DE3247046A1

DE3247046A1 - Verfahren und einrichtung zum speisen einer handgefuehrten werkzeugmaschine mit einem kollektorlosen elektromotor

Info

Publication number: DE3247046A1
Application number: DE19823247046
Authority: DE
Inventors: Carl Sverker Magnusson 18346 Täby Hartwig; Erik Anders 11643 Stockholm Ljung
Original assignee: Institut Cerac SA
Current assignee: Institut Cerac SA
Priority date: 1981-12-18
Filing date: 1982-12-20
Publication date: 1983-08-25
Also published as: FR2518776B1; IT8249690A0; IT1149163B; GB2111773A; NL8204894A; US4489261A; GB2111773B; DE3247046C2; FR2518776A1; JPS58108985A; CH644478A5

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. W. Beyer Dipl.-Wirtscn.-Ing. B. Jochem

6000 Frankfurt / Main itaufenstraäe 36

Anm.: CERAC S.A.

Ecublens (Schweiz)

Bezeichnungs Verfahren und Einrichtung zum Speisen einer

handgeführten Werkzeugmaschine mit einem kollektorlosen Elektromotor.

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Speisen einer handgeführten Werkzeugmaschine mit einem kollektorlosen Elektromotor sowie eine Energieversorgungseinrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Bisher sind, was d^n elektrisch betriebenen Antriebsmotor betrifft, in der Hauptsache zwei verschiedene Arten von handgeführten Werkzeugmaschinen verfügbar. Die eine Art weist einen Kollektormotor zum Anschluß an eine herkömmliche Netzspannung mit einer Frequenz von 5o oder 60 Hz auf. Die andere Art verwendet einen kollektorlosen Motor zum Anschluß an eine unveränderliche Spannungsquelle mit einer unveränderlichen Frequenz zwischen 15o und 4o Hz.

Die ersterwähnte Werkzeugmaschinenart mit einem an das Netz anschließbaren kollektorlosen Motor hat den Nachteil, daß die Bürsten Funken erzeugen, die sich in einer entflammbaren oder explosiven Atmosphäre verheerend auswirken können, und daß die Bürsten und der KomnP tator starkem Verschleiß unterworfen sind, insbesondere wenn die Werkzeugmaschine in einer staubigen und/oder korrosiven Atmosphäre eingesetzt wird.

Was das Betriebsverhalten anbetrifft, haben Werkzeuamaschinen mit Kollektormotorer. von Haus aus eine hohe Leerlaufdrehzahl und eine sehr weiche Leistungs/Drehzahl-Charakteristik. In letzter Zeit sind jedoch Werkzeugmaschinen dieser Art mit elektronischen Steuereinrichtungen ausgerüstet worden, durch welche die Leerlaufgeschwindigkeit auf eine aeeignete Höhe herabgesetzt wird. 3ur aleichen Zeit ist ein kräftiaersr Motor verwendet worden, dergestalt, daß eine erhöhte Ausoangsleistung bis zur neuen Leerlaufdrehzahl erhalten wird. Dies bedeutet,

S -A-

daß die Leistung/Drehzahl-Charakteristik verbessert ist und daß die Motordrehzahl bei gesteigerter Belastung des Motors besser aufrechterhalten wird. Jedoch ist das Leistunas/Drehzahl-Verhältnis nicht steif genug, um harten Arbeitsbedinoungen zu genügen- Bei tragbaren Schleifmaschinen beispielsweise verursacht ein Absinken der Drehzahl bei zunehmener Belastung am Schleifwerkzeug ein beträchtliches Ansteigen des Werkzeugverschleißes,

Werkzeugmaschinen mit Kollektormotoren sind auch darin von Nachteil„ daß sie ein niedriges Verhältnis von Ausaanosleistung zu Gewicht aufweisen. Dies bedeutet, daß für eine gegebene Leistungsgröße das Gewicht der Maschine ziemlich hoch ist, was natürlich für eine tragbare Maschine ein ernster Nachteil ist.

Die Werkzeugmaschinen mit kollektorlosem Hechfrequenzmotor haben eine steifere Leistung/Drehzahl-Charakteristik als die Werkzeugmaschinen mit bürstenlosem Motor, was bedeutet, daß ein solches kollektor-loses Werkzeug besser die Drehzahl bei ansteiaender Motorbelastung aufrecht erhält. Je steifer das Leistungs/Drehzahl-Verhältnis ist, umso besser verhält sich die Werkzeugmaschine in Bezug auf den Werkzeugverschleiß ebenso wie auf die Produktivität.

Bisher verfügbare Werkzeugmaschinen mit kollektorlosem Motor sind jedoch darin nachteilig, daß ihre Energieversoraungseinrichtung elektrische Energie mit konstanter Spannung und Frequenz liefert. Dies bedeutet, daß aufgrund des Fehlens einer Wechselbeziehung zwischen Motorbelastung und Spannungsamplitude über weite Teile des Drehzahlbereichs die Energieverluste hoch sind und die überlastuna des Motors einen ernstlichen Leistungsbegrenzunasfaktor für diese Art Werkzeugmaschine darstellt.

