DE202009008806U1

DE202009008806U1 - Kühlkonstruktion eines geschlossenen Elektrowerkzeuges

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Publication number: DE202009008806U1
Application number: DE200920008806
Authority: DE
Original assignee: Bach Pangho Chen Claremont
Current assignee: Xpole Precision Tools Inc
Priority date: 2009-06-25
Filing date: 2009-06-25
Publication date: 2009-09-24
Anticipated expiration: 2019-06-26

Abstract

Kühlkonstruktion für geschlossene Elektrowerkzeuge, mit:
einem Hauptkörper (40), der einen Aufnahmeraum (43) aufweist, wobei die Außenwand des Hauptkörpers (40) mit Kühlöffnungen (41) versehen ist, die den Aufnahmeraum (43) mit der Außenumgebung verbindet;
einem Stator (31), der im Aufnahmeraum (43) eingebaut ist;
einem Rotor (20), der sich im Aufnahmeraum (43) befindet und zwischen dem Stator (31) und dem Hauptkörper (40) angeordnet ist, sodass sich ein Raum (A) für den kreislaufenden Luftstrom zwischen dem Rotor (20) und der Wand des Hauptkörpers (40) ergibt, während ein Raum (B) für die axiale Luftströmung zwischen dem Rotor (20) und dem Stator (31 entsteht, und wobei der Raum (A) für den kreislaufenden Luftstrom und der Raum (B) für den axialen Luftstrom sind durch einen radialen Luftkanal (C) verbindet, wobei eine axiale Luftöffnung (26) am Rotor (20) einen Durchgang für den Raum (A) und den Raum (B) bildet, und wobei am Rotor (20) mindestens...

