DE102019216861A1

DE102019216861A1 - Axialflussmaschine für ein elektrisches Bearbeitungsgerät sowie elektrisches Bearbeitungsgerät mit einer Axialflussmaschine

Info

Publication number: DE102019216861A1
Application number: DE102019216861.2A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Laber; Andreas Voelkle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2021-05-06
Also published as: EP4052363A1; WO2021083784A1; CN114600340A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Axialflussmaschine (10), insbesondere einseitiger Axialflussmotor, für ein elektrisches Bearbeitungsgerät (34), mit einer Maschinenwelle (12), insbesondere Motorwelle, einem scheibenförmigen Stator (20) und einem in axialer Richtung (A) der Maschinenwelle (12) benachbart zum Stator (20) angeordneten scheibenförmigen Rotor (14), wobei der Stator (20) als Wicklungsträger (22) für zumindest eine Statorwicklung (24) ausgebildet ist und der drehfest mit der Maschinenwelle (12) verbundene Rotor (14) relativ zum Stator (20) in eine Drehbewegung versetzbar ist. Es wird vorgeschlagen, dass der Stator (20) eine Mehrzahl von Statorzähnen (44) und ein erstes Statorjoch (26) aufweist, wobei die Statorzähne (44) und das erste Statorjoch (26) durch eine Laserschweißung miteinander dauerhaft verbunden sind. Weiterhin betrifft die Erfindung ein elektrisches Bearbeitungsgerät (34) mit einer erfindungsgemäßen Axialflussmaschine (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Axialflussmaschine, insbesondere einen einseitigen Axialflussmotor, für ein elektrisches Bearbeitungsgerät sowie ein elektrisches Bearbeitungsgerät mit einer Axialflussmaschine nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Axialflussmaschinen haben gegenüber konventionellen Elektromaschinen mit radialer Flussrichtung den Vorteil, dass sie sehr effizient sind und eine deutlich verkürzte Baulänge aufweisen. Zudem kann bei gleichem Außendurchmesser eine höhere Drehmoment- bzw. Leistungsdichte erreicht werden. Diese Verbesserungen sind unter anderem auf eine größere Luftspaltfläche bei vergleichbarem Bauvolumen zurückzuführen. Dank eines geringeren Eisenvolumens der rotierenden Komponenten ergibt sich zudem ein höherer Wirkungsgrad über einen größeren Drehzahlbereich.
Der Aufbau eines Stators einer Axialflussmaschine ist aufgrund der erforderlichen magnetischen 3D-Flussführung relativ aufwändig. Die Nutung des Blechpakets muss in der Regel vor dem Wickelprozess der Statorwicklung ausgestanzt werden. Zudem ergeben sich durch die einzelnen Bleche Nachteile derart, dass die Polschuhe lediglich einen tangentialen Überstand erreichen und dass sich die Statorzähne mit den ausgeprägten Polschuhen nicht extern bewickeln lassen, was einen geringen Füllfaktor der Statorwicklung und einen entsprechend reduzierten Wirkungsgrad zur Folge hat.
Aus der DE 10 2015 223 766 A1 ist eine Axialflussmaschine mit gebogenen und gewickelten Blechpaketen als Wicklungsträger bekannt. Der Stator der Axialflussmaschine weist eine gesinterte Trägerstruktur aus weichmagnetischem Material und einen als Blechpaket ausgebildeten Einsatz auf. Der Einsatz ist über einen Form- und/oder Kraftschluss an der Trägerstruktur angebunden und bildet zumindest teilweise einen Polschuh der Axialflussmaschine. Das Blechpaket ist mittels einzelner, übereinander gestapelter Lagen an Einzelblechen gebildet, die aus einem Weicheisen bestehen. Die einzelnen Bleche sind elektrisch zu dem jeweils benachbarten Blech isoliert aneinander angebunden.
Alternativ werden Statoren von Axialflussmaschinen auch rein aus Verbundwerkstoffen (Soft Magnetic Composites - SMC) aufgebaut. SMC-Werkstoffe bestehen aus hoch reinem Eisenpulver mit einer speziellen Oberflächenbeschichtung auf jedem einzelnen Partikel. Diese elektrisch isolierende Oberfläche gewährleistet einen hohen elektrischen Widerstand auch nach dem Pressen und der Wärmebehandlung, was wiederum eine Minimierung bzw. ein Vermeiden von Wirbelstromverlusten nach sich zieht. SMC-Werkstoffe sind dem Fachmann bekannt, so dass hier nicht weiter auf deren Zusammensetzung eingegangen werden soll.
