[0001] Die Erfindung betrifft einen elektrischen Antrieb, insbesondere für ein Elektrowerkzeug, mit einem Rotor, einem feststehenden Stator und einer ersten Spulenanordnung, die dazu ausgebildet ist, den Rotor mittels eines ersten Drehfeldes anzutreiben, und mit einer ersten Motorsteuerungsanordnung, die dazu ausgebildet ist, die erste Spulenanordnung zur Erzeugung eines ersten Drehfeldes mit elektrischem Strom zu versorgen, wobei der elektrische Antrieb eine zweite Spulenanordnung zur Erzeugung eines zweiten Drehfeldes aufweist, die der ersten Spulenanordnung fest zugeordnet und mit der ersten Spulenanordnung magnetisch gekoppelt ist. [0002] Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Ansteuern eines elektrischen Antriebs, insbesondere für ein Elektrowerkzeug, wobei der elektrische Antrieb einen Rotor und einen feststehenden Stator aufweist, wobei eine erste Spulenanordnung zum Erzeugen eines ersten Drehfeldes durch eine Motorsteuerung mit elektrischem Strom versorgt wird, wobei mittels einer zweiten Spulenanordnung, die der ersten Spulenanordnung fest zugeordnet und mit der ersten Spulenanordnung wenigstens teilweise magnetisch gekoppelt ist, ein zweites Drehfeld erzeugt wird.

[0003] Ein derartiger Antrieb und ein derartiges Verfahren ist bekannt aus der DE 10 2007 040 725 AI. Diese elektrische Maschine weist einen permanent magnetisch erregten Rotor und einen Stator mit einer Mehrzahl von Wicklungen auf, der einerseits mit einer niedrigeren und andererseits mit einer höheren Drehzahl betreibbar ist. Dazu werden Teile der Statorwicklung abgeschaltet oder zwischen einer Reihenschaltung und einer Parallelschaltung von bestimmten Spulenabschnitten umgeschaltet. Durch diese Umschaltung soll zwischen einem Normalbetrieb und einem sogenannten Feldschwächungsbetrieb mit einem höheren Drehzahlbereich umgeschaltet werden.

[0004] Mittels einer derartigen elektrischen Maschine können unterschiedliche Drehzahlbereiche realisiert werden. Nachteilig bei diesem elektrischen Antrieb ist es jedoch, dass durch die Umschaltung sich der Widerstand der Spulen ändert und dadurch die Stromstärke in den Wicklungen stark variiert. Dadurch vervielfachen sich die Ohmschen Verluste in den Wicklungen im Feldschwächungsbetrieb, wodurch der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine stark variiert. Ferner können derartige Betriebsmodi nicht dauerhaft genutzt werden, da der elektrische Antrieb durch die Ohmschen Verluste thermisch überlastet werden kann.

[0005] Es ist ferner bekannt, die Drehzahl eines elektrischen Antriebs insbesondere einer Drehfeldmaschine durch Variation der Versorgungsspannung zu steuern. Dabei wird die Drehzahl grundsätzlich über die Versorgungsspannung direkt beeinflusst. Das Drehmoment bei einer derartigen Regelung ist jedoch nicht entsprechend beeinflussbar.

[0006] Aus der DE 10 2006 036 986 AI ist ferner ein Elektromotor mit einer mechanischen Feldschwächungseinrichtung bekannt, bei der der Stator relativ zu dem Rotor in axialer Richtung verschoben wird, um den Einfluss der Permanentmagneten auf die Wicklungen zu reduzieren und so eine Feldschwächung zu erreichen.

[0007] Nachteilig dabei ist es, dass die Mechanik zur Relatiwerschiebung des Rotors und des Stators technisch aufwendig ist und nur sehr langsam umschaltbar ist.

[0008] Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten elektrischen Antrieb anzugeben, bei dem mit einfachen Mitteln das abgegebene Drehmoment und/oder die abgegebene Drehzahl veränderbar sind.

[0009] Diese Aufgabe wird bei dem elektrischen Antrieb der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die zweite Spulenanordnung separat von der ersten Spulenanordnung ansteuerbar und bestrombar ist, um die zweite Spulenanordnung in beliebiger Kommutierungsfolge anzusteuern.

[0010] Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die zweite Spulenanordnung separat von der ersten Spulenanordnung angesteuert und bestromt wird.

[0011] Im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet die feste Zuordnung der beiden Spulenanordnungen zueinander, dass sie im Betrieb des elektrischen Antriebs nicht relativ zueinander bewegt werden. Mit anderen Worten sind die Spulenanordnungen beispielsweise beide dem Stator oder beide dem Rotor zugeordnet.

[0012] Der elektrische Antrieb kann somit in unterschiedliche Betriebsmodi gebracht werden, bei denen durch die beiden Spulenanordnungen unterschiedlich starke und unterschiedlich gerichtete Drehfelder durch elektrische Umschaltung erzeugt werden können.

[0013] Das Drehfeld kann somit in wenigstens zwei Zustände gebracht werden, bei denen unterschiedliche Drehzahlen und unterschiedliche Drehmomente bei im Wesentlichen gleicher Leistungsabgabe realisiert werden können. Im Ergebnis lässt sich somit elektronisch die Drehzahl bei gleicher Strangspannung, also die Drehzahlkonstante ändern und eine Getriebecharakteristik nachbilden.

[0014] Das Ansteuern der zweiten Spulenanordnung kann somit je nach Polungsrichtung eine Schwächung oder Stärkung des Drehfeldes bewirken, wodurch die Drehzahl und das abgegebene Drehmoment elektronisch variiert werden kann.

[0015] Es ist besonders bevorzugt, wenn die zweite Spulenanordnung derart bestrombar ist, dass das zweite Drehfeld dem ersten Drehfeld wenigstens teilweise entgegengerichtet ist oder das erste und das zweite Drehfeld wenigstens gleichgerichtet sind.

[0016] Dadurch überlagern sich die jeweiligen magnetischen Flüsse, wodurch eine Feldschwächung oder eine Feldstärkung erzielt werden kann.

[0017] Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist die erste Spulenanordnung eine erste Mehrzahl von Spulensträngen auf und die zweite Spulenanordnung eine zweite Mehrzahl von Spulensträngen, wobei wenigstens einer der Spulenstränge der ersten Spulenanordnung mit einem der Spulenstränge in der zweiten Spulenanordnung magnetisch gekoppelt ist. [0018] Mit anderen Worten sind wenigstens einer der Spulenstränge der ersten und einer der zweiten Spulenanordnung magnetisch miteinander gekoppelt, wodurch das Drehfeld der zweiten Spulenanordnung das Drehfeld der ersten Spulenanordnung schwächen oder stärken kann. Dadurch kann mit einfachen Mitteln eine Feldschwächung bzw. eine Schwächung der elektromotorischen Kraft (EMK- Schwächung) oder eine Feldstärkung erzielt werden.

[0019] In einer Weiterbildung der Erfindung weist die erste und die zweite Spulenanordnung eine identische Mehrzahl von Spulensträngen auf, die jeweils einander zugeordnet sind und jeweils miteinander magnetisch gekoppelt sind.

[0020] Mit anderen Worten ist jedem der Spulenstränge der ersten Spulenanordnung ein Spulenstrang der zweiten Spulenanordnung zugeordnet, wodurch das Drehfeld eines jeden der Spulenstränge der ersten Spulenanordnung geschwächt oder verstärkt werden kann. Dadurch ist eine symmetrische und gleichmäßige Feldschwächung oder Feldstärkung möglich.

[0021] In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Mehrzahl von Spulensträngen der ersten Spulenanordnung und einer Mehrzahl von Spulensträngen der zweiten Spulenanordnung gleichzeitig bestrombar.

[0022] Dadurch kann ein Mehrphasendrehfeld zum Antreiben des elektrischen Antriebs erzeugt werden, wodurch ein effektiver Antrieb bereitgestellt werden kann.

[0023] Dabei ist es bevorzugt, wenn wenigstens ein Spulenstrang der zweiten Spulenanordnung bestrombar ist, der einem nicht bestromten Spulenstrang der ersten Spulenanordnung zugeordnet ist.

[0024] Dadurch können entsprechend resultierende Summenfelder bzw. Differenzfelder erzeugt werden, die lediglich eine geringe EMK-Schwächung bzw. eine geringe Feldschwächung aufweisen, wodurch weitere Ansteuerungsvarianten mit noch feiner abgestuften Kennlinienfeldern bereitgestellt werden können.

[0025] Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die erste Spulenanordnung mit einer ersten Mehrzahl von Phasen bestrombar ist und die zweite Spulenanordnung mit einer zweiten Mehrzahl von Phasen bestrombar ist.

