DE102011087117B4

DE102011087117B4 - Elektrischer Antrieb für eine Handwerkzeugmaschine

Info

Publication number: DE102011087117B4
Application number: DE102011087117.9A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Riedl; Helmut Burger; Dietmar BURGER; Michael Morgenstern
Original assignee: Hilti AG
Current assignee: Hilti AG
Priority date: 2011-11-25
Filing date: 2011-11-25
Publication date: 2023-07-20
Anticipated expiration: 2031-11-26
Also published as: DE102011087117A1; US20130133910A1

Abstract

Elektrischer Antrieb für eine Handwerkzeugmaschine (1) mit einer elektrischen Zuleitung (30), die zwei oder mehr Litzen (31, 32, 33) enthält, einem Elektromotor (5), der mit den Litzen (31, 32, 33) elektrisch verbunden ist, einem hohlzylindrischen Ringkern (38), durch dessen Auge (39) die Litzen (31, 32, 33) wenigstens zweimal geführt sind, einem Raumteiler (42), der das Auge (39) in mehrere Sektoren (45) unterteilt, wobei durch jeden der Sektoren (45) eine der Litzen (31, 32, 33) geführt ist und die Litzen (31, 32, 33) entlang des Umfangs des Auges (39) zyklisch aufeinanderfolgend angeordnet sind.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Antrieb für eine Handwerkzeugmaschine. Die mobil eingesetzten Handwerkzeugmaschine unterliegen gesetzlichen Auflagen bezüglich deren emittierter elektromagnetischer Störstrahlung. Der Elektromotor der Handwerkzeugmaschine ist eine Quelle für solche Störstrahlung, insbesondere beim Ein- und Ausschalten oder bei Drehzahl-geregelten Elektromotoren auch während des Betriebs.
STAND DER TECHNIK
DE 29 821 736 U1 zeigt eine Handwerkzeugmaschine mit einem Maschinengehäuse und netzverbindbaren, mit Bürstenplatte versehenen Elektromotor. Die Handwerkzeugmaschine enthält ein Elektroanschlusskabel weist Kabelanschlussmittel mit einer Drossel zur Dämpfung von Funkstörleistungen auf. Die Drossel und die Kabelanschlussmittel sind dabei in einem gemeinsamen, gesonderten Drosselgehäuse im Inneren des Maschinengehäuses montiert. US 7 710 228 B2 offenbart eine elektrische Induktorbaugruppe, die einen Induktorkern mit einer Kreisform und eine Drahtführung, die den Induktorkern umgibt und mehrere Schlitze aufweist. Einer der Schlitze bildet eine Pfadwicklung um den Induktorkern. Ein oder mehrere Drähte, die in einem der Schlitze angeordnet ist, bildet dabei eine Wicklung.
In DE 10 2008 031 296 A1 ist eine Drosselspuleneinrichtung für einen Filterschaltkreis gezeigt. Die Drosselspuleneinrichtung ist dabei so ausgebildet, dass sie funktionsmäßig einer Reihenschaltung einer stromkompensierten Drossel und je einer in jeder spannungsführenden Phasenleitung angeordneten, als Längsinduktivität wirkenden Drossel entspricht.
Es ist ein erster Kern aus magnetischem Material und drei auf diesem Kern angeordnete Wicklungen vorgesehen. Über den drei Wicklungen ist jeweils ein zweiter Kern angeordnet, der eine als Längsinduktivität wirkende Einzeldrossel bildet.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Der elektrischer Antrieb für eine Handwerkzeugmaschine hat eine geringere Störstrahlung, ohne eine Leistungsabgabe durch den Elektromotor beschränken zu müssen. Eine elektrische Zuleitung enthält zwei oder mehr Litzen. Die elektrisch leitfähigen Litzen sind gegeneinander elektrisch isoliert, um auf unterschiedlichem elektrischen Potential liegen zu können. Ein Elektromotor ist mit den Litzen elektrisch verbunden. Die Litzen versorgen die Magnetspulen oder Wicklungen, insbesondere Statorwicklungen des Elektromotors mit Strom. Durch ein Auge eines hohlzylindrischen Ringkerns sind die Litzen wenigstens zweimal geführt. Ein Raumteiler unterteilt das Auge in mehrere Sektoren. Durch jeden der Sektoren ist genau eine der Litzen geführt. Die Litzen sind entlang des Umfangs des Auges zyklisch aufeinanderfolgend angeordnet.
Der Raumteiler verringert den verfügbaren Raum innerhalb des Auges. Die Anzahl der Wicklungen um den Ringkern wird dadurch deutlich beschränkt. Trotzdem erweist sich eine erzwungene regelmäßige Anordnung geeigneter um eine Dämpfung der hochfrequenten Störstrahlung zu erreichen. Dies gilt insbesondere für die große Ströme führenden Litzen des Elektromotors. Deren notwendiger Querschnitt führt zu einer erheblichen Steifigkeit, welche ein räumlich geordnetes, maschinelles Wickeln erschwert.
Der Ringkern ist beispielsweise ein Ferritkern, welcher vorzugsweise vollständig aus Ferrit, z.B. Hämatit, Magnetit besteht. Alternativ kann der Ringkern aus Eisenpulver versetzt mit Kobalt und/oder Nickel gepresst sein.
Eine Ausgestaltung sieht eine Motorsteuerung vor, welche einen Stromfluss in den Litzen um jeweils einen festen Phasenversatz zyklisch ändert. Die Motorsteuerung kann mehrere Schaltbrücken enthalten, welche die Magnetspulen oder Wicklungen individuell ansteuern.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die elektrische Zuleitung genau drei Litzen enthält und vorzugsweise die Litzen genau zweimal durch das Auge geführt sind. Bei den sechs Sektoren und Durchstichen durch das Auge erweist sich die durch den Raumteiler gewonnene Dämpfeigenschaft als besonders vorteilhaft gegenüber dem Raumverlust und einer freien mehrfachen Wicklung.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass durch jeden der Sektoren genau eine der Litzen geführt ist und vorzugsweise die Sektoren gleich groß sind. Dies ist insbesondere bei drei Litzen vorteilhaft. Jede Litze hat somit die beiden anderen Litzen als Nachbar in Umfangsrichtung und dies in gleichem Abstand. Die bei den dreiadrigen Zuleitungen phasenversetzten Ströme können sich in dem Auge optimal kompensieren. Die Anzahl der Sektoren ist vorzugsweise ein ganzzahliges Vielfaches, wenigstens das Zweifache der Litzen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Raumteiler eine der Anzahl der Sektoren gleiche Anzahl von Rippen aufweist, die eine Innenwand des Ringkerns berühren. Eine Seele des Raumteilers belegt vorzugsweise die Achse oder Mitte des Ringkerns, um keine zentral liegende Litze zuzulassen.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass eine Querschnittsfläche eines der Sektoren weniger als zweimal so groß wie eine Querschnittsfläche einer der Litzen ist.
Eine Handwerkzeugmaschine hat vorzugsweise einen Handgriff und einen der obig beschriebenen elektrischen Antriebe. Ein Schlagwerk und/oder eine drehende Werkzeugaufnahme sind von dem elektrischen Antrieb angetrieben.
Figurenliste
Die nachfolgende Beschreibung erläutert die Erfindung anhand von exemplarischen Ausführungsformen und Figuren. In den Figuren zeigen:

