PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102004018966A1 01.12.2005
Titel Reihenschlussmotor und Verfahren zum Steuern eines solchen
Anmelder C. & E. Fein GmbH, 73529 Schwäbisch Gmünd, DE
Erfinder Kress, Christof, 73779 Deizisau, DE;
Beichter, Martin, 70197 Stuttgart, DE
Vertreter Witte, Weller & Partner, 70178 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 13.04.2004
DE-Aktenzeichen 102004018966
Offenlegungstag 01.12.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.12.2005
IPC-Hauptklasse H02H 7/08
IPC-Nebenklasse H02P 7/638   
Zusammenfassung Es wird eine Schaltung für einen Reihenschlussmotor angegeben, bei der mittels zweier elektronischer Schalter ohne die Verwendung eines mechanisch trennenden Schalters eine sichere Schaltfunktion erreicht wird. Hierzu sind zwei elektronische Schalter (Triacs) (14, 16) vorzugsweise in Reihe geschaltet, wobei der Spannungsabfall an dem Triac (14) ständig über eine Überwachungsschaltung (20) überwacht wird. Vor dem Einschalten kann eine Fehlerüberprüfung durchgeführt werden. Alternativ kann auch über einen parallel angeordneten Schutzschalter (Triac) (16) eine Schmelzsicherung ausgelöst werden (Fig. 4).

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Reihenschlussmotor mit kontaktlos schaltenden Funktionsunterbrechungselementen in Form von elektronischen Schaltern.

Elektrowerkzeuge werden in der Regel von Elektromotoren angetrieben, die als Reihenschlussmotoren (Universalmotoren) ausgebildet sind und über mechanische Schalter gesteuert werden. Obwohl die Elektronik auch bei Elektrowerkzeugen mehr und mehr verbreitet wird, wird eine Steuerung von Elektrowerkzeugen ausschließlich über Leistungshalbleiter, die auch zum Ein- und Ausschalten des Elektrowerkzeugs dienen, als nicht ausreichend sicher angesehen. Der Grund hierfür liegt darin, dass Halbleiter durchlegieren können (interner Kurzschluss) und dann nicht mehr steuerbar sind. Bei rein elektronischen Schaltern mit nur einer einzigen Schaltstrecke kann es damit zu einer dauerhaften Verbindung zwischen Spannungsversorgung und Motor kommen, d.h. der Motor lässt sich nicht mehr abschalten bzw. läuft sofort an.

Um nun ohne die Verwendung von mechanischen Schaltern lediglich mit elektronischen Schaltern eine ausreichend sichere Steuerung von Elektrowerkzeugen zu realisieren, ist es im Stand der Technik grundsätzlich bekannt, parallel zu einem Steuerschalter, über den der Motor ein- und ausgeschaltet wird, einen Schutzschalter anzuordnen, der bei einer Fehlfunktion des Steuerschalters eine Sicherung auslöst (vgl. DE 3 119 794 C2, DE 3 432 845 A1, DE 4 021 559 C1).

Derartige Schaltungen arbeiten allerdings nur dann zuverlässig, wenn ein Fehlverhalten der Maschine und des elektronischen Schaltelementes erkannt wird und das Gerät in einen definierten AUS-Zustand gebracht werden kann und darüber hinaus auch ein Fehler in der Schutzschaltung erkannt werden kann, um das Gerät in einen definierten AUS-Zustand zu bringen.

Im Stand der Technik wird auf die Problematik des Auftretens eines Fehlers in der Schutzschaltung lediglich in der DE 3 119 794 C2 eingegangen, jedoch wird hierbei vom Bediener gefordert, ab und zu die Schutzschaltung mittels eines Tasters zu prüfen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Reihenschlussmotor und ein Verfahren zum Steuern eines Reihenschlussmotors zu schaffen, womit trotz des Verzichts auf mechanische Schaltelemente ein sicheres Ein- und Ausschalten lediglich unter Verwendung von elektronischen Schaltern ermöglicht wird.

Diese Aufgabe wird durch einen Reihenschlussmotor, insbesondere für ein Elektrowerkzeug, gelöst, mit einem ersten elektronischen Schalter (Steuerschalter) zum Ein- und Ausschalten des Motors, mit einem zweiten elektronischen Schalter (Schutzschalter), der mit dem Steuerschalter in Reihe liegt, mit einer Überwachungsschaltung zur Überwachung der Funktion der Schalter, die das Spannungspotential an der Verbindung von Steuerschalter und Schutzschalter auswertet, und mit einer elektronischen Steuerung, vorzugsweise einem Mikroprozessor, die mit den beiden Schaltern und der Überwachungsschaltung gekoppelt ist und zumindest einen der Schalter in einen Sperrzustand steuert, wenn die Überwachungsschaltung eine Fehlfunktion eines Schalters registriert.

Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.

Erfindungsgemäß wird nämlich dadurch, dass zwei elektronische Schalter, ein Steuerschalter und ein Schutzschalter, in Reihe geschaltet sind, ein sicheres Ein- und Ausschalten des Motors auch dann ermöglicht, wenn einer der beiden Schalter eine Fehlfunktion zeigen sollte. Durch eine Überwachungsschaltung wird hierbei sichergestellt, dass Fehlfunktionen sowohl des Steuerschalters als auch des Schutzschalters erkannt werden können und der Motor in einen sicheren AUS-Zustand gesteuert werden kann. Ein manuelles Überwachen der Schaltung ist somit nicht erforderlich. Vielmehr wird automatisch beim Einschalten des Motors zunächst eine Fehlerprüfung durchgeführt und ein Einschalten nur dann ermöglicht, wenn hierbei keine Fehlfunktion festgestellt wurde.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist ein Mittel zur hochohmigen Überbrückung der Schaltstrecke des Schutzschalters vorgesehen, um ohne Anlaufen des Motors eine Funktionsprüfung des Steuerschalters zu erlauben.

