EP2139645A2 - Kraftschrauber - Google Patents

Kraftschrauber

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Publication number
EP2139645A2
EP2139645A2 EP08757968A EP08757968A EP2139645A2 EP 2139645 A2 EP2139645 A2 EP 2139645A2 EP 08757968 A EP08757968 A EP 08757968A EP 08757968 A EP08757968 A EP 08757968A EP 2139645 A2 EP2139645 A2 EP 2139645A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage
electric motor
power wrench
wrench according
motor
Prior art date
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Granted
Application number
EP08757968A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP2139645B1 (de
Inventor
Marc Gareis
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.)
Losomat Schraubtechnik Neef GmbH
Loesomat Schraubtechnik Neef GmbH
Original Assignee
Losomat Schraubtechnik Neef GmbH
Loesomat Schraubtechnik Neef GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Losomat Schraubtechnik Neef GmbH, Loesomat Schraubtechnik Neef GmbH filed Critical Losomat Schraubtechnik Neef GmbH
Publication of EP2139645A2 publication Critical patent/EP2139645A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2139645B1 publication Critical patent/EP2139645B1/de
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Anticipated expiration legal-status Critical

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    • 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
    • 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
    • B25B23/00—Details of, or accessories for, spanners, wrenches, screwdrivers
    • B25B23/0078—Reaction arms
    • 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
    • B25B23/00—Details of, or accessories for, spanners, wrenches, screwdrivers
    • B25B23/14—Arrangement of torque limiters or torque indicators in wrenches or screwdrivers
    • B25B23/147—Arrangement of torque limiters or torque indicators in wrenches or screwdrivers specially adapted for electrically operated wrenches or screwdrivers

Definitions

  • the invention relates to a power wrench according to the preamble of the independent claim.
  • Torque setpoint are set, which is converted into a maximum value of the electric motor current.
  • the setting of the average operating voltage of the electric motor is carried out with a switching element, which is realized for example as a triac.
  • the average operating voltage of the electric motor or the load current can be adjusted with a potentiometer, whereby the maximum torque at engine standstill or at low engine speeds is changeable and adjustable.
  • the tightening torque setpoint is achieved at a low speed or even when the wrench is stopped, thus avoiding overshoot of the torque setpoint by an overrun.
  • a battery-operated small screwdriver which contains a switching element which switches off the electric motor by short-circuiting.
  • the switching element is actuated by a depth stop.
  • the abrupt deceleration of the electric motor reduces overshoot.
  • short-circuiting of the electric motor is possible only at comparatively low torques to be delivered, for example, 100 Nm and low-power electric motors, even with low-power electric motors in the case of short-circuiting a high speed rotating electric motor with a significant short-circuit current and the related electromagnetic interference must be expected.
  • the short-circuit current loads both a collector of a DC motor realized as an electric motor and the used
  • the freewheeling circuit can be realized, for example, as a switched freewheeling circuit in which, for example, a MOS field effect transistor connected in parallel with the electric motor is switched on simultaneously with the switching off of the power supply and thus bridges the electric motor, so that the motor current can be reduced.
  • the freewheeling circuit is realized with a parallel to the electric motor connected freewheeling diode.
  • DE 201 13 184 U1 and for example DE 19647 813 A1 are as
  • Powered electric motor powered screwdriver specified, which each have a support arm for providing a counter torque when tightening or loosening screw.
  • Such screwdrivers are referred to as power wrenches, because the torque provided can amount to, for example, 10,000 Nm, which could not be applied without the support arm of an operator of the power wrench.
  • the support arm With increasing torque during the screwing process, the support arm deforms elastically, whereby the support arm absorbs energy.
  • Screwing the support arm tightens the screwdriver on the screw.
  • the support arm takes not only the energy occurring during the screwing, but also after the shutdown of the power wrench still in the rotating masses such as the electric motor and in particular the transmission existing rotational energy by deforming.
  • the in Support arm can store saved energy in a controlled manner so that the power cleaner can be removed from the screw connection. Due to the generally high reduction ratio of the transmission can not be ruled out that the electric motor starts due to the energy stored in the support arm to rotate counter to the drive direction.
  • the invention has for its object to provide a power rauber, in particular a battery-powered Kraftsch specify who allows a safe degradation of the energy stored in the support arm after switching off the power wrench.
  • the invention Kraftsch rauber has an electric motor and a drive circuit which switches off the electric motor upon reaching a set torque setpoint with a shutdown signal electronically. Furthermore, a support arm is provided which energy during
  • the invention Kraftsch rauber is characterized by a voltage limiter circuit, which limits the motor voltage occurring at the electric motor of the energy stored in the support arm stored as a generator, rotating counter to the drive direction of the electric motor to a predetermined limiting voltage.
  • the voltage limiter circuit provided according to the invention protects the drive circuit against inadmissibly high voltages, which could occur at high power stored in the support arm after switching off the electric motor upon reaching the torque setpoint corresponding to a high speed of the electric motor in the generator mode.
  • An embodiment provides that the limiting voltage corresponds in magnitude to at least the nominal operating voltage of the electric motor. This results in a sufficient speed range during the
  • the limiting voltage corresponds at most to the permissible DC protective voltage for electrical appliances.
  • the protective low voltage in the sense of the present application corresponds to that
  • the protective low voltage is for example 42 volts.
  • a first realization possibility sees two in series, against each other poled Zener diodes before. Another possibility of realization provides for a bipolar limiter diode.
  • Another possibility for realization provides for the use of a voltage limiter circuit which contains an electronic load.
  • the varistor can briefly absorb and thermally dissipate a comparatively high power.
  • Kraftsch raubers provides that the drive circuit provides the shutdown signal upon reaching the set torque setpoint based on a comparison of the torque setpoint with a torque value obtained from the electric motor current.
  • the acquisition of the electric motor current which serves as the basis for a measure of the
  • Screwdriver provided torque is used, can be done with simple circuit technology and therefore is much cheaper than a mechanical solution such as a slip clutch.
  • Energy source for the electric motor before a lithium-based accumulator due to its comparatively high energy density can be used, for example, a lithium-ion battery (Li-ion battery) or, for example, a lithium-polymer battery (Li-polymer battery).
  • a lithium-ion battery Li-ion battery
  • Li-polymer battery Li-polymer battery
  • the falling during operation of the power wrench supply voltage due to the decreasing battery voltage during the discharge process is Advantageously compensated by a Akkunapsabfall compensation circuit, so that the falling operating voltage has no influence on the achievement of the set torque setpoint.
  • Figure 1 is a sketch of a power wrench according to the invention
  • Figure 2 is a block diagram of a drive circuit of the invention
  • FIG. 1 shows a sketch of a power wrench 10 which contains an electric motor 12 which drives a socket 16 via a gear 14.