Zur Verbesserung des Füllfaktors der Statorwicklung in den radialen Luftspalten zwischen den Statorzähnen des Stators können die Statorzähne des Wicklungsträgers und zumindest ein als magnetischer Rückschluss dienendes Statorjoch getrennt voneinader gefertigt und nach dem Bewickeln der Statorzähne mit den jeweiligen Einzelzahnwicklungen der Statorwicklung miteinander dauerhaft verbunden werden. Dabei erfolgt die Verbindung in der Regel über einen Fügeprozess, beispielsweise duch ein Verkleben. Ein Verkleben kann aber die Planparallelität der Statorzähne zum radialen Luftspalt zwischen ihnen beeinflussen und erfordert zudem eine zusätzliche Fixierung während des Aushärtens der Verklebung.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Axialflussmaschine bereitzustellen mit einer gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Verbindung zwischen den Statorzähnen und dem als Rückschluss dienenden Statorjoch.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Axialflussmaschine, insbesondere einen einseitigen Axialflussmotor, für ein elektrisches Bearbeitungsgerät, mit einer Maschinenwelle, insbesondere Motorwelle, einem scheibenförmigen Stator und einem in axialer Richtung der Maschinenwelle benachbart zum Stator angeordneten scheibenförmigen Rotor, wobei der Stator als Wicklungsträger für zumindest eine Statorwicklung ausgebildet ist und der drehfest mit der Maschinenwelle verbundene Rotor relativ zum Stator in eine Drehbewegung versetzbar ist.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist vorgesehen, dass der Stator eine Mehrzahl von Statorzähnen und ein erstes Statorjoch aufweist, wobei die Statorzähne und das erste Statorjoch durch eine Laserschweißung miteinander dauerhaft verbunden sind. Die Laserschweißung bewirkt eine hohe Planparelliltät der Statorzähne zu den radialen Luftspalten zwischen ihnen in Verbindung mit einer vereinfachten und schnelleren Herstellung des Stators. Durch das Vermeiden einer Klebung entsteht kein Klebespalt zwischen den Statorzähnen und dem ersten Statorjoch. Zudem ist keine Fixierung der Statorzähne und des ersten Statorjochs während eines Aushärtens der Klebung erforderlich.
Die Erfindung betrifft auch ein elektrisches Bearbeitungsgerät, insbesondere eine Elektrowerkzeugmaschine, mit einer erfindungsgemäßen Axialflussmaschine, insbesondere einem erfindungsgemäßen Axialflussmotor.
Als elektrisches Bearbeitungsgerät sollen im Kontext der Erfindung unter anderem akku- oder netzbetriebene Elektrowerkzeugmaschinen zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines elektrisch angetriebenen Einsatzwerkzeugs verstanden werden. Dabei kann das elektrische Bearbeitungsgerät sowohl als Elektrohandwerkzeug als auch als stationäre Elektrowerkzeugmaschine ausgebildet sein. Typische Elektrowerkzeugmaschinen sind in diesem Zusammenhang Hand- oder Standbohrmaschinen, Schrauber, Schlagbohrmaschinen, Bohrhämmer, Abrisshämmer, Hobel, Winkelschleifer, Schwingschleifer, Poliermaschinen oder dergleichen. Als elektrische Bearbeitungsgeräte kommen aber auch Motor getriebene Gartengeräte wie Rasenmäher, Rasentrimmer, Astsägen oder dergleichen in Frage. Weiterhin ist die Erfindung auf Axialflussmaschinen in Haushalts- und Küchengeräten, wie Waschmaschinen, Trockner, Staubsauger, Mixer, etc. anwendbar.
Der Begriff Axialflussmaschine kann dabei sowohl einen Axialflussmotor als auch einen Axialflussgenerator zur Umwandlung von mechanischer in elektrische Energie umfassen. Ebenso soll unter einer Axialflussmaschine auch ein Axialflussmotor verstanden werden, der zumindest zeitweise zur Rekuperation von mechanischer in elektrische Energie genutzt wird, wie dies z.B. beim elektrodynamischen Bremsen eines Axialflussmotors der Fall sein kann.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass jeweils in etwa mittig jeder auf dem ersten Statorjoch aufliegenden Fläche eines Statorzahns eine Bohrung im ersten Statorjoch vorgesehen ist, durch die der Statorzahn mittels der Laserschweißung mit dem ersten Statorjoch verbindbar ist. Dabei kann sich eine Schweißnaht zur Verbindung des ersten Statorjochs und des jeweiligen Statorzahns über den vollständigen Umfang oder alternativ nur punktuell über den Umfang der Bohrung erstrecken. Durch die Schweißung in der Mitte eines jeden Statorzahns wird die Führung des magnetischen Flusses nur gering beeinflusst und es ist eine hohe Planparallelität der Statorzähne zum radialen Luftspalt zwischen ihnen erreichbar.
