-
Geschwindigkeitssteuerung für tragbares
-
Werkzeug Die Erfindung bezieht sich auf eine Geschwindigkeitssteuerung
für ein tragbares Werkzeug, und zwar mit einem Überlastschutz sowie mit Mitteln
zum Vorsehen einer hör-und fühlbaren Anzeige der an den Motor gelieferten Leistung
während Überlastzuständen.
-
Tragbare, mit elektrischer Leistung gelieferte Werkzeuge mit elektronischer
Geschwindigkeits- oder Drehzahlregelsteuerungen, wie beispielsweise Bohrmaschinen,
Sägen, Schlagbohrmaschinen und dergl., können Überlastbedingungen ausgesetzt werden,
bei denen die im Motor und in der Steuerung für den Motor erzeugte Wärme entweder
die eine oder beide dieser Komponenten schädigen kann. Es ist daher zweckmäßig,
einen Überlastschutz für das Werkzeug und sei-.
-
ne Steuerung vorzusehen. Ein derzeit gebräuchliches Verfahren dafür
sieht das Einsetzen eines Bimetallschaltelements in Serie mit der Steuerung und
dem Motor vor, wodurch
ein zu großer, zum Motor fließender Strom
das Bimetallaerhitzt und bewirkt, daß sich dessen Kontakte trennen und so den otorschaltkreis
öffnen. Bimetallvorrichtungen sind jedoch nicht vollstandig zufriedenstellend, weil
beispielsweise die Vibration des Werkzeugs während dessen Betrieb in nachteiliger
Weise die Bimetallkontaktelemente beeinflußt,und gelegentlich tritt ein Bruch derartiger
Elemente auf, was den Ausfall der Schutzvorrichtung zur Folge hat, und ferner möglicherweise
einen Ausfall der Steuerung für den Werkzeugmotor nach sich zieht. Ein weiteres,
bei Bimetall-0berlastvorrichtungen auftretendes Problem besteht darin, daß solche
Vorrichtungen abrupt den Notorschaltkreis öffnen und zeitweise elektrisch das Werkzeug
abschalten. Der Werkzeugbenutzer kann dann möglicherweise annehmen, daß das Werkzeug
elektrisch tot" ist, und er kann demzufolge seine Greifkraft am Werkzeug verringern
oder versuchen, das Werkzeug zu einem Zeitpunkt abzulegen, wo das Bimetallelement
sich hinreichend abgekühlt hat, um den Wiedereingriff seiner Kontakte zu verursachen.
Ein solcher Zustand bringt einen unerwarteten Start des Werkzeugs mit sich und könnte
möglicherweise den Benutzer gefährden.
-
Es ist ferner bekannt, eine thermische Schutz- und Selbstreguliersteuerung
für eine Thyristorvorrichtung in einer elektrischen Steuerung für Naschinenmotoren
vorzusehen, und zwar dadurch, daß man einen Thermistor in körperlicher Berührung
mit dem Thyristor und in Serienschaltungsbeziehung mit der Zündsteuerung für den
Thyristor anordnet.Ein übermäßig großer, durch den Thyristor infolge von Überlastzuständen
fließender Strom bewirkt, daß der Thyristor eine höhere Temperatur erzeugt, was
wiederum den Thermistor erhitzt. Der Widerstand des Thermistors steigt somit mit
der Temperatur an, um den Widerstand zur Zündsteuerschalter für den Thyristor zu
erhöhten, wodurch der Leitungswinkel für den Thyristor vermindert und der hindurchgehende
Stromfluß reduziert wird. Der reduzierte
Stromfluß ergibt eine
Abkühlung des Thyristors und daher vermindert der Thermistor seinen Widerstand für
das Zünden des Steuerkreises und erhöht den Leitungswinkel, um so zu gestatten,
daß mehr Strom durch den Thyristor fließt.
-
Dieses Verfahren bewirkt eine automatische Kompensation hinsichtlich
Temperaturänderungen, bis ein gewünschter Gleichgewichtszustand erreicht ist, worauf
dann der Thyristor bei maximal möglichem Strom arbeitet, ohne daß die Gefahr der
Uberhitzung infolge von Überlastzuständen auftritt.
