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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Rotor für einen Elektromotor und einer
Elektrowerkzeugmaschine mit einem Elektromotor und einem Rotor nach den
Oberbegriffen der unabhängigen
Ansprüche.
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Bürstenlose
Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) sind üblicherweise mit einem Permanentmagnet
ausgestattet, der direkt auf der Rotorwelle aufgebracht ist. Solche
BLDC-Motoren kommen beispielsweise in Elektrowerkzeugmaschinen zum
Einsatz. Es werden üblicherweise
starke Permanentmagnete eingesetzt, die bekanntermaßen relativ spröde sind
und aus diesem Grund nicht auf die Rotorwelle aufgepresst werden
können.
Um den notwendigen Kraftschluss zwischen Permanentmagnet und Rotorwelle
herzustellen, wird die Bohrung im Magneten so ausgeführt, dass
sie wenige zehntel Millimeter größer als
der Wellendurchmesser ist. Der Spalt wird mit einem Kleber ausgefüllt, so
dass ein axialer Festsitz und ein radialer Kraftschluss zwischen
Magnet und Rotorwelle ausgebildet ist. Die Klebestelle ist im Einsatz
hohen Belastungen ausgesetzt. Bekannte Kleber, die für eine derartig
hohe Belastung geeignet sind, erfordern eine vernickelte Magnetoberfläche, was
die Herstellungskosten erhöht.
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Typischerweise
tritt beim Einsatz in Elektrowerkzeugmaschinen ein Temperaturbereich
zwischen –20°C und +160°C auf. Bedingt
durch die thermischen Eigenschaften des Magneten treten bei Temperaturwechseln
im Einsatz sehr hohe Dehnungen zwischen Magnet und Rotorwelle auf,
die sogar zur Zerstörung
der Klebestelle führen
können,
die den Kraftschluss zwischen Rotorwelle und Magnet vermindern.
Bei hoch beanspruchten Elektrowerkzeugmaschinen, etwa mit schwingender
Belastung, bei denen Beschleunigungen von mehr als dem hundertfachen
der Erdbeschleunigung auftreten können, ist ein höherer Kraftschluss
als der verbleibende Kraftschluss wünschenswert.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
Erfindung geht aus von einem Rotor für einen Elektromotor mit einem
Permanentmagneten, wobei der Permanentmagnet eine Bohrung aufweist, durch
welche sich eine Rotorwelle erstreckt, wobei der Permanentmagnet
mit einem Spalt zwischen seiner Magnetinnenkontur in der Bohrung
zu einer Außenkontur
der Rotorwelle beabstandet ist.
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Es
wird vorgeschlagen, dass der Spalt mit einem Kunststoff aus duroplastischen
und/oder einem thermoplastischen Material gefüllt ist. Vorteilhaft kann z.
B. ein Duroplast verwendet werden, wie er typischerweise zur Ankerlängsisolation
verwendet wird. Bevorzugt sind Duroplaste, die mineralisch gefüllt sein
können,
etwa mit Glasfasern. Geeignet sind auch temperaturbeständige Thermoplaste.
Die thermische Belastbarkeit des Kunststoffs ist günstiger
als die der üblicherweise
verwendeten Kleber. Zweckmäßigerweise
wird die Bohrung mit einem Durchmesser vorgesehen, die ein Einspritzen
des Kunststoffs zwischen Rotorwelle und Magnetinnenkontur erlaubt.
Ein Spalt zwischen Rotorwelle und Magnetinnenkontur ist üblicherweise
größer als
für eine
konventionelle Klebestelle mit einem Kleber. Die Verbindung zwischen
Rotorwelle und Magnet ist für
einen weiten Temperaturbereich geeignet und unkritisch auch gegenüber häufigen Temperaturwechseln.
Der Magnet kann mit einem einfachen Oberflächenschutz versehen werden,
ein teures Vernickeln ist nicht notwendig.
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Die
Verbindung zwischen Rotorwelle und Magnetkörper ist kostengünstig herzustellen.