  • the power wrench 10 includes a support arm 18 which provides a counter-torque during the screwing operation.
  • a battery-powered power wrench 10 which includes an accumulator 20 which is housed in a battery part 22.
  • Commissioning of the power wrench 10 is carried out with a switch 24.
  • a drive circuit 26 is provided for controlling the electric motor 12.
  • a DC motor 12 is assumed, which is preferably driven by a pulse width modulated signal which determines the average operating voltage of the electric motor 12.
  • FIG. 2 shows a pulse width modulator 30 which provides a pulse width modulated signal s_PWM which either completely opens or completely closes a switching element 32, for example a MOS field effect transistor.
  • the period duration and / or the pulse duration of the pulse width modulated signal s_PWM can be variable.
  • the duty cycle of the pulse width modulated signal s_PWM which reflects the ratio of duty cycle to period, sets the average operating voltage of the electric motor 12 fixed thereby allows influencing the power provided to the electric motor 12 or the rotational speed of the electric motor 12th
  • a motor current i_Mot flows as a function of the pulse duty factor of the pulse width modulated signal s_PWM, as a function of the supply voltage u_Batt and as a function of the load of the pulse generator
  • the motor current i_Mot is used as a measure of the torque applied by the electric motor 12 and thus as a measure of the torque provided by the power wrench 10 on the socket 16.
  • the motor current i_Mot is detected with a shunt 34, which is realized as a low-resistance of, for example, 0.01 ohms.
  • the voltage drop u Sens which occurs as a measure of the motor current i_Mot at the shunt 34 is amplified in a sensor signal conditioning 36 and supplied as a measure of the actual torque value mdjst to a signal smoothing 38 which generates a smoothed torque signal.
  • the sensor signal conditioning 36 contains, for example, a Op Amp connected as a differential amplifier.
  • the signal smoothing 38 is realized, for example, as a resistor-capacitor combination which has a low-pass filter function or an integrating property, which leads to a sliding averaging.
  • the optionally provided signal smoothing 38 largely suppresses noise and current spikes, which can lead to an erroneous shutdown of the power wrench 10.
  • the screwdriver shutdown 40 is realized, for example, with a comparator-connected OpAmp, to which the smoothed actual torque value mdmjst or the torque actual value md_lst and a torque setpoint input 42 provided torque setpoint Md_Söll is provided.
  • the torque setpoint default 42 is preferably on
  • Potentiometer whose dial is accessible to an operator of the power wrench 10, labeled with the different torque setpoints to be specified.
  • the screwdriver shutdown 40 a stop signal s_Stop ready, which is the pulse width modulator 30 is provided. With the occurrence of the stop signal s_Stop upon reaching the predetermined torque setpoint Md_Soll the pulse width modulator 30 terminates the provision of the pulse width modulated signal s_PWM, whereby the switching element 32 is permanently closed and the electric motor 12 and the power wrench 10 is turned off.
  • Power supply of the electric motor 12 of the battery 20 is provided, which is preferably realized as a lithium-based battery 20, which is characterized by a high energy density distinguishes.
  • a lithium-based battery 20 which is characterized by a high energy density distinguishes.
  • the battery 20 provides the supply voltage u_Batt.
  • the discharge characteristic of a battery, in particular of a lithium-based battery runs relatively flat, even a small voltage drop directly affects the achievement of the predetermined torque setpoint Md-SoII, if as a measure of the torque actual value mdjst, mdmjst the motor current i_Mot is used, since with decreasing supply voltage u_Batt a lesser motor current i_Mot sets.
  • a battery voltage drop compensation circuit 44 which compensates the influence of a sinking supply voltage u_Batt on reaching the set torque target value Md-SoII.
  • the supply voltage u_Batt could be directly stabilized and kept constant, but power semiconductor devices would be required, which are relatively expensive on the one hand and, on the other hand, because of the high expected currents to 100 A, for example, are too voluminous to be housed in power wrench 10 can ,
  • the battery voltage drop compensation circuit 44 preferably intervenes with a compensation signal s_Batt_Komp in the screwdriver shutdown 40, whereby when the supply voltage u_Batt drops, either the torque setpoint Md-SoII is increased or the actual torque value mdjst, mdmjst is reduced.
  • the battery voltage drop compensation circuit 44 may include, for example, a reference voltage source to which the supply voltage u_Batt is compared. With decreasing difference between the reference voltage and the supply voltage u_Batt during the discharge process of the battery 20, the compensation signal s_Batt_ Komp is constantly increased, wherein the increase of a virtual reduction of the motor current i_Mot corresponds to the actual lower motor current i_Mot with decreasing supply voltage u_Batt to compensate for the signal evaluation.
  • the support arm 18 provides the required counter-torque to the torque transmitted by the socket 16 to the screw connection.
  • the support arm 18 is to fix the preparation of the screwing on a suitable support.
  • the screwing occurs depending on the increasing torque correspondingly increasing deformation of the support arm 18, which corresponds to a storage of energy.
  • the stored energy in the support arm 18 has after switching off the screwdriver 10 on reaching the predetermined torque setpoint Md_Soll the maximum value.
  • shuttdown of the power screwdriver 10 by the shutdown signal s_Stop provided by the screwdriver shutdown 40 causes the energy stored in the support arm 18 to be driven by the electric motor 12, starting from the socket 16, via the transmission 14, the electric motor 12 being in the direction of drive starts to turn in the opposite direction.
  • the electric motor 12 is therefore operated as a generator in the degradation of stored energy in the support arm 18.
  • the electric motor 12 should be able to rotate freely without applying a counter-torque, which would complicate and extend the discharge process.
  • the electric motor 12 should therefore not be short-circuited or low-resistance bridged in this operating condition, which would occur even at a low generator voltage, a high motor current i_Mot, corresponding to a high counter-torque.
  • i_Mot motor current u_Mot reverses due to the other direction of rotation and the motor current i_Mot therefore flows in the opposite direction, provided that the current path is available.
  • the voltage limiter circuit 46 is provided, which limits the motor voltage u_Mot occurring at the electric motor 12 of the electric motor 12 operating as a generator when the energy stored in the support arm 18 is reduced to a predetermined limiting voltage u_Lim.
  • the voltage limiter circuit 46 is not comparable to a freewheel which essentially short circuits only the electric motor 12.
  • the voltage limiter circuit 46 allows the targeted specification of the limiting voltage u_Lim so that the electric motor 12 during the
  • the voltage limiter circuit 46 can take over the function of a freewheel, wherein during the freewheel, in which the direction of the motor current i_Mot does not turn around, the limiting voltage u_Lim occurs as a motor voltage u_Mot.
  • a not shown in detail switched freewheel be provided, which is driven by the pulse width modulated signal s_PWM.
