LöSOMAT Schraubtechnik Neef GmbH Am Fuchsloch 3, 71665 Vaihingen/Enz

Kraftschrauber

Die Erfindung geht aus von einem Kraftschrauber nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.

Stand der Technik

In der DE 23 26 027 A ist ein netzspannungsbetriebener Schrauber beschrieben, der einen vorgegebenen Drehmoment-Sollwert bereitstellt. Das vom Schrauber aufgebrachte Drehmoment wird mittelbar anhand des durch den Elektromotor fließenden Stroms erfasst. Ausgegangen wird aufgrund des Netzanschlusses von einer Betriebsspannung des Elektromotors, die stets gleich und konstant ist. Sofern der Drehmoment-Sollwert noch nicht erreicht ist, dreht der Schrauber mit der maximal möglichen Drehzahl, welche vom aufzubringenden Drehmoment-Sollwert abhängt. Aufgrund der Massenträgheit der drehenden Teile des Schraubers, wie Elektromotor und insbesondere Getriebe, wird die Schraubverbindung in Abhängigkeit vom Nachlauf nach dem Erreichen des Drehmoment-Sollwerts noch weitergedreht.

Die in der DE 23 26 027 A1 auftretende Problematik aufgrund des Weiterdrehens des Schraubers beim Erreichen des Drehmoment-Sollwerts wird von der DE 103 41 975 A1 aufgegriffen. Beschrieben ist eine elektronische Drehmoment- Begrenzungseinrichtung für einen beispielsweise in einem akkubetriebenen Schrauber eingesetzten Elektromotor. Ausgegangen wird von einer elektronischen

Drehmoment-Begrenzung, bei welcher der durch den Elektromotor fließende Strom als Maß für das Drehmoment herangezogen wird. Eine solche Vorgehensweise wird als ungenau bezeichnet, weil insbesondere bei hohen Drehzahlen nach dem Abschalten des Elektromotors durch die kinetische Energie der rotierenden Massen ein Nachlauf auftreten kann mit der Folge, dass eine Schraubverbindung mit einem höheren Drehmoment als der vorgegebene Drehmoment-Sollwert angezogen wird. Zur Vermeidung der auf der Massenträgheit beziehungsweise der Dynamik des Getriebes beruhenden Drehmomentspitze wird vorgeschlagen, den maximalen Wert des zulässigen Elektromotorstroms in Abhängigkeit von der Drehzahl des Elektromotors festzulegen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ein

Drehmoment-Sollwert festgelegt werden, welcher in einen Maximalwert des Elektromotorstroms umgerechnet wird. Je höher der Maximalwert des Elektromotorstroms vorgegeben wird, desto niedriger darf die maximale Drehzahl des Elektromotors werden.

In der EP 0 187 353 A2 ist ein Schrauber beschrieben, dessen Elektromotor vom Wechselspannungsnetz versorgt wird. Ausgegangen wird von der Erkenntnis, dass der Elektromotor ein maximales und bestimmtes Drehmoment unter Last bei Stillstand bereitstellt, wobei dieses Drehmoment von der zur Verfügung gestellten Spannung beziehungsweise dem Laststrom entsprechend der jeweiligen

Motorkennlinie abhängt. Die Einstellung der mittleren Betriebsspannung des Elektromotors erfolgt mit einem Schaltelement, das beispielsweise als Triac realisiert ist. Die mittlere Betriebsspannung des Elektromotors oder der Laststrom sind mit einem Potentiometer einstellbar, wodurch das maximale Drehmoment bei Motorstillstand beziehungsweise bei kleinen Motordrehzahlen veränderbar und einstellbar wird. Der Drehmoment-Sollwert der Verschraubung wird bei einer geringen Drehzahl oder sogar bei Stillstand des Schraubers erreicht, sodass ein überschwingen des Drehmoment-Sollwerts durch einen Nachlauf vermieden wird.

Vorhanden ist weiterhin eine Kompensationsschaltung, welche in der Lage ist,

Schwankungen der Netzspannung auszugleichen, um den Einfluss auf den Drehmoment-Istwert zu eliminieren. Bei absinkender Versorgungsspannung wird

der Phasenanschnittswinkel in der Triac-Ansteuerung vergrößert, so dass eine höhere mittlere Spannung am Elektromotor anliegt.

