WO2022175060A1 - Electric machining device for operating selectively using at least two different supply voltages - Google Patents

Electric machining device for operating selectively using at least two different supply voltages Download PDF

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WO2022175060A1
WO2022175060A1 PCT/EP2022/052051 EP2022052051W WO2022175060A1 WO 2022175060 A1 WO2022175060 A1 WO 2022175060A1 EP 2022052051 W EP2022052051 W EP 2022052051W WO 2022175060 A1 WO2022175060 A1 WO 2022175060A1
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electric motor
processing device
electrical processing
windings
stator
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PCT/EP2022/052051
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Rainer Glauning
Marc-Alexandre Seibert
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Robert Bosch Gmbh
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    • H02K2213/09Machines characterised by the presence of elements which are subject to variation, e.g. adjustable bearings, reconfigurable windings, variable pitch ventilators

Definitions

  • Electrical processing device for optional operation with at least two different supply voltages
  • the invention relates to an electrical processing device for selective operation with a first or at least a second supply voltage according to the preamble of independent claim 1.
  • Battery-powered processing devices especially hand-held power tools, have increasingly replaced their mains-powered counterparts in recent years, since the battery packs and electric motors have become lighter and more powerful.
  • the so-called electrically commutated (EC) or brushless direct current motors (BLDC) have established themselves here in particular.
  • EC electrically commutated
  • BLDC brushless direct current motors
  • hybrid devices with corresponding electric motors that can be operated both by battery and with mains power.
  • a battery-powered hand tool in the form of a cordless screwdriver is known from EP 3 316453 A1.
  • the hand-held power tool has a brushless electric motor with a stator and a rotor mounted within the stator to rotate relative thereto.
  • the stator comprises three windings, each winding being distributed over two opposite stator poles over the circumference of the stator.
  • the three stator windings can be forthcoming switching means can be operated either in a delta or star circuit.
  • US 2019/0229599 A1 discloses a stationary power tool that can be operated either with a first supply voltage, in particular a mains voltage, or with a second supply voltage, in particular a battery voltage.
  • the power tool has two power output stages, with a first power output stage driving first windings of the electric motor and a second power output stage driving second windings of the electric motor depending on the detected supply voltage for operating an electric motor.
  • the first and second windings differ in particular in their number of turns and/or the wire cross-section.
  • the stator teeth of the stator poles of the electric motor either carry the first or the second windings in alternation or that each stator tooth has a first and a second winding.
  • the possibility of switching between a star and a delta connection is also shown, the first windings being permanently connected to form a star connection and the second windings being permanently connected to form a delta circuit.
  • the invention is based on an electrical processing device with a housing, an output mechanism, an electric motor for driving the output mechanism and a switching device, the electric motor comprising a rotor and a stator, the stator having three stator poles and each stator pole having an integer multiple of stator teeth each having a plurality of windings for driving the rotor, the windings of the stator teeth being designed in terms of their type and/or number such that the electric
  • the motor can be operated over three phases either with a first supply voltage, in particular for mains operation, or with at least one second supply voltage that is significantly different from the first supply voltage, in particular for battery operation, and the switching device the windings of the electric motor for selective operation connected in series and/or in parallel with the first or the at least one second supply voltage.
  • the switchover device is mounted in the housing by means of at least one damping element so that it is vibration-decoupled from the output mechanism and/or the electric motor.
  • the switchover device is mounted in the housing by means of at least one damping element so that it is vibration-decoupled from the output mechanism and/or the electric motor.
  • electrical processing devices should be understood to mean, among other things, battery-operated and/or mains-operated machine tools for processing workpieces using an electrically driven insert tool.
  • the electrical processing device can be designed both as a hand machine tool and as a stationary machine tool.
  • typical machine tools are hand-held or stationary drills, screwdrivers, percussion drills, planers, angle grinders, orbital grinders, polishing machines or the like.
  • garden and construction equipment driven by an electric motor such as lawnmowers, grass trimmers, pruning saws, motor and trench cutters, blowers, robot breaker and excavator or the like can also be used as electrical processing devices.
  • the invention is on three-phase electric motors of household appliances, such as vacuum cleaners, mixers, etc. applicable.
  • the term electrical processing device can also be understood to mean road and rail vehicles driven by electric motors, as well as aircraft and ships.
  • “Operation with a first supply voltage” or “mains operation” means in particular operation with an alternating voltage (AC) in the ranging from approx. 110 to 240 V. Significantly higher AC voltages of several 1000 V can also be used for industrial robots, road and rail vehicles, aircraft and ships. The typical AC voltages are primarily dependent on the country-specific values and the intended use. “Operation with a second supply voltage that is significantly different from the first supply voltage” or “battery operation” should be understood to mean, in particular, operation with a direct voltage (DC) in the range from 3.6 to 180 V. But even here, significantly higher battery voltages of several 100 V can be considered for vehicles, airplanes and ships. The DC voltage values are based primarily on the typical cell voltages of lithium ion cells.
  • the switching device is designed in such a way that it can additionally connect the phases of the electric motor in a star connection or in a delta connection.
  • the optional connection of the phases as a star or delta connection results, on the one hand, in connection with the star connection, in a significant reduction in the power requirement by a factor of 1.73 per phase or stator pole, which is particularly advantageous when the electric motor starts up while high currents and power can be used in the delta connection.
  • the switching device is equipped with a rotatable or sliding operating mode switch. ter of the electrical processing device operatively connected.
  • a further improved decoupling in conjunction with protection of the switching device or the power electronics from dirt, heat and other interference, such as electromagnetic interference, can be achieved if the switching device or the power electronics are separated from the housing in a separate sub-housing by means of at least one damping element are mounted vibration-decoupled.
  • the at least one damping element can be formed as a rubber buffer, a rubber foil or a rubber ring, which is mounted in a vibration-free manner on at least one holding element of the housing. This type of vibration decoupling is particularly favorable and in some cases also offers a very simple and quick option for assembling or replacing the sub-housing.
  • the at least one damping element can also be designed as a leaf spring, a spiral spring, a torsion spring, a tension spring or a torsion spring, which is mounted on at least one holding element of the housing so that it is vibration-decoupled.
  • Spring elements of this type offer an optimized vibration decoupling with particular advantage if, for example, their spring constants are specially adapted to the field of application of the respective electrical working device.
  • a particularly compact electric motor in conjunction with an effective Ent coupling can be achieved if the switching device is designed as a modular assembly of the electric motor and vibration-decoupled gela siege together with the electric motor in the housing of the electrical processing device.
  • the switching device and any other electrical components for rectifying, voltage conversion, filtering and/or end interference of the first and the at least one second supply voltage and for controlling the electric motor together form power electronics.
  • the term "power electronics” should therefore be understood to mean the part of the electronics that controls the electric motor, which primarily absorbs the winding currents. In this way, the power electronics differ from the control or control electronics.
  • the power electronics are installed in the electrical processing device and can thus be specifically adapted to the respective requirements of the device. In this way, over- or under-dimensioning of the power electronics can be avoided. Processing devices with a high energy requirement (e.g.
  • angle grinders, large drilling and demolition hammers, professional kitchen appliances, etc. are given correspondingly powerful power electronics, while processing devices with a rather low energy requirement (e.g. screwdrivers, hand blender, etc.) have a cost-effective and significantly less resilient one Power electronics can be used.
  • processing devices with a rather low energy requirement e.g. screwdrivers, hand blender, etc.
  • complex power electronics for example in the form of a DC/DC converter with a large ratio between the input voltage and the output voltage, are then no longer required, resulting in a compact overall drive train.
  • Multi-voltage devices for hybrid operation the electrical processing device can optionally be used for mains operation with several first supply voltages or an intermediate voltage and at least one first supply voltage of e.g. 120 V and 230 V and/or for battery operation several second supply voltages of e.g. 18 V, 36 V or 72 V.
  • Multi-voltage devices for mains operation the electrical processing device can be designed for mains operation with several first supply voltages or an intermediate voltage and at least one first supply voltage of 120 V and 230 V, for example. This means that the DC part of the power electronics can be dispensed with.
  • Multi-voltage devices for battery operation the electrical processing device can be designed for battery operation with several second supply voltages of eg 18 V, 36 V or 72 V, so that the AC part of the power electronics can be dispensed with.
  • Dual-voltage devices for hybrid operation the electrical processing device can be designed either for mains operation with a first supply voltage of, for example, 230 V or for battery operation with a second supply voltage of, for example, 36 V. This enables the use of simpler power electronics for a reduced number of series or parallel connections of the windings per stator pole.
  • Fig. 1 a schematic representation of a first exemplary embodiment of an electrical processing device according to the invention in the form of a hand-held impact wrench,
  • Fig. 2 shows a schematic representation of a first exemplary embodiment of an electric motor according to the invention with a stator tooth carrying four windings
  • Fig. 3 a schematic representation of a secondforsbei game of the electric motor according to the invention with a two stator tooth carrying windings
  • FIG. 5 shows a circuit diagram of an embodiment of the electric motor according to the invention for a series connection of the four windings of a stator pole and a star connection of the three phases of the electric motor
  • FIGS. 3 to 5 a block diagram of an exemplary embodiment of the switching device according to the invention for the electric motor according to FIGS. 3 to 5,
  • Fig. 7 an exploded drawing of the electric motor according to the invention with an inventive electromechanical switching device
  • Fig. 8 Exemplary embodiments of the electromechanical switching device according to the invention with a rotatable carrier
  • Fig. 9 Exemplary embodiments of the electromechanical switchover device according to the invention with a displaceably designed carrier
  • Fig. 10 further exemplary embodiments for a displaceable carrier of the electromechanical switching device according to the invention
  • Fig. 11 another embodiment of a rotatable support of the electromechanical switching device according to the invention
  • 19 a schematic representation of a fourth exemplary embodiment of the electrical processing device according to the invention in the form of a hammer drill
  • 20 a schematic representation of a fifth exemplary embodiment of the electrical processing device according to the invention in the form of an angle grinder
  • Fig. 21 a schematic representation of a sixth gametosbei the electrical processing device according to the invention in the form of an industrial vacuum cleaner and
  • FIG. 22 a schematic representation of a seventh exemplary embodiment of the electrical processing device according to the invention in the form of a lawnmower.
  • Fig. 1 shows an example of an electrical processing device 10 designed as a rotary impact wrench with a three-phase electric motor 12.
  • the rotary impact wrench has a housing 14 with a handle 16 and a tool holder 18 and can be optionally powered mechanically and electrically via appropriately designed electromechanical interfaces for mains-independent power supply 19 can be releasably connected to a battery pack 20 in a non-positive and/or positive manner or, for mains-dependent power supply, via a mains cable 22 to a mains supply, which is not shown but is known to the person skilled in the art.
  • the power grid has a first supply voltage U H of 230 V AC (50 Hz) and the battery pack 20 has a second supply voltage U L of 36 V DC that is significantly different from the first supply voltage.
  • the invention can also be applied to electrical processing equipment with rechargeable batteries and mains supplies of other voltage and power classes. It should also be pointed out that the invention is neither limited to impact wrenches nor to hand-held power tools in general, but - as already mentioned - can be used with different mains-independent and/or mains-dependent electrical processing devices.
  • the electric motor 12 which is supplied with power by the battery pack 20 or via the mains cable 22 , together with a gear 24 and an impact mechanism 26 are arranged in the housing 14 , for example.
  • the electric motor 12 can be actuated via a main switch 28, ie it can be switched on and off and its speed and/or torque can be changed.
  • the electric motor 12 and the Ge gear 24 can alternatively be arranged in a common sub-housing or in se paraten motor and gear housings, which in turn se in the housin 14 are added.
  • the percussion mechanism 26 is driven by a motor shaft 30 of the electric motor 12 and is designed, for example, as a rotary or rotary percussion mechanism that generates abrupt angular momentum with high intensity and transmits it to the tool holder 18, which is used to replace an insert tool 32. Since the tool holder 18 and the insert tool 32 are of no significance as such for the invention, they will not be discussed in any more detail here.
  • the possible configurations are well known to those skilled in the art.
  • the electric motor 12 is acted upon by a power bridge 34 of power electronics 36 with a pulse width modulated motor voltage UM.
  • the power bridge 34 has various power transistors (e.g., bipolar transistors, field effect transistors, IGBT, or the like), which, depending on the design of the electric motor 12, can be connected, for example, as an H bridge, B6 bridge, or the like.
  • a control or regulating electronics 38 controls the individual power transistors of the power bridge 34 according to a predetermined by the main scarf ter 28 signal for generating the PWM voltage UM. Since the various possible configurations of the power bridge 34 and the control or regulating electronics 38 are known to a person skilled in the art, they will not be discussed in any more detail.
  • the control or regulation electronics can, for example, be in the form of a microcontroller, DSP, ASIC or the like.
  • the three-phase electric motor 12 includes an inner rotor 40 and an outer stator 42 with three stator poles 44.
  • the individual windings 48′, 48′′, 48 m , 48 IV can differ in their type, ie in the number of turns, in their cross section and/or in their material. However, they can also be designed in the same way.
  • the magnetic fields B n generated are proportional to the currents I n and the number of turns of the individual windings 48.
  • a winding with a few turns and a large cross section through which a high current flows can generate the same magnetic field as a winding with many turns and small cross-section through which a significantly lower current flows.
  • the electrical processing device 10 can be operated by an operator either with the first supply voltage UH of 230 V AC (50 Hz) or with the second supply voltage UL of 36 V DC, which is significantly different than the first supply voltage.
  • the electric motor 12 With M * N series-connected identical windings 48 of a stator pole 44 1 , 44", 44 m , the electric motor 12 can thus be operated with (M * N) times the supply voltage compared to M * N parallel-connected windings 48, while in parallel operation a (M*N) times the total current can flow compared to the series circuit.
  • the switching device 50 can be designed electronically or electromechanically. This will be discussed in more detail below in connection with FIGS. Switching between the operating modes of the electric motor 12 can take place either manually by means of a mode switch 52 that can be actuated by the operator and/or automatically by means of a sensor system 54 of the electrical processing device 10 .
  • the control or regulating electronics 38 of the electrical processing device 10 can evaluate a request signal from the operating mode switch 52 or the sensor system 54 for switching between the operating modes of the electric motor 12 and control the switching device 50 for parallel and/or series connection of the corresponding windings 48. If the switching device 50 is constructed electromechanically, it is alternatively also conceivable that the operating mode switch 52 is mechanically coupled to the switching device 50 and adjusts it directly.
  • the request signal can be generated, for example, via a cover flap 56 for a mains connection 58 of the electrical processing device 10 . This is closed during battery operation and open during mains operation as a result of an inserted mains plug 60 of the mains cable 22 .
  • the position of the cover flap 56 is detected by means of the sensors 54, for example in the form of a reed contact or microswitch, and the corresponding request signal for operation with the first supply voltage UH is sent to the control or regulating electronics 38.
  • operation with the first supply voltage UH has priority over operation with the second supply voltage UL.
  • the power supply with the highest performance has priority.
  • the power electronics 36 is divided into a first power electronics 36H for operation with the first supply voltage UH and in at least one second power electronics 36L for operation with the at least one second supply voltage UL.
  • the two electronic power units 36H, 36L are electrically isolated from one another. This will be discussed in more detail later with reference to FIG.
  • the electrical contacts of the unused electromechanical interface 19 for the battery pack 20 and in the case of the ku the electrical contacts of the unused mains connection 58 of the electrical processing device 10 are electrically isolated.
  • This galvanic isolation can be effected by switching elements of the switching device 50 (not shown in detail) which, in the case of an electromechanical design of the switching device 50, have corresponding air and creepage distances.
  • switching elements of the switching device 50 (not shown in detail) which, in the case of an electromechanical design of the switching device 50, have corresponding air and creepage distances.
  • the cover flap 56 of the mains connection 58 can be locked electromechanically or use of the electrical working device 10 can only be released when the cover flap 56 is locked.
  • a locking of the electromechanical interface 19 for the battery pack 20 is conceivable, in which case it could also be sufficient here to cover only the individual electrical contacts of the interface 19, for example with sliding plastic caps or the like.
  • the generation of the request signal or the detection of the desired operating mode can be implemented in various other ways. For example, it could also be done using a human-machine interface (HMI) in the form of a control panel or a touch display on the electrical processing device 10, which the operator has to operate accordingly.
  • HMI human-machine interface
  • Such an HMI can also serve as a display for the operating mode set using the switching device 50 .
  • the switching device 50 itself can also have a corresponding display, for example in the form of an LED or the like.
  • control via an app via a wireless interface via WLAN, Bluetooth or the like on the electrical processing device 10 would be conceivable.
  • a switch or button on the power cord 22 would also be possible.
  • Safety features are also conceivable, such as an automatic or manual switchover to mains operation when the electrical processing device 10 is being transported with one or more battery packs 20 inserted.
  • an automatic switching takes place when not in use for a longer period of time by a motion or acceleration sensor integrated in the electrical processing unit 10 .
  • the electrical processing device 10 is transported with several battery packs 20 (e.g. 2 x 18 V) connected in series, galvanic isolation of the individual battery packs 20 is also conceivable in order to comply with the corresponding transport standards, since each battery pack 20 is then regarded as an individual battery pack becomes.
  • An automatic switchover from battery to mains operation can be provided if there is a sudden temperature rise in one of the inserted battery packs 20, particularly when the electrical processing device 10 is being supplied by several battery packs 20 connected in series. The same is conceivable if there is an abrupt voltage drop in the at least one second supply voltage UL, or if it is outside a permissible voltage range.
  • each stator pole 44 1 , 44", 44 m M 2 stator teeth 46
  • the number of windings 48 per stator pole 44 1 , 44", 44 m should be an integer divisible by M, e.g. in the case of 2 stator teeth 46 per stator pole 44 1 , 44", 44 m 26 instead of 25 and 16 instead of 15 windings 48.
  • the switching device 50 connects the windings 48 of a stator pole 44 1 , 44", 44 m in parallel in such a way that, in the case of a small maximum current, a smaller number J ⁇ M*N windings 48 is connected in parallel than in the case of a maximum current that is significantly higher than the small maximum current
  • windings 48 can be connected in series in order to be able to operate the electric motor 12 with different mains voltages
  • the switching device 50 can switch at least part of the M * N windings 48 of a stator pole 44 1 , 44", 44 m in parallel and in series for operation with at least one intermediate voltage Uz, with the intermediate voltage Uz between the at least one first supply voltage UH and the at least one second supply voltage UL.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the electric motor 12 according to the invention, in which the switchover between operation with the first supply voltage UH and operation with the at least one second supply voltage UL takes place in such a way that the switching device 50 is designed for operation with the first supply voltage UH a first winding 48 1 of a stator tooth 46", in particular a winding 48 with a large number of turns and a small cross section, and for operation with the at least one second supply voltage UL a second winding 48" of the stator tooth 46", in particular a winding 48 with a small number of turns and a large cross section.
  • the second winding 48" is wound over the first winding 48 1 in a particularly advantageous manner.
  • windings 48 can be designed in such a way that the electric motor 12 can be operated in both operating modes with essentially the same maximum power.
  • more than two windings 48 per stator tooth 46 1 , 46" and fewer or more than two stator teeth 46 per stator pole 44 1 , 44", 44 m are conceivable.
  • the invention can also be used for very small or high-speed electric motors 12 with only one stator tooth 46 per stator pole 44 1 , 44", 44 m (simple three-phase EC motors).
  • FIG. 4 shows the connection of the three phases U, V, W of the electric motor 12 controlled by the power bridge 34 by PWM signal with windings 48 of the three stator poles 44 connected in parallel in a delta connection.
  • the two windings 48 of the stator teeth 46 of each stator pole 44 1 , 44", 44 m are combined as a group.
  • the electric motor 12 cannot be switched over to a star connection in battery operation with the at least one second supply voltage UL, but can only be operated with phases U, V, W connected in a delta.
  • all windings 48 are supplied with a lower motor voltage UM than in mains operation with the first supply voltage UH and the electric motor 12 runs with reduced power.
  • This then allows, for example, a gentle start-up of the electric motor 12 of an electrical processing device 10 designed as a drill hammer in order to generate the most effective possible impact energy.
  • this procedure can also include a warm-up, reduced operation for exchangeable battery packs 20 with reduced Deteriorated performance (e.g. due to aging) or reduced power consumption when idling.
  • a so-called booster operation can also be implemented in which the switching device 50, all windings 48 of the stator teeth 46 are briefly energized for operation with the at least one first supply voltage UH and for operation with the at least one second supply voltage UL, in order to achieve significantly higher motor power to cover power peaks - Operation is additionally or alternatively possible according to the exemplary embodiment according to FIG.
  • Booster operation can also be implemented in such a way that at least one of the windings 48 of a stator tooth 46 1 , 46 ′′ is only additionally energized for this purpose and otherwise remains without current for battery and mains operation in the normal power range.
  • Each winding 48 1 , 48" of the electric motor 12 has two electrical contact points 62 connected to the switching device 50.
  • the phase U or the stator pole 44 1 within a schematic box 64 1 was shown in detail in FIG.
  • the two remaining phases V and W or stator poles 44", 44 m are configured accordingly and are therefore only shown as empty boxes 64" and 64 m .
  • the electrical contact points 62 between the electric motor 12 and the switching device 50 can be designed as plug connections, crimp connections, screw connections, soldered connections or welded connections (cf. FIG. 7).
  • switching device 50 For each phase U, V, W or stator pole 44 1 , 44", 44 m , switching device 50 has a plurality of first switching elements 66 for series connection of windings 48 of stator teeth 46 and a plurality of second switching elements 68 for parallel connection of windings 48 of stator teeth 46
  • first switching elements 66 and N windings 48 per stator tooth 46 1 , 46" For each stator pole 44 1 , 44", 44 m each with M stator teeth 46 and N windings 48 per stator tooth 46 1 , 46" for series connection and/or for parallel connection of the total of M * N stator windings 48 M * N - 1 first switching elements 66 and M * (2N - 1) second switching elements 68 are provided.
  • the first switching elements 66 of the switching device 50 are closed and the second switching elements 68 are opened, while for the parallel connection of the windings 48 in the reverse manner the first switching elements 66 are opened and the second switching elements 68 are closed.
  • the windings 48 are connected in series.
  • the third switching elements 70 are closed and the fourth switching elements 72 are opened for the star connection of the phases U, V, W, while the third switching elements 70 are opened and the fourth switching elements 72 are closed for the delta connection of the phases U, V, W
  • there is also a delta connection ie a further switching variant of the invention compared to FIGS. 4 and 5.
  • N - 1) + M * (2N - 1)) 63 first and second switching elements 66, 68 for the To switching device 50 required, the third and fourth switching elements 70, 72 then accounted for.
  • all first and third switching elements 66, 72 are then closed and all second and fourth switching elements 68, 72 are opened.
  • all first and third switching elements 66, 70 open. This can be done simultaneously or with particular advantage to avoid short circuits with a dead time T of a few nanoseconds up to a few seconds between the switching processes of the first and second switching elements 66, 68 or third and fourth switching elements 70, 72.
  • a switchable load 74 is provided for each stator pole 44 1 , 44", 44 m in the case of star connection. This is such connected between the fourth switching element 72 and a ground potential GND of the switching device 50, so that it can only act when the fourth switching element 72 of the switching device 50 is closed.
  • the switchable load 74 has a parallel connection of a further switching element 76 and a power resistor 78. By closing the The load 74 can be deactivated and activated by opening another switching element 76.
  • switchover device 50 has at least one additional switchover element (not shown) for switching over two position and/or speed sensors 78H, 78i_ for rotor 40 of electric motor 12, depending on whether electric motor 12 is operated with the first supply voltage UH or with the at least one second supply voltage UL (cf. FIG. 2). It is thus possible to adapt the position and/or rotational speed sensors 78H, 78L in a particularly simple manner to the control or regulating electronics 38 or the power electronics 36H, 36L controlled by them for the correct operation of the electric motor 12. This is necessary because typically for the power electronics 36H, 36L for the first and the at least one second supply voltage UH, UL different sensor positions of the individual sensors present.
  • the three Hall sensors of position and/or speed sensors 78H for power electronics 36H are distributed differently over the circumference of rotor 40 than the three Hall sensors of position and/or speed sensors 78L for power electronics 36i_. It is also conceivable to use one of the three Hall sensors of the position and/or speed sensors 78H, 78L jointly for the power electronics 36H, 36L, so that a total of only five Hall sensors are required. Furthermore, it is possible to use the same three Hall sensors for both power electronics 36H, 36L. However, in this case too, switching by means of switching device 50 is advantageous for safe operation of the respective power electronics 36H, 36L.
  • the position and/or speed sensors 78H, 78L are preferably switched over when the electric motor 12 is not in operation, for example in order to secure the clearance or creepage distances between the mains and battery supply or to avoid EMC interference.
  • All switching elements of the switching device 50 can be designed as semiconductor switches, in particular as MOSFETs, field effect transistors, IGBT, bipolar transistors, or the like. Relays are also conceivable. Depending on the load capacity and switching speed requirements, however, mixed forms are also possible in which, for example, the first and second switching elements 66, 68 are designed as semiconductor switches and the third and fourth switching elements 70, 72 and the further switching elements 76 are designed as relays.
  • the switching over, in particular of the first, second, third and fourth switching elements 66, 68, 70, 72 of the switching device 50 takes place by means of the control or regulating electronics 38 integrated in the electrical processing device 10, depending on the operating mode switch 52 or of the sensor system 54.
  • the control or regulating electronics 38 depending on the main switch 28, activate the power bridge 34 in order to apply the PWM voltage UM to the windings 48 of the individual phases U, V, W.
  • the switching device 50 is therefore circuitry between the power bridge 34 and the electric motor 12.
  • switching device 50 can also be designed electromechanically with corresponding switching elements designed as switching contacts. A hybrid of semiconductor switches and electromechanical switching contacts is also conceivable.
  • the first and second switching elements 66, 68 required for series and/or parallel switching of the windings 48 and the switching elements required for the position and/or speed sensors 78 can be configured as electromechanical switching contacts and those for the star or delta connection of the Phases U, V, W necessary third and fourth Druckelemen te 70, 72 and necessary for the country-specific network adaptation wide ren switching elements 76 can be designed as semiconductor switches.