[0026] Mit anderen Worten sind die Spulenanordnungen mehrphasig bestrombar, wodurch eine mehrphasige Wechselstrommaschine realisierbar ist.

[0027] Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die erste Mehrzahl von Phasen und die zweite Mehrzahl von Phasen identisch sind.

[0028] Dadurch können die erste Spulenanordnung und die zweite Spulenanordnung mit identischen Steuerungen angesteuert werden.

[0029] Weiterhin ist bevorzugt, wenn die erste Mehrzahl von Phasen größer ist als die zweite Mehrzahl von Phasen.

[0030] Dadurch kann die zweite Spulenanordnung einfacher und mit weniger Bauelementen angesteuert werden.

[0031] Gemäß einer Weiterbildung weisen die erste und die zweite Spulenanordnung jeweils drei Spulenstränge auf, die jeweils in einer Sternschaltung oder einer Dreiecksschaltung geschaltet sind oder in einer Stern- und einer Dreiecksschaltung geschaltet sind.

[0032] Mit anderen Worten ist die erste Spulenanordnung und die zweite Spulenanordnung in einer Sternschaltung geschaltet oder die erste und die zweite Spulenanordnung in einer Dreiecksschaltung geschaltet oder die erste Spulenanord- nung in einer Sternschaltung und die zweite Spulenanordnung in einer Dreiecksschaltung geschaltet oder umgekehrt, um entsprechende Drehfelder zu erzeugen.

[0033] Dadurch können unterschiedliche Feldschwächungen je nach Anwendung erzeugt werden.

[0034] Weiterhin ist es bevorzugt, wenn der Antrieb als elektronisch kom- mutierbare Gleichstrommaschine bzw. permanentmagneterregte Synchronmaschine ausgebildet ist, wobei die erste und die zweite Spulenanordnung in einer Mehrzahl von Kommutierungsschritten unterschiedlich bestrombar sind.

[0035] Dadurch kann der elektrische Antrieb in unterschiedlichen Modi elektrisch gesteuert bzw. geregelt werden, ohne dass zusätzliche mechanische Elemente oder Schleifkontakte verwendet werden müssen.

[0036] Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die zweite Spulenanordnung in wenigstens einem der Kommutierungsschritte derart bestrombar ist, dass das zweite Drehfeld dem ersten Drehfeld entgegengerichtet ist.

[0037] Dadurch kann in einzelnen der Kommutierungsschritte eine Feldschwächung erzeugt werden, wodurch eine Vielzahl von unterschiedlichen Drehzahl- Drehmomentkennlinien realisierbar sind.

[0038] Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die zweite Spulenanordnung in wenigstens einem der Kommutierungsschritte derart bestrombar ist, dass das zweite Drehfeld mit dem ersten Drehfeld gleichgerichtet ist.

[0039] Mit anderen Worten kann die zweite Spulenanordnung in unterschiedlichen Kommutierungsschritten einer Umdrehung des Rotors sowohl das vorhandene Drehfeld der ersten Spulenanordnung verstärken als auch schwächen, so dass ein elliptisches Drehfeld als resultierendes Drehfeld entsteht. [0040] Dadurch sind eine Vielzahl von unterschiedlichen Drehzahl- Drehmoment-Kennlinien realisierbar, wodurch der elektrische Antrieb vielseitig einsetzbar ist.

[0041] Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die zweite Spulenanordnung durch eine zweite Motorsteuerungsanordnung ansteuerbar und mit elektrischem Strom bestrombar ist.

[0042] Mit anderen Worten wird die erste Spulenanordnung durch eine erste Motorsteuerungsanordnung und die zweite Spulenanordnung durch eine zweite Motorsteuerungsanordnung angesteuert und mit elektrischem Strom versorgt. Dadurch sind die beiden Spulenanordnungen separat ansteuerbar bzw. bestrombar, wodurch eine Vielzahl von unabhängigen Ansteuerungsmöglichkeiten entstehen.

[0043] Es ist ferner bevorzugt, wenn die erste und die zweite Spulenanordnung durch denselben Strom bestrombar sind.

[0044] Mit anderen Worten steuern die beiden Motorsteuerungsanordnungen die Spulenanordnungen unterschiedlich an, wobei die Motorsteuerungsanordnungen durch denselben Strom versorgt werden, der durch die beiden Spulenanordnungen geleitet wird. Dadurch bleibt die Leistungsabgabe der elektrischen Maschine bei unterschiedlichen Ansteuerungen gleich, wodurch z.B. die Ohmschen Verluste bei den unterschiedlichen Ansteuerungsarten im Wesentlichen gleich bleiben.

[0045] Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung sind die beiden Motorsteuerungsanordnungen dazu ausgebildet, den Motor mit einer ersten Drehzahl- Drehmoment-Kennlinie und mit einer zweiten Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie, die eine von der ersten Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie verschiedene Steigung aufweist, zu betreiben. [0046] Die relative Belastung ist hierbei als der Quotient aus der Drehzahldifferenz zwischen Lehrlaufdrehzahl n ₀ und Lastdrehzahl n _L einerseits und Lehrlauf

drehzahl n ₀ andererseits, also oder alternativ als der Quotient aus Lastmo- ment M _L und (bei Sättigung oder Strombegrenzung aus der Kennliniensteigung

M,

errechneten) Haltemoment M _H , also anzusehen.

[0047] Auf diese Weise kann das Verhalten des Antriebs die Funktionalität eines schaltbaren Getriebes aufweisen. Es kann dabei ein getriebemäßiger Zusammenhang, etwa ein Übersetzungsfaktor oder ein Untersetzungsfaktor bzw. eine Spreizung, zwischen den Drehzahlen bzw. den Drehmomenten der ersten und der zweiten Kennlinie ergeben.

[0048] Mit anderen Worten kann etwa beim Übergang von der ersten Kennlinie zur zweiten Kennlinie die Drehzahl um den Faktor steigen, um den das Drehmoment sinkt.

[0049] In einer Weiterbildung sind die jeweiligen Steigungen der Drehzahl- Drehmoment-Kennlinien in Abhängigkeit der Richtungen des ersten und des zweiten Drehfeldes und/oder der Reihenfolge der einzelnen Kommutierungsschritte einstellbar.

[0050] Mit anderen Worten wird durch die gezielte Feldschwächung oder Stärkung bzw. durch das entstehende elliptische Drehfeld die Steigung der Drehzahl- Drehmoment-Kennlinien veränderbar, so dass das Umpolen der Spulenanordnungen bei einzelnen Kommutierungsschritten einen anderen Übersetzungsfaktor oder einen Untersetzungsfaktor bzw. eine Spreizung zwischen den Drehzahlen bzw. den Drehmomenten ermöglicht. [0051] In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung weisen einander zugeordnete Spulenstränge der ersten Spulenanordnung eine erste Anzahl von Windungen Zi und der zweiten Spulenanordnung eine zweite Anzahl von Windungen z ₂ auf, wobei bei Bestromung durch die Motorsteuerungsanordnungen ein Summenfeld entsteht, wenn die entsprechenden Drehfelder gleichgerichtet sind und ein Differenzfeld entsteht, wenn die entsprechenden Drehfelder entgegengerichtet sind.

[0052] Auf diese Weise kann die Funktionalität eines Mehrganggetriebes realisiert werden.

[0053] Wenn der Spulenstrang der ersten Spulenanordnung und der Spulenstrang der zweiten Spulenanordnung gleich gepolt sind, ergibt sich eine Gesamt- windungszahl m, die gleich der Summe der ersten Anzahl Windungen mi und der zweiten Anzahl Windungen z ₂ ist. Die Spulenstränge verhalten sich folglich wie eine Einzelspule mit m Windungen.

[0054] Im entgegengesetzten Polungszustand der Spulenstränge oder Spulenanordnungen, also wenn das zweite Drehfeld dem ersten Drehfeld entgegenwirkt, wirkt der mit dem zweiten Spulenabschnitt gekoppelte Fluss dem im ersten Spulenabschnitt erzeugten Fluss entgegen. Die damit verbundenen Magnetfelder und induzierten Spannungen heben sich infolge zum Teil auf. Infolge verbleibt eine wirksame Anzahl Windungen z* die der Differenz der ersten Anzahl Windungen mi sowie der zweiten Anzahl Windungen z ₂ entspricht.

