DE212007000029U1

DE212007000029U1 - Gleichstrommotor mit Dual-Kommutatorlamellensatz und wahlweise in Reihe und parallel geschalteten Wicklungen

Info

Publication number: DE212007000029U1
Application number: DE212007000029U
Authority: DE
Original assignee: Black and Decker Inc
Current assignee: Black and Decker Inc
Priority date: 2006-02-20
Filing date: 2007-02-20
Publication date: 2008-10-09
Anticipated expiration: 2017-02-21
Also published as: CN201263101Y; US7893586B2; US20090033159A1; WO2007098220A3; WO2007098220A2

Abstract

Angetriebenes Werkzeug umfassend
einen Motor,
wobei der Motor einen Anker aufweist mit
einem ersten Satz von Ankerwicklungen, die auf einen Blechstapel gewickelt sind,
einem zweiten Satz von Ankerwicklungen, die auf den Blechstapel gewickelt sind, und
einem Schaltsystem, das die beiden Ankerwicklungssätze entweder in Reihen- oder Parallelschaltung verbindet.

Description

Verweise auf verwandte Anwendungen
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 60/775 407, eingereicht am 20. Februar 2006, mit dem Titel "Elektronisch kommutierter Motor und elektronisch kommutiertes Motorsteuerungssystem", deren Offenbarung durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung hierdurch einbezogen ist.
Fachgebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Gleichstromelektromotoren und insbesondere auf einen Gleichstrommotor mit einem Anker, der ein Paar von Kommutatorlamellensätzen und einen Ankerblechstapel mit zwei Sätzen von darauf gewickelten Wicklungen und ein Schaltsystem aufweist, das es ermöglicht, die beiden Wicklungssätze steuerbar in Reihe oder parallel zu schalten, um mehrere unterschiedliche Betriebsarten für den Motor bereitzustellen.
Hintergrund
Permanentmagnet-Gleichstrommotoren werden in einer weit gefächerten Vielzahl von Anwendungen und insbesondere in angetriebenen Werkzeugen, wie etwa Bohrmaschinen, Sägen, Schleifmaschinen, usw. verwendet. Solche Motoren werden in schnurlosen angetriebenen Werkzeugen verwendet, die von einer wiederaufladbaren Gleichstrombatterie angetrieben werden. Mit den schnurlosen angetriebenen Werkzeugen muss oft eine breit gefächerte Vielzahl von Arbeitsaufgaben ausgeführt werden, die unterschiedliche Leistungskennwerte des Motors erfordern, um die Arbeitsaufgabe am besten auszuführen. So kann zum Beispiel beim Bohren eines Loches mit einer schnurlosen Bohrmaschine in ein weiches Holzstück die Höhe des erforderlichen Drehmoments und somit die von dem Motor geforderte Leistungsabgabe nur ein kleiner Bruchteil des Drehmoments sein, die erforderlich sein würde, um ein Hartholzstück oder druckbehandeltes Schnittholz zu durchbohren. Das Auslegen des Motors für hohe Leistungen ist jedoch vom Energiestandpunkt uneffektiv, wenn dieselbe Bohrmaschine häufig für Arbeitsaufgaben verwendet wird, die nur ein Bohren mit geringem Leistungsaufwand beinhalten, bei denen für die Arbeitsaufgabe nur ein niedriges Drehmoment erforderlich ist.
In Permanentmagnet-Gleichstrommotoren können die Betriebskennwerte des Motors durch Verändern der Drahtabmessungen und der Anzahl der Windungen jeder der Spulen, die auf den Ankerblechstapel gewickelt sind, wesentlich verändert werden. Für einen gegebenen Permanentmagnet-Gleichstrommotor bedeutet das, dass eine Verdopplung der Anzahl der Windungen jeder Wicklung die Leerlaufdrehzahl des Motors auf etwa die Hälfte verringert und das Blockierungsdrehmoment des Motors wesentlich ansteigt. Das wirkliche Blockierungsdrehmoment wird in hohem Maße durch die Quellenimpedanz beeinflusst. So kann zum Beispiel eine typische Kombination von Batterie/angetriebenem Werkzeug zu einer Vergrößerung des Bloc kierungsdrehmoments von 50% für den Motor führen. Weiterhin erhöht sich der Wirkungsgrad des Motors, wobei jedoch gleichzeitig die maximale Leistungsabgabe des Motors abnimmt. Somit verändert eine einfache Verdopplung der Anzahl der Windungen für die Wicklungen die Betriebskennwerte des Motors in einer Weise, die ihn für Arbeitsaufgaben, die eine größere Leistungsabgabe erfordern, ungeeigneter macht, selbst wenn ein wesentlich erhöhtes Blockierungsdrehmoment und ein höherer Wirkungsgrad bei geringer Leistung bereitgestellt wird. Das Auslegen eines Permanentmagnetmotors so, dass er eine höhere konstante Leistungsabgabe bereitstellt, führt jedoch dazu, dass der Motor zusätzlichen Batteriestrom entnimmt, der für viele Bohrarbeitsaufgaben (d. h. für Bohrarbeitsaufgaben mit geringem Leistungsbedarf) nicht benötigt wird. Für einen vorgegebenen Motor verringert das die Betriebszeit der Batterie, die das Werkzeug antreibt, im Vergleich zu der Betriebszeit, die mit einem Motor erreicht werden könnte, der für eine geringere maximale Leistungsabgabe ausgelegt ist.
Es wäre somit vorteilhaft, einen Gleichstrommotor mit mehreren sich deutlich unterscheidenden Betriebsarten bereitzustellen, der veränderliche Grade von Motordrehzahl, Drehmoment und Leistungsabgabe bereitstellt, um sich besser an die Erfordernisse von spezifischen Arbeitsaufgaben anzupassen. So wäre es in hohem Maße vorteilhaft, wenn ein Motor und das zugehörige Steuerungssystem bereitgestellt werden, das automatisch erfassen könnte, wann zusätzliche Motorleistung beim Ausführen einer vorgegebenen Arbeitsaufgabe erforderlich ist, und der Motor automatisch auf eine spezifische Betriebsart umgeschaltet wird, um entweder das Drehmoment und/oder die Betriebsdrehzahl des Motors zu erhöhen oder zu verringern. Alternativ wäre es vorteilhaft, wenn die verschiedenen Betriebsarten des Motors durch einen Benutzer über eine Steuerung an dem angetriebenen Werkzeug gewählt werden könnten. Das würde dem Benutzer die Steuerung des Ausführens der verschiedenen zur Verfügung stehenden Betriebsarten ermöglichen. Das Optimieren der Motorleistung für eine vorgegebene Arbeitsauf gabe würde auch dabei helfen, die hinsichtlich der ausgeführten Arbeitsaufgabe(n) zur Verfügung stehende Batterieleistung am wirksamsten zu nutzen. Das könnte wiederum dazu dienen, die Betriebszeit der Batterie für einen gegebenen Gleichstrommotor bei vorgegebener Ladung wesentlich zu verlängern.
Zusammenfassung
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf einen Elektromotor, der besonders gut für die Verwendung für eine breit gefächerte Vielzahl von angetriebenen Werkzeugen angepasst ist, jedoch nicht unbedingt auf Anwendungen eingeschränkt ist, die angetriebene Werkzeuge einschließen. In einer Ausführung umfasst der Motor einen Gleichstrommotor mit einem Stator und einem Anker, der für eine Drehbewegung in dem Stator gehalten wird. Der Anker weist einen Blechstapel und eine Ankerwelle auf, die sich koaxial durch den Blechstapel erstreckt. Die Ankerwelle weist zwei Sätze von Kommutatorlamellen, die auf der Ankerwelle gehalten werden, zwei Sätze von Wicklungen, die auf den Blechstapel gewickelt sind, und zwei Bürstenpaare auf. Ein erstes Bürstenpaar ist mit einem ersten der Sätze von Kommutatorlamellen verbunden, und ein zweites Bürstenpaar ist mit einem zweiten der Sätze von Kommutatorlamellen verbunden. Ein Schaltsystem verbindet die beiden Bürstenpaare, so dass die beiden Wicklungssätze verbunden sind, um entweder eine Reihenschaltung oder eine Parallelschaltung zu bilden. Bei einer Verbindung in Reihenschaltung weist der Motor eine Leerlaufbetriebsdrehzahl von etwa der Hälfte der Leerlaufbetriebsdrehzahl auf, die vorhanden ist, wenn die beiden Wicklungsätze parallel verbunden sind, wobei ein wesentlich erhöhtes Blockierungsdrehmoment und ein höherer Wirkungsgrad bei einer geringeren Leistungsabgabe vorhanden sind. Wenn die beiden Wicklungssätze in Parallelschaltung verbunden sind, liefert der Motor eine höhere maximale Leistungsabgabe als bei Reihenschaltung und eine Leerlaufdrehzahl, die etwa doppelt so groß ist wie die bei Reihenschaltung. Der Motor weist jedoch einen geringeren Wirkungsgrad auf, wenn die Wicklungssätze in Parallelschaltung ausgeführt sind.