In der DE 196 26 731 A1 ist ein akkubetriebener Kleinschrauber beschrieben, der ein Schaltelement enthält, welches den Elektromotor durch Kurzschließen abschaltet. Das Schaltelement wird von einem Tiefenanschlag betätigt. Durch das abrupte Abbremsen des Elektromotors wird ein überschwingen vermindert. Zu berücksichtigen hierbei ist jedoch, dass ein derartiges Kurzschließen des Elektromotors nur bei vergleichsweise geringen abzugebenden Drehmomenten bis beispielsweise 100 Nm und bei leistungsschwachen Elektromotoren möglich ist, da selbst bei leistungsschwachen Elektromotoren im Falle eines Kurzschließen eines mit hoher Drehzahl drehenden Elektromotors mit einem erheblichen Kurzschlussstrom und den damit verbundenen elektromagnetischen Störungen gerechnet werden muss. Der Kurzschlussstrom belastet sowohl einen Kollektor eines als Gleichstrommotor realisierten Elektromotors als auch das verwendete

Schaltelement zum Kurzschließen des Elektromotors in erheblichem Maße.

In der DE 10345 135 A1 ist ein kleiner akkubetriebener Schrauber beschrieben, der zur Energieversorgung einen Lithium-Ionen-Akku enthält.

Allgemein bekannter Stand der Technik ist es, parallel zu einem Elektromotor einen Freilaufkreis vorzusehen, welcher den Stromabbau der im induktiven Anteil des Elektromotors gespeicherten induktiven Energie nach dem Abschalten des Elektromotors ermöglicht. Der Freilaufkreis kann beispielsweise als geschalteter Freilaufkreis realisiert sein, bei dem beispielsweise ein parallel zum Elektromotor geschalteter MOS-Feldeffekttransistor gleichzeitig mit dem Abschalten der Stromversorgung eingeschaltet wird und damit den Elektromotor überbrückt, sodass sich der Motorstrom abbauen kann. Im einfachsten Fall wird der Freilaufkreis mit einer parallel zum Elektromotor geschalteten Freilaufdiode realisiert. Ein derartiger Freilaufkreis ermöglicht lediglich das Weiterfließen des

Motorstroms nach dem Abschalten der Stromversorgung, wobei die am Motor sich einstellende Spannung bei aktivem Freilaufkreis nicht definiert ist, sondern von der

Durchlassspannung des verwendeten stromführenden Freilauf- Bauelements abhängt, die stark temperaturabhängig ist und insbesondere vom Betrag des Freilaufstroms abhängt.

In der DE 201 13 184 U1 und beispielsweise der DE 19647 813 A1 sind als

Handwerkzeugmaschinen ausgestaltete elektromotorisch betriebene Schrauber angegeben, die jeweils einen Stützarm zur Bereitstellung eines Gegendrehmoments beim Anziehen oder Lösen von Schraubverbindungen aufweisen.

Derartige Schrauber werden als Kraftschrauber bezeichnet, weil das zur Verfügung gestellte Drehmoment bis beispielsweise 10.000 Nm betragen kann, das ohne den Stützarm von einer Bedienperson des Kraftschraubers nicht aufgebracht werden könnte. Mit zunehmendem Drehmoment beim Schraubvorgang verformt sich der Stützarm elastisch, wodurch der Stützarm Energie aufnimmt. Während des

Schraubvorgangs verspannt der Stützarm den Schrauber auf der Schraubverbindung. Der Stützarm nimmt nicht nur die während des Schraubvorgangs auftretende Energie, sondern auch die nach dem Abschalten des Kraftschraubers noch in den rotierenden Massen wie beispielsweise dem Elektromotor und insbesondere dem Getriebe vorhandene Rotationsenergie durch ein Verformen auf.

Die Verspannung kann beispielsweise durch eine Rutschkupplung gelöst werden, welche beim Erreichen des Drehmoment-Sollwerts mechanisch ausrastet. Insbesondere bei niedrigen Drehmoment-Sollwerten kann die Antriebseinheit die

Spannung durch Vorgabe einer definierten Leistung lösen. Bei beiden Methoden wirkt sich das stark unterschiedliche Massenverhältnis der rotierenden Antriebseinheit gegenüber der Getriebemasse negativ auf das Getriebe und den Elektromotor aus.