Vorzugsweise ist die Rotorwelle entweder mit einem Duroplast oder
einem Thermoplast umspritzt, denkbar ist jedoch auch eine Kombination
von unterschiedlichen Kunststoffen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung kann der Kunststoff den Permanentmagneten
kraft- und formschlüssig
mit der Rotorwelle verbinden. Dadurch kann eine axiale Sicherung
des Magneten und ein radialer Kraftschluss mit hoher mechanischer
und thermischer Belastbarkeit erreicht werden. Die Verbindung ist
radial und axial hoch belastbar. Eine Beschädigung des Magneten kann vermieden
werden, da kein Aufpressen des Magneten auf die Rotorwelle erfolgen
muss. Der Magnet kann als einstückiger
zylinderförmiger
Körper
ausgebildet oder auch aus axial aneinander gereihten Magnetringen
gebildet sein.
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Vorteilhaft
kann der Permanentmagnet an wenigstens einer Stirnseite an der Bohrung
eine zur Bohrung hin geneigte Senkung aufweisen. Wird die Senkung
mit Kunststoff gefüllt,
bildet der Kunststoff beispielsweise einen umlaufenden Ringsteg
und dient als axiale Sicherung für
den Magneten auf der Rotorwelle. Wird beidseitig je eine Senkung
vorgesehen, kann der zylinderförmige
Magnet zwischen den beiden Kunststoffstegen axial festgehalten werden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die Bohrung in ihrem Querschnitt
wenigstens eine radiale Erweiterung aufweisen. Dadurch wird eine
besonders hoch belastbare Verbindung geschaffen. Ein Vielfaches
eines Verdrehmoments zwischen Rotorwelle und Magnet kann erreicht
werden. Trotz der fertigungsbedingt relativ hohen Exzentrizität der Magnetbohrung
zum Außendurchmesser
vergrößert sich die
Restunwucht nicht, da der Magnet im Umspritzwerkzeug am Außendurchmesser
aufgenommen werden kann.
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Vorteilhaft
kann die Bohrung einen unrunden Querschnitt, insbesondere kantigen
Querschnitt, aufweisen. Damit ist eine weitere Verdrehsicherung
besonders für
hohe Belastungen möglich.
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Eine
Verbesserung sowohl der axialen wie auch der radialen Fixierung
des Magneten gelingt, wenn die Rotorwelle in dem Bereich, in dem
sie den Permanentmagneten durchsetzt, eine rutschhemmende Oberflächenstruktur
aufweisen kann. Es kann eine Rändelung
in axialer Richtung vorgesehen sein, ein Rechts-Links-Rändel, eine
aufgeraute, etwa sandgestrahlte, Oberfläche oder dergleichen.
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Eine
Erhöhung
der mechanischen Stabilität der
Verbindung zwischen Rotorwelle und Magnet wird erreicht, wenn der
Kunststoff wenigstens auf einer Stirnseite des Permanentmagneten
einen axialen Überstand über den
Permanentmagneten aufweisen kann. In Kombination mit einem Steg
zur axialen Sicherung kann der Steg stabilisiert werden. Der Überstand
kann gleichzeitig als Anschlag beim Einbau in eine Motorlagerung
dienen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Permanentmagnet für einen
Rotor vorgeschlagen, wobei der Permanentmagnet einen unrunden Querschnitt
einer Bohrung zur Aufnahme einer Rotorwelle aufweist. Der Permanentmagnet
kann vorzugsweise eine oder mehrere radiale Erweiterungen der Bohrung
aufweisen, oder einen ovalen oder eckigen Querschnitt der Bohrung.
Wird die Rotorwelle in die Bohrung eingeführt und mit Kunststoff umspritzt,
ergibt sich eine vorteilhafte Verdrehsicherung zwischen Permanentmagnet
und Rotorwelle. Der Permanentmagnet kann einstückig sein oder aus axial aneinandergereihten
Magnetringen bestehen. Vorzugsweise ist der Magnet aus einem Selten-Erd-Material
gebildet.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Elektromotor mit einem Rotor
vorgeschlagen, der wenigstens eines der vorstehend beschriebenen Merkmale
aufweist. Vorteilhaft kann der Elektromotor eine Luftspaltwicklung
aufweisen, bei der ein Wickelkörper
im Luftspalt zwischen Rotor und Statoreisenpaket angeordnet ist.