Somit versieht die Steuerung der Verbindung der beiden Ankerwicklungssätze zwischen Parallel- und Reihenschaltung den Motor mit zwei unterschiedlichen Betriebsarten mit unterschiedlichen Betriebskennwerten. Das ermöglicht das Ausführen einer Betriebsart mit "maximaler Leistung", in der der Motor mit seinen beiden Wicklungssätzen in Parallelschaltung konfiguriert ist. Das versieht den Motor mit einer höheren Leerlaufdrehzahl und einer maximalen Leistungsabgabe für solche Aufgaben, die eine höhere Leistungsabgabe von dem Motor erfordern. Wenn der Motor in einer Bohrmaschine verwendet wird, könnten solche Arbeitsaufgaben mit hohem Leistungsbedarf das Eintreiben von Schrauben in Hartholz oder das Bohren in feuchtem, druckbehandeltem Schnittholz sein. Die Verwendung derselben Bohrmaschine kann für Arbeitsaufgaben mit geringem Leistungsbedarf optimiert werden, indem eine Reihenschaltung für die Wicklungen verwendet wird, die einen höheren Motorwirkungsgrad bei geringerer Leistungsabgabe liefert, wodurch der Motor für Bohrarbeitsaufgaben mit geringerem Leistungsbedarf besser geeignet ist. Solche Bohrarbeitsaufgaben mit geringerem Leistungsbedarf könnten das Bohren von Löchern oder das Eintreiben von Schrauben in Weichholz wie etwa Kiefernholz sein.
In einer Ausführung wird ein Steuergerät in Verbindung mit einer Erfassung der Motordrehzahl und des Motorstroms verwendet, um die Wicklungssätze automatisch zwischen Reihen- und Parallelschaltung umzuschalten. Das Steuergerät wählt zwischen der Reihen- und Parallelschaltung der Windungen, um die Motorbetriebskennwerte bestens an die Erfordernisse der vorliegenden Arbeitsaufgabe anzupassen. In einer anderen Ausführung weist das ange-triebene Werkzeug eine Steuerung auf, die der Benutzer verwendet, um entweder eine Betriebsart mit maximaler Leistung oder eine Betriebsart mit maximalem Wirkungsgrad zu wählen. In einer noch anderen Ausführung informiert eine optionale LED-Anzeige den Benutzer, in welcher Betriebsart das Werkzeug arbeitet.
Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Offenbarung sind aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung erkennbar. Es sollte so verstanden werden, dass die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele, wenn sie auch verschiedene bevorzugte Ausführungen der Offenbarung anzeigen, nur zu Zwecken der Erläuterung bestimmt sind und nicht dazu, den Schutzumfang der Offenbarung einzuschränken.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Offenbarung ist aus der ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen vollständiger zu verstehen, wobei:
1 eine Seitenansicht eines Beispiels eines angetriebenen Werkzeugs ist, im vorliegenden Beispiel einer schnurlosen Bohrmaschine, mit einem Permanentmagnet-Gleichstrommotor gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Offenbarung, dargestellt in gestrichelten Linien;
2 ein vereinfachtes schematisches Blockdiagramm der Innenbauteile des angetriebenen Werkzeugs aus 1 ist;
3A und 3B vereinfachte Blockdiagramme sind, die den Anker des Motors aus 2, seine beiden Kommutatorlamellensätze, zwei Wicklungssätze, zwei Paare von Kommutatorlamellen, die elektrischen Schalter, die verwendet werden, um die beiden Wicklungssätze wahlweise entweder in Reihe oder parallel zu schalten, sowie verschiedene andere Bauteile darstellen, die verwendet werden, um die Betriebszustände des Motors zu erfassen und zwischen der Reihenschaltungs-(3A) und der Parallelverbindungsschaltung (3b) der Wicklungen zu wählen;
4 ein vereinfachtes elektrisches schematisches Diagramm ist, das die Verbindungen der beiden Wicklungssätze zeigt, wenn sie in Reihe geschaltet sind; und
5 die beiden Wicklungssätze aus 4 in Parallelschaltung zeigt;
6 zwei Leistungskurven zeigt, wobei eine die Drehzahl/Drehmoment-Abhängigkeit für den Motor zeigt, wenn der Motor seine Ankerwicklungen in Reihe geschaltet hat, und die andere die Drehzahl/Drehmoment-Abhängigkeit zeigt, wenn seine Ankerwicklungen parallel geschaltet sind;
7 zwei Leistungskurven zeigt, wobei eine die Wirkungsgrad/Leistungs-Abhängigkeit für den Motor zeigt, wenn der Motor seine Ankerwicklungen in Reihe geschaltet hat, und die andere die Wirkungsgrad/Leistungs-Abhängigkeit zeigt, wenn seine Ankerwicklungen parallel geschaltet sind;
8 zwei Leistungskurven zeigt, wobei eine die Leistung/Drehmoment-Abhängigkeit für den Motor zeigt, wenn der Motor seine Ankerwicklungen in Reihe geschaltet hat, und die andere die Leistung/Drehmoment-Abhängigkeit zeigt, wenn seine Ankerwicklungen parallel geschaltet sind;
9 zwei Leistungskurven zeigt, wobei eine die Strom/Drehmoment-Abhängigkeit für den Motor zeigt, wenn der Motor seine Ankerwicklungen in Reihe geschaltet hat, und die andere die Strom/Drehmoment-Abhängigkeit zeigt, wenn seine Ankerwicklungen parallel geschaltet sind;
10 eine grafische Darstellung ist, die die Abhängigkeit zwischen vom Motor entnommenem Strom und Motorleistung für jeden der in Reihe und parallel geschalteten Wicklungssätze zeigt;
11 eine grafische Darstellung ist, die die Abhängigkeit des Motorwirkungsgrads von der verfügbaren Drehmomentabgabe des Motors bei "leichten", "mittleren" und "schweren" Bohranwendungen zeigt;
12 eine grafische Darstellung ist, die die Abhängigkeit der Motordrehzahl vom Drehmoment des Motors bei jeder der "leichten", "mittleren" und "schweren" Bohranwendungen zeigt;
13 eine grafische Darstellung ist, die zeigt, dass die Zusammenschaltung der Wicklungssätze tatsächlich momentan verändert werden kann, um die Leistungskennwerte des Motors zu verändern;
14 eine grafische Darstellung ist, die ein Paar von Drehzahl/Drehmoment-Kurven zeigt, die Reihen- und Parallelschaltungen der Wicklungen zeigen und die ferner den maximalen Leistungsbereich, den maximalen Drehzahlbereich und den maximalen Wirkungsgradbereich des Motors unter Verwendung der Parallel- und Reihenschaltung der Wicklungen zeigen;
15 eine grafische Darstellung ist, die drei Motorleistungskurven zeigt, um aufzuzeigen, wie die Anwendung der Drehzahlsteuerung erfolgen kann, um eine Drehzahl/Drehmoment-Leistungskurve zu erzeugen, die eine Modifikation der Kurven darstellt, die durch die parallel und in Reihe geschalteten Wicklungen erzeugt werden;
16 bis 21 vereinfachte schematische Darstellungen der Motor- und der Untersetzungsgetriebeeinheit darstellen und aufzeigen, wie eine Vielzahl von unterschiedlichen Leistungsabgaben unter Verwendung der Reihen- oder Parallelschaltungen der Wicklungen zusammen mit verschiedenen inneren Stufen der Untersetzungsgetriebeeinheit erreicht werden kann;
22 eine grafische Darstellung einer herkömmlichen Drehzahl-Drehmoment-Kurve eines Elektromotors und einer Drehzahl-Drehmoment-Kurve einer typischen Getriebeeinheit ist und den typischen Drehzahl-Drehmoment-Aussteuerungsspielraum, mit dem die Getriebeeinheit auszulegen ist, zeigt;
23 eine grafische Darstellung ist, die zeigt, wie die Drehzahl-Drehmoment-Leistung des neuen, hierin beschriebenen Motors durch das Steuergerät des Motorsystems gesteuert wird, um im Wesentlichen eine Anpassung zu erreichen, wobei jedoch die Drehzahl-Drehmoment-Kapazität der Untersetzungsgetriebeeinheit nicht überschritten wird;
24 eine grafische Darstellung ist, die zeigt, wie die Drehzahl-Drehmoment-Leistung des neuen Motors durch das Steuergerät des Motorsystems gesteuert werden kann, um eine Anpassung zu erreichen und periodisch für kurze Zeiträume die Drehzahl-Drehmoment-Leistungsfähigkeit der Untersetzungsgetriebeeinheit zu überschreiten; und
25 bis 28 Ansichten des angetriebenen Werkzeugs aus 1 von oben sind und den Wählschalter und das Anzeigesystem für das Anzeigen der Betriebsarten und des Batterieladezustands des Werkzeugs zeigen.