  • FIG. 7 shows an exploded drawing of the electric motor 12 according to the invention with the rotor 40, the stator 42, an adapter ring 80 on the stator side and the electromechanically designed switching device 50 according to the invention.
  • the switching device 50 is designed as a modular assembly of the electric motor 12, which is constructed along an axis defined by the motor shaft 30 of the electric motor 12.
  • the rotor 40 has a plurality of permanent magnets 82 which are rotatably connected to the motor shaft 30 .
  • a fan 84 for cooling the electric motor 12 and, if applicable, the power electronics 36 of the electrical processing device 10 is also connected to the motor shaft 30 in a torque-proof manner may be stored in the stator 42.
  • the stator 42 in turn has the windings 48 distributed over its inner circumference on the stator teeth 46 (cf. also FIGS. 2 and 3 in this regard).
  • the stator 42 is surrounded by a pole pot 88 designed as a laminated core.
  • the switching elements 66, 68, 70, 72, 76 of the switching device 50 are connected to the windings 48 of the stator poles by means of the electrical contact points 62 formed on the adapter ring 80 as contact pins 90 and on the switching device 50 as contact sockets 68 (not shown in detail). 44 or stator teeth 46 on a side facing away from the motor shaft 30 of the electromobility sector 12 reversibly connectable.
  • the electrical contact points 62 are each Weil distributed in a ring on the adapter ring 80 and on an outer circumference of the Switching device 50 arranged.
  • the switching device 50 can be very simply plugged into the adapter plate 80 of the stator 42 by the manufacturer and, if necessary, removed from it again.
  • the contact pins 90 are in turn permanently soldered, crimped or welded to the windings 48 of the stator 42 .
  • the contact sockets 92 of the switching device 50 can be connected in one piece to the switching elements 66, 68, 70, 72, 76 via copper tracks in the sense of a stamped grid or also via soldered, crimped or welded connections.
  • the electrical contact points 62 between the switching device 50 and the adapter ring 80 or the windings 48 to be permanently soldered or welded.
  • a direct crimp or screw connection of the windings 48 with the switching elements 66, 68, 70, 72, 76 or the electrical contact points 62 of the switching device 50 is also possible.
  • the electromechanical switching device 50 is constructed in two parts. It consists of a cup-shaped housing part 94 and a cover 96 which is designed as a rotatable mode switch 52 in the embodiment shown.
  • a cup-shaped housing part 94 out as contact sockets 92 formed electrical contact points 62 are arranged in a ring and beispielswiese per stamped tracks, cables or conductor tracks of a printed circuit board with the Anschlüs sen of the switching elements 66, 68, 70, 72, 76 connected.
  • connections of the switching elements 66, 68, 70, 72, 76 can be designed, for example, as contact slides or contact springs 98, which consist of a copper alloy such as CuSn6, or are designed as sandwich springs consisting of spring steel with a copper layer and slide over corresponding contact tracks 100 (see also FIG. 9).
  • FIG. 8a with reference to FIG.
  • the first and second switching elements 66, 68 and the third and fourth switching elements 70, 72 each share a contact slider 98 as a common electrical contact point 62 (cf. also FIG. 6).
  • the respective switching element 66, 68, 70, 72 is only electrically closed if both contact sliders 98 of a switching element 66, 68, 70, 72 have electrical contact with a contact track 100; otherwise it is open.
  • the switching device 50 for the windings 48 of the two other stator poles 44", 44 m must either have two further circuit boards 102, which are constructed in accordance with the circuit board 102 shown and are adjacent to the first circuit board 102 are arranged, but carry no more contact tracks 100 for the third and fourth switching elements 70, 72 on the inner circular path, or on two other circles each have the additionally required three first and six second switching elements 66, 68 per phase V, W or stator pole 44", 44 m .
  • the arc length and positioning of the individual contact tracks 100 must also be designed in such a way that no faulty switching states arise for the desired operating modes.
  • clearances or creepage distances 106 are provided on the printed circuit board 102 adjacent to the contact tracks 100 in order to generate the dead time T between the switching operations.
  • the at least one printed circuit board 102 is operatively connected indirectly (e.g. via a linkage, transmission or the like) or, as shown in Figure 8b, directly to the operating mode switch 52 in such a way that turning the operating mode switch 52 by the operator in the direction of rotation R causes the first and third switching elements 66 to close , 70 and an opening of the second and fourth switching elements 68, 72 to produce a series connection of the windings 48 of a Stator pole 44 1 , 44", 44 m in connection with a star connection of the phases U, V, W (cf. Figure 5).
  • the switching device 50 has a second plate-shaped printed circuit board 102 which can be rotated independently of the first printed circuit board 102 and has the third and fourth switching elements 70, 72 for optional Delta or star connection of the three phases U, V, W or stator poles 44 has.
  • the windings 48 and the phases U, V, W can be connected independently of one another by means of a correspondingly two-part operating mode switch 52 .
  • the other switching elements 76 for the switchable load 74 to adapt to national conditions of the first supply voltage UH and/or the switching elements for switching over the position and speed sensors 78 (cf. FIG. 2) can also be implemented in an analogous manner.
  • FIG. 8b shows a section through the switching device 50 according to FIG. 8a, with the housing part 94 and the cover 96 designed as an operating mode switch 52 also being shown.
  • the contact tracks 100 interacting with the contact sliders 98 are arranged on their respective circular tracks on one side of the printed circuit board 102 .
  • the printed circuit board 102 is directly operatively connected to the operating mode switch 52, so that turning the operating mode switch 52 by the operator also directly means turning the circuit breaker. terplatte 102 causes.
  • further printed circuit boards of the switching device 50 that are adjacent to the first printed circuit board 102 can also be operatively connected to the operating mode switch 52.
  • FIG. 8c A further section through the switching device 50 is shown in FIG. 8c.
  • the circuit board 102 is now printed on both sides with the contact tracks 100 for the switching elements 66, 68, 70, 72.
  • several such circuit boards 102 can of course also be used here for switching over the windings 48 of the stator poles 44 and the phases U, V, W.
  • Figure 9 shows two further exemplary embodiments of the switching device 50 in a perspective detail for the first and second switching elements 66, 68. These also apply as examples to the other switching elements of the switching device 50.
  • the carrier 104 is designed as a printed circuit board 102 now slidably arranged along a displacement direction R.
  • circuit board 102 also interacts with a movable mode switch 52 (not shown) for switching over first and second switching elements 66, 68 in such a way that moving mode switch 52 results in complementary opening and closing of first and second switching elements 66, 68 causes the contact tracks 100 printed on the printed circuit board 102 .
  • a rotatable operating mode switch 52 can also be used in conjunction with a correspondingly designed linkage, which transforms the rotary movement into a linear movement.
  • FIG. 10 is intended to make it clear in particular that a prism 108 (Figure 10a), a cuboid 110 ( Figure 10b) or a U-profile 112 ( Figure 10c) with correspondingly positioned contact tracks 100 can also be used as the carrier 104, with analogous FIG. 9 an opening and closing of the first and second switching elements 66, 68 is brought about by a linear displacement of the carrier 104.
  • a prism 108 Figure 10a
  • Figure 10b a cuboid 110
  • Figure 10c U-profile 112
  • the carrier 104 is designed as a rotatable roller 114, in particular for the switching elements 76 for activating and deactivating the load 74 (cf. FIG. 6).
  • FIG. 11b shows a section through the roller 114 shown in perspective in FIG. 11a.
  • Other possible carrier shapes would be a truncated cone, a sphere or the like.
  • electromechanical switching device 50 can also be combined with one another.
  • a combination of an electromechanical and an electronic switching device 50 consisting of semiconductor switches or relays in the electrical processing device 10 is also conceivable.
  • the contact tracks 100 can also be designed as a stamped grid, which is overmoulded with a plastic and which then forms the cup-shaped housing part 94 itself.
  • the electrical processing device 10 can be topologically divided into a predominantly mechanical driven part 116 beyond a topological dividing line 118 and a supply and drive part 120 on this side of the topological dividing line 118.
  • This side should be the side facing the electrical supply and "this side” should be the side facing the electrical supply. beyond” means the side of the electrical processing device facing the processing of a workpiece 10 to be understood.
  • This side is therefore to be regarded as functionally before and “beyond” as functionally behind the topological dividing line 118 .
  • the driven part 116 is often designed specifically for the application of the electrical processing device 10 and can therefore, in contrast to the supply and drive part 120, generally not be produced and used universally for various types of electrical processing devices.
  • the main components of the output part 116 are the gear 24 and a special output mechanism 122 for the respective area of application of the electrical processing device 10.
  • the output part 116 should therefore be understood as a mechanism that uses the drive energy of the electric motor 12 to use the electrical processing device 10 mechanically converts.
  • An example of an output mechanism 122 of the output part 116 would be the percussion mechanism 26 mentioned in the description of FIG.
  • the chassis of a vehicle, the grinder of a food processor, the device for generating and directing the air flow of a fan or the like can also form the driven mechanism 122 .
  • Components of supply and drive part 120 that are essential to the invention are power electronics 36, which have switchover device 50, and electric motor 12 be omitted for the sake of clarity.
  • the power electronics 36 is divided into the first power electronics 36H for operation with the first supply voltage UH and the at least one second power electronics 36L for operation with the at least one second supply voltage UL, with the first supply voltage UH being supplied, for example, by a national power grid (indicated is provided by the socket), while the at least one second supply voltage UL is supplied by the battery pack 20.
  • the first power electronics 36H is embodied as AC electronics and the at least one second power electronics 36L is embodied as DC electronics.
  • the two power electronics 36H, 36L are preferably electrically isolated from one another in order to avoid voltage flashovers between them. Both power electronics 36H, 36L have in common Power bridge 34 for controlling the electric motor 12 via the switching device 50 by means of the PWM voltage UM.
  • the switching device 50 is located within the electrical processing device 10 on this side of the topological dividing line 118 between the electric motor 12 and the power bridge 34. As described above, it can be designed as a modular assembly of the electric motor 12 or can be mechanically derived from the electric motor 12 Separate assembly elsewhere in the electrical processing device 10 are located. A division of the switching device 50 into an electronic and an electromechanical part or into several electromechanical or electronic parts within the electrical processing device 10 is possible.
  • the battery pack 20 is in the form of a replaceable battery pack.
  • a rechargeable battery or rechargeable battery pack 20 permanently integrated in the electrical processing device 10 is also conceivable.
  • a mixed form of integrated battery and replaceable battery pack is also possible.
  • several exchangeable battery packs 20 electrically connected in series or in parallel can be used on the electrical processing device 10 .
  • the switching device 50 then activates the first or the second power electronics 36H, 36L.
  • FIG. 13 shows a further exemplary embodiment of an electrical processing device 10 in the form of a demolition hammer.
  • a major difference from the impact wrench according to FIG. 1 is the power supply of the demolition hammer with two battery packs 20. In the case of two series-connected battery packs 20, each with 18 V, this results in a second supply voltage UL of 36VDC.
  • the electric motor 12 can be assigned to a significantly higher performance class, but without anything changing in the topological division of the electrical processing device 10 into the driven part 116 and the supply and drive part 120, as described in FIG.
  • switching between the operating modes of the electric motor 12 can be carried out either manually by an operator or automatically by means of a sensor system 54 of the electrical processing device 10 .
  • the operator can also switch over the operating mode of the electric motor 12 via the operating mode switch 52, an HMI, an app or the like.
  • FIG. 14 shows the demolition hammer from FIG. 13 in a further exemplary embodiment.
  • the switching device 50 of the power electronics 36 which is designed in particular electromechanically, is arranged separately from the electric motor 12 in the housing 14 of the demolition hammer.
  • the operating modes can be switched over by the operator using the operating mode switch 52 .
  • the first power electronics 36H are for operation with the first supply voltage UH, in particular with a mains voltage
  • the second power electronics 36L are for operation with the second supply voltage UL, in particular with a battery voltage, as well as the power bridge 34 integrated therein for control of the electric motor 12 with the PWM voltage UM as a separate unit from the switching device 50 in the housing 14 hen vorgese.
  • both the switching device 50 and the rest of the power electronics 36 each have separate sub-housings 124 which are in turn connected to the housing 14 in a fixed or integral manner.
  • the output mechanism 122 and the electric motor 12 together with the gear 24 are mounted in the housing 14 by means of at least one damping element 126.
  • rubber dampers or The like or at least a damping actuator controlled by the control or control electronics 38 are conceivable as damping elements 126 .
  • the switching device 50 itself to be decoupled from the housing 14.
  • the switching device 50 being designed as an electronic switching device 50 with the sub-housing 124. It is also possible that, in the case of an electromechanical switching device 50, the modular subassembly consisting of the housing part 94 and the cover 96 designed as an operating mode switch 52 is mounted vibration-decoupled in the housing 14 of the electrical processing device 10.
  • the switching device 50 can also be arranged in the housing 14 at a defined angle that is not equal to 0 or 180° to the electric motor 12 . A vibra tion decoupled storage of the modular assembly together with the elec romotor 12 in the housing 14 is conceivable.
  • the switching device 50 arranged in the sub-housing 124 is mounted in a vibration-decoupled manner on corresponding holding elements 130 of the housing 14 for receiving the rubber buffers 128 via damping elements 126 designed essentially as square rubber buffers 128 .
  • a plan view is shown on the left-hand side of FIG. 15a and a side view is shown on the right-hand side.
  • the sub-housing 124 is therefore mounted in the housing 14 via a total of eight rubber buffers 128 and eight retaining elements 130 . Vibrations of the housing 14 can thus be sufficiently dampened to protect the switching device 50 from damage during operation of the electrical processing device 10 .
  • FIG. 15b shows the plan view of a second embodiment of the damping element 126 as a polygonal rubber buffer 128 with at least one internal air chamber 132.
  • a third exemplary embodiment of the damping element 126 is shown as a sub-housing 124 fully enclosing at least in one direction, essentially barrel-shaped Rubber buffers 130 with corresponding lateral air chambers 132 are shown.
  • the switching device 50 with their sub-housing 124 simply plugged into this rubber buffer 130 who the.
  • holding elements 130 are provided on the housing 14, the shape of which is adapted in a complementary manner to the shape of the damping elements 126 for the best possible fixing and mounting.
  • FIG. 16 shows further embodiments of the damping element 126 for the switching device 50.
  • the damping element 126 is embodied as a stamped rubber foil 134, which is stretched over four retaining elements 130 of the housing 14, embodied as eyelets or domes 136, and which support the sub-housing 124 of the Switching device 50 carries almost hanging.
  • the sub-housing 124 has a projection 138 which engages through an opening in the rubber film and which is fixed to the rubber film 134 via six corresponding retaining elements 140 .
  • the damping element 126 is designed as a rubber ring 142 which is mounted on the housing 14 via four eyelets or domes 136 and which carries the sub-housing 124 of the switching device 50 hanging via four retaining elements 140 designed as hooks.
  • FIG. 16c shows a further possible embodiment of the rubber foil 134 from FIG. 16a, which is now only mounted on two eyelets or domes 136 in the housing 14. In contrast to FIG. 15, where the at least one damping element 126 exerts a compressive force F on the subhousing 124 or the switching device 50, in FIG. 16 it is a tensile force F.
  • the damping elements 126 are designed as springs, a compressive force F acting in FIG. 17 analogously to FIG. 15 and a tensile force F acting in FIG. 18 analogously to FIG.
  • the damping elements 126 are each designed as leaf springs 144, as spiral springs 146 and as leg fenders 148, which, depending on the design, have appropriately designed holding elements 130, 140 on the housing 14 of the electrical processing device 10 or on the sub-housing 124 of the switching device 50 interact.
  • Figures 18a and 18b each show a damping element 126 designed as a tension spring 150 and as a bending or torsion spring 152, which on the one hand is attached to eyelets or domes 136 of the housing 14 and on the other hand on specially designed holding elements 140 of the sub-housing 124 is mounted vibration-decoupled.
  • the electrical processing device 10 in Figure 19 is a hammer drill with a drive mechanism 122 designed as a pneumatic impact mechanism and, for example, a tool holder 18 designed as an SDS drill chuck for an insert tool 32 designed as an SDS drill.
  • the motor shaft 30 of the electric motor 12 driven gear 24 is specially designed for the application of the hammer drill.
  • the output part 116 is specially adapted to the purpose of use of the electrical processing device 10, without wanting to go into further detail in the following, since this is of lesser importance for the invention as such.
  • the invention can also be used in many other electric motor-driven processing devices with at least two different supply voltages, such as kitchen appliances, construction machinery, vehicles, airplanes, ships, etc.
  • Figures 19 to 22 illustrate, corresponding to Figure 13, a topological division of the respective electrical processing device 10 into the predominantly mechanical driven part 116 beyond the topological dividing line 118 and the supply and drive part 120 on this side of the topological dividing line 118.
  • the switching device 50 is inside the housing 14 of the electrical processing device 10 is always topologically separated from the friction part 116 such that it is functionally arranged in front of the electric motor 12 and the driven part 116, in particular as part of the power electronics 36.
  • each electrical processing device 10 the power electronics 36 are divided into first power electronics 36H , in particular AC electronics, for operation with the first supply voltage UH and in at least one second power electronics 36L, in particular DC electronics, for Split operation with the at least one second supply voltage UL is, wherein the first and the at least one second power electronics 36H, 36L are electrically isolated from each other.
  • the switching device 50 is always arranged in the housing 14 on a side of the electric motor 12 which is remote from the motor shaft 30 .
  • the rotary hammer shown in Figure 19 differs significantly from the demolition hammer shown in Figure 13 in terms of its application and the driven part 116 designed for it, but both have in common the roughly power class and the energy supply via two battery packs 20. Both can therefore be electric Processing devices 10 each have a very similar supply and drive part 120 .
  • the electric motor 12 together with the switching device 50 or the complete power electronics 36 can be used as a modular assembly in both electrical processing devices 10, which significantly simplifies the manufacture and maintenance of the electrical processing devices 10 and makes it more cost-efficient.
  • other electrical processing devices 10 of similar performance classes such as the industrial vacuum cleaner shown in FIG. 21 and the lawnmower shown in FIG. 22 or the rotary impact wrench shown in FIG. 1 and the small angle grinder shown in FIG.
  • both the rechargeable batteries 20 and the electronics for charge management can either be integrated directly in the electrical processing device 10 or connected externally to the electrical processing device 10 via a cable.

Landscapes

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Abstract

The invention relates to an electric machining device (10) comprising a housing (14), an output mechanism (122), an electric motor (12) for driving the output mechanism (122), and a switchover device (50). The electric motor (12) comprises a rotor (40) and a stator (42), and the stator (42) has three stator poles (44), each stator pole (44I, 44II, 44III) having a whole-number multiple of stator teeth (46) with a respective plurality of windings (48) for driving the rotor (40). The type and/or number of windings (48) of the stator (46) is configured such that the electric motor (12) can be operated selectively using a first supply voltage (UH), in particular for a network operation, or at least one second supply voltage (UL) which differs significantly from the first supply voltage (UH), in particular for a battery operation, via three phases (U, V, W), and the switchover device (50) connects the windings (48) of the electric motor (12) in series and/or in parallel for an operation selectively using the first or the at least one second supply voltage (UH, UL). According to the invention, the switchover device (50) is arranged in the housing (14) in a vibrationally decoupled manner from the output mechanism (122) and/or the electric motor (12) by means of at least one damping element (126).

Description

Titel title
Elektrisches Bearbeitungsgerät zum wahlweisen Betrieb mit zumindest zwei unterschiedlichen Versorgungsspannungen Electrical processing device for optional operation with at least two different supply voltages
Beschreibung description
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bearbeitungsgerät zum wahlweisen Betrieb mit einer ersten oder zumindest einer zweiten Versorgungsspannung nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs 1. The invention relates to an electrical processing device for selective operation with a first or at least a second supply voltage according to the preamble of independent claim 1.
Stand der Technik State of the art
Akkubetriebene Bearbeitungsgeräte, insbesondere Handwerkzeugmaschinen, haben in den letzten Jahren zunehmend ihre netzbetriebenen Pendants abge löst, da die Akkupacks und die Elektromotoren immer leichter und leistungsfähi ger wurden. Hier haben sich besonders die so genannten elektrisch kommutier- ten (EC) bzw. bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC) etabliert. Gerade in den hohen Leistungsklassen ist es trotz der leichten und kompakten EC-Motoren und der immer leistungsfähigeren Akkus bzw. Wechselakkupacks jedoch häufig not wendig, die Bearbeitungsgeräte über einen längeren Zeitraum zu betreiben, so dass die Akkus bzw. Wechselakkupacks relativ häufig geladen und/oder ge wechselt werden müssen. Daher besteht ein Bedarf an so genannten Hybrid- Geräten mit entsprechenden Elektromotoren, die sowohl per Batterie als auch mit Netzstrom betrieben werden können. Battery-powered processing devices, especially hand-held power tools, have increasingly replaced their mains-powered counterparts in recent years, since the battery packs and electric motors have become lighter and more powerful. The so-called electrically commutated (EC) or brushless direct current motors (BLDC) have established themselves here in particular. Despite the light and compact EC motors and the ever more powerful batteries or replaceable battery packs, it is often necessary, especially in the high performance classes, to operate the processing equipment over a longer period of time, so that the batteries or replaceable battery packs are charged relatively frequently and/or charged must be changed. There is therefore a need for so-called hybrid devices with corresponding electric motors that can be operated both by battery and with mains power.
Aus der EP 3 316453 Al ist eine akkubetriebene Handwerkzeugmaschine in Gestalt eines Akkuschraubers bekannt. Die Handwerkzeugmaschine weist einen bürstenlosen Elektromotor mit einem Stator und einem innerhalb des Stators re lativ zu diesem drehend gelagerten Rotor auf. Der Stator umfasst drei Wicklun gen, wobei jede Wicklung auf zwei über den Umfang des Stators gegenüberlie genden Statorpolen verteilt ist. Die drei Statorwicklungen können mittels entspre- ehender Schaltmittel wahlweise in einer Dreieck- oder Sternschaltung betrieben werden. A battery-powered hand tool in the form of a cordless screwdriver is known from EP 3 316453 A1. The hand-held power tool has a brushless electric motor with a stator and a rotor mounted within the stator to rotate relative thereto. The stator comprises three windings, each winding being distributed over two opposite stator poles over the circumference of the stator. The three stator windings can be forthcoming switching means can be operated either in a delta or star circuit.
Die US 2019/0229599 Al offenbart ein stationäres Elektrowerkzeug, das wahl weise mit einer ersten Versorgungsspannung, insbesondere einer Netzspan nung, oder mit einer zweiten Versorgungsspannung, insbesondere einer Batte riespannung, betrieben werden kann. Das Elektrowerkzeug verfügt dazu über zwei Leistungsendstufen, wobei in Abhängigkeit von der detektierten Versor gungsspannung zum Betrieb eines Elektromotors eine erste Leistungsendstufe erste Wicklungen des Elektromotors und eine zweite Leistungsendstufe zweite Wicklungen des Elektromotors ansteuert. Die ersten und zweiten Wicklungen un terscheiden sich insbesondere in ihrer Windungsanzahl und/oder dem Draht querschnitt. Dabei ist vorgesehen, dass die Statorzähne der Statorpole des Elektromotors entweder jeweils im Wechsel die ersten oder die zweiten Wicklun gen tragen oder aber dass jeder Statorzahn jeweils eine erste und eine zweite Wicklung aufweist. Weiterhin ist auch die Möglichkeit zur Umschaltung zwischen einer Stern- und einer Dreieckschaltung gezeigt, wobei die ersten Wicklungen fest zu einer Sternschaltung und die zweiten Wicklungen fest zu einer Dreieck schaltung verschaltet sind. US 2019/0229599 A1 discloses a stationary power tool that can be operated either with a first supply voltage, in particular a mains voltage, or with a second supply voltage, in particular a battery voltage. For this purpose, the power tool has two power output stages, with a first power output stage driving first windings of the electric motor and a second power output stage driving second windings of the electric motor depending on the detected supply voltage for operating an electric motor. The first and second windings differ in particular in their number of turns and/or the wire cross-section. It is provided that the stator teeth of the stator poles of the electric motor either carry the first or the second windings in alternation or that each stator tooth has a first and a second winding. Furthermore, the possibility of switching between a star and a delta connection is also shown, the first windings being permanently connected to form a star connection and the second windings being permanently connected to form a delta circuit.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein elektrisches Bearbeitungsgerät für den wahl weisen Betrieb mit zumindest zwei unterschiedlichen Versorgungsspannungen bereitzustellen, bei dem ein dauerhaft zuverlässiger Betrieb auch bei starken mechanischen Beanspruchungen über längere Zeiträume sichergestellt ist. It is the object of the invention to provide an electrical processing device for optional operation with at least two different supply voltages, in which permanently reliable operation is ensured over long periods of time even under heavy mechanical loads.
