DE2730504A1

DE2730504A1 - Hand-bohrvorrichtung

Info

Publication number: DE2730504A1
Application number: DE19772730504
Authority: DE
Inventors: Jack Everett Greenwell; Alexander Prokop
Original assignee: Lear Avia Corp
Current assignee: Lear Avia Corp
Priority date: 1977-07-06
Filing date: 1977-07-06
Publication date: 1979-01-25

Description

Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Hand-Bohrvorrichtung mit einem als Induktionsmotor mit dreiphasiger Statorwicklung ausgebildeten Elektromotor, dessen Rotor ein Futter zum Einsetzen eines Dentalbohrers o. dgl. trägt und dessen Stator über ein Leiterpaar,von einer Gleichstromquelle mit Strom versorgt wird, mit einem mehrere das Leiterpaar überbrückende und eine Verbindung zu bestimmten Motorphasenwindungen bildende Halbleiter-Schalter enthaltenden Inverter, einem frequenzvariablen Taktsignal-Generator, und mit einer zwischen dem Taktsignal-Generator und den Schaltern angeschlossenen Schalter-Steuerschaltung, mittels der abwechselnd in einer vorbestimmten Phasensequenz der eine Schalter jedes Paares durchgeschaltet und der andere gesperrt wird, um der Statorwicklung einen dreiphasigen Strom zuzuführen und den Motor in einer ersten Richtung mit einer zu dem Taktsignal proportionalen Drehzahl umlaufen zu lassen.
Derartige Bohrvorrichtungen müssen klein sein, damit sie der Zahnarzt, Chirurg o. dgl. bequem und sicher in der Hand halten kann. Der darin enthaltene Motor soll drehzahlveränderlich und unter anderem mit hoher Maximaldrehzahl laufen können. Ferner ist es erwünscht, daß der Rotor der Bohrvorrichtung sich schnell zum Stillstand bringen läßt, wenn Bohrer oder andere Werkzeugeinsätze zu wechseln sind. In vielen Einsatzfällen muß die Bohrvorrichtung nebst Werkzeugen sterilisierbar sein.
Bekannte Bohrvorrichtungen der eingangs genannten Art für zahnärztliche oder chirurgische Zwecke werden allgemein pneumatisch oder elektrisch mit Gleichstrom (Bürstentyp) angetrieben, und beide Motortypen lassen sich in der Drehzahl verändern, wobei der pneumatische Motor mit höherer Maximaldrehzahl laufen kann. Pneumatische Motoren lassen sich leicht im Autoklaven sterilisieren, und dabei wird der gesamte Motor überhitztem Dampf von beispielsweise 1500 ausgesetzt. Diese Behandlung vertragen Gleichstrom-Motoren nicht. Pneumatische Motoren brauchen eine Druckluftquelle, während sich Gleichstrom-Motoren leicht mit Hilfe eines Netzteils aus dem Stromnetz versorgen lassen. Bekannte Hand-Bohrvorrichtungen besitzen keine unabhängige Drehzahl- und Drehmoment-Steuerung.
Aufgabe der Erfindung ist es, unter Vermeidung der eingangs genannten Nachteile eine Hand-Bohrvorrichtung mit einem leichtgewichtigen, ein hohes Drehmoment abgebenden, drehzahlvariablen und problemlos im Autoklaven sterilisierbaren Motor zu schaffen, bei dem sich Drehzahl und Drehmoment über bestimmte Drehzahlbereiche hinweg unabhängig kontrollieren und der Rotor sehr schnell stillsetzen lassen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zwischen der Gleichstromquelle und dem Kraft-Stromleiterpaar eine von dem Taktsignal des Taktsignal-Generators abhängige Spannungsregulierschaltung angeschlossen ist, mittels der die Gleichspannung zwischen den Stromleitern in Abhängigkeit von der Frequenz des Taktsignals über einen vorbestimmten Bereich veränderbar ist.
Bei einer Hand-Bohrvorrichtung mit einem Phasenwicklungen und einen Rotor, an dem ein Futter zum Einsetzen eines Dentalbohrers o. dgl. angebracht ist, aufweisenden Induktionsmotor, einem an eine Gleichstromquelle anschließbaren Paar Stromleiter, einem frequenzvariablen Taktsignal-Generator, einem mehrere über die Stromleiter angeschlossene Schalterpaare aufweisenden Inverter, bei dem eine Vereinigung zwischen jedem Schalterpaar an eine zugeordnete Phasenwicklung des Motors angeschlossen ist, jeder Schalter eine Steuerelektrode aufweist und einen Kurzschluß zwischen dem betreffenden Stromleiter und der zugehörigen Phasenwicklung herstellt, wenn an seine Steuerelektrode ein erstes Steuersignal gelegt wird, diesen Kurzschluß aber aufhebt, wenn ein zweites Steuersignal an die Steuerelektrode angelegt wird, mit einer zwischen den Taktsignal-Generator und den Inverter geschalteten Schalter-Steuerschaltung zum alternativen Anlegen des ersten oder zweiten Steuersignals an die Steuerelektrode jedes Schalterpaares in einer vorbestimmten Phasensequenz, um die Motorwicklungen mit einem mehrphasigen Strom zu versorgen, so daß der Motor in einer ersten Richtung mit einer Drehzahl rotiert, welche der Frequenz des Taktsignals proportional ist, kann der Lösungsgedanke in der Weise realisiert werden, daß an die Schalter-Steuerschaltung eine Stopp-Steuerschaltung angeschlossen ist, um selektiv die Schalter-Steuerschaltung in der Weise zu beeinflussen, daß für einen vorbestimmten Zeitraum kontinuierlich das erste Steuersignal an die Steuerelektrode des einen Schalters jedes Paares, und das zweite Steuersignal an die Steuerelektrode des anderen Schalters jedes Paares gelegt wird, damit ein Gleichstrom durch die Phasenwicklungen fließt, welcher dem Rotor ein Bremsmoment erteilt.
Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen: Fig. 1 eine Ansicht einer nachstehend beschriebenen Hand-Bohrvorrichtung mit Steuersystem, Fig. 2 ein Blockcchaltbild mit verschiedenen Komponenten des St#ersystems für den Motor der Bohrvorrichtunq, Fig. 3 ein Spdnnuflgs-Diag:ramm für verschiedene Punkte in der Schaltungsanordnung von Fig. 2, Fig. 4 ein Diagramm mit Spannungen, welche den Motorwindungen durch die Schaltungsanordnung von Fig 2 zugeführt werden, Fig. 5 eine grafische Darstellung der Ausgangsspannung eines Spannungsreglers von Fig 2 in Abhangigkelt von der Taktsignal-Frequenz und der Einstellung einer Solldrehmoment-Nachstelischaltung, Fig. 6 ein schematisches Schaltbild von verschiedenen Komponenten des Blockschaltbildes von Fig. 2, Fig. 7 ein schematisches Schaltbild des Spannungsreglers in Fig. 2, Fig. 8 ein schematisches Schaltbild zu einer der Schalter-Steuerschaltungen aus Fig. 2, Fig. 9 ein Diagramm mit Steuerimpulsen für den Spannungsregler in Fig. 2 und 7, und Fig. 10 ein Diagramm mit Leistungs- und Drehmoment-Charakteristiken des Motors in Fig. 1 in Abhängigkeit von der Drehzahl.
Die in Fig. 1 dargestellte, beispielsweise für zahnärztliche oder chirurgische Zwecke geeignete Hand-Bohrvorrichtung 10 enthält einen mehrphasigen Induktions-Elektromotor 12 mit einer vorzugsweise im Bereich zwischen einem Viertel bis zu einem Zehntel PS liegenden Leistung. Der Rotor des Motors 12 ist mit einem Futter 14 zur lösbaren Befestigung von Bohrern, Fräsern, Polierwerkzeugen 16 o. dgl. versehen. Mittels eines Kabels 20 ist ein nachstehend beschriebenes Steuersystem an die Statorwicklungen 22, 24 und 26 des Motors 12 angeschlossen. Die Motorwicklungen sind in Sternschaltung verbunden, und die Baugruppen des Steuersystems 18 zeigt Fig. 2.
Ein Paar Stromleiter 30, 31 ist durch einen dreiphasigen Inverter 18a überbrückt, der drei Paare von Festkörper-bzw. Halbleiter-Schaltern in Form von Transistoren 32, 33, 34, 35, 36 und 37 enthält. Ein Verknüpfungspunkt jedes Schalttransistorpaares ist mit jeweils einer Phasenwicklung des Motors 12 verbunden. Die Basis jedes Schalttransistorpaares ist an eine separate Schalter-Steuerschaltung 40, 41 bzw. 42 angeschlossen. Auf diese Weise wird jeweils der eine Transistor durch- und der andere Transistor abgeschaltet, und umgekehrt.
Ein Taktsignale auf eine Leitung 45 abgebender frequenzvariabler Taktsignal-Generator 44 ist in der Frequenz der Taktsignale über einen weiten Bereich so veränderbar, daß der Motor 12 einen Drehzahlbereich von beispielsweise 220 - 70.000 U/min. bestreichen kann. Die Taktsignale haben die Form positiver Impulse von kurzer Dauer. Zur Ein- und Ausschaltung des Taktsignal-Generators ist eine Takt-Ein/Ausschaltung 46, welche ihrerseits von einer rJotor-Ein/Ausschaltung 48 gesteuert wird, an den Signalgenerator angeschlossen. Das Taktsignal geht in einen i#och-Niederbereich-Teiler, um einen separaten Hoch- und Niederdrehzahl-Bereich für den Motor zu erstellen. Der Teiler 50 wird angesteuert durch eine Hoch-Niederbereich-Steuerschaltung 52. Der Teiler 50 kann die Taktsignale direkt an eine Ausgangsleitung 54 abgeben, und für den Niederdrehzahl-Bereich werden die Taktsignale durch bestimmte ausgewählte numerische Zahlenwerte, wie 10, 15 u. dgl. geteilt. Die Taktsignale auf der Leitung 54 werden mittels eines Schieberegisters 56 in drei phasenverschobene Ausgangssignale verwandelt, welche über Ausgangsleitungen 58, 60 und 62 an drei NAND-Gatter 64, 66 bzw. 68 abgegeben werden.
