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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der Elektrowerkzeuge, insbesondere ein Elektrowerkzeug, das einen bürstenlosen Motor verwendet, und ein Verfahren zum Antreiben eines bürstenlosen Motors des Elektrowerkzeuges.
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Technischer Hintergrund
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Ein bürstenloser Motor besteht in der Regel aus einem Motor und einem entsprechenden Antriebskreis und zeichnet sich gegenüber einem bürstenbehafteten Motor durch geringes Betriebsgeräusch und längere Lebensdauer aus. In der Regel sind bürstenlose Motoren nach dem Vorhandensein eines Sensors zur Erfassung der Position des Rotors in sensorgesteuerte und sensorlose bürstenlose Motoren unterteilt.
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Bei sensorgesteuerter Ausführung wird die Leistung eines bürstenlosen Motors weitgehend durch die Positionierung eines Positionssensors und dessen Abstimmung auf das zugehörige Steuerverfahren beeinflusst.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein Elektrowerkzeug, umfassend einen bürstenlosen Elektromotor mit einem Rotor und mindestens zwei Statorwicklungen und ein Antriebssystem zum Antreiben des bürstenlosen Elektromotors, wobei das Antriebssystem einen Antriebskreis zum Antreiben des bürstenlosen Elektromotors, einen Positionssensor zur Erfassung der Position des Rotors und eine Steuerung, die in Abhängigkeit von einem Signal des Positionssensors den Antriebskreis steuert, wobei der Rotor des bürstenlosen Elektromotors bei einer Vorwärtsdrehung der Reihe nach folgende Positionen erreicht: eine Phasenumschaltungsposition, in der sich das Signal mindestens eines der Positionssensoren in dem bürstenlosen Elektromotor ändert, und eine Referenzposition, in der die gegenelektromotorische Kraft mindestens einer der Statorwicklungen in dem bürstenlosen Elektromotor an dem Mittelpunkt einer Wellenform gegenelektromotorischer Kraft liegt, wobei die Winkeldifferenz zwischen der Phasenumschaltungsposition und der Referenzposition hinsichtlich ihrer elektrischen Winkel bei 20° bis 40° liegt.
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Ferner ist vorgesehen, dass die Winkeldifferenz zwischen der Referenzposition und einer nächstliegenden Phasenumschaltungsposition hinsichtlich ihrer physikalischen Winkel bei 20°/P bis 40°/P liegt, wobei P für die Polpaaranzahl des bürstenlosen Elektromotors steht.
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Ferner ist vorgesehen, dass die Statorwicklung in einer Anzahl von drei bereitgestellt wird und die drei Statorwicklungen eine Y-förmige Verbindung bilden.
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Ferner ist vorgesehen, dass die Statorwicklung in einer Anzahl von drei bereitgestellt wird und die drei Statorwicklungen eine Dreieck-Verbindung bilden.
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Ferner ist vorgesehen, dass der Positionssensor einen ersten Positionssensor und einen zweiten Positionssensor umfasst, wobei der Rotor bei einer Vorwärtsdrehung unter Antrieb von dem Antriebskreis der Reihe nach eine erste Position und eine zweite Position erreicht, wobei beim Drehen des Rotors bis zu der ersten Position sich das Signal des ersten Positionssensors ändert und der Antriebskreis in einen ersten Vorwärts-Antriebszustand umgeschaltet wird, während beim Drehen des Rotors bis zu der zweiten Position sich das Signal des zweiten Positionssensors ändert und der Antriebskreis in einen ersten Vorwärts-Antriebszustand umgeschaltet wird, wobei während einer Rückwärtsdrehung des Rotors unter Antrieb von dem Antriebskreis beim Drehen des Rotors bis zu der zweiten Position sich das Signal des zweiten Positionssensors ändert und der Antriebskreis in einen ersten Rückwärts-Antriebszustand umgeschaltet wird, während beim Drehen des Rotors bis zu der ersten Position sich das Signal des ersten Positionssensors ändert und der Antriebskreis in einen zweiten Rückwärts-Antriebszustand umgeschaltet wird, und wobei die von dem Antriebskreis bei dem ersten Rückwärts-Antriebszustand an den Rotor angelegte Spannung eine entgegengesetzte Richtung bezogen auf die bei dem ersten Vorwärts-Antriebszustand an den Rotor angelegte Spannung aufweist.
