EP1756938A1 - Handheld or stationary power tool comprising a drive unit - Google Patents

Handheld or stationary power tool comprising a drive unit

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Publication number
EP1756938A1
EP1756938A1 EP05747381A EP05747381A EP1756938A1 EP 1756938 A1 EP1756938 A1 EP 1756938A1 EP 05747381 A EP05747381 A EP 05747381A EP 05747381 A EP05747381 A EP 05747381A EP 1756938 A1 EP1756938 A1 EP 1756938A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
motor
power tool
speed
voltage
stator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP05747381A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Kurt Reutlinger
Volker Bosch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP1756938A1 publication Critical patent/EP1756938A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation
    • H02P21/12—Stator flux based control involving the use of rotor position or rotor speed sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25B—TOOLS OR BENCH DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR, FOR FASTENING, CONNECTING, DISENGAGING OR HOLDING
    • B25B21/00—Portable power-driven screw or nut setting or loosening tools; Attachments for drilling apparatus serving the same purpose
    • B25B21/008—Portable power-driven screw or nut setting or loosening tools; Attachments for drilling apparatus serving the same purpose with automatic change-over from high speed-low torque mode to low speed-high torque mode
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/34—Modelling or simulation for control purposes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S388/00—Electricity: motor control systems
    • Y10S388/935—Specific application:
    • Y10S388/937—Hand tool

Definitions

  • the invention relates to a hand-held or stationary power tool with a drive unit, in particular a battery-operated power tool, such as. B. a cordless screwdriver.
  • EC motors which are brushless, i.e. H. the rotor is provided with permanent magnets that rotate in a magnetic field generated by stator coils. The speed of the EC motor is usually controlled by the motor voltage applied.
  • the motor voltage is generally applied by pulse width modulation of the power transistors in the drive unit.
  • the motor is commutated depending on fixed rotor positions.
  • the EC motor is usually designed for the maximum speed of the power tool. Due to the lower number of turns required for this, this leads to a comparatively low torque in relation to the stator current. This current is determined by the limit values of power electronics, motor and / or battery. The torque is therefore also limited to this maximum value over the entire speed range.
  • stator coils Since previous power tools are designed for high speeds, the stator coils have a low ohmic resistance and a lower inductance, which can lead to a relatively high current when the coils are short-circuited, so that damage to the motor or the electronics can occur. In the event of a fault or in an impermissible operating state, for example when a
  • Batteries from a cordless power tool can occur when the motor is rotating, by short-circuiting the motor it or the electronics can be destroyed. For this reason, measures are usually to be taken to prevent damage to the engine.
  • an electric tool is provided with a drive unit that includes a motor that has a rotor with a permanent magnet and a stator.
  • the drive unit also has a motor controller that is designed such that the motor is controlled in a first speed range in accordance with a voltage-controlled operating mode and in a second speed range that is related to the first Speed range in the direction of a higher speed, is controlled according to a field weakening operation.
  • the power tool according to the invention provides for the motor speed to be set both via the voltage-controlled operating mode and via the field weakening mode.
  • This has the advantage that the motor no longer has to be designed electrically for the maximum speed, but for a medium speed, which means that with the same maximum voltage, a correspondingly higher torque in the range up to the medium speed can be achieved than with a conventional one Motor that is designed for a higher speed.
  • higher torques are possible in the lower (first) speed range.
  • the motor is operated in so-called field weakening mode in order to achieve high speeds that exceed the medium speed.
  • the field weakening operation provides for a change in the phase position of the rotor field and the stator field, as a result of which the speed can be increased to a speed that exceeds the maximum speed in voltage-controlled operation.
  • the higher speeds are achieved when the torque is reduced compared to the torque at the maximum voltage.
  • This operating behavior is advantageous for power tools, since either high torques at low speeds or high speeds at low torques are required.
  • the drive unit can thus cover work areas that are only possible with conventional drives or conventionally operated EC motors by using appropriate switchable gears.
  • the resistance and the inductance of the stator winding are increased compared to those in a conventional power tool.
  • the stator winding can thus be short-circuit proof. So the engine can be short-circuited by the electronics for immediate stopping in any operating state without fear of damage to the motor or electronics due to short-circuit currents.
  • the motor's power electronics are then short-circuited in order to leave dangerous operating states as quickly as possible.
  • the temporal course of the motor currents also increasingly approaches the sinusoidal shape and thus reduces the increase in pulsation losses in the magnet and iron of the motor, so that the power tool can be operated with better efficiency.
  • stator windings are provided with a large number of turns, so that the wire diameter for the turns can be chosen to be smaller, which simplifies the manufacture of the motor.
  • the motor controller in the voltage-controlled operating mode, applies a voltage to the motor in order to specify the speed of the motor.
  • the first speed range is determined by the range between 0 and the mean predetermined speed, which is achieved when a maximum voltage is applied in the voltage-controlled operating mode.
  • the motor control of the power tool can have a phase shifter in order to set the field weakening operation by the phase shift between the stator flooding and the rotor flooding.
  • the phase shifter can be designed to set the phase between the stator flooding and the rotor flux greater than 90 ° in the field weakening operation.
  • the power tool has a voltage supply in the form of a rechargeable battery.
  • the power tool can be designed as a cordless screwdriver, wherein a shaft of the motor is coupled to a processing tool by means of a transmission with a rigid ratio, ie the power tool is designed without a switchable transmission.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a drive unit for an electric tool
  • FIG. 2 pointer diagrams to illustrate the voltage-controlled operation and the field weakening operation
  • FIG. 3 shows a diagram to illustrate the torque curve as a function of the speed in a conventional power tool and in a power tool according to an embodiment of the invention.
