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Die
Erfindung betrifft einen elektrischen Schalter nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 und/oder eine Einrichtung zur Ansteuerung
eines Elektromotors nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2.
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Solche
Schalter werden für Elektrowerkzeuge, beispielsweise für
handgeführte, mit Gleichstrom (DC) und/oder Wechselstrom
(AC) betriebene Elektrowerkzeuge, wie Elektrobohrmaschinen, Bohrhämmer,
Elektroschrauber o. dgl., verwendet. Insbesondere werden Elektroniken
zur Ansteuerung eines Elektromotors nicht nur im Schalter sondern
auch im Akku, am Motor und/oder in der Griffschale zwischen diesen
Bauteilen eingesetzt.
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Bei
handgeführten Elektrowerkzeugen werden in hohem Umfang
elektronische Steuerungen, teilweise auch Regelungen eingesetzt,
die dem Energiefluß vom Netz und/oder Akku zum Elektromotor zwischengeschaltet
sind. Diese Elektroniken, die in einem speziellen Schalter, innerhalb
des Batteriesystems, direkt am Elektromotor oder auch zwischen diesen
Baugruppen innerhalb der Griffschale angeordnet sein können,
beinhalten einen oder mehrere Leistungshalbleiter, die bei bestimmten
Funktionsbedingungen Verlustenergie in Form von Wärme produzieren.
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So
ist aus der
DE 197
08 939 A1 ein elektrischer Schalter für ein Elektrowerkzeug
mit einem Elektromotor bekannt, wobei der Schalter ein zwischen
einer Ausgangs- und einer Endstellung verstellbares Betätigungsorgan
aufweist. Das Betätigungsorgan steht in Wirkverbindung
mit einer Signaleinrichtung zur Erzeugung eines dem Verstellweg des
Betätigungsorgans zugeordneten Signals. Desweiteren umfaßt
der Schalter eine Steuereinrichtung zum Betrieb, und zwar zur Steuerung
und/oder Regelung der Drehzahl, des Drehmoments o. dgl. des Elektromotors
in Abhängigkeit vom Verstellweg des Betätigungsorgans
entsprechend dem als Stellgröße für die
Steuereinrichtung dienenden, erzeugten Signal. Die Steuereinrichtung
weist ein wärmeerzeugendes, mit einem Anschlußdraht
versehenes Bauteil auf.
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Desweiteren
sind außerhalb des Schalters, an geeigneter Stelle im Elektrowerkzeug
angeordnete Einrichtungen zur Ansteuerung eines Elektromotors durch
steuerbares Anlegen einer elektrischen Spannung an den Elektromotor
bekannt. Mit Hilfe einer solchen Steuereinrichtung ist der Elektromotor mit
einer einstellbaren Drehzahl, einem einstellbaren Drehmoment o.
dgl. betreibbar. Auch diese Steuereinrichtung besitzt einen wärmeerzeugenden,
mit einem Anschlußdraht versehenen Leistungshalbleiter als
Leistungsbauteil.
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Die
erzeugte Verlustwärme hat negative Einflüsse auf
die Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer des Leistungshalbleiters
und somit des gesamten Systems, so daß diese daher möglichst
schnell und effizient abgeführt werden sollte. Dies ist
besonders bei bedrahteten Bauteilen, wie Freilaufdioden, sehr schwierig.
Die Wärmeabfuhr wird hier in der Regel lediglich über
den Anschlußdraht und dann weiter über eine Löt-
und/oder Klemmstelle an ein metallisches Anschlußteil realisiert.
Allerdings ist der Drahtquerschnitt begrenzt, womit dieser als Wärmesperre
und Begrenzung für die Wärmeabfuhr fungiert.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei solchen bedrahteten, zum
Großteil standardisierten Bauteilen, den Wärmestau
in der Steuereinrichtung und/oder im elektrischen Schalter zu reduzieren,
und somit insbesondere die Leistungsfähigkeit und/oder
die Lebensdauer des Leistungsbauteils, also des wärmeerzeugenden
Bauteils zu verbessern.
