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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine handgeführte Werkzeugmaschine mit einem Elektroantrieb, insbesondere Maßnahmen zum Bereitstellen einer Kühlung von elektronischen Komponenten in einer handgeführten Werkzeugmaschine.
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Stand der Technik
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Handgeführte Werkzeugmaschinen, insbesondere mit Elektroantrieben, werden zunehmend mit intelligenten Steuerungen ausgestattet. Weiterhin können die Elektroantriebe als elektronisch kommutierte elektrische Maschinen, wie z. B. Synchronmaschinen oder Gleichstrommaschinen ausgebildet sein. In beiden Fällen werden zum Betrieb dieser elektrischen Maschinen elektronische Komponenten benötigt.
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Insbesondere bei elektronisch kommutierten elektrischen Maschinen umfassen die elektronischen Komponenten Leistungstransistoren und dergleichen, die aufgrund ihrer Verlustleistung beim Betrieb der elektrischen Maschine gekühlt werden müssen. Andere elektronische Komponenten, wie z. B. Gleichrichterbauteile und Kondensatoren, wie sie bei Gleichstrommaschinen benötigt werden, sind häufig so an der elektrischen Maschine angeordnet, dass sie der Wärmeentwicklung der elektrischen Maschine ausgesetzt sind und daher ebenfalls aktiv gekühlt werden müssen.
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Grundsätzlich ist es notwendig, die elektronischen Komponenten einer handgeführten Werkzeugmaschine möglichst kompakt an dem Elektroantrieb anzuordnen. Dabei sind die elektronischen Komponenten der Wärmeentwicklung des Elektroantriebs ausgesetzt, und es muss darauf geachtet werden, dass die elektronischen Komponenten und der Elektroantrieb in ausreichendem Maße gekühlt werden können. Dazu ist häufig vorgesehen, einen Luftstrom zu generieren und diesen durch den Elektroantrieb zu führen. Elektronische Komponenten sind oftmals passiv gekühlt und zu diesem Zweck mit einem Kühlblech oder dergleichen verbunden.
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Zum Bereitstellen eines Luftstroms durch den Elektroantrieb einer handgeführten Werkzeugmaschine ist ein Lüfterrad an der Welle des Elektroantriebs angebracht, so dass beim Betrieb ein Luftstrom durch den Elektroantrieb und gegebenenfalls durch ein nachgeordnetes Getriebe bzw. Schlagwerk erzeugt wird. Das Lüfterrad ist üblicherweise mit einer Luftleitscheibe gekoppelt, um einen Saugraum, der sich z. B. im Inneren des Elektroantriebs befinden kann, von einem Druckraum, der sich auf der Seite einer Abtriebswelle bzw. zwischen dem Elektroantrieb und dem Getriebe befindet, zu trennen.
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Aus der
DE 10 2006 000 084 A1 geht eine Handwerkzeugmaschine mit einem Komponentenmodul mit einem oder mehreren elektrischen und/oder elektronischen Komponenten und mit einer Lüftereinrichtung hervor, wobei ein erster Gehäusebereich eines Gehäuses der Handwerkzeugmaschine als ein Saugraum und ein zweiter Gehäusebereich des Gehäuses als ein Druckraum ausgebildet sind, die von einer Luftleitscheibe separiert werden. Die Lüftereinrichtung bewirkt einen Luftstrom durch den ersten Gehäusebereich in den zweiten Gehäusebereich, wobei ein Elektroantrieb in dem ersten Gehäusebereich angeordnet ist.
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In der
US 2008/0106159 A1 ist eine Handwerkzeugmaschine offenbart, bei der die als Lufleitscheibe fungierende Trennwand einstückig mit dem Gehäuse der Handwerkzeugmaschine verbunden ist.
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Die in der
DE 698 16 512 T2 gezeigte Handwerkzeugmaschine weist eine Radiatorplatte mit darauf befestigten, elektronischen Komponenten auf, die in Luftströmrichtung hinter den Auslassöffnungen eines Aufnahmegehäuses der Handwerkzeugmaschine angeordnet sind.