Ausführliche Beschreibung
Die nachfolgende Beschreibung der verschiedenen bevorzugten Ausführungen) ist rein beispielhaft und in keiner Weise dazu bestimmt, die Offenbarung, ihre Anwendung oder Benutzungen einzuschränken.
Bezug auf 1 nehmend, ist ein angetriebenes Werkzeug in Form einer Bohrmaschine 12 dargestellt, die ein Motorsystem 10 gemäß einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Offenbarung aufweist. Es ist sofort zu erkennen, dass, wenn auch das angetriebene Werkzeug als eine Handbohrmaschine 12 dargestellt ist, das Motorsystem 10 in einer weiten Vielfalt anderer angetriebener Werkzeuge, wie etwa Sägen, Schleifmaschinen, Fräsmaschinen, Bohrpressen und praktisch in jeder anderen Form eines angetriebenen Werkzeugs oder einer Vorrichtung mit Gleichstromantrieb eingesetzt werden kann. Es ist jedoch zu erwarten, dass das Motorsystem 10 insbesondere in schnurlosen angetriebenen Handwerkzeugen Gebrauch finden wird.
Weiter auf 1 Bezug nehmend, weist das Beispiel der Bohrmaschine 12 normalerweise ein Spannfutter 14 auf, das mit einem Abtrieb einer Untersetzungsgetriebeeinheit 16 verbunden ist. Ein Eingang der Untersetzungsgetriebeeinheit 16 ist mit einer Abtriebswelle 18 eines Motors 10a verbunden. Ein Auslöseschalter 20 wird verwendet, den Motor 10a ein- und auszuschalten, und kann auch verwendet werden, um die Drehzahl des Motors in Abhängigkeit vom Eingriffsgrad des Auslöseschalters zu steuern. Eine wiederaufladbare Batterie 22 wird herausnehmbar in einem Handgriffbereich 24 eines Gehäuses 26 der Bohrmaschine 12 gehalten oder ist abnehmbar daran befestigt. Weiterhin ist ein Steuergerät 28 in dem Handgriffbereich 24 angeordnet, wobei es jedoch stattdessen an anderen Positionen in der Bohrmaschine 12 angeordnet sein könnte. Das Steuergerät 28 steht mit dem Auslöseschalter 20 und mit dem Motor 10a in Verbindung. Das Steuergerät 28 wird zum Steuern des Motors 10a verwendet und wird noch ausführlicher beschrieben.
Weiterhin steht ein vom Benutzer betätigbarer Wählschalter 30 mit dem Steuergerät 28 in Verbindung. Der Wählschalter 30 kann ein linearer Schiebeschalter, ein Mehrpositions-Drehschalter sein, oder es können sogar mehrere Druckknopfschalter zur Anwendung kommen. Der Wählschalter 30 erlaubt es dem Benutzer, eine Betriebsart, die auf die Betriebskennwerte des Motors 10a zugeschnitten ist, um eine spezifische Arbeitsaufgabe besser auszuführen, aus mehreren Betriebsarten für den Motor 10a auszuwählen. Somit kann zum Beispiel, wie es in den nachfolgenden Abschnitten noch ausführlicher beschrieben wird, der Benutzer den Wählschalter 30 verwenden, um eine hohe Drehzahl und eine geringe Leistungsabgabe zu wählen, wenn eine Arbeitsaufgabe das Eintreiben von Schrauben in Weichholz beinhaltet. Der Benutzer kann eine Betriebsart mit höherer Leistungsabgabe für den Motor 10a wählen, wenn die Arbeitsaufgabe das Bohren in Hartholz, in feuchtes, druckbehandeltes Schnittholz oder in andere Materialien beinhaltet, für die eine größere Motorleistung erforderlich ist. Eine Anzeige 32 kann einbezogen sein, um die verschiedenen Betriebsarten des Motors 10a anzuzeigen. Die Anzeige 32 kann eine LCD-, LED- oder jede andere geeignete Form einer Anzeigeeinrichtung sein, die einen niedrigen Leistungsbedarf hat.
Bezug auf 2 nehmend, ist dort ein sehr vereinfachtes Blockdiagramm der inneren Bauteile der Bohrmaschine 12 dargestellt. Ein herkömmlicher Spannungsregler 34 wird verwendet, um für das Steuergerät 28 und für andere in der Bohrmaschine 12 verwendete elektronische Bauteile eine regulierte Gleichstromspannung bereitzustellen. Das Steuergerät 28 kann ein leistungsfähiges 8-bit-, 16-bit- oder leistungsfähiges Steuergerät sein, wie etwa ein digitaler Signalprozessor (DSP). In einer Ausführung umfasst das System für das elektrische Verbinden der Ankerwicklungen des Motors 10a in Reihen- und Parallelschaltung ein MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor)-Teilschaltsystem 36. Ein Motordrehzahlsensor 38 kann verwendet werden, um die Drehzahl des Motors 10a zu erfassen und dem Motor 10a ein Steuersignal zu liefern, das die Motordrehzahl vorgibt. Eine Stromflusserfassungsschaltung 40 kann verwendet werden, um den Stromfluss durch den Motor 10a zu erfassen und dem Steuergerät 28 ein Steuersignal zu liefern, das dem erfassten Stromfluss durch die Ankerwicklungen des Motors 10a entspricht. Die Bauteile 28, 30, 32, 34 und 40 bilden einen "Steuerbereich" der Bohrmaschine 12. Das Motorsystem 10 kann so aufgefasst werden, dass es den Motor 10a, das Teilschaltsystem 36, den Drehzahlsensor 38, die Stromflusserfassungsschaltung 40, das Steuergerät 28, die Benutzer-Steuerungswähleinrichtung 30 und den Auslöseschalter 20 umfasst.
Bezug auf 3A nehmend, ist ein Anker 42 des Motors 10a dargestellt. Wie in den nachfolgenden Abschnitten ausführlicher beschrieben, weist der Motor 10a einen ersten Satz von Ankerwicklungen auf, die in sehr schematischer Form dargestellt und mit der Bezugszahl 44 gekennzeichnet sind, und die auf einen Blechstapel 46 des Ankers 42 gewickelt sind. Der erste Satz von Wicklungen 44 ist mit einem ersten Satz von Kommutatorlamellen 48 verbunden. Der erste Satz von Kommutatorlamellen 48 wird an einer Ankerwelle 50 gehalten. Die Ankerwelle 50 erstreckt sich durch einen koaxialen Mittelpunkt des Blechstapels 46 und weist ein Paar von Lagern 52 benachbart zu den gegenüberliegenden Enden auf, um die Ankerwelle 50 für eine Drehbewegung in einem Gehäuse der Bohrmaschine 12 zu lagern. Ein Ritzel 54 wird verwendet, um mit der Untersetzungsgetriebeeinheit 16 einzugreifen. Ein erstes Paar von Bürsten 56a, 56b ist positioniert, um den ersten Satz von Kommutatorlamellen 48 zu kontaktieren.
