Titel

Verfahren zum Betreiben eines Universalmotors

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Universalmotors. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Universalmotor mit einer Kommutierungseinrichtung.

Stand der Technik

Bekannte Lösungen zum Betrieb von Universalmotoren mit elektronischer Steuerung bedienen sich zur Steuerung oder Regelung entweder gemessener Drehzahlwerte und anderer physikalisch messbarer Größen, wie beispielsweise elektrischem Strom oder elektrischer Spannung zur Beeinflussung der Eigenschaften der Universalmotoren. Hinterlegte Regelverfahren berücksichtigen dabei aber in der Regel keinen Einfluss der genannten physikalischen Größen auf das Kommutierungssystem des Universalmotors, was sich z.B. als verkürzte Bürstenlebensdauer, verkürzte Kohlenstandzeiten usw. manifestieren kann.

DE 10 2010 004 31 1 A1 offenbart eine elektrodynamische Bremseinrichtung für einen Universalmotor, bei der während eines Bremsbetriebs eine Feldwicklung aus einem Netz gespeist wird und ein Anker unmittelbar kurz geschlossen ist. Dabei wird ein Bremsvorgang mit einem Programm eines Controllers einer Steuerelektronik durchgeführt, womit eine gute Bremsung bei einem verhältnismäßig geringen Bürstenverschleiß erzielt wird.

Offenbarung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Universalmotors bereitzustellen. Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zum Betreiben eines Universalmotors, aufweisend die Schritte:

Ermitteln einer synthetischen Größe aus wenigstens zwei physikalischen

Betriebsparametern des Universalmotors; und

Betreiben des Universalmotors mit derartigen Betriebsparametern, dass die synthetische Größe im Wesentlichen auf konstantem Niveau bleibt oder zumindest eine definierte, zulässige Obergrenze nicht überschreitet.

Die Aufgabe wird ferner gelöst mit einem Universalmotor mit einer Kommutierungseinrichtung, der sich dadurch auszeichnet, dass eine synthetische Größe aus wenigstens zwei physikalischen Betriebsparametern des Universalmotors ermittelbar ist, wobei der Universalmotor mit derartigen Betriebsparametern betreibbar ist, dass die synthetische Größe während des Betriebs des Universalmotors im Wesentlichen auf konstantem Niveau bleibt oder zumindest eine definierte, zulässige Obergrenze nicht überschreitet.

Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens und des erfindungsgemäßen Universalmotors sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die synthetische Größe mittels einer mathematischen Verknüpfung aus wenigstens zwei der folgenden physikalischen Betriebsparameter des Universalmotors gebildet wird: Drehzahl, elektrische Stromstärke, elektrische Ankerspannung, elektrische Ankerfeldspannung. Auf diese Art und Weise können unterschiedliche Betriebsparameter des Elektromotors zur Bildung der synthetischen Größe herangezogen werden, wodurch unterschiedliche, spezifische Auswirkungen der einzelnen Betriebsparameter auf den Universalmotor berücksichtigt werden können.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass zur Bildung der synthetischen Größe Scheitelwerte oder Effektivwerte der physikalischen Betriebsparameter des Universalmotors verwendet werden. Dadurch kann eine spezifische Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens je nach den zu erreichenden Effekten ausgestaltet werden. Beispielsweise ist beim Hochlauf- und Bremsbetrieb des Universalmotors eine Verwendung von Effektivwerten günstig, in anderen Fällen, wo weniger mechanische Einflüsse auftreten, werden vorzugsweise Scheitelwerte benutzt.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass in Abhängigkeit der synthetischen Größe ein optimierter Parametersatz für den Universalmotor in einer Steuerungseinrichtung des Universalmotors hinterlegt wird. Dadurch wird auf vorteilhafte Weise eine einfache technische Möglichkeit zur Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellt, bei der ein vorab ermittelter Parametersatz in einer Regelcharakteristik der Steuerungseinrichtung hinterlegt wird.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die zur Bildung der synthetischen Größe verwendeten Betriebsparameter im Wesentlichen in Echtzeit erfasst werden, wobei die synthetische Größe im Wesentlichen in Echtzeit gebildet wird, wobei in Abhängigkeit von der synthetischen Größe eine Beeinflussungsgröße für den Universalmotor im Wesentlichen in Echtzeit geändert wird. Auf diese Weise wird eine weitere Möglichkeit zur technischen Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellt. Beispielsweise kann auf die genannte Art ein als Stellgröße verwendeter Zünd- winkel eines Triac in Echtzeit geregelt bzw. gestellt werden. Alternativ kann der

