DE1638586A1 - Kraftanlage fuer tragbare elektrische Werkzeuge - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung "betrifft allgemein tragbare elektrische Werkzeuge und insbesondere eine neue und verbesserte Kraftanlage für solche Y/erkzeuge.

Tragbare Werkzeuge mit Kraftantrieb können gemäß dem jeweiligen Antriebssystem in verschiedene Gruppen eingeteilt werden j' die beiden hauptsächlichen Kategorien sind pneumatisch betriebene Werkzeuge und elektrisch betriebene Werkzeuge. Pneumatisch betriebene Werkzeuge besitzen gegenüber elektrisch betriebenen Werkzeugen verschiedene Vorteile, wie weiter unten erläutert wird, und während der letzten zwanzig Jahre ist der Anwendungsbereich für pneumatisch betriebene Werkzeuge sehr erweitert worden, so daß sie auf

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Patentanwalt· DipMng. Martin Licht, Dipl.-Wiriich.-lng. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann • MÖNCHEN 2, THERESf f NSTRASSE 33 · T«!»toni »2102 · Tatagramm-AdrMMi Upatll/MOnchm

•mifcmrblndunaMi Detrtt*· Ionic AO, Filial· MOndwn, Dop.-Kasn Viktuali«imarfct, Konto-Nr. 70/30638 Bay»r. Vereliubank Mönchen, Zwe!o«t. Otkar-von-Milltr-Ring, Klo.-Nr. 882495 · PoJtichedc-Kontoi MOndwn Nr. M3397

einigen Gebieten die elektrisch betriebenen Y/erkzeuge weitgehend verdrängt haben, beispielsweise in der Fließbandfertigung. Die Vorteile der pneumatisch betriebenen Werkzeuge beruhen auf ihrer Haltbarkeit und Leistungsfähigkeit beim Betrieb} sie erfordern nur geringe Wartung und leiden nicht, wenn sie blockieren. Gegenüber elektrisch betriebenen Werkzeugen haben die pneumatisch betriebenen Werkzeuge jedoch den ) Nachteil, daß sie eine Preßluftquelle benötigen, die nicht immer zur Verfugung steht, außerdem verursachen sie Lärm beim Betrieb und müssen laufend mit Öldunst geschmiert werden, was zur Verschmutzung des Arbeitsbereiches führt. Außerdem ist der Luftausstoß pneumatischer Werkzeuge lästig.

Elektrisch betriebene tragbare Werkzeuge werden meist mit einem Universal- oder Hauptschlußmotor betrieben. Ein durch einen Hauptschlußmotor angetriebenes Werkzeug liefert keine so hohe Ausgangsleistung wie ein pneumatisch angetrie- ^ benes Werkzeug gleicher Größe und mit gleichem Gewicht· Solche elektrisch betriebenen Werkzeuge sind nicht so haltbar wie pneumatisch betriebene, da die Lebensdauer der Kontaktbursten in einem Hauptschlußmotor gewöhnlich auf wenige hundert Betriebsstunden begrenzt ist} danach müssen die Bürsten ausgewechselt werden. Die Anker solcher laotoren sind relativ zerbrechlich, und der im Motor enthaltene Kommutator hat eine begrenzte Lebensdauer. Wegen der Abnutzung der Bürsten am Kommutator oder wegen zerbrochener SpulenanschluJiarähte müssen die Anker nach nur wenigen hundert Betriebsstunden ausgetauscht

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werden. Demgegenüber sind pneumatisch betriebene Werkzeuge erheblich haltbarer, ihre Lebensdauer ist jedoch durch eine Abnutzung der Rotorflügel begrenzt. Elektrisch betriebene Werkzeuge haben gegenüber pneumatisch betriebenen Werkzeugen jedoch den Vorteil, daß sie leise arbeiten und mit Metzstrom betrieben werden können, der fast überall zur Verfügung steht.

Wechselstroiiiinduktionsmotoren mit hoher Umdrehungszahl, die sehr viel zuverlässiger und robuster als Universaloder Hauptsehlußmotoren sind, wurden früher weitgehend für tragbare Werkzeuge verwendet, sind in letzter Zeit jedoch durch pneumatisch betriebene Motoren verdrängt worden. Der hauptsächliche Grund hierfür ist, daß solche Induktionsmotoren nicht direkt mit normaler Netzspannung betrieben werden können, sondern aufwändige und lästige Starkstrom- und Verteilungsnetzwerke erfordern. Wechselstrominduktionsmotoren mit normaler Umdrehungszahl werden im Gegensatz zu den oben erwähnten Induktionsmotoren mit hoher Umdrehungszahl nicht für Werkzeuge verwendet, da diese hierdurch zu groß und schwer würden und nicht mehr als tragbares Gerät bezeichnet werden könnten. Es ist zwar technisch möglich, Motorgeneratoren in das Werkzeug einzubauen, damit es mit normaler Netzspannung betrieben werden kann, ist jedoch keine sehr praktische Lösung.

Aus dem vorstehenden ist ersichtlich, daß es zweckmäßig ist, ein elektrisch betriebenes tragbares Werkzeug zu schaffen, dessen Ausgangsleistung mit der eines pneumatisch betriebenen Werkzeugs gleicher Größe oder gleichen Gewichts

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vergleichbar ist, das eine lange Lebensdauer aufweist, leistungsfähig und haltbar ist und nahezu keine Wartung erfordert.

Der Erfindung liegt folgende Aufgabenstellung zu- gründe: Es soll eine neue und verbesserte elektrische Kraftanlage für tragbare Werkzeuge geschaffen werden, die die obigen Eigenschaften aufweist.

Es soll weiterhin eine neue und verbesserte elek-

^ trische Kraftanlage für tragbare elektrische Werkzeuge geschaffen werden, die einen mehrphasigen Induktionsmotor und einen damit verbundenen Frequenzgenerator enthält.