1 ein Bohrhammer,
2 ein Schaltbild des elektrischen Antriebs,
3 einen elektrischen Antrieb des Bohrhammers,
4 eine Untenansicht auf ein Störstrahldämpfer,
5 einen Längsschnitt durch den Störstrahldämpfer in der Ebene V-V von 4
6 eine Draufsicht auf den Raumteiler,
7 einen Längsschnitt in Ebene VII-VII von 6

Gleiche oder funktionsgleiche Elemente werden durch gleiche Bezugszeichen in den Figuren indiziert, soweit nicht anders angegeben.
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
1 zeigt als Beispiel einer Handwerkzeugmaschine schematisch einen Bohrhammer 1. Der Bohrhammer 1 hat eine Werkzeugaufnahme 2, in welche ein Schaftende 3 eines Werkzeugs, z.B. eines des Bohrmeißels 4, eingesetzt werden kann. Einen primären Antrieb des Bohrhammers 1 bildet ein Elektromotor 5, welcher ein Schlagwerk 6 und eine Abtriebswelle 7 antreibt. Ein Anwender kann den Bohrhammer 1 mittels eines Handgriffs 8 führen und mittels eines Systemschalters 9 den Bohrhammer 1 in Betrieb nehmen. Im Betrieb dreht der Bohrhammer 1 den Bohrmeißel 4 kontinuierlich um eine Arbeitsachse 10 und kann dabei den Bohrmeißel 4 in Schlagrichtung 11 längs der Arbeitsachse 10 in einen Untergrund schlagen.
Das Schlagwerk 6 ist beispielsweise ein pneumatisches Schlagwerk 6. Ein Erreger 12 und ein Schläger 13 sind in dem Schlagwerk 6 längs der Arbeitsachse 10 beweglich geführt. Der Erreger 12 ist über einen Exzenter 14 oder einen Taumelfinger an den Motor 5 angekoppelt und zu einer periodischen, linearen Bewegung gezwungen. Eine Luftfeder gebildet durch eine pneumatische Kammer 15 zwischen Erreger 12 und Schläger 13 koppelt eine Bewegung des Schlägers 13 an die Bewegung des Erregers 12 an. Der Schläger 13 kann direkt auf ein hinteres Ende des Bohrmeißels 4 aufschlagen oder mittelbar über einen im Wesentlichen ruhenden Zwischenschläger 16 einen Teil seines Impuls auf den Bohrmeißel 4 übertragen. Das Schlagwerk 6 und vorzugsweise die weiteren Antriebskomponenten sind innerhalb eines Maschinengehäuses 17 angeordnet.
2 zeigt ein Schaltbild des elektrischen Antriebs 20 und 3 eine Seitenansicht auf den elektrischen Antrieb 20. Der Elektromotor 5 ist beispielsweise ein bürstenloser Elektromotor, welcher durch eine Motorsteuerung 21 mit einer getakteten Brückenschaltung 22 angesteuert ist. Der Systemschalter 9 aktiviert die Brückenschaltung 22 und/oder verbindet die Brückenschaltung mit der Stromversorgung 23. Eine Stromversorgung des Elektromotors 5 erfolgt beispielsweise mittels eines Batteriepakets 23, welches lösbar an dem Maschinengehäuse 17 befestigt ist. Alternativ kann die Stromversorgung netzgebunden erfolgen.
Der Elektromotor 5 ist beispielsweise ein bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC-Motor) 5. Der Elektromotor 5 hat einen Rotor 24 und einen koaxialen Stator 25, welcher den Rotor 24 in Drehrichtung umschließt. Der Stator 25 trägt mehrere Magnetspulen 26, die zueinander in Drehrichtung um eine Motorachse 27 versetzt angeordnet sind. Die Motorsteuerung 21 ändert zyklisch einen Stromfluss durch die Magnetspulen 26, um ein in oder gegen die Drehrichtung wanderndes Magnetfeld zu erzeugen. Auf dem Rotor 24 sind Permanentmagnete 28 in Abhängigkeit der Polzahl befestigt, welcher durch das Magnetfeld ausgerichtet wird und sich folglich samt dem Rotor 24 mit dem wandernden Magnetfeld dreht.
