SINGLE, Ulrich (Free Industrial Zone, PhasePenang, 11900, MY)
| Ansprüche
1. Gerät mit elektromotorischem Antrieb, umfassend einen E- lektromotor (2) und eine elektronische Baugruppe (3) zur Ansteuerung des Elektromotors (2), dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Baugruppe (3) mindestens einen Temperatursensor (6) aufweist, der einen von der Temperatur eines Leistungshalbleiterbauelementes der elektronischen Baugruppe (3) abhängigen Temperaturwert ermitteln kann, und die elektronische Baugruppe (3) Mittel umfasst, um in Abhängigkeit von dem durch den Temperatursensor (6) ermittelten Temperaturwert eine Leistungsreduzierung vornehmen zu können.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein
Lüfterrad (4) enthalten ist, das mit dem Läufer des Elektromotors (2) verbunden ist.
3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät ein Elektrowerkzeug ist.
4. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät ein Winkelschleifer ist.
5. Verfahren zum Betrieb eines Gerätes mit elektromotorischem Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistungsreduzierung um einen Faktor vorgenommen wird, der von einem Temperaturwert abhängt, der von einem Temperatursensor (6) ermittelt wird und von der Temperatur eines Leistungshalbleiterbauelementes der elektronischen Baugruppe (3) abhängt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsreduzierung vorgenommen wird, wenn der vom Temperatursensor (6) ermittelte Temperaturwert oberhalb eines festgelegten Schwellwertes (T 3 ) liegt.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsabgabe des Gerätes vollständig unterbunden wird, wenn der vom Temperatursensor (6) ermittelte Temperaturwert oberhalb eines festgelegten Abschaltwertes (T ab ) liegt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsreduzierung zwischen dem Schwellwert (T 3 ) und dem Abschaltwert (T ab ) linear abhängig vom ermittelten Temperaturwert vorgenommen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsreduzierung zwischen dem Schwellwert (T 3 ) und dem Abschaltwert (T ab ) progressiv ab- hängig vom ermittelten Temperaturwert vorgenommen wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsreduzierung abhängig von der änderungsgeschwindigkeit des ermittelten Temperatur- wertes vorgenommen wird. |
Gerät mit elektromotorischem Antrieb und Verfahren zu seinem Betrieb
Die Erfindung betrifft ein Gerät mit elektromotorischem Antrieb sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Gerätes. Die Erfindung kann insbesondere in Elektrowerkzeugen zum Einsatz kommen.
Stand der Technik
Bei elektromotorisch angetriebenen Geräten, insbesondere bei Elektrowerkzeugen, ist in der Regel eine Elektronik erforderlich, um einen Elektromotor anzusteuern bzw. Zusatzfunktionen, Leistungssteigerungen oder Schutzfunktionen zu realisieren. Die Elektronik ist in der Regel auf einer Platine unter- gebracht, die in unmittelbarer Nähe des Elektromotors angeordnet und so dem Einfluss seiner Wärmentwicklung ausgesetzt sein kann. Außerdem umfasst die Elektronik häufig zumindest ein Stellglied, meist auf der Basis leistungselektronischer Halbleiterbauelemente, die in bestimmten Betriebszuständen selbst eine Verlustleistung aufweisen, die zu einer erheblichen Erwärmung führen kann. Die Abführung im Innern des E- lektrogerätes freigesetzter Wärmemengen erfolgt in vielen Fällen, insbesondere in Elektrowerkzeugen mit einem als Universalmotor konzipierten Elektromotor, mit Hilfe eines am Läufer des Elektromotors angebrachten Lüfterrades, welches gleichermaßen der Kühlung des Elektromotors sowie der in seiner Nähe angeordneten Elektronik dient.
