NL1027838C2 - Regelschakeling voor een elektromotor met elektronische remschakelaar. - Google Patents

Description

» <

Regelschakeling voor een elektromotor met elektronische remschakelaar.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een regelschakeling voor het regelen van het vanuit een gelijkspanningsbron aan een elektromotor toegevoerde vermogen.

5

Een dergelijke regelschakeling is algemeen bekend bij elektrische toestellen zoals elektrisch handgereedschap.

Wanneer de aandrijvende motor van een dergelijk toestel wordt uitgeschakeld, is het 10 van belang dat het toestel zo snel mogelijk stopt. Dit houdt verband met de veiligheid, in het bijzonder bij als gevaarlijk bekend staande gereedschappen, zoals cirkelzaagmachines en haakse slijpers, maar tevens met de wens bij het uitschakelen de door het gereedschap uitgevoerde bewerking zoals zagen of boren snel te stoppen.

15 Het stoppen kan worden bereikt door het - na het uitschakelen van de elektromotor -kortsluiten van de elektromotor. De elektromotor werkt dan als generator en zet de kinetische energie van de rotor van de elektromotor en de roterende delen van het hiermee gekoppelde werktuig om in elektrische energie. Deze elektrische energie wordt dan gedissipeerd in de Ohmse weerstand van de wikkelingen van de elektromotor.

20

Hiertoe is uit de stand van de techniek een dergelijke regelschakeling voor het regelen van het vanuit een gelijkspanningsbron aan een elektromotor toegevoerde vermogen bekend, die een met de motor in serie geschakeld schakelelement en een parallel aan de elektromotor geschakelde kortsluitschakelaar voor het door kortsluiting remmen van de 25 elektromotor omvat.

Een dergelijke schakeling vervult zijn functie goed. Wanneer als schakelelement een mechanische schakelaar wordt toegepast kan deze tegen een lage kostprijs wórden vervaardigd omdat de kortsluitschakelaar kan worden geïmplementeerd als een extra 30 contact van dit schakelelement. Hiermee wordt automatisch voldaan aan de eis dat de kortsluitschakelaar alleen kan worden ingeschakeld als het schakelelement is uitgeschakeld. Een mechanische schakelaar vormt echter een kwetsbare component; het apparaat waarin de schakelaar is gemonteerd wordt vaak onderworpen aan trillingen en 1027838 2 stof, hetgeen de levensduur van de kortsluitschakelaar verkort, dan wel, bij een aanvaardbare levensduur, een kostbare schakelaar vereist.

Het doel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een dergelijke 5 schakeling, waarbij de componenten minder gevoelig zijn voor stof en trillingen en waarvan de kostprijs, ook bij een lange levensduur, lager ligt.

Dit doel wordt bereikt door een dergelijke schakeling waarbij de kortsluitschakelaar door een halfgeleider wordt gevormd, de regelschakeling een besturingsschakeling voor 10 het besturen van de kortsluitschakelaar en een met de besturingsschakeling verbonden detector voor het detecteren van de toestand van het schakelelement omvat.

Halfgeleiders zijn aanzienlijk minder gevoelig voor trillingen en vervuiling. Bovendien zijn zij zo klein dat zij gemakkelijk kunnen worden geplaatst op de drager waarop de 15 overige componenten van de regelschakeling zijn aangebracht, zodat de montage van de kortsluitschakelaar nauwelijks extra handelingen met zich meebrengt.

Volgens een eerste voorkeursuitvoeringsvorm is de regelschakeling ingericht voor het geleidelijk vergroten van de geleidbaarheid van de van de kortsluitschakelaar nadat het 20 schakelelement is geopend. Deze uitvoeringsvorm maakt gebruik van de eigenschap dat de halfgeleider ook gedeeltelijk geopend kan zijn. De gedeeltelijke geleidbaarheid van de halfgeleiderschakelaar maakt het remproces beter beheersbaar, waardoor mechanische schokken bij het uitschakelen van het gereedschap worden voorkomen, hetgeen in het bijzonder bij los in de hand gehouden gereedschappen van belang is.