  • the voltage limiter circuit 46 can be realized in different ways. In the embodiment shown in Figure 3a contains the
  • Voltage limiter circuit 46 two series-connected, oppositely poled Zener diodes 50, 52.
  • the breakdown voltages are preferably set equal. Apart from the forward bias voltages of the diodes 50, 52, the breakdown voltages are at least approximately equal to the clipping voltage u_Lim in both the positive and negative directions. In principle, different limiting voltages can be predetermined by a corresponding selection of the breakdown voltages of the zener diodes 50, 52 as a function of the polarity.
  • Theorsbesky interleavediode 54 includes the two Zener diodes 50, 52 integrated into a single component, which is thus less expensive than individual Zener diodes and in particular can be equipped with less effort on a circuit board, resulting in further cost advantages in mass production.
  • the voltage limiter circuit 46 contains a varistor 56.
  • the exemplary embodiment shown in FIG. 3d is based on a voltage limitation with an analog electronic load 58.
  • the electronic load 58 can be realized with a transistor 60 which is connected in series with a loss resistor 62.
  • a comparator 64 is provided, the motor voltage u_Mot as a measuring voltage u_Mess with the predetermined limiting voltage uJJm compares and, depending on the comparison, opens the transistor 60 more or less.
  • the voltage at the voltage limiter circuit 46 is regulated to the limiting voltage uJJm and thus limited.
  • the varistor 56 can absorb and derive a higher energy, at least in the short term.
  • a combination of diodes or transistors 50, 52, 54, 60 and a varistor 60 may be provided.
  • the limiting voltage uJJm is initially set to a value at which no limitation of the motor voltage u_Mot can occur in the normal drive mode of the electric motor 12. Accordingly, the limit voltage uJJm is set to a value of at least 28 volts in a 28 volt electric motor 12. Since the motor voltage u_Mot reverses in the generator operation of the electric motor 12, the voltage limiter circuit 46 must provide the limiting voltage u_Lim, in particular for the motor voltage u_Mot with reversed polarity, since the generator is in particular in generator mode
  • the same amount of the limiting voltage u_Lim which corresponds to at least the magnitude of the rated operating voltage of the electric motor 12, is predetermined for both polarities of the motor voltage u_Mot.
  • At least the effective in the generator mode of the electric motor 12 limiting voltage uJJm to the value of so-called protective extra-low voltage, which may be established by law.
  • a protective low voltage in this sense should be defined by the fact that on an electrical device, in the present case the power wrench 10, live parts that can be touched must not exceed the protective extra-low voltage. If this could be the case, special measures must be taken to protect against contact.
  • the protective low voltage is for example 42 volts.
  • the limiting voltage u_Lim for both polarities of the motor voltage u_Mot fixed to the protective low voltage is also set to the same amount.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Details Of Spanners, Wrenches, And Screw Drivers And Accessories (AREA)

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Kraftschrauber (10) mit einem Elektromotor (12) und mit einer Ansteuerschaltung (22), welche den Elektromotor (12) beim Erreichen eines eingestellten Drehmoment-Sollwerts (Md-SoII) mit einem Abschaltsignal (s_Stop) abschaltet, sowie mit einem Stützarm (18), welcher Energie beim Schraubvorgang aufnimmt. Vorgesehen ist eine Spannungsbegrenzer-Schaltung (46), welche die am Elektromotor (12) auftretende Motorspannung (u_Mot) beim Abbau der im Stützarm (18) gespeicherten Energie des als Generator betriebenen, entgegen der Antriebsrichtung drehenden Elektromotors (12) auf eine vorgegebene Begrenzungsspannung (u_Lim) begrenzt. Die Begrenzungsspannung (u_Lim) ist derart festgelegt, dass einerseits der Elektromotor (12) im Generatorbetrieb ohne Gegenmoment entgegen der Antriebsrichtung drehen und dass andererseits keine unzulässige Überspannung auftreten kann.

Description

LÖSOMAT Schraubtechnik Neef GmbH Am Fuchsloch 3, 71665 Vaihingen/Enz
Kraftschrauber
Die Erfindung geht aus von einem Kraftschrauber nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs.
Stand der Technik
In der DE 23 26 027 A ist ein netzspannungsbetriebener Schrauber beschrieben, der einen vorgegebenen Drehmoment-Sollwert bereitstellt. Das vom Schrauber aufgebrachte Drehmoment wird mittelbar anhand des durch den Elektromotor fließenden Stroms erfasst. Ausgegangen wird aufgrund des Netzanschlusses von einer Betriebsspannung des Elektromotors, die stets gleich und konstant ist. Sofern der Drehmoment-Sollwert noch nicht erreicht ist, dreht der Schrauber mit der maximal möglichen Drehzahl, welche vom aufzubringenden Drehmoment-Sollwert abhängt. Aufgrund der Massenträgheit der drehenden Teile des Schraubers, wie Elektromotor und insbesondere Getriebe, wird die Schraubverbindung in Abhängigkeit vom Nachlauf nach dem Erreichen des Drehmoment-Sollwerts noch weitergedreht.
Die in der DE 23 26 027 A1 auftretende Problematik aufgrund des Weiterdrehens des Schraubers beim Erreichen des Drehmoment-Sollwerts wird von der DE 103 41 975 A1 aufgegriffen. Beschrieben ist eine elektronische Drehmoment- Begrenzungseinrichtung für einen beispielsweise in einem akkubetriebenen Schrauber eingesetzten Elektromotor. Ausgegangen wird von einer elektronischen Drehmoment-Begrenzung, bei welcher der durch den Elektromotor fließende Strom als Maß für das Drehmoment herangezogen wird. Eine solche Vorgehensweise wird als ungenau bezeichnet, weil insbesondere bei hohen Drehzahlen nach dem Abschalten des Elektromotors durch die kinetische Energie der rotierenden Massen ein Nachlauf auftreten kann mit der Folge, dass eine Schraubverbindung mit einem höheren Drehmoment als der vorgegebene Drehmoment-Sollwert angezogen wird. Zur Vermeidung der auf der Massenträgheit beziehungsweise der Dynamik des Getriebes beruhenden Drehmomentspitze wird vorgeschlagen, den maximalen Wert des zulässigen Elektromotorstroms in Abhängigkeit von der Drehzahl des Elektromotors festzulegen. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ein
Drehmoment-Sollwert festgelegt werden, welcher in einen Maximalwert des Elektromotorstroms umgerechnet wird. Je höher der Maximalwert des Elektromotorstroms vorgegeben wird, desto niedriger darf die maximale Drehzahl des Elektromotors werden.