Vorteile der Erfindung Advantages of the Invention
Die Erfindung geht aus von einem elektrischen Bearbeitungsgerät mit einem Ge häuse, einer Abtriebsmechanik, einem Elektromotor zum Antrieb der Abtriebs mechanik und einer Umschaltvorrichtung, wobei der Elektromotor einen Rotor und einen Stator umfasst, wobei der Stator drei Statorpole und jeder Statorpol ein ganzzahliges Vielfaches an Statorzähnen mit jeweils einer Mehrzahl von Wicklungen zum Antrieb des Rotors aufweist, wobei die Wicklungen der Statorzähne in ihrer Art und/oder Anzahl derart ausgelegt sind, dass der Elekt- romotor über drei Phasen wahlweise mit einer ersten Versorgungsspannung, insbesondere für einen Netzbetrieb, oder mit zumindest einer gegenüber der ers ten Versorgungsspannung deutlich unterschiedlichen zweiten Versorgungsspan nung, insbesondere für einen Akkubetrieb, betreibbar ist, und wobei die Um schaltvorrichtung die Wicklungen des Elektromotors zum wahlweisen Betrieb mit der ersten oder der zumindest einen zweiten Versorgungsspannung in Reihe und/oder parallel schaltet. Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist vorgesehen, dass die Umschaltvorrichtung in dem Gehäuse mittels zumindest eines Dämp fungselements vibrationsentkoppelt von der Abtriebsmechanik und/oder dem Elektromotor gelagert ist. Auf diese Weise ist es möglich, die Umschaltvorrich tung bzw. eine die Umschaltvorrichtung aufweisende Leistungselektronik des elektrischen Bearbeitungsgeräts vor Schäden an den entsprechenden Bauele menten sowie etwaigen elektrischen Kontakten zu schützen. Ergänzend oder al ternativ kann es daher vorgesehen sein, dass die Leistungselektronik des elektri schen Bearbeitungsgeräts mittels zumindest eines Dämpfungselements in dem Gehäuse vibrationsentkoppelt gelagert ist. The invention is based on an electrical processing device with a housing, an output mechanism, an electric motor for driving the output mechanism and a switching device, the electric motor comprising a rotor and a stator, the stator having three stator poles and each stator pole having an integer multiple of stator teeth each having a plurality of windings for driving the rotor, the windings of the stator teeth being designed in terms of their type and/or number such that the electric The motor can be operated over three phases either with a first supply voltage, in particular for mains operation, or with at least one second supply voltage that is significantly different from the first supply voltage, in particular for battery operation, and the switching device the windings of the electric motor for selective operation connected in series and/or in parallel with the first or the at least one second supply voltage. In order to achieve the stated object, it is provided that the switchover device is mounted in the housing by means of at least one damping element so that it is vibration-decoupled from the output mechanism and/or the electric motor. In this way, it is possible to protect the switching device or power electronics of the electrical processing device that has the switching device from damage to the corresponding compo nents and any electrical contacts. In addition or as an alternative, provision can therefore be made for the power electronics of the electrical processing device to be mounted in the housing in a vibration-decoupled manner by means of at least one damping element.
Als „elektrische Bearbeitungsgeräte“ sollen im Kontext der Erfindung unter ande rem akku- und/oder netzbetriebene Werkzeugmaschinen zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines elektrisch angetriebenen Einsatzwerkzeugs verstan den werden. Dabei kann das elektrische Bearbeitungsgerät sowohl als Hand werkzeugmaschine als auch als stationäre Werkzeugmaschine ausgebildet sein. Typische Werkzeugmaschinen sind in diesem Zusammenhang Hand- oder Standbohrmaschinen, Schrauber, Schlagbohrmaschinen, Hobel, Winkelschleifer, Schwingschleifer, Poliermaschinen oder dergleichen. Als elektrische Bearbei tungsgeräte kommen aber auch elektromotorisch angetriebene Garten- und Baugeräte wie Rasenmäher, Rasentrimmer, Astsägen, Motor- und Grabenfräsen, Gebläse, Roboter- Breaker und -Bagger oder dergleichen in Frage. Weiterhin ist die Erfindung auf dreiphasige Elektromotoren von Haushaltgeräten, wie Staub sauger, Mixer, etc. anwendbar. Unter dem Begriff elektrisches Bearbeitungsgerät können zudem elektromotorisch angetriebene Straßen- und Schienenfahrzeuge sowie Flugzeuge und Schiffe verstanden werden. In the context of the invention, “electrical processing devices” should be understood to mean, among other things, battery-operated and/or mains-operated machine tools for processing workpieces using an electrically driven insert tool. The electrical processing device can be designed both as a hand machine tool and as a stationary machine tool. In this context, typical machine tools are hand-held or stationary drills, screwdrivers, percussion drills, planers, angle grinders, orbital grinders, polishing machines or the like. However, garden and construction equipment driven by an electric motor such as lawnmowers, grass trimmers, pruning saws, motor and trench cutters, blowers, robot breaker and excavator or the like can also be used as electrical processing devices. Furthermore, the invention is on three-phase electric motors of household appliances, such as vacuum cleaners, mixers, etc. applicable. The term electrical processing device can also be understood to mean road and rail vehicles driven by electric motors, as well as aircraft and ships.
Unter einem „Betrieb mit einer ersten Versorgungsspannung“ bzw. einem „Netz betrieb“ soll insbesondere ein Betrieb mit einer Wechselspannung (AC) im Be- reich von ca. 110 bis 240 V verstanden werden. Für Industrieroboter, Straßen- und Schienenfahrzeuge sowie Flugzeuge und Schiffe kommen aber auch deut lich höhere Wechselspannungen von mehreren 1000 V in Betracht. Dabei sind die typischen Wechselspannungen primär von den länderspezifischen Werten und den Einsatzzwecken abhängig. Unter einem „Betrieb mit einer gegenüber der ersten Versorgungsspannung deutlich unterschiedlichen zweiten Versor gungsspannung“ bzw. einem „Akkubetrieb“ soll insbesondere ein Betrieb mit ei ner Gleichspannung (DC) im Bereich von 3,6 bis 180 V verstanden werden. Doch auch hier können für Fahrzeuge, Flugzeuge und Schiffe noch deutlich höhere Akkuspannungen von mehreren 100 V in Frage kommen. Die Gleichspannungs werte richten sich in erster Linie nach den typischen Zellspannungen von Li- lonen-Zellen. Es kommen aber auch andere Zellspannungen für z.B. Pouch- Zellen und/oder Zellen mit anderer elektrochemischer Zusammensetzung in Fra ge. Zudem sei angemerkt, dass sich der Begriff „deutlich unterschiedliche Ver sorgungsspannung“ nicht nur auf die Amplitude, sondern auch auf die Frequenz der Versorgungsspannung beziehen kann. Für einen Akkubetrieb können sowohl austauschbare Wechselakkupacks als auch fest integrierte Akkus mit einer be liebigen Anzahl von Akkuzellen in Frage kommen. Da der Fachmann derartige Akkus und Wechselakkupacks hinlänglich kennt, soll hierauf nicht weiter im De tail eingegangen werden. Die Begriffe Akku, Akkupack und Wechselakkupack sollen nachfolgend als Synonym verstanden werden, da sie für die Erfindung dieselbe Bedeutung haben. “Operation with a first supply voltage” or “mains operation” means in particular operation with an alternating voltage (AC) in the ranging from approx. 110 to 240 V. Significantly higher AC voltages of several 1000 V can also be used for industrial robots, road and rail vehicles, aircraft and ships. The typical AC voltages are primarily dependent on the country-specific values and the intended use. “Operation with a second supply voltage that is significantly different from the first supply voltage” or “battery operation” should be understood to mean, in particular, operation with a direct voltage (DC) in the range from 3.6 to 180 V. But even here, significantly higher battery voltages of several 100 V can be considered for vehicles, airplanes and ships. The DC voltage values are based primarily on the typical cell voltages of lithium ion cells. However, other cell voltages are also possible, for example for pouch cells and/or cells with a different electrochemical composition. It should also be noted that the term "significantly different supply voltage" can refer not only to the amplitude but also to the frequency of the supply voltage. For battery operation, both exchangeable battery packs and permanently integrated batteries with any number of battery cells can be considered. Since those skilled in the art are well acquainted with such rechargeable batteries and replaceable battery packs, they will not be discussed in any more detail. The terms rechargeable battery, rechargeable battery pack and exchangeable rechargeable battery pack are to be understood below as synonyms, since they have the same meaning for the invention.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Um schaltvorrichtung derart ausgelegt ist, dass sie die Phasen des Elektromotors zu sätzlich in einer Sternschaltung oder in einer Dreieckschaltung verschalten kann. Durch die wahlweise Verschaltung der Phasen als Stern- oder Dreieckschaltung ergibt sich einerseits in Verbindung mit der Sternschaltung eine deutliche Redu zierung des Strombedarfs um einen Faktor von 1,73 je Phase bzw. Statorpol, was insbesondere bei einem Anlaufen des Elektromotors von Vorteil ist, während in der Dreieckschaltung hohe Ströme und Leistungen nutzbar sind. In a further embodiment of the invention, it is provided that the switching device is designed in such a way that it can additionally connect the phases of the electric motor in a star connection or in a delta connection. The optional connection of the phases as a star or delta connection results, on the one hand, in connection with the star connection, in a significant reduction in the power requirement by a factor of 1.73 per phase or stator pole, which is particularly advantageous when the electric motor starts up while high currents and power can be used in the delta connection.
Zur einfachen Umschaltung der Betriebsarten durch den Bediener ist die Um schaltvorrichtung mit einem drehbaren oder verschiebbaren Betriebsartenschal- ter des elektrischen Bearbeitungsgerät wirkverbunden. For easy switching of the operating modes by the operator, the switching device is equipped with a rotatable or sliding operating mode switch. ter of the electrical processing device operatively connected.
Eine weiter verbesserte Entkopplung in Verbindung mit einem Schutz der Um schaltvorrichtung oder der Leistungselektronik vor Verschmutzungen, Hitze und anderen Störeinflüssen, wie z.B. elektromagnetische Störungen, ist erzielbar, wenn die Umschaltvorrichtung oder die Leistungselektronik in einem separaten Subgehäuse mittels des zumindest einen Dämpfungselements von dem Gehäu se vibrationsentkoppelt gelagert sind. Dabei kann das zumindest eine Dämp fungselement als ein Gummipuffer, eine Gummifolie oder ein Gummiring ausge bildet sein, das an zumindest einem Halteelement des Gehäuses vibrationsent koppelt gelagert ist. Diese Art der Vibrationsentkopplung ist besonders günstig und bietet zum Teil auch eine sehr einfache und schnelle Möglichkeit zur Monta ge bzw. zum Austausch des Subgehäuses. A further improved decoupling in conjunction with protection of the switching device or the power electronics from dirt, heat and other interference, such as electromagnetic interference, can be achieved if the switching device or the power electronics are separated from the housing in a separate sub-housing by means of at least one damping element are mounted vibration-decoupled. The at least one damping element can be formed as a rubber buffer, a rubber foil or a rubber ring, which is mounted in a vibration-free manner on at least one holding element of the housing. This type of vibration decoupling is particularly favorable and in some cases also offers a very simple and quick option for assembling or replacing the sub-housing.
Alternativ oder ergänzend kann das zumindest eine Dämpfungselement auch als eine Blattfeder, eine Spiralfeder, eine Schenkelfeder, eine Zugfeder oder eine Torsionsfedern ausgebildet ist, das an zumindest einem Halteelement des Ge häuses vibrationsentkoppelt gelagert ist. Mit besonderem Vorteil bieten derartige Federelemente eine optimierte Vibrationsentkopplung, wenn beispielsweise ihre Federkonstanten speziell auf das Anwendungsgebiet des jeweiligen elektrischen Arbeitsgeräts angepasst sind. Alternatively or additionally, the at least one damping element can also be designed as a leaf spring, a spiral spring, a torsion spring, a tension spring or a torsion spring, which is mounted on at least one holding element of the housing so that it is vibration-decoupled. Spring elements of this type offer an optimized vibration decoupling with particular advantage if, for example, their spring constants are specially adapted to the field of application of the respective electrical working device.
Ein besonders kompakter Elektromotor in Verbindung mit einer effektiven Ent kopplung kann erzielt werden, wenn die Umschaltvorrichtung als eine modulare Baugruppe des Elektromotors ausgebildet und zusammen mit dem Elektromotor in dem Gehäuse des elektrischen Bearbeitungsgeräts vibrationsentkoppelt gela gert ist. A particularly compact electric motor in conjunction with an effective Ent coupling can be achieved if the switching device is designed as a modular assembly of the electric motor and vibration-decoupled gela siege together with the electric motor in the housing of the electrical processing device.
Die Umschaltvorrichtung sowie etwaige weitere elektrische Bauelemente zur Gleichrichtung, Spannungswandlung, Siebung und/oder Endstörung der ersten und der zumindest einen zweiten Versorgungsspannung sowie zur Ansteuerung des Elektromotors bilden zusammen eine Leistungselektronik. Unter dem Begriff „Leistungselektronik“ soll daher der Teil der den Elektromotor ansteuernden Elektronik verstanden werden, der primär die Wicklungsströme aufnimmt. Somit unterscheidet sich die Leistungselektronik von der sie ansteuernden Steuer- bzw. Regelelektronik. In der Regel ist die Leistungselektronik im elektrischen Bearbei tungsgerät verbaut und kann so spezifisch auf den jeweiligen Bedarf des Geräts angepasst werden. So sind Über- oder Unterdimensionierungen der Leistungs elektronik vermeidbar. Bearbeitungsgeräte mit hohem Energiebedarf (z.B. Win kelschleifer, große Bohr- und Abrisshämmer, professionelle Küchenmaschinen etc.) erhalten beispielsweise eine entsprechend leistungsfähige Leistungselekt ronik, während bei Bearbeitungsgeräten mit eher kleinem Energiebedarf (z.B. Schrauber, Pürierstab, etc.) eine kostengünstige und deutlich geringer belastbare Leistungselektronik zum Einsatz kommen kann. Insbesondere bei Akkugeräten ist dann keine aufwändige Leistungselektronik z.B. in Form eines DC/DC- Wandlers mit einem großen Verhältnis zwischen der Eingangs- und der Aus gangsspannung mehr erforderlich, was einen kompakten Gesamt-Antriebsstrang zur Folge hat. The switching device and any other electrical components for rectifying, voltage conversion, filtering and/or end interference of the first and the at least one second supply voltage and for controlling the electric motor together form power electronics. The term "power electronics" should therefore be understood to mean the part of the electronics that controls the electric motor, which primarily absorbs the winding currents. In this way, the power electronics differ from the control or control electronics. As a rule, the power electronics are installed in the electrical processing device and can thus be specifically adapted to the respective requirements of the device. In this way, over- or under-dimensioning of the power electronics can be avoided. Processing devices with a high energy requirement (e.g. angle grinders, large drilling and demolition hammers, professional kitchen appliances, etc.) are given correspondingly powerful power electronics, while processing devices with a rather low energy requirement (e.g. screwdrivers, hand blender, etc.) have a cost-effective and significantly less resilient one Power electronics can be used. In the case of battery-powered devices in particular, complex power electronics, for example in the form of a DC/DC converter with a large ratio between the input voltage and the output voltage, are then no longer required, resulting in a compact overall drive train.
Durch die Möglichkeit, je nach Bedarf auf einzelne Komponenten im elektroni schen Bearbeitungsgerät verzichten zu können, ergibt sich ein modulares Ge samtkonzept insbesondere aus Leistungsbrücke, Umschaltvorrichtung und Elekt romotor für die folgenden Anwendungsfälle: The possibility of being able to do without individual components in the electronic processing device, depending on requirements, results in a modular overall concept, in particular from a power bridge, switching device and electric motor for the following applications:
• Multispannungsgeräte für Hybrid- Betrieb (Akku- und/oder Netzbetrieb): das elektrische Bearbeitungsgerät kann wahlweise für einen Netzbetrieb mit mehreren ersten Versorgungsspannungen bzw. einer Zwischenspannung und zumindest einer ersten Versorgungsspannung von z.B. 120 V und 230 V und/oder für einen Akkubetrieb mit mehreren zweiten Versorgungsspan nungen von z.B. 18 V, 36 V oder 72 V ausgelegt sein. • Multi-voltage devices for hybrid operation (battery and/or mains operation): the electrical processing device can optionally be used for mains operation with several first supply voltages or an intermediate voltage and at least one first supply voltage of e.g. 120 V and 230 V and/or for battery operation several second supply voltages of e.g. 18 V, 36 V or 72 V.
• Multispannungsgeräte für Netzbetrieb: das elektrische Bearbeitungsgerät kann für einen Netzbetrieb mit mehreren ersten Versorgungsspannungen bzw. einer Zwischenspannung und zumindest einer ersten Versorgungs spannung von z.B. 120 V und 230 V ausgelegt sein. Somit kann auf den DC-Teil der Leistungselektronik verzichtet werden. • Multi-voltage devices for mains operation: the electrical processing device can be designed for mains operation with several first supply voltages or an intermediate voltage and at least one first supply voltage of 120 V and 230 V, for example. This means that the DC part of the power electronics can be dispensed with.
• Multispannungsgeräte für Akkubetrieb: das elektrische Bearbeitungsgerät kann für einen Akkubetrieb mit mehreren zweiten Versorgungsspannungen von z.B. 18 V, 36 V oder 72 V ausgelegt sein, so dass auf den AC-Teil der Leistungselektronik verzichtet werden kann. • Dualspannungsgeräte für Hybrid- Betrieb (Akku- und/oder Netzbetrieb): das elektrische Bearbeitungsgerät kann wahlweise für einen Netzbetrieb mit ei ner ersten Versorgungsspannung von z.B. 230 V oder für einen Akkube trieb mit einer zweiten Versorgungsspannung von z.B. 36 V ausgelegt sein. Dies ermöglicht den Einsatz einer einfacheren Leistungselektronik für eine reduzierte Anzahl von Reihen- bzw. Parallelverschaltungen der Wicklungen je Statorpol. • Multi-voltage devices for battery operation: the electrical processing device can be designed for battery operation with several second supply voltages of eg 18 V, 36 V or 72 V, so that the AC part of the power electronics can be dispensed with. • Dual-voltage devices for hybrid operation (battery and/or mains operation): the electrical processing device can be designed either for mains operation with a first supply voltage of, for example, 230 V or for battery operation with a second supply voltage of, for example, 36 V. This enables the use of simpler power electronics for a reduced number of series or parallel connections of the windings per stator pole.
• Einzelspannungsgeräte für Netzbetrieb, z.B. 230 V. • Single voltage devices for mains operation, e.g. 230 V.
• Einzelspannungsgeräte für Akkubetrieb, z.B. 36 V. • Single voltage devices for battery operation, e.g. 36 V.
Weitere Möglichkeiten zur Erzeugung des Anforderungssignals für die Umschal tung zwischen den Betriebsarten des Elektromotors werden nachfolgend in den Ausführungsbeispielen beschrieben. Further options for generating the request signal for switching between the operating modes of the electric motor are described below in the exemplary embodiments.
Ausführungsbeispiele exemplary embodiments
Zeichnung drawing
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren 1 bis 22 beispielhaft erläu tert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Bestandteile mit ei ner gleichen Funktionsweise hindeuten. The invention is explained below by way of example with reference to FIGS. 1 to 22, with the same reference symbols in the figures indicating the same components with the same function.
Es zeigen Show it
Fig. 1: eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbei spiels eines erfindungsgemäßen, elektrischen Bearbeitungsge räts in Form eines handgehaltenen Drehschlagschraubers, Fig. 1: a schematic representation of a first exemplary embodiment of an electrical processing device according to the invention in the form of a hand-held impact wrench,
Fig. 2: eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbei spiels eines erfindungsgemäßen Elektromotors mit einem vier Wicklungen tragenden Statorzahn, Fig. 2 shows a schematic representation of a first exemplary embodiment of an electric motor according to the invention with a stator tooth carrying four windings,
Fig. 3: eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbei spiels des erfindungsgemäßen Elektromotors mit einem zwei Wicklungen tragenden Statorzahn, Fig. 3: a schematic representation of a second Ausführungsbei game of the electric motor according to the invention with a two stator tooth carrying windings,
Fig. 4: ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemä ßen Elektromotors für eine Parallelschaltung der vier Wicklungen eines Statorpols und eine Dreieckschaltung der drei Phasen des Elektromotors, 4: a circuit diagram of an embodiment of the electric motor according to the invention for a parallel connection of the four windings of a stator pole and a delta connection of the three phases of the electric motor,
Fig. 5: ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemä ßen Elektromotors für eine Reihenschaltung der vier Wicklungen eines Statorpols und eine Sternschaltung der drei Phasen des Elektromotors, 5 shows a circuit diagram of an embodiment of the electric motor according to the invention for a series connection of the four windings of a stator pole and a star connection of the three phases of the electric motor,
Fig. 6: ein Blockschalbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungs gemäßen Umschaltvorrichtung für den Elektromotor gemäß der Figuren 3 bis 5, 6: a block diagram of an exemplary embodiment of the switching device according to the invention for the electric motor according to FIGS. 3 to 5,
Fig. 7: eine Explosionszeichnung des erfindungsgemäßen Elektromo tors mit einer erfindungsgemäßen, elektromechanischen Um schaltvorrichtung, Fig. 7: an exploded drawing of the electric motor according to the invention with an inventive electromechanical switching device,
Fig. 8: Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäße, elektromecha nische Umschaltvorrichtung mit einem verdrehbar ausgestalteten Träger, Fig. 8: Exemplary embodiments of the electromechanical switching device according to the invention with a rotatable carrier,
Fig. 9: Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäße, elektromecha nische Umschaltvorrichtung mit einem verschiebbar ausgestalte ten Träger, Fig. 9: Exemplary embodiments of the electromechanical switchover device according to the invention with a displaceably designed carrier,
Fig. 10: weitere Ausführungsbeispiele für einen verschiebbaren Träger der erfindungsgemäßen, elektromechanischen Umschaltvorrich tung, Fig. 11: ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen verdrehbaren Träger der erfindungsgemäßen, elektromechanischen Umschaltvorrich tung, Fig. 10: further exemplary embodiments for a displaceable carrier of the electromechanical switching device according to the invention, Fig. 11: another embodiment of a rotatable support of the electromechanical switching device according to the invention,
Fig. 12: ein schematisches Blockschaltbild für das erfindungsgemäße elektrische Bearbeitungsgerät, 12: a schematic block diagram for the electrical processing device according to the invention,
Fig. 13: eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbei spiels des erfindungsgemäßen, elektrischen Bearbeitungsgeräts in Form eines Abrisshammers, 13: a schematic representation of a second exemplary embodiment of the electrical processing device according to the invention in the form of a demolition hammer,
Fig. 14: eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbei spiels des erfindungsgemäßen, elektrischen Bearbeitungsgeräts in Form eines Abrisshammers, 14: a schematic representation of a third exemplary embodiment of the electrical processing device according to the invention in the form of a demolition hammer,
Fig. 15: Ausführungsbeispiele für eine vibrationsentkoppelte Lagerung der erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung mit druckbelasteten Dämpfungselementen in Form von Gummidämpfern, 15: Exemplary embodiments for a vibration-decoupled mounting of the switching device according to the invention with pressure-loaded damping elements in the form of rubber dampers,
Fig. 16: Ausführungsbeispiele für eine vibrationsentkoppelte Lagerung der erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung mit zugbelasteten Dämpfungselementen in Form von Gummidämpfern, 16: Exemplary embodiments for a vibration-decoupled mounting of the switching device according to the invention with damping elements under tensile load in the form of rubber dampers,
Fig. 17: Ausführungsbeispiele für eine vibrationsentkoppelte Lagerung der erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung mit druckbelasteten Dämpfungselementen in Form von Federdämpfern, 17: Exemplary embodiments for a vibration-decoupled mounting of the switching device according to the invention with pressure-loaded damping elements in the form of spring dampers,
Fig. 18: Ausführungsbeispiele für eine vibrationsentkoppelte Lagerung der erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung mit zugbelasteten Dämpfungselementen in Form von Federdämpfern, 18: Exemplary embodiments for a vibration-decoupled mounting of the switching device according to the invention with damping elements under tension in the form of spring dampers,
Fig. 19: eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbei spiels des erfindungsgemäßen, elektrischen Bearbeitungsgeräts in Form eines Bohrhammers, Fig. 20: eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbei spiels des erfindungsgemäßen, elektrischen Bearbeitungsgeräts in Form eines Winkelschleifers, 19: a schematic representation of a fourth exemplary embodiment of the electrical processing device according to the invention in the form of a hammer drill, 20: a schematic representation of a fifth exemplary embodiment of the electrical processing device according to the invention in the form of an angle grinder,
Fig. 21: eine schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbei spiels des erfindungsgemäßen, elektrischen Bearbeitungsgeräts in Form eines Industriestaubsaugers und Fig. 21: a schematic representation of a sixth game Ausführungsbei the electrical processing device according to the invention in the form of an industrial vacuum cleaner and
Fig. 22: eine schematische Darstellung eines siebten Ausführungsbei- spiels des erfindungsgemäßen, elektrischen Bearbeitungsgeräts in Form eines Rasenmähers. 22: a schematic representation of a seventh exemplary embodiment of the electrical processing device according to the invention in the form of a lawnmower.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Description of the exemplary embodiments
Fig. 1 zeigt beispielhaft ein als Drehschlagschrauber ausgebildetes elektrisches Bearbeitungsgerät 10 mit einem dreiphasigen Elektromotor 12. Der Drehschlag schrauber weist ein Gehäuse 14 mit einem Handgriff 16 sowie eine Werkzeug aufnahme 18 auf und ist wahlweise zur netzunabhängigen Stromversorgung me chanisch und elektrisch über entsprechend ausgebildete elektromechanische Schnittstellen 19 kraft- und/oder formschlüssig lösbar mit einem Akkupack 20 oder zur netzabhängigen Stromversorgung über ein Netzkabel 22 mit einem nicht gezeigten aber dem Fachmann bekannten Stromnetz verbindbar. Im vorliegen den Beispiel besitzt das Stromnetz eine erste Versorgungsspannung UH von 230 V AC (50 Hz) und der Akkupack 20 eine gegenüber der ersten Versorgungs spannung deutlich unterschiedliche zweite Versorgungsspannung UL von 36 V DC. Mit besonderem Vorteil kann die Erfindung aber auch auf elektrische Bear beitungsgeräte mit Akkus und Netzversorgungen anderer Spannungs- und Leis tungsklassen angewendet werden. Zudem sei darauf hingewiesen, dass die Er findung weder auf Drehschlagschrauber noch auf Handwerkzeugmaschinen im Allgemeinen beschränkt ist, sondern - wie bereits eingangs erwähnt - bei unter schiedlichen netzunabhängigen und/oder netzabhängigen elektrischen Bearbei tungsgeräten Anwendung finden kann. In dem Gehäuse 14 sind exemplarisch der von dem Akkupack 20 bzw. über das Netzkabel 22 mit Strom versorgte Elektromotor 12 samt einem Getriebe 24 und einem Schlagwerk 26 angeordnet. Der Elektromotor 12 ist über einen Haupt schalter 28 betätigbar, d.h. ein- und ausschaltbar sowie in seiner Drehzahl und/oder seinem Drehmoment veränderbar. Der Elektromotor 12 und das Ge triebe 24 können alternativ auch in einem gemeinsamen Subgehäuse oder in se paraten Motor- und Getriebegehäusen angeordnet sein, die ihrerseits im Gehäu se 14 aufgenommen sind. Das Schlagwerk 26 wird über eine Motorwelle 30 des Elektromotors 12 angetrieben und ist beispielhaft als ein Dreh- bzw. Rotations schlagwerk ausgebildet, das schlagartige Drehimpulse mit hoher Intensität er zeugt und auf die Werkzeugaufnahme 18 überträgt, die zur wechselbaren Auf nahme eines Einsatzwerkzeugs 32 dient. Da die Werkzeugaufnahme 18 und das Einsatzwerkzeug 32 für die Erfindung als solche ohne Bedeutung sind, soll hie rauf nicht näher eingegangen werden. Die möglichen Ausgestaltungsformen sind dem Fachmann hinlänglich bekannt. Fig. 1 shows an example of an electrical processing device 10 designed as a rotary impact wrench with a three-phase electric motor 12. The rotary impact wrench has a housing 14 with a handle 16 and a tool holder 18 and can be optionally powered mechanically and electrically via appropriately designed electromechanical interfaces for mains-independent power supply 19 can be releasably connected to a battery pack 20 in a non-positive and/or positive manner or, for mains-dependent power supply, via a mains cable 22 to a mains supply, which is not shown but is known to the person skilled in the art. In the present example, the power grid has a first supply voltage U H of 230 V AC (50 Hz) and the battery pack 20 has a second supply voltage U L of 36 V DC that is significantly different from the first supply voltage. With particular advantage, the invention can also be applied to electrical processing equipment with rechargeable batteries and mains supplies of other voltage and power classes. It should also be pointed out that the invention is neither limited to impact wrenches nor to hand-held power tools in general, but - as already mentioned - can be used with different mains-independent and/or mains-dependent electrical processing devices. The electric motor 12 , which is supplied with power by the battery pack 20 or via the mains cable 22 , together with a gear 24 and an impact mechanism 26 are arranged in the housing 14 , for example. The electric motor 12 can be actuated via a main switch 28, ie it can be switched on and off and its speed and/or torque can be changed. The electric motor 12 and the Ge gear 24 can alternatively be arranged in a common sub-housing or in se paraten motor and gear housings, which in turn se in the housin 14 are added. The percussion mechanism 26 is driven by a motor shaft 30 of the electric motor 12 and is designed, for example, as a rotary or rotary percussion mechanism that generates abrupt angular momentum with high intensity and transmits it to the tool holder 18, which is used to replace an insert tool 32. Since the tool holder 18 and the insert tool 32 are of no significance as such for the invention, they will not be discussed in any more detail here. The possible configurations are well known to those skilled in the art.