Ausführungsbeispiele
Figurenliste
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 bis 10 beispielhaft erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Bestandteile mit einer gleichen Funktionsweise hindeuten.
Es zeigen

1: ein Schnitt durch eine erfindungsgemäße Axialflussmaschine in Form eines einseitigen Axialflussmotors in einem ersten Ausführungsbeispiel,
2: eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Stators der erfindungsgemäßen Axialflussmaschine,
3: eine Explosionszeichnung des Stators aus 2 in einer schematischen Ansicht ohne Statorwicklung,
4: eine schematische Ansicht eines Ausschnitts des erfindungsgemäßen Stators in einem weiteren Ausführungsbeispiel,
5: eine schematische Schnitt-Ansicht eines Rotors der erfindungsgemäßen Axialflussmaschine,
6: eine schematische Ansicht eines Gehäuses der erfindungsgemäßen Axialflussmaschine,
7: eine weitere schematische Ansicht des Leergehäuses der erfindungsgemäßen Axialflussmaschine aus 6,
8: eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Kühlluftführung innerhalb der erfindungsgemäßen Axialflussmaschine in einem Schnitt,
9: zwei Ausführungsbeispiele von Dreieck-Parallelschaltungen der Einzelzahnwicklungen einer Statorwicklung der erfindungsgemäßen Axialflussmaschine und
10: ein elektrisches Bearbeitungsgerät, insbesondere eine Elektrowerkzeugmaschine in Gestalt eines Bohrhammers, mit einer erfindungsgemäßen Axialflussmaschine.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Axialflussmaschine 10 in einem Schnitt dargestellt. Die Axialflussmaschine 10 kann gleichermaßen als Axialflussmotor oder als Axialflussgenerator ausgebildet sein. Auf einer Maschinenwelle 12 der Axialflussmaschine 10 ist drehfest mit der Maschinenwelle 12 ein scheibenförmiger Rotor 14 angeordnet. Der Rotor 14 ist als ein geblechter Ring 16 aus weichmagnetischem Eisen ausgebildet und trägt einen abwechselnd magnetisierten Magnetring 18, auf den mit Bezug auf 5 noch näher eingegangen werden soll. Da der Rotor 14 jedoch in der Regel keinem Wechselfeld ausgesetzt ist und somit die Gefahr von Wirbelstromverlusten verhältnismäßig gering ist, kann der Rotor 14 alternativ auch aus nicht weichmagnetischen Materialen wie Eisen oder aus einem weichmagnetischem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffanteil bestehen. In axialer Richtung A der Motorwelle 12 befindet sich benachbart zum Rotor 14 bzw. zum Magnetring 18 ein ebenfalls scheibenförmiger Stator 20, der als Wicklungsträger 22 für zumindest eine Statorwicklung 24 (vgl. 2) ausgebildet ist und der ein erstes Statorjoch 26 aufweist, das als magnetischer Rückschluss des durch die Statorwicklung 24 und den Magnetring 18 resultierenden Magnetfelds dient. Relativ zum Stator 20 bzw. der Statorwicklung 24 ist der Rotor 14 über die Motorwelle 12 in eine Drehbewegung versetzbar. Dazu ist die Motorwelle 12 einerseits über ein in das Statorjoch 26 integriertes erstes Lager 28, das beispielsweise als ein Festlager 30 ausgebildet ist, und andererseits über ein in einem Gehäuse 32 eines elektrischen Bearbeitungsgeräts 34 (vgl. 10) aufgenommenes zweites Lager 36, das beispielsweise als ein Loslager 38 ausgebildet ist, drehbar gelagert. Das erste und das zweite Lager 28, 36 sind bevorzugt als Kugellager ausgebildet. Das erste Lager 28 ist direkt in den Wicklungsträger 22 und/oder in das erste Statorjoch 26 integriert. So kann es beispielweise eingepresst oder eingespritzt sein. Da insbesondere einseitige Axialflussmaschinen eine sehr hohe Zugkraft in axialer Richtung A der Maschinenwelle 12 im Luftspalt zwischen Rotor 14 und Stator 20 aufweisen, kann diese durch das als Festlager 30 ausgebildete erste Lager 28 im ersten Statorjoch 26 abgefangen werden. Somit ist es nicht notwendig, die axiale Kraft durch das Gehäuse 32 des elektrischen Bearbeitungsgeräts 34 und/oder durch ein Gehäuse der Axialflussmaschine (vgl. 6 und 7) aufzunehmen.