Funktionsbedingt wird bei einem Elektromotor durch die Drehung eines elektrischen Leiters in einem Magnetfeld eine Spannung im Anker des Motors induziert. Diese Spannung ist der Drehzahl des Motors direkt proportional und ist bezüglich der am Motor anliegenden Spannung entgegengesetzt gerichtet. Sinkt die Drehzahl, so sinkt auch die Induktionsspannung und die Stromaufnahme des Motors steigt, was zwangsläufig zu einer stärkeren Wärmeentwicklung führt, da mit einer wachsenden Stromaufnahme auch die Verlustleistung des Motors ansteigt. Ebenfalls funktionsbedingt zeichnen sich die Wärmeentwicklung eines Elektromotors und die zur Verfügung stehenden Kühlleistung, die durch ein mit dem Elektromotor verbundenes Lüfterrad zur Verfügung gestellt werden kann, durch eine sogenannte Mitkopplung aus. Das heißt, wenn die Stromaufnahme bzw. die Verlustleistung ansteigt, nimmt gleichzeitig die zur Verfügung stehende Kühlleistung ab, was in kritischen Betriebszu- ständen zu Funktionsstörungen bzw. zu irreversiblen Zerstörungen am Elektromotor und/oder der Elektronik durch das ü- berhitzen einer oder beider dieser Komponenten führen kann.
Es ist bekannt, einer Zerstörung der Elektronik eines Elektrogerätes, insbesondere eines leistungselektronischen Bauelementes dadurch vorzubeugen, dass der aufgenommene Strom überwacht und auf einen Höchstwert begrenzt wird. Eine herkömmli- che Strombegrenzung besteht aus einem Shunt, einem Operationsverstärker sowie einem Begrenzungs- oder Abschaltmittel zum Abschalten der Elektronik, insbesondere enthaltener Leistungsendstufen. Ein Nachteil einer derartigen Schaltung besteht darin, dass am Shunt unweigerlich eine, wenn auch ge- ringe, Verlustleistung anfällt. Ein weiterer Nachteil derart ausgestatteter Elektrowerkzeuge besteht darin, dass es durchaus sinnvoll sein kann, kurzfristig Ströme zuzulassen, die langfristig zu einer Zerstörung oder Beschädigung führen wür-
den, bei kurzzeitigem Auftreten jedoch thermisch unbedenklich sind. Eine strikte Strombegrenzung und die Unterdrückung derartiger kurzzeitig auftretender Stromspitzen macht ein Arbeiten mit Elektrowerkzeugen in der Regel sehr unkomfortabel.
Offenbarung der Erfindung
Mit Hilfe der Erfindung können die angesprochenen Nachteile vermieden werden. Die Erfindung bezieht eine Temperaturüber- wachung der Elektronik, insbesondere leistungselektronischer Bauelemente, in das Antriebskonzept eines elektromotorisch angetriebenen Gerätes ein. Es hat sich gezeigt, dass sich durch eine derartige Temperaturüberwachung und dadurch ermöglichte Temperaturbegrenzung eine hohe Funktionssicherheit in Verbindung mit einem deutlich verbesserten Arbeitskomfort erzielen lässt, wenn dafür gesorgt wird, dass kritische Temperaturen, welche zur Zerstörung von in Leistungsendstufen/Stellgliedern eingesetzten Halbleiterbauelementen führen würden, unbedingt vermieden werden. Unter Einhaltung dieser Randbedingung können kurzzeitig Ströme, die mittelfristig zu einer überschreitung dieser kritischen Temperatur führen würden, zugelassen werden, solange diese kritische Erwärmung nicht tatsächlich eintritt. Dem Benutzer eines erfindungsgemäß ausgestatteten Elektrogerätes wird somit die Möglichkeit gegeben, auf kritische Betriebszustände zu reagieren, ohne in seiner Arbeit abrupt unterbrochen zu werden. Das wird insbesondere bei Elektrowerkzeugen, beispielsweise Zweihand- Winkelschleifern, deren Bedienung teilweise körperlich anspruchsvoll ist, als großer Vorteil angesehen. Die Erfindung wird verkörpert durch ein Gerät mit elektromotorischem Antrieb, umfassend einen Elektromotor und eine elektronische Baugruppe zur Ansteuerung des Elektromotors, wobei die elektronische Baugruppe mindestens einen Temperatursensor auf-
weist, der einen von der Temperatur eines Leistungshalbleiterbauelementes der elektronischen Baugruppe abhängigen Temperaturwert ermitteln kann. Die elektronische Baugruppe ist außerdem schaltungstechnisch so ausgelegt, dass in Abhängig- keit von dem durch den Temperatursensor ermittelten Temperaturwert eine Leistungsreduzierung realisiert werden kann.