25 Onder gedeeltelijke geleidbaarheid van de halfgeleiderschakelaar wordt niet alleen een continue Ohmse weerstand verstaan, maar, in afhankelijkheid van het type halfgeleider, tevens het snel tussen de volledig geleidende en de volledig sperrende toestand schakelen van de halfgeleider. 1 1027838

Om kortsluiting van de gelijkspanningsbron te voorkomen mogen de kortsluitschakelaar en het schakelelement niet tegelijkertijd geopend zijn. Wanneer een mechanische schakelaar als schakelelement'wordt toegepast, moet de besturingschakeling van de kortsluitschakelaar moet dan ook ‘weten’ dat deze mechanische schakelaar geopend is. Hiertoe verschaft een andere voorkeursuitvoeringsvorm de maatregel dat de 3 mechanische schakelaar van een detector is voorzien voor het detecteren van de geopende toestand van de mechanische schakelaar.

Wanneer het schakelelement een halfgeleider omvat, omvat de regelschakeling een 5 besturingschakeling voor deze halfgeleider. Deze besturingschakeling kan tevens worden gebruikt voor het besturen van de als kortsluitschakelaar fungerende halfgeleider.

Hierbij wordt opgemerkt dat de als schakelelement fungerende halfgeleider als enkel 10 schakelelement kan zijn toegepast, maar tevens in serie met een mechanische schakelaar.

In het eerste geval is de detector bij voorkeur ingericht voor het detecteren van de positie van de mechanische schakelaar; in het tweede geval is deze niet aanwezig, zodat 15 de besturingsschakeling bij voorkeur van een detector is voorzien voor het detecteren van de toestand van de als schakelelement fungerende halfgeleider. Deze detectorfunctie wordt bij voorkeur geïmplementeerd doordat de mechanische schakelaar bedienbaar is door een met de hand bedienbaar regelelement dat verbonden is met een loper van een op een drager in de schakelaar geplaatste potentiometer en dat de detector 20 een op de drager geplaatst hulpcontact omvat. Hiervoor behoeven nauwelijks extra maatregelen te worden getroffen.

Wanneer de besturingsschakeling wordt gebruikt voor de besturing van de kortsluitschakelaar is de mechanische schakelaar geopend, zodat de regelschakeling niet 25 door de batterij kan worden gevoed. Volgens een voorkeursuitvoeringsvorm is de besturingsschakeling gekoppeld met een opslagreservoir voor elektrische energie. Hiermee kan de besturingsschakeling worden gevoed wanneer de mechanische schakelaar is geopend. Het energiereservoir wordt bijvoorbeeld gevormd door een condensator of een batterij.

30

Het is echter eveneens mogelijk dat de besturingsschakeling is ingericht om bij geopende mechanische schakelaar gevoed te worden door de elektromotor. De elektromotor fungeert hierbij als energiebron. Het is dan wel van belang er zorg voor te 1027838 4 dragen dat de regelschakeling geschikt is voor het als voedingsspanning verwerken van de sterk variabele, door de motor opwekte spanning.

Als halfgeleiderelement wordt bij voorkeur gebruik gemaakt van een MOSFET. Dit is 5 een halfgeleiderelement dat een polariteit kent. Wanneer een dergelijk, een polariteit kennend halfgeleiderelement wordt toegepast, heeft het de voorkeur dat de polariteit van beide elementen tegengesteld is. Voor de aansturing van de elementen is een gate-spanning nodig die gerefereerd is ten opzichte van de spanning op de source. Uitgaande van een MOSFET die tussen de elektromotor en de negatieve aansluiting van de batterij 10 is geschakeld, is - tijdens bedrijf - de source met de negatieve aansluiting van de batterij verbonden en vindt de besturing plaats met een positieve spanning. Tijdens het remmen is de verbinding tussen de motor en de negatieve aansluiting van de batterij verbroken, maar is de motor nog wel met de positieve aansluiting van de batterij verbonden. Voor het besturen van het als kortsluitschakelaar fungerende element is - zonder verdere 15 maatregelen - alleen een spanning beschikbaar die lager is dan de positieve batterij spanning. Om deze spanning als stuurspanning te kunnen gebruiken is een FET noodzakelijk met een polariteit die tegengesteld is aan die van de als besturingselement fungerende FET.

20 De uitvinding betreft tevens een apparaat waarin de regelschakeling volgens de uitvinding is toegepast, te weten een voor voeding door een batterij ingericht elektrisch toestel dat voorzien is van een regelschakeling volgens een van de voorafgaande conclusies.

25 Vervolgens zal de onderhavige uitvinding worden toegelicht aan de hand van de bijgaande figuren, waarin tonen:

Figuur 1: een schema van een eerste schakeling volgens de uitvinding;

Figuur 2: een schema van een tweede schakeling volgens de uitvinding; en Figuur 3: een schematisch perspectivische afbeelding van een mechanische uitvoering 30 van een besturingsschakeling volgens de uitvinding.