In der EP 0 187 353 A2 ist ein Schrauber beschrieben, dessen Elektromotor vom Wechselspannungsnetz versorgt wird. Ausgegangen wird von der Erkenntnis, dass der Elektromotor ein maximales und bestimmtes Drehmoment unter Last bei Stillstand bereitstellt, wobei dieses Drehmoment von der zur Verfügung gestellten Spannung beziehungsweise dem Laststrom entsprechend der jeweiligen
Motorkennlinie abhängt. Die Einstellung der mittleren Betriebsspannung des Elektromotors erfolgt mit einem Schaltelement, das beispielsweise als Triac realisiert ist. Die mittlere Betriebsspannung des Elektromotors oder der Laststrom sind mit einem Potentiometer einstellbar, wodurch das maximale Drehmoment bei Motorstillstand beziehungsweise bei kleinen Motordrehzahlen veränderbar und einstellbar wird. Der Drehmoment-Sollwert der Verschraubung wird bei einer geringen Drehzahl oder sogar bei Stillstand des Schraubers erreicht, sodass ein Überschwingen des Drehmoment-Sollwerts durch einen Nachlauf vermieden wird.
Vorhanden ist weiterhin eine Kompensationsschaltung, welche in der Lage ist,
Schwankungen der Netzspannung auszugleichen, um den Einfluss auf den Drehmoment-Istwert zu eliminieren. Bei absinkender Versorgungsspannung wird der Phasenanschnittswinkel in der Triac-Ansteuerung vergrößert, so dass eine höhere mittlere Spannung am Elektromotor anliegt.
In der DE 196 26 731 A1 ist ein akkubetriebener Kleinschrauber beschrieben, der ein Schaltelement enthält, welches den Elektromotor durch Kurzschließen abschaltet. Das Schaltelement wird von einem Tiefenanschlag betätigt. Durch das abrupte Abbremsen des Elektromotors wird ein Überschwingen vermindert. Zu berücksichtigen hierbei ist jedoch, dass ein derartiges Kurzschließen des Elektromotors nur bei vergleichsweise geringen abzugebenden Drehmomenten bis beispielsweise 100 Nm und bei leistungsschwachen Elektromotoren möglich ist, da selbst bei leistungsschwachen Elektromotoren im Falle eines Kurzschließen eines mit hoher Drehzahl drehenden Elektromotors mit einem erheblichen Kurzschlussstrom und den damit verbundenen elektromagnetischen Störungen gerechnet werden muss. Der Kurzschlussstrom belastet sowohl einen Kollektor eines als Gleichstrommotor realisierten Elektromotors als auch das verwendete
Schaltelement zum Kurzschließen des Elektromotors in erheblichem Maße.
In der DE 10345 135 A1 ist ein kleiner akkubetriebener Schrauber beschrieben, der zur Energieversorgung einen Lithium-Ionen-Akku enthält.
Allgemein bekannter Stand der Technik ist es, parallel zu einem Elektromotor einen Freilaufkreis vorzusehen, welcher den Stromabbau der im induktiven Anteil des Elektromotors gespeicherten induktiven Energie nach dem Abschalten des Elektromotors ermöglicht. Der Freilaufkreis kann beispielsweise als geschalteter Freilaufkreis realisiert sein, bei dem beispielsweise ein parallel zum Elektromotor geschalteter MOS-Feldeffekttransistor gleichzeitig mit dem Abschalten der Stromversorgung eingeschaltet wird und damit den Elektromotor überbrückt, sodass sich der Motorstrom abbauen kann. Im einfachsten Fall wird der Freilaufkreis mit einer parallel zum Elektromotor geschalteten Freilaufdiode realisiert. Ein derartiger Freilaufkreis ermöglicht lediglich das Weiterfließen des
Motorstroms nach dem Abschalten der Stromversorgung, wobei die am Motor sich einstellende Spannung bei aktivem Freilaufkreis nicht definiert ist, sondern von der Durchlassspannung des verwendeten stromführenden Freilauf- Bauelements abhängt, die stark temperaturabhängig ist und insbesondere vom Betrag des Freilaufstroms abhängt.
In der DE 201 13 184 U1 und beispielsweise der DE 19647 813 A1 sind als
Handwerkzeugmaschinen ausgestaltete elektromotorisch betriebene Schrauber angegeben, die jeweils einen Stützarm zur Bereitstellung eines Gegendrehmoments beim Anziehen oder Lösen von Schraubverbindungen aufweisen.
Derartige Schrauber werden als Kraftschrauber bezeichnet, weil das zur Verfügung gestellte Drehmoment bis beispielsweise 10.000 Nm betragen kann, das ohne den Stützarm von einer Bedienperson des Kraftschraubers nicht aufgebracht werden könnte. Mit zunehmendem Drehmoment beim Schraubvorgang verformt sich der Stützarm elastisch, wodurch der Stützarm Energie aufnimmt. Während des
Schraubvorgangs verspannt der Stützarm den Schrauber auf der Schraubverbindung. Der Stützarm nimmt nicht nur die während des Schraubvorgangs auftretende Energie, sondern auch die nach dem Abschalten des Kraftschraubers noch in den rotierenden Massen wie beispielsweise dem Elektromotor und insbesondere dem Getriebe vorhandene Rotationsenergie durch ein Verformen auf.
Die Verspannung kann beispielsweise durch eine Rutschkupplung gelöst werden, welche beim Erreichen des Drehmoment-Sollwerts mechanisch ausrastet. Insbesondere bei niedrigen Drehmoment-Sollwerten kann die Antriebseinheit die
Spannung durch Vorgabe einer definierten Leistung lösen. Bei beiden Methoden wirkt sich das stark unterschiedliche Massenverhältnis der rotierenden Antriebseinheit gegenüber der Getriebemasse negativ auf das Getriebe und den Elektromotor aus.
Bei Schraubern, insbesondere bei Kraftschraubern, die ein sehr hohes Drehmoment bereitstellen können, ist es unbedingt erforderlich, dass sich die im Stützarm gespeicherte Energie kontrolliert abbauen kann, damit der Kraftsch rauber von der Schraubverbindung abgenommen werden kann. Aufgrund des im allgemeinen hohen Untersetzungsverhältnisses des Getriebes kann nicht ausgeschlossen werden, dass der Elektromotor aufgrund der im Stützarm gespeicherten Energie beginnt, sich entgegen der Antriebsrichtung zu drehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kraftsch rauber, insbesondere einen akkubetriebenen Kraftsch rauber anzugeben, der einen gefahrlosen Abbau der im Stützarm nach dem Abschalten des Kraftschraubers gespeicherten Energie ermöglicht.
