CN109314440A - 用于动力工具的冷却装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种动力工具(500)，其具有冷却装置，所述冷却装置包括冷却动力工具的电动马达单元(510)的热管(520)。所述热管填充有工作流体，该工作流体在液相与气相之间转换，用于将热能传输离开马达单元(510)。热管的第一端(521)定位成与电动马达单元(510)热接触并从所述马达单元收集热量。然后将热量传输到热管的第二端(522)，该第二端(522)与冷却装置(530)热接触，所述冷却装置(530)布置成通过环境空气冷却，典型地为借助于风扇(532)。

Description

用于动力工具的冷却装置和方法
技术领域
本发明涉及一种具有冷却装置的电动动力工具，所述冷却装置用于冷却工具的电动马达。
背景技术
在包括电动马达单元的动力工具中，例如紧固工具，例如为不连续的驱动工具或脉冲工具，在电动马达单元中产生热能，即热量。图1示意性地显示这样的动力工具100的示例。动力工具100包括本体/壳体101以及输出轴102。电动马达单元用于驱动输出轴102。输出轴102设置为围绕旋转轴线旋转。电动马达通常由电池104驱动，但是也能由其它电源驱动，例如提供电力的电缆。如图1中所示，电池能够安装于动力工具的手柄103上，但是也能够安装于动力工具100的其它部件上。在动力工具100的壳体101之内设置有电动马达和齿轮传动装置。
常规的电动马达单元包括定子和转子；所述定子布置成与工具100的壳体101形成固定关系；所述转子布置成围绕旋转轴线相对于定子旋转，该旋转轴线优选地与输出轴102的旋转轴线是共用的。通过定子与转子之间的感应磁场而使转子相对于定子旋转。磁场可以由布置在定子和/或转子上的绕组中流通的电流感应生成。在电动马达的常用配置中，定子包括绕组，而转子是永磁体。
当电动马达单元被致动以使转子旋转时，在电动马达单元中产生为热量形式的热能。动力工具通常需要较大的电流，在短时间内产生高功率，以驱动工具的轴102旋转，即用于驱动转子旋转，并提供足够的扭矩。例如，不连续的驱动工具可以例如在有限的时间段内(例如，在紧固螺母等时)消耗1000W。
电动马达单元的部件(即定子、转子和绕组)对过热敏感。过热可能缩短马达部件的使用寿命。根据定子的材料和配置，通常在超过约80℃-140℃的温度下可认为对定子是过热的。如果定子反复地暴露于这样的温度，那么其性能将会下降且其使用寿命时间将大大缩短。因此，工具必须在使用之后和/或之间休息和冷却，或者应该对电动马达单元主动且连续地冷却以防止过热。通常，工具要求并且需要高生产率，使得可以执行大量连续动作，例如，紧固或松开操作。因此，需要对电动马达进行冷却。
现有技术解决方案中提供的冷却效果通常是不充分的。作为示例，已经使用一个或更多个风扇来提供经过电动马达单元的空气流。这种风扇通常可以布置成吹送和/或吸入空气以经过定子、转子和/或绕组以从电动马达单元引出热能。然而，这些现有技术的解决方案提供较差的冷却效果，这可能无法防止随时间发生的过热并由此导致工具的生产率降低。
特别地，对于封装的电动马达单元和具有位于转子内部的定子的电动马达单元，现有技术的解决方案导致非常差的冷却性能，这是因为使用空气流对于引导这种电动马达单元的热能是低效的。因此，造成了工具的不可接受的低生产率。封装的马达单元对于在脏乱的环境中使用的工具是常见的。
在EP2754535A2中公开一种空气冷却手持工具的示例，其中设置有单独的风扇以独立于所述马达的操作而冷却马达。即使使用风扇，在连续操作期间冷却效果也会随着时间而不能充分冷却手持工具。
由DE4230379已知另一种装置，其中热管布置在动力工具的电动马达的转子内。此外，在转子上设置风扇，以便既冷却热管又为转子的绕组提供空气冷却。热管提供有效的冷却，但是DE4230379的装置适用于具有同轴地布置在管形定子内的转子的特定实施方案。例如，电绕组布置在转子上，并且布置滑环以向转子提供电能。
