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Die
Erfindung betrifft ein handgeführtes
Arbeitsgerät,
insbesondere einen Freischneider oder dgl. nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Freischneider
mit elektrischen Antriebsmotoren weisen einen Ein/Aus-Schalter auf,
mit dem das Gerät
ein- oder ausgeschaltet werden kann. Dies führt dazu, dass bei lastfreiem
Betrieb der eingeschaltete elektrische Antriebsmotor auf eine maximale
Leerlaufdrehzahl hochläuft,
die deutlich über
der Betriebsdrehzahl liegt. Um die Leerlaufdrehzahl zu begrenzen,
werden Drehzahlbegrenzerschaltungen verwendet, die die Maximaldrehzahl
des elektrischen Antriebsmotors auf einen vorgebbaren Wert begrenzen.
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Die
Begrenzung der elektrischen Drehzahl erfolgt regelmäßig durch
Begrenzen der Leistungsaufnahme, wodurch allerdings die Leistung
des Antriebsmotors auch im Betriebsfall begrenzt ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein handgeführtes Arbeitsgerät mit einem
elektrischen Antriebsmotor derart auszubilden, dass eine gewünschte Leerlaufdrehzahl
vorgebbar ist, ohne dass dadurch die Leistungsaufnahme des Elektromotors
im Lastfall eingeschränkt
ist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß nach den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Der
Antriebsmotor ist mit einer Steuereinheit versehen, der mindestens
eine erste Betriebskurve und eine zweite Betriebskurve zugeordnet
ist. Im Leerlauf des elektrischen Antriebsmotors wird die Leistungsaufnahme
nach der ersten Betriebskurve und im Lastfall nach der zweiten Betriebskurve
gesteuert. Mit der erfindungsgemäßen Steuerung
ist es erstmals möglich,
den elektrischen Antriebsmotor eines handgeführten Arbeitsgerätes im Leerlauffall
auf eine vorgegebene Leerlaufdrehzahl zu beschränken, die deutlich unterhalb
einer maximalen Betriebsdrehzahl im Lastfall liegen kann. Trotz
dieser Beschränkung
auf eine signifikant abgesenkte Leerlaufdrehzahl ist aufgrund des
Umschaltens auf die zweite Betriebskurve unter Last eine maximale
Leistungsaufnahme des elektrischen Antriebsmotors möglich, so dass
dieser eine maximale Leistung am Werkzeug zur Verfügung stellen
kann. Die Absenkung der Drehzahl im Leerlauffall hat keine Auswirkungen
auf die Leistungsaufnahme und Drehzahl im Lastfall.
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Die
vorgesehenen Betriebskurven können als
Leistung über
der Drehzahl dargestellt sein und werden zweckmäßig als Kennfeld abgelegt.
Die im Kennfeld abgelegte erste Betriebskurve entspricht einer Lastkurve
im Leerlauffall, während
die abgelegte zweite Betriebskurve einer Lastkurve unter Volllast entspricht.
Vorzugsweise deckt die erste Betriebskurve einen niedrigen Leistungsbereich
bei niedriger Drehzahl und die zweite Betriebskurve einen großen Leistungsbereich
bei hoher Drehzahl ab.
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Die
Umschaltung zwischen den Betriebskurven kann nach maschinenspezifischen
oder betriebsspezifischen Kriterien erfolgen. Zweckmäßig ist, wenn
die Umschaltung eine gewisse Hysterese zeigt, so dass die Umschaltung
von der ersten Betriebskurve (Leerlauf) auf die zweite Betriebskurve
(Last) von unterschiedlichen Rahmenbedingungen abhängig ist.
Damit soll erreicht werden, dass während des Arbeitens mit dem
Arbeitsgerät
ein kurzzeitiger Abfall der Last – und damit ein Anstieg der
Drehzahl – nicht sofort
zu einem Umschalten auf die Betriebskurve für Leerlauf führt. Zweckmäßig erfolgt
die Umschaltung von der ersten Betriebskurve auf die zweite Betriebskurve
im Wesentlichen ohne Zeitverzögerung
und die Umschaltung von der zweiten Betriebskurve auf die erste
Betriebskurve zeitverzögert.
Dies kann in einfacher Weise durch Anordnung eines Zeitgliedes ausgeführt sein,
nach dessen Ablauf die Umschaltung erfolgt, sofern die Betriebsbedingungen
für ein
Umschalten im Zeitpunkt des Ablaufs des Zeitgliedes noch gegeben
sind. Das Zeitglied wird bei jedem Vorliegen der Umschaltbedingungen
zweckmäßig neu gestartet.
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Die
Umschaltbedingungen können
von verschiedenen Kriterien abhängig
gemacht sein.