Vorteilhafte Wirkungen
Die Erfindung lässt sich vorteilhaft in Elektrogeräten einsetzen, in denen ein Lüfterrad enthalten ist, das mit dem Läufer des Elektromotors verbunden ist, wie das beispielsweise in vielen Elektrowerkzeugen der Fall ist. Vorteilhafterweise wird in derart ausgestatteten Elektrogeräten eine Leis- tungsreduzierung um einen Faktor vorgenommen, der von einem
Temperaturwert abhängt, der von einem Temperatursensor ermittelt wird und von der Temperatur eines Leistungshalbleiterbauelementes der elektronischen Baugruppe abhängt. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Leistungsreduzierung vorge- nommen werden, wenn der vom Temperatursensor ermittelte Temperaturwert oberhalb eines festgelegten Schwellwertes liegt. Die Bemessung des Faktors kann dabei so vorgenommen werden, dass die Leistungsabgabe des Gerätes vollständig unterbunden wird, wenn der vom Temperatursensor ermittelte Temperaturwert oberhalb eines festgelegten Abschaltwertes liegt. Sind der
Schwellwert und Abschaltwert nicht identisch, lässt sich der Faktor, um den die Leistungsreduzierung erfolgt, so bemessen, dass die Leistungsreduzierung zwischen dem Schwellwert und dem Abschaltwert linear abhängig vom ermittelten Temperatur- wert vorgenommen wird. Alternativ kann die Leistungsreduzierung zwischen dem Schwellwert und dem Abschaltwert beispielsweise auch progressiv abhängig vom ermittelten Temperaturwert vorgenommen werden.
Ausführungsformen der Erfindung
An einem Ausführungsbeispiel wird die Erfindung näher be- schrieben. Es zeigen:
Fig.l eine schematische Darstellung des prinzipiellen
Aufbaus eines erfindungsgemäß ausgestatteten elektromotorisch angetriebenen Gerätes; und Fig.2 eine schematische Darstellung der Abhängigkeit der erfindungsgemäßen Leistungsreduzierung von einer gemessenen Temperatur.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des prinzipiellen Aufbaus eines erfindungsgemäß ausgestatteten elektromotorisch angetriebenen Gerätes, beispielsweise eines Elektrowerkzeu- ges. Dieses umfasst ein Gehäuse 1, einen Elektromotor 2, eine elektronische Baugruppe 3 mit Stellglied zur Ansteuerung des Elektromotors 2 sowie ein Lüfterrad 4, das mit der Welle 5 des Elektromotors 2 und auf diese Weise mit dem Läufer des Elektromotors 2 verbunden ist. Die elektronische Baugruppe 3 weist einen Temperatursensor 6 auf, der einen von der Temperatur eines Leistungshalbleiterbauelementes der elektronischen Baugruppe 3 abhängigen Temperaturwert ermitteln kann. Die thermische Kopplung des Temperatursensors 6 an die zu ü- berwachende Stelle wird über Kupfer- bzw. Aluminiumkühlkörper oder ähnliche Bauteile realisiert. Zusätzlich können Wärmeleitpaste, wärmeleitende Folien, Vergussmassen, Klebstoffe oder ähnliche Materialien eine ausreichende Messsicherheit gewährleisten. Das Gehäuse 1 ist so ausgelegt, dass ein vom Lüfterrad 4 erzeugter Luftstrom durch das Gehäuse 1 geführt wird. Der Elektromotor 2 und die elektronische Baugruppe 3 liegen somit im Kühlluftstrom, wodurch an beiden ähnliche Wärmeverhältnisse herrschen. Ein charakteristischer Parameter