Es soll weiterhin eine Kraftanlage mit den obigen Eigenschaften geschaffen werden, die einen mehrphasigen Frequenzgenerator enthält, der mit einem neuartigen und verbesserten Magnetiterntransformator versehen ist, der mehrere untereinander magnetisch gekoppelte Phasen enthält und dadurch die Wechselstromphasen am Frequenzgenerator-Ausgang synchronisiert und voneinander trennt.

" Es soll weiterhin ein Frequenzgenerator mit den vorstehenden Eigenschaften geschaffen werden, bei dem jede Phase oder jeder Schenkel aus zwei Halbleiterschaltern besteht, die in Gegentakt geschaltet sind, wobei der Transformator dazu dient, jeden der Schalter für die eine Hälfte der Periode in den leitenden Zustand und für die andere Hälfte der Periode in den nichtleitenden Zustand vorzuspannen.

Es soll weiterhin ein neuer und verbesserter Frequenzgenerator mit den oben beschriebenen Eigenschaften

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geschaffen werden, der mit dem Stator eines Werkzeugmotors verbunden ist und der einen Transformator enthält, der mehrere magnetisch miteinander gekoppelte Phasen besitzt, um die Wechselstromphasen in den Statorwicklrmgen zu synchronisieren und zu trennen, wobei der Transformator durch Transformatorwicklungen gebildet wird, die auf dem Kern des Stators in induktiver Kopplung zu den Statorwicklungen sitzen.

Weiterhin soll eine neuartige und verbesserte Kraftanlage für tragbare elektrische Werkzeuge geschaffen werden, die einen Motor ohne Kontaktbürsten enthält, der die erwünschten Eigenschaften eines Universalmotors aufweist.

Es soll weiterhin eine Kraftanlage für eine kraftbetriebene Y/erkzeuganordnung geschaffen werden, die aus einem tragbaren elektrischen Werkzeug und einem elektrischen Stecker mit Kabelschnur besteht, die das Werkzeug mit dem Stecker verbindet, wobei sämtliche Komponenten der Kraftanlage in der Werkzeuganordnung eingebaut sind.

Es soll weiterhin eine elektrische Kraftanlage für eine tragbare, kraftbetriebene Werkzeuganordnung geschaffen werden, wobei die Kraftanlage einen Induktionsmotor und daran angeschlossene Vorrichtungen enthält, die leichte und kompakte Konstruktion aufweisen, damit der Motor mit üblicher Netzspannung betrieben werden kann.

Es soll weiterhin eine elektrische Kraftanlage geschaffen werden, mit deren Hilfe es möglich ist, einen Induktionsmotor für ein tragbares elektrisches Werkzeug zu verwenden,

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Es folgt nun eine Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand der Zeichnungen»

Figur 1 ist·- teils im Schnitt,teils als Aufriß eine Seitenansicht eines tragbaren"elektrischen Bohrers, der ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.

Figur 2 ist ein Schnitt entlang der Linie 2-2 aus Figur 1.

w ■ Figur 3 ist - teils im Schnitt, teils als Aufriß -

eine Seitenansicht eines tragbaren elektrischen Bohrers, der eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt,

Figur 4 ist ein teilweise abgebrochener Seitenriß eines elektrischen Schraubenziehers, der ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.

Figur 5 ist eine teils im Schnitt dargestellte Ansicht eines Vibrationswerkzeugs, das ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt.

Figur 6 ist ein Schaltdiagramm des Frequenzgenerators und der zugehörigen Statorwicklungen des Motors, die ein Teil der vorliegenden Erfindung sind.

Figur 7 ist eine schematische Darstellung eines Transformators, der ein Teil des Frequenzgenerators der Kraftanlage ist.

Figur 8 ist ein Sehaltdiagramm einer G-I ei ehr i ent ervorrichtung, die die Netzwechseispannung in geeignete Gleichspannung umwandelt.

Figur 9 ist ein Schaltdiagramni einer abgewandelten erfindungsgemäßen Kraftanlage.

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Figur 10 ist eine schematische Darstellung des Motorstators und der Anordnung der verschiedenen Spulen aus der
Schaltung aus Figur 9.

Figur 11 ist eine Tabelle, in der die Schalt-Reihenfolge für die Transistoren des Frequenzgenerators der Kraftanlage dargestellt ist.

Die erfindungsgemäße Kraftanlage ist schematisch in
Figur 6, 7 und 8 dargestellt. Figur 8 zeigt eine Gleichrichtervorrichtung, die allgemein mit 10 bezeichnet ist und die einen Vollweg-Brückengleichrichter mit vier Dioden 12 enthält, die
über leitungen 14 und 15 miteinander verbunden sind. Diese
Leitungen stellen beispielsweise eine übliche Einphasenspannung dar, die in USA etwa bei 117 Volt und 60 Hz liegt. Von aem
.Brückengleichrichter führen Gleichspannungsleitungen 16 und 17 nach außen, >vobei die erstere positiv und die letztere negativ ist. In der Leitung 16 befindet sich ein Widerstand 18, und
ein Kondensator 19 liegt zwischen den Leitungen Ί6 und 17>
parallel zum Brückengleichrichter. Ersichtlicherweise aient
aie GleichrichtexVOi-Xichtung 10 zur Umwandlung der Netzwechselspannung in Gleichspannung auf den Leitungen 16 und 17· Es ist ersichtlich, daß die Werte des Widerstands 18 und Kondensators 19 für andere Spannungan als 117 Volt geeignet angepaßt werden können, da nicht in allen Ländern 117 Volt Netzspannung herrscht, Außerdem ist ersichtlich, daß auf den Leitungen H und 15 auch ein geeigneter Gleichstrom eingespeist werden kann, wobei auch in diesem Fall die Leitungen 16 und 17 Gleichspannung führen.