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Wird
der Antriebsmotor elektrisch von einem Akku gespeist, ist es vorteilhaft,
den Antriebsmotor außerhalb
des Arbeitsbereiches auf einer Betriebskurve mit niedriger Leistungsaufnahme
zu betreiben, wodurch eine nur geringe elektrische Leistungsaufnahme
zugelassen wird. Durch die erfindungsgemäßen Umschaltung ist nicht nur
ein geräuschärmerer Dauerbetrieb möglich; diese
Betriebsweise spart auch Energie, was bei einem Betrieb als Akkugerät zu deutlich
längeren
Betriebszeiten führt.
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Vorteilhaft
ist ein Schallaufnehmer vorgesehen, dessen Ausgangssignal überwacht
wird, um in Abhängigkeit
des Ausgangssignals die Umschaltung zwischen den Betriebskurven
auszuführen.
Der Schallaufnehmer kann aus einem vorzugsweise im Bereich des Werkzeugkopfes
angeordneten Mikrofon bestehen oder auch in Form eines Körperschallaufnehmers
vorgesehen sein, welcher an geeigneter Stelle des Werkzeugkopfes,
der Führungsstange zwischen
Antriebsmotor und Werkzeugkopf oder auch am Antriebsmotor angeordnet
sein kann.
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Alternativ
oder ergänzend
werden die Betriebsdaten wie Drehzahl, Strom und Spannung des elektrischen
Antriebsmotors von einer Überwachungsvorrichtung
erfasst und der jeweilige Betriebspunkt durch die Steuereinheit
ermittelt. Wird eine Abweichung von der ersten Betriebskurve (der
Leerlauf kurve) erfasst, erfolgt vorteilhaft z. B. ein Vergleich
mit einem vorgegebenen Schwellwert, wobei bei Überschreiten des Schwellwertes
insbesondere ohne Zeitverzögerung
von der Steuereinheit auf die zweite Betriebskurve (Volllastkurve)
umgeschaltet wird. Mit Umschalten auf die zweite Betriebskurve wird
eine höhere
Leistungsaufnahme und eine höhere
Drehzahl zugelassen. Läuft
der elektrische Antriebsmotor auf der ersten Betriebskurve (Leerlauffall),
ist die Leistungsaufnahme auf einen niedrigen wert reduziert und
die Drehzahl auf eine vorgegebene Leerlaufdrehzahl abgesenkt, die
unterhalb der Betriebsdrehzahl liegt.
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In
einfacher Weise wird ein zur Umschaltung zwischen den Betriebskurven überwachtes
Ausgangssignal mit einem Schwellwert verglichen, wobei der Umschaltvorgang
zweckmäßig so ausgelegt wird,
dass bei Unterschreiten eines ersten Schwellwertes eine Umschaltung
auf die eine Betriebskurve und bei Überschreiten eines zweiten
Schwellwertes eine Umschaltung auf die andere Betriebskurve erfolgt.
So wird z.B. das Ausgangssignal des Schallaufnehmers derart ausgewertet,
dass bei Überschreiten eines
ersten Schwellwertes eine Umschaltung auf die erste Betriebskurve
(Leerlauf) erfolgt und erst bei Unterschreiten eines zweiten Schwellwertes
eine Umschaltung auf die zweite Betriebskurve (Lastfall) ausgeführt wird.
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der
Beschreibung und der Zeichnung, in der ein nachfolgend im einzelnen
beschriebenes Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt ist. Es zeigen:
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1 in
schematischer Darstellung ein handgeführtes Arbeitsgerät am Beispiel
eines Freischneiders,
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2 ein
schematisches Prinzipschaltbild zum Betrieb des elektrischen Antriebsmotors,
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3 ein
Schaubild der Leistung über
der Drehzahl mit einzelnen Betriebskurven.
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Das
in 1 dargestellte handgeführte Arbeitsgerät ist als
Freischneider 1 ausgebildet, der einen elektrischen Antriebsmotor 2 als
Antriebseinheit umfasst. Der elektrische Antriebsmotor 2 treibt über eine
z. B. in einem Führungsrohr 3 geführte und
gelagerte Antriebswelle 4 ein Werkzeug 5 an, welches im
gezeigten Ausführungsbeispiel
ein Fadenschneiderkopf 6 mit einem Schneidfaden 7 ist.
Zum Schutz eines den Freischneider 1 führenden Benutzers ist ein Schutzschild 8 am
unteren Ende des Führungsrohres 3 angeordnet. Über ein
Anschlusskabel 9 ist der elektrische Antriebsmotor 2 an
ein ortsfestes elektrisches Netz anschließbar; alternativ kann der Antriebsmotor 2 aus
einer Batterie, vorzugsweise einem Akku 12 gespeist werden,
der vorteilhaft im Gehäuse
des Arbeitsgerätes
angeordnet ist und einen kabelfreien Einsatz ermöglicht.
