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Die
Erfindung betrifft ein Elektrowerkzeug mit einem Gleichstrommotor
und einer Leitungs- und Logikkomponenten aufweisenden Leistungselektronik zum
Betreiben des Gleichstrommotors.
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Ferner
betrifft die Erfindung eine Leistungselektronik mit Leistungs- und
Logikkomponenten zum Betreiben eines Gleichstrommotors eines Elektrowerkzeugs.
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Stand der Technik
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Elektrowerkzeuge
der eingangs genannten Art sind bekannt. Werden diese mit einem
Gleichstrommotor betrieben, so ist eine besondere Schaltungselektronik
zum Betreiben dieses Gleichstrommotors erforderlich. In der Regel
wird dazu die sogenannte Pulsweitenmodulations-Technik verwendet. Mittels
dieser kann der Gleichstrommotor auf einfache Art und Weise sehr
genau gesteuert werden. Erforderlich sind dazu eine Leistungselektronik,
die Leistungskomponenten aufweist, welche eine elektrische Verbindung
zwischen dem Gleichstrommotor und einer Energiequelle schalten,
und Logikkomponenten, welche die Leitungskomponenten zum Betreiben
des Gleichstrommotors entsprechend ansteuern. Die Logikkomponenten
erhalten dabei Signale von einem Betätigungsschalter des Elektrowerkzeugs
und steuern in Abhängigkeit
von den empfangenen Signalen die Leistungskomponenten, oder auch
Leistungsschalter genannt, an. Häufig
werden derartige Betätigungsschalter
als ein in das Elektrowerkzeug einsetzbares Schaltermodul hergestellt, welches
die Leistungselektronik enthält
und mittels Kabeln mit dem Gleichstrommotor und der Energiequelle
verbunden wird. Bei einer anderen Ausführung sind die Komponenten
der Leistungselektronik auf einem Schaltungsträger, wie zum Beispiel einer
Leiterplatte, montiert, und von da wiederum mittels Kabelverbindungen
mit dem Gleichstrommotor und der Span nungsquelle verbunden. Als
Leistungskomponenten werden in der Regel Leistungshalbleiter, Transistoren
und/oder Dioden verwendet.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass die Leistungskomponenten als Leistungseinheit an dem Gleichstrommotor
angeordnet sind. Es ist also vorgesehen, dass die Leistungskomponenten
der Leistungselektronik eine separate Einheit bilden, und somit
von den Logikkomponenten im Wesentlichen getrennt sind. Wobei hier
der Begriff der Einheit und der Trennung räumlich zu verstehen ist. Natürlich muss zwischen
den Komponenten eine (elektrische) Wirkverbindung bestehen bleiben,
um als Leistungselektronik funktionieren zu können. Jedoch sind die Leistungskomponenten
als Leistungseinheit der Leistungselektronik an dem Gleichstrommotor
angeordnet. Die vorteilhafte Ausbildung und Anordnung der Leistungseinheit
erlaubt besonders kurze elektrische Verbindungsleitungen von den
Leistungskomponenten beziehungsweise der Leistungseinheit der Leistungselektronik
zu dem Gleichstrommotor, was zu einem widerstandsoptimierten Stromfluss
führt.
Insgesamt wird somit eine verlustleistungsoptimierte Anordnung in
dem Elektrowerkzeug gebildet. Gerade bei den hohen Strömen, die
zwischen den Leistungskomponenten beziehungsweise der Leistungseinheit und
dem Gleichstrommotor fließen,
führt dies
zu einer höheren
Leistung des Elektrowerkzeugs. Die elektrische Verbindung von der
Leistungseinheit zu den Logikkomponenten, die zweckmäßigerweise
als Logikeinheit vorgesehen sind, wird vorteilhafterweise mittels – im Querschnitt
gesehen – dünnen Verbindungen/Kabeln
realisiert. Ist die Logikeinheit beispielsweise am Betätigungsschalter
und damit entfernt von dem Gleichstrommotor angeordnet, so ist es
aufgrund der lediglich einer Signalübertragung dienenden Verbindung
nicht notwendig, breite/dicke Kabel von dem Betätigungsschalter zu dem Gleichstrommotor
zu führen.
