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Die
Erfindung betrifft eine Bremseinrichtung für einen Elektromotor, insbesondere
für einen
Elektromotor einer Werkzeugmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Es
ist bekannt, Handwerkzeugmaschinen, wie beispielsweise Bohrmaschinen
und Handkreissägen,
durch Gleichstromreihenschlussmotoren anzutreiben, die auch als
Universalmotoren bezeichnet werden.
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Beim
Abschalten derartiger Handwerkzeugmaschinen kommt der Gleichstromreihenschlussmotor
aufgrund der mechanischen Trägheit
des Antriebsstrangs nicht sofort zum Stillstand, was für den Benutzer
die Gefahr einer Verletzung während
des Auslaufens in sich birgt.
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Zur
Verringerung dieser Verletzungsgefahr ist aus
EP 0 578 366 A2 eine Bremseinrichtung
für einen
Gleichstromreihenschlussmotor bekannt, bei der die Ankerwicklung
des Gleichstromreihenschlussmotors durch einen Kurzschlussschalter kurzgeschlossen
werden kann, um eine Bremswirkung zu erzielen, so dass der Gleichstromreihenschlussmotor
bei einem Abschalten schneller zum Stillstand kommt. Diese Bremswirkung
entsteht dadurch, dass der Kurzschlussstrom in der Ankerwicklung
ein Magnetfeld aufbaut, das dem äußeren Magnetfeld
der Feldwicklung des Gleichstromreihenschlussmotors entgegengesetzt
ist.
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Die
Ansteuerung des Kurzschlussschalters erfolgt hierbei durch den Benutzer
der Handwerkzeugmaschine, wobei der Hauptschalter der Handwerkzeugmaschine
mit dem Kurzschlussschalter gekoppelt ist. Bei einem Abschalten
der Handwerkzeugmaschine durch den Benutzer erfolgt also gleichzeitig
ein Schließen
des Kurzschlussschalters.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
Erfindung sieht ebenfalls eine Bremseinrichtung für einen
Elektromotor vor, bei dem eine Ankerwicklung des Elektromotors durch
einen Kurzschlussschalter kurzgeschlossen werden kann.
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Der
Kurzschlussschalter weist hierbei jedoch zur Steuerung seines Schaltzustands
einen Steuereingang auf, wobei der Steuereingang des Kurzschlussschalters
mit einer Steuereinheit verbunden ist, um während des Bremsvorgangs zur
Vermeidung von Bürstenfeuer
eine Phasenanschnittsteuerung des Kurzschlussschalters bzw. des
durch die Ankerwicklung fließenden
elektrischen Stroms durchzuführen.
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Die
Erfindung ermöglicht
also eine Kurzschlussbremsung eines Gleichstromreihenschlussmotors
mit einem verringerten Bürstenfeuer
im Vergleich zu der eingangs beschriebenen bekannten Bremseinrichtung
für einen
Gleichstromreihenschlussmotor.
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Die
Phasenanschnittsteuerung des während des
Bremsvorgangs durch die Ankerwicklung des Elektromotors fließenden elektrischen
Stroms erfolgt vorzugsweise mit einem solchen Phasenwinkel, dass der
Effektivwert des elektrischen Stroms nahezu einem normalen Kurzschluss
entspricht, damit nach Möglichkeit
auch die gleiche Bremswirkung wie bei einem normalen Kurzschluss
erreicht wird.
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Die
im Rahmen der Erfindung eingesetzte Phasenschnittansteuerung ist
an sich bekannt und beispielsweise in Philippow, E.: Taschenbuch
Elektrotechnik, Band 5, Carl Hanser Verlag, 1. Auflage, Seite 933
ff. beschrieben, so dass im Folgenden auf eine detaillierte Beschreibung
der technischen Einzelheiten der Phasenanschnittsteuerung verzichtet werden
kann und der Inhalt dieses Lehrbuchs der vorliegenden Beschreibung
hinsichtlich der Phasenanschnittsteuerung in vollem Umfang zuzurechnen ist.
