DE102021201619A1

DE102021201619A1 - Umschaltvorrichtung für einen Elektromotor zum wahlweisen Betrieb mit zumindest zwei unterschiedlichen Versorgungsspannungen sowie elektrisches Bearbeitungsgerät mit einer Umschaltvorrichtung

Info

Publication number: DE102021201619A1
Application number: DE102021201619.7A
Authority: DE
Inventors: Rainer Glauning; Marc-Alexandre SEIBERT; Benjamin Felix Fink
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-02-19
Filing date: 2021-02-19
Publication date: 2022-08-25
Also published as: WO2022175047A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Umschaltvorrichtung (50) zur Ansteuerung der Wicklungen (48) eines Elektromotors (12), wobei der Elektromotor (12) einen Rotor (40) und einen Stator (42) umfasst, wobei der Stator (42) drei Statorpole (44) und jeder Statorpol (44I, 44II, 44III) ein ganzzahliges Vielfaches an Statorzähnen (46) mit jeweils einer Mehrzahl von Wicklungen (48) zum Antrieb des Rotors (40) aufweist, wobei die Wicklungen (48) der Statorzähne (46) in ihrer Art und/oder Anzahl derart ausgelegt sind, dass der Elektromotor (12) über drei Phasen (U, V, W) wahlweise mit einer ersten Versorgungsspannung (UH), insbesondere für einen Netzbetrieb, oder mit zumindest einer gegenüber der ersten Versorgungsspannung (UH) deutlich unterschiedlichen zweiten Versorgungsspannung (UL), insbesondere für einen Akkubetrieb, betreibbar ist. Es wird vorgeschlagen, dass die Umschaltvorrichtung (50) eine Mehrzahl von Schaltelementen (66, 68, 70, 72) aufweist zur Reihen- und/oder Parallelschaltung der Wicklungen (48) der Statorzähne (46) des Elektromotors (12) für den Betrieb mit der ersten Versorgungsspannung (UH) oder mit der zumindest einen zweiten Versorgungsspannung (UL), wobei jede Wicklung (48I, 48II, 48III) über jeweils zwei elektrische Kontaktpunkte (62) mit zumindest einem der Schaltelemente (66, 68, 70, 72) der Umschaltvorrichtung (50) verbindbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein elektrisches Bearbeitungsgerät (10), insbesondere eine Handwerkzeugmaschine, mit einer Umschaltvorrichtung (50) zur Ansteuerung eines Elektromotors (12).

Description

Die Erfindung betrifft eine Umschaltvorrichtung für einen Elektromotor zum wahlweisen Betrieb mit einer ersten oder zumindest einer zweiten Versorgungsspannung sowie ein elektrisches Bearbeitungsgerät mit einer Umschaltvorrichtung zur Ansteuerung des Elektromotors nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Akkubetriebene Bearbeitungsgeräte, insbesondere Handwerkzeugmaschinen, haben in den letzten Jahren zunehmend ihre netzbetriebenen Pendants abgelöst, da die Akkupacks und die Elektromotoren immer leichter und leistungsfähiger wurden. Hier haben sich besonders die so genannten elektrisch kommutierten (EC) bzw. bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC) etabliert. Gerade in den hohen Leistungsklassen ist es trotz der leichten und kompakten EC-Motoren und der immer leistungsfähigeren Akkus bzw. Wechselakkupacks jedoch häufig notwendig, die Bearbeitungsgeräte über einen längeren Zeitraum zu betreiben, so dass die Akkus bzw. Wechselakkupacks relativ häufig geladen und/oder gewechselt werden müssen. Daher besteht ein Bedarf an so genannten Hybrid-Geräten mit entsprechenden Elektromotoren, die sowohl per Batterie als auch mit Netzstrom betrieben werden können.
Aus der EP 3 316 453 A1 ist eine akkubetriebene Handwerkzeugmaschine in Gestalt eines Akkuschraubers bekannt. Die Handwerkzeugmaschine weist einen bürstenlosen Elektromotor mit einem Stator und einem innerhalb des Stators relativ zu diesem drehend gelagerten Rotor auf. Der Stator umfasst drei Wicklungen, wobei jede Wicklung auf zwei über den Umfang des Stators gegenüberliegenden Statorpolen verteilt ist. Die drei Statorwicklungen können mittels entsprechender Schaltmittel wahlweise in einer Dreieck- oder Sternschaltung betrieben werden.
Die US 2019/0229599 A1 offenbart ein stationäres Elektrowerkzeug, das wahlweise mit einer ersten Versorgungsspannung, insbesondere einer Netzspannung, oder mit einer zweiten Versorgungsspannung, insbesondere einer Batteriespannung, betrieben werden kann. Das Elektrowerkzeug verfügt dazu über zwei Leistungsendstufen, wobei in Abhängigkeit von der detektierten Versorgungsspannung zum Betrieb eines Elektromotors eine erste Leistungsendstufe erste Wicklungen des Elektromotors und eine zweite Leistungsendstufe zweite Wicklungen des Elektromotors ansteuert. Die ersten und zweiten Wicklungen unterscheiden sich insbesondere in ihrer Windungsanzahl und/oder dem Drahtquerschnitt. Dabei ist vorgesehen, dass die Statorzähne der Statorpole des Elektromotors entweder jeweils im Wechsel die ersten oder die zweiten Wicklungen tragen oder aber dass jeder Statorzahn jeweils eine erste und eine zweite Wicklung aufweist. Weiterhin ist auch die Möglichkeit zur Umschaltung zwischen einer Stern- und einer Dreieckschaltung gezeigt, wobei die ersten Wicklungen fest zu einer Sternschaltung und die zweiten Wicklungen fest zu einer Dreieckschaltung verschaltet sind.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Umschaltvorrichtung für einen Elektromotor, insbesondere für einen bürstenlosen Gleichstrommotor, bereitzustellen, die eine besonders effektive und kostengünstige Nutzung eines Elektromotors für einen Betrieb mit mindestens zwei unterschiedlichen Versorgungsspannungen ermöglicht.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einer Umschaltvorrichtung zur Ansteuerung der Wicklungen des Elektromotors, wobei der Elektromotor einen Rotor und einen Stator umfasst, wobei der Stator drei Statorpole und jeder Statorpol ein ganzzahliges Vielfaches an Statorzähnen mit jeweils einer Mehrzahl von Wicklungen zum Antrieb des Rotors aufweist, wobei die Wicklungen der Statorzähne in ihrer Art und/oder Anzahl derart ausgelegt sind, dass der Elektromotor über drei Phasen wahlweise mit einer ersten Versorgungsspannung, insbesondere für einen Netzbetrieb, oder mit zumindest einer gegenüber der ersten Versorgungsspannung deutlich unterschiedlichen zweiten Versorgungsspannung, insbesondere für einen Akkubetrieb, betreibbar ist. Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist vorgesehen, dass die Umschaltvorrichtung eine Mehrzahl von Schaltelementen aufweist zur Reihen- und/oder Parallelschaltung der Wicklungen der Statorzähne des Elektromotors für den Betrieb mit der ersten Versorgungsspannung oder mit der zumindest einen zweiten Versorgungsspannung, wobei jede Wicklung über jeweils zwei elektrische Kontaktpunkte mit zumindest einem der Schaltelemente der Umschaltvorrichtung verbindbar ist. Mit besonderem Vorteil erlaubt eine derartiger Umschaltvorrichtung einen sehr universellen Einsatz eines entsprechend angesteuerten Elektromotors von kleinen Gleichspannungen bis zu hohen Wechselspannungen in Verbindung mit einer einfach auszulegenden und kostengünstigen Leistungselektronik bzw. Umschaltvorrichtung zur Beschaltung der Wicklungen des Elektromotors. Dadurch, dass stets sämtliche Wicklungen des Elektromotors für den Betrieb mit der ersten und mit der zumindest einen zweiten Versorgungsspannung bestromt werden, ist mit besonderem Vorteil ein gegenüber dem Stand der Technik reduziertes Gewicht bei kompakter und kostengünstiger Bauweise des Elektromotors möglich. Eine optimale magnetische Kopplung der Wicklungen an den Stator des Elektromotors gewährleistet zudem eine hohe Effektivität.
Die Erfindung betrifft ferner ein elektrisches Bearbeitungsgerät mit einer Umschaltvorrichtung zur Ansteuerung des Elektromotors. Als „elektrische Bearbeitungsgeräte“ sollen im Kontext der Erfindung unter anderem akku- und/oder netzbetriebene Werkzeugmaschinen zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines elektrisch angetriebenen Einsatzwerkzeugs verstanden werden. Dabei kann das elektrische Bearbeitungsgerät sowohl als Handwerkzeugmaschine als auch als stationäre Werkzeugmaschine ausgebildet sein. Typische Werkzeugmaschinen sind in diesem Zusammenhang Hand- oder Standbohrmaschinen, Schrauber, Schlagbohrmaschinen, Hobel, Winkelschleifer, Schwingschleifer, Poliermaschinen oder dergleichen. Als elektrische Bearbeitungsgeräte kommen aber auch elektromotorisch angetriebene Garten- und Baugeräte wie Rasenmäher, Rasentrimmer, Astsägen, Motor- und Grabenfräsen, Gebläse, Roboter-Breaker und -Bagger oder dergleichen in Frage. Weiterhin ist die Erfindung auf dreiphasige Elektromotoren von Haushaltgeräten, wie Staubsauger, Mixer, etc. anwendbar. Unter dem Begriff elektrisches Bearbeitungsgerät können zudem elektromotorisch angetriebene Straßen- und Schienenfahrzeuge sowie Flugzeuge und Schiffe verstanden werden.
Unter einem „Betrieb mit einer ersten Versorgungsspannung“ bzw. einem „Netzbetrieb“ soll insbesondere ein Betrieb mit einer Wechselspannung (AC) im Bereich von ca. 110 bis 230 V verstanden werden. Für Industrieroboter, Straßen-und Schienenfahrzeuge sowie Flugzeuge und Schiffe kommen aber auch deutlich höhere Wechselspannungen von mehreren 1000 V in Betracht. Dabei sind die typischen Wechselspannungen primär von den länderspezifischen Werten und den Einsatzzwecken abhängig. Unter einem „Betrieb mit einer gegenüber der ersten Versorgungsspannung deutlich unterschiedlichen zweiten Versorgungsspannung“ bzw. einem „Akkubetrieb“ soll insbesondere ein Betrieb mit einer Gleichspannung (DC) im Bereich von 3,6 bis 180 V verstanden werden. Doch auch hier können für Fahrzeuge, Flugzeuge und Schiffe noch deutlich höhere Akkuspannungen von mehreren 100 V in Frage kommen. Die Gleichspannungswerte richten sich in erster Linie nach den typischen Zellspannungen von Li-Ionen-Zellen. Es kommen aber auch andere Zellspannungen für z.B. Pouch-Zellen und/oder Zellen mit anderer elektrochemischer Zusammensetzung in Frage. Zudem sei angemerkt, dass sich der Begriff „deutlich unterschiedliche Versorgungsspannung“ nicht nur auf die Amplitude, sondern auch auf die Frequenz der Versorgungsspannung beziehen kann. Für einen Akkubetrieb können sowohl austauschbare Wechselakkupacks als auch fest integrierte Akkus mit einer beliebigen Anzahl von Akkuzellen in Frage kommen. Da der Fachmann derartige Akkus und Wechselakkupacks hinlänglich kennt, soll hierauf nicht weiter im Detail eingegangen werden. Die Begriffe Akku, Akkupack und Wechselakkupack sollen nachfolgend als Synonym verstanden werden, da sie für die Erfindung dieselbe Bedeutung haben.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Umschaltvorrichtung erste Schaltelemente zur Reihenschaltung der Wicklungen der Statorzähne und zweite Schaltelemente zur Parallelschaltung der Wicklungen der Statorzähne aufweist. Dabei sind für jeden Statorpol mit jeweils M Statorzähnen und N Wicklungen je Statorzahn M * N - 1 erste Schaltelemente zur Reihenschaltung und M * (2N - 1) zweite Schaltelemente zur Parallelschaltung der insgesamt M * N Stator-Wicklungen vorgesehen. Bei einem dreiphasigen Stator mit drei Statorpolen, M = 2 Statorzähnen pro Statorpol und N = 2 Wicklungen pro Statorzahn ergeben sich auf diese Weise je Statorpol 2 * 2 - 1 = 3 erste und 2 * (4 - 1) = 6 zweite Schaltelemente. In Summe weist die Umschalteinrichtung daher 3 * 9 = 27 erste und zweite Schaltelemente auf. Zur Reihenschaltung der Wicklungen werden die ersten Schaltelemente der Umschaltvorrichtung geschlossen und die zweiten Schaltelemente geöffnet, während zur Parallelschaltung der Wicklungen in umgekehrter Weise die ersten Schaltelemente geöffnet und die zweiten Schaltelemente geschlossen werden.
Zum ergänzenden Schalten einer Dreieck- oder Sternschaltung der Phasen des Elektromotors weist die Umschaltvorrichtung dritte und vierte Schaltelemente auf. Dabei sind zur Sternschaltung der Phasen die dritten Schaltelemente geschlossen und die vierten Schaltelemente geöffnet, während für die Dreieckschaltung der Phasen die dritten Schaltelemente geöffnet und die vierten Schaltelemente geschlossen sind. Zurückkommend auf das obige Beispiel eines dreiphasigen Elektromotors mit M = 2 Statorzähnen je Statorpol und N = 2 Wicklungen je Statorzahn ergeben sich so in Summe 27 + 6 = 33 erste, zweite, dritte und vierte Schaltelemente für die Umschaltvorrichtung. Zum Aktivieren der Reihenschaltung der Wicklungen in Verbindung mit einer Sternschaltung der Phasen werden dann alle ersten und dritten Schaltelemente geschlossen und alle zweiten und vierten Schaltelemente geöffnet. Zum Aktivieren der Parallelschaltung der Wicklungen in Kombination mit einer Dreieckschaltung der Phasen werden alle zweiten und vierten Schaltelemente geschlossen und alle ersten und dritten Schaltelemente geöffnet.