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlkonstruktion für geschlossene Elektrowerkzeuge, insbesondere eine Kühlkonstruktion, die durch das Rotordrehen eines in einem Elektrowerkzeug eingebauten Elektromotors den Motor selbst mit einem Luftstrom abkühlt.
Mit der ständigen Entwicklung des Elektromotors wird das alltägliche Leben der Menschheit stark erleichtert. Dank der ständigen Innovation und der Materialverbesserung werden die Baugrößen der Elektromotoren, von den Großmotoren, die anfangs nur für industriellen Zweck eingesetzt sind, bis zu den relativ kleineren Motoren für Haushaltgeräte und schließlich zu den ganz kleinen Motoren für Gebrauchsartikel des Alltags und für Elektrowerkzeuge, immer kleiner, sodass sie in immer mehr Bereichen ihre Anwendung finden.
Heutzutage lassen sich die Elektromotoren nach ihren Konstruktionen in unterschiedliche Typen und Ausführungen einteilen, wobei jeder einzelne Motor seine eigenen Verwendungseigenschaften besitzt. Elektromotoren unterscheiden sich sowohl nach ihrer Baugröße, Kühlungsart, Drehkraft, Drehzahl und Steuerungsart als auch nach verwendeten Materialien und Herstellungskosten, sodass ein Elektromotor völlig anders als der andere ist. Nur unter der genauen Berücksichtigung der entsprechenden Einsatzumgebung und des technischen Bedarfs kann ein bestgeeigneter Motor für einen bestimmten Zweck ausgewählt werden. Speziell auf dem Gebiet der relativ kleinen Elektromotoren sind die in einem Elektrowerkzeug eingebauten Elektromotoren diejenigen, die die schlimmsten Arbeitsbedingungen und Einsatzumgebungen aushalten müssen.
Ein in einem Elektrowerkzeug verwendeter Elektromotor ist normalerweise relativ klein, verfügt aber über eine größere Drehkraft und eine hohe Drehzahl. Noch wichtiger ist seine Haltbarkeit während eines langen Betriebs. Irgendein Fehler der oben erwähnten Eigenschaften kann zu einer Störung bzw. Beschädigung eines Elektrowerkzeuges führen. Das Hauptproblem, das die Verbraucher dabei plagt, ist die Überhitzung des Elektromotors, die durch die akkumulierte Wärme an Motorlagern, Wicklungen am Stator und Magneten des Motors erzeugt wird, was einen langzeitigen Betrieb und somit die gesamte Lebensdauer eines Elektrowerkzeuges direkt beeinflussen kann.
Die häufig in einem Elektrowerkzeug eingesetzten Elektromotoren sind Gleichstrommotoren mit einer Bürste und einem Kommutator. Sie besitzen normalerweise eine größere Dimension und eine niedrigere Leistung, wobei ihre eingebauten Bürsten und Kommutatoren als Verschleißteile regelmäßig gewechselt werden müssen, weil sie durch die während des Motorbetriebs erzeugten Funken abgenutzt werden. Deswegen werden immer mehr bürstenlose Gleichstrommotoren, die eine relativ kleine Größe, aber eine relativ hohe Leistung besitzen, nach und nach in den Elektrowerkzeugen eingesetzt. Nachteilig ist jedoch bei dieser Lösung, dass die Wärmeerzeugung eines solchen Elektromotors noch mehr an einer kleineren Fläche erfolgt, weil der Motor relativ klein ist. Außerdem ist ein solcher Elektromotor in einem relativ dichten Gehäuse eingebaut, somit ist es nicht leicht, die Wärme abzuführen, was öfter zu einer Überhitzung des Elektromotors und somit zu einer Störung des Elektrowerkzeuges führt.
Um das Problem zu lösen, werden viele Kühlkonstruktionen entwickelt, die jeweils schon aus der US 6,789,630 , 7,166,939 , US 2008/0233848 und TW M263204 bekannt sind. Alle diese Konstruktionen beziehen sich auf einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einem Innenrotor, wobei ein mitlaufender Lüfter oder ein Kühlkörper an dem Motorschaft angebracht ist, sodass die während des Motorbetriebs mitdrehenden Lüfterflügel bzw. der mitdrehende Kühlkörper einen Luftstrom erzeugen, um den Motor abzukühlen. Eine andere bekannte Möglichkeit ist, einen zusätzlichen Elektromotor mit einem Lüfter einzubauen, sodass ein Elektrowerkzeug dauernd abgekühlt wird, ganz egal, ob der Hauptmotor läuft oder nicht. Alle diese Kühlkonstruktionen weisen leider bei einem längeren Betrieb ihre Nachteile auf, weil ihr Kühlungseffekt beschränkt ist. Außerdem nehmen diese zusätzlichen Bauteile nicht nur einen größeren Platzbedarf in Anspruch, sie fordern auch erhöhte Herstellungskosten und einen zusätzlichen Stromverbrauch. Selbst wenn ein bürstenloser Außenrotor-Gleichstrommotor in einem Elektrowerkzeug eingesetzt wird, bleibt das Kühlungsproblem immer noch wie bei einem Innenrotor-Motor. Dementsprechend ist eine Kühlkonstruktion für Außenrotor-Gleichstrommotoren aus TW M269645 bekannt, wobei die Lufteintrittsöffnungen am Außenrotor und die durchgebohrten Luftöffnungen am Werkzeuggehäuse angeordnet sind, sodass ein Luftstrom durch das Drehen des Außenrotors von außen abgesaugt wird und diesen dann durch die Luftöffnungen am Gehäuse nach außen abgeführt wird, um einen Kühlungseffekt zu erzielen. Leider ist der Kühlungseffekt dieser Kühlkonstruktion bei einem langzeitigen Betrieb auch beschränkt, weil die Luftbewegung nur von den schrägen Ausschnitten der Lufteintrittsöffnungen abhängt. So lassen sich die bürstenlosen Gleichstrommotoren, die für den Einsatz in einem Elektrowerkzeug bestimmt sind, immer noch weiter verbessern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine effektive Kühlkonstruktion bereitzustellen, um das Überhitzungsproblem eines herkömmlichen, bürstenlosen Gleichstrommotor, der in einem geschlossenen Elektrowerkzeug eingebaut wird, zu lösen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kühlkonstruktion eines geschlossenen Elektrowerkzeuges, die die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist. Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Gemäß der Erfindung wird eine Kühlkonstruktion eines geschlossenen Elektrowerkzeuges geschaffen, die einen Hauptkörper besitzt, der einen Aufnahmeraum aufweist. Die Außenwand des Hauptkörpers ist mit Kühlöffnungen versehen, die den Aufnahmeraum mit der Außenumgebung verbindet. Im Aufnahmeraum befindet sich ein Stator. Ein Rotor ist zwischen dem Stator und dem Hauptkörper angeordnet, sodass sich ein Raum für den kreislaufenden Luftstrom zwischen dem Rotor und der Wand des Hauptkörpers ergibt, während ein Raum für die axiale Luftströmung zwischen dem Rotor und dem Stator entsteht. Der Raum für den kreislaufenden Luftstrom und der Raum B für den axialen Luftstrom sind durch einen radialen Luftkanal verbunden, wobei eine axiale Luftöffnung am Rotor einen Durchgang für den Raum und den Raum B bildet. Am Rotor ist mindestens ein Luftdeflektor angeordnet. Wenn der Rotor gegenüber dem Stator rotiert, fließt die durch den Stator erzeugte Heißluft radial von dem Raum über den Luftkanal in den Raum. Der Luftdeflektor führt die Heißluft durch die Kühlöffnungen nach außen ab und leitet die Kaltluft von außen über die axiale Luftöffnung in den Raum, sodass ein kreislaufender Luftstrom zur Motorkühlung entstehen kann.
Im Vergleich zu den oben erwähnten Lösungen sollte die erfindungsgemäße Kühlkonstruktion mindestens folgende Vorteile bringen:

1. Ein Luftdeflektor ist integral mit dem Rotor durch ein einmaliges Formgebungsverfahren angefertigt, sodass keine zusätzlichen Bauteile und keine zusätzliche Arbeitsgänge bei dem Zusammenbau bzw. Herstellung nötig sind, was erhöhte Herstellungskosten vermeidet.
2. Der Motor kann durch sein eigenes Drehen den Luftdeflektor mit in die Bewegung setzen, sodass ein Kühlungseffekt erzielt wird, ohne dabei die Motordimension zu vergrößern und einen zusätzlichen Stromverbrauch zu brauchen.

Im Folgenden werden die Erfindung und deren Ausgestaltungen anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kühlkonstruktion;
2 einen Schnitt durch das Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühlkonstruktion;
3 die Luftströmung I der erfindungsgemäßen Kühlkonstruktion im Schnitt;
4 die Luftströmung II der erfindungsgemäßen Kühlkonstruktion im Schnitt; und
5 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Kühlkonstruktion.
1 und 2 sind jeweils eine perspektivische Explosionszeichnung bzw. eine schematische Ansicht der vorliegenden Erfindung, wobei ein Aufnahmeraum 43 in einem Hauptkörper 40 eines Werkzeuges ausgebildet ist, dessen Außenwand mindestens eine Kühlöffnung 41 aufweist, die räumlich mit dem Aufnahmeraum 43 verbunden ist. Wie die Figuren zeigen, ist ein Stator 31, der ein Magnetfeld zum Drehen erzeugt, im Statorsitz 30 des Aufnahmeraums 43 angebracht. Zwischen dem Stator 31 im Aufnahmeraum 43 und dem Hauptkörper 40 ist ein Rotor 20 angeordnet, der in der Zeichnung wie eine Trommel aussieht und einen Luftspalt, der nachstehend als Raum A für einen kreislaufenden Luftstrom bezeichnet wird, zu dem Außenrand des Stators 31 aufweist, während ein anderer Luftspalt zwischen dem Rotor 20 und dem Stator 31 einen als Raum B bezeichneten Raum für den axialen Luftstrom bildet. Der Raum A für den kreislaufenden Luftstrom und der Raum B für den axialen Luftstrom sind miteinander durch einen radialen Luftkanal C verbunden, wobei der Raum A und Raum B gleichzeitig auch durch eine axiale Luftöffnung 26 am Rotor 20 miteinander verbunden sind. Am Rotor 20 ist mindestens ein Luftdeflektor 25 angeordnet, der während des Betriebs mit dem Rotor 20 mitdreht und durch seine Bewegung die Luft in der Umgebung in Form eines kreislaufenden Luftstroms treibt. So sieht eine Grundkonstruktion der vorliegenden Erfindung aus.
Der oben genannten Beschreibung nach sind der Stator 31 und der Rotor 20 koaxial an einer gleichen Drehwelle 10 angeordnet, deren Außenende mit einem Werkzeugelement 11 verbunden ist. In diesem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel ist zwar nur eine einfache Schleifmaschine vorgestellt, die aber auf keinen Fall die Anwendbarkeit der vorliegenden Erfindung beschränken sollte. Die Drehwelle 10, die gekoppelt mit dem Rotor 20 läuft, kann aber auch nicht koaxial gestützt werden und das Werkzeugelement 11 kann auch irgendein rotierendes Werkzeugelement sein. Der Rotor 20 besteht aus einem Grundteil 21 und einem ringförmigen Teil 22. Außer der Luftöffnung 26 kann das Grundteil 21 noch mit einer Hilfsleitrippe 27 versehen werden, die den Luftstrom in die Luftöffnung 26 leitet. In dem ringförmigen Teil 22 sind eine Mehrzahl von Magneten 28 angeordnet, die auf der runden Innenfläche 24 des Rotors 20 befestigt werden, um die Funktion des Rotors zu vervollkommnen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann ein Verschlussring 50 am Hauptkörper 40 eingebaut werden, um den Aufnahmeraum 43, der den Rotor 20 und den Stator 31 aufnimmt, einfach zu verschließen, sodass der Aufnahmeraum 43 vor Staub und Fremdkörper in der Außenumgebung geschützt wird.