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Vorzugsweise
weist die erfindungsgemäße Bremseinrichtung
zur Trennung des Elektromotors von einer Stromversorgung einen Verzögerungsschalter
auf, der durch einen Benutzer bedienbar ist und nach einer Schalthandlung
des Benutzers erst zeitverzögert
ausschaltet. Diese zeitverzögerte
Abschaltung des Elektromotors ist bei der erfindungsgemäßen Bremseinrichtung
vorteilhaft, da der Kurzschluss der Ankerwicklung in Verbindung
mit dem durch die Feldwicklung des Elektromotors erzeug ten äußeren Magnetfeld
die gewünschte
Bremswirkung erzeugt. Eine sofortige Abschaltung der Feldwicklung würde also
die Bremswirkung verringern und die Auslaufzeit verlängern. Die
Betätigung
des Verzögerungsschalters
durch den Benutzer führt
also vorzugsweise zunächst
nur zu einem Kurzschluss der Ankerwicklung in Verbindung mit der
erfindungsgemäßen Phasenanschnittsteuerung
des durch die Ankerwicklung fließenden Stroms, wohingegen die
vollständige
Abschaltung des Elektromotors mit der Feldwicklung und der Ankerwicklung
erst zeitverzögert
erfolgt.
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Hierbei
weist der Verzögerungsschalter
vorzugsweise eine vorgegebene Zeitverzögerung zwischen einer Schalthandlung
des Benutzers und der dadurch verursachten Trennung von der Stromversorgung
auf, wobei die Zeitverzögerung
vorzugsweise mindestens so lang ist wie der Bremsvorgang. Eine derartige
Bemessung der Zeitverzögerung
des Verzögerungsschalters
ist vorteilhaft, damit die Feldwicklung während der gesamten Auslaufzeit
angeschaltet bleibt und zu der Bremswirkung beitragen kann.
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Der
Verzögerungsschalter
ist hierbei vorzugsweise mit der Steuereinheit verbunden, um die Steuereinheit über eine
Schalthandlung des Benutzers zu informieren, damit die Steuereinheit
den Kurzschlussschalter entsprechend ansteuern kann.
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Darüber hinaus
ist vorzugsweise ein Handhabungssensor vorgesehen, der bei einer
Werkzeugmaschine erkennen kann, ob die Werkzeugmaschine von dem
Benutzer handgeführt
ist oder abgelegt wurde. Eine Erkennung dieser unterschiedlichen
Betriebs zustände
der Werkzeugmaschine ist sinnvoll, da der Bremsvorgang relativ schnell
erfolgen sollte, wenn die Werkzeugmaschine abgelegt wurde, da dann
eine erhöhte
Verletzungsgefahr besteht. Falls der Benutzer die Werkzeugmaschine
dagegen in der Hand führt,
kann die Auslaufzeit länger
sein, da die Verletzungsgefahr dann geringer ist. Der Handhabungssensor
kann beispielsweise ein einfacher Schalter sein, der in den Griff
der Handwerkzeugmaschine integriert ist und von dem Benutzer der
Handwerkzeugmaschine beim Halten des Griffes der Handwerkzeugmaschine
automatisch betätigt
wird.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Bremseinrichtung
ist ferner ein Drehzahlsensor vorgesehen, der die Drehzahl des Elektromotors
erfasst, wobei der Drehzahlsensor mit der Steuereinheit der Bremseinrichtung
verbunden ist, um den Bremsvorgang in Abhängigkeit von der Drehzahl des
Elektromotors zu beeinflussen. Die Drehzahlmessung ermöglicht beispielsweise
die Erkennung eines Störfalls,
der beispielsweise durch ein Festklemmen des Werkzeugs in dem bearbeiteten Werkstück entstehen
kann. Bei einem solchen Störfall
ist eine möglichst
schnelle Notabschaltung der Werkzeugmaschine sinnvoll. Die Regelparameter
für den
Anker- und den Feldstrom sowie für
die Phasenanschnittsteuerung können
dann so eingestellt werden, dass die Auslaufzeit minimal ist. Bei
einem Abschalten während
des Normalbetriebs bei Nenn-Drehzahl
werden die Regelparameter für
Anker- und Feldstrom sowie für
die Phasenanschnittsteuerung dagegen vorzugsweise so gewählt, dass ein
minimales Bürstenfeuer
auftritt.
