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Die Erfindung betrifft eine Kernlochbohrmaschine mit einem Ständergehäuse, an dem eine Bohreinheit höhenverstellbar angeordnet ist, die von einer Motoreinheit angetrieben ist, welche aus einem Stator, Rotor, mindestens einem Permanentmagnet, Feldwicklungen und einem Kommutierungssystem besteht, einem am Ständergehäuse festgelegten Magneten zum Fixieren auf einer ferromagnetischen Fläche, einer Steuereinheit mit einer Steuerschaltung zur Ermittlung des Motor- und Maschinenzustandes sowie zur Vorgabe der Drehzahl, Drehzahlbereiche und Drehrichtung, einem Wechselstromeingang und/oder einem Energiespeicher für die Stromversorgung der Motoreinheit.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2008 034 773 A1 ist ein Elektrowerkzeug bekannte, das ein Gehäuse und eine Basis umfasst, die mit einem Teil des Gehäuses verbunden ist, wobei die Basis betrieben werden kann, um das Werkzeug magnetisch mit einem Werkstück zu verbinden. Das Elektrowerkzeug umfasst ferner einen Elektromotor, der durch das Gehäuse gehalten wird, eine Gleichstromquelle (Akku) für die Versorgung des Motors, einen Wechselstromeingang für die Stromversorgung des Motors, wobei der Wechselstromeingang so konfiguriert ist, um Strom von Wechselstromquelle zu empfangen, und eine Stromversorgungseinheit, die elektrisch mit der Gleichstromquelle und dem Wechselstromeingang verbunden ist, wobei die Schalteinheit den Motor wahlweise mit der Gleichstromquelle oder den Wechselstromeingang verbindet. Als Motor kommt ein Wechselstrom- oder Gleichstrommotor zum Einsatz, der vor allem bei Magnetkernlochbohrmaschinen als bürstenbehafteter Reihenschlussmotor ausgeführt ist.
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Diese bekannten Motoren sind zwar preisgünstig, haben jedoch eine Reihe schwerwiegender Nachteile wie beispielsweise einen sehr hohen Verschleiß infolge der durch die Bürsten erzeugten Reibung, was zum sogenannten Bürstenfeuer und zur Verbrennung der Bürsten führt. Die Bürsten müssen daher häufig gewechselt werden und begünstigen bei fehlender Wartung oftmals einen vorzeitigen Defekt am Motor. Die Folge ist eine geringe Lebensdauer und ein erheblicher Wartungsaufwand. Im Zusammenhang mit dem erhöhten Verschleiß entstehen hohe Kosten und ein beträchtlicher finanzieller Nachteil für den Nutzer. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Drehmomentkennlinie dieser Motoren stark degressiv verläuft, wobei mit zunehmender Drehzahl das abgreifbare Drehmoment stark abnimmt, so dass nur ein relativ kleiner Arbeitsbereich vorhanden ist, der eine große Anzahl von Getriebeübersetzungen erfordert, um optimal arbeiten zu können. Der mit diesen Motoren erreichte Wirkungsgrad ist daher mit 0,5 bis 0,7 relativ gering und es wird viel Energie in Wärme umgewandelt. Außerdem ist die Geräuschentwicklung an den Schleifringen des Kommutierungssystems und den Bürsten erheblich, so dass ein sicheres Arbeiten nur mit Gehörschutz möglich ist.
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Aufgabenstellung
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Bei diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kernlochbohrmaschine bereitzustellen, deren Motor durch Wegfall der Bürsten mit geringerer Reibung weitgehend verschleißfrei arbeitet, einen höheren Wirkungsgrad bei geringerem Energieverbrauch besitzt, eine erheblich geringere Geräuschentwicklung verursacht und den Wartungsaufwand bei gleichzeitig deutlicher Erhöhung des zur Verfügung stehenden Drehmomentes und Verbesserung der Nutzerfreundlichkeit reduziert.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kernlochbohrmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind den Unteransprüchen entnehmbar.