Bei Schraubern, insbesondere bei Kraftschraubern, die ein sehr hohes Drehmoment bereitstellen können, ist es unbedingt erforderlich, dass sich die im

Stützarm gespeicherte Energie kontrolliert abbauen kann, damit der Kraftsch rauber von der Schraubverbindung abgenommen werden kann. Aufgrund des im allgemeinen hohen Untersetzungsverhältnisses des Getriebes kann nicht ausgeschlossen werden, dass der Elektromotor aufgrund der im Stützarm gespeicherten Energie beginnt, sich entgegen der Antriebsrichtung zu drehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftsch rauber, insbesondere einen akkubetriebenen Kraftsch rauber anzugeben, der einen gefahrlosen Abbau der im Stützarm nach dem Abschalten des Kraftschraubers gespeicherten Energie ermöglicht.

Die Aufgabe wird durch die im unabhängigen Anspruch angegebenen Merkmale gelöst.

Offenbarung der Erfindung

Der erfindungsgemäße Kraftsch rauber weist einen Elektromotor und eine Ansteuerschaltung auf, welche den Elektromotor beim Erreichen eines eingestellten Drehmoment-Sollwerts mit einem Abschaltsignal elektronisch abschaltet. Weiterhin ist ein Stützarm vorgesehen, welcher Energie beim

Schraubvorgang aufnimmt. Der erfindungsgemäße Kraftsch rauber zeichnet sich durch eine Spannungsbegrenzer-Schaltung aus, welche die am Elektromotor auftretende Motorspannung des beim Abbau der im Stützarm gespeicherten Energie als Generator betriebenen, entgegen der Antriebsrichtung drehenden Elektromotors auf eine vorgegebene Begrenzungsspannung begrenzt.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Spannungsbegrenzer-Schaltung stellt zunächst sicher, dass die im Stützarm beim Schraubvorgang gespeicherte Energie nach dem Abschalten des Elektromotors beim Erreichen des Drehmoment-Sollwerts durch ein Antreiben des Elektromotors über das Getriebe im Generatorbetrieb verbraucht werden kann, wobei der Elektromotor unterhalb der vorgegebenen

Begrenzungsspannung in einem weiten Drehzahlbereich kein nennenswertes Gegenmoment aufbaut.

Insbesondere schützt die erfindungsgemäß vorgesehene Spannungsbegrenzer- Schaltung die Ansteuerschaltung gegenüber unzulässig hohen Spannungen, die bei einer hohen im Stützarm gespeicherten Energie nach dem Abschalten des Elektromotors beim Erreichen des Drehmoment-Sollwerts, entsprechend einer hohen Drehzahl des Elektromotors im Generatorbetrieb auftreten könnte.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen

Kraftschraubers ergeben sich aus abhängigen Ansprüchen.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Begrenzungsspannung betragsmäßig mindestens der Nenn-Betriebsspannung des Elektromotors entspricht. Dadurch ergibt sich einerseits ein ausreichender Drehzahlbereich während des

Generatorbetriebs, ohne dass ein Stromfluss auftritt, der erst beim Erreichen der Begrenzungsspannung auftreten kann. Andererseits können Bauteile mit vergleichsweise niedrigen zulässigen maximalen Betriebspannungen verwendet werden, da die insgesamt während des Betriebs des Elektromotors auftretenden Motorspannungen betragsmäßig auf die Nenn-Betriebsspannung des

Elektromotors begrenzt ist.

Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass die Begrenzungsspannung höchstens der zulässigen Schutz-Gleichspannung für Elektrogeräte entspricht. Die Schutz- Kleinspannung im Sinne der vorliegenden Anmeldung entspricht derjenigen

Spannung, die gesetzlich zugelassen ist, ohne dass besondere Vorkehrungen zur elektrischen Isolation erfüllt werden müssen. Die Schutz-Kleinspannung beträgt beispielsweise 42 Volt.

