WO2012119670A1 - Elektrischer antrieb - Google Patents

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WO2012119670A1
WO2012119670A1 PCT/EP2011/071388 EP2011071388W WO2012119670A1 WO 2012119670 A1 WO2012119670 A1 WO 2012119670A1 EP 2011071388 W EP2011071388 W EP 2011071388W WO 2012119670 A1 WO2012119670 A1 WO 2012119670A1
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WO
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coil
electric drive
arrangement
coil arrangement
energized
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PCT/EP2011/071388
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English (en)
French (fr)
Inventor
Lothar Dietl
Original Assignee
C. & E. Fein Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/30—Direct torque control [DTC] or field acceleration method [FAM]
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/005—Arrangements for controlling doubly fed motors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/16—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the circuit arrangement or by the kind of wiring
    • H02P25/18—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the circuit arrangement or by the kind of wiring with arrangements for switching the windings, e.g. with mechanical switches or relays
    • H—ELECTRICITY
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    • H02P25/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/16—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the circuit arrangement or by the kind of wiring
    • H02P25/22—Multiple windings; Windings for more than three phases

Definitions

  • the invention relates to an electric drive, in particular for a power tool, having a rotor, a fixed stator and a first coil arrangement which is adapted to drive the rotor by means of a first rotary field, and having a first motor control arrangement which is adapted thereto in that the electrical drive has a second coil arrangement for generating a second rotary field, which is assigned to the first coil arrangement and is magnetically coupled to the first coil arrangement.
  • the invention further relates to a method for driving an electric drive, in particular for a power tool, wherein the electric drive has a rotor and a fixed stator, wherein a first coil arrangement for generating a first rotating field is supplied by a motor controller with electric current, wherein by means of a second coil arrangement which is assigned to the first coil arrangement and at least partially magnetically coupled to the first coil arrangement, a second rotating field is generated.
  • Such a drive and such a method is known from DE 10 2007 040 725 AI.
  • This electric machine has a permanent magnetically excited rotor and a stator with a plurality of windings, which is operable on the one hand with a lower and on the other hand with a higher speed.
  • parts of the stator winding are turned off or switched between a series circuit and a parallel circuit of certain coil sections. By this switching is to be switched between a normal operation and a so-called field weakening operation with a higher speed range.
  • the present invention seeks to provide an improved electric drive, in which by simple means the output torque and / or the output speed can be changed.
  • the fixed assignment of the two coil assemblies to each other means that they are not moved relative to each other during operation of the electric drive.
  • those are Coil arrangements, for example, both the stator or both associated with the rotor.
  • the electric drive can thus be brought into different operating modes in which different strong and differently directed rotating fields can be generated by electrical switching by the two coil assemblies.
  • the rotating field can thus be brought into at least two states in which different speeds and different torques can be realized at substantially the same power output. As a result, it is thus possible to electronically change the rotational speed for the same phase voltage, that is to say the speed constant, and to emulate a transmission characteristic.
  • the driving of the second coil arrangement can thus cause a weakening or strengthening of the rotating field, depending on the polarity direction, whereby the speed and the output torque can be varied electronically.
  • the second coil arrangement can be energized such that the second rotating field is at least partially opposite to the first rotating field or the first and the second rotating field are at least rectified.
  • the first coil arrangement has a first plurality of coil strands and the second coil arrangement, a second plurality of coil strands, wherein at least one of the coil strands of the first coil arrangement is magnetically coupled to one of the coil strands in the second coil arrangement.
  • at least one of the coil strands of the first and one of the second coil arrangement are magnetically coupled together, whereby the rotating field of the second coil arrangement can weaken or strengthen the rotating field of the first coil arrangement.
  • EMF weakening electromotive force
  • the first and the second coil arrangement to an identical plurality of coil strands, which are each associated with each other and each magnetically coupled together.
  • each of the coil strands of the first coil arrangement is associated with a coil strand of the second coil arrangement, whereby the rotating field of each of the coil strands of the first coil arrangement can be weakened or amplified.
  • a symmetrical and uniform field weakening or field strengthening is possible.
  • a plurality of coil strands of the first coil arrangement and a plurality of coil strands of the second coil arrangement can be energized simultaneously.
  • At least one coil strand of the second coil assembly can be energized, which is associated with a non-energized coil strand of the first coil assembly.
  • the first coil arrangement can be supplied with current with a first plurality of phases and the second coil arrangement can be supplied with current with a second plurality of phases.
  • the coil arrangements can be energized in multiple phases, whereby a multi-phase AC machine can be realized.
  • first plurality of phases and the second plurality of phases are identical.
  • the first coil arrangement and the second coil arrangement can be controlled with identical controls.
  • the first plurality of phases is greater than the second plurality of phases.
  • the second coil arrangement can be controlled more easily and with fewer components.
  • the first and the second coil arrangement each have three coil strands, which are each connected in a star connection or a triangular circuit or are connected in a star and a delta connection.
  • first coil arrangement and the second coil arrangement are connected in a star connection or the first and the second coil arrangement are connected in a delta connection or the first coil arrangement tion in a star connection and the second coil arrangement connected in a delta connection or vice versa to generate corresponding rotating fields.
  • the drive is designed as an electronically modulatable DC machine or permanent-magnet-excited synchronous machine, wherein the first and the second coil arrangement can be differently energized in a plurality of commutation steps.
  • the electric drive can be electrically controlled or regulated in different modes without having to use additional mechanical elements or sliding contacts.
  • the second coil arrangement can be energized in at least one of the commutation steps in such a way that the second rotating field is directed counter to the first rotating field.
  • field weakening can be generated in individual ones of the commutation steps, as a result of which a plurality of different speed-torque characteristics can be realized.
  • the second coil arrangement can be energized in at least one of the commutation steps such that the second rotating field is rectified with the first rotating field.
  • the second coil arrangement in different commutation steps of one revolution of the rotor can both amplify and weaken the existing rotating field of the first coil arrangement, so that an elliptical rotating field is produced as the resulting rotating field.
  • a plurality of different speed-torque characteristics can be realized, whereby the electric drive is versatile.
  • the second coil arrangement can be energized by a second motor control arrangement and can be supplied with electric current.
  • the first coil arrangement is controlled by a first motor control arrangement and the second coil arrangement by a second motor control arrangement and supplied with electric current.
  • the two coil arrangements can be controlled or energized separately, resulting in a large number of independent control options.
  • first and the second coil arrangement can be energized by the same current.
  • the two motor control arrangements control the coil arrangements differently, with the motor control arrangements being supplied by the same current which is conducted through the two coil arrangements.
  • the power output of the electric machine remains the same at different drives, resulting in e.g. the ohmic losses remain essentially the same for the different types of control.
  • the two engine control systems are adapted to the engine with a first speed-torque curve and with a second speed-torque curve, which has a different slope from the first speed-torque curve to operate.
  • the relative load is here as the quotient of the speed difference between the idle speed n 0 and load speed n L on the one hand and training
  • the behavior of the drive can have the functionality of a switchable transmission. It may result in a geared relationship, such as a ratio factor or a reduction factor or a spread between the speeds or the torques of the first and second characteristics.
  • the rotational speed can increase by the factor by which the torque decreases.
  • the slope of the speed-torque characteristics is variable by the targeted field weakening or strengthening or by the resulting elliptical rotating field, so that the polarity reversal of the coil arrangements at individual Kommutleitersön another translation factor or a reduction factor or a spread between allows the speeds or torques.
  • coil strands of the first coil arrangement assigned to one another have a first number of turns Zi and the second coil arrangement has a second number of turns z 2 , wherein a summation field is produced when the current through the motor control arrangements when the corresponding rotary fields are rectified and a difference field is created when the respective spin fields are opposite.
  • the result is a total winding number m which is equal to the sum of the first number of turns mi and the second number of turns z 2 .
  • the coil strands thus behave like a single coil with m turns.
  • the factor f can be determined, which represents a measure of the "speed ratio" which can be effected with the respective configuration of the first coil section and the second coil section Way (ie, inversely proportional thereto), the resulting moment can be specified.
  • the output power P 2 n is greater, M is smaller
  • the Ohmic losses substantially unchanged so that the thermal design of the engine both states equally considered can. The suitability for continuous operation thus improves significantly.
  • the number of turns m 2 of the coil strand of the second coil arrangement, which is coupled to the coil strand of the first coil arrangement smaller than the number of turns mi of the first coil strand.
  • a translation into fast or slow for example at the transition from a first characteristic curve to a second characteristic curve can be effected.
  • the drive is supplied with an electrical tool, in particular a hand-held power tool with independent electrical energy, which can be coupled to a tool spindle for driving the tool.
  • the power tool may be a tool for screwing, drilling, sawing, cutting, grinding or polishing.
  • Such power tools are used for a variety of purposes, so that it is often desired to influence a driven movement of the tool, such as by varying the output torque and the output speed.
  • each gear stage is generally associated with a constant gear ratio f.
  • Such a characteristic can also be effected directly in the drive according to the present invention, so that such a transmission can be replaced or supplemented by an extended functionality.
  • a particular advantage of the invention is that the switching can take place under load.
  • the mechanical drive train is unchanged.
  • the position of the switching point can be freely selected.
  • switching usually takes place at standstill.
  • a switching element must be moved mechanically.
  • a switchable according to the invention electric tool can thus be particularly easy to set up, but cover a wide range of applications.
  • the engine control arrangements may be designed to detect an operating state variable or to evaluate an operating state variable supplied to it, in order to control the coil arrangements differently depending thereon. If it is found, for example, that a fall in rotational speed occurs due to a high relative load, then one of the coil arrangements could, for example, be activated in order to bring about a fundamentally higher output torque.
  • the coil arrangements can be controlled in such a way that an overdrive is achieved, for example in a screwdriver.
  • the performance of the power tool can increase overall, the power tool can be used more flexibly.
  • the motor control arrangements for driving the first and the second coil arrangement are coupled together such that the same current flows through both coil arrangements.
  • the motor control arrangements each have three parallel current paths, each with two controllable switches, between which taps for the respective phases of the coil arrangements are formed.
  • the two coil arrangements can be controlled separately in a simple manner, the power consumption being substantially constant, since the same current flows through the two coil arrangements.
  • the controllable switches are formed by semiconductor switching elements. This allows fast switching according to the commutation speed.
  • the power tool has a power supply unit for providing electrical energy, which is preferably coupled to a DC power source and more preferably to an accumulator.
  • the motor controller is coupled to a DC power source, the drive according to the invention can be particularly easily implemented with a very small number of additional required components.
  • a novel drive is provided with the invention, which is particularly suitable for a power tool and which can to a large extent emulate a "transmission functionality." In this case, a plurality of speed-torque combinations can be realized.
  • This replica of the transmission functionality is carried out at high efficiency and avoiding wear-promoting conditions of the drive, in particular with regard to the thermal load by ohmic losses.
  • the drive according to the invention can in principle also be used as an electrical machine, for example in a generator application.
  • FIG. 1 is a schematic view of a power tool with a drive according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of a drive according to the invention with an iron core and in each case two independent coil arrangements
  • Fig. 3 is a simplified circuit diagram of the drive with two independent
  • FIG. 5 six commutation steps of an electronically commutated
  • 6a-f show different variants of possible commutation sequences
  • FIG. 7 shows an idealized speed-torque characteristic curve for two different activation states
  • FIG. 8 shows a simplified schematic circuit diagram of a drive unit for driving two coil arrangements in star connection
  • FIG. 9 shows a simplified schematic circuit diagram of a drive unit for driving two coil arrangements in a triangular circuit
  • 10 shows a table for explaining possible switching states of the control unit from FIGS. 8 and 9 for actuating two coil arrangements of an electrical machine in normal operation;
  • Control unit of FIGS. 8 and 9 for driving two coil arrangements in the EMF attenuation mode for each of six different commutation steps.
  • FIG. 1 shows a simplified schematic representation of an electric power tool, which is denoted overall by 10.
  • the power tool 10 is shown as a tool for drilling or screwing. It is understood that it can also be, for example, a tool for impact drilling, impact screws, sawing, hammering, cutting, grinding or polishing.
  • the output movement may be linear, rotational, intermittent or oscillating.
  • the power tool 10 has a housing 12 with a grip area 14, on which an operator can grasp and operate the power tool 10.
  • a drive 16 which has a motor 18 and a motor controller 20.
  • the motor 18 serves to drive a motor shaft 22, which is coupled to a tool spindle 23 which cooperates with a tool 24 (shown only broken).
  • the tool 24 is fixed to the tool spindle 23 via a tool holder 26, such as a chuck.
  • the tool spindle 23 and the motor shaft 22 may be interposed between a clutch 28 or a transmission 30.
  • the transmission 30 may be designed as a gear transmission and have a constant ratio or more switchable gear ratios.
  • the clutch 28 may be formed as a slip clutch or as a clutch and serve for overload protection or separate the tool spindle 23 from the motor shaft 22 in the context of an idling functionality. Further, the clutch 28 may for example have a stop function, so be fixed relative to the housing 12 to allow a simple tool change or the like.
  • the motor 18 is preferably designed as a permanently excited electrically commutated electric motor, also referred to as EC motor.
  • the motor controller 20 cause the activation of the motor 18 for generating a rotating field.
  • the engine control unit 20 is connected to the motor 18 via electrical lines 32, 34, 36.
  • the motor controller 20 can also be coupled via supply lines 38, 40 to a power supply device 42, which is configured by way of example as an accumulator 44 in FIG. 1.
