüse 14 vorgesehen, welche auch als Bodendüse 14 oder als Bürstenkopf 14 bezeichnet werden kann. Die Saugdüse 14 weist einen Innenraum auf, welcher in der vertikalen Richtung Z nach unten hin mittels einer Öffnung 16 offen ausgebildet ist, welche auch als Ansaugöffnung 16 bezeichnet werden kann. Innerhalb des Innenraums der Saugdüse 14 ist eine rotierbare Bürste 15 angeordnet, welche mittels eines zweiten elektrischen Motors 15a rotatorisch angetrieben werden kann. Der zweite elektrische Motor 15a ist ebenfalls bürstenbehaftet ausgebildet.
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Der Handstaubsauger 1 weist ferner eine Steuerungseinheit 17 auf, welche sowohl den ersten elektrischen Motor 12a als auch den zweiten elektrischen Motor 15a betreiben kann. Dies kann insbesondere über pulsweitenmodellierte Signale erfolgen. Dabei kann die Ist-Drehzahl sowohl des ersten elektrischen Motors 12a als auch des zweiten elektrischen Motors 15a sensorlos erfasst und diese Information der Steuerungseinheit 17 zur Verfügung gestellt werden. Ferner kann der Steuerungseinheit 17 eine Soll-Drehzahl zum Beispiel fest oder aber auch veränderlich, zum Beispiel seitens des Benutzers mittels eines verstellbaren Bedienelements (nicht dargestellt), vorgegeben sein.
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Die Steuerungseinheit 17 kann die Ist-Drehzahl sowohl des ersten elektrischen Motors 12a als auch des zweiten elektrischen Motors 15a und die Soll-Drehzahl sowohl des ersten elektrischen Motors 12a als auch des zweiten elektrischen Motors 15a miteinander vergleichen und in Abhängigkeit der Differenz die pulsweitenmodellierten Signale entsprechend vorgeben, dass die gewünschte Soll-Drehzahl des ersten elektrischen Motors 12a bzw. des zweiten elektrischen Motors 15a erreicht werden kann. Der erste elektrische Motor 12a, der zweite elektrische Motor 15a und die Steuerungseinheit 17 können von einem wiederaufladbaren elektrischen Energiespeicher 18 elektrisch versorgt werden.
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Der Handstaubsauger 1 kann von einem Benutzer auf einen Untergrund 2 wie zum Beispiel auf einen Boden 2 bzw. auf einen Bodenbelag 2 wie zum Beispiel auf einen Teppich mit der Saugdüse 14 aufgesetzt und in der Längsrichtung X vor und zurück bewegt werden, um den Boden 2 als zu reinigende Fläche 2 abzusaugen und hierdurch zu reinigen. Hierzu wird der Handstaubsauger 1 eingeschaltet, so dass das Gebläse 12 mittels des ersten elektrischen Motors 12a und die rotierbare Bürste 15 mittels des zweiten elektrischen Motors 15a betrieben werden. Hierdurch wird zum einen ein Luftstrom von dem Gebläse 12 angesogen, welcher über die Ansaugöffnung 16 in die Saugdüse 14 und von dort über das Saugrohr 13 zum Gebläse 12 sowie durch wenigstens einen Filter hindurch gereinigt wieder in die Umgebung gelangen kann. Zum anderen werden Schmutzpartikel wie Staub, Krümel und dergleichen durch die rotierende Bürste 15 vom Boden 2 in den Luftstrom hineingefördert, so dass durch die rotierende Bürste 15 die reinigende Wirkung auf den Boden 2 verstärkt werden kann. Durch den drehzahlgeregelten Betrieb sowohl des ersten elektrischen Motors 12a als auch des zweiten elektrischen Motors 15a kann dabei auch bei unterschiedlichen Untergründen 2 sichergestellt werden, dass die Reinigung des Untergrunds 2 mit der gewünschten Drehzahl stattfindet, wodurch auch die gewünschte Reinigungswirkung bzw. Reinigungsleistung erreicht werden kann.
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Die sensorlose Erfassung bzw. Bestimmung der Ist-Drehzahl des ersten elektrischen Motors 12a des Gebläses 12 kann über den Motorstrom I bzw. über den Kommutatorstrom I des ersten elektrischen Motors 12a erfolgen. Dies gilt vergleichbar für die sensorlose Erfassung bzw. Bestimmung der Ist-Drehzahl des zweiten elektrischen Motors 15a der rotierbaren Bürste 15.