Zur Kühlung der Axialflussmaschine 10 ist drehfest auf der Maschinenwelle 12 ein Lüfterrad 40 angeordnet, das Kühlluft durch die Axialflussmaschine 10 transportiert. Dazu saugt das Lüfterrad 40 die Kühlluft bevorzugt radial an, um sie dann axial durch die Axialflussmaschine 10 zu befördern.
2 zeigt eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels des scheibenförmigen Stators 20 der erfindungsgemäßen Axialflussmaschine 10. Der Stator 20 umfasst im Wesentlichen das erste Statorjoch 26, ein in axialer Richtung A der Maschinenwelle 12 benachbart dazu angeordnetes, zweites Statorjoch 42 und den zum zweiten Statorjoch 42 in axialer Richtung A der Maschinenwelle 12 benachbart angeordneten Wicklungsträger 22. Der Wicklungsträger 22 besteht im Wesentlichen aus einer Mehrzahl von, insbesondere sechs, die Statorwicklung 24 tragenden Statorzähnen 44, wobei jedem Statorzahn 44 eine Einzelzahnwicklung 46 der Statorwicklung 24 zugeordnet ist. Die Einzelzahnwicklungen 46 sind mit Bezug auf 9a in einer Dreieck-Parallel-Schaltung 48 miteinander elektrisch verbunden.
Die Statorzähne 44 und das erste Statorjoch 26 des Stators 20 sind aus Verbundwerkstoffen (Soft Magnetic Composites - SMC) gebildet und durch einen Fügeprozess miteinander dauerhaft verbunden, insbesondere verklebt. SMC-Werkstoffe bestehen aus hoch reinem Eisenpulver mit einer speziellen Oberflächenbeschichtung auf jedem einzelnen Partikel. Diese elektrisch isolierende Oberfläche gewährleistet einen hohen elektrischen Widerstand auch nach dem Pressen und der Wärmebehandlung, was wiederum eine Minimierung bzw. ein Vermeiden von Wirbelstromverlusten nach sich zieht. Mit besonderem Vorteil gegenüber Axialflussmaschinen des Standes der Technik kann so eine gegenüber mechanischen Beanspruchungen extrem widerstandsfähige und gleichzeitig sehr leistungsfähige und effiziente Axialflussmaschine bzw. ein drehmomentstarker Axialflussmotor bereitgestellt werden. Die Fügung der Statorzähne 44 mit dem ersten Statorjoch 26 ermöglicht ein externes Bewickeln des Wicklungsträgers 22 durch das Aufbringen der Statorwicklung 24 bzw. der Einzelzahnwicklungen 46 auf die Statorzähne 44 während des Fügeprozesses. Auf diese Weise ist ein hoher Füllfaktor der Statorwicklung 24 erzielbar.
Das zweite Statorjoch 42 des Rotors 20 besteht im Unterschied zum ersten Statorjoch 26 aus weichmagnetischem Eisen und ist als ein Blechpaket 48 (vgl. 3) mit einer Mehrzahl, insbesondere sechs, über seinem Außenumfang verteilter Nuten 50 zur Aufnahme der Verbundwerkstoffe ausgebildet. Die Anzahl der Nuten 50 entspricht dabei der Anzahl der Statorzähne 44. Das zweite Statorjoch 42 stabilisiert so den Stator 20 bei starker mechanischer Beanspruchung und gewährleistet aufgrund seiner hohen Permeabilität eine verbesserte magnetische Flussführung. Die Nutung des Blechpakets 48 bewirkt nicht nur die bessere Aufnahme der Verbundwerkstoffe und damit die höhere Stabilität des Stators 20, sondern gewährleistet auch eine optimierte Führung der im Wesentlichen durch die Statorwicklung 24 verursachten Wirbelströme.
