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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Handwerkzeugmaschine mit einem elektronisch kommutierten Antriebsmotor, der einen mit einer Motorwicklung versehenen Stator und einen mit einem Permanentmagneten versehenen Rotor aufweist.
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Aus dem Stand der Technik sind Handwerkzeugmaschinen bekannt, die elektronisch kommutierte Antriebsmotoren mit einem mit einer Motorwicklung versehenen Stator und einem mit einem Permanentmagneten und einer Rotorwelle versehenen Rotor aufweisen, wobei die Motorwicklung und der Permanentmagnet beim drehenden Antrieb der Rotorwelle in Wechselwirkung miteinander stehen. Zur Erfassung einer jeweiligen Drehstellung und/oder Drehzahl des Rotors ist bei derartigen Antriebsmotoren, nachfolgend EC-Motoren genannt, eine Sensorik vorgesehen, die einen auf der Rotorwelle drehfest angeordnet Positionsgebermagneten und Hall-Sensoren umfasst, die zur Erfassung und Auswertung des Magnetfelds des Positionsgebermagneten ausgebildet sind.
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Nachteilig am Stand der Technik ist, dass eine derartige Sensorik aufwendig ist, was zu einem erhöhten Aufwand bei der Herstellung und der Montage eines EC-Motors und somit einer entsprechenden Handwerkzeugmaschine führt und somit die Wirtschaftlichkeit des EC-Motors bzw. der Handwerkzeugmaschine senkt.
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Offenbarung der Erfindung
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine neue Handwerkzeugmaschine mit einem elektronisch kommutierten Antriebsmotor bereitzustellen, der wirtschaftlicher in seiner Herstellung und Wartung und schneller und einfacher zu montieren ist.
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Dieses Problem wird gelöst durch eine Handwerkzeugmaschine mit einem elektronisch kommutierten Antriebsmotor, der einen mit einer Motorwicklung versehenen Stator und einen mit einem Permanentmagneten versehenen Rotor aufweist. Der Permanentmagnet weist eine axiale Verlängerung auf, die dazu ausgebildet ist, eine Erfassung einer jeweiligen Drehstellung des Rotors zu ermöglichen.
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Die Erfindung ermöglicht somit die Bereitstellung einer Handwerkzeugmaschine mit einem elektronisch kommutierten Antriebsmotor, bei dem auf die Bereitstellung eines separaten, zusätzlichen Positionsgebermagneten verzichtet werden kann, so dass der Antriebsmotor mit weniger Einzelteilen hergestellt werden kann und somit wirtschaftlicher und zuverlässiger ist.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Motorwicklung an einem mit einer Mehrzahl von Statorzähnen versehenen Statorkern angeordnet, wobei der Permanentmagnet eine axiale Länge aufweist, die um die axiale Verlängerung größer ist als eine den Statorzähnen zugeordnete axiale Länge.
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Somit kann die axiale Verlängerung auf einfache Art und Weise aus dem Wirkungsbereich eines von der Motorwicklung des Stators im Betrieb des Antriebsmotors erzeugten, magnetischen Antriebsfeldes entzogen werden, so dass eine durch die axiale Verlängerung ausgebildete, axial ausgerichtete Magnetisierung z.B. durch einen Hallsensor zur Erfassung der Lage des Rotors relativ zum Stator weitestgehend störungsfrei erfasst werden kann.
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Bevorzugt weist der Permanentmagnet im Bereich der Statorzähne eine radial ausgerichtete Magnetisierung und im Bereich der axialen Verlängerung eine axial ausgerichtete Magnetisierung auf.
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Auf diese Weise können störende Einflüsse eines vom Permanentmagneten bereitgestellten magnetischen Antriebsfeldes, das auf der radial ausgerichteten Magnetisierung beruht, bei einer Drehstellungserfassung einer jeweiligen Drehstellung des Rotors unter Verwendung der axial ausgerichteten Magnetisierung sicher und zuverlässig vermieden werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der axialen Verlängerung mindestens ein Sensorelement zum Erfassen der axial ausgerichteten Magnetisierung der axialen Verlängerung zugeordnet.