Zoals in figuur 1 is weergegeven omvat de schakeling een oplaadbare batterij of accu 1, een elektromotor 2 en een tussen de negatieve aansluiting van de batterij 1 en de motor 2 geschakelde mechanische schakelaar 3. Een dergelijke schakeling is opgenomen in 102 7838 * t 5 bijvoorbeeld een elektrisch handgereedschap zoals een cirkelzaagmachine, waarbij de motor is ingericht voor het aandrijven van het zaagblad van de cirkelzaagmachine. Dit betreft een type machine waarbij toerenregeling minder van belang is. Tot zover komt de schakeling overeen met algemeen bekende schakelingen voor het schakelen van het 5 vermogen van de motor 2.

De uitvinding betreft in het bijzonder een halfgeleider- kortsluitelement dat in het betreffende voorbeeld door een FET 6 wordt gevormd. Voor het besturen van de FET 6 is een besturingsschakeling 5 aangebracht, welke besturingsschakeling is verbonden 10 met een detector 9 die is ingericht voor het detecteren van de positie van de mechanische schakelaar 3.

De werking van deze schakeling is als volgt: De motor 2 van het elektrische toestel waarvan de afgebeelde schakeling deel uitmaakt, wordt ingeschakeld door het 15 inschakelen van de schakelaar 3. Hierbij wordt de stroomkring van de accu of batterij 1, de schakelaar 3 en de elektromotor 2 gesloten. Hierbij is het van belang dat de als kortsluitschakelaar fungerende halfgeleider 6 blijkt sperren om kortsluiting te voorkomen. Hiertoe geeft de detector 9 aan de besturingsschakeling 5 aan dat de schakelaar 3 is gesloten, waarmee het opensturen van de halfgeleider 6 wordt 20 verhinderd. De detector kan op diverse manieren zijn uitgevoerd, bijvoorbeeld als hulpcontact aan de schakelaar 3, als een Hall-element of als een optisch element.

Wanneer het zagen is beëindigd, wordt de schakelaar 3 geopend, waardoor de elektromotor 2 niet meer wordt gevoed. Deze motor zal - zonder verdere maatregelen -25 uitlopen. De besturingsschakeling 5 ontvangt van de detector 9 het signaal dat de schakelaar 3 geopend is, waarna de halfgeleider 6 wordt geopend. Hierdoor wordt de inmiddels niet meer gevoede motor 2 kortgesloten, zodat er een kortsluitstroom zal gaan vloeien die de motor afremt. De besturingschakeling 5 is bij voorkeur zodanig ingericht dat de waarde van de kortsluitstroom geleidelijk toeneemt om schokken van het toestel 30 en overmatige slijtage van het toestel, in het bijzonder van de elektromotor en de daarin geplaatste koolborstels te vermijden.

In het onderhavige uitvoeringsvoorbeeld is bij voorkeur een voorziening aangebracht voor het uitschakelen van de besturingsschakeling na het tot stilstand komen van de il 02 7838 6 elektromotor aangebracht om uitputting van de accu 1 te voorkomen. Dit kan op zich eveneens worden bereikt door de schakelaar 3 tussen de accu 1 en de aansluiting van de besturingsschakeling te plaatsen. Dan zijn echter wel voorzieningen noodzakelijk voor het voeden van de besturingsschakeling tijdens het remmen omdat de schakelaar de 5 voeding van de besturingsschakeling heeft onderbroken.

In figuur 2 is een tweede uitvoeringsvorm van een schakeling volgens de uitvinding getoond, die afwijkt van de schakeling in figuur 2 doordat een elektronisch schakelelement 4 is toegevoegd aan de schakelaar 3. Dit s elektronische schakelelement 10 3 biedt de mogelijkheid het aan de elektromotor toegevoegde vermogen continu te regelen. Dit is in het bijzonder van belang bij bepaalde soorten apparaten zoals boormachines of schroefmachines. Overigens is deze maatregel op zich al bekend.

Voor het besturen van dit elektronische element, zoals een MOSFET, is een besturingsschakeling noodzakelijk. Hiertoe kan gebruik worden gemaakt van de reeds 15 voor het regelen van kortsluitschakelaar reeds aanwezige besturingsschakeling 5. Dit heeft bovendien het voordeel dat deze besturingsschakeling 5 de beide halfgeleiders kan besturen opdat het tegelijkertijd geleiden van de beide halfgeleiders wordt voorkomen. Hierbij wordt de detector geacht te zijn opgenomen in de besturingsschakeling.