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Hierzu werden die Kohlebürsten 12b des Kohlebürstenpaares des bürstenbehafteten ersten elektrischen Motors 12a, welche seitens des Stators (nicht dargestellt) des ersten elektrischen Motors 12a und somit feststehend, d.h. nicht drehend, angeordnet sind, sowie deren sich ändernder Kontakt mit den Lamellen 12d des Kommutators 12c des ersten elektrischen Motors 12a, welcher seitens des Rotors (nicht dargestellt) bzw. Ankers und somit rotierbar, d.h. mit dem Anker mitdrehend, angeordnet sind, betrachtet.
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Der Kommutator 12c sitzt auf einer Welle (nicht dargestellt) des Ankers des ersten elektrischen Motors 12a auf und rotiert somit mit dieser Welle mit, wenn der erste elektrische Motor 12a betrieben wird und dessen Rotor bzw. Anker rotiert. Die einzelnen Lamellen 12d sind mit den Wicklungsschleifen (nicht dargestellt) des Ankers des ersten elektrischen Motors 12a verbunden. Der Motorstrom I fließt somit vom Stator kommend über eine der beiden Kohlebürsten 12b zum Anker, durch den Anker und seine Wicklung hindurch und über die andere Kohlebürste 12b wieder zum Stator zurück.
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Hierbei hängt es von der Drehstellung des Rotors bzw. Ankers gegenüber dem Stator und damit von der Drehstellung der Lamellen 12d des Kommutators 12c des Ankers gegenüber den Kohlebürsten 12b des Stators ab, ob der Motorstrom I des ersten elektrischen Motors 12a pro Kontakt mit den Kohlebürsten 12b des Stators über jeweils eine einzige Lamelle 12d des Kommutators 12c des Ankers fließt oder ob jeweils zwei unmittelbar in der Drehrichtung des Ankers zueinander benachbarte Lamellen 12d des Kommutators 12c des Ankers stromführend mit den Kohlebürsten 12b des Stators in Kontakt sind.
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So zeigt die 3 den ersten Fall, dass der Motorstrom I des ersten elektrischen Motors 12a über eine einzige Lamelle 12d des Kommutators 12c des Ankers in den Anker hinein und durch die gegenüberliegende Lamelle 12d des Kommutators 12c des Ankers aus dem Anker hinausfließt. Im Zuge der Drehung des Rotors bzw. des Ankers kommt es dann zu dem zweiten Fall der 4, dass die in der Drehrichtung bzw. in der Umfangsrichtung des Rotors bzw. des Ankers jeweils nachfolgende Lamelle 12d des Kommutators 12c des Ankers zusätzlich mit der jeweiligen Kohlebürste 12b des Stators in Kontakt kommt und somit stromführend bzw. stromübertragend wird. In der hierdurch kurzgeschlossenen Ankerwindung wird der Motorstrom I des ersten elektrischen Motors 12a während der Zeit des Kontaktes der jeweiligen Kohlebürste 12b des Stators mit gleichzeitig zwei Lamellen 12d des Kommutators 12c des Ankers von -I/2 auf +I/2 gewendet und hierdurch sozusagen vertauscht. Dieser Vorgang beschreibt die Kommutierung des Motorstromes I des ersten elektrischen Motors 12a durch den Kommutator 12c.
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Aufgrund der Rotation des Rotors des ersten elektrischen Motors 12a setzt sich dies fort, so dass der Motorstrom I des ersten elektrischen Motors 12a in der zuvor alleinig kontaktierten Lamelle 12d des Kommutators 12c des Ankers abreißt und lediglich durch die gerade erst kontaktierte Lamelle 12d des Kommutators 12c des Ankers alleinig weiterfließt. Hierdurch ergibt sich wieder die Situation der 3. Dies setzt sich kontinuierlich fort.
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Die aus der Sicht der statischen Kohlebürsten 12b des Stators pulsierenden Windungsinduktivitäten und der synchron zur Lamellenzahl variierenden Gegen-EMK beeinflusst den Gesamtstrom durch aufmodulierte Anteile in Lamellenfrequenz. Durch die Stromübergänge in den Lamellen 12d des Kommutators 12c des Ankers bekommt der Motorstrom I des ersten elektrischen Motors 12a eine Art überlagerte Welligkeit.
