Die Erfindung betrifft einen steuerbaren Gleichstrom-Motor, insbesondere einen EC- Motor, der im Vergleich zu einem herkömmlichen Motor eine modifizierte Drehzahl- Drehmoment-Kennlinie aufweist, beispielsweise wie bei einem Motor, der mit einem mechanischen Zweigang-Schaltgetriebe gekoppelt ist.

Im Stand der Technik werden bei Elektrowerkzeugen Motoren in der Regel mit schaltbaren Getrieben gekoppelt, um einen größeren Drehzahl-Drehmoment-Bereich abzudecken. Hierzu sind Zweigang-Maschinen, Dreigang-Maschinen und teilweise sogar Viergang-Maschinen vorgesehen. Allerdings bedeutet die Verwendung eines schaltbaren Getriebes einen erheblichen Aufwand, verbunden mit einem zusätzlichen Gewichts- und Platzbedarf. Außerdem dürfen mechanische Getriebe nicht im Betrieb unter Last geschaltet werden. Damit fehlt die Möglichkeit, eine optimale Getriebeübersetzung im Betrieb auf die aktuelle Arbeitsbelastung anzupassen.

Aus der DE 10 2004 027 6356 AI ist ein Elektrowerkzeug mit einer Antriebseinheit mit einem Motor bekannt, der einen Rotor mit einem Dauermagneten sowie einen Stator umfasst, wobei eine Motorsteuerung vorgesehen ist, die so gestaltet ist, dass sie den Motor in einem ersten Drehzahlbereich gemäß einer spannungsgesteuerten Betriebsart ansteuert und in einem zweiten Drehzahlbereich, der sich einem ersten Drehzahlbereich in Richtung einer höheren Drehzahl anschließt, gemäß einem Feldschwächebetrieb ansteuert. Im ersten Drehzahlbereich wird der Motor spannungsgesteuert betrieben, wobei die Motorsteuerung in dieser Betriebsart eine Spannung an den Motor anlegt, um die Drehzahl des Motors vorzugeben. Bei Erreichen einer bestimmten Drehzahl schaltet der Motor in eine andere Betriebsart um, die als Feldschwächebetrieb bezeichnet ist. Hierbei wird die induzierte Gegen-EMK geschwächt, wodurch sich eine höhere Drehzahl bei einem kleineren Drehmoment ergibt. Insgesamt kann so der Motor für eine niedrigere mittlere Drehzahl ausgelegt werden, während zum Erreichen von höheren Drehzahlen auf den Feldschwächebetrieb umgeschaltet wird. Auf diese Weise kann ohne die Verwendung eines schaltbaren mechanischen Getriebes ein erweiterter Drehzahl-Drehmoment-Bereich erreicht werden.

Allerdings handelt es sich hierbei um einen Spezialfall nur für ganz bestimmte Anwendungen, wobei ein Benutzer zur Erhöhung der Drehzahl auf den Feldschwächebetrieb umschalten muss.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Gleichstrom-Motor anzugeben, der einen erweiterten Drehzahl-Drehmoment-Bereich aufweist, wobei eine möglichst flexible Anpassung an verschiedene Anforderungen gewährleistet werden soll. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Gleichstrom-Motor gelöst, der eine bestimmte Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie im Nennbetrieb aufweist, mit einem Anpassungsmittel zur Veränderung zumindest der Drehzahl oder des Drehmoments, und mit einer permanent wirksamen Steuerschaltung zur Steuerung des Motors, die derart programmiert ist, dass die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie gegenüber dem Nennbetrieb oder dem Betrieb mit dem Anpassungsmittel permanent verändert ist.

Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst.

Erfindungsgemäß wird der Motor nämlich so ausgelegt oder durch schaltbare Maßnahmen in einen solchen Zustand gebracht, dass die Drehzahl-Drehmoment- Charakteristik gegenüber seinem Normalbetrieb im thermisch stabilen Zustand verändert ist. Dabei wird dem Motor durch die permanent wirksame Steuerschaltung eine Veränderung der Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie aufgeprägt. Dabei handelt es sich um eine gezielte Reduzierung zumindest der Drehzahl oder des Drehmoments, um dem Motor die gewünschte neue Leistungscharakteristik aufzuprägen.

In der Regel bedeutet dies, dass allein mit dem Anpassungsmittel der Motor mit einer erhöhten Leistung betrieben würde, was im Dauerbetrieb zu einer thermische Überlastung führen würde. Durch die Steuerschaltung erfolgt hierbei eine Begrenzung auf eine veränderte Leistungscharakteristik, so dass in jedem Teilbereich der Drehzahl- Drehmoment-Kennlinie eine thermische Überlastung im Dauerbetrieb ausgeschlossen ist.

Wie nachfolgend noch näher erläutert wird, gibt es auch die Möglichkeit, dass das Anpassungsmittel im sog. Feldschwächebetrieb durch eine Reduzierung der Gegen- EMK nur eine höhere Leerlaufdrehzahl und ein entsprechend reduziertes Stillstandsmoment bewirkt, so dass sich hierdurch grundsätzlich kein Betrieb im potentiell thermischen Überlastbereich ergibt. Durch die permanent wirksame Steuerschaltung kann jedenfalls eine andere Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie aufgeprägt werden, um im Ergebnis eine veränderte Drehzahl-Drehmoment-Kennline zu erhalten. Beispielsweise kann so das Verhalten eines Motors mit einem mechanisch schaltbaren Getriebe simuliert werden.