  • the accumulator 44 serves as a DC power source, the source voltage is converted by the motor controller 20 into a voltage which acts on the motor 18 via the electrical lines 32, 34, 36.
  • Each of the lines 32, 34, 36 can be assigned to approximately one phase U, V, W.
  • the power tool 10 may also be connected to a stationary voltage source, such as a line network.
  • a rectifier arrangement can be provided.
  • the motor controller 20 is furthermore coupled by way of example with sensors 46, 50, signal transmission takes place via sensor lines 48a, 48b or 52a, 52b.
  • the sensors 46, 50 may be designed to detect an operating state variable for describing an operating state of the power tool 10 and to transmit it to the motor control 20 or a control device provided therewith or coupled thereto.
  • the operating state variable to be detected can basically be a rotational speed or a torque, such as at the drive or the output, a switching state of a switch, a temperature, such as the transmission 30 or the accumulator 44, or a value, the one to the Lines 32, 34, 36 applied voltage or a current flowing through them.
  • the sensor 46 may be approximately configured to detect a switching state of the clutch 28.
  • the sensor 46 could be designed to detect a temperature at the clutch 28, for example as a wear indicator or load indicator.
  • the senor 50 may be provided to detect a switching state, such as a currently selected shift position, the transmission 30 or a temperature indicative of an instantaneous load.
  • an operating switch 54 is also provided, via which the operator can selectively activate or deactivate the power tool 10.
  • the operation switch 54 is also coupled to the engine controller 20.
  • a selector switch 56 is provided, which is coupled via selector switch lines 60a, 60b to the motor controller 20.
  • the selector switch 56 can reciprocate between a first position and a second position, as indicated by an arrow labeled 58 be switched.
  • the operator can switch the drive 16 of the power tool 10 approximately between a first state with a first speed-torque curve and a second state with a second speed-torque curve.
  • FIG. 2 an inventive drive is shown schematically.
  • the electric drive is indicated generally at 70 in FIG.
  • the electric drive 70 has a stator 72 and a rotor 74.
  • the stator 72 has an iron ring 76 with radial iron core sections 77, on each of which a coil 78 is arranged.
  • the stator 74 in this case has nine coils 78, which are supplied with electrical energy via electrical lines 80.
  • the lines 80 connect the coils 78 to three phases U, V, W. In the present case, three of the coils 78 are connected in parallel and form a coil strand, the resulting three coil strands being connected together in a star connection.
  • the coils 78 generate a magnetic rotating field which acts on the permanent magnet rotor 74 and drives it in a drive direction.
  • a rotating rotating field is generated, which drives the permanent magnetic rotor 74 accordingly.
  • an additional coil 82 is arranged on the radially oriented iron cores 77, which are interconnected by means of electrical lines 84 and can be supplied with electrical current by three phases U ', V, W.
  • the coils 78 and the auxiliary coils 82 are each magnetically coupled to each other via the iron core portions 77.
  • the auxiliary coils 82 generate a second rotating magnetic field which acts on the permanent magnet rotor 74.
  • the first rotating magnetic field generated by the coils 78 and the second rotating magnetic field generated by the auxiliary coils 82 are superimposed, so that depending on the direction the two rotating fields creates a sum field which is larger than the respective individual rotating fields or a difference field is created which is smaller than one of the rotating fields.
  • the additional coils 82 can cause a field weakening (EMF weakening) or a field strengthening, depending on the direction of their control.
  • the additional coils 82 are connected in this case as the coils 78 to three coil strands in a star connection and can be supplied via the phases LT, V, W so with electrical current that a rotating rotating field is formed.
  • the coils 78 each have a number of turns zi and the additional coils have a number of turns m 2 .
  • the number of turns z 2 is preferably smaller than the number of turns It is preferred if the ratio of the number of turns zi: z 2 is smaller than 1: 2. In a particular embodiment, the ratio is less than 1: 3 or less than 1: 4. In an alternative embodiment, the number of turns Zi, z 2 are identical.
  • Fig. 3 is a schematic circuit diagram of the electric drive 70 is shown.
  • the coil strands of the first coil assembly 86 are generally denoted here by Li, L 2 , L 3 and the coil strands of the second coil assembly 88 here generally with Li ', L 2 ', L 3 'are designated.
  • the coil strands Li, L 2 , L 3 are supplied via the phases U, V, W with electrical energy.
  • the coil strands Li, L 2 , L 3 are connected via lines 80 to a drive unit 90.
  • the coil strands of the second coil arrangement 88 are connected via the lines 80 and a second drive arrangement 92.
  • the drive arrangements 90, 92 independently supply the coil arrangements 86, 88 with electrical energy, so that independent rotary fields can be generated which superimpose additively or subtractively depending on the drive.
  • an electric drive 70 is provided by means of two coil arrangements 86, 88 and two drive arrangements 90, 92 which, depending on the activation causes a field weakening or a so-called weakening of the electromotive force (EMF weakening) or a field strengthening and thereby different rotational speeds can produce with different torques.
  • EMF weakening electromotive force
  • FIGS. 4a to 4h Various switching or excitation states or polarities of the coil strands Li to L3 and Li 'to L 3 ' are shown in FIGS. 4a to 4h.
  • the coil assemblies 86, 88 are identical to the coil assemblies 86, 88 shown in FIG. 3. Like elements are identified by like reference numerals, with only differences shown.
  • the coil arrangements 86, 88 are driven or energized via the phases U, V and U ', V such that the coil strands Li and Li' as well as L 2 and L 2 'generate rotary fields 94, 96 in the same direction, so that an increased sum field arises.
  • the coil assemblies 86, 88 are controlled via the phases V, W and V, W such that the coil strands L2, L 2 'and L 3 , L 3 ' each generate a rotating field 94, 96, the aligned in the same direction so that they add to the sum field.
  • FIG. 4c another driving state of the coil assemblies 86, 88 is shown, in which the rotating fields 94, 96, which are generated by the coil strands Li, Li 'and L 2 , L 2 ' add up to an increased sum field.
  • FIGS. 4 d to 4 f three different drive states of the coil arrangements 86, 88 are shown by way of example, in which the rotary fields 94, 96 are opposite one another, such that the rotary field 96 of the second Coil arrangement weakens the rotating field 94 of the first coil assembly. This creates a difference field.
  • the coil assemblies 86, 88 are driven such that the coil strands Li and L 2 generate the rotating field 94, wherein the second coil assembly 88 is driven such that the corresponding coil strands Li ', L 2 ' generate the rotating field 96, the the rotating field 94 is opposite.
  • the rotating field 96 can weaken the rotating field 94 and form the difference field.
  • FIGS. 4e and f show further switching states in which the rotary field 96 is opposite to the rotary field 94.
  • a driving state of the coil assemblies 86, 88 is shown by way of example, in which the coil assemblies 86, 88 are energized so that the coil strands Li and Li ', which are magnetically coupled together, are energized, and further that the coil strands L 2 'and L 3 are energized, which are not magnetically coupled to each other.
  • the rotating fields 94, 96 are only partially overlapped.
  • a further variant in the control of the coil arrangements 86, 88 can be realized, in which a resulting sum field is produced, the amount of which is less than the sum of the sum fields that arise in FIGS. 4a to 4c.
  • FIG. 4h another driving state of the coil assemblies 86, 88 is exemplified, in which the rotating fields 94, 96 of two magnetically coupled coil strands are opposite to each other.
  • the coil assemblies 86, 88 are energized such that the rotating field 94 of the coil strand Li is opposite to the rotating field 96 of the coil strand Li 'and that two more coil strands L 2 ', L 3 are energized, which are not magnetically coupled together.
  • further variants of the control of the coil arrangement 86, 88 can be provided. It is understood that the switching states shown in FIGS. 4d to 4h can also be realized in each case in the opposite polarity direction of the coil arrangements 86, 88.
  • FIG. 5 In Fig. 5, six commutation steps of a rotary electric machine are shown, e.g. the first coil assembly 86 is driven in operation via the phases U, V, W.
  • a system with the three phases U, V, W is shown here with three coil groups adapted to the number of poles or the number of phases.
  • the coil groups are each formed from two simultaneously driven coil strands Li, L 2 , L 3 .
  • the coil groups are energized consisting of the coil strands Li, L 2 or L 2 , L 3 or Li, L 3 .
  • These coil groups are also referred to as commutation groups.
  • the three possible commutation groups can each be energized in two current directions, one of the commutation groups with the respective current direction being referred to as a commutation step. There are thus six commutation steps in the system exemplified here.
  • the order in which the six commutation steps are performed determines a complete commutation sequence. Usually, first the three commutation groups are energized with a uniform current direction, the rotational direction of the rotor being determined by the sequence. These three commutation groups or commutation steps correspond to steps 1 to 3 from FIG. 5. In the same sequence, the commutation steps are then carried out with opposite current direction. These commutation steps correspond to steps 4 to 6 of FIG. 5. The sequence of the commutation steps thus described is generally referred to as the ground state.
  • the rotating field 94 is generated in rotating form to drive the permanent magnet rotor 74.
  • block commutation are according to the rotational position of the rotor 74 energizes certain of the coil groups to generate the rotating field 94 at certain angular positions of the stator 72 and drive the rotor 74 accordingly.
  • this block commutation as described above, in each case one coil or commutation group, ie two of the three coil strands Li, L 2 , L 3, is energized in such a way that the rotary field 94 rotates about the rotor 74 in order to drive it in a corresponding manner.
  • the coil assembly 88 is energized, so that in each of the commutation steps corresponding coil groups are driven, so that the two rotating fields 94, 96 depending on the current direction in the same direction or in opposite directions act or can be aligned, as shown in Fig. 4a-f.
  • different summation fields or difference fields can be generated in each individual of the commutation steps, as a result of which symmetrical or asymmetrical elliptical rotating fields can be generated.
  • different coil groups can also be activated or energized in a commutation step, as shown in FIGS. 4g and 4h.
  • FIGS. 6a to f Various commutation sequences of the electric drive 70 are shown in FIGS. 6a to f, in which both the coil arrangement 86 and the coil arrangement 88 are activated.
  • the rotating field 94 generated by the first coil assembly 86 and the rotating field 96 generated by the coil assembly 88 are schematically represented by arrows.
  • the polarity the corresponding rotating fields 94, 96 is indicated by the direction of the arrows, wherein the direction pointing upward represents the drive direction of the rotor 74 and the downward direction represents a rotating field counteracting the drive direction.
  • the individual of the six commutation steps of Fig. 6 are shown side by side and designated by corresponding numbers.
  • a respective attenuation factor f is determined, which was determined for a turn number ratio of the coil arrangements 86, 88 of 1: 3.
  • the attenuation factor can be determined with the formula: ⁇ ⁇ 2 Z 2
  • HAI is the number of commutation steps in which the first rotating field 94 is poled in the drive direction
  • H A 2 is the number of commutation steps in which the second rotating field 96 is poled in the drive direction
  • H B 2 is the number of commutation steps in which the second Spinning field is polarized against the drive direction.
  • Zi and z 2 are the numbers of turns of the first and second coil assemblies 86, 88.
  • FIG. 6 a shows a state of amplification of all of the commutation steps 1 to 6.
  • the rotating fields 94, 96 in each of the commutation steps 1-6 are poled in the drive direction, so that here at each of the commutation 1-6 a field gain, ie an increased sum field is generated, so that the rotor 74 with a reinforced symmetrical non-elliptical rotating field is driven.
  • a normal UmpolungsSh is shown in which at each of the commutation steps 1-6, the rotating field 96 is opposite to the rotating field 94.
  • This normal UmpolungsSullivan is achieved in that the second coil assembly 88 at each of the Kommut réelles vone in opposite ter direction to the first coil assembly 86 is poled.
  • a commutation sequence is shown, in which the rotating field 96 is poled only in the first and fourth of the commutation counter to the drive direction and is polarized in the remaining commutation steps 2, 3 and 5, 6 in the drive direction.
  • the rotating field 94 is weakened only in the first and fourth commutation step and strengthened in the remaining commutation steps.
  • a field weakening factor of f 1.2 arises.
  • a commutation sequence is shown in which the rotating field 94 is aligned in each of the commutation in the drive direction and the rotating field 96 of the coil assembly 88 is directed in steps 1, 2, 4 and 5 against the drive direction. In the remaining of the commutation steps, the rotating field 96 is directed in the drive direction.
  • asymmetric elliptical rotating fields are possible in which the first half-wave not is commuted equal to the second half-wave.
  • FIG. 6e a commutation sequence for an asymmetrical elliptical rotating field shown.
  • the rotary field 96 of the second coil arrangement 88 is polarized in the entire first half-wave, ie the commutation steps 1 to 3 counter to the drive direction, wherein the rotating field 96 is poled in the second half-wave, ie the commutation steps 4 to 6 in the direction of the drive direction.
  • the drive 70 according to the invention can be operated in different states , which is described with about a speed-torque characteristic 104 as well as a speed-torque characteristic 108. It is caused by the different torques at different speeds, a gearbox similar functionality.
  • Fig. 7 only the two characteristics 104, 108 are shown here as possible characteristics of the drive according to the invention, however, as described above, a plurality of characteristics with different slopes can be realized.
  • the first characteristic 104 is characterized by a holding torque 110 and an idle speed 112.
  • the characteristic curve 108 is characterized by the holding torque 114 and the idling speed 116. It is readily apparent that in the example chosen the idling speed 116 is approximately twice the idling speed 112.