-
Zusammenfassung der Erfindung. Die hier beschriebene Erfindung sieht
einen verbesserten Überlastschutz für den Motor und die elektronische Drehzahlregelsteuerung
eines tragbaren elektrischen Werkzeugs vor, und zwar zusammen mit einer verbesserten
Sicherheit für den Werkzeugbenutzer. Die Erfindung sieht einen Thernistor vor, der
in Wärmeleitbeziehung mit einem Steuerthyristor angeordnet ist, und zwar ferner
in Schaltungsbeziehung mit der Gate-Steuerung für den Thyristor, um die Thyristortemperatur
abzufühlen und das Gate-Signal entsprechend damit zu ändern, um so den Leitungswinkel
des Thyristors auf einen Punkt zu vermindern, wo das Werkzeug aufhört zu arbeiten,
wobei aber immer noch elektrische Leistung an den Werkzeugmotor geliefert wird.
Diese kontinuierliche Versorgung mit elektrischer Leistung erzeugt ein hör- und
fühlbares Signal für den Benutzer und informiert ihn darüber, daß weiterhin elektrische
Leistung an das Werkzeug geliefert wird, obwohl es sich ansonsten in einem Ruhezustand
befindet.
-
Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich
aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung
zeigt: Fig. 1 eine schematische Ansicht eines
elektrischen Werkzeugs
mit einem elektronischen Drehzahlsteuerschalter mit einem Überlastschutz, der eine
hörbare und fühlbare Überlastanzeige liefert; Fig. 2 ein schematisches elektrischen
Schaltungsdiagramm der Steuerung des Werkzeugs gemäß Fig. 1, wobei ein Halbwellenwechselstromsteuerkreis
dargestellt ist; Fig. 3 ein schematisches elektrisches Diagramm, billich Fig. 2,
wobei eine Vollwellenwechselstromsteuerschaltung dargestellt ist; Fig. 4 eine schematische
Ansicht ähnlich den Fig. 2 und 3, wobei hier ein alternatives Ausführungsbeispiel
der Erfindung gezeigt ist; Fig. 5 eine graphische Darstellung des aufgezeichneten
Thermistorwiderstands, abhängig von der Temperatur; Fig. 6 eine graphische Darstellung
von Kurven für verschiedene Strombelastungen, wobei der Temperaturanstieg abhängig
von der Zeit für ein nicht geschütztes Werkzeug dargestellt ist; Fig. 7 eine graphische
Darstellung von Kurven für die gleichen Strombelastungen
wie in
Fig. 6, diesmal aber für ein geschütztes Werkzeug; Fig. 8 eine graphische Darstellung
der Verlangsamungsgeschwindigkeit und der Geräuschniveaus für ein Bimetall-geschütztes
und ein elektronisch geschütztes Werkzeug.
-
Im folgenden seien nunmehr bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung
beschrieben. Fig. 1 zeigt als Beispiel für ein tragbares elektrisches Werkzeug eine
elektrische Bohrmaschine. Die Bohrmasc]iine 2 weist ein einen Elektromotor 6 enthaltendes
Gehause 4 auf. Der rotor umfaßt eine stationär im Gehäute angeordnete Feldwicklung
8 und einen Anker 10, der drehbar innerhalb der Feldwicklung in Lagern 12 gelagert
isQ, die ihrerseits vorne und hinten im Gehäuse angeoidnet sind.
-
Eine Getriebekette 14 verbindet die Ankerwelle mit einer Au:sgangswelle
16, die Werkzeugaufnahmebacken 18 tragt.
-
Ein Geschwindigkeitssteuerschalter 22 ist im Handgriff 20 des Bohrmaschinengehäuses
angeordnet und weist einen aus dem Handgrriff 20 herausragenden niederdrückbaren
Auslöser 24 auf, der durch den Zeigefinger des Benutzers betätigt werden kann. Der
Schalter 22 besitzt sein eigenes Gehäuse 26 und umfaßt ferner eine den Auslöser
24 in seine ausgefahrene Poition vorspannende Feder 28 sowie einen niederdrückbaren
Verriegelungsknopf 30, der sich durch eine Öffnung in der Seite des Werkzeughandgriffs
20 erstrcckt.Der Geschwindigkeitssteuerschalter kann vonde. Bauart sein, wie in
der folgenden US-Patentschrift beschrieben ist: US-PS 3 775 576 vom 27.November
1973, der Inhaber ist der Anmelder der vorliegenden Anmeldung.
