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Dokumentenidentifikation DE102006016448A1 11.10.2007
Titel Elektrowerkzeugmaschine und Verfahren zum Betreiben derselben
Anmelder Robert Bosch GmbH, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Seiler, Hartmut, 72760 Reutlingen, DE;
Lamprecht, Dirk, 70565 Stuttgart, DE
DE-Anmeldedatum 07.04.2006
DE-Aktenzeichen 102006016448
Offenlegungstag 11.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.10.2007
IPC-Hauptklasse H02H 7/085(2006.01)A, F, I, 20060407, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung geht aus von einer Elektrowerkzeugmaschine und einem Verfahren zum Betreiben einer Elektrowerkzeugmaschine, bei der eine Drehmomentbegrenzung eines elektrischen Motors (10) anspricht, wenn ein Lastmoment einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, wobei eine Leistungsanforderung über einen Schalter (18) erfolgt.
Es wird vorgeschlagen, dass eine Bestromung des Motors (10) unterbrochen wird, wenn aus einer Drehzahlerfassung des Motors ein Kriterium zum Ansprechen der Drehmomentbegrenzung erkannt wird.

Beschreibung[de]
Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben einer Elektrowerkzeugmaschine und von einer Elektrowerkzeugmaschine nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.

Bei bekannten Elektrowerkzeugmaschinen wird eine Drehmomentbegrenzung bekanntermaßen dadurch realisiert, dass entweder eine mechanische Überlastkupplung auf der Abtriebswelle des Getriebes bei Erreichen eines voreingestellten Lastmoments den Kraftschluss periodisch unterbricht oder die Stromaufnahme des elektrischen Motors, die proportional zum Drehmoment ist, auf einen konstanten Wert geregelt wird.

Der Wert des gewünschten Lastmoments wird im Regelfall voreingestellt und während des Betriebs nicht geändert. Eine Änderung durch den Benutzer der Elektrowerkzeugmaschine wird normalerweise bei Motorstillstand vorgenommen. Durch die Betätigung eines Drückers an der Elektrowerkzeugmaschine durch den Finger des Benutzers wird die Drehzahl des Motors entweder über eine Pulsweitenmodulation verändert oder über einen Regler proportional zur Drückerstellung vorgegeben. Wird das durch die Drehmomentbegrenzung vorgegebene Lastmoment erreicht, wird das vom Motor abgegebene Moment konstant gehalten, indem entweder die mechanische Kupplung den Kraftschluss periodisch unterbricht oder der Motorstrom auf einen konstanten Wert geregelt wird.

Im Fall der mechanischen Überlastkupplung dreht der Motor mit unverminderter Drehzahl weiter, wobei beim periodischen Einrasten und beim erneuten Öffnen der Überlastkupplung jeweils kurzzeitig eine hohe Drehmomentspitze auf das Werkstück ausgeübt wird. Dies führt bei Schraubern dazu, dass die Schraube jeweils ein Stück weitergedreht wird, wie z.B. bei einem Impulsschrauber, und möglicherweise überdreht werden kann. Das Ansprechen der Überlastkupplung ist außerdem mit einer erheblichen und oft als unangenehm empfundenen Geräuschentwicklung verbunden.

Wird das Drehmoment elektronisch durch Regelung des Motorstroms begrenzt, so wird der Motor nach Erreichen des voreingestellten Lastmoments so lange bestromt, bis der Benutzer den Drücker loslässt. Dies gilt auch für die mechanische Drehmomentbegrenzung.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zum Betreiben einer Elektrowerkzeugmaschine, bei der eine Drehmomentbegrenzung eines elektrischen Motors anspricht, wenn ein Lastmoment einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, wobei eine Leistungsanforderung über einen Schalter erfolgt.

Es wird vorgeschlagen, dass eine Bestromung des Motors unterbrochen wird, wenn aus einer Drehzahlerfassung des Motors ein Kriterium zum Ansprechen der Drehmomentbegrenzung erkannt wird. Als Motor ist ein EC-Motor oder ein Gleichstrommotor bevorzugt. Eine Drehzahlerfassung ist insbesondere bei EC-Motoren mit elektrischer Kommutierung über deren übliche Rotorlageerfassung mit geringem Aufwand zu verwirklichen. Die Drehzahlerfassung kann über wenigstens einen Drehwinkelsensor etwa einen Hallsensor, der durch einen auf einer Motorwelle angeordneten Dauermagneten stimuliert wird, erfolgen oder bei elektronisch kommutierten Motoren auch drehwinkelsensorlos über die Erfassung einer Polradspannung (BackEMF) oder deren dritter Harmonischer.