Weitere Ausgestaltungen betreffen die Realisierung der Spannungsbegrenzer-

Schaltung. Eine erste Realisierungsmöglichkeit sieht zwei in Serie geschaltete,

gegeneinander gepolte Zenerdioden vor. Eine andere Realisierungsmöglichkeit sieht eine bipolare Begrenzerdiode vor.

Eine andere Realisierungsmöglichkeit sieht einen Varistor vor.

Eine weitere Realisierungsmöglichkeit sieht den Einsatz einer Spannungsbegrenzer-Schaltung vor, die eine elektronische Last enthält.

Während die mit Dioden und Transistoren realisierten Spannungsbegrenzer- Schaltungen eine hohe Ansprechgeschwindigkeit aufweisen, kann der Varistor kurzzeitig eine vergleichsweise hohe Leistung aufnehmen und thermisch abführen.

Eine Kombination von verschiedenen Bauelementen ermöglicht eine Optimierung hinsichtlich verschiedener Anforderungen.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kraftsch raubers sieht vor, dass die Ansteuerschaltung das Abschaltsignal beim Erreichen des eingestellten Drehmoment-Sollwerts anhand eines Vergleichs des Drehmoment-Sollwerts mit einem aus dem Elektromotorstrom gewonnenen Drehmoment-Istwert bereitstellt. Die Erfassung des Elektromotorstroms, der als Grundlage für ein Maß für das vom

Schrauber bereitgestellte Drehmoment herangezogen wird, kann mit einfachen schaltungstechnischen Mitteln erfolgen und ist deshalb erheblich preiswerter als eine mechanische Lösung wie beispielsweise eine Rutschkupplung.

Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kraftsch raubers sieht als

Energiequelle für den Elektromotor einen lithiumbasierten Akkumulator aufgrund dessen vergleichsweise hohen Energiedichte vor. Eingesetzt werden kann beispielsweise ein Lithium-Ionen-Akku (Li-Ion-Akku) oder beispielsweise ein Lithium-Polymer-Akku (Li-Polymer-Akku).

Die während des Betriebs des Kraftschraubers sinkende Versorgungsspannung aufgrund der absinkenden Akkuspannung während des Entladevorgangs wird

vorteilhafterweise von einer Akkuspannungsabfall-Kompensationsschaltung kompensiert, sodass die sinkende Betriebsspannung keinen Einfluss auf das Erreichen des eingestellten Drehmoment-Sollwerts hat.

Anstelle eines Eingriffs in den Leistungsteil der Ansteuerelektronik ist gemäß einer

Ausgestaltung vorgesehen, dass die Akkuspannungsabfall- Kompensationsschaltung bei sinkender Akkuspannung entweder den vorgegebenen Drehmoment-Sollwert erhöht oder den mittelbar auf der Grundlage des Elektromotorstroms erfassten Drehmoment-Istwert verringert. Damit wird die Kennlinie des Elektromotors virtuell verschoben.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftschraubers ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftschraubers sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine Skizze eines erfindungsgemäßen Kraftschraubers, Figur 2 ein Blockschaltbild einer Ansteuerschaltung des erfindungsgemäßen

Kraftschraubers und die Figuren 3a - 3d unterschiedliche Ausgestaltungen einer Spannungsbegrenzer- Schaltung.

Figur 1 zeigt eine Skizze eines Kraftschraubers 10, der einen Elektromotor 12 enthält, welcher über ein Getriebe 14 eine Stecknuss 16 antreibt. Der Kraftschrauber 10 enthält einen Stützarm 18 welcher während des Schraubvorgangs ein Gegenmoment bereitstellt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird von einem akkubetriebenen Kraftschrauber 10 ausgegangen, der einen Akkumulator 20 enthält, der in einem Batterieteil 22 untergebracht ist. Die

Inbetriebnahme des Kraftschraubers 10 erfolgt mit einem Schalter 24. Zur Steuerung des Elektromotors 12 ist eine Ansteuerschaltung 26 vorgesehen.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird von einem Gleichstrommotor 12 ausgegangen, der vorzugsweise mit einem impulsbreitenmodulierten Signal angesteuert wird, welches die mittlere Betriebsspannung des Elektromotors 12 festlegt.