Bisher bekannte Wsrkzeugmaschinen mit kollektorlosem Motor haben ferner den Nachteil, daß ihre Verwendung auf soiöhe Bereiche begrenzt ist, in denen sich ortsfeste FocVfrequenz-Energieversorgungseinrichtungen in Reichweite befinden* Die Art von bisher in Verbindung mit handgeführten Werkzeugmaschinen benutzten Energieversorgungseinrichtungen sind mechanische Umformer.

Solche Umformer sind nicht nur in Bezug auf besondere und vorbestimmte Spannunaen und Frequenzen begrenzt, sondern haben von Natur aus ein hohes Verhältnis zwischen Gewicht und Leistung und lassen sich nicht tragbar gestalten. Aus diesem Grund werden die bisherigen Energieversorgunaseinrichtuncren dieser Art so angeordnet, daß sie eine Anzahl von Werkzeugmaschinen über ein örtliches Netz versorgen, dessen Umfang beispielsweise durch die Voraussetzungen einer Fabrik begrenzt ist.

Aufgabe der Erfinduna ist es, unter Vermeidung der vorerwähnten Nachteile ein verbessertes Leistungs/Gewichts-Verhältnis ebenso wie ein steiferes Leistungs/Drehzahl-Verhältnis in elektrisch betriebenen, handgeführten Werkzeugmaschinen zu erzielen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe verfahrensmäßig durch die Verfahrensschrittet

- Speisen des Motors mit einer Wechselspannung,

- fortgesetztes Abtasten der Motordrehzahl und der vom Werkstück hervorgerufenen Motorbelastung und

- fortgesetztes Einstellen der Amplitude und der Frequenz der Wechselspannung in Abhängigkeit vom jeweils erfaßten augenblicklichen Betriebszustand.

Dadurch werden die Parameter der zugeführten elektrischen Energie den augenblicklichen Betriebsbedingungen des Werkzzeugmaschinenmotors unter Berücksichtiauncr der vorbestimmten Leistungsdaten selbsttätig angepaßt.

Eine Energieversorgungseinrichtung zum Zuführen elektrischer Energie zu einer handgeführten Werkzeugmaschine, die mit einem kollektorlosen Motor ausgerüstet ist, zeichnet sich demgemäß* durch folgende Merkmale zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens aus: einem Spannunasumrichter mit veränderlicher Ausgangsgröße, Mittel zum Abtasten der augenblicklichen Belastung und Drehzahl des Motors sowie Steuermittel zum augenblicklichen Einstellen der Ausgangspai.ameter des Umrichters in einem vorbestimmten Verhältnis zu der abgetasteten Belastung.

Ein Ausführungsbeispiel wird nachstehend in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1s eine an eine elektrische Energiequelle

über eine Energieversorgungseinrichtung der Umrichterbauart andchließbare tragbare Schleifmaschine,

Fig. 2: ein Drehmoment-Drehzahl-Diagramm ver

schiedener bisher bekannter Werkzeugmaschinenantriebe im Vergleich mit dem von der Erfindung erzielten Eraebnis,

Fig. 3s ein weiteres Drehmoment-Drehzahl-

Diagramm zur Veranschaulichung der Betriebscharakteristik eines in Übereinstimmung mit der Erfindung gespeisten Motors,

"Ζ"

Fig. 4: ein Schaltbild der Energieversorguhgs*

einheit,

Fig. 5: ein Schaltbild der Steuereinrichtung

in Fig.. 4,

Fig. 6: ein Schaltbild des Reglers in Fig. 5

und

Fig. 7: in einem Diagramm die übertragungs

funktion des Reglers nach Fia. 6.

Die in der Fig. 1 gezeigte rotierende Schleifmaschine wird von einer Energieversorgungsvorrichtung gespeist, die einen Transistor-Umrich^J.er enthält. In letzterem wird eine Wechselspannung mit einer Frequenz von 5o oder 6o Hz in eine Wechselspannung veränderlicher Amplitude und Frequenz überführt. Wie im einzelnen weiter unten beschrieben, enthält die Versorgungseinheit Mittel zum Abtasten oder Messen der augenblicklichen Betriebsbedingungen des Motors der Maschine und zum automatischen Anpassen der Spannungsparameter wie der Amplitude und der Frequenz in bestimmter Weise an diese Bedingungen.

In dem Diagramm nach Fig. 2 sind die Drehmoment-Drehzahl-Kennlinien von drei verschiedenen bekannten drehenden elektrischen Werkzeugmaschinen A, B und C und einer in ühereinstiirununa m: der Erfindung gespeisten Werkzeugmaschine dargestellt. In diesem Diagramm iet ein Vergleich angestellt zwischen vier verschiedenen drehenden Werkzeugmaschinen, die sich alle durch dieselbe maximale Drehzahl auszeichnen. Diese maximale Drehzahl, welche die Drehzahl im Leerlauf der Werkzeugmaschine

i

ist, ist in dem Diagramm mit dem Buchstaben X bezeichnet.