Die Aufgabe wird durch die im unabhängigen Anspruch angegebenen Merkmale gelöst.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Kraftsch rauber weist einen Elektromotor und eine Ansteuerschaltung auf, welche den Elektromotor beim Erreichen eines eingestellten Drehmoment-Sollwerts mit einem Abschaltsignal elektronisch abschaltet. Weiterhin ist ein Stützarm vorgesehen, welcher Energie beim
Schraubvorgang aufnimmt. Der erfindungsgemäße Kraftsch rauber zeichnet sich durch eine Spannungsbegrenzer-Schaltung aus, welche die am Elektromotor auftretende Motorspannung des beim Abbau der im Stützarm gespeicherten Energie als Generator betriebenen, entgegen der Antriebsrichtung drehenden Elektromotors auf eine vorgegebene Begrenzungsspannung begrenzt.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Spannungsbegrenzer-Schaltung stellt zunächst sicher, dass die im Stützarm beim Schraubvorgang gespeicherte Energie nach dem Abschalten des Elektromotors beim Erreichen des Drehmoment-Sollwerts durch ein Antreiben des Elektromotors über das Getriebe im Generatorbetrieb verbraucht werden kann, wobei der Elektromotor unterhalb der vorgegebenen Begrenzungsspannung in einem weiten Drehzahlbereich kein nennenswertes Gegenmoment aufbaut.
Insbesondere schützt die erfindungsgemäß vorgesehene Spannungsbegrenzer- Schaltung die Ansteuerschaltung gegenüber unzulässig hohen Spannungen, die bei einer hohen im Stützarm gespeicherten Energie nach dem Abschalten des Elektromotors beim Erreichen des Drehmoment-Sollwerts, entsprechend einer hohen Drehzahl des Elektromotors im Generatorbetrieb auftreten könnte.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen
Kraftschraubers ergeben sich aus abhängigen Ansprüchen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Begrenzungsspannung betragsmäßig mindestens der Nenn-Betriebsspannung des Elektromotors entspricht. Dadurch ergibt sich einerseits ein ausreichender Drehzahlbereich während des
Generatorbetriebs, ohne dass ein Stromfluss auftritt, der erst beim Erreichen der Begrenzungsspannung auftreten kann. Andererseits können Bauteile mit vergleichsweise niedrigen zulässigen maximalen Betriebspannungen verwendet werden, da die insgesamt während des Betriebs des Elektromotors auftretenden Motorspannungen betragsmäßig auf die Nenn-Betriebsspannung des
Elektromotors begrenzt ist.
Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass die Begrenzungsspannung höchstens der zulässigen Schutz-Gleichspannung für Elektrogeräte entspricht. Die Schutz- Kleinspannung im Sinne der vorliegenden Anmeldung entspricht derjenigen
Spannung, die gesetzlich zugelassen ist, ohne dass besondere Vorkehrungen zur elektrischen Isolation erfüllt werden müssen. Die Schutz-Kleinspannung beträgt beispielsweise 42 Volt.
Weitere Ausgestaltungen betreffen die Realisierung der Spannungsbegrenzer-
Schaltung. Eine erste Realisierungsmöglichkeit sieht zwei in Serie geschaltete, gegeneinander gepolte Zenerdioden vor. Eine andere Realisierungsmöglichkeit sieht eine bipolare Begrenzerdiode vor.
Eine andere Realisierungsmöglichkeit sieht einen Varistor vor.
Eine weitere Realisierungsmöglichkeit sieht den Einsatz einer Spannungsbegrenzer-Schaltung vor, die eine elektronische Last enthält.
Während die mit Dioden und Transistoren realisierten Spannungsbegrenzer- Schaltungen eine hohe Ansprechgeschwindigkeit aufweisen, kann der Varistor kurzzeitig eine vergleichsweise hohe Leistung aufnehmen und thermisch abführen.
Eine Kombination von verschiedenen Bauelementen ermöglicht eine Optimierung hinsichtlich verschiedener Anforderungen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kraftsch raubers sieht vor, dass die Ansteuerschaltung das Abschaltsignal beim Erreichen des eingestellten Drehmoment-Sollwerts anhand eines Vergleichs des Drehmoment-Sollwerts mit einem aus dem Elektromotorstrom gewonnenen Drehmoment-Istwert bereitstellt. Die Erfassung des Elektromotorstroms, der als Grundlage für ein Maß für das vom
Schrauber bereitgestellte Drehmoment herangezogen wird, kann mit einfachen schaltungstechnischen Mitteln erfolgen und ist deshalb erheblich preiswerter als eine mechanische Lösung wie beispielsweise eine Rutschkupplung.
Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Kraftsch raubers sieht als
Energiequelle für den Elektromotor einen lithiumbasierten Akkumulator aufgrund dessen vergleichsweise hohen Energiedichte vor. Eingesetzt werden kann beispielsweise ein Lithium-Ionen-Akku (Li-Ion-Akku) oder beispielsweise ein Lithium-Polymer-Akku (Li-Polymer-Akku).
Die während des Betriebs des Kraftschraubers sinkende Versorgungsspannung aufgrund der absinkenden Akkuspannung während des Entladevorgangs wird vorteilhafterweise von einer Akkuspannungsabfall-Kompensationsschaltung kompensiert, sodass die sinkende Betriebsspannung keinen Einfluss auf das Erreichen des eingestellten Drehmoment-Sollwerts hat.
Anstelle eines Eingriffs in den Leistungsteil der Ansteuerelektronik ist gemäß einer
Ausgestaltung vorgesehen, dass die Akkuspannungsabfall- Kompensationsschaltung bei sinkender Akkuspannung entweder den vorgegebenen Drehmoment-Sollwert erhöht oder den mittelbar auf der Grundlage des Elektromotorstroms erfassten Drehmoment-Istwert verringert. Damit wird die Kennlinie des Elektromotors virtuell verschoben.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kraftschraubers ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Kraftschraubers sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine Skizze eines erfindungsgemäßen Kraftschraubers, Figur 2 ein Blockschaltbild einer Ansteuerschaltung des erfindungsgemäßen
Kraftschraubers und die Figuren 3a - 3d unterschiedliche Ausgestaltungen einer Spannungsbegrenzer- Schaltung.
Figur 1 zeigt eine Skizze eines Kraftschraubers 10, der einen Elektromotor 12 enthält, welcher über ein Getriebe 14 eine Stecknuss 16 antreibt. Der Kraftschrauber 10 enthält einen Stützarm 18 welcher während des Schraubvorgangs ein Gegenmoment bereitstellt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird von einem akkubetriebenen Kraftschrauber 10 ausgegangen, der einen Akkumulator 20 enthält, der in einem Batterieteil 22 untergebracht ist. Die
Inbetriebnahme des Kraftschraubers 10 erfolgt mit einem Schalter 24. Zur Steuerung des Elektromotors 12 ist eine Ansteuerschaltung 26 vorgesehen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird von einem Gleichstrommotor 12 ausgegangen, der vorzugsweise mit einem impulsbreitenmodulierten Signal angesteuert wird, welches die mittlere Betriebsspannung des Elektromotors 12 festlegt.