  • the drive unit 1 shows a drive unit 1 for a power tool, in particular for a battery-operated power tool, in particular a cordless screwdriver.
  • the drive unit has a motor 2, which is supplied with power via power electronics 3.
  • the motor 2 is controlled via pulse-width-modulated voltage pulses which are generated with the aid of transistor bridges and which cause an effective voltage on the motor 2.
  • the motor 2 is designed as a three-phase motor with three stator windings 4, which are each controlled via one of the transistor bridges.
  • the power electronics 3 is controlled via a motor controller 5, which generates pulse-width-modulated control signals for the power electronics 3 in a PWM unit 6.
  • the pulse width modulated control signals are dependent on the position of a rotor (not shown) of the motor 2 and from an externally specified setpoint value using a control unit 7 in the PWM unit 6.
  • the setpoint is specified directly or indirectly by a user using an actuating element.
  • the position of the rotor of the motor 2 is measured via a position sensor 8, so that information about the absolute rotor position is available in the control unit 7.
  • the position encoder 8 can measure the position absolutely or relative to a previous position, in which case the absolute position in the control unit 7 is determined via the position changes.
  • the control unit 7 is designed in such a way that two operating modes are realized.
  • a first operating mode provides for the motor 2 to be controlled according to a voltage-controlled operating mode, so that the speed, in particular the speed without or with a constant load, is proportional to the effective voltage applied via the power electronics 3.
  • a second operating mode which is determined by a speed range above a predetermined speed, the control unit 7 switches over to the so-called field weakening mode when controlling the power electronics for controlling the motor 2.
  • a phase shifter 9 is provided, which ensures that the phase position between the rotor field supplied by the rotor and the excitation field generated by the stator is greater than 90 °, the measure of the phase shift determining the speed.
  • the motor controller 5 can be designed in the form of a microcontroller, which provides the control signals of the power electronics 3.
  • the drive unit 1 can be supplied by a battery 10, in particular by a rechargeable battery.
  • the control unit 7 can also detect the stator currents and the voltages in the power electronics 3 in order to obtain information about the load applied to the motor 2.
  • FIG. 2 shows vector diagrams for the stator and rotor flooding for the voltage-controlled operation as well as for the field weakening operation.
  • the left pointer diagram shows the state during voltage-controlled operation. In this operating mode, the maximum achievable motor speed is fixed by the level of the supply voltage applied to the power electronics.
  • the space pointer of the stator current or the stator flux ⁇ i is almost perpendicular to the space pointer of the magnetic equivalent flux of the rotor ⁇ PM .
  • the speed can be adjusted almost proportionally by changing the voltage applied to the stator windings.
  • the state in a field weakening operation is shown in the right pointer diagram in FIG.
  • the space pointer of the stator flooding ⁇ i and the space pointer of the magnetic replacement flooding ⁇ PM of the rotor are no longer perpendicular to one another, but the stator and rotor flooding now have an angle of significantly more than 90 °. If you take them apart
  • the effect is a reduction in the magnet wheel voltage.
  • the mechanism of action corresponds to the mechanism known from a separately excited DC shunt machine. If there is a reduction in the excitation flux during operation of the machine, this causes a reduction in the rotationally induced armature voltage, which leads to an increasing armature current and thus to an accelerating torque. The machine accelerates until the induced voltage and the voltage drop across the armature resistor are in equilibrium with the supply voltage. This allows the speed of the DC machine to be increased.
  • the curves of the torque as a function of the engine speed are shown in FIG. In a conventional drive unit (dashed line) for a conventionally designed power tool with an EC motor, the available torque is largely constant up to the maximum speed, since it is determined by the limit current of the electronics and motor.
  • the voltage-controlled operating mode is also selected in a first speed range, the motor of the power tool being designed to obtain the maximum torque at an average speed n M , determined by the maximum available Power or the maximum permissible limit current.
  • n M the maximum available Power
  • the motor is operated in the field weakening mode, in which a lower torque than the maximum torque achieved at the average speed is available. The greater the speed of the motor, the lower the torque, which decreases in inverse proportion until the maximum speed n max is reached.
  • the torque characteristic corresponds to a characteristic that is very suitable for operation with power tools.
  • a characteristic curve is usually achieved by using a gearbox with switchable gear ratios, which provides high torques in the lower speed range and lower torques in the high speed range.
  • the electric tool according to the invention therefore has the advantage that it can be switched over
  • Gear can be provided and the friction losses due to the gear can be avoided. Further- On the other hand, such a power tool enables the stator windings to be designed more robustly, which can be short-circuited by the electronics in any operating state due to their greater resistance and inductance, without the risk of damage to the motor or electronics.
  • the higher resistance and inductance results from the fact that, given a maximum voltage in voltage-controlled operation, the motor can be designed for a lower speed, since the higher speeds can be achieved via field weakening operation.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)

Abstract

The invention relates to a handheld or stationary power tool comprising a drive unit (1) having a motor (2) which is provided with a rotor containing a permanent magnet and a stator. Said power tool also comprises a motor-actuated control (5) which is embodied in such a way that it controls the motor (2) in a first speed range according to a voltage-controlled mode of operation, and in a second higher speed range which follows on from the first speed range, according to a field weakening operation.