Die gestrichelte Kurve A veranschaulicht das Drehmoment/Drehzahl-Verhältnis einer Werkzeugmaschine mit einem Kommutator-Reihenschlußmotor. Diese Motorart zeichnet sich, wie vorstehend erwähnt, durch ihr niedriges Drehmoment im Leerlauf aus. Aus Sicherheitsgründen jedoch ist der Motor so bemessen, daß jedes Erreichen der maximalen Drehzahl, durch welche die Werkzeugmaschine gekennzeichnet ist, vermieden wird. Zusammen lassen die Ubermarkierung der maximalen Drehzahl und die sehr weiche Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie diese Art von Werkzeugmaschine bei einer Normalbelastungsdrehzahl arbeiten, die 3o-4o % unterhalb des festgestellten maximalen Drehzahlniveaus liegt. Dies verursacht eine unerwünscht hohe Abnutzung der Schleifscheibe, die dazu bestimmt ist, unmittelbar oder dicht bei dem markierten maximalen Geschwindigkeitsniveau X zu arbeiten.

Die strichpunktierte Kurve B veranschlaulicht eine drehbare Werkzeugmaschine derselben Art, wie vorstehend abgehandelt, mit der Ausnahme einer elektrischen Steuereinrichtung, durch welche der weicheste Teil der Drehmoment-Drehzahl-Kennlinie "weggeschnitten™ ist. Diese Werkzeugmaschine ist auch mit dem maximalen Drehzahlniveau X markiert, weil bei einem Zusammenbruch der eingebauten Steuermittel die M*>torgeschwindiakeit dieses Niveau erreichen würde. So arbeite/t diese Werkzeugmaschine aus Sicherheitsgründen immer mit einer unterbemessenen Schleifscheibe, was wiederum bedeutet, daß die Umfangsaeschwindigkeit und die Schnittgeschwindigkeit niedrig sind. Das Ergebnis ist, daß diese elektronisch gesteuerte kollektormotorbetriebene Werkzeugmaschine einen Arbeitstmnkt bei einem Drehzahlniveau von 3o-4o % unterhalb des festgesetzten maximalen Drehzahlniveaus hat. Der einzige Unterschied gegenüber der Werkzeugmaschine mit der Kurve A ist der, daß diese Werkzeugmaschine (Kurve B) ein höheres Drehmoment bei einem

Arbeitspunkt-DrehzaMniveau oder eine etwas höhere Drehzahl bei einem bestimmten Abtriebsmoment liefert. Der Schleifscheibenverschleiß ist jedoch von derselben Größenordnung.

Die gepunktete Ki ¹Xve C veranschaulicht das Drehmoment/Drehzahl-Verhältnis einer Werkzeugmaschine mit einem kollektorlosen Hochfrequenzn.otor, der gleichfalls oben bei der Abhandlung des Standes der Technik erwähnt ist. Der Motor dieser Werkzeugmaschine kann niemals schneller laufen, als durch die Frequenz der Versörgungsspannuna bestimmt ist, und deshalb sind keine Sicherheitsvorkehrungen in Bezug auf das markierte maximale Drehzahlniveau X erforderlich.

Im Veraleich mit den durch die Kurven A und B veranschaulichten Werkzeugmaschinen mit Kollektormotor liefert diese Werkzeugmaschine ein steiferes Drehmoment/Drehzahl-Verhältnis bei oder unmittelbar unterhalb der maximalen Drehzahl. Jedoch fällt aufgrund der Tatsache, daß diese Werkzeugmaschine mit einer Spannung mit unveränderlicher Frequenz gespeist wird, daß Drehmoment steil ab, wenn die Motordrehzahl unter einen maximalen Drehmonuntwert fällt. Dies bedeutet, daß die Werkzeugmaschine sehr leicht mit dem Ergebnis der Überhitzung abgewürgt werden kann.

Bei nunmehriger Betrachtung der Kurve D, mit welcher das Drehmoment/Drehzahl-Verhältnis der erfindungsgemäßen Maschine veranschaulicht ist, lassen sich vier signifikante Eigenschaften feststellen:

1) Gegenüber dem maximalen Drehzahlniveau X ist keine Sicherheitsgrenze erforderlich, da die Motordrehzahl von der Frequenz der zugeführten Spannung bestimmt ist;

2) das Drehmoment/Drehzahl-Verhältnis ist bei oder nahe der Leerlaufdrehzahl sehr steif, was bedeutet, daß die

Werkzeugmaschine einen Arbeitspunkt sehr dicht am maximalen Drehzahlniveau hat. Der Vorteil hiervon besteht in einer hohen Schnittgeschwindigkeit und einem geringen Schleifscheibenverschleiß;

3) das Drehmoment bleibt bei abnehmender Motordrehzahl unbeeinflußt mit dem Ergebnis einer sehr geringen Gefahr des Abwürgens und der Motorüberhit zunc,;

4) das Ausgangsdrehmoment ist beträchtlich höher als bei den bekannten Werkzeugmaschinen, insbesondere den Werkzeugmaschinen mit Kommotatormotor.