  • the holding torque 114 corresponding to the characteristic curve 108, the half of the holding torque 110 of the characteristic 104.
  • the quotient of the holding torque 110 and the holding torque 114 is inversely proportional to the quotient of the idle speed 112 and the idle speed 116th
  • the intersection of the two characteristic curves 104, 108 is indicated by numeral 118. If at this point a switching between the two characteristics, this is completely imperceptible to the user. Starting from there you can then continue on either the characteristic 104 or 108 continue. Based on the fact that a variety of different attenuation factors and the associated different speed-torque characteristics with different slopes are feasible, and the idea that is switched at a respective intersection of two speed-torque characteristics, although a sectionally linear Realize gear ratio, however, the seemingly represents a continuous change of the transmission ratio by the large number of different gradients.
  • the transition from the characteristic 104 to the characteristic 106 may be e.g. be realized by switching off partial coils.
  • the resulting characteristic 106 can not be derived, such as into characteristic curve 108, while maintaining the inverse proportionality of the respective ratios of idle speed and holding torque.
  • An operation approximately according to the characteristic curve 106 can in principle be realized by, for example, only one of the coil arrangements 86, 88 being driven.
  • Fig. 8 is a circuit diagram of a control unit for driving the first coil assembly 86 and the second coil assembly 88 is shown schematically.
  • the control unit is indicated generally at 120 in FIG.
  • the coil assemblies 86, 88 are shown in Fig. 8 schematically connected in a star connection and are three-phase supplied by the control unit 120 with electrical energy.
  • the control unit 120 has a voltage source 121, which in this case is designed as a battery or rechargeable battery.
  • the control unit 120 further has a first drive arrangement 122 for driving the first coil arrangement 86 and also a second activation arrangement 124 for actuating the second coil arrangement 88.
  • the first and second coil assemblies 122, 124 are identically constructed and connected in series between voltage terminals of the electric power supply 120.
  • the control arrangements 122, 124 each have three parallel current paths 128, 130, 132, which are connected in parallel to one another and each have two controllable switches 134. Between the controllable switches 134, a tap 136 is formed in each case, which is connected in accordance with the lines 80, 84 and one of the phases U, V, W, U ', V, W form.
  • the three parallel current paths 128, 130, 132 are each electrically connected at their ends.
  • Two of the coil strands Li, L 2 , L 3 can be energized by opening two of the controllable switches 134 of one of the control circuits in different current paths 128, 130, 132, so that by switching over the controllable switches 134, each of the previously mentioned Bestromungszumen or commutation states can be realized. If two controllable switches in the same current path 128, 130, 132 are closed, the corresponding coil arrangement 86, 88 is not energized and thus does not generate a rotating field 94, 96.
  • a commutation sequence of the second coil arrangement 88 which are magnetically coupled to one another via the iron core sections 77, can be superimposed on the ground state of the first coil arrangement 86.
  • the second coil arrangement 88 is energized in the same sequence of commutation groups of the ground state in the opposite direction or polarity, which is in each case opposite to the ground state, a commutation sequence results which corresponds to a field weakening or EMF weakening.
  • the energization of the second coil arrangement 88 can be carried out arbitrarily. For each of the six commutation steps of the first coil arrangement 86, an arbitrary commutation step of the second coil arrangement 88 can be combined. Overall, six times six overall states are possible. However, not all provide a meaningful combination, but some may be used to generate further speed-torque characteristics of the overall coil system. By way of example, two commutation sequences are given below. In these sequences, alternately between the ground state and the EMF-weakened state of the switchable partial coil or the additional coils 82 is switched.
  • the first and second drive arrangement 90, 92 shown in FIG. 3 can each be formed by one of the control arrangements 122, 124, each having three current paths 128, 130, 132 and six controllable switches, and in each case one voltage source.
  • Fig. 9 an alternative circuit diagram of the coil assemblies 86, 88 of Fig. 8 is shown. The same elements are designated by the same reference numerals, with only the differences being shown here.
  • the coil assemblies 86a, 88a are connected as a triangular circuit.
  • the coil arrangements 86a, 88a are supplied identically as in FIG. 8 in a three-phase manner via the phases U, V, W, U ', V, W via the control unit 120.
  • one of the coil arrangements 86, 88 for example, the first may be connected in a star circuit 86 and, for example, the second may be connected in a delta circuit 88a or vice versa.
  • the second coil arrangement 88 may be designed such that the coil strands Li ', L 2 ', L3 'can be energized independently of one another and separately. As a result, further repositioning states are possible, as a result of which the number of possible attenuation factors can be further increased. It is further conceivable that the second coil arrangement 88 has only a single coil strand Li ', L2', L 3 ', which is assigned to a corresponding coil strand of the first coil arrangement 86. As a result, a simplified drive with field weakening can be provided, in which both the second coil arrangement 88 and the second control arrangement 124 are structurally less expensive.
  • FIG. 10 shows a table which, for six different commutation steps, shows switching states of the controllable switches 134 with the reference symbols from FIGS. 8 and 9 and is designated generally by 140.
  • the commutation steps generate rotary fields 94, 96 for normal operation. That is, in the switching states shown in Fig. 10, the rotating fields 94, 96 are basically directed in the same direction, so that the respective rotating fields 94, 96 reinforce a sum field.
  • the potentials at the terminals U A , V A , W A of the first coil system 86 and at the terminals U B , V B , W b of the second Coil system 88 with U or zero denotes a high and a low potential and X as undefined or floating potential.
  • the switching states are designated with one and for a closed switch with zero for an opened cut-off switch. Furthermore, the corresponding resulting voltage vector are given in polar form.
  • FIGS. 11a and 16b tables are shown which, for six different commutation steps, show switching states of the controllable switches 134 with the reference symbols from FIGS. 8 and 9 for a respective exemplary field weakening operation and are designated generally by 142 and 144, respectively.
  • Table 142 shows switching states of the rotating fields 94, 96 for a field weakening operation or EMF weakening operation, wherein the second coil arrangement is reversed in the steps 2, 4 and 6 with respect to the normal state or normal operation and thus a weakening operation or an EMF weakening generated.
  • Table 144 shows further switching states for an alternative attenuation mode.
  • the second coil arrangement 80 is reversed in the steps 4, 5 and 6 compared to the normal operation, so that a corresponding field weakening operation is set.
  • this field weakening operation creates an asymmetric elliptical rotating field.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Antrieb (70), insbesondere für ein Elektrowerkzeug, mit einem Rotor, einem Stator und einer ersten Spulenanordnung, die dazu ausgebildet ist, den Rotor mittels eines ersten Drehfeldes anzutreiben, und mit einer ersten Motorsteuerungsanordnung (90), die dazu ausgebildet ist die erste Spulenanordnung (86) zur Erzeugung eines ersten Drehfeldes mit elektrischem Strom zu versorgen. Der Stator weist eine zweite Spulenanordnung (88) zur Erzeugung eines zweiten Drehfeldes auf. Die zweite Spulenanordnung (88) ist separat von der ersten Spulenanordnung (86) ansteuerbar und derart bestrombar und die zweite Spulenanordnung (88) beliebiger Kommutierungsfolge anzusteuern.

Description

Elektrischer Antrieb
[0001] Die Erfindung betrifft einen elektrischen Antrieb, insbesondere für ein Elektrowerkzeug, mit einem Rotor, einem feststehenden Stator und einer ersten Spulenanordnung, die dazu ausgebildet ist, den Rotor mittels eines ersten Drehfeldes anzutreiben, und mit einer ersten Motorsteuerungsanordnung, die dazu ausgebildet ist, die erste Spulenanordnung zur Erzeugung eines ersten Drehfeldes mit elektrischem Strom zu versorgen, wobei der elektrische Antrieb eine zweite Spulenanordnung zur Erzeugung eines zweiten Drehfeldes aufweist, die der ersten Spulenanordnung fest zugeordnet und mit der ersten Spulenanordnung magnetisch gekoppelt ist. [0002] Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Ansteuern eines elektrischen Antriebs, insbesondere für ein Elektrowerkzeug, wobei der elektrische Antrieb einen Rotor und einen feststehenden Stator aufweist, wobei eine erste Spulenanordnung zum Erzeugen eines ersten Drehfeldes durch eine Motorsteuerung mit elektrischem Strom versorgt wird, wobei mittels einer zweiten Spulenanordnung, die der ersten Spulenanordnung fest zugeordnet und mit der ersten Spulenanordnung wenigstens teilweise magnetisch gekoppelt ist, ein zweites Drehfeld erzeugt wird.
[0003] Ein derartiger Antrieb und ein derartiges Verfahren ist bekannt aus der DE 10 2007 040 725 AI. Diese elektrische Maschine weist einen permanent magnetisch erregten Rotor und einen Stator mit einer Mehrzahl von Wicklungen auf, der einerseits mit einer niedrigeren und andererseits mit einer höheren Drehzahl betreibbar ist. Dazu werden Teile der Statorwicklung abgeschaltet oder zwischen einer Reihenschaltung und einer Parallelschaltung von bestimmten Spulenabschnitten umgeschaltet. Durch diese Umschaltung soll zwischen einem Normalbetrieb und einem sogenannten Feldschwächungsbetrieb mit einem höheren Drehzahlbereich umgeschaltet werden.
[0004] Mittels einer derartigen elektrischen Maschine können unterschiedliche Drehzahlbereiche realisiert werden. Nachteilig bei diesem elektrischen Antrieb ist es jedoch, dass durch die Umschaltung sich der Widerstand der Spulen ändert und dadurch die Stromstärke in den Wicklungen stark variiert. Dadurch vervielfachen sich die Ohmschen Verluste in den Wicklungen im Feldschwächungsbetrieb, wodurch der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine stark variiert. Ferner können derartige Betriebsmodi nicht dauerhaft genutzt werden, da der elektrische Antrieb durch die Ohmschen Verluste thermisch überlastet werden kann.
[0005] Es ist ferner bekannt, die Drehzahl eines elektrischen Antriebs insbesondere einer Drehfeldmaschine durch Variation der Versorgungsspannung zu steuern. Dabei wird die Drehzahl grundsätzlich über die Versorgungsspannung direkt beeinflusst. Das Drehmoment bei einer derartigen Regelung ist jedoch nicht entsprechend beeinflussbar.
[0006] Aus der DE 10 2006 036 986 AI ist ferner ein Elektromotor mit einer mechanischen Feldschwächungseinrichtung bekannt, bei der der Stator relativ zu dem Rotor in axialer Richtung verschoben wird, um den Einfluss der Permanentmagneten auf die Wicklungen zu reduzieren und so eine Feldschwächung zu erreichen.
[0007] Nachteilig dabei ist es, dass die Mechanik zur Relatiwerschiebung des Rotors und des Stators technisch aufwendig ist und nur sehr langsam umschaltbar ist.
[0008] Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten elektrischen Antrieb anzugeben, bei dem mit einfachen Mitteln das abgegebene Drehmoment und/oder die abgegebene Drehzahl veränderbar sind.
[0009] Diese Aufgabe wird bei dem elektrischen Antrieb der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die zweite Spulenanordnung separat von der ersten Spulenanordnung ansteuerbar und bestrombar ist, um die zweite Spulenanordnung in beliebiger Kommutierungsfolge anzusteuern.
[0010] Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die zweite Spulenanordnung separat von der ersten Spulenanordnung angesteuert und bestromt wird.
[0011] Im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet die feste Zuordnung der beiden Spulenanordnungen zueinander, dass sie im Betrieb des elektrischen Antriebs nicht relativ zueinander bewegt werden. Mit anderen Worten sind die Spulenanordnungen beispielsweise beide dem Stator oder beide dem Rotor zugeordnet.
[0012] Der elektrische Antrieb kann somit in unterschiedliche Betriebsmodi gebracht werden, bei denen durch die beiden Spulenanordnungen unterschiedlich starke und unterschiedlich gerichtete Drehfelder durch elektrische Umschaltung erzeugt werden können.
[0013] Das Drehfeld kann somit in wenigstens zwei Zustände gebracht werden, bei denen unterschiedliche Drehzahlen und unterschiedliche Drehmomente bei im Wesentlichen gleicher Leistungsabgabe realisiert werden können. Im Ergebnis lässt sich somit elektronisch die Drehzahl bei gleicher Strangspannung, also die Drehzahlkonstante ändern und eine Getriebecharakteristik nachbilden.
[0014] Das Ansteuern der zweiten Spulenanordnung kann somit je nach Polungsrichtung eine Schwächung oder Stärkung des Drehfeldes bewirken, wodurch die Drehzahl und das abgegebene Drehmoment elektronisch variiert werden kann.
[0015] Es ist besonders bevorzugt, wenn die zweite Spulenanordnung derart bestrombar ist, dass das zweite Drehfeld dem ersten Drehfeld wenigstens teilweise entgegengerichtet ist oder das erste und das zweite Drehfeld wenigstens gleichgerichtet sind.
[0016] Dadurch überlagern sich die jeweiligen magnetischen Flüsse, wodurch eine Feldschwächung oder eine Feldstärkung erzielt werden kann.
[0017] Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist die erste Spulenanordnung eine erste Mehrzahl von Spulensträngen auf und die zweite Spulenanordnung eine zweite Mehrzahl von Spulensträngen, wobei wenigstens einer der Spulenstränge der ersten Spulenanordnung mit einem der Spulenstränge in der zweiten Spulenanordnung magnetisch gekoppelt ist. [0018] Mit anderen Worten sind wenigstens einer der Spulenstränge der ersten und einer der zweiten Spulenanordnung magnetisch miteinander gekoppelt, wodurch das Drehfeld der zweiten Spulenanordnung das Drehfeld der ersten Spulenanordnung schwächen oder stärken kann. Dadurch kann mit einfachen Mitteln eine Feldschwächung bzw. eine Schwächung der elektromotorischen Kraft (EMK- Schwächung) oder eine Feldstärkung erzielt werden.