In Figur 2 ist ein Impulsbreitenmodulator 30 gezeigt, der ein impulsbreitenmoduliertes Signal s_PWM bereitstellt, welches ein Schaltelement 32, beispielsweise einen MOS-Feldeffekttransistor, entweder vollständig öffnet oder vollständig schließt. Die Periodendauer und/oder die Impulsdauer des impulsbreitenmodulierten Signals s_PWM können variabel sein.

Das Tastverhältnis des impulsbreitenmodulierten Signals s_PWM, welches das Verhältnis von Einschaltdauer zu Periodendauer widerspiegelt, legt die mittlere Betriebsspannung des Elektromotors 12 fest ermöglicht dadurch eine Beeinflussung der dem Elektromotor 12 zur Verfügung gestellte Leistung beziehungsweise der Drehzahl des Elektromotors 12.

Nach dem Schließen des Schalters 24 fließt ein Motorstrom i_Mot in Abhängigkeit vom Tastverhältnis des impulsbreitenmodulierten Signals s_PWM, in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung u_Batt und in Abhängigkeit von der Last des

Elektromotors 12.

Der Motorstrom i_Mot wird als Maß für das vom Elektromotor 12 aufgebrachte Drehmoment und somit als Maß für das vom Kraftschrauber 10 an der Stecknuss 16 bereitgestellte Drehmoment herangezogen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Motorstrom i_Mot mit einem Shunt 34 erfasst, der als niederohmiger Widerstand von beispielsweise 0,01 Ohm realisiert ist. Der als Maß für den Motorstrom i_Mot am Shunt 34 auftretende Spannungsabfall u Sens wird in einer Sensorsignal-Aufbereitung 36 verstärkt und als Maß für den Drehmoment-Istwert mdjst einer Signalglättung 38 zugeführt, die einen geglätteten Drehmoment-

Istwert mdmjst einer Schrauber-Abschaltung 40 zur Verfügung stellt.

Die Sensorsignal-Aufbereitung 36 enthält beispielsweise einen als Differenzverstärker beschalteten OpAmp. Die Signalglättung 38 ist beispielsweise als eine Widerstands-Kondensator-Kombination realisiert, welche eine Tiefpassfilterfunktion beziehungsweise eine integrierende Eigenschaft aufweist, die zu einer gleitenden Mittelwertbildung führt.

Die gegebenenfalls vorgesehene Signalglättung 38 unterdrückt weitgehend Störsignale und Stromspitzen, die zu einem irrtümlichen Abschalten des Kraftschraubers 10 führen können.

Die Schrauber-Abschaltung 40 ist beispielsweise mit einem als Komparator beschalteten OpAmp realisiert, welchem der geglättete Drehmoment-Istwert mdmjst oder der Drehmoment-Istwert md_lst und ein von einer Drehmoment- Sollwertvorgabe 42 bereitgestellter Drehmoment-Sollwert Md_Söll zur Verfügung gestellt wird. Die Drehmoment-Sollwertvorgabe 42 ist vorzugsweise ein

Potentiometer, dessen Einstellrad, das einer Bedienperson des Kraftschraubers 10 zugänglich ist, mit den unterschiedlichen vorzugebenden Drehmoment-Sollwerten beschriftet ist.

Sobald der geglättete Drehmoment-Istwert mdmjst beziehungsweise der

Drehmoment-Istwert mdjst mit dem Drehmoment-Sollwert Md_Soll übereinstimmt, stellt die Schrauber-Abschaltung 40 ein Stoppsignal s_Stop bereit, welches dem Impulsbreitenmodulator 30 zur Verfügung gestellt wird. Mit dem Auftreten des Stoppsignals s_Stop beim Erreichen des vorgegebenen Drehmoment-Sollwerts Md_Soll beendet der Impulsbreitenmodulator 30 die Bereitstellung des impulsbreitenmodulierten Signals s_PWM, wodurch das Schaltelement 32 bleibend geschlossen und der Elektromotor 12 beziehungsweise der Kraftschrauber 10 abgeschaltet wird.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass zur