Description

Handgeführtes oder stationäres Elektrowerkzeug mit einer AntriebseinheitHand-held or stationary power tool with a drive unit
Die Erfindung betrifft ein handgeführtes oder stationäres Elektrowerkzeug mit einer Antriebseinheit, insbesondere ein akkubetriebenes Elektrowerkzeug, wie z. B. ein Akkuschrauber .The invention relates to a hand-held or stationary power tool with a drive unit, in particular a battery-operated power tool, such as. B. a cordless screwdriver.
Es ist eine Vielzahl von Elektrowerkzeugen bekannt, die mit einem Elektromotor betrieben werden können. Teilweise sind sogenannte EC-Motoren dazu vorgesehen, die bürstenlos sind, d. h. der Rotor ist mit Permanentmagneten versehen, die sich in einem durch Statorspulen erzeugten Magnetfeld drehen. Die Drehzahl des EC-Motors wird gewöhnlicherweise über die angelegte Motorspannung gesteuert.A large number of power tools are known which can be operated with an electric motor. In some cases, so-called EC motors are provided, which are brushless, i.e. H. the rotor is provided with permanent magnets that rotate in a magnetic field generated by stator coils. The speed of the EC motor is usually controlled by the motor voltage applied.
Das Anlegen der Motorspannung erfolgt in der Regel durch eine Pulsweitenmodulation der Leistungstransistoren der Antriebseinheit. Dabei erfolgt die Kommutierung des Motors abhängig von festen Rotorlagen. Der EC-Motor wird üblicherweise auf die maximale Drehzahl des Elektrowerkzeugs ausgelegt. Dies führt aufgrund der dafür erforderlichen geringeren Windungszahl zu einem vergleichsweise geringen Drehmoment bezogen auf den Statorstrom. Dieser Strom wird durch die Grenzwerte von Leistungselektronik, Motor und/oder Batterie bestimmt. Somit ist auch das Drehmoment über den gesamten Drehzahlbereich auf diesen Maximalwert begrenzt.The motor voltage is generally applied by pulse width modulation of the power transistors in the drive unit. The motor is commutated depending on fixed rotor positions. The EC motor is usually designed for the maximum speed of the power tool. Due to the lower number of turns required for this, this leads to a comparatively low torque in relation to the stator current. This current is determined by the limit values of power electronics, motor and / or battery. The torque is therefore also limited to this maximum value over the entire speed range.
Dieses Verhalten ist ungünstig für die Verwendung solcher EC- Motoren bei Elektrowerkzeugen. Dort ist es nämlich häufig er- forderlich, dass ein hohes Drehmoment bei geringen Drehzahlen und ein niedrigeres Drehmoment bei hohen Drehzahlen zur Verfügung steht. Dies wird bei heutigen Elektrowerkzeugen durch das Vorsehen von umschaltbaren Getrieben erreicht, mit denen ein hohes Drehmoment bei einer hohen Drehzahl in eine gerin- gere Drehzahl des Werkzeugs umgesetzt wird, um ein hohesThis behavior is unfavorable for the use of such EC motors in power tools. There it is often necessary that a high torque is available at low speeds and a lower torque at high speeds. In today's power tools, this is achieved by the provision of switchable gears with which a high torque at a high speed is converted into a lower speed of the tool by a high
Drehmoment mit einer geringeren Drehzahl zu erreichen. Das Vorsehen eines umschaltbaren Getriebes ist aufwändig und teu- er und führt darüber hinaus zu Reibungsverlusten, die den Leistungsverbrauch der Elektrowerkzeuge erhöhen.Achieve torque at a lower speed. The provision of a switchable transmission is complex and expensive It also leads to friction losses, which increase the power consumption of the power tools.
Da bisherige Elektrowerkzeuge auf hohe Drehzahlen ausgelegt sind, weisen die Statorspulen einen geringen ohmschen Widerstand und eine geringere Induktivität auf, was bei einem Kurzschließen der Spulen zu einem relativ hohen Strom führen kann, so dass Schäden am Motor oder an der Elektronik auftreten können. Im Fehlerfall oder bei einem unzulässigen Be- triebszustand, der beispielsweise bei einem Entfernen einesSince previous power tools are designed for high speeds, the stator coils have a low ohmic resistance and a lower inductance, which can lead to a relatively high current when the coils are short-circuited, so that damage to the motor or the electronics can occur. In the event of a fault or in an impermissible operating state, for example when a
Akkus aus einem akkubetriebenen Elektrowerkzeug bei rotierendem Motor auftreten kann, kann durch ein Kurzschließen des Motors dieser bzw. die Elektronik zerstört werden. Aus diesem Grunde sind üblicherweise Maßnahmen vorzusehen, die eine Be- Schädigung des Motors verhindern.Batteries from a cordless power tool can occur when the motor is rotating, by short-circuiting the motor it or the electronics can be destroyed. For this reason, measures are usually to be taken to prevent damage to the engine.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Elektrowerkzeug vorzusehen, das ohne umschaltbares Getriebe vorgesehen ist und den Anforderungen eines hohen Drehmoments bei geringeren Drehzahlen und eines niedrigeren Drehmoments bei hohen Drehzahlen genügt und wobei das Elektrowerkzeug robuster gegenüber Beschädigungen aufgrund von Fehlern oder unzulässigen Betriebszuständen ist.It is an object of the present invention to provide an improved power tool which is provided without a switchable transmission and which meets the requirements of a high torque at lower speeds and a lower torque at high speeds, and the power tool is more robust against damage due to errors or impermissible operating states.