Zum Übertragen
der Signale der Logikeinheit, mittels derer die Leistungskomponenten
beziehungsweise Leistungseinheit gesteuert wird, reichen dünne Verbindungen
aus. Diese haben den Vorteil, dass sie zum Einen kostengünstiger
und zum Anderen aufgrund ihrer höheren
Flexibilität leichter
montierbar als breitere Kabel sind.
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Vorteilhafterweise
ist die Leistungseinheit als Leistungsmodul ausgebildet. Das bedeutet,
dass die Leistungseinheit als ein Baustein bei der Montage des Elektrowerkzeugs
gehandhabt werden kann und bei einem entsprechenden System auf einfache
Art und Weise austauschbar und/oder an unterschiedlichen Gleichstrommotoren
anordenbar ist. Wobei das Leistungsmodul bevorzugt ein Gehäuse aufweist, das
zur leichteren Handhabung sowie zum Schutz der Leistungseinheit
dient.
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Bevorzugt
ist das Leistungsmodul mittels einer ersten Steckverbindung an dem
Gleichstrommotor befestigt. Zweckmäßigerweise weisen dazu das Leistungsmodul
sowie der Gleichstrommotor Steckverbindungselemente, wie beispielsweise
einen Stecker und eine Steckeraufnahme auf. Weiterhin kann die Steckverbindung
klemmend ausgebildet sein, so dass das Leistungsmodul im Wesentlichen
kraftschlüssig
an dem Gleichstrommotor gehalten wird. In einer weiteren Ausführungsform
weist die Steckverbindung zusätzlich
oder alternativ ein oder mehrere Rastmittel auf, wie zum Beispiel
ein elastisch verlagerbarer Rasthaken, der in eine Vertiefung oder
hinter einer Erhebung einrastet, so dass eine formschlüssige Sicherung
entsteht, die ein unbeabsichtigtes Lösen des Leistungsmoduls von
dem Gleichstrommotor auf einfache Art und Weise verhindert. Alternativ
oder zusätzlich
ist auch ein Anlöten
des Leistungsmoduls an dem Gleichstrommotor und/oder ein Befestigen
mittels Einpresstechnik oder mittels wenigstens einer Schneidklemme
denkbar.
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Besonders
bevorzugt ist die erste Steckverbindung elektrisch leitend ausgebildet.
Das bedeutet, dass das Leistungsmodul durch einfaches Zusammenstecken
mit dem Gleichstrommotor sowohl daran festgelegt und darüberhinaus
auch elektrisch mit diesem verbunden wird. Dies erleichtert die
Montage, verringert insbesondere den Verkabelungsaufwand, und verbessert
beziehungsweise optimiert den Stromfluss zwischen dem Leistungsmodul
und dem Gleichstrommotor.
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Nach
einer Weiterbildung der Erfindung ist das Leistungsmodul mittels
einer zweiten Steckverbindung mit einem wiederaufladbaren Energiespeicher,
insbesondere einem Akkumulator verbunden. Wobei diese zweite Steckverbindung
nicht eine direkte Verbindung von dem Leistungsmodul zu dem Energiespeicher
darstellen muss, sondern auch aus einem Zwischenstück/einer
Kontaktbrücke
bestehen kann, die mit dem Leistungsmodul und dem Energiespeicher
zusammensteckbar ist. So ist ein Bereich der Kontaktbrücke vorteilhafterweise
derart ausgestaltet, dass der Energiespeicher auf einfache Art und
Weise auswechselbar ist. Die Steckverbindung zwischen dem Leistungsmodul
und der Kontaktbrü cke
ist dabei zweckmäßigerweise
derart ausgebildet, dass ein fester Zusammenschluss besteht, der
eine dauerhafte elektrische Verbindung gewährleistet. Hierdurch entsteht
eine besonders Widerstands-/verlustoptimierte elektrische kabellose
Verbindung von dem Energiespeicher zu dem Gleichstrommotor beziehungsweise
von der Energiequelle zu dem Energieverbraucher.