Besonders vorteilhaft ist die Erfindung bei akkubetriebenen Elektrowerkzeugmaschinen einsetzbar. Die Unterbrechung der Bestromung des Motors wird vorteilhaft über eine Leistungselektronik des Motors bewirkt. Die Unterbrechung wird vorteilhaft auch dann vorgenommen, wenn der Benutzer die Leistungsanforderung unverändert lässt, also z.B. einen Druckschalter in unveränderter Position belässt.

Nach einem nebengeordneten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Elektrowerkzeugmaschine vorgeschlagen, bei der eine Drehmomentbegrenzung eines elektrischen Motors anspricht, wenn ein Lastmoment einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, wobei eine Leistungsanforderung über einen Schalter erfolgt und wobei eine Verbindung zwischen einer den Motor bestromenden Akkueinheit und dem Motor zumindest teilautomatisiert unterbrochen wird, wenn ein Kriterium zum Ansprechen der Drehmomentbegrenzung erkennbar ist.

Es können vorteilhaft eine unnütze Entladung der Akkueinheit einer akkubetriebenen Handwerkzeugmaschine und eine Erwärmung der Akkueinheit durch eine Motorbestromung nach Ansprechen der Drehmomentbegrenzung vermieden werden. Weiterhin ist eine Verbesserung der Bedienfunktion nach Ansprechen einer elektronischen Drehmomentbegrenzung bei Elektrowerkzeugmaschinen, insbesondere bei Schraubern und Bohrmaschinen, erreichbar.

Die weitere Bestromung des Motors nach Ansprechen der Drehmomentbegrenzung bringt bei akkubetriebenen Handwerkzeugmaschinen keine Vorteile, sondern nur den Nachteil, dass die Akkueinheit durch die teilweise hohe Stromabgabe im Stillstand schneller entladen und belastet wird. Die in der Akkueinheit gespeicherte elektrische Energie lässt sich dadurch ökonomisch für mehr Nutzarbeit der Elektrowerkzeugmaschine einsetzen. Die Akkueinheit wird geschont, da bekanntermaßen bei kurzzeitiger hoher Stromabgabe die Erwärmung stärker ist als bei längerer, aber geringerer Stromabgabe (I2·t). Die Lebensdauer der Akkueinheit kann durch die geringere Belastung verbessert werden.

Bevorzugt kann als Kriterium ein schneller Abfall der Drehzahl herangezogen werden. Dies ist typisch für einen Blockierfall. Ebenso kann zusätzlich oder alternativ ein Motorstillstand als Kriterium herangezogen werden. In diesem Fall ist die Drehzahl des Motors null. Die beiden Größen sind mittels einer Rotorlage-Erfassungseinheit einfach zu bestimmen.

Vorteilhaft kann nach Ansprechen der Drehmomentbegrenzung eine erneute Bestromung des Motors erfolgen, wenn die Leistungsanforderung reduziert und dann wieder erhöht wird.

Nach Ansprechen der Drehmomentbegrenzung kann günstigerweise eine erneute Bestromung des Motors erfolgen, wenn eine vorgegebene Zeitspanne verstrichen ist. Dies erhöht den Bedienkomfort.

Eine günstige Zeitspanne liegt z.B. zwischen 0,05 und 3, bevorzugt zwischen 0,1 und 2 s. Die Zeitspanne kann vorteilhaft durch einen Benutzer wählbar oder auch z.B. werkseitig fest vorgegeben sein. Die Zeitspanne, bei der bei anstehender Leistungsanforderung, z.B. gedrücktem Schalter, der Motor nicht bestromt wird, wird zweckmäßigerweise so gewählt, dass dem Benutzer ausreichend Zeit bleibt, den Schalter loszulassen und für einen neuen Arbeitsgang wieder zu betätigen, falls er dies wünscht. In diesem Fall ist es sinnvoll, die normale Drehmomentbegrenzung wieder zu aktivieren, d.h. die voreingestellte Drehmomentbegrenzung wird wieder wirksam und die Proportionalität zwischen Schalterstellung und angeforderter Drehzahl bzw. Schalterstellung und Pulsweitenmodulation wird wieder eingestellt.