Der Anker 42 weist weiterhin einen zweiten Satz von Ankerwicklungen 58 auf, die in die Nuten des Blechstapels 46 gewickelt sind. Der zweite Satz von Wicklungen 58 ist mit einem zweiten Satz von Kommutatorlamellen 60 verbunden, die an der Ankerwelle 50 angebracht sind. Ein zweites Paar von Bürsten 62a, 62b ist in Kontakt mit dem zweiten Satz von Kommutatorlamellen 60 angeordnet.
Die beiden Paare von Bürsten 56a, 56b und 62a, 62b sind mit den Anschlussklemmen der Batterie 22 durch die Schalter 64, 66 und 68 verbunden. Die Schalter 64, 66 und 68 bilden zusammen das Teilschaltsystem 36 in 2. Die Schalter 64, 66 und 68 ermöglichen, dass die Bürsten so verbunden sind, dass die beiden Sätze von Ankerwicklungen 44, 58 entweder in Reihen- oder in Parallelschaltung verbunden sind. Das Verbinden der Ankerwicklungen 44, 58 in Reihenschaltung stellt eine erste Betriebsart bereit, in der der Motor 10a eine geringere maximale Leistungsabgabe und eine geringere Leerlaufdrehzahl, jedoch einen höheren Wirkungsgrad hat. Das Verbinden der Ankerwicklungen 44, 58 in Parallelschaltung stellt eine zweite Betriebsart bereit. In der zweiten Betriebsart hat der Motor 10a eine höhere Leerlaufdrehzahl und eine größere Leistungsabgabe als bei der Verbindung in Reihenschaltung, jedoch auf Kosten eines geringeren Motorwirkungsgrads, wenn der Motor mit einer geringen Leistungsabgabe arbeitet. Somit können durch Steuern der Verbindungen der beiden Ankerwicklungssätze 44, 58 deutlich unterschiedliche Betriebskennwerte von einem einzigen Motor geliefert werden. Das erhöht den Gebrauchswert des Motors 10a durch das Ermöglichen, dass seine Betriebskennwerte besser an die gerade auszuführende Arbeitsaufgabe angepasst werden (d. h. an eine Arbeitsaufgabe, die entweder eine höhere Motorleistung oder eine niedrigere Motorleistung erfordert). Durch Wählen der ersten Betriebsart für Arbeitsaufgaben, die einen geringeren Grad von Motorleistung erfordern, wird der dem Motor 10a entnommene Strom verringert und somit die Betriebszeit der Bohrmaschine 12 mit einer vorgegebenen Aufladung im Vergleich zu der Laufzeit, die erreicht werden würde, wenn die Bohrmaschine kontinuierlich in der zweiten Betriebsart betrieben werden würde, verlängert. Die zweite Betriebsart steht jedoch leicht für die Arbeitsaufgaben zur Verfügung, die einen höheren Grad von Motorleistung erfordern.
3A zeigt die beiden Sätze von Bürsten 56a, 56b und 62a, 62b, verbunden durch die Schalter 64, 66 und 68, so dass die beiden Wicklungssätze 44, 58 in Reihe geschaltet verbunden sind. In dieser Betriebsart sind die Schalter 64 und 66 geöffnet, während der Schalter 68 geschlossen ist. Die Pfeile zeigen die Richtung des Stromflusses durch die Bürsten 56a, 56b, 62a, 62b und die Schalter 64, 66, 68, wenn der Motor 10a sich in seiner ersten Betriebsart befindet, wobei beide Wicklungssätze 44, 58 in Reihe geschaltet sind. Eine vollständige Reihenschaltung wird zwischen der Bürste 56a, dem ersten Wicklungssatz 44, der Bürste 56b, dem Schalter 68, der Bürste 62a, dem zweiten Wicklungssatz 58 und der Bürste 62b gebildet.
3B zeigt die Richtung des Stromflusses durch die gleichen Bauteile, wobei jedoch die Schalter 62, 64, 66 so konfiguriert sind, dass die Bürstenpaare 56a, 56b parallel geschaltet sind. In dieser Betriebsart sind die Schalter 64 und 66 geschlossen, während der Schalter 68 geöffnet ist. Der Strom fließt von der positiven Anschlussklemme der Batterie 22 gleichzeitig zu den Bürsten 56a und 62a, gleichzeitig durch die beiden Wicklungssätze 44 und 58 und zurück zu der negativen Anschlussklemme der Batterie 22. Der durch den ersten Wicklungsatz 44 fließende Strom fließt auf seinem Rückweg zu der negativen Anschlussklemme der Batterie 22 durch den Schalter 66.
Die Schalter 64, 66 und 68 können MOSFET-Schalter aufweisen, die alle auf einer gemeinsamen, unabhängigen Leiterplattenanordnung angeordnet sind, oder sie können alternativ auf einer gedruckten Leiterplattenanordnung zusammen mit dem Steuergerät 28 angeordnet sein. Ein anderer elektrisch gesteuerter Schalter außer einem MOSFET-Schalter kann verwendet werden, vorausgesetzt, dass der Schalter in der Lage ist, den maximalen Motorstrom zu verarbeiten, der durch den Motor 10a entnommen wird, wenn er in seiner Maximalleistungsbetriebsart betrieben wird.
Bezug auf die 4 und 5 nehmend, sind dort vereinfachte elektrische schematische Schaltbilder der Wicklungssätze 44 und 58 dargestellt, um ferner ein Beispiel der gegenseitigen Verbindungen der beiden Wicklungssätze 44 und 58 mit ihren jeweiligen Kommutatorlamellen 48 und 60 aufzuzeigen. In diesem Beispiel ist der Anker 42 mit einem ersten Satz von zehn Wicklungen gewickelt, die den ersten Wicklungsatz 44 bilden, und ein getrennter Satz von zehn Wicklungen bildet den zweiten Wicklungssatz 58.
Vergleich der Motorbetriebskennwerte
Für einen Motor, der die vorher angeführten Betriebsarten ausführen kann, ist es erforderlich, seine grundlegenden Betriebskennwerte zu berücksichtigen. So ist zum Beispiel ein Motor, der für eine höhere Leistung ausgelegt ist, bei Anwendungen mit niedrigem Drehmoment und hoher Drehzahl, wie etwa beim Eintreiben kleiner Schrauben oder beim Bohren kleiner Löcher in Weichholz, weniger effizient. Der Hauptgrund dafür ist, dass ein für eine maximale Leistung ausgelegter Motor ein niedriges Verhältnis von Drehmoment pro Ampere aufweist, weil er eine hohe Leerlaufdrehzahl und eine geringe Anzahl von Wicklungswindungen aufweist. Im Wesentlichen erzeugt der Motor 10a, wenn die beiden Wicklungssätze 44, 58 in Reihenschaltung verbunden sind, die Hälfte der Leistung und arbeitet mit der halben Leerlaufdrehzahl im Vergleich zu der Leistung und der Leerlaufdrehzahl, die erreicht werden würden, wenn die beiden Wicklungssätze 44, 58 in Parallelschaltung verbunden wären. Wenn man jedoch die Wicklungssätze 44,58 in Reihenschaltung verbindet, wird im Wesentlichen das Doppelte des Verhältnisses Drehmoment pro Ampere im Vergleich zu einer Verbindung der Wicklungssätze 44,58 in Parallelschaltung erzeugt. Daher entnimmt der Motor 10a, wenn die Wicklungssätze 44, 58 in Reihenschaltung verbunden sind, nur etwa die Hälfte des Stroms für dieselben Anwendungen mit geringem Drehmoment und hoher Drehzahl. Daher erhöht das Verbinden der Wicklungssätze 44, 58 in Reihenschaltung die Betriebszeit der Batterie 22, die einen vorgegebenen Motor mit einer vorgegebenen Aufladung antreibt.