[0019] In einer Weiterbildung der Erfindung weist die erste und die zweite Spulenanordnung eine identische Mehrzahl von Spulensträngen auf, die jeweils einander zugeordnet sind und jeweils miteinander magnetisch gekoppelt sind.
[0020] Mit anderen Worten ist jedem der Spulenstränge der ersten Spulenanordnung ein Spulenstrang der zweiten Spulenanordnung zugeordnet, wodurch das Drehfeld eines jeden der Spulenstränge der ersten Spulenanordnung geschwächt oder verstärkt werden kann. Dadurch ist eine symmetrische und gleichmäßige Feldschwächung oder Feldstärkung möglich.
[0021] In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Mehrzahl von Spulensträngen der ersten Spulenanordnung und einer Mehrzahl von Spulensträngen der zweiten Spulenanordnung gleichzeitig bestrombar.
[0022] Dadurch kann ein Mehrphasendrehfeld zum Antreiben des elektrischen Antriebs erzeugt werden, wodurch ein effektiver Antrieb bereitgestellt werden kann.
[0023] Dabei ist es bevorzugt, wenn wenigstens ein Spulenstrang der zweiten Spulenanordnung bestrombar ist, der einem nicht bestromten Spulenstrang der ersten Spulenanordnung zugeordnet ist.
[0024] Dadurch können entsprechend resultierende Summenfelder bzw. Differenzfelder erzeugt werden, die lediglich eine geringe EMK-Schwächung bzw. eine geringe Feldschwächung aufweisen, wodurch weitere Ansteuerungsvarianten mit noch feiner abgestuften Kennlinienfeldern bereitgestellt werden können.
[0025] Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die erste Spulenanordnung mit einer ersten Mehrzahl von Phasen bestrombar ist und die zweite Spulenanordnung mit einer zweiten Mehrzahl von Phasen bestrombar ist.
[0026] Mit anderen Worten sind die Spulenanordnungen mehrphasig bestrombar, wodurch eine mehrphasige Wechselstrommaschine realisierbar ist.
[0027] Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die erste Mehrzahl von Phasen und die zweite Mehrzahl von Phasen identisch sind.
[0028] Dadurch können die erste Spulenanordnung und die zweite Spulenanordnung mit identischen Steuerungen angesteuert werden.
[0029] Weiterhin ist bevorzugt, wenn die erste Mehrzahl von Phasen größer ist als die zweite Mehrzahl von Phasen.
[0030] Dadurch kann die zweite Spulenanordnung einfacher und mit weniger Bauelementen angesteuert werden.
[0031] Gemäß einer Weiterbildung weisen die erste und die zweite Spulenanordnung jeweils drei Spulenstränge auf, die jeweils in einer Sternschaltung oder einer Dreiecksschaltung geschaltet sind oder in einer Stern- und einer Dreiecksschaltung geschaltet sind.
[0032] Mit anderen Worten ist die erste Spulenanordnung und die zweite Spulenanordnung in einer Sternschaltung geschaltet oder die erste und die zweite Spulenanordnung in einer Dreiecksschaltung geschaltet oder die erste Spulenanord- nung in einer Sternschaltung und die zweite Spulenanordnung in einer Dreiecksschaltung geschaltet oder umgekehrt, um entsprechende Drehfelder zu erzeugen.
[0033] Dadurch können unterschiedliche Feldschwächungen je nach Anwendung erzeugt werden.
[0034] Weiterhin ist es bevorzugt, wenn der Antrieb als elektronisch kom- mutierbare Gleichstrommaschine bzw. permanentmagneterregte Synchronmaschine ausgebildet ist, wobei die erste und die zweite Spulenanordnung in einer Mehrzahl von Kommutierungsschritten unterschiedlich bestrombar sind.
[0035] Dadurch kann der elektrische Antrieb in unterschiedlichen Modi elektrisch gesteuert bzw. geregelt werden, ohne dass zusätzliche mechanische Elemente oder Schleifkontakte verwendet werden müssen.
[0036] Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die zweite Spulenanordnung in wenigstens einem der Kommutierungsschritte derart bestrombar ist, dass das zweite Drehfeld dem ersten Drehfeld entgegengerichtet ist.
[0037] Dadurch kann in einzelnen der Kommutierungsschritte eine Feldschwächung erzeugt werden, wodurch eine Vielzahl von unterschiedlichen Drehzahl- Drehmomentkennlinien realisierbar sind.
[0038] Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die zweite Spulenanordnung in wenigstens einem der Kommutierungsschritte derart bestrombar ist, dass das zweite Drehfeld mit dem ersten Drehfeld gleichgerichtet ist.
[0039] Mit anderen Worten kann die zweite Spulenanordnung in unterschiedlichen Kommutierungsschritten einer Umdrehung des Rotors sowohl das vorhandene Drehfeld der ersten Spulenanordnung verstärken als auch schwächen, so dass ein elliptisches Drehfeld als resultierendes Drehfeld entsteht. [0040] Dadurch sind eine Vielzahl von unterschiedlichen Drehzahl- Drehmoment-Kennlinien realisierbar, wodurch der elektrische Antrieb vielseitig einsetzbar ist.
[0041] Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die zweite Spulenanordnung durch eine zweite Motorsteuerungsanordnung ansteuerbar und mit elektrischem Strom bestrombar ist.
[0042] Mit anderen Worten wird die erste Spulenanordnung durch eine erste Motorsteuerungsanordnung und die zweite Spulenanordnung durch eine zweite Motorsteuerungsanordnung angesteuert und mit elektrischem Strom versorgt. Dadurch sind die beiden Spulenanordnungen separat ansteuerbar bzw. bestrombar, wodurch eine Vielzahl von unabhängigen Ansteuerungsmöglichkeiten entstehen.
[0043] Es ist ferner bevorzugt, wenn die erste und die zweite Spulenanordnung durch denselben Strom bestrombar sind.
[0044] Mit anderen Worten steuern die beiden Motorsteuerungsanordnungen die Spulenanordnungen unterschiedlich an, wobei die Motorsteuerungsanordnungen durch denselben Strom versorgt werden, der durch die beiden Spulenanordnungen geleitet wird. Dadurch bleibt die Leistungsabgabe der elektrischen Maschine bei unterschiedlichen Ansteuerungen gleich, wodurch z.B. die Ohmschen Verluste bei den unterschiedlichen Ansteuerungsarten im Wesentlichen gleich bleiben.
[0045] Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind die beiden Motorsteuerungsanordnungen dazu ausgebildet, den Motor mit einer ersten Drehzahl- Drehmoment-Kennlinie und mit einer zweiten Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie, die eine von der ersten Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie verschiedene Steigung aufweist, zu betreiben. [0046] Die relative Belastung ist hierbei als der Quotient aus der Drehzahldifferenz zwischen Lehrlaufdrehzahl n0 und Lastdrehzahl nL einerseits und Lehrlauf
Figure imgf000011_0001
drehzahl n0 andererseits, also oder alternativ als der Quotient aus Lastmo- ment ML und (bei Sättigung oder Strombegrenzung aus der Kennliniensteigung
M,
errechneten) Haltemoment MH, also anzusehen.
Figure imgf000011_0002
[0047] Auf diese Weise kann das Verhalten des Antriebs die Funktionalität eines schaltbaren Getriebes aufweisen. Es kann dabei ein getriebemäßiger Zusammenhang, etwa ein Übersetzungsfaktor oder ein Untersetzungsfaktor bzw. eine Spreizung, zwischen den Drehzahlen bzw. den Drehmomenten der ersten und der zweiten Kennlinie ergeben.
[0048] Mit anderen Worten kann etwa beim Übergang von der ersten Kennlinie zur zweiten Kennlinie die Drehzahl um den Faktor steigen, um den das Drehmoment sinkt.
[0049] In einer Weiterbildung sind die jeweiligen Steigungen der Drehzahl- Drehmoment-Kennlinien in Abhängigkeit der Richtungen des ersten und des zweiten Drehfeldes und/oder der Reihenfolge der einzelnen Kommutierungsschritte einstellbar.
[0050] Mit anderen Worten wird durch die gezielte Feldschwächung oder Stärkung bzw. durch das entstehende elliptische Drehfeld die Steigung der Drehzahl- Drehmoment-Kennlinien veränderbar, so dass das Umpolen der Spulenanordnungen bei einzelnen Kommutierungsschritten einen anderen Übersetzungsfaktor oder einen Untersetzungsfaktor bzw. eine Spreizung zwischen den Drehzahlen bzw. den Drehmomenten ermöglicht. [0051] In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung weisen einander zugeordnete Spulenstränge der ersten Spulenanordnung eine erste Anzahl von Windungen Zi und der zweiten Spulenanordnung eine zweite Anzahl von Windungen z2 auf, wobei bei Bestromung durch die Motorsteuerungsanordnungen ein Summenfeld entsteht, wenn die entsprechenden Drehfelder gleichgerichtet sind und ein Differenzfeld entsteht, wenn die entsprechenden Drehfelder entgegengerichtet sind.
[0052] Auf diese Weise kann die Funktionalität eines Mehrganggetriebes realisiert werden.
[0053] Wenn der Spulenstrang der ersten Spulenanordnung und der Spulenstrang der zweiten Spulenanordnung gleich gepolt sind, ergibt sich eine Gesamt- windungszahl m, die gleich der Summe der ersten Anzahl Windungen mi und der zweiten Anzahl Windungen z2 ist. Die Spulenstränge verhalten sich folglich wie eine Einzelspule mit m Windungen.
[0054] Im entgegengesetzten Polungszustand der Spulenstränge oder Spulenanordnungen, also wenn das zweite Drehfeld dem ersten Drehfeld entgegenwirkt, wirkt der mit dem zweiten Spulenabschnitt gekoppelte Fluss dem im ersten Spulenabschnitt erzeugten Fluss entgegen. Die damit verbundenen Magnetfelder und induzierten Spannungen heben sich infolge zum Teil auf. Infolge verbleibt eine wirksame Anzahl Windungen z* die der Differenz der ersten Anzahl Windungen mi sowie der zweiten Anzahl Windungen z2 entspricht.
[0055] Aus dem Verhältnis der wirksamen Windungszahl z* und der Ge- samtwindungszahl z kann der Faktor f ermittelt werden, der ein Maß für die mit der jeweiligen Gestaltung des ersten Spulenabschnitts und des zweiten Spulenabschnitts bewirkbare„Übersetzung" der Drehzahl darstellt. In gleicher Weise (d.h. umgekehrt proportional dazu) kann das sich dabei ergebende Moment angegeben werden. [0056] Bei dieser Art Feldneutralisation bzw. Feldschwächung bleiben bei gleicher relativer Belastung sowohl die abgegebene Leistung P2 (n wird größer, M wird kleiner) als auch die Ohmschen Verluste im Wesentlichen unverändert, so dass die thermische Auslegung des Motors beide Zustände gleichermaßen berücksichtigen kann. Die Eignung zum Dauerbetrieb verbessert sich somit deutlich.
[0057] Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist die Anzahl der Windungen m2 des Spulenstrangs der zweiten Spulenanordnung, der gekoppelt ist mit dem Spulenstrang der ersten Spulenanordnung, kleiner als die Anzahl der Windungen mi des ersten Spulenstrangs. Auf diese Weise kann, abhängig von praktisch realisierbaren Windungszahlen, nahezu jedes beliebige Übersetzungsverhältnis realisiert werden. Hierbei kann einerseits eine Übersetzung in Schnelle oder Langsame, etwa bei Übergang von einer ersten Kennlinie zu einer zweiten Kennlinie bewirkt werden.
[0058] Dadurch dass durch die Vielzahl von unterschiedlichen Kombinationen während der unterschiedlichen Kommutierungsschritte eine Vielzahl von Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien mit unterschiedlichen Steigungen einstellbar sind, können entsprechend viele„Übersetzungsverhältnisse" bewirkt werden, so dass die Funktionalität eines Mehrganggetriebes einstellbar ist.
[0059] Besonders bevorzugt ist es, wenn der Antrieb bei einem Elektrowerk- zeug, insbesondere bei einem handgeführten Elektrowerkzeug mit unabhängiger elektrischer Energie versorgt, zur Anwendung kommt, das mit einer Werkzeugspindel zum Antrieb des Werkzeugs koppelbar ist.
[0060] Bei dem Elektrowerkzeug kann es sich um ein Werkzeug zum Schrauben, Bohren, Sägen, Schneiden, Schleifen oder Polieren handeln. [0061] Derartige Elektrowerkzeuge werden für verschiedenste Zwecke genutzt, so dass es häufig gewünscht ist, eine Abtriebsbewegung des Werkzeugs zu beeinflussen, etwa durch Variation des Abtriebsmoments bzw. der Abtriebsdrehzahl.
[0062] Solche Variationen können mit Hilfe mechanischer Getriebe bewerkstelligt werden, diese können eine Mehrzahl von Schaltstufen aufweisen, welche einerseits die Abtriebsdrehzahl bzw. das Abtriebsmoment, andererseits etwa auch eine Drehrichtung beeinflussen können. Dabei ist bei mechanischen Getrieben, insbesondere bei Zahnradgetrieben, jede Übersetzungsstufe im Allgemeinen eine konstante Übersetzung f zugeordnet.