[0055] Aus dem Verhältnis der wirksamen Windungszahl z* und der Ge- samtwindungszahl z kann der Faktor f ermittelt werden, der ein Maß für die mit der jeweiligen Gestaltung des ersten Spulenabschnitts und des zweiten Spulenabschnitts bewirkbare„Übersetzung" der Drehzahl darstellt. In gleicher Weise (d.h. umgekehrt proportional dazu) kann das sich dabei ergebende Moment angegeben werden. [0056] Bei dieser Art Feldneutralisation bzw. Feldschwächung bleiben bei gleicher relativer Belastung sowohl die abgegebene Leistung P ₂ (n wird größer, M wird kleiner) als auch die Ohmschen Verluste im Wesentlichen unverändert, so dass die thermische Auslegung des Motors beide Zustände gleichermaßen berücksichtigen kann. Die Eignung zum Dauerbetrieb verbessert sich somit deutlich.

[0057] Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist die Anzahl der Windungen m ₂ des Spulenstrangs der zweiten Spulenanordnung, der gekoppelt ist mit dem Spulenstrang der ersten Spulenanordnung, kleiner als die Anzahl der Windungen mi des ersten Spulenstrangs. Auf diese Weise kann, abhängig von praktisch realisierbaren Windungszahlen, nahezu jedes beliebige Übersetzungsverhältnis realisiert werden. Hierbei kann einerseits eine Übersetzung in Schnelle oder Langsame, etwa bei Übergang von einer ersten Kennlinie zu einer zweiten Kennlinie bewirkt werden.

[0058] Dadurch dass durch die Vielzahl von unterschiedlichen Kombinationen während der unterschiedlichen Kommutierungsschritte eine Vielzahl von Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien mit unterschiedlichen Steigungen einstellbar sind, können entsprechend viele„Übersetzungsverhältnisse" bewirkt werden, so dass die Funktionalität eines Mehrganggetriebes einstellbar ist.

[0059] Besonders bevorzugt ist es, wenn der Antrieb bei einem Elektrowerk- zeug, insbesondere bei einem handgeführten Elektrowerkzeug mit unabhängiger elektrischer Energie versorgt, zur Anwendung kommt, das mit einer Werkzeugspindel zum Antrieb des Werkzeugs koppelbar ist.

[0060] Bei dem Elektrowerkzeug kann es sich um ein Werkzeug zum Schrauben, Bohren, Sägen, Schneiden, Schleifen oder Polieren handeln. [0061] Derartige Elektrowerkzeuge werden für verschiedenste Zwecke genutzt, so dass es häufig gewünscht ist, eine Abtriebsbewegung des Werkzeugs zu beeinflussen, etwa durch Variation des Abtriebsmoments bzw. der Abtriebsdrehzahl.

[0062] Solche Variationen können mit Hilfe mechanischer Getriebe bewerkstelligt werden, diese können eine Mehrzahl von Schaltstufen aufweisen, welche einerseits die Abtriebsdrehzahl bzw. das Abtriebsmoment, andererseits etwa auch eine Drehrichtung beeinflussen können. Dabei ist bei mechanischen Getrieben, insbesondere bei Zahnradgetrieben, jede Übersetzungsstufe im Allgemeinen eine konstante Übersetzung f zugeordnet.

[0063] Eine derartige Charakteristik kann gemäß der vorliegenden Erfindung auch direkt beim Antrieb bewirkt werden, so dass ein derartiges Getriebe ersetzt oder aber um eine erweiterte Funktionalität ergänzt werden kann.

[0064] Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass die Umschal- tung unter Last erfolgen kann. Der mechanische Antriebsstrang ist dabei unverändert. Die Lage des Umschaltpunktes kann frei gewählt werden. Dagegen muss bei einem mechanischen Getriebe eine Umschaltung in der Regel bei Stillstand erfolgen. Außerdem muss ein Umschaltelement mechanisch bewegt werden.

[0065] Ein erfindungsgemäß umschaltbares Elektro Werkzeug kann somit besonders leicht einfach aufgebaut sein, dabei jedoch ein breites Anwendungsspektrum abdecken.

[0066] Dabei können die Motorsteuerungsanordnungen dazu ausgebildet sein, eine Betriebszustandsgröße zu erfassen oder eine ihr zugeführte Betriebszu- standsgröße auszuwerten, um abhängig davon die Spulenanordnungen unterschiedlich anzusteuern. [0067] Wird etwa festgestellt, dass aufgrund einer hohen relativen Belastung ein Drehzahleinbruch erfolgt, so könnte beispielsweise eine der Spulenanordnungen angesteuert werden, um ein grundsätzlich höheres Abtriebsmoment zu bewirken.

[0068] Wird dagegen etwa festgestellt, dass nur eine geringe relative Belastung anliegt, so können die Spulenanordnungen so angesteuert werden, dass etwa bei einem Schrauber ein Schnellgang realisiert wird.

[0069] Somit kann die Leistungsfähigkeit des Elektrowerkzeugs insgesamt steigen, das Elektrowerkzeug kann flexibler verwendet werden.

[0070] Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung sind die Motorsteuerungsanordnungen zum Ansteuern der ersten und der zweiten Spulenanordnung derart miteinander gekoppelt, dass derselbe Strom durch beide Spulenanordnungen fließt. Dabei weisen die Motorsteuerungsanordnungen jeweils drei parallele Strompfade mit jeweils zwei steuerbaren Schaltern auf, zwischen denen Abgriffe für die jeweiligen Phasen der Spulenanordnungen gebildet sind. Dadurch lassen sich in einfacher Weise die beiden Spulenanordnungen separat ansteuern, wobei die Leistungsaufnahme im Wesentlichen konstant ist, da derselbe Strom durch die beiden Spulenanordnungen fließt. In einer besonderen Ausführungsform sind die steuerbaren Schalter durch Halbleiterschaltelemente gebildet. Dadurch ist ein schnelles Schalten entsprechend der Kommutierungsgeschwindigkeit möglich.

[0071] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Elektrowerkzeug eine Energieversorgungseinheit zur Bereitstellung elektrischer Energie auf, die vorzugsweise mit einer Gleichstromquelle und weiter bevorzugt mit einem Akkumulator koppelbar ist.

[0072] Insbesondere bei unabhängigen, vorzugsweise portablen Elektro- werkzeugen kann somit ohne wesentliches Zusatzgewicht eine Variation der Dreh- zahl-Drehmoment-Kennlinie bewirkt werden, die dazu beiträgt, die Leistungsfähigkeit des Elektrowerkzeugs zu verbessern.

[0073] Bei einem Elektrowerkzeug, das einen permanent erregten elektronisch kommutierbaren Elektromotor aufweist, dessen Motorsteuerung mit einer Gleichstromquelle gekoppelt ist, kann der erfindungsgemäße Antrieb besonders einfach bei einer überaus geringen Anzahl zusätzlich erforderlicher Bauelemente umgesetzt werden.

[0074] Insgesamt wird mit der Erfindung ein neuartiger Antrieb bereitgestellt, der insbesondere für ein Elektrowerkzeug geeignet ist und der in hohem Maße eine„Getriebefunktionalität" nachbilden kann. Dabei sind eine Vielzahl von Drehzahl-Drehmoment-Kombinationen realisierbar.

[0075] Diese Nachbildung der Getriebefunktionalität erfolgt bei hohem Wirkungsgrad und unter Vermeidung von verschleißfördernden Zuständen des Antriebs, insbesondere im Hinblick auf die thermische Belastung durch ohmsche Verluste.

[0076] Der erfindungsgemäße Antrieb kann grundsätzlich auch als elektrische Maschine zur Anwendung kommen, etwa bei einer Generatoranwendung.

[0077] Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

[0078] Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Elektrowerkzeugs mit einem erfindungsgemäßen Antrieb;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Antriebs mit einem Eisenkern und jeweils zwei unabhängigen Spulenanordnungen;

Fig. 3 ein vereinfachtes Schaltbild des Antriebs mit zwei unabhängigen

Ansteuerungsanordnungen;

Fig. 4a-h unterschiedliche Ansteuerungsmodi der Spulenanordnungen zur

Erzeugung einer Feldverstärkung oder einer Feldschwächung;

Fig. 5 sechs Kommutierungsschritte einer elektronisch kommutierbaren

Gleichstrommaschine mit einer Spulenanordnung;

Fig. 6a-f unterschiedliche Varianten von möglichen Kommutierungsfolgen;

Fig. 7 eine idealisierte Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien für zwei verschiedene Ansteuerungszustände;

Fig. 8 ein vereinfachtes schematisches Schaltbild einer Ansteuerungsein- heit zum Ansteuern von zwei Spulenanordnungen in Sternschaltung;

Fig. 9 ein vereinfachtes schematisches Schaltbild einer Ansteuerungsein- heit zur Ansteuerung zweier Spulenanordnungen in Dreiecksschaltung; Fig. 10 eine Tabelle zur Erläuterung von möglichen Schaltzuständen der Steuereinheit aus Fig. 8 und 9 zum Ansteuern zweier Spulenanordnungen einer elektrischen Maschine im Normalbetrieb;

Fig. I Ia, b zwei Tabellen zur Erläuterung von möglichen Schaltzuständen der

Steuereinheit aus Fig. 8 und 9 zum Ansteuern zweier Spulenanordnungen im EMK-Schwächungsbetrieb für jeweils sechs unterschiedliche Kommutierungsschritte.