Die Anzahl der Wicklungen eines Statorpols des Elektromotors ist im Wesentlichen abhängig vom Verhältnis der ersten zu der zumindest einen zweiten Versorgungspannung. Bei einer ersten Versorgungsspannung, insbesondere einer Netzspannung, von beispielsweise 230 V AC, die gleichgerichtet typischerweise 300 V entspricht, und einer zweiten Versorgungsspannung, insbesondere einer Akkuspannung, von beispielsweise 36 V ergibt sich so eine Anzahl von 8 Wicklungen je Statorpol, was bei zwei Statorzähnen 4 Wicklungen pro Statorzahn entspricht. Mit besonderen Vorteil kann diese Anzahl im Falle einer Sternschaltung der Phasen weiter um einen Faktor 1,73 (Wurzel 3) reduziert werden, so dass für dasselbe Spannungsverhältnis pro Statorzahn dann nur noch zwei Wicklungen erforderlich sind. Durch die wahlweise Verschaltung der Phasen als Stern- oder Dreieckschaltung ergibt sich einerseits in Verbindung mit der Sternschaltung eine deutliche Reduzierung des Strombedarfs um einen Faktor von 1,73 je Phase bzw. Statorpol, was insbesondere bei einem Anlaufen des Elektromotors von Vorteil ist, während in der Dreieckschaltung hohe Ströme und Leistungen nutzbar sind. Die besondere Auslegung des erfindungsgemäßen Elektromotors erlaub so beispielsweise bei einem Betrieb mit einer gleichgerichteten, ersten Versorgungsspannung von 300 V und einer zweiten Versorgungsspannung von 36 V eine Reduzierung der notwendigen Wicklungen je Statorpol von 8 (≅ 300 V / 36 V) auf 4 (≅ 300 V / 36 V / 1,73). Unter dem Begriff „Art der Wicklung“ soll insbesondere die Anzahl der Windungen, der Querschnitt und/oder das Material der Wicklung verstanden werden.
Um den Elektromotor auch in Ländern mit leicht abweichenden ersten Versorgungspannungen betreiben zu können (beispielsweise Japan, Australien, etc.), ist je Statorpol ein weiteres Schaltelement zur Reihenschaltung mit einer schaltbaren Last, insbesondere einem Leistungswiderstand, vorgesehen. So kann durch Aktivierung der Last auf sehr einfache Weise ein Betrieb mit 240 V statt 230 V oder mit 120 V statt 110 V realisiert werden.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die elektrischen Kontaktpunkte zwischen den Wicklungen des Elektromotors und den Schaltelementen der Umschaltvorrichtung als Steckverbindungen, Crimpverbindungen, Schraubverbindungen, Lötverbindungen oder Schweißverbindungen ausgebildet sind. Dabei erlauben insbesondere Steckverbindungen in besonders vorteilhafter Weise ein einfaches und schnelles Aufstecken der Umschaltvorrichtung auf den Elektromotor seitens des Herstellers sowie ein ebenso einfaches und kostengünstiges Abziehen beispielsweise im Falle eines Defekts. Die Steckverbindungen können dazu als Kontaktbuchsen der Umschaltvorrichtung ausgebildet sein, die mit entsprechenden Kontaktstiften des Elektromotors, insbesondere eines Adapterrings des Stators, reversibel verbindbar sind. Aufgrund der zylinderförmigen Bauform gängiger Elektromotoren ist es in diesem Zusammenhang vorteilhaft, wenn die elektrischen Kontaktpunkte bzw. Kontaktbuchsen ringförmig über einen äußeren Umfang der Umschaltvorrichtung verteilt angeordnet sind.
Zur einfachen und effizienten Umschaltung der Betriebsarten durch den Bediener ist die Umschaltvorrichtung mit einem drehbaren oder verschiebbaren Betriebsartenschalter wirkverbunden. Somit bewirkt eine Betätigung der Umschaltvorrichtung durch den Bediener mittelbar oder unmittelbar eine entsprechende Umschaltung der Schaltelemente der Umschaltvorrichtung derart, dass zum Schließen eines Schaltelements jeweils eine Kontaktbahn des Schaltelements mit einem Kontaktgleiter des Schaltelements verbunden wird.
Um unerlaubte Zustände der Schaltelemente zu vermeiden, sind die Kontaktbahnen und Kontaktgleiter der Schaltelemente derart ausgelegt, dass die ersten und die zweiten Schaltelemente und/oder die dritten und die vierten Schaltelemente jeweils mit einer Totzeit geschaltet werden.
Um einen möglichst kompakten Elektromotor mit einfacher Austauschbarkeit zu ermöglichen, ist die Umschaltvorrichtung als eine modulare Baugruppe des Elektromotors ausgebildet.
Die Umschaltvorrichtung sowie etwaige weitere elektrische Bauelemente zur Gleichrichtung, Spannungswandlung, Siebung und/oder Endstörung der ersten und der zumindest einen zweiten Versorgungsspannung sowie zur Ansteuerung des Elektromotors bilden zusammen eine Leistungselektronik. Unter dem Begriff „Leistungselektronik“ soll daher der Teil der den Elektromotor ansteuernden Elektronik verstanden werden, der primär die Wicklungsströme aufnimmt. Somit unterscheidet sich die Leistungselektronik von der sie ansteuernden Steuer- bzw. Regelelektronik. In der Regel ist die Leistungselektronik im elektrischen Bearbeitungsgerät verbaut und kann so spezifisch auf den jeweiligen Bedarf des Geräts angepasst werden. So sind Über- oder Unterdimensionierungen der Leistungselektronik vermeidbar. Bearbeitungsgeräte mit hohem Energiebedarf (z.B. Winkelschleifer, große Bohr- und Abrisshämmer, professionelle Küchenmaschinen etc.) erhalten beispielsweise eine entsprechend leistungsfähige Leistungselektronik, während bei Bearbeitungsgeräten mit eher kleinem Energiebedarf (z.B. Schrauber, Pürierstab, etc.) eine kostengünstige und deutlich geringer belastbare Leistungselektronik zum Einsatz kommen kann. Insbesondere bei Akkugeräten ist dann keine aufwändige Leistungselektronik z.B. in Form eines DC/DC-Wandlers mit einem großen Verhältnis zwischen der Eingangs- und der Ausgangsspannung mehr erforderlich, was einen kompakten Gesamt-Antriebsstrang zur Folge hat.
Durch die Möglichkeit, je nach Bedarf auf einzelne Komponenten im elektronischen Bearbeitungsgerät verzichten zu können, ergibt sich ein modulares Gesamtkonzept insbesondere aus Leistungsbrücke, Umschaltvorrichtung und Elektromotor für die folgenden Anwendungsfälle:

• Multispannungsgeräte für Hybrid-Betrieb (Akku- und/oder Netzbetrieb): das elektrische Bearbeitungsgerät kann wahlweise für einen Netzbetrieb mit mehreren ersten Versorgungsspannungen bzw. einer Zwischenspannung und zumindest einer ersten Versorgungsspannung von z.B. 120 V und 230 V und/oder für einen Akkubetrieb mit mehreren zweiten Versorgungsspannungen von z.B. 18 V, 36 V oder 72 V ausgelegt sein.
• Multispannungsgeräte für Netzbetrieb: das elektrische Bearbeitungsgerät kann für einen Netzbetrieb mit mehreren ersten Versorgungsspannungen bzw. einer Zwischenspannung und zumindest einer ersten Versorgungsspannung von z.B. 120 V und 230 V ausgelegt sein. Somit kann auf den DC-Teil der Leistungselektronik verzichtet werden.
• Multispannungsgeräte für Akkubetrieb: das elektrische Bearbeitungsgerät kann für einen Akkubetrieb mit mehreren zweiten Versorgungsspannungen von z.B. 18 V, 36 V oder 72 V ausgelegt sein, so dass auf den AC-Teil der Leistungselektronik verzichtet werden kann.
• Dualspannungsgeräte für Hybrid-Betrieb (Akku- und/oder Netzbetrieb): das elektrische Bearbeitungsgerät kann wahlweise für einen Netzbetrieb mit einer ersten Versorgungsspannung von z.B. 230 V oder für einen Akkubetrieb mit einer zweiten Versorgungsspannung von z.B. 36 V ausgelegt sein. Dies ermöglicht den Einsatz einer einfacheren Leistungselektronik für eine reduzierte Anzahl von Reihen- bzw. Parallelverschaltungen der Wicklungen je Statorpol.
• Einzelspannungsgeräte für Netzbetrieb, z.B. 230 V.
• Einzelspannungsgeräte für Akkubetrieb, z.B. 36 V.

Weitere Möglichkeiten zur Erzeugung des Anforderungssignals für die Umschaltung zwischen den Betriebsarten des Elektromotors werden nachfolgend in den Ausführungsbeispielen beschrieben.
Ausführungsbeispiele
Figurenliste
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 bis 22 beispielhaft erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Bestandteile mit einer gleichen Funktionsweise hindeuten.
Es zeigen

1: eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen, elektrischen Bearbeitungsgeräts in Form eines handgehaltenen Drehschlagschraubers,
2: eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Elektromotors mit einem vier Wicklungen tragenden Statorzahn,
3: eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Elektromotors mit einem zwei Wicklungen tragenden Statorzahn,
4: ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Elektromotors für eine Parallelschaltung der vier Wicklungen eines Statorpols und eine Dreieckschaltung der drei Phasen des Elektromotors,
5: ein Schaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Elektromotors für eine Reihenschaltung der vier Wicklungen eines Statorpols und eine Sternschaltung der drei Phasen des Elektromotors,
6: ein Blockschalbild eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung für den Elektromotor gemäß der 3 bis 5,
7: eine Explosionszeichnung des erfindungsgemäßen Elektromotors mit einer erfindungsgemäßen, elektromechanischen Umschaltvorrichtung,
8: Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäße, elektromechanische Umschaltvorrichtung mit einem verdrehbar ausgestalteten Träger,
9: Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemäße, elektromechanische Umschaltvorrichtung mit einem verschiebbar ausgestalteten Träger,
10: weitere Ausführungsbeispiele für einen verschiebbaren Träger der erfindungsgemäßen, elektromechanischen Umschaltvorrichtung,
11: ein weiteres Ausführungsbeispiel für einen verdrehbaren Träger der erfindungsgemäßen, elektromechanischen Umschaltvorrichtung,
12: ein schematisches Blockschaltbild für das erfindungsgemäße elektrische Bearbeitungsgerät,
13: eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen, elektrischen Bearbeitungsgeräts in Form eines Abrisshammers,
14: eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen, elektrischen Bearbeitungsgeräts in Form eines Abrisshammers,
15: Ausführungsbeispiele für eine vibrationsentkoppelte Lagerung der erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung mit druckbelasteten Dämpfungselementen in Form von Gummidämpfern,
16: Ausführungsbeispiele für eine vibrationsentkoppelte Lagerung der erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung mit zugbelasteten Dämpfungselementen in Form von Gummidämpfern,
17: Ausführungsbeispiele für eine vibrationsentkoppelte Lagerung der erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung mit druckbelasteten Dämpfungselementen in Form von Federdämpfern,
18: Ausführungsbeispiele für eine vibrationsentkoppelte Lagerung der erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung mit zugbelasteten Dämpfungselementen in Form von Federdämpfern,
19: eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen, elektrischen Bearbeitungsgeräts in Form eines Bohrhammers,
20: eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen, elektrischen Bearbeitungsgeräts in Form eines Winkelschleifers,
21: eine schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen, elektrischen Bearbeitungsgeräts in Form eines Industriestaubsaugers und
22: eine schematische Darstellung eines siebten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen, elektrischen Bearbeitungsgeräts in Form eines Rasenmähers.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt beispielhaft ein als Drehschlagschrauber ausgebildetes elektrisches Bearbeitungsgerät 10 mit einem dreiphasigen Elektromotor 12. Der Drehschlagschrauber weist ein Gehäuse 14 mit einem Handgriff 16 sowie eine Werkzeugaufnahme 18 auf und ist wahlweise zur netzunabhängigen Stromversorgung mechanisch und elektrisch über entsprechend ausgebildete elektromechanische Schnittstellen 19 kraft- und/oder formschlüssig lösbar mit einem Akkupack 20 oder zur netzabhängigen Stromversorgung über ein Netzkabel 22 mit einem nicht gezeigten aber dem Fachmann bekannten Stromnetz verbindbar. Im vorliegenden Beispiel besitzt das Stromnetz eine erste Versorgungsspannung U_H von 230 V AC (50 Hz) und der Akkupack 20 eine gegenüber der ersten Versorgungsspannung deutlich unterschiedliche zweite Versorgungsspannung U_L von 36 V DC. Mit besonderem Vorteil kann die Erfindung aber auch auf elektrische Bearbeitungsgeräte mit Akkus und Netzversorgungen anderer Spannungs- und Leistungsklassen angewendet werden. Zudem sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung weder auf Drehschlagschrauber noch auf Handwerkzeugmaschinen im Allgemeinen beschränkt ist, sondern - wie bereits eingangs erwähnt - bei unterschiedlichen netzunabhängigen und/oder netzabhängigen elektrischen Bearbeitungsgeräten Anwendung finden kann.