Eine an das Schieberegister 56 angeschlossene Vorwärts-Rückwärts-Steuerschaltung 67 beeinflußt die Phasensequenz von deren Ausgangssignalen und steuert auf diese Weise die Drehrichtung des Motors 12, wie später noch beschrieben wird. Eine zwischen den NAND-Gattern 64, 66, 68 und der Motor-Ein/Ausschaltung 48 angeschlossene Verzögerungsschaltung 72 sperrt die NAND-Gatter einen vorbestimmten Zeitraum nach dem Abstellen der Motorsteuerung und des Taktsignal-Generators, damit der Rotor des Motors durch Wirbelstromwirkung schnell zum Stehen gebracht wird und gleichzeitig die Motorwicklungen geschützt werden.
Zwischen der Ausgangsleitung 54 und einem Steuersignal-Eingang 76 einer Spannungsregelschaltung 78 befindet sich eine Solldrehmoment-Nachstellschaltung 74. Die Spannungsregelschaltung 78 befindet sich zwischen einer Gleichstromquelle 80 und den Stromleitern 30 und 31, um die Spannung an den Leitern in Abhängigkeit von der Frequenz des Taktsignal-Ausgangs vom Teiler 50 und damit das gewünschte Drehmoment zu steuern, wie noch näher erläutert wird.
Die an den Ausgängen der NAND-Gatter 64, 66 bzw. 68 anstehenden Spannungs-Wellenformen in der Ein-Position der Motorsteuerschaltung sind in Fig. 3 dargestellt und mit A, B und C bezeichnet. Fig. 4 zeigt die Wellenformen der den Motorwicklungen 22, 24 und 26 zugeführten Spannungen, hier mit D, E und F bezeichnet. Während des Zeitraumes t bis t1 schalten die Schalter-Steuerschaltungen 40, 41 und 41 die Transistoren 32, 34 und 37 durch, so daß durch die Wicklungen 22 und 26 ein Strom zu dem gemeinsamen Sternpunkt und zurück durch die Wicklung 24 zur Masse fließen kann. Während des Zeitraumes t bis t2 sind die Transistoren 33, 34 und 37 durchgeschaltet, und so fort. Fig. 4 läßt erkennen, daß im Zeitraum t bis t1 der durch die Wicklung 24 fließende Strom einen Maximalwert hat. Im Zeitraum t1 bis t2 hat der Strom für die Wicklung 26 ein Maximum, und im Zeitraum t2 bis t3 der Strom durch Wicklung 22. Die Wellenformen in Fig. 4 sind grobe Nachbildungen von Sinuswellen, offensichtlich ist in diesen Wellenformen die dritte Harmonische der zugeführten Frequenz enthalten. Die dritte Harmonische verursacht Wärmeverluste im Motor und kann durch geeignete Filter ausgesiebt werden, falls gewünscht. In kleinen Motoren sind solche Wärmeverluste jedoch ohne größere Bedeutung.
In Fig. 5 ist die an den Stromleitern 30 und 31 anliegende Versorgungsspannung als Funktion der Taktfrequenz aufgetragen. Bei Taktfrequenz Null steht auf den Leitern eine vorbestimmte Spannung für ein Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen. Mit steigender Taktsignalfrequenz steigt auch die Versorgungspannung bis auf eine Maximalspannung an, dargestellt durch eine Linie 92. Das Ausmaß, mit dem die Spannung als Funktion der Taktsignalfrequenz ansteigt, ist abhängig von der Einstellung der Solldrehmoment-Nachstellschaltung 74. Der durch diese Schaltung vorgegebene Spannungsbereich ist definiert durch den Winkel Q zwischen Linien 90 und 91. Bei Maximal-Drehmomenteinstellung wird die Spannung im Verlauf der Linie 90 steigen, und bei Minimal-Drehmomenteinstellung steigt die Spannung im Verlauf von Linie 91 bis zum Maximalpegel 92.
Somit läßt sich im Taktsignal-Frequenzbereich zwischen f und f2 die dem Motor zugeführte Spannung unabhängig von der Drehzahl verändern. Für jede gegebene Einstellung der Solldrehmoment-Nachstellschaltung 74 wird sich die dem Motor über die Leiter 30 und 31 zugeführte Spannung über einen vorbestimmten Bereich hinweg in direkter Relation zur Frequenz des Taktsignals verändern, d.h., vom Wert Null bis zu der Frequenz, wo die Spannung den Maximalwert erreicht, dargestellt durch die Linie 92.
Gemäß Fig. 6 enthält der Taktsignal-Generator 44 zwei Multivibratoren 100 und 102, die zu einem einzigen integrierten Schaltkreis vereinigt sein können, wie er beispielsweise bei Motorola unter der Part No. 14528CP erhältlich ist. Diese beiden Multivibratoren geben ein frequenzvariables Ausgangs-Taktsignal auf Leitung 45 ab.
Ein zwischen Masse und einer positiven Spannungsquelle von beispielsweise plus 12 Volt angeschlossenes Potentiometer 104 versorgt mit seinem Schleifer Anschlüsse 14' und 15' des Multivibrators 100 über eine Diode 106, einen Widerstand 107 und einen Kondensator 108, wie dargestellt.