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Diese
Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen elektrischen
Schalter durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und/oder
bei einer gattungsgemäßen Einrichtung zur Ansteuerung eines
Elektromotors durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 2
gelöst.
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Beim
erfindungsgemäßen Schalter und/oder der erfindungsgemäßen
Steuereinrichtung ist am Anschlußdraht des Leistungsbauteils
ein den Querschnitt und/oder die Wärmeleitfähigkeit
und/oder die Wärmekapazität erhöhendes
Zusatzelement angeordnet. Der erfindungsgemäße
Lösungsansatz besteht also in der Erhöhung des
Querschnittes und/oder der Wärmeleitfähigkeit
und/oder der Wärmekapazität des Anschlusses des
bedrahteten Leistungsbauelementes. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Üblicherweise
handelt es sich bei dem wärmeerzeugenden Bauteil um einen
in der Steuereinrichtung angeordneten Leistungshalbleiter, wie einen Leistungstransistor,
einen MOSFET, einen Triac, eine Freilaufdiode o. dgl., der beispielsweise
im Gehäuseinneren des Schalters befindlich ist. Das Zusatzelement
kann aus einer metallischen Hülse bestehen, die auf den
Anschlußdraht aufgebracht und gegebenenfalls mit diesem
verbunden ist. Dadurch wird die im Leistungshalbleiter während
des Betriebs der Steuereinrichtung entstehende Verlustwärme
vom Anschlußdraht über die Hülse effektiv
aus dem Gehäuseinneren abgeführt. Zweckmäßigerweise
kontaktiert die Hülse den Anschlußdraht berührend.
Allenfalls besitzt die Hülse einen geringen, umlaufenden
Luftspalt zum Anschlußdraht, der dann zur Verbesserung
der Wärmeabfuhr mit einer Wärmeleitmittel-Paste
aufgefüllt sein kann. Um eine betriebssichere Befestigung
am Anschlußdraht zu gewährleisten, kann die Hülse
mittels Klemmung, Crimpung, Lötung, wobei dann das Lötmittel
den Luftspalt füllt, Schweißung, wie Reib-, Widerstands-
oder Laser-Schweißen, o. dgl. am Anschlußdraht
befestigt sein.
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Der
einfachen Herstellbarkeit halber besitzt das Zusatzelement, und
zwar insbesondere die Hülse, im Querschnitt eine runde
Form, eine Blockform, eine Quaderform, eine Sternform o. dgl., wobei
das Zusatzelement mit einer zum Anschlußdraht korrespondierenden
Bohrung für die Aufnahme des Anschlußdrahtes versehen
ist. Um die Wärmeabfuhr noch weiter zu verbessern, kann
das Zusatzelement an seiner Kontur in der Art eines Wärmeableiters und/oder
Kühlkörpers ausgestaltet sein. Es bieten sich
dafür Kühlfahnen, Kühlrippen, Anschlüsse
zu weiteren Kühlelementen o. dgl. an.
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Der
einfachen Montage halber kann der Anschlußdraht stirnseitig
am Zusatzelement angebracht sein. Im einfachsten Fall genügt
dazu eine Anlage am Zusatzelement. Für eine weiter verbesserte
Wärmeabfuhr läßt sich eine Lötung,
eine Schweißung oder eine Wärmeleitklebung mit
und/oder ohne zusätzliche Wärmeleitausrüstung,
wie Leitpaste, Leitfolie o. dgl., des Anschlußdrahtes am
Zusatzelement durchführen. Das Zusatzelement kann elektrisch
leitend und/oder isoliert zum Anschlußdraht angeordnet sein,
wobei bei entsprechender elektrischer Isolation auch mehrere wärmeerzeugende,
mit einem Anschlußdraht versehene Leistungsbauteile durch
das eine Zusatzelement gekühlt werden können,
was für eine kompakte Anordnung des Zusatzelementes sorgt.