对于大多数动力工具，例如不连续的驱动工具或脉冲工具，将定子同轴地布置在转子内部是有利的。这是因为位于外侧的转子可以在低转速下就已经能够提供较高的扭矩。这样，扭矩对于大多数应用来说是足够的，因此对于这种具有定子居中布置的工具，将减少或消除对传动装置的需求。如果定子同轴地位于转子外部，则通常由马达提供更低的扭矩和更高的转速，这需要传动装置来使马达的旋转减速以获得足够的扭矩。
当提供经过电动马达单元的冷却空气流时，存在污垢被引入电动马达单元的风险，这是因为小的污垢颗粒可能被气流携带到电动马达内。转子与定子之间的气隙需要非常窄，以便实现有效率的马达。因此，意外吹入或吸入马达中的污垢颗粒可能会卡在这个狭窄的气隙中，这可能会阻止转子旋转。因此，电动马达单元可能由于通过现有技术的冷却解决方案而使得污垢吹入其中，从而造成损坏。
因此，需要一种冷却装置，其会有效地对定子同轴地布置在转子内部的电动马达进行冷却。
发明内容
本发明的目的是提供一种耐用的动力工具，其解决了常规手持工具中的冷却问题，并且提供了对包括定子的电动马达的有效冷却，该定子同轴地布置在转子内。
所述目的是根据本发明的第一方面实现的，该第一方面对应于动力工具、包括定子和转子的电动马达单元，该转子同心地布置在定子外部。热管布置成第一端位于定子内部并热连接到所述定子，第二端到达定子的外部并且热连接到冷却装置，所述冷却装置包括用于冷却热管的第二端的散热器，热管包括相变流体，其用于将热量从所述第一端传输到所述第二端以在冷却装置处消散。
通过利用热管将热量从电动马达传送，本发明提供了一种轻巧紧凑的动力工具。
本发明提供电动马达单元的有效冷却。由于对电动马达单元的有效冷却，因此使动力工具的生产率显着提高，这是因为可以主动使用动力工具(例如用于拧紧紧固件)的时间长于现有技术动力工具可能的时间。
而且，本发明提供了一种耐用的动力工具，这是因为减少了由于污垢堵塞在马达中而导致的马达故障的风险。当根据本发明的冷却装置实施在动力工具中时，热量在消散之前被引导离开电动马达单元。因此不需要吹送空气穿过电动马达单元，这降低了将污垢颗粒吹入电动马达单元的转子和/或定子部分中的风险。
在一个具体实施方案中，电动马达单元被封装以防止空气进入马达单元。通过这样的实施方案，确保防止否则会使灰尘和污垢进入马达单元的空气进入到马达单元的空间中。提供的封装可能达到不同的程度。作为第一项措施，封装应该防止空气、灰尘和污垢进入马达单元。在另一种封装程度中，动力工具应该经受住暴露至加压空气，这是有利的，因为它允许动力工具，特别是冷却装置通过加压空气而进行清洁。在另一种封装程度中，动力工具应该能够承受住浸没在液体(例如水)中，而不会有液体进入马达单元中的风险。
在特定实施方案中，冷却装置布置在覆盖马达单元的气密封装装置的外部。此外，可移除的壳体部分可以布置成覆盖冷却装置：其也可以布置成覆盖风扇。壳体部分优选地易于移除，以便允许清洁冷却装置，并且如果布置风扇，则也可以接近风扇以允许清洁风扇。
散热器优选地包括至少一个散热片，该散热片设置用于散发热能，并且风扇优选地布置成向所述散热器提供冷却空气流。
风扇可以布置成独立于马达单元的操作向所述散热器提供冷却空气流。具体地，可以专门分配电池来驱动风扇。
此外，可以布置传感器以监测马达单元的温度，并且风扇可以布置成根据所监测的马达单元的温度向散热器提供冷却空气流。
散热器也可以是工具壳体的外部部件，所述部件暴露于环境温度，并且冷却装置也可以部分地布置在所述工具的壳体内部并且部分地布置在所述壳体外部。
由于热量从电动马达单元传输出去，所以当动力工具设置有封装的马达单元并且当马达单元的定子布置在其转子内时，本发明尤其适用。通常来说，由于限制了与定子的环境空气的接触，所以封装的马达单元和具有内部定子的马达单元特别难以冷却。
为了将热量从马达单元传输出去，散热可以在动力工具的适合于此目的的位置进行也是有利的。
现在将参考示出了一些优选实施方案的附图来描述根据本发明的动力工具、冷却装置和冷却方法的具体示例性实施方案及优点。
附图说明
图1显示现有技术的动力工具，
图2为根据本发明的具有冷却装置的马达单元的特别示意图，
图3显示根据本发明的第一实施方案的马达单元，
图4显示根据本发明的第二实施方案的马达单元，
图5显示包括第二实施方案的马达单元的动力工具。
具体实施方式