Auf diese Weise wird es vermieden, dass im Falle der Ansteuerung des Schutzschalters bei der anfänglichen Funktionsprüfung ein kurzzeitiges Anlaufen des Motors erfolgen kann, sofern der Steuerschalter durchlegiert ist. Durch die hochohmige Überbrückung der Schaltstrecke des Schutzschalters kann dieser zunächst gefahrlos geprüft werden, ohne dass die Gefahr des Anlaufens des Motors im Falle eines Fehlers des Steuerschalters besteht.

Das Mittel zur hochohmigen Überbrückung der Schaltstrecke des Schutzschalters kann beispielsweise einen Optokoppler aufweisen, der vorzugsweise einen Optotriac aufweist, und der über einen Widerstand parallel zu den Hauptanschlüssen des Schutzschalters angeschlossen ist.

Eine andere Möglichkeit, um ein kurzzeitiges Anlaufen des Motors bei der Prüfung des Schutzschalters im Falle eines Fehlers des Steuerschalters zu vermeiden, besteht darin, ein Mittel zur Überwachung einer Drehung des Motors vorzusehen, das mit der Steuerung gekoppelt ist, um im Falle eines Anlaufens des Motors bei Ansteuerung des Schutzschalters ohne Ansteuerung des Steuerschalters zumindest einen der beiden Schalter in einen Sperrzustand zu steuern.

Auch auf diese Weise wird die Gefahr eines kurzzeitigen Anlaufens des Motors im Falle einer Fehlfunktion des Steuerschalters bei Prüfung des Schutzschalters vermieden.

Das Mittel zur Überwachung der Motordrehung kann etwa als Drehzahlsensor ausgebildet sein oder aber den Motorstrom überwachen. Im letzteren Fall liegt mit dem Anker ein Shunt-Widerstand in Reihe, dessen Spannungsabfall überwacht wird.

Für die Auslegung der Überwachungsschaltung zur Überwachung des Spannungspotentials am Steuerschalter bieten sich verschiedene Möglichkeiten an.

Während im Stand der Technik, etwa aus der US 6,236,177 B1, eine Schaltung mit einem Transistor, einer Diode und zwei Widerständen bekannt ist, ist erfindungsgemäß eine deutlich einfachere Schaltung bevorzugt.

Die Überwachungsschaltung weist in bevorzugter Weiterbildung der Erfindung einen Spannungsteiler mit zwei in Reihe geschalteten Widerständen auf, wobei der erste Widerstand an einen ersten Pol einer Hilfsspannung angeschlossen ist und der zweite Widerstand an einen der Hauptanschlüsse des Steuerschalters und den zweiten Pol der Hilfsspannung angeschlossen ist, wobei die Verbindung zwischen den beiden Widerständen über einen dritten Widerstand an den anderen Hauptanschluss des Steuerschalters angeschlossen ist und als Ausgang der Überwachungsschaltung einem Eingang der Steuerung zugeführt ist.

Auf diese Weise kann lediglich unter Verwendung von drei Widerständen und der ohnehin für die Elektronik notwendigen Versorgungsspannung eine zuverlässige Überwachung erreicht werden.

Gemäß einer alternativen Ausführung der Erfindung wird die Aufgabe durch einen Reihenschlussmotor, insbesondere einen Reihenschlussmotor für ein Elektrowerkzeug, gelöst, mit einer Sicherung, über die der Anker über einen ersten elektronischen Schalter (Steuerschalter) zum Ein- und Ausschalten des Motors an die Versorgungsspannung angeschlossen ist, und mit einem zweiten elektronischen Schalter (Schutzschalter), der parallel zum Anker und zum Steuerschalter angeschlossen ist, um die Sicherung im Falle eines Fehlerzustandes auszulösen, mit einer elektronischen Steuerung, vorzugsweise einem Mikroprozessor, die mit den Schaltern gekoppelt ist, mit Mitteln zur Blockierung des Schutzschalters und zur Prüfung der Funktion des Schutzschalters im blockierten Zustand und mit einer Überwachungsschaltung, die den Spannungsabfall am Steuerschalter auswertet und deren Ausgangssignal der elektronischen Steuerung zugeführt ist, um den Schutzschalter zur Auslösung der Sicherung anzusteuern, wenn die Überwachungsschaltung eine Fehlfunktion des Steuerschalters registriert.

Auch auf diese Weise wird die Aufgabe der Erfindung vollkommen gelöst.

Während es im Stand der Technik nicht möglich war, bei einer parallelen Anordnung des Schutzschalters zur Auslösung einer Sicherung im Fehlerfall die Funktion des Schutzschalters zu prüfen, wird erfindungsgemäß nunmehr der Schutzschalter zunächst blockiert und kann dann gefahrlos geprüft werden, ohne dass die Sicherung ausgelöst wird.