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Ein Verfahren zum Antreiben eines bürstenlosen Motors in einem Elektrowerkzeug, welches Elektrowerkzeug einen Positionssensor und einen Antriebskreis umfasst, wobei es folgende Schritte umfasst: Erfassen der Rotorposition des bürstenlosen Elektromotors durch den Positionssensor, und Ändern des Zustands der an eine Statorwicklung angelegten Spannung durch den Antriebskreis in Abhängigkeit von einem Signal des Positionssensors, wobei ein Zustand einer von dem Antriebskreis an die Statorwicklung angelegten Spannung als ein Antriebszustand des Antriebskreises definiert wird, wobei bei einer Vorwärtsdrehung des Rotors des bürstenlosen Elektromotors sich der Antriebskreis in Abhängigkeit von einer Signaländerung des Positionssensors der Reihe nach in einem ersten Vorwärts-Antriebszustand und in einem zweiten Vorwärts-Antriebszustand befindet, während bei einer Rückwärtsdrehung des Rotors des bürstenlosen Elektromotors sich der Antriebskreis in Abhängigkeit von einer Signaländerung des Positionssensors der Reihe nach in einem ersten Rückwärts-Antriebszustand und in einem zweiten Rückwärts-Antriebszustand befindet, wobei dem ersten Vorwärts-Antriebszustand und dem zweiten Rückwärts-Antriebszustand ein und dieselbe Rotorposition zugeordnet ist, wobei dem zweiten Vorwärts-Antriebszustand und dem ersten Rückwärts-Antriebszustand ein und dieselbe Rotorposition zugeordnet ist, und wobei die von dem Antriebskreis bei dem ersten Rückwärts-Antriebszustand an den Rotor angelegte Spannung eine entgegengesetzte Richtung bezogen auf die bei dem ersten Vorwärts-Antriebszustand an den Rotor angelegte Spannung aufweist.
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Ferner ist vorgesehen, dass der Antriebskreis innerhalb eines elektrischen Zyklus sechs Antriebszustände aufweist.
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Ferner ist vorgesehen, dass die Statorwicklung in dem bürstenlosen Elektromotor in einer Anzahl von drei bereitgestellt wird und die drei Statorwicklungen eine Y-förmige Verbindung bilden.
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Ferner ist vorgesehen, dass die Statorwicklung in dem bürstenlosen Elektromotor in einer Anzahl von drei bereitgestellt wird und die drei Statorwicklungen eine Dreieck-Verbindung bilden.
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Ferner ist vorgesehen, dass während einer Vorwärtsdrehung des Rotors des bürstenlosen Elektromotors bei einer nochmaligen Signaländerung des Positionssensors der Antriebskreis von dem zweiten Vorwärts-Antriebszustand in einen dritten Vorwärts-Antriebszustand umgeschaltet wird, der dem zweiten Rückwärts-Antriebszustand entspricht.
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Ferner ist vorgesehen, dass während einer Rückwärtsdrehung des Rotors des bürstenlosen Elektromotors bei einer nochmaligen Signaländerung des Positionssensors der Antriebskreis von dem zweiten Rückwärts-Antriebszustand in einen dritten Rückwärts-Antriebszustand umgeschaltet wird, der dem ersten Vorwärts-Antriebszustand entspricht.
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Ferner ist vorgesehen, dass der Positionssensor in einer Anzahl von drei bereitgestellt wird und einen Winkelabstand von 120° hinsichtlich des physikalischen Winkels zueinander aufweist.
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Ferner ist vorgesehen, dass die Positionssensoren in einer derartigen Stellung angeordnet sind, dass ihre Signale 20° bis 40° gegenüber dem elektrischen Winkel der Referenzposition des Rotors vorgehen.
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Ferner ist vorgesehen, dass die Positionssensoren in einer derartigen Stellung angeordnet sind, dass sie innerhalb eines Bereichs von 20° bis 40° vor der Mittellinie der Phasenspannung eine Signaländerung bewirken können.
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Ferner ist vorgesehen, dass die Positionssensoren in einer derartigen Stellung angeordnet sind, dass sie innerhalb eines Bereichs von 20° bis 40° vor der Mittellinie der Leitungsspannung eine Signaländerung bewirken können.
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Mit der vorstehenden Ausgestaltung kann die Leistung eines bürstenlosen Motors verbessert werden.