In dem Gehäuse 14 sind exemplarisch der von dem Akkupack 20 bzw. über das Netzkabel 22 mit Strom versorgte Elektromotor 12 samt einem Getriebe 24 und einem Schlagwerk 26 angeordnet. Der Elektromotor 12 ist über einen Hauptschalter 28 betätigbar, d.h. ein- und ausschaltbar sowie in seiner Drehzahl und/oder seinem Drehmoment veränderbar. Der Elektromotor 12 und das Getriebe 24 können alternativ auch in einem gemeinsamen Subgehäuse oder in separaten Motor- und Getriebegehäusen angeordnet sein, die ihrerseits im Gehäuse 14 aufgenommen sind. Das Schlagwerk 26 wird über eine Motorwelle 30 des Elektromotors 12 angetrieben und ist beispielhaft als ein Dreh- bzw. Rotationsschlagwerk ausgebildet, das schlagartige Drehimpulse mit hoher Intensität erzeugt und auf die Werkzeugaufnahme 18 überträgt, die zur wechselbaren Aufnahme eines Einsatzwerkzeugs 32 dient. Da die Werkzeugaufnahme 18 und das Einsatzwerkzeug 32 für die Erfindung als solche ohne Bedeutung sind, soll hierauf nicht näher eingegangen werden. Die möglichen Ausgestaltungsformen sind dem Fachmann hinlänglich bekannt.
Der Elektromotor 12 wird von einer Leistungsbrücke 34 einer Leistungselektronik 36 mit einer pulsweitenmodulierten Motorspannung U_M beaufschlagt. Dazu weist die Leistungsbrücke 34 diverse Leistungstransistoren (z.B. Bipolartransistoren, Feldeffekttransistoren, IGBT, oder dergleichen) auf, die je nach Ausführung des Elektromotors 12 z.B. als H-Brücke, B6-Brücke oder dergleichen verschaltet sein können. Eine Steuer- oder Regelelektronik 38 steuert die einzelnen Leistungstransistoren der Leistungsbrücke 34 entsprechend einem durch den Hauptschalter 28 vorgegebenen Signal zur Erzeugung der PWM-Spannung U_M an. Da dem Fachmann die unterschiedlichen Ausgestaltungsmöglichkeiten der Leistungsbrücke 34 sowie der Steuer- oder Regelelektronik 38 bekannt sind, soll hierauf nicht näher eingegangen werden. Die Steuer- oder Regelelektronik kann beispielsweise als ein Mikrocontroller, DSP, ASIC oder dergleichen ausgebildet sein.
Mit Bezug auf 2 umfasst der dreiphasige Elektromotor 12 einen innenliegenden Rotor 40 und einen außenliegenden Stator 42 mit drei Statorpolen 44. Jeder Statorpol 44^I, 44^II, 44^III weist im gezeigten Ausführungsbeispiel M = 2 Statorzähne 46 auf, die sich über den Umfang des Stators 42 diametral gegenüberliegend verteilen. Jeder Statorzahn 46^I, 46^II weist seinerseits eine Mehrzahl N = 4 Wicklungen 48 zum Antrieb des Rotors 40 auf. Die einzelnen Wicklungen 48^I, 48^II, 48^III, 48^IV können sich in ihrer Art, d.h. in der Anzahl ihrer Windungen, in ihrem Querschnitt und/oder in ihrem Material, unterscheiden. Sie können aber auch gleichartig ausgestaltet sein. Um den Stator 42 zu magnetisieren und somit den Rotor 40 in eine Drehbewegung zu versetzen, fließt jeweils ein Strom I_n durch die N = 4 Wicklungen 48 des entsprechenden Statorzahns 46^I, 46^II des Statorpols 44^I, 44^II, 44^III. Die auf diese Weise erzeugten Magnetfelder B_n sind proportional zu den Strömen I_n und der Anzahl der Windungen der einzelnen Wicklungen 48. Somit kann eine Wicklung mit wenigen Windungen und hohem Querschnitt, durch die ein hoher Strom fließt, das gleiche Magnetfeld erzeugen, wie eine Wicklung mit vielen Windungen und kleinem Querschnitt, durch die ein deutlich geringerer Strom fließt. Die einzelnen Magnetfelder B_n im Statorzahn 46^I, 46" addieren sich schließlich zu einem Gesamtmagnetfeld B = ∑_n=1 ^N B_n, das den Rotor 40 antreibt.
Zurückkommend auf 1 kann das elektrische Bearbeitungsgerät 10 von einem Bediener wahlweise mit der ersten Versorgungsspannung U_H von 230 V AC (50 Hz) oder mit der gegenüber der ersten Versorgungsspannung deutlich unterschiedlichen zweiten Versorgungsspannung U_L von 36 V DC betrieben werden. Die Umschaltung des Elektromotors 12 zwischen dem Betrieb mit der ersten Versorgungsspannung U_H und dem Betrieb mit der zweiten Versorgungsspannung U_L erfolgt derart, dass eine Umschaltvorrichtung 50 der Leistungselektronik 36 die N = 4 Wicklungen 48 eines Statorzahns 46 des Elektromotors 12 für den Betrieb mit der ersten Versorgungsspannung U_H oder der zweiten Versorgungsspannung U_L in Reihe und/oder parallelschaltet. Bei M * N in Reihe geschalteten gleichartigen Wicklungen 48 eines Statorpols 44^I, 44^II, 44^III kann der Elektromotor 12 somit gegenüber M * N parallelgeschalten Wicklungen 48 mit (M * N)-fach so hoher Versorgungsspannung betrieben werden, während im Parallelbetrieb ein (M * N)-fach so hoher Gesamtstrom gegenüber der Reihenschaltung fließen kann. Die Umschaltvorrichtung 50 kann elektronisch oder elektromechanisch ausgestaltet sein. Hierauf wird nachfolgend im Zusammenhang mit den 6 bis 11 noch näher eingegangen.
Die Umschaltung zwischen den Betriebsarten des Elektromotos 12 kann entweder manuell durch einen vom Bediener betätigbaren Betriebsartenschalter 52 und/oder automatisch mittels einer Sensorik 54 des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 erfolgen. Dabei kann die Steuer- oder Regelelektronik 38 des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 ein Anforderungssignal des Betriebsartenschalters 52 bzw. der Sensorik 54 zur Umschaltung zwischen den Betriebsarten des Elektromotors 12 auswerten und die Umschaltvorrichtung 50 zur Parallel- und/oder Reihenschaltung der entsprechenden Wicklungen 48 ansteuern. Ist die Umschaltvorrichtung 50 elektromechanisch aufgebaut, so ist es alternativ auch denkbar, dass der Betriebsartenschalter 52 mechanisch mit der Umschaltvorrichtung 50 gekoppelt ist und diese direkt verstellt.
Die Erzeugung des Anforderungssignals kann beispielsweise über eine Abdeckklappe 56 für einen Netzanschluss 58 des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 erfolgen. Diese ist bei Akkubetrieb geschlossen und bei Netzbetrieb infolge eines eingesteckten Netzsteckers 60 des Netzkabels 22 geöffnet. Mittels der Sensorik 54, beispielsweise in Form eines Reed-Kontakts oder Microschalters, wird die Stellung der Abdeckklappe 56 erfasst und das entsprechende Anforderungssignal zum Betrieb mit der ersten Versorgungsspannung U_H an die Steuer- oder Regelelektronik 38 gesendet. Ein Betrieb mit der ersten Versorgungsspannung U_H hat dabei trotz eingeschobenem Akkupack 20 Vorrang gegenüber dem Betrieb mit der zweiten Versorgungsspannung U_L. Alternativ ist es auch denkbar, dass die Spannungsversorgung mit der höchsten Leistungsfähigkeit Vorrang hat. Die Leistungselektronik 36 teilt sich dazu auf in eine erste Leistungselektronik 36_H für den Betrieb mit der ersten Versorgungsspannung U_H und in zumindest eine zweiten Leistungselektronik 36_L für den Betrieb mit der zumindest einen zweiten Versorgungsspannung U_L. In besonders vorteilhafter Weise sind die beiden Leistungselektroniken 36_H, 36_L galvanisch voneinander getrennt. Hierauf soll später noch näher mit Bezug auf 12 eingegangen werden. Um einerseits den Bediener vor Spannungsschlägen offen liegender und unter Spannung stehenden elektrischer Kontakte und andererseits das elektrische Bearbeitungsgerät 10 vor Kurzschlüssen durch offen liegende Kontakte zu schützen, ist ferner vorgesehen, dass im Falle des Netzbetriebs die elektrischen Kontakte der ungenutzten elektromechanischen Schnittstelle 19 für den Akkupack 20 und im Falle des Akkubetriebs die elektrischen Kontakte des ungenutzten Netzanschlusses 58 des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 galvanisch getrennt werden. Diese galvanische Trennung kann durch nicht näher gezeigte Schaltelemente der Umschaltvorrichtung 50 erfolgen, die im Falle einer elektromechanischen Ausgestaltung der Umschaltvorrichtung 50 entsprechende Luft- und Kriechstrecken aufweisen. Alternativ oder ergänzend ist es zudem möglich, die jeweils ungenutzten Anschlüsse 19 bzw. 58 mechanisch abzudecken. So kann im Falle des Akkubetriebs beispielsweise die Abdeckklappe 56 des Netzanschlusses 58 elektromechanisch verriegelt werden bzw. eine Nutzung des elektrischen Arbeitsgeräts 10 erst dann freigegeben werden, wenn die Abdeckklappe 56 verriegelt ist. Entsprechend ist eine Verriegelung der elektromechanischen Schnittstelle 19 für den Akkupack 20 denkbar, wobei es hier auch genügen könnte, nur die einzelnen elektrischen Kontakte der Schnittstelle 19 beispielsweise mit verschiebbaren Kunststoffkappen oder dergleichen abzudecken.
Die Erzeugung des Anforderungssignals bzw. die Detektion der gewünschten Betriebsart kann auf verschiedene weitere Weisen realisiert werden. Beispielsweise könnte sie auch mittels eines Human Machine Interfaces (HMI) in Gestalt eines Bedienpanels oder eines Touchdisplays am elektrischen Bearbeitungsgerät 10 erfolgen, das der Bediener entsprechend zu betätigen hat. Ein derartiges HMI kann zusätzlich auch als Anzeige für den mittels der Umschaltvorrichtung 50 eingestellten Betriebsmodus dienen. Selbstverständlich kann die Umschaltvorrichtung 50 auch selbst eine entsprechende Anzeige, beispielsweise in Form einer LED oder dergleichen aufweisen. Ergänzend oder alternativ wäre eine Steuerung per App über eine kabellose Schnittstelle per WLAN, Bluetooth oder dergleichen am elektrischen Bearbeitungsgerät 10 denkbar. Auch ein Schalter oder Taster am Netzkabel 22 wäre möglich. Weitere Lösungen zur Umschaltung der Betriebsart des Elektromotos 12 könnten durch einen RFID-Tag am Netzkabel 22, durch eine direkte Sensierung der Versorgungsspannung im elektrischen Bearbeitungsgerät 10 z.B. mittels Step-Up- und/oder Step-Down-Konverter oder durch eine Kodierung im Akkupack 20 realisiert sein. Für den Fall, dass sowohl das Netzkabel 22 als auch der Akkupack 20 mit dem elektrischen Bearbeitungsgerät 10 verbunden ist, könnte die Spannungsversorgung mit der höchsten Leistungsfähigkeit (sehr leistungsfähige Akkupacks haben teilweise eine höhere Stromlieferfähigkeit als eine Versorgung über das Stromnetz) oder grundsätzlich die Netzspannung Vorrang haben. Eine entsprechende Einstellung der Prioritäten kann beispielsweise in einer App vorgenommen werden. Weiterhin kann auch automatisch zwischen beiden Betriebsarten gewechselt werden, wenn z.B. die Netzversorgung bei eingestecktem Akkupack 20 abreißt oder umgekehrt ein eingesteckter Akkupack 20 weitestgehend entladen wurde.
Denkbar sind auch Sicherheitsfeatures, wie eine automatische oder manuelle Umschaltung auf Netzbetrieb im Falle des Transports des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 mit einem oder mehreren eingestecktem Akkupacks 20. Eine manuelle Umschaltung in einen Transportmodus erfolgt dabei beispielsweise durch den Bediener per Betriebsartenschalter 52 oder HMI; eine automatische Umschaltung erfolgt bei längerer Nichtbenutzung durch einen im elektrischen Bearbeitungsgerät 10 integrierten Bewegungs- oder Beschleunigungssensor. Wird das elektrische Bearbeitungsgerät 10 mit mehreren in Reihe geschalteten Akkupacks 20 (z.B. 2 x 18 V) transportiert, so ist auch eine galvanische Trennung der einzelnen Akkupacks 20 denkbar, um damit entsprechenden Transportnormen gerecht zu werden, da dann jeder Akkupack 20 als Einzelakkupack angesehen wird. Eine automatische Umschaltung vom Akku- auf den Netzbetrieb kann zudem vorgesehen sein, wenn es insbesondere bei einer Versorgung des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 durch mehrere in Reihe geschaltete Akkupacks 20 zu einem plötzlichen Temperaturanstieg eines der eingesteckten Akkupacks 20 kommt. Entsprechendes ist denkbar, wenn es zu einem abrupten Spannungsabfall der zumindest einen zweiten Versorgungsspannung U_L kommt, oder diese außerhalb eines zulässigen Spannungsbereichs liegt.