Anhand der vorgenannten Figuren und der Beschreibung wird das Arbeitsprinzip der vorliegenden Erfindung erklärt, wobei die 3 eine schematische Ansicht 1 für den Luftstrom darstellt. Wenn der Rotor 20 gegenüber dem Stator 31 rotiert, fließt die in der Umgebung des Stators 31 erzeugte Heißluft radial von dem Raum B über den radialen Luftkanal C in den Raum A. Dann wird dieser heiße Luftstrom mit Hilfe eines durch Luftdeflektor 25 erzeugten Luftstrom durch die Kühlöffnung 41 nach außen abgeführt, während die kalte Außenluft nach innen geleitet wird, sodass ein Kalt- und Warmluftaustausch verwirklicht ist. Die in 3 dargestellten Kühlöffnungen 41 bestehen aus einer Lufteintrittsöffnung 411 und einer Luftaustrittsöffnung 412, wobei ihre Anordnungsplätze 411, 412 nur schematisch dargestellt werden, um eine Beschreibung zu erleichtern. Dies sollte aber auf keinen Fall diese Erfindung beschränken. Der erwähnte Kalt- und Warmluftaustausch kann auch gleichzeitig an der Lufteintrittsöffnung 411 und der Luftaustrittsöffnung 412 erfolgen. Anschließend kommt der eingeleitete Kaltluftstrom über die axiale Luftöffnung 26 in den Raum B und bildet somit einen im Kreis laufenden Luftstrom, um das Ziel der Motorkühlung zu erfüllen. Die 4 zeigt eine andere schematische Ansicht 2 für den Luftstrom, wobei das Grundteil 21 des Rotors 20 vom Außenrand allmählich nach der Kreismitte schräg gestaltet wird, um einen erhöhten Flusseffekt der kreislaufenden Kühlungsluft zu erzielen.
Die 5 zeigt eine perspektivische Explosionszeichnung eines anderen Ausführungsbeispiels, wobei ein Filterelement 42 an der Kühlöffnung 41 angeordnet wird, um zu vermeiden, dass Staubteilchen bzw. Fremdkörper von außen in den Motor eintreten. In der 5 ist es zu sehen, dass der Luftdeflektor 25 nicht nur axial – wie die 1 zeigt – an der runden Außenfläche 23 des Rotors 20 angeordnet werden, er kann aber auch kurvenförmig sein. Es ist allen bekannt, dass der Luftdeflektor nur zum Leiten eines Luftstromes dient, deswegen kann er axial, kurvenförmig oder mit einer anderen Möglichkeit angeordnet werden, d. h. je nach dem Bedarf optimiert werden, damit die akkumulierte Wärme in einem Elektromotor leicht abgeführt werden kann, sodass die Lebensdauer bzw. Haltbarkeit eines Elektrowerkzeuges stark erhöht wird.
Kühlkonstruktion für geschlossene Elektrowerkzeuge, insbesondere eine Kühlkonstruktion, die durch das Rotordrehen eines in einem geschlossenen eingebauten Elektromotors den Motor selbst mit einem Luftstrom abkühlt. Sie besteht hauptsächlich aus einem Hauptkörper 40 mit Kühlöffnungen 41 und einen Aufnahmeraum 43, in dem ein Stator 31 und ein Rotor 20 aufgenommen werden. Der Rotor 20 ist zwischen dem Stator 31 und dem Hauptkörper 40 angeordnet, sodass ein Raum A für einen kreislaufenden Luftstrom zwischen dem Rotor 20 und der Wand des Hauptkörpers 40 ausgebildet ist, während ein Raum B für einen axialen Luftstrom zwischen dem Rotor 20 und dem Stator 31 entsteht. Die beiden Räume sind durch einen radialen Luftkanal C verbunden. Am Rotor 20 ist mindestens ein Luftdeflektor 25 angeordnet. Wenn der Rotor 20 gegenüber dem Stator 31 rotiert, fließt die durch den Stator 31 erzeugte Heißluft radial von dem Raum B über den radialen Luftkanal C in den Raum A. Und der Luftdeflektor tauscht die Warm- und Kaltluft durch die Kühlöffnung 41 aus. Die vorliegende Erfindung macht dadurch möglich, dass ein in einem Elektrowerkzeug eingebauter Elektromotor trotz seiner kleineren Größe immer noch einen besseren Kühlungseffekt erzielen kann.
Obwohl die Erfindung in Bezug auf obige Beispiele beschrieben wurde, welche derzeit als praktikabelste und bevorzugte Ausführungsformen betrachtet werden, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Im Gegenteil sollen verschiedene Modifikationen und ähnliche Anordnungen abgedeckt werden, deren Merkmale im Schutzbereich der beigefügten Ansprüche liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6789630 [0006]
- US 7166939 [0006]
- US 2008/0233848 [0006]
- TW 263204 [0006]
- TW 269645 [0006]