Wird während oder nach Ablauf der Zeitspanne die Leistungsanforderung beibehalten oder erhöht, indem der Benutzer den Druckschalter gedrückt hält, ist es vorteilhaft, wenn beim erneuten Bestromen ein Grenzwert der Drehmomentbegrenzung erhöht wird. Damit kann der Bedienkomfort für den Benutzer weiter erhöht werden, und ein erneutes Anlaufen des Motors ist aus der eingestellten Drehmomentbegrenzung heraus möglich. So lässt sich z.B. eine Schraube unter Sichtkontrolle durch den Benutzer weiterdrehen.

Eine Überforderung des Reaktionsvermögens des Benutzers wird vermieden, wenn bei steigender Drehmomentbegrenzung beim erneuten Bestromen eine Drehzahl des Motors begrenzt wird. Vorteilhaft ist eine Begrenzung auf einen niedrigen Wert von z.B. 0,25 bis 4, bevorzugt zwischen 0,5 bis 3 Umdrehungen/s. Vor allem bei hohen Lastmomenten kann sich der Benutzer in diesem Fall besser auf die erforderlichen Kräfte einstellen.

Ein typischer Anwendungsfall ist z.B. das Bohren von Löchern in Metall mit größeren Bohrern. Kurz vor dem Durchbruch des Bohrers durch das Werkstück steigt das Lastmoment durch Gratbildung im Werkstück sprunghaft an, was von dem Benutzer ein sehr schnelles Reaktionsvermögen erfordert. Ein bevorzugter Stopp des elektrischen Motors bei einem voreingestellten Lastmoment, das sich anschließend langsam steigern lässt, ist in diesem Fall von größtem Nutzen. Der Kraftanstieg ist nicht abrupt und bleibt beherrschbar und kontrolliert.

Es wird weiterhin eine Elektrowerkzeugmaschine vorgeschlagen, bei der eine Drehmomentbegrenzung eines elektrischen Motors vorgesehen ist, wenn ein Lastmoment einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, wobei eine Leistungsanforderung über einen Schalter erfolgt. Dabei sind Mittel vorgesehen, eine Bestromung des Motors zu unterbrechen, wenn aus einer Drehzahlerfassung des Motors ein Kriterium zum Ansprechen der Drehmomentbegrenzung erkennbar ist. Eine Auswertung der Drehzahlerfassung bzw. der Strommessung, die Abschaltung der Bestromung und die Wiederaufnahme der Bestromung erfolgen vorzugsweise in einer Elektronikeinheit.

Nach einem eigenständigen Aspekt der Erfindung wird eine Elektrowerkzeugmaschine vorgeschlagen, bei der eine Drehmomentbegrenzung eines elektrischen Motors vorgesehen ist, wenn ein Lastmoment einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, wobei eine Leistungsanforderung über einen Schalter erfolgt und wobei Mittel vorgesehen sind, eine Verbindung zwischen einer den Motor bestromenden Akkueinheit und dem Motor zumindest teilautomatisiert zu unterbrechen, wenn ein Kriterium zum Ansprechen der Drehmomentbegrenzung erkennbar ist.

Eine unnötige Entladung der Akkueinheit wird vermieden und eine bessere Ausnutzung der Kapazität der Akkueinheit ermöglicht.

Vorzugsweise können Mittel vorgesehen sein, eine Bestromung des Motors zu unterbrechen, wenn aus einer Drehzahlerfassung des Motors ein Kriterium zum Ansprechen der Drehmomentbegrenzung erkennbar ist.

Weiterhin ist es günstig, Mittel zur Erkennung eines schnellen Abfalls der Drehzahl und/oder eines Motorstillstands vorzusehen.

Sind Mittel zur Drehzahlbegrenzung bei einer erneuten Bestromung des Motors vorgesehen, kann aus einem Blockierfall heraus unter Sichtkontrolle weitergearbeitet werden.

Zeichnung

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.

