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Die
Erfindung betrifft einen elektrischen Schalter nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Solche
Schalter werden für Elektrowerkzeuge, beispielsweise für
handgeführte Elektrowerkzeuge, wie Elektrobohrmaschinen,
Bohrhämmer, Elektroschrauber o. dgl., verwendet.
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Aus
der
DE 197 08 939
A1 ist ein elektrischer Schalter für ein Elektrowerkzeug
bekannt, mit dessen Hilfe die elektrische Energie vom Netz oder
einem geeigneten Batteriesystem so umgewandelt beziehungsweise so
beeinflußt wird, daß ein dem Schalter nachgeschalteter
Elektromotor des Elektrowerkzeugs abhängig vom Bediener
angesteuert wird. Hierzu dient ein zwischen einer Ausgangs- und
einer Endstellung vom Bediener verstellbares Betätigungsorgan
des Schalters, so daß der Elektromotor zum Beispiel ein-
und/oder ausgeschaltet, dessen Drehzahl, Drehmoment o. dgl. in Abhängigkeit
vom Verstellweg des Betätigungsorgans verändert
oder auch dehmoment- und/oder stromabhängig geregelt wird, indem
der Schalter mit einer Steuereinrichtung, insbesondere mit einer
Steuer- und/oder Regelschaltung, zum Betrieb des Elektromotors zusammenwirkt.
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Es
kann nun weiter vorgesehen sein, daß der Elektromotor beim
Ausschalten des Elektrowerkzeugs abgebremst wird. Hierfür
sind im wesentlichen die folgenden Ausgestaltungen von Motorbremsen, vor
allem bei mittels Gleichstrom betriebenen Elektromotoren, bekannt.
Bei der einen Lösung wird der Motor sofort nach dem Abschalten
kurzgeschlossen und bremst dadurch schlagartig ab. Nachteilig ist, daß dabei
ein sehr großes Bremsmoment auftritt. Bei der anderen Lösung
wird der Motor ebenfalls kurzgeschlossen, es befindet sich jedoch
in diesem Stromkreis ein zum Motor in Reihe geschalteter externer Bremswiderstand.
Nachteilig ist hier, daß der Widerstand aufgrund seiner
notwendigen Bremsleistung entsprechend ausgelegt sein muß und
damit ein sehr großes Bauteil darstellt. Desweiteren läßt
sich die Bremszeit in bestimmten Grenzen nur über diesen Widerstand
steuern. Außerdem ist eine extreme Wärmeentwicklung
am Widerstand festzustellen, so daß die Anordnung des Widerstandes
im Schalter nicht möglich ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Schalter
zu schaffen, der zum Abbremsen des Elektromotors geeignet ist.
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Diese
Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Schalter
durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Der
erfindungsgemäße Schalter weist eine, insbesondere
getaktet arbeitende, Bremsschaltung zur Abbremsung des Elektromotors
auf, so daß bei der Rückstellung des Betätigungsorgans
in die Ausgangsstellung die Bremsschaltung eingeschaltet bzw. in
Betrieb genommen wird. Es wird folglich ein Gleichstrom(DC)-Schalter
mit integrierter elektronischer Softbremse geschaffen. Weitere Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In
herkömmlicher Weise kann der Schalter ein Gehäuse
aufweisen. Es bietet sich dann aufgrund der Kompaktheit an, daß die
Bremsschaltung im Gehäuse angeordnet ist.
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Der
Schalter weist zweckmäßigerweise einen Einschaltkontakt
auf, der bei Bewegung des Betätigungsorgans aus der Ausgangsstellung
zur Versorgung des Elektromotors mit elektrischer Spannung eingeschaltet
wird. Weiter kann der Schalter einen Sollwertgeber in der Art eines
Potentiometers aufweisen, derart daß ein in Abhängigkeit
vom Verstellweg des Betätigungsorgans zwischen der Ausgangs-
und der Endstellung stehender Sollwert für den Betrieb
der Steuereinrichtung erzeugt wird. Schließlich kann der
Schalter einen Überbrückungskontakt aufweisen,
der in der Endstellung des Betätigungsorgans die Steuereinrichtung überbrückt,
derart daß die maximale Spannung am Elektromotor anliegt.
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In
weiterer Ausgestaltung bietet es sich an, daß der Schalter
einen zum Einschalten der Bremsschaltung dienenden, zusätzlichen
Schaltkontakt besitzt, der nach Ausschalten des Einschaltkontakts
in der Ausgangsstellung eingeschaltet wird.