Zusätzlich kann das Zusatzelement zur Stromführung
dienen, indem der Anschluß des Leistungsbauteils einseitig,
nicht durchgehend am Zusatzelement kontaktiert, derart daß der
Strom durch das Zusatzelement hindurch bis zu einer zweiten Anschlußstelle
fließt. Somit dient das Zusatzelement sowohl zur Wärmeableitung
als auch zur Stromführung, was wiederum Kosten einspart.
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Das
Zusatzelement läßt sich gleichzeitig als Träger
für weitere Funktionen nutzen, was der Kompaktheit zugute
kommt. Eine solche Funktion besteht darin, daß am Zusatzelement
eine elektronische Wärmeüberwachung, beispielsweise
in Form eines NTC-Bauteiles, direkt und/oder indirekt angebracht ist.
Eine weitere Funktion besteht darin, daß am Zusatzelement
ein mechanischer Überlastschutz, beispielsweise in Form
eines Bimetallelements, zum Schutz des wärmeerzeugenden,
mit einem Anschlußdraht versehenen Leistungsbauteils direkt und/oder
indirekt angebracht ist.
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Soll
aus Platzgründen auf ein hülsenartiges Zusatzelement
verzichtet werden, so läßt sich eine Verbesserung
der Wärmeabfuhr auch dadurch erzielen, indem das Zusatzelement
aus einer Veredelung der Oberfläche des Anschlußdrahtes
besteht. Beispielsweise kann dies durch Erhöhung der Schichtdicke
des Anschlußdrahtes, durch Aufbringen einer edleren Schicht,
beispielsweise aus Silber, o. dgl. und/oder aus einer Vergrößerung
der Oberfläche des Anschlußdrahtes, beispielsweise
indem der Anschlußdraht im Hinblick auf dessen Wärmeabstrahlfläche
bei gleichbleibendem Querschnitt verformt ist, geschehen.
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Zweckmäßigerweise
weist der Schalter und/oder die Steuereinrichtung ein Gehäuse
auf, wobei häufig die Steuereinrichtung im Gehäuse
befindlich ist. Dann bietet es sich der Einfachheit halber weiter
an, daß sich das wärmeerzeugende Bauteil innerhalb
der Steuereinrichtung ebenfalls im Gehäuse befindet. Zur
weiteren Verbesserung der Wärmeabfuhr kann das Zusatzelement
dann wenigstens teilweise aus dem Gehäuse herausragen.
Alternativ oder auch zusätzlich kann ein wenigstens teilweise außerhalb
des Gehäuses befindlicher Kühlkörper
am Schalter und/oder der Steuereinrichtung angeordnet sein, mit
dem das Zusatzelement in wärmeleitendem Kontakt steht.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
daß die Leistungsfähigkeit und/oder die Lebensdauer,
also zwei wesentliche Kenndaten von Leistungshalbleitern, erheblich
verbessert beziehungsweise optimiert werden. Diese Optimierung kann
dazu noch kostengünstig und mit geringem Platzbedarf realisiert
werden, womit eine solche, die Erfindung verwendende Steuereinrichtung
vor allem für Elektrowerkzeugschalter mit kleinem Bauraum
geeignet ist. In entsprechenden Versuchen ist ermittelt worden,
daß mit einer zusätzlichen Kupfer-Hülse,
die auf die Freilaufdiode in einem Elektrowerkzeugschalter verstemmt
aufgebracht wurde, die „time-to-failure"-Zeit beim Blockierstromtest
gegenüber bisher mehr als verdoppelt werden konnte.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung mit verschiedenen Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind
in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher
beschrieben. Es zeigen
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1 ein
Prinzipschaltbild für die Anordnung des elektrischen Schalters
in einem Elektrowerkzeug,
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2 den
elektrischen Schalter in einer geöffneten Ansicht,
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3 eine
Freilaufdiode als Einzel-Bauteil,
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4 die
Freilaufdiode mit dem Zusatzelement in einer ersten Ausführung,
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5 die
Freilaufdiode mit dem Zusatzelement in einer zweiten Ausführung,
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6 die
Freilaufdiode mit dem Zusatzelement in einer dritten Ausführung
und
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7 die
Freilaufdiode mit dem Zusatzelement in einer vierten Ausführung.