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Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass die Motoreinheit einen BLDC-Motor mit am Stator angeordneten Feldwicklungen und mit einer aus einer Kommutierungslogik und einer Stromwendungsschaltung bestehenden elektronischen Kommutierung zum zeitlich versetzten Ansteuern der Feldwicklungen umfasst. Dieser bürstenlose Gleichstrommotor hat den Vorteil, dass die Reibung und damit der Verschleiß durch den Wegfall der Bürsten deutlich reduziert sowie die Geräuschentwicklung herabgesetzt wird. Von besonderem Vorteil ist weiterhin, dass der BLDC-Motor auch bei höheren Drehzahlen ein kontinuierlich hohes Drehmoment bereitstellt, wodurch sich ein wesentlich größerer Arbeitsbereich bei für den Arbeitsprozess optimaler Drehzahl ergibt, die durch die Steuerung einfach auf die verschiedensten Werkzeuge angepasst werden kann. Dies ermöglicht es, das Getriebe mit weniger Getriebestufen auszulegen, so dass das Getriebe mit einer geringen Teileanzahl und kleinerem Bauraum auskommt. Durch den Wegfall der Bürsten kann außerdem die Baulänge des Motors und damit der Kernlochbohrmaschine reduziert werden, so dass die Handhabung der Kernlochbohrmaschine infolge ihres geringeren Gewichtes für den Nutzer einfacher wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Kernlochbohrmaschine zur Umwandlung der Wechselspannung in Gleichspannung weiterhin einen steuerbaren Gleichrichter oder Umrichter, der einerseits mit dem Wechselstromeingang und andererseits mit der Steuereinheit verbunden ist, wobei der Umrichter und/oder der Wechselstromeingang wahlweise auf den Energiespeicher zum Aufladen schaltbar ist.
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Es gehört natürlich auch zu der Erfindung, wenn anstelle des Wechselstromeingangs nur ein Energiespeicher zur Stromversorgung des BLDC-Motors vorhanden ist. In einem solchen Fall kann auf den Umrichter verzichtet werden. Es muss nur sichergestellt sein, dass der Energiespeicher aufladbar ist. Alternativ kann natürlich die erfindungsgemäße Kernlochbohrmaschine auch nur einen Wechselstromeingang ohne Energiespeicher für die Stromversorgung des BLDC-Motors besitzen.
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Von wesentlicher Bedeutung der Erfindung ist, dass der BLDC-Motor eine sensorgesteuerte oder sensorlose Kommutierung und die Kommutierungslogik aufweist, wobei die sensorgesteuerte Kommutierung die Position des Rotors durch mindestens drei am Stator befestigte, jeweils den Feldwicklungen des Stators zugeordnete Hallsensoren erfasst und über Messleitungen an die Kommutierungslogik zur Weiterverarbeitung und Ansteuerung einer zur Kommutierungslogik gehörenden Stromwendungsschaltung übergibt.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann die sensorgesteuerte Kommutierung zum Erfassen der Position des Rotors einen optischer Sensor, beispielsweise Encoder-Scheibe oder eine andere Art der absoluten Positionsbestimmung, umfassen, der mit der Kommutierungslogik verbunden ist, welche die Position des Rotors ermittelt und die Stromwendungsschaltung ansteuert.
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Nach einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung umfasst die sensorlose Kommutierung eine in die Steuereinheit integrierte elektronische Steuerschaltung, die die jeweilige Position des Rotors durch Messung der induzierten Spannung (Back-EMF) in der jeweils nicht bestromten Feldwicklung ermittelt und diese an die Kommutierungslogik der Steuereinheit über eine Messleitung zur Weiterverarbeitung und Ansteuerung der Stromwendungsschaltung übergibt. Dies hat den Vorteil, dass auf die Anordnung von Sensoren im BLDC-Motor verzichtet werden kann.