Besonders vorteilhaft weist der BLDC-Motor mit Luftspaltwicklung
gegenüber
einem BLDC-Motor mit genutetem Stator und einem DC-Motor eine Reihe
von Vorteilen auf. Es können
sehr hohe Drehzahlen erreicht werden von bis zu 50 000 U/min und
mehr, bis zur Belastungsgrenze eines mit dem Motor gekoppelten Getriebes. Bei
hohen Drehzahlen treten nur geringe Eisenverluste auf. Durch seine
Bauart erreicht der Motor eine kleine Induktivität, höhere Induktivitäten führen zu kleineren
Effektivströmen
bei steigenden Drehzahlen, und zunehmende Induktivität bereitet
verstärkt Schaltverluste
in der Elektronik. Durch geringe Eisen- und Kupferverluste erreicht
der BLDC-Motor mit Luftspaltwicklung einen hohen Maximalwirkungsgrad.
Durch die niederohmige Wicklung wird über ein nahezu den gesamten
Arbeitsbereich optimaler Wirkungsgrad erreicht. Die Art der Bewicklung
lässt einen
hohen „Nutfüllfaktor" zu, führt dadurch
zu einer hohen Leistungsdichte und lässt eine verhältnismäßig feine
Anpassung an die gewünschte
Drehzahl zu. Durch die Herstellart der Wicklung ist der Motor besonders
geeignet für
einen großen
Bereich von Statordurchmessern, von ca. 20 mm bis über 40 cm.
Ferner ist nur ein relativ geringer Investitionsaufwand für eine teilautomatisierte
Herstellung in größeren Stückzahlen
erforderlich. Vorteilhaft ist weiterhin, dass durch die Weiterentwicklung
in der Akkutechnologie und damit kleinere Innenwiderstände der
Akkus Vorteile des BLDC-Motors mit Luftspaltwicklung überproportional
größer gegenüber dem
BLDC-Motor mit genutetem Stator werden Gemäß einem weiteren Aspekt der
Erfindung wird eine Elektrowerkzeugmaschine vorgeschlagen, insbesondere
eine Elektrowerkzeugmaschine mit schlagend und/oder drehend antreibbarem
Einsatzwerkzeug, die einen Elektromotor mit einem Rotor gemäß einem
der vorstehend beschriebenen Merkmale aufweist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Zeichnung
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die
Ansprüche enthalten
zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale
zweckmäßigerweise auch
einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es
zeigen:
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1 einen
bevorzugten Rotor;
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2a eine
Draufsicht auf eine Stirnseite eines bevorzugten Rotors;
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2b einen
Längsschnitt
durch einen bevorzugten Rotor entlang des Schnitts IIB-IIB;
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3a eine
Draufsicht auf eine Stirnseite eines bevorzugten Magneten;
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3b einen
Längsschnitt
durch einen bevorzugten Magneten entlang des Schnitts IIIB-IIIB; und
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4 eine
bevorzugte Elektrowerkzeugmaschine.
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Ausführungsform der Erfindung
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In
den Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Elemente mit denselben
Bezugszeichen beziffert.
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1 zeigt
zur Erläuterung
der Erfindung einen bevorzugten Rotor 10 der von einem
zylinderförmigen
Permanentmagneten 20 umschlossen ist. Der Permanentmagnet 20 weist
eine Bohrung 30 auf, durch welche sich eine Rotorwelle 12 in
axialer Richtung 18 erstreckt.
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Zwischen
dem Permanentmagneten 20 bzw. dessen Magnetinnenkontur
und einer Außenkontur der
Rotorwelle 12 ist ein Spalt 50 ausgebildet, der
mit einem Kunststoff 40 aus duroplastischen und/oder einem
thermoplastischen Material gefüllt
ist. Der Kunststoff 40 verbindet den Permanentmagneten 20 kraft-
und formschlüssig
mit der Rotorwelle 12.
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Erkennbar
an einer Stirnseite 22 des Magneten 20 ist eine
Senkung 26, die zur Rotorwelle 12 hin geneigt
ist und die mit Kunststoff 40 gefüllt ist. Der Kunststoff 40 kann
einen axial über
den Magneten 20 überstehenden Überstand 42 aufweisen,
der einen größeren Durchmesser
hat, als der Kunststoff in der Bohrung 30.
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Details
eines bevorzugten Rotors 10 sind in den 2a und 2b erkennbar. 2a zeigt
eine Draufsicht auf eine Stirnseite 22, 2b einen Längsschnitt
durch den Schnitt IIB-IIB.