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Der
elektrische Schalter 1 wird in einem elektrischen Gerät
verwendet, das von einer Spannungsquelle versorgt wird. Bevorzugterweise
wird der elektrische Schalter 1 in einem Elektrowerkzeug,
wie einer Elektrobohrmaschine, einem Bohrhammer, einem Elektroschrauber
o. dgl., eingesetzt. In 1 ist das Prinzipschaltbild
für die Anordnung des elektrischen Schalters 1 in
einem Akku-Elektrowerkzeug, das von der Gleichspannung U eines Akkus 4 versorgt
wird, näher gezeigt.
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Das
Elektrowerkzeug besitzt einen Elektromotor 2 mit Feldwicklungen 3.
Der Elektromotor 2 wird durch manuelle Betätigung
des Schalters 1, der sich beispielsweise im Handgriff des
Elektrowerkzeugs befindet, vom Benutzer ein- und/oder ausgeschaltet
sowie dessen Drehzahl mittels des Schalters 1 eingestellt.
Hierfür besitzt der Schalter 1 ein als Drücker
ausgebildetes Betätigungsorgan 5, das als Handhabe
für den Benutzer dient und manuell zwischen einer Ausgangs-
und einer Endstellung verstellbar ist. Bei Bewegung steht das Betätigungsorgan 5 in
Wirkverbindung mit einer Signaleinrichtung 6, die zweckmäßigerweise
im Schalter 1 untergebracht sein kann. Bei vorliegender
Ausführung besteht die Signaleinrichtung 6 aus
einem Potentiometer zur Erzeugung eines dem Verstellweg des Betätigungsorgans 5 zugeordneten
Signals. Die eigentliche Steuerung und/oder Regelung zum Betrieb
des Elektromotors 2 erfolgt mittels einer mit einem Leistungshalbleiter 9,
wie einem FET, MOS-FET o. dgl., in Verbindung stehenden Einrichtung 8 zur
Ansteuerung des Elektromotors 2. Die Steuereinrichtung 8 sowie
der Leistungshalbleiter 9 arbeiten in der Art einer Pulsweiten-Modulation
und betreiben den Elektromotor 2 mit einer dem Signal der
Signaleinrichtung 6 entsprechenden Drehzahl, also in Abhängigkeit vom
Verstellweg des Betätigungsorgans 5. Falls gewünscht
kann der Elektromotor 2 auch mit einem entsprechenden,
dem Signal zugeordneten Drehmoment o. dgl. betrieben werden. Am
Elektromotor 2 ist zu dessen Schutz eine Freilaufdiode 10 angeordnet.
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Wie
in 2 zu sehen ist, weist der elektrische Schalter 1 ein
Gehäuse 7 auf, in dem die Steuereinrichtung 8 gemäß 1 untergebracht
ist. Die Steuereinrichtung 8 umfaßt wenigstens
ein wärmeerzeugendes, mit einem Anschlußdraht 11 versehenes Leistungsbauteil 10.
Das Leistungsbauteil 10 ist gemäß 2 ebenfalls
im Gehäuse 7 angeordnet, was in der schematischen
Ansicht nach 1 aus darstellerischen Gründen
nicht gezeigt ist. Bei vorliegender Ausführung handelt
es sich bei diesem wärmeerzeugenden Bauteil 10 um
die Freilaufdiode, die als einzelnes Bauteil auch in 3 gezeigt
ist. Zur Abführung dieser Wärme aus dem Gehäuse 7 ist
am Anschlußdraht 11 der Freilaufdiode 10 ein
den Querschnitt und/oder die Wärmeleitfähigkeit
und/oder die Wärmekapazität erhöhendes
Zusatzelement 12 angeordnet. Das Zusatzelement 12 ist
nach 2 vollständig im Gehäuse 7 befindlich,
kann jedoch falls gewünscht auch wenigstens teilweise aus
dem Gehäuse 7 herausragen. Selbstverständlich
kann zur weiteren Verbesserung der Wärmeabfuhr das Zusatzelement 12 auch
mit einem wenigstens teilweise außerhalb des Gehäuses 7 befindlichen
Kühlkörper in wärmeleitendem Kontakt
stehen, was jedoch nicht weiter gezeigt ist.