Diese Aufgabe wird durch das Elektrowerkzeug nach Anspruch 1 sowie das Verfahren nach Anspruch 9 gelöst.This object is achieved by the power tool according to claim 1 and the method according to claim 9.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.
Erfindungsgemäß ist ein Elektrowerkzeug mit einer Antriebseinheit vorgesehen, die einen Motor umfasst, der einen Rotor mit einem Dauermagneten und einen Stator aufweist. Die Antriebseinheit weist weiterhin eine Motorsteuerung auf, die so gestaltet ist, dass der Motor in einem ersten Drehzahlbereich gemäß einer spannungsgesteuerten Betriebsart angesteuert wird und in einem zweiten Drehzahlbereich, der sich an den ersten Drehzahlbereich in Richtung einer höheren Drehzahl anschließt, gemäß einem Feldschwächbetrieb angesteuert wird.According to the invention, an electric tool is provided with a drive unit that includes a motor that has a rotor with a permanent magnet and a stator. The drive unit also has a motor controller that is designed such that the motor is controlled in a first speed range in accordance with a voltage-controlled operating mode and in a second speed range that is related to the first Speed range in the direction of a higher speed, is controlled according to a field weakening operation.
Das erfindungsgemäße Elektrowerkzeug sieht vor, die Motor- drehzahl sowohl über die spannungsgesteuerte Betriebsart als auch über den Feldschwächbetrieb einzustellen. Dies hat den Vorteil, dass der Motor elektrisch nicht mehr auf die maximale Drehzahl ausgelegt werden muss, sondern auf eine mittlere Drehzahl, wodurch bei gleicher maximaler Spannung ein ent- sprechend höheres Drehmoment im Bereich bis zur mittleren Drehzahl erreicht werden kann, als bei einem herkömmlichen Motor, der auf eine höhere Drehzahl ausgelegt ist. Somit sind in dem unteren (ersten) Drehzahlbereich höhere Drehmomente möglich. Zum Erreichen von hohen über die mittlere Drehzahl hinausgehenden Drehzahlen wird der Motor im sogenannten Feldschwächbetrieb betrieben. Der Feldschwächbetrieb sieht eine Änderung der Phasenlage des Rotorfeldes und des Statorfeldes vor, wodurch die Drehzahl auf eine gegenüber der beim spannungsgesteuerten Betrieb maximale Drehzahl hinausgehende Drehzahl erhöht werden kann. Die höheren Drehzahlen werden bei einem gegenüber dem Drehmoment bei der maximalen Spannung verminderten Drehmoment erreicht. Dieses Betriebsverhalten ist für Elektrowerkzeuge vorteilhaft, da dort entweder hohe Drehmomente bei geringen Drehzahlen oder hohe Drehzahlen bei geringen Drehmomenten gefordert sind. Die Antriebseinheit kann somit Arbeitsbereiche abdecken, die bei konventionellen Antrieben oder konventionell betriebenen EC-Motoren nur durch die Verwendung von entsprechenden umschaltbaren Getrieben möglich sind.The power tool according to the invention provides for the motor speed to be set both via the voltage-controlled operating mode and via the field weakening mode. This has the advantage that the motor no longer has to be designed electrically for the maximum speed, but for a medium speed, which means that with the same maximum voltage, a correspondingly higher torque in the range up to the medium speed can be achieved than with a conventional one Motor that is designed for a higher speed. Thus higher torques are possible in the lower (first) speed range. The motor is operated in so-called field weakening mode in order to achieve high speeds that exceed the medium speed. The field weakening operation provides for a change in the phase position of the rotor field and the stator field, as a result of which the speed can be increased to a speed that exceeds the maximum speed in voltage-controlled operation. The higher speeds are achieved when the torque is reduced compared to the torque at the maximum voltage. This operating behavior is advantageous for power tools, since either high torques at low speeds or high speeds at low torques are required. The drive unit can thus cover work areas that are only possible with conventional drives or conventionally operated EC motors by using appropriate switchable gears.
Durch die Auslegung des Motors auf eine vergleichsweise niedrige Motordrehzahl, d. h. einer Motordrehzahl, die niedriger ist als die maximale Drehzahl, mit der das Elektrowerkzeug maximal betrieben werden soll, ist der Widerstand und die In- duktivität der Statorwicklung gegenüber denen bei einem herkömmlichen Elektrowerkzeug erhöht. Die Statorwicklung kann somit kurzschlussfest aufgeführt werden. Somit kann der Motor zum sofortigen Anhalten in jedem Betriebszustand durch die Elektronik kurzgeschlossen werden, ohne dass Schäden am Motor oder Elektronik aufgrund von Kurzschlussströmen zu befürchten sind. Im Fehlerfall oder bei unzulässigen Betriebszuständen, die beispielsweise durch das plötzliche Entfernen der Spannungsversorgung bei rotierendem Motor hervorgerufen werden können, genügt somit das Kurzschließen des Motors durch die Leistungselektronik des Antriebs, um gefährdende Betriebszu- stände auf dem schnellsten Wege zu verlassen.By designing the motor for a comparatively low motor speed, ie a motor speed that is lower than the maximum speed at which the power tool is to be operated at a maximum, the resistance and the inductance of the stator winding are increased compared to those in a conventional power tool. The stator winding can thus be short-circuit proof. So the engine can can be short-circuited by the electronics for immediate stopping in any operating state without fear of damage to the motor or electronics due to short-circuit currents. In the event of a fault or in the event of impermissible operating states, which can be caused, for example, by the sudden removal of the voltage supply when the motor is rotating, the motor's power electronics are then short-circuited in order to leave dangerous operating states as quickly as possible.