von Elektrowerkzeugen ist deren Nennaufnahmeleistung. Diese ist so bemessen, dass unter Temperaturbeharrung zulässige thermische Belastungen nicht überschritten werden. Ein Zweihand-Winkelschleifer hat beispielsweise eine Nennaufnahme- leistung von ca. 2000 bis 2500 Watt, was bei einer Versorgungsspannung von 230 Volt einer Stromaufnahme von etwa 8,5 bis 11 Ampere entspricht. Insbesondere beim Betrieb von E- lektrowerkzeugen treten jedoch in bestimmten Arbeitspunkten Betriebszustände auf, die zu einer gegenüber der Nennaufnah- meleistung deutlich erhöhten Leistungsaufnahme führen können. Zur höchsten Leistungsaufnahme kommt es im Blockierfall derartiger Geräte. Bei einem Zweihand-Winkelschleifer kommt es beispielsweise im Blockierfall zu einer Stromaufnahme von etwa 45 bis 65 Ampere, was einer Leistungsaufnahme von etwa 10 bis 15 Kilowatt entspricht. Generell kommt es auch an erfindungsgemäß ausgestatteten Geräten unter Last zu folgenden Effekten. Bei Belastung steigt die Stromaufnahme des jeweiligen Gerätes an. Die sinkende Drehzahl des Motors und somit auch des Lüfters führt zu einer wesentlich schlechteren Belüftung des Motors 2 und der Elektronik. Zwangsläufig kommt es zu einer Erwärmung von Motor und Elektronik. Insbesondere wenn die Leistungsaufnahme über der Nennaufnahmeleistung des jeweiligen Gerätes liegt, kann die entsprechende Erwärmung über den Lüfter nicht mehr abgeführt werden. Ein blockierter Motor bildet lediglich den schlimmsten Fall einer derartigen Situation, in der es allerdings zu einer sehr raschen Erwärmung des Motors und der Elektronik kommt. Generell gilt jedoch, dass es zu einer Zerstörung des Elektromotors und/oder der Elektronik stets nur dann kommt, wenn der kritische Betriebs- zustand eine gewisse Zeitdauer anhält. Dies wird in erfindungsgemäß ausgestalteten Elektrogeräten ausgenutzt.
Wird in einer Leistungselektronik ein Triac als Stellglied verwendet, so hat dieser Triac die Eigenschaft, dass er bei starker thermischer überlastung zunächst überkopfzündet und dann durchlegiert. Ein überkopfzünden eines Triac erfolgt bauartabhängig bei einer Temperatur von etwa 110 0 C bis 130 0 C. In diesem Zustand ist kein kontrolliertes Ansteuern des Triac mehr möglich. ähnliche Effekte, insbesondere die Gefahr einer Zerstörung von Leistungshalbleiterbauelementen durch thermische überlastung, gelten auch für andere für eine Steuerung von Elektromotoren geeignete Leistungshalbleiter, wie Thyristoren, GTO, MOSFET, IGBT und ähnliche. Die Erfindung geht davon aus, dass kritische Temperaturen an sensiblen Bereichen der Elektronik, insbesondere an Leistungshalbleiterbauelementen, zwar jederzeit vermieden werden, Ströme, die über einen gewissen Zeitraum zu diesen Temperaturen führen würden, jedoch für kurze Zeiträume zugelassen werden können, was Komfort und Handling erfindungsgemäß ausgestatteter Geräte wesentlich verbessert.