Durch die permanent wirksame Steuerschaltung kann der Motor für verschiedene Betriebszustände optimal angepasst werden. Es lassen sich so je nach Auslegung des Motors und je nach Auslegung der permanent wirksamen Steuerschaltung Drehzahl- Drehmoment-Kennlinien realisieren, die im Verlauf an bestimmte Sollkennlinien angepasst werden. So kann durch eine geeignete Auslegung beispielsweise ein steilerer Drehzahl-Drehmoment- Verlauf als bei einem herkömmlichen Gleichstrom-Motor sonst gleicher Bauart erreicht werden.

Alternativ oder zusätzlich kann eine Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik erreicht werden, die für eine stärkere Nutzung in einem hohen Drehzahlbereich ausgelegt ist und darüber hinaus auch in einem niedrigeren Drehzahlbereich mit höherem Drehmoment geeignet ist.

Hierbei kann die Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie je nach Auslegung des Motors und der permanent wirksamen Steuerschaltung auf zahlreiche Sollverläufe angepasst werden, wobei auch das typische Verhalten eines Motors realisiert werden kann, der mit einem Zwei- oder Mehrgang-Getriebe versehen ist.

Im Prinzip wird die erweiterte Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik des erfindungsgemäßen Motors durch eine erhöhte Leistung erreicht, die durch die permanent wirksame Steuerschaltung in geeigneter Weise reduziert werden kann, um über den gesamten Drehzahl-Drehmoment-Verlauf eine verbesserte Anpassung an eine gewünschte Leistungscharakteristik bereitzustellen.

Der Motor ist hierbei vorzugsweise als EC-Motor ausgebildet. Unter einem EC-Motor versteht man typischerweise eine bürstenlose Gleichstrom-Maschine, bei der der Rotor einen Permanentmagneten umfasst und der Stator aus mehreren Elektromagneten besteht. Die Lage des Rotors wird ständig gemessen, z.B. über die rückwirkende Induktionsspannung, über den resultierenden Strom oder mittels eines Lagegebers, etwa eines Hall-Effekt-Sensors. Auch kann die Lage des Rotors im sensorlosen Betrieb über mathematische Algorithmen ermittelt werden. Die Elektromagneten im Stator werden über eine geeignete Schaltung kommutiert, z.B. über eine Brückenschaltung aus MOSFET-Transistoren.

EC-Motoren eignen sich besonders für die erfindungsgemäße Lösung, da sie ohnehin wegen der elektronischen Kommutierung über eine elektronische Steuerung verfügen und insbesondere da hierbei ein Bürstenfeuer vermieden wird.

Die permanent wirksame Steuerschaltung wird grundsätzlich zur Beeinflussung der Phasenspannung des Motors verwendet, um diese in geeigneter Weise zu begrenzen. Hierzu sind grundsätzlich verschiedene Schaltungen denkbar, wie etwa die Pulsamplitudenmodulation, die Pulsfrequenzmodulation oder die Pulsphasenmodulation. Besonders bevorzugt wird hierzu jedoch die Pulsweitenmodulation (PWM), teilweise auch als Pulsbreitenmodulation bezeichnet, verwendet.

Erfindungsgemäß wird nun eine solchermaßen geeignete Steuerschaltung etwa in Form einer PWM-Steuerung verwendet, um grundsätzlich mit unverändertem Motor einen erweiterten Betriebsbereich des Motors zu erreichen, etwa wie bei einem mit einem mechanischen Zweigang-Getriebe gekoppelten Motor, wobei eine thermische Überlastung im Dauerbetrieb vermieden wird. Hierzu wird der Motor grundsätzlich mit einer höheren Leistung betrieben, als im Dauerbetrieb möglich ist, da sich hierbei eine thermische Überlastung ergeben würde. Die erhöhte Leistung kann entweder dauerhaft vorliegen, indem der Motor beispielsweise mit einer höheren als der Nennspannung betrieben wird, während durch die permanent wirksame Steuerschaltung die Leistung wiederum auf zulässige Werte begrenzt wird. Bevorzugt ist jedoch ein Anpassungsmittel vorgesehen, das elektronisch schaltbar ist. Hierdurch wird der Motor etwa mit einer höheren Spannung betrieben, als im Dauerbetrieb thermisch zulässig ist. In Kombination mit der permanent wirksamen Steuerschaltung wird die Motorleistung dann wieder auf einen im Dauerbetrieb thermisch zulässigen Wert begrenzt. Durch die Steuerschaltung kann hierbei eine gewünschte Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik eingestellt werden.

Wie nun das Anpassungsmittel aufgebaut ist, ist grundsätzlich unerheblich. Es gibt hierzu verschiedene Maßnahmen.

Beispielsweise kann das Anpassungsmittel eine Stern-Dreieck-Umschaltung umfassen. Hierbei werden die einer Phase zugeordneten Spulen (-Gruppen) entweder im Stern oder im Dreieck geschaltet. Bei der Umschaltung von Stern auf Dreieck steigt die Strangspannung um den Faktor V3 an. Demnach steigt die Drehzahl ebenfalls um den Faktor V3 an, die Maximalleistung verdreifacht sich. Zur Umschaltung werden hierbei vorzugsweise Halbleiterschalter verwendet. Ein solcher Schalter kann auch aus mehreren einzelnen Halbleitern, z.B. aus zwei MOSFETs bestehen.

Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung umfasst das Anpassungsmittel eine Spulengruppen-Umschaltung in Form einer Reihen-/ Parallelumschaltung.