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Im
gezeigten Ausführungsbeispiel
ist ein gekrümmtes
Führungsrohr 3 vorgesehen;
gerade Führungsrohre
sind ebenfalls ausführbar.
Auch ist die Länge
der Antriebswelle 4 variabel; es kann zweckmäßig sein,
den Werkzeugkopf 6 unmittelbar auf der Welle des Antriebsmotors 2 anzuordnen,
die dann gleichzeitig die Funktion einer Antriebswelle 4 hat.
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Im
Ausführungsbeispiel
ist auf dem Führungsrohr 3 ein
Griff 10 zum Halten und Führen des Freischneiders 1 vorgesehen;
ein zweiter Griff 11 kann zweckmäßig im Gehäusebereich des Antriebsmotors 2 ausgeführt sein.
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Wie
in 2 dargestellt; treibt der elektrische Antriebsmotor 2 über die
Antriebswelle 4 den Werkzeugkopf 5 an. Die Drehzahl
der Antriebswelle 4 wird mit einem Drehzahlsensor 21 erfasst
und über eine
Signalleitung 22 einer Steuereinheit 20 zugeführt. Darüber hinaus
wird über
eine Messanordnung 23 Strom und Spannung in der elektrischen
Zuleitung 9 erfasst und die erfassten Werte der Steuereinheit 20 über die
Signalleitung 24 zugeführt.
Anhand der zugeführten
Daten kann die Steuereinheit 20 die aufgenommene Leistung
sowie die Drehzahl des Elektromotors 2 bestimmen und mit
einer ersten Betriebskurve I vergleichen, die in einem Kennfeld
abgelegt ist. Eine derartige Betriebskurve ist z. B. in 3 dargestellt
und gibt die Leistung P über
der Drehzahl n an.
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In
einer ersten Ausführungsform
der Erfindung wird während
des Betriebs des elektrischen Antriebsmotors 2 die Leistungsaufnahme
P und die Drehzahl n permanent überwacht
und mit dieser ersten Betriebskurve I verglichen. Diese erste Betriebskurve
I entspricht vorteilhaft einer Leerlaufkurve, kann aber auch eine
andere Betriebskurve sein. Die Betriebskurve II entspricht einer
Lastkurve. Die erste Betriebskurve I überdeckt einen niedrigen Leistungsbereich
bei niedriger Drehzahl, während
die zweite Betriebskurve II einen großen Leistungsbereich bei höherer Drehzahl
abdeckt.
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Wird
bei der Überwachung
der erfassten Betriebsparameter des elektrischen Antriebsmotors 2 festgestellt,
dass der sich ergebende Überwachungspunkt 30 von
einem Betriebspunkt 31 der Betriebskurve I abweicht, so
wird zweckmäßig die
Größe der Abweichung
von der Betriebskurve I in der Steuereinheit 20 ermittelt
und abhängig
vom Ausgangssignal die Umschaltung zu einer anderen Betriebskurve
II gesteuert. In einfacher Weise kann das Ausgangssignal mit einem
vorgegebenen Schwellwert verglichen werden. Ist der die zulässige Abweichung
wiedergebende Schwellwert überschritten,
wird auf die zweite Betriebskurve II umgeschaltet. Mit Umschaltung
auf die zweite Betriebskurve II wird nicht nur eine größere Leistung
P zugelassen, sondern auch eine höhere Drehzahl n.
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Die
Umschaltung von der Betriebskurve I (Leerlauf) auf die Betriebskurve
II (Last) erfolgt zweckmäßig ohne
wesentliche Zeitverzögerung.
Die Umschaltung von Betriebskurve II (Last) auf Betriebskurve I
(Leerlauf) hingegen erfolgt zweckmäßig verzögert. Der Umschaltvorgang selbst
weist somit eine Hysterese auf. So kann die Umschaltung dann erfolgen,
wenn die erfasste Abweichung im Punkt 30 von der Betriebskurve
I über
einen längeren
Zeitraum ansteht, also die Abweichung einen Zeitschwellwert überschreitet.
Diese Hysterese ist in einfacher Weise durch ein Zeitglied 25 vorgebbar;
erst nach Ablauf des Zeitgliedes 25 wird auf die Betriebskurve
I (Leerlauf) umgeschaltet, sofern im Zeitpunkt des Ablaufes des
Zeitgliedes die Umschaltkriterien weiterhin erfüllt sind. Damit wird erreicht,
dass bei kurzzeitigem Abfall der Leistungsaufnahme im Betrieb nicht
sofort auf die Leerlaufkurve zurückgeschaltet
wird, was ein zügiges
Arbeiten behindern könnte.