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Figur 6 zeigt eine Kraftanlage 20, die hauptsächlich aus einem Frequenzgenerator besteht, der über Leitungen 16 und 17 mit Gleichspannung gespeist wird. Ein Ein/Aus-Schalter 22 kann in einer der Gleichspannungs-Eingangsleitungen, beispielsweise in Leitung 16 vorgesehen sein. Die Kraftanlage 20 wird durch einen Magnetkerntransformator 24 gesteuert, wie am besten aus Figur 7 zu ersehen ist. Ein solcher Transformator besteht aus drei Schenkeln oder Phasen, bezeichnet mit 25, 26 und 27. In Figur 6 sind die einzelnen .Schenkel des Transformators übersichtlichkeitshalber als drei getrennte Abschnitte dargestellt. In Figur 6 sind die Statorwicklungen eines Mehrphasen-Induktionsmotors mit 29, 30 und 31 bezeichnet. Der in der vorliegenden Erfindung verwendete Mehrphasen-Induktionsmotor ist auf keine bestimmte Anzahl von Phasen beschränkt, vorzugsweise werden jedoch drei Phasen verwendet, wie hier dargestellt ist. Der Frequenzgenerator erzeugt in den Statorwicklungen 29, 30 und 31 des Induktionsmotors Wechselstrom mit der richtigen Phasenbeziehung. Der Frequenzgenerator kann aus zusammengehörigen Paaren von Festkörperschaltern, etwa Transistoren bestehen,, die in Gegentakt geschaltet sind. Mit "Festkörperschaltern" sind solche Elemente gemeint, die auf grund von Beziehungen an den Grenzflächen, wie sie bei Halbleitern oder Transistoren vorhanden sind, einen Stromfluß gestatten oder den Strom blockieren.

Ein erstes Transistorpaar 33, 34 vom npn-Typ liegt zwischen den Leitungen 16 und 17. Die Transistoren 33 und 34

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sind durch eine Leitung 35, die mit der Statorapule 29 des Motors verbunden ist, in Emitter/Kollektor-Schaltung geschaltet, Es ist ersichtlich, das der Frequenzgenerator des Netzteils so angepaßt werden kann, daß zwei pnp-Transistoren, oder aber ein Transistorpaar aus einem npn-Transistor und einem pnp-Transistor für jede Phase verwendet werden können. Der Transistor 33 wird durch eine Transformator-Sekundärspule 36-37 entweder ein- oder ausgeschaltet. Das mit 37 bezeichnete Spulenende ist mit der Leitung 35 verbunden, und das mit 36 bezeichnete Sekundärspulenende ist über einen Widerstand 38 mit der Basis des Transistors 33 verbunden. In ähnlicher Weise wird der Transistor 34 durch eine Transformator-Sekundärspule 40-41 entweder ein- oder ausgeschaltet, wobei das Ende 41 mit einer gemeinsamen Verbindung zwischen Emitter des Transistors 34 und Leitung 17 und das Ende 40 über einen Widerstand 42 mit der Basis des Transistors 34 verbunden ist.

Durch ein weiteres Transistorpaar 44, 45 wird in der Statorwicklung 30 des Motors Wechselstrom erzeugt. Diese Transistoren liegen zwischen den Gleichspannungseingangsleitungen 16 und 17 und sind durch Leitung 46 in Emitter/Kollektor-Schaltung geschaltet. Leitung 46 ist mit dem einen Ende der Motorwicklung 30 verbunden. Der Transistor 44 wird durch eine Transformator-Sekundärspule 48-49 entweder ein- oder ausgeschaltet. Die Spule 48-49 ist mit einem Widerstand 50 zwischen der Leitung 46 und der Basis dea Transistors 44 in Serie geschaltet. In ähnlicher Weise wird Transistor 45 durch eine Transformator-

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Sekundärwicklung 52-53 gesteuert, die mit einem Widerstand 54 zwischen der Basis des Transistors 45 und einer gemeinsamen Verbindung zwischen dem Emitter dieses Transistors und der Grleichspannungsleitung 17 in Serie, geschaltet ist.

In der Statorwicklung 31 wird durch ein Transistorpaar 56, 57 Wechselstrom erzeugt, das zwischen den G-leichspannungseingangsleitungen liegt und durch eine Leitung 58 in

) Emitter/Kollektor-Schaltung geschaltet ist. Die leitung 58 ist mit einem Ende der Statorv/icklung 31 verbunden. Das andere Ende dieser Statorwicklung ist mit einer Leitung 59 verbunden, die auch zu den beiden anderen Statorwicklungen führt. Der Transistor 56 wird durch eine Transformator-Sekundärwicklung 60-61 gesteuert bzw. in den leitenden oder nichtleitenden Zustand geschaltet. Die Wicklung 60-61 ist mit einem Widerstand 62 zwischen der Basis des Transistors 56 und der Leitung 58 in Serie geschaltet. In ähnlicher Weise wird der Transistor 57

^ durch eine Transformator-Sekundärwicklung 64-65 entweder ein- oder ausgeschaltet. Die Wicklung 64-65 liegt mit einem Widerstand 66 zwischen der Basis des Transistors 57 und einer gemeinsamen Verbindung zwischen Emitter des Transistors 57 und der Grleichspannungsleitung 17 in Serie.

Die Sekundärspulen 36-37 und 40-41, die beide auf dem Schenkel 25 des Transformators aufgewickelt sind, wie aus Figur 7 zu ersehen ist, werden durch eine Primärwicklung 68-69 gesteuert, die ebenfalls auf dem Schenkel 25 des Transformators aufgewickelt ist. Das mit 68 bezeichnete Ende dieser Spule

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ist über einen Widerstand 70 mit Leitung 35 verbunden, die die Tranaistoren 33 und 34 miteinander verbindet. Das andere Ende dieser Spule, Ende 69 > ist mit einem Verzweigungspunkt 71 einer Leitung verbunden, 'die die Kondensatoren 72, 73 mit den G-leichspannungseingangsleitungen verbindet. Die Kondensatoren 72, 73 glätten oder Filtern die.Spannung am Verzweigungspunkt 71, so daß diese Spannung immer etwa die Hälfte der angelegten Eingangsspannung beträgt. Ein Kondensator 74 ist zur Primärwicklung 68-69 parallel geschaltet. Der Kondensator 74 verhindert, daß sich die Leitungsbahnen, die durch die abwechselnd leitenden Transistoren 33 und 34 gebildet werden, überlappen. Mit anderen Worten: Der Kondensator 74 verlangsamt die Änderungsgeschwindigkeit zwischen den abwechselnd leitenden Bahnen, wie noch näher erläutert wird.