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Somit kann die axial ausgerichtete Magnetisierung der axialen Verlängerung mit einem unkomplizierten und kostengünstigen Bauteil erfasst werden.
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Bevorzugt ist das Sensorelement im Bereich der axial ausgerichteten Magnetisierung der axialen Verlängerung angeordnet.
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Somit kann eine stabile und robuste Erfassung der axial ausgerichteten Magnetisierung der axialen Verlängerung gewährleistet werden.
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Bevorzugt weist der Rotor einen Rotorkern auf. Somit kann ein einfacher und funktionssicherer Rotor bereitgestellt werden. Gemäß einer Ausführungsform ist der Permanentmagnet radial am Rotorkern angeordnet und der Rotorkern weist eine axiale Länge auf, die einer den Statorzähnen zugeordneten axialen Länge entspricht.
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Die Erfindung ermöglicht somit die Bereitstellung eines materialsparenden und somit kostengünstigen Rotorkerns.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Permanentmagnet radial am Rotorkern angeordnet und der Rotorkern weist eine axiale Länge auf, die einer dem Permanentmagnet zugeordneten axialen Länge entspricht.
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Somit werden die Magnetfeldlinien der axial ausgerichteten Magnetisierung der axialen Verlängerung durch den Rotorkern verstärkt, so dass deren Erfassung durch das Sensorelement verbessert werden kann.
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Darüber hinaus kann zur Lösung des Problems ein elektronisch kommutierter Antriebsmotor Anwendung finden, der einen mit einer Motorwicklung versehenen Stator und einen mit einem Permanentmagneten versehenen Rotor aufweist. Der Permanentmagnet weist eine axiale Verlängerung auf, die dazu ausgebildet ist, eine Erfassung einer jeweiligen Drehstellung des Rotors zu ermöglichen.
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Dieser Antriebsmotor kann um Merkmale des Antriebsmotors erweitert werden, der in der angegebenen Handwerkzeugmaschine gemäß den Unteransprüchen angeordnet ist.
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Des Weiteren kann zur Lösung des Problems ein Verfahren zum Magnetisieren eines Permanentmagneten für einen elektronisch kommutierten Antriebsmotor Anwendung finden, der einen mit einer Motorwicklung versehenen Stator und einen mit dem Permanentmagneten versehenen Rotor aufweist, wobei der Permanentmagnet dazu ausgebildet ist, eine Erfassung einer jeweiligen Drehstellung des Rotors zu ermöglichen. Das angegebene Verfahren umfasst ein Anordnen eines mit mindestens einem elektrischen Leiter versehenen, weichmagnetischen Metallkerns am Permanentmagneten, wobei der mindestens eine elektrische Leiter an einer Mantelfläche des Permanentmagneten paarweise zumindest annähernd achsparallele Leiterbahnen ausbildet, die sich zumindest von einem ersten axialen Ende des Permanentmagneten bis zu einem zweiten axialen Ende des Permanentmagneten erstrecken, an dem die Leiterbahnen schleifenartig miteinander verbunden sind, wobei die Leiterbahnen das zweite axiale Ende übergreifen; und ein impulsartiges Bestromen des elektrischen Leiters am ersten axialen Ende des Permanentmagneten, um zumindest im Bereich des zweiten axialen Endes des Permanentmagneten eine axial ausgerichtete Magnetisierung zu erzeugen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer Handwerkzeugmaschine mit einem elektronisch kommutierten Antriebsmotor gemäß einer Ausführungsform,
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2 einen vereinfachten Längsschnitt durch den mit einem Permanentmagneten versehenen Antriebsmotor von 1, und
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3 eine perspektivische Ansicht einer Anordnung zur Magnetisierung des Permanentmagneten von 2.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt eine beispielhafte Handwerkzeugmaschine 10 mit einem elektronisch kommutierten Antriebsmotor 20 gemäß einer Ausführungsform. Die Handwerkzeugmaschine 10 weist illustrativ ein Werkzeuggehäuse 14 mit einem Handgriff 16 sowie eine Werkzeugaufnahme 12 auf, und ist beispielhaft zur netzunabhängigen Stromversorgung mechanisch und elektrisch mit einem Akkupack 18 verbindbar.