Nun auf die 6 bis 10 Bezug nehmend, sind Vergleiche der Betriebskennwerte des Motors 10a beim Arbeiten in seinen beiden Betriebsarten angeführt. In 6 ist das Drehzahl/Drehmoment-Verhältnis durch die Kurven 70 und 72 dargestellt, wobei die Kurve 70 die beiden Wicklungssätze 44, 58 in Reihenschaltung (Betriebsart 1) und Kurve 72 die beiden Wicklungssätze in Parallelschaltung (Betriebsart 2) darstellt. Die Kurve 72 zeigt, dass die Leerlaufdrehzahl wesentlich höher ist (etwa 27000 U/min im vorliegenden Beispiel), wenn der Motor 10a mit seinen Wicklungssätzen 44, 58 in Parallelschaltung konfiguriert ist.
7 zeigt das Verhältnis zwischen Wirkungsgrad und Leistung auf, wenn die Ankerwicklungssätze 44, 58 des Motors in Reihen- und Parallelschaltung verbunden sind. Die Kurve 74 zeigt die Verbindung in Reihenschaltung und die Kurve 76 in Parallelschaltung. Es ist ersichtlich, dass der Motorwirkungsgrad höher bei der Reihenschaltung ist, wenn die Leistungsabgabe des Motors 10a kleiner als etwa 300 Watt beträgt, und noch wesentlich höher bei Leistungsabgaben des Motors von weniger als etwa 100 Watt ist. Somit ermöglicht es die Reihenschaltung der Wicklungssätze 44, 58 (Betriebsart 1) bei leichten Arbeitsaufgaben dem Motor 10a, in einer hocheffektiven Weise betrieben zu werden, die die Betriebszeit der Bohrmaschine 12 bei vorgegebener Aufladung über die Betriebszeit hinaus verlängern würde, die möglich wäre, wenn der Motor 10a ausgelegt ist, eine konstante maximale Leistungsabgabe zu liefern.
8 zeigt das Verhältnis zwischen Motorleistung und Motordrehmoment, wenn der Motor 10a in jeder seiner beiden Betriebsarten betrieben wird. Die Kurve 78 zeigt das Leistungs/Drehmoment-Verhältnis, wenn die beiden Wicklungssätze 44,58 des Motors 10a in Reihenschaltung verbunden sind. Die Kurve 80 stellt das Leistung/Drehmoment-Verhältnis dar, wenn die beiden Wicklungssätze 44, 58 in Parallelschaltung verbunden sind. Es ist zu erkennen, dass für ein vorgegebenes Motordrehmoment die Paral lelschaltung der beiden Wicklungssätze 44, 58, die durch die Kurve 80 dargestellt wird, mehr Motorleistung verbraucht, als wenn der Motor 10a mit den Wicklungssätzen 44, 58 in Reihenschaltung verbunden wäre. So verbraucht zum Beispiel der Motor 10a bei einem Drehmoment von 40 Zoll/Unze (Inch/Ounces) bei Parallelschaltung seiner Wicklungssätze 44, 58 fast 200 Watt zusätzliche Leistung über die Leistung hinaus, die von dem Motor 10a verbraucht wird, wenn die Wicklungssätze 44, 58 in Reihenschaltung verbunden sind.
9 zeigt das Verhältnis zwischen dem Motorstrom und dem Motordrehmoment für die Wicklungssätze 44, 58 sowohl in Reihenals auch in Parallelschaltung. Die Leistungskurve 82 stellt das Strom/Drehmoment-Verhältnis des Motors 10a dar, wenn seine Wicklungssätze 44, 58 in Reihenschaltung verbunden sind. Die Kurve 84 stellt die Wicklungssätze 44, 58 in Parallelschaltung verbunden dar. Wenn die Wicklungssätze 44, 58 in Parallelschaltung verbunden sind, entnimmt der Motor 10a beträchtlich mehr Strom beim Erzeugen eines vorgegebenen Drehmoments. So entnimmt der Motor 10a zum Beispiel bei einem Drehmoment von 50 Inch/Unze fast 30 Milliampere mehr Strom, wenn seine Wicklungssätze 44, 58 in Parallelschaltung verbunden sind, im Vergleich zu dem Strom, der entnommen werden würde, wenn die Wicklungssätze in Reihenschaltung verbunden wären. Somit erlaubt für leichte Anwendungen, die ein geringes Motordrehmoment (und somit eine geringere Leistungsabgabe des Motor) erfordern, die Anwendung der Reihenschaltung für die Wicklungssätze 44, 58 dem Motor 10a, wesentlich weniger Strom zu entnehmen, wenn er ein vorgegebenes Drehmoment erzeugt. 10 stellt das Verhältnis zwischen Stromentnahme und Leistung des Motors 10a für jede der Reihen- und Parallelschaltungsschemata dar.
Bezug auf die 11 und 12 nehmend, sind Diagramme dargestellt, die die verschiedenen Wirkungsgrade und Drehmomente darstellen, die bei verschiedenen Betriebsarten des Motors 10a erzeugt wer den. In 11 erzeugt das Betreiben des Motors 10a in einer Betriebsart für einen maximalen Wirkungsgrad, zum Beispiel der Betriebsart "1", eine Wirkungsgrad/Drehmoment-Kurve, die durch die Kurve 100 dargestellt wird. Das Betreiben des Motors 10a in einer Betriebsart für maximale "Leistung" erzeugt eine Wirkungsgrad/Drehmoment-Kurve, die durch die Kurve 102 dargestellt wird. 12 zeigt, dass die Drehzahl des Motors 10a so gesteuert werden kann, dass sie an leichte, mittlere oder schwere Anwendungen angepasst werden kann, die unterschiedliche Grade der Drehmomentabgabe erfordern. Die Kurve 104 und die Kurve 106 stellen die Verwendung einer höheren Motordrehzahl (d. h. Kurve 106) dar, um ein maximales Drehmoment für schwere Anwendungen zu erreichen.
13 zeigt, wie die Wicklungssätze 44, 58 geschaltet werden können, wenn das Werkzeug 12 betrieben wird, um praktisch momentan die Betriebskennwerte des Werkzeugs zu verändern. Das Umschalten von Reihenschaltung auf Parallelschaltung (oder umgekehrt) könnte ein "hartes" Umschalten sein, bei dem die elektrischen Verbindungen ohne jegliche elektrische "Glättung" des Übergangs verändert werden. Ein solches Umschalten wird durch die Kurve 108 in 13 dargestellt. Nachdem die Motordrehzahl auf etwa 11000 U/min abgefallen ist, werden die in Reihe geschalteten Wicklungssätze 44, 58 parallel geschaltet und liefern somit eine größere Leistungsabgabe von dem Motor 10a. Der Vorteil davon ist, dass die Laufzeit des Werkzeugs mit dem Motor 10a für einen gegebenen Motor und eine vorgegebene Batterieaufladung bei leichten Arbeitsaufgaben im Vergleich zu der Laufzeit, die bei parallel geschalteten Wicklungen erreicht werden könnte, erhöht wird. Das Parallelschalten der Wicklungssätze 44, 58 ermöglicht jedoch, die Leistungsabgabe des Motors 10a über die Leistungsabgabe hinaus zu erhöhen, die möglich wäre, wenn die Wicklungssätze 44, 58 in Reihe geschaltet wären. Das stellt vom gleichen Motor 10a mehr Leistung bereit, wenn schwere Arbeitsaufgaben ausgeführt werden.
Für die Bohrmaschine 12 ermöglicht das Umschalten der Wicklungssätze 44, 58 zwischen Reihen- und Parallelschaltung, die Abgabekennwerte des Motors 10a in Echtzeit zu verändern. Bezug auf 14 nehmend, stellt die Reihenschaltung einen maximalen Wirkungsgradbereich und einen maximalen Drehmomentbereich zur Verfügung. Die Parallelschaltung liefert jedoch eine maximale Betriebsdrehzahl und einen maximalen Leistungsbereich.
15 zeigt, wie die Abgabekennwerte des Motors 10a durch eine Kombination von Reihen/Parallel-Umschaltung und die Verwendung einer Untersetzungsgetriebeeinheit 16 verändert werden können, um die Abtriebsdrehzahl noch weiter anzupassen. Bei einer Anwendung mit einer angetriebenen Säge würde das besonders für das Anpassen der Drehzahl der Säge nützlich sein, um die Leistung der Säge beim Schneiden verschiedener Materialarten (z. B. Weichhölzer im Gegensatz zu Harthölzern) und/oder bei der Verwendung von verschiedenen Sägeblatttypen zu optimieren.