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Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Leistungsmodul
in einem Kühlluft-Ansaugbereich
des Gleichstrommotors angeordnet. Die einfachste Methode elektrische
Maschinen, wie den Gleichstrommotor, im Betrieb zu kühlen, ist die
Luftkühlung.
Wobei der Gleichstrommotor im Betrieb durch die Rotation des Rotors
und gegebenenfalls eines damit verbundenen/angetriebenen Lüfterrads
einen Luftstrom erzeugt, der durch den Gleichstrommotor hindurchfährt. Hierzu
weist der Gleichstrommotor zweckmäßigerweise an den entsprechenden
Stellen Öffnungen
in seinem Gehäuse
auf, durch die Umgebungs-/Kühlluft
angesaugt wird. Durch die Anordnung des Leistungsmoduls im Bereich
eines derartigen Kühlluft-Ansaugbereichs
wird somit erreicht, dass das Leistungsmodul Verlustleistungen in
Form von Wärme
an den an ihm vorbeiziehenden Luftstrom abgibt. Im Vergleich zu
bekannten Elektrowerkzeugen wird somit eine höhere Kühlleistung erreicht, was zur
Folge hat, dass verhältnismäßig kleine
Leistungskomponenten, insbesondere kleinere Leistungshalbleiter,
verwendet werden können,
was zum Einen Vorteile in Bezug auf den Bauraum und zum Anderen
in Bezug auf die Herstellungskosten hat.
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Ferner
ist vorgesehen, dass das Leistungsmodul mindestens ein Kühlelement,
insbesondere eine oder mehrere Kühlrippen
aufweist. Zweckmäßigerweise
umschließt
das Leistungsmodul die Leistungskomponenten im Wesentlichen mit
dem Gehäuse,
wobei die Leistungskomponenten vorteilhafterweise an dem Gehäuse, das
zweckmäßigerweise eine
hohe Wärmeleitfähigkeit
aufweist, anliegen, so dass die in den Leistungskomponenten generierte Wärme gut
in das Gehäuse
abgeführt
werden kann. Die Kühlrippen
bilden zweckmäßigerweise
einen Teil des Gehäuses
oder sind an diesem wärmeleitungsoptimiert
angebracht, so dass die Wärme
der Leistungskomponenten über
das Gehäuse
des Leistungsmoduls optimal zu den Kühlrippen abgeführt werden
kann. Vorteilhafterweise liegen die Kühlrippen dabei in dem Kühlluft-Ansaugbereich
des Gleichstrommotors, wo sie die von den Leistungskomponenten abgeführte Wärme direkt
an den Kühlluftstrom
abgeben. Besonders bevorzugt steht das Kühlelement in direktem Berüh rungskontakt
mit den Leistungskomponenten, um die Wärmeableitung zu optimieren.
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Schließlich ist
vorgesehen, dass das Elektrowerkzeug ein Elektrohandwerkzeug ist.
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Die
erfindungsgemäße Leistungselektronik zeichnet
sich dadurch aus, dass die Leistungskomponenten als eine an dem
Gleichstrommotor anordenbare Leistungseinheit ausgebildet sind.
Wie oben beschrieben, erlaubt dies widerstandsoptimierte beziehungsweise
verlustleistungsoptimierte elektrische Verbindungen von den Leistungskomponenten
zu dem Gleichstrommotor.
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Zweckmäßigerweise
weist die bevorzugt als Leistungsmodul ausgebildete Leistungseinheit
eine elektrisch leitende Steckverbindung für den Gleichstrommotor auf.
Mittels dieser elektrisch leitenden Steckverbindung kann das Leistungsmodul
auf einfache Art und Weise an einem Gleichstrommotor befestigt werden,
wobei gleichzeitig eine elektrische Verbindung hergestellt wird.
Bevorzugt ist die Steckverbindung derart ausgebildet, dass das Leistungsmodul
auf den Gleichstrommotor beziehungsweise auf Anschlusskontakte des
Gleichstrommotors aufsteck bar ist.