Der Spannungspegel am Anschluß 14' bestimmt die Arbeitsfrequenz von Multivibrator 100. Zwischen Diode 106 und Masse liegt eine aus einem Widerstand 110 sowie Kondensatoren 111 und 112 bestehende Filterschaltung. Zwischen einem Widerstand 107 und dem Vereinigungspunkt von zwei Filterkondensatoren 115 und 116 liegt eine Diode 114, und eine zwischen Masse und einer positiven Spannungsquelle von beispielsweise 12 Volt angeschlossene Z-Diode 108 regelt die Versorgungsspannung der integrierten Schaltung.
Das Ausgangssignal von Multivibrator 100 geht an einen Anschluß 4' von Multivibrator 102, der als Eintakt-Multivibrator arbeitet und auf Leitung 45 ein Ausgangssignal von vorbestimmter Breite unabhängig von der Frequenz liefert. Anschlüsse 1' und 2' von Multivibrator 102 sind über einen Widerstand 122 und einen Kondensator 124 an die positive Spannungsquelle angeschlossen, wie dargestellt. Ein Anschluß 3' von Multivibrator 102 liegt über einen Widerstand 126 an positiver Spannung, und Anschlüsse 5', 11' und 13' des Multivibrators 102 liegen ebenfalls an der positiven Spannung.
Die Takt-Ein/Ausschaltung 46 schaltet den Anschluß 3' selektiv über einen fotoempfindlichen Transistor 132 zur Masse durch, um dadurch den Multivibrator 102 zu sperren und den Taktsignal-Generator abzuschalten. Ein Schalter 134 verbindet die positive Spannung mit einer Leuchtdiode 136, um den Transistor 132 durchzuschalten. Ist Schalter 134 offen, dann läuft der Taktsignal-Generator 44.
Die Ausgangssignale vom Taktsignal-Generator 44 gehen zu dem HOch-Niederbereich-Teiler 50, der einen beispielsweise bei Motorola unter der Part No. MC14516CP erhältlichen und einen integrierten Schaltkreis darstellenden Teiler 140 enthält. Letzterer teilt selektiv das Signal auf Leitung 45 durch einen bestimmten numerischen Wert, beispielsweise 15. Das Ausgangssignal des Teilers 140 geht über eine Leitung 142 zu einem NAND-Gatter 144.
Die Hoch-Niederbereich-Steuerschaltung 52 enthält einen lichtempfindlichen Transistor 146, einen Schalter 148 und eine Leuchtdiode 150. Bei geschlossenem Schalter 148 verbindet der Transistor 146 die Eingänge eines NAND-Gatters 152 mit Masse, und das ergibt ein hochliegendes Ausgangssignal zum NAND-Gatter 144, und dieses wird dadurch in die Lage versetzt, den Ausgangssignalen des Teilers 140 zu folgen. Im leitenden Zustand des Transistors 146 wird ferner ein niedrigliegender Eingang an ein NAND-Gatter 154 abgegeben, welches somit nicht mehr in der Lage ist, auf das Taktsignal auf Leitung 45 einzugehen. Ein NAND-Gatter 156 erhält die Ausgangssignale der NAND-Gatter 144 und 154 und macht daraus ein Ausgangssignal auf Leitung 54, welches ist: (1) das Taktsignal auf Leitung 45, wenn Schalter 148 offen ist, und (2) das Taktsignal auf Leitung 142, wenn Schalter 148 geschlossen ist.
Die Ausgangssignale des Hoch-Niederbereich-Teilers 50 gelangen über Leitung 54 zum Eingang der Solldrehmoment-Nachstellschaltung 74 und zum Eingang des Schieberegisters 56. Letzteres enthält ein vier-Bit-Schieberegister 160, beispielsweise Part No. MC14035CB von Motorola. Die letztgenannten Eingangssignale gelangen an einem Anschluß C in das Schieberegister. Ein Hochpegel- oder Niedrigpegel-Signal geht an einen Anschluß P-S über die Vorwärts-Rückwärts-Steuerschaltung 70, welche einen lichtempfindlichen Transistor 164, einen Schalter 166 und eine Leuchtdiode 168 enthält. Die Stellung von Schalter 166 bestimmt die Phasensequenz von Ausgangssignalen an Anschlüssen 13", 14" und 15".
Von den letztgenannten Anschlüssen gehen Ausgangssignale an Inverter 170, 172 bzw. 174. Zwei NAND-Gatter 176 und 178 verhindern unerwünschte Schieberegister-Dperationen.
Die Ausgangssignale der Inverter 170 und 174 gehen jeweils an das NAND-Gatter 64 bzw. 66, und das Ausgangssignal des Inverters 172 geht über den zusätzlichen Inverter 178 zum NAND-Gatter 68.
Zur Motor-Ein/Ausschaltung 48 gehört ein lichtempfindlicher Transistor 190, dessen Kollektor an Masse gelegt wird, wenn ein Schalter 192 schließt, um Strom durch eine Leuchtdiode 194 fließen zu lassen. Die Schalter 192 und 134 können zu einer Einfach-Kontrolle für Motor und Taktsignal-Generator 46 gekoppelt sein, wie in Fig. 2 dargestellt.