Gemäß 3 weist das zweite Statorjoch 42 zur Aufnahme der Statorzähne 44 ringförmig angeordnete, kreissegmentförmige Ausnehmungen 52 auf, wobei jede Nut 50 den Außenumfang des zweiten Statorjochs 42 bis zu der jeweils radial innenliegenden Ausnehmung 52 unterbricht. Jeder Statorzahn 44 ist durch einen kreissegmentförmigen Zahnflansch 54, der die kreissegmentförmige Ausnehmung 52 des zweiten Statorjochs 42 durchgreift, und einen den Zahnflansch 54 umgreifenden, kreissegmentförmigen Trägerrahmen 56 mit einem umlaufenden U-Profil 58 zur Aufnahme der Statorwicklung 24 bzw. der Einzelzahnwicklungen 46 gebildet. Zahnflansch 54 und Trägerrahmen 56 sind über einen Fügeprozess miteinander dauerhaft verbunden, insbesondere verklebt.
4 zeigt eine schematische Ansicht eines Ausschnitts des erfindungsgemäßen Stators 20 in einem weiteren Ausführungsbeispiel. Dabei werden die Statorzähne 44 bzw. deren Zahnflansche 54 (vgl. 3) durch die Ausnehmungen 52 des zweiten Statorjochs 42 hindurchgeführt und mit dem ersten Statorjoch 26 durch eine Laserschweißung dauerhaft verbunden. Jeweils in etwa mittig jeder auf dem ersten Statorjoch 26 aufliegenden Fläche eines Statorzahns 44 ist eine Bohrung 60 im ersten Statorjoch 26 vorgesehen, durch die der Statorzahn 44 mittels der Laserschweißung mit dem ersten Statorjoch 26 verbindbar ist. Zur dauerhaften Verbindung des ersten Statorjochs 26 und des jeweiligen Statorzahns 44 erstreckt sich eine Schweißnaht über den vollständigen Umfang der Bohrung 60. Alternativ kann aber auch vorgesehen sein, dass sich die Schweißnaht nur punktuell über den Umfang der Bohrung 60 erstreckt. Durch die Schweißung in der Mitte eines jeden Statorzahns 44 wird die Führung des magnetischen Flusses nur gering beeinflusst und es ist eine hohe Planparallelität der Statorzähne 44 zum radialen Luftspalt zwischen ihnen erreichbar. Durch das Vermeiden einer Klebung kann wirksam ein Klebespalt zwischen Statorzahn 44 und erstem Statorjoch 26 vermieden werden und es ist keine Fixierung von Statorzahn 44 und erstem Statorjoch 26 während des Aushärtens der Klebung erforderlich. Mit Bezug auf 1 ist es alternativ auch denkbar, auf das zweite Statorjoch 42 zu verzichten und stattdessen das als geblechten Ring 16 aus weichmagnetischem Eisen ausgebildete erste Statorjoch 26 direkt mit den aus Verbundwerkstoffen bestehenden Statorzähnen 44 zu verbinden, insbesondere mittels der Bohrung 60 im ersten Statorjoch 42 zu verschweißen.
In 5 ist eine schematische Ansicht des Rotors 14 der erfindungsgemäßen Axialflussmaschine 10 im Schnitt dargestellt. Der Rotor 14 ist als ein geblechter Ring 16 aus weichmagnetischem Eisen ausgebildet. Er trägt zudem einen abwechselnd polarisierten Magnetring 18, der mit der Statorwicklung 24 des Stators 20 zusammenwirkt, um im Motorbetrieb den Rotor 14 in eine Drehbewegung zu versetzen oder im Generatorbetrieb eine Spannung in die Statorwicklung 24 zu induzieren. Die nicht näher gezeigten Magnete des Magnetrings 18 sind derart kreissegmentförmig ausgestaltet, dass sich ihre Flächen weitestgehend mit den kreissegmentförmigen Statorzähnen 44 überdecken, um einen optimalen magnetischen Fluss in Verbindung mit einem hohen Drehmoment zu erzielen. Statt eines abwechselnd polarisierten Magnetrings 18 ist alternativ auch ein Ring mit eingelassenen Einzelmagneten denkbar. Wie bereits erwähnt, ist der Rotor 14 in der Regel keinem Wechselfeld ausgesetzt, so dass hier keine oder nur sehr geringe Wirbelstromverluste entstehen. Daher kann der Rotor14 der Axialflussmaschine 10 alternativ auch aus einem nicht weichmagnetischen Material bestehen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der geblechte Ring 16 des Rotors 14 als ein Rotorjoch 62 ausgebildet, das entweder mit einem bidirektionalen Lüfter 40 durch einen Fügeprozess dauerhaft verbunden, insbesondere verklebt, ist oder das selbst als bidirektionaler Lüfter 64 dient. Dabei weist der bidirektionale Lüfter 40, 64 zumindest eine radiale Luftströmungsrichtung 66 und eine axiale Luftströmungsrichtung 68 zur Kühlung der Axialflussmaschine 10, insbesondere zur Kühlung des Stators 20 bzw. der Statorwicklung 24 und des Rotors 14, auf. Die radiale Luftströmungsrichtung 66 wird dabei im Wesentlichen durch eine Mehrzahl kreisförmig im äußeren Radiusbereich des bidirektionalen Lüfters 40, 64 angeordneter radialer Luftschaufeln 70 und die axiale Luftströmungsrichtung 68 durch eine Mehrzahl im inneren Radiusbereich des Rotorjochs 62 angeordneter axialer Öffnungen 72 erzielt.