Beim Feldschwächbetrieb nähert sich zudem der zeitliche Verlauf der Motorströme zunehmend an die Sinusform an und reduziert somit die Zunahme der Pulsationsverluste in Magnet und Eisen des Motors, so dass das Elektrowerkzeug mit einem bes- seren Wirkungsgrad betrieben werden kann.In the field weakening mode, the temporal course of the motor currents also increasingly approaches the sinusoidal shape and thus reduces the increase in pulsation losses in the magnet and iron of the motor, so that the power tool can be operated with better efficiency.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Statorwicklungen mit einer hohen Windungszahl vorgesehen werden, so dass der Drahtdurchmesser für die Windungen kleiner gewählt werden kann, wodurch sich die Fertigung des Motors vereinfacht.Another advantage is that the stator windings are provided with a large number of turns, so that the wire diameter for the turns can be chosen to be smaller, which simplifies the manufacture of the motor.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung liegt die Motorsteuerung in der spannungsgesteuerten Betriebsart eine Spannung an den Motor an, um die Drehzahl des Motors vor- zugeben. Der erste Drehzahlbereich wird dabei durch den Bereich zwischen 0 und der mittleren vorbestimmten Drehzahl bestimmt, die bei Anlegen einer maximalen Spannung bei der spannungsgesteuerten Betriebsart erreicht wird.According to one embodiment of the invention, in the voltage-controlled operating mode, the motor controller applies a voltage to the motor in order to specify the speed of the motor. The first speed range is determined by the range between 0 and the mean predetermined speed, which is achieved when a maximum voltage is applied in the voltage-controlled operating mode.
Die Motorsteuerung des Elektrowerkzeugs kann einen Phasenschieber aufweisen, um den Feldschwächbetrieb durch die Phasenverschiebung zwischen der Statordurchflutung und der Ro- tordurchflutung einzustellen. Insbesondere kann der Phasenschieber so gestaltet sein, um in dem Feldschwächbetrieb die Phase zwischen der Statordurchflutung und der Rotordurchflu- tung größer als 90° einzustellen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Elektrowerkzeug eine Spannungsversorgung in Form einer wiederauflad- baren Batterie auf. Insbesondere kann das Elektrowerkzeug als Akkuschrauber ausgeführt sein, wobei eine Welle des Motors mit einem Bearbeitungswerkzeug durch ein Getriebe mit starrer Übersetzung gekoppelt ist, d. h. das Elektrowerkzeug ist ohne umschaltbares Getriebe ausgeführt.The motor control of the power tool can have a phase shifter in order to set the field weakening operation by the phase shift between the stator flooding and the rotor flooding. In particular, the phase shifter can be designed to set the phase between the stator flooding and the rotor flux greater than 90 ° in the field weakening operation. According to a preferred embodiment, the power tool has a voltage supply in the form of a rechargeable battery. In particular, the power tool can be designed as a cordless screwdriver, wherein a shaft of the motor is coupled to a processing tool by means of a transmission with a rigid ratio, ie the power tool is designed without a switchable transmission.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the invention are explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Figur 1 ein Blockschaltbild einer Antriebseinheit für ein E- lektrowerkzeug; Figur 2 Zeigerdiagramme zur Veranschaulichung des spannungsgesteuerten Betriebs und des Feldschwächbetriebs; Figur 3 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Drehmomentverlaufs abhängig von der Drehzahl bei einem herkömmlichen E- lektrowerkzeug und bei einem Elektrowerkzeug gemäß einer Aus- führungsform der Erfindung.FIG. 1 shows a block diagram of a drive unit for an electric tool; FIG. 2 pointer diagrams to illustrate the voltage-controlled operation and the field weakening operation; FIG. 3 shows a diagram to illustrate the torque curve as a function of the speed in a conventional power tool and in a power tool according to an embodiment of the invention.
In Figur 1 ist eine Antriebseinheit 1 für ein Elektrowerkzeug, insbesondere für eine akkubetriebenes Elektrowerkzeug, insbesondere ein Akkuschrauber dargestellt. Die Antriebsein- heit weist einen Motor 2 auf, der über eine Leistungselektronik 3 mit Leistung versorgt wird. Die Ansteuerung des Motors 2 erfolgt über pulsweitenmodulierte Spannungspulse, die mit- hilfe von Transistorbrücken erzeugt werden und eine effektive Spannung am Motor 2 bewirkt. Der Motor 2 ist als dreiphasiger Motor mit drei Statorwicklungen 4 ausgeführt, die jeweils ü- ber eine der Transistorbrücken angesteuert werden.1 shows a drive unit 1 for a power tool, in particular for a battery-operated power tool, in particular a cordless screwdriver. The drive unit has a motor 2, which is supplied with power via power electronics 3. The motor 2 is controlled via pulse-width-modulated voltage pulses which are generated with the aid of transistor bridges and which cause an effective voltage on the motor 2. The motor 2 is designed as a three-phase motor with three stator windings 4, which are each controlled via one of the transistor bridges.