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Zweckmäßigerweise
ist die Bremsschaltung auf einer im Gehäuse befindlichen
Leiterplatte angeordnet. In herkömmlicher Weise kann das
Betätigungsorgan mit einem Stößel und
einer der Rückstellung des Betätigungsorgans dienenden
Druckfeder zusammenwirken. In kompakter Ausgestaltung bietet es
sich an, daß der zusätzliche Schaltkontakt einen Pin
auf der Leiterplatte sowie eine am Stößel angeordnete
Kontaktfahne umfaßt. Der Stromkreis verläuft dann
in einfacher Art am zusätzlichen Schaltkontakt über
die Druckfeder und einer gleichzeitig als Lagerteil für
die Druckfeder dienenden Stromschiene.
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Bei
DC-Elektrowerkzeugschaltern kann der bisher verwendete elektrische
Schaltkontakt zur Realisierung einer Kurzschluß-Motorbremse
durch eine vollständig elektronische Schaltung ersetzt
werden. Eine solche Bremsschaltung umfaßt einen in Reihe zum
Elektromotor angeordneten Leistungshalbleiter, insbesondere einen
MOSFET, sowie einen Pulsweiten-Steller zur Ansteuerung des Leistungshalbleiters. Eine
weitere, besonders für ein DC-Elektrowerkzeug geeignete
Steuerschaltung zum Abbremsen des Elektromotors umfaßt
einen parallel zum Elektromotor angeordneten Brems-MOSFET sowie
eine Ansteuerung, die insbesondere als Pulsweitenmodulationsschaltung
ausgestaltet ist, für den Brems-MOSFET.
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Zusammenfassend
läßt sich für eine in den Schalter integrierte
Steuerung zum sanften Abbremsen des Elektromotors nachfolgendes
feststellen. Beim Ausschalten der DC-Maschine wird kurz nach dem
Ausschalten des Einschaltkontakts (S1), ein zusätzlicher
Schalter (S2) eingeschaltet. Im stromlosen Zustand wird über
einen Kondensator C1 die Bremselektronik versorgt und regelt durch
Entladen von C1 die Bremselektronik. Durch den zusätzlichen
Schalter (S2) im Drückerweg läßt sich
die Bremselektronik ein- und/oder ausschalten. Dieses zusätzliche
Feature wird durch ein erweitertes Bestücken des Drückers
und der Leiterplatte erreicht. Dieser zusätzliche integrierte
Schalter kann auch für andere Schaltzustände benützt
werden.
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Für
eine bevorzugte Bremsschaltung läßt sich zusammenfassend
feststellen, daß der bei Elektrowerkzeugschaltern bisher
verwendete Standard-Stromlaufplan durch ein MOS-FET, ein Timer-Element
und einige SMD-Bauteile so erweitert wird, daß eine Bremsfunktion
realisiert ist.
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Bisherige
Motorbremsen mit einem elektrischen Schaltkontakt stoppen den Motor
der Akku-Geräte schlagartig ab. Dadurch werden Getriebe, Lager
und der Motor starken Belastungen ausgesetzt. Die mit der Erfindung
erzielten Vorteile bestehen nun insbesondere darin, daß mit
der erfindungsgemäßen elektronischen Bremse der
Bremsvorgang gesteuert werden kann. Der Verschleiß an den
verschiedenen Komponenten kann somit vermindert und dadurch die
Lebensdauer der Akku-Geräte verlängert werden.
Außerdem wird durch das Wegfallen der schlagartigen Bremsfunktion
bei der Softbremse das Handling der Maschinen angenehmer.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung mit verschiedenen Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind
in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher
beschrieben. Es zeigen
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1 einen
Schnitt durch ein Akku-Elektrowerkzeug mit einem elektrischen Schalter,
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2 den
elektrischen Schalter aus 1 in perspektivischer
Ansicht,
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3 den
Schalter aus 2 mit geöffnetem Schaltergehäuse,
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4 das
Innere des Schalters mit Stößel des Betätigungsorgans
aus 3,
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5 eine
vergrößerte Darstellung wie in 4,
wobei der Stößel weggelassen ist,
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6 ein
Einzelteil aus 5 in vergrößerter,
perspektivischer Darstellung,
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7 das
Schaltbild für die Steuereinrichtung zur Ansteuerung des
Elektromotors im Akku-Elektrowerkzeug mit Bremsschaltung und
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8 das
Schaltbild für die Steuereinrichtung zur Ansteuerung des
Elektromotors mit Bremsschaltung entsprechend einer weiteren Ausführung.