Die Transformator-Sekundärspulen 48-49 und 52-53 werden von einer Primärwicklung oder Spule 76-77 gesteuert; diese drei Spulen sitzen auf dem Schenkel 26 des Magnetkerntransformators 24. Das mit 76 bezeichnete Ende dieser Wicklung ist über einen Widerstand 78 mit Leitung 46 verbunden, und das andere Ende 77 ist mit der zum Versweigungspunkt 71 führenden Leitung verbunden. Ein Kondensator 80 ist zur Transformatorspule 76-77 parallel geschaltet und verhindert, daß sich die durch das abwechselnde Schalten der Transistoren 44, 45 gebildeten Leitungabahnen überlappen.

Die Transformator-Sekundärwicklungen 60-61 und 64-65 v/erden von einer Primärwicklung 81-82 gesteuert; diese drei

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Wicklungen sitzen auf dem Schenkel 27 des Transformators 24. Das mit 81 bezeichnete Ende dieser Wicklung ist über einen Widerstand 83 mit Leitung 58 verbunden, und das andere Ende ist mit der zum Verzweigungspunkt 71 führenden Leitung verbunden. Ein Kondensator 84 ist zur Transformatorspule 81-62 parallel geschaltet uiid verhindert, daß sich die durch das abwechselnde Schalten der Transistoren 56, 57 gebildeten Leitungs- ^ bahnen überlappen.

Die Kraftanlage 20 enthält einen Anlasserkreis, der aus einer Leitung 86 besteht, die die Gleichspannüngsleitung 16 mit einer gemeinsamen Verbindung zwischen einem Schalter zum Anlassen in Vorwärtsrichtung und einem Schalter 88 zum Anlassen in Eückwärtsrichtung verbindet. Diese Schalter sind mit zugehörigen Anlasserspulen 89-90 und 91-92 für die Vorwärts- und Eückwärtsrichtung verbunden. Wie in Figur 7 angegeben ist, sitzt die Spule 89-90 auf dem Schenkel 25 und Spule 91-92 auf dem Schenkel 27 des Transformators 24. Die Spulenenden 90, 92 sind mit einer gemeinsamen Verbindung verbunden, die ihrerseits über eine Leitung 93 an der G-leichspannungsleitung 17 anliegt. Leitung 93 enthält einen Kondensator 94 und einen parallel geschalteten Widerstand 95.

Die Arbeitsweise der oben beschriebenen Kraftanlage ist kurz folgende:

Um den Rotor eines Llotors mit den Statorwicklungen 29, 30 und 31 anlaufen zu lassen, wird der Schalter 22 geschlossen, woraufhin entweder der Vorwärtsscholter 87 oder der Rück-

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wärtsschalter 88, je nach der gewünschten Drehrichtung, geschlossen wird. Wenn beispielsweise der Schalter 87 geschlossen wird, fließt ein Strompuls durch die für die Vorwärtsrichtung vorgesehene Spule 89-90 auf dem Transformatorschenkel 25. Dieser Puls verursacht das Auftreten eines Magnetflusses im Transformator, so daß die Selbsterregung in der gewünschten Richtung entsteht. Wenn der Eückwärtsschalter 88 geschlossen worden wäre, würde durch die Spule 91-92 ein Strom fließen, so daß ein Magnetfluß in umgekehrter Richtung entstehen würde, wodurch die Selbsterregung in umgekehrter Richtung erfolgen würde. Der Kondensator 94 schickt einen bestimmten Puls durch die Anlasserspule, und der parallelgeschaltete Widerstand 95 bewirkt eine Entladung dieses Kondensators für den nächsten Anlasser-Zyklus.

Die sechs Transistoren im Frequenzgenerator werden als Ein/Aus-Schalter betrieben. Das heißt also: wenn ein Transistor in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, fließt ein genügend hoher Basisstrom, so daß der Transistor im Sättigungsbereich gehalten wird, d. h. zwischen Kollektor und Emitter den Strom gut leitet; wenn ein Transistor in Sperr-Richtung vorgespannt ist, wird die Basisspannung umgekehrt, so daß der Transistor die angelegte Spannung blockiert, d. h. kein Strom zwischen Kollektor und Emitter fließt.

Der-Transformator mit zugehörigem Schaltkreis spricht auf die von den Transistoren gelieferten Spannungen an und steuert wiederum diese Transistoren. Jede Phase des Transfor-

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mators arbeitet auf dem Prinzip der magnetischen Sättigung. Wenn beispielsweise der Transistor 33 eingeschaltet ist, v/ird der Primärspule 68-69.auf· dem Schenkel 25 des Magnetkerntransformators im wesentlichen eine Rechteckwelle eingespeist, und der Magnetfluß in diesem Schenkel ändert sich angenähert linear. Wenn die Rechteckwelle an diesem Schenkel des Transformators anliegt, wird in den Sekundärwicklungen 36-37 und 40-41 ein h Magnetfluß induziert, wodurch an die Basis des Transistors 33 eine positive Spannung angelegt wird, die den Transistor in Durchlaßrichtung vorspannt, und an die Basis des Transistors 34 eine negative Spannung angelegt wird, wodurch der Transistor in Sperr-Richtung vorgespannt v/ird. Wenn die Primärwicklung auf dem Schenkel 25 in den Sättigungsbereich gelangt, sinkt der Ausgang der Sekundärwicklungen, wodurch die Vorspannung an der Basis des Transistors 33 sinkt und diesen auszuschalten sucht, wodurch wiederum die an der Primärwicklung des Schenkels 25 anliegende Spannung niedriger wird. Hierdurch verringert sich die Größe der Amperewindungen in dieser Primärspule, wodurch der Magnetfluß im Schenkel 25 kleiner wird· Diese Verringerung des Magnetflusses im Schenkel 25 erzeugt Spannungen in den Sekundärwicklungen des Transformators, die nun entgegengesetzte Polarität zu den obigen Spannungen aufweisen, wodurch Transistor 34 eingeschaltet und Transistor 33 ausgeschaltet wird. Die Umkehrung des leitenden Zustands der Transistoren und 34 erzeugt eine Spannung an der Primärwicklung des Schenkels 25, die entgegengesetzt zu der oben erwähnten Spannung ist,

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so daß nun der Magnetfluß in diesem Schenkel des Transformators in umgekehrter -Richtung in den Sättigungsbereich gelangt, woraufhin der nächste Zyklus beginnt.