Erreichen einer erhöhten Anzahl von Motorleistungsabgabekurven durch Steuerung des Motors und der Untersetzungsgetriebeeinheit
Der Motor 10a und die Untersetzungsgetriebeeinheit 16 können durch das Steuergerät 28 gesteuert werden, um eine Anzahl von Abtriebsdrehzahlen der Einheit 16 zu liefern, die die Anzahl der verschiedenen Drehzahlen überschreitet, die durch alleiniges Steuern der Untersetzungsgetriebeeinheit 16 ausgeführt werden können. Unter Bezugnahme auf die 16 bis 21 sind als Beispiel mehrere vereinfachte Diagramme dargestellt, die eine Ausführung der Untersetzungsgetriebeeinheit 16 zeigen, die im vorliegenden Beispiel eine zweistufige Untersetzungsgetriebeeinheit ist. Durch reine Auswahl einer der verschiedenen Stufen einer zweistufigen Untersetzungsgetriebeeinheit könnten aus der in den 16 bis 18 dargestellten Motor/Untersetzungsgetriebe-Kombination drei unterschiedliche Abtriebsdrehzahlen erreicht werden. Die Fähig keit, die Wicklungssätze 44, 58 des Motors 10a entweder in Reihe oder parallel zu schalten, ermöglicht es jedoch, insgesamt sechs unterschiedliche Abtriebsdrehzahlen von der zweistufigen Untersetzungsgetriebeeinheit 16 zu erhalten. Das ermöglicht, eine billigere, kleinere und leichtere Untersetzungsgetriebeeinheit zu verwenden, um eine vorgegebene Anzahl von unterschiedlichen Leistungsabgabekurven zu liefern, als die Untersetzungsgetriebeeinheit, die ansonsten ohne die Fähigkeit des Verbindens in Reihen/Parallelschaltung erforderlich sein würde. Die Verwendung einer kleineren, leichteren Untersetzungsgetriebeeinheit in einem angetriebenen Handwerkzeug ist besonders vorteilhaft, wenn das Gewicht und die Abmessungen des Werkzeugs wichtige Auslegungserwägungen sind.
Die Fähigkeit, die Verbindungskonfiguration der Wicklungssätze 44, 58 des Motors (in Reihenschaltung oder Parallelschaltung) und die elektronische Steuerung der Untersetzungsgetriebeeinheit 16 zu kombinieren, ermöglicht es, einen weiten Bereich von Ausgangsleistungen mit verschiedenen Leistungskennwerten zu erhalten. So liefert zum Beispiel das Verbinden der Wicklungssätze 44, 58 in Reihenschaltung einen höheren Wirkungsgrad bei einer vorgegebenen niedrigen Leistungsabgabe als den, der mit parallel geschalteten Wicklungssätzen für denselben Motor erreicht werden könnte. Daher könnte die Reihenschaltung für die Wicklungssätze 44, 58 des Motors mit einem Drehzahluntersetzungsverhältnis der Untersetzungsgetriebeeinheit 16 auf hohe Drehzahl verwendet werden, um die Bohrmaschine 12 für Arbeitsgänge des Eintreibens von kleinen Schrauben oder des Bohrens mit Bohrwerkzeugeinsätzen kleinen Durchmessers zu optimieren, für die eine hohe Motordrehzahl vorteilhaft ist. Umgekehrt könnte die Parallelschaltung der Wicklungssätze 44, 58 (die eine höhere maximale Leistungsabgabe liefert) mit einem Untersetzungsverhältnis auf eine niedrigere Drehzahl verwendet werden. Diese Kombination würde eine maximale Anwendungsdrehzahl und eine thermische Stabilität für schwere Arbeitsaufgaben liefern. Es ist somit zu erkennen, dass ein weiter Bereich verschiedener Leistungsabgaben des Motors mit verschiedenen Drehzahl/Drehmoment/Leistungs/Wirkungsgrad-Kennwerten durch die selektive Verbindung der Wicklungsätze 44, 58 und der Steuerung der Untersetzungsgetriebeeinheit 16 erreicht werden kann.
Verwendung der Steuerung, um die Drehzahl-Drehmoment-Kurve des Motors an die Drehzahl-Drehmoment-Fähigkeit der Untersetzungsgetriebeeinheit anzupassen
Das Steuergerät 28 kann auch verwendet werden, um die Drehzahl-Drehmoment-Leistungskurve des Motors 10a an die Drehzahl-Drehmoment-Leistungskurve der Untersetzungsgetriebeeinheit 16 anzupassen. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, einen ausreichende Drehzahl-Drehmoment-"Steuerungsspielraum" in der Untersetzungsgetriebeeinheit 16 vorzusehen, um zu sichern, dass der Motor 10a während des Betriebs der Bohrmaschine 12 die Untersetzungsgetriebeeinheit 16 nicht beschädigt oder übermäßig beansprucht. Kurz Bezug auf die 22 bis 24 nehmend, kann dieses Merkmal ausführlicher erläutert werden. 22 zeigt als Beispiel einen Grad eines typischen "Steuerungsspielraums", der in einem Untersetzungsgetriebesystem (oft einfach als "Getriebe" bezeichnet) vorgesehen werden muss, um sicherzustellen, dass der verwendete Motor das Getriebesystem nicht beschädigt oder übermäßig beansprucht. Die Kurve 110 stellt ein Beispiel einer Drehzahl-Drehmoment-Leistungskurve eines Gleichstrommotors dar, und die Kurve 112 stellt ein Beispiel einer Drehzahl-Drehmoment-Leistungskurve eines herkömmlichen Getriebes dar. Der Drehzahl-Drehmoment-"Steuerungsspielraum", der im Getriebe vorgesehen ist, wird durch den Bereich 114 zwischen den beiden Kurven 110 und 112 dargestellt. Der Bereich 114 ist im Wesentlichen der zusätzliche Grad von Drehzahl-Drehmoment-Verarbeitungsfähigkeit, der für das Getriebe über den Grad hinaus, den der Motor entwickeln kann, vorgesehen ist. Dieser Steuerungsspielraum stellt sicher, dass der Motor das Getriebe nicht übermäßig beansprucht oder beschädigt.
23 zeigt die Steuerung der Drehzahl-Drehmoment-Kennwerte des Motors 10a, um die Drehzahl-Drehmoment-Leistungskurve des Motors "hochzutreiben", um sie an die maximale Drehzahl-Drehmoment-Leistungsfähigkeit der Untersetzungsgetriebeeinheit 16 anzupassen. Im vorliegenden Beispiel stellt die Kurve 116 die Drehzahl-Drehmoment-Leistungskurve des Motors 10a dar, die das Steuergerät 28 für den Motor 10a implementiert. Die Kurve 118 stellt die Drehzahl-Drehmoment-Leistungskurve, für die die Untersetzungsgetriebeeinheit 16 ausgelegt ist, dar. Das Steuergerät 28 steuert den Motor 10a, um die Drehzahl-Drehmoment-Kurve für den Motor 10a soweit "hochzutreiben" oder zu verstärken, so dass sie im Wesentlichen an die Drehzahl-Drehmoment-Kurve der Untersetzungsgetriebeeinheit 16 angepasst ist. Das ermöglicht die effektivste Nutzung der Drehzahl-Drehmoment-Fähigkeit der Untersetzungsgetriebeeinheit 16 durch Eliminieren des Leistungsreservebereichs 114, der normalerweise in der Untersetzungsgetriebeeinheit 16 vorgesehen sein würde. Durch das Überwachen von wichtigen Betriebskennwerten des Motors, wie etwa der Motordrehzahl und des Motorstroms, stellt das Steuergerät 28 sicher, dass der Betrieb des Motors 10a zu keiner Zeit die Drehzahl-Drehmoment-Fähigkeit der Untersetzungsgetriebeeinheit 16 überschreitet. Umgekehrt könnte durch Verwendung des Steuergeräts 28 zum Überwachen und präzisen Steuern der Drehzahl-Drehmoment-Fähigkeit des Motors 10a eine billigere Untersetzungsgetriebeeinheit für einen vorgegebenen Motor verwendet werden.