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Nachfolgend
sind verschiedene Ausführungsformen für das Zusatzelement 12 beschrieben, das
bevorzugterweise aus gut wärmeleitfähigem Metall,
wie Kupfer, Zink, Stahl o. dgl. besteht.
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Das
in 4 gezeigte Zusatzelement 12 besteht aus
einer metallischen Hülse, die auf den Anschlußdraht 11 aufgebracht
ist. Die Hülse 12 ist mit dem Anschlußdraht 11 verbunden,
indem die Hülse 12 mittels Klemmung, Crimpung,
Schweißung, wie Reib-, Widerstands- oder Laser-Schweißen,
Lötung o. dgl. am Anschlußdraht 11 befestigt
ist. Dabei kann die Hülse 12 den Anschlußdraht 11 berührend
kontaktieren. Alternativ kann die Hülse 12 einen
geringen, umlaufenden Luftspalt zum Anschlußdraht 11 besitzen,
wobei der Luftspalt zur Verbesserung der Wärmeleitung mit
einer Wärmeleitmittel-Paste aufgefüllt sein kann.
Bei Verlötung der Hülse 12 am Anschlußdraht 11 füllt
dann das Lotmittel den Luftspalt aus.
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Die
in 4 sichtbare Hülse 12 besitzt
im Querschnitt eine runde Form. Es kann sich jedoch für das
Zusatzelement 12 auch eine Blockform (siehe 6),
eine Quaderform (siehe 7), eine Sternform o. dgl.
in Abhängigkeit vom vorhandenen Platz im Gehäuse 7 anbieten.
Zur Aufnahme des Anschlußdrahtes 11 bietet es
sich an, daß das Zusatzelement 12 mit einer zum
Anschlußdraht 11 korrespondierenden Bohrung 13 versehen
ist. Gemäß 5 ist das
Zusatzelement an seiner Kontur in der Art eines Kühlkörpers
ausgestaltet. Der Kühlkörper 12 kann
eine Kühlfahne 14 aufweisen. In 6 ist eine
weitere Ausgestaltung des Zusatzelements 12 als Wärmeableiter
zu sehen. Der Kühlkörper 12 und/oder
Wärmeableiter 12 kann auch mit Kühlrippen,
Anschlüssen zu weiteren Kühlelementen o. dgl. in
an sich bekannter Weise versehen sein, was jedoch nicht weiter gezeigt
ist. Der in 7 gezeigte Kühlkörper 12 besitzt
eine abgewinkelte Form und kann so optimal dem im Gehäuse 7 vorhandenen Bauraum
angepaßt werden.
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In 4 ist
der Anschlußdraht 11 umfangsseitig in einer Bohrung 13 im
Zusatzelement 12 aufgenommen. Alternativ kann der Anschlußdraht 11 auch
stirnseitig am Zusatzelement 12 angebracht sein, was jedoch
in den Zeichnungen nicht weiter gezeigt ist. Hierzu kann der Anschlußdraht 11 am
Zusatzelement 12 mit und/oder ohne zusätzliche
Wärmeleitausrüstung, wie Leitpaste, Leitfolie
o. dgl., anliegen. Zusätzlich kann noch eine Befestigung,
beispielsweise durch Lötung, durch Schweißung
oder durch Wärmeleitklebung, vorgenommen sein.
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Das
Zusatzelement 12 kann elektrisch isoliert zum Anschlußdraht 11 angeordnet
sein. Bei entsprechender elektrischer Isolation können
dann neben der Freilaufdiode 10 auch noch mehrere weitere wärmeerzeugende,
mit einem Anschlußdraht 11 versehene Leistungsbauteile,
wie ein Leistungshalbleiter, durch das Zusatzelement 12 gekühlt
werden. Alternativ kann das Zusatzelement 12 elektrisch
leitend zum Anschlußdraht 11 angeordnet sein.