In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist hierzu zwischen dem Steueranschluss und einem Hauptanschluss des Schutzschalters ein Transistor mit Emitter und Kollektor angeschlossen, der für eine Messung des Steuerstroms des Schutzschalters zu dessen Prüfung durchsteuerbar ist, um eine Auslösung der Sicherung bei der Prüfung des Schutzschalters zu verhindern.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind die elektronischen Schalter als Triacs ausgebildet.

Dies hat den Vorteil, dass auf diese Weise hohe Lasten auch bei Wechselstrom weitgehend verlustfrei geschaltet werden können und gleichzeitig der Steuerschalter auch zur Leistungsregelung und Drehzahlregelung des Motors verwendet werden kann.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe der Erfindung ferner durch ein Verfahren zum Steuern eines Reihenschlussmotors, vorzugsweise eines Reihenschlussmotors für ein Elektrowerkzeug, gelöst, mit folgenden Schritten:

  • (a) Verbinden des Motors über einen ersten elektronischen Schalter (Steuerschalter) zum Ein- und Ausschalten des Motors und einen zweiten elektronischen Schalter (Schutzschalter) mit einer Speisespannung,
  • (b) Überwachen des Spannungspotentials am Steuerschalter,
  • (c) Sperren der Schalter, falls im ausgeschalteten Zustand beider Schalter das Spannungspotential am Steuerschalter Werte außerhalb eines vorgegebenen Schwellwertbereiches annimmt,
  • (d) falls im ausgeschalteten Zustand beider Schalter das Spannungspotential am Steuerschalter innerhalb des Schwellwertes liegt, zum Einschalten des Motors zunächst Einschalten des Schutzschalters,
  • (e) Einschalten des Steuerschalters, falls das Spannungspotential am Steuerschalter Werte außerhalb des Schwellwertbereiches annimmt und
  • (f) Sperren beider Schalter, falls das Spannungspotential am Steuerschalter keine Werte außerhalb des Schwellwertbereiches gemäß (e) annimmt.

Erfindungsgemäß wird auf diese Weise zunächst vor dem Einschalten des Steuerschalters eine Funktionsprüfung dahingehend durchgeführt, ob der Schutzschalter korrekt arbeitet. Falls dies der Fall ist, wird anschließend zunächst der Steuerschalter geprüft, bevor ein Einschalten des Steuerschalters erfolgen kann, um den Motor in Betrieb zu setzen.

Auf diese Weise können Fehler sowohl im Schutzschalter als auch im Steuerschalter sicher erkannt werden. Eine Unterbrechung des Schutzschalters oder des Steuerschalters stellt keine Gefahr dar, da in diesem Fall der Motor nicht anlaufen kann. Da am Eingang der elektronischen Steuerung für das Erkennen eines korrekten Arbeitens des Steuerschalters und des Schutzschalters gegensätzliche Eingangssignale bei den Prüfungen verlangt werden, führen sowohl ein Kurzschluss als auch Unterbrechungen einzelner Teile der Überwachungsschaltung zu einem sicheren AUS-Zustand. Auch Fehler in den Ansteuerschaltungen werden erkannt. Ein permanentes Ansteuern zeigt nämlich denselben Fehler wie ein Kurzschluss des Steuerschalters oder des Schutzschalters. Erfolgt keine Ansteuerung, so führt dies zu demselben Verhalten wie eine Unterbrechung des Steuerschalters oder des Schutzschalters. Ein Anlaufen des Motors ist in diesem Fall nicht möglich.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der Schutzschalter sofort wieder abgeschaltet, sofern das Spannungspotential beim Einschalten des Schutzschalters bei ausgeschaltetem Steuerschalter nicht ansteigt.

In diesem Fall liegt ein Fehler des Steuerschalters vor. Durch ein sofortiges Abschalten des Schutzschalters soll ein Anlaufen des Motors vermieden werden.

Hierzu kann gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Drehung des Motors überwacht werden, um den Motor bei ausgeschaltetem Steuerschalter und Einschalten des Schutzschalters sofort wieder abzuschalten, sofern eine Motordrehung registriert wird.

In alternativer Ausführung kann hierzu auch zunächst der Schutzschalter zur Prüfung des Steuerschalters hochohmig überbrückt werden und geprüft werden, ob das Spannungspotential am Steuerschalter bis auf den vorgegebenen Schwellwert ansteigt.

Auf diese Weise kann ein Anlaufen des Motors bei Prüfung des Steuerschalters auch im Falle eines Defekts sicher vermieden werden.

Die Aufgabe der Erfindung wird in alternativer Weise ferner durch ein Verfahren zum Steuern eines Reihenschlussmotors, vorzugsweise eines Reihenschlussmotors für ein Elektrowerkzeug, mit folgenden Schritten gelöst:

  • (a) Verbinden des Motors über eine Sicherung und einen ersten elektronischen Schalter (Steuerschalter) zum Ein- und Ausschalten des Motors mit einer Speisespannung und Verbinden eines zweiten elektronischen Schalters (Schutzschalter) über die Sicherung mit der Speisespannung,
  • (b) bevor der Steuerschalter eingeschaltet wird, zunächst Blockieren des Schutzschalters und Prüfen der Funktion der Ansteuerung des Schutzschalters durch Ansteuern des Schutzschalters und Prüfen des Steuerstroms,
  • (c) wenn eine korrekte Funktion der Ansteuerung des Schutzschalters festgestellt wird, Aufhebung der Blockierung des Schutzschalters und Einschalten des Steuerschalters zum Einschalten des Motors,
  • (d) Ansteuerung des Steuerschalters sperren, falls im Schritt (b) eine Fehlfunktion festgestellt wird,
  • (e) Überwachen des Spannungsabfalls am Steuerschalter und Ansteuern des Schutzschalters zum Auslösen der Sicherung, falls der Spannungsabfall beim Ausschalten des Steuerschalters nicht über einen vorgegebenen Schwellwert ansteigt.