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Darstellung der Abbildungen
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Es zeigen
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1 ein Elektrowerkzeug nach einem Ausführungsbeispiel in einem schematischen Blockdiagramm,
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2 einen bürstenlosen Motor nach einer Ausführungsform in dem Elektrowerkzeug nach 1 in einer schematischen Darstellung,
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3 eine Peripherieschaltung des bürstenlosen Motors nach 2 in einer schematischen Darstellung,
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4 einen bürstenlosen Motor nach einer anderen Ausführungsform in dem Elektrowerkzeug nach 1 in einer schematischen Darstellung,
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5 die Positionen der Positionssensoren in dem Elektrowerkzeug nach 1 in einer schematischen Darstellung,
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6 die Zuordnungsbeziehung zwischen dem Signal und dem Signalbereich der Sensoren nach 5 in einer schematischen Darstellung,
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7 einen Phasenspannungsverlauf bei der Ausgestaltung nach 2,
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8 einen Leitungsspannungsverlauf bei der Ausgestaltung nach 2,
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9 einen Leitungsspannungsverlauf bei der Ausgestaltung nach 4,
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10 einen Vergleich der Drehmoment-Drehzahl-Verläufe zwischen einer Ausgestaltung mit um 20° hinsichtlich des elektrischen Winkels vorversetzten Positionssensoren und der Ausgestaltung mit in Referenzpositionen angeordneten Positionssensoren,
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11 einen Vergleich der Drehmoment-Strom-Verläufe zwischen einer Ausgestaltung mit um 20° hinsichtlich des elektrischen Winkels vorversetzten Positionssensoren und der Ausgestaltung mit in Referenzpositionen angeordneten Positionssensoren,
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12 einen Vergleich der Drehmoment-Drehzahl-Verläufe zwischen einer Ausgestaltung mit um 40° hinsichtlich des elektrischen Winkels vorversetzten Positionssensoren und der Ausgestaltung mit in Referenzpositionen angeordneten Positionssensoren,
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13 einen Vergleich der Drehmoment-Strom-Verläufe zwischen einer Ausgestaltung mit um 40° hinsichtlich des elektrischen Winkels vorversetzten Positionssensoren und der Ausgestaltung mit in Referenzpositionen angeordneten
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Positionssensoren
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Konkrete Ausführungsformen
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf beiliegende Zeichnungen anhand konkreter Ausführungsformen auf die vorliegende Erfindung näher eingegangen.
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Das Elektrowerkzeug nach FIG umfasst einen bürstenlosen Elektromotor, ein Antriebssystem und ein Stromversorgungsmodul.
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Dabei umfasst der bürstenlose Elektromotor einen Rotor und mindestens zwei Statorwicklungen.
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Das Antriebssystem dient zum Antreiben des bürstenlosen Elektromotors zu einer Drehung. Konkret umfasst das Antriebssystem einen Positionssensor, eine Steuerung und einen Antriebskreis.
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Der Positionssensor dient zur Erfassung der Position des Rotors, wobei konkret beim Drehen des Rotors bis zu einem vorbestimmten, von dem Positionssensor erfassbaren Bereich sich der Positionssensor in einem Signalzustand und beim Drehen des Rotors aus dem vorbestimmten Bereich der Positionssensor in einen anderen Signalzustand umgeschaltet wird.
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In der Regel wird zur Erfassung der Position des Rotors eine höhere Genauigkeit der erfassten Position des Rotors durch einen geringeren vorbestimmten Bereich und eine größere Anzahl der Positionssensoren erzielt. Jedoch bei praktischer Anwendung reicht zum Antreiben eines bürstenlosen Motors die Erfassung der Phasenumschaltungsposition allein aus, so dass also die Positionssensoren derart angeordnet sein sollen, dass das Signal die Phasenumschaltungsposition des Rotors widerspiegeln kann.
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Wie aus 5 zu entnehmen ist, können in einer Verwirklichungsmöglichkeit drei Positionssensoren D1, D2, D3 verwendet werden, die einen Erfassungsbereich mit einem physikalischen Winkelbereich von 180° aufweisen, wobei beim Drehen des Rotors E in bzw. aus dem Bereich das Signal des Positionssensors geändert wird.
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Das Signal des Positionssensors wird beim Drehen des Rotors in den vorbestimmten Bereich als 1 und beim Drehen des Rotors aus dem vorbestimmten Bereich als 0 definiert. Die drei Positionssensoren sind mit einem physikalischen Winkel von 120° zueinander angeordnet, wie sich aus 6 ergibt, wobei beim Drehen des Rotors sechs Signalbereiche erzeugt und bei Reihenfolgenbildung anhand der Reihenfolge D1, D2, D3 sechs verschiedene Signalkombinationen, also 100, 110, 010, 011, 001 und 101 gebildet werden. Somit kann anhand der Signalkombination der drei Positionssensoren D1, D2, D3 ermittelt werden, in welchem Positionsbereich sich der Rotor befindet. Es ist darauf hinzuweisen, dass auch bei einer erhöhten Polpaaranzahl des Rotors die Positionserfassung bezogen auf einzelnes Polpaar auf gleiche Weise erfolgt und der Unterschied nur darin liegt, dass der einem elektrischen Zyklus entsprechende, tatsächliche physikalische Winkel verringert wird.
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Wie sich aus der in 5 dargestellten Ausgestaltung ergibt, kann durch eine Überlappung der Erfassungspositionen eine Zuordnung einzelner Bereiche an jeweilige Signalgruppe ermöglicht werden, soweit der physikalische Winkel zwischen benachbarten Positionssensoren geringer als der von dem Positionssensor erfassbare physikalische Winkel ist.
