DE2032940A1

DE2032940A1 - Elektrowerkzeug mit elektronischer Drehzahlregelung

Info

Publication number: DE2032940A1
Application number: DE19702032940
Authority: DE
Inventors: Kurt 7000 Stuttgart. P Paule
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1970-07-03
Filing date: 1970-07-03
Publication date: 1972-01-05
Also published as: GB1356858A; IT986814B; ES392833A2; NL7109176A; BR7100577D0; FR2107022A6; DE2032940C3; DE2032940B2; SE387790B

Description

1.7.1-970 Bü/Km

Anlage zur Patent- -aaet
Anmeldung

ROBEET BOSCH GMBH, Stuttgart

Elektrowerkzeug mit elektronischer Drehzahlregelung (Zusatz zu Patent/Patentanmeldung P 17 63 390.8)

Die Erfindung bezieht sich auf ein Werkzeug mit elektronischer Drehzahlregelung nach Patent (Patentanmeldung P 17 63 390.8), insbesondere auf eine elektrisch angetriebene Handschleifmaschine mit eingebautem 7/echselstromkommutatormotOr und mit einer elektronischen Drehzahlregeleinrichtung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe einer elektronischen Schaltung die Drehzahl des Elektrowerkzeugs mit Wechselstromkommutatormotor so zu regeln, daß sie vom Leerlauf bis zu einem für Dauerbetrieb zulässigen höchsten Drehmoment praktisch konstant oder annähernd konstant bleibt.

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Y/eiter soll die elektronische Schaltung die Drehzahl von Schwankungen der Netzspannung unabhängig halten, sie soll bei Überschreiten des zulässigen Höchstdrehmoments die Spannung so rasch senken, daß der Motor vor Überlastung geschützt ist und sie soll beim Anlaufen des Motors dessen Stromaufnahme begrenzen.

Das wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die elektronische Drehzahlregeleinrichtung zwei im Hauptstromkreis des Motors angeordnete, gegensinnig parallel zueinander geschaltete Thyristoren, ein Steuergerät und einen mit der Motorwelle verbundenen Tachogenerator enthält, wobei der Tachogenerator dem Steuergerät drehzahlproportionale Spannungsimpulse liefert und das Steuergerät den Stromflußwinkel der Thyristoren so beeinflußt, daß die Drehzahl unabhängig von der Belastung und unabhängig von Netzschwankungen-annähernd konstant bleibt.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Hauptstromkreis des Motors ein niederohmiger Widerstand angeordnet, und außerdem sind die Ein- und Ausgangsklemme des Widerstandes mit dem Steuergerät verbunden, wobei der Spannungsabfall in dem Widerstand bei Erreichen eines vorbestimmten Höchststromes über das Steuergerät den Stromflußwinkel der Thyristoren stark zurückregelt, so daß der Motor vor Überlastung geschützt ist.

Weitere Einzelheiten und zweckmäßige Fortbildungen der Erfindung sind an Hand eines in der Zeichnung als Ausführungsbeispiel dargestellten Y/inkelschleifers näher beschrieben und erläutert.

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Robert Bosch. GmbH R. 9904 Bü/Km

Stuttgart

Es zeigen:

Pig. 1 den Winkelschleifer mit eingebauter Drehzahlr ege !einrichtung und eingebautem Schalter im Aufriß, geschnitten,

Fig. 2 das Schaltbild des Winkelschleifers,

Fig. 3 ein Schaubild des Anlaufstroms des Winkelschleifers, abhängig von der Zeit,

Fig. 4 ein Schaubild, das in Abhängigkeit von dem belastenden Drehmoment zeigt: Den Verlauf der von der Drehzahlregeleinrichtung an den Antriebsmotor gelieferten Speisespannung, ■
den Verlauf der Drehzahl, . den Verlauf der Drehzahl ohne Einfluß der Drehzahlregeleinrichtung,
den Verlauf der Drehzahl eines normalen Winkelschleifers.

Im folgenden ist mit "hinten" oder "rückwärts" die Richtung zum Zuleitungskabel hin, mit "vorne" die Richtung zum Winkelgetriebe hin, mit "unten" die Richtung der abgehenden Schleifscheibenspindel und mit "oben" die entgegengesetzte Richtung gemeint.