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Vorteilhaft
kann der Ein/Aus-Schalter des elektrischen Arbeitsgerätes derart
ausgelegt sein, dass bei vollständigem
Niederdrücken
des Schalters nach Art eines "Kick
down" sofort auf
die Betriebskurve II umgeschaltet wird. Die Auslegung kann dabei
so getroffen sein, dass die Umschaltung auf Betriebskurve I (Leerlaufkurve)
automatisch mittels der Steuereinheit 20 erfolgt und das
Zurückschalten
auf Betriebskurve II (Last) durch vollständiges Niederdrücken des
Ein/Aus-Schalters bewirkt wird. Der Ein/Aus-Schalter kann zweckmäßig in der
vollständig niedergedrückten Stellung
einen Kontakt (Taster) betätigen,
der sofort das Umschaltsignal auf Betriebskurve II auslöst.
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Durch
die erfindungsgemäße Art der
leistungsangepassten Drehzahlsteuerung wird erreicht, dass bei lastfrei
laufendem Antriebsmotor die Drehzahl n durch Begrenzung der aufgenommenen
Leistung P auf eine niedrige Leerlaufdrehzahl von z. B. 6000 1/min
abgesenkt wird, während
im Zeitpunktdes Aufbringens einer Last der veränderte Betriebszustand durch
die erfasste Abweichung von der ersten Betriebskurve I festgestellt
wird, um unmittelbar auf einen entsprechenden Betriebspunkt 32 der zweiten
Betriebskurve II umzuschalten, die eine höhere Leistungsaufnahme zulässt und
damit auch höhere
Drehzahlen ermöglicht.
Im Lastbetrieb wird die maximale elektrische Leistung P aufgenommen
und somit die höhere
Antriebsleistung durch den elektrischen Antriebsmotor zur Verfügung gestellt.
Fällt die Last
weg, sinkt die aufgenommene elektrische Leistung P bei gleichzeitigem
Anstieg der Drehzahl; dies wird wiederum von der Steuereinheit 20 erkannt
und – vorteilhaft
verzögert – auf die
erste Betriebskurve I als Leerlaufkurve zurückgeschaltet. Die Drehzahl
fällt auf
eine niedrigere Leerlaufdrehzahl ab.
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Das
Umschalten zwischen den Betriebskurven kann alternativ oder ergänzend auch
nach anderen Kriterien erfolgen. Nach einem weiteren Ausführungsform
ist ein Schallaufnehmer 28 vorgesehen, der über eine
Signalleitung 29 mit der Steuereinheit 20 verbunden
ist. Das Ausgangssignal des Schallaufnehmers 28 wird in
der Steuereinheit 20 überwacht
und die Umschaltung zwischen den Betriebskurven in Abhängigkeit
von dem Ausgangssignal vorgenommen. Vorteilhaft wird das Ausgangssignal
des Schallaufnehmers 28 mit einem Schwellwert verglichen.
Wird der Schwellwert überschritten,
was bei unbelastetem Motor auf Betriebskurve II durch hohe Drehzahl
im Leerlauf der Fall ist, erfolgt ein Umschalten auf Betriebskurve
I, die Leerlaufkurve. Der Geräuschpegel
sinkt ab; das Ausgangssignal des Schallaufnehmers sinkt. Um nun
kein unmittelbares Umschalten auf die Betriebskurve II, die Lastkurve auszulösen, kann
das Umschalten auf Betriebskurve II von anderen Kriterien abhängig gemacht
werden, z.B. von der Leistungsaufnahme des Antriebs motors 2.
Eine andere einfache Möglichkeit
besteht darin, einen zweiten Schwellwert vorzugeben, nach dessen Über- bzw.
Unterschreiten auf die Betriebskurve II zurückgeschaltet wird. So könnte der
zweite Schwellwert dann unterschritten und ein Zurückschalten
ausgelöst
werden, wenn im Leerlauf auf der Betriebskurve I das Arbeitsgerät – durch
Aufnehmen der Arbeit – belastet
wird, wodurch ein weiterer Drehzahlabfall ausgelöst und damit ein Rückgang des
Ausgangssignals bewirkt wird.
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Als
Schallaufnehmer 28 ist vorteilhaft ein Mikrofon 26 verwendbar,
welches den akustischen Schall des Werkzeugs oder des Antriebsmotors
aufnimmt. Zweckmäßig ist
das Mikrofon nahe der akustischen Geräuschquelle angeordnet, z.B.
nahe dem Werkzeug bzw. dem Werkzeugkopf.
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Eine
vorteilhafte Ausführung
des Schallaufnehmers 28 kann durch einen Körperschallaufnehmer 27 gegeben
sein, der unmittelbar auf dem Werkzeugkopf 6, dem Führungsrohr 3 oder
dem Antriebsmotor 2 bzw. dessen Gehäuse aufgebracht sein kann.
Der Körperschallaufnehmer 27 ist
gegen fremde akustische Schalleinstrahlung weitgehend resistent.