Da die Umschaltvorrichtung 50 mit Bezug auf 2 die N = 4 Wicklungen 48 eines Statorzahns 46^I, 46^II bei Betrieb mit der ersten Versorgungsspannung U_H bzw. bei Netzbetrieb in Reihe schaltet, fließt durch die M * N = 8 Wicklungen 48 eines Statorpols 44^I, 44^II, 44^III bei gleichartiger Ausgestaltung jeweils der gleiche Strom I₁ = I₂ = ... = I_MN. Es ergibt sich ein insgesamt geringer Strombedarf und für das Gesamtmagnetfeld gilt B = B₁ + B₂ ... + B_MN = M * N * B₁. Bei Betrieb mit der zweiten Versorgungsspannung U_L bzw. bei Akkubetrieb ergibt sich durch die Parallelschaltung der M * N = 8 Wicklungen 48 eine Addition ihrer Einzelströme I₁ + I₂ + ... + I_MN. Für den Fall, dass jede der 8 Wicklungen 48 in ihrer Art gleich ist, resultiert hieraus ein Gesamtstrom I = 8 * I₁, was dazu führt, dass sich das Gesamtmagnetfeld wieder zu B = 8 * B₁ ergibt. Folglich weist der Elektromotor 12 in beiden Betriebsarten eine im Wesentlichen gleiche Maximalleistung auf. Je nach Höhe der ersten und der zweiten Versorgungsspannung U_H, U_L können so bei im Wesentlichen gleicher Maximalleistung des Elektromotors 12 unterschiedlich viele der M * N Wicklungen 48 eines Statorpols 44^I, 44^II, 44^III parallel und/oder in Reihe geschaltet werden. Dies ermöglicht dann einen so genannten Multispannungsbetrieb des erfindungsgemäßen Elektromotors 12 bzw. ein Multispannungsgerät für den Netz-, Akku- oder Hybrid-Betrieb, d.h. z.B. einen Akkubetrieb mit 12, 18 oder 36 und/oder einen Netzbetrieb mit 120 oder 230 V, ohne die Anzahl der Statorzähne 46 im Elektromotor 12 anpassen zu müssen. Daraus lässt sich beispielhaft die folgende Anzahl M * N von Wicklungen 48 pro Phase U, V, W bzw. Statorpol 44^I, 44^II, 44^III bestimmen, wobei das Spannungsverhältnis aus der gleichgerichteten, ersten Versorgungsspannung U_H und der zweiten Versorgungsspannung U_L gerundet werden kann, da der Elektromotor 12 im Allgeneinen kleinere Versorgungsspannungsunterschiede toleriert:

• U_H = 230 V AC (ca. 300 V DC), U_L = 12 V DC → M * N = 25 Wicklungen 48
• U_H = 230 V AC (ca. 300 V DC), U_L = 18 V DC (max. ca. 20 V) → M * N = 15 Wicklungen 48
• U_H = 230 V AC (ca. 300 V DC), U_L = 36 V DC (max. ca. 40 V) → M * N ≅ 8 Wicklungen 48
• U_H = 120 V AC (ca. 150 V DC), U_L = 12 V DC → M * N ≅ 12 Wicklungen 48
• U_H = 120 V AC (ca. 150 V DC), U_L = 18 V DC (max. ca. 20 V) → M * N ≅ 8 Wicklungen 48
• U_H = 120 V AC (ca. 150 V DC), U_L = 36 V DC (max. ca. 40 V) → M * N ≅ 4 Wicklungen 48

Für einen möglichst optimalen Rundlauf und entsprechend optimierte Symmetrieeigenschaften des Elektromotors 12 ist es zweckmäßig, die Anzahl der Wicklungen 48 gleichmäßig über die M Statorzähne 46 der Statorpole 44 zu verteilen. Weist z.B. jeder Statorpol 44^I, 44^II, 44^III M = 2 Statorzähne 46 auf, so sollte die Anzahl der Wicklungen 48 je Statorpol 44^I, 44^II, 44^III ganzzahlig durch M teilbar sein, also z.B. im Falle von 2 Statorzähnen 46 je Statorpol 44^I, 44^II, 44^III 26 statt 25 und 16 statt 15 Wicklungen 48.
Für einen Betrieb mit der zweiten Versorgungsspannung U_L kann beispielweise ergänzend vorgesehen sein, dass die Umschaltvorrichtung 50 die Wicklungen 48 eines Statorpols 44^I, 44^II, 44^III derart parallelschaltet, dass im Falle eines kleinen Maximalstroms, eine kleinere Anzahl J < M * N Wicklungen 48 parallelgeschaltet ist, als im Falle eines gegenüber dem kleinen Maximalstrom deutlich höheren Maximalstroms. Entsprechend können für einen Betrieb mit der ersten Versorgungsspannung U_H J < M * N Wicklungen 48 in Reihe geschaltet werden, um den Elektromotor 12 mit unterschiedlichen Netzspannungen betreiben zu können. Auch ist es möglich, dass die Umschaltvorrichtung 50 zumindest einen Teil der M * N Wicklungen 48 eines Statorpols 44^I, 44^II, 44^III für einen Betrieb mit zumindest einer Zwischenspannung U_Z parallel und in Reihe schaltet, wobei die Zwischenspannung U_Z zwischen der zumindest einen ersten Versorgungsspannung U_H und der zumindest einen zweiten Versorgungsspannung U_L liegt.
In 3 ist eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Elektromotos 12 dargestellt, bei dem die Umschaltung zwischen dem Betrieb mit der ersten Versorgungsspannung U_H und dem Betrieb mit der zumindest einen zweiten Versorgungsspannung U_L derart erfolgt, dass die Umschaltvorrichtung 50 für den Betrieb mit der ersten Versorgungsspannung U_H eine erste Wicklung 48^I eines Statorzahns 46^II, insbesondere eine Wicklung 48 mit hoher Anzahl von Windungen und kleinem Querschnitt, und für den Betrieb mit der zumindest einen zweiten Versorgungsspannung U_L eine zweite Wicklung 48" des Statorzahns 46", insbesondere eine Wicklung 48 mit kleiner Anzahl von Windungen und großem Querschnitt, aktiviert. Dabei ist die zweite Wicklung 48" in besonders vorteilhafter Weise über die erste Wicklung 48^I gewickelt. Dies ermöglicht auf einfache und kostengünstige Weise die Realisierung eines Dualspannungsgeräts für den Hybrid-Betrieb mit einer „Hochspannungs-Wicklung“ 48^I, die z.B. für einen Netzbetrieb mit typ. 300V DC ausgelegt ist, und einer „Niederspannungs-Wicklung“ 48^II, die für einen Akkubetrieb mit 36 V ausgelegt ist. Auch hier können die Wicklungen 48 derart ausgestaltet sein, dass der Elektromotor 12 in beiden Betriebsarten mit im Wesentlichen gleicher Maximalleistung betreibbar ist. Ebenso sind mehr als zwei Wicklungen 48 je Statorzahn 46^I, 46^II und weniger oder mehr als zwei Statorzähne 46 je Statorpol 44^I, 44^II, 44^III denkbar. So kann die Erfindung auch für sehr kleine bzw. schnelldrehende Elektromotoren 12 mit nur einem Statorzahn 46 pro Statorpol 44^I, 44^II, 44^III (einfache dreiphasige EC-Motoren) angewendet werden.
4 zeigt die Verschaltung der drei durch die Leistungsbrücke 34 per PWM-Signal angesteuerten Phasen U, V, W des Elektromotors 12 mit jeweils parallel geschalteten Wicklungen 48 der drei Statorpole 44 in einer Dreieckschaltung. Dabei sind die beiden Wicklungen 48 der Statorzähne 46 jedes Statorpols 44^I, 44^II, 44^III (vgl. auch 3) als eine Gruppe zusammengefasst. In 5 ist im Unterschied zu 4 eine Sternschaltung der Phasen U, V, W mit jeweils in Reihe geschalteten Wicklungen 48 der drei Statorpole 44 des Elektromotors 12 dargestellt. Durch die Möglichkeit, den Elektromotor 12 nicht nur mit parallel oder in Reihe geschalteten Wicklungen 48, sondern auch mit in Dreieck- oder in Sternschaltung geschalteten Phasen U, V, W betreiben zu können, ist ein sehr universeller Einsatz des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 von kleinen Gleichspannungen bis zu hohen Wechselspannungen in Verbindung mit einer einfach auszulegenden und kostengünstigen Leistungselektronik 36 bzw. Umschaltvorrichtung 50 möglich. Weiterhin erlaubt die Nutzung aller Wicklungen 48 des Elektromotors 12 für die verschiedenen Betriebsarten ein reduziertes Gewicht des Elektromotors 12 bei gleichzeitiger Effektivitätssteigerung. Durch die wahlweise Verschaltung der Phasen U, V, W als Stern- oder Dreieckschaltung ergibt sich einerseits in Verbindung mit der Sternschaltung eine deutliche Reduzierung des Strombedarfs um einen Faktor von 1,73 (Wurzel 3) je Phase U, V, W bzw. Statorpol 44^I, 44^II, 44^III, was insbesondere bei einem Anlaufen des Elektromotors 12 von Vorteil ist, während in der Dreieckschaltung hohe Ströme und Leistungen nutzbar sind. Daraus lässt sich unter Berücksichtigung der obigen Ausführungen beispielhaft für die Sternschaltung die folgende reduzierte Anzahl M * N von Wicklungen 48 pro Phase U, V, W bzw. Statorpol 44^I, 44^II, 44^III bestimmen:

• U_H = 230 V AC (ca. 300 V DC), U_L = 12 V DC → M * N ≅ 14 Wicklungen 48
• U_H = 230 V AC (ca. 300 V DC), U_L = 18 V DC (max. ca. 20 V) → M * N ≅ 9 Wicklungen 48
• U_H = 230 V AC (ca. 300 V DC), U_L = 36 V DC (max. ca. 40 V) → M * N ≅ 4 Wicklungen 48
• U_H = 120 V AC (ca. 150 V DC), U_L = 12 V DC → M * N ≅ 7 Wicklungen 48
• U_H = 120 V AC (ca. 150 V DC), U_L = 18 V DC (max. ca. 20 V) → M * N ≅ 4 Wicklungen 48
• U_H = 120 V AC (ca. 150 V DC), U_L = 36 V DC (max. ca. 40 V) → M * N ≅ 2 Wicklungen 48

Für einen Betrieb mit der ersten Versorgungsspannung U_H ist es zweckmäßig, in Ergänzung zur Sternschaltung sämtliche Wicklungen 48 eines Statorpols 44^I, 44^II, 44^III in Reihe zu schalten. Ergänzend oder alternativ kann es für einen Betrieb mit der zweiten Versorgungsspannung U_L zweckmäßig sein, in Ergänzung zur Dreieckschaltung sämtliche Wicklungen 48 eines Statorpols 44^I, 44^II, 44^III parallel zu schalten. Da immer alle Wicklungen 48 des Stators 42 gleichzeitig bestromt werden, kann auf diese Weise der Elektromotor 12 bei optimaler Ausnutzung des Bauraums und minimaler Wicklungsanzahl einerseits mit einer Sternschaltung der Phasen U, V, W für die erste Versorgungsspannung U_H und mit einer Dreieckschaltung der Phasen U, V, W für die zweite Versorgungsspannung U_L betrieben werden. Mit besonderem Vorteil lässt sich der Elektromotor 12 im Akkubetrieb mit der zumindest einen zweiten Versorgungsspannung U_L nicht auf eine Sternschaltung umschalten, sondern nur mit in Dreieck geschalteten Phasen U, V, W betreiben. Somit werden alle Wicklungen 48 mit einer geringeren Motorspannung U_M als im Netzbetrieb mit der ersten Versorgungsspannung U_H versorgt und der Elektromotor 12 läuft mit reduzierter Leistung. Dies erlaubt dann beispielsweise einen sanften Anlauf des Elektromotors 12 eines als Bohrhammer ausgestalteten elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 zur Erzeugung einer möglichst effektiven Schlagenergie. Ebenso kann diese Vorgehensweise auch einen Warmlauf, einen reduzierten Betrieb für Wechselakkupacks 20 mit verminderter Leistungsfähigkeit (z.B. infolge Alterung) oder eine reduzierte Leistungsaufnahme im Leerlauf ermöglichen. Dabei kann zusätzlich vorgesehen sein, dass der Elektromotor 12 bei Umschaltung der Wicklungen 48 zwischen dem Betrieb mit der ersten Versorgungsspannung U_H und der zweiten Versorgungspannung U_L sowohl mit in Sternschaltung als auch mit in Dreieckschaltung geschalteten Phasen U, V, W mit im Wesentlichen gleicher Maximalleistung betreibbar ist.
In Verbindung mit der Möglichkeit eines Sanftanlaufs und einer entsprechend hohen Anzahl N von Wicklungen 48 je Statorzahn 46^I, 46^II, von denen dann nicht alle Wicklungen 48 permanent bestromt sind, kann weiterhin ein so genannter Booster-Betrieb umgesetzt werden, bei dem die Umschaltvorrichtung 50 kurzzeitig alle Wicklungen 48 der Statorzähne 46 für den Betrieb mit der zumindest einen ersten Versorgungsspannung U_H und für den Betrieb mit der zumindest einen zweiten Versorgungsspannung U_L gleichzeitig bestromt, um eine deutlich höhere Motorleistung zur Deckung von Leistungsspitzen zu erzielen. Ein Booster-Betrieb ist ergänzend oder alternativ gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 2 auch im reinen Akkubetrieb mit der zumindest einen zweiten Versorgungsspannung U_L möglich. So können die Wicklungen 48 eines Statorzahns 46', 46" situationsbedingt in Abhängigkeit des Ladezustandes des Akkus bzw. Akkupacks 20 - bei geringem Ladezustand ist auch die verfügbare zweite Versorgungsspannung U_L gering - und der Last - ein höherer Laststrom I bewirkt einen höheren Spannungsabfall und damit eine höhere zweite Versorgungsspannung U_L - sehr schnell (quasi in Echtzeit) mittels einer elektronisch ausgestalteten Umschaltvorrichtung 50 in Reihe und/oder parallel verschaltet werden. Bei hoher Last und kleinem Ladezustand des Akkus bzw. Akkupacks 20 wäre dann ein Wicklungs-Mix mit höherem Parallelverschaltungsanteil und bei kleiner Last und hohem Ladezustand mit geringerem Parallelverschaltungsanteil vorteilhaft. Ein Booster-Betrieb kann auch derart realisiert werden, dass zumindest eine der Wicklungen 48 eines Statorzahns 46^I, 46^II nur hierfür zusätzlich bestromt wird und ansonsten für den Akku- und Netzbetrieb im normalen Leistungsbereich unbestromt bleibt.