-
Die Komponenten des Geschwindigkeitssteuerschalters 22 sind schematisch
in Fig. 2 dargestellt. Ein erster Leistungsleiter L1 liegt an einem ersten stationären
Kontakt 32. Ein beweglicher Kontakt 34 ist dem stationären Kontakt 22 zugeordnet
und besitzt eine Verbindung mit der Anode eines steuerbaren Siliziumgleichrichters
SCR1. Die Kathode von SCR1 liegt in Serie mit der Wicklung 8 und dem Anker 10 des
Motors 6, liegt weiterhin über einen zweiten Satz von Schaltkontakten 38 a anderen
Leistungsleiter L2. Ein veränderbarer Widerstand 40 liegt an den Anoden- und Gate-Klemmen
des SCR1,und ein Kondensator 42 verbindet die Gate- und Kathoden-Klemmen SSCR1.
Ein einen positiven Temperaturkoeffizienten besitzender (PTC) Thermistor 44 ist
körperlich in wärmeleitender Beziehung an der Anode von SCR1 befestigt und steht
elektrisch in Serienschaltung mit dem veränderbaren Widerstand 40, und zwar über
die Anoden- und Gate-Klemmen von SCR1. Ein zweiter stationärer Kontakt 36 kanri
mit dem beweglichen Kontakt 34 in Eingriff kommen und steht direkt sit dem Motor
6 in Verbindung, um die elektronischen Geschwindigkeits- oder Drehzahlsteuerelemente
SCR1, 40,42 und 44, zu überbrücken. Der Auslöser 24 steht mechanisch mit dem beweglichen
Kontakt 34, dem Kontaktelement der Schaltkontakte 38 und dem Schieber oder Abgriff
des veränderbaren Widerstands 40 in Verbindung.
-
Das anfängliche Niederdrücken des Auslösers 24 schließt gleichzeitig
die Schaltkontakte 38 und den beweglichen Kontakt 3/4 mit dem Stationarkontal;t
32, um so den Motor 6 mit der Wechslspannungsquelle über die Geschwindigkeitssteuerelemente
zu verbinden. Der durch den veranderbaren Widerstand 40 und den PTC-Thermistor 44
fließende Strom lädt den Kondensator 42 solange auf, bis diese einen Spannungswert
erreicht, der ausreicht, um den SCR1 in seinen leitenden Zustand zu bringen, um
so Strom von der Anode zur Kathode zu leiten, und um ferner den Motor 6 mit der
Leistungsversorgung
zu verbinden. Der Schieber des veränderbaren
Widerstands 40 wird anfangs auf das Hochwiderstandsende eingestellt, und das Niederdrücken
des Auslösers 24 bewirkt, daß der Schieber zu seinem Niedrigwiderstandsende bewegt
wird, um so den Widerstand im Gatekreis zu vermindern. Der verminderte Widerstand
bewirkt, daß sich der Kondensator 42 eher auf den Auslösespannungswert auflöst,
und zwar bei jedem positiven Halbzyklus der Wechselspannungsversorgung, um so den
Leitungswinkel für den SCR1 zu erhöhen, wodurch der Stromfluß durch den SCR1 erhöht
wird, um so die Drehzahl des Motors 6 zu erhöhen. Der Widerstand des PTC-Thermistors
44 beträgt annähernd 4 bis 10, des Widerstands des veränderbaren Widerstands 40,
und zwar beim Betrieb in dem Geschwindigkeitssteuerbereich bei normalen Strombelastungen,
und daher ergibt sich ein vernachlässigbarer Effekt auf den Gesaintwiderstand in
dem zum Kondensator 42 führenden Kreis. Bei voller Auslöserniederdrückung schließt
der bewegliche Kontakt 34 den Shuntkontakt 36 und verbindet den Motor 6 direkt mit
der Leitungsspnnung, wodurch Vollwellenleistung an den Motor 6 geliefert wird.