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In der
WO 2009/145205 A1 erfolgt die Kühlung von Leistungselektronik und Elektroantrieb durch eine besondere Anordnung der Komponenten sowie der Luftein- und auslasse im Gehäuse der Elektrohandwerkzeugmaschine in Verbindung mit dem durch eine Lüftereinrichtung erzeugten Lufstrom.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, elektronische Komponenten in einer handgeführten Werkzeugmaschine platzsparend anzuordnen und eine Möglichkeit bereitzustellen, die elektronischen Komponenten möglichst effizient zu kühlen.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung einer elektronischen Komponente in einem Elektroantrieb einer handgeführten Werkzeugmaschine gemäß Anspruch 1 sowie durch die handgeführte Werkzeugmaschine gemäß dem nebengeordneten Anspruch 7 gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Anordnung eines Komponentenmoduls mit einer oder mehreren elektrischen und/oder elektronischen Komponenten in einer handgeführten Werkzeugmaschine vorgesehen, umfassend:
- – eine Lüftereinrichtung mit einer Luftleitscheibe, die einen ersten Gehäusebereich eines Gehäuses, der ein Saugraum bezüglich der Lüftereinrichtung darstellt, von einem zweiten Gehäusebereich eines Gehäuses, der einen Druckraum bezüglich der Lüftereinrichtung darstellt, separiert, wobei die Lüftereinrichtung ausgebildet ist, um im Betrieb der Anordnung einen Luftstrom durch den ersten Gehäusebereich in den zweiten Gehäusebereich zu bewirken; und
- – einen in dem ersten Gehäusebereich angeordneten Elektroantrieb.
Erfindungsgemäß ist das Komponentenmodul in dem ersten Gehäusebereich angeordnet, ring- oder ringsegmentförmig ausgebildet und umgibt eine Statoranordnung des Elektroantriebs ganz oder teilweise. Weiterhin weist das Komponentenmodul eine ringförmige oder zylinderförmige Leiterplatte auf, die die Statoranordnung des Elektroantriebs umgibt und als die Luftleitscheibe ausgebildet ist.
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Eine Idee der obigen Anordnung besteht darin, eine oder mehrere zu kühlende elektronische Komponenten stromaufwärts des Lüfterrads, insbesondere im Saugraum eines Elektroantriebs einer Werkzeugmaschine, so anzuordnen, dass diese von der durch den Elektroantrieb strömenden Luft gekühlt werden können. Durch eine solche Anordnung der zu kühlenden elektronischen Komponenten können die elektronischen Komponenten kompakt an der elektrischen Maschine angeordnet werden, ohne dass sie dadurch einer zu hohen Temperatur, entweder aufgrund eigener Wärmeentwicklung oder aufgrund von passiver Erwärmung durch den Elektroantrieb, ausgesetzt sind.
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Weiterhin kann das Komponentenmodul in einem Kühlluftkanal zwischen einer Innenwand des Gehäuses und dem Elektronantrieb angeordnet sein.
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Weiterhin kann die Luftleitscheibe aus einem wärmeleitfähigen Material, insbesondere aus einem metallischen Material, ausgebildet sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass an der Lieterplatte die eine oder die mehreren elektrischen und/oder elektronischen Komponenten in Richtung des ersten Gehäusebereichs angeordnet sind.
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Die eine oder die mehreren elektrischen und/oder elektronischen Komponenten können in einem Kühlluftkanal zwischen einer Innenwand des Gehäuses und dem Elektronantrieb angeordnet sein.
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Weiterhin kann ein Lüfterrad an einer Welle des Elektroantriebs axial an der Luftleitscheibe angeordnet sein.
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Gemäß einem Aspekt ist eine handgeführte Werkzeugmaschine vorgesehen, umfassend:
- – ein Gehäuse; und
- – die obige Anordnung.
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Weiterhin kann eine Welle des Elektroantriebs mit einem Getriebe verbunden sein, das in dem zweiten Gehäusebereich vorgesehen ist.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Aufschnittdarstellung einer Werkzeugmaschine mit einer Lüfteranordnung, bei der ein elektronisches Komponentenmodul mit elektronischen Komponenten im Saugraum der elektrischen Maschine angeordnet ist;
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2 eine schematische Darstellung einer Werkzeugmaschine, bei der ein elektrisches Komponentenmodul an der Luftleitscheibe zur Trennung zwischen Saugraum und Druckraum angeordnet ist; und
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3 eine schematische Darstellung einer elektrischen Werkzeugmaschine, bei der die Luftleitscheibe als Platine mit darauf aufgebrachten elektrischen Komponenten ausgebildet ist.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer geöffneten Werkzeugmaschine 1 mit einem Gehäuse 2. Die Werkzeugmaschine 1 kann beispielsweise als Bohrmaschine ausgebildet sein, jedoch können die nachfolgend beschriebenen Anordnungen in einfacher Weise auch auf Bohrhämmer, Akkuschrauber und dergleichen angewendet werden.
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Die Werkzeugmaschine 1 weist einen Elektroantrieb 3 auf, der zum Antreiben einer Rotorwelle 4 ausgebildet ist. Die Rotorwelle 4 steht mit einem Getriebe 5 in Verbindung, über das ein mit der Werkzeugmaschine 1 verbundenes (nicht gezeigtes) Werkzeug in geeigneter Weise betrieben werden kann.