6 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung 50 für den Elektromotor 12 mit drei Phasen U, V, W bzw. Statorpolen 44, wobei analog zu den 3 bis 5 jeder Statorpol 44^I, 44^II, 44^III M = 2 Statorzähne 46 mit jeweils N = 2 Wicklungen 48 aufweist. Jede Wicklung 48', 48" des Elektromotors 12 ist über jeweils zwei elektrische Kontaktpunkte 62 mit der Umschaltvorrichtung 50 verbunden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind demnach insgesamt 3 * 8 = 24 Kontaktpunkte 62 zwischen dem dreiphasigen Elektromotor 12 und der Umschaltvorrichtung 50 erforderlich. Der Übersichtlichkeit halber wurde in 6 nur die Phase U bzw. der Statorpol 44' innerhalb einer schematischen Box 64^I im Detail gezeigt. Die beiden übrigen Phasen V und W bzw. Statorpole 44^II, 44^III sind entsprechend ausgestaltet und daher nur als leere Boxen 64^II und 64^III dargestellt. Die elektrischen Kontaktpunkte 62 zwischen Elektromotor 12 und Umschaltvorrichtung 50 können als Steckverbindungen, Crimpverbindungen, Schraubverbindungen, Lötverbindungen oder Schweißverbindungen ausgebildet sein (vgl. 7).
Die Umschaltvorrichtung 50 weist je Phase U, V, W bzw. Statorpol 44^I, 44^II, 44^III eine Mehrzahl erster Schaltelemente 66 zur Reihenschaltung der Wicklungen 48 der Statorzähne 46 und eine Mehrzahl zweiter Schaltelemente 68 zur Parallelschaltung der Wicklungen 48 der Statorzähne 46 auf. Dabei sind für jeden Statorpol 44^I, 44^II, 44^III mit jeweils M Statorzähnen 46 und N Wicklungen 48 je Statorzahn 46^I, 46^II zur Reihenschaltung und/oder zur Parallelschaltung der insgesamt M * N Stator-Wicklungen 48 M * N - 1 erste Schaltelemente 66 und M * (2N - 1) zweite Schaltelemente 68 vorgesehen. Bei einem dreiphasigen Stator 42 mit drei Statorpolen 44, M = 2 Statorzähnen 46 pro Statorpol 44^I, 44^II, 44^III und N = 2 Wicklungen 48 pro Statorzahn 46^I, 46^II ergeben sich auf diese Weise je Statorpol 44^I, 44^II, 44^III 2 * 2 - 1 = 3 erste Schaltelemente 66 und 2 * (4 - 1) = 6 zweite Schaltelemente 68. In Summe weist die Umschalteinrichtung 50 daher 3 * (3 + 6) = 27 erste und zweite Schaltelemente 66, 68 auf. Zur Reihenschaltung der Wicklungen 48 werden die ersten Schaltelemente 66 der Umschaltvorrichtung 50 geschlossen und die zweiten Schaltelemente 68 geöffnet, während zur Parallelschaltung der Wicklungen 48 in umgekehrter Weise die ersten Schaltelemente 66 geöffnet und die zweiten Schaltelemente 68 geschlossen werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel liegt demnach eine Reihenschaltung der Wicklungen 48 vor.
Um die Phasen U, V, W des Elektromotors 12 bzw. dessen Statorpole 44 ergänzend in einer Stern- oder Dreieckschaltung verschalten zu können, ist je Statorpol 44^I, 44^II, 44^III zusätzlich noch ein drittes Schaltelement 70 und ein viertes Schaltelement 72 vorgesehen. Dabei werden zur Sternschaltung der Phasen U, V, W die dritten Schaltelemente 70 geschlossen und die vierten Schaltelemente 72 geöffnet, während für die Dreieckschaltung der Phasen U, V, W die dritten Schaltelemente 70 geöffnet und die vierten Schaltelemente 72 geschlossen werden. Im gezeigten Ausführungsbeispiel liegt demnach neben der Reihenschaltung der Wicklungen 48 eine Dreieckschaltung vor, also eine gegenüber den 4 und 5 weitere Schaltvariante der Erfindung. Für einen dreiphasigen Elektromotor 12 mit M = 2 Statorzähnen 46 je Statorpol 44^I, 44^II, 44^III und N = 2 Wicklungen 48 je Statorzahn 46^I, 46^II ergeben sich so in Summe 27 + 6 = 33 erste, zweite, dritte und vierte Schaltelemente 66, 68, 70, 72 für die Umschaltvorrichtung 50. Ohne die zusätzliche Umschaltmöglichkeit von einer Dreieck- auf eine Sternschaltung wären gemäß den obigen Ausführungen um den Faktor 1,73-mal so viele Wicklungen 48 notwendig, also im vorliegenden Beispiel N = 4 statt 2 Wicklungen 48 pro Statorzahn 46^I, 46^II. Somit wären statt der 33 ersten, zweiten, dritten und vierten Schaltelemente 66, 68, 70, 72, dann insgesamt 3 * ((M * N - 1) + M * (2N - 1)) = 63 erste und zweite Schaltelemente 66, 68 für die Umschaltvorrichtung 50 erforderlich, wobei die dritten und vierten Schaltelemente 70, 72 dann entfielen. Die zusätzliche Umschaltmöglichkeit zwischen einer Stern- und einer Dreieckschaltung führt demnach zu einer deutlichen Reduzierung der benötigten Schaltelemente der Umschaltvorrichtung 50 und damit auch zu einer weiteren Bauraum-, Gewichts- und Kostenersparnis.
Zum Aktivieren einer Reihenschaltung aller Wicklungen 48 eines Statorpols 44^I, 44^II, 44^III in Verbindung mit einer Sternschaltung der Phasen U, V, W gemäß 5 werden dann alle ersten und dritten Schaltelemente 66, 72 geschlossen und alle zweiten und vierten Schaltelemente 68, 72 geöffnet. Zum Aktivieren einer Parallelschaltung aller Wicklungen 48 eines Statorpols 44^I, 44^II, 44^III in Kombination mit einer Dreieckschaltung der Phasen U, V, W gemäß 4 werden alle zweiten und vierten Schaltelemente 68, 72 geschlossen und alle ersten und dritten Schaltelemente 66, 70 geöffnet. Dies kann gleichzeitig erfolgen oder mit besonderem Vorteil zur Vermeidung von Kurzschlüssen mit einer Totzeit T von wenigen Nanosekunden bis zu einigen Sekunden zwischen den Umschaltvorgängen der ersten und zweiten Schaltelemente 66, 68 bzw. dritten und vierten Schaltelemente 70, 72.
Um den Elektromotor 12 auch in Ländern mit leicht abweichenden ersten Versorgungspannungen U_H betreiben zu können (beispielsweise Japan, Australien, etc.), ist im Falle der Sternschaltung je Statorpol 44^I, 44^II, 44^III eine zuschaltbare Last 74 vorgesehen. Diese ist derart zwischen dem vierten Schaltelement 72 und einem Massepotential GND der Umschaltvorrichtung 50 geschaltet, dass sie nur bei geschlossenem vierten Schaltelement 72 der Umschaltvorrichtung 50 wirken kann. Dazu weist die zuschaltbare Last 74 eine Parallelschaltung eines weiteren Schaltelements 76 und eines Leistungswiderstands 78 auf. Durch ein Schließen des weiteren Schaltelements 76 kann die Last 74 deaktiviert und durch ein Öffnen aktiviert werden. So ist es bei aktivierter Sternschaltung und Last 74 auf sehr einfache Weise möglich, einen Netzbetrieb mit 240 V statt 230 V oder mit 120 V statt 110 V zu realisieren. Eine Erkennung der jeweiligen ersten Versorgungsspannung U_H kann beispielsweise über eine entsprechende mechanische oder elektrische Kodierung, einen RFID-Tag oder dergleichen am Netzkabel 22 erfolgen. Ebenso ist eine Umschaltung durch den Bediener mittels des Betriebsartenschalters 52 oder eines HMI des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 oder aber im Gegensatz dazu eine feste Vorgabe, die nur vom Hersteller verändert werden kann, denkbar.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Umschaltvorrichtung 50 zumindest ein zusätzliches Umschaltelement (nicht gezeigt) zur Umschaltung zweier Lage- und/oder Drehzahlsensoriken 78_H, 78_L für den Rotor 40 des Elektromotors 12 in Abhängigkeit vom Betrieb des Elektromotors 12 mit der ersten Versorgungsspannung U_H oder mit der zumindest einen zweiten Versorgungsspannung U_L auf (vgl. 2). Somit ist es möglich, die Lage- und/oder Drehzahlsensoriken 78_H, 78_L in besonders einfacher Weise an die Steuer- oder Regelelektronik 38 bzw. die von ihr gesteuerten Leistungselektroniken 36_H, 36_L zum korrekten Betrieb des Elektromotors 12 anzupassen. Dies ist notwendig, da typischerweise für die Leistungselektroniken 36_H, 36_L für die erste und die zumindest eine zweite Versorgungspannung U_H, U_L unterschiedliche Sensorpositionen der einzelnen Sensoren vorliegen. So sind in der Regel die drei Hall-Sensoren der Lage- und/oder Drehzahlsensorik 78_H für die Leistungselektronik 36_H anders über den Umfang des Rotors 40 verteilt angeordnet als die drei Hall-Sensoren der Lage- und/oder Drehzahlsensorik 78_L für die Leistungselektronik 36_L. Auch ist es denkbar, jeweils einen der drei Hall-Sensoren der Lage- und/oder Drehzahlsensoriken 78_H, 78_L gemeinsam für die Leistungselektroniken 36_H, 36_L zu nutzen, so dass insgesamt nur fünf Hall-Sensoren benötigt werden. Weiterhin ist es möglich, für beide Leistungselektronik 36_H, 36_L dieselben drei Hall-Sensoren zu verwenden. Doch auch in diesem Fall ist eine Umschaltung mittels der Umschaltvorrichtung 50 für den sicheren Betrieb der jeweiligen Leistungselektronik 36_H, 36_L vorteilhaft. Die Umschaltung der Lage- und/oder Drehzahlsensoriken 78_H, 78_L erfolgt vorzugsweise dann, wenn der Elektromotor 12 nicht in Betrieb ist, um z.B. die Luft- oder Kriechstrecken zwischen Netz- und Akkuversorgung zu sichern oder EMV-Störungen zu vermeiden.
Sämtliche Schaltelemente der Umschaltvorrichtung 50 können als Halbleiter-Schalter, insbesondere als MOSFETs, Feldeffekt-Transistoren, IGBT, BipolarTransistoren, oder dergleichen ausgebildet sein. Ebenso sind Relais denkbar. Je nach Anforderung an die Belastbarkeit und Schaltgeschwindigkeit kommen aber auch Mischformen in Frage, bei denen beispielsweise die ersten und zweiten Schaltelemente 66, 68 als Halbleiter-Schalter und die dritten und vierten Schaltelemente 70, 72 sowie die weiteren Schaltelemente 76 als Relais ausgebildet sind.
Wie bereits weiter oben erwähnt, erfolgt die Umschaltung insbesondere der ersten, zweiten, dritten und vierten Schaltelemente 66, 68, 70, 72 der Umschaltvorrichtung 50 mittels der in dem elektrischen Bearbeitungsgerät 10 integrierten Steuer- oder Regelelektronik 38 in Abhängigkeit vom Betriebsartenschalter 52 bzw. von der Sensorik 54. Gleichzeitig steuert die Steuer- oder Regelelektronik 38 in Abhängigkeit vom Hauptschalter 28 die Leistungsbrücke 34 zur Beaufschlagung der Wicklungen 48 der einzelnen Phasen U, V, W mit der PWM-Spannung U_M an. Die Umschaltvorrichtung 50 befindet sich daher schaltungstechnisch zwischen der Leistungsbrücke 34 und dem Elektromotor 12. Wie nachfolgend in Verbindung mit den 7 bis 11 noch ausgeführt wird, kann die Umschaltvorrichtung 50 alternativ auch elektromechanisch mit entsprechenden als Schaltkontakte ausgebildeten Schaltelementen ausgestaltet sein. Ebenso ist eine Mischform aus Halbleiter-Schalter und elektromechanischen Schaltkontakten denkbar. So können beispielsweise die für Reihen- und/oder Parallelschaltung der Wicklungen 48 notwendigen ersten und zweiten Schaltelemente 66, 68 sowie die für die Lage- und/oder Drehzahlsensorik 78 notwendigen Schaltelemente als elektromechanische Schaltkontakte und die für die Stern- oder Dreieckschaltung der Phasen U, V, W notwendigen dritten und vierten Schaltelemente 70, 72 sowie die für die länderspezifische Netzanpassung notwendigen weiteren Schaltelemente 76 als Halbleiter-Schalter ausgebildet sein.