Die Leistungselektronik 3 wird über eine Motorsteuerung 5 angesteuert, die in einer PWM-Einheit 6 pulsweitenmodulierte Ansteuersignale für die Leistungselektronik 3 generiert. Die pulsweitenmodulierten Ansteuersignale werden abhängig von der Lage eines Rotors (nicht gezeigt) des Motors 2 und abhängig von einem von extern vorgegebenen Sollwert mithilfe einer Regelungseinheit 7 in der PWM-Einheit 6 eingestellt. Der Sollwert wird direkt oder indirekt von einem Benutzer mithilfe eines Betätigungselementes vorgegeben.The power electronics 3 is controlled via a motor controller 5, which generates pulse-width-modulated control signals for the power electronics 3 in a PWM unit 6. The pulse width modulated control signals are dependent on the position of a rotor (not shown) of the motor 2 and from an externally specified setpoint value using a control unit 7 in the PWM unit 6. The setpoint is specified directly or indirectly by a user using an actuating element.
Die Lage des Rotors des Motors 2 wird über einen Lagegeber 8 gemessen, so dass in der Regelungseinheit 7 eine Information über die absolute Rotorlage zur Verfügung steht. Der Lagegeber 8 kann die Lage absolut oder relativ zu einer vorherge- henden Lage messen, wobei in diesem Fall über die Lageänderungen die absolute Lage in der Regelungseinheit 7 bestimmt wird.The position of the rotor of the motor 2 is measured via a position sensor 8, so that information about the absolute rotor position is available in the control unit 7. The position encoder 8 can measure the position absolutely or relative to a previous position, in which case the absolute position in the control unit 7 is determined via the position changes.
Die Regelungseinheit 7 ist so gestaltet, dass zwei Betriebs- arten realisiert werden. Eine erste Betriebsart sieht vor, den Motor 2 gemäß einer spannungsgesteuerten Betriebsart anzusteuern, so dass die Drehzahl, insbesondere die Drehzahl ohne oder bei gleichbleibender Last proportional zur über die Leistungselektronik 3 angelegten effektiven Spannung ist. In einer zweiten Betriebsart, die durch einen Drehzahlbereich über einer vorbestimmten Drehzahl bestimmt ist, schaltet die Regelungseinheit 7 bei der Regelung der Leistungselektronik zur Ansteuerung des Motors 2 auf den sogenannten Feldschwächbetrieb um. Dazu ist ein Phasenschieber 9 vorgesehen, der da- für sorgt, dass die Phasenlage zwischen dem von dem Rotor gelieferten Rotorfeld und dem von dem Stator erzeugten Erregerfeld größer als 90° wird, wobei das Maß der Phasenverschiebung die Drehzahl bestimmt.The control unit 7 is designed in such a way that two operating modes are realized. A first operating mode provides for the motor 2 to be controlled according to a voltage-controlled operating mode, so that the speed, in particular the speed without or with a constant load, is proportional to the effective voltage applied via the power electronics 3. In a second operating mode, which is determined by a speed range above a predetermined speed, the control unit 7 switches over to the so-called field weakening mode when controlling the power electronics for controlling the motor 2. For this purpose, a phase shifter 9 is provided, which ensures that the phase position between the rotor field supplied by the rotor and the excitation field generated by the stator is greater than 90 °, the measure of the phase shift determining the speed.
Die Motorsteuerung 5 kann in Form eines Mikrocontrollers ausgeführt sein, der die Ansteuersignale der Leistungselektronik 3 zur Verfügung stellt. Die Antriebseinheit 1 kann über eine Batterie 10, insbesondere über eine wiederaufladbare Batterie versorgt werden. Die Regelungseinheit 7 kann weiterhin die Statorströme und die Spannungen in der Leistungselektronik 3 erfassen, um eine Information über die an dem Motor 2 anliegende Last zu erhalten. In Figur 2 sind Zeigerdiagramme für die Stator- und Rotor- durchflutung für den spannungsgesteuerten Betrieb als auch für den Feldschwächbetrieb dargestellt. Das linke Zeigerdia- gramm stellt den Zustand bei dem spannungsgesteuerten Betrieb dar. Bei dieser Betriebsart ist die maximal erreichbare Motordrehzahl durch die Höhe der an die Leistungselektronik angelegten Versorgungsspannung fest vorgegeben. Der Raumzeiger des Statorstroms bzw. der Statordurchflutung θi steht nahezu senkrecht auf dem Raumzeiger der magnetischen Ersatzdurchflu- tung des Rotors ΘPM. Durch Änderung der angelegten Spannung an den Statorwicklungen kann die Drehzahl nahezu proportional eingestellt werden.The motor controller 5 can be designed in the form of a microcontroller, which provides the control signals of the power electronics 3. The drive unit 1 can be supplied by a battery 10, in particular by a rechargeable battery. The control unit 7 can also detect the stator currents and the voltages in the power electronics 3 in order to obtain information about the load applied to the motor 2. FIG. 2 shows vector diagrams for the stator and rotor flooding for the voltage-controlled operation as well as for the field weakening operation. The left pointer diagram shows the state during voltage-controlled operation. In this operating mode, the maximum achievable motor speed is fixed by the level of the supply voltage applied to the power electronics. The space pointer of the stator current or the stator flux θi is almost perpendicular to the space pointer of the magnetic equivalent flux of the rotor Θ PM . The speed can be adjusted almost proportionally by changing the voltage applied to the stator windings.