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Der
bevorzugte Rotor 10 weist eine Rotorwelle 12 auf,
die von einem zylinderförmigen
Permanentmagneten 20 umschlossen ist. Der Permanentmagnet 20 weist
eine Bohrung 30 auf, durch welche sich die Rotorwelle 12 in
axialer Richtung 18 erstreckt.
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Zwischen
einer Magnetinnenkontur in der Bohrung 30 des Permanentmagneten 20 und
einer Außenkontur
der Rotorwelle 12 ist ein Spalt 50 ausgebildet,
der mit einem Kunststoff 40 aus duroplastischen und/oder
einem thermoplastischen Material gefüllt ist.
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Beispielhaft
ist an beiden Stirnseiten 22, 24 des Magneten 20 je
eine mit Kunststoff 40 gefüllte Senkung 26, 28 angeordnet.
Der Kunststoff bildet beidseits um die Rotorwelle 12 umlaufende
Stege 44, 46 aus, welche den Magneten axial zusätzlich sichern.
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Der
Kunststoff 40 kann einen axial über den Magneten 20 überstehenden Überstand 42 aufweisen,
der einen größeren Durchmesser 48 aufweist als
der Kunststoff in der Bohrung 30. Im Bereich 14, in
dem der Magnet 20 die Rotorwelle 12 abdeckt, ist eine
rutschhemmende Oberflächenstruktur 16 in Form
eines Rechts-Links-Rändels
auf der Rotorwelle 12 ausgebildet, die den Kunststoff 40 und
damit den Magneten 20 zusätzlich sichert.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung eines Magneten 20 ist den 3a und 3b zu
entnehmen. 3a zeigt eine Draufsicht auf
eine Stirnseite 22 des Magneten, 3b einen
Längsschnitt
durch dem Magneten 20 entlang des Schnitts IIIB-IIIB. Zur Vermeidung
unnötiger
Wiederholungen wird zu den nicht erläuterten Merkmalen wird auf
die vorstehenden Figurenbeschreibungen verweisen.
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Auch
hier kann an den Stirnseiten 22, 24 des Magneten 20 je
eine zur Bohrung 30 hin geneigte Senkung 26, 28 ausgebildet
sein, die in Verbindung mit dem Umspritzen der Rotorwelle 12 mit
Kunststoff 40 (2a, 2b)
eine verstärkte
axiale Sicherung ermöglicht.
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Der
Magnet 20 weist eine Bohrung 30 mit einem Durchmesser 32 auf,
die in ihrem Querschnitt 38 zwei diametral gegenüberliegende
radiale Erweiterungen 34 aufweist. Im Bereich der radialen
Erweiterungen 34 ist der Durchmesser 36 größer als
der Durchmesser 32 der ansonsten runden Bohrung 30.
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Die
Bohrung 30 kann alternativ auch einen anders unrund geformten
Querschnitt 38 aufweisen, insbesondere mit kantiger Querschnittsform,
etwa einen Dreikant, Vierkant oder Mehrkant. Der Querschnitt 38 kann
auch oval ausgebildet sein.
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Wird
die runde Rotorwelle 12 in die Bohrung 30 eingeführt und
mit Kunststoff umspritzt, bildet sich durch den unrunden Querschnitt 38 des
Magneten eine vorteilhafte Verdrehsicherung aus.
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Beim
Umspritzen mit Kunststoff 40 werden neben der form- und
kraftschlüssigen
Verbindung gleichzeitig die Senkungen 26, 28 mit
Kunststoff 40 gefüllt
und damit die Stege 44, 46 gebildet sowie der axiale Überstand 42 (1, 2b)
in einem einzigen Prozessschritt erzeugt.
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4 zeigt
schließlich
eine bevorzugte Elektrowerkzeugmaschine 100 für Akku-
oder Netzbetrieb in Form einer Elektrowerkzeugmaschine mit schlagend
und/oder drehend antreibbarem Einsatzwerkzeug 102. Die
Elektrowerkzeugmaschine weist einen Elektromotor 104 auf,
der mit einem Rotor 10 ausgestattet ist, wie er vorstehend
in den 1 bis 3 beschrieben
wurde. Die Elektrowerkzeugmaschine 100 kann insbesondere
eine hoch beanspruchbare Elektrowerkzeugmaschine, etwa ein Industrieschrauber
oder ein Bohrhammer sein.