Hierbei wird die Wicklung einer Spule einer Phase des Elektromotors in zwei gleiche Teilspulen aufgeteilt. Mit drei Halbleiterschaltern können die Teilspulen entweder in Reihe oder parallel geschaltet werden. Im Fall der Reihenschaltung beträgt der ohm- sche Gesamtwiderstand 2 R und die Windungszahl 2z, bei Parallelschaltung R/2 und z, wobei R der Widerstand einer Teilspule ist und z die Windungszahl einer Teilspule. Das strangstromproportionale Stillstandsmoment wird sich, wenn die angelegte Spannung U gleich bleibt und keine elektronische oder sonstige Strombegrenzung vorliegt, bei einer Umschaltung von Reihe auf Parallel verdoppeln. Ist der Motor thermisch auf eine Reihenschaltung ausgelegt, so kann die Spulengruppen- Umschaltung zum elektronischen Schalten auf eine Kennlinie mit doppelter Leerlaufdrehzahl genutzt werden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung umfasst das Anpassungsmittel eine Zellengruppen-Umschaltung in Form einer Reihen-/Parallelumschaltung für die Akkumulatorzellen einer Spannungsversorgung für den Motor.

Wird der Motor aus Akkumulatorzellen versorgt, können diese in zwei gleichartige Zellengruppen aufgeteilt werden. Sind die Zellengruppen parallel geschaltet, so ergibt sich eine unveränderte Spannung bei verdoppelter Stromstärke. Werden die Zellengruppen jedoch in Reihe geschaltet, so ergibt sich eine Verdoppelung der Spannung. Dies kann wiederum mit Halbleiterschaltern realisiert werden. Ist ein an dem Akkupack angeschlossener Elektromotor thermisch auf Parallelschaltung der Zellengruppen ausgelegt, so kann die Umschaltung auf Reihenschaltung zum elektronischen Schalten auf eine Kennlinie mit maximal doppelter Leerlaufdrehzahl genutzt werden.

Vorzugsweise ist das Anpassungsmittel elektronisch steuerbar.

Auf diese Weise kann eine elektronische Steuerung zur Veränderung des Anpassungsmittels mit einer permanent wirksamen Steuerschaltung zur Steuerung des Motors kombiniert werden, wodurch sich eine schnelle elektronische Umschaltung zwischen bevorzugten Betriebsbereichen ergibt.

Grundsätzlich kann der Motor auch durch eine kleinere Windungszahl auf einen für einen Dauerbetrieb thermisch instabilen Zustand ausgelegt sein und durch die Steuerschaltung trotzdem in einem thermisch zulässigen Bereich betrieben werden. Eine kleinere Windungszahl bewirkt nämlich (bei gleich bleibendem Füllfaktor) eine größere Leerlaufdrehzahl und ein größeres Stillstandsmoment.

Das Ergebnis der Umwicklung ist eine Parallelverschiebung der Drehzahl- Drehmoment-Kennlinie nach außen. Die Leerlaufdrehzahl und das Stillstands- moment werden vergrößert, die Maximalleistung wird gleichfalls vergrößert. Jedoch sind weite Bereiche dieser Kennlinie thermisch nicht mehr stabil.

Durch die Kombination mit der permanent wirksamen Steuerschaltung kann diese neue Kennlinie nun derart korrigiert werden, dass bei Drehzahlen in der Nähe der Leerlaufdrehzahl eine große Ausgangsspannung gewählt wird, so dass die höhere Leerlaufdrehzahl tatsächlich erreicht wird. Bei kleineren Drehzahlen erfolgt eine Absenkung auf einen thermisch zulässigen Bereich. Auf diese Weise kann das Verhalten des Motors an einen Motor angenähert werden, der mit einem Zweigang-Getriebe oder einem Mehrgang-Getriebe gekoppelt ist.

Wie vorstehend bereits erwähnt, kann das Anpassungsmittel auch zur Schwächung der induzierten Gegen-EMK ausgebildet sein.

Während der Motor ohne das Anpassungsmittel als herkömmlicher Motor betrieben wird, ergibt sich bei einer Schwächung der induzierten Gegen-EMK eine erhöhte Drehzahl. Durch die permanent wirksame Steuerschaltung wird nun dem Motor eine veränderte Drehzahl-Drehmomentkennlinie aufgeprägt.

Auch auf diese Weise kann der Motor mit einer veränderten, z.B. mit einer erweiterten Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik betrieben werden. Zusätzlich kann eine Beeinflussung durch einen Nutzer oder durch geeignete Parameter vorgesehen werden.

Auch kann das Anpassungsmittel eine stufenlose Verstellung der Phasenlage zwischen dem vom Rotor gelieferten Rotorfeld und dem vom Stator erzeugten Erregerfeld erlauben, wodurch eine Einstellung der Drehzahl ermöglicht wird.

In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist die Steuerschaltung für eine von mindestens einem Betriebsparameter abhängige Begrenzung der Motorleistung über den gesamten Betriebsbereich im Dauerbetrieb ausgebildet. Bei dem Betriebsparameter kann es sich bevorzugt um einen Betriebsparameter handeln, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die durch die Drehzahl, das Drehmoment, die Stromaufnahme, die Temperaturen und Kombinationen davon gebildet ist.

Die Steuerschaltung wird vorzugsweise zur Steuerung der Leistung des Motors durch Vergleich mindestens eines Betriebsparameters mit zulässigen Werten des Betriebsparameters ausgebildet.