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In 1 ist
ein Elektrowerkzeug 1, bei dem es sich um eine Bohrmaschine,
einen Bohrhammer, einen Elektroschrauber, einen Schleifer, einer
Säge, einen Hobel, einen Winkelschleifer o. dgl. handeln kann,
schematisch gezeigt. Vorliegend handelt es sich bei dem Elektrowerkzeug 1 um
eine Akku-Bohrmaschine. Das Elektrowerkzeug 1 besitzt ein
Elektrowerkzeug-Gehäuse 2 mit einem Handgriff 3.
Im Elektrowerkzeug-Gehäuse 2 befindet sich ein
Elektromotor 4, der zum Antrieb eines in einer Werkzeugaufnahme 6 befindlichen
Werkzeugs 5, wie eines Bohrers, dient. Der Elektromotor 4 wird
mittels eines in den Handgriff 3 einsteckbaren, aufladbaren,
aus einem Akku bestehenden Energiespeichers 7 mit elektrischer
Energie versorgt.
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Im
Handgriff 3 befindet sich ein als Elektrowerkzeugschalter
dienender, perspektivisch in 2 gezeigter
elektrischer Schalter 8 mit einem Schaltergehäuse 9 sowie
einem aus dem Handgriff 3 herausragenden Betätigungsorgan 10,
das vom Benutzer zwischen einer Ausgangs- und einer Endstellung
verstellbar ist. Im Schaltergehäuse 9 befindet
sich eine in 3 schematisch angedeutete Steuereinrichtung 11 zum
Betrieb, und zwar zur Steuerung und/oder Regelung des Elektromotors 4,
wie dessen Drehzahl, Drehmoment o. dgl., in Abhängigkeit
vom Verstellweg des Betätigungsorgans 10. Die
Steuereinrichtung 11 umfaßt wenigstens einen Leistungshalbleiter 12 zum
steuerbaren Anlegen einer elektrischen Spannung an den Elektromotor 4 für
dessen Betrieb, wie in 7 zu sehen ist. Bei der Rückstellung
des Betätigungsorgans 10 in die Ausgangsstellung
wird eine Bremsschaltung 13 zur Abbremsung des Elektromotors 4 eingeschaltet
und damit in Betrieb genommen. Die Bremsschaltung 13 ist
gemäß 3 im Schaltergehäuse 9,
und zwar in einer unteren Verlängerung 14 des
Schaltergehäuses 9 untergebracht.
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Wie
in 3 zu sehen ist, weist der Schalter 8 einen
Einschaltkontakt 15 auf, der bei Bewegung des Betätigungsorgans 10 aus
der Ausgangsstellung zur Versorgung des Elektromotors 4 mit
elektrischer Spannung eingeschaltet wird. Ein Überbrückungskontakt 16 dient
in der Endstellung des Betätigungsorgans 10 zur Überbrückung
der Steuereinrichtung 11, so daß die maximale
Spannung des Energiespeichers 7 am Elektromotor 4 anliegt.
Desweiteren weist der Schalter 8 einen schematisch in 1 angedeuteten
Sollwertgeber 17 in der Art eines Potentiometers auf, womit
ein in Abhängigkeit vom Verstellweg des Betätigungsorgans 10 zwischen
der Ausgangs- und der Endstellung stehender Sollwert erzeugt wird. Der
Sollwert dient wiederum für den Betrieb der Steuereinrichtung 11 derart,
daß der Elektromotor 4 mit der zugeordneten Drehzahl,
dem zugehörigen Drehmoment o. dgl. betrieben wird. Wie
näher aus 4 hervorgeht, ist der Sollwertgeber 17 mittels
Kontaktflächen 18 auf einer Leiterplatte 19 in
der Art eines digitalen Potentiometers ausgebildet. Der Schalter 8 besitzt
einen zum Einschalten der Bremsschaltung 13 dienenden,
zusätzlichen Schaltkontakt 20, der nach Ausschalten
des Einschaltkontakts 15 in der Ausgangsstellung eingeschaltet
wird.
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Die
Bremsschaltung 13 ist ebenfalls auf der im Schaltergehäuse 9 befindlichen
Leiterplatte 19 angeordnet. Das Betätigungsorgan 10 wirkt
mit einem Stößel 21 und einer der Rückstellung
des Betätigungsorgans 10 dienenden Druckfeder 22 zusammen.
Der zusätzliche Schaltkontakt 20 umfaßt
einen Pin 23 auf der Leiterplatte 19 sowie eine
am Stößel 21 angeordnete Kontaktfahne 24.