Zündwinkel auch in pulsweitenmodulierten Verfahren mittels IGBTs oder anderen schaltenden elektronischen Bauelementen beeinflusst werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass für die synthetische Größe ein Selbstlernprozess durchgeführt wird. Auf diese Art und Weise wird eine Art selbstlernendes System bereitgestellt, welches sich mit der Zeit immer besser an spezifische Nutzungscharakteristika von Anwendern anpasst. Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Verfahren im Wesentlichen während eines Hochlaufs und/oder während eines Bremsbetriebs des Universalmotors durchgeführt wird. Auf diese Art und Weise werden zwei kritische Betriebsphasen eines Universalmotors berücksichtigt, in denen eine Kommutierungseinrichtung des Universalmotors be- sonders beansprucht ist und vom erfindungsgemäßen Verfahren profitieren kann. Im Ergebnis kann auf diese Weise ein schonender Betrieb der Kommutierungseinrichtung realisiert werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die synthetische Größe auf niedrigem Niveau gehalten wird. Vorteilhaft resultiert dies in besonders geringem Bürstenfeuer und damit besonders schonendem Betrieb der Kommutierungseinrichtung.

Vorteile der Erfindung

Besonders vorteilhaft wird bei der vorliegenden Erfindung angesehen, dass ein Bürstenfeuer minimiert ist, was eine positive Auswirkung auf den Kommutator und die Kohlenbürsten des Universalmotors bedeutet. Dadurch können Kohlestandzeiten verlängert und die Kommutierungseinrichtung effizienter und kostengünstiger ausgebildet werden.

Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren detailliert beschrieben. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung, sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in den Figuren. Die Figuren sind vor allem dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen.

In den Figuren zeigt:

Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung eines herkömmlichen zeitlichen Verlaufs der synthetischen Größe während eines Bremsvorgangs eines Universalmotors;

Fig. 2 eine prinzipielle Darstellung eines zeitlichen Verlaufs der synthetischen Größe während eines Bremsvorgangs unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens; Fig. 3 eine prinzipielle Darstellung eines herkömmlichen zeitlichen Verlaufs der synthetischen Größe während eines Hochlaufs eines Universalmotors;

Fig. 4 eine prinzipielle Darstellung eines zeitlichen Verlaufs der synthetischen Größe während eines Hochlaufs unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 5 eine prinzipielle Darstellung eines Ablaufs einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und

Fig. 6 eine prinzipielle Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Universalmotors.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine synthetische Größe SG für einen Universalmotor aus realen physikalischen Betriebsgrößen des Universalmotors generiert bzw. gebildet wird, beispielsweise durch eine Multiplikation des elektrischen Stroms mit der Drehzahl, eine Division des elektrischen Stroms durch die Drehzahl usw. Die Drehzahl bestimmt wesentlich einen mechanischen Abrieb der Kommutierungseinrichtung, wohingegen ein Strom wesentlich einen elektrischen Abbrand der Kommutierungseinrichtung bestimmt. Eine mathematische Verknüpfung der genannten beiden Größen beeinflusst magnetische Querfelder bzw. elektrische Kommutierungsspannungen an Lamellensprüngen der Kommutierungseinrichtung.

Die synthetische Größe SG wird während des Betriebs des Universalmotors möglichst auf konstantem, niedrigen Niveau gehalten bzw. es wird dafür gesorgt, dass die synthetische Größe SG wenigstens eine definierte, zulässige Obergrenze nicht überschreitet , da festgestellt worden ist, dass auf diese Weise ein negativer Effekt auf eine Kommutierungseinrichtung des Universalmotors, beispielsweise in Form von Bürstenfeuer, Abbrand, Abrieb, usw. minimiert bzw. weitestgehend vermieden werden kann. Es wurde festgestellt, dass in einem niedrigen Drehzahlbereich des Universalmotors der elektrische Strom einen vergleichsweise geringen negativen Einfluss auf die Kommutierungseinrichtung hat und deshalb mit höherer Stromstärke fließen kann. In einem höheren Drehzahlbereich, in welchem die Stromstärke einen stärkeren negativen Einfluss auf die Kommutierungseinrichtung hat, wird demzufolge die Stromstärke verringert.