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Zweckmäßig ist in weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung auch, dass der Energiespeicher in die Kernlochbohrmaschine integrierbar und/oder auch als externer Energiespeicher ausgebildet sein kann, der beispielsweise über ein Kabel mit dem Umrichter oder der Steuereinheit verbunden werden kann. Bevorzugt ist der Energiespeicher als ein Akku oder ein Kondensator-Speicher ausgeführt.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
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Ausführungsbeispiel
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Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
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Es zeigen
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1 eine perspektivische Darstellung einer an einem Gehäuse höhenverstellbar angeordneten Kernlochbohrmaschine nach dem Stand der Technik,
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2 eine schematische Darstellung des BLDC-Motors mit Steuerschaltung und Kommutierungslogik,
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3 die Drehmomentkennlinie von AC-Motor und BLDC-Motor im Vergleich,
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4 ein Schaltschema für eine sensorlose Kommutierung der erfindungsgemäßen Kernlochbohrmaschine
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5a bis 5d Beispiele von Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Kernlochbohrmaschine.
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Die 1 zeigt den üblichen Aufbau einer Kernlochbohrmaschine nach dem Stand der Technik. Diese Kernlochbohrmaschine weist ein Gehäuse 1 mit einem schaltbaren Elektromagneten 2 auf, der die Kennlochbohrmaschine auf einer ferromagnetischen Fläche fixiert. Die Motoreinheit 3 der Kernlochbohrmaschine, die die Bohreinheit 7 antreibt, ist an einem Halter 4 befestigt, welcher einen Schlitten 5 trägt, der höhenverstellbar in einer am Gehäuse 1 festgelegten senkrecht verlaufenden Führungsbahn 6 angeordnet ist. Die Höhenverstellbarkeit der Kernlochbohrmaschine am Gehäuse 1 wird dadurch bewerkstelligt, dass der Schlitten 5 eine zur Führungsbahn parallel verlaufende Zahnstange 8 aufweist, die durch ein Ritzel über ein von Hand betätigbaren Drehgriff 9 entsprechend verschiebbar ist.
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Der bekannte Motor besteht entweder aus einem Wechselstrommotor oder einem Gleichstrommotor in Reihenschlussbauweise, die Bürsten zur mechanischen Kommutierung verwenden. Diese bekannten Motoren für Kernlochbohrmaschinen führen in der Praxis zu nachfolgenden Nachteilen:
- – die Bürsten erzeugen Reibung und ein kontinuierliches Bürstenfeuer, das die Bürsten verbrennt und zum vorzeitigem Verschleiß der Bürsten führt,
- – die Geräuschentwicklung zwischen den Schleifringen und Bürsten ist sehr stark, so dass ein Arbeiten nur mit Einem entsprechenden Gehörschutz möglich ist,
- – der Verschleiß der Bürsten erfordert einen häufigen Wechsel der Bürsten mit hohem Wartungsaufwand,
- – der erreichbare Wirkungsgrad von derartigen Motoren liegt etwa bei 0,5 bis 0,7 und ist somit relativ gering, weil durch die Reibung und den Verschleiß viel Energie in unerwünschte Wärme umgewandelt wird,
- – die Drehmomentkennlinie dieser Motoren verläuft stark degressiv, so dass mit zunehmender Drehzahl das zur Verfügung stehende Drehmoment stark abnimmt, wodurch nur ein relativ kleiner Arbeitsbereich vorhanden ist, bei dem optimal gearbeitet werden kann,
- – die Getriebeübersetzung für die Motoren muss entsprechend breit ausgelegt werden, um im schmalen Arbeitsbereich entsprechend angepasste Drehzahlen für unterschiedliche Werkzeuge bereitzustellen, was wiederum eine voluminöse Bauweise nach sich zieht, das Gewicht der Kernlochbohrmaschine erhöht und die Handhabung für den Nutzer erschwert.
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In der 2 ist die Drehmomentkennlinie eines AC-Motors im Vergleich zum BLDC-Motor 3.1 gezeigt. Man erkennt, dass das Drehmoment M mit steigender Drehzahl n beim AC-Motor keinem linearen Zusammenhang folgt, sondern degressiv relativ stark abnimmt, wohingegen das Drehmoment M beim BLDC-Motor 3.1 weitgehend über die Drehzahl am Arbeitspunkt AP konstant bleibt.