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Die 5 zeigt den Motorstrom I des ersten elektrischen Motors 12a über der Zeit t mit einem Phasenanschnitt. In dem Motorstrom I des ersten elektrischen Motors 12a ist eine überlagerte Welligkeit zu sehen. Hierüber ist es erfindungsgemäß möglich, die Lamellen 12d des Kommutators 12c des Ankers zu zählen. Durch die Auswertung der Stromoberwelligkeit des Motorstroms I des ersten elektrischen Motors 12a in Relation zu der Lamellenanzahl lässt sich somit die Ist-Drehzahl des ersten elektrischen Motors 12a als Kommutatormaschine ohne zusätzliche Messeinrichtungen berechnen. Dies gilt ebenso für die Ist-Drehzahl des zweiten elektrischen Motors 15a der rotierbaren Bürste 15.
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Erfindungsgemäß kann die überlagerte Welligkeit im Motorstrom I des ersten elektrischen Motors 12a mittels einer Auswerteschaltung 3 gemäß der 2 vergleichsweise einfach erfasst und ausgewertet werden, um die passierten Lamellen 12d des Kommutators 12c des Ankers während eines bestimmten Zeitfensters während einer Rotation des Ankers des ersten elektrischen Motors 12a zu zählen und hieraus auf die Drehzahl des Ankers des ersten elektrischen Motors 12a zu schließen. Die Auswerteschaltung 3 ist Bestandteil der Steuerungseinheit 17.
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Hierzu wird der Motorstrom I des ersten elektrischen Motors 12a mittels eines Strommessers 30 erfasst und gemessen, siehe 2, was mittels eines Shunts 30 mit Operationsverstärker umgesetzt werden kann. Das Ausgangssignal des Shunts 30 wird dann über einen geeigneten Hochpassfilter 31 gefiltert, siehe 6 oben. Hinter dem Hochpassfilter 31 tritt die Grundwelle nicht mehr in Erscheinung, sondern die überlagerte Welligkeit ist markant zu sehen, siehe 6 oben.
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Im nächsten Schritt wird das Ausgangssignal des Hochpassfilters 31 über einen Tiefpassfilter 32 geglättet. So entsteht eine Art gleitender Mittelwert mit einer gewissen Phasenverschiebung, siehe 6 Mitte.
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Diese beiden Signale werden dann auf einen Komparator 33 gegeben, siehe 2. Der Komparator 33 vergleicht die Signale und gibt ein Rechtecksignal, siehe 6 unten, an eine Recheneinheit 34 der Auswerteschaltung 3 weiter. In der Recheneinheit 34 erfolgt dann die Auswertung des Ausgangssignals des Komparators 33. Hierbei wird beachtet, dass die Rechtecke im Ausgangssignal des Komparators 33 lediglich in den Zeiträumen auftreten, wenn der Motorstrom I des ersten elektrischen Motors 12a fließt. Zudem kann der erste elektrische Motor 12a seine Drehzahl von Rechteckpaket zu Rechteckpaket nur in einem gewissen Rahmen ändern, weil kein Motor unendlich schnell beschleunigen kann. Durch diese und weitere intelligente Randbedingungen kann die Recheneinheit 34 aus den Rechteckpaketen die Lamellen 12d des Kommutators 12c des Ankers zählen und hieraus die Motordrehzahl ermitteln.
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Bezugszeichenliste (Bestandteil der Beschreibung)
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- I
- Motorstrom; Kommutatorstrom
- t
- Zeit
- X
- Längsrichtung; Tiefe; Länge
- Z
- vertikale Richtung; Höhe
- 1
- Staubsauger; Handstaubsauger
- 10
- Gehäuse
- 11
- Griff des Gehäuses 10
- 12
- Gebläse
- 12a
- erster bürstenbehafteter elektrischer Motor des Gebläses 12
- 12b
- Kohlebürsten des ersten elektrischen Motors 12a
- 12c
- Kommutator des ersten elektrischen Motors 12a
- 12d
- Lamellen des ersten elektrischen Motors 12a
- 13
- Saugrohr
- 14
- Saugdüse; Bodendüse; Bürstenkopf
- 15
- rotierbare (Boden)Bürste; rotierbare Borstwalze
- 15a
- zweiter bürstenbehafteter elektrischer Motor der rotierbaren (Boden)Bürste 15
- 16
- (Ansaug)Öffnung
- 17
- Steuerungseinheit
- 18
- wiederaufladbarer elektrischer Energiespeicher; Akkumulator; Akku
- 2
- Untergrund; Boden; Bodenbelag; zu reinigende Fläche
- 3
- Auswerteschaltung
- 30
- Strommesser; Shunt mit Operationsverstärker
- 31
- Hochpassfilter
- 32
- Tiefpassfilter
- 33
- Komparator
- 34
- Recheneinheit
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102020124062 A1 [0009]