Eine andere Betrachtungsweise liefert folgendes: Wenn eine Spannung an die Primärwicklung jeweils eines Schenkels oder einer Phase des Magnetkerntransformators 24 angelegt wird, fließt ein Strom, und im Eisenkern wird ein Magnetfluß aufgebaut. Der Strom in den Primärwicklungen und der Magnetfluß nehmen, an Amplitude zu, bis der Eisenkern in den Sättigungsbereich gelangt.

Während sich der Magnetfluß in jeweils einem Schenkel des Transformators ändert, erzeugen die zugehörigen Sekundärwicklungen eine Spannung, die von der Flufi-Änderungsgeschwindigkeit abhängt. Die Sekundärwicklungen sind so geschaltet, daß wenn die eine eine positive Spannung für den zugehörigen Transistor, beispielsweise Transistor 33, liefert, liefert die andere Sekundärspule eine negative Spannung für den Transistor 34. Dadurch wird der Transistor 33 in Durchlaßrichtung und der Transistor 34 in Sperr-Richtung vorgespannt. Wenn der Eisenkern des Transformators gesättigt ist, tritt keine Flußänderung mehr auf, so daß beide Sekundärspulen des Transformatorschenkels oder der Phase die Ausgsngsspannung Hull liefern. Hierdurch liegt an den Transistoren keine Basisvorspannung mehr an, so daß sie nicht leiten.

Wenn der Transistor 33 ausgeschaltet ist, wird die Stromzufuhr zur Primärspule des Transformatorschenkels 25

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unterbrochen, wodurch der im Magnetkern dieses Schenkels aufgebaute Magnetfluß abzunehmen beginnt; das verursacht eine Richtungsänderung des Magnetflusses, wodurch in den Sekundärwicklungen Spannung erzeugt wird, jedoch nun mit umgekehrter Polarität zur bisherigen Spannung. Hierdurch bleibt der Transistor 33 ausgeschaltet, und der Transistor 34 wird eingeschaltet. Pur den restlichen Teil der Halbperiode herrschen die gleichen Vorgänge, wie schon beschrieben wurde, jedoch überall mit entgegengesetzter Polarität. Es ist ersichtlich, daß die Arbeitsweise der anderen Schenkel des Frequenzgenerators identisch ist zur Arbeitsweise des Schenkels 25 mit den Transistoren 33 und 34. Jirsichtlicherweise liefert der Transformator 24 die Vorspannungen für die Transistoren. Außerdem erfüllt der Transformator 24 eine logische Funktion, da er die richtige Keihenfolge für das Behalten der Transistoren liefert; mit anderen Worten: der Transformator synchronisiert und trennt die Phasen des Wechselstroms am Ausgang aes Generators, letzteres wird dadurch erreicht, daß die verschiedenen Schenkel oder Phasen aes Transformators 24 miteinander magnetisch gekoppelt sina. us boüuc uitx- erwähnt werden, daß die Windungszahl aller drei Priu.ärspulen gleich ist. Auch die Windungszahl sämtlicher Sekundärspulen ist gleich. Die richtige Schaltreihenfolge der Transistoren wird nicht nur durch die Anordnungen der Wicklungen des Transformators bewirkt, sondern auch durch die Geometrie oder räumliche Konstruktion des Transformatorkerns selbst.

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Wie aus Figur 7 zu ersehen ist, sind diejenigen Abschnitte des Kerns, die die Spulen tragen, doppelt so "breit wie die übrigen Kernabschnitte. Man kann sagen, daß der Kern des Transformators eine einheitliche Dicke besitzt. Die eben erwähnten Verhältnisse der Wicklungsabschnitte und die Anordnung des Transformatorkerns liefern gemeinsam eine Periodendauer für die Flußänderung, die bei allen Phasen gleich ist. In anderen Worten ausgedrückt« Die Zeit, die der Magnetfluß benötigt, um von der einen Sättigungsrichtung in die andere umzuschwenken, ist bei allen Schenkeln 25, 26 und 27 des Magnetkerntransformators 24 gleich. Da die Schenkel 25 und 27 mit dem Schenkel 26 je eine gemeinsame Flußbahn besitzen, muß die zeitliche Beziehung zwischen den Flüssen derart sein, daß sich die Flüsse in der gemeinsamen Bahn zu jedem gegebenen Augenblick zu einem Wert addieren, der nicht größer ist, als der Sättigungswert für den Magnetfluß im Kern des Transformators 24. Auf grund dieser Bedingungen bewirken die zeitlichen Beziehungen, daß die Flüsse gleichen Abstand voneinander haben, wodurch die Transistoren in der für die Synchronisation und Phasentrennung des Wechselstroms am Frequenzgeneratorausgang richtigen Reihenfolge geschaltet werden.

Es ist ersichtlich, daß die verschiedenen Transformatorwicklungen dafür sorgen, daß die Transistoren so in ihre verschiedenen Leitungszustände geschaltet werden, daß in den Statorwicklungen 29-31 ein hochfrequenter Dreiphasen-Wechselstrom herrscht, mit dem der Induktionsmotor betrieben wird.