Bezug auf 24 nehmend, kann auch eine alternative Steuerungsmethodik verwendet werden, bei der das Steuergerät 28 die Drehzahl-Drehmoment-Leistungskurve des Motors 10a so steuert, dass sie nur kurzzeitig periodisch auf die Drehzahl-Drehmoment-Leistungskurve der Untersetzungsgetriebeeinheit 16 erhöht wird. Die Kurve 120 stellt eine konstante Drehzahl-Drehmoment-Kurve des Motors 10a dar, die durch das Steuergerät 28 implementiert ist. Die Kurve 122 zeigt die Betriebspunkte der Drehzahl-Drehmoment-Kurve 120, die durch das Steuergerät 28 angehoben sind, um periodisch die Drehzahl-Drehmoment-Kurve 124 der Untersetzungsgetriebeeinheit 16 kurzeitig "hochzutreiben". Auf diese Weise kann der Motor 10a durch das Steuergerät 28 so gesteuert werden, dass er sich der Drehzahl-Drehmoment-Leistungsfähigkeit der Untersetzungsgetriebeeinheit 16 für kurze Zeiträume, die die Untersetzungsgetriebeeinheit nicht übermäßig beanspruchen oder die Gefahr ihrer Beschädigung hervorrufen, anpasst oder sie sogar geringfügig überschreitet. Das erlaubt auch die Verwendung einer billigeren Untersetzungsgetriebeeinheit, da diese nicht mit einer ausreichenden Steuerungsreserve ausgelegt werden muss, um in der Lage zu sein, kontinuierlich die vollständige Drehzahl-Drehmomentfähigkeit des Motors 10a aufzunehmen.
Betrieb der Benutzer-Steuerungs-Wähleinrichtung
Nun Bezug auf die 25 bis 28 nehmend, wird die Benutzer-Steuerungs-Wähleinrichtung 30 ausführlicher beschrieben. Die Wähleinrichtung 30 umfasst in einer bevorzugten Form einen Mehrpositionsschalter, der von Hand durch den Benutzer in eine von mehreren Stellungen für unterschiedliche Betriebsarten geschaltet werden kann. Im vorliegenden Beispiel sind vier Betriebsarten dargestellt. Die Betriebsart "1" (25) stellt eine Betriebsart für eine maximale Leistung bereit, während die Betriebsart "4" (28) eine Betriebsart für den maximalen Wirkungsgrad bereitstellt. In der Betriebsart "4" kann zum Beispiel die Leistungsabgabe von dem Motor 10a in der vierten Schalterstellung durch das Steuergerät 28 auf ein Maximum von, zum Beispiel, 300 Watt Leistungsabgabe begrenzt werden. In der Stellung "1" wird die maximale Leistungsabgabe von, zum Beispiel 600 Watt, gewählt. Das Steuergerät 28 verändert auch die Drehzahl des Motors 10a zwischen mehreren vorgegebenen Drehzahlen in Übereinstimmung mit der Stellung der Wähleinrichtung 30, um die beste Anpassung an die zurzeit auszuführende Arbeitsaufgabe zu erreichen (d. h. entweder das Bereitstellen der maximalen Leistung, des maximalen Wirkungsgrads oder eine Kombination davon). Die Schaltstellung "1" kann zum Beispiel eine Drehzahl des Spannfutters 14 von 450 m U/min, die Stellung "2" (26) eine Drehzahl von 850 U/min, die Stellung "3" (27) eine Drehzahl an 1400 U/min und die Stellung "4" eine Drehzahl von 2000 U/min aufweisen. Alternativ kann die Wähleinrichtung 30 mit der Untersetzungsgetriebeeinheit 16 so verbunden sein, dass die Wähleinrichtung automatisch von einer Betriebsart in eine andere Betriebsart bewegt wird, wenn das Steuergerät 28 die Belastung des Motors 10a erfasst. So kann zum Beispiel das Steuergerät 28 verwendet werden, um von einer Betriebsart für maximalen Wirkungsgrad (d. h. Betriebsart 4) auf eine Zwischenbetriebsart (d. h. Betriebsart 2) sofort umzuschalten, wenn ein zusätzlicher Belastungsgrad des Motors erfasst wird. Der zusätzliche Belastungsgrad wird durch eine Erhöhung der Stromentnahme durch den Motor 10a erfasst. Wenn der Zeitraum der erhöhten Belastung endet, kann das Steuergerät 28 die Betriebsart wieder auf die von dem Benutzer gewählte Betriebsart zurückschalten. Das Steuergerät 28 kann je nachdem, ob ein erfasster Betriebsparameter oder mehrere Betriebsparameter, wie etwa Drehzahl oder Drehmoment, zu erfassen sind, in einem Schema mit geschlossenem Regelkreis oder in einem Schema mit offenem Regelkreis implementiert werden, um die Wicklungen in Reihenschaltung oder in Parallelschaltung zu verbinden.
Die Anzeige 32 kann eine erste Anzahl von LEDs 32A aufweisen, um dem Benutzer anzuzeigen, dass das Steuergerät 28 die von dem Benutzer gewählte Betriebsart überschrieben hat, und kann eine Anzeige bereitstellen, die anzeigt, welche Betriebsart des Motors 10a gerade aktiv ist. Der LED-Satz 32b kann zur Anzeige eines Ladezustands der Batterie 22 der Bohrmaschine 12 verwendet werden.
Verwendung des Steuergeräts zum weiteren Anpassen der Betriebskennwerte des Motors
In jeder der vorher beschriebenen Betriebsarten kann das Steuergerät 28 den Kommutationsfortschritt und die Spannungssteuerung implementieren, um eine noch weitergehende Anpassung der vorher beschriebenen Wirkungsgrad/Drehmoment- und Drehzahl/Drehmoment-Kurven zu erreichen. Weiterhin kann der maximale Strom (d. h. der Blockierungsstrom) des Motors 10a durch das Steuergerät 28 gesteuert werden. So kann zum Beispiel das Steuergerät 28, wenn es den Strom erfasst, der durch den Motor 10a entnommen wird, die Drehmomentabgabe des Motors 10a nach einer vorbestimmten Zeit der Überschreitung des maximalen Stroms herabsetzen. Wenn zum Beispiel der Blockierungsstrom länger als zwei Sekunden andauert, kann das Steuergerät 28 die Drehmomentabgabe des Motors 10a auf einen vorgegebenen Leistungspegel herabsetzen, um eine übermäßige Stromentnahme aus der Batterie 22 zu verhindern.
Das Steuergerät 28 kann auch programmiert werden, um die an den Motor 10a angelegte Spannung allmählich zu verringern, um den Leistungsverlust zu simulieren, der vorhanden ist, nachdem der Motor nach einem sicheren Betriebsbereich, während er sich in der Betriebsart für maximale Leistung befindet, hochgefahren wurde. Eine Begrenzung des maximalen Stroms kann verwendet werden, wenn die Bohrmaschine 12 in ihrer Betriebsart für den Wirkungsgrad verwendet wird (d. h. in der Betriebsart für geringe Leistung).
Das Steuergerät 28 könnte auch verwendet werden, um den Motor 10a automatisch von seiner Betriebsart für geringe Leistungsabgabe auf seine Betriebsart für höhere Leistungsabgabe umzuschalten, wenn die Bohrmaschine 12 in einer speziellen Untersetzung blockiert, um eine höhere Leistungsabgabe von dem Motor 10a zu erzeugen. Die Zeitdauer, in der die Bohrmaschine 12 kontinuierlich in ihrer Betriebsart für hohe Leistung betrieben werden kann, kann überwacht und eingeschränkt werden, um eine übermäßige Erwärmung des Motors 10a zu verhindern.
Das Steuergerät 28 kann auch verwendet werden, um eine oder mehrere Bremsbetriebsarten zu implementieren, um die Beanspruchung verschiedener innerer Bauteile der Bohrmaschine 12 zu verringern. So könnte zum Beispiel ein regeneratives Bremsen durch Erzeugen von Strom aus der Trägheit des Motors 10a und direktes Zurückleiten des Stroms zu der Batterie 22 erreicht werden.