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Die Handwerkzeugmaschine 10 ist hier beispielhaft als ein Akku-Drehschlagschrauber ausgebildet. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf Akku-Drehschlagschrauber beschränkt ist, sondern vielmehr bei unterschiedlichen Elektrowerkzeugen Anwendung finden kann, bei denen der Antriebsmotor 20 verwendbar ist, z.B. bei einem Bohrhammer, einem Schrauber, einem Bohrschrauber, einer Schlagbohrmaschine, einer Säge, einer Fräsmaschine, einer Schleifmaschine, einem Gartenwerkzeug etc., unabhängig davon, ob das Elektrowerkzeug netzunabhängig mit dem Akkupack 18 oder netzabhängig betreibbar ist.
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In dem Werkzeuggehäuse 14 sind exemplarisch der von dem Akkupack 18 mit Strom versorgte Antriebsmotor 20, ein Getriebe 22 und ein Schlagwerk 24 angeordnet. Der Antriebsmotor 20 ist gemäß einer Ausführungsform nach Art eines EC-Motors, insbesondere eines Klein- oder Kleinstmotors ausgebildet und z.B. über einen Handschalter 26 betätigbar, d.h. ein- und ausschaltbar. Vorzugsweise ist der Antriebsmotor 20 derart elektronisch steuer- bzw. regelbar, dass sowohl ein Reversierbetrieb, als auch Vorgaben hinsichtlich einer gewünschten Drehgeschwindigkeit und/oder eines Drehmomentes realisierbar sind. Die Funktionsweise und ein beispielhafter Aufbau des Antriebsmotors 20 sind unten bei 2 weiter beschrieben.
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Illustrativ ist der Antriebsmotor 20 über eine zugeordnete Motorwelle 28 mit dem Getriebe 22 verbunden, das eine Drehung der Motorwelle 28 in eine Drehung eines zwischen Getriebe 22 und Schlagwerk 24 vorgesehenen Antriebsglieds 30, z.B. einer Antriebswelle, umwandelt. Diese Umwandlung erfolgt bevorzugt derart, dass das Antriebsglied 30 sich relativ zur Motorwelle 28 mit vergrößertem Drehmoment, aber verringerter Drehgeschwindigkeit dreht. Der Antriebsmotor 20 und das Getriebe 22 sind beispielhaft gemäß der sogenannten open-frame Bauweise in dem Werkzeuggehäuse 14 angeordnet, können alternativ hierzu jedoch auch in separaten Motor- und Getriebegehäusen gemäß der sogenannten can-Bauweise angeordnet sein, die ihrerseits wiederum im Werkzeuggehäuse 14 angeordnet sein können, usw.
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Das mit dem Antriebsglied 30 verbundene Schlagwerk 24 ist beispielhaft ein Dreh- bzw. Rotationsschlagwerk, das schlagartige Drehimpulse mit hoher Intensität erzeugt und auf eine Abtriebswelle 32, z.B. eine Abtriebsspindel, überträgt. An der Abtriebswelle 32 ist die Werkzeugaufnahme 12 vorgesehen, die bevorzugt zur Aufnahme von Einsatzwerkzeugen ausgebildet ist und gemäß einer Ausführungsform sowohl mit einem Einsatzwerkzeug mit Außenkupplung, z.B. einem Schrauberbit, als auch mit einem Einsatzwerkzeug mit Innenkupplung, z.B. einem Steckschlüssel, verbindbar ist. Illustrativ ist die Werkzeugaufnahme 12 mit einem Einsatzwerkzeug 34 mit einer Außenmehrkant-Kupplung 36 oder mit einem Einsatzwerkzeug mit einer Innenmehrkant-Kupplung verbindbar. Das Einsatzwerkzeug 34 ist beispielhaft als Schrauberbit mit der illustrativ als Sechskant-Kupplung ausgeführten Außenmehrkant-Kupplung 36 ausgebildet, die in der Werkzeugaufnahme 12 angeordnet ist. Ein derartiges Schrauberbit ist hinreichend aus dem Stand der Technik bekannt, sodass hier zwecks Knappheit der Beschreibung auf eine eingehende Beschreibung verzichtet wird.