Als fünfter Punkt, der in Zusammenhang mit den charakteristischen Merkmalen der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine zu bemerken ist, übersteigen das Gewicht und die Größe der Werkzeugmaschine trotz höherer Leistungsausbeute nicht das Gewicht und die Größe der bisherigen Maschinen.

Alle vorstehend erwähnten vorteilhaften Merkmale der erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine werden durch die in den Ansprüchen enthaltenen kennzeichnenden Merkmale des Verfahrens und der Energieversorgungseinrichtung erhalten.

In Fig. 3 ist veranschaulicht, wie das Ausgangsdrehmoment des Werkzeugmaschinenmotors bei abfallender Motordrehzahl, wie oben unter Ziff. 3) erwähnt, konstant gehalten wird. Wenn die Belastung der Werkzeugmaschine ein bestimmtes Niveau erreicht, beginnt die Drehzahl abzufallen. Durch aufeinanderfolgendes Absenken und Anpassen der Frequenz an die Motordrehzahl, wie dies durch die Kurven f., f₂ und f₃ veranschaulicht ist, wird das Ausgangsdrehmoment des Motors auf seinem Höchstwert den gesamten Drehzahlbereich hinab aufrechterhalten. Gleichzeitig werden die Energieverluste und damit die Cefahr einer überhitzung der Werkzeugmaschine beträchtlich vermindert.

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Die folgende Abhandlung über die Ziele und Vorteile einer in Ubereinstimmune mit der Erfindung gespeisten Werkzeugmaschine werden den erfinderischen Schritt weiter erklären und verdeutlichen, durch welchen sich das Verfahren und die Enerciieversorgungseinrichtung, wie sie in den Ansprüchen niedergelegt sind, gegenüber dem Stand der Technik unterscheidet.

In Übereinstimmung mit der Erfindung werden die oben zum Stand der Technik erörterten Probleme durch Zuführung der elektrischen Energie zu einer einen kollektorlosen Motor enthaltenden Werkzeugmaschine über eine individuelle Umrichtereinrichtuna gelöst, deren Ausgangsspannungsparameter selbsttätig in vorbestimmtem Verhältnis zu den augenblicklichen Betriebsbedingungen des Motors eingestellt werden.

Durch Verwendung einer Energieversorgungseinrichtuna, die■_.'-.-.· einen elektronischen Umrichter mit veränderlicher Auscanasspannung enthält,wird es ermöglicht, die Spannungsamplitude in allen der verschiedenen Betriebszustände des Motors dergestalt automatisch einzustellen, daß die höchstmögliche Ausgangsleistung bei Spitzenlastverhältnissen geliefert wird und daß die kleinstmöglichen Energieverluste über den Hauptteil des Drehzahlbereichs auftreten. Geringe Energieverluste sind gerade deshalb von wesentlicher Bedeutung, weil sie die Gefahr einer Überhitzung des Motors vermindern.

Weiterhin sorgt das neue Konzept gemäß der Erfindung für eine selbsttätige Anpassung der Spannungsfreuqenz an die jeweilige Motordrehzahl. Dies macht es möglich, nicht nur unerwünschte Stromspitzen während des Anfahrens zu vermeiden, sondern auch das maximale Drehmoment des Motors bei absinkender Motordrehzahl aufrecht zu erhalten.

Energieversorgungsmittel mit elektronischen Transistorumrichtern für kollektorlose Motoren sind für sich vorbekannt, beispiels-

weise durch die Veröffentlichung "Solid-State Control of Electric Drivas" von R.G. Schiemann, E.A. Wilkies und H.E„ Jordan, veröffentlicht in Proceedings of the IEEE, Band 62, Nr. 12, Dezember 1974. Energieversorgungseinrichtunqen der Umrichterbauart wurden jedoch bisher nicht benutzt in Verbindung mit tragbaren Werkzeugmaschinen, die in der Tat ein sehr spezielles technisches Gebiet aus der Sicht der Belastungseigenschaften und der Leistungserfordernisse darstellen. Stattdessen sind Energieversorgungseinrichtungen der Umriehterbauart für kollektorlose Motoren entweder generell oder bei stationären Maschinen beschrieben worden, wo die Erfordernisse darin bestehen, eine freie Wahl der Motordrehzahl durch Änderung der Frequenz zu erhalten und/oder die teuren Energieverluste unter verschiedenen Motorbelastungsbedingungen beispielsweise während der Anlaufvorgänge herabzudrücken.