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Die Schalt-Reihenfolge der Transistoren für einen Betriebszyklus ist in Figur 11 gezeigt. Der Transformator 24, dessen Schenkel oder Phasen magnetisch miteinander gekoppelt sind, dient als einzige Vorrichtung zur Steuerung der Schalt-Seihenfolge der Transistoren und dient dadurch gleichzeitig zur Synchronisation und richtigen Phasentrennung des Wechselstroms, wodurch sich spezielle, extra vorgesehene Vorrichtungen für * die Synchronisation erübrigen.

Der Magnetkerntransformator liefert eine Anpassung für den zugehörigen Frequenzgenerator, so daß dieser von einer Grleichspannungsquelle mit hoher Welligkeitskomponente "betrieben werden kann, die momentane Spannungswerte aufweist, die erheblich voneinander abweichen können, wie das bei der Gleiehrichtervorrichtung 10 der Pail sein kann. Da der Frequenzgenerator auch eine relativ hohe Welligkeit im Gleichstrom verträgt, kann der Kondensator 19 relativ klein sein.

Eine Ausführungsform der Kraftanlage nach der vorliegenden Erfindung, die den oben beschriebenen Motor enthält, stellt die Werkzeuganordnung aus Figur 1 und 2 dar. Der oben beschriebene Motor kann als Universalmotor ohne Kontaktbürsten bezeichnet werden, da er keine Bürsten besitzt und sowohl mit Gleichstrom als auch mit Wechselstrom, der an den Leitungen 14 und 15 anliegt, betrieben werden kann. Die in Figur 1 und 2 dargestellte Werkzeuganordnung enthält ein kraftbetriebenes Werkzeug, beispielsweise einen elektrischen Bohrer 98 mit einer üblichen Spinel dl 99, einem Auslöseknopf 100 und einem

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Schalthebel 101 für Vorwärts- und Bückwärtslauf. Es soll erwähnt werden, daß der Bohrer 98 einen Induktionsmotor enthält, der mehr oder weniger schematisch in Figur 3 dargestellt ist. Ein solcher lüotor "besitzt einen Stator 102, der aus den oben beschriebenen Wicklungen 29-31 besteht. Der Motor enthält weiterhin einen Rotor 103> der auf einer Welle 104 angebracht ist, deren Enden in geeigneten Lagern sitzen, wobei ein Lager mit 105 bezeichnet ist. Es soll außerdem erwähnt werden, daß der Auslöser 100 mit dem Schalter 22 und der Hebel 101 mit den Schaltern 87, 88 verbunden ist, wie in Figur 3 gezeigt ist. -

Die kraftbetriebene Werkzeuganordnung aus Figur 1 und 2 enthält weiterhin ein elektrisches Kabel 107, das die verschiedenen Stetorwieklungen mit einer Steckeranordnung 108 verbindet, die aus einem kastenförmigen Gehäuse 109 mit einem daran befindlichen Stecker 110 besteht. Der Stecker 110 besitzt übliche Stifte 111, 112 sowie eine Erdklemme 113 und kann mit Einphasenwechselsxoannung von etwa 117 Volt, 60 Hz verbunden werden, also der üblichen lie t ζ spannung.

Die in Figur 6-8 dargestellte Kraftanlage eignet sich zur Uiniaturbauweise. Alle elektronischen Komponenten der Kraftanlage aus Figur 1und 2 befinden sich mit Ausnahme der Statorwicklungen im Steckergehäuse 109· Die verschiedenen Transistoren sind auf einer Unterlagenplatte 115 montiert. Einer der größeren Kondensatoren ist bei 116 eingezeichnet. Verschiedene weitere Kondensatoren und Widerstände befinden sich auf einer Trennplatte 117.

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Figur 3 zeigt eine ähnliche kraftbetriebene Werkzeuganordnung mit einer anderen Ausführungsform der Kraftanlage nach der vorliegenden Erfindung. Die Teile der Werkzeuganord-. nung aus Figur 3, die mit entsprechenden Teilen der Anordnung aus Figur 1 und 2 übereinstimmen, sind mit der gleichen Bezugsnummer aber mit einem Apostroph oder Strich gekennzeichnet. In dieser Ausführungsform befinden sich nur die Vollweg-Grleich-. richterbrücke 10 und einige der größeren Kondensatoren im Gehäuse 109' der Steckeranordnung 108', so daß diese Steckeranordnung kleiner als die aus Figur' 1 und 2 ist. In der vorliegenden Ausführungsform befinden sich die anderen elektronischen Komponenten sowie der Magnetkerntransformator 24 im Werkzeuggehäuse. Die Transistoren befinden sich, wie schon erwähnt wurde, auf einer Platte 115'· Verschiedene Widerstände und Kondensatoren können, entsprechend dem vorhandenen Platz, entweder im Gehäuse des Werkzeugs 98' oder im Gehüuse der Steckeranoranung 108' angebracht sein.

ψ Die in Figur 4 gezeigte Ausführungsform der vorliegenden' Erfindung ist in dem Gehäuse 120 eines kraftbetriebenen Schraubenziehers 121 vorgesehen. Ein Kabel 122 verbindet .den Schraubenzieher mit einer üblichen Steckeranordnung 123, die zwei Stifte 124 und eine Erdklemme 125 enthält. Der Schraubenzieher enthält einen Induktionsmotor mit einem Stator 126, der aus den oben beschriebenen Stator«wicklungen 29-31 besteht. Der Motor enthält einen Botor 127, der auf einer Welle 128 angebracht ist, deren gegenüberliegende Enden geeignet gelagert

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sind, wobei ein Lager mit 129 "bezeichnet ist. In dieser Ausführungsform befinden sich sämtliche Komponenten der Kraftanlage im Gehäuse 120 des Werkzeugs in unmittelbarer Nähe des Motors. Die verschiedenen Transistoren und die Gleichriehterbrücke sind als Kästchen 150 eingezeichnet, üiner der größeren Kondensatoren befindet sich bei 131· Die verschiedenen weiteren Kondensatoren und Widerstände können je nach vorhandenem Platz iiü Gehäuse Ί20 angebracht sein.