Es zeigen:

1 eine bevorzugte Elektrowerkzeugmaschine mit einer Akkueinheit zur Bestromung der Elektrowerkzeugmaschine,

2 ein Blockschaltbild zur Realisierung der Benutzerfunktion für eine Elektrowerkzeugmaschine mit elektronischer Drehzahlbegrenzung und

3 einen Verlauf von Drehzahl und Drehmoment als Funktion der Zeit für einen Schraubfall mit Drehmomentbegrenzung und Fertigschrauben unter Sichtkontrolle.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

1 zeigt eine Elektrowerkzeugmaschine 100, welche einen elektrischen Motor 10 umfasst, der von einer in einem Handgriff 110 der Elektrowerkzeugmaschine 100 angeordneten Akkueinheit 14 bestrombar ist. Zum Betätigen der Elektrowerkzeugmaschine 100 ist ein Schalter 120 vorgesehen. Tritt im Betrieb eine Drehmomentbegrenzung auf, kann die Verbindung zwischen Akkueinheit 14 und Motor 10 unterbrochen werden und die Akkueinheit 14 geschont werden.

2 zeigt ein Blockschaltbild mit dem vorzugsweise als EC-Motor ausgebildeten elektrischen Motor 10 mit einer Leistungselektronik 12. Zur elektrischen Versorgung der Elektrowerkzeugmaschine dient die Akkueinheit 14. Der bevorzugt als EC-Motor oder Gleichstrommotor ausgebildete Motor 10 umfasst eine Rotorlage-Erfassungseinheit 20, mit der die Rotorlage eines Rotors des Motors 10 erfasst werden kann. Die Elektrowerkzeugmaschine ist z.B. ein Akkubohrer.

Eine Elektronikeinheit 16 zur Steuerung oder Regelung der Elektrowerkzeugmaschine erhält Signale der Rotorlage-Erfassungseinheit 20, anhand derer der als EC-Motor ausgebildete Motor 10 im Normalbetrieb angesteuert wird.

Eine Strommesseinheit 22 dient zur Erfassung der Stromabgabe der Akkueinheit 14. Der erfasste Stromwert wird an die Elektronikeinheit 16 weitergegeben.

Ein Benutzer gibt über einen bevorzugt als Drücker ausgebildeten Schalter 18 eine Leistungsanforderung an die Elektronikeinheit 16, wenn er z.B. eine Bohrung in ein Werkstück bohren will, das mit einem Bohrer der Elektrowerkzeugmaschine in Wirkverbindung gebracht worden ist. Die Position des als Drücker ausgebildeten Schalters 18 ist kennzeichnend für die Größe der Leistungsanforderung durch den Benutzer. Proportional zur Position wird eine Drehzahl n des Motors 10 oder eine übliche Pulsweitenmodulation des Stromsignals, das dem Motor 10 zugeführt wird, eingestellt. Wird der als Drücker ausgebildete Schalter 18 in seine maximale Endstellung gedrückt, ist die Leistungsanforderung maximal, in einer Mittelstellung ist sie entsprechend geringer.

Vorzugsweise erfolgen mit der Elektronikeinheit 16 die Blockiererkennung, die Abschaltung der Bestromung und die Wiederaufnahme der Bestromung des Motors 10, wobei die Leistungselektronikeinheit 12 entsprechend angesteuert wird.

Die Bestromung des Motors 10 wird unterbrochen, wenn aus einer Drehzahlerfassung des Motors 10 ein Kriterium zum Ansprechen der Drehmomentbegrenzung erkannt wird. Als Kriterium sind ein schneller Abfall der Drehzahl und/oder ein Motorstillstand geeignet.

Nach Ansprechen der Drehmomentbegrenzung kann eine erneute Bestromung des Motors 10 erfolgen, wenn die Leistungsanforderung reduziert, also z.B. der Schalter 18 losgelassen wird und dann wieder erhöht wird, also z.B. der Schalter 18 wieder gedrückt wird.

Alternativ kann nach Ansprechen der Drehmomentbegrenzung eine erneute Bestromung des Motors 10 erfolgen, wenn eine vorgegebene Zeitspanne &Dgr;t verstrichen ist. Dies ist in 3 erläutert.