Der in Fig. 1 dargestellte Winkelschleifer hat einen Handgriff 1, ein Zv/ischengehäuse 2, ein aus Kunststoff bestehendes Motorgehäuse 3 und ein Getriebegehäuse 4. Diese Teile werden durch die in der Zeichnung nicht dargestellten Schrauben zusammengehalten.

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aus Kunststoff gefertigte Handgriff 1 ist hohl ausgebildet. In sein rückwärtiges Ende ist eine elastische Tülle 5 eingesetzt,' durch welche ein Zuführungskabel 6 in den Handgriff ein-· geführt ist. Durch einen hohl ausgebildeten Kondensator 7, der als Entstörkondensator dient, tritt das Kabel in das Innere des Handgriffs. Dort ist ein-Klemmenbrett 8 befestigt. Oberhalb des Klemmenbrettes ist ein Schalter 9 auf dem Handgriff angeordnet. . . · ·

Innerhalb des Zwischengehäuses 2 ist eine Drehzahlregeleinrichtung in Gestalt eines elektronischen Regelkreises 10 eingebaut, der in bekannter V/eise mit Phasenanschnittsteuerung beider Halbwellen arbeitend die Speisespannung des Antriebsmotors steuert. Innerhalb des Motorgehäuses 3 ist mit Schrauben 11 ein Ständerblechpaket 12 befestigt, das eine Ständerwicklung 15 trägt * An seinem rückwärtigen Ende ist das Motorgehäuse 3 durch eine Wand 14 abgeschlossen, in der eine Anzahl außer der Mitte angeordneter Durchbrüche 15 und ein mittiger Durchbruch 16'angeordnet sind. In dem 'mittigen Durchbruch 16 ist eine metallische Büchse 17 eingespritzt, in die ein Wälzlager 18 eingesetzt ist. Der Innenring dieses Wälzlagers ist auf eine Welle 19 aufgeschoben. Die mittels des Wälzlagers 18 in dem Motorgehäuse gelagerte Welle 19 trägt vor dem Wälzlager 18 einen Kollektor 20 und ein Läuferpaket 21, auf das'eine Wicklung 22 aufgebracht· ist. Das vordere Ende der Welle 19 steckt in einer Isolierbüchsc 23, die ihrerseits festsitzend in das rückwärtige hohle Ende 24 einer Welle 25 eingeschoben ist. Die Welle 25 ist mittels eines Lagers 26 in einer Querwand 27 des Getriebegehäuses 4 gelagert. Das Motorgehäuse 2 und das Getriebegehäuse 4 sind unter. Zwischenfügung eines Luftleitflansches 28 aneina&er gesetzt. Dieser Luftleitflansch hat eine zur AcLse senkrechte ebene Scheibe 29 mit einer mittig darin angebrachten Bohrung 30. Getriebeseitig vor dem Luftleitflansch sitzt auf dem rückwärtigen Ende 24 der'Welle 25 ein Lüfter y\_x &Q? erwärmte "Luft aus den

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Motor und aus der Drehzahlregeleinrichtung absaugt und durch . öffnungen 32 des Getriebegehäuses ins Freie bläst. Auf dem vorderen Ende der Welle 25 sitzt ein Kegelritzel 33· Ss steht im Eingriff mit einem Tellerrad 34-, das·, auf der Schleifscheibenwelle 35 aufgezogen ist. Die Schleifscheibenwelle ist mittels eines Rollenlagers 36 und eines Kugeliagers 3? in dem Getriebegehäuse gelagert und hat einen unten aus dem Getriebegehäuse herausragenden Wellenstumpf 38> auf dem eine Schleifscheibe aufgezogen werden kann. Auf dem rückwärtigen Ende der Welle 19 sind als Teile des Reglers 10 eine Sicherungseinrichtung 10a und ein Tachogenerator 10b angeordnet. Da diese' Teile ebenso wie die übrige Drehzahlregeleinrichtung 10 nicht Gegenstand der Anmeldung sind, sind sie nicht näher beschrieben und in der Zeichnung nur angedeutet dargestellt..