图2为根据本发明的具有冷却装置的马达单元210的特别示意图，图2旨在说明本发明的一般冷却程序。
能量传输装置220按照热导率和相变的原理，用于在一个暖界面与一个冷界面之间有效地传输能量(例如热量)，其中暖界面为第一端221，其与电动马达单元210接触，而冷界面为第二端222，其与冷却装置230接触。典型地，能量传输装置220为热管。这样，能量传输装置220利用能量传输装置220内的工作流体的液相和气相之间的过渡，用于将热能从能量传输装置的第一端221传输到第二端222。
在能量传输装置220的暖界面处，即在第一端221处，工作流体通过从电动马达单元210吸收热量而从液体蒸发成蒸汽，由此冷却。然后，蒸发的工作流体在第二端222的冷界面处冷凝成液体，从而将潜热(latent heat)释放到周围环境。液态工作流体然后通过毛细管和/或重力作用而返回到第一端221处的暖界面，在第一端221处的暖界面处工作流体再次蒸发进行一个循环，只要第一端与第二端之间的温差超过特定阈值ΔT，和/或第一端221处的温度超过特定温度而导致液体蒸发，该循环就将继续。能量传输装置220的内部压力可以适于促进相变，使得能量传输装置的功能和能量传输可以适应于满足特定电动马达单元210的需求，即通过将蒸发温度控制为使得期望温度对应于远低于电动马达单元210所设定的最高温度的温度。
根据本发明的优选的实施方案，能量传输装置220为热管。能量传输装置220内的工作流体可以例如是水、氨、甲醇、乙醇、丙酮、全氟甲基环己烷(flutec PP2)、十七氟十氢(三氟甲基)萘(flutec PP9)、甲苯、戊烷以及庚烷中的一种或更多种。也可以使用其它适合的工作流体，这对本领域技术人员是显而易见的。在一个具体实施方案中，使用水并且在能量传输装置220内设置成负压，以便降低水的沸点，从而降低能量传输装置220的有效温度。借助于这种能量传输装置220，定子的温度可以在操作期间保持在大约45-65℃，比通过常规空气冷却可以达到的温度低约20℃。
因此，冷却装置230与电动马达单元210分开布置并且与能量传输装置220热接触，更精确地是与能量传输装置220的第二端222热接触。因此，在电动马达单元210内产生的热量被有效地从电动马达单元210传输到冷却装置230，并在冷却装置230处散热。
图3示意性地公开本发明的实施方案。冷却装置用于冷却电动马达310，电动马达310具有布置在定子311外部并通过轴连接器302而连接到动力工具的主轴/轴的转子312，轴连接器302可以与输出轴一体形成或连接到输出轴。因此定子311位于转子内部。具体地，定子311和转子312相对于彼此同心布置，其中定子具有定子外直径Dstator_outer314，其小于转子内直径Drotor_inner315，即Dstator_outer<Drotor_inner，如图3所示。能量传输装置320的第一端321与定子311热接触，使得来自定子311(例如来自定子绕组)的热量由于能量传输装置320的第二端322与冷却装置330之间的热接触而可以从电动马达单元310传输至冷却装置330。
根据本发明的实施方案，能量传输装置320的第一端321与定子311整体形成。图3中所示的实施方案的转子312优选地安装在围绕轴连接器302布置的轴承中。定子以未示出的方式固定于壳体。
图4示意性地显示用于电动马达单元410的冷却装置400，其包括能量传输装置420和冷却装置430。这里，转子412同心地布置在定子411的外部，定子绕组418由此布置在转子412内，从而产生需要处理的热量，使得定子411不会过热。定子411在此由连接到工具壳体的定子支架413承载，并且转子412可旋转地布置在定子支架413上的轴承415(通常是滚珠轴承)中。轴承415可以以任何其他方式布置，从而为转子412提供稳定的支撑，使得可以实现转子412的受控且低摩擦的旋转。例如，其可以布置在转子的前端，如关于图3中所示的实施方案所描述的。