In Figur 2 ist ein Impulsbreitenmodulator 30 gezeigt, der ein impulsbreitenmoduliertes Signal s_PWM bereitstellt, welches ein Schaltelement 32, beispielsweise einen MOS-Feldeffekttransistor, entweder vollständig öffnet oder vollständig schließt. Die Periodendauer und/oder die Impulsdauer des impulsbreitenmodulierten Signals s_PWM können variabel sein.
Das Tastverhältnis des impulsbreitenmodulierten Signals s_PWM, welches das Verhältnis von Einschaltdauer zu Periodendauer widerspiegelt, legt die mittlere Betriebsspannung des Elektromotors 12 fest ermöglicht dadurch eine Beeinflussung der dem Elektromotor 12 zur Verfügung gestellte Leistung beziehungsweise der Drehzahl des Elektromotors 12.
Nach dem Schließen des Schalters 24 fließt ein Motorstrom i_Mot in Abhängigkeit vom Tastverhältnis des impulsbreitenmodulierten Signals s_PWM, in Abhängigkeit von der Versorgungsspannung u_Batt und in Abhängigkeit von der Last des
Elektromotors 12.
Der Motorstrom i_Mot wird als Maß für das vom Elektromotor 12 aufgebrachte Drehmoment und somit als Maß für das vom Kraftschrauber 10 an der Stecknuss 16 bereitgestellte Drehmoment herangezogen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Motorstrom i_Mot mit einem Shunt 34 erfasst, der als niederohmiger Widerstand von beispielsweise 0,01 Ohm realisiert ist. Der als Maß für den Motorstrom i_Mot am Shunt 34 auftretende Spannungsabfall u Sens wird in einer Sensorsignal-Aufbereitung 36 verstärkt und als Maß für den Drehmoment-Istwert mdjst einer Signalglättung 38 zugeführt, die einen geglätteten Drehmoment-
Istwert mdmjst einer Schrauber-Abschaltung 40 zur Verfügung stellt. Die Sensorsignal-Aufbereitung 36 enthält beispielsweise einen als Differenzverstärker beschalteten OpAmp. Die Signalglättung 38 ist beispielsweise als eine Widerstands-Kondensator-Kombination realisiert, welche eine Tiefpassfilterfunktion beziehungsweise eine integrierende Eigenschaft aufweist, die zu einer gleitenden Mittelwertbildung führt.
Die gegebenenfalls vorgesehene Signalglättung 38 unterdrückt weitgehend Störsignale und Stromspitzen, die zu einem irrtümlichen Abschalten des Kraftschraubers 10 führen können.
Die Schrauber-Abschaltung 40 ist beispielsweise mit einem als Komparator beschalteten OpAmp realisiert, welchem der geglättete Drehmoment-Istwert mdmjst oder der Drehmoment-Istwert md_lst und ein von einer Drehmoment- Sollwertvorgabe 42 bereitgestellter Drehmoment-Sollwert Md_Söll zur Verfügung gestellt wird. Die Drehmoment-Sollwertvorgabe 42 ist vorzugsweise ein
Potentiometer, dessen Einstellrad, das einer Bedienperson des Kraftschraubers 10 zugänglich ist, mit den unterschiedlichen vorzugebenden Drehmoment-Sollwerten beschriftet ist.
Sobald der geglättete Drehmoment-Istwert mdmjst beziehungsweise der
Drehmoment-Istwert mdjst mit dem Drehmoment-Sollwert Md_Soll übereinstimmt, stellt die Schrauber-Abschaltung 40 ein Stoppsignal s_Stop bereit, welches dem Impulsbreitenmodulator 30 zur Verfügung gestellt wird. Mit dem Auftreten des Stoppsignals s_Stop beim Erreichen des vorgegebenen Drehmoment-Sollwerts Md_Soll beendet der Impulsbreitenmodulator 30 die Bereitstellung des impulsbreitenmodulierten Signals s_PWM, wodurch das Schaltelement 32 bleibend geschlossen und der Elektromotor 12 beziehungsweise der Kraftschrauber 10 abgeschaltet wird.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass zur
Energieversorgung des Elektromotors 12 der Akku 20 vorgesehen ist, der vorzugsweise als lithiumbasierter Akku 20 realisiert ist, welcher sich durch eine hohe Energiedichte auszeichnet. Eingesetzt werden kann beispielsweise ein Lithium-Ionen-Akku oder beispielsweise ein Lithium-Polymer-Akku. Der Akku 20 stellt die Versorgungsspannung u_Batt bereit. Die Entlade-Kennlinie eines Akkus, insbesondere eines lithiumbasierten Akkus verläuft zwar relativ flach, jedoch hat selbst ein geringer Spannungsabfall unmittelbar eine Auswirkung auf das Erreichen des vorgegebenen Drehmoment-Sollwerts Md-SoII, wenn als Maß für den Drehmoment-Istwert mdjst, mdmjst der Motorstrom i_Mot herangezogen wird, da sich bei sinkender Versorgungsspannung u_Batt ein geringerer Motorstrom i_Mot einstellt.
Vorgesehen ist deshalb eine Akkuspannungsabfall-Kompensationsschaltung 44, welche den Einfluss einer sinkenden Versorgungsspannung u_Batt auf das Erreichen des eingestellten Drehmoment-Sollwerts Md-SoII kompensiert.
Prinzipiell könnte die Versorgungsspannung u_Batt unmittelbar stabilisiert und konstant gehalten werden, wobei jedoch Leistungs-Halbleiterbauelemente erforderlich wären, die zum einen relativ kostspielig sind und zum anderen aufgrund der hohen erwarteten Ströme bis beispielsweise 100 A zu voluminös sind, um in Kraftschrauber 10 untergebracht werden zu können.
Die Akkuspannungsabfall-Kompensationsschaltung 44 greift deshalb vorzugsweise mit einem Kompensationssignal s_Batt_Komp in die Schrauber-Abschaltung 40 ein, wobei bei sinkender Versorgungsspannung u_Batt entweder der Drehmoment- Sollwert Md-SoII erhöht oder der Drehmoment-Istwert mdjst, mdmjst verringert wird.
Die Akkuspannungsabfall-Kompensationsschaltung 44 kann beispielsweise eine Referenzspannungsquelle enthalten, mit welcher die Versorgungsspannung u_Batt verglichen wird. Mit kleiner werdender Differenz zwischen der Referenzspannung und der Versorgungsspannung u_Batt während des Entladevorgangs des Akkus 20 wird das Kompensationssignal s_Batt_Komp ständig erhöht, wobei die Erhöhung einer virtuellen Verringerung des Motorstroms i_Mot entspricht, um den tatsächlich geringeren Motorstrom i_Mot bei sinkender Versorgungsspannung u_Batt bei der Signalbewertung auszugleichen.