Aus dem in Fig. 2 wiedergebenden Schaltbild des Winkel Schleifers geht hervor, daß die mit dem Zuführungskabel 6 in das Innere des Winkel Schleifers geleiteten zwei ■ Anschlußleitungen 6a und 6b zunächst zu dem Klemmenbrett 8 und von diesem zu dem Entstörkondensator 7 und zu dem diesen.überbrückenden Entladewiderstand 7a geführt sind. In dem Dielektrikum des Kondensators liegt eine Sonde, mit der als dritte Leitung eine sogenannte Y-Leitung verbunden ist , die als Masseleitung

·-..-■ " mit dem Ständerpaket 12 des Motors verbunden ist. Durch diese Masseleitung Y wird dem Kondensator ein symmetrisches Verhalten aufgedrückt. Von dem Kondensator führen die Zuleitung^ 6a und 6b über das Klemmenbrett 8, den zweipoligen Schalter.9 und einen diesen, überbrückenden Kondensator 9a zu dem elektronischen Regelkreis 10. Der Kondensator 9a dient dabei zum Unterdrücken von Stör-.mgen, die von Prellschlägen des Schalters 9 auf Halbleiterbauteile des Regelkreises 10 ausgeübt werden können.

In dem Regelkreis 10 sind 101 und 102 zwei im HauptStromkreis des-

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Motors angeordnete Thyristoren, 103 ist ein Steuergerät. Der auf der Welle 19 &es Motors angeordnete Tachogenerator 10b ist so mit.dem Steuergerät 103 verbunden, daß er diesem drehzahlproportionale Spannungsimpulse liefern kann. Das Steuergerät steuert über einen Vergleich der von dem Tachogenerator gelieferten Ist-Spannung mit einer als Sollwert eingegebenen Vergleichsspannung die Thyristoren 101 und 102 so an, daß die Drehzahl des Motors unabhängig von der Belastung und ebenso unabhängig von Netzspannungssehwankungen annähernd konstant bleibt.

Ein ebenfalls im Hauptstromkreis des. Motors angeordneter niederohmiger .Widerstand 104 liefert dem Steuergerät 103 über entsprechende Leitungen den an ihm auftretenden Spannungsabfall. Bei Erreichen eines vorbestimmten den Widerstand 104 durchfließenden Höchststromes regelt das Steuergerät den Stromflußwinkel der Thyristoren 101 und 102 so stark zurück, daß der Motor vor Überlastung geschützt ist.

Weiter ist in der Drehzahlregeleinrichtung 10 ein elektrischer Querpfad angeordnet, der den Motor überbrückt und in dem eine Diode 105, ein Ladewiderstand 106 und ein^Kondensator 107 mit einem diesen überbrückenden Entladewiderstand 108 in Reihe geschaltet sind. Der Eingang und der Ausgang des Kondensators 107 "sind mit dem Steuergerät 103 verbunden. Die Diode, der Ladewiderstand und der Kondensator sind so aufeinander abgestimmt, daß die Ladezeit des Kondensators der Anlaufzeit des Elektromotors entspricht und das Steuergerät während der Ladezeit des Kondensators die Stromaufnahme des Motors begrenzt.

In Pig. 2a ist gezeigt, daß der vor dem elektronischen Regelkreis angeordnete Schalter auch als einpoliger Schalter 9¹ ausgebildet sein kann.

In Pig. 3 ist die Stromabnahme des Winkelschleifers nach Pig..1 im Leerlauf dargestellt (ausgezogene Linie) und mit der Strom- ' aufnahme eines Winkelschleifers ohne Drehzahlregeleinrichtung (gestrichelte Linie) verglichen. Die Darstellung geht auf Messungen an ausgeführten Geräten zurück und zeigt, daß bei

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bisher üblichen Winkel schleif em der Anlauf strom sehr schnell' auf etwa das 7-fache des effektiven Nennstromes steigt, nach Erreichen dieses Spitzenwertes schnell abfällt und etwa 0,8 Sek.' nach dem Einschalten unter den effektiven Nennstrom absinkt, · um sich dann asymptotisch dem Leerlauf wert, des Stromes anzunähern, während bei einem Winkelschleifer nach der Erfindung . mit einer Drehzahlregeleinrichtung in Gestalt eines elektronischen Regelkreises die Stromaufnahme nur bis etwa zum 2,5-fachen des effektiven Nennstroms ansteigt und etwa nach' ■ 2 Sek. unter den effektiven Nennstrom absinkt. Durch die damit erreichte mit einer Verlängerung der Anlaufzeit verbundene Drosselung des Anlaufstroms kann der Winkelschleifer am Einphasenlicht stromnetz .betrieben werden, ohne daß die Net ζ sicherungen ansprechen.