20 De schakelaar 3 is verplaatst naar de bij de beschrijving van de eerste figuur reeds als alternatief aangegeven locatie. Voor het voeden van de besturingsschakeling is dan ook een condensator 8 aanwezig. Deze condensator 8 wordt opgeladen wanneer de schakelaar 3 gesloten is. In plaats van een condensator kan een andere opslageenheid voor energie worden gebruikt zoals een kleine accu. Het overigens tevens mogelijk dat 25 de besturingsschakeling 5 tijdens het remproces wordt gevoed door de motor. Uiteraard moet hiertoe de besturingsschakeling zijn ingericht voor voeding door een sterk variabele, afnemende spanning.

Tenslotte wordt gewezen op het type halfgeleider dat als elektronisch schakelelement 30 kan worden toegepast. Het gebruik van MOSFET’s heeft het voordeel dat deze intrinsiek van een vrijloopdiode zijn voorzien, zodat deze niet als een extra component behoeft te worden toegevoegd. Bij de huidige stand van de techniek lijkt het interessant om MOSFETS van een tegengestelde polariteit toe te passen. Dit heeft immers voordelen met het spanningsniveau van de besturing zoals in de beschrijvingsinleiding 102 7838 * ( 7 is toegelicht. Het is echter zeer wel mogelijk dat latere ontwikkelingen leiden tot situaties waarin het nadeel van de toepassing van alleen met hulpmiddlen bereikbare spanningsniveau’s wordt teniet gedaan door voordelen van MOSFET’s van gelijke polariteit.

5

In figuur 3 is een deel van de mechanische elementen van de schakeling volgens de uitvinding weergegeven. Deze omvatten een schuifelement 10 dat glijdbaar is opgenomen tussen geleiders 11. Aan één einde omvat het schuifelement 11 een knop 12, waarmee het schuifelement aandrijfbaar is tegen de door een veer 13 opgewekte 10 kracht. Aan het ander einde van het schuifelement 10 is de mechanische schakelaar 3 geplaatst. Aan het schuifelement is een loper 14 bevestigd die glijdbaar is over een als potentiometer fungerende baan 15 die op een als drager fungerende plaat 16 is aangebracht. De tot nu beschreven delen van de mechanische elementen komen overeen met die volgens de stand van de techniek.

15

Voor de werking van de uitvinding, namelijk het toepassen van een als halfgeleider-schakelaar uitgevoerde kortsluitschakelaar 7, is het aantrekkelijk gebruik te maken van een detector, die nagaat of de mechanische schakelaar is geopend. Hierbij wordt gebruik gemaakt van een tweede aan het schuifelement 10 bevestigde loper 17, die 20 glijdbaar is over een tweede plaat 16A, waarop een geleider 18 is aangebracht, en wel zodanig dat pas wanneer het schuifelement 10 onder de werking van de veer 13 zo ver is terugbewogen dat het de mechanische schakelaar 3 heeft geopend, een contact wordt gemaakt tussen de loper 17 en de geleider 18. Hiermee is een detector verkregen voor de toestand van de mechanische schakelaar 3. Het zal duidelijk zijn dat deze 25 uitvoeringsvorm een alternatief vormt voor de uitvoeringsvorm in figuur 2, waarin op elektronische wijze wordt voorkomen dat de halfgeleiderschakelaars 4, 6 beide tegelijkertijd geleiden.

Het zal duidelijk zijn dat de weegegeven uitvoeringsvorm slechts ter toelichting van de 30 functionaliteit bedoeld is en dat er talloze mogelijkheden zijn deze functionaliteit op een andere wijze te bereiken, bijvoorbeeld dor een aanpassing aan de constructie van de schakelaar 3.

1027838 I , 8

Vervolgens zal de werking van de onderhavige schakeling worden toegelicht. Voor het laten werken van de machine waar de inrichting volgens de uitvinding deel van uitmaakt, wordt de knop 12 ingedrukt, waardoor het schuifelement 10 in longitudinale richting wordt verplaatst en de mechanische schakelaar wordt ingeschakeld. Hierbij zal 5 bovendien de loper 14 over de koolbaan 15 worden verschoven, waardoor de uitgangsspanning van de als potentiometer geschakelde loper 14 en baan 15 wordt aangepast. Deze overigens in de besturingsschakeling 5 opgenomen potentiometer dient als ingangssignaal voor de besturingsschakeling 5. Hiermee wordt de mate van geleiding van de FET 4 bepaald en daarmee het aan de elektromotor 2 toegevoerde 10 vermogen.