-
In Falle, daß das Werkzeug einen Uberlaststrom empfingt, steigt die
Temperatur des SCR1 an. Dieser Temperaturanstieg wird durch den.PTC-Thermistor 44
abgefühlt,.und es erfolgt ein Ansprechen durch einen entsprechenden Widerstandsanstieg
des Ther:nistors. In Fig. 5 erkennt man, daß ein Teuiperaturansteig von beispielsweise
60 auf 800C eine Widerstandserhöhung des PTC-Thermistors 44 von 10 kOhm auf ann.ihernd
100 kOhm zur Folge hat, was ein ausreichender Widerstand ist, um eine Erhöhung der
Ladezeit für den kondensats 42 und eine entsprechende Verminderung des Leitungswinkels
für den SCR1 zu bewirken. Die Änderungen des Widerstandswerts und des Leitungswinkels
rufen eine entsprechende Verminderung der Motordrehzahl und des Geräuschs oder der
Tonlage hervor, wobei die Abnahme allmählich erfolgt, aber hörmäßig
für
den Werkzeugbenutzer wahrnehmbar ist, um eine anfängliche Anzeige für einen Überlastzustand
vorzusehen. Ein fortgesetzter Lauf des Motors bei Überlastbedingungen hat weitere
Anstiege der SCR1-und PTC-Thermistor 44-Temperaturen zur Folge, beispielsweise auf
100°C, was den Widerstand des PTC-Thermistors 44 um eine Größe erhöht, die ausreicht,
um den Leitungswinkel des SCR1 auf einen Punkt zu vermindern, wo der Werkzeugmotor
aufhört zu arbeiten, was jeden weiteren Anstieg der Belastung und des SCR1-Temperaturanstiegs
zur Folge hat. Der @ iderstand des PTC-Thermistors 44 ist jedoch nicht so groß,
um vollständig den hindurchgehenden Strom abzuschalten noch die Ladung des Kondensators
42 vollständig zu stoppen, was dadurch den Leitungswinkel des SGR1 auf Null vermindern
würde. Stattdessen gestattet er einen kleinen Stromfluß durch den SCR1 und das Anlegen
einer Spannung an den Motor 6 zu allen Zeiten, und sieht daher ein ständig angeschlossenes
aktives Werkzeug vor.Die Tatsache, daß das Werkzeug beständig aktiv ist, wird deutlich
fühl- und hörbar dem Werkzeugbenutzer angezeigt, und zwar durch das Bestehenbleiben
eines Brummens im gestoppten rotor 6 und die sich dadurch ergebende Vibration infolge
des daran angelegten kontinuierlichen Signals, wthrend sich der Motor in einer gestoppten
oder überlasteten Position befindet. Der das Brummen hörende und die Vibration des
Werkzeugs in seiner Hand fühlende Eslerkze1lgbenutzer erkennt somit, daß das Werkzeug
noch immer aktiv (also mit Strom versorgt) ist und ergreift die entsprechende Aktion
und gibt den Auslöser zur Leistungsabschaltung zum Werkzeug frei, bevor er seine
Kraft am Werkzeug vermindert oder dieses zur Seite legt.
-
Bei der in Fig. 2 gezeigten Halbwellenwechselstromversion hat der
Benutzer auch die Option der Übersteuerung; des Schutzmerkmals dadurch vollst;ndiges
IJiederdrücken des Auslösers 2ZF bei der Überlastungsverlangsamung oder dem vollständigen
Stehenbleiben des Motors. Das vollständige Niederdrücken
des Auslösers
24 schließt den beweglichen Kontakt 34 mit dem stationären Kontakt 36, um so den
Motor 6 direkt an die Versorgung anzuschließen, und zwar unter Überbrückung der
Steuerkomponenten SCR1 40,42 und 44. Der Überlastzustand wird daher direlct auf
den Werkzeugmotor ausgeübt, aber nicht auf den EJCR des Steuerschalters, da dieser
nunmehr überbrückt ist und keinen Strom führt. Arbeiten in dieser Betriebsart für
eine gewisse Zeitperiode gestattet, Qa SCR1 und PTC-Thermistor 44 abkiihlen, worauf
das Werkzeug, wenn gewünscht, wiederum in den Drellzahlsteuerbereich betrieben werden
kann. Natürlich sollte der Betrieb bei der einen und anderen dieser Bedingungen
nur für minimale Zeitperioden erfolgen und nur, wenn dies absolut notwendig ist.
-
Abwandlungen der Schaltung gemäß Fig. 2 sind in den Fig. 3 und 4 gezeigt.
Fig. 3 zeigt ein Triac TR1, welches den SCR1 der Fig. 2 ersetzt; Triac TR1 Liefert
in Gegensatz zur Halbwellensteuerung des SCR die Vollwellendrellzahlsteuerung des
Motors 6'. Im Hinblick auf die Voliwellensteuerung sind der Überbrückungskontakt
36 und seine Verbindung mit dem Motor 6 weggelassen, und der bewegliche Kontakt
34' ist zur Überbrückung als Satz von Kontakte 32', 33' vorgesehen.