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Ferner
weist die erfindungsgemäße Bremseinrichtung
vorzugsweise einen Sicherheitsschalter auf, um den Elektromotor
ein gangsseitig kurzzuschließen,
wodurch eine Notabschaltung möglich
ist. Bei einem eingangsseitigen Kurzschluss des Elektromotors durch
den Sicherheitsschalter wird üblicherweise
die elektrische Haussicherung oder eine eingebaute Schmelzsicherung
ausgelöst,
was auch bei einem Fehlverhalten eingebauter Halbleiterschalter zu
einer sicheren Abschaltung führt.
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Bei
dem Kurzschlussschalter für
die Ankerwicklung des Elektromotors handelt es sich vorzugsweise
um einen Halbleiterschalter, wie einen Triac, jedoch ist die Erfindung
nicht auf diesen Schaltertyp beschränkt, sondern grundsätzlich auch
mit anderen Schaltertypen realisierbar.
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Zeichnungen
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung.
In den Zeichnungen sind mehrere Ausführungsbeispiele 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 Handkreissäge mit einer
erfindungsgemäßen Bremseinrichtung
in einer Perspektivansicht,
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2 ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Bremseinrichtung
sowie
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3 ein Schaltbild eines alternativen
Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Bremseinrichtung.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Die
Perspektivansicht in 1 zeigt
eine weitgehend herkömmlich
aufgebaute Handkreissäge 10,
so dass im Folgenden auf eine detaillierte Beschreibung des herkömmlichen
Aufbaus der Handkreissäge 10 verzichtet
werden kann und diesbezüglich
auf die einschlägige
Patentliteratur verwiesen wird.
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Als
Besonderheit weist die Handkreissäge 10 eine Bremseinrichtung 12 auf,
die in 2 in Form eines
Schaltbildes dargestellt ist und nachfolgend detailliert beschrieben
wird.
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Der
mechanische Antrieb der Handkreissäge 10 erfolgt durch
einen Gleichstromreihenschlussmotor 14, der eine Feldwicklung 16 und
eine Ankerwicklung 18 aufweist, wobei die Feldwicklung 16 und
die Ankerwicklung 18 in Reihe geschaltet sind.
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Der
Gleichstromreihenschlussmotor 14 ist über einen Verzögerungsschalter 20 mit
einem ersten Anschlusskontakt 22 und über einen Triac 24 mit einem
zweiten Anschlusskontakt 26 verbunden, wobei die beiden
Anschlusskontakte 22, 26 in herkömmlicher
Weise mit einer Stromversorgung verbunden sind.
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Darüber hinaus
weist die Bremseinrichtung 12 eine Steuereinheit 28 auf,
die unter anderem den Triac 24 ansteuert, um die Drehzahl
des Gleichstromreihenschlussmotors 14 einzustellen, wie
noch detailliert beschrieben wird.
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Der
Verzögerungsschalter 20 ist
bipolar aufgebaut und weist zwei getrennte Schaltelemente 20.1, 20.2 auf,
wobei das Schaltelement 20.2 von dem Bediener der Handkreissäge 10 betätigt werden kann,
wohingegen das Schaltelement 20.1 dem Schaltzustand des
Schaltelements 20.2 mit einer vorgegebenen Verzögerungszeit
folgt.
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Beim
Trennen des Schaltelements 20.2 durch den Bediener der
Handkreissäge 10 bleibt
das Schaltelement 20.1 zunächst noch während der Verzögerungszeit
geschlossen und trennt erst dann. Die technische Bedeutung dieser
verzögerten
Ansteuerung des Schaltelements 20.1 im Rahmen der erfindungsgemäßen Bremseinrichtung 12 wird
später noch
detailliert erläutert.
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Weiterhin
weist die erfindungsgemäße Bremseinrichtung 12 einen
Triac 30 auf, der einen Kurzschluss der Ankerwicklung 18 ermöglicht,
um den Gleichstromreihenschlussmotor 14 abzubremsen, wobei
der Triac 30 durch die Steuereinheit 28 angesteuert
wird, wie ebenfalls noch detailliert beschrieben wird.