Ein in der Verzögerungsschaltung 72 enthaltener Schmidt-Trigger 196 ist eingangsseitig über einen Widerstand 180 an eine positive Vorspannungsquelle angeschlossen und über einen Kondensator 182 an Masse gelegt. Ist ein Schalter 192 geöffnet, dann liegt der Eingang des Schmidt-Triggers hoch, und ausgangsseitig geht ein niedriges Ausgangssignal an die NAsiD-Gatter 64, 66 und 68, so daß diese gesperrt werden. Bei geschlossenem Schalter 192 liegt dagegen das Ausgangssignal des Schmidt-Triggers hoch, und nun können die NAND-Gatter 64, 66 und 68 den Eingangssignalen aus den Invertern 170, 174 und 186 folgen. Die Ausgangssignale der letztgenannten NAND-Gatter bei eingeschalteter Motor- und Taktsignal-Generatorsteuerung sind in Fig. 3 durch die Kurvenzüge A, B und C wiedergegeben. Die Ausgangssignale dieser NAND-Gatter 64, 66 und 68 gehen zu den Schalter-Steuerschaltungen 40 bis 42 zur Betriebskontrolle des Inverters.
Das Taktsignal aus dem Hoch-Niederbereich-Teiler 50 steuert nicht nur die Motordrehzahl durch Bestimmung der Frequenz der dem Inverter zugeführten Steuersignale, sondern außerdem die dem Motor zugeführte Spannung. Zu diesem Zwecke geht das Taktsignal auf Leitung 54 zum Eingang eines Eintakt-Multivibrators 183, der mit dem zuvor besprochenen Multivibrator 102 identisch sein kann.
Die Impulsbreite der Ausgangsimpulse aus dem Multivibrator 183 wird gesteuert durch die Größe der Spannung an einem Punkt 184, die mit dem Multivibrator direkt und über einen Kondensator 186 verbunden ist, wie dargestellt.
Der Spannungspegel an Punkt 184 wird bestimmt durch ein Solldrehmoment-Nachstellpotentiometer 188, welches zwischen einer positiven Spannungsquelle und Masse liegt.
Der Schleifer dieses Potentiometers ist über eine Diode 190 und einen Widerstand 192 an den Punkt 184 angeschlossen, wie gezeigt. Eine aus Widerstand 193 und Kondensatoren 194 und 195 bestehende Siebschaltung liegt zwischen Widerstand 192 und Masse, wie gezeigt. Die Ausgangssignale des Multivibrators 183 auf Leitung 196 haben eine durch die Einstellung des Potentiometers 188 bestimmte Impulsbreite und eine durch die Taktsignalfrequenz auf Leitung 54 bestimmte Frequenz. Es erfolgt eine Verstärkung der Ausgangssignale des Multivibrators 183 über Transistoren 198 und 200, und die verstärkte Spannung geht an die Spannungsregelschaltung 78.
Nach Fig. 7 enthält die Spannungsregelschaltung 78 von Fig. 2 einen Transistor 202, dessen Emitter an ein positives Potential von beispielsweise plus 60 Volt, dessen Basis über einen Widerstand 204 an eine Leitung 201, und dessen Kollektor über eine Drossel 206 an den Gleichstrom führenden Leiter 30 angeschlossen ist. Zwischen Leiter 30 und Masse liegt ein Kondensator 207, und eine Diode 208 leitet Reaktionsströme vom Kollektor des Transistors 202 an Masse ab, und verhindert ferner, daß rückläufige Spannungstransients in der Kollektor-Basis-Strecke auftreten.
Die Basis des Transistors 202 ist über einen Widerstand 210 und einen Kondensator 212 mit Masse verbunden. Eine Absatzspannung, die im vorliegenden Falle plus 12 Volt beträgt, wird dem Kollektor des Transistors 202 über eine Diode 214 zugeführt; sie dient als Anfangsspannung an den Leitern 30, 31, wenn die Taktsignalfrequenz niedrig ist.
Der Transistor 202 erzeugt in Abhängigkeit von einem Niedrigpegel-Steuerimpuls auf Leitung 201 einen Ausgangsspannungs-Impuls. Die Ausgangsspannungs-Impulse werden gefiltert, um auf dem Stromleiter 30 einen Ausgangsspannungspegel zu erzeugen, welcher proportional der Frequenz und Breite der Steuerimpulse von der Solldrehmoment-Nachstellschaltung 74 ist.
Nun soll in Verbindung mit Fig. 8 die Schalter-Steuerschaltung 40 beschrieben werden, welche identisch ist mit den Schaltungen 41 und 42, so daß sich deren Beschreibung erübrigt. Der Ausgang eines Inverters ist über eine Diode 222, die kathodenseitig über einen Widerstand 226 an ein positives Potential und anodenseitig über einen Widerstand 227 an Masse angeschlossen ist, mit der Basis eines Transistors 224 verbunden. Durch die Widerstände wird die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 224 in Abwesenheit eines niedrigen (Masse-) Eingangssignals am Ausgang des Inverters 220 in Vorwärtsrichtung vorgespannt. Die beiden Stromleiter 30 und 31 sind durch die Schalttransistoren 32 und 33 überbrückt. Spannungsteiler-Widerstände 226, 227, 228 und 229 sind gemäß Fig. 8 so geschaltet, daß in Abwesenheit eines niedrigen Ausgangssignals vom Inverter 220 der Transistor 33 durchgeschaltet und der Transistor 32 gesperrt ist. Ein niedriges Ausgangssignal vom Inverter 220 (entsprechend einem hohen Ausgangssignal vom NAND-Gatter 64) schaltet den Transistor 32 durch und sperrt Transistor 33. Ein Verbindungspunkt 234 zwischen den beiden Schalttransistoren 32 und 33 ist mit der Statorwicklung 22 verbunden. Ein Paar Schutzdioden 235 und 236 ist zwischen dem Verbindungspunkt 234 und den beiden Stromleitern geschaltet, um Umkehrspannungs-Transients über die Transistoren 32 und 33 zu unterdrücken.