Das Steuergerät 28 kann auch verwendet werden, um ein Drehmomentsteuerungsmerkmal für den Blockierungsschutz und somit eine Form einer "elektronischen Kupplung" zu implementieren. So kann zum Beispiel das Erfassen der momentanen Änderungsrate des von dem Motor 10a entnommenen Stroms verwendet werden, um die Drehmomentabgabe des Motors zu steuern. Das kann Rückschlagschutz- oder Blockierungsschutz-Eigenschaften für die Bohrmaschine 12 bereitstellen. Der maximale Strom, der dem Motor 10a in jeder seiner Betriebsarten entnommen werden kann, kann auf Wunsch begrenzt werden, wie etwa durch eine Software. Das Steuergerät 28 kann auch verwendet werden, um eine Umsteuerungsfähigkeit für den Motor 10a zu implementieren. Vorzugsweise ist die Betriebsart mit geringer Leistung für leichte Arbeitsaufgaben die „Standard"-Betriebsart, wenn die Bohrmaschine 12 auf Rückwärtslauf geschaltet ist. Es könnte ein anderer Strombegrenzungswert für den Motor 10a eingestellt werden, wenn der Motor rückwärts läuft. Wenn zum Beispiel eine relativ hohe Strombegrenzung eingestellt ist, wenn die Bohrmaschine 12 in der Rückwärtslauf-Betriebsart betrieben wird, würde das ermöglichen. dass ein höheres Drehmoment durch den Motor 10a erzeugt wird und somit ein schnelleres Entfernen von in ein Werkstück eingeschraubten Schrauben ermöglichen.
Darüber hinaus könnte das Steuergerät 28 unter Verwendung eines geschlossenen oder eines offenen Regelkreises ausgelegt werden.
Wenn ein geschlossener Regelkreis verwendet wird, würde das Steuergerät 28 die Rückkopplung von dem Stromerfassungssystem 40 und den Motordrehzahlsensor 38 nutzen, um die Betriebskennwerte des Motors 10a zu verändern. Wenn ein offener Regelkreis verwendet wird, kann das Steuergerät 28 eine oder mehrere Nachschlagtabellen nutzen, deren Informationen (d. h. verschiedene Motordrehzahlen und/oder Stromentnahmewerte des Motors 10a) in einem inneren oder äußeren Speicher gespeichert sind, um während einer vorgegebenen Arbeitsaufgabe die optimale Betriebsart zu wählen. Darüber hinaus könnte das Steuergerät 28 in einer einzigen Anordnung (d. h. in einer "kompakten Baugruppe") mit dem Motor 10a integriert sein, oder es könnte entfernt von dem Motor 10a angeordnet sein, wie in 1 dargestellt. Das Steuergerät 28 könnte auch auf einer gemeinsamen Leiterplattenanordnung mit dem Schalterverbindungsteilsystem 36 (1) oder von dem Teilsystem 36 entfernt angeordnet sein.
Der Motor 10a, das Steuergerät 28 und das Schaltungsteilsystem 36 können daher verwendet werden, um mehrere unterschiedliche Betriebsarten bei einem einzigen Motor zu erreichen. Die Betriebsarten, die entweder eine leichte Betriebsart oder eine Betriebsart für maximale Leistung darstellen, können durch Auswahl durch den Benutzer oder automatisch durch das Steuergerät 28 implementiert werden. Das Motorsystem 10 ermöglicht es, die Laufzeit einer Batterie zu verlängern, wenn das Werkzeug für Anwendungen verwendet wird, die eine geringere Motorleistung erfordern, und es wird bequem entweder von Hand oder automatisch umgeschaltet, um mehr Motorleistung bereitzustellen, wenn die Arbeitsaufgabe das erfordert. Das Betreiben eines mit Batterie betriebenen Werkzeugs, das das Motorsystem 10a aufweist, ermöglicht für eine vorgegebene Batterieladung das Erreichen einer längeren Betriebszeit gegenüber der Betriebszeit, die erreichbar wäre, wenn der Motor in seiner Betriebsart für maximale Leistung betrieben wird. Die maximale Leistung würde aber, wenn es eine Arbeitsaufgabe erfordert, entweder automatisch oder indem ein Benutzer einfach eine Steuerung, wie etwa einen Schalter, bewegt, um die gewünschte Betriebsart von Hand zu wählen, leicht verfügbar sein.
Die Beschreibung der verschiedenen Ausführungen ist rein beispielhafter Natur, und somit sind Änderungen, die nicht von dem Wesen der Offenbarung abweichen, dazu bestimmt, in den Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung zu fallen.

Claims

Angetriebenes Werkzeug umfassend einen Motor, wobei der Motor einen Anker aufweist mit einem ersten Satz von Ankerwicklungen, die auf einen Blechstapel gewickelt sind, einem zweiten Satz von Ankerwicklungen, die auf den Blechstapel gewickelt sind, und einem Schaltsystem, das die beiden Ankerwicklungssätze entweder in Reihen- oder Parallelschaltung verbindet.
Angetriebenes Werkzeug nach Anspruch 1, wobei das Schaltsystem ferner umfasst: einen ersten Satz von Kommutatorlamellen, die wahlweise mit dem ersten Satz von Ankerwicklungen verbunden sind, und einen zweiten Satz von Kommutatorlamellen, die wahlweise mit dem zweiten Satz von Ankerwicklungen verbunden sind.
Angetriebenes Werkzeug nach Anspruch 2, wobei das Schaltsystem ferner einen ersten Satz von Bürsten zum Zusammenwirken mit dem ersten Satz von Kommutatorlamellen und einen zweiten Satz von Bürsten zum Zusammenwirken mit dem zweiten Satz von Kommutatorlamellen umfasst.
Angetriebenes Werkzeug nach Anspruch 3, wobei das Schaltsystem ferner umfasst: eine Mehrzahl von Schaltern, die zwischen ausgewählten Bürsten geschaltet sind, und eine Steuereinrichtung zum Steuern des Betriebs der Schalter, um, wenn es erforderlich ist, die Wicklungen zwischen Reihen- und Parallelschaltung umzuschalten.
Angetriebenes Werkzeug, umfassend: einen Elektromotor wobei der Motor einen Anker aufweist mit: einem ersten Satz von Ankerwicklungen, die auf einen Blechstapel gewickelt sind, einem zweiten Satz von Ankerwicklungen, die auf en Blechstapel gewickelt sind, und einem Schaltsystem, das die beiden Ankerwicklungssätze in einer ersten Schaltung, um eine maximale Leistungsabgabe bereitzustellen und in einer zweiten Schaltung verbindet, um einen maximalen Motorwirkungsgrad bereitzustellen.
Angetriebenes Werkzeug nach Anspruch 5, wobei die erste Ausgestaltung das Verbinden der Sätze von Ankerwicklungen in Parallelschaltung umfasst.
Angetriebenes Werkzeug nach Anspruch 5, wobei die zweite Ausgestaltung das Verbinden der Sätze von Ankerwicklungen in Reihenschaltung umfasst.
Angetriebenes Werkzeug nach Anspruch 5, wobei das Schaltsystem mehrere erste und zweite Kommutatorlamellen umfasst, die mit ausgewählten Ankerwicklungen verbunden sind.
Angetriebenes Werkzeug nach Anspruch 8, wobei das Schaltsystem ferner erste und zweite Paare von Bürsten umfasst, um eine Stromquelle mit den mehreren Kommutatorlamellen zusammenzuschalten.
Angetriebenes Werkzeug nach Anspruch 9, wobei das Schaltsystem mehrere Schalter umfasst, die durch eine Steuereinrichtung gesteuert werden, um die Ankerwicklungen automatisch zwischen der ersten und zweiten Schaltung umzuschalten.
Angetriebenes Werkzeug nach Anspruch 9, wobei das Schaltsystem mehrere Schalter umfasst, die von Hand gesteuert werden, um die Ankerwicklungen zwischen der ersten und zweiten Schaltung umzuschalten.
Angetriebenes Werkzeug nach Anspruch 8, wobei das erste Paar von Bürsten angeordnet ist, um die ersten mehreren Kommutatorlamellen zu kontaktieren, und das zweite Paar von Bürsten angeordnet ist, um die zweiten mehreren Kommutatorlamellen zu kontaktieren.
Angetriebenes Werkzeug nach Anspruch 9, wobei die Ankerwicklungen eine Ankeranordnung mit einer Ankerwelle bilden und wobei das erste Paar von Bürsten an einem ersten Ende der Ankerwelle und das zweite Paar von Bürsten an dem zweiten Ende der Ankerwelle angeordnet sind.