Auf diese Weise kann unter Verwendung einer parallelen Schaltung des Schutzschalters eine Fehlfunktion der Ansteuerschaltung des Schutzschalters vor dem Einschalten des Steuerschalters geprüft werden und eine Abschaltung erreicht werden, falls der Steuerschalter versagen sollte.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:

1 eine erste Ausführung eines erfindungsgemäßen Reihenschlussmotors in vereinfachter Prinzipschaltung;

2 eine bevorzugte Ausführung einer für den Motor gemäß 1 geeigneten Überwachungsschaltung;

2a eine grafische Darstellung der Eingangsspannung am Widerstand R3 der Überwachungsschaltung gemäß 2 nebst der zugeordneten Ausgangsspannung am PIN 1;

3 eine alternative Ausführung der Überwachungsschaltung für den Motor gemäß 1;

4 eine Modifikation der Schaltung gemäß 1;

5 eine weitere Modifikation der Schaltung gemäß 1 und

6 eine weitere Ausführung der Erfindung mit einem parallelen Schutzschalter zum Auslösen einer Sicherung.

In 1 ist ein erfindungsgemäßer Elektromotor in Form einer Schaltung eines Reihenschlussmotors dargestellt und insgesamt mit der Ziffer 10 bezeichnet.

Der Motor 10 wird aus den beiden Polen 24 und 26 einer Wechselspannungsquelle mit 230 Volt gespeist. Der Motor 10 weist einen Anker 12 auf, der mit den Feldwicklungen (nicht dargestellt) in Reihe liegt und an den einen Pol 24 der Speisespannung angeschlossen ist. Der andere Pol des Ankers 12 ist über zwei in Reihe geschaltete Triacs, nämlich einen Schutzschalter 16 und einen Steuerschalter 14, mit dem anderen Pol 26 der Speisespannung verbunden. Die Steueranschlüsse 28 und 30 von Steuerschalter 14 und Schutzschalter 16 sind an eine elektronische Steuerung 18 angeschlossen, die als Mikroprozessor ausgebildet ist. Die elektronische Steuerung 18 ist gleichfalls an die beiden Pole 24 bzw. 26 der Speisespannungsquelle angeschlossen bzw. wird von einer Gleichspannungsquelle zusätzlich mit einer Speisespannung versorgt (sofern die Spannungsversorgung nicht bereits in der elektronischen Steuerung 18 integriert ist). Zwischen der Verbindung zwischen Steuerschalter 14 und Schutzschalter 16 einerseits und dem zweiten Pol 26 der Speisespannungsquelle andererseits ist ferner eine Überwachungsschaltung 20 angeschlossen, die das Spannungspotential zwischen Steuerschalter 14 und Schutzschalter 16 einerseits und dem zweiten Pol 26 der Speisespannungsquelle andererseits überwacht und deren Ausgang über eine Leitung 32 mit einem Eingang 22 (Pin 1) der elektronischen Steuerung 18 gekoppelt ist.

Die elektronische Steuerung 18 übernimmt in grundsätzlich bekannter Weise auch die Funktionen eines Sanftanlaufes beim Einschalten des Motors und einer Drehzahl- bzw. Leistungssteuerung während des Betriebs durch eine Phasenanschnittsteuerung des Steuerschalters 14.

Mit der Überwachungsschaltung 20 kann nun vor dem Einschalten des Elektromotors 10 zunächst eine Funktionsprüfung durchgeführt werden, um eine fehlerfreie Funktion sowohl des Steuerschalters 14 als auch des Schutzschalters 16 sicherzustellen.

In 2 ist eine bevorzugte Ausführung der Überwachungsschaltung 20 dargestellt. Hierbei ist eine Hilfsspannung, bei der es sich um die Speisespannung Vcc für die elektronische Steuerung 18 handeln kann, über einen Spannungsteiler an den einen Hauptanschluss des Steuerschalters 14 angeschlossen, der mit dem zweiten Pol 26 der Wechselspannungsquelle verbunden ist. Der Spannungsteiler besteht aus den Widerständen R1 und R2. Der Abgriff des Spannungsteilers ist mit dem Eingang 22 (Pin 1) der Steuerung 18 verbunden. Der Abgriff des Spannungsteilers ist ferner über einen dritten Widerstand R3 mit der Verbindung zwischen Steuerschalter 14 und Schutzschalter 16 gekoppelt.

Mit einer derartigen Überwachungsschaltung ist eine besonders einfache Überwachung des am Steuerschalter 14 anliegenden Spannungspotentials mit nur drei Bauteilen ermöglicht.

Grundsätzlich können in alternativer Ausführung der Erfindung auch andere Überwachungsschaltungen verwendet werden, wie etwa aus der US 6,236,177 B1 bekannt. Eine derartige Schaltung ist in 3 dargestellt und mit der Ziffer 20' bezeichnet. wegen des einfacheren Aufbaus ist jedoch eine Überwachungsschaltung gemäß 2 bevorzugt.