In der in Figur 5 dargestellten Ausführungsform der Erfindung befinden sich sämtliche elektronischen Komponenten im zylindrischen Gehäuse 133 an dem einen Ende eines rohrförmigen Teils 134, das einen Teil eines Vibrationswerkzeugs darstellt, das allgemein mit 135 bezeichnet ist. Es soll erwähnt werden, daß das vibrierende Teil 135, das beispielsweise für Betonierarbeiten verwendet werden kann, einen Exzenter 135a enthält, der durch geeignete Vorrichtungen mit dem Rotor eines Induktionsmotors 135b verbunden ist, der den Antrieb für das Werkzeug liefert. In dieser Anordnung ist einer der größeren Kondensatoren bei 136 eingezeichnet. Die Transistoren befinden sich an den gegenüberliegenden Seiten einer Trennplatte 137. Die in Figur 5 gezeigte kraftbetriebene Werkzeuganordnung enthält ein Kabel 138, das zu einem üblichen Stecker 139 mit zwei Stiften 141" und einer Erdklerame 140 führt.

Eine weitere Auaführungsform einer Kraftanlage ist in Figur 9 und 10 dargestellt. Diese Ausführungsform arbeitet im wesentlichen in der gleichen Weise wie zuvor beschrieben

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wurde; der hauptsächliche Unterschied besteht darin, daß der Frequenzgenerator keinen eigenen Transformator enthält. Die verschiedenen Transformatorspulen befinden sich auf dem Stator des Motors in induktiver Kopplung mit den Statorwicklungen, weshalb ein Teil des Stators als Transformatorkern dient. Diejenigen Komponenten aus Figur 9, die den Komponenten aus Figur 6 entsprechen, sind durch einen Apostroph hinter der Befc zugsnummer gekennzeichnet.

In Figur 9 besteht die Statorwicklung 29· aus den in Serie geschalteten Wicklungen 145-148. Die Statorwicklung 30' besteht in ähnlicher V/eise aus den in Serie verbundenen Wicklungen 150-153. Die Statorwicklung 31' enthält die in Serie geschalteten Wicklungen 155-158.

Der Transistor 33' wird durch die in Serie geschalteten Spulen 160 und 161, die zwischen der Basis des Tranaistors 33' und der Leitung 35' liegen, entweder ein- oder ausgeschaltet. In ähnlicher Weise wird der Transistor 34' durch die Spulen 162, 163 gesteuert, die zwischen der Basis des Transistors und der Grleichspannungsleitung 17' in Serie geschaltet sind. Die in Serie verbundenen Spulen 165, 166 liegen zwischen der Basis des Transistors 4.4' und der leitung 46', und in ähnlicher Weise liegen. di^e Spulen 168 und 169 zwischen der Basis des Transistors 45' und der Leitung 17.'. Der Transistor 56' wird durch die Spulen I70 und 171 gesteuert, die zwischen der Basis dieses Transistors, und der Leitung 58,· in -Serie geschaltet sind. Der Transistor 57'wird durch die Wicklungen172, 173 gesteuert,

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die zwischen der Basis des Transistors 57' und der leitung 17' in Serie verbunden sind. Ein Anlasserkreis enthält eine Anlasserspule 174 in einer Verbindungsleitung zwischen den Leitungen 16* und 17', die außer dem Kondensator 94' und dem Widerstand 95* auch eine Diode 175 enthält. Ein solcher Anlasserkreis kann eine Anlasserspule für die Rückwärtsrichtung und Anlasserschalter für Vorwärts- und Rückwärtsrichtung wie in Figur 6 enthalten. Die mit einem und zwei Strichen versehenen Bezugsnummern in Figur 9 stellen die Enden der Wicklungen dar.

In Figur 10 ist die Lage der einzelnen Wicklungen auf einem Stator 176 eines Induktionsmotors schematisch dargestellt, wobei die Enden der Wicklungen durch einen und zwei Striche gekennzeichnet sind. Wie schon erwähnt wurde, ist die Arbeitsweise dieser Anlage bei der Erzeugung von Wechselstrom mit der richtigen Phasenbeziehung im Stator des Motors die gleiche wie bei der Anlage aus Figur 6. Die verschiedenen cic.id .:el Cuui' jAic.-Scäii uci.: Jrüi3..üi'.::jo,'j sind magnetisch miteinander gekoppelt, da sie alle auf demselben Statorkern sitzen und somit eine Einheit bilden.

Die Anlage aus Figur 9 und 10 eignet sich, da sie keinen gesonderten Transformator benötigt, für eine kompakte Bauweise, die für tragbare elektrische Werkzeuge, bei denen der Platz begrenzt ist, vorteilhaft ist. Is soll erwähnt werden, daß die Kraftanlage nach der vorliegenden Erfindung bequem für einen Einbau in verschiedene kraftbetriebene Werkzeuganordnungen angepaßt werden kann, wie sie in Figur 1-5 dargestellt

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sind, oder auch für andere tragbare elektrische Geräte geeignet ist, wenn Saum, Gewicht oder Größe beschränkt sind.