Derartige bekannte Anwendungsfälle sind völlig verschieden von der Anwendung bei tragbaren Werkzeugmaschine nach der Erfindung. In letzterem Fall besteht die Hauptaufgabe der Anwendung von ümrichtere^ergieversorgungseinrichtungen nicht in der Schaffung von mehr als einem Drehzahlniveau und nicht darin, die hohen Energiekosten herabzudrücken wie bei qroßen stationären Maschinen.

Stattdessen wird nun die Möglichkeit der Ausgangsspannungsamplitude, wie sie von der Umrichterenercrieversorftun^seinrichtung ermöglicht wird, dazu verwendet, die maximale Leistungskapazität aus einem Motor gegebener Größe herauzupressen. Aufgrund der Tatsache, daß die Ausgangsleistung des Motors mit dem Quadrat der Spannungsamplitade steigt, wird ein steiles Anwachsen der Motorausgangsleistunq durch Anheben der Spannungsamplitude um ein Vielfaches erhalten, wenn die Motorbelastung vom Leerlaufniveau auf das Scheitelniveau ansteigt.

Dies ist eine neue und wirksame Maßnahme zur Erzielung einer sehr steifen Leistungs-Drehzahl-Kennlinie des Motors. Bei beispielsweise tragbaren Schleifmaschinen, bei denen eine sehr häufige Änderung der Motorbelastung zwischen Null und Maximum auftritt, führt eine schnelle Änderung in der Spannungsamplitude zu einer Maschinencharakteristik mit einem hohen Leistungsgewichtsverhältnis ebenso wie einer steifen Leistungs-Drehzahl-Kennlinie .

Das Merkmal der veränderlichen Frequenz des elektronischen Umrichters der Energieversorgungseinrichtung erbringt zusätzlich den Vorteil der Aufrechterhaltung des Motordrehmoments im Spitzenbereich, wenn zu starke Beanspruchungen die Motordrehzahl absinken lassen. Dieses Merkmal tritt lediglich bei tragbaren Werkzeugmaschinen auf, weil kein anderer bekannter Maschinentyp in Verbindung mit einer Energieversorqungseinrichtunq der Umrichterbauart eine Arbeitscharakteristik hat, gemäß welcher der Motor häufig überlastet und im Normalbetrieb bis-: weilen abgewürgt wird. Ein bei abnehmender Motordrehzahl vollständig aufrechterhaltenes Motordrehmoment ist deshalb ein wesentliches Merkmal, da es eine Menge unnötiger Stillstandsunterbrechungen des Maschinenbetriebs verhindert.

Die Verwendung einer Energieversorgungseinrichtung der Umrichterbauart für tragbare Werkzeugmaschinen bedeutet auch, daß die Werkzeugmaschinen .licht notwendigerweise in der Verwendung in Bezug auf ein örtliches Energieversorgungsnetz begrenzt sein müssen. Die jüngsce Entwicklung bei Halbleitern macht es möglich, Größe und Gewicht der elektronischen Energieversorgungseinrichtungen der Umrichterbauart zu verkleinern, was bedeutet, daß eine solche Einrichtung zusammen mit dem Werkzeug als getrennte oder eingebaute Einheit tragbar gestaltet werden kann. Dies bedeutet wiederum, daß das Anwendungsgebiet von Werkzeugmaschinen mit kollektorlosen Hochfrequenzmotoren von einem sehr beschränkten

Bereich, der von einem örtlichen Energienetz abgedeckt ist, beträchtlich auf alle Plätze erweitert werden kann, bei denen eia öffentliches 5o oder 60 Hz-Spannunqsnetz nicht zur Verfügung steht -

Die in den Figuren 1 und 4 schematisch dargestellte Energieversorgungseinrichtung weist einen Dreiphasen-Gleichrichter auf, der an ein Standardnetz mit fester Frequenz anschließbar ist. Der Gleichrichter 22 liefert Gleichstrom von im wesentlichen konstanter Spannung zu zwei Leitungen 24, 25, die eine positive bzw« negative Klemme einer Gleichstromversoraung für einen Wechselrichter bilden. Der Wechselrichter besteht aus sechs Schaltelementen 31-36 zum aufeinanderfolgenden Verbinden der Klemmen 28, 29, 3o eines kollektorlosen Drehstrommotors 23 mit der positiven und der negativen Klemme 24 bzw. 25 der Gleichstromversorgung. Die Schaltelemente 31-36 sind in der Zeichnung als Transistoren dargestellt; sie könnten natürlich auch Kombinationen von Tynstoren oder anderen Elementen sein. Eine Diode 47 ist in Antiparallelschaltung zu jedem Transistor parallel geschaltet, um Reaktionsströme beim Ausschalten des Transistors abzuleiten. Zur Steuerung des Wechselrichters werden Ausgangssianale von den Ausgängen 11-16 an einer Steuereinheit 1o zugeführt, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist. Diese Steuersignale werden über Verstärker 26 an die Basen der entsprechenden Transistoren geleitet. Die Steuereinheit 1o hat Eingänge 17, 18, über welche der Gleichstrom in der Leitung 24 gemessen wird. Die Steuereinheit ist ferner mit einem Ausgang 39 und Eingängen 19, 2o, 21 versehen. Der Ausgang 39 wird nur verwendet, wenn während des Betriebs die Drehrichtung des Motors geändert werden soll. Die Drehrichtung wird durch Anwendung eines Logiksianals auf den Eingang 21 gewählt. Wenn die Drehung in nur einer Richtung erwünscht ist, wird der Eingang 21 entweder an eine positive Spannung oder Masse angeschlossen. Die Drehzahl des Motors 23 kann durch Änderung der an der Klemme 19 angelegten Spannung geändert werden. Wenn es beispielsweise bei einer