能量传输装置420的第一端421布置成与马达单元410内部的定子411热接触，这里是通过定子支架413与定子411和定子绕组418热接触。能量传输装置的第二端422从电动马达单元410延伸出去并进入到冷却装置430中。第二端422与冷却装置430热接触，根据该实施方案，冷却装置430例如为散热器431。散热器431可以包括一个或更多个散热片，其中散热片将热量散发到环境冷却介质中，环境冷却介质通常是空气。
散热器431可以设计成具有与散热器周围的冷却介质接触的较大面积，例如，包括散热片。如果动力工具的尺寸非常大，则通常仅使散热器和/或散热片实现的散热足以冷却电动马达单元410。然而，需要紧凑的动力工具。因此，为了提供更好的散热且由此更有效地冷却电动马达单元410，在冷却装置430中包括风扇432。风扇432提供穿过散热器431和/或位于散热器431上的冷却空气流，以增加散热器与环境空气之间的热交换，从而提高冷却装置430的冷却性能。因此，由于更有效的冷却，可以使具有散热片的散热器制造得更小，从而可以减小动力工具的尺寸。
在图5中，图4中示出的马达单元410显示为布置在动力工具500中。动力工具示出为其中部分的壳体被移除以用于说明目的。动力工具500具有轴502、壳体501、手柄503和可附接到手柄503的电池组504。电动马达单元510安装在壳体501内，并且冷却装置530也布置在壳体501内。因此，散热器531和冷却风扇532在此安装在壳体内。
如图5所示，能量传输装置520可以布置成与动力工具的轴502对齐。优选地，冷却装置布置在壳体内部，使得所述冷却装置与壳体中的一个或更多个通风孔/洞相邻或通风连接，这便于接近动力工具500周围的环境空气。
由于热管为马达单元510提供非常有效的冷却，因此不需要进一步冷却，例如空气冷却。应注意，本发明的风扇532仅用于间接冷却电动马达单元510，即通过冷却装置530的冷却。冷却装置530的增强冷却使得经由热管520而对马达单元510进行的冷却加速。
因此，马达单元510可以被气密地封装，以防止污垢进入马达单元510内部。在图5中，马达单元510封装在封装装置525中，封装装置525既是定子支架又是气密封装装置525，确保灰尘不会进入马达单元510。然而，马达单元510可以以其他方式封装，其提供围绕马达单元510的气密保护，例如围绕马达单元布置塑料或橡胶壳体。
冷却装置530布置在封装装置525的外部，其中热管520经由空气密封开口而穿过所述封装装置525。因此，冷却和风扇不以气密方式封装。然而，可移除的壳体部分526可以布置成覆盖冷却装置530。可移除部分526还可以布置成覆盖风扇532。壳体部分526优选地包括用于允许冷却空气流过所述壳体部分的孔。提供这种可移除的事实用以进入冷却装置530，并且在适用的情况下冷却装置530为风扇，使得可以清洁冷却装置以提高其冷却效率。有时也可能需要清洁风扇，但对冷却效率的影响较小。
根据本发明的另一个未示出的实施方案，冷却装置530可以至少部分地从外部布置在壳体和/或手柄上，其中例如散热器531的散热片布置在壳体501和/或手柄的外部上。由此，可以省略冷却风扇532，这是因为有足够环境冷却空气进入用于冷却散热片/散热器531。根据本发明的另一实施方案，冷却装置530至少部分地布置在工具500的手柄503内部。
如本领域技术人员所清楚的，动力工具500可以以多种方式布置和设计，并且根据本发明，这些动力工具的电动马达单元510和/或能量传输装置520和/或冷却装置530的位置可以不同。对电动马达单元510的修改(例如对传动装置的修改)和/或能量传输装置520的修改(例如对能量传输装置520的折弯和弯曲)和/或冷却装置530的修改(例如对散热器531的散热片533的成形或风扇532的位置的修改)可能对于提供适当的工具功能和足够的冷却是必要的。
此外，设置控制单元505，例如，特别地通过控制风扇532的操作而控制马达单元的冷却。即，在优选实施方案中，风扇532布置成独立于马达单元的操作而向散热器531提供冷却空气流。因此，可以为风扇提供专门分配的电池，用于在工具不运行时，甚至当工具电池从工具移除或者提供的能量无法使用(例如，发生故障或拆除电缆)时，提供能量。特别分配的电池可以设置成由普通电源(即电池或电缆)充电。