Es ist ersichtlich, daß die Kraftanlage nach der vorliegenden Erfindung einen vollständig neuen Weg bei der Ausführung elektrisch betriebener Werkzeuge wertete Werkzeuge nach der vorliegenden Erfindung haben den Vorteil, daß sie elektrisch betrieben werden und eine Arbeitsweise, Größenabmessungen und Betriebskennwerte aufweisen, die mit pneumatisch betriebenen Werkzeugen vergleichbar sind. Der Motor der Kraftanlage, der als bürstenloser Universalmotor bezeichnet werden kann, hat eine längere Lebensdauer, da er ohne Bürsten und ohne Kommutator arbeitet. Der Irequenzgenerator, der einen Teil der Erfindung darstellt, erzeugt einen mehrphasigen, hochfrequenten Wechselstrom in den Statorwicklungen, und zwar aus einem Eingangsstrom, der sowohl ein Gleichstrom als auch ein Wechselstrom niedriger Frequenz sein kann. Die Kraftanläg'e^liefert ein Werkzeug mit hohem Wirkungsgrad bei kleinstmöglichen Größenabmessungen und günstigere Geschwindigkeits/Drehmoment-ivennwerte. Der Motor dieser Anlage benötigt keinen gewickelten Anker und erlaubt die Verwendung eines Rotors mit solider, fester Konstuktion und minimaler Größe. Die vorliegende Kraftanlage gestattet einen funkenfreien Betrieb bei hohen Geschwindigkeiten und erlaubt verschiedene Betriebsfrequenzen über einen relativ weiten Bereich.

Obwohl in: vorstehenden verschiedene Ausführung rf ο ZTi er: der Erfindung gereift und beschrieben wuruen, ist ersichtlich, dafc? die Erfindung· nicht hiersirf beschränkt ist.

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Claims (13)

1. Kraftanlage für eine tragbare elektrische Werkzeuganordnung aus einem tragbaren elektrischen Werkzeug, einer elektrischen Steckeranordnung und einer langgestreckten, biegsamen Kabelanordnung, die das Werkzeug mit dem Stecker verbindet und mehrere elektrische Leiter führt, gekennzeichnet durch einen elektrischen Induktionsmotor, der im Werkzeuggehäuse untergebracht ist und der Statorspulen enthält; einen Prequenzgenerator, der zusammen mit den Statorspulen dazu dient, eine hochfrequente Mehrphasen-Wechselspannung aus einer Netz-Eingangsspannung zu erzeugen, wobei'der Prequeite— generator eine Anzahl Festkörperschalter enthält, die in Gegentakt arbeiten; der Prequenzgenerator enthält außerdem

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   Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann I MÖNCHEN 2, THERESiENSTRASSE 33 · Telefon.2T2162 - Telegromm-Adre»*»ι Llpolli/MOndien

   Bankverbindungen Deuhthe Bank AO, Filial· Mönchen, Dep.-KatM ViktualienmarW, Konto-Nr. 70/3008 Bayer. Vereimbank MOndien, Zweie·». Oikar-von-Miller-RIng, Kto.-Nr. H2495 · FoshdMck-Konlo: Mönchen Nr. 143397

   Oppertower BOro: PATENTANWALT DR. REINHOLD SCHMIDT

   einen Magnetkerntransformator, um die Schalt-Reihenfolge der Schalter zu steuern, wobei sämtliche Komponenten der Kraftanlage in der Werkzeuganordnung enthalten sind.
2. 2. Kraftanlage nach Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet, daß die Steckeranordnung für STetz-V/eehselspannung geeignet ist, mit einer G-leichrichtervorrichtung, die die Netz-Weehselspannung in Gleichspannung umwandelt, wobei der Frequenzgenerator

   \ aus dieser Gleichspannung eine xiochxrequente Mehrphasen-Wechselspannung im Stator des Motors erzeugt.
3. 3. Kraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator öteuerspulen enthält, die auf dem Stator des Motors in induktiver Kopplung mit atm Statorspulen angebracht sind.
4. 4. Kraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator die einzige Vorrichtung zur Steuerung der Schalt-Reihenfolge der Schalter ist und dazu

   ^ dient, die Phasen des Wechselstoms im Stator zu synchronisieren und voneinander zu trennen.
5. 5. Kraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß einige der Komponenten des Frequenzgenerators im Werkzeuggehäuse untergebracht sind, während sich die übrigen Komponenten in der Steckeranordnung befinden.
6. 6. Kraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Komponenten der Kraftanlage im Werkzeuggehäuse untergebracht sind.

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7. 7. Kraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Komponenten des Frequenzgenerators in der Steckeranordnung untergebracht sind.
8. 8. Kraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug aus einem langgestreckten Vibrationsteil: besteht, wobei die biegsame Kabelanordnung teilweise durch eine rohrförmig^ Verlängerung des Werkzeuggehäuses und andererseits durch eine elektrische Schnur dargestellt wird, wobei
   sämtliche Komponenten des Frequenzgenerators in der rohrförmigen Verlängerung untergebracht sind.
9. 9. Kraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Schalter einen Transistor enthält.
10. 10. Kraftanlage nach -Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzgenerator mehrere Frequenzgeneratorzweige oder -Schenkel enthält,, die jeweils aus in G-egentakt
    geschalteten Schaltern bestehen,, mit einem Liagnetkerntransforinator, der ao viele Phasen enthält, wie Frequenzgeneratorschenkel vorhanden sind, wobei jede Phase ces Transformators zwei Sekundärwicklungen enthält, die mit dem Schalter des
    zugehörigen Schenkels verbunden sind, um den Schalter abwechselnd in den leitenden und den nichtleitenden Zustand vorzuspannen, und zwar entsprechend der llagnetflußänderung in dieser Phase des Transformators, wobei die Phasen des. Transformators megnetisch miteinander gekoppelt sind und dadurch die einzige Vorrichtung zur Synchronisation und Phasentrennung der
    Wechselspannung am Ausgang des Frequent,£enerators bilden.

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11. 11. Kraftanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen des Transformators so angeordnet sind, daß sie den Schalter jedes "Frequenzgeneratorschenkels für die eine Hälfte jeder Periode in den leitenden Zustand und für die andere Hälfte der Periode in den nichtleitenden Zustand vorspannen.
12. 12. Kraftanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, da£ jede Schaltervorrichtung aus paarweise angeordneten Schaltern "besteht.
13. 13. Kraftanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche zu einer Phase des Transformators gehörenden Y/icklungen auf dem Kern des Stators aufgewickelt sind und mit den entsprechenden Statorspulen induktiv gekoppelt sind, wobei die Statorspulen als Primärwicklungen für den Transformator dienen.

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