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Schleifmaschine erwünscht ist, den Motor mit einer bestimmten Drehzahl zu betreiben, wird die Eingangsklemme 19 an eine geeignete Spannung angeschlossen, die der gewünschten Drehzahl entspricht. Die Eingangsklemme 2o dient zur Aufnahme eines Start/Stop-Signals, mit welchem Drehung oder Nichtdrehung bestimmt wird.

Die Steuereinheit 1o, die mehr im einzelnen in Fig. 5 gezeigt ist, enthält eine Meßeinrichtung 4o zum Messen des Gleichstroms in der Leitung 24. Dieser Strom erscheint als Spannung zwischen den Eingängen 17 und 18. Das Ausgangssignal der Meßeinrichtung

40 wird einem ersten Scheiteldetektor 41, einem Tiefpaßfilter 42, einem zweiten Scheiteltetektor 43 und einem Vergleicher zugeführt. Die Scheiteldetektoren 41 und 43 enthalten Dioden zum Ansprechen auf positive bzw. negative Signale. Die Scheiteldetektoren enthalten ferner Tiefpaßfilter. Der erste Scheiteldetektor 41 hat vorzugsweise eine Zeitkonstante von etwa λ/ψ worin f die maximale Grundfrequenz des dem Motor 23 zügeführten Stromes ist. Die Abschaltfrequenz, -3dB des Scheiteldetektors

41 beträgt vorzugsweise etwa o,1 f. Der Tiefpaßfilter 42 hat vorzugsweise etwa iieselbe Abschaltfrequenz. Der zweite Scheiteldetektor 43 hat vorzugsweise eine Zeitkonstante von etwa 1/f und eine Ausschaltfrequenz von eta o,5 f.

Das Spitzen- oder Scheitelwertsignal vom Scheiteldetektor 41 wird einem ersten Regler 45 zugeführt, der mehr im einzelnen in Fig. 6 gezeigt ist. Die Eingangssignale von den Eingängen und 2o werden einer Einrichtung 44 in Gestalt eines Rampengenerators zugeführt. Der Rampengenerator 44 enthält einen oder zwei Leistungsverstärker, die als Integratoren geschaltet sind, um den Regler 45 mit einer zunehmenden Rampenspannung bei der Anlaufbeschleunigung des Motors und einer abnehmenden Rampenspannung bei der Stillsetzverzögerung des Motors zu versorgen. Auf diesem Wege ist es möglich, daß der maximale Belastungsstrom

bei normaler Geschwindigkeit überschritten wird, wenn der Motor angelassen oder abgebremst wird. Eine Änderung in dem Drehzahlbestimmungssignal am Eingang 19 ist auch vom Rampengenerator 44 umfaßt. Deshalb vergeht einige Zeit, bevor das Ausgangssignal des Rampengenerators 44 dem Eingangssignal vollständig angepaßt ist.

Das Spitzenwertsignal vom ersten Scheiteldetektor 41 wird dem einen der Eingänge eines Leistungsverstärkers 45 über einen Widerstand 72 zugeführt. Dieses Signal wird mit einem an einem veränderlichen Widerstand 73 voreingestellten und etwas stärker über einem Widerstand 74 zugeführten Bezugssignal verglichen. Der Verstärker ist mit einem Rückkopplungswiderstand 76 versehen. Das Ausgangssignal des Verstärkers $5 wird über einen Widerstand 77 einer Diode 79 aufgegeben. Das Ausqangssignal vom Rampengenerator 44 wird über einen Widerstand 78 dem einen der Eingänge eines Leistungsverstärkers 71 zugeführt. Der Verstärker 71 ist mit einem ersten Rückkopplunaswiderstand 92 und einem zweiten Rückkopplungswiderstand 93 in Serie mit der Diode 79 versehen. Der Widerstand 93 ist ein viel geringerer Widerstand als der Widerstand 92. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis etwa 1/2o. Wenn das an der Diode 79 gemessene Ausganassignal vom Verstärker 75 stärker negativ als das an der Diode 79 gemessene Ausgangssignal vom Verstärker 91 positiv ist, wird die Diode 79 umgekehrt vorgespannt. Die Verstärkung des Verstärkers 91 im geschlossenen,J£reis ist dann hoch. Der Regler 45 arbeitet dann gemäß der Kurve 94 in Fig. 7 unter der Voraussetzung eines konstanten Signals vom Rampengenerator 44, Wenn das Signal von dem ersten Scheiteldetektor 41 zunimmt, wird das Ausgangssignal vom Verstärker 75 weniger negativ, und bei einem bestimmten Signalniveau, dem Niveau 95 in Fig. 7, das am Widerstand 73 eingestellt ist, wird die Diode 79 vorwärts vorgespannt. Die Verstärkung des Verstärkers 91 im geschlossenen Kreis wird nun beträchtlich vermindert, so daß