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Bei einem bürstenlosen Elektromotor mit drei Phasenwicklungen entsprechenden die sechs Antriebstakte (entsprechen einem Antriebszustand des Antriebskreises) in einem elektrischen Zyklus den sich aus der in 5 dargestellten Ausgestaltung ergebenden Signalkombinationen, so dass bei einer Änderung der Signalkombination der Positionssensoren der bürstenlose Elektromotor einen Phasenumschaltungsvorgang ausführen kann.
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Als Positionssensor kann konkret ein Sensor aus einem Hallelement eingesetzt werden.
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Die Steuerung dient zum Steuern des Antriebkreises in Abhängigkeit von einem Signal des Positionssensors. Die Steuerung kann ein Signal des Positionssensors empfangen und in Abhängigkeit von einem Signal des Positionssensors den Antriebskreis steuern, um eine Umschaltung des Antriebszustands des Antriebskreises zu ermöglichen.
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Der Antriebskreis dient zum Antreiben des bürstenlosen Elektromotors und umfasst konkret mehrere Halbleiterschalter, die in Abhängigkeit eines Signals der Steuerung den Schaltungszustand ändern können, um somit den Zustand der von dem Stromversorgungsmodul an die Wicklung des bürstenlosen Elektromotors angelegten Spannung zu ändern. Zum Bewirken einer Drehung des bürstenlosen Elektromotors weist der Antriebskreis mehrere Antriebszustände auf, wobei in einem Antriebszustand die Statorwicklung des bürstenlosen Elektromotors ein magnetisches Feld erzeugt und die Steuerung eine Umschaltung des Antriebszustands des Antriebskreises zur Änderung des von der Statorwicklung erzeugten magnetischen Feldes bewirkt, um den Rotor zur Drehung anzutreiben und das Antreiben des bürstenlosen Elektromotors zu verwirklichen.
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Beispielsweise weist der bürstenlose Elektromotor nach 2 drei Phasenwicklungen u, v, w auf, die eine Y-förmige Verbindung bilden und an einem Ende an einen Neutralpunkt 0 angeschlossen sind, während die anderen Enden A, B, C als Wicklungsanschlüsse jeweils aus dem bürstenlosen Elektromotor herausgeführt und an eine Wicklungsanschlussklemme (nicht dargestellt), mit der der bürstenlose Elektromotor versehen ist, wobei der Antriebskreis und andere externe Stromkreise über eine Wicklungsanschlussklemme an die Anschlussenden A, B, C der drei Phasenwicklung u, v, w angeschlossen werden können. Zum Antreiben des in 2 dargestellten bürstenlosen Elektromotors weist der Antriebskreis mindestens sechs Antriebszustände (in Abhängigkeit von der Phasenanzahl der Statorwicklung) auf, wobei zum Erleichtern einer Erläuterung nachfolgend der Antriebszustand jeweils mit den entsprechend angeschlossenen Anschlussenden gekennzeichnet wird und beim Anschließen der Anschlussenden A, B an eine Stromversorgung durch den Antriebskreis der Antriebszustand als AB gekennzeichnet, wenn es sich bei A um ein Hochspannungsende handelt, oder als BA gekennzeichnet wird, wenn es sich bei B um ein Hochspannungsende handelt. Dies gilt auch für die Ausgestaltung mit einer Dreieck-Verbindung nach 4. Zudem kann eine Umschaltung des Antriebszustands als Phasenumschaltungsvorgang des bürstenlosen Elektromotors gekennzeichnet werden.
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In der Ausgestaltung nach 2 kann der Antriebskreis beim Antreiben der Reihe nach sechs Antriebszustände, also AB, AC, BC, BA, CA, CB ausgeben.
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Es wird davon ausgegangen, dass die Entsprechungsbeziehung zwischen den Antriebszuständen und der Signalkombinationen der Positionssensoren wie folgt lautet:
| Signalkombination | Antriebszustand |
| 101 | AB |
| 100 | AC |
| 110 | BC |
| 010 | BA |
| 011 | CA |
| 001 | CB |
Tabelle 1
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Anhand einer derartigen Entsprechungsbeziehung kann das Antreiben des bürstenlosen Elektromotors bei Erfassung einer Änderung der Signalkombination durch die Steuerung, also beim Bewirken einer Umschaltung des Antriebszustands des Antriebskreises ermöglicht werden.
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Da bei praktischer Anwendung ein Steuervorgang immer nachträglich erfolgt, kann ein Steuervorgang in der Regel nicht rechtzeitig erfolgen, wenn sich der Rotor bis in eine Position dreht, in der eine Umschaltung des Antriebszustands notwendig ist, wodurch die Entfaltung der Leistung des bürstenlosen Elektromotors beeinträchtigt wird.