[0079] Fig. 1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Elekt- rowerkzeugs, das insgesamt mit 10 bezeichnet ist.

[0080] Beispielhaft ist das Elektrowerkzeug 10 als Werkzeug zum Bohren oder Schrauben dargestellt. Es versteht sich, dass es sich beispielsweise auch um ein Werkzeug zum Schlagbohren, Schlagschrauben, Sägen, Hämmern, Schneiden, Schleifen oder Polieren handeln kann.

[0081] Abhängig vom Verwendungszweck kann dabei die Abtriebsbewegung linear, rotatorisch, intermittierend oder aber oszillierend ausgestaltet sein. Vorliegend weist das Elektrowerkzeug 10 ein Gehäuse 12 mit einem Griffbereich 14 auf, an dem ein Bediener das Elektrowerkzeug 10 ergreifen und betätigen kann.

[0082] Im oder am Gehäuse 12 ist ein Antrieb 16 vorgesehen, der einen Motor 18 und eine Motorsteuerung 20 aufweist. Der Motor 18 dient zum Antrieb einer Motorwelle 22, die mit einer Werkzeugspindel 23 gekoppelt ist, die mit einem Werkzeug 24 (lediglich gebrochen dargestellt) zusammenwirkt.

[0083] Das Werkzeug 24 ist über eine Werkzeugaufnahme 26, etwa ein Spannfutter, an der Werkzeugspindel 23 festgelegt. [0084] Der Werkzeugspindel 23 und der Motorwelle 22 können eine Kupplung 28 oder ein Getriebe 30 zwischengeordnet sein. Das Getriebe 30 kann etwa als Zahnradgetriebe ausgeführt sein und eine konstante Übersetzung oder aber mehrere schaltbare Übersetzungsstufen aufweisen. Die Kupplung 28 kann etwa als Rutschkupplung oder aber als Schaltkupplung ausgebildet sein und zur Überlastsicherung dienen oder aber im Rahmen einer Leerlauffunktionalität die Werkzeugspindel 23 von der Motorwelle 22 trennen. Ferner kann die Kupplung 28 beispielsweise eine Stopp-Funktion aufweisen, also gegenüber dem Gehäuse 12 festlegbar sein, um einen einfachen Werkzeugwechsel oder dergleichen zu erlauben.

[0085] Der Motor 18 ist vorzugsweise als permanenterregter elektrisch kommutierbarer Elektromotor, auch bezeichnet als EC-Motor, ausgebildet. Dabei kann die Motorsteuerung 20 die Ansteuerung des Motors 18 zur Erzeugung eines Drehfeldes bewirken. Zu diesem Zweck ist die Motorsteuerung 20 über elektrische Leitungen 32, 34, 36 mit dem Motor 18 verbunden.

[0086] Die Motorsteuerung 20 ist ferner über Versorgungsleitungen 38, 40 mit einer Energieversorgungseinrichtung 42 koppelbar, welche in Fig. 1 beispielhaft als Akkumulator 44 ausgebildet ist.

[0087] Der Akkumulator 44 dient dabei als Gleichstromquelle, die Quellspannung wird von der Motorsteuerung 20 in eine Spannung überführt, welche den Motor 18 über die elektrischen Leitungen 32, 34, 36 beaufschlagt. Jede der Leitungen 32, 34, 36 kann dabei etwa einer Phase U, V, W zugeordnet sein.

[0088] Alternativ kann das Elektrowerkzeug 10 auch mit einer stationären Spannungsquelle verbunden sein, etwa einem Leitungsnetz. Zur Überführung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung kann dabei eine Gleichrichteranordnung vorgesehen sein. [0089] In Fig. 1 ist die Motorsteuerung 20 ferner beispielhaft mit Sensoren 46, 50 gekoppelt, dabei erfolgt eine Signalübertragung über Sensorleitungen 48a, 48b bzw. 52a, 52b. Die Sensoren 46, 50 können dazu ausgebildet sein, eine Betriebs- zustandsgröße zur Beschreibung eines Betriebszustands des Elektrowerkzeugs 10 zu erfassen und an die Motorsteuerung 20 oder eine bei dieser vorgesehene oder mit dieser gekoppelte Steuereinrichtung zu übermitteln.

[0090] Die zu erfassende Betriebszustandsgröße kann dabei grundsätzlich eine Drehzahl oder ein Drehmoment, etwa am Antrieb oder am Abtrieb, ein Schaltzustand eines Schalters, eine Temperatur, etwa des Getriebes 30 oder des Akkumulators 44, oder aber ein Wert sein, der eine an den Leitungen 32, 34, 36 anliegende Spannung oder einen durch diese fließenden Strom verkörpert.

[0091] Der Sensor 46 kann etwa dazu ausgebildet sein, einen Schaltzustand der Kupplung 28 zu erfassen. Alternativ könnte der Sensor 46 dazu ausgebildet sein, etwa als Verschleiß- oder Lastindikator eine Temperatur bei der Kupplung 28 zu erfassen.

[0092] Ebenso kann der Sensor 50 dazu vorgesehen sein, einen Schaltzustand, etwa eine momentan gewählte Schaltstellung, des Getriebes 30 oder aber eine eine Momentanbelastung kennzeichnende Temperatur zu erfassen.

[0093] Beim Griffbereich 14 des Elektrowerkzeugs 10 ist ferner ein Betätigungsschalter 54 vorgesehen, über den der Bediener das Elektrowerkzeug 10 wahlweise aktivieren oder aber deaktivieren kann. Der Betätigungsschalter 54 ist ebenso mit der Motorsteuerung 20 gekoppelt.

[0094] Ferner ist am Gehäuse 12 des Elektrowerkzeugs 10 ein Wählschalter 56 vorgesehen, der über Wählschalterleitungen 60a, 60b mit der Motorsteuerung 20 gekoppelt ist. Der Wählschalter 56 kann, wie durch einen mit 58 bezeichneten Pfeil angedeutet, zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position hin und her geschaltet werden. Über den Wählschalter 56 kann der Bediener den Antrieb 16 des Elektrowerkzeugs 10 etwa zwischen einem ersten Zustand mit einer ersten Drehzahl- Drehmoment-Kennlinie und einem zweiten Zustand mit einer zweiten Drehzahl- Drehmoment-Kennlinie umschalten.

[0095] In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßer Antrieb schematisch dargestellt.

[0096] Der elektrische Antrieb ist in Fig. 2 allgemein mit 70 bezeichnet. Der elektrische Antrieb 70 weist einen Stator 72 und einen Rotor 74 auf. Der Stator 72 weist einen Eisenring 76 mit radialen Eisenkernabschnitten 77 auf, an denen jeweils eine Spule 78 angeordnet ist. Der Stator 74 weist in diesem Fall neun Spulen 78 auf, die über elektrische Leitungen 80 mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Leitungen 80 verbinden die Spulen 78 mit drei Phasen U, V, W. In dem vorliegenden Fall sind jeweils drei der Spulen 78 parallel geschaltet und bilden einen Spulenstrang, wobei die resultierenden drei Spulenstränge in einer Sternschaltung zusammengeschaltet sind.

[0097] Die Spulen 78 erzeugen ein magnetisches Drehfeld, das auf den permanentmagnetischen Rotor 74 wirkt und diesen in einer Antriebsrichtung antreibt. Durch eine wechselnde Ansteuerung der Spulenstränge über die Phasen U, V, W wird ein rotierendes Drehfeld erzeugt, das den permanentmagnetischen Rotor 74 entsprechend antreibt.