Der Elektromotor 12 wird von einer Leistungsbrücke 34 einer Leistungselektronik 36 mit einer pulsweitenmodulierten Motorspannung UM beaufschlagt. Dazu weist die Leistungsbrücke 34 diverse Leistungstransistoren (z.B. Bipolartransistoren, Feldeffekttransistoren, IGBT, oder dergleichen) auf, die je nach Ausführung des Elektromotors 12 z.B. als H-Brücke, B6-Brücke oder dergleichen verschaltet sein können. Eine Steuer- oder Regelelektronik 38 steuert die einzelnen Leistungs transistoren der Leistungsbrücke 34 entsprechend einem durch den Hauptschal ter 28 vorgegebenen Signal zur Erzeugung der PWM-Spannung UM an. Da dem Fachmann die unterschiedlichen Ausgestaltungsmöglichkeiten der Leistungsbrü cke 34 sowie der Steuer- oder Regelelektronik 38 bekannt sind, soll hierauf nicht näher eingegangen werden. Die Steuer- oder Regelelektronik kann beispielswei se als ein Mikrocontroller, DSP, ASIC oder dergleichen ausgebildet sein. The electric motor 12 is acted upon by a power bridge 34 of power electronics 36 with a pulse width modulated motor voltage UM. For this purpose, the power bridge 34 has various power transistors (e.g., bipolar transistors, field effect transistors, IGBT, or the like), which, depending on the design of the electric motor 12, can be connected, for example, as an H bridge, B6 bridge, or the like. A control or regulating electronics 38 controls the individual power transistors of the power bridge 34 according to a predetermined by the main scarf ter 28 signal for generating the PWM voltage UM. Since the various possible configurations of the power bridge 34 and the control or regulating electronics 38 are known to a person skilled in the art, they will not be discussed in any more detail. The control or regulation electronics can, for example, be in the form of a microcontroller, DSP, ASIC or the like.
Mit Bezug auf Figur 2 umfasst der dreiphasige Elektromotor 12 einen innenlie genden Rotor 40 und einen außenliegenden Stator 42 mit drei Statorpolen 44. Jeder Statorpol 441, 44", 44m weist im gezeigten Ausführungsbeispiel M = 2 Statorzähne 46 auf, die sich über den Umfang des Stators 42 diametral gegen überliegend verteilen. Jeder Statorzahn 461, 46" weist seinerseits eine Mehrzahl N = 4 Wicklungen 48 zum Antrieb des Rotors 40 auf. Die einzelnen Wicklungen 48', 48", 48m, 48IV können sich in ihrer Art, d.h. in der Anzahl ihrer Windungen, in ihrem Querschnitt und/oder in ihrem Material, unterscheiden. Sie können aber auch gleichartig ausgestaltet sein. Um den Stator 42 zu magnetisieren und somit den Rotor 40 in eine Drehbewegung zu versetzen, fließt jeweils ein Strom ln durch die N = 4 Wicklungen 48 des entsprechenden Statorzahns 461, 46" des Statorpols 441, 44", 44m. Die auf diese Weise erzeugten Magnetfelder Bn sind proportional zu den Strömen ln und der Anzahl der Windungen der einzelnen Wicklungen 48. Somit kann eine Wicklung mit wenigen Windungen und hohem Querschnitt, durch die ein hoher Strom fließt, das gleiche Magnetfeld erzeugen, wie eine Wicklung mit vielen Windungen und kleinem Querschnitt, durch die ein deutlich geringerer Strom fließt. Die einzelnen Magnetfelder Bn im Statorzahn 461, 46" addieren sich schließlich zu einem Gesamtmagnetfeld B = Sh=iN Bn, das den Rotor 40 antreibt. With reference to Figure 2, the three-phase electric motor 12 includes an inner rotor 40 and an outer stator 42 with three stator poles 44. Each stator pole 44 1 , 44", 44 m has in the exemplary embodiment shown M=2 stator teeth 46, which extend over the Distribute the circumference of the stator 42 diametrically opposite each other. Each stator tooth 46 1 , 46'' in turn has a plurality N = 4 windings 48 for driving the rotor 40 on. The individual windings 48′, 48″, 48 m , 48 IV can differ in their type, ie in the number of turns, in their cross section and/or in their material. However, they can also be designed in the same way. Around the stator 42 and thus to cause the rotor 40 to rotate, a current I n flows through the N=4 windings 48 of the corresponding stator tooth 46 1 , 46" of the stator pole 44 1 , 44", 44 m The magnetic fields B n generated are proportional to the currents I n and the number of turns of the individual windings 48. Thus, a winding with a few turns and a large cross section through which a high current flows can generate the same magnetic field as a winding with many turns and small cross-section through which a significantly lower current flows. The individual magnetic fields B n in the stator tooth 46 1 , 46" finally add up to form a total magnetic field B=S h =i N B n that drives the rotor 40.
Zurückkommend auf Figur 1 kann das elektrische Bearbeitungsgerät 10 von ei nem Bediener wahlweise mit der ersten Versorgungsspannung UH von 230 V AC (50 Hz) oder mit der gegenüber der ersten Versorgungsspannung deutlich unter schiedlichen zweiten Versorgungsspannung UL von 36 V DC betrieben werden. Die Umschaltung des Elektromotors 12 zwischen dem Betrieb mit der ersten Versorgungsspannung UH und dem Betrieb mit der zweiten Versorgungsspan nung UL erfolgt derart, dass eine Umschaltvorrichtung 50 der Leistungselektronik 36 die N = 4 Wicklungen 48 eines Statorzahns 46 des Elektromotors 12 für den Betrieb mit der ersten Versorgungsspannung UH oder der zweiten Versorgungs spannung UL in Reihe und/oder parallelschaltet. Bei M * N in Reihe geschalteten gleichartigen Wicklungen 48 eines Statorpols 441, 44", 44m kann der Elektromotor 12 somit gegenüber M * N parallelgeschalten Wicklungen 48 mit (M * N)-fach so hoher Versorgungsspannung betrieben werden, während im Parallelbetrieb ein (M * N)-fach so hoher Gesamtstrom gegenüber der Reihenschaltung fließen kann. Die Umschaltvorrichtung 50 kann elektronisch oder elektromechanisch ausgestaltet sein. Hierauf wird nachfolgend im Zusammenhang mit den Figuren 6 bis 11 noch näher eingegangen. Die Umschaltung zwischen den Betriebsarten des Elektromotos 12 kann entwe der manuell durch einen vom Bediener betätigbaren Betriebsartenschalter 52 und/oder automatisch mittels einer Sensorik 54 des elektrischen Bearbeitungsge räts 10 erfolgen. Dabei kann die Steuer- oder Regelelektronik 38 des elektri schen Bearbeitungsgeräts 10 ein Anforderungssignal des Betriebsartenschalters 52 bzw. der Sensorik 54 zur Umschaltung zwischen den Betriebsarten des Elekt romotors 12 auswerten und die Umschaltvorrichtung 50 zur Parallel- und/oder Reihenschaltung der entsprechenden Wicklungen 48 ansteuern. Ist die Um schaltvorrichtung 50 elektromechanisch aufgebaut, so ist es alternativ auch denkbar, dass der Betriebsartenschalter 52 mechanisch mit der Umschaltvorrich tung 50 gekoppelt ist und diese direkt verstellt. Returning to FIG. 1, the electrical processing device 10 can be operated by an operator either with the first supply voltage UH of 230 V AC (50 Hz) or with the second supply voltage UL of 36 V DC, which is significantly different than the first supply voltage. Electric motor 12 is switched over between operation with the first supply voltage UH and operation with the second supply voltage UL in such a way that a switching device 50 in power electronics 36 switches the N = 4 windings 48 of a stator tooth 46 of electric motor 12 for operation with the first Supply voltage UH or the second supply voltage UL in series and / or parallel. With M * N series-connected identical windings 48 of a stator pole 44 1 , 44", 44 m , the electric motor 12 can thus be operated with (M * N) times the supply voltage compared to M * N parallel-connected windings 48, while in parallel operation a (M*N) times the total current can flow compared to the series circuit. The switching device 50 can be designed electronically or electromechanically. This will be discussed in more detail below in connection with FIGS. Switching between the operating modes of the electric motor 12 can take place either manually by means of a mode switch 52 that can be actuated by the operator and/or automatically by means of a sensor system 54 of the electrical processing device 10 . The control or regulating electronics 38 of the electrical processing device 10 can evaluate a request signal from the operating mode switch 52 or the sensor system 54 for switching between the operating modes of the electric motor 12 and control the switching device 50 for parallel and/or series connection of the corresponding windings 48. If the switching device 50 is constructed electromechanically, it is alternatively also conceivable that the operating mode switch 52 is mechanically coupled to the switching device 50 and adjusts it directly.
Die Erzeugung des Anforderungssignals kann beispielsweise über eine Abdeck klappe 56 für einen Netzanschluss 58 des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 er folgen. Diese ist bei Akkubetrieb geschlossen und bei Netzbetrieb infolge eines eingesteckten Netzsteckers 60 des Netzkabels 22 geöffnet. Mittels der Sensorik 54, beispielsweise in Form eines Reed-Kontakts oder Microschalters, wird die Stellung der Abdeckklappe 56 erfasst und das entsprechende Anforderungssig nal zum Betrieb mit der ersten Versorgungsspannung UH an die Steuer- oder Regelelektronik 38 gesendet. Ein Betrieb mit der ersten Versorgungsspannung UH hat dabei trotz eingeschobenem Akkupack 20 Vorrang gegenüber dem Be trieb mit der zweiten Versorgungsspannung UL. Alternativ ist es auch denkbar, dass die Spannungsversorgung mit der höchsten Leistungsfähigkeit Vorrang hat. Die Leistungselektronik 36 teilt sich dazu auf in eine erste Leistungselektronik 36H für den Betrieb mit der ersten Versorgungsspannung UH und in zumindest ei ne zweiten Leistungselektronik 36L für den Betrieb mit der zumindest einen zwei ten Versorgungsspannung UL. In besonders vorteilhafter Weise sind die beiden Leistungselektroniken 36H, 36L galvanisch voneinander getrennt. Hierauf soll spä ter noch näher mit Bezug auf Figur 12 eingegangen werden. Um einerseits den Bediener vor Spannungsschlägen offen liegender und unter Spannung stehen den elektrischer Kontakte und andererseits das elektrische Bearbeitungsgerät 10 vor Kurzschlüssen durch offen liegende Kontakte zu schützen, ist ferner vorge sehen, dass im Falle des Netzbetriebs die elektrischen Kontakte der ungenutzten elektromechanischen Schnittstelle 19 für den Akkupack 20 und im Falle des Ak- kubetriebs die elektrischen Kontakte des ungenutzten Netzanschlusses 58 des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 galvanisch getrennt werden. Diese galvani sche Trennung kann durch nicht näher gezeigte Schaltelemente der Umschalt vorrichtung 50 erfolgen, die im Falle einer elektromechanischen Ausgestaltung der Umschaltvorrichtung 50 entsprechende Luft- und Kriechstrecken aufweisen. Alternativ oder ergänzend ist es zudem möglich, die jeweils ungenutzten An schlüsse 19 bzw. 58 mechanisch abzudecken. So kann im Falle des Akkube triebs beispielsweise die Abdeckklappe 56 des Netzanschlusses 58 elektrome chanisch verriegelt werden bzw. eine Nutzung des elektrischen Arbeitsgeräts 10 erst dann freigegeben werden, wenn die Abdeckklappe 56 verriegelt ist. Entspre chend ist eine Verriegelung der elektromechanischen Schnittstelle 19 für den Ak kupack 20 denkbar, wobei es hier auch genügen könnte, nur die einzelnen elektrischen Kontakte der Schnittstelle 19 beispielsweise mit verschiebbaren Kunststoffkappen oder dergleichen abzudecken. The request signal can be generated, for example, via a cover flap 56 for a mains connection 58 of the electrical processing device 10 . This is closed during battery operation and open during mains operation as a result of an inserted mains plug 60 of the mains cable 22 . The position of the cover flap 56 is detected by means of the sensors 54, for example in the form of a reed contact or microswitch, and the corresponding request signal for operation with the first supply voltage UH is sent to the control or regulating electronics 38. Despite the inserted battery pack 20, operation with the first supply voltage UH has priority over operation with the second supply voltage UL. Alternatively, it is also conceivable that the power supply with the highest performance has priority. For this purpose, the power electronics 36 is divided into a first power electronics 36H for operation with the first supply voltage UH and in at least one second power electronics 36L for operation with the at least one second supply voltage UL. In a particularly advantageous manner, the two electronic power units 36H, 36L are electrically isolated from one another. This will be discussed in more detail later with reference to FIG. In order to protect the operator from voltage surges from exposed and live electrical contacts on the one hand and the electrical processing device 10 from short circuits caused by exposed contacts on the other, it is also provided that in the case of mains operation the electrical contacts of the unused electromechanical interface 19 for the battery pack 20 and in the case of the kubetrieb the electrical contacts of the unused mains connection 58 of the electrical processing device 10 are electrically isolated. This galvanic isolation can be effected by switching elements of the switching device 50 (not shown in detail) which, in the case of an electromechanical design of the switching device 50, have corresponding air and creepage distances. Alternatively or additionally, it is also possible to cover the unused connections 19 and 58 mechanically. In the case of battery operation, for example, the cover flap 56 of the mains connection 58 can be locked electromechanically or use of the electrical working device 10 can only be released when the cover flap 56 is locked. Correspondingly, a locking of the electromechanical interface 19 for the battery pack 20 is conceivable, in which case it could also be sufficient here to cover only the individual electrical contacts of the interface 19, for example with sliding plastic caps or the like.
Die Erzeugung des Anforderungssignals bzw. die Detektion der gewünschten Betriebsart kann auf verschiedene weitere Weisen realisiert werden. Beispiels weise könnte sie auch mittels eines Human Machine Interfaces (HMI) in Gestalt eines Bedienpanels oder eines Touchdisplays am elektrischen Bearbeitungsge rät 10 erfolgen, das der Bediener entsprechend zu betätigen hat. Ein derartiges HMI kann zusätzlich auch als Anzeige für den mittels der Umschaltvorrichtung 50 eingestellten Betriebsmodus dienen. Selbstverständlich kann die Umschaltvor richtung 50 auch selbst eine entsprechende Anzeige, beispielsweise in Form ei ner LED oder dergleichen aufweisen. Ergänzend oder alternativ wäre eine Steue rung per App über eine kabellose Schnittstelle per WLAN, Bluetooth oder der gleichen am elektrischen Bearbeitungsgerät 10 denkbar. Auch ein Schalter oder Taster am Netzkabel 22 wäre möglich. Weitere Lösungen zur Umschaltung der Betriebsart des Elektromotos 12 könnten durch einen RFID-Tag am Netzkabel 22, durch eine direkte Sensierung der Versorgungsspannung im elektrischen Be arbeitungsgerät 10 z.B. mittels Step-Up- und/oder Step- Down- Konverter oder durch eine Kodierung im Akkupack 20 realisiert sein. Für den Fall, dass sowohl das Netzkabel 22 als auch der Akkupack 20 mit dem elektrischen Bearbeitungs gerät 10 verbunden ist, könnte die Spannungsversorgung mit der höchsten Leis tungsfähigkeit (sehr leistungsfähige Akkupacks haben teilweise eine höhere Stromlieferfähigkeit als eine Versorgung über das Stromnetz) oder grundsätzlich die Netzspannung Vorrang haben. Eine entsprechende Einstellung der Prioritä ten kann beispielsweise in einer App vorgenommen werden. Weiterhin kann auch automatisch zwischen beiden Betriebsarten gewechselt werden, wenn z.B. die Netzversorgung bei eingestecktem Akkupack 20 abreißt oder umgekehrt ein eingesteckter Akkupack 20 weitestgehend entladen wurde. The generation of the request signal or the detection of the desired operating mode can be implemented in various other ways. For example, it could also be done using a human-machine interface (HMI) in the form of a control panel or a touch display on the electrical processing device 10, which the operator has to operate accordingly. Such an HMI can also serve as a display for the operating mode set using the switching device 50 . Of course, the switching device 50 itself can also have a corresponding display, for example in the form of an LED or the like. In addition or as an alternative, control via an app via a wireless interface via WLAN, Bluetooth or the like on the electrical processing device 10 would be conceivable. A switch or button on the power cord 22 would also be possible. Other solutions for switching the mode of operation of the electric motor 12 could be processing device 10, for example by means of a step-up and/or step-down converter, by an RFID tag on the power cord 22, by direct sensing of the supply voltage in the electrical system, or by coding in the battery pack 20 be realized. In the event that both the mains cable 22 and the battery pack 20 are connected to the electrical processing device 10, the power supply with the highest capacity (very powerful battery packs sometimes have a higher Ability to deliver electricity as a supply via the electricity grid) or, in principle, the grid voltage have priority. A corresponding setting of the priorities can be made in an app, for example. Furthermore, it is also possible to switch automatically between the two operating modes if, for example, the mains supply breaks off when the battery pack 20 is plugged in or, conversely, an inserted battery pack 20 has been largely discharged.
Denkbar sind auch Sicherheitsfeatures, wie eine automatische oder manuelle Umschaltung auf Netzbetrieb im Falle des Transports des elektrischen Bearbei tungsgeräts 10 mit einem oder mehreren eingestecktem Akkupacks 20. Eine ma nuelle Umschaltung in einen Transportmodus erfolgt dabei beispielsweise durch den Bediener per Betriebsartenschalter 52 oder HMI; eine automatische Um schaltung erfolgt bei längerer Nichtbenutzung durch einen im elektrischen Bear beitungsgerät 10 integrierten Bewegungs- oder Beschleunigungssensor. Wird das elektrische Bearbeitungsgerät 10 mit mehreren in Reihe geschalteten Akku packs 20 (z.B. 2 x 18 V) transportiert, so ist auch eine galvanische Trennung der einzelnen Akkupacks 20 denkbar, um damit entsprechenden Transportnormen gerecht zu werden, da dann jeder Akkupack 20 als Einzelakkupack angesehen wird. Eine automatische Umschaltung vom Akku- auf den Netzbetrieb kann zu dem vorgesehen sein, wenn es insbesondere bei einer Versorgung des elektri schen Bearbeitungsgeräts 10 durch mehrere in Reihe geschaltete Akkupacks 20 zu einem plötzlichen Temperaturanstieg eines der eingesteckten Akkupacks 20 kommt. Entsprechendes ist denkbar, wenn es zu einem abrupten Spannungsab fall der zumindest einen zweiten Versorgungsspannung UL kommt, oder diese außerhalb eines zulässigen Spannungsbereichs liegt. Safety features are also conceivable, such as an automatic or manual switchover to mains operation when the electrical processing device 10 is being transported with one or more battery packs 20 inserted. an automatic switching takes place when not in use for a longer period of time by a motion or acceleration sensor integrated in the electrical processing unit 10 . If the electrical processing device 10 is transported with several battery packs 20 (e.g. 2 x 18 V) connected in series, galvanic isolation of the individual battery packs 20 is also conceivable in order to comply with the corresponding transport standards, since each battery pack 20 is then regarded as an individual battery pack becomes. An automatic switchover from battery to mains operation can be provided if there is a sudden temperature rise in one of the inserted battery packs 20, particularly when the electrical processing device 10 is being supplied by several battery packs 20 connected in series. The same is conceivable if there is an abrupt voltage drop in the at least one second supply voltage UL, or if it is outside a permissible voltage range.
Da die Umschaltvorrichtung 50 mit Bezug auf Figur 2 die N = 4 Wicklungen 48 eines Statorzahns 461, 46" bei Betrieb mit der ersten Versorgungsspannung UH bzw. bei Netzbetrieb in Reihe schaltet, fließt durch die M * N = 8 Wicklungen 48 eines Statorpols 441, 44", 44m bei gleichartiger Ausgestaltung jeweils der gleiche Strom li = I2 = ... = IMN. ES ergibt sich ein insgesamt geringer Strombedarf und für das Gesamtmagnetfeld gilt B = Bi + B2 ... + BMN = M * N * Bi. Bei Betrieb mit der zweiten Versorgungsspannung UL bzw. bei Akkubetrieb ergibt sich durch die Pa rallelschaltung der M * N = 8 Wicklungen 48 eine Addition ihrer Einzelströme li + + ... + IMN. Für den Fall, dass jede der 8 Wicklungen 48 in ihrer Art gleich ist, resultiert hieraus ein Gesamtstrom I = 8 * li, was dazu führt, dass sich das Ge samtmagnetfeld wieder zu B = 8 * Bi ergibt. Folglich weist der Elektromotor 12 in beiden Betriebsarten eine im Wesentlichen gleiche Maximalleistung auf. Je nach Höhe der ersten und der zweiten Versorgungsspannung UH, UL können so bei im Wesentlichen gleicher Maximalleistung des Elektromotors 12 unterschiedlich vie le der M * N Wicklungen 48 eines Statorpols 441, 44", 44m parallel und/oder in Reihe geschaltet werden. Dies ermöglicht dann einen so genannten Multispan nungsbetrieb des erfindungsgemäßen Elektromotors 12 bzw. ein Multispan nungsgerät für den Netz-, Akku- oder Hybrid-Betrieb, d.h. z.B. einen Akkubetrieb mit 12, 18 oder 36 und/oder einen Netzbetrieb mit 120 oder 230 V, ohne die An zahl der Statorzähne 46 im Elektromotor 12 anpassen zu müssen. Daraus lässt sich beispielhaft die folgende Anzahl M * N von Wicklungen 48 pro Phase U, V, W bzw. Statorpol 441, 44", 44m bestimmen, wobei das Spannungsverhältnis aus der gleichgerichteten, ersten Versorgungsspannung UH und der zweiten Versor gungsspannung UL gerundet werden kann, da der Elektromotor 12 im Allgenei nen kleinere Versorgungsspannungsunterschiede toleriert: Since the switching device 50, with reference to Figure 2, switches the N = 4 windings 48 of a stator tooth 46 1 , 46" in series during operation with the first supply voltage UH or during mains operation, flows through the M * N = 8 windings 48 of a stator pole 44 1 , 44", 44 m with the same design, the same current li = I2 = ... = IMN. There is an overall low power requirement and the following applies to the overall magnetic field: B = Bi + B2 ... + BMN = M * N * Bi. When operated with the second supply voltage UL or when operated with a rechargeable battery, the parallel connection results in M * N = 8 windings 48 an addition of their individual currents li + + ... + IM N . If each of the 8 windings 48 is of the same type, this results in a total current I=8*li, which results in the total magnetic field being B=8*Bi again. Consequently, the electric motor 12 has essentially the same maximum power in both operating modes. Depending on the level of the first and the second supply voltage UH, UL, a different number of the M * N windings 48 of a stator pole 44 1 , 44", 44 m can be connected in parallel and/or in series with essentially the same maximum power of the electric motor 12 . This then enables a so-called multi-voltage operation of the electric motor 12 according to the invention or a multi-voltage device for mains, battery or hybrid operation, ie for example battery operation with 12, 18 or 36 and/or mains operation with 120 or 230 V without having to adjust the number of stator teeth 46 in the electric motor 12. From this, the following number M*N of windings 48 per phase U, V, W or stator pole 44 1 , 44", 44 m can be determined as an example, with the voltage ratio from the rectified, first supply voltage UH and the second supply voltage UL can be rounded off, since the electric motor 12 generally tolerates smaller supply voltage differences:
• UH = 230 V AC (ca. 300 V DC), UL = 12 V DC Wicklungen 48 • U H = 230 V AC (approx. 300 V DC), UL = 12 V DC windings 48
• UH = 230 V AC (ca. 300 V DC), UL = 18 V DC (max. ca. 20 V) Wicklungen 48 • U H = 230 V AC (approx. 300 V DC), UL = 18 V DC (max. approx. 20 V) windings 48
• UH = 230 V AC (ca. 300 V DC), UL = 36 V DC (max. ca. 40 V) Wicklungen 48 • U H = 230 V AC (approx. 300 V DC), UL = 36 V DC (max. approx. 40 V) windings 48
• UH = 120 V AC (ca. 150 V DC), UL = 12 V DC Wicklungen 48 • U H = 120 V AC (approx. 150 V DC), UL = 12 V DC windings 48
• UH = 120 V AC (ca. 150 V DC), UL = 18 V DC (max. ca. 20 V) Wicklungen 48 • U H = 120 V AC (approx. 150 V DC), UL = 18 V DC (max. approx. 20 V) windings 48
• UH = 120 V AC (ca. 150 V DC), UL = 36 V DC (max. ca. 40 V) Wicklungen 48 • U H = 120 V AC (approx. 150 V DC), UL = 36 V DC (max. approx. 40 V) windings 48
Für einen möglichst optimalen Rundlauf und entsprechend optimierte Symmet rieeigenschaften des Elektromotors 12 ist es zweckmäßig, die Anzahl der Wiek- lungen 48 gleichmäßig über die M Statorzähne 46 der Statorpole 44 zu verteilen. Weist z.B. jeder Statorpol 441, 44", 44m M = 2 Statorzähne 46 auf, so sollte die Anzahl der Wicklungen 48 je Statorpol 441, 44", 44m ganzzahlig durch M teilbar sein, also z.B. im Falle von 2 Statorzähnen 46 je Statorpol 441, 44", 44m 26 statt 25 und 16 statt 15 Wicklungen 48. For the best possible concentricity and correspondingly optimized symmetry properties of the electric motor 12, it is expedient to reduce the number of Wiek- to distribute lungs 48 evenly over the M stator teeth 46 of the stator poles 44 . If, for example, each stator pole 44 1 , 44", 44 m M = 2 stator teeth 46, the number of windings 48 per stator pole 44 1 , 44", 44 m should be an integer divisible by M, e.g. in the case of 2 stator teeth 46 per stator pole 44 1 , 44", 44 m 26 instead of 25 and 16 instead of 15 windings 48.