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung der Abhängigkeit der erfindungsgemäßen Leistungsreduzierung von einer in der Nähe eines Leistungshalbleiterbauelementes der elektronischen Baugruppe 3, vorliegend eines Stellgliedes mit Triac, gemessenen Temperatur. Beim überschreiten einer vom Temperatursen- sor 6 in der Nähe des Stellgliedes der elektronischen Baugruppe 3 gemessenen bestimmten Temperatur wird eine von dieser Stellgliedtemperatur linear abhängige Leistungsreduzierung durch die elektronische Baugruppe 3 vorgenommen. Für Zweihand-Winkelschleifer hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn eine derartige erfindungsgemäße Leistungsreduzierung ab einer Stellgliedtemperatur von 70 0 C vorgenommen wird. Diese Stellgliedtemperatur bildet dabei den Schwellwert T 3 im Sinne der Erfindung. Oberhalb einer zweiten, höheren Temperatur
wird eine vollständige Leistungsreduzierung um 100 % vorgenommen, was praktisch einer Abschaltung des Elektromotors entspricht. Diese Abschalttemperatur T ab liegt im vorliegenden Beispiel eines Zweihand-Winkelschleifers mit einem Triac- basierten Stellglied bei 100 0 C. Bei Temperaturen unterhalb von 70 0 C wird praktisch jeder aufgenommene Strom zugelassen, da die Temperatur insgesamt als unkritisch eingestuft wird. Die Leistungsaufnahme P re i beträgt immer 100% des sich automatisch und lastabhängig einstellenden Wertes. Im übergangsbe- reich des ersten Schwellwertes T s , vorliegend bei 70 0 C, und unterhalb der Abschalttemperatur T ab , vorliegend von 100 0 C, erfolgt schrittweise eine Reduzierung der Leistungsaufnahme, ohne zu abrupten Abschaltvorgängen zu führen. Da die obere Abschalttemperatur T ab selbst noch deutlich unter der Tempe- ratur liegt, bei der beispielsweise ein Triac in den überkopfzündbetrieb wechselt, können die bereits angesprochenen Schädigungen wirkungsvoll vermieden werden. Der Anwender merkt durch die proportionale Verringerung der Leistung des Elektrowerkzeugs in Abhängigkeit von der Temperatur des Stellgliedes, dass er an die Leistungsgrenze des Elektrowerk- zeuges gekommen ist. Da ein sinnvolles Arbeiten mit einem stark leistungsreduzierten Elektrowerkzeug nicht mehr möglich ist, wird der Anwender die Belastung reduzieren. Reduziert der Anwender die Belastung, führt dies zu einer höheren Dreh- zahl, die eine stärkere Kühlung des Elektromotors und der e- lektronischen Baugruppe mit sich bringt. Die überwachte Temperatur sinkt wieder und die Leistungsreduzierung wird verringert bzw. bei Unterschreiten des Schwellwertes T 3 vollständig aufgehoben. Ein wirkungsvoller Schutz des Elektromo- tors und der elektronischen Baugruppe ist somit gleichermaßen gewährleistet. Der Vorteil der Erfindung liegt unter anderem darin, dass die schrittweise Reduzierung bzw. Begrenzung der Leistungsaufnahme erst oberhalb einer Schwellwerttemperatur
T 3 auftritt, unterhalb derer eine Leistungsreduzierung generell vermieden wird, was dem Arbeitskomfort zugute kommt. Der erfindungsgemäße Schutz ist nicht auf eine lineare Leistungsreduzierung im Bereich zwischen der Schwellwerttemperatur T 3 und der oberen Abschalttemperatur T ab begrenzt. Es sind zahlreiche andere Kurvenformen mit einer anderen temperaturabhängigen Charakteristik der Leistungsreduzierung nutzbar, beispielsweise können quadratische oder andere progressive Charakteristika realisiert werden. Eine besonders einfache Rea- lisierung der Erfindung ergibt sich, wenn bei überschreiten einer bestimmten Stellgliedtemperatur die Ansteuerung des Stellgliedes abrupt ausgesetzt wird. Dann gilt: T 3 =T ab . Dies führt dazu, dass es zu keiner weiteren Erwärmung des Stellgliedes und des Elektrowerkzeuges kommt. Der Anwender kann nach einem Rücksetzen dieser Schutzfunktion weiter arbeiten. Der Vorteil einer derart einfachen Schaltung besteht auch darin, dass durch die thermische Trägheit der verwendeten Leistungshalbleiter bzw. des Elektromotors eine derartige Abschaltung wesentlich seltener eintreten wird, als das bei- spielsweise bei herkömmlichen Strombegrenzungsschaltungen der Fall sein wird. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die änderungsgeschwindigkeit der Temperatur am Stellglied der elektronischen Baugruppe 3 in die Aktivierung der Leistungsreduzierung einbezogen. Dies kann alternativ o- der zusätzlich erfolgen. Die Bedeutung einer Berücksichtigung der änderungsgeschwindigkeit der Temperatur am Stellglied wird im Folgenden erläutert. Im Falle einer Blockierung des Elektrowerkzeuges fließt sofort ein sehr hoher Strom. Dies führt zu einer sehr schnellen Erwärmung und zu einer hohen änderungsgeschwindigkeit der Temperatur am Stellglied. Ein schnelles Eingreifen der Leistungsreduzierung ist hier sinnvoll, um nicht in einen unkontrollierbaren Betriebszustand, beispielsweise in den überkopfzündbetrieb eines Triac, zu ge-
langen. Arbeitet ein Anwender jedoch im Normalbetrieb und belastet das Elektrowerkzeug lediglich stark und wechselt gegebenenfalls kurzzeitig in Leistungsbereiche oberhalb der Nennaufnahmeleistung, kommt es ebenfalls zu einer Erhöhung der Stellgliedtemperatur, ein Eingreifen in Form einer erfindungsgemäßen Leistungsreduzierung ist ebenfalls zweckmäßig. Die zur Verfügung stehende Zeit ist jedoch in Anbetracht der thermischen Trägheit wesentlich länger. Dies kann vorteilhafter Weise bei der Auswahl einer temperaturabhängigen Charak- teristik der Leistungsreduzierung berücksichtigt werden.
Durch die erfindungsgemäße Temperaturüberwachung und Regelung am Stellglied der elektronischen Baugruppe 3 ergibt sich zunächst ein wirkungsvoller und kostengünstiger Schutz des Stellgliedes. Gleichzeitig ergibt sich daneben jedoch auch ein Schutz des Elektromotors 2 und somit des gesamten erfindungsgemäß ausgestatteten Elektrogerätes vor überlastbedingten Schädigungen, da in der Regel eine eindeutige Kopplung der thermischen Belastung am Elektromotor 2 und der elektronischen Baugruppe 3, insbesondere des Stellgliedes, besteht. Zur Temperaturüberwachung können unterschiedliche Temperatursensorensensoren, beispielsweise temperaturempfindliche Elemente wie NTC, PTC, PT 100, Mantelthermoelemente vom Typ K, Thermoelemente auf Ni-Cr-Ni-Basis, Halbleitersensoren, integrierte Schaltungen oder optische Temperatursensoren sowie na- hezu jede Temperatursonde, die bauartbedingt im erfindungsgemäß auszurüstenden Elektrogerät unterzubringen ist, verwendet werden. Temperatursensoren im Sinne der Erfindung stellen auch Mittel, insbesondere schaltungstechnische Mittel dar, die aus der Erfassung temperaturabhängiger physikalischer Größen, beispielsweise des Innenwiderstandes eines Halbleiterelementes, die Temperatur des zu überwachenden Leistungshalbleiterelementes der elektronischen Baugruppe 3 ermitteln können .