Fig. 4- zeigt in Abhängigkeit von dem belastenden Drehmoment Hd in cmkp, daß die Speisespannung UeffV die der elektronische Regelkreis dem Motor liefert, mit "zunehmender Belastung immer größer wird bis zu einem Drehmoment, das etwa dem A 1/2-fachen Nennmoment entspricht. Von da an sinkt die Speisespannung leicht ab, bis etwa das doppelte Nennmoment erreicht wird. In diesem Punkt kippt der Regler ab, d.h. er verringert auch bei abnehmendem Belastungsmoment Md die Speisespannung. Die ebenfalls dargestellte Drehzahl n^ des WinkelSchleifers sinkt entsprechend der bei zunehmendem Belastungsmoment Md zunehmenden Speisespannung Ueff vom Leerlauf bis zur Nemllast um nur ■ etwa 5%, von da bis zum 1 1/2-fachen der Nennlast etwas stärker; von der Nennlast bis zum Doppelten der Nennlast geht die Drehzahl um etwa 25% zurück. Dann fällt sie rasch auf Null ab, wobei ein Restmoiaent, das bei etwa 3/4- der.Nennlast.liegt, und eine entsprechende restliche Speisespannung verbleiben. Das Drehzahlverhalten n~ des gleichen WinkelSchleifers ohne Drehzahlregeleinrichtung ist mit gestrichelten Linien dargestellt; bei diesem fällt die Drehzahl vom Leerlauf bis zum Nennmoment um über 50/&.

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Das' Gleiche trifft zu für den mit strichpunktierter Linie dargestellten Drehzahlverlauf n,-.eines normalen handelsüblichen Winkel schleifer s, dessen Drehzahl bei Belastung durchweg ..unter der des elektronisch geregelten Winkel Schleifers liegt. Aus dein Abstand zwischen der gestrichelten und der strichpunktierten Drehzahllinie ist ersichtlich, daß der mit elektronischer Dreh_r Zahlregeleinrichtung versehene Winkelschleifer für eine Lastdrehzahl ausgelegt ist, die in der Nähe.der bis her üblichen Leerlaufdrehzahl liegt. · .

Durch die vorbeschriebene Einrichtung wird in erster Linie erreicht, daß die abgegebene Leistung als das Produkt aus Drehmoment und Drehzahl in einem Verhältnis steigt, dessen obere Grenze das. Verhältnis der bisher üblichen Leerlaufdrehzahl'zu. der bisher üblichen Lastdrehzahl, das ist etwa 1,6 : 1, darstellt. Während die an sich erreichbare 60 %ige Leistungssteigerung nur in Sonderfällen in Frage kommen wird, dürfte für die meisten Anwendungsfällο eine Beschränkung auf etwa 4-0 % Leistungssteigerung zweckmäßig sein, da diese Grenze durch die darüber hinaus auftretenden erhöhten Anforderungen an die Schleuderfestigkeit der Wicklung und des Kollektors, die Lebensdauer der Wälzlager und die Anforderungenan die Genauigkeit der Fertigung, insbesondere des Auswuchtens, argemessen erscheint. Es ist natürlich auch möglich, z.B. mit-einer Handschleifmaschine in Folge der höheren Lastdrehzahl die gleiche Leistung wie bisher bei geringerer Anstrengung des Benutzenden, der die Schleifscheibe entsprechend schwächer gegen das Werkzeug drückt, zu erzielen.

Weiter wird erreicht, daß das Elektrowerkzeug unter wechselnder Belastung immer mit der gleichen günstigen Schnittgeschwindigkeit arbeitet und dadurch eine höhere Leistung entwickelt. Es wird auch erreicht, daß der Antriebsmotor in Folge seiner auch bei hohem- abgegebenen Drehmoment unverändert großen Drehzahl gerade dann gut gekühlt wird, wenn dies notwendig ist, um die bei größerer Leistung höhere Verlustwärme einwandfrei abzuführen.

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Dabei ist zu berücksichtigen, daß die geförderte Luftmenge zwar an sich proportional mit der Lüfterdrehzahl ansteigt, daß abet' 'dor erzeugte Druckunterschied dom Quadrat dor Drehzahl folgt -und daß ein bestimmtes Druckgefälle nötig isb, um die. Kühlluftmenge durch das Elektrowerkzeug zu fördern; auch der Wärme übergang verstärkt sich mit zunehmender Luftgeschwindigkeit. Damit eignet sich das Elektrowerkzeug nach der Erfindung dazu,. die erhöhte Leistung auch im Dauerbetrieb abzugeben.