In dem rechten Zeigerdiagramm der Figur 2 ist der Zustand bei einem Feldschwächbetrieb dargestellt. Der Raumzeiger der Statordurchflutung θi und der Raumzeiger der magnetischen Er- satzdurchflutung ΘPM des Rotors stehen nicht mehr senkrecht aufeinander sondern Stator- und Rotordurchflutung weisen nun einen Winkel von deutlich mehr als 90° auf. Zerlegt man dieThe state in a field weakening operation is shown in the right pointer diagram in FIG. The space pointer of the stator flooding θi and the space pointer of the magnetic replacement flooding Θ PM of the rotor are no longer perpendicular to one another, but the stator and rotor flooding now have an angle of significantly more than 90 °. If you take them apart
Staturdurchflutung vektoriell in eine Komponente parallel .zur Rotordurchflutung (X-Achse) und in eine Komponente senkrecht dazu (Y-Achse) so erkennt man, dass die X-Achsen-Komponente der Statordurchflutung θι,x der Rotordurchflutung entgegenge- setzt ist und diese somit in ihrer Wirkung abschwächt. DieStature flow vectorially into a component parallel to the rotor flow (X-axis) and into a component perpendicular to it (Y-axis) so you can see that the X-axis component of the stator flow θι, x is opposite to the rotor flow and thus this weakens in its effect. The
Auswirkung ist eine Reduzierung der Polradspannung. Der Wirkungsmechanismus entspricht dem Mechanismus, wie er bei einer fremderregten Gleichstrom-Nebenschlussmaschine bekannt ist. Reduziert man dort im Betrieb der Maschine die Erregerdurch- flutung so bewirkt dieses eine Verminderung der rotatorisch induzierten Ankerspannung, was zu einem steigenden Ankerstrom und somit zu einem beschleunigenden Moment führt. Die Maschine beschleunigt solange, bis die induzierte Spannung und der Spannungsabfall am Ankerwiderstand mit der Speisespannung im Gleichgewicht stehen. Dadurch lässt sich die Drehzahl der Gleichstrommaschine erhöhen. Aus Figur 3 sind die Verläufe des Drehmoments abhängig von der Drehzahl des Motors dargestellt. Bei einer herkömmlichen Antriebseinheit (gestrichelte Linie) für ein konventionell ausgelegtes Elektrowerkzeug mit EC-Motor ist das verfügbare Drehmoment bis zur maximalen Drehzahl weitgehend konstant, da es durch den Grenzstrom von Elektronik und Motor bestimmt wird.The effect is a reduction in the magnet wheel voltage. The mechanism of action corresponds to the mechanism known from a separately excited DC shunt machine. If there is a reduction in the excitation flux during operation of the machine, this causes a reduction in the rotationally induced armature voltage, which leads to an increasing armature current and thus to an accelerating torque. The machine accelerates until the induced voltage and the voltage drop across the armature resistor are in equilibrium with the supply voltage. This allows the speed of the DC machine to be increased. The curves of the torque as a function of the engine speed are shown in FIG. In a conventional drive unit (dashed line) for a conventionally designed power tool with an EC motor, the available torque is largely constant up to the maximum speed, since it is determined by the limit current of the electronics and motor.
Bei dem erfindungsgemäßen Elektrowerkzeug (durchgezogene Li- nie) wird in einem ersten Drehzahlbereich ebenfalls die spannungsgesteuerte Betriebsart gewählt, wobei der Motor des Elektrowerkzeuges so ausgelegt ist, um bei einer mittleren Drehzahl nM das maximale Drehmoment zu erhalten, bestimmt durch die maximale zur Verfügung stehende Leistung bzw. den maximal zulässigen Grenzstrom. Dies führt dazu, dass man bereits bei geringeren Drehzahlen im Bereich von 0 bis nM aufgrund der höheren Windungszahl höhere Drehmomente bei gleichem Strom zur Verfügung hat, als bei einem herkömmlichen E- lektrowerkzeug. In dem zweiten Drehzahlbereich, bei Drehzah- len zwischen nM und nMaχ (der maximalen Drehzahl) wird der Motor in dem Feldschwächbetrieb betrieben, bei dem ein geringeres Drehmoment als das bei der mittleren Drehzahl erreichte maximale Drehmoment zur Verfügung steht. Je größer die Drehzahl des Motors ist, desto geringer ist das Drehmoment, das bis zum Erreichen der maximalen Drehzahl nmax umgekehrt proportional abnimmt.In the case of the power tool according to the invention (solid line), the voltage-controlled operating mode is also selected in a first speed range, the motor of the power tool being designed to obtain the maximum torque at an average speed n M , determined by the maximum available Power or the maximum permissible limit current. This means that even at lower speeds in the range from 0 to n M, higher torques with the same current are available due to the higher number of turns than with a conventional power tool. In the second speed range, at speeds between n M and n Ma χ (the maximum speed), the motor is operated in the field weakening mode, in which a lower torque than the maximum torque achieved at the average speed is available. The greater the speed of the motor, the lower the torque, which decreases in inverse proportion until the maximum speed n max is reached.