[0063] Eine derartige Charakteristik kann gemäß der vorliegenden Erfindung auch direkt beim Antrieb bewirkt werden, so dass ein derartiges Getriebe ersetzt oder aber um eine erweiterte Funktionalität ergänzt werden kann.
[0064] Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Umschal- tung unter Last erfolgen kann. Der mechanische Antriebsstrang ist dabei unverändert. Die Lage des Umschaltpunktes kann frei gewählt werden. Dagegen muss bei einem mechanischen Getriebe eine Umschaltung in der Regel bei Stillstand erfolgen. Außerdem muss ein Umschaltelement mechanisch bewegt werden.
[0065] Ein erfindungsgemäß umschaltbares Elektro Werkzeug kann somit besonders leicht einfach aufgebaut sein, dabei jedoch ein breites Anwendungsspektrum abdecken.
[0066] Dabei können die Motorsteuerungsanordnungen dazu ausgebildet sein, eine Betriebszustandsgröße zu erfassen oder eine ihr zugeführte Betriebszu- standsgröße auszuwerten, um abhängig davon die Spulenanordnungen unterschiedlich anzusteuern. [0067] Wird etwa festgestellt, dass aufgrund einer hohen relativen Belastung ein Drehzahleinbruch erfolgt, so könnte beispielsweise eine der Spulenanordnungen angesteuert werden, um ein grundsätzlich höheres Abtriebsmoment zu bewirken.
[0068] Wird dagegen etwa festgestellt, dass nur eine geringe relative Belastung anliegt, so können die Spulenanordnungen so angesteuert werden, dass etwa bei einem Schrauber ein Schnellgang realisiert wird.
[0069] Somit kann die Leistungsfähigkeit des Elektrowerkzeugs insgesamt steigen, das Elektrowerkzeug kann flexibler verwendet werden.
[0070] Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung sind die Motorsteuerungsanordnungen zum Ansteuern der ersten und der zweiten Spulenanordnung derart miteinander gekoppelt, dass derselbe Strom durch beide Spulenanordnungen fließt. Dabei weisen die Motorsteuerungsanordnungen jeweils drei parallele Strompfade mit jeweils zwei steuerbaren Schaltern auf, zwischen denen Abgriffe für die jeweiligen Phasen der Spulenanordnungen gebildet sind. Dadurch lassen sich in einfacher Weise die beiden Spulenanordnungen separat ansteuern, wobei die Leistungsaufnahme im Wesentlichen konstant ist, da derselbe Strom durch die beiden Spulenanordnungen fließt. In einer besonderen Ausführungsform sind die steuerbaren Schalter durch Halbleiterschaltelemente gebildet. Dadurch ist ein schnelles Schalten entsprechend der Kommutierungsgeschwindigkeit möglich.
[0071] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Elektrowerkzeug eine Energieversorgungseinheit zur Bereitstellung elektrischer Energie auf, die vorzugsweise mit einer Gleichstromquelle und weiter bevorzugt mit einem Akkumulator koppelbar ist.
[0072] Insbesondere bei unabhängigen, vorzugsweise portablen Elektro- werkzeugen kann somit ohne wesentliches Zusatzgewicht eine Variation der Dreh- zahl-Drehmoment-Kennlinie bewirkt werden, die dazu beiträgt, die Leistungsfähigkeit des Elektrowerkzeugs zu verbessern.
[0073] Bei einem Elektrowerkzeug, das einen permanent erregten elektronisch kommutierbaren Elektromotor aufweist, dessen Motorsteuerung mit einer Gleichstromquelle gekoppelt ist, kann der erfindungsgemäße Antrieb besonders einfach bei einer überaus geringen Anzahl zusätzlich erforderlicher Bauelemente umgesetzt werden.
[0074] Insgesamt wird mit der Erfindung ein neuartiger Antrieb bereitgestellt, der insbesondere für ein Elektrowerkzeug geeignet ist und der in hohem Maße eine„Getriebefunktionalität" nachbilden kann. Dabei sind eine Vielzahl von Drehzahl-Drehmoment-Kombinationen realisierbar.
[0075] Diese Nachbildung der Getriebefunktionalität erfolgt bei hohem Wirkungsgrad und unter Vermeidung von verschleißfördernden Zuständen des Antriebs, insbesondere im Hinblick auf die thermische Belastung durch ohmsche Verluste.
[0076] Der erfindungsgemäße Antrieb kann grundsätzlich auch als elektrische Maschine zur Anwendung kommen, etwa bei einer Generatoranwendung.
[0077] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
[0078] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Elektrowerkzeugs mit einem erfindungsgemäßen Antrieb;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Antriebs mit einem Eisenkern und jeweils zwei unabhängigen Spulenanordnungen;
Fig. 3 ein vereinfachtes Schaltbild des Antriebs mit zwei unabhängigen
Ansteuerungsanordnungen;
Fig. 4a-h unterschiedliche Ansteuerungsmodi der Spulenanordnungen zur
Erzeugung einer Feldverstärkung oder einer Feldschwächung;
Fig. 5 sechs Kommutierungsschritte einer elektronisch kommutierbaren
Gleichstrommaschine mit einer Spulenanordnung;
Fig. 6a-f unterschiedliche Varianten von möglichen Kommutierungsfolgen;
Fig. 7 eine idealisierte Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien für zwei verschiedene Ansteuerungszustände;
Fig. 8 ein vereinfachtes schematisches Schaltbild einer Ansteuerungsein- heit zum Ansteuern von zwei Spulenanordnungen in Sternschaltung;
Fig. 9 ein vereinfachtes schematisches Schaltbild einer Ansteuerungsein- heit zur Ansteuerung zweier Spulenanordnungen in Dreiecksschaltung; Fig. 10 eine Tabelle zur Erläuterung von möglichen Schaltzuständen der Steuereinheit aus Fig. 8 und 9 zum Ansteuern zweier Spulenanordnungen einer elektrischen Maschine im Normalbetrieb;
Fig. I Ia, b zwei Tabellen zur Erläuterung von möglichen Schaltzuständen der
Steuereinheit aus Fig. 8 und 9 zum Ansteuern zweier Spulenanordnungen im EMK-Schwächungsbetrieb für jeweils sechs unterschiedliche Kommutierungsschritte.
[0079] Fig. 1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Elekt- rowerkzeugs, das insgesamt mit 10 bezeichnet ist.
[0080] Beispielhaft ist das Elektrowerkzeug 10 als Werkzeug zum Bohren oder Schrauben dargestellt. Es versteht sich, dass es sich beispielsweise auch um ein Werkzeug zum Schlagbohren, Schlagschrauben, Sägen, Hämmern, Schneiden, Schleifen oder Polieren handeln kann.
[0081] Abhängig vom Verwendungszweck kann dabei die Abtriebsbewegung linear, rotatorisch, intermittierend oder aber oszillierend ausgestaltet sein. Vorliegend weist das Elektrowerkzeug 10 ein Gehäuse 12 mit einem Griffbereich 14 auf, an dem ein Bediener das Elektrowerkzeug 10 ergreifen und betätigen kann.
[0082] Im oder am Gehäuse 12 ist ein Antrieb 16 vorgesehen, der einen Motor 18 und eine Motorsteuerung 20 aufweist. Der Motor 18 dient zum Antrieb einer Motorwelle 22, die mit einer Werkzeugspindel 23 gekoppelt ist, die mit einem Werkzeug 24 (lediglich gebrochen dargestellt) zusammenwirkt.
[0083] Das Werkzeug 24 ist über eine Werkzeugaufnahme 26, etwa ein Spannfutter, an der Werkzeugspindel 23 festgelegt. [0084] Der Werkzeugspindel 23 und der Motorwelle 22 können eine Kupplung 28 oder ein Getriebe 30 zwischengeordnet sein. Das Getriebe 30 kann etwa als Zahnradgetriebe ausgeführt sein und eine konstante Übersetzung oder aber mehrere schaltbare Übersetzungsstufen aufweisen. Die Kupplung 28 kann etwa als Rutschkupplung oder aber als Schaltkupplung ausgebildet sein und zur Überlastsicherung dienen oder aber im Rahmen einer Leerlauffunktionalität die Werkzeugspindel 23 von der Motorwelle 22 trennen. Ferner kann die Kupplung 28 beispielsweise eine Stopp-Funktion aufweisen, also gegenüber dem Gehäuse 12 festlegbar sein, um einen einfachen Werkzeugwechsel oder dergleichen zu erlauben.
[0085] Der Motor 18 ist vorzugsweise als permanenterregter elektrisch kommutierbarer Elektromotor, auch bezeichnet als EC-Motor, ausgebildet. Dabei kann die Motorsteuerung 20 die Ansteuerung des Motors 18 zur Erzeugung eines Drehfeldes bewirken. Zu diesem Zweck ist die Motorsteuerung 20 über elektrische Leitungen 32, 34, 36 mit dem Motor 18 verbunden.
[0086] Die Motorsteuerung 20 ist ferner über Versorgungsleitungen 38, 40 mit einer Energieversorgungseinrichtung 42 koppelbar, welche in Fig. 1 beispielhaft als Akkumulator 44 ausgebildet ist.
[0087] Der Akkumulator 44 dient dabei als Gleichstromquelle, die Quellspannung wird von der Motorsteuerung 20 in eine Spannung überführt, welche den Motor 18 über die elektrischen Leitungen 32, 34, 36 beaufschlagt. Jede der Leitungen 32, 34, 36 kann dabei etwa einer Phase U, V, W zugeordnet sein.
[0088] Alternativ kann das Elektrowerkzeug 10 auch mit einer stationären Spannungsquelle verbunden sein, etwa einem Leitungsnetz. Zur Überführung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung kann dabei eine Gleichrichteranordnung vorgesehen sein. [0089] In Fig. 1 ist die Motorsteuerung 20 ferner beispielhaft mit Sensoren 46, 50 gekoppelt, dabei erfolgt eine Signalübertragung über Sensorleitungen 48a, 48b bzw. 52a, 52b. Die Sensoren 46, 50 können dazu ausgebildet sein, eine Betriebs- zustandsgröße zur Beschreibung eines Betriebszustands des Elektrowerkzeugs 10 zu erfassen und an die Motorsteuerung 20 oder eine bei dieser vorgesehene oder mit dieser gekoppelte Steuereinrichtung zu übermitteln.
[0090] Die zu erfassende Betriebszustandsgröße kann dabei grundsätzlich eine Drehzahl oder ein Drehmoment, etwa am Antrieb oder am Abtrieb, ein Schaltzustand eines Schalters, eine Temperatur, etwa des Getriebes 30 oder des Akkumulators 44, oder aber ein Wert sein, der eine an den Leitungen 32, 34, 36 anliegende Spannung oder einen durch diese fließenden Strom verkörpert.
[0091] Der Sensor 46 kann etwa dazu ausgebildet sein, einen Schaltzustand der Kupplung 28 zu erfassen. Alternativ könnte der Sensor 46 dazu ausgebildet sein, etwa als Verschleiß- oder Lastindikator eine Temperatur bei der Kupplung 28 zu erfassen.
[0092] Ebenso kann der Sensor 50 dazu vorgesehen sein, einen Schaltzustand, etwa eine momentan gewählte Schaltstellung, des Getriebes 30 oder aber eine eine Momentanbelastung kennzeichnende Temperatur zu erfassen.
[0093] Beim Griffbereich 14 des Elektrowerkzeugs 10 ist ferner ein Betätigungsschalter 54 vorgesehen, über den der Bediener das Elektrowerkzeug 10 wahlweise aktivieren oder aber deaktivieren kann. Der Betätigungsschalter 54 ist ebenso mit der Motorsteuerung 20 gekoppelt.
[0094] Ferner ist am Gehäuse 12 des Elektrowerkzeugs 10 ein Wählschalter 56 vorgesehen, der über Wählschalterleitungen 60a, 60b mit der Motorsteuerung 20 gekoppelt ist. Der Wählschalter 56 kann, wie durch einen mit 58 bezeichneten Pfeil angedeutet, zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position hin und her geschaltet werden. Über den Wählschalter 56 kann der Bediener den Antrieb 16 des Elektrowerkzeugs 10 etwa zwischen einem ersten Zustand mit einer ersten Drehzahl- Drehmoment-Kennlinie und einem zweiten Zustand mit einer zweiten Drehzahl- Drehmoment-Kennlinie umschalten.
[0095] In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßer Antrieb schematisch dargestellt.
[0096] Der elektrische Antrieb ist in Fig. 2 allgemein mit 70 bezeichnet. Der elektrische Antrieb 70 weist einen Stator 72 und einen Rotor 74 auf. Der Stator 72 weist einen Eisenring 76 mit radialen Eisenkernabschnitten 77 auf, an denen jeweils eine Spule 78 angeordnet ist. Der Stator 74 weist in diesem Fall neun Spulen 78 auf, die über elektrische Leitungen 80 mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Leitungen 80 verbinden die Spulen 78 mit drei Phasen U, V, W. In dem vorliegenden Fall sind jeweils drei der Spulen 78 parallel geschaltet und bilden einen Spulenstrang, wobei die resultierenden drei Spulenstränge in einer Sternschaltung zusammengeschaltet sind.