Energieversorgung des Elektromotors 12 der Akku 20 vorgesehen ist, der vorzugsweise als lithiumbasierter Akku 20 realisiert ist, welcher sich durch eine

hohe Energiedichte auszeichnet. Eingesetzt werden kann beispielsweise ein Lithium-Ionen-Akku oder beispielsweise ein Lithium-Polymer-Akku. Der Akku 20 stellt die Versorgungsspannung u_Batt bereit. Die Entlade-Kennlinie eines Akkus, insbesondere eines lithiumbasierten Akkus verläuft zwar relativ flach, jedoch hat selbst ein geringer Spannungsabfall unmittelbar eine Auswirkung auf das Erreichen des vorgegebenen Drehmoment-Sollwerts Md-SoII, wenn als Maß für den Drehmoment-Istwert mdjst, mdmjst der Motorstrom i_Mot herangezogen wird, da sich bei sinkender Versorgungsspannung u_Batt ein geringerer Motorstrom i_Mot einstellt.

Vorgesehen ist deshalb eine Akkuspannungsabfall-Kompensationsschaltung 44, welche den Einfluss einer sinkenden Versorgungsspannung u_Batt auf das Erreichen des eingestellten Drehmoment-Sollwerts Md-SoII kompensiert.

Prinzipiell könnte die Versorgungsspannung u_Batt unmittelbar stabilisiert und konstant gehalten werden, wobei jedoch Leistungs-Halbleiterbauelemente erforderlich wären, die zum einen relativ kostspielig sind und zum anderen aufgrund der hohen erwarteten Ströme bis beispielsweise 100 A zu voluminös sind, um in Kraftschrauber 10 untergebracht werden zu können.

Die Akkuspannungsabfall-Kompensationsschaltung 44 greift deshalb vorzugsweise mit einem Kompensationssignal s_Batt_Komp in die Schrauber-Abschaltung 40 ein, wobei bei sinkender Versorgungsspannung u_Batt entweder der Drehmoment- Sollwert Md-SoII erhöht oder der Drehmoment-Istwert mdjst, mdmjst verringert wird.

Die Akkuspannungsabfall-Kompensationsschaltung 44 kann beispielsweise eine Referenzspannungsquelle enthalten, mit welcher die Versorgungsspannung u_Batt verglichen wird. Mit kleiner werdender Differenz zwischen der Referenzspannung und der Versorgungsspannung u_Batt während des Entladevorgangs des Akkus 20 wird das Kompensationssignal s_Batt_Komp ständig erhöht, wobei die Erhöhung einer virtuellen Verringerung des Motorstroms i_Mot entspricht, um den tatsächlich

geringeren Motorstrom i_Mot bei sinkender Versorgungsspannung u_Batt bei der Signalbewertung auszugleichen.

Während des Betriebs des Kraftschraubers 10 stellt der Stützarm 18 das erforderliche Gegenmoment zu dem von der Stecknuss 16 auf die Verschraubung übertragene Drehmoment bereit. Der Stützarm 18 ist zur Vorbereitung des Schraubvorgangs an einer geeigneten Abstützung zu fixieren. Während des Schraubvorgangs tritt in Abhängigkeit vom zunehmenden Drehmoment eine entsprechend zunehmende Verformung des Stützarms 18 auf, die einer Speicherung von Energie entspricht. Die im Stützarm 18 gespeicherte Energie weist nach dem Abschalten des Schraubers 10 beim Erreichen des vorgegebenen Drehmoment-Sollwerts Md_Soll den maximalen Wert auf.

Durch die Verformung des Stützarms 18 wird die Stecknuss 16 und damit der gesamte Kraftschrauber 10 auf der Schraubverbindung verspannt. Nach dem

Abschalten des Kraftschraubers 10 durch das von der Schrauber-Abschaltung 40 bereitgestellte Abschaltsignal s_Stop bewirkt die im Stützarm 18 gespeicherte Energie, dass der Elektromotor 12, ausgehend von der Stecknuss 16, rückwärts über das Getriebe 14 angetrieben wird, wobei der Elektromotor 12 in der zur Antriebsrichtung entgegengesetzten Richtung zu drehen beginnt.