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der erste Regler 45 ein frequenzsteuerndes Signal gemäß" Kurve 96 in Fig. 7 abgibt* Dieses Signal wird bei etwa 12o % des Signals am Niveau 95 null. Das frequenzsteuernde Signal vom Ausgang des Verstärkers 91 wird einem spannungsgesteuerten Oszillator 47, einem Ausgang 39 und einem Analoqteiler 46, beispielsweise einer Analog-Baueinheit AD 534 aufgegeben. Der spannungsgesteuerte Oszillator 47 erzeugt ein Ausgangsignal, dessen Frequenz proportional der Eingangsspannung ist.

Das vom Tiefpaßfilter 42 erhaltene gleichgerichtete Mittelwertsignal entspricht dar dem Motor 2 3 zugeführten Leistung, weil die Spannung der Gleichstromversorgung 24, 25 im wesentlichen konstant ist. Dieses Signal wird dem Teiler 46 zugeführt, wo es durch das frequenzsteuernde Signal, das das Anforderungssignal für die Drehzahl des Motors 23 ist, dividiert wird. Das Ausgangssignal des Teilers -46 wird deshalb dem Drehmomentbedarf vom Motor 23 entsprechen. Dieses Ausgangssignal wird als erstes Spannungssteuersignal einem zweiten Regler 28 zugeführt. Das negative Scheitelwertsignal, das zweite Spannungssteuersignal, das von dem zweiten Scheiteldetektor 43 erhalten wird, wird gleichfalls dem Regler 48 zugeführt, so daß das Ausgangssignal des Reglers 48 proportional der Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Spannungssteuersignal wird. Das negative Scheitelwertsignal vom Scheiteldetektor 43 entspricht dem Grad der Magnetisierung des Motors 23. Dieses Signal wird von den negativen impulsen erhalten, die der Gleiehspannungsquelle rückgeführt werden, wenn die Transistoren 31-36 ausgeschaltet werden. Durch Steuern des Niveaus dieser negativen Impulse ist es möglich, ein vorbestimmtes Niveau der Magnetisierung des Motors zu erzielen, das sowohl ein hohes Leistungs/Gewichts-Verhältnis ermöglicht als auch eine Übersättigung vermeidet, die zu unannehmbaren Verlusten führen würde*

Wenn das Signal von der Meßeinrichtung 4o ein vorbestimmtes Niveau Übersteigt, wird das Ausgangssignal des Vergleichers 49 niedrig. Als Ergebnis werden auch die Spannungen an den

j.,.:;·:":..;; 324704

Ausgängen 13, U und 16 der UND-Gatter 82, 84 und 86 Dies bedeutet, daß die unteren Transistoren .3J₁ 34 # 3i des, richters ausgeschaltet werden? so daß digs HotorMeÄen 28> 29,- 3o von der negativen Klemme 25 der abgetrennt werden. Diese Abtrennung

gieichstromschutz für den Inverter«

Das Ausgangesignal von dem spannungsgesteuerten Qs/giilat^r.

wird einem Zeitgeber 51, vorzugsweise einem Zeitgeber der Standardtype 555 und einem faller S© wird. Der Teiler 5o ist vorzugsweise ein Zahler, der eine Impulskette von einer Frequenz _t die der Frequenz des Eingangssignals, geteilt dureh eine ausgewählte Konstante ist, liefert, Der Zeitgeber 51 liefest ein© Impuls« kette, deren Frequenz gleich der Frequenz des vom spannungsgesteuerten Oszillator 47 ist. Die wird von dem Ausgangesianal vom zweiten Regler 48 gesteuert Diese Impulskette wird den UND-Gattern 81, 83 und §§ Die impulskette vom Teiler 5o wird als Taktsignal dem Ring· zähler 52 aufgegeben. Im Ringzähler 52 wenden eine 1 und O's gespeichert. Die 1 wird von der Impulskette v©m Ausgang §3 über 58 und zurück zu 53 untergeschoben- Di©s mashfc sin© Periode der Grundfrequenz des dem Motor 23 sug§£tih£ten Stsemes aus. Die Signale an den Ausgängen 53-58 des Ringalhlers 52 werden von ODER-Gattern 59, 6o und 61 entsßhlüsselt» Das Ausgangssignal eines jeden solchen Gatters ist haifegeitif h©sh und halbzeitig niedrig. Ein Logik-'Signal-Inves'ter 62 und NAND-Gatter 63-68 sind vorgesehen, um die Drehriehtung des Motors 23 zu bestimmen. Die Ausgangssignal© der aatter 19, §© und 61 werden UND-Gattern 81-86 zum Steuern der Betätigung der Schalttransistoren 31-36 dem Wechselrichter zugeführt* Die Eingänge der Gatter 82, 84 und 86 sind mit^: fcögiksicrnal·» ■.