Ferner kann auch die Steuerschaltung zur Steuerung der Phasenspannung des Motors durch Messung des Ist-Wertes mindestens eines Betriebsparameters und anschließende Bestimmung und Realisierung des zugeordneten Wertes der Spannungsabsenkung ausgebildet sein.

Auf diese Weise wird eine Begrenzung der Motorleistung auf einen für den Dauerbetrieb thermisch zulässigen Bereich gewährleistet, wobei eine gezielte Anpassung der Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik des Motors auf eine gewünschte Sollcharakteristik ermöglicht ist.

Zulässige Werte des jeweiligen Betriebsparameters können in einem Speicher in Form einer Matrix, eines Kennlinienfeldes oder einer mathematischen Funktion hinterlegt sein. So kann durch Vergleich der tatsächlichen Betriebsparameter mit den zulässigen Werten für den jeweiligen Betriebsparameter eine automatische Absenkung der Motorleistung auf einen für den jeweiligen Bereich im Dauerbetrieb thermisch zulässigen Wert erzielt werden.

Alternativ können die permanent festgelegten Werte zu den jeweiligen Betriebsparametern in einem Speicher in Form einer Matrix, eines Kennlinienfeldes oder einer mathematischen Funktion hinterlegt sein. So kann durch Messung der tasächlichen Werte eines Betriebsparameters sofort ein Wert für die Spannungsabsenkung zugeordnet werden. Dieser Wert wird z.B. in Vorversuchen so dimensioniert, dass ein thermisch zulässiger Dauerbetrieb geähr- leistet ist.

Die Steuerschaltung kann ferner zur Beeinflussung des Anpassungsmittels in Abhängigkeit von den zulässigen Werten für mindestens einen Betriebsparameter ausgebildet sein.

Zusätzlich kann eine lastabhängige Beeinflussung der Motorleistung vorgesehen sein oder eine benutzerabhängige Beeinflussung der Motorleistung, z.B. durch Eingabe über einen Taster.

Vorzugsweise ist hierbei die Steuerschaltung derart ausgebildet, dass sich ein stetiger Übergang bei der Beeinflussung des Anpassungsmittels ausbildet, wobei vorzugsweise mit einer Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebsparameter gearbeitet wird.

Gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung ist die Steuerschaltung derart programmiert, dass eine elektronische Umschaltung zur Aktivierung des Anpassungsmittels sensorgesteuert oder durch einen Benutzer abhängig von einer Schalterstellung erfolgt.

So lässt sich eine manuell beeinflussbare oder automatische Umschaltung erzielen.

Hierbei kann die Steuerschaltung gemäß einer weiteren Ausführung der Erfindung auch derart programmiert sein, dass eine automatische Umschaltung erfolgt, um einen Betriebsparameter (innerhalb gewisser Grenzen) konstant zu halten.

Ferner kann der erfindungsgemäße Motor auch mit einem ein- oder mehrstufigen mechanischen Getriebe gekoppelt sein, das schaltbar ausgebildet sein kann. Hierbei kann eine Umschaltung zwischen verschiedenen mechanischen und elektronischen Schaltstufen vorzugsweise durch einen gemeinsamen Schalter erfolgen.

So lassen sich Elektrowerkzeuge mit deutlich erweiterten Betriebskennlinien erzeugen, ohne dass deutlich stärker dimensionierte Elektromotoren notwendig sind.

Eine Anwendung des erfindungsgemäßen Motors ist insbesondere für Schrauber und Bohrmaschinen von Vorteil, bietet jedoch auch bei anderen Anwendungen (z.B. Winkelschleifern, die beim Schrupp- und Trennbetrieb unterschiedliche Drehzahlen benötigen) Vorteile.

Die Aufgabe der Erfindung wird ferner durch einen Gleichstrom-Motor, insbesondere einen EC-Motor, gelöst, der derart ausgelegt ist, dass er im Dauerbetrieb zumindest in Teilbereichen seiner Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie in einem thermisch unzulässigen Bereich arbeitet, mit einer permanent wirksamen Steuerschaltung zur Ansteue- rung des Motors, die derart programmiert ist, dass der Motor während eines Dauerbetriebs in einem thermisch zulässigen Bereich betrieben wird, und mit einem Sensor zur Erfassung eines zeitabhängigen Anstiegs einer Belastung des Motors, der mit der Steuerschaltung gekoppelt ist, um im Falle der Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwerts eine begrenzte Erhöhung der Ausgangsleistung des Motors auszulösen.

Auch auf diese Weise wird die Aufgabe der Erfindung gelöst.

Erfindungsgemäß wird der Motor zeitlich begrenzt mit einer erhöhten Ausgangsleistung betrieben, sofern der Sensor die Überschreitung eines Grenzwertes feststellt, der für die Belastung des Motors charakteristisch ist. Es kann sich hierbei z.B. um das zeitliche Differential der Stromaufnahme dl/dT oder um einen schnellen Drehzahlabfall -dn/dT handeln.

Durch eine solche "Boost-Funktion" arbeitet der Motor kurzfristig mit erhöhter Ausgangsleistung, um etwa ein Hindernis zu überwinden. Es könnte sich beispiels- weise um das Auftreffen auf ein Astloch oder auf ein Armiereisen, oder auch um ein Versenken eines Schraubenkopfes in (festes) Material bei einem Bohrvorgang bzw. einem Schraubvorgang handeln.