Darüber hinaus ist die Kühlung·, auch im Überlastbereich wesentlich, wirksamer als bei den bekannten Elektrowerkzeugen. Auch ergibt sich dadurch, daß die elektronische Regelung das Hochlaufen oder Durchgehen des Antriebsmotors des entlasteten Elektrowerkzeugs verhindert, der große Vorteil, daß die Werkzeuge, insbesondere die Schleifscheiben von Handschleifmaschinen, nicht wie bei den bekannten Elektrowerkzeugen.weit unterhalb der günstigsten Schnittgeschwindigkeit betrieben werden, die etwa gleich der zulässigen Umfangsgeschwindigkeit ist, und die im. Leerlauf nicht überschritten werden darf. . .

Außer der Anwendbarkeit des Elektrowerkzeugs am Lichtstromnetz ■ergibt sich noch der Vorteil geringerer Unfallgefahr, da das AnIaufmoment nicht schlagartig und in solcher Höhe wie bei den bekannten Elektrowerkzeugen entsteht und die Gefahr, daß das Elektrowerkzeug dem Benutzenden beim Anlauf aus der Hand gerissen wird, praktisch verschwindet. . '

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Claims

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Ansprüche

f1.jElektrowerkzeug nach Patent/Patentanmeldung P 17 63 390.8 mit eingebautem Wechselstromkommutatormotor und mit einer elektronischen Drehzahlregeleinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Drehzahlregeleinriehtung (10) zwei im Hauptstromkreis des Motors angeordnete, gegensinnig parallel zueinander geschaltete Thyristoren (101, 102), ein Steuergerät (103) und einen mit der Motorwelle verbundenen Tachogenerator (10b) enthält, wobei der Tachogenerator (10b) dem Steuergerät (103) drehzahlproportionale Spannungsimpulse liefert und das Steuergerät (103) den Stromflußwinkel der Thyristoren so beeinflußt , ' daß die Drehzahl unabhängig von der Belastung und unabhängig von Netzspannungsschwankungen annähernd konstant bleibt.

2. Elektrowerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Hauptstromkreis des Motors ein niederohmiger Widerstand (104) angeordnet und die. Ein- und die Ausgangsklemme des Widerstandes mit dem Steuergerät (103) verbunden sind, wobei der Spannungsabfall in dem Widerstand bei Erreichen eines vorbestimmten Höcbststromes über das Steuergerät den Stromflußwinkel der Thyristoren (101, 102) stark zurück regelt, so daß der Motor vor Überlastung geschützt ist.

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3. Elektrowerkzeug nach Anspruch 1 oder..2', dadurch gekennzeichnet, daß der Motor durch einen Querpfad überbrückt ist, in dem eine Diode (105), ein Ladewiderstahd (106) und ein Kondensator (107) mit einem diesen überbrückenden Entladev/iderstand (108) angeordnet ist, und daß der Eingang und der Ausgang des Kondensators mit dem Steuergerät verbunden sind, wobei die Diode, der Ladewiderstand und der Kondensator so aufeinander abgestimmt sind, daß die Ladezeit des Kondensators der Anlaufzeit des Elektromotors entspricht und das Steuergerät während der Ladezeit des Kondensators den Strom des Motors begrenzt.

4. Elektrowerkzeug nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß eine die Drehzahl begrenzende Sicherungseinrichtung (10a) vorhanden ist, die bei tiberschreiten der zugelassenen Höchstdrehzahl um mehr als 10$ den Antriebsmotor vom iietz trennt.

5. Elektrowerkzeug na^h Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der niederohmige Widerstand (I04) ein nichtlinearer stromabhängiger Widerstand ist. .

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'6. Elektrowerkzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der niederohmige Widerstand (104) ein Kaltleiter ist.

7. Elektrowerkzeug nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem elektronischen Drehzahlregelgerät (10) in an sich bekannter Weise ein Schalter (9, 9') vorgeschaltet ist* der durch einen Kondensator (9a) überbrückt ist, dessen Kapazität mindestens 1000, höchstens 2000 pF beträgt.

8. Elektrowerkzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schalter (9\^)eln durch einen Entladewiderstand (7a) überbrückter Entstörkondensator (7) vorgeschaltet ist.

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