Somit bewirkt der bidirektionale Lüfter 40, 64 mit Bezug auf 6 eine radiale Ansaugung 74 eines Luftstroms 76 mit einer axialen Durchströmung 78 des Stators 20 und des Rotors 14 der Axialflussmaschine 10 und einem radialen Austritt 80 des erwärmten Luftstroms 76 aus einem Gehäuse 82 der Axialflussmaschine 10. Die radiale Ansaugung 74 des Luftstroms 76 erfolgt zum einen durch die Luftspalte zwischen den Statorzähnen 44 (vgl. 2) und zum anderen im Bereich des ersten Statorjochs 26 des Stators 20, insbesondere an einer vom Rotor 14 aus gesehenen distalen Stirnseite 84 des ersten Statorjochs 26.
In 7 ist die Axialflussmaschine 10 mit ihrem Gehäuse 82 samt eines dieses verschließenden Deckels 86 dargestellt. 8 zeigt das Gehäuse 82 ohne Axialflussmaschine 10 und Deckel 86. Das Gehäuse 82 ist einseitig offen zur Aufnahme des Deckels 86 und weist gegenüberliegend eine im Wesentlichen geschlossene Stirnseite 88 (vgl. 8) auf. Der Deckel 86 verschließt das Gehäuse 82 und verbindet so kraftschlüssig den Stator 20 und den Rotor 14 der Axialflussmaschine 10. Unter „im Wesentlichen geschlossen“ soll in diesem Zusammenhang verstanden werden, dass die Stirnseite 88 eine Mehrzahl von Öffnungen 90 beispielsweise zur Kühlung, als Kabeldurchlässe und/oder als Durchführung für die Maschinenwelle 12 aufweisen kann, aber alternativ auch, dass die Stirnseite 88 vollkommen geschlossen ist. Das Gehäuse 82 ist zylinderförmig ausgebildet und fixiert den Stator 20 derart, dass ein definierter Luftspalt zwischen dem Rotor 14 bzw. dessen Magnetring 18 und dem Stator 20 bzw. dessen Wicklungsträger 22 entsteht. Zur Reduzierung bzw. Vermeidung von Wirbelstromverlusten ist das Gehäuse 82 aus einem magnetisch isolierenden Material mit möglichst geringer Permeabilität wie zum Beispiel Kunststoff (PA66) hergestellt. Entsprechend kann auch der Deckel 86 ausgebildet sein.
Während in einem Lagerflansch 92 des Deckels 86 das als Festlager 30 ausgebildete erste Lager 28 fixiert ist, das die Maschinenwelle 12 unverschieblich lagert, weist die im Wesentlichen geschlossene Stirnseite 86 des Gehäuses 82 in einem weiteren Lagerflansch 94 das als Loslager 38 ausgebildete zweite Lager 36 zur verschieblichen Lagerung der Maschinenwelle 12 auf. Auf diese Weise kann das Gehäuse 82 sehr einfach nach dem Zusammenbau der Axialflussmaschine 10 aufgeschoben und für etwaige Servicearbeiten wieder entfernt werden.