In 7 ist eine Explosionszeichnung des erfindungsgemäßen Elektromotors 12 mit dem Rotor 40, dem Stator 42, einem statorseitigen Adapterring 80 und der erfindungsgemäßen elektromechanisch ausgebildeten Umschaltvorrichtung 50 gezeigt. Um einen möglichst kompakten Elektromotor 12 mit einfacher Austauschbarkeit zu ermöglichen, ist die Umschaltvorrichtung 50 als eine modulare Baugruppe des Elektromotors 12 ausgebildet, die entlang einer durch die Motorwelle 30 des Elektromotors 12 definierten Achse aufgebaut ist. Der Rotor 40 weist eine Mehrzahl von Permanentmagneten 82 auf, die drehfest mit der Motorwelle 30 verbunden sind. Ebenso drehfest mit der Motorwelle 30 verbunden ist ein Lüfter 84 zur Kühlung des Elektromotors 12 und ggf. der Leistungselektronik 36 des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10. Der Rotor 40 bzw. die Motorwelle 30 sind mittels eines Lagers 86, das beispielsweise als Kugel- oder Wälzlager ausgebildet sein kann, in dem Stator 42 gelagert. Der Stator 42 weist seinerseits über seinen inneren Umfang verteilt auf den Statorzähnen 46 die Wicklungen 48 auf (vgl. hierzu auch die 2 und 3). Umgeben ist der Stator 42 von einem als Blechpaket ausgebildeten Poltopf 88.
Mittels der an dem Adapterring 80 als Kontaktstifte 90 und an der Umschaltvorrichtung 50 als Kontaktbuchsen 68, (nicht im Detail gezeigt) ausgebildeten elektrischen Kontaktpunkte 62 sind die Schaltelemente 66, 68, 70, 72, 76 der Umschaltvorrichtung 50 mit den Wicklungen 48 der Statorpole 44 bzw. Statorzähne 46 an einer der Motorwelle 30 abgewandten Seite des Elektromotors 12 reversibel verbindbar. Dazu sind die elektrischen Kontaktpunkte 62 jeweils ringförmig verteilt am Adapterring 80 und an einem äußeren Umfang der Umschaltvorrichtung 50 angeordnet. Somit kann die Umschaltvorrichtung 50 seitens des Herstellers sehr einfach auf die Adapterplatte 80 des Stators 42 aufgesteckt und bei Bedarf wieder von dieser abgezogen werden. Die Kontaktstifte 90 sind ihrerseits mit den Wicklungen 48 des Stators 42 dauerhaft verlötet, vercrimpt oder verschweißt. Die Kontaktbuchsen 92 der Umschaltvorrichtung 50 können einstückig über Kupferbahnen im Sinne eines Stanzgitters oder ebenfalls über Löt-, Crimp- oder Schweißverbindungen mit den Schaltelementen 66, 68, 70, 72, 76 verbunden sein. Statt einer reversiblen Steckverbindung zwischen Umschaltvorrichtung 50 und Adapterring 80 ist es alternativ auch denkbar, dass die elektrischen Kontaktpunkte 62 zwischen Umschaltvorrichtung 50 und Adapterring 80 bzw. den Wicklungen 48 dauerhaft verlötet oder verschweißt sind. Ebenso ist eine direkte Crimp- oder Schraubverbindung der Wicklungen 48 mit den Schaltelementen 66, 68, 70, 72, 76 oder den elektrischen Kontaktpunkten 62 der Umschaltvorrichtung 50 möglich.
Die elektromechanische Umschaltvorrichtung 50 ist zweiteilig aufgebaut. Sie besteht aus einem topfförmigen Gehäuseteil 94 und einem Deckel 96 der im gezeigten Ausführungsbeispiel als drehbarer Betriebsartenschalter 52 ausgebildet ist. In dem topfförmigen Gehäuseteil 94 sind die als Kontaktbuchsen 92 ausgebildeten elektrischen Kontaktpunkte 62 ringförmig angeordnet und beispielswiese per Stanzbahnen, Kabel oder Leiterbahnen einer Leiterplatte mit den Anschlüssen der Schaltelemente 66, 68, 70, 72, 76 verbunden. Die Anschlüsse der Schaltelemente 66, 68, 70, 72, 76 können beispielsweise als Kontaktgleiter bzw. Kontaktfedern 98 ausgebildet sein, die aus einer Kupferlegierung wie z.B. CuSn6 bestehen oder als Sandwichfedern bestehend aus einem Federstahl mit Kupferauflage ausgebildet sind und über entsprechende Kontaktbahnen 100 gleiten (vgl. hierzu auch 9).
In 8a sind unter Bezugnahme auf 6 drei erste und sechs zweite Schaltelemente 66, 68 auf einer äußeren Kreisbahn sowie drei dritte und drei vierte Schaltelemente 70, 72 auf einer inneren Kreisbahn eines als tellerförmige Leiterplatte 102 ausgebildeten Trägers 104 angeordnet. Die zur besseren Übersichtlichkeit lediglich als Punkte dargestellten Kontaktgleiter 98 der Schaltelemente 66, 68, 70, 72 gleiten auf den bogenförmigen Kontaktbahnen 100, die beispielweise als Kupferbahnen der Leiterplatte 102 ausgebildet sind und die zur besseren sowie beständigen, elektrischen Leitfähigkeit jeweils eine vergoldete, versilberte, verzinnte, verzinkte oder vernickelte Oberflächenbeschichtung aufweisen. Dies gilt in gleicher Weise für die Oberflächen der Kontaktgleiter 98. Die ersten und zweiten Schaltelemente 66, 68 sowie die dritten und vierten Schaltelemente 70, 72 teilen sich jeweils einen Kontaktgleiter 98 als gemeinsamen elektrischen Kontaktpunkt 62 (vgl. hierzu auch 6). Nur, wenn beide Kontaktgleiter 98 eines Schaltelements 66, 68, 70, 72 elektrischen Kontakt zu einer Kontaktbahn 100 haben, ist das jeweilige Schaltelement 66, 68, 70, 72 elektrisch geschlossen; andernfalls ist es geöffnet. In 8a sind daher in der gezeigten Stellung der Leiterplatte 102 die zweiten und vierten Schaltelemente 68, 72 zur Erzeugung einer Parallelschaltung der Wicklungen 48 eines Statorpols 44^I, 44^II, 44^III in Verbindung mit einer Dreieckschaltung der Phasen U, V, W des Elektromotors 12 geschlossen (vgl. 4), während die ersten und dritten Schaltelemente 66, 70 geöffnet sind. Es sei darauf hingewiesen, dass die in 8a abgebildete Leiterplatte 102 zwar alle drei Phasen U, V, W aber nur die Wicklungen 48 eines einzigen Statorpols 44^I schalten kann. Demzufolge muss die Umschaltvorrichtung 50 für die Wicklungen 48 der beiden anderen Statorpole 44^II, 44^III entweder noch zwei weitere Leiterplatten 102 aufweisen, die entsprechend der dargestellten Leiterplatte 102 aufgebaut und benachbart zur ersten Leiterplatte 102 angeordnet sind, aber auf der inneren Kreisbahn keine Kontaktbahnen 100 mehr für die dritten und vierten Schaltelemente 70, 72 tragen, oder die auf zwei weiteren Kreisbahnen jeweils die zusätzlich benötigten drei ersten und sechs zweiten Schaltelemente 66, 68 je Phase V, W bzw. Statorpol 44^II, 44^III aufweist. Die einzelnen Kontaktbahnen 100 müssen zudem derart in ihrer Bogenlänge und Positionierung ausgelegt sein, dass keine fehlerhaften Schaltzustände für die gewünschten Betriebsarten entstehen. Entsprechend sind benachbart zu den Kontaktbahnen 100 Luft- oder Kriechstrecken 106 auf der Leiterplatte 102 zur Erzeugung der Totzeit T zwischen den Umschaltvorgängen vorgesehen.
Die zumindest eine Leiterplatte 102 ist derart mittelbar (beispielsweise über ein Gestänge, Getriebe oder dergleichen) oder gemäß 8b unmittelbar mit dem Betriebsartenschalter 52 wirkverbunden, dass ein Verdrehen des Betriebsartenschalters 52 durch den Bediener in Drehrichtung R ein Schließen der ersten und dritten Schaltelemente 66, 70 und ein Öffnen der zweiten und vierten Schaltelemente 68, 72 zur Erzeugung einer Reihenschaltung der Wicklungen 48 eines Statorpols 44^I, 44^II, 44^III in Verbindung mit einer Sternschaltung der Phasen U, V, W bewirkt (vgl. 5). Ein anschließendes Zurückdrehen entgegen der Drehrichtung R führt dann wieder zu einem Öffnen der ersten und dritten Schaltelemente 66, 70 und zu einem Schließen der zweiten und vierten Schaltelemente 68, 72 zur Erzeugung einer Parallelschaltung der Wicklungen 48 eines Statorpols 44^I, 44^II, 44^III in Verbindung mit einer Dreieckschaltung der Phasen U, V, W. Da - wie eingangs beschrieben - die ersten und zweiten Schaltelemente 66, 68 sowie die dritten und vierten Schaltelemente 70, 72 jeweils komplementär zueinander geschaltet werden, dienen die Luft- oder Kriechstrecken 106 zur Vermeidung von Kurzschlüssen durch unbeabsichtigte gleichzeitige Schließzustände der ersten und zweiten bzw. dritten und vierten Schaltelemente 66, 68 bzw. 70, 72.
Alternativ ist es auch denkbar, dass die ersten und zweiten Schaltelemente 66, 68 zur Parallel- bzw. Reihenschaltung der Wicklungen 48 aller drei Statorpole 44 auf einer ersten tellerförmigen Leiterplatte 102 angeordnet sind und die Umschaltvorrichtung 50 eine unabhängig von der ersten Leiterplatte 102 drehbare zweite tellerförmige Leiterplatte 102 mit den dritten und vierten Schaltelementen 70, 72 zur wahlweisen Dreieck- oder Sternschaltung der drei Phasen U, V, W bzw. Statorpole 44 aufweist. Auf diese Weise kann mittels eines entsprechend zweiteilig ausgestalteten Betriebsartenschalters 52 die Verschaltung der Wicklungen 48 und der Phasen U, V, W unabhängig voneinander erfolgen. In analoger Weise können auch die weiteren Schaltelemente 76 für die schaltbare Last 74 zur Anpassung an nationale Gegebenheiten der ersten Versorgungsspannung U_H und/oder die Schaltelemente für die Umschaltung der Lage- und Drehzahlsensorik 78 (vgl. 2) realisiert sein.
8b zeigt einen Schnitt durch die Umschaltvorrichtung 50 gemäß 8a, wobei zusätzlich noch das Gehäuseteil 94 und der als Betriebsartenschalter 52 ausgebildete Deckel 96 dargestellt sind. Einseitig auf der Leiterplatte 102 sind die mit den Kontaktgleitern 98 zusammenwirkenden Kontaktbahnen 100 auf ihren jeweiligen Kreisbahnen angeordnet. In der Schnittdarstellung sind nur drei Kontaktbahnen 100 und zwei Kontaktgleiter 98 sichtbar, die ein Schließen der zweiten und vierten Schaltelemente 68, 72 bewirken. Die Leiterplatte 102 ist unmittelbar mit dem Betriebsartenschalter 52 wirkverbunden, so dass ein Verdrehen des Betriebsartenschalters 52 durch den Bediener auch direkt ein Verdrehen der Leiterplatte 102 bewirkt. Wie bereits zu 8a angedeutet, können auch weitere zur ersten Leiterplatte 102 benachbarte Leiterplatten der Umschaltvorrichtung 50 mit dem Betriebsartenschalter 52 wirkverbunden sein.
In 8c ist ein weiterer Schnitt durch die Umschaltvorrichtung 50 gezeigt. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 8a ist die Leiterplatte 102 nun beidseitig mit den Kontaktbahnen 100 für die Schaltelemente 66, 68, 70, 72 bedruckt. Auch hier können selbstverständlich je nach Anforderung durch den Elektromotor 12 mehrere derartige Leiterplatten 102 zum Umschalten der Wicklungen 48 der Statorpole 44 und der Phasen U, V, W zum Einsatz kommen.
9 zeigt zwei weitere Ausführungsbeispiele der Umschaltvorrichtung 50 in einem perspektivischen Ausschnitt für die ersten und zweiten Schaltelemente 66, 68. Diese gelten exemplarisch auch für die übrigen Schaltelemente der Umschaltvorrichtung 50. Im Unterschied zu 8 ist der als Leiterplatte 102 ausgebildete Träger 104 nun verschiebbar entlang einer Verschiebungsrichtung R angeordnet. Entsprechend wirkt die Leiterplatte 102 auch mit einem verschiebbaren Betriebsartenschalter 52 (nicht gezeigt) zur Umschaltung der ersten und zweiten Schaltelemente 66, 68 derart zusammen, dass ein Verschieben des Betriebsartenschalters 52 ein komplementäres Öffnen und Schließen der ersten und zweiten Schaltelemente 66, 68 durch die auf der Leiterplatte 102 aufgedruckten Kontaktbahnen 100 bewirkt. Statt eines verschiebbaren Betriebsartenschalters 52 kann auch ein verdrehbarer Betriebsartenschalter 52 in Verbindung mit einem entsprechend ausgestalten Gestänge zum Einsatz kommen, das die Drehbewegung in eine Linearbewegung transformiert.