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Um eine Verzögerung möglichst zu beseitigen und eine Zuordnung einer Phasenumschaltung an entsprechende Rotorposition zu ermöglichen, kann Steuerverfahren verwendet werden, bei dem eine Phasenumschaltung vor der tatsächlichen Position des Rotors erfolgt.
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Bei einer derartigen Vorsteuerung liegt das Problem darin, dass bei der Verwendung einer Software zur Vorsteuerung ein kompliziertes Softwareprogramm benötigt wird, dessen Zuverlässigkeit nicht gewährleistet werden kann, und dabei auch eine Steuerung der Größe der Vorversetzung notwendig ist, wobei sowohl eine unzureichende Vorversetzung als auch eine übermäßige Vorversetzung die Leistung des bürstenlosen Elektromotors beeinträchtigen könnte.
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Wie aus 5 zu entnehmen ist, kann zum Ermöglichen einer Vorsteuerung durch entsprechende Positionierung des Positionssensors seine physikalische Position vor der idealen Position angeordnet sein.
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Wie sich aus 5 ergibt, steht die gestrichelte Linie für ursprüngliche Soll-Position (ideale Position) des Positionssensors, die der tatsächlichen Phasenumschaltungsposition entspricht, wobei bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Positionssensor innerhalb eines Bereichs von 20° bis 40° hinsichtlich des elektrischen Winkels oder mit anderen Worten innerhalb eines Bereichs von 20°/P bis 40°/P hinsichtlich des physikalischen Winkels vor solcher Position angeordnet ist, wobei P für die Polpaaranzahl des Rotors des bürstenlosen Elektromotors steht.
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Jedoch bei praktischer Anwendung sind solche mit gestrichelter Linie gekennzeichnete Positionen beim Anbringen des Positionssensors nicht vorhanden. Daher wird mittels der nachstehenden Ausgestaltung die Position des Positionssensors bestimmt:
Zunächst wird eine Referenzposition ermittelt, indem der bürstenlose Elektromotor unter Einwirkung einer äußeren Kraft im Leerlauf für eine Umdrehung gedreht und die Phasenspannung einzelner Phasenwicklung erfasst wird, um einen Phasenspannungsverlauf zu ermitteln, wonach eine dem Mittelpunkt des Phasenspannungsverlaufs entsprechende Position als Referenzposition (also die mit gestrichelter Linie gekennzeichnete Position in 5) herangezogen wird. Danach wird ein Positionssensor an einer Position innerhalb eines Bereichs von 20° bis 40° hinsichtlich des elektrischen Winkels vor dieser Referenzposition angebracht und die Position wird als Phasenumschaltungsposition definiert, wonach anhand des Winkelabstands des Positionssensors weitere Sensoren angeordnet werden.
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Da die Phasenspannung durch eine gegenelektromotorische Kraft erzeugt wird, entspricht nun der Phasenspannungsverlauf auch dem Verlauf gegenelektromotorischer Kraft, wobei die Referenzposition auch dem Mittelpunkt des Verlaufs gegenelektromotorischer Kraft entspricht.
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Mit einer derartigen Anordnung erreicht der Rotor des bürstenlosen Elektromotors bei einer Vorwärtsdrehung der Reihe nach die Phasenumschaltungsposition und die Referenzposition, wobei beim Erreichen der Phasenumschaltungsposition das Signal mindestens eines der Positionssensoren in dem bürstenlosen Elektromotor geändert und somit ein Phasenumschaltungsvorgang ausgelöst wird, um somit eine rechtzeitige Phasenumschaltung des Rotors zu ermöglichen.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass sich der Mittelpunkt auf eine dem Mittelpunkt des Verlaufs gegenelektromotorischer Kraft entsprechende Position bezieht. Da sich der Verlauf zyklisch ändert, kann jede der zeitlichen Mittepunkte an einer einseitigen (positiven oder negativen) Wellenform einer entsprechenden Position zugeordnet werden und unter Berücksichtigung der Änderung des Verlaufs im Idealzustand ist die einseitige Wellenform relativ zu einer durch den Mittelpunkt verlaufenden Linie symmetrisch, wobei die Linie als Mittellinie definiert wird.
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Zudem wird mit dem elektrischen Winkelbereich der Wertbereich des Winkels zwischen der Referenzposition und einer nächstliegenden, vorversetzten Phasenumschaltungsposition anstatt zwischen der Referenzposition und allen Phasenumschaltungspositionen gemeint. Dies gilt auch für physikalischen Winkelbereich.