[0098] An den radial ausgerichteten Eisenkernen 77 ist ferner jeweils eine Zusatzspule 82 angeordnet, die mittels elektrischen Leitungen 84 verschaltet und durch drei Phasen U', V, W mit elektrischem Strom bestrombar sind. Die Spulen 78 und die Zusatzspulen 82 sind über die Eisenkernabschnitte 77 jeweils magnetisch miteinander gekoppelt. Die Zusatzspulen 82 erzeugen ein zweites magnetisches Drehfeld, das auf den permanentmagnetischen Rotor 74 wirkt. Das erste magnetische Drehfeld, das durch die Spulen 78 erzeugt wird und das zweite magnetische Drehfeld, das durch die Zusatzspulen 82 erzeugt wird, überlagern sich, so dass je nach Richtung der beiden Drehfelder ein Summenfeld entsteht, das größer ist als die jeweiligen einzelnen Drehfelder oder ein Differenzfeld entsteht, das kleiner ist als eines der Drehfelder. Dabei addieren sich die magnetischen Flüsse des ersten Drehfeldes und des zweiten Drehfeldes und bilden einen magnetischen Summenfluss. Dadurch können die Zusatzspulen 82 je nach Richtung ihrer Ansteuerung eine Feldschwächung (EMK-Schwächung) oder eine Feldstärkung bewirken. Die Zusatzspulen 82 sind in diesem Falle wie die Spulen 78 zu drei Spulensträngen in einer Sternschaltung zusammengeschaltet und können über die Phasen LT, V, W so mit elektrischem Strom versorgt werden, dass ein rotierendes Drehfeld entsteht.

[0099] Die Spulen 78 weisen jeweils eine Windungszahl zi auf und die Zusatzspulen weisen eine Windungszahl m ₂ auf. Die Windungszahl z ₂ ist vorzugsweise kleiner als die Windungszahl Es ist bevorzugt, wenn das Verhältnis der Windungszahlen zi:z ₂ kleiner ist als 1 :2. In einer besonderen Ausführungsform ist das Verhältnis kleiner als 1:3 oder kleiner als 1 :4. In einer alternativen Ausführungsform sind die Windungszahlen Zi, z ₂ identisch.

[0100] In Fig. 3 ist ein schematischer Schaltplan des elektrischen Antriebs 70 gezeigt. Dabei sind lediglich Spulenstränge von zwei unabhängigen Spulenanordnungen 86, 88 dargestellt, wobei die Spulenstränge der ersten Spulenanordnung 86 hier allgemein mit Li, L ₂ , L ₃ bezeichnet sind und die Spulenstränge der zweiten Spulenanordnung 88 hier allgemein mit Li', L ₂ ', L ₃ ' bezeichnet sind. Die jeweiligen Spulenstränge Li, Li' sowie L ₂ , L ₂ ' und L3, L ₃ ' sind jeweils einander zugeordnet und wie in Fig. 2 dargestellt magnetisch miteinander gekoppelt. Die Spulenstränge Li, L ₂ , L ₃ werden über die Phasen U, V, W mit elektrischer Energie versorgt. Die Spulenstränge Li, L ₂ , L ₃ sind über die Leitungen 80 mit einer Ansteuerungseinheit 90 verbunden. Die Spulensträgen Li', L ₂ ', L ₃ ' werden über die Phasen U', V, W' mit elektrischer Energie versorgt. Die Spulenstränge der zweiten Spulenanordnung 88 sind über die Leitungen 80 und einer zweiten Ansteuerungsanordnung 92 verbunden. Die Ansteuerungsanordnungen 90, 92 versorgen die Spulenanordnungen 86, 88 unabhängig mit elektrischer Energie, so dass unabhängige Drehfelder erzeugt werden können, die je nach Ansteuerung sich additiv oder subtraktiv überlagern. [0101] Dadurch wird ein elektrischer Antrieb 70 mittels zweier Spulenanordnungen 86, 88 und zweier Ansteuerungsanordnungen 90, 92 bereitgestellt, der je nach Ansteuerung eine Feldschwächung bzw. eine sogenannte Schwächung der elektromotorischen Kraft (EMK-Schwächung) oder ein Feldstärkung bewirkt und dadurch unterschiedlichen Drehzahlen mit unterschiedlichen Drehmomenten erzeugen kann.

[0102] In den Fig. 4a bis 4h sind verschiedene Schalt- bzw. Erregungszustände bzw. Polungen der Spulenstränge Li bis L3 und Li' bis L ₃ ' dargestellt. Die Spulenanordnungen 86, 88 sind identisch mit den in Fig. 3 dargestellten Spulenanordnungen 86, 88. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugsziffern versehen, wobei hier lediglich die Unterschiede dargestellt sind. In Fig. 4a sind die Spulenanordnungen 86, 88 über die Phasen U, V und U', V derart angesteuert bzw. bestromt, dass die Spulenstränge Li und Li' sowie L ₂ und L ₂ ' Drehfelder 94, 96 in derselben Richtung erzeugen, so dass ein verstärktes Summenfeld entsteht.

[0103] In Fig. 4b sind die Spulenanordnungen 86, 88 über die Phasen V, W und V, W derart angesteuert, dass die Spulenstränge L2, L ₂ ' und L ₃ , L ₃ ' jeweils ein Drehfeld 94, 96 erzeugen, das in derselben Richtung ausgerichtet ist, so dass sie sich zu dem Summenfeld addieren.

[0104] In Fig. 4c ist ein weiterer Ansteuerungszustand der Spulenanordnungen 86, 88 dargestellt, bei dem die Drehfelder 94, 96, die durch die Spulenstränge Li, Li' und L ₂ , L ₂ ' erzeugt werden sich addieren zu einem verstärkten Summenfeld.

[0105] Es versteht sich, dass die in den Fig. 4a bis 4c dargestellten Zustände auch jeweils in der entgegengesetzten Richtung erzeugbar sind.

[0106] In den Fig. 4d bis 4f sind drei unterschiedliche Ansteuerungs- zustände der Spulenanordnungen 86, 88 beispielhaft dargestellt, bei denen die Drehfelder 94, 96 einander entgegengesetzt sind, so dass das Drehfeld 96 der zweiten Spulenanordnung das Drehfeld 94 der ersten Spulenanordnung schwächt. Dabei entsteht ein Differenzfeld. In Fig. 4d werden die Spulenanordnungen 86, 88 derart angesteuert, dass die Spulenstränge Li und L ₂ das Drehfeld 94 erzeugen, wobei die zweite Spulenanordnung 88 derart angesteuert wird, dass die entsprechenden Spulenstränge Li', L ₂ ' das Drehfeld 96 erzeugen, das dem Drehfeld 94 entgegengesetzt ist. Dadurch kann das Drehfeld 96 das Drehfeld 94 schwächen und das Differenzfeld gebildet werden.

[0107] In den Fig. 4e und f sind weitere Schaltzustände dargestellt, bei denen das Drehfeld 96 dem Drehfeld 94 entgegengerichtet ist.

[0108] In Fig. 4g ist ein Ansteuerungszustand der Spulenanordnungen 86, 88 beispielhaft dargestellt, bei dem die Spulenanordnungen 86, 88 derart bestromt werden, dass die Spulenstränge Li und Li', die magnetisch miteinander gekoppelt sind, bestromt werden und dass weiterhin die Spulenstränge L ₂ ' und L ₃ bestromt werden, die nicht miteinander magnetisch gekoppelt sind. Dadurch überlagern sich die Drehfelder 94, 96 lediglich teilweise. Dadurch kann eine weitere Variante in der Ansteuerung der Spulenanordnungen 86, 88 realisiert werden, bei der ein resultierendes Summenfeld entsteht, dessen Betrag geringer ist als der Betrag der Summenfelder, die in den Fig. 4a bis 4c entstehen.

[0109] In Fig. 4h ist ein weiterer Ansteuerungszustand der Spulenanordnungen 86, 88 beispielhaft dargestellt, bei dem die Drehfelder 94, 96 von zwei magnetisch gekoppelten Spulensträngen einander entgegengesetzt sind. Die Spulenanordnungen 86, 88 werden derart bestromt, dass das Drehfeld 94 des Spulenstrangs Li dem Drehfeld 96 des Spulenstrangs Li' entgegengesetzt ist und dass zwei weitere Spulenstränge L ₂ ', L ₃ bestromt werden, die nicht magnetisch miteinander gekoppelt sind. Dadurch entsteht ein Differenzfeld, das sich von den Differenzfeldern aus Fig. 4d bis 4f unterscheidet. Dadurch können weitere Varianten der Ansteuerung der Spulenanordnung 86, 88 bereitgestellt werden. [0110] Es versteht sich, dass die in den Fig. 4d bis 4h dargestellten Schaltzustände auch jeweils in der entgegengesetzten Polungsrichtung der Spulenanordnungen 86, 88 realisierbar sind.

[Olli] In Fig. 5 sind sechs Kommutierungsschritte einer elektrischen Drehfeldmaschine dargestellt, wie z.B. die erste Spulenanordnung 86 im Betrieb über die Phasen U, V, W angesteuert wird.