Im Betrieb werden die Motorsteuer- und Taktsignal-Generatorschaltungen durch Öffnen des Schalters 134 und Schließen des Schalters 192 angestellt. Es werden Taktsignale auf Leitung 54 gegeben, deren Frequenz gleich der Betriebsfrequenz des Multivibrators 102 oder eines Bruchteils davon ist, abhängig davon, ob Schalter 148 geschlossen oder offen ist, um einen Hoch-Niederbereich-Betrieb zu ermöglichen. Die NAND-Gatter 64, 66 und 68 geben die Steuerimpulse A, B und C nach Fig. 3 an jeweils eine der Schalter-Steuerschaltungen 40, 41 oder 42 ab. Die Schalttransistoren 30 bis 36 arbeiten in einer vorbestimmten Phasensequenz und erzeugen die Spannungswellenformen D, E und F nach Fig. 4 an den Motorwicklungen. Der Spannungspegel an den Stromleitern 30 und 31 und an den Motorwicklungen wird bestimmt durch die Breite der Taktsignalimpulse und die Anzahl der Impulse pro Sekunde, die an die Basis von Transistor 202 kommen. In Fig. 9 sind die Taktsignalimpulse auf Leitung 201 dargestellt, wobei die variable Breite durch die unterbrochenen Linien angedeutet ist. Die Taktsignale auf Leitung 201 bestimmen somit die Betriebsfrequenz und den Arbeitszyklus des Transistors 202, an dessen Kollektor die Spannungsimpulse durch eine Induktivität 206 und einen Kondensator 207 geglättet werden, so daß an den Stromleitern eine Gleichspannung ansteht, die proportional ist der Einstellung des Taktfrequenz-Potentiometers 104 und des Solldrehmoment-Nachstellpotentiometers 188. Auf diese Weise wird die Drehzahl des Motors 12 gesteuert durch das Potentiometer 104, und mit Hilfe des Potentiometers 188 läßt sich dessen Drehmoment erhöhen oder absenken.
Soll beispielsweise zum Zwecke des Werkzeugwechsels der Rotor des Motors 12 angehalten werden, wird Schalter 134 geschlossen und Schalter 192 geöffnet. Durch diese Maßnahme schweigt der Taktsignal-Generator und die Solldrehmoment-Nachstellschaltung durch Anlegen eines niedrigen Signals an die I-Eingänge der Eintakt-Multivibratoren 102 und 183. Die Spannungsregelschaltung 78 erhält keine zusätzlichen Steuerimpulse auf einer Leitung 301, und aufgrund dessen sinkt die Versorgungsspannung für den Motor auf den vorbestimmten Spannungspegel an Punkt 93 von Fig. 5. Gleichzeitig hält das Schieberegister 160 an.
Die NAND-Gatter 64, 66 und 68 liefern weiterhin Ausgangssignale mit hohem oder niedrigem Pegel, wie bestimmt durch den letzten Zählvorgang im Register 160. Diejenigen der Schalttransistoren 32 bis 37, die gerade vor dem Anhalten des Taktsignal-Generators durchgeschaltet waren, bleiben durchgeschaltet und versorgen die Motorwicklungen mit Gleichstrom. Der Fluß des Gleichstromes durch die Motorwicklungen verwandelt diesen in eine Wirbelstrombremse und erteilt dem Rotor ein hohes Bremsmoment.
Dadurch kommt der Rotor kurzzeitig zum Stillstand und erlaubt einen schnellen Werkzeugwechsel.
Der Stromfluß durch die Motorwicklungen wird nur begrenzt durch den Gleichstrom-Widerstand der Wicklungen, und selbstverständlich muß diese Betriebsart zeitig begrenzt werden, um die Wicklungen nicht zu beschädigen. Diesem Ziel dient die Verzögerungsschaltung 72, indem sie das Eingangssignal für den Schmidt-Trigger 181 von Fig. 6 oberhalb des Triggerpegels verbleiben läßt, nachdem der Transistor 190 für ein vorbestimmtes Zeitintervall (z.B.
2 - 3 Sekunden) durchgeschaltet worden ist, wie bestimmt durch die elektrischen Werte von Widerstand 180 und Kondensator 182.
Wenn der Eingangssignalpegel zum Schmidt-Trigger 181 zur Triggerschwelle ansteigt, geht der Ausgang des Schmidt-Triggers herunter und sperrt die NAND-Gatter 64, 66 und 68. Alle diese NAND-Gatter liefern dann einen hohen Ausgangssignalpegel, welcher die Schalttransistoren 33, 34 und 36 durchschaltet und die Schalttransistoren 32, 35 und 37 sperrt. Diese Maßnahme trennt die Motorwicklungen von den Stromleitern, die Wicklungen werden geschützt.