Für einen Betrieb mit der zweiten Versorgungsspannung UL kann beispielweise ergänzend vorgesehen sein, dass die Umschaltvorrichtung 50 die Wicklungen 48 eines Statorpols 441, 44", 44m derart parallelschaltet, dass im Falle eines kleinen Maximalstroms, eine kleinere Anzahl J < M * N Wicklungen 48 parallelgeschaltet ist, als im Falle eines gegenüber dem kleinen Maximalstrom deutlich höheren Maximalstroms. Entsprechend können für einen Betrieb mit der ersten Versor gungsspannung UH J < M * N Wicklungen 48 in Reihe geschaltet werden, um den Elektromotor 12 mit unterschiedlichen Netzspannungen betreiben zu kön nen. Auch ist es möglich, dass die Umschaltvorrichtung 50 zumindest einen Teil der M * N Wicklungen 48 eines Statorpols 441, 44", 44m für einen Betrieb mit zu mindest einer Zwischenspannung Uz parallel und in Reihe schaltet, wobei die Zwischenspannung Uz zwischen der zumindest einen ersten Versorgungsspan nung UH und der zumindest einen zweiten Versorgungsspannung UL liegt. For operation with the second supply voltage UL, it can be additionally provided, for example, that the switching device 50 connects the windings 48 of a stator pole 44 1 , 44", 44 m in parallel in such a way that, in the case of a small maximum current, a smaller number J<M*N windings 48 is connected in parallel than in the case of a maximum current that is significantly higher than the small maximum current Correspondingly, for operation with the first supply voltage UH J <M * N, windings 48 can be connected in series in order to be able to operate the electric motor 12 with different mains voltages It is also possible for the switching device 50 to switch at least part of the M * N windings 48 of a stator pole 44 1 , 44", 44 m in parallel and in series for operation with at least one intermediate voltage Uz, with the intermediate voltage Uz between the at least one first supply voltage UH and the at least one second supply voltage UL.
In Figur 3 ist eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Elektromotos 12 dargestellt, bei dem die Umschaltung zwischen dem Betrieb mit der ersten Versorgungsspannung UH und dem Betrieb mit der zumindest einen zweiten Ver sorgungsspannung UL derart erfolgt, dass die Umschaltvorrichtung 50 für den Betrieb mit der ersten Versorgungsspannung UH eine erste Wicklung 481 eines Statorzahns 46", insbesondere eine Wicklung 48 mit hoher Anzahl von Windun gen und kleinem Querschnitt, und für den Betrieb mit der zumindest einen zwei ten Versorgungsspannung UL eine zweite Wicklung 48" des Statorzahns 46", insbesondere eine Wicklung 48 mit kleiner Anzahl von Windungen und großem Querschnitt, aktiviert. Dabei ist die zweite Wicklung 48" in besonders vorteilhafter Weise über die erste Wicklung 481 gewickelt. Dies ermöglicht auf einfache und kostengünstige Weise die Realisierung eines Dualspannungsgeräts für den Hyb- rid-Betrieb mit einer „Hochspannungs-Wicklung“ 481, die z.B. für einen Netzbe trieb mit typ. 300V DC ausgelegt ist, und einer „Niederspannungs-Wicklung“ 48", die für einen Akkubetrieb mit 36 V ausgelegt ist. Auch hier können die Wicklun gen 48 derart ausgestaltet sein, dass der Elektromotor 12 in beiden Betriebsarten mit im Wesentlichen gleicher Maximalleistung betreibbar ist. Ebenso sind mehr als zwei Wicklungen 48 je Statorzahn 461, 46" und weniger oder mehr als zwei Statorzähne 46 je Statorpol 441, 44", 44m denkbar. So kann die Erfindung auch für sehr kleine bzw. schnelldrehende Elektromotoren 12 mit nur einem Stator zahn 46 pro Statorpol 441, 44", 44m (einfache dreiphasige EC-Motoren) ange wendet werden. FIG. 3 shows a further embodiment of the electric motor 12 according to the invention, in which the switchover between operation with the first supply voltage UH and operation with the at least one second supply voltage UL takes place in such a way that the switching device 50 is designed for operation with the first supply voltage UH a first winding 48 1 of a stator tooth 46", in particular a winding 48 with a large number of turns and a small cross section, and for operation with the at least one second supply voltage UL a second winding 48" of the stator tooth 46", in particular a winding 48 with a small number of turns and a large cross section. In this case, the second winding 48" is wound over the first winding 48 1 in a particularly advantageous manner. This enables a dual-voltage device for hybrid operation to be implemented in a simple and cost-effective manner with a "high-voltage winding" 48 1 , which is designed, for example, for mains operation with typically 300V DC, and a "low-voltage winding" 48 ", which is designed for battery operation with 36 V. Here, too, the windings 48 can be designed in such a way that the electric motor 12 can be operated in both operating modes with essentially the same maximum power. Likewise, more than two windings 48 per stator tooth 46 1 , 46" and fewer or more than two stator teeth 46 per stator pole 44 1 , 44", 44 m are conceivable. The invention can also be used for very small or high-speed electric motors 12 with only one stator tooth 46 per stator pole 44 1 , 44", 44 m (simple three-phase EC motors).
Figur 4 zeigt die Verschaltung der drei durch die Leistungsbrücke 34 per PWM- Signal angesteuerten Phasen U, V, W des Elektromotors 12 mit jeweils parallel geschalteten Wicklungen 48 der drei Statorpole 44 in einer Dreieckschaltung. Dabei sind die beiden Wicklungen 48 der Statorzähne 46 jedes Statorpols 441, 44", 44m (vgl. auch Figur 3) als eine Gruppe zusammengefasst. In Figur 5 ist im Unterschied zu Figur 4 eine Sternschaltung der Phasen U, V, W mit jeweils in Reihe geschalteten Wicklungen 48 der drei Statorpole 44 des Elektromotors 12 dargestellt. Durch die Möglichkeit, den Elektromotor 12 nicht nur mit parallel oder in Reihe geschalteten Wicklungen 48, sondern auch mit in Dreieck- oder in Sternschaltung geschalteten Phasen U, V, W betreiben zu können, ist ein sehr universeller Einsatz des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 von kleinen Gleich spannungen bis zu hohen Wechselspannungen in Verbindung mit einer einfach auszulegenden und kostengünstigen Leistungselektronik 36 bzw. Umschaltvor richtung 50 möglich. Weiterhin erlaubt die Nutzung aller Wicklungen 48 des Elektromotors 12 für die verschiedenen Betriebsarten ein reduziertes Gewicht des Elektromotors 12 bei gleichzeitiger Effektivitätssteigerung. Durch die wahl weise Verschaltung der Phasen U, V, W als Stern- oder Dreieckschaltung ergibt sich einerseits in Verbindung mit der Sternschaltung eine deutliche Reduzierung des Strombedarfs um einen Faktor von 1,73 (Wurzel 3) je Phase U, V, W bzw. Statorpol 441, 44", 44m, was insbesondere bei einem Anlaufen des Elektromotors 12 von Vorteil ist, während in der Dreieckschaltung hohe Ströme und Leistungen nutzbar sind. Daraus lässt sich unter Berücksichtigung der obigen Ausführungen beispielhaft für die Sternschaltung die folgende reduzierte Anzahl M * N von Wicklungen 48 pro Phase U, V, W bzw. Statorpol 441, 44", 44m bestimmen: • UH = 230 V AC (ca. 300 V DC), UL = 12 V DC Wicklungen 48 FIG. 4 shows the connection of the three phases U, V, W of the electric motor 12 controlled by the power bridge 34 by PWM signal with windings 48 of the three stator poles 44 connected in parallel in a delta connection. The two windings 48 of the stator teeth 46 of each stator pole 44 1 , 44", 44 m (cf. also FIG. 3) are combined as a group. In contrast to FIG each winding 48 connected in series of the three stator poles 44 of the electric motor 12. Due to the possibility of operating the electric motor 12 not only with windings 48 connected in parallel or in series, but also with phases U, V, W connected in a delta or star connection to be able to, a very universal use of the electrical processing device 10 from low DC voltages to high AC voltages is possible in connection with an easy-to-design and inexpensive power electronics 36 or switching device 50. Furthermore, the use of all windings 48 of the electric motor 12 for the different Operating modes a reduced weight of the electric motor 12 with simultaneous increase in effectiveness The optional connection of the phases U, V, W as a star or delta connection results in connection with the star connection on the one hand in a significant reduction of the current requirement by a factor of 1.73 (root 3) per phase U, V, W or stator pole 44 1 , 44", 44 m , which is particularly advantageous when the electric motor 12 starts up, while high currents and outputs can be used in the delta connection. Taking the above explanations into account, the following reduced number M * N of windings 48 per phase U, V, W or stator pole 44 1 , 44", 44 m can be determined as an example for the star connection: • U H = 230 V AC (approx. 300 V DC), UL = 12 V DC windings 48
• UH = 230 V AC (ca. 300 V DC), UL = 18 V DC (max. ca. 20 V) Wicklungen 48 • U H = 230 V AC (approx. 300 V DC), UL = 18 V DC (max. approx. 20 V) windings 48
• UH = 230 V AC (ca. 300 V DC), UL = 36 V DC (max. ca. 40 V) Wicklungen 48 • U H = 230 V AC (approx. 300 V DC), UL = 36 V DC (max. approx. 40 V) windings 48
• UH = 120 V AC (ca. 150 V DC), UL = 12 V DC Wicklungen 48 • U H = 120 V AC (approx. 150 V DC), UL = 12 V DC windings 48
• UH = 120 V AC (ca. 150 V DC), UL = 18 V DC (max. ca. 20 V) Wicklungen 48 • U H = 120 V AC (approx. 150 V DC), UL = 18 V DC (max. approx. 20 V) windings 48
• UH = 120 V AC (ca. 150 V DC), UL = 36 V DC (max. ca. 40 V) Wicklungen 48 • U H = 120 V AC (approx. 150 V DC), UL = 36 V DC (max. approx. 40 V) windings 48
Für einen Betrieb mit der ersten Versorgungsspannung UH ist es zweckmäßig, in Ergänzung zur Sternschaltung sämtliche Wicklungen 48 eines Statorpols 441,For operation with the first supply voltage UH, it is expedient, in addition to the star connection, to connect all windings 48 of a stator pole 44 1 ,
44", 44m in Reihe zu schalten. Ergänzend oder alternativ kann es für einen Be trieb mit der zweiten Versorgungsspannung UL zweckmäßig sein, in Ergänzung zur Dreieckschaltung sämtliche Wicklungen 48 eines Statorpols 441, 44", 44m pa rallel zu schalten. Da immer alle Wicklungen 48 des Stators 42 gleichzeitig bestromt werden, kann auf diese Weise der Elektromotor 12 bei optimaler Aus nutzung des Bauraums und minimaler Wicklungsanzahl einerseits mit einer Sternschaltung der Phasen U, V, W für die erste Versorgungsspannung UH und mit einer Dreieckschaltung der Phasen U, V, W für die zweite Versorgungsspan nung UL betrieben werden. Mit besonderem Vorteil lässt sich der Elektromotor 12 im Akkubetrieb mit der zumindest einen zweiten Versorgungsspannung UL nicht auf eine Sternschaltung umschalten, sondern nur mit in Dreieck geschalteten Phasen U, V, W betreiben. Somit werden alle Wicklungen 48 mit einer geringe ren Motorspannung UM als im Netzbetrieb mit der ersten Versorgungsspannung UH versorgt und der Elektromotor 12 läuft mit reduzierter Leistung. Dies erlaubt dann beispielsweise einen sanften Anlauf des Elektromotors 12 eines als Bohr hammer ausgestalteten elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 zur Erzeugung einer möglichst effektiven Schlagenergie. Ebenso kann diese Vorgehensweise auch einen Warmlauf, einen reduzierten Betrieb für Wechselakkupacks 20 mit vermin- derter Leistungsfähigkeit (z.B. infolge Alterung) oder eine reduzierte Leistungs aufnahme im Leerlauf ermöglichen. Dabei kann zusätzlich vorgesehen sein, dass der Elektromotor 12 bei Umschaltung der Wicklungen 48 zwischen dem Betrieb mit der ersten Versorgungsspannung UH und der zweiten Versorgungspannung UL sowohl mit in Sternschaltung als auch mit in Dreieckschaltung geschalteten Phasen U, V, W mit im Wesentlichen gleicher Maximalleistung betreibbar ist. 44", 44 m in series. In addition or as an alternative, it can be expedient for operation with the second supply voltage UL to connect all windings 48 of a stator pole 44 1 , 44", 44 m in parallel in addition to the delta connection. Since all windings 48 of the stator 42 are always supplied with current at the same time, the electric motor 12 can in this way be used optimally from the installation space and a minimum number of windings with a star connection of the phases U, V, W for the first supply voltage UH and with a delta connection of the phases U, V, W are operated for the second supply voltage UL. With particular advantage, the electric motor 12 cannot be switched over to a star connection in battery operation with the at least one second supply voltage UL, but can only be operated with phases U, V, W connected in a delta. Thus, all windings 48 are supplied with a lower motor voltage UM than in mains operation with the first supply voltage UH and the electric motor 12 runs with reduced power. This then allows, for example, a gentle start-up of the electric motor 12 of an electrical processing device 10 designed as a drill hammer in order to generate the most effective possible impact energy. Likewise, this procedure can also include a warm-up, reduced operation for exchangeable battery packs 20 with reduced Deteriorated performance (e.g. due to aging) or reduced power consumption when idling. Provision can also be made for the electric motor 12 to be operable with essentially the same maximum power when switching over the windings 48 between operation with the first supply voltage UH and the second supply voltage UL both with phases U, V, W connected in a star connection and with phases connected in a delta connection is.
In Verbindung mit der Möglichkeit eines Sanftanlaufs und einer entsprechend hohen Anzahl N von Wicklungen 48 je Statorzahn 461, 46", von denen dann nicht alle Wicklungen 48 permanent bestromt sind, kann weiterhin ein so genannter Booster- Betrieb umgesetzt werden, bei dem die Umschaltvorrichtung 50 kurzzei tig alle Wicklungen 48 der Statorzähne 46 für den Betrieb mit der zumindest ei nen ersten Versorgungsspannung UH und für den Betrieb mit der zumindest ei nen zweiten Versorgungsspannung UL gleichzeitig bestromt, um eine deutlich höhere Motorleistung zur Deckung von Leistungsspitzen zu erzielen. Ein Boos ter-Betrieb ist ergänzend oder alternativ gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Figur 2 auch im reinen Akkubetrieb mit der zumindest einen zweiten Versor gungsspannung UL möglich. So können die Wicklungen 48 eines Statorzahns 461, 46" situationsbedingt in Abhängigkeit des Ladezustandes des Akkus bzw. Akkupacks 20 - bei geringem Ladezustand ist auch die verfügbare zweite Ver sorgungsspannung UL gering - und der Last - ein höherer Laststrom I bewirkt ei nen höheren Spannungsabfall und damit eine höhere zweite Versorgungsspan nung UL - sehr schnell (quasi in Echtzeit) mittels einer elektronisch ausgestalte ten Umschaltvorrichtung 50 in Reihe und/oder parallel verschaltet werden. Bei hoher Last und kleinem Ladezustand des Akkus bzw. Akkupacks 20 wäre dann ein Wicklungs-Mix mit höherem Parallelverschaltungsanteil und bei kleiner Last und hohem Ladezustand mit geringerem Parallelverschaltungsanteil vorteilhaft. Ein Booster- Betrieb kann auch derart realisiert werden, dass zumindest eine der Wicklungen 48 eines Statorzahns 461, 46" nur hierfür zusätzlich bestromt wird und ansonsten für den Akku- und Netzbetrieb im normalen Leistungsbereich un- bestromt bleibt. In connection with the possibility of a soft start and a correspondingly high number N of windings 48 per stator tooth 46 1 , 46 ", of which not all windings 48 are then permanently energized, a so-called booster operation can also be implemented in which the switching device 50, all windings 48 of the stator teeth 46 are briefly energized for operation with the at least one first supply voltage UH and for operation with the at least one second supply voltage UL, in order to achieve significantly higher motor power to cover power peaks - Operation is additionally or alternatively possible according to the exemplary embodiment according to FIG. when the state of charge is low, the available second supply is also Voltage UL low - and the load - a higher load current I causes a higher voltage drop and thus a higher second supply voltage UL - very quickly (virtually in real time) by means of an electronically configured switching device 50 in series and/or in parallel. With a high load and a low state of charge of the accumulator or accumulator pack 20, a winding mix with a higher proportion of parallel connections and with a low load and high state of charge with a lower proportion of parallel connections would then be advantageous. Booster operation can also be implemented in such a way that at least one of the windings 48 of a stator tooth 46 1 , 46 ″ is only additionally energized for this purpose and otherwise remains without current for battery and mains operation in the normal power range.
Figur 6 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Umschalt vorrichtung 50 für den Elektromotor 12 mit drei Phasen U, V, W bzw. Statorpolen 44, wobei analog zu den Figuren 3 bis 5 jeder Statorpol 441, 44", 44m M = 2 Statorzähne 46 mit jeweils N = 2 Wicklungen 48 aufweist. Jede Wicklung 481, 48" des Elektromotors 12 ist über jeweils zwei elektrische Kontaktpunkte 62 mit der Umschaltvorrichtung 50 verbunden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind dem nach insgesamt 3 * 8 = 24 Kontaktpunkte 62 zwischen dem dreiphasigen Elekt romotor 12 und der Umschaltvorrichtung 50 erforderlich. Der Übersichtlichkeit halber wurde in Figur 6 nur die Phase U bzw. der Statorpol 441 innerhalb einer schematischen Box 641 im Detail gezeigt. Die beiden übrigen Phasen V und W bzw. Statorpole 44", 44m sind entsprechend ausgestaltet und daher nur als leere Boxen 64" und 64m dargestellt. Die elektrischen Kontaktpunkte 62 zwischen Elektromotor 12 und Umschaltvorrichtung 50 können als Steckverbindungen, Crimpverbindungen, Schraubverbindungen, Lötverbindungen oder Schweißver bindungen ausgebildet sein (vgl. Figur 7). Figure 6 shows a first embodiment of the switching device 50 according to the invention for the electric motor 12 with three phases U, V, W or stator poles 44, each stator pole 44 1 , 44", 44 m M = 2 stator teeth 46 each having N = 2 windings 48, analogously to FIGS. 3 to 5. Each winding 48 1 , 48" of the electric motor 12 has two electrical contact points 62 connected to the switching device 50. In the embodiment shown, a total of 3*8=24 contact points 62 between the three-phase electric motor 12 and the switching device 50 are required. For the sake of clarity, only the phase U or the stator pole 44 1 within a schematic box 64 1 was shown in detail in FIG. The two remaining phases V and W or stator poles 44", 44 m are configured accordingly and are therefore only shown as empty boxes 64" and 64 m . The electrical contact points 62 between the electric motor 12 and the switching device 50 can be designed as plug connections, crimp connections, screw connections, soldered connections or welded connections (cf. FIG. 7).
Die Umschaltvorrichtung 50 weist je Phase U, V, W bzw. Statorpol 441, 44", 44m eine Mehrzahl erster Schaltelemente 66 zur Reihenschaltung der Wicklungen 48 der Statorzähne 46 und eine Mehrzahl zweiter Schaltelemente 68 zur Parallel schaltung der Wicklungen 48 der Statorzähne 46 auf. Dabei sind für jeden Statorpol 441, 44", 44m mit jeweils M Statorzähnen 46 und N Wicklungen 48 je Statorzahn 461, 46" zur Reihenschaltung und/oder zur Parallelschaltung der ins gesamt M * N Stator-Wicklungen 48 M * N - 1 erste Schaltelemente 66 und M * (2N - 1) zweite Schaltelemente 68 vorgesehen. Bei einem dreiphasigen Stator 42 mit drei Statorpolen 44, M = 2 Statorzähnen 46 pro Statorpol 441, 44", 44m und N = 2 Wicklungen 48 pro Statorzahn 461, 46" ergeben sich auf diese Weise je Statorpol 441, 44", 44m 2 * 2 - 1 = 3 erste Schaltelemente 66 und 2 * (4 - 1) = 6 zweite Schaltelemente 68. In Summe weist die Umschalteinrichtung 50 daher 3 * (3 + 6) = 27 erste und zweite Schaltelemente 66, 68 auf. Zur Reihenschaltung der Wicklungen 48 werden die ersten Schaltelemente 66 der Umschaltvorrich tung 50 geschlossen und die zweiten Schaltelemente 68 geöffnet, während zur Parallelschaltung der Wicklungen 48 in umgekehrter Weise die ersten Schalt elemente 66 geöffnet und die zweiten Schaltelemente 68 geschlossen werden.For each phase U, V, W or stator pole 44 1 , 44", 44 m , switching device 50 has a plurality of first switching elements 66 for series connection of windings 48 of stator teeth 46 and a plurality of second switching elements 68 for parallel connection of windings 48 of stator teeth 46 For each stator pole 44 1 , 44", 44 m each with M stator teeth 46 and N windings 48 per stator tooth 46 1 , 46" for series connection and/or for parallel connection of the total of M * N stator windings 48 M * N - 1 first switching elements 66 and M * (2N - 1) second switching elements 68 are provided. In the case of a three-phase stator 42 with three stator poles 44, M = 2 stator teeth 46 per stator pole 44 1 , 44", 44 m and N = 2 windings 48 per stator tooth 46 1 , 46 "result in this way per stator pole 44 1 , 44", 44 m 2 * 2 - 1 = 3 first switching elements 66 and 2 * (4 - 1) = 6 second switching elements 68. In total, the Switching device 50 therefore 3 * (3 + 6) = 27 first and second switching elements 66, 68 a uf. To connect the windings 48 in series, the first switching elements 66 of the switching device 50 are closed and the second switching elements 68 are opened, while for the parallel connection of the windings 48 in the reverse manner the first switching elements 66 are opened and the second switching elements 68 are closed.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel liegt demnach eine Reihenschaltung der Wick lungen 48 vor. Um die Phasen U, V, W des Elektromotors 12 bzw. dessen Statorpole 44 ergän zend in einer Stern- oder Dreieckschaltung verschalten zu können, ist je Stator pol 441, 44", 44m zusätzlich noch ein drittes Schaltelement 70 und ein viertes Schaltelement 72 vorgesehen. Dabei werden zur Sternschaltung der Phasen U, V, W die dritten Schaltelemente 70 geschlossen und die vierten Schaltelemente 72 geöffnet, während für die Dreieckschaltung der Phasen U, V, W die dritten Schaltelemente 70 geöffnet und die vierten Schaltelemente 72 geschlossen wer den. Im gezeigten Ausführungsbeispiel liegt demnach neben der Reihenschal tung der Wicklungen 48 eine Dreieckschaltung vor, also eine gegenüber den Fi guren 4 und 5 weitere Schaltvariante der Erfindung. Für einen dreiphasigen Elektromotor 12 mit M = 2 Statorzähnen 46 je Statorpol 441, 44", 44m und N = 2 Wicklungen 48 je Statorzahn 461, 46" ergeben sich so in Summe 27 + 6 = 33 ers te, zweite, dritte und vierte Schaltelemente 66, 68, 70, 72 für die Umschaltvor richtung 50. Ohne die zusätzliche Umschaltmöglichkeit von einer Dreieck- auf ei ne Sternschaltung wären gemäß den obigen Ausführungen um den Faktor 1,73- mal so viele Wicklungen 48 notwendig, also im vorliegenden Beispiel N = 4 statt 2 Wicklungen 48 pro Statorzahn 461, 46". Somit wären statt der 33 ersten, zwei ten, dritten und vierten Schaltelemente 66, 68, 70, 72, dann insgesamt 3 * ((M *In the exemplary embodiment shown, the windings 48 are connected in series. In order to be able to additionally connect the phases U, V, W of the electric motor 12 or its stator poles 44 in a star or delta connection, there is also a third switching element 70 and a fourth switching element for each stator pole 44 1 , 44", 44 m 72. The third switching elements 70 are closed and the fourth switching elements 72 are opened for the star connection of the phases U, V, W, while the third switching elements 70 are opened and the fourth switching elements 72 are closed for the delta connection of the phases U, V, W In the exemplary embodiment shown, in addition to the series connection of the windings 48, there is also a delta connection, ie a further switching variant of the invention compared to FIGS. 4 and 5. For a three-phase electric motor 12 with M=2 stator teeth 46 per stator pole 44 1 , 44". 44 m and N=2 windings 48 per stator tooth 46 1 , 46″ result in a total of 27+6=33 first, second, third and fourth switching elements 66, 68, 70, 72 for the Switching device 50. Without the additional switching option from a delta to a star connection, a factor of 1.73 times as many windings 48 would be necessary according to the above statements, i.e. in the present example N=4 instead of 2 windings 48 per stator tooth 46 1 , 46". Thus, instead of the 33 first, second, third and fourth switching elements 66, 68, 70, 72, then a total of 3 * ((M *
N - 1) + M * (2N - 1)) = 63 erste und zweite Schaltelemente 66, 68 für die Um schaltvorrichtung 50 erforderlich, wobei die dritten und vierten Schaltelemente 70, 72 dann entfielen. Die zusätzliche Umschaltmöglichkeit zwischen einer Stern- und einer Dreieckschaltung führt demnach zu einer deutlichen Reduzierung der benötigten Schaltelemente der Umschaltvorrichtung 50 und damit auch zu einer weiteren Bauraum-, Gewichts- und Kostenersparnis. N - 1) + M * (2N - 1)) = 63 first and second switching elements 66, 68 for the To switching device 50 required, the third and fourth switching elements 70, 72 then accounted for. The additional possibility of switching between a star and a delta connection accordingly leads to a significant reduction in the required switching elements of the switching device 50 and thus also to further savings in installation space, weight and costs.