Während sich im Ausschnitt gemäß 9a durch die randseitige Bedruckung der Leiterplatte 102 mit den Kontaktbahnen 100 und den beidseitig der Leiterplatte 102 angeordneten Kontaktgleitern 98 insgesamt zwei erste und zwei zweite Schaltelemente 66, 68 ergeben, sind es in 9b durch die einseitige Bedruckung der Kontaktbahnen 100 und die einseitige Anordnung der Kontaktgleiter 98 nur jeweils ein erstes und ein zweites Schaltelement 66, 68. Durch ein beidseitiges Bedrucken der Leiterplatte 102 mit entsprechend vielen Kontaktgleitern 98 können aber auch hier mehr Schaltelemente realisiert werden, die jeweils in horizontaler Richtung gebildet sind. Wie bereits in 8 gezeigt, lässt sich auch in 9 durch entsprechend ausgestaltete Luft- oder Kriechstrecken 106 neben den Kontaktbahnen 100 eine Totzeit T für das Umschalten der Betriebsarten realisieren.
In den 10 und 11 sind weitere Ausführungsformen des Trägers 104 der Umschaltvorrichtung 50 gezeigt. Auf die einzelnen Bestandteile mit identischen Bezugszeichen, wie in den vorherigen 8 und 9, soll wegen ihrer identischer Wirkungsweise nicht weiter eingegangen werden. Die 10 soll insbesondere verdeutlichen, dass als Träger 104 auch ein Prisma 108 (10a), ein Quader 110 (10b) oder ein U-Profil 112 (10c) mit entsprechend positionieren Kontaktbahnen 100 in Frage kommen, wobei analog 9 ein Öffnen und Schließen der ersten und zweiten Schaltelemente 66, 68 durch eine lineare Verschiebung des Trägers 104 bewirkt wird. In 11 ist der Träger 104 als eine drehbare Walze 114 insbesondere für die Schaltelemente 76 zur Aktivierung und Deaktivierung der Last 74 (vgl. 6) ausgebildet. 11b zeigt dabei zur Verdeutlichung einen Schnitt durch die in 11a perspektivisch dargestellte Walze 114. Weitere mögliche Trägerformen wären ein Kegelstumpf, eine Kugel oder dergleichen.
Sämtliche Ausgestaltungsformen der elektromechanischen Umschaltvorrichtung 50 können auch miteinander kombiniert werden. Ebenso ist eine Kombination aus einer elektromechanischen und einer aus Halbleiter-Schaltern bzw. Relais bestehenden, elektronischen Umschaltvorrichtung 50 im elektrischen Bearbeitungsgerät 10 denkbar. Statt einer Leiterplatte 102 mit aufgedruckten Kontaktbahnen 100 können die Kontaktbahnen 100 auch als ein Stanzgitter ausgebildet sein, das mit einem Kunststoff umspritzt ist und das dann selbst das topfförmige Gehäuseteil 94 bildet.
In 12 ist eine schematische Darstellung des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 gezeigt. Das elektrische Bearbeitungsgerät 10 lässt sich topologisch aufteilen in einen überwiegend mechanischen Abtriebsteil 116 jenseits einer topologischen Trennungslinie 118 und einen Versorgungs- und Antriebsteil 120 diesseits der topologischen Trennungslinie 118. Dabei soll unter „diesseits“ die der elektrischen Versorgung zugewandte Seite und unter „jenseits“ die der Bearbeitung eines Werkstücks zugewandte Seite des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 verstanden werden. „Diesseits“ ist daher als funktionell vor und „jenseits“ als funktionell hinter der topologischen Trennungslinie 118 zu betrachten. Insbesondere der Abtriebsteil 116 ist häufig spezifisch auf das Anwendungsgebiet des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 ausgelegt und kann daher im Unterschied zum Versorgungs- und Antriebsteil 120 in der Regel nicht universell für verschiedenartige elektrische Bearbeitungsgeräte hergestellt und verwendet werden.
Wesentliche Komponenten des Abtriebsteils 116 sind das Getriebe 24 sowie eine spezielle Abtriebsmechanik 122 für das jeweilige Anwendungsgebiet des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10. Unter dem Abtriebsteil 116 soll daher eine Mechanik verstanden werden, die die Antriebsenergie des Elektromotors 12 zur Verwendung des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 mechanisch umwandelt. Ein Beispiel für eine Abtriebsmechanik 122 des Abtriebsteils 116 wäre das in der Beschreibung zu 1 erwähnte Schlagwerk 26 samt Werkzeugaufnahme 18 und Einsatzwerkzeug 32 des dort gezeigten Drehschlagschraubers. Aber auch das Fahrwerk eines Fahrzeugs, das Mahlwerk einer Küchenmaschine, die Vorrichtung zur Erzeugung und Führung des Luftstroms eines Gebläses oder dergleichen können die Abtriebsmechanik 122 bilden.
Für die Erfindung wesentliche Komponenten des Versorgungs- und Antriebsteils 120 sind die die Umschaltvorrichtung 50 aufweisende Leistungselektronik 36 und der Elektromotor 12. Auf die Darstellung der die Leistungselektronik 36 ansteuernden Steuer- oder Regelelektronik 38 sowie ggf. weiterer Komponenten des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 soll hier der Übersichtlichkeit halber verzichtet werden. Die Leistungselektronik 36 teilt sich auf in die erste Leistungselektronik 36_H zum Betrieb mit der ersten Versorgungsspannung U_H und in die zumindest eine zweite Leistungselektronik 36_L zum Betrieb mit der zumindest einen zweiten Versorgungsspannung U_L, wobei die erste Versorgungsspannung U_H beispielsweise durch ein nationales Stromnetz (angedeutet durch die Steckdose) bereitgestellt wird, während die zumindest eine zweite Versorgungsspannung U_L von dem Akkupack 20 geliefert wird. Somit ist die erste Leistungselektronik 36_H als eine AC-Elektronik und die zumindest eine zweite Leistungselektronik 36_L als eine DC-Elektronik ausgebildet. Vorzugsweise sind die beiden Leistungselektroniken 36_H, 36_L galvanisch voneinander getrennt, um Spannungsüberschläge zwischen ihnen zu vermeiden. Beiden Leistungselektroniken 36_H, 36_L gemein ist die Leistungsbrücke 34 zur Ansteuerung des Elektromotors 12 über die Umschaltvorrichtung 50 mittels der PWM-Spannung U_M. Die Umschaltvorrichtung 50 befindet sich innerhalb des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 diesseits der topologischen Trennungslinie 118 zwischen dem Elektromotor 12 und der Leistungsbrücke 34. Wie zuvor beschrieben, kann sie dabei als modulare Baugruppe des Elektromotors 12 ausgebildet sein oder sich als vom Elektromotor 12 mechanisch getrennte Baugruppe an anderer Stelle im elektrischen Bearbeitungsgerät 10 befinden. Auch eine Aufteilung der Umschaltvorrichtung 50 in einen elektronischen und einen elektromechanischen Teil oder in mehrere elektromechanische oder elektronische Teile innerhalb des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 ist möglich.
Der Akkupack 20 ist mit Bezug auf 1 als Wechselakkupack ausgebildet. Ebenso ist ein fest im elektrischen Bearbeitungsgerät 10 integrierter Akku bzw. Akkupack 20 denkbar. Auch eine Mischform aus integriertem Akku und Wechselakkupack ist möglich. Zudem können mehrere, elektrisch in Reihe oder parallelgeschaltete Wechselakkupacks 20 am elektrischen Bearbeitungsgerät 10 zum Einsatz kommen. In Abhängigkeit der Betriebsart bzw. der ersten Versorgungsspannung U_H oder der zweiten Versorgungsspannung U_L aktiviert dann die Umschaltvorrichtung 50 die erste oder die zweite Leistungselektronik 36_H, 36_L.
13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 in Form eines Abrisshammers. Ein wesentlicher Unterschied zum Drehschlagschrauber gemäß 1 besteht neben der Ausgestaltung des überwiegend mechanischen Abtriebsteils 116 in der Energieversorgung des Abrisshammers mit zwei Akkupacks 20. Im Falle zweier in Reihe geschalteter Akkupacks 20 mit jeweils 18 V ergibt sich so wiederum eine zweite Versorgungsspannung U_L von 36 V DC. Im Unterschied zum Drehschlagschrauber gemäß 1 ist der Elektromotor 12 einer deutlich höheren Leistungsklasse zuzuordnen, ohne dass sich jedoch an der in 12 beschriebenen, topologischen Aufteilung des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 in den Abtriebsteil 116 und den Versorgungs- und Antriebsteil 120 etwas ändert. Auf eine detaillierte Beschreibung des Abtriebsteils 116 des Abrisshammers mit der Abtriebsmechanik 122 sowie der Werkzeugaufnahme 18 samt Einsatzwerkzeug 32 soll hier verzichtet werden, da diese für die Erfindung von untergeordneter Bedeutung ist.
Die Umschaltung zwischen den Betriebsarten des Elektromotos 12 kann wie schon im ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 entweder manuell durch einen Bediener oder automatisch mittels einer Sensorik 54 des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 erfolgen. Neben der Sensorik 54 zur Detektion der Stellung der Abdeckklappe 56 für das Netzkabel 22 bzw. dessen Anschlussstecker 60 kann der Bediener die Betriebsart des Elektromotors 12 auch über den Betriebsartenschalter 52, ein HMI, eine App oder dergleichen umschalten.
In 14 ist der Abrisshammer aus 13 in einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. Dabei ist die insbesondere elektromechanisch ausgestaltete Umschaltvorrichtung 50 der Leistungselektronik 36 separat vom Elektromotor 12 im Gehäuse 14 des Abrisshammers angeordnet. Die Umschaltung der Betriebsarten kann durch den Bediener über den Betriebsartenschalter 52 erfolgen. Weiterhin sind die erste Leistungselektronik 36_H für den Betrieb mit der ersten Versorgungsspannung U_H, insbesondere mit einer Netzspannung, und die zweite Leistungselektronik 36_L für den Betrieb mit der zweiten Versorgungsspannung U_L, insbesondere mit einer Akkuspannung, sowie die darin integrierte Leistungsbrücke 34 zur Ansteuerung des Elektromotors 12 mit der PWM-Spannung U_M als von der Umschaltvorrichtung 50 getrennte Baueinheit im Gehäuse 14 vorgesehen. Zu diesem Zweck weisen sowohl die Umschaltvorrichtung 50 als auch die restliche Leistungselektronik 36 jeweils getrennte Subgehäuse 124 auf, die ihrerseits fest bzw. einstückig mit dem Gehäuse 14 verbunden sind. Zur Vibrationsentkopplung der Umschaltvorrichtung 50 oder der gesamten Leistungselektronik 36 von etwaigen stark vibrierenden Bauteilen des Abrisshammers während des Betriebs sind die Abtriebsmechanik 122 sowie der Elektromotor 12 samt Getriebe 24 mittels zumindest eines Dämpfungselements 126 im Gehäuse 14 gelagert. Auf diese Weise ist es möglich, die Leistungselektronik 36 bzw. die Umschaltvorrichtung 50 vor Schäden an den entsprechenden Bauelementen sowie den elektrischen Kontakten zu schützen. Als Dämpfungselement 126 kommt dabei z.B. eine Feder in Gestalt einer Spiral-, Blatt- oder Schenkelfeder in Frage, die zwischen dem Gehäuse 14 und der Abtriebsmechanik 122, dem Getriebe 24 und/oder dem Elektromotor 12 angeordnet ist. Ebenso sind Gummidämpfer oder dergleichen oder zumindest ein durch die nicht gezeigte Regel- oder Steuerelektronik 38 angesteuerter Dämpfungsaktor als Dämpfungselemente 126 denkbar.
Als Alternative oder Ergänzung zur Vibrationsentkopplung des Gehäuses 14 von der Abtriebsmechanik 122 und/oder dem Elektromotor 12 kann es auch vorgesehen sein, die Umschaltvorrichtung 50 selbst vom Gehäuse 14 zu entkoppeln. Dies soll anhand unterschiedlicher Ausführungsbeispiele gemäß der nachfolgenden 15 bis 18 verdeutlicht werden, wobei die Umschaltvorrichtung 50 als elektronische Umschaltvorrichtung 50 mit dem Subgehäuse 124 ausgestaltet ist. Ebenso ist es möglich, dass im Falle einer elektromechanischen Umschaltvorrichtung 50 die aus dem Gehäuseteil 94 und dem als Betriebsartenschalter 52 ausgebildeten Deckel 96 bestehende modulare Baugruppe vibrationsentkoppelt im Gehäuse 14 des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 gelagert ist. Dabei kann die Umschaltvorrichtung 50 auch in einem definierten Winkel ungleich 0 bzw. 180° zum Elektromotor 12 in dem Gehäuse 14 angeordnet sein. Auch eine vibrationsentkoppelte Lagerung der modularen Baugruppe zusammen mit dem Elektromotor 12 im Gehäuse 14 ist denkbar.
In 15a ist die im Subgehäuse 124 angeordnete Umschaltvorrichtung 50 über im Wesentlichen als viereckige Gummipuffer 128 ausgebildete Dämpfungselemente 126 an entsprechenden Halteelementen 130 des Gehäuses 14 zur Aufnahme der Gummipuffer 128 vibrationsentkoppelt gelagert. Dabei ist auf der linken Seite von 15a eine Draufsicht und auf der rechten Seite eine Seitenansicht gezeigt. Das Subgehäuse 124 ist demzufolge über insgesamt acht Gummipuffer 128 und acht Halteelemente 130 im Gehäuse 14 gelagert. Vibrationen des Gehäuses 14 können somit in ausreichendem Maße gedämpft werden, um die Umschaltvorrichtung 50 vor Beschädigungen während des Betriebs des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 zu schützen. 15b zeigt die Draufsicht einer zweiten Ausgestaltungsmöglichkeit der Dämpfungselemente 126 als polygone Gummipuffer 128 mit zumindest einer innenliegenden Luftkammer 132. In 15c ist ein drittes Ausführungsbeispiel des Dämpfungselements 126 als ein das Subgehäuse 124 zumindest in einer Richtung voll umschließender, im Wesentlichen tonnenförmiger Gummipuffer 130 mit entsprechenden seitlichen Luftkammern 132 gezeigt. Mit besonderem Vorteil, kann die Umschaltvorrichtung 50 mit ihrem Subgehäuse 124 in diesem Gummipuffer 130 einfach eingesteckt werden. Sowohl in 15b als auch in 15c sind Halteelemente 130 am Gehäuse 14 vorgesehen, deren Form in komplementärer Weise an die Form der Dämpfungselemente 126 zur bestmöglichen Fixierung und Lagerung angepasst ist.