[0112] Beispielhaft ist hier ein System mit den drei Phasen U, V, W dargestellt mit drei der Polzahlen bzw. der Phasenzahl angepassten Spulengruppen. Die Spulengruppen werden jeweils aus zwei gleichzeitig angesteuerten Spulensträngen Li, L ₂ , L ₃ gebildet. Je nach Ansteuerung werden somit die Spulengruppen bestehend aus den Spulensträngen Li, L ₂ oder L ₂ , L3 oder Li, L ₃ bestromt. Diese Spulengruppen werden auch als Kommutierungsgruppen bezeichnet. Die drei möglichen Kommutierungsgruppen können jeweils in zwei Stromrichtungen bestromt werden, wobei eine der Kommutierungsgruppen mit der jeweiligen Stromrichtung als Kommutierungsschritt bezeichnet wird. Es gibt somit bei dem hier beispielhaft dargestellten System sechs Kommutierungsschritte. Die Reihenfolge, in der die sechs Kommutierungsschritte ausgeführt werden, bestimmt eine vollständige Kommutierungssequenz. Üblicherweise werden zunächst die drei Kommutierungsgruppen mit einheitlicher Stromrichtung bestromt, wobei durch die Reihenfolge die Drehrichtung des Rotors festgelegt wird. Diese drei Kommutierungsgruppen bzw. Kommutierungsschritte entsprechen den Schritten 1 bis 3 aus Fig. 5. In derselben Reihenfolge werden dann die Kommutierungsschritte mit entgegengesetzter Stromrichtung ausgeführt. Diese Kommutierungsschritte entsprechen den Schritten 4 bis 6 aus Fig. 5. Die so beschriebene Sequenz der Kommutierungsschritte wird im Allgemeinen als Grundzustand bezeichnet.

[0113] Über die sechs in Fig. 5 dargestellten Schritte wird das Drehfeld 94 in rotierender Form erzeugt, um den permanentmagnetischen Rotor 74 anzutreiben. Bei dieser sogenannten Blockkommutierung werden entsprechend der Rotationsstellung des Rotors 74 bestimmte der Spulengruppen bestromt, um das Drehfeld 94 an bestimmten Winkelpositionen des Stators 72 zu erzeugen und den Rotor 74 entsprechend anzutreiben. Bei dieser Blockkommutierung werden wie oben beschrieben jeweils eine Spulen - bzw. Kommutierungsgruppe, also zwei der drei Spulenstränge Li, L ₂ , L ₃ jeweils in einer Weise bestromt, dass das Drehfeld 94 um den Rotor 74 rotiert, um diesen in entsprechender Weise anzutreiben. In Fig. 5 sind sechs Kommutierungsschritte dargestellt und zwar in Abhängigkeit der Winkelstellung des Rotors 74. Es versteht sich, dass bei anderen Spulenanordnungen eine andere Anzahl von Blockkommutierungsschritten möglich ist. Bei den in Fig. 5 dargestellten sechs Kommutierungsschritten wird jeweils eine Kommutierungsgruppe, also zwei der Spulenstränge Li, L ₂ , L ₃ bestromt und zwar je nach Schritt, entweder in einer ersten Richtung oder in der entgegengesetzten zweiten Richtung. Mit anderen Worten sind die Spulenstränge Li und L ₂ in Schritt 1 bei 0° in der ersten Richtung gepolt und in Schritt 4 bei 180° sind die Spulenstränge Li, L ₂ in der entgegengesetzten zweiten Richtung gepolt. Entsprechendes gilt für die Schritte 2 und 5 bzw. 3 und 6.

[0114] In identischer Weise wird auch die Spulenanordnung 88 bestromt, so dass bei jedem einzelnen der Kommutierungsschritte entsprechende Spulengruppen angesteuert werden, so dass die beiden Drehfelder 94, 96 je nach Stromrichtung in derselben Richtung oder in entgegengesetzten Richtungen wirken bzw. ausgerichtet sein können, wie es in Fig. 4a-f gezeigt ist. Dadurch können in jedem einzelnen der Kommutierungsschritte unterschiedliche Summenfelder oder Differenzfelder erzeugt werden, wodurch symmetrische oder asymmetrische elliptische Drehfelder erzeugt werden können. Alternativ können auch unterschiedliche Spulengruppen in einem Kommutierungsschritt angesteuert bzw. bestromt werden, wie es in Fig. 4g und 4h gezeigt ist.

[0115] In den Fig. 6a bis f sind unterschiedliche Kommutierungsfolgen des elektrischen Antriebs 70 gezeigt, bei denen sowohl die Spulenanordnung 86 als auch die Spulenanordnung 88 angesteuert wird. In den Fig. 6a bis f ist das Drehfeld 94, das durch die erste Spulenanordnung 86 erzeugt wird und das Drehfeld 96, das durch die Spulenanordnung 88 erzeugt wird, schematisch durch Pfeile dargestellt. Die Polung der entsprechenden Drehfelder 94, 96 ist durch die Richtung der Pfeile angedeutet, wobei die Richtung nach oben weisend die Antriebsrichtung des Rotors 74 darstellt und die Richtung nach unten ein der Antriebsrichtung entgegenwirkendes Drehfeld darstellt. Die einzelnen der sechs Kommutierungsschritte aus Fig. 6 sind nebeneinander dargestellt und mit entsprechenden Ziffern bezeichnet. Für die in den Fig. 6a bis 6f dargestellten Kommutierungsfolgen ist jeweils ein Schwächungsfaktor f angegeben, der für ein Windungszahlverhältnis der Spulenanordnungen 86, 88 von 1:3 bestimmt wurde. Der Schwächungsfaktor lässt sich bestimmen mit der Formel: · ^Ζ 2 ^Z 2

wobei HAI die Anzahl der Kommutierungsschritte ist, bei denen das erste Drehfeld 94 in Antriebsrichtung gepolt ist, H _A 2 die Anzahl der Kommutierungsschritte, bei denen das zweite Drehfeld 96 in Antriebsrichtung gepolt ist und H _B 2 die Anzahl der Kommutierungsschritte, bei denen das zweite Drehfeld entgegen der Antriebsrichtung gepolt ist. Zi und z ₂ sind die Windungszahlen der ersten und zweiten Spulenanordnung 86, 88.

[0116] In Fig. 6a ist ein Verstärkungszustand aller der Kommutierungsschritte 1 bis 6 dargestellt. Dabei sind die Drehfelder 94, 96 bei jedem der Kommutierungsschritte 1-6 in Antriebsrichtung gepolt, so dass hier bei jedem der Kommutierungsschritte 1-6 eine Feldverstärkung, also ein erhöhtes Summenfeld erzeugt wird, so dass der Rotor 74 mit einem verstärkten symmetrischen nicht elliptischen Drehfeld angetrieben wird. In diesem Fall liegt keine Feldschwächung des Drehfeldes 94 vor. Der Schwächungsfaktor ist f = 1.

[0117] In Fig. 6b ist ein normaler Umpolungszustand dargestellt, bei dem bei jedem der Kommutierungsschritte 1-6 das Drehfeld 96 dem Drehfeld 94 entgegengerichtet ist. Dieser normale Umpolungszustand wird dadurch erreicht, dass die zweite Spulenanordnung 88 bei jedem der Kommutierungsschritte in entgegengesetz- ter Richtung zu der ersten Spulenanordnung 86 gepolt ist. Bei diesem normalen Umpolungszustand wird ein Feldschwächungsfaktor von f = 2 erreicht.

[0118] In den folgenden Figuren sind mögliche Umpolungszustände dargestellt, bei denen bei lediglich einzelnen der Kommutierungsschritte die zweite Spulenanordnung 86, 88 entgegen der Antriebsrichtung gepolt ist.

[0119] In Fig. 6c ist eine Kommutierungsfolge dargestellt, bei der das Drehfeld 96 lediglich im ersten und vierten der Kommutierungsschritte entgegen der Antriebsrichtung gepolt ist und in den übrigen Kommutierungsschritten 2, 3 und 5, 6 in Antriebsrichtung gepolt ist. Dadurch wird das Drehfeld 94 lediglich beim ersten und vierten Kommutierungsschritt geschwächt und bei den übrigen Kommutierungsschritten gestärkt. Dadurch entsteht ein elliptisches Drehfeld. Da die Kommutierungsschritte für die erste Halbwelle, also die Kommutierungsschritte 1 bis 3, identisch sind mit denen der zweiten Halbwelle, also den Kommutierungsschritten 4 bis 6, entsteht ein symmetrisches elliptisches Drehfeld. In der in Fig. 6c dargestellten Kommutierungsfolge entsteht ein Feldschwächungsfaktor von f = 1,2.