Der Elektromotor 12 wird daher beim Abbau der im Stützarm 18 gespeicherten Energie als Generator betrieben. Zum raschen und einfachen Abbau der im Stützarm 18 gespeicherten Energie sollte der Elektromotor 12 frei drehen können, ohne ein Gegenmoment aufzubringen, welches den Entlastungsvorgang erschweren und verlängern würde. Der Elektromotor 12 sollte deshalb in diesem Betriebszustand nicht kurzgeschlossen oder niederohmig überbrückt werden, wobei bereits bei einer geringen Generatorspannung ein hoher Motorstrom i_Mot, entsprechend einem hohem Gegenmoment auftreten würde. Zu berücksichtigen ist hierbei, dass sich im Generatorbetrieb die Motorspannung u_Mot aufgrund der anderen Drehrichtung umpolt und der Motorstrom i_Mot daher in umgekehrter Richtung fließt, sofern der Strompfad zur Verfügung steht.

Insbesondere hat sich anhand von Versuchen ausgestellt, dass im Generatorbetrieb erhebliche Motorspannungen u_Mot auftreten können, die wesentlich über der Nenn-Betriebsspannung des Elektromotors 12 liegen. Bei einem Elektromotor 12 mit einer Nenn-Betriebsspannung von beispielsweise 28

Volt wurden Spannungsspitzen bis über 200 Volt mit einer Impulsdauer von mehreren 100 ns nachgewiesen. Derartige energiereiche überspannungen können zur Zerstörung von Komponenten der Ansteuerschaltung 22, insbesondere zur Zerstörung des Schaltelements 32 führen.

Erfindungsgemäß ist deshalb die Spannungsbegrenzer-Schaltung 46 vorgesehen, welche die am Elektromotor 12 auftretende Motorspannung u_Mot des beim Abbau der im Stützarm 18 gespeicherten Energie als Generator betriebenen, entgegen der Antriebsrichtung drehenden Elektromotors 12 auf eine vorgegebene Begrenzungsspannung u_Lim begrenzt.

Die Spannungsbegrenzer-Schaltung 46 ist nicht mit einem Freilauf vergleichbar, der lediglich den Elektromotor 12 im Wesentlichen kurzschließt. Die Spannungsbegrenzer-Schaltung 46 ermöglicht das gezielte Vorgeben der Begrenzungsspannung u_Lim, damit der Elektromotor 12 während des

Generatorbetriebs bei der Vernichtung der im Stützarm 18 gespeicherten Energie zumindest bis zum Erreichen der Begrenzungsspannung u_Lim kein Gegenmoment erzeugt. In diesem Betriebszustand tritt ein Motorstrom i_Mot in umgekehrter Richtung im Vergleich zum normalen Betrieb nur auf, wenn die Motorspannung u_Mot im Generatorbetrieb die Begrenzungsspannung u_Lim versucht, zu überschreiten.

Die Spannungsbegrenzer-Schaltung 46 kann allerdings die Funktion eines Freilaufs übernehmen, wobei während des Freilaufs, bei welchem sich die Richtung des Motorstroms i_Mot nicht umdreht, die Begrenzungsspannung u_Lim als Motorspannung u_Mot auftritt. Gegebenenfalls kann ein nicht näher gezeigter

geschalteter Freilauf vorgesehen sein, welcher vom impulsbreitenmodulierten Signal s_PWM angesteuert wird.

Die Spannungsbegrenzer-Schaltung 46 kann auf unterschiedliche Art und Weise realisiert werden. Bei dem in Figur 3a gezeigten Ausführungsbeispiel enthält die

Spannungsbegrenzer-Schaltung 46 zwei in Serie geschaltete, gegeneinander gepolte Zenerdioden 50, 52. Die Durchbruchspannungen werden vorzugsweise gleich groß festgelegt. Abgesehen von den Durchlass-Spannungen der Dioden 50, 52 in Durchlassrichtung, entsprechen die Durchbruchspannungen wenigstens näherungsweise der Begrenzungsspannung u_Lim sowohl in positiver als auch in negativer Richtung. Prinzipiell können unterschiedliche Begrenzungsspannungen durch eine entsprechende Auswahl der Durchbruchspannungen der Zenerdioden 50, 52 in Abhängigkeit von der Polarität vorgegeben werden.