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In 3 ist der prinzipielle Aufbau des BLDC-Motors 3.1 mit einer Stromwendungsschaltung 10 und einer Kommutierungslogik 11 gezeigt, wobei letztere zur Steuereinheit 12 gehört, die die Informationen einer nicht weiter im Einzelnen dargestellten Sensorik S zur Ermittlung des Motor- und Maschinenzustandes auswertet, zur Anzeige bringt und die Drehzahl, die Drehzahlbereiche und die Drehrichtung entsprechend des gewählten Werkzeugs über eine nicht weiter dargestellte Steuerschaltung ST vorgibt. Natürlich ist es auch möglich, die Kommutierungslogik 11 separat von der Steuereinheit 12 entsprechend den vorhandenen Platzverhältnissen anzuordnen.
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Der BLDC-Motor 3.1 besitzt einen Stator 13 und einen Rotor 14, der hier beispielsweise von einem Permanentmagneten 15 umschlossen ist. Der Stator 13 ist mit drei sternförmig verbundenen Feldwicklungen 16A, 16B und 16C versehen, die innen im Sternpunkt zusammengeführt sind, so dass die drei Leitungen 17 iA, 17 iB und 17 iC nach außen in die Stromwendungsschaltung 10 führen. Weiterhin sind drei Hallsensoren 18 im Stator 13 eingebettet, die durch die Messleitungen 19 hA, 19 hB und 19 hC mit der Kommutierungslogik 11 verbunden sind. Die Hallsensoren 18 messen die jeweiligen Winkelpositionen des Rotors 14. Sobald die Magnetpole des Permanentmagnetpaares 15 die Hallsensoren 18 passieren, erzeugen letztere ein entsprechendes Signal hA, hB und hC, das über die Messleitungen 19 hA, 19 hB und 19 hC an die Kommutierungslogik 11 zur Ermittlung der jeweiligen Winkelposition und Ansteuerung der Stromwendungsschaltung 10 weitergeleitet wird. Die Stromwendungsschaltung 10 setzt sich im Wesentlichen aus elektronischen Schaltern, beispielsweise IGBT-Schaltern 20 ZA+, 20 ZA–, 20 B+, 20 ZB–, 20 ZC+ und 20 ZC–, zusammen, die die zugehörigen Feldwicklungen 16A, 16B, 16C bestromen. Dabei müssen die Feldwicklungen 16A, 16B und 16C, das Erregerfeld des Permanentmagneten 15 und der Bestromungsverlauf sorgfältig aufeinander abgestimmt sein, um ein möglichst hohes und konstantes Drehmoment zu erzeugen.
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Die 4 zeigt ein Schaltschema für den Betrieb einer Kernlochbohrmaschine mit sensorloser Kommutierung, die sich der Messung der induzierten Spannung (Back-EMF) in der jeweils nicht bestromten Feldwicklung bedient, um die jeweilige Position des Rotors 14 zu ermitteln. Die Stromwendungsschaltung 10 entspricht in diesem Fall der sensorgesteuerten Kommutierung, kann aber auch durch eine andere geeignete Schaltung ersetzt werden. Über die Messleitungen 19 werden die gemessenen Spannungen zur Ermittlung der Position des Rotors 14 und zur Ansteuerung der Stromwendungsschaltung 10 der Kommutierungslogik 11 zugeführt.