[0120] In Fig. 6d ist eine Kommutierungsfolge dargestellt, bei der das Drehfeld 94 in jedem der Kommutierungsschritte in Antriebsrichtung ausgerichtet ist und das Drehfeld 96 der Spulenanordnung 88 bei den Schritten 1, 2, 4 und 5 entgegen der Antriebsrichtung gerichtet ist. In den übrigen der Kommutierungsschritte ist das Drehfeld 96 in Antriebsrichtung gerichtet. Dadurch entsteht eine weitere Möglichkeit eines elliptischen Drehfeldes. Ein derartiger Umpolungszustand bewirkt in diesem Fall einen Schwächungsfaktor von f = 1,5.

[0121] Neben den symmetrischen Drehfeldern, bei denen die erste Halbwelle, also die Kommutierungsschritte 1 bis 3, und die zweite Halbwelle, also die Kommutierungsschritte 4 bis 6, gleich kommutiert sind, sind auch asymmetrische elliptische Drehfelder möglich, bei denen die erste Halbwelle nicht gleich der zweiten Halbwelle kommutiert ist. Beispielhaft ist hier in Fig. 6e eine Kommutierungsfolge für ein asymmetrisches elliptisches Drehfeld dargestellt. Dabei ist das Drehfeld 96 der zweiten Spulenanordnung 88 in der gesamten ersten Halbwelle, also den Kommutierungsschritten 1 bis 3 entgegen der Antriebsrichtung gepolt, wobei das Drehfeld 96 in der zweiten Halbwelle, also den Kommutierungsschritten 4 bis 6 in Richtung der Antriebsrichtung gepolt ist. Bei der Kommutierungsfolge aus Fig. 6e ist das Drehfeld 94 der ersten Spulenanordnung 86 in allen Kommutierungsschritten in Antriebsrichtung gepolt. Durch diese Kommutierungsfolge lässt sich ein Schwächungsfaktor von f = 1,33 erzielen.

[0122] In Fig. 6f ist eine weitere mögliche Kommutierungsfolge zur Erzeugung eines asymmetrischen elliptischen Drehfeldes dargestellt, wobei lediglich bei Schritt 6 das Drehfeld 96 der zweiten Spulenanordnung 88 umgepolt ist. Dadurch lässt sich der minimale mögliche Feldschwächungsfaktor von f = 1,09 erzielen.

[0123] Aus den Beispielen für Kommutierungsfolgen der Fig. 6a bis f wird deutlich, dass jede beliebige Polung der Spulenanordnungen 86, 88 der einzelnen Kommutierungsschritte möglich ist. Rein theoretisch sind durch die sechs unterschiedlichen Kommutierungsschritte, wobei die Spulenanordnung 88 zwei Zustände annehmen kann, 2 ⁶ = 64 Schaltzustände möglich.

[0124] Durch die unterschiedliche Polung der Spulenanordnungen 86, 88 bei den verschiedenen Kommutierungsschritten können wie in den Fig. 6a bis f beispielhaft dargestellt viele verschiedene Schwächungsfaktoren f erzielt werden, wodurch eine entsprechende Anzahl von unterschiedlichen Steigungen der Drehzahl- Drehmomentenlinie erzielt werden kann. Dadurch lässt sich die Funktionalität eines Getriebes elektrisch nachbilden, wobei die Anzahl der Gänge den verschiedenen Anzahlen von Schwächungsfaktoren entspricht. Aus diesem Grunde sind viele verschiedene gangähnliche Übersetzungszustände realisierbar, wie es im Folgenden näher erläutert wird. [0125] In Fig. 7 sind beispielhafte Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien eines Elektromotors dargestellt. Auf der Ordinate 100 ist dabei die Drehzahl n aufgetragen. Die Abszisse 102 zeigt dagegen Werte des Drehmoments M.

[0126] Mit 104, 106, 108 sind verschiedene Drehzahl-Drehmomentverläufe idealisiert aufgetragen und die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie 104 stellt beispielhaft einen n(M)-Verlauf eines typischen elektrisch kommutierten Drehfeldmotors dar. Der erfindungsgemäße Antrieb 70 kann in unterschiedlichen Zuständen betrieben werden, die etwa mit einer Drehzahl-Drehmomentkennlinie 104 als auch mit einer Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie 108 beschrieben ist. Dabei wird durch die unterschiedlichen Drehmomente bei unterschiedlichen Drehzahlen eine einem Schaltgetriebe ähnliche Funktionalität bewirkt. In Fig. 7 sind hier lediglich die beiden Kennlinien 104, 108 als mögliche Kennlinien des erfindungsgemäßen Antriebs dargestellt, wobei jedoch wie zuvor beschrieben eine Vielzahl von Kennlinien mit unterschiedlichen Steigungen realisierbar sind.

[0127] Die erste Kennlinie 104 ist charakterisiert durch ein Haltemoment 110 und eine Lehrlaufdrehzahl 112. Demgegenüber kann der Antrieb 70 in einem weiteren Zustand betrieben werden, der durch die Kennlinie 108 beschrieben wird, als wäre ein Übersetzungsgetriebe mit einem Übersetzungsfaktor i = 2 zwischengeschaltet. Die Kennlinie 108 ist charakterisiert durch das Haltemoment 114 und die Lehrlaufdrehzahl 116. Es ist ohne weiteres ersichtlich, dass in dem gewählten Beispiel die Lehrlauf drehzahl 116 etwa das Doppelte der Lehrlauf drehzahl 112 beträgt. Im Gegensatz dazu beträgt das Haltemoment 114 entsprechend der Kennlinie 108 die Hälfte des Haltemoments 110 der Kennlinie 104. Idealisiert betrachtet ist dabei der Quotient des Haltemoments 110 und des Haltemoments 114 umgekehrt proportional zum Quotienten der Lehrlauf drehzahl 112 und der Lehrlauf drehzahl 116.

[0128] Mit Ziffer 118 ist der Schnittpunkt der beiden Kennlinien 104, 108 angegeben. Erfolgt an diesem Punkt eine Umschal tung zwischen den beiden Kennlinien, so ist dies für den Benutzer völlig unmerklich. Ausgehend von dort aus kann dann entweder auf der Kennlinie 104 oder 108 weitergefahren werden. Ausgehend davon, dass eine Vielzahl von unterschiedlichen Schwächungsfaktoren und den damit verbundenen unterschiedlichen Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien mit unterschiedlichen Steigungen realisierbar sind, und der Idee, dass in einem jeweiligen Schnittpunkt von zwei Drehzahl-Drehmoment-Kennlinien umgeschaltet wird, lässt sich ein zwar abschnittsweise lineares Übersetzungsverhältnis realisieren, das jedoch durch die Vielzahl von unterschiedlichen Steigungen scheinbar eine kontinuierliche Änderung des Übersetzungsverhältnisses darstellt.

[0129] Zum Vergleich ist mit 106 eine weitere Drehzahl-Drehmoment- Kennlinie angedeutet, die gemäß dem Stand der Technik etwa gemäß der DE 10 2007 040 725 AI ausgehend von der Kennlinie 104 bewirkt werden kann.

[0130] Dabei kann der Übergang von der Kennlinie 104 auf die Kennlinie 106 z.B. durch das Abschalten von Teilspulen realisiert werden. Die sich ergebende Kennlinie 106 kann nicht, wie etwa in die Kennlinie 108, unter Beibehaltung der umgekehrten Proportionalität der jeweiligen Quotienten aus Lehrlaufdrehzahl und Haltemoment abgeleitet werden.

[0131] Ein Betrieb etwa gemäß der Kennlinie 106 kann dabei grundsätzlich realisiert werden, indem beispielsweise nur eine der Spulenanordnungen 86, 88 angesteuert wird.

[0132] Grundsätzlich ist die Leistungsabgabe des elektrischen Antriebs 70 im Zustand der Kennlinie 104 oder der Kennlinie 108 im Wesentlichen gleich, da das Produkt n · M bei beiden Kennlinien identisch ist. Diese abgegebene Leistung ist unter Vernachlässigung von Eisen- und Reibverlusten, also unter ausschließlicher Berücksichtigung von Ohmschen Verlusten im Wesentlichen gleich, sofern die relative Belastung identisch ist. [0133] In Fig. 8 ist ein Schaltplan einer Steuereinheit zum Ansteuern der ersten Spulenanordnung 86 und der zweiten Spulenanordnung 88 schematisch dargestellt. Die Steuereinheit ist in Fig. 8 allgemein mit 120 bezeichnet. Die Spulenanordnungen 86, 88 sind in Fig. 8 schematisch in einer Sternschaltung geschaltet dargestellt und werden dreiphasig durch die Steuereinheit 120 mit elektrischer Energie versorgt. Die Steuereinheit 120 weist eine Spannungsquelle 121 auf, die in diesem Fall als Batterie oder Akkumulator ausgebildet ist. Die Steuereinheit 120 weist ferner eine erste Ansteuerungsanordnung 122 zum Ansteuern der ersten Spulenanordnung 86 und ferner eine zweite Ansteuerungsanordnung 124 zum Ansteuern der zweiten Spulenanordnung 88 auf.