[0097] Die Spulen 78 erzeugen ein magnetisches Drehfeld, das auf den permanentmagnetischen Rotor 74 wirkt und diesen in einer Antriebsrichtung antreibt. Durch eine wechselnde Ansteuerung der Spulenstränge über die Phasen U, V, W wird ein rotierendes Drehfeld erzeugt, das den permanentmagnetischen Rotor 74 entsprechend antreibt.
[0098] An den radial ausgerichteten Eisenkernen 77 ist ferner jeweils eine Zusatzspule 82 angeordnet, die mittels elektrischen Leitungen 84 verschaltet und durch drei Phasen U', V, W mit elektrischem Strom bestrombar sind. Die Spulen 78 und die Zusatzspulen 82 sind über die Eisenkernabschnitte 77 jeweils magnetisch miteinander gekoppelt. Die Zusatzspulen 82 erzeugen ein zweites magnetisches Drehfeld, das auf den permanentmagnetischen Rotor 74 wirkt. Das erste magnetische Drehfeld, das durch die Spulen 78 erzeugt wird und das zweite magnetische Drehfeld, das durch die Zusatzspulen 82 erzeugt wird, überlagern sich, so dass je nach Richtung der beiden Drehfelder ein Summenfeld entsteht, das größer ist als die jeweiligen einzelnen Drehfelder oder ein Differenzfeld entsteht, das kleiner ist als eines der Drehfelder. Dabei addieren sich die magnetischen Flüsse des ersten Drehfeldes und des zweiten Drehfeldes und bilden einen magnetischen Summenfluss. Dadurch können die Zusatzspulen 82 je nach Richtung ihrer Ansteuerung eine Feldschwächung (EMK-Schwächung) oder eine Feldstärkung bewirken. Die Zusatzspulen 82 sind in diesem Falle wie die Spulen 78 zu drei Spulensträngen in einer Sternschaltung zusammengeschaltet und können über die Phasen LT, V, W so mit elektrischem Strom versorgt werden, dass ein rotierendes Drehfeld entsteht.
[0099] Die Spulen 78 weisen jeweils eine Windungszahl zi auf und die Zusatzspulen weisen eine Windungszahl m2 auf. Die Windungszahl z2 ist vorzugsweise kleiner als die Windungszahl
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Es ist bevorzugt, wenn das Verhältnis der Windungszahlen zi:z2 kleiner ist als 1 :2. In einer besonderen Ausführungsform ist das Verhältnis kleiner als 1:3 oder kleiner als 1 :4. In einer alternativen Ausführungsform sind die Windungszahlen Zi, z2 identisch.
[0100] In Fig. 3 ist ein schematischer Schaltplan des elektrischen Antriebs 70 gezeigt. Dabei sind lediglich Spulenstränge von zwei unabhängigen Spulenanordnungen 86, 88 dargestellt, wobei die Spulenstränge der ersten Spulenanordnung 86 hier allgemein mit Li, L2, L3 bezeichnet sind und die Spulenstränge der zweiten Spulenanordnung 88 hier allgemein mit Li', L2', L3' bezeichnet sind. Die jeweiligen Spulenstränge Li, Li' sowie L2, L2' und L3, L3' sind jeweils einander zugeordnet und wie in Fig. 2 dargestellt magnetisch miteinander gekoppelt. Die Spulenstränge Li, L2, L3 werden über die Phasen U, V, W mit elektrischer Energie versorgt. Die Spulenstränge Li, L2, L3 sind über die Leitungen 80 mit einer Ansteuerungseinheit 90 verbunden. Die Spulensträgen Li', L2', L3' werden über die Phasen U', V, W' mit elektrischer Energie versorgt. Die Spulenstränge der zweiten Spulenanordnung 88 sind über die Leitungen 80 und einer zweiten Ansteuerungsanordnung 92 verbunden. Die Ansteuerungsanordnungen 90, 92 versorgen die Spulenanordnungen 86, 88 unabhängig mit elektrischer Energie, so dass unabhängige Drehfelder erzeugt werden können, die je nach Ansteuerung sich additiv oder subtraktiv überlagern. [0101] Dadurch wird ein elektrischer Antrieb 70 mittels zweier Spulenanordnungen 86, 88 und zweier Ansteuerungsanordnungen 90, 92 bereitgestellt, der je nach Ansteuerung eine Feldschwächung bzw. eine sogenannte Schwächung der elektromotorischen Kraft (EMK-Schwächung) oder ein Feldstärkung bewirkt und dadurch unterschiedlichen Drehzahlen mit unterschiedlichen Drehmomenten erzeugen kann.
[0102] In den Fig. 4a bis 4h sind verschiedene Schalt- bzw. Erregungszustände bzw. Polungen der Spulenstränge Li bis L3 und Li' bis L3' dargestellt. Die Spulenanordnungen 86, 88 sind identisch mit den in Fig. 3 dargestellten Spulenanordnungen 86, 88. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugsziffern versehen, wobei hier lediglich die Unterschiede dargestellt sind. In Fig. 4a sind die Spulenanordnungen 86, 88 über die Phasen U, V und U', V derart angesteuert bzw. bestromt, dass die Spulenstränge Li und Li' sowie L2 und L2' Drehfelder 94, 96 in derselben Richtung erzeugen, so dass ein verstärktes Summenfeld entsteht.
[0103] In Fig. 4b sind die Spulenanordnungen 86, 88 über die Phasen V, W und V, W derart angesteuert, dass die Spulenstränge L2, L2' und L3, L3' jeweils ein Drehfeld 94, 96 erzeugen, das in derselben Richtung ausgerichtet ist, so dass sie sich zu dem Summenfeld addieren.
[0104] In Fig. 4c ist ein weiterer Ansteuerungszustand der Spulenanordnungen 86, 88 dargestellt, bei dem die Drehfelder 94, 96, die durch die Spulenstränge Li, Li' und L2, L2' erzeugt werden sich addieren zu einem verstärkten Summenfeld.
[0105] Es versteht sich, dass die in den Fig. 4a bis 4c dargestellten Zustände auch jeweils in der entgegengesetzten Richtung erzeugbar sind.
[0106] In den Fig. 4d bis 4f sind drei unterschiedliche Ansteuerungs- zustände der Spulenanordnungen 86, 88 beispielhaft dargestellt, bei denen die Drehfelder 94, 96 einander entgegengesetzt sind, so dass das Drehfeld 96 der zweiten Spulenanordnung das Drehfeld 94 der ersten Spulenanordnung schwächt. Dabei entsteht ein Differenzfeld. In Fig. 4d werden die Spulenanordnungen 86, 88 derart angesteuert, dass die Spulenstränge Li und L2 das Drehfeld 94 erzeugen, wobei die zweite Spulenanordnung 88 derart angesteuert wird, dass die entsprechenden Spulenstränge Li', L2' das Drehfeld 96 erzeugen, das dem Drehfeld 94 entgegengesetzt ist. Dadurch kann das Drehfeld 96 das Drehfeld 94 schwächen und das Differenzfeld gebildet werden.
[0107] In den Fig. 4e und f sind weitere Schaltzustände dargestellt, bei denen das Drehfeld 96 dem Drehfeld 94 entgegengerichtet ist.
[0108] In Fig. 4g ist ein Ansteuerungszustand der Spulenanordnungen 86, 88 beispielhaft dargestellt, bei dem die Spulenanordnungen 86, 88 derart bestromt werden, dass die Spulenstränge Li und Li', die magnetisch miteinander gekoppelt sind, bestromt werden und dass weiterhin die Spulenstränge L2' und L3 bestromt werden, die nicht miteinander magnetisch gekoppelt sind. Dadurch überlagern sich die Drehfelder 94, 96 lediglich teilweise. Dadurch kann eine weitere Variante in der Ansteuerung der Spulenanordnungen 86, 88 realisiert werden, bei der ein resultierendes Summenfeld entsteht, dessen Betrag geringer ist als der Betrag der Summenfelder, die in den Fig. 4a bis 4c entstehen.
[0109] In Fig. 4h ist ein weiterer Ansteuerungszustand der Spulenanordnungen 86, 88 beispielhaft dargestellt, bei dem die Drehfelder 94, 96 von zwei magnetisch gekoppelten Spulensträngen einander entgegengesetzt sind. Die Spulenanordnungen 86, 88 werden derart bestromt, dass das Drehfeld 94 des Spulenstrangs Li dem Drehfeld 96 des Spulenstrangs Li' entgegengesetzt ist und dass zwei weitere Spulenstränge L2', L3 bestromt werden, die nicht magnetisch miteinander gekoppelt sind. Dadurch entsteht ein Differenzfeld, das sich von den Differenzfeldern aus Fig. 4d bis 4f unterscheidet. Dadurch können weitere Varianten der Ansteuerung der Spulenanordnung 86, 88 bereitgestellt werden. [0110] Es versteht sich, dass die in den Fig. 4d bis 4h dargestellten Schaltzustände auch jeweils in der entgegengesetzten Polungsrichtung der Spulenanordnungen 86, 88 realisierbar sind.
[Olli] In Fig. 5 sind sechs Kommutierungsschritte einer elektrischen Drehfeldmaschine dargestellt, wie z.B. die erste Spulenanordnung 86 im Betrieb über die Phasen U, V, W angesteuert wird.
[0112] Beispielhaft ist hier ein System mit den drei Phasen U, V, W dargestellt mit drei der Polzahlen bzw. der Phasenzahl angepassten Spulengruppen. Die Spulengruppen werden jeweils aus zwei gleichzeitig angesteuerten Spulensträngen Li, L2, L3 gebildet. Je nach Ansteuerung werden somit die Spulengruppen bestehend aus den Spulensträngen Li, L2 oder L2, L3 oder Li, L3 bestromt. Diese Spulengruppen werden auch als Kommutierungsgruppen bezeichnet. Die drei möglichen Kommutierungsgruppen können jeweils in zwei Stromrichtungen bestromt werden, wobei eine der Kommutierungsgruppen mit der jeweiligen Stromrichtung als Kommutierungsschritt bezeichnet wird. Es gibt somit bei dem hier beispielhaft dargestellten System sechs Kommutierungsschritte. Die Reihenfolge, in der die sechs Kommutierungsschritte ausgeführt werden, bestimmt eine vollständige Kommutierungssequenz. Üblicherweise werden zunächst die drei Kommutierungsgruppen mit einheitlicher Stromrichtung bestromt, wobei durch die Reihenfolge die Drehrichtung des Rotors festgelegt wird. Diese drei Kommutierungsgruppen bzw. Kommutierungsschritte entsprechen den Schritten 1 bis 3 aus Fig. 5. In derselben Reihenfolge werden dann die Kommutierungsschritte mit entgegengesetzter Stromrichtung ausgeführt. Diese Kommutierungsschritte entsprechen den Schritten 4 bis 6 aus Fig. 5. Die so beschriebene Sequenz der Kommutierungsschritte wird im Allgemeinen als Grundzustand bezeichnet.
[0113] Über die sechs in Fig. 5 dargestellten Schritte wird das Drehfeld 94 in rotierender Form erzeugt, um den permanentmagnetischen Rotor 74 anzutreiben. Bei dieser sogenannten Blockkommutierung werden entsprechend der Rotationsstellung des Rotors 74 bestimmte der Spulengruppen bestromt, um das Drehfeld 94 an bestimmten Winkelpositionen des Stators 72 zu erzeugen und den Rotor 74 entsprechend anzutreiben. Bei dieser Blockkommutierung werden wie oben beschrieben jeweils eine Spulen - bzw. Kommutierungsgruppe, also zwei der drei Spulenstränge Li, L2, L3 jeweils in einer Weise bestromt, dass das Drehfeld 94 um den Rotor 74 rotiert, um diesen in entsprechender Weise anzutreiben. In Fig. 5 sind sechs Kommutierungsschritte dargestellt und zwar in Abhängigkeit der Winkelstellung des Rotors 74. Es versteht sich, dass bei anderen Spulenanordnungen eine andere Anzahl von Blockkommutierungsschritten möglich ist. Bei den in Fig. 5 dargestellten sechs Kommutierungsschritten wird jeweils eine Kommutierungsgruppe, also zwei der Spulenstränge Li, L2, L3 bestromt und zwar je nach Schritt, entweder in einer ersten Richtung oder in der entgegengesetzten zweiten Richtung. Mit anderen Worten sind die Spulenstränge Li und L2 in Schritt 1 bei 0° in der ersten Richtung gepolt und in Schritt 4 bei 180° sind die Spulenstränge Li, L2 in der entgegengesetzten zweiten Richtung gepolt. Entsprechendes gilt für die Schritte 2 und 5 bzw. 3 und 6.
[0114] In identischer Weise wird auch die Spulenanordnung 88 bestromt, so dass bei jedem einzelnen der Kommutierungsschritte entsprechende Spulengruppen angesteuert werden, so dass die beiden Drehfelder 94, 96 je nach Stromrichtung in derselben Richtung oder in entgegengesetzten Richtungen wirken bzw. ausgerichtet sein können, wie es in Fig. 4a-f gezeigt ist. Dadurch können in jedem einzelnen der Kommutierungsschritte unterschiedliche Summenfelder oder Differenzfelder erzeugt werden, wodurch symmetrische oder asymmetrische elliptische Drehfelder erzeugt werden können. Alternativ können auch unterschiedliche Spulengruppen in einem Kommutierungsschritt angesteuert bzw. bestromt werden, wie es in Fig. 4g und 4h gezeigt ist.