Zum Aktivieren einer Reihenschaltung aller Wicklungen 48 eines Statorpols 441, 44", 44m in Verbindung mit einer Sternschaltung der Phasen U, V, W gemäß Fi gur 5 werden dann alle ersten und dritten Schaltelemente 66, 72 geschlossen und alle zweiten und vierten Schaltelemente 68, 72 geöffnet. Zum Aktivieren ei ner Parallelschaltung aller Wicklungen 48 eines Statorpols 441, 44", 44m in Kom bination mit einer Dreieckschaltung der Phasen U, V, W gemäß Figur 4 werden alle zweiten und vierten Schaltelemente 68, 72 geschlossen und alle ersten und dritten Schaltelemente 66, 70 geöffnet. Dies kann gleichzeitig erfolgen oder mit besonderem Vorteil zur Vermeidung von Kurzschlüssen mit einer Totzeit T von wenigen Nanosekunden bis zu einigen Sekunden zwischen den Umschaltvorgängen der ersten und zweiten Schaltelemente 66, 68 bzw. dritten und vierten Schaltelemente 70, 72. To activate a series connection of all windings 48 of a stator pole 44 1 , 44", 44 m in connection with a star connection of the phases U, V, W according to FIG. 5, all first and third switching elements 66, 72 are then closed and all second and fourth switching elements 68, 72 are opened. To activate a parallel connection of all windings 48 of a stator pole 44 1 , 44", 44 m in combination with a delta connection of the phases U, V, W according to FIG all first and third switching elements 66, 70 open. This can be done simultaneously or with particular advantage to avoid short circuits with a dead time T of a few nanoseconds up to a few seconds between the switching processes of the first and second switching elements 66, 68 or third and fourth switching elements 70, 72.
Um den Elektromotor 12 auch in Ländern mit leicht abweichenden ersten Versorgungspannungen UH betreiben zu können (beispielsweise Japan, Australien, etc.), ist im Falle der Sternschaltung je Statorpol 441, 44", 44m eine zuschaltbare Last 74 vorgesehen. Diese ist derart zwischen dem vierten Schaltelement 72 und einem Massepotential GND der Umschaltvorrichtung 50 geschaltet, dass sie nur bei geschlossenem vierten Schaltelement 72 der Umschaltvorrichtung 50 wirken kann. Dazu weist die zuschaltbare Last 74 eine Parallelschaltung eines weiteren Schaltelements 76 und eines Leistungswiderstands 78 auf. Durch ein Schließen des weiteren Schaltelements 76 kann die Last 74 deaktiviert und durch ein Öffnen aktiviert werden. So ist es bei aktivierter Sternschaltung und Last 74 auf sehr einfache Weise möglich, einen Netzbetrieb mit 240 V statt 230 V oder mit 120 V statt 110 V zu realisieren. Eine Erkennung der jeweiligen ersten Versorgungsspannung UH kann beispielsweise über eine entsprechende mechanische oder elektrische Kodierung, einen RFID-Tag oder dergleichen am Netzkabel 22 erfolgen. Ebenso ist eine Umschaltung durch den Bediener mittels des Betriebsarten - Schalters 52 oder eines HMI des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 oder aber im Gegensatz dazu eine feste Vorgabe, die nur vom Hersteller verändert werden kann, denkbar. In order to also be able to operate the electric motor 12 in countries with slightly different first supply voltages UH (e.g. Japan, Australia, etc.), a switchable load 74 is provided for each stator pole 44 1 , 44", 44 m in the case of star connection. This is such connected between the fourth switching element 72 and a ground potential GND of the switching device 50, so that it can only act when the fourth switching element 72 of the switching device 50 is closed.For this purpose, the switchable load 74 has a parallel connection of a further switching element 76 and a power resistor 78. By closing the The load 74 can be deactivated and activated by opening another switching element 76. With an activated star connection and load 74, it is thus possible in a very simple manner to implement mains operation with 240 V instead of 230 V or with 120 V instead of 110 V. A detection the respective first supply voltage UH can, for example, via a corresponding me chanical or electrical coding, an RFID tag or the like on the power cord 22 done. Switching by the operator using the operating mode switch 52 or an HMI of the electrical processing device 10 or, in contrast to this, a fixed specification that can only be changed by the manufacturer is also conceivable.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Umschaltvorrichtung 50 zumindest ein zusätzliches Umschaltelement (nicht gezeigt) zur Umschaltung zweier Lage- und/oder Drehzahlsensoriken 78H, 78i_ für den Rotor 40 des Elektromotors 12 in Abhängigkeit vom Betrieb des Elektromotors 12 mit der ersten Versorgungsspannung UH oder mit der zumindest einen zweiten Versorgungsspannung UL auf (vgl. Figur 2). Somit ist es möglich, die Lage- und/oder Drehzahlsensoriken 78H, 78L in besonders einfacher Weise an die Steuer- oder Regelelektronik 38 bzw. die von ihr gesteuerten Leistungselektroniken 36H, 36L zum korrekten Betrieb des Elektromotors 12 anzupassen. Dies ist notwendig, da typischerweise für die Leistungselektroniken 36H, 36L für die erste und die zumindest eine zweite Versorgungspannung UH, UL unterschiedliche Sensorpositionen der einzelnen Senso- ren vorliegen. So sind in der Regel die drei Hall-Sensoren der Lage- und/oder Drehzahlsensorik 78H für die Leistungselektronik 36H anders über den Umfang des Rotors 40 verteilt angeordnet als die drei Hall-Sensoren der Lage- und/oder Drehzahlsensorik 78L für die Leistungselektronik 36i_. Auch ist es denkbar, jeweils einen der drei Hall-Sensoren der Lage- und/oder Drehzahlsensoriken 78H, 78L gemeinsam für die Leistungselektroniken 36H, 36L ZU nutzen, so dass insgesamt nur fünf Hall-Sensoren benötigt werden. Weiterhin ist es möglich, für beide Leistungselektronik 36H, 36L dieselben drei Hall-Sensoren zu verwenden. Doch auch in diesem Fall ist eine Umschaltung mittels der Umschaltvorrichtung 50 für den sicheren Betrieb der jeweiligen Leistungselektronik 36H, 36L vorteilhaft. Die Umschaltung der Lage- und/oder Drehzahlsensoriken 78H, 78L erfolgt vorzugsweise dann, wenn der Elektromotor 12 nicht in Betrieb ist, um z.B. die Luft- oder Kriechstrecken zwischen Netz- und Akkuversorgung zu sichern oder EMV- Störungen zu vermeiden. In a further specific embodiment, switchover device 50 has at least one additional switchover element (not shown) for switching over two position and/or speed sensors 78H, 78i_ for rotor 40 of electric motor 12, depending on whether electric motor 12 is operated with the first supply voltage UH or with the at least one second supply voltage UL (cf. FIG. 2). It is thus possible to adapt the position and/or rotational speed sensors 78H, 78L in a particularly simple manner to the control or regulating electronics 38 or the power electronics 36H, 36L controlled by them for the correct operation of the electric motor 12. This is necessary because typically for the power electronics 36H, 36L for the first and the at least one second supply voltage UH, UL different sensor positions of the individual sensors present. As a rule, the three Hall sensors of position and/or speed sensors 78H for power electronics 36H are distributed differently over the circumference of rotor 40 than the three Hall sensors of position and/or speed sensors 78L for power electronics 36i_. It is also conceivable to use one of the three Hall sensors of the position and/or speed sensors 78H, 78L jointly for the power electronics 36H, 36L, so that a total of only five Hall sensors are required. Furthermore, it is possible to use the same three Hall sensors for both power electronics 36H, 36L. However, in this case too, switching by means of switching device 50 is advantageous for safe operation of the respective power electronics 36H, 36L. The position and/or speed sensors 78H, 78L are preferably switched over when the electric motor 12 is not in operation, for example in order to secure the clearance or creepage distances between the mains and battery supply or to avoid EMC interference.
Sämtliche Schaltelemente der Umschaltvorrichtung 50 können als Halbleiter- Schalter, insbesondere als MOSFETs, Feldeffekt-Transistoren, IGBT, Bipolar- Transistoren, oder dergleichen ausgebildet sein. Ebenso sind Relais denkbar. Je nach Anforderung an die Belastbarkeit und Schaltgeschwindigkeit kommen aber auch Mischformen in Frage, bei denen beispielsweise die ersten und zweiten Schaltelemente 66, 68 als Halbleiter-Schalter und die dritten und vierten Schaltelemente 70, 72 sowie die weiteren Schaltelemente 76 als Relais ausgebildet sind. All switching elements of the switching device 50 can be designed as semiconductor switches, in particular as MOSFETs, field effect transistors, IGBT, bipolar transistors, or the like. Relays are also conceivable. Depending on the load capacity and switching speed requirements, however, mixed forms are also possible in which, for example, the first and second switching elements 66, 68 are designed as semiconductor switches and the third and fourth switching elements 70, 72 and the further switching elements 76 are designed as relays.
Wie bereits weiter oben erwähnt, erfolgt die Umschaltung insbesondere der ersten, zweiten, dritten und vierten Schaltelemente 66, 68, 70, 72 der Umschaltvorrichtung 50 mittels der in dem elektrischen Bearbeitungsgerät 10 integrierten Steuer- oder Regelelektronik 38 in Abhängigkeit vom Betriebsartenschalter 52 bzw. von der Sensorik 54. Gleichzeitig steuert die Steuer- oder Regelelektronik 38 in Abhängigkeit vom Hauptschalter 28 die Leistungsbrücke 34 zur Beaufschlagung der Wicklungen 48 der einzelnen Phasen U, V, W mit der PWM- Spannung UM an. Die Umschaltvorrichtung 50 befindet sich daher schaltungstechnisch zwischen der Leistungsbrücke 34 und dem Elektromotor 12. Wie nachfolgend in Verbindung mit den Figuren 7 bis 11 noch ausgeführt wird, kann die Umschaltvorrichtung 50 alternativ auch elektromechanisch mit entsprechenden als Schaltkontakte ausgebildeten Schaltelementen ausgestaltet sein. Ebenso ist eine Mischform aus Halbleiter-Schalter und elektromechanischen Schaltkontak ten denkbar. So können beispielsweise die für Reihen- und/oder Parallelschal tung der Wicklungen 48 notwendigen ersten und zweiten Schaltelemente 66, 68 sowie die für die Lage- und/oder Drehzahlsensorik 78 notwendigen Schaltele mente als elektromechanische Schaltkontakte und die für die Stern- oder Drei eckschaltung der Phasen U, V, W notwendigen dritten und vierten Schaltelemen te 70, 72 sowie die für die länderspezifische Netzanpassung notwendigen weite ren Schaltelemente 76 als Halbleiter-Schalter ausgebildet sein. As already mentioned above, the switching over, in particular of the first, second, third and fourth switching elements 66, 68, 70, 72 of the switching device 50, takes place by means of the control or regulating electronics 38 integrated in the electrical processing device 10, depending on the operating mode switch 52 or of the sensor system 54. At the same time, the control or regulating electronics 38, depending on the main switch 28, activate the power bridge 34 in order to apply the PWM voltage UM to the windings 48 of the individual phases U, V, W. The switching device 50 is therefore circuitry between the power bridge 34 and the electric motor 12. As will be explained below in connection with Figures 7 to 11, the Alternatively, switching device 50 can also be designed electromechanically with corresponding switching elements designed as switching contacts. A hybrid of semiconductor switches and electromechanical switching contacts is also conceivable. For example, the first and second switching elements 66, 68 required for series and/or parallel switching of the windings 48 and the switching elements required for the position and/or speed sensors 78 can be configured as electromechanical switching contacts and those for the star or delta connection of the Phases U, V, W necessary third and fourth Schaltelemen te 70, 72 and necessary for the country-specific network adaptation wide ren switching elements 76 can be designed as semiconductor switches.
In Figur 7 ist eine Explosionszeichnung des erfindungsgemäßen Elektromotors 12 mit dem Rotor 40, dem Stator 42, einem statorseitigen Adapterring 80 und der erfindungsgemäßen elektromechanisch ausgebildeten Umschaltvorrichtung 50 gezeigt. Um einen möglichst kompakten Elektromotor 12 mit einfacher Aus tauschbarkeit zu ermöglichen, ist die Umschaltvorrichtung 50 als eine modulare Baugruppe des Elektromotors 12 ausgebildet, die entlang einer durch die Motor welle 30 des Elektromotors 12 definierten Achse aufgebaut ist. Der Rotor 40 weist eine Mehrzahl von Permanentmagneten 82 auf, die drehfest mit der Mo torwelle 30 verbunden sind. Ebenso drehfest mit der Motorwelle 30 verbunden ist ein Lüfter 84 zur Kühlung des Elektromotors 12 und ggf. der Leistungselektronik 36 des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10. Der Rotor 40 bzw. die Motorwelle 30 sind mittels eines Lagers 86, das beispielsweise als Kugel- oder Wälzlager aus gebildet sein kann, in dem Stator 42 gelagert. Der Stator 42 weist seinerseits über seinen inneren Umfang verteilt auf den Statorzähnen 46 die Wicklungen 48 auf (vgl. hierzu auch die Figuren 2 und 3). Umgeben ist der Stator 42 von einem als Blechpaket ausgebildeten Poltopf 88. FIG. 7 shows an exploded drawing of the electric motor 12 according to the invention with the rotor 40, the stator 42, an adapter ring 80 on the stator side and the electromechanically designed switching device 50 according to the invention. In order to enable the most compact possible electric motor 12 with simple interchangeability, the switching device 50 is designed as a modular assembly of the electric motor 12, which is constructed along an axis defined by the motor shaft 30 of the electric motor 12. The rotor 40 has a plurality of permanent magnets 82 which are rotatably connected to the motor shaft 30 . A fan 84 for cooling the electric motor 12 and, if applicable, the power electronics 36 of the electrical processing device 10 is also connected to the motor shaft 30 in a torque-proof manner may be stored in the stator 42. The stator 42 in turn has the windings 48 distributed over its inner circumference on the stator teeth 46 (cf. also FIGS. 2 and 3 in this regard). The stator 42 is surrounded by a pole pot 88 designed as a laminated core.
Mittels der an dem Adapterring 80 als Kontaktstifte 90 und an der Umschaltvor richtung 50 als Kontaktbuchsen 68, (nicht im Detail gezeigt) ausgebildeten elektrischen Kontaktpunkte 62 sind die Schaltelemente 66, 68, 70, 72, 76 der Umschaltvorrichtung 50 mit den Wicklungen 48 der Statorpole 44 bzw. Statorzähne 46 an einer der Motorwelle 30 abgewandten Seite des Elektromo tors 12 reversibel verbindbar. Dazu sind die elektrischen Kontaktpunkte 62 je weils ringförmig verteilt am Adapterring 80 und an einem äußeren Umfang der Umschaltvorrichtung 50 angeordnet. Somit kann die Umschaltvorrichtung 50 sei tens des Herstellers sehr einfach auf die Adapterplatte 80 des Stators 42 aufge steckt und bei Bedarf wieder von dieser abgezogen werden. Die Kontaktstifte 90 sind ihrerseits mit den Wicklungen 48 des Stators 42 dauerhaft verlötet, vercrimpt oder verschweißt. Die Kontaktbuchsen 92 der Umschaltvorrichtung 50 können einstückig über Kupferbahnen im Sinne eines Stanzgitters oder ebenfalls über Löt-, Crimp- oder Schweißverbindungen mit den Schaltelementen 66, 68, 70, 72, 76 verbunden sein. Statt einer reversiblen Steckverbindung zwischen Umschalt vorrichtung 50 und Adapterring 80 ist es alternativ auch denkbar, dass die elektrischen Kontaktpunkte 62 zwischen Umschaltvorrichtung 50 und Adapterring 80 bzw. den Wicklungen 48 dauerhaft verlötet oder verschweißt sind. Ebenso ist eine direkte Crimp- oder Schraubverbindung der Wicklungen 48 mit den Schalt elementen 66, 68, 70, 72, 76 oder den elektrischen Kontaktpunkten 62 der Um schaltvorrichtung 50 möglich. The switching elements 66, 68, 70, 72, 76 of the switching device 50 are connected to the windings 48 of the stator poles by means of the electrical contact points 62 formed on the adapter ring 80 as contact pins 90 and on the switching device 50 as contact sockets 68 (not shown in detail). 44 or stator teeth 46 on a side facing away from the motor shaft 30 of the electromobility sector 12 reversibly connectable. For this purpose, the electrical contact points 62 are each Weil distributed in a ring on the adapter ring 80 and on an outer circumference of the Switching device 50 arranged. Thus, the switching device 50 can be very simply plugged into the adapter plate 80 of the stator 42 by the manufacturer and, if necessary, removed from it again. The contact pins 90 are in turn permanently soldered, crimped or welded to the windings 48 of the stator 42 . The contact sockets 92 of the switching device 50 can be connected in one piece to the switching elements 66, 68, 70, 72, 76 via copper tracks in the sense of a stamped grid or also via soldered, crimped or welded connections. Instead of a reversible plug-in connection between the switching device 50 and the adapter ring 80, it is alternatively also conceivable for the electrical contact points 62 between the switching device 50 and the adapter ring 80 or the windings 48 to be permanently soldered or welded. A direct crimp or screw connection of the windings 48 with the switching elements 66, 68, 70, 72, 76 or the electrical contact points 62 of the switching device 50 is also possible.
Die elektromechanische Umschaltvorrichtung 50 ist zweiteilig aufgebaut. Sie be steht aus einem topfförmigen Gehäuseteil 94 und einem Deckel 96 der im ge zeigten Ausführungsbeispiel als drehbarer Betriebsartenschalter 52 ausgebildet ist. In dem topfförmigen Gehäuseteil 94 sind die als Kontaktbuchsen 92 ausge bildeten elektrischen Kontaktpunkte 62 ringförmig angeordnet und beispielswiese per Stanzbahnen, Kabel oder Leiterbahnen einer Leiterplatte mit den Anschlüs sen der Schaltelemente 66, 68, 70, 72, 76 verbunden. Die Anschlüsse der Schaltelemente 66, 68, 70, 72, 76 können beispielsweise als Kontaktgleiter bzw. Kontaktfedern 98 ausgebildet sein, die aus einer Kupferlegierung wie z.B. CuSn6 bestehen oder als Sandwichfedern bestehend aus einem Federstahl mit Kupfer auflage ausgebildet sind und über entsprechende Kontaktbahnen 100 gleiten (vgl. hierzu auch Figur 9). The electromechanical switching device 50 is constructed in two parts. It consists of a cup-shaped housing part 94 and a cover 96 which is designed as a rotatable mode switch 52 in the embodiment shown. In the pot-shaped housing part 94 out as contact sockets 92 formed electrical contact points 62 are arranged in a ring and beispielswiese per stamped tracks, cables or conductor tracks of a printed circuit board with the Anschlüs sen of the switching elements 66, 68, 70, 72, 76 connected. The connections of the switching elements 66, 68, 70, 72, 76 can be designed, for example, as contact slides or contact springs 98, which consist of a copper alloy such as CuSn6, or are designed as sandwich springs consisting of spring steel with a copper layer and slide over corresponding contact tracks 100 (see also FIG. 9).
In Figur 8a sind unter Bezugnahme auf Figur 6 drei erste und sechs zweite Schaltelemente 66, 68 auf einer äußeren Kreisbahn sowie drei dritte und drei vierte Schaltelemente 70, 72 auf einer inneren Kreisbahn eines als tellerförmige Leiterplatte 102 ausgebildeten Trägers 104 angeordnet. Die zur besseren Über sichtlichkeit lediglich als Punkte dargestellten Kontaktgleiter 98 der Schaltele mente 66, 68, 70, 72 gleiten auf den bogenförmigen Kontaktbahnen 100, die bei spielweise als Kupferbahnen der Leiterplatte 102 ausgebildet sind und die zur besseren sowie beständigen, elektrischen Leitfähigkeit jeweils eine vergoldete, versilberte, verzinnte, verzinkte oder vernickelte Oberflächenbeschichtung auf weisen. Dies gilt in gleicher Weise für die Oberflächen der Kontaktgleiter 98. Die ersten und zweiten Schaltelemente 66, 68 sowie die dritten und vierten Schalt elemente 70, 72 teilen sich jeweils einen Kontaktgleiter 98 als gemeinsamen elektrischen Kontaktpunkt 62 (vgl. hierzu auch Figur 6). Nur, wenn beide Kon taktgleiter 98 eines Schaltelements 66, 68, 70, 72 elektrischen Kontakt zu einer Kontaktbahn 100 haben, ist das jeweilige Schaltelement 66, 68, 70, 72 elektrisch geschlossen; andernfalls ist es geöffnet. In Figur 8a sind daher in der gezeigten Stellung der Leiterplatte 102 die zweiten und vierten Schaltelemente 68, 72 zur Erzeugung einer Parallelschaltung der Wicklungen 48 eines Statorpols 441, 44", 44m in Verbindung mit einer Dreieckschaltung der Phasen U, V, W des Elektro motors 12 geschlossen (vgl. Figur 4), während die ersten und dritten Schaltele mente 66, 70 geöffnet sind. Es sei darauf hingewiesen, dass die in Figur 8a ab gebildete Leiterplatte 102 zwar alle drei Phasen U, V, W aber nur die Wicklungen 48 eines einzigen Statorpols 441 schalten kann. Demzufolge muss die Umschalt vorrichtung 50 für die Wicklungen 48 der beiden anderen Statorpole 44", 44m entweder noch zwei weitere Leiterplatten 102 aufweisen, die entsprechend der dargestellten Leiterplatte 102 aufgebaut und benachbart zur ersten Leiterplatte 102 angeordnet sind, aber auf der inneren Kreisbahn keine Kontaktbahnen 100 mehr für die dritten und vierten Schaltelemente 70, 72 tragen, oder die auf zwei weiteren Kreisbahnen jeweils die zusätzlich benötigten drei ersten und sechs zweiten Schaltelemente 66, 68 je Phase V, W bzw. Statorpol 44", 44m aufweist. Die einzelnen Kontaktbahnen 100 müssen zudem derart in ihrer Bogenlänge und Positionierung ausgelegt sein, dass keine fehlerhaften Schaltzustände für die gewünschten Betriebsarten entstehen. Entsprechend sind benachbart zu den Kontaktbahnen 100 Luft- oder Kriechstrecken 106 auf der Leiterplatte 102 zur Erzeugung der Totzeit T zwischen den Umschaltvorgängen vorgesehen. In FIG. 8a, with reference to FIG. The contact sliders 98 of the switching elements shown for better clarity only as points 66, 68, 70, 72 slide on the arcuate contact tracks 100, which are formed in example as copper tracks of the circuit board 102 and the better and more stable electrical conductivity each have a gold-plated, silver-plated, tin-plated, zinc-plated or nickel-plated surface coating. The same applies to the surfaces of the contact sliders 98. The first and second switching elements 66, 68 and the third and fourth switching elements 70, 72 each share a contact slider 98 as a common electrical contact point 62 (cf. also FIG. 6). The respective switching element 66, 68, 70, 72 is only electrically closed if both contact sliders 98 of a switching element 66, 68, 70, 72 have electrical contact with a contact track 100; otherwise it is open. In Figure 8a, in the shown position of the circuit board 102, the second and fourth switching elements 68, 72 for generating a parallel connection of the windings 48 of a stator pole 44 1 , 44", 44 m in connection with a delta connection of the phases U, V, W of the Electric motors 12 closed (see FIG. 4), while the first and third switching elements are opened 66, 70. It should be noted that the printed circuit board 102 shown in FIG windings 48 of a single stator pole 44 1. As a result, the switching device 50 for the windings 48 of the two other stator poles 44", 44 m must either have two further circuit boards 102, which are constructed in accordance with the circuit board 102 shown and are adjacent to the first circuit board 102 are arranged, but carry no more contact tracks 100 for the third and fourth switching elements 70, 72 on the inner circular path, or on two other circles each have the additionally required three first and six second switching elements 66, 68 per phase V, W or stator pole 44", 44 m . The arc length and positioning of the individual contact tracks 100 must also be designed in such a way that no faulty switching states arise for the desired operating modes. Correspondingly, clearances or creepage distances 106 are provided on the printed circuit board 102 adjacent to the contact tracks 100 in order to generate the dead time T between the switching operations.