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Am Beispiel der Phasenspannung U1 der Statorwickung u in 2 wird angenommen, dass zum Beginn der Drehung des Rotors der Phasenspannung U1 bei 0 liegt, so dass beim Drehen des Rotors für eine Umdrehung die Phasenspannung U1 aus einem negativen Teil und einem positiven Teil besteht, der jeweils 180° ausmacht wie aus 7 zu entnehmen ist, wobei die Stelle m1 bei 90° einen der Mittelpunkte des Verlaufs darstellt und der Positionssensor in einem Bereich von 20° bis 40° hinsichtlich des elektrischen Winkels vor einer dem Mittelpunkt entsprechenden Position, also in dem mit n1 in 7 gekennzeichneten Bereich angeordnet sein kann. m2 steht für einen weiteren Mittelpunkt und wird durch den negativen Teil des Verlaufs bestimmt, wobei auf ähnliche Weise der mit n2 gekennzeichnete Bereich ermittelt werden kann.
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Da in der in 2 dargestellten Ausgestaltung drei Phasenwicklungen vorgesehen sind, können anhand der drei Phasen gemeinsam die den sechs Mittelpunkten entsprechenden, tatsächlichen Positionen und somit die sechs Phasenumschaltungspositionen ermittelt werden, die tatsächlich eine Änderung der Signalkombination des Positionssensors bewirken.
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Der in 8 dargestellte Leitungsspannungsverlauf U2 kann ebenfalls zur Bestimmung der vorversetzen Position wie bei 7 verwendet werden. In 8 stehen m3 sowie m4 für zwei Mittelpunkte des Verlaufs und n3 sowie n4 für die Positionen, in denen die Positionssensoren angeordnet sind. Die Bestimmung der Position anhand der Leitungsspannung zeichnet sich vorteilhafterweise dadurch aus, dass keine Peripherieschaltung verwendet werden muss.
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Wie sich aus 3 ergibt, befinden sich die Statorwicklungen u, v, w innerhalb des bürstenlosen Elektromotors, so dass zur Erfassung der Phasenspannung ein zusätzlicher Erfassungsstromkreis benötigt wird, bei dem die Widerstände R1, R2, R3 einen Stromkreis bilden und jeweils an die jeweiligen Anschlussenden A, B, C angeschlossen werden, während ihre andere Enden an einen analogen Neutralpunkt O´ angeschlossen werden, wie aus 3 zu entnehmen ist, womit die Spannung der Statorwicklungen u, v, w innerhalb des Elektromotors erfasst oder simuliert werden kann, wobei beispielweise zur Ermittlung der Phasenspannung U1 der Statorwicklung u die Spannung an beiden Enden AO´ erfasst wird, anhand der die Phasenspannung U1 erhalten oder errechnet werden kann. Somit kann durch den Erfassungsstromkreis den Phasenspannungsverlauf ermittelt werden.
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Zur Kosteneinsparung kann auch die Referenzposition unter Verwendung der Leitungsspannung ermittelt werden. Die Spannung zwischen zwei Anschlussenden der Statorwicklungen u, v, w wird als Leitungsspannung definiert und kann an einer Anschlussklemme des bürstenlosen Elektromotors erfasst werden.
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Auf ähnliche Weise wird die dem Mittelpunkt des Leitungsspannungsverlaufs entsprechende Position als Referenzposition herangezogen.
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Bei der Ausgestaltung nach 4 muss ein derartiger bürstenloser Elektromotor innerhalb eines elektrischen Zyklus in sechs verschiedene Antriebszustände umgeschaltet werden und der Unterschied liegt lediglich in der Wicklungsverdrahtung, wobei ebenfalls eine Vorsteuerung benötigt wird und der Rotor als zu erfassender Gegenstand der Vorsteuerung unabhängig von der Wicklungsverdrahtung ist, so dass die vorstehende Ausgestaltung ebenfalls für die Ausgestaltung nach 4 gilt. Der Unterschied liegt darin, dass bei der Ausgestaltung nach 4 die Phasenspannung U3 der Leitungsspannung U4 gleicht.
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Zudem zeigt 9 einen Verlauf der Leitungsspannung U4 bei der Ausgestaltung nach 4 und bei einer Dreieck-Verbindung gleicht die Leitungsspannung U4 und der Phasenspannung U3. Trotz unterschiedlicher Wicklungsverdrahtung liegt kein Unterschied hinsichtlich des Rotors und Positionssensors vor und eine Umschaltung in sechs Antriebsmodi wird bei drei Phasen benötigt, so dass auch bei einer Dreieck-Verbindung das vorstehende Verfahren zur Ermittlung der vorversetzten Position eingesetzt werden kann. In 9 stehen m5, m6 für zwei Mittelpunkte des Verlaufs und n5, n6 für die Positionen, in denen die Positionssensoren angeordnet sind.
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10 und 11 zeigen ein Erfassungsergebnis der Drehmoment-Strom-Beziehung bei einer Ausgestaltung mit um 20° hinsichtlich des elektrischen Winkels vorversetzten Positionssensoren und einer Ausgestaltung mit an Referenzpositionen angeordneten Positionssensoren
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12 und 13 zeigen ein Erfassungsergebnis der Drehmoment-Strom-Beziehung bei einer Ausgestaltung mit um 40° hinsichtlich des elektrischen Winkels vorversetzten Positionssensoren und einer Ausgestaltung mit an Referenzpositionen angeordneten Positionssensoren.