Vorzugsweise ist die Steuerschaltung zur Absenkung der Ausgangsleistung des Motors auf die Nennleistung oder auf einen Wert darunter ausgebildet, nachdem eine bestimmte Zeitspanne nach Auslösung der begrenzten Erhöhung der Motorleistung abgelaufen ist oder wenn das Produkt aus dem Quadrat des Stroms und der Zeit einen bestimmten Grenzwert erreicht hat.

Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, dass der Motor nur kurzfristig mit erhöhter Leistung betrieben wird und rechtzeitig wieder mit Nennleistung oder reduzierter Leistung arbeitet, um eine thermische Überlastung sicher zu vermeiden.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten 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.

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

Fig.l ein Ersatzschaltbild eines erfindungsgemäßen Motors;

Fig. 2 - 4 verschiedene Drehzahl-Drehmoment-Charakteristiken von unterschiedlich ausgelegten erfindungsgemäßen Motoren;

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Stern-Dreieck-Umschaltung; Fig. 6 a, b eine Darstellung einer Spulengruppen-Umschaltung zwischen

Reihenbetrieb und Parallelbetrieb;

Fig. 7 a, b eine Darstellung einer Zellengruppen-Umschaltung von zwei

Akkumulatorbaugruppen;

Fig. 8 - 13 verschiedene Drehzahl-Drehmoment-Charakteristiken von unterschiedlich ausgelegten erfindungsgemäßen Motoren und

Fig. 14 ein Elektrowerkzeug in stark vereinfachter Darstellung mit einem erfindungsgemäßen Motor.

Bei dem erfindungsgemäßen Elektromotor handelt es sich um einen Gleichstrom- Motor, der vorzugsweise als EC-Motor ausgebildet ist, also eine bürstenlose Maschine mit Permanentmagnet-Rotor und elektronische Kommutierung. Ein Schaltbild eines derartigen Elektromotors ist in Fig. 1 dargestellt und insgesamt mit 10 bezeichnet.

Der erfindungsgemäße Elektromotor 10 umfasst den Motor 12 im engeren Sinne mit einem Permanent-Magnetrotor (nicht dargestellt) und einem Stator mit drei Statorwicklungen L, deren ohmscher Widerstand R beträgt. Die Statorwicklungen L sind im Dreieck geschaltet und an den Punkten U, V, W mit einer Leistungselektronik 14 verbunden, die zur Ansteuerung des Motors 12 dient. Die Leistungselektronik 14 umfasst drei Transistorbrücken aus Feldeffekttransistoren T , T ₂ , mit zugeordneten Dioden D _1; D ₂ bzw. T ₃ , T ₄ , mit D ₃ , D ₄ bzw. T ₅ , T ₆ , mit D ₅ , D ₆ . An den Verbindungspunkten U bzw. V bzw. W sind die Stränge U, V, W angeschlossen. Zur Spannungsversorgung ist ein Akkumulator vorgesehen, der mit 17 bezeichnet ist.

Zur Ansteuerung der Leistungselektronik 14 dient ein MikrocontroUer 16, der eine pulsweitenmodulierte Steuerspannung (PWM) an die Leistungselektronik 14 ausgibt. Die Lage des Rotors wird über einen Lagegeber 18 überwacht, der mit dem Mikro- Controller 16 gekoppelt ist. Alternativ könnte die Lage des Rotors auch ohne Lagegeber z.B. durch Messung der Gegen-EMK bestimmt werden.

Durch die pulsweitenmodulierte Steuerspannung (PWM-Spannung) wird der Motor mit einer fest vorgegebenen Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik betrieben, die von der Charakteristik eines herkömmlichen EC-Motors abweicht. Dies wird im Folgenden anhand der Fig. 2 bis 4 näher erläutert.

In Fig. 2 ist die Kennlinie eines herkömmlichen EC-Motors mit 20 bezeichnet.

Mit der Erfindung werden nun verschiedene Maßnahmen (Anpassungsmittel) bereitgestellt, mit denen ein solcher Motor mit einer veränderten Drehzahl-Drehmoment- Charakteristik betrieben werden kann, beispielsweise wie sie üblicherweise nur in Kombination mit einem mechanisch schaltbaren Getriebe erreichbar ist.

Grundsätzlich wird hierzu der Motor mit einer erhöhten Phasenspannung betrieben, die entweder dauerhaft erhöht ist oder durch eine geeignete Maßnahme elektronisch schaltbar erhöht wird, wie nachfolgend noch im Einzelnen beschrieben wird. Eine Erhöhung der Phasenspannung führt zu einer Parallelverschiebung der Drehzahl- Drehmoment-Kennlinie 20, wie in Fig. 2 durch die Kennlinie 22 dargestellt.

Betreibt man einen solchen Motor, der im Normalbetrieb für die Kennlinie 20 ausgelegt ist, mit einer erhöhten Phasenspannung, so dass sich die Kennlinie 22 ergibt, so führt dies nach kurzer Zeit zu thermischer Überlastung. Erfindungsgemäß ist der Motor nun über die Steuerschaltung derart angesteuert, dass die erhöhte Leistung durch die permanent wirksame PWM dauerhaft begrenzt wird. Es kann sich hierbei beispielsweise die neue Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie 24 ergeben.

Damit dieser Motor noch in einem thermisch zulässigen Bereich im Dauerbetrieb arbeitet, muss eine entsprechende Anpassung der Wicklungen bzw. entsprechende Belüftungsmaßnahmen vorgenommen werden. Jedenfalls kann mit Hilfe der perma- nent wirksamen PWM eine beliebige Kennlinie unterhalb der Kennlinie 22 eingestellt werden. Beispielhaft ist hier die Kennlinie 24 dargestellt.