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Weiterhin
ist vorgesehen, dass das Leistungsmodul eine elektrisch leitende
Steckverbindung für
einen wiederaufladbaren Energiespeicher, insbesondere für einen
Akkumulator aufweist. So wird eine kabellose elektrische Verbindung
von dem Gleichstrommotor zu dem Energiespeicher hergestellt, wodurch
die Montage erleichtert und Energieverluste verringert werden.
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Schließlich ist
vorgesehen, dass das Leistungsmodul mindestens ein Kühlelement,
insbesondere eine oder mehrere Kühlrippen
aufweist. Mittels des Kühlelements
beziehungsweise mittels der Kühlrippen
wird besonders günstig
die Verlustwärme
der Leistungskomponenten, die zweckmäßigerweise Leistungshalbleiter
sind, in die Umgebung abgeführt.
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Dazu
zeigen
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1 eine
schematische Darstellung des vorteilhaften Elektrowerkzeugs und
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2 ein
vorteilhaftes Leistungsmodul mit einem Gleichstrommotor in einer
perspektivischen Darstellung.
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Die 1 zeigt
in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines vorteilhaften Elektrowerkzeugs 1,
das als Elektrohandwerkzeug 2 ausgebildet ist. Das Elektrohandwerkzeug 2 weist
einen Gleichstrommotor 3 auf, der von einem wiederaufladbaren
Energiespeicher 4 mit Energie versorgt wird. Vorteilhafterweise
ist der Energiespeicher 4 ein Akkumulator, insbesondere
ein austauschbarer Akkumulator. An dem Gleichstrommotor 3 ist
eine Leistungseinheit 5 angeordnet, die eine oder mehrere Leistungskomponenten,
insbesondere Leistungsschalter, wie zum Beispiel Transistoren, Dioden, Halbleiter
oder Ähnliches,
beinhaltet. Mittels der Leistungskomponenten ist die notwendige
elektrische Verbindung zwischen dem Gleichstrommotor 3 und dem
Energiespeicher 4 herstellbar. Die Leistungseinheit 5 ist
dazu mittels einer elektrischen Verbindung 6 mit dem Energiespeicher 4 verbunden.
Weiterhin weist die Leistungseinheit 5 eine elektrische
Verbindung 7 zu einer Logikeinheit 8 auf, die
eine oder mehrere Logikkomponenten enthält, welche zum Ansteuern der
Leistungskomponenten dienen. Zusammen bilden die Logikeinheit 8 und
Leistungseinheit 5 eine Leistungselektronik 9 zum
Betreiben des Gleichstrommotors 3.
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Die
vorteilhafte Aufteilung und Trennung der Leistungselektronik 9 in
eine räumlich
eigenständige Leistungseinheit 5 und
in eine räumlich
eigenständige
Logikeinheit 8 erlaubt das räumlich getrennte Anordnen der
Leistungskomponenten an dem Gleichstrommotor 3. Die hohen
Ströme,
die zwischen der Leistungseinheit 5 und dem Gleichstrommotor 3 fließen, erfahren
aufgrund der Integration der Leistungseinheit 5 an dem
Gleichstrommotor 3 und die dadurch bedingten kurzen Wege
nur geringe Verluste, so dass bei gleichbleibender Leistung beziehungsweise
Kapazität
des Energiespeichers 4 eine höhere Leistung des Gleichstrommotors 3 erreicht
wird. Zur elektrischen Verbindung der Leistungseinheit 5 mit dem
Gleichstrommotor 3 sind dazu vorteilhafterweise Leitungen
mit einem großen
Querschnitt vorgesehen. Durch die direkte räumlich Zuordnung wird somit die
kürzeste
mögliche
Verbindung gewährleistet
und die Verluste (z. B. ohmsche Verluste) minimiert. Da zwischen
der Logikeinheit 8 und der Leistungseinheit 5 lediglich
Signale, also nur geringe Ströme, übermittelt
werden, kann die elektrische Verbindung 7 mittels Kabel,
die einen sehr kleinen Querschnitt aufweisen (dünne Verbindungen) ausgeführt werden.
Die dünnen
Kabel erlauben bei der Montage eine einfache Handhabung, insbesondere
aufgrund ihrer hohen Flexibilität.