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Wie aus 10 zu entnehmen ist, in der die durchgehende Linie für den Verlauf der Ausgestaltung mit um 20° hinsichtlich des elektrischen Winkels vorversetzten Positionssensoren und die strichelte Linie für den Verlauf der Ausgestaltung ohne Vorversetzung steht, weist die mit durchgehender Linie dargestellte Ausgestaltung bei einem niedrigen Drehmoment eine höhere Drehzahl als die mit gestrichelter Linie dargestellte Ausgestaltung auf, wobei für ein Elektrowerkzeug, beispielsweise einen Elektroschraubendreher bei einem niedrigen Drehmoment in der Regel ein schnelles Festschrauben zur Zeiteinsparung erwünscht ist, was auch bei anderen Elektrowerkzeugen gilt. Mit der mit durchgehender Linie dargestellten Ausgestaltung kann eine höhere Drehzahl erzielt werden. Bei einem hohen Drehmoment, also bei einer Überlastung eines Elektrowerkzeugs weist die Drehzahl bei der mit gestrichelter Linie dargestellten Ausgestaltung eine erhebliche Absenkung auf, während hingegen mit der mit durchgehender Linie dargestellten Ausgestaltung eine Verbesserung erzielt wird.
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Wie sich aus 12 ergibt, in der die durchgehende Linie für den Verlauf der Ausgestaltung mit um 40° hinsichtlich des elektrischen Winkels vorversetzten Positionssensoren und die strichelte Linie für den Verlauf der Ausgestaltung ohne Vorversetzung steht und ein ähnliches Ergebnis wie bei 10 gezeigt wird, kann eine Verbesserung der Drehzahlleistung des Elektromotors auch durch Vorversetzung der Positionssensoren um ein elektrischen Winkel von 40° ermöglicht werden.
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Wie aus 11 zu entnehmen ist, in der die durchgehende Linie für den Verlauf der Ausgestaltung mit um 20° hinsichtlich des elektrischen Winkels vorversetzten Positionssensoren und die strichelte Linie für den Verlauf der Ausgestaltung ohne Vorversetzung steht, weist der Strom der mit gestrichelter Linie dargestellten Ausgestaltung bei einer Überlastung einen schnelleren Anstieg gegenüber der mit durchgehenden Linie dargestellten Ausgestaltung auf, was darauf hindeutet, dass bei einer Überlastung mit der Ausgestaltung mit um 20° hinsichtlich des elektrischen Winkels vorversetzten Positionssensoren eine verbesserte Auswirkung hinsichtlich der Sicherheitsfähigkeit und des Elektromotor-Überhitzungsschutzes erzielt wird.
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Wie sich aus 13 ergibt, in der die durchgehende Linie für den Verlauf der Ausgestaltung mit um 40° hinsichtlich des elektrischen Winkels vorversetzten Positionssensoren und die strichelte Linie für den Verlauf der Ausgestaltung ohne Vorversetzung steht, zeichnet sich die Ausgestaltung mit um 40° hinsichtlich des elektrischen Winkels vorversetzten Positionssensoren ebenfalls durch die Auswirkung zur Stromreduzierung bei einer Überlastung aus.
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Wie aus der vorstehende Erläuterung zu entnehmen ist, kann eine effektive Verbesserung der Elektromotorleistung mit einer Vorversetzung um einen elektrischen Winkel von 20° bis 40° erzielt werden.
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Laut unserem Erfassungsergebnis kann eine Vorversetzung um einen Winkel von geringer als 20° zu einer unzureichenden Vorversetzung führen, in welchem Fall keine Auswirkung zur Kompensation erzielt werden kann, während bei einer Vorversetzung um einen Winkel von größer als 40° sich der Elektromotor schwer starten lässt. Zum Erzielen einer bessren Leistungsverbesserung kann der elektrische Winkel der Vorversetzung ferner auf einen Bereich von 25° bis 35° begrenzt werden, in dem laut dem Erfassungsergebnis eine gute Betriebswirkung des Elektromotors ermöglicht wird.