Durch eine Pulsbreitenmodulation einer eingangsseitigen Gleichspannung U ₀ kann die Ausgangsspannung einer PWM-Schaltung (bei nicht ausschließlich Ohmscher Last) sehr schnell auf einen Wert zwischen U ₀ und 0 abgesenkt werden. Man kann einen Faktor s definieren mit 1 < s < 0, mit dem sich die Ausgangsspannung U einer PWM-Schaltung als

U = s · U ₀

darstellen lässt.

Der Faktor s ist also das Verhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung und liegt bei Standardanforderungen je nach Auflösung der Schaltung zwischen 1 und etwa 0,01. s kann zeitlich konstant sein, einer periodische Zeitabhängigkeit haben oder einen von gemessenen oder gespeicherten Parameterwerten (z.B. Strom, Drehzahl, Schalterstellung) abhängigen Verlauf haben.

Insbesondere kann s in eine vorhandene Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie eines Motors eingearbeitet werden, indem z.B. im Bereich der Leerlaufdrehzahl von n ₀ bis 0,8-n ₀ s = 1 gesetzt wird. Im Bereich mittlerer Drehzahlen von 0,8-n ₀ bis 0,4-n ₀ könnte s z.B. mit s = 0,3 festgelegt werden und im Bereich kleiner Drehzahlen im Bereich von 0,4-n ₀ bis 0 wird z.B. s = 0,1 gesetzt.

So kann eine durch die Erhöhung der Phasenspannung in einen thermisch unzulässigen Bereich verschobene Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik in einer gewünschten Weise angepasst werden, die einer anderen Charakteristik entspricht, die z.B. ein schaltbares mechanisches Getriebe nachbildet.

Ein solcher Fall ist beispielhaft in Fig. 4 dargestellt. Während die Kennlinie 20 die normale Kennlinie eines EC-Motors darstellt, zeigt die Kennlinie 22 wiederum die durch eine Erhöhung der Phasenspannung parallel verschobene Kennlinie. Die Kennlinie 28 zeigt dagegen eine Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik, die mit einer mechanischen Übersetzung erzielt wird. Ein schaltbares mechanisches Zweigang- Getriebe wird in Kombination mit dem EC-Motor, also beispielsweise zu einer Kennlinie führen, deren oberer Abschnitt entlang der Kurve 28 verlaufen würde und die dann vom Schnittpunkt mit der Kurve 20 aus abknickt und entlang der Kurve 20 weiterläuft. Eine solche Kennlinie kann mit dem erfindungsgemäßen Motor nachgebildet werden, wie etwa durch die Kennlinie 30 in Fig. 4 angedeutet ist. Um eine sprunghafte Änderung zu vermeiden, wird hierbei der Faktor s nicht sprunghaft geändert, da dies bei Laständerungen zu Regelschwingungen führen kann. Man wählt deshalb im Übergangsbereich s beispielsweise als lineare Funktion der Drehzahl. Anstelle der Drehzahl als unabhängigem Parameter können auch das Drehmoment, die Stromstärke, die Temperatur oder eine Kombination davon gewählt werden.

Fig. 3 zeigt eine weitere Drehzahl-Drehmoment-Charakteristik, die mit 26 bezeichnet ist. Hierbei ermöglicht der Motor eine größere Nutzung im Bereich von hohen Drehzahlen, verbunden mit einer Nutzung im Bereich von niedrigeren Drehzahlen mit hohem Drehmoment.

Anhand der Fig. 5 bis 7 wird nunmehr eine Reihe von Maßnahmen näher erläutert, die eine elektronisch schaltbare Erhöhung der Phasenspannung ermöglichen.

Fig. 5 zeigt eine Stern-Dreieck-Umschaltung. Die drei Spulengruppen L des Stators sind in einer Dreiecksschaltung angeordnet, in deren äußeren Zweig jeweils Schalter S4, S5, S6 liegen. Zusätzlich sind die Spulen L vom äußeren Zweig über eine Sternschaltung über die Schalter Sl, S2, S3 verbindbar. Sind die Schalter Sl, S2, S3 geöffnet und die Schalter S4, S5, S6 geschlossen, so ergibt sich die Dreiecksschaltung. Sind dagegen die Schalter Sl, S2, S3 geschlossen und die Schalter S4, S5, S6 geöffnet, so ergibt sich die Sternschaltung. Bei der Umschaltung von Stern auf Dreieck steigt die Strangspannung um den Faktor V3 an. Dementsprechend steigt die Drehzahl ebenfalls um den Faktor Λ/3, während sich die Maximalleistung verdreifacht. Zur Umschaltung werden vorzugsweise Halbleiterschalter verwendet. Ein solcher Schalter (Sl bis S6) kann auch aus mehreren einzelnen Halbleitern, z.B. aus zwei MOSFETs bestehen.

Fig. 6 zeigt die Möglichkeit einer Spulen-Umschaltung zur Umschaltung der Spulengruppen zwischen Parallelbetrieb (Fig. 6b) und Reihenbetrieb (Fig. 6a).

Hierbei sei die Wicklung einer Spule einer Phase des Elektromotors durch die Windungszahl 2z, den Drahtdurchmesser d und zwei Anschlüsse gekennzeichnet (2z, d). Sie haben den Ohmschen Widerstand 2R. Die Spule wird in zwei Teilspulen mit (z, d) geteilt, die jeweils den Widerstand R haben.