In Fig. 10 ist die Drehmoment- und Leistungscharakteristik des Motors aufgezeichnet. Kurve G entspricht der maximalen Motorwellenleistung, Kurve H der minimalen Motorwellenleistung, Kurve I dem maximalen Wellendrehmoment, und Kurve J dem minimalen Wellendrehmoment als Funktion der Motordrehzahl.
Der zuvor beschriebene bürstenlose Handbohrermotor mit Steuersystem gestattet innerhalb eines Motordrehzahlbereiches die unabhängige Veränderung von Drehzahl und Drehmoment. Der Motor läßt sich kurzzeitig stillsetzen zwecks schnellen Werkzeugwechsels.
Selbstverständlich sind im Rahmen der Erfindung gegenüber dem beschriebenen Ausführungsbeispiel diverse Abwandlungen möglich. In der Zeichnung sind die Motorwicklungen in Sternschaltung verbunden. Falls gewünscht, können die Wicklungen natürlich auch in Dreieck-Schaltung verbunden sein. Anstelle von Transistoren als Schaltern in der Inverterschaltung könnte man auch andere Schaltelemente verwenden, beispielsweise Thyristoren.
Zusammenfassung: Eine Hand-Bohrvorrichtung enthält einen mehrphasigen Motor mit Steuersystem. Der als Induktions-Typ ausgebildete Motor eignet sich auch für die Zahnchirurgie u. dgl. Zum Steuersystem gehört ein Brückentyp-Inverter mit ses.raten Halbleiter-Schalterpaaren wie Transistoren, die ein Paar Gleichstromleiter für jede Phasenwicklung des Motors überbrücken. Zwischen den Halbleiterschaltern und einem frequenzvariablen Taktsignal-Generator befindet sich eine Schalter-Steuerschaltung zum abwechselnden Ein- und Ausschalten der Schalter jedes Paares in gegebener Phasensequenz, um so einen dreiphasigen Strom für die Motorwicklungen zu erzeugen. Die Motordrehzahl ist proportional zur Taktsignal frequenz. Eine Spannungsregelschaltung ist zwischen den Stromleitern und einer Gleichstromquelle angeschlossen, um auf die Stromleiter einen Gleichstrom abzugeben, der sich über einen vorbestimmten Bereich hinweg in Übereinstimmung mit der Taktsignalfrequenz ändert. Zum Steuersystem gehört ferner eine Solldrehmoment-Nachstellschaltung, die mit der Spannungsregelschaltung so gekoppelt ist, daß sich die Spannung an den Stromleitern über einen vorbestimmten Bereich der Taktsignalfrequenz hinweg unabhängig verstellen läßt.
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Claims

AKTENZEICHEN. Neuanmeldung Hand-Bohrvorrichtung Ansprüche Hand-Bohrvorrichtung mit einem als Induktionsmotor mit dreiphasiger Statorwicklung ausgebildeten Elektromotor, dessen Rotor ein Futter zum Einsetzen eines Dentalbohrers o. dgl. trägt und dessen Stator über ein Leiterpaar von einer Gleichstromquelle mit Strom versorgt wird, mit einem mehrere das Leiterpaar überbrückende und eine Verbindung zu bestimmten Motorphasenwindungen bildende Halbleiter-Schalter enthaltenden Inverter, einem frequenzvariablen Taktsignal-Generator, und mit einer zwischen dem Taktsignal-Generator und den Schaltern angeschlossenen Schalter-Steuerschaltung, mittels der abwechselnd in einer vorbestimmten Phasensequenz der eine Schalter jedes Paares durchgeschaltet und der andere gesperrt wird, um der Statorwicklung einen dreiphasigen Strom zuzuführen und den Motor in einer ersten Richtung mit einer zu dem Taktsignal proportionalen Drehzahl umlaufen zu lassen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Gleichstromquelle (80) und dem Kraft-Stromleiterpaar (30, 31) eine von dem Taktsignal des Taktsignal-Generators (44) abhängige Spannungsregulierschaltung (78) angeschlossen ist, mittels der die Gleichspannung zwischen den Stromleitern in Abhängigkeit von der Frequenz des Taktsignals über einen vorbestimmten Bereich veränderbar ist.
2. Bohrvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Spannungsregulierschaltung eine Drehmoment-Justierschaltung angeschlossen ist, um die Spannung über der Stromleiter (30, 31) unabhängig von der Frequenz des Taktsignals zu verändern.
3. Bohrvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Schalter-Steuerschaltung (40, 41, 42) eine Stopp-Steuerschaltung angeschlossen ist, um für eine vorbestimmte Zeit einen Schalter (32 ...) jedes Paares leitend und den anderen Schalter nicht leitend zu steuern, um dadurch einen Gleichstrom durch die Statorwicklung fließen zu lassen und dem Rotor ein Bremsmoment zu erteilen.
4. Bohrvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stopp-Steuerschaltung die Schalter (32 ...) in der Weise beeinflußt, daß nach dem vorbestimmten Zeitraum über die Stromleiter ein offener Stromkreis gebildet ist.
5. Bohrvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalter-Steuerschaltung (40 ...) so ausgelegt ist, daß selektiv die vorbestimmte Phasensequenz der Schalter umgekehrt wird, um auf diese Weise die Motorlaufrichtung umzukehren.
6. Bohrvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsregulierschaltung (78) ferner so ausgelegt ist, daß unabhängig von der Frequenz des Taktsignals eine Minimalspannung an die Stromleiter (30,31) gelegt wird.
7. Bohrvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Taktsignal-Generator (44) ein Hoch-Niederbereich-Netzwerk (50) enthält, um selektiv die Taktsignale innerhalb von zwei Frequenzbereichen zuzuführen und auf diese Weise einen hohen und einen niedrigen Drehzahlbereich für den Motor zu ermöglichen.
8. Hand-Bohrvorrichtung mit einem Phasenwicklungen und einen Rotor, an dem ein Futter zum Einsetzen eines Dentalbohrers o. dgl. angebracht ist, aufweisenden Induktionsmotor, einem an eine Gleichstromquelle anschließbaren Paar Stromleiter, einem frequenzvariablen Taktsignal-Generator, einem mehrere über die Stromleiter angeschlossene Schalterpaare aufweisenden Inverter, bei dem eine Vereinigung zwischen jedem Jchalterpaar an eine zugeordnete Phasenwicklung des Motors angeschlossen ist, jeder Schalter eine Steuerelektrode aufweist und einen Kurzschluß zwischen dem betreffenden Stromleiter und der zugehörigen Phasenwicklung herstellt, wenn an seine Steuerelektrode ein erstes Steuersignal gelegt wird, diesen Kurzschluß aber aufhebt, wenn ein zweites Steuersignal an die Steuerelektrode angelegt wird, mit einer zwischen den Taktsignal-Generator und den Inverter geschalteten Schalter-Steuerschaltung zum alternativen Anlegen des ersten oder zweiten Steuersignals an die Steuerelektroden jedes Schalterpaares in einer vorbestimmten Phasensequenz, um die Motorwicklungen mit einem mehrphasigen Strom zu versorgen, so daß der Motor in einer ersten Richtung mit einer Drehzahl rotiert, welche der Frequenz des Taktsignals proportional ist, dadurch gekennzeichnet, daß an die Schalter-Steuerschaltung eine Stopp-Steuerschaltung angeschlossen ist, um selektiv die Schalter-Steuerschaltung in der Weise zu beeinflussen, daß für einen vorbestimmten Zeitraum kontinuierlich das erste Steuersignal an die Steuerelektrode des einen Schalters jedes Paares, und das zweite Steuersignal an die Steuerelektrode des anderen Schalters jedes Paares gelegt wird, damit ein Gleichstrom durch die Phasenwicklungen fließt, welcher dem Rotor ein Bremsmoment erteilt.
9. Bohrvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromquelle in Abhängigkeit von Taktsignalen eine Spannung liefert, welche sich über einen vorbestimmten Bereich in Abhängigkeit von der Frequenz des Taktsignals ändert.
10. Bohrvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Spannung der Gleichstromquelle außerdem in Übereinstimmung mit einem gewünschten Drehmoment unabhängig von der Frequenz des Taktsignals über einen vorbestimmten Frequenzbereich von Taktsignalen verändern läßt.
11. Bohrvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Stopp-Steuerschaltung ein Motor-Ein/Ausschalter (48) und eine zwischen diesem und der Schalter-Steuerschaltung angeschlossene Verzögerungsschaltung (72) gehören, um die Schalter-Steuerschaltung in der Weise zu beeinflussen, daß das erste Steuersignal der Steuerelektrode des mit dem einen Leiter verbundenen Schalters jedes Schalterpaares, und das zweite Steuersignal der Steuerelektrode des anderen Schalters jedes Schalterpaares am Ende des vorbestimmten Zeitraumes zugeführt wird, nachdem der Motor-Ein/Ausschalter (48) abgeschaltet hat und damit die Motorwicklungen von den Versorgungsleitungen getrennt hat.
12. Bohrvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Gleichstrom-Spannungsquelle ein spannungregulierender Festkörperschalter gehört, welcher zwischen der Gleichstromquelle und den Stromleitern in Serie geschaltet ist, eine Steuerelektrode aufweist und so ausgelegt ist, daß die Stromquelle dann mit den Leitern verbunden wird, wenn ein Spannungsreglungs-Steuersignal an die Steuerelektrode angelegt wird, und daß ein Spannungsreglungs-Steuersignal von einer Spannungs-Steuerschaltung an die Steuerelektrode des Spannungsreglungsschalters gelegt wird, dessen Frequenz proportional der Frequenz des Taktsignals aus dem Taktsignal-Generator (44), und dessen Dauer proportional dem gewünschten Drehmoment ist.
13. Bohrvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Spannungs-Steuerschaltung ein Solldrehmoment-Einstellpotentiometer (74) gehört,um die Zeitdauer des Spannungsregulier-Steuersignals zu bestimmen.
14. Bohrvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromquelle (80) ferner so ausgelegt ist, daß sie in Abhängigkeit von der Frequenz des Taktsignals aus dem Taktsignal-Generator (44) einen minimalen Spannungspegel an die Stromleiter (30, 31) legt.
15. Bohrvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Stopp-Steuerschaltung ferner in der Yge ist, den Taktsignal-Generator (44) außer Betrieb zu setzen.