Eine abgewandelte Ausführung des erfindungsgemäßen Elektromotors ist in 4 dargestellt und insgesamt mit der Ziffer 10a bezeichnet. Hierbei sowie bei den noch zu erläuternden Abwandlungen werden für entsprechende Teile entsprechende Bezugsziffern verwendet.

Der einzige Unterschied der Schaltung des Elektromotors 10a zu der Ausführung des Elektromotors 10 gemäß 1 besteht darin, dass zusätzlich noch ein Mittel 36 zur hochohmigen Überbrückung des Schutzschalters 16 vorgesehen ist. Dieses Mittel 36 zur hochohmigen Überbrückung des Schutzschalters 16 besteht aus einem Optotriac 38, der über einen Widerstand R4 parallel zu den beiden Hauptanschlüssen des Schutzschalters 16 angeschlossen ist. Der Optotriac 38 wird über eine LED 40 angesteuert.

In 4 ist zusätzlich noch eine der beiden mit dem Anker 12 in Reihe liegenden Feldwicklungen mit Ziffer 13 angedeutet.

Die Funktionsweise des Reihenschlussmotors 10 bzw. 10a ist wie folgt:

Bei der Schaltung gemäß 1 bzw. 2 wird vor einem ersten Einschalten des Elektromotors 10 in einer ersten Prüfung zunächst festgestellt, ob die Ausgangsspannung der Überwachungsschaltung 20, die über die Leitung 32 dem Eingang 22 (Pin 1) des Mikroprozessors 18 zugeführt ist, innerhalb eines vorgegebenen Schwellwertes liegt. Dies ist aus 2a näher ersichtlich. Während an R1 die Speisespannung Vcc liegt und R2 auf Masse liegt, wird über R3 an PIN 1 die Wechselspannung an der Verbindung zwischen Steuerschalter 14 und Schutzschalter 16 angelegt. Im ausgeschalteten Zustand von Steuerschalter 14 und Schutzschalter 16 darf an R3 keine Wechselspannung liegen, so dass die Spannung an PIN 1 ausschließlich von dem Spannungsteiler R1 und R2, sowie Vcc abhängt. Ist beispielsweise Vcc = 5V und R1=R2, so gibt es einen Schwellwertbereich von 2,5V±0,5 V, innerhalb dessen die Spannung an PIN 1 liegen muss, wenn Steuerschalter 14 und Schutzschalter 16 nicht angesteuert sind.

Ist dies der Fall, so ist diese erste Prüfstufe in Ordnung. Durch diese Prüfung wird eine Prüfung der Sperrwirkung sowohl bei der positiven Halbwelle als auch bei der negativen Halbwelle gewährleistet.

Anderenfalls liegt ein Fehler vor. Entweder ist der Schutzschalter 16 defekt, d.h. es liegt ein Kurzschluss vor, oder die Ansteuerschaltung des Schutzschalters 16 ist defekt oder aber die Überwachungsschaltung 20 ist defekt. In diesem Fall wird der Steuerschalter 14 nicht angesteuert und der Mikroprozessor 18 geht in einen sicheren Fehlerzustand (AUS-Zustand) über.

Verläuft die erste Prüfung positiv, so wird beim Einschalten gemäß 1 zunächst der Schutzschalter 16 über die Leitung 30 angesteuert. Pendelt in diesem Fall die am Pin 1 anliegende Spannung, so dass die Schwellwertgrenzen gemäß 2a überschritten werden, so ist die Funktion in Ordnung. Anderenfalls ist die Funktion gestört. Es liegt nämlich entweder ein Defekt im Steuerschalter 14 vor (Kurzschluss), oder die Ansteuerschaltung des Steuerschalters 14 ist defekt, oder aber die Überwachungsschaltung 20 ist defekt.

Im Falle eines Defektes wird der Schutzschalter 16 so schnell wie möglich wieder abgeschaltet und der Mikroprozessor 18 geht in einen sicheren Fehlerzustand (AUS-Zustand) über.

Wird entweder der Steuerschalter 14 oder der Schutzschalter 16 als defekt erkannt (Kurzschluss), so lässt sich der Motor nicht einschalten. Im Falle einer Unterbrechung des Steuerschalters 14 oder des Schutzschalters 16 kann der Motor gleichfalls nicht anlaufen, so dass dies keine Gefahr darstellt. Mit der beschriebenen Schaltung des Motors 10 werden sowohl Fehler in der Überwachungsschaltung erkannt als auch Fehler in den Ansteuerschaltungen erkannt. Da am Eingang 22 (Pin 1) des Mikroprozessors 18 für die Funktion „In Ordnung" gegensätzliche Eingangssignale bei den Prüfungen verlangt werden, führen sowohl ein Kurzschluss als auch Unterbrechungen einzelner Teile der Überwachungsschaltung 20 zu einem sicheren AUS-Zustand. Ein ständiges Ansteuern entweder des Steuerschalters 14 oder des Schutzschalters 16 führt zum selben Fehler wie ein Kurzschluss des Steuerschalters bzw. Schutzschalters. Gibt der Mikroprozessor 18 fehlerhaft kein Steuersignal auf die Leitung 28 bzw. die Leitung 30 zum Ansteuern von Steuerschalter 14 bzw. Schutzschalter 16 aus, so führt dies zum selben Ergebnis wie eine Unterbrechung des Steuerschalters 14 bzw. des Schutzschalters 16. Ein Anlaufen des Motors ist in diesem Fall nicht möglich.