Der beispielhafte Elektromotor 5 hat drei sternförmig geschaltete Magnetspulen 26. Eine elektrische Zuleitung 30 verbindet die Magnetspulen 26 mittels einer ersten Litze 31, einer zweiten Litze 32 und einer dritten Litze 33 mit der Motorsteuerung 21. Ein erster Anschluss 34 jeder der Magnetspulen 26 ist mit einer der Litzen 31, 32, 33 verbunden. Zweite Anschlüsse 35 der Magnetspulen 26 sind zu einem gemeinsamen Sternpunkt 36 zusammengeführt. Die Brückenschaltung 22 enthält jeweils eine Brücke 37 für jede Litze 31, 32, 33, d.h. für jede Magnetspule 26. Ein beispielhafter Schaltzyklus hat drei diskrete Phasen. In einer ersten Phase fließt ein Strom von der Stromversorgung 23 über die erste Litze 31 durch zwei der Magnetspulen 26 in die zweite Litze 32. Die dritte Litze 33 ist stromfrei. In der zweiten Phase fließt ein Strom von der zweiten Litze 32 über zwei Magnetspulen 26 in die dritte Litze 33 und die erste Litze 31 ist stromfrei. In der dritten Phase fließt ein Strom von der dritten Litze 33 über zwei der Magnetspulen 26 in die erste Litze 31 und die zweite Litze 32 ist stromfrei.
Der Elektromotor 5 ist beispielhaft beschrieben. Insbesondere kann der Elektromotor mehr als drei Magnetspulen 26 aufweisen, welche zu einem Stern geschaltet sind. Jede Litze kann genau einer Magnetspule 26 zugeordnet sein, wie oben dargestellt. in anderen Ausführungen können mehrere Magnetspulen 26 zu einer Gruppe zusammengefasst über eine gemeinsamen Litze 31, 32, 33 mit der Stromversorgung 23 verbunden sein. Beispielsweise können bei sechs Magnetspulen 26 die jeweils diametral gegenüberliegenden Magnetspulen 26 mit der gleichen Litze verbunden sein. Ferner können die Magnetspulen 26 zu einem Ring, z.B. Dreieck, zusammen geschlossen sein. Jeder Anschluss der Magnetspulen 26 ist mit einer Litze 31, 32, 33 verbunden, wobei sich die benachbarten Magnetspulen 26 eine Litze 31, 32, 33 teilen. Der Elektromotor 5 kann auch ein Reluktanzmotor oder ein Asynchronmotor sein.
Die Zuleitung 30 ist beispielhaft zweimal um einen Ringkern 38 gewickelt (siehe 4 und 5). Die Litzen 31, 32, 33 sind zweimal durch das Auge 39 des Ringkerns 38 geführt. Der Ringkern 38 hat vorzugsweise die Form eines hohlen kreisförmigen Zylinders. Die das Auge 39 begrenzende Innenwand 40 des Zylinders ist parallel zu einer Achse 41 des Zylinders. Die Litzen 31, 32, 33 liegen plan an der Innenwand 40 an und sind im wesentlichen parallel zu der Achse 41 ausgerichtet.
Der Ringkern 38 besteht vorwiegend aus einem weichmagnetisch, ferrimagnetischem Material, z.B. aus wenigstens einem aus der Gruppe von Hämatit, Magnetit. Zusätze können Nickel, Zink oder Manganverbindungen sein. Ferner kann der Ringkern aus Eisenpulver mit Zusätzen aus Nickel und/oder Kobalt gepresst sein. Alternative Ausführungsformen sehen einen gewickelten Ringkern 38 vor. Der Ringkern kann auch aus einem zu einem Torroid gewickelten Eisennickel-haltigem Band hergestellt sein.