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Ferner
weist die Bremseinrichtung 12 einen Handhabungssensor 32 auf,
der mit der Steuereinheit 28 verbunden ist und ermittelt,
ob die Handkreissäge 10 von
dem Bediener in der Hand gehalten wird oder abgelegt wurde. Diese
Unterscheidung ist wichtig, da ein Gefahrenfall vorliegt, wenn der
Gleichstromreihenschlussmotor 14 läuft, obwohl der Bediener die
Handkreissäge 10 nicht
mehr in der Hand hält.
In einem solchen Gefahrenfall ist eine Notabschaltung der Handkreissäge 10 erforderlich,
wie noch detailliert beschrieben wird.
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Schließlich weist
die Bremseinrichtung 12 einen Drehzahlsensor 34 auf,
der ebenfalls mit der Steuereinheit 28 verbunden ist, wobei
der Drehzahlsensor 34 ebenfalls die Aufgabe hat, einen
Gefahrenfall zu erkennen, um den Bremsvorgang entsprechend beeinflussen
zu können,
wie noch detailliert beschrieben wird.
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Im
Folgenden wird nun die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Bremseinrichtung 12 beschrieben.
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Im
Normalbetrieb hält
der Bediener die Handkreissäge 10 mit
der Hand fest, was von dem Handhabungssensor 32 erkannt
und der Steuereinheit 28 signalisiert wird.
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Weiterhin
kann sich der Gleichstromreihenschlussmotor 14 im Normalbetrieb
frei drehen, was durch den Drehzahlsensor 34 erkannt und
der Steuereinheit 28 signalisiert wird.
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Der
Bediener kann dann das Schaltelement 20.2 manuell schließen, wodurch
sich auch das Schaltelement 20.1 schließt, so dass der Gleichstromreihenschlussmotor 14 bestromt
wird.
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Hierbei
kann die Steuereinheit 28 durch eine geeignete Ansteuerung
des Triacs 24 die Drehzahl des Gleichstromreihenschlussmotors 14 auf
einen vorgegebenen Sollwert einregeln.
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Während dieses
Normalbetriebs steuert die Steuereinheit 28 den Triac 30 nicht-leitend,
so dass der Gleichstromreihenschlussmotor 14 normal arbeitet.
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Falls
der Bediener die Handkreissäge 10 durch
eine Betätigung
des Schaltelements 20.2 abschaltet, wird dies von der Steuereinheit 28 sofort
erkannt. Die Steuereinheit 28 führt daraufhin ein Zünden des
Triacs 30 durch, so dass die Ankerwicklung 18 des
Gleichstromreihenschlussmotors 14 kurzgeschlossen wird.
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Nach
dem Trennen des Schaltelements 20.2 bleibt das Schaltelement 20.1 des
Verzögerungsschalters 20 jedoch
noch während
einer vorgegebenen Verzögerungszeit
geschlossen, so dass die Feldwicklung 16 des Gleichstromreihenschlussmotors 14 zunächst weiter
bestromt wird. Sowohl Triac 24 als auch Triac 30 führen eine
Phasenanschnittsteuerung des Feldstroms bzw. Kurzschlussstroms durch.
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Das
durch die Feldwicklung 16 dabei aufgebaute äußere Magnetfeld
wirkt während
des Bremsvorgangs mit dem durch die Ankerwicklung 18 aufgebauten
Magnetfeld so zusammen, dass ein Bremsmoment entsteht, wodurch die
Auslaufzeit des Gleichstromreihenschlussmotors 14 verringert
wird.
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Bei
einem derartigen normalen Abschalten des Gleichstromreihenschlussmotors 14 erfolgt
die Ansteuerung der Triacs 30 und 24 so, dass
ein minimales Bürstenfeuer
auftritt.
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Darüber hinaus
ermöglicht
die erfindungsgemäße Bremseinrichtung 12 auch
eine Notabschaltung der Handkreissäge 10.