连接到控制单元505的传感器可以布置成监测定子的温度，并且风扇532可以布置成根据所监测的定子温度向散热器531提供冷却空气流。例如，只要马达的温度超过特定温度，或者只要热管520的热端与冷端之间的温差超过特定阈值ΔT，则控制单元505就可以控制风扇运行。控制单元505还可以布置成根据马达单元的当前温度增强风扇532的效果。散热器531的有效空气冷却将加速热管冷端的冷却，从而确保提供更多液体以通过蒸发来冷却热管的热端。
风扇可以由控制单元505控制，以便在预定的时间间隔期间提供冷却，例如，在完成紧固操作后的特定时间。
根据本发明的一个方面，提出一种用于冷却动力工具的电动马达单元的方法。根据该方法，并且如上所述，热能经由热管520从电动马达单元510的内部传输到冷却装置530，所述冷却装置530位于电动马达单元510的外部。热能由能量传输装置520传输，该能量传输装置利用其工作流体的液相与气相之间的过渡。由此，热能从能量传输装置520的第一端521传输到第二端522。根据本发明的实施方案，能量传输装置为热管。能量传输装置的第一端521布置在电动马达单元510内部，第一端521在电动马达单元510内部被加热。第二端522布置成与冷却装置530热接触，热能在冷却装置530中消散。
因此，获得非常有效的冷却方法，这是因为来自电动马达单元的热量被引导到可以比电动马达单元本身更容易进行散热的位置。
对于本领域技术人员显而易见的是，可以对上述示例性实施方案进行许多其他的实施、修改、变化和/或添加。应该理解，本发明包括落入权利要求范围内的所有这些其他的实施、修改、变化和/或添加。

Claims (12)

1.一种动力工具(500)，包括电动马达单元(510)，该电动马达单元(510)包括定子(511)和同心地布置在所述定子(511)外部的转子(512)；其特征在于，热管(520)的第一端(521)位于定子(511)的内部并与所述定子(511)热连接，所述热管(520)的第二端(522)到达定子(511)的外部并热连接到冷却装置(530)，所述冷却装置(530)包括用于冷却所述热管(520)的所述第二端(522)的散热器(531)，该热管包括相变流体，其用于从所述第一端(521)至所述第二端(522)传输热量以在冷却装置(530)处进行消散。
2.根据权利要求1所述的动力工具(500)，其中，所述散热器(531)包括布置成用于散发热能的至少一个散热片。
3.根据权利要求1或2的任一项所述的动力工具(500)，其中，风扇(532)布置成向所述散热器(531)提供冷却空气流。
4.根据权利要求3所述的动力工具(500)，其中，所述风扇(532)布置成独立于所述马达单元(510)的操作而向所述散热器(531)提供冷却空气流。
5.根据权利要求4所述的动力工具(500)，其中，电池专门分配为用于驱动所述风扇(532)。
6.根据权利要求4或5所述的动力工具(500)，其中，传感器布置成监测所述马达单元(510)的温度，并且所述风扇(532)布置成根据所监测的所述马达单元(510)的温度向所述散热器(531)提供冷却空气流。
7.根据前述权利要求的任一项所述的动力工具(500)，其中，所述热管(520)的所述第一端(521)与所述定子(511)整体形成。
8.根据前述权利要求的任一项所述的动力工具(500)，其中，所述电动马达单元(510)封装在气密封装装置(525)中，以便防止空气进入马达单元(510)。
9.根据权利要求8所述的动力工具(500)，其中，所述冷却装置(530)布置在覆盖所述马达单元(510)的所述气密封装装置(525)的外部。
10.根据权利要求9所述的动力工具(500)，其中，能够移除的壳体部分(526)布置为覆盖所述冷却装置(530)。
11.根据权利要求1至9中的任一项所述的动力工具(500)，其中，所述散热器(531)为所述工具的壳体(501)的外部部件，所述部件暴露于环境温度。
12.根据权利要求1至9中的任一项所述的动力工具(500)，其中，所述冷却装置(530)部分地布置在所述工具的壳体(501)的内部并且部分地布置在所述壳体(501)的外部。
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