Ein Raumteiler 42 ist in dem Ringkern 38 angeordnet. Der Raumteiler 42 hat ein sternförmiges Querschnittsprofil bezogen auf die Achse 41. 6 und 7 zeigen den Raumteiler ohne Ringkern 38 und Litzen. Der Raumteiler 42 hat eine Seele 43, welche koaxial zu der Achse 41 verläuft. Der Raumteiler 42 füllt einen Teil des Auges 39 aus, und belegt vorzugsweise über die gesamte Länge des Ringkerns die Achse 41. Ausgehend von der Seele 43 stehen in radialer Richtung Rippen 44 vor, welche in weitgehend äquidistanten Winkelabständen angeordnet sind. Bei dem bevorzugten Beispiel sind sechs Rippen 44 vorgesehen, welche um 60 Grad aufeinanderfolgend versetzt angeordnet sind. Die Rippen 44 können wie dargestellt die Innenwand 40 des Ringkerns 38 berühren. Durch die Rippen 44 wird das Auge 39 in mehrere Sektoren 45, dargestellt beispielsweise sechs Sektoren 45, unterteilt. Ein Kanal 46 läuft in dem Sektor 45 parallel zu der Achse 41. Der Kanal 46 ist durch zwei Rippen 44 und den Ringkern 38 definiert, d.h. in der Ebene senkrecht zur Achse 41 bilden diese Rippen 44 und der Ringkern 38 einen Innenwandung des Kanals 46.
Jeder der Sektoren 45 bzw. Kanal 46 nimmt genau eine Litze 31, 32, 33 auf. Die Litzen 31, 32, 33 sind in Umfangsrichtung in einer sich zyklisch wiederholenden Abfolge um die Achse 41 angeordnet. In dem bevorzugten Beispiel sind die erste Litze 31, die zweite Litze 31, die dritte Litze 33 in der Abfolge in unmittelbar benachbarten Sektoren 45 angeordnet. Die Abfolge wiederholt sich entlang des Umfangs der Ringkerns 38 genau zweimal.
Bei der dargestellten Ausführungsform laufen die Litzen 31, 32, 33 innerhalb des Auges 39 in die gleicher Richtung orientiert. Die erste Litze 31 tritt, mit einer Laufrichtung ausgehend von der Motorsteuerung 21, an einer unteren Seite 47 des Ringkerns 38 in das Auge 39 ein. Das zweite Mal tritt die erste Litze 31 wiederum an der unteren Seite 47 in den Ringkern 38 ein. Die anderen Litzen 31, 33 treten ebenfalls jedesmal an der unteren Seite 47 ein, bei der gleichen Laufrichtung wie erste Litze 31. Die Litzen 31, 32, 33 werden außerhalb des Auges 39 einmal zu der unteren Seite 47 rückgeführt.
Die Querschnittsfläche der Kanäle 46 ist vorzugsweise etwa gleich oder bis zu zweimal so groß wie die Querschnittsfläche der Litzen 31, 32, 33. Die strenge Führung der Litzen 31, 32, 33 sichert eine gleichmäßige Orientierung der Litzen 31, 32, 33, wodurch ein gutes Dämpfungsverhalten des Ringkerns 38 auf hochfrequente Schaltsignale erreichbar ist. In der beispielhaften Ausführung haben die Kanäle 46 einen partiell kreisförmigen Querschnitt. Der kreisförmige Abschnitt 48 umschließt mehr als 180 Grad, um die jeweilige Litze 31, 32, 33 zu umgreifen.
Der Raumteiler 42 ist aus einem nichtmagnetisierbaren Material gebildet. Beispielsweise ist der Raumteiler 42 aus Kunststoff.
Der dargestellte Motor 5 ist neben einem Bohrhammer auch für einen Elektroschrauber, eine Bohrmaschine, einen Meißelhammer, eine Säge, eine Kreissäge, eine Säbelsäge, einen Schlagschrauber oder andere elektrisch angetrieben Werkzeugmaschinen, insbesondere handgehaltene Werkzeugmaschinen geeignet.