Werden die in Reihe geschalteten Teilspulen mit einer Spannung U versorgt, ergibt sich ein Strangstrom von:

I Strang, Reihe = 2 Z- U/ 2R = Z · U / R

Im Falle der Parallelschaltung liegt an jeder Teilspule die Spannung U. Der Strangstrom der beiden Zweige errechnet sich zu:

I Strang, Parallel = 2 · I zweig = 2 z - U / R = 2 I Strang, Reihe-

Mit drei Halbleiterschaltern Sl, S2, S3 können die Teilspulen in Reihe (Sl und S3 offen, S2 geschlossen, vgl. Fig. 6a)) oder parallel geschaltet werden (Sl und S3 geschlossen, S2 offen, vgl. Fig. 6b)). Im Fall der Reihenschaltung beträgt der Gesamtwiderstand 2R, bei Parallelschaltung R/2. Das stromproportionale Stillstandsmoment wird sich, wenn die angelegte Spannung gleich bleibt und keine elektronische oder sonstige Strombegrenzung vorliegt, bei einer Umschaltung von Reihe auf parallel wegen des doppelten Strangstroms ebenfalls verdoppeln. Bei derselben Schaltrichtung wird sich die Drehzahl wegen der halben Windungszahl bei Parallelschaltung ebenfalls verdoppeln. Ist der Motor thermisch auf Reihenschaltung ausgelegt, kann die RP-Umschaltung in Verbindung mit einer permanent wirksamen PWM zum elektronischen Schalten auf eine Kennlinie mit doppelter Leerlaufdrehzahl und doppeltem Stillstandsmoment genutzt werden.

Fig. 7 zeigt die Möglichkeit einer Zellengruppen-Umschaltung bei einem Akkumulator, der aus zwei Teilgruppen besteht.

Ein Akkumulator besitze 2m einzelne Akkuzellen (m= 1, 2, ) mit einer Spannung von jeweils Ul im vollgeladenen Zustand. Die Akkuzellen werden zunächst in zwei Halbpacks mit m Zellen in Reihe geschaltet (fest verdrahtet). Die Gesamtspannung des Halbpacks beträgt U = m · Ul. Mit drei Halbleiterschaltungen werden die zwei Halbpacks untereinander in Reihe oder parallel geschaltet. Die Reihenschaltung ist in Fig. 7a) gezeigt. Der Schalter S2 ist geschlossen, während die Schalter Sl, S3 geöffnet sind.

Bei der Parallelschaltung ergibt sich dagegen die Stellung gemäß Fig. 7b), wobei der Schalter S2 geöffnet ist und die Schalter Sl, S2 geschlossen sind. Es kann also zwischen der Phasenspannung U und 2U umgeschaltet werden. Ist ein an den Akkupack angeschlossener Motor thermisch auf Parallelschaltung der Halbpacks ausgelegt, so kann die Umschaltung auf Reihenschaltung in Verbindung mit der permanent wirksamen PWM zum elektronischen Schalten auf eine Kennlinie mit maximal doppelter Leerlaufdrehzahl genutzt werden.

Darüber hinaus ist es möglich, den Motor grundsätzlich auf eine höhere Drehzahl umzuwickeln, womit dieser im Dauerbetrieb im thermisch instabilen Bereich arbeiten würde. Wiederum wird die permanent wirksame PWM benutzt, um den Motor im thermisch stabilen Bereich zu betreiben.

Ein Elektromotor mit einer Wicklung (z, d) sei thermisch auf eine Nennspannung U ₀ ausgelegt. Die Leerlaufdrehzahl sei n ₀ . Der Motor wird auf eine andere Wicklung, die bei gleicher Spannung U ₀ zu einer höheren Leerlauf drehzahl x · n ₀ (x > 1) bei gleicher Kennliniensteigung führt, umgewickelt. Dies wird durch eine Änderung der Windungszahl von z auf z/x und eine Änderung des Drahtdurchmessers von d auf d · Vx erreicht. Falls z/x keine ganze Zahl ist, kann die nächst liegende ganze Zahl gewählt werden. Als Drahtdurchmesser kann der zu d · Vx nächst liegende Normdurchmesser gewählt werden.

Das Ergebnis der Umwicklung ist eine Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie, die um den Faktor x parallel verschoben ist. Die Leerlaufdrehzahl und das Stillstandsmoment sind jeweils um den Faktor x größer geworden. Die Maximalleistung wird um den Faktor x ² größer, somit sind weite Bereiche der Kennlinie thermisch nicht mehr stabil.

Durch Kombination mit einer permanent wirksamen PWM kann die neue Kennlinie derart korrigiert werden, dass bei Drehzahlen in der Nähe der Leerlaufdrehzahl s = 1 gewählt wird, womit die höhere Leerlaufdrehzahl tatsächlich erreicht wird. Bei kleineren Drehzahlen wird s kontinuierlich auf s = 1/x geändert, um in den thermisch stabilen Bereich der ursprünglichen Kennlinie zu gelangen.

Eine weitere Maßnahme zur Modifizierung der Kennlinie des EC-Motors besteht in einer Schwächung der induzierten Gegen-EMK, was auch als Feldschwächung bezeichnet wird.

Die Feldschwächung kann mit der gleichen Schaltung gemäß Fig. 1 realisiert werden. Hierzu wird lediglich der MikroController 16 anders programmiert.