Bei dem in Figur 3b gezeigten Ausführungsbeispiel enthält die

Spannungsbegrenzer-Schaltung 46 eine bipolare Spannungsbegrenzerdiode 54, die auch als TVS (Transient Voltage Suppressor) bezeichnet wird. Die Spannungsbegrenzerdiode 54 enthält die beiden Zenerdioden 50, 52 integriert in einem einzigen Bauelement, das somit kostengünstiger ist als einzelne Zenerdioden und insbesondere mit geringerem Aufwand auf einer Leiterplatte bestückt werden kann, sodass sich weitere Kostenvorteile in der Serienproduktion ergeben.

Bei dem in Figur 3c gezeigten Ausführungsbeispiel enthält die Spannungsbegrenzer-Schaltung 46 einen Varistor 56.

Das in Figur 3d gezeigte Ausführungsbeispiel beruht auf einer Spannungsbegrenzung mit einer analogen elektronischen Last 58. Die elektronische Last 58 kann mit einem Transistor 60 realisiert werden, der in Serie mit einem Verlustwiderstand 62 geschaltet ist. Zur Ansteuerung des Transistors 60 ist ein Komparator 64 vorgesehen, der die Motorspannung u_Mot als Messspannung u_Mess mit der vorgegebenen Begrenzungsspannung uJJm

vergleicht und in Abhängigkeit vom Vergleich den Transistor 60 mehr oder weniger öffnet. Dadurch wird die Spannung an der Spannungsbegrenzer-Schaltung 46 auf die Begrenzungsspannung uJJm geregelt und somit begrenzt.

Während die in den Spannungsbegrenzer-Schaltungen 46 eingesetzten

Bauelemente - die Zenerdioden 50, 52, die Spannungsbegrenzerdiode 54 sowie der Transistor 60 - eine sehr schnelle Reaktion auf Spannungsimpulse ermöglichen, kann der Varistor 56 eine höhere Energie zumindest kurzfristig aufnehmen und ableiten. In Abhängigkeit von den Anforderungen kann deshalb eine Kombination von Dioden beziehungsweise Transistoren 50, 52, 54, 60 sowie einem Varistor 60 vorgesehen sein.

Die Begrenzungsspannung uJJm wird zunächst auf einen Wert festgelegt, bei welchem im normalen Antriebsbetrieb des Elektromotors 12 keine Begrenzung der Motorspannung u_Mot auftreten kann. Die Begrenzungsspannung uJJm wird demnach bei einem 28-Volt-Elektromotor 12 auf einen Wert von mindestens 28 Volt festgelegt. Da sich im Generatorbetrieb des Elektromotors 12 die Motorspannung u_Mot umkehrt, muss die Spannungsbegrenzer-Schaltung 46 die Begrenzungsspannung u_Lim insbesondere für die Motorspannung u_Mot bei umgekehrter Polarität bereitstellen, da insbesondere im Generatorbetrieb die

Gefahr einer überspannung besteht. Im gezeigten Ausführungsbeispiel mit der in Figur 2 eingetragenen Polarität der Versorgungsspannung u_Batt tritt im Generatorbetrieb des Elektromotors 12 das positive Potenzial der Motorspannung u_Mot am Schaltelement 32 auf, während das negative Potenzial am Akku 20 anliegt.

Zweckmäßigerweise wird für beide Polaritäten der Motorspannung u_Mot derselbe Betrag der Begrenzungsspannung u_Lim vorgegeben, der mindestens dem Betrag der Nenn-Betriebsspannung des Elektromotors 12 entspricht.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung wird zumindest die im Generatorbetrieb des Elektromotors 12 wirksame Begrenzungsspannung uJJm auf den Wert einer

sogenannten Schutz-Kleinspannung festgelegt, die gesetzlich festgelegt sein kann. Eine Schutz-Kleinspannung in diesem Sinn soll dadurch definiert sein, dass an einem elektrischen Gerät, im vorliegenden Fall dem Kraftschrauber 10, spannungsführende Teile, die berührt werden können, die Schutz-Kleinspannung nicht übersteigen dürfen. Sofern dies der Fall sein könnte, sind spezielle Maßnahmen zum Berührungsschutz zu treffen. Die Schutz-Kleinspannung liegt beispielsweise bei 42 Volt. Vorzugsweise wird auch die auf die Schutz- Kleinspannung festgelegte Begrenzungsspannung u_Lim für beide Polaritäten der Motorspannung u_Mot auf denselben Betrag festgelegt.