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In den 5a bis 5d sind verschiedene Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Kernlochbohrmaschine dargestellt. Die 5a zeigt eine Variante, die ausschließlich für den Betrieb mit Wechselstrom ausgelegt ist. Hierbei wird die Wechselspannung über den Wechselspannungseingang bzw. dem AC-Netz 23 einem Umrichter 21 zugeführt, der die Wechselspannung in eine Gleichspannung umwandelt oder auf ein anderes Spannungsniveau bringt, um anschließend von einer nicht weiter dargestellten, vom der Steuereinheit 12 aufgenommen Steuerungsschaltung auf die notwendige Spannung für den BLDC-Motor 3.1 umgewandelt zu werden. Der Einsatz einer mobilen erfindungsgemäßen Kernlochbohrmaschine verdeutlicht die 5b. Eine solche Kernlochbohrmaschine arbeitet mit einem internen oder externen Energiespeicher 22, der eine netzunabhängige Arbeitsweise für einige Stunden sicherstellt. Der externe Energiespeicher 22 kann beispielsweise am Gürtel eines Benutzers befestigt und über ein Kabel mit der Kernlochbormaschine verbunden werden. Der interne Energiespeicher 22 kann dabei so ausgestaltet sein, dass er zum Aufladen aus der Maschine entnommen und wieder eingesetzt werden kann. Die 5c zeigt eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Kernlochbohrmaschine, die sowohl im Netzbetrieb als auch mit Energiespeicher 22 betrieben werden kann. In diesem Fall kann die Steuereinheit 12 sowohl mit dem Umrichter 21 als auch mit dem Energiespeicher 22 verbunden werden, so dass die Maschine entweder durch das Wechselstromnetz 23 oder durch den Energiespeicher 22 mit Strom versorgt werden kann. Auch eine Zusammenlegung der beiden Energiequellen ist möglich. 5d stellt eine weitere Variante dar, bei der der Energiespeicher 22 in der Kernlochbohrmaschine verbleibt und vom AC-Netz 23 aufgeladen wird.
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Mit dem Einsatz eines BLDC-Motors in Kernlochbohrmaschinen entsteht eine ganze Reihe von Vorteilen:
- 1. Die Lebensdauer des Motors und damit der Kernlochbohrmaschine erhöht sich durch den Wegfall des Verschleißes;
- 2. Es entsteht kein Bürstenfeuer infolge der elektronischen Kommutierung, so dass sich der Einsatzbereich von Kernlochbohrmaschinen auch auf explosionsgefährdete Räume erweitert;
- 3. Der Geräuschpegel reduziert sich aufgrund des Wegfalls des Bürstenfeuers;
- 4. Die Baulänge des Motors verringert sich, weil die mechanische Kommutierung komplett entfällt, wodurch die Kernlochbohrmaschine leichter und besser zu handhaben ist;
- 5. Der BLDC-Motor verleiht der Kernlochbohrmaschine einen höheren Wirkungsgrad und ist drehmomentenstabiler, so dass eine einfachere Getriebeübersetzung mit weniger Bauteilen ermöglicht und die Handhabung durch Gewichtsersparnis weiter verbessert wird;
- 6. Durch den Wegfall des Kommutierungssystems erreichen Kernlochbohrmaschinen mit BLDC-Motoren eine größere Robustheit. Außerdem sind diese Maschinen unempfindlicher gegen Verschmutzungen und besitzen eine höhere Schüttelfestigkeit;
- 7. Wärmeverluste, die hauptsächlich auf die Wicklungs- und Eisenverluste zurückzuführen sind, entstehen im außenliegenden Stator, wodurch diese gut nach außen abgeführt werden können, Beim DC-Motor entstehen diese Verluste vor allem im Rotor, was zu einer Mehrbelastung der Maschine führt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ständergehäuse
- 2
- Elektromagnet
- 3
- Motoreinheit
- 3.1
- BLDC-Motor
- 4
- Halter
- 5
- Schlitten
- 6
- Führungsbahn
- 7
- Bohreinheit
- 8
- Zahnstange
- 9
- Drehgriff
- 10
- Stromwendungsschaltung
- 11
- Kommutierungslogik
- 12
- Steuereinheit
- 13
- Stator
- 14
- Rotor
- 15
- Permanentmagnete
- 16
- Feldwicklungen
- 17iA, 17iB, 17iC
- Leitungen
- 18
- Hallsensoren
- 19, 19hA, 19hB, 19hC
- Messleitungen
- 20ZA+, 20ZA–, 20B+, 20ZB–, 20ZC+, 20ZC–
- IGBT-Schalter
- 21
- Umrichter
- 22
- Energiespeicher
- 23
- Wechselstromeingang; AC-Netz
- AP
- Arbeitspunkt
- M
- Drehmoment
- n
- Drehzahl
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008034773 A1 [0002]