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Der Elektroantrieb 3 kann einem bürstenkommutierten Gleichstrommotor oder einer elektronisch kommutierten elektrischen Maschine entsprechen. Beide Arten von Elektroantrieben benötigen für einen gewünschten Betrieb, insbesondere mit variabler Last, elektronische Komponenten. Bei einer elektronisch kommutierten elektrischen Maschine als Elektroantrieb 3 ist ein elektronisches Komponentenmodul 11 als eine Leistungselektronik mit elektronischen Komponenten vorgesehen, um eine Ansteuerung zur Bestromung von Statorwicklungen bereitzustellen. Bürstenkommutierte Gleichstrommaschinen können mit einem elektronischen Komponentenmodul 11, insbesondere mit Gleichrichterkomponenten und Entstörbauelementen, wie z. B. Kondensatoren, ausgebildet sein.
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Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf elektronisch kommutierte elektrische Maschinen, ist jedoch analog auch auf andere Arten von Elektroantrieben anwendbar.
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Der Elektroantrieb 3 ist in einem ersten Gehäusebereich 21 des Gehäuses 2 angeordnet und mit einer Statoranordnung 31 mit (nicht gezeigten) Statorwicklungen versehen. Die Statoranordnung 31 ist in Form eines Zylinders ausgebildet, in dessen Innerem eine kreiszylindrische Rotoranordnung 32 angeordnet ist. Die Rotoranordnung 32 weist üblicherweise Rotorpole auf, die mithilfe von Permanentmagneten oder dergleichen magnetisiert sind, um ein Erregermagnetfeld bereitzustellen. Die Rotorwelle 4 ist über geeignete Lager 6 im Gehäuse 2 gelagert.
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Es ist eine Lüftereinrichtung 7 unmittelbar an der Rotorwelle 4 vorgesehen. Die Lüftereinrichtung 7 weist ein Lüfterrad 71 und eine Luftleitscheibe 72 auf. Die Luftleitscheibe 72 ist quer zur Rotorwelle 4 angeordnet und trennt im Wesentlichen den ersten Gehäusebereich 21 des Gehäuses 2 von einem zweiten Gehäusebereich 22 des Gehäuses 2 ab.
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Der erste Gehäusebereich 21, in dem der Elektromotor 3 angeordnet ist, entspricht einem Saugraum der Lüftereinrichtung 7. Der zweite Gehäusebereich 22, der einem Druckraum der Lüftereinrichtung 7 entspricht, umfasst im Wesentlichen das stromabwärts der Luftleitscheibe 72 angeordnete Volumen, in das die angesaugte Luft gefördert wird. Der zweite Gehäusebereich 22 kann weiterhin mit dem Getriebe 5 in Verbindung stehen, so dass die durch den Druckraum strömende Luft zur Kühlung des Getriebes 5 verwendet werden kann.
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Beim Betrieb der elektrischen Maschine saugt die Lüftereinrichtung 7 aus dem Saugraum, in dem der Elektromotor 3 angeordnet ist, durch Einlassöffnungen 23 im Gehäuse 2 Luft aus der Umgebung an und befördert diese durch den ersten Gehäusebereich 21 bzw. den Saugraum in den zweiten Gehäusebereich 22 bzw. den Druckraum in Richtung des Getriebes 5. Die Luft wird von dort über Auslassöffnungen 24 aus dem Gehäuse 2 ausgelassen.
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Im Wesentlichen sind die Einlassöffnungen 23 des Gehäuses 2 der Luftleitscheibe 72 bezüglich des Elektroantriebs 3 gegenüberliegend angeordnet. Weiterhin ist zwischen der Statoranordnung 31 und einer Innenwand 25 des Gehäuses 2 ein Abstand vorgesehen, um einen Kühlluftkanal 10 für die zur Kühlung angesaugten Luft auszubilden.
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Die im Wesentlichen ringförmige Luftleitscheibe 72 trennt im Wesentlichen den ersten Gehäusebereich 21, d. h. den Saugraum, von dem zweiten Gehäusebereich 22, d. h. dem Druckraum, ab. Jedoch weist die Luftleitscheibe 72 eine Mittenöffnung 73 auf, durch die die Rotorwelle 4 verläuft. Zwischen dem Außenumfang der Rotorwelle 4 und einem Innenumfang der ringförmigen Luftleitscheibe 72 besteht ein Luftpfad, durch den Luft aus dem Saugram in den Druckbereich 22 gefördert werden kann.