An seiner offenen Seite sind über den Umfang des Gehäuses 82 verteilt abwechselnd eine Mehrzahl von Ausnehmungen 96 und Laschen 98 zur Aufnahme und Fixierung des Stators 20 angeordnet. Dabei greifen über den Umfang des ersten und des zweiten Statorjochs 26, 42 des Stators 20 verteilte radiale Vorsprünge (vgl. die 2 und 3) in die jeweiligen Ausnehmungen 96 des Gehäuses 82. Entsprechend enthält auch der Deckel 86 als Laschen 106 ausgebildete radiale Vorsprünge, die in die Ausnehmungen 96 des Gehäuses 82 eingreifen. Auf diese Weise können die hohen axialen Kräfte der Axialflussmaschine 10 in Richtung des Deckels 86 abgeführt werden. In jeder Lasche 98 des Gehäuses 82 ist mindestens eine Bohrung 100 zur Fixierung des Deckels 86 und demzufolge auch des Stators 20 mittels entsprechender Befestigungsmittel 102, insbesondere Schrauben 104, vorgesehen. Die Befestigungsmittel 102 übertragen die Axialkraft der Axialflussmaschine 10 auf das Gehäuse 82 und werden somit auf Scherung beansprucht.
Die Öffnungen 90 an der im Wesentlichen geschlossenen Stirnseite 88 des Gehäuses 82 sind als radial und/oder axial wirkende Lüftungsöffnungen 104, insbesondere als Lüftungsauslassöffnungen 106, zur Kühlung der Axialflussmaschine 10 ausgebildet (vgl. auch 6). Zudem weist das Gehäuse 82 etwa mittig zwischen der im Wesentlichen geschlossenen Stirnseite 88 und der in axialer Richtung A gegenüberliegenden offenen Seite eine Mehrzahl über den Umfang verteilte radial wirkende Lüftungsöffnungen 108, insbesondere Lüftungseinlassöffnungen 110, auf. Neben den Öffnungen 90 zur Kühlung der Axialflussmaschine 10 sind insbesondere in den Laschen 98 des Gehäuses 82 noch weitere Öffnungen 90 vorgesehen, die als Durchführungen 112 für Sensorleitungen oder dergleichen dienen können.
In 9a ist ein Schaltbild der Statorwicklung 22 als Dreieck-Parallel-Schaltung 48 der sechs Einzelzahnwicklungen 46 der Statorzähne 44 (vgl. 2) dargestellt. Pro Phase sind jeweils zwei Einzelzahnwicklungen 46 zwischen den Anschlusspunkten U und V, V und W bzw. W und U parallelgeschaltet. Die DreieckSchaltung als solche bewirkt, dass an jeder Einzelzahnwicklung 46 die gesamte Versorgungsspannung abfällt. Dies bedingt eine Erhöhung der Windungszahl der Einzelzahnwicklungen 46, um im Motorbetrieb eine spezifisch geforderte Drehzahl bzw. im Generatorbetrieb einen spezifisch geforderten Energieertrag zu realisieren. Durch die zusätzliche Parallelschaltung kann in besonders vorteilhafter Weise der Wicklungsdrahtdurchmesser erhöht und damit der resultierende Innenwiderstand verringert werden. Die Dreieck-Parallel-Schaltung 48 ermöglicht somit die Reduzierung des Innenwiderstands der Axialflussmaschine 10 gegenüber einer üblichen Stern-Schaltung, was zu einer deutlichen Erhöhung der Leistungsfähigkeit der Axialflussmaschine 10 gegenüber bisherigen Lösungen führt. 9b zeigt eine alternative Ausgestaltungsform der Dreieck-Parallel-Schaltung 48 für insgesamt neun Einzelzahnwicklungen 46 der Statorwicklung 22.
In 10 ist ein Ausführungsbeispiel eines elektrischen Bearbeitungsgeräts 34 mit der erfindungsgemäßen Axialflussmaschine 10 gemäß 1 gezeigt. Das elektrische Bearbeitungsgerät 34 ist als eine Elektrowerkzeugmaschine 112 in Form eines netzbetriebenen Bohrhammers mit einem elektromotorisch angetriebenen Schlagwerk 114, das ein Bohrfutter 116 für ein nicht gezeigtes Einsatzwerkzeug in eine Dreh- und/oder Schlagbewegung versetzt, ausgebildet. Auf die genaue Ausgestaltung des Bohrhammers soll hier nicht näher eingegangen werden, da dies dem Fachmann hinlänglich bekannt ist. Als elektrisches Bearbeitungsgerät kann auch jede andere akku- oder netzbetriebene Elektrowerkzeugmaschine 112 zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines elektrisch angetriebenen Einsatzwerkzeugs verstanden werden. Dabei kann das elektrische Bearbeitungsgerät sowohl als Elektrohandwerkzeug als auch als stationäre Elektrowerkzeugmaschine ausgebildet sein. Typische Elektrowerkzeugmaschinen sind in diesem Zusammenhang Hand- oder Standbohrmaschinen, Schrauber, Schlagbohrmaschinen, Bohrhämmer, Abrisshämmer, Hobel, Winkelschleifer, Schwingschleifer, Poliermaschinen oder dergleichen. Als elektrische Bearbeitungsgeräte kommen aber auch Motor getriebene Gartengeräte wie Rasenmäher, Rasentrimmer, Astsägen oder dergleichen in Frage. Weiterhin ist die Erfindung auf Axialflussmaschinen in Haushalts- und Küchengeräten, wie Waschmaschinen, Trockner, Staubsauger, Mixer, etc. anwendbar.