Dann kann das Zusatzelement 12 zusätzlich zur
Stromführung für das entsprechende Bauteil dienen,
indem der Anschluß 11 des Bauteils einseitig,
nicht durchgehend am Zusatzelement 12 kontaktiert. Dadurch
kann der Strom durch das Zusatzelement 12 hindurch bis
zu einer zweiten Anschlußstelle fließen. Somit
dient das metallische Zusatzelement 12 dann sowohl zur
Wärmeabführung als auch zur Stromführung.
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Um
einem vorzeitigen Ausfall des Schalters 1 zu begegnen ist
am Zusatzelement 12 eine elektronische Wärmeüberwachung 15 angebracht,
wie schematisch in 5 gezeigt ist.
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Diese
Wärmeüberwachung 15 kann beispielsweise
in Form eines NTC-Bauteiles ausgebildet sein. Ebensogut läßt
sich ein mechanischer Überlastschutz, beispielsweise in
Form eines Bimetallelements, zum Schutz des wärmeerzeugenden,
mit einem Anschlußdraht 11 versehenen Leistungsbauteils 10 direkt
und/oder indirekt am Zusatzelement 12 anbringen.
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Während
bei den beschriebenen Ausführungen das Zusatzelement 12 als
ein massives Teil ausgestaltet ist kann ebensogut das Zusatzelement
aus einer Veredelung der Oberfläche des Anschlußdrahtes 11 bestehen.
Hierfür bietet sich die Erhöhung der Schichtdicke
des Anschlußdrahtes 11 durch Aufbringen einer
edleren Schicht, beispielsweise aus Silber, Gold o. dgl., und/oder
eine Vergrößerung der Oberfläche des
Anschlußdrahtes 11 an. Eine solche Oberflächenvergrößerung
läßt sich in einfacher Weise dadurch erreichen,
daß beispielsweise der Anschlußdraht 11 im
Hinblick auf dessen Wärmeabstrahlfläche bei gleichbleibendem
Querschnitt verformt ist.
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Die
Erfindung ist nicht auf das beschriebene und dargestellte Ausführungsbeispiel
beschränkt. Sie umfaßt vielmehr auch alle fachmännischen
Weiterbildungen im Rahmen der durch die Patentansprüche
definierten Erfindung. So kann ein derartiger Schalter 1 nicht
nur an einem mit Gleichspannung betriebenen Akku-Elektrowerkzeug
sondern auch an einem mit Netzwechselspannung betriebenen Elektrowerkzeug
eingesetzt werden. In diesem Fall wird als Leistungshalbleiter 9 ein
Triac o. dgl. verwendet und die Steuereinrichtung 8 arbeitet
mittels einer Phasenanschnitt- bzw. einer Phasenabschnitt-Steuerung.
Selbstverständlich läßt sich Erfindung
nicht nur in Elektrowerkzeugschaltern sondern auch in Einrichtungen
zur Ansteuerung eines Elektromotors für sonstige Elektrogeräte
verwenden. Schließlich kann das Zusatzelement 12 zur
effektiven Entwärmung auch an einem Leistungshalbleiter 9 selbst,
wie einem Leistungstransistor, einem MOSFET, einem Triac o. dgl.,
angeordnet sein, falls dieser einen Anschlußdraht 11 besitzt.
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- 1
- (elektrischer)
Schalter
- 2
- Elektromotor
- 3
- Feldwicklung
- 4
- Akku
- 5
- Betätigungsorgan
- 6
- Signaleinrichtung
- 7
- Gehäuse
- 8
- Einrichtung
zur Ansteuerung des Elektromotors/Steuereinrichtung
- 9
- Leistungshalbleiter
- 10
- Freilaufdiode/Leistungsbauteil/Bauteil
- 11
- Anschlußdraht
(von Freilaufdiode)
- 12
- Zusatzelement/Hülse/Kühlkörper/Wärmeableiter
- 13
- Bohrung
(im Zusatzelement)
- 14
- Kühlfahne
- 15
- (elektronische)
Wärmeüberwachung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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