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Der Übersichtlichkeit halber ist der Abstand zwischen dem Lüfterrad 71 und der Luftleitscheibe 72 relativ groß dargestellt. Das Lüfterrad 71 und die Luftleitscheibe 72 weisen in der Regel jedoch einen sehr geringen axialen Abstand, z. B. von 0,1–1 mm auf, so dass sich das Lüfterrad 71 im Betrieb sehr dicht über der Luftleitscheibe 72 dreht. Durch den geringen Abstand zwischen dem Lüfterrad 71 und der Luftleitscheibe 72 strömt nur ein geringer Teil der Luft aus dem zweiten Gehäusebereich 22 bzw. dem Druckraum zurück durch den Zwischenraum zwischen dem Lüfterrad 71 und der Luftleitscheibe 72 in den ersten Gehäusebereich 21 bzw. den Saugraum. Weiterhin kann auch der Abstand zwischen der Luftleitscheibe 72 und einer Stirnseite der Statoranordnung 31 bzw. einer Stirnseite der Rotoranordnung 32 gering, d. h. im Bereich zwischen 0,5 mm bis 5 mm, sein.
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In dem Kühlluftkanal 10 kann ein zu kühlendes elektronisches Komponentenmodul 11 mit einer oder mehreren elektrischen bzw. elektronischen Komponenten angeordnet werden. Das elektronische Komponentenmodul 11 kann somit gleichzeitig mit dem Elektroantrieb 3 durch den durch die Lüftereinrichtung 7 bewirkten Luftstrom gekühlt werden. Da die Wärmeempfindlichkeit von elektrischen bzw. elektronischen Komponenten des Komponentenmoduls 11 üblicherweise höher ist als die Wärmempfindlichkeit von Bauteilen des Elektronantriebs 3, wie z. B. den Statorwicklungen des Elektroantriebs 3, ist die Anordnung stromaufwärts der Luftleitscheibe 72 sinnvoll, da dort die Temperatur der angesaugten kühlenden Luft weitaus geringer ist als stromabwärts der Luftleitscheibe 72.
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Der Kühlluftkanal 10 kann die Statoranordnung 31 des Elektroantriebs 3 abgesehen von Halterungen zur Fixierung der Statoranordnung 31 im Wesentlichen zylinderförmig umgeben. Das Komponentenmodul 11 kann entsprechend ringförmig oder zylinderförmig ausgebildet und in den Kühlluftkanal 10 eingesetzt sein, ohne diesen in axialer Richtung zu verschließen. Das Komponentenmodul 11 kann jedoch auch in anderer Weise ausgeformt und an einem Umfangsabschnitt in dem Kühlluftkanal 10 angeordnet sein. Insbesondere kann das Komponentenmodul 11 ringsegmentförmig ausgebildet sein, z. B. mit einer sich radial erstreckenden ringförmigen Leiterplatte oder als zylinderförmig oder zylindersegmentförmig gebogene Leiterplatte, die sich ganz bzw. teilweise um den Elektroantrieb 3 erstreckt. Das elektronische Komponentenmodul 11 kann mit (nicht gezeigten) Kühlkörpern versehen sein, die in den Luftstrom durch den Kühlluftkanal 10 hineinragende Kühlelemente umfassen.
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Die Ausführungsform der 2 zeigt eine zur Ausführungsform der 1 im Wesentlichen baugleiche Werkzeugmaschine 1, wobei das Komponentenmodul 11 mit den zu kühlenden elektrischen bzw. elektronischen Komponenten auf der Seite des Saugbereichs 21 an der Luftleitscheibe 72 angeordnet ist. Insbesondere kann das Komponentenmodul 11 in einem Bereich an der Luftleitscheibe 72 angeordnet sein, der radial weiter außerhalb als die Statoranordnung 31 liegt.
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Die Luftleitscheibe 72 kann allgemein aus Kunststoff ausgebildet sein. Die Luftleitscheibe 72 kann jedoch auch aus einem thermisch besser leitfähigen Material, wie beispielsweise einem Metallmaterial, z. B. in Form eines Kühlblechs ausgebildet sein. Das Komponentenmodul 11 kann dazu mit Kühlflächen direkt auf die Luftleitscheibe 72, insbesondere mithilfe einer Wärmeleitpaste oder dergleichen, aufgesetzt werden, so dass die an der Luftleitscheibe 72 vorbeiströmende Luft eine Kühlung des Komponentenmoduls 11 über die Luftleitscheibe 72 ermöglicht.
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Die Ausführungsform der 3 unterscheidet sich von der Ausführungsform der 2 dadurch, dass die Luftleitscheibe 72 selbst als Leiterplatte zum Tragen der elektrischen bzw. elektronischen Komponenten ausgebildet ist und dadurch das Komponentenmodul 11 selbst trägt bzw. in dieses integriert ist. Dadurch kann eine Doppelnutzung der Leiterplatte sowohl als Luftleitscheibe 72 als auch als Trägerelement der elektrischen bzw. elektronischen Komponenten des Komponentenmoduls 11 dienen, wodurch sich die Anzahl von Bauteilen für die Werkzeugmaschine 1 und damit der Aufwand bei der Montage der Werkzeugmaschine 1 reduziert.