[0115] In den Fig. 6a bis f sind unterschiedliche Kommutierungsfolgen des elektrischen Antriebs 70 gezeigt, bei denen sowohl die Spulenanordnung 86 als auch die Spulenanordnung 88 angesteuert wird. In den Fig. 6a bis f ist das Drehfeld 94, das durch die erste Spulenanordnung 86 erzeugt wird und das Drehfeld 96, das durch die Spulenanordnung 88 erzeugt wird, schematisch durch Pfeile dargestellt. Die Polung der entsprechenden Drehfelder 94, 96 ist durch die Richtung der Pfeile angedeutet, wobei die Richtung nach oben weisend die Antriebsrichtung des Rotors 74 darstellt und die Richtung nach unten ein der Antriebsrichtung entgegenwirkendes Drehfeld darstellt. Die einzelnen der sechs Kommutierungsschritte aus Fig. 6 sind nebeneinander dargestellt und mit entsprechenden Ziffern bezeichnet. Für die in den Fig. 6a bis 6f dargestellten Kommutierungsfolgen ist jeweils ein Schwächungsfaktor f angegeben, der für ein Windungszahlverhältnis der Spulenanordnungen 86, 88 von 1:3 bestimmt wurde. Der Schwächungsfaktor lässt sich bestimmen mit der Formel: · Ζ2 Z2
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wobei HAI die Anzahl der Kommutierungsschritte ist, bei denen das erste Drehfeld 94 in Antriebsrichtung gepolt ist, HA2 die Anzahl der Kommutierungsschritte, bei denen das zweite Drehfeld 96 in Antriebsrichtung gepolt ist und HB2 die Anzahl der Kommutierungsschritte, bei denen das zweite Drehfeld entgegen der Antriebsrichtung gepolt ist. Zi und z2 sind die Windungszahlen der ersten und zweiten Spulenanordnung 86, 88.
[0116] In Fig. 6a ist ein Verstärkungszustand aller der Kommutierungsschritte 1 bis 6 dargestellt. Dabei sind die Drehfelder 94, 96 bei jedem der Kommutierungsschritte 1-6 in Antriebsrichtung gepolt, so dass hier bei jedem der Kommutierungsschritte 1-6 eine Feldverstärkung, also ein erhöhtes Summenfeld erzeugt wird, so dass der Rotor 74 mit einem verstärkten symmetrischen nicht elliptischen Drehfeld angetrieben wird. In diesem Fall liegt keine Feldschwächung des Drehfeldes 94 vor. Der Schwächungsfaktor ist f = 1.
[0117] In Fig. 6b ist ein normaler Umpolungszustand dargestellt, bei dem bei jedem der Kommutierungsschritte 1-6 das Drehfeld 96 dem Drehfeld 94 entgegengerichtet ist. Dieser normale Umpolungszustand wird dadurch erreicht, dass die zweite Spulenanordnung 88 bei jedem der Kommutierungsschritte in entgegengesetz- ter Richtung zu der ersten Spulenanordnung 86 gepolt ist. Bei diesem normalen Umpolungszustand wird ein Feldschwächungsfaktor von f = 2 erreicht.
[0118] In den folgenden Figuren sind mögliche Umpolungszustände dargestellt, bei denen bei lediglich einzelnen der Kommutierungsschritte die zweite Spulenanordnung 86, 88 entgegen der Antriebsrichtung gepolt ist.
[0119] In Fig. 6c ist eine Kommutierungsfolge dargestellt, bei der das Drehfeld 96 lediglich im ersten und vierten der Kommutierungsschritte entgegen der Antriebsrichtung gepolt ist und in den übrigen Kommutierungsschritten 2, 3 und 5, 6 in Antriebsrichtung gepolt ist. Dadurch wird das Drehfeld 94 lediglich beim ersten und vierten Kommutierungsschritt geschwächt und bei den übrigen Kommutierungsschritten gestärkt. Dadurch entsteht ein elliptisches Drehfeld. Da die Kommutierungsschritte für die erste Halbwelle, also die Kommutierungsschritte 1 bis 3, identisch sind mit denen der zweiten Halbwelle, also den Kommutierungsschritten 4 bis 6, entsteht ein symmetrisches elliptisches Drehfeld. In der in Fig. 6c dargestellten Kommutierungsfolge entsteht ein Feldschwächungsfaktor von f = 1,2.
[0120] In Fig. 6d ist eine Kommutierungsfolge dargestellt, bei der das Drehfeld 94 in jedem der Kommutierungsschritte in Antriebsrichtung ausgerichtet ist und das Drehfeld 96 der Spulenanordnung 88 bei den Schritten 1, 2, 4 und 5 entgegen der Antriebsrichtung gerichtet ist. In den übrigen der Kommutierungsschritte ist das Drehfeld 96 in Antriebsrichtung gerichtet. Dadurch entsteht eine weitere Möglichkeit eines elliptischen Drehfeldes. Ein derartiger Umpolungszustand bewirkt in diesem Fall einen Schwächungsfaktor von f = 1,5.
[0121] Neben den symmetrischen Drehfeldern, bei denen die erste Halbwelle, also die Kommutierungsschritte 1 bis 3, und die zweite Halbwelle, also die Kommutierungsschritte 4 bis 6, gleich kommutiert sind, sind auch asymmetrische elliptische Drehfelder möglich, bei denen die erste Halbwelle nicht gleich der zweiten Halbwelle kommutiert ist. Beispielhaft ist hier in Fig. 6e eine Kommutierungsfolge für ein asymmetrisches elliptisches Drehfeld dargestellt. Dabei ist das Drehfeld 96 der zweiten Spulenanordnung 88 in der gesamten ersten Halbwelle, also den Kommutierungsschritten 1 bis 3 entgegen der Antriebsrichtung gepolt, wobei das Drehfeld 96 in der zweiten Halbwelle, also den Kommutierungsschritten 4 bis 6 in Richtung der Antriebsrichtung gepolt ist. Bei der Kommutierungsfolge aus Fig. 6e ist das Drehfeld 94 der ersten Spulenanordnung 86 in allen Kommutierungsschritten in Antriebsrichtung gepolt. Durch diese Kommutierungsfolge lässt sich ein Schwächungsfaktor von f = 1,33 erzielen.
[0122] In Fig. 6f ist eine weitere mögliche Kommutierungsfolge zur Erzeugung eines asymmetrischen elliptischen Drehfeldes dargestellt, wobei lediglich bei Schritt 6 das Drehfeld 96 der zweiten Spulenanordnung 88 umgepolt ist. Dadurch lässt sich der minimale mögliche Feldschwächungsfaktor von f = 1,09 erzielen.
[0123] Aus den Beispielen für Kommutierungsfolgen der Fig. 6a bis f wird deutlich, dass jede beliebige Polung der Spulenanordnungen 86, 88 der einzelnen Kommutierungsschritte möglich ist. Rein theoretisch sind durch die sechs unterschiedlichen Kommutierungsschritte, wobei die Spulenanordnung 88 zwei Zustände annehmen kann, 26 = 64 Schaltzustände möglich.
[0124] Durch die unterschiedliche Polung der Spulenanordnungen 86, 88 bei den verschiedenen Kommutierungsschritten können wie in den Fig. 6a bis f beispielhaft dargestellt viele verschiedene Schwächungsfaktoren f erzielt werden, wodurch eine entsprechende Anzahl von unterschiedlichen Steigungen der Drehzahl- Drehmomentenlinie erzielt werden kann. Dadurch lässt sich die Funktionalität eines Getriebes elektrisch nachbilden, wobei die Anzahl der Gänge den verschiedenen Anzahlen von Schwächungsfaktoren entspricht. Aus diesem Grunde sind viele verschiedene gangähnliche Übersetzungszustände realisierbar, wie es im Folgenden näher erläutert wird. [0125] In Fig. 7 sind beispielhafte Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien eines Elektromotors dargestellt. Auf der Ordinate 100 ist dabei die Drehzahl n aufgetragen. Die Abszisse 102 zeigt dagegen Werte des Drehmoments M.
[0126] Mit 104, 106, 108 sind verschiedene Drehzahl-Drehmomentverläufe idealisiert aufgetragen und die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie 104 stellt beispielhaft einen n(M)-Verlauf eines typischen elektrisch kommutierten Drehfeldmotors dar. Der erfindungsgemäße Antrieb 70 kann in unterschiedlichen Zuständen betrieben werden, die etwa mit einer Drehzahl-Drehmomentkennlinie 104 als auch mit einer Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie 108 beschrieben ist. Dabei wird durch die unterschiedlichen Drehmomente bei unterschiedlichen Drehzahlen eine einem Schaltgetriebe ähnliche Funktionalität bewirkt. In Fig. 7 sind hier lediglich die beiden Kennlinien 104, 108 als mögliche Kennlinien des erfindungsgemäßen Antriebs dargestellt, wobei jedoch wie zuvor beschrieben eine Vielzahl von Kennlinien mit unterschiedlichen Steigungen realisierbar sind.
[0127] Die erste Kennlinie 104 ist charakterisiert durch ein Haltemoment 110 und eine Lehrlaufdrehzahl 112. Demgegenüber kann der Antrieb 70 in einem weiteren Zustand betrieben werden, der durch die Kennlinie 108 beschrieben wird, als wäre ein Übersetzungsgetriebe mit einem Übersetzungsfaktor i = 2 zwischengeschaltet. Die Kennlinie 108 ist charakterisiert durch das Haltemoment 114 und die Lehrlaufdrehzahl 116. Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass in dem gewählten Beispiel die Lehrlauf drehzahl 116 etwa das Doppelte der Lehrlauf drehzahl 112 beträgt. Im Gegensatz dazu beträgt das Haltemoment 114 entsprechend der Kennlinie 108 die Hälfte des Haltemoments 110 der Kennlinie 104. Idealisiert betrachtet ist dabei der Quotient des Haltemoments 110 und des Haltemoments 114 umgekehrt proportional zum Quotienten der Lehrlauf drehzahl 112 und der Lehrlauf drehzahl 116.
[0128] Mit Ziffer 118 ist der Schnittpunkt der beiden Kennlinien 104, 108 angegeben. Erfolgt an diesem Punkt eine Umschal tung zwischen den beiden Kennlinien, so ist dies für den Benutzer völlig unmerklich. Ausgehend von dort aus kann dann entweder auf der Kennlinie 104 oder 108 weitergefahren werden. Ausgehend davon, dass eine Vielzahl von unterschiedlichen Schwächungsfaktoren und den damit verbundenen unterschiedlichen Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien mit unterschiedlichen Steigungen realisierbar sind, und der Idee, dass in einem jeweiligen Schnittpunkt von zwei Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien umgeschaltet wird, lässt sich ein zwar abschnittsweise lineares Übersetzungsverhältnis realisieren, das jedoch durch die Vielzahl von unterschiedlichen Steigungen scheinbar eine kontinuierliche Änderung des Übersetzungsverhältnisses darstellt.
[0129] Zum Vergleich ist mit 106 eine weitere Drehzahl-Drehmoment- Kennlinie angedeutet, die gemäß dem Stand der Technik etwa gemäß der DE 10 2007 040 725 AI ausgehend von der Kennlinie 104 bewirkt werden kann.
[0130] Dabei kann der Übergang von der Kennlinie 104 auf die Kennlinie 106 z.B. durch das Abschalten von Teilspulen realisiert werden. Die sich ergebende Kennlinie 106 kann nicht, wie etwa in die Kennlinie 108, unter Beibehaltung der umgekehrten Proportionalität der jeweiligen Quotienten aus Lehrlaufdrehzahl und Haltemoment abgeleitet werden.
[0131] Ein Betrieb etwa gemäß der Kennlinie 106 kann dabei grundsätzlich realisiert werden, indem beispielsweise nur eine der Spulenanordnungen 86, 88 angesteuert wird.
[0132] Grundsätzlich ist die Leistungsabgabe des elektrischen Antriebs 70 im Zustand der Kennlinie 104 oder der Kennlinie 108 im Wesentlichen gleich, da das Produkt n · M bei beiden Kennlinien identisch ist. Diese abgegebene Leistung ist unter Vernachlässigung von Eisen- und Reibverlusten, also unter ausschließlicher Berücksichtigung von Ohmschen Verlusten im Wesentlichen gleich, sofern die relative Belastung identisch ist. [0133] In Fig. 8 ist ein Schaltplan einer Steuereinheit zum Ansteuern der ersten Spulenanordnung 86 und der zweiten Spulenanordnung 88 schematisch dargestellt. Die Steuereinheit ist in Fig. 8 allgemein mit 120 bezeichnet. Die Spulenanordnungen 86, 88 sind in Fig. 8 schematisch in einer Sternschaltung geschaltet dargestellt und werden dreiphasig durch die Steuereinheit 120 mit elektrischer Energie versorgt. Die Steuereinheit 120 weist eine Spannungsquelle 121 auf, die in diesem Fall als Batterie oder Akkumulator ausgebildet ist. Die Steuereinheit 120 weist ferner eine erste Ansteuerungsanordnung 122 zum Ansteuern der ersten Spulenanordnung 86 und ferner eine zweite Ansteuerungsanordnung 124 zum Ansteuern der zweiten Spulenanordnung 88 auf.
[0134] Die erste und die zweite Spulenanordnung 122, 124 sind identisch aufgebaut und in Reihe zwischen Spannungsanschlüssen der elektrischen Energieversorgung 120 geschaltet. Die Steuerungsanordnungen 122, 124 weisen jeweils drei parallele Strompfade 128, 130, 132 auf, die parallel zueinander geschaltet sind und jeweils zwei steuerbare Schalter 134 aufweisen. Zwischen den steuerbaren Schaltern 134 ist jeweils ein Abgriff 136 gebildet, der mit den Leitungen 80, 84 entsprechend verbunden ist und eine der Phasen U, V, W, U', V, W bilden. Die drei parallelen Strompfade 128, 130, 132 sind an ihren Enden jeweils elektrisch miteinander verbunden.