[0134] Die erste und die zweite Spulenanordnung 122, 124 sind identisch aufgebaut und in Reihe zwischen Spannungsanschlüssen der elektrischen Energieversorgung 120 geschaltet. Die Steuerungsanordnungen 122, 124 weisen jeweils drei parallele Strompfade 128, 130, 132 auf, die parallel zueinander geschaltet sind und jeweils zwei steuerbare Schalter 134 aufweisen. Zwischen den steuerbaren Schaltern 134 ist jeweils ein Abgriff 136 gebildet, der mit den Leitungen 80, 84 entsprechend verbunden ist und eine der Phasen U, V, W, U', V, W bilden. Die drei parallelen Strompfade 128, 130, 132 sind an ihren Enden jeweils elektrisch miteinander verbunden.

[0135] Durch Öffnen von zwei der steuerbaren Schalter 134 eines der An- steuerungsanordnungen in unterschiedlichen Strompfaden 128, 130, 132 sind jeweils zwei der Spulenstränge Li, L ₂ , L ₃ bestrombar, so dass durch Umschalten der steuerbaren Schalter 134 jeder der zuvor genannten Bestromungszustände bzw. Kommutie- rungszustände realisierbar sind. Sofern zwei steuerbare Schalter in demselben Strompfad 128, 130, 132 geschlossen sind, wird die entsprechende Spulenanordnung 86, 88 nicht bestromt und erzeugt somit kein Drehfeld 94, 96.

[0136] Dadurch, dass die beiden Ansteuerungsanordnungen in Reihe zwischen den Spannungspunkten 126 geschaltet sind, fließt grundsätzlich derselbe Strom durch die beiden Spulenanordnungen 86, 88. Dadurch bleibt trotz Umschal- tung der Drehfelder der elektrische Widerstand des gesamten Antriebs identisch, wodurch die Leistungsabgabe des Antriebs 70 für unterschiedliche Schaltzustände im Wesentlichen gleich bleibt.

[0137] Mit der Steuereinheit 120 kann zu dem Grundzustand der ersten Spulenanordnung 86 eine Kommutierungssequenz der zweiten Spulenanordnung 88, die über die Eisenkernabschnitte 77 miteinander magnetisch gekoppelt sind, überlagert werden. Wird die zweite Spulenanordnung 88 in derselben Reihenfolge der Kommutierungsgruppen des Grundzustandes jedoch in entgegengesetzter Richtung bzw. Polarität bestromt, die jeweils dem Grundzustand entgegengerichtet ist, ergibt sich eine Kommutierungssequenz, die einer Feldschwächung bzw. EMK-Schwächung entspricht.

[0138] Die Bestromung der zweiten Spulenanordnung 88 kann beliebig ausgeführt werden. Zu jedem der sechs Kommutierungsschritte der ersten Spulenanordnung 86 kann ein beliebiger Kommutierungsschritt der zweiten Spulenanordnung 88 kombiniert werden. Insgesamt sind so sechs mal sechs Gesamtzustände möglich. Nicht alle ergeben jedoch eine sinnvolle Kombination, einige können jedoch zur Erzeugung von weiteren Drehzahl-Drehmomentkennlinien des Gesamtspulensystems genutzt werden. Beispielhaft sind zwei Kommutierungssequenzen im Folgenden angegeben. In diesen Sequenzen wird abwechselnd zwischen Grundzustand und EMK-geschwächtem Zustand der umschaltbaren Teilspule bzw. der Zusatzspulen 82 umgeschaltet.

[0139] Die in Fig. 3 dargestellte erste und zweite Ansteuerungsanordnung 90, 92 kann jeweils durch eine der Steuerungsanordnungen 122, 124 mit jeweils drei Strompfaden 128, 130, 132 und sechs steuerbaren Schaltern, sowie jeweils einer Spannungsquelle gebildet sein. [0140] In Fig. 9 ist ein alternativer Schaltplan der Spulenanordnungen 86, 88 aus Fig. 8 dargestellt. Gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet, wobei hier lediglich die Unterschiede dargestellt sind. In Fig. 9 sind die Spulenanordnungen 86a, 88a als Dreiecksschaltung geschaltet. Die Spulenanordnungen 86a, 88a werden identisch wie in Fig. 8 dreiphasig über die Phasen U, V, W, U', V, W versorgt und zwar über die Steuereinheit 120.

[0141] In einer weiteren Ausführungsform kann auch eine der Spulenanordnungen 86, 88, beispielsweise die erste in einer Sternschaltung 86 geschaltet sein und beispielsweise die zweite in einer Dreiecksschaltung 88a geschaltet sein oder umgekehrt.

[0142] In einer alternativen Ausführungsform kann die zweite Spulenanordnung 88 derart ausgebildet sein, dass die Spulenstränge Li', L ₂ ', L3' unabhängig voneinander und separat bestromt werden können. Dadurch sind weitere Umpo- lungszustände möglich, wodurch die Anzahl der möglichen Schwächungsfaktoren weiter erhöht werden kann. Es ist weiterhin denkbar, dass die zweite Spulenanordnung 88 lediglich einen einzelnen Spulenstrang Li', L2', L ₃ ' aufweist, der einem entsprechenden Spulenstrang der ersten Spulenanordnung 86 zugeordnet ist. Dadurch kann ein vereinfachter Antrieb mit Feldschwächung bereitgestellt werden, bei dem sowohl die zweite Spulenanordnung 88 als auch die zweite Ansteuerungsanord- nung 124 konstruktiv weniger aufwendig ist.

[0143] In Fig. 10 ist eine Tabelle dargestellt, die für sechs unterschiedliche Kommutierungsschritte Schaltzustände der steuerbaren Schalter 134 mit den Bezugszeichen aus Fig. 8 und 9 dargestellt und allgemein mit 140 bezeichnet. Die Kommutierungsschritte erzeugen Drehfelder 94, 96 für einen Normalbetrieb. D.h., bei den Schaltzuständen, die in Fig. 10 dargestellt sind, sind die Drehfelder 94, 96 grundsätzlich in dieselbe Richtung gerichtet, so dass sich die entsprechenden Drehfelder 94, 96 zu einem Summenfeld verstärken. Dabei sind die Potentiale an den Anschlüssen U _A , V _A , W _A des ersten Spulensystems 86 und an den Anschlüssen UB, V _B , W _b des zweiten Spulensystems 88 mit U bzw. Null bezeichnet für ein hohes bzw. ein niedriges Potential und mit X als Undefiniertes oder schwebendes Potential. Die Schaltzustände sind mit eins und für einen geschlossenen Schalter mit Null für einen geöffneten Abschalter bezeichnet. Ferner sind die entsprechenden entstehenden Spannungszeiger in Polarform angegeben.

[0144] In den Fig. I Ia und I Ib sind Tabellen dargestellt, die für sechs unterschiedliche Kommutierungsschritte Schaltzustände der steuerbaren Schalter 134 mit den Bezugszeichen aus Fig. 8 und 9 für einen jeweils beispielhaften Feldschwächungsbetrieb zeigen und allgemein mit 142 bzw. 144 bezeichnet. In Tabelle 142 sind Schaltzustände der Drehfelder 94, 96 für einen Feldschwächungsbetrieb bzw. EMK-Schwächungsbetrieb dargestellt, wobei die zweite Spulenanordnung in den Schritten 2, 4 und 6 gegenüber dem Normalzustand bzw. Normalbetrieb umgepolt ist und somit einen Schwächungsbetrieb bzw. eine EMK-Schwächung erzeugt.

[0145] In Tabelle 144 sind weitere Schaltzustände für einen alternativen Schwächungsbetrieb dargestellt. Bei den Kommutierungsschritten aus Tabelle 144 ist die zweite Spulenanordnung 80 in den Schritten 4, 5 und 6 gegenüber dem Normalbetrieb umgepolt, so dass ein entsprechender Feldschwächungsbetrieb eingestellt wird. Bei diesem Feldschwächungsbetrieb entsteht ein asymmetrisches elliptisches Drehfeld.