Dadurch können im Ergebnis Kohlestandzeiten von Kohlen der Kommutierungseinrichtung verlängert werden, bzw. kann aufgrund der Tatsache, dass die Kom- mutierungseinrichtung schonend betrieben wird, diese kleiner und dadurch kostengünstiger ausgebildet werden.

Im Ergebnis ergibt sich dadurch auch ein sehr gutes haptisches Betriebsverhalten des Universalmotors, das sich dadurch ausdrückt, dass der Universalmotor in kurzer Zeit die vorgesehene Drehzahl erreicht und seine volle Leistung entfaltet.

Anhand von mehreren Figuren wird nunmehr die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert. Fig. 1 zeigt einen herkömmlichen zeitlichen Bremsverlauf eines Universalmotors, in welchem eine Drehzahl n (auf der y-Achse im unteren Abschnitt von Fig. 1 dargestellt) des Universalmotors 100 im Wesentlichen stetig abfällt. Auf der y- Achse im oberen Abschnitt von Fig. 1 ist die synthetische Größe SG dimensionslos aufgetragen. Man erkennt, dass ein Verlauf der synthetischen Größe SG im umrahmten Bereich von t = 0 bis ca. t = 1 ,2 s oszillierend im Wesentlichen stetig ansteigt. Dadurch kann ein starkes Bürstenfeuer an der Kommutierungseinrichtung 10 des Universalmotors auftreten, das die Kommutierungseinrichtung 10 nachteilig stark belastet und die Betriebsdauer der Kommutierungseinrichtung 10 stark verkürzen kann.

Ein erfindungsgemäßer Verlauf der genannten synthetischen Größe SG während des Bremsvorgangs des Universalmotors ist im Prinzip in Fig. 2 dargestellt. Man erkennt, dass im Vergleich zu Fig. 1 die synthetische Größe SG nunmehr im umrahmten Bereich im Wesentlichen konstant gehalten ist bzw. eine definierte, zu- lässige Obergrenze nicht übersteigt, wobei die Dauer des Bremsvorgangs im

Vergleich zu Fig. 1 im Wesentlichen unverändert ist. Vorteilhaft ergibt sich jedoch aufgrund des Verlaufs der synthetischen Größe SG von Fig. 2 ein schonender Betrieb des Universalmotors 100, weil die Kommutierungseinrichtung 10 mit Betriebsparametern betrieben wird, die im Wesentlichen kein oder ein stark reduziertes Bürstenfeuer bewirken.

Vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren auch im Hochlauf des Universalmotors 100 verwendbar.

Fig. 3 zeigt einen konventionellen Hochlauf (Softstart) des Universalmotors 100. Man erkennt zeitliche Verläufe der Drehzahl n und der synthetischen Größe SG, die in diesem Fall als ein mathematisches Produkt aus Drehzahl n und elektrischem Strom i des Universalmotors 100 ausgebildet ist. Weiterhin sind in der Figur zeitliche Verläufe der die Zündzeit t _z und des Stroms i des Universalmotors 100 erkennbar. Erkennbar ist, dass innerhalb der ersten 500 ms der elektrische Strom i hohe Werte annimmt, die die Kommutierungseinrichtung 10 des Universalmotors 100 stark belasten und einen elektrischen Abbrand verursachen können.

In Fig. 4 ist ein optimierter Hochlauf des Universalmotors 100 unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Man erkennt im Vergleich zu Fig.

3, dass die Drehzahl n schneller ihren vorgesehenen Endwert erreicht, wobei die synthetische Größe SG frühzeitig auf einen Maximalwert hochgefahren wird und dann während der gesamten Phase des Hochlaufs im Wesentlichen konstant gehalten wird bzw. eine definierte, zulässige Obergrenze nicht überschreitet. Der Strom i wird lediglich zu Beginn ganz kurz auf einen Maximalwert gebracht und wird danach während der gesamten Phase des Hochlaufs reduziert, wodurch ein schonender Betrieb der Kommutierungseinrichtung 10 unterstützt ist.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit vor allem im Hochlauf und im Bremsbetrieb des Universalmotors 100 ein schonender Betrieb der Kommutierungseinrichtung 10 unterstützt.

Anstatt der genannten physikalischen Betriebsparameter elektrischer Strom i, Drehzahl n können auch andere physikalisch messbare Größen zur Bildung der synthetischen Größe SG herangezogen werden, wie z.B. elektrische Ankerspannung, elektrische Ankerfeldspannung, Drehmoment, usw. Es ist dabei möglich, unterschiedliche technische Kennwerte der Messgrößen zu verwenden, wie z.B. Effektivwert, Scheitelwert, usw.