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Eine
derartige Notabschaltung ist beispielsweise erforderlich, wenn die
Kreissäge 10 dem
Bediener aus der Hand gefallen ist, was von dem Handhabungssensor 32 erkannt
wird. In einem solchen Gefahrenfall steuert die Steuereinheit 28 die
beiden Triacs 24, 30 so an, dass eine maximale
Bremswirkung auftritt, wobei auch ein stärkeres Bürstenfeuer und ein größerer Kohleabbrand
in Kauf genommen wird.
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Darüber hinaus
erfolgt eine Notabschaltung auch dann, wenn die Handkreissäge 10 festläuft, was beispielsweise
durch ein Festklemmen des Sägeblatts
in dem zu sägenden
Werkstück
verursacht werden kann. Dieser Gefahrenfall wird von dem Drehzahlsensor 34 anhand
eines starken und plötzlichen
Drehzahlabfalls erkannt und der Steuereinheit 28 signalisiert.
Daraufhin steuert die Steuereinheit 28 wiederum die beiden
Triacs 24, 30 so an, dass die Bremswirkung maximal
ist, wobei wiederum ein stärkeres
Bürstenfeuer
und ein entsprechend größerer Kohleabbrand
in Kauf genommen wird.
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Das
in 3 dargestellte alternative
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Bremseinrichtung 12' stimmt weitgehend
mit dem vorstehend beschriebenen und in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel 12 überein,
so dass im Folgenden zur Vermeidung von Wiederholungen weitgehend
auf die vorstehende Beschreibung zur 2 verwiesen
wird und für
entsprechende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet werden,
die zur Unterscheidung lediglich durch ein Apostroph gekennzeichnet
sind.
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Eine
Besonderheit der Bremseinrichtung 12' besteht darin, dass die Abschaltung
des Gleichstromreihenschlussmotors 14' nicht durch den in 2 dargestellten Verzögerungsschalter 20 erfolgt, sondern
durch eine entsprechende Ansteuerung des Triacs 24'.
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Zusätzlich weist
die Bremseinrichtung 12' einen
weiteren Triac 36' auf,
der einen eingangsseitigen Kurzschluss zwischen den Anschlusskontakten 22' und 26' ermöglicht,
wobei der Triac 36' von
der Steuereinheit 28' angesteuert
wird. Der Triac 36' ermöglicht eine
Notabschaltung, indem die Steuereinheit 28' den Triac 36' leitend steuert,
was zu einem Kurzschluss zwischen den Anschlusskontakten 22' und 26' führt, wodurch
eine vorgeordnete elektrische Sicherung ausgelöst wird.
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Zur
Einleitung eines Abschaltvorgangs ist hierbei ein Schaltelement 38' vorgesehen,
das mit der Steuereinheit 28' verbunden
ist, wobei die Steuereinheit 28' den Triac 24' entsprechend
dem Schaltzustand des Schaltelements 38' ansteuert.
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Vorteilhaft
an dieser Ausführungsform
ist die Tatsache, dass das Schaltelement 38' als einfacher Signalschalter ausgebildet
sein kann, der keine Leistung steuern muss. Das Schaltelement 38' kann deshalb
als Mikroschalter oder sogar als druckempfindlicher Sensor aufgebaut
sein.
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Darüber hinaus
ist bei der Bremseinrichtung 12 die Zeitverzögerungsfunktion
durch eine Software in der Steuereinheit 28 nachgebildet,
so dass auf den Verzögerungsschalter 20 verzichtet
werden kann.
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Die
Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten
Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die
ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in
den Schutzbereich fallen.
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- 10
- Handkreissäge
- 12,12'
- Bremseinrichtung
- 14,14'
- Gleichstromreihenschlussmotor
- 16,16'
- Feldwicklung
- 18,18'
- Ankerwicklung
- 20
- Verzögerungsschalter
- 20.1,
20.2
- Schaltelement
- 22,22'
- Anschlusskontakt
- 24,24'
- Triac
- 26,26'
- Anschlusskontakt
- 28,28'
- Steuereinheit
- 30,30'
- Triac
- 32,32'
- Handhabungssensor
- 34,34'
- Drehzahlsensor
- 36'
- Triac
- 38'
- Schaltelement