Invertern 71 bzw. 7o bzw» 69 versehen»

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Da die Impulsbereite des impulsliefernden Zeitgebers 51 Unabhängig von der Frequenz konstant bleibt, wenn das Signal vom Regler 48 konstant ist, wird der Mittelwert über eine halbe Periode der Grundfrequenz der an irgendeine der Motorklemmen angelegten Spannung sich gleichzeitig mit der Frequenz ändern, wie dies von den grandlegenden elektromagnetischen Gesetzen gefordert wird. Eine zusätzliche Steuerung der Mittelwertspannung wird durch Änderung der Impulsbreite erhalten, die von dem Regler 48 gesteuert wird.

Wie vorstehend erwähnt, ist die Gefahr einer überhitzung der Werkzeugmaschine gemäß der Erfindung beträchtlich vermindert als Folge der Frequenzeinstellung. Trotzdem besteht noch eine gewisse Gefahr, daS die Temperatur des Motors auf einen unan-. nehmbaren Wert steigen würde, wenn die Werkzeugmaschine häufig überlastet wird. Um den Motor gegenüber einem Durchbrennen zu schützen, können ein oder mehrere Wärmefühlers an den Motorwicklungen angebracht und derart ausgebildet sein, daß sie ein Signal beim Erreichen einer vorbestimmten Temperatur liefern. Dieses Signal wird vorzugsweise dazu verwendet, unmittelbar eine Unterbrechung der Energiezufuhr und/oder ein optisches Signal zur Anzeige der überhitzung zu bewirken.

Leerseite

Claims

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Paten-f-ansprüc he

Verfahren sum Speisen einer handgeführten Werkzeugmaschine mit einem kollektorlosen Elektromotor, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

- Speisen des Motors mit einer Wechselspannung,

- fortgesetztes Abtasten der Motordrehzahl und der vom

Werkstück hervorgerufenen Motorbelastung und ':■

- fortgesetztes Einstellen der Amplitude und der Frequenz der Wechselspannung in Abhängigkeit vo.ro jeweils erfaßten augenblicklichen Betriebszustand.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet , daß die Werkzeugmaschine von einer Umrichtereinrichtung gespeist wird und die Amplitude der durchschnittlichen aleichgerichteten Spannung der Umrichtereinrichtung mindestens um den doppelten Betrag angehoben wird, um welchen die Motorbelastung vom Leerlaub bis zum Maximalwert ansteigt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h "gekennzeichnet , daß die Amplitude der durchschnittlichen gleichgerichteten Spannung der Umrichtereinrichtung auf mindestens 2o % über den Normalwert für die maximale Motorausgangsleitstung angehoben wird, wenn die maximale Motorbelastung erreicht wird.
4« Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß bei Spitzenbelastung des Motors die Spannungsfrequenz selbsttätig der abnehmenden Motordrehzahl zur Aufrechterhaltung eines maximalen Ausgangs-

drehmoments des Motors angepaßt wird.
5. Energieversorgungseinrichtung zum Zuführen elektrischer Energie zu einer handgeführten Werkzeugmaschine, die mit einem kollektorlosen Elektromotor ausgerüstet ist, gekennzeichnet durch einen Spannunnrgurnrichter mit veränderlicher Ausgabe, Mittel zum Abtasten der augenblicklichen Belastung und Drehzahl des Motors sowie Steuermitteln zum augenblicklichen Einstellen der Ausgangsparameter des Umrichters in einem vorbestimmten Verhältnis zu der abgetasteten Belastung.
6. Energieversorgungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Mittel zum Abtasten der Motorbelaötung auf den Motorstrom ansprechende Signalerzeugungsmittex (17, 18, 4o) umfassen, die an die Gleichstromversorgung (24, 25) angeschlossen sind.
7. Energieversorgungseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß zum Anheben der Spannungsamplitude ein Impulsbreitenmodulator (51) vorgesehen ist, der mit seinem Eingang an einen mit den auf den Motorstrom ansprechenden Hignalerzeugungsmitteln (17, 18, 4o) verbundenen Regler (48) und mit seinem Ausgang an die elektronischen Schalteinrichtungen (31-36) des Umrichters anaeschlossen sind.
8. Energieversorgungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß der Umrichter nit e'er Werkzeugmaschine eine Einheit bildet.