Die Drehmomentkennlinie entspricht einer Kennlinie, die zum Betrieb für Elektrowerkzeuge sehr geeignet ist. Eine solche Kennlinie wird bei herkömmlichen Elektrowerkzeugen üblicherweise durch die Verwendung eines Getriebes mit umschaltbaren Übersetzungen erreicht, das hohe Drehmomente im niedrigeren Drehzahlbereich und geringere Drehmomente im hohen Drehzahlbereich zur Verfügung stellt. Das erfindungsgemäße Elektro- Werkzeug hat daher den Vorteil, das sie ohne umschaltbaresThe torque characteristic corresponds to a characteristic that is very suitable for operation with power tools. In conventional power tools, such a characteristic curve is usually achieved by using a gearbox with switchable gear ratios, which provides high torques in the lower speed range and lower torques in the high speed range. The electric tool according to the invention therefore has the advantage that it can be switched over
Getriebe vorgesehen werden kann und dadurch die Reibungsverluste aufgrund des Getriebes vermieden werden können. Weiter- hin ermöglicht eine solches Elektrowerkzeug eine robustere Auslegung der Statorwicklungen, die aufgrund ihres größeren Widerstands und Induktivität in jedem Betriebszustand durch die Elektronik kurzgeschlossen werden können, ohne dass Schä- den an Motor oder Elektronik zu befürchten sind. Der höhere Widerstand und die Induktivität resultiert daraus, dass bei vorgegebener maximaler Spannung im spannungsgesteuerten Betrieb der Motor auf eine geringere Drehzahl ausgelegt werden kann, da die höheren Drehzahlen über den Feldschwächbetrieb erreicht werden können. Gear can be provided and the friction losses due to the gear can be avoided. Further- On the other hand, such a power tool enables the stator windings to be designed more robustly, which can be short-circuited by the electronics in any operating state due to their greater resistance and inductance, without the risk of damage to the motor or electronics. The higher resistance and inductance results from the fact that, given a maximum voltage in voltage-controlled operation, the motor can be designed for a lower speed, since the higher speeds can be achieved via field weakening operation.

Claims

Patentansprüche claims
1. Handgeführtes oder stationäres Elektrowerkzeug mit einer Antriebseinheit (1) mit einem Motor (2) , der einen Rotor, der einen Dauermagneten umfasst, und einen Stator aufweist; und mit einer Motorsteuerung (5) , die so gestaltet ist, dass sie den Motor (2) in einem ersten Drehzahlbereich gemäß einer spannungsgesteuerten Betriebsart ansteuert und in einem zweiten Drehzahlbereich, der sich an den ersten Drehzahlbereich in Richtung einer höheren Drehzahl anschließt, gemäß einem Feldschwächbetrieb ansteuert.1. Hand-held or stationary power tool with a drive unit (1) with a motor (2), which has a rotor, which comprises a permanent magnet, and a stator; and with a motor controller (5) which is designed in such a way that it drives the motor (2) in a first speed range according to a voltage-controlled operating mode and in a second speed range which connects to the first speed range in the direction of a higher speed, according to a Controls field weakening operation.
2. Elektrowerkzeug nach Anspruch 1, wobei ein Betätigungselement vorgesehen ist, um die Drehzahl ohne Last vorzugeben.2. Power tool according to claim 1, wherein an actuating element is provided to specify the speed without load.
3. Elektrowerkzeug nach Anspruch 1, wobei die MotorSteuerung (5) in der spannungsgesteuerten Betriebsart eine Spannung an den Motor (2) anlegt, um die Drehzahl des Motors (2) vorzugeben, wobei der erste Drehzahlbereich durch den Be- reich zwischen 0 und der mittleren Drehzahl bestimmt ist, die bei Anlegen einer maximalen Spannung bei der spannungsgesteuerten Betriebsart erreicht wird.3. The power tool according to claim 1, wherein the motor controller (5) applies a voltage to the motor (2) in the voltage-controlled operating mode in order to specify the speed of the motor (2), the first speed range being between 0 and average speed is determined, which is achieved when applying a maximum voltage in the voltage-controlled mode.
4. Elektrowerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Motorsteuerung (5) einen Phasenschieber aufweist, um in dem Feldschwächbetrieb die Phase zwischen Statordurchflutung und Rotordurchflutung einzustellen.4. Power tool according to one of claims 1 to 3, wherein the motor controller (5) has a phase shifter in order to set the phase between the stator flooding and the rotor flooding in the field weakening operation.
5. Elektrowerkzeug nach Anspruch 4, wobei der Phasenschieber (9) so gestaltet ist, um in dem Feldschwächbetrieb die Phase zwischen der Statordurchflutung und der Rotordurchflutung größer als 90° einzustellen. 5. Power tool according to claim 4, wherein the phase shifter (9) is designed to set the phase between the stator flooding and the rotor flooding greater than 90 ° in the field weakening operation.
6. Elektrowerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die eine Spannungsversorgung (10) in Form einer wiederaufladbaren Batterie aufweist.6. Power tool according to one of claims 1 to 5, which has a voltage supply (10) in the form of a rechargeable battery.
7. Elektrowerkzeug nach Anspruch 6, die als Akkuschrauber ausgeführt ist.7. Power tool according to claim 6, which is designed as a cordless screwdriver.
8. Elektrowerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Welle des Motors (2) unmittelbar mit einem Bearbei- tungswerkzeug gekoppelt ist.8. Power tool according to one of claims 1 to 7, wherein a shaft of the motor (2) is directly coupled to a machining tool.
9. Verfahren zum Betrieb einer Antriebseinheit (1) für ein handgeführtes oder stationäres Elektrowerkzeug mit einem Rotor, der einen Dauermagneten aufweist, und einen Stator, wobei der Motor (2) in einem ersten Drehzahlbereich gemäß einer spannungsgesteuerten Betriebsart und in einem zweiten Drehzahlbereich gemäß einem Feldschwächbetrieb angesteuert wird. 9. Method for operating a drive unit (1) for a hand-held or stationary power tool with a rotor having a permanent magnet and a stator, the motor (2) in a first speed range according to a voltage-controlled operating mode and in a second speed range according to Field weakening operation is controlled.
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