Claims

Kühlkonstruktion für geschlossene Elektrowerkzeuge, mit: einem Hauptkörper (40), der einen Aufnahmeraum (43) aufweist, wobei die Außenwand des Hauptkörpers (40) mit Kühlöffnungen (41) versehen ist, die den Aufnahmeraum (43) mit der Außenumgebung verbindet; einem Stator (31), der im Aufnahmeraum (43) eingebaut ist; einem Rotor (20), der sich im Aufnahmeraum (43) befindet und zwischen dem Stator (31) und dem Hauptkörper (40) angeordnet ist, sodass sich ein Raum (A) für den kreislaufenden Luftstrom zwischen dem Rotor (20) und der Wand des Hauptkörpers (40) ergibt, während ein Raum (B) für die axiale Luftströmung zwischen dem Rotor (20) und dem Stator (31 entsteht, und wobei der Raum (A) für den kreislaufenden Luftstrom und der Raum (B) für den axialen Luftstrom sind durch einen radialen Luftkanal (C) verbindet, wobei eine axiale Luftöffnung (26) am Rotor (20) einen Durchgang für den Raum (A) und den Raum (B) bildet, und wobei am Rotor (20) mindestens ein Luftdeflektor (25) angeordnet ist, und wobei, wenn der Rotor (20) gegenüber dem Stator (31) rotiert, die durch den Stator (31) erzeugte Heißluft radial von dem Raum (B) über den Luftkanal (C) in den Raum (A) fließt, und wobei der Luftdeflektor (25) die Heißluft durch die Kühlöffnungen (41) nach außen abführt und die Kaltluft von außen über die axiale Luftöffnung (26) in den Raum (B) weiterleitet, sodass ein im Kreis laufender Luftstrom zur Motorkühlung entstehen kann.
Kühlkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (20) aus einem Grundteil (21) mit einer axialen Luftöffnung (26) und einem ringförmigen Teil (22) besteht, wobei im ringförmigen Teil (22) eine Mehrzahl von Magneten angeordnet ist, die gegenüber dem Stator (31) rotieren.
Kühlkonstruktion nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Grundteil (21) des Rotors (20) eine zusätzliche Hilfsleitrippe (27) angebracht ist.
Kühlkonstruktion nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Grundteil (21) des Rotors (20) ausgehend von seinem Außenrand allmählich schräg zur Kreismitte hin verjüngt.
Kühlkonstruktion nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftdeflektor (25) axial auf der runden Außenfläche des Rotors (20) angeordnet ist.
Kühlkonstruktion nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftdeflektor (25) ist kurvenförmig auf der runden Außenfläche des Rotors (20) angeordnet.
Kühlkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlöffnung (41) aus einer Lufteintrittsöffnung (411) und einer Luftaustrittsöffnung (412) besteht.
Kühlkonstruktion nach Anspruch 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlöffnung (41) mit einem Filterelement (42) versehen ist.
Kühlkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (31) und der Rotor (20) koaxial an einer Drehwelle (10) angeordnet sind.
Kühlkonstruktion nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass am Außenende der Drehwelle (10) ein Werkzeugbauelement (11) angebracht ist.
Kühlkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Hauptkörper (40) ein Verschlussring (50) zum Verschluss des Aufnahmeraums (43) angeordnet ist.