Die zumindest eine Leiterplatte 102 ist derart mittelbar (beispielsweise über ein Gestänge, Getriebe oder dergleichen) oder gemäß Figur 8b unmittelbar mit dem Betriebsartenschalter 52 wirkverbunden, dass ein Verdrehen des Betriebsarten schalters 52 durch den Bediener in Drehrichtung R ein Schließen der ersten und dritten Schaltelemente 66, 70 und ein Öffnen der zweiten und vierten Schaltele mente 68, 72 zur Erzeugung einer Reihenschaltung der Wicklungen 48 eines Statorpols 441, 44", 44m in Verbindung mit einer Sternschaltung der Phasen U, V, W bewirkt (vgl. Figur 5). Ein anschließendes Zurückdrehen entgegen der Dreh richtung R führt dann wieder zu einem Öffnen der ersten und dritten Schaltele mente 66, 70 und zu einem Schließen der zweiten und vierten Schaltelemente 68, 72 zur Erzeugung einer Parallelschaltung der Wicklungen 48 eines Statorpols 441, 44", 44m in Verbindung mit einer Dreieckschaltung der Phasen U, V, W. Da - wie eingangs beschrieben - die ersten und zweiten Schaltelemente 66, 68 sowie die dritten und vierten Schaltelemente 70, 72 jeweils komplementär zueinander geschaltet werden, dienen die Luft- oder Kriechstrecken 106 zur Vermeidung von Kurzschlüssen durch unbeabsichtigte gleichzeitige Schließzustände der ersten und zweiten bzw. dritten und vierten Schaltelemente 66, 68 bzw. 70, 72. The at least one printed circuit board 102 is operatively connected indirectly (e.g. via a linkage, transmission or the like) or, as shown in Figure 8b, directly to the operating mode switch 52 in such a way that turning the operating mode switch 52 by the operator in the direction of rotation R causes the first and third switching elements 66 to close , 70 and an opening of the second and fourth switching elements 68, 72 to produce a series connection of the windings 48 of a Stator pole 44 1 , 44", 44 m in connection with a star connection of the phases U, V, W (cf. Figure 5). Subsequent turning back counter to the direction of rotation R then again leads to opening of the first and third switching elements 66 , 70 and to close the second and fourth switching elements 68, 72 to produce a parallel connection of the windings 48 of a stator pole 44 1 , 44", 44 m in connection with a delta connection of the phases U, V, W. Da - as described above - the first and second switching elements 66, 68 and the third and fourth switching elements 70, 72 are switched in a complementary manner to one another, the clearances or creepage distances 106 serve to prevent short circuits due to unintentional simultaneous closing states of the first and second or third and fourth switching elements 66, 68 or 70, 72.
Alternativ ist es auch denkbar, dass die ersten und zweiten Schaltelemente 66,Alternatively, it is also conceivable that the first and second switching elements 66,
68 zur Parallel- bzw. Reihenschaltung der Wicklungen 48 aller drei Statorpole 44 auf einer ersten tellerförmigen Leiterplatte 102 angeordnet sind und die Um schaltvorrichtung 50 eine unabhängig von der ersten Leiterplatte 102 drehbare zweite tellerförmige Leiterplatte 102 mit den dritten und vierten Schaltelementen 70, 72 zur wahlweisen Dreieck- oder Sternschaltung der drei Phasen U, V, W bzw. Statorpole 44 aufweist. Auf diese Weise kann mittels eines entsprechend zweiteilig ausgestalteten Betriebsartenschalters 52 die Verschaltung der Wick lungen 48 und der Phasen U, V, W unabhängig voneinander erfolgen. In analo ger Weise können auch die weiteren Schaltelemente 76 für die schaltbare Last 74 zur Anpassung an nationale Gegebenheiten der ersten Versorgungsspannung UH und/oder die Schaltelemente für die Umschaltung der Lage- und Dreh zahlsensorik 78 (vgl. Figur 2) realisiert sein. 68 for parallel or series connection of the windings 48 of all three stator poles 44 are arranged on a first plate-shaped printed circuit board 102 and the switching device 50 has a second plate-shaped printed circuit board 102 which can be rotated independently of the first printed circuit board 102 and has the third and fourth switching elements 70, 72 for optional Delta or star connection of the three phases U, V, W or stator poles 44 has. In this way, the windings 48 and the phases U, V, W can be connected independently of one another by means of a correspondingly two-part operating mode switch 52 . The other switching elements 76 for the switchable load 74 to adapt to national conditions of the first supply voltage UH and/or the switching elements for switching over the position and speed sensors 78 (cf. FIG. 2) can also be implemented in an analogous manner.
Figur 8b zeigt einen Schnitt durch die Umschaltvorrichtung 50 gemäß Figur 8a, wobei zusätzlich noch das Gehäuseteil 94 und der als Betriebsartenschalter 52 ausgebildete Deckel 96 dargestellt sind. Einseitig auf der Leiterplatte 102 sind die mit den Kontaktgleitern 98 zusammenwirkenden Kontaktbahnen 100 auf ihren jeweiligen Kreisbahnen angeordnet. In der Schnittdarstellung sind nur drei Kon taktbahnen 100 und zwei Kontaktgleiter 98 sichtbar, die ein Schließen der zwei ten und vierten Schaltelemente 68, 72 bewirken. Die Leiterplatte 102 ist unmittel bar mit dem Betriebsartenschalter 52 wirkverbunden, so dass ein Verdrehen des Betriebsartenschalters 52 durch den Bediener auch direkt ein Verdrehen der Lei- terplatte 102 bewirkt. Wie bereits zu Figur 8a angedeutet, können auch weitere zur ersten Leiterplatte 102 benachbarte Leiterplatten der Umschaltvorrichtung 50 mit dem Betriebsartenschalter 52 wirkverbunden sein. FIG. 8b shows a section through the switching device 50 according to FIG. 8a, with the housing part 94 and the cover 96 designed as an operating mode switch 52 also being shown. The contact tracks 100 interacting with the contact sliders 98 are arranged on their respective circular tracks on one side of the printed circuit board 102 . In the sectional view, only three contact tracks 100 and two contact sliders 98 are visible, which cause the two-th and fourth switching elements 68, 72 to close. The printed circuit board 102 is directly operatively connected to the operating mode switch 52, so that turning the operating mode switch 52 by the operator also directly means turning the circuit breaker. terplatte 102 causes. As already indicated in FIG. 8a, further printed circuit boards of the switching device 50 that are adjacent to the first printed circuit board 102 can also be operatively connected to the operating mode switch 52.
In Figur 8c ist ein weiterer Schnitt durch die Umschaltvorrichtung 50 gezeigt. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 8a ist die Leiterplatte 102 nun beidseitig mit den Kontaktbahnen 100 für die Schaltelemente 66, 68, 70, 72 bedruckt. Auch hier können selbstverständlich je nach Anforderung durch den Elektromotor 12 mehrere derartige Leiterplatten 102 zum Umschalten der Wick lungen 48 der Statorpole 44 und der Phasen U, V, W zum Einsatz kommen. A further section through the switching device 50 is shown in FIG. 8c. In contrast to the exemplary embodiment according to FIG. 8a, the circuit board 102 is now printed on both sides with the contact tracks 100 for the switching elements 66, 68, 70, 72. Depending on the requirements of the electric motor 12, several such circuit boards 102 can of course also be used here for switching over the windings 48 of the stator poles 44 and the phases U, V, W.
Figur 9 zeigt zwei weitere Ausführungsbeispiele der Umschaltvorrichtung 50 in einem perspektivischen Ausschnitt für die ersten und zweiten Schaltelemente 66, 68. Diese gelten exemplarisch auch für die übrigen Schaltelemente der Um schaltvorrichtung 50. Im Unterschied zu Figur 8 ist der als Leiterplatte 102 aus gebildete Träger 104 nun verschiebbar entlang einer Verschiebungsrichtung R angeordnet. Entsprechend wirkt die Leiterplatte 102 auch mit einem verschiebba ren Betriebsartenschalter 52 (nicht gezeigt) zur Umschaltung der ersten und zweiten Schaltelemente 66, 68 derart zusammen, dass ein Verschieben des Be triebsartenschalters 52 ein komplementäres Öffnen und Schließen der ersten und zweiten Schaltelemente 66, 68 durch die auf der Leiterplatte 102 aufge druckten Kontaktbahnen 100 bewirkt. Statt eines verschiebbaren Betriebsarten schalters 52 kann auch ein verdrehbarer Betriebsartenschalter 52 in Verbindung mit einem entsprechend ausgestalten Gestänge zum Einsatz kommen, das die Drehbewegung in eine Linearbewegung transformiert. Figure 9 shows two further exemplary embodiments of the switching device 50 in a perspective detail for the first and second switching elements 66, 68. These also apply as examples to the other switching elements of the switching device 50. In contrast to Figure 8, the carrier 104 is designed as a printed circuit board 102 now slidably arranged along a displacement direction R. Correspondingly, circuit board 102 also interacts with a movable mode switch 52 (not shown) for switching over first and second switching elements 66, 68 in such a way that moving mode switch 52 results in complementary opening and closing of first and second switching elements 66, 68 causes the contact tracks 100 printed on the printed circuit board 102 . Instead of a displaceable operating mode switch 52, a rotatable operating mode switch 52 can also be used in conjunction with a correspondingly designed linkage, which transforms the rotary movement into a linear movement.
Während sich im Ausschnitt gemäß Figur 9a durch die randseitige Bedruckung der Leiterplatte 102 mit den Kontaktbahnen 100 und den beidseitig der Leiterplat te 102 angeordneten Kontaktgleitern 98 insgesamt zwei erste und zwei zweite Schaltelemente 66, 68 ergeben, sind es in Figur 9b durch die einseitige Bedruck ung der Kontaktbahnen 100 und die einseitige Anordnung der Kontaktgleiter 98 nur jeweils ein erstes und ein zweites Schaltelement 66, 68. Durch ein beidseiti ges Bedrucken der Leiterplatte 102 mit entsprechend vielen Kontaktgleitern 98 können aber auch hier mehr Schaltelemente realisiert werden, die jeweils in hori zontaler Richtung gebildet sind. Wie bereits in Figur 8 gezeigt, lässt sich auch in Figur 9 durch entsprechend ausgestaltete Luft- oder Kriechstrecken 106 neben den Kontaktbahnen 100 eine Totzeit T für das Umschalten der Betriebsarten rea lisieren. While in the section according to Figure 9a there are a total of two first and two second switching elements 66, 68 due to the edge printing of the circuit board 102 with the contact tracks 100 and the contact sliders 98 arranged on both sides of the circuit board 102, in Figure 9b this is the case due to the one-sided printing of the contact tracks 100 and the one-sided arrangement of the contact sliders 98 only have a first and a second switching element 66, 68. By printing the printed circuit board 102 on both sides with a corresponding number of contact sliders 98, however, more switching elements can also be implemented here, each in the horizontal direction are formed. As already shown in Figure 8, it is also possible in FIG. 9 realizes a dead time T for switching the operating modes by means of appropriately designed clearances or creepage distances 106 next to the contact tracks 100.
In den Figuren 10 und 11 sind weitere Ausführungsformen des Trägers 104 der Umschaltvorrichtung 50 gezeigt. Auf die einzelnen Bestandteile mit identischen Bezugszeichen, wie in den vorherigen Figuren 8 und 9, soll wegen ihrer identi scher Wirkungsweise nicht weiter eingegangen werden. Die Figur 10 soll insbe sondere verdeutlichen, dass als Träger 104 auch ein Prisma 108 (Figur 10a), ein Quader 110 (Figur 10b) oder ein U-Profil 112 (Figur 10c) mit entsprechend posi tionieren Kontaktbahnen 100 in Frage kommen, wobei analog Figur 9 ein Öffnen und Schließen der ersten und zweiten Schaltelemente 66, 68 durch eine lineare Verschiebung des Trägers 104 bewirkt wird. In Figur 11 ist der Träger 104 als ei ne drehbare Walze 114 insbesondere für die Schaltelemente 76 zur Aktivierung und Deaktivierung der Last 74 (vgl. Figur 6) ausgebildet. Figur 11b zeigt dabei zur Verdeutlichung einen Schnitt durch die in Figur 11a perspektivisch dargestell te Walze 114. Weitere mögliche Trägerformen wären ein Kegelstumpf, eine Ku gel oder dergleichen. In the figures 10 and 11 further embodiments of the carrier 104 of the switching device 50 are shown. The individual components with identical reference numbers as in the previous FIGS. 8 and 9 will not be discussed further because of their identical mode of operation. Figure 10 is intended to make it clear in particular that a prism 108 (Figure 10a), a cuboid 110 (Figure 10b) or a U-profile 112 (Figure 10c) with correspondingly positioned contact tracks 100 can also be used as the carrier 104, with analogous FIG. 9 an opening and closing of the first and second switching elements 66, 68 is brought about by a linear displacement of the carrier 104. In FIG. 11, the carrier 104 is designed as a rotatable roller 114, in particular for the switching elements 76 for activating and deactivating the load 74 (cf. FIG. 6). For clarification, FIG. 11b shows a section through the roller 114 shown in perspective in FIG. 11a. Other possible carrier shapes would be a truncated cone, a sphere or the like.
Sämtliche Ausgestaltungsformen der elektromechanischen Umschaltvorrichtung 50 können auch miteinander kombiniert werden. Ebenso ist eine Kombination aus einer elektromechanischen und einer aus Halbleiter-Schaltern bzw. Relais bestehenden, elektronischen Umschaltvorrichtung 50 im elektrischen Bearbei tungsgerät 10 denkbar. Statt einer Leiterplatte 102 mit aufgedruckten Kontakt bahnen 100 können die Kontaktbahnen 100 auch als ein Stanzgitter ausgebildet sein, das mit einem Kunststoff umspritzt ist und das dann selbst das topfförmige Gehäuseteil 94 bildet. All of the configurations of the electromechanical switching device 50 can also be combined with one another. A combination of an electromechanical and an electronic switching device 50 consisting of semiconductor switches or relays in the electrical processing device 10 is also conceivable. Instead of a printed circuit board 102 with printed contact tracks 100, the contact tracks 100 can also be designed as a stamped grid, which is overmoulded with a plastic and which then forms the cup-shaped housing part 94 itself.
In Figur 12 ist eine schematische Darstellung des elektrischen Bearbeitungsge räts 10 gezeigt. Das elektrische Bearbeitungsgerät 10 lässt sich topologisch auf teilen in einen überwiegend mechanischen Abtriebsteil 116 jenseits einer topolo gischen Trennungslinie 118 und einen Versorgungs- und Antriebsteil 120 dies seits der topologischen Trennungslinie 118. Dabei soll unter „diesseits“ die der elektrischen Versorgung zugewandte Seite und unter “jenseits“ die der Bearbei tung eines Werkstücks zugewandte Seite des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 verstanden werden. „Diesseits“ ist daher als funktionell vor und „jenseits“ als funktionell hinter der topologischen Trennungslinie 118 zu betrachten. Insbeson dere der Abtriebsteil 116 ist häufig spezifisch auf das Anwendungsgebiet des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 ausgelegt und kann daher im Unterschied zum Versorgungs- und Antriebsteil 120 in der Regel nicht universell für verschie denartige elektrische Bearbeitungsgeräte hergestellt und verwendet werden. A schematic representation of the electrical processing device 10 is shown in FIG. The electrical processing device 10 can be topologically divided into a predominantly mechanical driven part 116 beyond a topological dividing line 118 and a supply and drive part 120 on this side of the topological dividing line 118. "This side" should be the side facing the electrical supply and "this side" should be the side facing the electrical supply. beyond” means the side of the electrical processing device facing the processing of a workpiece 10 to be understood. "This side" is therefore to be regarded as functionally before and "beyond" as functionally behind the topological dividing line 118 . In particular, the driven part 116 is often designed specifically for the application of the electrical processing device 10 and can therefore, in contrast to the supply and drive part 120, generally not be produced and used universally for various types of electrical processing devices.
Wesentliche Komponenten des Abtriebsteils 116 sind das Getriebe 24 sowie eine spezielle Abtriebsmechanik 122 für das jeweilige Anwendungsgebiet des elektri schen Bearbeitungsgeräts 10. Unter dem Abtriebsteil 116 soll daher eine Mecha nik verstanden werden, die die Antriebsenergie des Elektromotors 12 zur Ver wendung des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 mechanisch umwandelt. Ein Beispiel für eine Abtriebsmechanik 122 des Abtriebsteils 116 wäre das in der Be schreibung zu Figur 1 erwähnte Schlagwerk 26 samt Werkzeugaufnahme 18 und Einsatzwerkzeug 32 des dort gezeigten Drehschlagschraubers. Aber auch das Fahrwerk eines Fahrzeugs, das Mahlwerk einer Küchenmaschine, die Vorrich tung zur Erzeugung und Führung des Luftstroms eines Gebläses oder derglei chen können die Abtriebsmechanik 122 bilden. The main components of the output part 116 are the gear 24 and a special output mechanism 122 for the respective area of application of the electrical processing device 10. The output part 116 should therefore be understood as a mechanism that uses the drive energy of the electric motor 12 to use the electrical processing device 10 mechanically converts. An example of an output mechanism 122 of the output part 116 would be the percussion mechanism 26 mentioned in the description of FIG. However, the chassis of a vehicle, the grinder of a food processor, the device for generating and directing the air flow of a fan or the like can also form the driven mechanism 122 .
Für die Erfindung wesentliche Komponenten des Versorgungs- und Antriebsteils 120 sind die die Umschaltvorrichtung 50 aufweisende Leistungselektronik 36 und der Elektromotor 12. Auf die Darstellung der die Leistungselektronik 36 ansteu ernden Steuer- oder Regelelektronik 38 sowie ggf. weiterer Komponenten des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 soll hier der Übersichtlichkeit halber verzich tet werden. Die Leistungselektronik 36 teilt sich auf in die erste Leistungselektro nik 36H zum Betrieb mit der ersten Versorgungsspannung UH und in die zumin dest eine zweite Leistungselektronik 36L zum Betrieb mit der zumindest einen zweiten Versorgungsspannung UL, wobei die erste Versorgungsspannung UH beispielsweise durch ein nationales Stromnetz (angedeutet durch die Steckdose) bereitgestellt wird, während die zumindest eine zweite Versorgungsspannung UL von dem Akkupack 20 geliefert wird. Somit ist die erste Leistungselektronik 36H als eine AC-Elektronik und die zumindest eine zweite Leistungselektronik 36L als eine DC-Elektronik ausgebildet. Vorzugsweise sind die beiden Leistungselektro niken 36H, 36L galvanisch voneinander getrennt, um Spannungsüberschläge zwi schen ihnen zu vermeiden. Beiden Leistungselektroniken 36H, 36L gemein ist die Leistungsbrücke 34 zur Ansteuerung des Elektromotors 12 über die Umschalt vorrichtung 50 mittels der PWM-Spannung UM. Die Umschaltvorrichtung 50 be findet sich innerhalb des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 diesseits der topo logischen Trennungslinie 118 zwischen dem Elektromotor 12 und der Leistungs brücke 34. Wie zuvor beschrieben, kann sie dabei als modulare Baugruppe des Elektromotors 12 ausgebildet sein oder sich als vom Elektromotor 12 mecha nisch getrennte Baugruppe an anderer Stelle im elektrischen Bearbeitungsgerät 10 befinden. Auch eine Aufteilung der Umschaltvorrichtung 50 in einen elektroni schen und einen elektromechanischen Teil oder in mehrere elektromechanische oder elektronische Teile innerhalb des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 ist möglich. Components of supply and drive part 120 that are essential to the invention are power electronics 36, which have switchover device 50, and electric motor 12 be omitted for the sake of clarity. The power electronics 36 is divided into the first power electronics 36H for operation with the first supply voltage UH and the at least one second power electronics 36L for operation with the at least one second supply voltage UL, with the first supply voltage UH being supplied, for example, by a national power grid (indicated is provided by the socket), while the at least one second supply voltage UL is supplied by the battery pack 20. Thus, the first power electronics 36H is embodied as AC electronics and the at least one second power electronics 36L is embodied as DC electronics. The two power electronics 36H, 36L are preferably electrically isolated from one another in order to avoid voltage flashovers between them. Both power electronics 36H, 36L have in common Power bridge 34 for controlling the electric motor 12 via the switching device 50 by means of the PWM voltage UM. The switching device 50 is located within the electrical processing device 10 on this side of the topological dividing line 118 between the electric motor 12 and the power bridge 34. As described above, it can be designed as a modular assembly of the electric motor 12 or can be mechanically derived from the electric motor 12 Separate assembly elsewhere in the electrical processing device 10 are located. A division of the switching device 50 into an electronic and an electromechanical part or into several electromechanical or electronic parts within the electrical processing device 10 is possible.
Der Akkupack 20 ist mit Bezug auf Figur 1 als Wechselakkupack ausgebildet. Ebenso ist ein fest im elektrischen Bearbeitungsgerät 10 integrierter Akku bzw. Akkupack 20 denkbar. Auch eine Mischform aus integriertem Akku und Wech selakkupack ist möglich. Zudem können mehrere, elektrisch in Reihe oder paral lelgeschaltete Wechselakkupacks 20 am elektrischen Bearbeitungsgerät 10 zum Einsatz kommen. In Abhängigkeit der Betriebsart bzw. der ersten Versorgungs spannung UH oder der zweiten Versorgungsspannung UL aktiviert dann die Um schaltvorrichtung 50 die erste oder die zweite Leistungselektronik 36H, 36L. With reference to FIG. 1, the battery pack 20 is in the form of a replaceable battery pack. A rechargeable battery or rechargeable battery pack 20 permanently integrated in the electrical processing device 10 is also conceivable. A mixed form of integrated battery and replaceable battery pack is also possible. In addition, several exchangeable battery packs 20 electrically connected in series or in parallel can be used on the electrical processing device 10 . Depending on the operating mode or the first supply voltage UH or the second supply voltage UL, the switching device 50 then activates the first or the second power electronics 36H, 36L.
Figur 13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektrischen Bearbeitungs geräts 10 in Form eines Abrisshammers. Ein wesentlicher Unterschied zum Drehschlagschrauber gemäß Figur 1 besteht neben der Ausgestaltung des überwiegend mechanischen Abtriebsteils 116 in der Energieversorgung des Ab risshammers mit zwei Akkupacks 20. Im Falle zweier in Reihe geschalteter Ak kupacks 20 mit jeweils 18 V ergibt sich so wiederum eine zweite Versorgungs spannung UL von 36 V DC. Im Unterschied zum Drehschlagschrauber gemäß Fi gur 1 ist der Elektromotor 12 einer deutlich höheren Leistungsklasse zuzuordnen, ohne dass sich jedoch an der in Figur 12 beschriebenen, topologischen Auftei lung des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 in den Abtriebsteil 116 und den Versorgungs- und Antriebsteil 120 etwas ändert. Auf eine detaillierte Beschrei bung des Abtriebsteils 116 des Abrisshammers mit der Abtriebsmechanik 122 sowie der Werkzeugaufnahme 18 samt Einsatzwerkzeug 32 soll hier verzichtet werden, da diese für die Erfindung von untergeordneter Bedeutung ist. Die Umschaltung zwischen den Betriebsarten des Elektromotos 12 kann wie schon im ersten Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 entweder manuell durch ei nen Bediener oder automatisch mittels einer Sensorik 54 des elektrischen Bear beitungsgeräts 10 erfolgen. Neben der Sensorik 54 zur Detektion der Stellung der Abdeckklappe 56 für das Netzkabel 22 bzw. dessen Anschlussstecker 60 kann der Bediener die Betriebsart des Elektromotors 12 auch über den Betriebs artenschalter 52, ein HMI, eine App oder dergleichen umschalten. FIG. 13 shows a further exemplary embodiment of an electrical processing device 10 in the form of a demolition hammer. In addition to the design of the predominantly mechanical driven part 116, a major difference from the impact wrench according to FIG. 1 is the power supply of the demolition hammer with two battery packs 20. In the case of two series-connected battery packs 20, each with 18 V, this results in a second supply voltage UL of 36VDC. In contrast to the impact wrench according to FIG. 1, the electric motor 12 can be assigned to a significantly higher performance class, but without anything changing in the topological division of the electrical processing device 10 into the driven part 116 and the supply and drive part 120, as described in FIG. A detailed description of the driven part 116 of the demolition hammer with the driven mechanism 122 and the tool holder 18 together with the insert tool 32 should be omitted here, since this is of secondary importance for the invention. As in the first exemplary embodiment according to FIG. 1, switching between the operating modes of the electric motor 12 can be carried out either manually by an operator or automatically by means of a sensor system 54 of the electrical processing device 10 . In addition to the sensor system 54 for detecting the position of the cover flap 56 for the mains cable 22 or its connector plug 60, the operator can also switch over the operating mode of the electric motor 12 via the operating mode switch 52, an HMI, an app or the like.