Die als Axialflussmotor arbeitende Axialflussmaschine 10 der Elektrowerkzeugmaschine 112 treibt mittels ihrer Maschinenwelle 12 in bekannter Art und Weise das Schlagwerk 114 über ein Getriebe 118 an. Die Ansteuerung der Axialflussmaschine 10 erfolgt dabei über einen in einem D-Handgriff 120 der Elektrowerkzeugmaschine 112 angeordneten Hauptschalter 122, der mit einer nicht gezeigten Elektronik zur Bestromung der in Dreieck-Parallel-Schaltung 48 verschalteten Statorwicklung 22 zusammenwirkt. Der Stator 20 der Axialflussmaschine 10 ist direkt in dem Gehäuse 32 der Elektrowerkzeugmaschine 112 aufgenommen. Dazu sind der Stator 20 und das Gehäuse 32 durch einen Fügeprozess dauerhaft miteinander verbunden, insbesondere verklebt. Alternativ kann der Stator 20 aber auch durch einen Formschluss dauerhaft mit dem Gehäuse 32 verbunden, insbesondere verpresst, sein. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse 32 oder ein Getriebegehäuse 122 der Elektrowerkzeugmaschine 112 das mit der Maschinenwelle 12 der Axialflussmaschine 10 verbundene zweite Lager 36, insbesondere als Loslager 38, aufnimmt. Statt der gezeigten Axialflussmaschine 10 gemäß 1 kann die Elektrowerkzeugmaschine 112 bzw. das elektrische Bearbeitungsgerät 34 ohne Einschränkung der Erfindung auch mit einer Axialflussmaschine 10 gemäß der 6 bis 8 ausgestattet sein.
Es sei abschließend noch darauf hingewiesen, dass die Erfindung weder auf die gezeigten Ausführungsbeispiele gemäß der 1 bis 10 noch auf die genannte Anzahl der Statorzähne, Einzelzahnwicklungen und Magnete des Magnetrings beschränkt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015223766 A1 [0004]

Claims

Axialflussmaschine (10), insbesondere einseitiger Axialflussmotor, für ein elektrisches Bearbeitungsgerät (34), mit einer Maschinenwelle (12), insbesondere Motorwelle, einem scheibenförmigen Stator (20) und einem in axialer Richtung (A) der Maschinenwelle (12) benachbart zum Stator (20) angeordneten scheibenförmigen Rotor (14), wobei der Stator (20) als Wicklungsträger (22) für zumindest eine Statorwicklung (24) ausgebildet ist und der drehfest mit der Maschinenwelle (12) verbundene Rotor (14) relativ zum Stator (20) in eine Drehbewegung versetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (20) eine Mehrzahl von Statorzähnen (44) und ein erstes Statorjoch (26) aufweist, wobei die Statorzähne (44) und das erste Statorjoch (26) durch eine Laserschweißung miteinander dauerhaft verbunden sind.
Axialflussmaschine (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils in etwa mittig jeder auf dem ersten Statorjoch (26) aufliegenden Fläche eines Statorzahns (44) eine Bohrung (60) im ersten Statorjoch (26) vorgesehen ist, durch die der Statorzahn (44) mittels der Laserschweißung mit dem ersten Statorjoch (26) verbindbar ist.
Axialflussmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Schweißnaht zur Verbindung des ersten Statorjochs (26) und des jeweiligen Statorzahns (44) über den vollständigen Umfang der Bohrung (60) erstreckt.
Axialflussmaschine (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Schweißnaht zur Verbindung des ersten Statorjochs (26) und des jeweiligen Statorzahns (44) nur punktuell über den Umfang der Bohrung (60) erstreckt.
Elektrisches Bearbeitungsgerät (34), insbesondere Elektrowerkzeugmaschine (112), mit einer Axialflussmaschine (10) nach eiem der vorhergehenden Ansprüche.