16 zeigt weitere Ausführungsformen des Dämpfungselements 126 für die Umschaltvorrichtung 50. In 16a ist das Dämpfungselement 126 als eine gestanzte Gummifolie 134 ausgebildet, die über vier als Ösen bzw. Dome 136 ausgebildete Halteelemente 130 des Gehäuses 14 gespannt ist und die das Subgehäuse 124 der Umschaltvorrichtung 50 quasi hängend trägt. Dazu weist das Subgehäuse 124 einen Vorsprung 138 auf, der durch eine Öffnung der Gummifolie greift und der über sechs entsprechende Halteelemente 140 an der Gummifolie 134 fixiert ist. In 16b ist das Dämpfungselement 126 als ein Gummiring 142 ausgebildet, der an dem Gehäuse 14 über vier Ösen bzw. Dome 136 gelagert ist und der das Subgehäuse 124 der Umschaltvorrichtung 50 über vier als Haken ausgebildete Halteelemente 140 hängend trägt. 16c zeigt eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit der Gummifolie 134 aus 16a, die nun nur noch an zwei Ösen bzw. Domen 136 im Gehäuse 14 gelagert ist. Im Unterschied zu 15, wo durch das zumindest eine Dämpfungselement 126 eine Druckkraft F auf das Subgehäuse 124 bzw. die Umschaltvorrichtung 50 wirkt, ist es in 16 eine Zugkraft F.
In den 17 und 18 sind die Dämpfungselemente 126 als Federn ausgebildet, wobei in 17 analog zu 15 ein Druckkraft F und in 18 analog zu 16 eine Zugkraft F auf das Subgehäuse 124 der Umschaltvorrichtung 50 wirkt. In den 17a, 17b und 17c sind die Dämpfungselemente 126 jeweils als Blattfedern 144, als Spiralfedern 146 und als Schenkelfendern 148 ausgebildet, die je nach Ausführung mit entsprechend ausgestalteten Halteelementen 130, 140 am Gehäuse 14 des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 bzw. am Subgehäuse 124 der Umschaltvorrichtung 50 zusammenwirken. Die 18a und 18b zeigen jeweils ein als Zugfeder 150 und als Biege- bzw. Torsionsfeder 152 ausgebildetes Dämpfungselement 126, das einerseits an Ösen bzw. Domen 136 des Gehäuses 14 und andererseits an speziell ausgestalteten Halteelementen 140 des Subgehäuses 124 vibrationsentkoppelt gelagert ist.
In den 19 bis 22 sind weitere Ausführungsbeispiele für ein elektrisches Bearbeitungsgerät 10 gezeigt. Dabei ist das elektrische Bearbeitungsgerät 10 in 19 ein Bohrhammer mit einer als pneumatisches Schlagwerk ausgebildeten Abtriebsmechanik 122 sowie beispielsweise einer als SDS-Bohrfutter ausgebildeten Werkzeugaufnahme 18 für ein als ein SDS-Bohrer ausgebildetes Einsatzwerkzeug 32. Auch das von der Motowelle 30 des Elektromotors 12 angetriebene Getriebe 24 ist speziell auf die Anwendung des Bohrhammers ausgelegt. Entsprechendes gilt für den in 20 dargestellten Winkelschleifer, den in 21 dargestellten Industriestaubsauger und den in 22 dargestellten Rasenmäher. Auch hier ist der Abtriebsteil 116 jeweils speziell an den Einsatzzweck des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 angepasst, ohne hierauf nachfolgend weiter im Detail eingehen zu wollen, da dies für die Erfindung als solche eher von untergeordneter Bedeutung ist. Es soll an dieser Stelle jedoch nochmals darauf hingewiesen werden, dass die Erfindung auch in vielen anderen elektromotorisch angetriebenen Bearbeitungsgeräten mit mindestens zwei unterschiedlichen Versorgungsspannungen, wie z.B. Küchenmaschinen, Baumaschinen, Fahrzeugen, Flugzeugen, Schiffen, etc. zum Einsatz kommen kann.
Die 19 bis 22 veranschaulichen entsprechend 13 eine topologische Aufteilung des jeweiligen elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 in den überwiegend mechanischen Abtriebsteil 116 jenseits der topologischen Trennungslinie 118 und den Versorgungs- und Antriebsteil 120 diesseits der topologischen Trennungslinie 118. Dabei ist die Umschaltvorrichtung 50 innerhalb des Gehäuses 14 des elektrischen Bearbeitungsgeräts 10 stets topologisch derart von dem Abtreibsteil 116 getrennt, dass sie funktionell, insbesondere als Teil der Leistungselektronik 36, vor dem Elektromotor 12 und dem Abtriebsteil 116 angeordnet ist. Weiterhin ist jedem elektrischen Bearbeitungsgerät 10 gemein, dass die Leistungselektronik 36 in eine erste Leistungselektronik 36_H, insbesondere eine AC-Elektronik, zum Betrieb mit der ersten Versorgungsspannung U_H und in zumindest eine zweite Leistungselektronik 36_L, insbesondere eine DC-Elektronik, zum Betrieb mit der zumindest einen zweiten Versorgungsspannung U_L aufgeteilt ist, wobei die erste und die zumindest eine zweite Leistungselektronik 36_H, 36_L galvanisch voneinander getrennt sind. Zudem ist die Umschaltvorrichtung 50 stets in dem Gehäuse 14 an einer der Motorwelle 30 abgewandten Seite des Elektromotors 12 angeordnet.
Der in 19 dargestellte Bohrhammer unterscheidet sich zwar deutlich hinsichtlich seiner Anwendung und dem dafür ausgelegten Abtriebsteil 116 von dem in 13 gezeigten Abrisshammer, beiden gemein ist aber in etwa die Leistungsklasse sowie die Energieversorgung über zwei Akkupacks 20. Somit können beide elektrischen Bearbeitungsgeräte 10 jeweils einen sehr ähnlichen Versorgungs- und Antriebsteil 120 aufweisen. Mit besonderem Vorteil können demnach der Elektromotor 12 samt der Umschaltvorrichtung 50 oder der vollständigen Leistungselektronik 36 als modulare Baugruppe in beiden elektrischen Bearbeitungsgeräten 10 zum Einsatz kommen, was die Herstellung und Wartung der elektrischen Bearbeitungsgeräte 10 deutlich vereinfacht und kosteneffizienter macht. Entsprechendes gilt auch für andere elektrische Bearbeitungsgeräte 10 ähnlicher Leistungsklassen, wie beispielsweise dem in 21 gezeigten Industriestaubsauger und dem in 22 gezeigten Rasenmäher oder dem in 1 gezeigten Drehschlagschrauber und dem in 20 gezeigten kleinen Winkelschleifer.
Es sei abschließend darauf hingewiesen, dass die gezeigten Ausführungsbeispiele weder auf die 1 bis 22 noch auf die genannten Spannungswerte und/oder die absolute Anzahl der Akkus bzw. Akkupacks 20 sowie der Schaltelemente der Umschaltvorrichtung 50 beschränkt ist. Zudem können sämtliche Ausführungsbeispiele je nach Leistungs- und Kostenbedarf alternativ mit einem klassischen DC-Motor realisiert werden. Sowohl die Akkus 20 als auch die Elektronik für das Lademanagement können wahlweise direkt im elektrischen Bearbeitungsgerät 10 integriert oder extern über ein Kabel mit dem elektrischen Bearbeitungsgerät 10 verbunden sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3316453 A1 [0003]
US 2019/0229599 A1 [0004]

Claims

Umschaltvorrichtung (50) zur Ansteuerung der Wicklungen (48) eines Elektromotors (12), wobei der Elektromotor (12) einen Rotor (40) und einen Stator (42) umfasst, wobei der Stator (42) drei Statorpole (44) und jeder Statorpol (44^I, 44^II, 44^III) ein ganzzahliges Vielfaches an Statorzähnen (46) mit jeweils einer Mehrzahl von Wicklungen (48) zum Antrieb des Rotors (40) aufweist, wobei die Wicklungen (48) der Statorzähne (46) in ihrer Art und/oder Anzahl derart ausgelegt sind, dass der Elektromotor (12) über drei Phasen (U, V, W) wahlweise mit einer ersten Versorgungsspannung (U_H), insbesondere für einen Netzbetrieb, oder mit zumindest einer gegenüber der ersten Versorgungsspannung (U_H) deutlich unterschiedlichen zweiten Versorgungsspannung (U_L), insbesondere für einen Akkubetrieb, betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltvorrichtung (50) eine Mehrzahl von Schaltelementen (66, 68, 70, 72) aufweist zur Reihen- und/oder Parallelschaltung der Wicklungen (48) der Statorzähne (46) des Elektromotors (12) für den Betrieb mit der ersten Versorgungsspannung (U_H) oder mit der zumindest einen zweiten Versorgungsspannung (U_L), wobei jede Wicklung (48^I, 48^II, 48^III) über jeweils zwei elektrische Kontaktpunkte (62) mit zumindest einem der Schaltelemente (66, 68, 70, 72) der Umschaltvorrichtung (50) verbindbar ist.
Umschaltvorrichtung (50) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltvorrichtung erste Schaltelemente (66) zur Reihenschaltung und zweite Schaltelemente (68) zur Parallelschaltung der Wicklungen (48) des Elektromotors (12) aufweist.
Umschaltvorrichtung (50) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Statorpol (44^I, 44^II, 44^III) des Elektromotors (12) mit jeweils M Statorzähnen (46) und N Wicklungen (48) je Statorzahn (46^I, 46^II) M * N - 1 erste Schaltelemente (66) zur Reihenschaltung und M * (2N - 1) zweite Schaltelemente (68) zur Parallelschaltung der M * N Wicklungen (48) vorgesehen sind.
Umschaltvorrichtung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Reihenschaltung der Wicklungen (48) die ersten Schaltelemente (66) geschlossen und die zweiten Schaltelemente (68) geöffnet sind, und dass zur Parallelschaltung der Wicklungen (48) die ersten Schaltelemente (66) geöffnet und die zweiten Schaltelemente (68) geschlossen sind.
Umschaltvorrichtung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltvorrichtung dritte Schaltelemente (70) zur Sternschaltung und vierte Schaltelemente (72) zur Dreieckschaltung der Phasen (U, V, W) des Elektromotors (12) aufweist.
Umschaltvorrichtung (50) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Sternschaltung der Phasen (U, V, W) die dritten Schaltelemente (70) geschlossen und die vierten Schaltelemente (72) geöffnet sind und zur Dreieckschaltung der Phasen (U, V, W) die dritten Schaltelemente (70) geöffnet und die vierten Schaltelemente (72) geschlossen sind.
Umschaltvorrichtung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass je Statorpol (44^I, 44^II, 44^III) des Elektromotors (12) ein weiteres Schaltelement (76) zur Reihenschaltung mit einer schaltbaren Last (74) vorgesehen ist.
Umschaltvorrichtung (50) nach Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Kontaktpunkte (62) als Steckverbindungen, Crimpverbindungen, Schraubverbindungen, Lötverbindungen oder Schweißverbindungen ausgebildet sind.
Umschaltvorrichtung (50) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Kontaktpunkte (62) der Umschaltvorrichtung (50) als Kontaktbuchsen (92) ausgebildet sind, die mit als Kontaktstiften (90) ausgebildeten elektrischen Kontaktpunkten (62) des Elektromotors (12), insbesondere einem Adapterring (80) des Stators (42), reversibel verbindbar sind.
Umschaltvorrichtung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Kontaktpunkte (62) ringförmig über einen äußeren Umfang der Umschaltvorrichtung (50) verteilt angeordnet sind.
Umschaltvorrichtung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltvorrichtung (50) mit einem drehbaren oder verschiebbaren Betriebsartenschalter (52) zur Umschaltung der Schaltelemente (66, 68, 70, 72, 76) wirkverbunden ist.
Umschaltvorrichtung (50) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der drehbare oder verschiebbare Betriebsartenschalter (52) derart auf die Schaltelemente (66, 68, 70, 72, 76) wirkt, dass er zum Schließen eines Schaltelements (66, 68, 70, 72, 76) jeweils eine Kontaktbahn (100) des Schaltelements (66, 68, 70, 72, 76) mit einem Kontaktgleiter (98) des Schaltelements (66, 68, 70, 72, 76) verbindet.
Umschaltvorrichtung (50) nach einem der vorherigen Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbahnen (100) und Kontaktgleiter (98) der Schaltelemente (66, 68, 70, 72, 76) derart ausgelegt sind, dass die ersten und die zweiten Schaltelemente (66, 68) und/oder die dritten und die vierten Schaltelemente (70, 72) jeweils mit einer Totzeit (T) geschaltet werden.
Umschaltvorrichtung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltvorrichtung (50) eine modulare Baugruppe (94, 96) des Elektromotors (12) ist.
Elektrisches Bearbeitungsgerät (10), insbesondere Handwerkzeugmaschine, mit einer Umschaltvorrichtung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Ansteuerung eines Elektromotors (12).