Bei der Schaltung gemäß 1 ist es erforderlich, dass für den Fall, dass bei der zweiten Prüfung, wenn der Schutzschalter 16 angesteuert wird, während der Steuerschalter 14 nicht angesteuert wird, eine Fehlfunktion festgestellt wird, der Schutzschalter 16 sofort wieder ausgeschaltet wird. Eine verspätete Ausschaltung des Schutzschalters 16 im Falle der Feststellung eines Fehlers bei der zweiten Prüfung kann ggf. zu einem Anlaufen des Motors führen, was unter Umständen nachteilig sein könnte.

Um auch diesen Fall auszuschließen, wurde bei dem Motor 10a gemäß 4 zusätzlich das Mittel 36 zur hochohmigen Überbrückung des Schutzschalters 16 eingeführt.

Nach Abschluss der Prüfung 1 (im nicht angesteuerten Zustand des Schutzschalters und des Überwachungsschalters Spannung an Pin1 innerhalb des Schwellwertbereiches) wird anstelle einer Ansteuerung des Schutzschalters 16 dieser lediglich mit Hilfe der Schaltung 36 hochohmig überbrückt. Auf diese Weise kann eine Funktionsprüfung des Steuerschalters 16 durchgeführt werden, ohne dass die Gefahr besteht, dass im Falle eines Kurzschlusses des Steuerschalters 16 sofort ein Anlaufen des Motors auftritt.

Als Alternative zu der Schaltung 36 zur hochohmigen Überbrückung des Steuerschalters 16 ist in 5 als weitere Abwandlung ein Mittel zur Drehzahlüberwachung des insgesamt mit Ziffer 10b bezeichneten Motors dargestellt.

Hierzu kann in Reihe mit den Feldwicklungen 13 ein Shunt-Widerstand R5 vorgesehen sein. Wird bei der zweiten Prüfung, d.h. beim Einschalten des Schutzschalters 16 zur Prüfung des Steuerschalters 14 ein Spannungsabfall am Shunt-Widerstand R5 zwischen dem Pol 26 der Wechselspannung und der Leitung 52 registriert, so wird die Ansteuerung des Schutzschalters 16 sofort unterbrochen, um ein Anlaufen des Motors zu verhindern.

Alternativ (oder ggf. zusätzlich) könnte ein Drehzahlsensor 54 vorgesehen sein, der die Drehzahl des Motors überwacht, wie in 5 gestrichelt angedeutet. Erhält der Drehzahlsensor 54 bei der Prüfung 2, d.h. beim Ansteuern des Schutzschalters 16 zur Prüfung des Steuerschalters 14, ein Signal, so wird die Ansteuerung des Schutzschalters 16 sofort unterbrochen, um ein Weiterlaufen des Elektromotors zu verhindern. Im Übrigen entspricht die Schaltung des Motors 10b der Schaltung des Motors 10a.

Eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen Elektromotors ist in 6 dargestellt und insgesamt mit 10c bezeichnet.

Hierbei ist eine Schmelzsicherung 56 vorgesehen, die über einen Schutzschalter 16 im Falle eines Fehlers des Steuerschalters 14 ausgelöst werden kann. Hierzu ist der Schutzschalter 16 parallel unmittelbar hinter der Sicherung 56 an die beiden Pole 24 und 26 der Speisespannungsquelle angeschlossen. Das über dem Steuerschalter 14 abfallende Spannungspotential wird wiederum über eine Schutzschaltung 20, wie vorstehend erläutert, überwacht. Der Ausgang der Überwachungsschaltung 20 liegt wiederum am Pin 1 des Mikroprozessors 18. Eine vollständige Funktionsprüfung ist zwar mit der Schaltung gemäß 6 nicht möglich, da sofort die Sicherung 56 ansprechen würde. Jedoch kann die Ansteuerschaltung des Schutzschalters 16 geprüft werden, indem das Zünden des Schutzschalters bzw. Triacs 16 verhindert wird.

Hierzu ist das Gate 28 des Triacs 16 über zwei in Reihe geschaltete Widerstände R6 und R7 mit einem Ausgang (Pin 3) des Mikroprozessors 18 verbunden. Der Verbindungspunkt zwischen den beiden Widerständen R6, R7 ist über eine Leitung 62 an einen Messeingang (Pin 4) des Mikroprozessors 18 angeschlossen. Zwischen Gate 28 des Schutzschalters 16 und dem Pol 26 der Speisespannung ist ein Transistor 60 angeordnet, dessen Basis über einen Ausgang (Pin 2) des Mikroprozessors 18 ansteuerbar ist.

Zur Prüfung wird zunächst die Überwachungsschaltung 20 ausgewertet. Die Prüfung erfolgt, wie im Zusammenhang mit 2 bzw. 2a beschrieben. Falls hierbei ein Fehler festgestellt wird, wird der Schutzschalter 16 angesteuert, um die Sicherung 56 auszulösen.