In Figur 14 ist der Abrisshammer aus Figur 13 in einem weiteren Ausführungs beispiel dargestellt. Dabei ist die insbesondere elektromechanisch ausgestaltete Umschaltvorrichtung 50 der Leistungselektronik 36 separat vom Elektromotor 12 im Gehäuse 14 des Abrisshammers angeordnet. Die Umschaltung der Betriebs arten kann durch den Bediener über den Betriebsartenschalter 52 erfolgen. Wei terhin sind die erste Leistungselektronik 36H für den Betrieb mit der ersten Ver sorgungsspannung UH, insbesondere mit einer Netzspannung, und die zweite Leistungselektronik 36L für den Betrieb mit der zweiten Versorgungsspannung UL, insbesondere mit einer Akkuspannung, sowie die darin integrierte Leistungs brücke 34 zur Ansteuerung des Elektromotors 12 mit der PWM-Spannung UM als von der Umschaltvorrichtung 50 getrennte Baueinheit im Gehäuse 14 vorgese hen. Zu diesem Zweck weisen sowohl die Umschaltvorrichtung 50 als auch die restliche Leistungselektronik 36 jeweils getrennte Subgehäuse 124 auf, die ihrer seits fest bzw. einstückig mit dem Gehäuse 14 verbunden sind. Zur Vibrations entkopplung der Umschaltvorrichtung 50 oder der gesamten Leistungselektronik 36 von etwaigen stark vibrierenden Bauteilen des Abrisshammers während des Betriebs sind die Abtriebsmechanik 122 sowie der Elektromotor 12 samt Getriebe 24 mittels zumindest eines Dämpfungselements 126 im Gehäuse 14 gelagert.FIG. 14 shows the demolition hammer from FIG. 13 in a further exemplary embodiment. The switching device 50 of the power electronics 36, which is designed in particular electromechanically, is arranged separately from the electric motor 12 in the housing 14 of the demolition hammer. The operating modes can be switched over by the operator using the operating mode switch 52 . Furthermore, the first power electronics 36H are for operation with the first supply voltage UH, in particular with a mains voltage, and the second power electronics 36L are for operation with the second supply voltage UL, in particular with a battery voltage, as well as the power bridge 34 integrated therein for control of the electric motor 12 with the PWM voltage UM as a separate unit from the switching device 50 in the housing 14 hen vorgese. For this purpose, both the switching device 50 and the rest of the power electronics 36 each have separate sub-housings 124 which are in turn connected to the housing 14 in a fixed or integral manner. To decouple the switching device 50 or the entire power electronics 36 from any strongly vibrating components of the demolition hammer during operation, the output mechanism 122 and the electric motor 12 together with the gear 24 are mounted in the housing 14 by means of at least one damping element 126.
Auf diese Weise ist es möglich, die Leistungselektronik 36 bzw. die Umschaltvor richtung 50 vor Schäden an den entsprechenden Bauelementen sowie den elektrischen Kontakten zu schützen. Als Dämpfungselement 126 kommt dabei z.B. eine Feder in Gestalt einer Spiral-, Blatt- oder Schenkelfeder in Frage, die zwischen dem Gehäuse 14 und der Abtriebsmechanik 122, dem Getriebe 24 und/oder dem Elektromotor 12 angeordnet ist. Ebenso sind Gummidämpfer oder dergleichen oder zumindest ein durch die nicht gezeigte Regel- oder Steuerelekt ronik 38 angesteuerter Dämpfungsaktor als Dämpfungselemente 126 denkbar. In this way it is possible to protect the power electronics 36 or the switching device 50 from damage to the corresponding components and the electrical contacts. A spring in the form of a spiral, leaf or torsion spring, for example, which is arranged between the housing 14 and the output mechanism 122, the transmission 24 and/or the electric motor 12, can be used as the damping element 126. Likewise, rubber dampers or The like or at least a damping actuator controlled by the control or control electronics 38 (not shown) are conceivable as damping elements 126 .
Als Alternative oder Ergänzung zur Vibrationsentkopplung des Gehäuses 14 von der Abtriebsmechanik 122 und/oder dem Elektromotor 12 kann es auch vorgese hen sein, die Umschaltvorrichtung 50 selbst vom Gehäuse 14 zu entkoppeln.As an alternative or supplement to the vibration decoupling of the housing 14 from the output mechanism 122 and/or the electric motor 12, it can also be provided for the switching device 50 itself to be decoupled from the housing 14.
Dies soll anhand unterschiedlicher Ausführungsbeispiele gemäß der nachfolgen den Figuren 15 bis 18 verdeutlicht werden, wobei die Umschaltvorrichtung 50 als elektronische Umschaltvorrichtung 50 mit dem Subgehäuse 124 ausgestaltet ist. Ebenso ist es möglich, dass im Falle einer elektromechanischen Umschaltvor richtung 50 die aus dem Gehäuseteil 94 und dem als Betriebsartenschalter 52 ausgebildeten Deckel 96 bestehende modulare Baugruppe vibrationsentkoppelt im Gehäuse 14 des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 gelagert ist. Dabei kann die Umschaltvorrichtung 50 auch in einem definierten Winkel ungleich 0 bzw. 180° zum Elektromotor 12 in dem Gehäuse 14 angeordnet sein. Auch eine vibra tionsentkoppelte Lagerung der modularen Baugruppe zusammen mit dem Elekt romotor 12 im Gehäuse 14 ist denkbar. This is to be illustrated using different exemplary embodiments according to the following FIGS. 15 to 18, the switching device 50 being designed as an electronic switching device 50 with the sub-housing 124. It is also possible that, in the case of an electromechanical switching device 50, the modular subassembly consisting of the housing part 94 and the cover 96 designed as an operating mode switch 52 is mounted vibration-decoupled in the housing 14 of the electrical processing device 10. The switching device 50 can also be arranged in the housing 14 at a defined angle that is not equal to 0 or 180° to the electric motor 12 . A vibra tion decoupled storage of the modular assembly together with the elec romotor 12 in the housing 14 is conceivable.
In Figur 15a ist die im Subgehäuse 124 angeordnete Umschaltvorrichtung 50 über im Wesentlichen als viereckige Gummipuffer 128 ausgebildete Dämpfungs elemente 126 an entsprechenden Halteelementen 130 des Gehäuses 14 zur Aufnahme der Gummipuffer 128 vibrationsentkoppelt gelagert. Dabei ist auf der linken Seite von Figur 15a eine Draufsicht und auf der rechten Seite eine Seiten ansicht gezeigt. Das Subgehäuse 124 ist demzufolge über insgesamt acht Gummipuffer 128 und acht Halteelemente 130 im Gehäuse 14 gelagert. Vibratio nen des Gehäuses 14 können somit in ausreichendem Maße gedämpft werden, um die Umschaltvorrichtung 50 vor Beschädigungen während des Betriebs des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 zu schützen. Figur 15b zeigt die Draufsicht einer zweiten Ausgestaltungsmöglichkeit der Dämpfungselemente 126 als poly- gone Gummipuffer 128 mit zumindest einer innenliegenden Luftkammer 132. In Figur 15c ist ein drittes Ausführungsbeispiel des Dämpfungselements 126 als ein das Subgehäuse 124 zumindest in einer Richtung voll umschließender, im We sentlichen tonnenförmiger Gummipuffer 130 mit entsprechenden seitlichen Luft kammern 132 gezeigt. Mit besonderem Vorteil, kann die Umschaltvorrichtung 50 mit ihrem Subgehäuse 124 in diesem Gummipuffer 130 einfach eingesteckt wer den. Sowohl in Figur 15b als auch in Figur 15c sind Halteelemente 130 am Ge häuse 14 vorgesehen, deren Form in komplementärer Weise an die Form der Dämpfungselemente 126 zur bestmöglichen Fixierung und Lagerung angepasst ist. In FIG. 15a, the switching device 50 arranged in the sub-housing 124 is mounted in a vibration-decoupled manner on corresponding holding elements 130 of the housing 14 for receiving the rubber buffers 128 via damping elements 126 designed essentially as square rubber buffers 128 . A plan view is shown on the left-hand side of FIG. 15a and a side view is shown on the right-hand side. The sub-housing 124 is therefore mounted in the housing 14 via a total of eight rubber buffers 128 and eight retaining elements 130 . Vibrations of the housing 14 can thus be sufficiently dampened to protect the switching device 50 from damage during operation of the electrical processing device 10 . Figure 15b shows the plan view of a second embodiment of the damping element 126 as a polygonal rubber buffer 128 with at least one internal air chamber 132. In Figure 15c, a third exemplary embodiment of the damping element 126 is shown as a sub-housing 124 fully enclosing at least in one direction, essentially barrel-shaped Rubber buffers 130 with corresponding lateral air chambers 132 are shown. With particular advantage, the switching device 50 with their sub-housing 124 simply plugged into this rubber buffer 130 who the. Both in FIG. 15b and in FIG. 15c, holding elements 130 are provided on the housing 14, the shape of which is adapted in a complementary manner to the shape of the damping elements 126 for the best possible fixing and mounting.
Figur 16 zeigt weitere Ausführungsformen des Dämpfungselements 126 für die Umschaltvorrichtung 50. In Figur 16a ist das Dämpfungselement 126 als eine gestanzte Gummifolie 134 ausgebildet, die über vier als Ösen bzw. Dome 136 ausgebildete Halteelemente 130 des Gehäuses 14 gespannt ist und die das Subgehäuse 124 der Umschaltvorrichtung 50 quasi hängend trägt. Dazu weist das Subgehäuse 124 einen Vorsprung 138 auf, der durch eine Öffnung der Gummifolie greift und der über sechs entsprechende Halteelemente 140 an der Gummifolie 134 fixiert ist. In Figur 16b ist das Dämpfungselement 126 als ein Gummiring 142 ausgebildet, der an dem Gehäuse 14 über vier Ösen bzw. Dome 136 gelagert ist und der das Subgehäuse 124 der Umschaltvorrichtung 50 über vier als Haken ausgebildete Halteelemente 140 hängend trägt. Figur 16c zeigt eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit der Gummifolie 134 aus Figur 16a, die nun nur noch an zwei Ösen bzw. Domen 136 im Gehäuse 14 gelagert ist. Im Un terschied zu Figur 15, wo durch das zumindest eine Dämpfungselement 126 eine Druckkraft F auf das Subgehäuse 124 bzw. die Umschaltvorrichtung 50 wirkt, ist es in Figur 16 eine Zugkraft F. Figure 16 shows further embodiments of the damping element 126 for the switching device 50. In Figure 16a, the damping element 126 is embodied as a stamped rubber foil 134, which is stretched over four retaining elements 130 of the housing 14, embodied as eyelets or domes 136, and which support the sub-housing 124 of the Switching device 50 carries almost hanging. For this purpose, the sub-housing 124 has a projection 138 which engages through an opening in the rubber film and which is fixed to the rubber film 134 via six corresponding retaining elements 140 . In FIG. 16b, the damping element 126 is designed as a rubber ring 142 which is mounted on the housing 14 via four eyelets or domes 136 and which carries the sub-housing 124 of the switching device 50 hanging via four retaining elements 140 designed as hooks. FIG. 16c shows a further possible embodiment of the rubber foil 134 from FIG. 16a, which is now only mounted on two eyelets or domes 136 in the housing 14. In contrast to FIG. 15, where the at least one damping element 126 exerts a compressive force F on the subhousing 124 or the switching device 50, in FIG. 16 it is a tensile force F.
In den Figuren 17 und 18 sind die Dämpfungselemente 126 als Federn ausgebil det, wobei in Figur 17 analog zu Figur 15 ein Druckkraft F und in Figur 18 analog zu Figur 16 eine Zugkraft F auf das Subgehäuse 124 der Umschaltvorrichtung 50 wirkt. In den Figuren 17a, 17b und 17c sind die Dämpfungselemente 126 jeweils als Blattfedern 144, als Spiralfedern 146 und als Schenkelfendern 148 ausgebil det, die je nach Ausführung mit entsprechend ausgestalteten Halteelementen 130, 140 am Gehäuse 14 des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 bzw. am Sub gehäuse 124 der Umschaltvorrichtung 50 Zusammenwirken. Die Figuren 18a und 18b zeigen jeweils ein als Zugfeder 150 und als Biege- bzw. Torsionsfeder 152 ausgebildetes Dämpfungselement 126, das einerseits an Ösen bzw. Domen 136 des Gehäuses 14 und andererseits an speziell ausgestalteten Halteelementen 140 des Subgehäuses 124 vibrationsentkoppelt gelagert ist. In FIGS. 17 and 18, the damping elements 126 are designed as springs, a compressive force F acting in FIG. 17 analogously to FIG. 15 and a tensile force F acting in FIG. 18 analogously to FIG. In Figures 17a, 17b and 17c, the damping elements 126 are each designed as leaf springs 144, as spiral springs 146 and as leg fenders 148, which, depending on the design, have appropriately designed holding elements 130, 140 on the housing 14 of the electrical processing device 10 or on the sub-housing 124 of the switching device 50 interact. Figures 18a and 18b each show a damping element 126 designed as a tension spring 150 and as a bending or torsion spring 152, which on the one hand is attached to eyelets or domes 136 of the housing 14 and on the other hand on specially designed holding elements 140 of the sub-housing 124 is mounted vibration-decoupled.
In den Figuren 19 bis 22 sind weitere Ausführungsbeispiele für ein elektrisches Bearbeitungsgerät 10 gezeigt. Dabei ist das elektrische Bearbeitungsgerät 10 in Figur 19 ein Bohrhammer mit einer als pneumatisches Schlagwerk ausgebildeten Abtriebsmechanik 122 sowie beispielsweise einer als SDS- Bohrfutter ausgebilde ten Werkzeugaufnahme 18 für ein als ein SDS-Bohrer ausgebildetes Einsatz werkzeug 32. Auch das von der Motowelle 30 des Elektromotors 12 angetriebene Getriebe 24 ist speziell auf die Anwendung des Bohrhammers ausgelegt. Ent sprechendes gilt für den in Figur 20 dargestellten Winkelschleifer, den in Figur 21 dargestellten Industriestaubsauger und den in Figur 22 dargestellten Rasenmä her. Auch hier ist der Abtriebsteil 116 jeweils speziell an den Einsatzzweck des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 angepasst, ohne hierauf nachfolgend weiter im Detail eingehen zu wollen, da dies für die Erfindung als solche eher von un tergeordneter Bedeutung ist. Es soll an dieser Stelle jedoch nochmals darauf hingewiesen werden, dass die Erfindung auch in vielen anderen elektromotorisch angetriebenen Bearbeitungsgeräten mit mindestens zwei unterschiedlichen Ver sorgungsspannungen, wie z.B. Küchenmaschinen, Baumaschinen, Fahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen, etc. zum Einsatz kommen kann. Further exemplary embodiments of an electrical processing device 10 are shown in FIGS. The electrical processing device 10 in Figure 19 is a hammer drill with a drive mechanism 122 designed as a pneumatic impact mechanism and, for example, a tool holder 18 designed as an SDS drill chuck for an insert tool 32 designed as an SDS drill. Also that of the motor shaft 30 of the electric motor 12 driven gear 24 is specially designed for the application of the hammer drill. The same applies to the angle grinder shown in FIG. 20, the industrial vacuum cleaner shown in FIG. 21 and the lawn mower shown in FIG. Here, too, the output part 116 is specially adapted to the purpose of use of the electrical processing device 10, without wanting to go into further detail in the following, since this is of lesser importance for the invention as such. At this point, however, it should be pointed out again that the invention can also be used in many other electric motor-driven processing devices with at least two different supply voltages, such as kitchen appliances, construction machinery, vehicles, airplanes, ships, etc.
Die Figuren 19 bis 22 veranschaulichen entsprechend Figur 13 eine topologische Aufteilung des jeweiligen elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 in den überwiegend mechanischen Abtriebsteil 116 jenseits der topologischen Trennungslinie 118 und den Versorgungs- und Antriebsteil 120 diesseits der topologischen Tren nungslinie 118. Dabei ist die Umschaltvorrichtung 50 innerhalb des Gehäuses 14 des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 stets topologisch derart von dem Abt reibsteil 116 getrennt, dass sie funktionell, insbesondere als Teil der Leistungs elektronik 36, vor dem Elektromotor 12 und dem Abtriebsteil 116 angeordnet ist. Weiterhin ist jedem elektrischen Bearbeitungsgerät 10 gemein, dass die Leis¬ tungselektronik 36 in eine erste Leistungselektronik 36H, insbesondere eine AC-Elektronik, zum Betrieb mit der ersten Versorgungsspannung UH und in zu mindest eine zweite Leistungselektronik 36L, insbesondere eine DC- Elektronik, zum Betrieb mit der zumindest einen zweiten Versorgungsspannung UL aufgeteilt ist, wobei die erste und die zumindest eine zweite Leistungselektronik 36H, 36L galvanisch voneinander getrennt sind. Zudem ist die Umschaltvorrichtung 50 stets in dem Gehäuse 14 an einer der Motorwelle 30 abgewandten Seite des Elektromotors 12 angeordnet. Figures 19 to 22 illustrate, corresponding to Figure 13, a topological division of the respective electrical processing device 10 into the predominantly mechanical driven part 116 beyond the topological dividing line 118 and the supply and drive part 120 on this side of the topological dividing line 118. The switching device 50 is inside the housing 14 of the electrical processing device 10 is always topologically separated from the friction part 116 such that it is functionally arranged in front of the electric motor 12 and the driven part 116, in particular as part of the power electronics 36. What is also common to each electrical processing device 10 is that the power electronics 36 are divided into first power electronics 36H , in particular AC electronics, for operation with the first supply voltage UH and in at least one second power electronics 36L, in particular DC electronics, for Split operation with the at least one second supply voltage UL is, wherein the first and the at least one second power electronics 36H, 36L are electrically isolated from each other. In addition, the switching device 50 is always arranged in the housing 14 on a side of the electric motor 12 which is remote from the motor shaft 30 .
Der in Figur 19 dargestellte Bohrhammer unterscheidet sich zwar deutlich hin sichtlich seiner Anwendung und dem dafür ausgelegten Abtriebsteil 116 von dem in Figur 13 gezeigten Abrisshammer, beiden gemein ist aber in etwa die Leis tungsklasse sowie die Energieversorgung über zwei Akkupacks 20. Somit kön nen beide elektrischen Bearbeitungsgeräte 10 jeweils einen sehr ähnlichen Ver- sorgungs- und Antriebsteil 120 aufweisen. Mit besonderem Vorteil können dem nach der Elektromotor 12 samt der Umschaltvorrichtung 50 oder der vollständi gen Leistungselektronik 36 als modulare Baugruppe in beiden elektrischen Bear beitungsgeräten 10 zum Einsatz kommen, was die Herstellung und Wartung der elektrischen Bearbeitungsgeräte 10 deutlich vereinfacht und kosteneffizienter macht. Entsprechendes gilt auch für andere elektrische Bearbeitungsgeräte 10 ähnlicher Leistungsklassen, wie beispielsweise dem in Figur 21 gezeigten Indust riestaubsauger und dem in Figur 22 gezeigten Rasenmäher oder dem in Figur 1 gezeigten Drehschlagschraubers und dem in Figur 20 gezeigten kleinen Winkel schleifer. The rotary hammer shown in Figure 19 differs significantly from the demolition hammer shown in Figure 13 in terms of its application and the driven part 116 designed for it, but both have in common the roughly power class and the energy supply via two battery packs 20. Both can therefore be electric Processing devices 10 each have a very similar supply and drive part 120 . With particular advantage, the electric motor 12 together with the switching device 50 or the complete power electronics 36 can be used as a modular assembly in both electrical processing devices 10, which significantly simplifies the manufacture and maintenance of the electrical processing devices 10 and makes it more cost-efficient. The same applies to other electrical processing devices 10 of similar performance classes, such as the industrial vacuum cleaner shown in FIG. 21 and the lawnmower shown in FIG. 22 or the rotary impact wrench shown in FIG. 1 and the small angle grinder shown in FIG.
Es sei abschließend darauf hingewiesen, dass die gezeigten Ausführungsbei spiele weder auf die Figuren 1 bis 22 noch auf die genannten Spannungswerte und/oder die absolute Anzahl der Akkus bzw. Akkupacks 20 sowie der Schalt elemente der Umschaltvorrichtung 50 beschränkt ist. Zudem können sämtliche Ausführungsbeispiele je nach Leistungs- und Kostenbedarf alternativ mit einem klassischen DC-Motor realisiert werden. Sowohl die Akkus 20 als auch die Elekt ronik für das Lademanagement können wahlweise direkt im elektrischen Bearbei tungsgerät 10 integriert oder extern über ein Kabel mit dem elektrischen Bearbei tungsgerät 10 verbunden sein. Finally, it should be pointed out that the exemplary embodiments shown are neither limited to FIGS. In addition, all exemplary embodiments can alternatively be implemented with a classic DC motor, depending on the performance and cost requirements. Both the rechargeable batteries 20 and the electronics for charge management can either be integrated directly in the electrical processing device 10 or connected externally to the electrical processing device 10 via a cable.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Elektrisches Bearbeitungsgerät (10) mit einem Gehäuse (14), einer Ab triebsmechanik (122), einem Elektromotor (12) zum Antrieb der Abtriebsme chanik (122) und einer Umschaltvorrichtung (50), wobei der Elektromotor (12) einen Rotor (40) und einen Stator (42) umfasst, wobei der Stator (42) drei Statorpole (44) und jeder Statorpol (441, 44", 44m) ein ganzzahliges Viel faches an Statorzähnen (46) mit jeweils einer Mehrzahl von Wicklungen (48) zum Antrieb des Rotors (40) aufweist, wobei die Wicklungen (48) der Statorzähne (46) in ihrer Art und/oder Anzahl derart ausgelegt sind, dass der Elektromotor (12) über drei Phasen (U, V, W) wahlweise mit einer ersten Versorgungsspannung (UH), insbesondere für einen Netzbetrieb, oder mit zumindest einer gegenüber der ersten Versorgungsspannung (UH) deutlich unterschiedlichen zweiten Versorgungsspannung (UL), insbesondere für ei nen Akkubetrieb, betreibbar ist, und wobei die Umschaltvorrichtung (50) die Wicklungen (48) des Elektromotors (12) zum wahlweisen Betrieb mit der ers ten oder der zumindest einen zweiten Versorgungsspannung (UH, UL) in Rei he und/oder parallel schaltet, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschalt vorrichtung (50) in dem Gehäuse (14) mittels zumindest eines Dämpfungs elements (126) vibrationsentkoppelt von der Abtriebsmechainik (122) und/oder dem Elektromotor (12) gelagert ist. 1. Electrical processing device (10) with a housing (14), from a drive mechanism (122), an electric motor (12) for driving the drive mechanism (122) and a switching device (50), the electric motor (12) having a rotor ( 40) and a stator (42), the stator (42) comprising three stator poles (44) and each stator pole (44 1 , 44", 44 m ) an integral multiple of stator teeth (46) each having a plurality of windings ( 48) for driving the rotor (40), the windings (48) of the stator teeth (46) being designed in terms of their type and/or number such that the electric motor (12) has three phases (U, V, W) optionally can be operated with a first supply voltage (UH), in particular for mains operation, or with at least one second supply voltage (UL) that is significantly different from the first supply voltage (UH), in particular for battery operation, and wherein the switching device (50) switches the windings (48) of the electric motor (12) for optional operation with the first or the at least one second supply voltage (UH, UL) in series and/or in parallel, characterized in that the switching device (50) in the housing (14) by means of at least one damping element (126) vibration-decoupled from the driven mechanism (122) and/or the electric motor (12).
2. Elektrisches Bearbeitungsgerät (10) nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass die Umschaltvorrichtung (50) derart ausgelegt ist, dass sie die Phasen (U, V, W) des Elektromotors (12) zusätzlich in einer Sternschaltung oder in einer Dreieckschaltung verschalten kann. 2. Electrical processing device (10) according to claim 1, characterized in that the switching device (50) is designed such that it additionally connects the phases (U, V, W) of the electric motor (12) in a star connection or in a delta connection can.
3. Elektrisches Bearbeitungsgerät (10) nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltvorrichtung (50) mit ei nem drehbaren oder verschiebbaren Betriebsartenschalter (52) des elektri schen Bearbeitungsgerät (10) wirkverbunden ist. 3. Electrical processing device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the switching device (50) is operatively connected to a rotatable or sliding mode switch (52) of the electrical processing device's (10).
4. Elektrisches Bearbeitungsgerät (10) nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine die Umschaltvorrichtung (50) aufweisende Leistungselektronik (36) des elektrischen Bearbeitungsgeräts (10) mittels zumindest eines Dämpfungselements (126) in dem Gehäuse (14) vibrationsentkoppelt gelagert ist. 4. Electrical processing device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the switching device (50) having power electronics (36) of the electrical processing device (10) is mounted vibration-decoupled in the housing (14) by means of at least one damping element (126).
5. Elektrisches Bearbeitungsgerät (10) nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltvorrichtung (50) oder die Leistungselektronik (36) in einem separaten Subgehäuse (124) mittels des zumindest einen Dämpfungselements (126) von dem Gehäuse (14) vib rationsentkoppelt gelagert sind. 5. Electrical processing device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the switching device (50) or the power electronics (36) in a separate sub-housing (124) by means of the at least one damping element (126) from the housing (14) vib ration-decoupled.
6. Elektrisches Bearbeitungsgerät (10) nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Dämpfungs element (126) als ein Gummipuffer (128), eine Gummifolie (134) oder ein Gummiring (142) ausgebildet ist, das an zumindest einem Halteelement (130) des Gehäuses (14) vibrationsentkoppelt gelagert ist. 6. Electrical processing device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one damping element (126) is designed as a rubber buffer (128), a rubber foil (134) or a rubber ring (142) which is attached to at least a holding element (130) of the housing (14) is mounted vibration-decoupled.
7. Elektrisches Bearbeitungsgerät (10) nach einem der vorhergehenden An sprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Dämp fungselement (126) als eine Blattfeder (144), eine Spiralfeder (146), eine Schenkelfeder (148), eine Zugfeder (150) oder eine Torsionsfedern (152) ausgebildet ist, das an zumindest einem Halteelement (130) des Gehäuses (14) vibrationsentkoppelt gelagert ist. 7. Electrical processing device (10) according to one of the preceding claims 1 to 5, characterized in that the at least one damping element (126) is a leaf spring (144), a spiral spring (146), a leg spring (148), a tension spring (150) or a torsion spring (152), which is mounted vibration-decoupled on at least one holding element (130) of the housing (14).
8. Elektrisches Bearbeitungsgerät (10) nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltvorrichtung (50) eine modulare Baugruppe (94, 96) des Elektromotors (12) ist und zusammen mit dem Elektromotor (12) in dem Gehäuse (14) vibrationsentkoppelt gelagert ist. 8. Electrical processing device (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the switching device (50) is a modular assembly (94, 96) of the electric motor (12) and is mounted together with the electric motor (12) in the housing (14 ) is mounted vibration-decoupled.
9. Elektrisches Bearbeitungsgerät (10) nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Bearbeitungsgerät (10) eine Handwerkzeugmaschine ist. 9. Electrical processing device (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the electrical processing device (10) is a hand tool.
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