Während des Betriebs des Kraftschraubers 10 stellt der Stützarm 18 das erforderliche Gegenmoment zu dem von der Stecknuss 16 auf die Verschraubung übertragene Drehmoment bereit. Der Stützarm 18 ist zur Vorbereitung des Schraubvorgangs an einer geeigneten Abstützung zu fixieren. Während des Schraubvorgangs tritt in Abhängigkeit vom zunehmenden Drehmoment eine entsprechend zunehmende Verformung des Stützarms 18 auf, die einer Speicherung von Energie entspricht. Die im Stützarm 18 gespeicherte Energie weist nach dem Abschalten des Schraubers 10 beim Erreichen des vorgegebenen Drehmoment-Sollwerts Md_Soll den maximalen Wert auf.
Durch die Verformung des Stützarms 18 wird die Stecknuss 16 und damit der gesamte Kraftschrauber 10 auf der Schraubverbindung verspannt. Nach dem
Abschalten des Kraftschraubers 10 durch das von der Schrauber-Abschaltung 40 bereitgestellte Abschaltsignal s_Stop bewirkt die im Stützarm 18 gespeicherte Energie, dass der Elektromotor 12, ausgehend von der Stecknuss 16, rückwärts über das Getriebe 14 angetrieben wird, wobei der Elektromotor 12 in der zur Antriebsrichtung entgegengesetzten Richtung zu drehen beginnt.
Der Elektromotor 12 wird daher beim Abbau der im Stützarm 18 gespeicherten Energie als Generator betrieben. Zum raschen und einfachen Abbau der im Stützarm 18 gespeicherten Energie sollte der Elektromotor 12 frei drehen können, ohne ein Gegenmoment aufzubringen, welches den Entlastungsvorgang erschweren und verlängern würde. Der Elektromotor 12 sollte deshalb in diesem Betriebszustand nicht kurzgeschlossen oder niederohmig überbrückt werden, wobei bereits bei einer geringen Generatorspannung ein hoher Motorstrom i_Mot, entsprechend einem hohem Gegenmoment auftreten würde. Zu berücksichtigen ist hierbei, dass sich im Generatorbetrieb die Motorspannung u_Mot aufgrund der anderen Drehrichtung umpolt und der Motorstrom i_Mot daher in umgekehrter Richtung fließt, sofern der Strompfad zur Verfügung steht. Insbesondere hat sich anhand von Versuchen ausgestellt, dass im Generatorbetrieb erhebliche Motorspannungen u_Mot auftreten können, die wesentlich über der Nenn-Betriebsspannung des Elektromotors 12 liegen. Bei einem Elektromotor 12 mit einer Nenn-Betriebsspannung von beispielsweise 28
Volt wurden Spannungsspitzen bis über 200 Volt mit einer Impulsdauer von mehreren 100 ns nachgewiesen. Derartige energiereiche Überspannungen können zur Zerstörung von Komponenten der Ansteuerschaltung 22, insbesondere zur Zerstörung des Schaltelements 32 führen.
Erfindungsgemäß ist deshalb die Spannungsbegrenzer-Schaltung 46 vorgesehen, welche die am Elektromotor 12 auftretende Motorspannung u_Mot des beim Abbau der im Stützarm 18 gespeicherten Energie als Generator betriebenen, entgegen der Antriebsrichtung drehenden Elektromotors 12 auf eine vorgegebene Begrenzungsspannung u_Lim begrenzt.
Die Spannungsbegrenzer-Schaltung 46 ist nicht mit einem Freilauf vergleichbar, der lediglich den Elektromotor 12 im Wesentlichen kurzschließt. Die Spannungsbegrenzer-Schaltung 46 ermöglicht das gezielte Vorgeben der Begrenzungsspannung u_Lim, damit der Elektromotor 12 während des
Generatorbetriebs bei der Vernichtung der im Stützarm 18 gespeicherten Energie zumindest bis zum Erreichen der Begrenzungsspannung u_Lim kein Gegenmoment erzeugt. In diesem Betriebszustand tritt ein Motorstrom i_Mot in umgekehrter Richtung im Vergleich zum normalen Betrieb nur auf, wenn die Motorspannung u_Mot im Generatorbetrieb die Begrenzungsspannung u_Lim versucht, zu überschreiten.
Die Spannungsbegrenzer-Schaltung 46 kann allerdings die Funktion eines Freilaufs übernehmen, wobei während des Freilaufs, bei welchem sich die Richtung des Motorstroms i_Mot nicht umdreht, die Begrenzungsspannung u_Lim als Motorspannung u_Mot auftritt. Gegebenenfalls kann ein nicht näher gezeigter geschalteter Freilauf vorgesehen sein, welcher vom impulsbreitenmodulierten Signal s_PWM angesteuert wird.
Die Spannungsbegrenzer-Schaltung 46 kann auf unterschiedliche Art und Weise realisiert werden. Bei dem in Figur 3a gezeigten Ausführungsbeispiel enthält die
Spannungsbegrenzer-Schaltung 46 zwei in Serie geschaltete, gegeneinander gepolte Zenerdioden 50, 52. Die Durchbruchspannungen werden vorzugsweise gleich groß festgelegt. Abgesehen von den Durchlass-Spannungen der Dioden 50, 52 in Durchlassrichtung, entsprechen die Durchbruchspannungen wenigstens näherungsweise der Begrenzungsspannung u_Lim sowohl in positiver als auch in negativer Richtung. Prinzipiell können unterschiedliche Begrenzungsspannungen durch eine entsprechende Auswahl der Durchbruchspannungen der Zenerdioden 50, 52 in Abhängigkeit von der Polarität vorgegeben werden.
Bei dem in Figur 3b gezeigten Ausführungsbeispiel enthält die
Spannungsbegrenzer-Schaltung 46 eine bipolare Spannungsbegrenzerdiode 54, die auch als TVS (Transient Voltage Suppressor) bezeichnet wird. Die Spannungsbegrenzerdiode 54 enthält die beiden Zenerdioden 50, 52 integriert in einem einzigen Bauelement, das somit kostengünstiger ist als einzelne Zenerdioden und insbesondere mit geringerem Aufwand auf einer Leiterplatte bestückt werden kann, sodass sich weitere Kostenvorteile in der Serienproduktion ergeben.
Bei dem in Figur 3c gezeigten Ausführungsbeispiel enthält die Spannungsbegrenzer-Schaltung 46 einen Varistor 56.