Wir bei der vorherigen Prüfung kein Fehler festgestellt, so wird nun die Ansteuerschaltung des Schutzschalters 16 wie folgt geprüft:

Zunächst wird der Transistor 60 über Pin 2 des Mikroprozessors 18 an seiner Basis 64 angesteuert. Dadurch wird ein Zünden des Triacs 16 verhindert. Es werden nun über Pin 3 Zündimpulse ausgegeben, wobei der Transistor 60 das Zünden verhindert. Am Pin 4 des Mikroprozessors 18 kann nun die Spannung zwischen den Widerständen R6, R7 erfasst werden. Die Ausgangsspannung an Pin 3 entspricht etwa der Versorgungsspannung Vcc. Falls nun am Pin 4 keine Spannung anliegt, so sind entweder die Widerstände R6, R7 unterbrochen oder es wird kein Zündimpuls ausgegeben, so dass ein Fehler vorliegt. Unter der Annahme, dass die Widerstände R6, R7 gleich sind, muss am Pin 4 etwa die halbe Versorgungsspannung ½ Vcc anliegen, während der Zündstrom fließt. In diesem Fall ist die Ansteuerschaltung für den Triac 16 in Ordnung. Liegt während der Ausgabe von Zündimpulsen am Pin 3 die volle Versorgungsspannung Vcc am Pin 4 an, so ist der Widerstand R6 unterbrochen, so dass wiederum ein Fehler vorliegt.

Wird kein Fehler festgestellt, so wird die Ansteuerung des Transistors 60 über den Pin 2 wieder aufgehoben, damit der Schutzschalter bzw. Triac 16 während des Betriebs arbeiten kann, um im Falle eines Fehlers des Steuerschalters 14 eine Auslösung der Sicherung 56 zu ermöglichen. Anschließend kann der Steuerschalter 14 eingeschaltet werden, um den Motor einzuschalten. Wird der Steuerschalter 14 nicht mehr angesteuert, d.h. werden keine Zündimpulse mehr über die Leitung 30 ausgegeben, so muss der Spannungsabfall über dem Steuerschalter 14 über einen vorgegebenen Schwellwert ansteigen. Ansonsten ist der Steuerschalter 14 defekt. Wird ein Defekt des Steuerschalters 14 beim Ausschalten erkannt, so wird der Schutzschalter 16 über Pin 3 der Steuerschaltung 18 angesteuert, um die Sicherung 56 auszulösen.


Anspruch[de]
  1. Reihenschlussmotor, insbesondere für ein Elektrowerkzeug, mit einem ersten elektronischen Schalter (Steuerschalter) (14) zum Ein- und Ausschalten des Motors (10, 10a, 10b), mit einem zweiten elektronischen Schalter (Schutzschalter) (16), der mit dem Steuerschalter (14) in Reihe liegt, mit einer Überwachungsschaltung (20, 20') zur Überwachung der Funktion der Schalter (14, 16), die das Spannungspotential an der Verbindung von Steuerschalter (14) und Schutzschalter (16) auswertet, und mit einer elektronischen Steuerung (18), vorzugsweise einem Mikroprozessor, die mit den beiden Schaltern (14, 16) und der Überwachungsschaltung (20, 20') gekoppelt ist und zumindest einen der Schalter (14, 16) in einen AUS-Zustand steuert, wenn die Überwachungsschaltung (20, 20') eine Fehlfunktion eines Schalters (14, 16) registriert.
  2. Reihenschlussmotor nach Anspruch 1, mit einem Mittel (36) zur hochohmigen Überbrückung der Schaltstrecke des Schutzschalters (16), um ohne Anlaufen des Motors (10, 10a, 10b) eine Funktionsprüfung des Steuerschalters (14) zu erlauben.
  3. Reihenschlussmotor nach Anspruch 2, bei dem das Mittel (36) für eine hochohmige Überbrückung einen Optokoppler, vorzugsweise einen Optotriac (38), aufweist, der über einen Widerstand (R4) parallel zu den Hauptanschlüssen (42, 44) des Schutzschalters (16) angeschlossen ist.
  4. Reihenschlussmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Mittel zur Überwachung einer Drehung des Motors (10, 10a, 10b), das mit der Steuerung (18) gekoppelt ist, um im Falle eines Anlaufens Motors (10, 10a, 10b) bei Ansteuerung des Schutzschalters (16) ohne Ansteuerung des Steuerschalters (14) zumindest einen der beiden Schalter (14, 16) in einen AUS-Zustand zu steuern.
  5. Reihenschlussmotor nach Anspruch 4, bei dem das Mittel zur Überwachung der Motordrehung als Drehzahlsensor (54) ausgebildet ist.
  6. Reihenschlussmotor nach Anspruch 4, bei dem das Mittel zur Überwachung der Motordrehung den Motorstrom überwacht.
  7. Reihenschlussmotor nach Anspruch 6, bei dem das Mittel zur Überwachung der Motordrehung ein Shunt-Widerstand (R5) ist, der mit dem Anker (12) in Reihe liegt und dessen Spannungsabfall überwacht wird.
  8. Reihenschlussmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Überwachungsschaltung (20) einen Spannungsteiler mit zwei in Reihe geschalteten Widerständen (R1, R2) aufweist, wobei der erste Widerstand (R1) an einen ersten Pol einer Hilfsspannung (Vcc) angeschlossen ist und der zweite Widerstand (R2) an einen der Hauptanschlüsse des Steuerschalters (14) und den zweiten Pol der Hilfsspannung angeschlossen ist, die Verbindung zwischen den beiden Widerständen (R1, R2) über einen dritten Widerstand (R3) an den anderen Hauptanschluss des Steuerschalters (14) angeschlossen ist und als Ausgang der Überwachungsschaltung einem Eingang (22) der Steuerung (18) zugeführt ist.
  9. Reihenschlussmotor, insbesondere für ein Elektrowerkzeug, mit einer Sicherung (56), über die der Anker (12) über einen ersten elektronischen Schalter (Steuerschalter) (14) zum Ein- und Ausschalten des Motors (10c) an die Versorgungsspannung angeschlossen ist, und mit einem zweiten elektronischen Schalter (Schutzschalter) (16), der parallel zum Anker (12) und zum Steuerschalter (14) angeschlossen ist, um die Sicherung (56) im Falle eines Fehlerzustandes auszulösen, mit einer elektronischen Steuerung (18), vorzugsweise einem Mikroprozessor, die mit den Schaltern (14, 16) gekoppelt ist, mit Mitteln (16) zur Blockierung des Schutzschalters (16) und zur Prüfung der Funktion des Schutzschalters (16) im blockierten Zustand, und mit einer Überwachungsschaltung (20), die den Spannungsabfall am Steuerschalter (14) auswertet und deren Ausgangssignal der elektronischen Steuerung (18) zugeführt ist, um den Schutzschalter (16) zur Auslösung der Sicherung (56) anzusteuern, wenn die Überwachungsschaltung (16) eine Fehlfunktion des Steuerschalters (14) registriert.
  10. Reihenschlussmotor nach Anspruch 9, bei dem zwischen dem Steueranschluss (28) und einem Hauptanschluss (44) des Schutzschalters (16) ein Transistor (60) mit Emitter und Kollektor angeschlossen ist, der für eine Messung des Steuerstroms des Schutzschalters (16) zu dessen Prüfung durchsteuerbar ist, um eine Auslösung der Sicherung (56) bei der Prüfung des Schutzschalters (16) zu verhindern.
  11. Reihenschlussmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schalter (14, 16) als Triacs ausgebildet sind.
  12. Verfahren zum Steuern eines Reihenschlussmotors, vorzugsweise für ein Elektrowerkzeug, mit folgenden Schritten:

    (a) Verbinden des Motors (12) über einen ersten elektronischen Schalter (Steuerschalter) (14) zum Ein- und Ausschalten des Motors und einen zweiten elektronischen Schalter (Schutzschalter) (16) mit einer Speisespannung,

    (b) Überwachen des Spannungspotentials am Steuerschalter (14),

    (c) Sperren der Schalter (14, 16), falls im ausgeschalteten Zustand beider Schalter (14, 16) das Spannungspotential am Steuerschalter (14) Werte außerhalb eines vorgegebenen Schwellwertbereiches annimmt,

    (d) falls im ausgeschalteten Zustand beider Schalter (14, 16) das Spannungspotential am Steuerschalter (14) innerhalb des Schwellwertbereiches liegt, zum Einschalten des Motors zunächst Einschalten des Schutzschalters (16),

    (e) Einschalten des Steuerschalters (14), falls das Spannungspotential am Steuerschalter (14) Werte außerhalb des Schwellwertbereiches annimmt und

    (f) Sperren beider Schalter (14, 16), falls das Spannungspotential am Steuerschalter (14) keine Werte außerhalb des Schwellwertbereiches annimmt.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Schutzschalter (16) sofort wieder abgeschaltet wird, sofern das Spannungspotential beim Einschalten des Schutzschalters (16) bei ausgeschaltetem Steuerschalter (14) nicht ansteigt.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem eine Drehung des Motors überwacht wird, um den Motor bei ausgeschaltetem Steuerschalter (14) und Einschalten des Schutzschalters (16) sofort wieder abzuschalten, sofern eine Motordrehung registriert wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem der Schutzschalter (16) zur Prüfung des Steuerschalters (14) zunächst hochohmig überbrückt wird und geprüft wird, ob das Spannungspotential am Steuerschalter (14) bis auf den vorgegebenen Schwellwert ansteigt.
  16. Verfahren zum Steuern eines Reihenschlussmotors, vorzugsweise für ein Elektrowerkzeug, mit folgenden Schritten:

    (a) Verbinden des Ankers (12) über eine Sicherung (56) und einen ersten elektronischen Schalter (Steuerschalter) (14) zum Ein- und Ausschalten des Motors mit einer Speisespannung und Verbinden eines zweiten elektronischen Schalters (Schutzschalter) (16) über die Sicherung (56) mit der Speisespannung,

    (b) bevor der Steuerschalter (14) eingeschaltet wird, zunächst Blockieren des Schutzschalters (16) und Prüfen der Funktion des Schutzschalters (16) durch Ansteuern des Schutzschalters (16) und Prüfen des Steuerstroms,

    (c) wenn eine korrekte Funktion des Schutzschalters (16) festgestellt wird, Aufhebung der Blockierung des Schutzschalters (16) und Einschalten des Steuerschalters (14) zum Einschalten des Motors,

    (d) Steuern der Schalter (14, 16) in einen AUS-Zustand, falls im Schritt (b) eine Fehlfunktion festgestellt wird,

    (e) Überwachen des Spannungsabfalls am Steuerschalter (14) und Ansteuern des Schutzschalters (16) zum Auslösen der Sicherung (56), falls der Spannungsabfall beim Ausschalten des Steuerschalters (14) nicht über einen vorgegebenen Schwellwert ansteigt.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com