Die elektrische Verbindung 6 kann ebenfalls als Kabelverbindung
ausgeführt
sein, dann jedoch sind größere Querschnitte
notwendig. Eine bevorzugte Ausführung
der elektrischen Verbindung 6 soll in der 2 erläutert werden.
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Die 2 zeigt
in einer perspektivischen Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel
des vorteilhaften Elektrowerkzeugs 1 beziehungsweise Elektrohandwerkzeugs 2,
wobei auch hier nur die für die
Erfindung wesentlichen Bestandteile dargestellt sind. Aus der 1 bekannte
Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass dazu
bereits Beschriebenes hier nicht wiederholt wird.
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Die
Leistungseinheit 5 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel
als Leistungsmodul 10 ausgebildet. Dazu weist sie ein im
Wesentlichen kastenförmiges
Gehäuse 11 auf,
in welchem die Leistungskomponenten angeordnet sind. Das Leistungsmodul 10 ist
dabei in der Verlängerung
einer Antriebswelle 12 des Gleichstrommotors 3 angeordnet.
An seiner dem Leistungsmodul 10 gegenüberliegenden Stirnseite 13 weist
der Gleichstrommotor 3 diametral angeordnete Kontaktstecker 14,
also elektrisch leitende Steckelemente auf, die im Wesentlichen
senkrecht von der Stirnseite 13 abstehen. Das Leistungsmodul 10 weist
entsprechend an seiner dem Gleichstrommotor 3 zugewandten
Oberfläche 15 des
Gehäuses 11 zwei
Kontaktstecker-Aufnahmen 16 auf, die von der Oberfläche 15 abstehend
ausgebildet sind, so dass sie gleichzeitig als Abstandhalter wirken.
Die Kontaktstecker-Aufnahmen 16 und die Kontaktstecker 14 bilden
zusammen eine erste Steckverbindung 17. Das Leistungsmodul 10 ist
vorliegend mittels der Steckerverbindung 17 auf einfache
Art und Weise auf den Gleichstrommotor 3 aufgesteckt und damit
an diesem angeordnet. Da die Kontaktstecker 14 und zweckmäßigerweise
auch die Kontaktstecker-Aufnahmen 16 zumindest bereichsweise
elektrisch leitend ausgebildet sind, wird über die Steckverbindung 17 gleichzeitig
der elektrische Kontakt zwischen dem Gleichstrommotor 3 und
der Leistungseinheit 5 hergestellt. Somit ist eine kabellose Verbindung
der Leistungskomponenten/-schalter mit dem Gleichstrommotor 3 möglich. Dies
erleichtert zum Einen die Montage und verringert zum Anderen Verluste
in den Stromleitungen. Die Anbindung der hier nicht dargestellten
Logikeinheit 8 erfolgt zweckmäßigerweise wie oben beschrieben.
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Der
Gleichstrommotor 3 weist weiterhin in seiner Stirnseite 13 hier
nicht erkennbare Öffnungen auf,
durch die im Betrieb des Gleichstrommotors 3 Luft zum Kühlen in
das Innere des Gleichstrommotors 3 eingesaugt wird, die
durch in der der Stirnseite 13 gegenüberliegenden Stirnseite 18 ausgebildeten Öffnungen
wieder herausströmt.
Das Leistungsmodul 10 beziehungsweise die Leistungseinheit 5 ist vorteilhafterweise
in dem Ansaugbereich, genauer gesagt in einem Kühlluft-Ansaugbereich des Gleichstrommotors 3 angeordnet.
