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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Schalter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft 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 gelöst. Weiter betrifft ein Aspekt der Erfindung eine Einrichtung zur Ansteuerung eines Elektromotors mit den Merkmalen des Anspruchs 2.
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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 ist sowohl bei dem elektrischen Schalter als auch bei der Einrichtung zur Ansteuerung des Elektromotors erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Anschlussdraht stirnseitig am Zusatzelement angebracht ist. 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
- 1 ein Prinzipschaltbild für die Anordnung des elektrischen Schalters in einem Elektrowerkzeug,
- 2 den elektrischen Schalter in einer geöffneten Ansicht,
- 3 eine Freilaufdiode als Einzel-Bauteil,
- 4 die Freilaufdiode mit dem Zusatzelement in einer ersten Ausführung,
- 5 die Freilaufdiode mit dem Zusatzelement in einer zweiten Ausführung,
- 6 die Freilaufdiode mit dem Zusatzelement in einer dritten Ausführung und
- 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. Erfindungsgemäß ist jedoch vorgesehen, dass der Anschlussdraht 11 stirnseitig am Zusatzelement 12 angebracht ist, 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. 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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Bezugszeichen-Liste:
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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