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2 zeigt den mit der Motorwelle 28 versehenen Antriebsmotor 20 von 1. Dieser weist darüber hinaus illustrativ einen Stator 202 auf, in dem beispielhaft ein mit der Motorwelle 28 drehfest verbundener Rotor 204 drehbar gelagert ist, wobei die Motorwelle 28 eine dem Rotor 204 zugeordnete Rotorwelle ausbildet.
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Gemäß einer Ausführungsform ist auf der Motor- bzw. Rotorwelle 28 drehfest ein Rotorkern 242 gehalten, der z.B. als Blechpacket ausgebildet ist. Das heißt, dass der Rotorkern 242 aus einem Stapel an gestanzten kreisrunden nicht weiter referenzierten Blechen gebildet ist, die in axialer Richtung der Motorwelle 28 gestapelt und auf dieser gehalten sind. Radial auf dem Rotorkern 242 ist ein auch als Dauermagnet bezeichneter, illustrativ hohlzylindrischer Permanentmagnet 241 angeordnet, der zumindest bereichsweise eine radial ausgerichtete Magnetisierung 262 aufweist und bevorzugt nach Art eines Ringmagneten ausgebildet ist.
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Der Rotor 204 und der Stator 202 sind in einem dem Antriebsmotor 20 zugeordneten Gehäuse 210 angeordnet, das wie bei 1 beschrieben vom Werkzeuggehäuse 14 von 1 ausgebildet sein kann und an dem illustrativ ein erstes Drehlager 220 und ein zweites Drehlager 230 zur drehbeweglichen Lagerung der Motor- bzw. Rotorwelle 28 fixiert sind. Die Drehlager 220, 230 können beispielsweise als Wälzlager in einer dem Fachmann bekannten Weise ausgebildet sein. In dem Gehäuse 210 ist ferner ein Statorkern 221 fixiert, von dem radial nach innen Statorzähne 223 abragen. In der Schnittdarstellung der 2 sind von diesen Statorzähnen 223 lediglich zwei sichtbar.
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An den Statorzähnen 223 ist beispielhaft eine Motorwicklung 222 des Antriebsmotors 20 vorgesehen. Durch eine Bestromung dieser Motorwicklung 222 im Betrieb der Handwerkzeugmaschine 10 von 1 wird ein magnetisches Antriebsfeld 261 ausgebildet, mit dem der Rotor 204 angetrieben werden kann. Hierbei wirkt das magnetische Antriebsfeld 261 derart mit der radial ausgerichteten Magnetisierung 262 des Permanentmagneten 241 zusammen, dass vom Stator 202 auf den Rotor 204 ein Drehmoment ausgeübt wird, so dass sich der Rotor 204 gegenüber dem Stator 202 dreht.
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Gemäß einer Ausführungsform ist hierbei zur Erfassung einer jeweiligen Drehstellung des Rotors 204 mindestens ein Sensorelement 252 vorgesehen, das z.B. an einer im Gehäuse 210 befestigten Sensorplatine 251 angeordnet ist. Das Sensorelement 252 weist z.B. mindestens einen und üblicherweise drei Hall-Sensoren auf und dient zur Erfassung eines Sensormagnetfelds, das in der vorliegenden Ausführung vom Permanentmagnet 241 abgegeben wird. Hierzu weist der Permanentmagnet 241 eine axiale Verlängerung 243 auf, die mit einer axial ausgerichteten Magnetisierung 244 zur Erzeugung des Sensormagnetfelds versehen ist, worauf an späterer Stelle noch näher eingegangen wird. Auf der Basis dieses Sensormagnetfeldes erzeugt das Sensorelement 252 z.B. auf dem Fachmann bekannte Art und Weise ein Spannungssignal und übermittelt dieses an eine Auswerteschaltung, die aus dem Spannungssignal die jeweilige Drehstellung des Rotors 204 zur weiteren Bestromung der Motorwicklung 222 und damit zur Erzeugung des magnetischen Antriebsfeldes 261 ableitet.