-
Demgemäß kann das Schutzmerkmal nicht übersteuert werden, und der
Motor 6' ist stets mit dem Überlastungsschutzmerkma versehen, was auch für das Trias
TR1 gilt. Hinsichtlich aller anderen Beziehungen arbeitet diese Schaltung in der
gleichen Weise wie diC Schaltung gemäß Fig.2, und gleiche wertigen Komponenten wurde
das gleiche Bezugszeichen,zusätzlich mit einem Strich versehen, gegeben.
-
Fig. 4 zeigt eine weitere Abwandlung der Erfindung ähnlich Fig. 2,
wobei iiei die gleichen Teile mit gleichei Bezugszeichen, diesmal aber versehen
mit zwei Strichen, bezeichnet sind. Ein unabhängiger Widerstand 50 wird als ein
Heizelement für den PTC-Thermistor 44" verwendet und steht in
energe@
thermischen Kontakt mit dem Thermistor. Der Widerstand 50 liegt in Serie niit de:.
Werkzeugmotor 6" und dem Triac TR", und sein lieizeffekt ist direkt proportional
zur Werkzeugmotorbelastung. Der Widerstand 50 kann einen Widerstandswert von weniger
als 1 Ohm besitzen und daher keine signifikante Impedanz fiir die Last bilden. Ein
beträchtlicher Vorteil. infolge der Verwerdung des Widerstandsheizelements 50 besteht
darin, daß der PTC-Thermistor 44" "ausgelöst" oder "getrigger" wird, und daß nicht
auf die Wärme vertraut wird, die durch den SCR oder das Triac selbst erzeugt wird,
was eine verkürzte Ansprechzeit zur Folge hat. Da die thermische Masse des Widerstandsheizelements
50 relativ klein, verglichen mit einem gepackten Halbleiter,sein kann, wird die
Ansprechzeit auf einen Überlastzustand minimiert. Ferner kann der PTC-Thermistor
44"buchstäblich durch das Wider standsheizelement 50 bewickelt oder umwickelt sein,
was die thermische Wärmeübertragung stark erhöht, was wiederum die Ansprechzeit
vermindert. in weiterer Vorteil eines als "Trigger" verwendeten Widerstandsheizelements
besteht darin, daß die Linstellung des zum Erhitzen des I'TC-Thermistors erforderlichen
Stroms möglich ist. Da der iiiderstandswert des Heizelements durch Wahl der Widerstände
verändert werden arn, knn aucl-i sein Temperaturanstieg infolge einer gegebenen
Strjmbelastung veräbdert werden. Dies gilt nicht für den SCR oder die Triac-Halbleiter,
die relativ feste I2R-Verluste besitzen.
-
Obwohl vorstehend bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben wurden,
so ist doch die Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele nicht beschränkt. Die Erfindung
ist auch nicht auf die speziellen Ausführungisbeiespiele der Drehza0.-ilsteuerung
für tragbare Werkzeuge mit Überlastschutz beschränkt, und auch nicht auf die Nittel
zur Erzeugung einer hörbaren und fühlbaren Anzeige der an den Motor gelieferten
Leis-tung während Überlastbedingungen.
-
Zusammenfassend sieht die Erfindung folgendes vor: in einen positiven
Temperaturkoeffizienten besitzender Thermistor 44 liegt in Serie mit einen manuell
betätigten variablen Widerstand 40 im Zündsteiergetekreis eines Thyristors (SCR1,
TR1),der die Drehzahl eines tragbaren elektrisehcn Werkzeugs 2 reguliert, und zwar
steht diese Thermistor in thermischei' Verbindung mit dem Thyristor (SCR1,TR1),
um einen Überlastschutz für den Werkzeugmotor 6 und den Thyristor(SCR1,TR1) vorzusehen,
der allmählich die Motordrehzahl vermindert oder erhöht, und zwar bei Uberlastströmen,
um die an den Motor gelieferte Leistung unzureichend für den Anrieb des Motors 6
zu halten, aber hinreichend, um den gestoppten Motor 6 dazu zu veranlassen, einen
hörbaren Brummton und eine fühlbare Schwingung zu erzeugen, um so das Vorhandensein
von Leistung arn Werkzeugs motor 6 anzuzeigen.