Die nähere Ausgestaltung der Kontaktfahne 24 als
Einzelteil ist in 6 gezeigt. Wie man anhand von 5 sieht,
verläuft der Stromkreis am zusätzlichen Schaltkontakt 20 für
das Abbremsen über die Druckfeder 22 und einer
gleichzeitig als Lagerteil für die Druckfeder 22 dienenden
Stromschiene 25.
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Wie
näher in 7 zu sehen ist, umfaßt
die getaktet arbeitende Bremsschaltung 13 einen in Reihe
zum Elektromotor 4 angeordneten weiteren Leistungshalbleiter 26 sowie
einen Pulsweiten-Steller 27. Mit Hilfe des Pulsweitenstellers 27 wird
der Leistungshalbleiter 26 so angesteuert, daß der
Elektromotor 4 in der Art einer Softbrake abgebremst wird. Ein
abruptes Abbremsen des Elektromotors 4 wird folglich vermieden,
was das Elektrowerkzeug 1 schont und für den Benutzer
komfortabler ist. Bei dem weiteren Leistungshalbleiter 26 handelt
es sich um einen MOSFET.
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Eine
Bremsschaltung 13 zum Abbremsen des Elektromotors 4 entsprechend
einer weiteren Ausführung ist in 8 näher
zu sehen. Parallel zum Elektromotor 4 ist ein Brems- MOSFET 26' angeordnet.
Der Brems-MOSFET 26' wird mittels einer Ansteuerung, die
als Pulsweitenmodulationsschaltung 27' ausgestaltet ist,
in der Art einer Softbremse angesteuert. Die weitere Steuerschaltung 11 mit
Leistungshalbleiter 12 zum Betrieb des Elektromotors 4 ist
in 8 ebenfalls zu sehen.
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Die
Erfindung eignet sich vor allem für Akku-Geräte
mit einem DC-Elektrowerkzeugschalter, sofern sie eine Bremsfunktion
besitzen. Insbesondere ist sie für qualitativ hochwertige
Geräten geeignet, die in der Regel täglich benutzt
werden und bei denen sich eine längere Lebensdauer schnell
bezahlt macht. Die Erfindung ist jedoch nicht auf das beschriebene
und dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt.
Sie umfaßt vielmehr auch alle fachmännischen Weiterbildungen
im Rahmen der durch die Patentansprüche definierten Erfindung.
So kann ein derartiger Schalter nicht nur an einem mit Gleichspannung
betriebenen Akkuelektrowerkzeug sondern auch an einem mit Netzwechselspannung
betriebenen Elektrowerkzeug eingesetzt werden. In diesem Fall wird
als Leistungshalbleiter ein Triac o. dgl. verwendet und die Steuereinrichtung
arbeitet mittels einer Phasenanschnitt- bzw. einer Phasenabschnitt-Steuerung.
Die Erfindung kann aber nicht nur in Elektrowerkzeugen Verwendung
finden, sondern kann auch in sonstigen Elektrogeräten,
wie Elektrohaushaltsgeräten, Elektrogartengeräten,
Werkzeugmaschinen, Steuergeräten o. dgl. vorteilhaft eingesetzt
werden.
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- 1
- Elektrowerkzeug
- 2
- Elektrowerkzeug-Gehäuse
- 3
- Handgriff
- 4
- Elektromotor
- 5
- Werkzeug
- 6
- Werkzeugaufnahme
- 7
- Energiespeicher
- 8
- (elektrischer)
Schalter
- 9
- Schaltergehäuse
- 10
- Betätigungsorgan
- 11
- Steuereinrichtung/Steuerschaltung
- 12
- Leistungshalbleiter
- 13
- Bremsschaltung
- 14
- Verlängerung
(von Schaltergehäuse)
- 15
- Einschaltkontakt
- 16
- Überbrückungskontakt
- 17
- Sollwertgeber
- 18
- Kontaktfläche
(für Sollwertgeber)
- 19
- Leiterplatte
- 20
- (zusätzlicher)
Schaltkontakt (für Bremsschaltung)
- 21
- Stößel
- 22
- Druckfeder
- 23
- Pin
(von zusätzlichem Schaltkontakt)
- 24
- Kontaktfahne
(von zusätzlichem Schaltkontakt)
- 25
- Stromschiene
- 26
- (weiterer)
Leistungshalbleiter (für Bremsschaltung)
- 26'
- Brems-MOSFET
- 27
- Pulsweitensteller
- 27'
- Pulsweitenmodulationsschaltung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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