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Die axiale Verlängerung 243 ist beispielhaft dadurch ausgebildet, dass eine axiale Länge 245 des Permanentmagneten 241 größer ist als eine axiale Länge 224 der Statorzähne 223, wobei die Statorzähne 223 und der Permanentmagnet 241 axial stirnseitig auf ihrer vom Sensorelement 252 abgewandten Seite etwa axial bündig angeordnet sind. Dabei weist der Rotorkern 242 in der vorliegenden Ausführung beispielhaft eine axiale Länge auf, die gleich der axialen Länge 224 der Statorzähne 223 ist. Dies ist jedoch beispielhaft, denn der Rotorkern 242 kann jede beliebige axiale Länge aufweisen, die im Bereich zwischen der axialen Länge 224 der Statorzähne 223 und der axialen Länge 245 des Permanentmagneten 241 liegt.
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3 zeigt ein beispielhaftes Verfahren zum Magnetisieren des Permanentmagneten 241 des Antriebsmotors 20 von 2. Hierbei wird in einem ersten Schritt ein mit mindestens einem elektrischen Leiter 270 versehener, weichmagnetischer Metallkern 341 am Permanentmagneten 241 angeordnet. Der mindestens eine elektrische Leiter 270 bildet an einer Mantelfläche 370 des Permanentmagneten 241 paarweise, zumindest annähernd achsparallele Leiterbahnen 271, 272 aus. Diese erstrecken sich zumindest von einem ersten axialen Ende 274 des Permanentmagneten 241 bis zu einem zweiten axialen Ende 275 des Permanentmagneten 241, an dem die Leiterbahnen 271, 272 schleifenartig 273 miteinander verbunden sind, wobei die Leiterbahnen 271, 272 das zweite axiale Ende 275 übergreifen.
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In einem zweiten Schritt wird der elektrische Leiter 270 am ersten axialen Ende 274 des Permanentmagneten 241 impulsartig bestromt, um zumindest im Bereich des zweiten axialen Endes 275 des Permanentmagneten 241 die axial ausgerichtete Magnetisierung bzw. das Sensormagnetfeld 244 zu erzeugen. Hierbei wird auch die zum Antrieb des Rotors 204 von 2 verwendete, radial ausgerichtete Magnetisierung 262 erzeugt.
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Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die Bestromung beliebig ausgebildet sein kann, solange diese unipolar bleibt. Die Bestromung kann daher ein zeitlich konstanter oder ein sich zeitlich verändernder Gleichstrom sein. Besonders bevorzugt erfolgt die Bestromung jedoch wie oben beschrieben mit Stromimpulsen, da sich hier mit einem minimalen Energieaufwand eine größtmögliche Magnetisierung erreichen lässt.
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Zur Vereinfachung dieses Verfahrens wird der illustrativ hohlzylindrisch bzw. rohrförmig ausgebildete Permanentmagnet 241 aus einem ferromagnetischen Material ausgebildet, das sich leicht magnetisieren und damit leicht magnetisch sättigen lässt. Dazu sind Materialien wie Weicheisen, Stähle mit einem niedrigen Kohlenstoffanteil, Stähle mit einem Siliziumzusatz, Nickel-Eisen Legierungen, Cobalt-Eisen-Legierungen oder Ferrite geeignet. Alternativ hierzu kann das Ausgangsmaterial des Permanentmagnets 241 auch ein hartmagnetischer Werkstoff sein. In diesem Falle würde der Permanentmagnet 241 z.B. in Gegenwart eines starken Magnetfeldes in seine hohlzylindrische bzw. rohrförmige Form gepresst und bei einer hohen Temperatur gesintert. Das starke Magnetfeld orientiert den hartmagnetischen Werkstoff, so dass sich die radiale und axiale Magnetisierung 262 bzw. 244 ausbilden, die jedoch zunächst beim Sintern wieder verloren gehen und dann durch das oben beschriebene Verfahren wieder reaktiviert werden können.