Das in Figur 3d gezeigte Ausführungsbeispiel beruht auf einer Spannungsbegrenzung mit einer analogen elektronischen Last 58. Die elektronische Last 58 kann mit einem Transistor 60 realisiert werden, der in Serie mit einem Verlustwiderstand 62 geschaltet ist. Zur Ansteuerung des Transistors 60 ist ein Komparator 64 vorgesehen, der die Motorspannung u_Mot als Messspannung u_Mess mit der vorgegebenen Begrenzungsspannung uJJm vergleicht und in Abhängigkeit vom Vergleich den Transistor 60 mehr oder weniger öffnet. Dadurch wird die Spannung an der Spannungsbegrenzer-Schaltung 46 auf die Begrenzungsspannung uJJm geregelt und somit begrenzt.
Während die in den Spannungsbegrenzer-Schaltungen 46 eingesetzten
Bauelemente - die Zenerdioden 50, 52, die Spannungsbegrenzerdiode 54 sowie der Transistor 60 - eine sehr schnelle Reaktion auf Spannungsimpulse ermöglichen, kann der Varistor 56 eine höhere Energie zumindest kurzfristig aufnehmen und ableiten. In Abhängigkeit von den Anforderungen kann deshalb eine Kombination von Dioden beziehungsweise Transistoren 50, 52, 54, 60 sowie einem Varistor 60 vorgesehen sein.
Die Begrenzungsspannung uJJm wird zunächst auf einen Wert festgelegt, bei welchem im normalen Antriebsbetrieb des Elektromotors 12 keine Begrenzung der Motorspannung u_Mot auftreten kann. Die Begrenzungsspannung uJJm wird demnach bei einem 28-Volt-Elektromotor 12 auf einen Wert von mindestens 28 Volt festgelegt. Da sich im Generatorbetrieb des Elektromotors 12 die Motorspannung u_Mot umkehrt, muss die Spannungsbegrenzer-Schaltung 46 die Begrenzungsspannung u_Lim insbesondere für die Motorspannung u_Mot bei umgekehrter Polarität bereitstellen, da insbesondere im Generatorbetrieb die
Gefahr einer Überspannung besteht. Im gezeigten Ausführungsbeispiel mit der in Figur 2 eingetragenen Polarität der Versorgungsspannung u_Batt tritt im Generatorbetrieb des Elektromotors 12 das positive Potenzial der Motorspannung u_Mot am Schaltelement 32 auf, während das negative Potenzial am Akku 20 anliegt.
Zweckmäßigerweise wird für beide Polaritäten der Motorspannung u_Mot derselbe Betrag der Begrenzungsspannung u_Lim vorgegeben, der mindestens dem Betrag der Nenn-Betriebsspannung des Elektromotors 12 entspricht.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung wird zumindest die im Generatorbetrieb des Elektromotors 12 wirksame Begrenzungsspannung uJJm auf den Wert einer sogenannten Schutz-Kleinspannung festgelegt, die gesetzlich festgelegt sein kann. Eine Schutz-Kleinspannung in diesem Sinn soll dadurch definiert sein, dass an einem elektrischen Gerät, im vorliegenden Fall dem Kraftschrauber 10, spannungsführende Teile, die berührt werden können, die Schutz-Kleinspannung nicht übersteigen dürfen. Sofern dies der Fall sein könnte, sind spezielle Maßnahmen zum Berührungsschutz zu treffen. Die Schutz-Kleinspannung liegt beispielsweise bei 42 Volt. Vorzugsweise wird auch die auf die Schutz- Kleinspannung festgelegte Begrenzungsspannung u_Lim für beide Polaritäten der Motorspannung u_Mot auf denselben Betrag festgelegt.

Claims

Ansprüche
1. Kraftschrauber mit einem Elektromotor (12) und mit einer Ansteuerschaltung
(22), welche den Elektromotor (12) beim Erreichen eines eingestellten Drehmoment-Sollwerts (Md_Soll) mit einem Abschaltsignal (s_Stop) abschaltet, sowie mit einem Stützarm (18), welcher Energie beim Schraubvorgang aufnimmt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spannungsbegrenzer-Schaltung (46) vorgesehen ist, welche die am Elektromotor (12) auftretende
Motorspannung (u_Mot) des beim Abbau der im Stützarm (18) gespeicherten Energie als Generator betriebenen, entgegen der Antriebsrichtung drehenden Elektromotors (12) auf eine vorgegebene Begrenzungsspannung (u_Lim) begrenzt.
2. Kraftschrauber nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Begrenzungsspannung (uJJrn) mindestens der Nenn-Betriebsspannung des Elektromotors (12) entspricht.
3. Kraftschrauber nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Begrenzungsspannung (u_l_im) höchstens einer Schutz-Kleinspannung entspricht.
4. Kraftschrauber nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsbegrenzer-Schaltung (46) zwei in Serie geschaltete, gegeneinander gepolte Zenerdioden (50, 52) enthält.
5. Kraftschrauber nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsbegrenzer-Schaltung (46) eine bipolare Begrenzerdiode (54) enthält.
6. Kraftschrauber nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsbegrenzer-Schaltung (46) einen Varistor (56) enthält.
7. Kraftschrauber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsbegrenzer-Schaltung (46) eine elektronische Last (58) enthält.
8. Kraftschrauber nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerschaltung (22) das Abschaltsignal (s_Stop) beim Erreichen des eingestellten Drehmoment-Sollwerts (Md_Soll) durch Vergleich eines aus dem Elektromotorstrom (i_Mot) gewonnenen Drehmoment-Istwerts (md_lst, mdmjst) mit dem Drehmoment-Sollwert (Md-SoII) bereitstellt.
9. Kraftschrauber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Akkumulator (20) als Energiequelle für den Elektromotor (12) vorgesehen ist.
10. Kraftschrauber nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Akkumulator (20) ein lithiumbasierter Akku (Li-Ion-Akku, Li-Polymer-Akku) vorgesehen ist.
11. Kraftschrauber nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Akkuspannungsabfall-Kompensationsschaltung (44) vorgesehen ist, welche den Einfluss einer sinkenden Betriebsspannung (u_Batt) auf das Erreichen des eingestellten Drehmoment-Sollwerts (Md_Soll) kompensiert.
12. Kraftschrauber nach Anspruch 9 und 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Akkuspannungsabfall-Kompensationsschaltung (44) bei sinkender Versorgungsspannung (u_Batt) den zum Erreichen des eingestellten Drehmoment-Sollwerts (Md_Soll) vorgegebenen Drehmoment-Sollwert (Md_Soll) erhöht.
13. Kraftschrauber nach Anspruch 9 und 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Akkuspannungsabfall-Kompensationsschaltung (44) bei sinkender Versorgungsspannung (u_Batt) den zum Erreichen des eingestellten Drehmoment-Sollwerts (Md-SoII) erfassten Drehmoment-Istwert (mdjst, mdmjst) verringert.
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