Claims

Elektrischer Antrieb für eine Handwerkzeugmaschine (1) mit einer elektrischen Zuleitung (30), die zwei oder mehr Litzen (31, 32, 33) enthält, einem Elektromotor (5), der mit den Litzen (31, 32, 33) elektrisch verbunden ist, einem hohlzylindrischen Ringkern (38), durch dessen Auge (39) die Litzen (31, 32, 33) wenigstens zweimal geführt sind, einem Raumteiler (42), der das Auge (39) in mehrere Sektoren (45) unterteilt, wobei durch jeden der Sektoren (45) eine der Litzen (31, 32, 33) geführt ist und die Litzen (31, 32, 33) entlang des Umfangs des Auges (39) zyklisch aufeinanderfolgend angeordnet sind.
Elektrischer Antrieb nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Motorsteuerung (21), welche einen Stromfluss in den Litzen (31, 32, 33) um jeweils einen festen Phasenversatz zyklisch ändert.
Elektrischer Antrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Zuleitung (30) genau drei oder mehr als drei Litzen (31, 32, 33) enthält.
Elektrischer Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sektoren (45) gleich groß sind.
Elektrischer Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch jeden der Sektoren (45) genau eine der Litzen (31, 32, 33) geführt ist.
Elektrischen Antrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Sektoren (45) ein ganzzahliges Vielfaches, wenigstens dem Zweifachen der Litzen (31, 32, 33) ist.
Elektrischer Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Raumteiler (42) eine der Anzahl der Sektoren (45) gleiche Anzahl von Rippen (44) aufweist, die radial in Richtung zu einer Innenwand (40) des Ringkerns (38) weisen.
Elektrischer Antrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kanal (46) eine der Litzen (31, 32, 33) für wenigstens den halben Umfang formschlüssig umgreift.
Elektrischer Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkern (38) aus Ferrit oder Eisenpulver mit Zusätzen aus Nickel oder Kobalt enthält.
Handwerkzeugmaschine (1) mit einem Handgriff (8), einem elektrischen Antrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem Schlagwerk (6) und/oder einer drehenden Werkzeugaufnahme (2), welche jeweils von dem elektrischen Antrieb angetrieben sind.