In einer Variante kann vorgesehen sein, dass nach einer vorab durchgeführten Ermittlung der synthetischen Größe SG diese als ein statischer Parametersatz für ein Softwareprogramm in einer Steuerungseinrichtung 20 hinterlegt wird und auf diese Weise für eine Regelung bzw. Steuerung des Universalmotors 100 verwendet wird. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass während des Betriebs des Universalmotors 100 die zum Betrieb verwendeten physikalischen Betriebsparameter im Wesentlichen in Echtzeit erfasst werden, wobei auch die Bildung der synthetischen Größe SG praktisch im Echtzeitbetrieb erfolgt und der Universalmotor 100 über eine Beeinflussung des Zündwinkels bzw. Zündzeitpunkts einer elektroni- sehen Schalteinrichtung (z.B. Triac, IGBT, usw.) gesteuert wird. Auf diese Weise können über die Lebensdauer des Universalmotors 100 vorteilhaft auch Änderungen in den Betriebseigenschaften berücksichtigt werden.

Alternativ kann auch vorgesehen sein, eine Art Selbstlernprozess für die synthe- tische Größe SG durchzuführen, wodurch sich das Verhalten des Universalmotors 100 mit der Zeit permanent an ein konkretes Nutzungsverhalten des Anwenders anpasst und dadurch mit der Zeit immer besser angepasst betrieben wird.

Fig. 5 zeigt schematisch einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des er- findungsgemäßen Verfahrens.

In einem ersten Schritt S1 wird eine synthetische Größe SG aus wenigstens zwei physikalischen Betriebsparametern des Universalmotors 100 ermittelt. In einem zweiten Schritt S2 wird der Universalmotor 100 mit derartigen Betriebsparametern betrieben, dass die synthetische Größe SG im Wesentlichen auf konstantem Niveau bleibt oder zumindest eine definierte, zulässige Obergrenze nicht überschreitet.

Fig. 6 zeigt ein prinzipielles Blockschaltbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen elektrischen Universalmotors 100 mit einer Kommutierungsein- richtung 10. Man erkennt, dass der Universalmotor 100 eine elektronische Steuerungseinrichtung 20 aufweist, in dem das erfindungsgemäße Verfahren als ein fester Parametersatz hinterlegt sein kann oder mittels der das erfindungsgemäße Verfahren im Wesentlichen in Echtzeit eine Ermittlung der synthetischen Größe SG durchführt und über die Kommutierungseinrichtung 10 einen Zündwinkel bzw. Zündzeitpunkt eines schaltenden Halbleiterelements (nicht dargestellt) der Kommutierungseinrichtung 10 beeinflusst (z.B. regelt oder stellt).

Zusammenfassend wird mit der Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Universalmotors vorgeschlagen, mit dem aufgrund eines optimierten Betriebs der Kommutierungseinrichtung wesentliche Betriebs- charakteristika des Universalmotors auf der Basis einer dynamischen Beeinflussung des Zündwinkels verbessert werden können. Im Ergebnis kann am Anker vorteilhaft eine deutliche Verminderung von Bürstenfeuer oder ein verbesserter Kommutatorrundlauf realisiert werden, was vorteilhaft einen geringeren Verschleiß und damit eine verlängerte Betriebsdauer des Universalmotors bedeuten kann.

Zudem ist mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ein schnelles Erreichen der vollen Drehzahl bzw. Leistung unterstützt, was das erfindungsgemäße Verfahren vor allem für eine Verwendung in Elektrowerkzeugen (beispielsweise Winkelschleifer, Bohrmaschinen und dergleichen), deren Elektromotoren innerhalb kurzer Schaltzyklen großen Änderungen der Drehzahl bei stark schwankenden Belastungen unterworfen sind, besonders geeignet macht.

Obwohl die Erfindung anhand eines Universalmotors beschrieben wurde, versteht es sich von selbst, dass die Erfindung für jegliche Typen von allgemeinen Elektromotoren mit Anker/Läufer, welche eine Kommutierungseinrichtung aufweisen, verwendet werden kann.

Der Fachmann wird also die offenbarten Merkmale der Erfindung in geeigneter Weise abändern und/oder miteinander kombinieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.