Das hat zur Folge, dass das Leistungsmodul 10 im Betrieb
des Gleichstrommotors 3 sich in einem Kühlluftstrom befindet, an welchen
das Leistungsmodul 10 die in der Leistungseinheit 5 entstehende
(Verlust-)Wärme
abgibt. Das Leistungsmodul 10 weist weiterhin ein an der
Oberfläche 15 angeordnetes
Kühlelement 19 auf,
das vorteilhafterweise als Kühlrippen 20 ausgebildet
ist, wobei die Kühlrippen 20 zweckmäßigerweise
mit den Leistungskomponenten der Leistungseinheit 5 in
Wirkkontakt stehen, so dass die Wärme auf einfache und günstige Art
und Weise über
die Kühlrippen 20 an den
Kühlluftstrom
des Gleichstrommotors 3 abgeben wird. Diese Anordnung ermöglicht ein
gutes und rasches Abführen
der (Wärme-)Verluste,
besonders bei Anwendungsfällen,
welche zwischen Leerlauf und Blockierbetrieb häufig wechseln. Durch die Anordnung
wird die Kühlung
für die
Leistungseinheit 5 weiter erhöht, so dass insgesamt kleinere
und kostengünstigere
Leistungskomponenten verwendet werden können, wodurch sich Vorteile
in Bezug auf die Baugröße sowie
auf die Herstellungskosten des Elektrowerkzeugs 1 sowie
der Leistungselektronik 9 ergeben. Alternativ zu der oben
beschriebenen Steckverbindung 17 ist es auch denkbar, das
Leistungsmodul 10 an dem Gleichstrommotor 3 anzulöten, anzuklemmen
und/oder anzupressen, um sowohl den mechanischen als auch den elektrischen Kontakt
herzustellen.
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Die
elektrische Verbindung 6 von dem Leistungsmodul 10 zu
dem Energiespeicher 4 (Akkumulator) wird in dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel ebenfalls
von einer Steckverbindung 21 gebildet. Dazu weist das Leistungsmodul 10 zwei
Kontaktstecker 22 auf, die von dem Leistungsmodul 10 beziehungsweise
dem Gehäuse 11 abstehen
und in eine Kontaktstecker-Aufnahme 23 einer Kontaktbrücke 24 eingesteckt
sind. Die Kontaktbrücke 24 weist
ein elektrisch nichtleitfähiges
Trägerelement 25 auf,
auf dem elektrisch leitende Kontaktbahnen an geordnet sind. Diese
führen
im Wesentlichen von der Kontaktstecker-Aufnahme 23, in
der der elektrische Kontakt zu dem Leistungsmodul 10 hergestellt
ist, zu Kontaktsteckern 26, die mit dem hier nur gestrichelt
angedeuteten Energiespeicher 4 zusammenwirken. Die Kontaktbrücke 24 legt
somit ein Zwischenstück
dar, welches zwischen Leistungsmodul 10 und Energiespeicher 10 gesteckt
ist. Die Kontaktbrücke 24 ist zweckmäßigerweise
derart ausgebildet, dass die elektrische Verbindung mittels der
Kontaktstecker 26 zu dem Energiespeicher 4 derart
ausgelegt ist, dass der Energiespeicher 4 auf einfache
Art und Weise ausgewechselt werden kann, wohingegen die elektrische
Verbindung zu dem Leistungsmodul 10 derart ausgebildet
ist, dass ein dauerhafter sicherer elektrischer Kontakt gewährleistet
wird. Insgesamt ist somit die elektrische Verbindung 6 von
dem Energiespeicher 4 zu dem Gleichstrommotor 3 kabellos
ausgebildet, wodurch eine verlustleistungsoptimierte Anordnung mit
einem widerstandsoptimierten Stromfluss gegeben ist. Darüber hinaus
weist die Anordnung – im
Vergleich zum Stand der Technik – eine reduzierte Anzahl von
Kontaktstellen und somit von Übergangswiderständen auf.
Durch die Steckverbindungen (insbesondere 17 und 21)
wird eine besonders einfache und kostengünstige Montage des Elektrohandwerkzeugs 2 ermöglicht.
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Aufgrund
der vorteilhaften Trennung zwischen der Leistungseinheit und der
Logikeinheit der Leistungselektronik 9 ist es möglich, mit
der Leistungseinheit 5 beziehungsweise mit dem Leistungsmodul 10 unterschiedliche
Erzeugnisse, wie zum Beispiel unterschiedliche Gleichstrommotoren,
auszustatten und die unterschiedlichen (Steuer-)Varianten über die
Logikeinheit 8 zu realisieren, wie zum Beispiel eine optionale
Arbeitsstellenbeleuchtung, eine optionale Anzeige der Kapazität des Energiespeichers
oder eine optionale Motortemperaturerfassung.