Wanneer de gebruiker de elektromotor 2 wil stoppen laat hij de knop 12 los, waardoor de veer 13 het schuifelement 10 weer naar zijn uitgangspositie zal doen bewegen. Hierdoor wordt de schakelaar 3 geopend, waardoor geen vermogen meer aan de 15 elektromotor 2 zal worden toegevoerd. Bovendien maakt de loper 17 contact met de geleiderbaan 18, waardoor de remfunctie van de besturingsschakeling 3 wordt geactiveerd. Het openen van de schakelaar 3 heeft tot gevolg dat de besturingsschakeling 3 van voeding door de batterij 1 is verstoken. Hierbij wordt gebruik gemaakt van voeding door de condensator 8.

20

Hierdoor wordt de als kortsluitschakelaar fungerende halfgeleiderschakeling 6 geopend, waardoor de door de elektromotor 2 als generator zal werken en de kinetische energie van de elektromotor 2 en het daarmee verbonden werktuig zal worden omgezet in elektrische energie. Deze elektrische energie wordt gedissipeerd in de Ohmse weerstand 25 van de elektromotor. Hierbij kan de mate van afremming van de elektromotor 2 worden geregeld door de mate van geleiding van de halfgeleiderschakelaar 6 te besturen.

Overigens kan de vrijkomende energie worden gedissipeerd in een uitwendige weerstand die bijvoorbeeld in serie is geschakeld met het als kortsluitschakelaar 30 fungerende halfgeleiderschakelaar 6. Het is eveneens mogelijk de vrijkomende energie te gebruiken voor de voeding van de besturingsschakeling 5.

1027838

Claims (10)

1. Regelschakeling voor het regelen van het vanuit een gelijkspanningsbron aan een elektromotor toegevoerde vermogen, waarbij de regelschakeling omvat: 5. een met de motor in serie geschakeld schakelelement; een parallel aan de elektromotor geschakelde kortsluitschakelaar voor het door kortsluiting remmen van de elektromotor, met het kenmerk, dat de kortsluitschakelaar door een halfgeleider wordt gevormd, dat de regelschakeling een besturingsschakeliiig voor het besturen van de kortsluitschakelaar en een met de besturingsschakeling 10 verbonden detector voor het detecteren van de toestand van het schakelelement omvat.

2. Regelschakeling volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de regelschakeling is ingericht voor het geleidelijk vergroten van de geleiding van de kortsluitschakelaar nadat het schakelelement is geopend. 15

3. Regelschakeling volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat het schakelelement een mechanische schakelaar omvat en dat de detector is ingericht voor het detecteren van de positie van de mechanische schakelaar.

4. Regelschakeling volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat het schakelelement een elektronisch schakelelement omvat en dat de regelschakeling een besturingsschakeling omvat die is ingericht voor het besturen van het elektronische schakelelement.

5. Regelschakeling volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat het schakelelement een serieschakeling van een mechanische schakelaar en een elektronisch schakelelement omvat.

6. Regelschakeling volgens conclusie 4 of 5, met het kenmerk, dat de 30 besturingsschakeling van een detector is voorzien voor het detecteren van de toestand van het elektronische schakelelement.

7. Regelschakeling volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de besturingsschakeling voor de voeding is verbonden met het verbindingspunt tussen de mechanische 1027838 ( t schakelaar en het elektronische schakelelement en dat de besturingsschakeling is gekoppeld met een opslagreservoir voor elektrische energie.

8. Regelschakeling volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de besturingsschakeling 5 voor de voeding is verbonden met het verbindingspunt tussen de mechanische schakelaar en het elektronische schakelelement en dat de besturingsschakeling is ingericht om bij geopend schakelelement gevoed te worden door de elektromotor.

9. Regelschakeling volgens een van de conclusies 4-8, met het kenmerk, dat de 10 halfgeleiderelementen een polariteit kennen en dat de polariteit van het schakelelement tegengesteld is aan die van de als kortsluitschakelaar fungerende halfgeleider.

10. Voor voeding door een batterij ingericht elektrisch toestel, zoals een elektrisch handgereedschap, omvattende een regelschakeling volgens een van de voorafgaande 15 conclusies. 1027838