In Fig. 8 ist eine Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie eines EC-Motors mit Ansteuerung durch eine (elektronisch generierte) Spannung mit konstanter Amplitude, gleichbleibender Signalform und konstanter Phase zur Gegen-EMK linear. Diese mit 32 bezeichnete Kennlinie und ist durch die Leerlaufdrehzahl und das Stillstandsmoment gekennzeichnet. Durch eine Schwächung des Magnetfeldes oder der Gegen-EMK durch Änderung der Phase zwischen Ansteuersignal und Gegen-EMK kann die Steigung der Kennlinie geändert werden. Dabei nimmt die Leerlaufdrehzahl zu, und das Stillstandsmoment nimmt um denselben Faktor ab, vgl. neue Kennlinie 34 in Fig. 8.

Insbesondere durch eine Schwächung der Gegen-EMK kann der Motor schnell auf eine neue Charakteristik umgeschaltet werden.

Hierbei kann man aber nicht immer die gewünschte Kennlinie erreichen, da eine Änderung der Leerlaufdrehzahl und des Stillstandsmomentes bei der Umschaltung zwischen Normalbetrieb (Kennlinie 32) und Feldschwächebetrieb (Kennlinie 34) mit demselben Faktor geschieht.

Erfindungsgemäß ist nun eine derartige Feldschwächung zusätzlich mit der permanent wirksamen PWM kombiniert. Hierdurch lassen sich beliebige Kennlinien unterhalb der beiden Kennlinien 32, 34 erreichen. In Fig. 8 ist dies beispielsweise durch eine Kennlinie 36 dargestellt, die eine steilere Drehzahl-Drehmoment- Charakteristik aufweist.

In Fig. 9 ist dagegen eine neue Drehzahl-Drehmoment-Kennlinie 38 dargestellt, die bei gleichem Stillstandsdrehmoment eine geringere Leerlaufdrehzahl aufweist.

In Fig. 10 ist eine weitere denkbare neue Kennlinie 40 dargestellt, die für eine Benutzung bei relativ hohen Drehzahlen mit geringem Drehmoment einerseits und mit relativ hohem Drehmoment bei geringen Drehzahlen andererseits ausgelegt ist. Macht man die Feldschwächung umschaltbar, so lassen sich auch beliebige Kennlinien erzielen, die bis in den unteren Bereich der Kurve 32 bis zum Stillstandsmoment laufen.

Fig. 11 zeigt eine„Boost-Funktion", bei der der Elektromotor 10 kurzzeitig mit einem erhöhten Drehmoment betrieben wird, um etwa ein Hindernis zu überwinden, das von einem Sensor 19 (Fig. 1) erfasst wird. Wenn der Sensor 19 beispielsweise einen kurzzeitigen Anstieg des Drehmomentes feststellt, der einen bestimmten Grenzwert übersteigt, so wird das Drehmoment von der Normalkennlinie 42 aus kurzzeitig bis auf die parallel verschobene Kennlinie 44 mit erhöhter Strangspannung hochgefahren, wie durch die Kennlinie 46 angedeutet ist. Um eine thermische Überlastung zu vermeiden, wird das Drehmoment nach Ablauf einer vorbestimmten Zeitspanne (z.B. 5 Sekunden) automatisch wieder auf die Normalkennlinie 42 zurück genommen.

Fig. 12 zeigt eine entsprechende Boost-Funktion für die Drehzahl. Stellt der Sensor 19 z.B. ein kurzzeitiges Absinken der Drehzahl fest, das pro Zeiteinheit einen bestimmten Grenzwert überschreitet, so wird der Motor kurzzeitig mit einer erhöhten Drehzahl betrieben, wie durch die Kennlinie 48 angedeutet ist. Auch hier wird die Drehzahl nach kurzer Zeit (z.B. 3 bis 5 Sekunden) wieder auf die Drehzahl gemäß Normalkennlinie 42 zurück genommen.

Fig. 13 zeigt beispielhaft noch einen weiteren Kennlinienverlauf 50, bei dem der Motor im Bereich seiner Leerlaufdrehzahl mit erhöhter Drehzahl gemäß der durch eine erhöhte Strangspannung parallel verschobenen Kennlinie 44 betrieben wird. Übersteigt das Drehmoment jedoch einen bestimmten Grenzwert, so wird die Drehzahl jedoch schneller zurückgefahren, bis wieder der Kennlinienverlauf der Normalkennlinie 42 erreicht ist. Diese Ausnutzung höherer Drehzahl in der Nähe der Leerlaufdrehzahl mit niedrigem Drehmoment ist ohne thermisch Überlast möglich, da hier ja ohnehin nicht die Maximalleistung erreicht wird. Dagegen wird die Drehzahl bei höherem Drehmoment schneller zurück genommen, um einen Anstieg der Maximalleistung auf unzulässige Werte für den Dauerbetrieb zu vermeiden.

Fig. 14 zeigt beispielhaft die Anwendung eines erfindungsgemäßen Motors 10 bei einem Elektrowerkzeuges 60 in Form eines Schraubers. Das Elektrowerkzeug 60 weist ein Futter zur Aufnahme eines Werkzeuges auf. Der Motor 10 ist mit einem ein- oder mehrstufigen mechanischen Getriebe 64 gekoppelt, das ggf. auch schaltbar sein kann. Eine benutzerabhängige Beeinflussung der Steuerschaltung kann beispielsweise über einen Drücker 66 erfolgen.