[0135] Durch Öffnen von zwei der steuerbaren Schalter 134 eines der An- steuerungsanordnungen in unterschiedlichen Strompfaden 128, 130, 132 sind jeweils zwei der Spulenstränge Li, L2, L3 bestrombar, so dass durch Umschalten der steuerbaren Schalter 134 jeder der zuvor genannten Bestromungszustände bzw. Kommutie- rungszustände realisierbar sind. Sofern zwei steuerbare Schalter in demselben Strompfad 128, 130, 132 geschlossen sind, wird die entsprechende Spulenanordnung 86, 88 nicht bestromt und erzeugt somit kein Drehfeld 94, 96.
[0136] Dadurch, dass die beiden Ansteuerungsanordnungen in Reihe zwischen den Spannungspunkten 126 geschaltet sind, fließt grundsätzlich derselbe Strom durch die beiden Spulenanordnungen 86, 88. Dadurch bleibt trotz Umschal- tung der Drehfelder der elektrische Widerstand des gesamten Antriebs identisch, wodurch die Leistungsabgabe des Antriebs 70 für unterschiedliche Schaltzustände im Wesentlichen gleich bleibt.
[0137] Mit der Steuereinheit 120 kann zu dem Grundzustand der ersten Spulenanordnung 86 eine Kommutierungssequenz der zweiten Spulenanordnung 88, die über die Eisenkernabschnitte 77 miteinander magnetisch gekoppelt sind, überlagert werden. Wird die zweite Spulenanordnung 88 in derselben Reihenfolge der Kommutierungsgruppen des Grundzustandes jedoch in entgegengesetzter Richtung bzw. Polarität bestromt, die jeweils dem Grundzustand entgegengerichtet ist, ergibt sich eine Kommutierungssequenz, die einer Feldschwächung bzw. EMK-Schwächung entspricht.
[0138] Die Bestromung der zweiten Spulenanordnung 88 kann beliebig ausgeführt werden. Zu jedem der sechs Kommutierungsschritte der ersten Spulenanordnung 86 kann ein beliebiger Kommutierungsschritt der zweiten Spulenanordnung 88 kombiniert werden. Insgesamt sind so sechs mal sechs Gesamtzustände möglich. Nicht alle ergeben jedoch eine sinnvolle Kombination, einige können jedoch zur Erzeugung von weiteren Drehzahl-Drehmomentkennlinien des Gesamtspulensystems genutzt werden. Beispielhaft sind zwei Kommutierungssequenzen im Folgenden angegeben. In diesen Sequenzen wird abwechselnd zwischen Grundzustand und EMK-geschwächtem Zustand der umschaltbaren Teilspule bzw. der Zusatzspulen 82 umgeschaltet.
[0139] Die in Fig. 3 dargestellte erste und zweite Ansteuerungsanordnung 90, 92 kann jeweils durch eine der Steuerungsanordnungen 122, 124 mit jeweils drei Strompfaden 128, 130, 132 und sechs steuerbaren Schaltern, sowie jeweils einer Spannungsquelle gebildet sein. [0140] In Fig. 9 ist ein alternativer Schaltplan der Spulenanordnungen 86, 88 aus Fig. 8 dargestellt. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, wobei hier lediglich die Unterschiede dargestellt sind. In Fig. 9 sind die Spulenanordnungen 86a, 88a als Dreiecksschaltung geschaltet. Die Spulenanordnungen 86a, 88a werden identisch wie in Fig. 8 dreiphasig über die Phasen U, V, W, U', V, W versorgt und zwar über die Steuereinheit 120.
[0141] In einer weiteren Ausführungsform kann auch eine der Spulenanordnungen 86, 88, beispielsweise die erste in einer Sternschaltung 86 geschaltet sein und beispielsweise die zweite in einer Dreiecksschaltung 88a geschaltet sein oder umgekehrt.
[0142] In einer alternativen Ausführungsform kann die zweite Spulenanordnung 88 derart ausgebildet sein, dass die Spulenstränge Li', L2', L3' unabhängig voneinander und separat bestromt werden können. Dadurch sind weitere Umpo- lungszustände möglich, wodurch die Anzahl der möglichen Schwächungsfaktoren weiter erhöht werden kann. Es ist weiterhin denkbar, dass die zweite Spulenanordnung 88 lediglich einen einzelnen Spulenstrang Li', L2', L3' aufweist, der einem entsprechenden Spulenstrang der ersten Spulenanordnung 86 zugeordnet ist. Dadurch kann ein vereinfachter Antrieb mit Feldschwächung bereitgestellt werden, bei dem sowohl die zweite Spulenanordnung 88 als auch die zweite Ansteuerungsanord- nung 124 konstruktiv weniger aufwendig ist.
[0143] In Fig. 10 ist eine Tabelle dargestellt, die für sechs unterschiedliche Kommutierungsschritte Schaltzustände der steuerbaren Schalter 134 mit den Bezugszeichen aus Fig. 8 und 9 dargestellt und allgemein mit 140 bezeichnet. Die Kommutierungsschritte erzeugen Drehfelder 94, 96 für einen Normalbetrieb. D.h., bei den Schaltzuständen, die in Fig. 10 dargestellt sind, sind die Drehfelder 94, 96 grundsätzlich in dieselbe Richtung gerichtet, so dass sich die entsprechenden Drehfelder 94, 96 zu einem Summenfeld verstärken. Dabei sind die Potentiale an den Anschlüssen UA, VA, WA des ersten Spulensystems 86 und an den Anschlüssen UB, VB, Wb des zweiten Spulensystems 88 mit U bzw. Null bezeichnet für ein hohes bzw. ein niedriges Potential und mit X als Undefiniertes oder schwebendes Potential. Die Schaltzustände sind mit eins und für einen geschlossenen Schalter mit Null für einen geöffneten Abschalter bezeichnet. Ferner sind die entsprechenden entstehenden Spannungszeiger in Polarform angegeben.
[0144] In den Fig. I Ia und I Ib sind Tabellen dargestellt, die für sechs unterschiedliche Kommutierungsschritte Schaltzustände der steuerbaren Schalter 134 mit den Bezugszeichen aus Fig. 8 und 9 für einen jeweils beispielhaften Feldschwächungsbetrieb zeigen und allgemein mit 142 bzw. 144 bezeichnet. In Tabelle 142 sind Schaltzustände der Drehfelder 94, 96 für einen Feldschwächungsbetrieb bzw. EMK-Schwächungsbetrieb dargestellt, wobei die zweite Spulenanordnung in den Schritten 2, 4 und 6 gegenüber dem Normalzustand bzw. Normalbetrieb umgepolt ist und somit einen Schwächungsbetrieb bzw. eine EMK-Schwächung erzeugt.
[0145] In Tabelle 144 sind weitere Schaltzustände für einen alternativen Schwächungsbetrieb dargestellt. Bei den Kommutierungsschritten aus Tabelle 144 ist die zweite Spulenanordnung 80 in den Schritten 4, 5 und 6 gegenüber dem Normalbetrieb umgepolt, so dass ein entsprechender Feldschwächungsbetrieb eingestellt wird. Bei diesem Feldschwächungsbetrieb entsteht ein asymmetrisches elliptisches Drehfeld.

Claims

Patentansprüche
Elektrischer Antrieb (70), insbesondere für ein Elektro Werkzeug (10), mit einem Rotor (74), einem feststehenden Stator (72) und einer ersten Spulenanordnung (86), die dazu ausgebildet ist, den Rotor (74) mittels eines ersten Drehfeldes (94) anzutreiben, und mit einer ersten Motorsteuerungsanordnung (90, 122), die dazu ausgebildet ist, die erste Spulenanordnung (86) zur Erzeugung des ersten Drehfeldes (94) mit elektrischem Strom zu versorgen, wobei der elektrische Antrieb (70) eine zweite Spulenanordnung (88) zur Erzeugung eines zweiten Drehfeldes (96) aufweist, die der ersten Spulenanordnung (86) fest zugeordnet und wenigstens teilweise mit der ersten Spulenanordnung (86) magnetisch gekoppelt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Spulenanordnung (88) separat von der ersten Spulenanordnung (86) ansteuerbar und bestrombar ist, um die zweite Spulenanordnung (88) in beliebiger Kommutierungsfolge anzusteuern.
Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spulenanordnung (88) derart bestrombar ist, dass das zweite Drehfeld (96) dem ersten Drehfeld (94) wenigstens teilweise entgegengerichtet ist oder das erste und das zweite Drehfeld (94, 96) wenigstens teilweise gleichgerichtet sind.
Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spulenanordnung (86) eine erste Mehrzahl von Spulensträngen (Li, L2, L3) aufweist und die zweite Spulenanordnung (88) eine zweite Mehrzahl von Spulensträngen (L'i, L'2, L'3) aufweist, wobei wenigstens einer der Spulenstränge (Li, L2, L3) der ersten Spulenanordnung (86) mit einem Spulenstrang (L'i, L'2, L'3) der zweiten Spulenanordnung (88) magnetisch gekoppelt ist.
4. Elektrischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Spulenanordnung (86, 88) eine identische Mehrzahl von Spulensträngen (Li, L2, L3, ΙΛ, ΙΛ, L'3) aufweisen, die jeweils einander zugeordnet sind und jeweils miteinander magnetisch gekoppelt sind.
5. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Spulensträngen (Li, L2, L3) der ersten Spulenanordnung (86) und eine Mehrzahl von Spulensträngen (Li', L2', L3') der zweiten Spulenanordnung (88) gleichzeitig bestrombar sind.
6. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Spulenstrang (Li', L2', L3') der zweiten Spulenanordnung (88) bestrombar ist, der einem nicht bestromten Spulenstrang (Li, L2, L3) der ersten Spulenanordnung (86) zugeordnet ist.
7. Elektrischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Spulenanordnung (86) mit einer ersten Mehrzahl von Phasen (U, V, W) bestrombar ist und die zweite Spulenanordnung (88) mit einer zweiten Mehrzahl von Phasen (U', V, W) bestrombar ist.
8. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Mehrzahl von Phasen (U, V, W) und die zweite Mehrzahl von Phasen (U', V, W) identisch sind.
9. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Mehrzahl von Phasen (U, V, W) größer ist als die zweite Mehrzahl von Phasen (U', V, W).
10. Elektrischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Spulenanordnung (86, 88) jeweils drei Spulenstränge (Li, L2, L3, L'i, L'2, L'3) aufweist, die jeweils in einer Sternschaltung oder einer Dreiecksschaltung zusammengeschaltet sind oder in einer Stern- Dreiecksschaltung geschaltet sind.
Elektrischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (70) als elektronisch kommutierbare Gleichstrommaschine ausgebildet ist, wobei die erste und die zweite Spulenanordnung (86, 88) in einer Mehrzahl von Kommutierungsschritten unterschiedlich bestrom- bar sind.
Elektrischer Antrieb nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spulenanordnung (88) in wenigstens einem der Kommutierungsschritte derart bestrombar ist, dass das zweite Drehfeld (96) dem ersten Drehfeld (94) entgegengerichtet ist.
Elektrischer Antrieb nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spulenanordnung (88) in wenigstens einem der Kommutierungsschritte derart bestrombar ist, dass das zweite Drehfeld (96) mit dem ersten Drehfeld (94) gleichgerichtet ist.
Elektrischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spulenanordnung (88) durch eine zweite Motorsteuerungsanordnung (92, 124) separat ansteuerbar und mit elektrischem Strom bestrombar ist.
Elektrischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Spulenanordnung (86, 88) durch denselben Strom bestrombar sind.
Elektrischer Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Motorsteuerungsanordnung (90, 122) und die zweite Motorsteuerungsanordnung (92, 124) dazu ausgebildet sind, den Motor (70) mit einer ersten Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie (104) und mit einer zweiten Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie (108), die eine von der ersten Drehzahl- Drehmoment-Kennlinie (104) verschiedene Steigung aufweist, zu betreiben.
17. Elektrischer Antrieb nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Steigungen der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien (104, 108) in Abhängigkeit der Richtung des ersten und des zweiten Drehfeldes (94, 96) und/oder der Reihenfolge der einzelnen Kommutierungsschritte einstellbar sind.
18. Elektrowerkzeug (10), gekennzeichnet durch einen Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der mit einer Werkzeugspindel (23) zum Antrieb des Werkzeugs (10) koppelbar ist.
19. Verfahren zum Ansteuern eines elektrischen Antriebs (70), insbesondere für ein Elektrowerkzeug (10), wobei der elektrische Antrieb (70) einen Rotor (74) und einen feststehenden Stator (72) aufweist, wobei eine erste Spulenanordnung (86) zum Erzeugen eines ersten Drehfeldes (94) durch eine Motorsteuerung (90, 122) mit elektrischem Strom versorgt wird, wobei mittels einer zweiten Spulenanordnung (88), die der ersten Spulenanordnung (86) fest zugeordnet und mit der ersten Spulenanordnung (86) wenigstens teilweise magnetisch gekoppelt ist, ein zweites Drehfeld (94) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Spulenanordnung (88) separat von der ersten Spulenanordnung (86) angesteuert und bestromt wird.
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