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Bei einer Vorwärtsdrehung in der vorstehenden Ausgestaltung wird die Leistung des bürstenlosen Elektromotors infolge der Vorversetzung der Hardwarepositionen der Positionssensoren verbessert, während hingegen bei einer Rückwärtsdrehung die Hardwarepositionen der Positionssensoren relativ zu den tatsächlichen Positionen rückversetzt werden, was bei einer Rückwärtsdrehung des Elektromotors in Verbindung mit einer steuerungsbedingten Verzögerung zu einer verringerten Leistung, einem erhöhten Wicklungsstrom und einer beeinträchtigten Lebensdauer des bürstenlosen Elektromotors führt
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Als eine Lösung dazu ist vorgesehen, dass der Rotor bei einer Vorwärtsdrehung unter Antrieb von dem Antriebskreis der Reihe nach eine erste Position und eine zweite Position erreicht, wobei sich das Signal des ersten Positionssensors ändert und der Antriebskreis in einen ersten Vorwärts-Antriebszustand umgeschaltet wird, wenn der Rotor sich bis zu der ersten Position dreht, während sich das Signal des zweiten Positionssensors ändert und der Antriebskreis in einen ersten Vorwärts-Antriebszustand umgeschaltet wird, wenn der Rotor sich bis zu der zweiten Position dreht.
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Bei einer Rückwärtsdrehung des Rotors unter Antrieb von dem Antriebskreis ändert sich das Signal des zweiten Positionssensors und der Antriebskreis wird in einen ersten Rückwärts-Antriebszustand umgeschaltet, wenn sich der Rotor bis zu der zweiten Position dreht, während sich das Signal des ersten Positionssensors ändert und der Antriebskreis in einen zweiten Rückwärts-Antriebszustand umgeschaltet wird, wenn der Rotor sich bis zu der ersten Position dreht.
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Die von dem Antriebskreis bei dem ersten Rückwärts-Antriebszustand an den Rotor angelegte Spannung weist eine entgegengesetzte Richtung bezogen auf die bei dem ersten Vorwärts-Antriebszustand an den Rotor angelegte Spannung auf.
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Ferner ist vorgesehen, dass während einer Vorwärtsdrehung des Rotors bei einer nochmaligen Signaländerung des Positionssensors der Antriebskreis von dem zweiten Vorwärts-Antriebszustand in einen dritten Vorwärts-Antriebszustand umgeschaltet wird, der dem zweiten Rückwärts-Antriebszustand entspricht.
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Während einer Rückwärtsdrehung des Rotors wird der Antriebskreis bei einer nochmaligen Signaländerung des Positionssensors von dem zweiten Rückwärts-Antriebszustand in einen dritten Rückwärts-Antriebszustand umgeschaltet, der dem ersten Vorwärts-Antriebszustand entspricht.
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Einzelheiten sind aus Tabelle 2 am Beispiel eines bürstenlosen Elektromotors mit drei Phasenwicklungen zu entnehmen:
| Signalkombination | Vorwärts-Antriebszustand | Allgemeiner Rückwärts-Antriebszustand | Vorversetzte Rückwärts-Antriebszustand |
| 101 | AB | BA | BC |
| 100 | AC | CA | BA |
| 110 | BC | CB | CA |
| 010 | BA | AB | CB |
| 011 | CA | AC | AB |
| 001 | CB | BC | AC |
Tabelle 2
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Bei AB und AC als dem ersten Vorwärts-Antriebszustand werden nach allgemeiner Steuerung bei einer Rückwärtsdrehung der Reihe nach CA und BA (bei einer Rückwärtsdrehung lautet die Signalreihenfolge 100, 101) ausgegeben, so dass aus dem vorstehenden Grund eine derartige Rückwärtsdrehungs-steuerung zu einer vergrößerten Verzögerung und somit zur Beeinträchtigung der Leistung des bürstenlosen Elektromotors führt.
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Zum Überwinden des Nachteils wird als eine Lösung bei einer Rückwärtsdrehung ein dem vorangehenden Antriebszustand der Signalkombination bei einer Vorwärtsdrehung entgegengesetzter Zustand (entgegengesetzte Richtung angelegter Spannung) als Ausgangs-Antriebszustand ausgegeben.
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Wie sich aus Tabelle 2 ergibt, wird bei einer Signalkombination von 100 während einer Rückwärtsdrehung anstatt des dem 100 entsprechenden Vorwärts-Antriebszustand AC entgegengesetzten Zustands CA ein dem vorangehenden Vorwärts-Antriebszustand AB des Vorwärts-Antriebszustands AC entgegengesetzter Zustand BA ausgegeben, so dass auch bei einer Rückwärts-Drehung eine Kompensation für die Steuerungsverzögerung mittels einer Winkelvorversetzung ermöglicht und somit die Leistung und Sicherheitsfähigkeit bei einer Rückwärtsdrehung sichergestellt werden können.
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Bisher wurden Grundprinzipien, Hauptmerkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung dargestellt und erläutert. Für Fachleute auf diesem Gebiet versteht es sich, dass die vorstehenden Ausführungsbeispiele die vorliegende Erfindung keineswegs einschränken und jegliche Ausgestaltungen, die sich aus gleichwertiger Substitution oder Abänderung ergeben, von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung sind.