Eine obere Kennlinie 24a26a gibt den Verlauf einer Drehzahl n, eine untere Kennlinie 24b26b den Verlauf eines Drehmoments M über der Zeit t für einen Schraubfall mit Drehmomentbegrenzung wieder. Bei einem Punkt 28 wird ein Kriterium der voreingestellten Drehmomentbegrenzung 28b oder des voreingestellten Drehzahlabfalls 28a innerhalb einer voreingestellten Zeit erreicht und die Leistungselektronik 12 unterbricht die Bestromung des Motors 10 (1). Die Drehzahl n und danach das Drehmoment M fallen schnell auf null ab. Während der Zeitspanne &Dgr;t unterbleibt eine Bestromung, auch wenn der Benutzer den Schalter 18 weiter gedrückt hält. Nach Ablauf der Zeitspanne &Dgr;t setzt das erneute Bestromen des Motors 10 ein, wobei dessen Drehzahl auf niedrige Werte begrenzt wird, während gleichzeitig ein Grenzwert der Drehmomentbegrenzung langsam erhöht wird. In diesem Bereich ist z.B. ein Fertigschrauben unter Sichtkontrolle möglich.


Anspruch[de]
Verfahren zum Betreiben einer Elektrowerkzeugmaschine, bei der eine Drehmomentbegrenzung eines elektrischen Motors (10) anspricht, wenn ein Lastmoment einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, wobei eine Leistungsanforderung über einen Schalter (18) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestromung des Motors (10) zumindest teilautomatisiert unterbrochen wird, wenn ein Kriterium zum Ansprechen der Drehmomentbegrenzung erkannt wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindung zwischen einer den Motor (10) bestromenden Akkueinheit (14) zu dem Motor (10) unterbrochen wird, wenn ein Kriterium zum Ansprechen der Drehmomentbegrenzung erkannt wird. Verfahren zum Betreiben einer Elektrowerkzeugmaschine, bei der eine Drehmomentbegrenzung eines elektrischen Motors (10) anspricht, wenn ein Lastmoment einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, wobei eine Leistungsanforderung über einen Schalter (18) erfolgt, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindung zwischen einer den Motor (10) bestromenden Akkueinheit (14) zu dem Motor (10) unterbrochen wird, wenn ein Kriterium zum Ansprechen der Drehmomentbegrenzung erkannt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kriterium aus einer Drehzahlerfassung des Motors (10) abgeleitet wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kriterium ein schneller Abfall der Drehzahl und/oder ein Motorstillstand herangezogen werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ansprechen der Drehmomentbegrenzung eine erneute Bestromung des Motors (10) erfolgt, wenn die Leistungsanforderung reduziert und dann wieder erhöht wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach Ansprechen der Drehmomentbegrenzung eine erneute Bestromung des Motors (10) erfolgt, wenn eine vorgegebene Zeitspanne (&Dgr;t) verstrichen ist. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitspanne (&Dgr;t) durch einen Anwender wählbar ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass während der Zeitspanne (&Dgr;t) die Leistungsanforderung beibehalten oder erhöht wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass beim erneuten Bestromen ein Grenzwert der Drehmomentbegrenzung erhöht wird. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drehzahl des Motors (10) begrenzt wird. Elektrowerkzeugmaschine, bei der eine Drehmomentbegrenzung eines elektrischen Motors (10) vorgesehen ist, wenn ein Lastmoment einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, wobei eine Leistungsanforderung über einen Schalter (18) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, eine Bestromung des Motors (10) zu unterbrechen, wenn ein Kriterium zum Ansprechen der Drehmomentbegrenzung erkennbar ist. Elektrowerkzeugmaschine, bei der eine Drehmomentbegrenzung eines elektrischen Motors (10) vorgesehen ist, wenn ein Lastmoment einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet, wobei eine Leistungsanforderung über einen Schalter (18) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, eine Verbindung zwischen einer den Motor (10) bestromenden Akkueinheit (14) und dem Motor (10) zumindest teilautomatisiert zu unterbrechen, wenn ein Kriterium zum Ansprechen der Drehmomentbegrenzung erkennbar ist. Elektrowerkzeugmaschine nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, eine Bestromung des Motors (10) zu unterbrechen, wenn aus einer Drehzahlerfassung des Motors ein Kriterium zum Ansprechen der Drehmomentbegrenzung erkennbar ist. Elektrowerkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Erkennung eines schnellen Abfalls der Drehzahl und/oder eines Motorstillstands vorgesehen sind. Elektrowerkzeugmaschine nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Drehzahlbegrenzung bei einer erneuten Bestromung des Motors (10) vorgesehen sind.






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