DE3237197C2 - In einem Handstück untergebrachter motorischer Antrieb - Google Patents

In einem Handstück untergebrachter motorischer Antrieb

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Abstract

Es wird ein Handstück beschrieben mit einem eingebauten Motor zum Antrieb von rotierenden Werkzeugen kleiner Abmessungen. Im hinteren im Durchmesser erweiterten Teil des Gehäuses ist ein integrierter, bürstenloser elektrischer Motor angebracht, dessen Rotor in einem geschlossenen Isolierstoffgehäuse frei drehbar untergebracht ist. Die Einrichtung zur Übertragung der Drehbewegung vom Motor zum Werkzeug besteht ohne Zwischenschaltung mechanischer Kontakte aus magnetischen Kupplungen. Die Gesamtanordnung ist raumsparend kompakt und einfach zu handhaben bei hoher Betriebssicherheit.

Description

Kombination folgender Merkmale:
a) im hinterer. Teil des Gehäuses ist ein permanentmagneterregter Synchronmotor integriert;
b) der Rotor weist zwei Permanentmagnete mit koaxialen, mit einer leitfähigen Metallschicht versehenen Oberflächen auf und ist in einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse aus Isolierstoff untergebracht;
c) die Permanentmagnete überragen an einer Seite den Rotorkern und bilden mit einer auf der in dem Zwischenteil des Gehäuses gelagerten Welle befestigten Scheibe mit Permanentmagneten eine magnetische Kupplung.
Hierbei ist eine im Kopfteil des Gehäuses gelagerte Werkzeughalterwelle vorzugsweise ausschließlich mittels einer oder mehrerer permanentmagr.etischer Scheibenkupplungen antriebsmäßig verbunden. Eine derartige magnetische Kupplung mit einer antreibenden Scheibe und einer angetriebenen Scheibe, die jeweils eine Anzahl N- und S-PoIe aufweisen, die abwechselnd entlang des Randes angeordnet sind, wobei die Achsen der beiden Scheiben einen bestimmten Winkel miteinander bilden, ist an sich bekannt durch die DE-OS 29 46 340.
Die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors hängt von der Umlaufgeschwindigkeit des Statorfeldes ab, weiche ihrerseits von der Frequenz der Versorgungsstromspannung bestimmt wird. Dessen Frequenz kann in bekannter Weise durch eine geeignete elektronische Motorkontrolleinrichtung gewählt sowie variiert werden.
Der Durchmesser des Rotors des erfindungsgemäßen Elektromotors ist sehr gering und gestattet daher sehr hohe Umdrehungsgeschwindigkeiten, wie sie denen von Turbinen entsprechen. Beispielsweise beträgt bei einer Versorgungsspannung mit einer Frequenz von 2000 Hz für eine Zweipol-Ausführung des Motors die Umdrehungszahl 12&000/Min.
Durch die Verwendung von magnetischen Kupplungen zum Übertragen des Rotordrehmomentes auf den Werkzeughalter werden mechanische Abnutzungserscheinungen vollständig vermieden. Des weiteren erübrigt sich die Wartung von Übersetzungsgetrieben usw.
Die Übertragungseinrichtung mit magnetischer Kupplung besteht aus mindestens einer Welle, die in den Lagern im Mittelteil des Gehäuses geführ· wird, und die an jedem ihrer Enden mindestens mit einem Paar von Permanentmagneten kleiner Abmessung versehen ist.
Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird der Werkzeughalter im Kopfstück des Gehäuses in Lagern gelagert und trägt zur Übertragung der Diehbewegung von der Welle der Übertragungseinrichtung eine Scheibe aus Kunststoff, weiche gleichmäßig auf ihrem Umfang verteilt kleine Permanentmagnete, die im Kunststoff eingebettet sind, aufweist.
Die Übertragungseinrichtung mit magnetischer Kupplung besteht aus mindestens einer von Lagern getragenen Welle, die im Mittelteil des Gehäuses untergebracht ist und an einem Ende mit dem Werkzeughalter über einer auf ihr angebrachten zweiten Scheibe, die auf ihrem Umfang gleichmäßig verteilt und in den Kunststoff eingebettet kleine Permanentmagnetstückc aufweist, magnetisch verkuppelt ist, wobei diese zweite Scheibe derart angeordnet ist, daß sie die erste Scheibe auf der Welle des Werkzeughalters magnetisch in Umdrehung versetzt. Diese Art der Kupplung ergibt einen automatischen Schutz gegen Überlast. Wird beispielsweise infolge des Festfressens des Werkzeuges die Scheibe auf der Werkzeughalterwelle blockiert, so kann sich die auf der Welle der Übertragungseinrichtung befindliche Scheibe dennoch frei drehen, ohne irgendeinen Schaden zu nehmen.
Die beiden Scheiben der magnetischen Kupplung und
die diese tragenden Wellen können zueinander in einem Winkel von 90° öder parallel zueinander oder in einem anderen Winkel zwischen 0 und 90° zueinander geneigt
ίο angeordnet sein.
Im letzteren Fall weist eine der mit Magneten versehenen Scheibe vorteilhafterweise einen konischen Teil auf, der der anderen Scheibe zugewandt ist.
Nach einer besonderen Ausgestaltungsform der Erfindung mit abgewinkeltem Gehäuse arbeitet die Welle der Übertragungsvorrichtung für den Werkzeughalter in gleicher Weise mit einer zweiten Übertragungswelle zusammen. Diese trägt an ihrem zweiten Ende eine zum Zusammenwirken mit der genannten zweiten Welle angeordnete dritte Kunststoffscheibe, die an ihrem Umfang gleichmäßig verteilt und in den Kunststoff der Scheibe eingebettet kleine Permanentmagnete aufweist, um so eine aus den beiden Scheiben bestehende Magnetkupplung zu bilden. Die genannte zweite Übertragungswelle trägt an ihrem einen Ende kleine Magnete, die im Zusammenwirken mit den Rotormagneten von der Rotorbewegung mitgenommen werden. Am anderen Ende der zweiten Welle befindet sich eine vierte Kunststoffscheibe, die ebenfalls auf ihrem Umfang, gleichmäßig verteilt und in den Kunststoff eingebettet, kleine Permanentmagnete trägt und die, wie beschrieben, zum Ausbilden einer weiteren Magnetkupplung dienen.
Weitere Merkmale und Vorzüge der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der Figuren.
F i g. 1 ist ein schematischer Axialschnitt einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Hancistücks; F i g. 2 ist eine vergrößerte Teilansicht der magnetisehen Kupplung;
Fig.3 ist ein schematischer Axialschnitt einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Handstücks.
Das in Fig. 1 dargestellte Handstück besteht aus einem äußeren Gehäuse, dessen hinterer Teil 16 einen größeren Durchmesser aufweist als das Mittelstück 19, und weiterhin aus einem Kopfteil 20. das sich an das Mittelstück anschließt und mit diesem verbunden ist. Das rückwärtige Ende von Teil 16 besteht aus einer metallischen Hülse aus magnetischem Material, in welchem sich der bürstenlose elektrische Motorantrieb, der hier nicht näher beschrieben ist, befindet
Der Elektromotor weist einen Rotor auf, der in ein hermetisch abgeschlossenes Gehäuse aus Kunststoff 10 eingeschlossen ist, das aus einem kapselartigen Teil 11 und einem Flanschteil 12 am hinteren Ende von 11 besteht. Die in Kunststoff 9 vergossenen Statorfeldspulen 13 befinden sich im Innern des äußeren Gehäuses 16. Die Feldwicklung des Stators 13 kann aus drei im Winkelabstand von -^- voneinander angeordneten Windungseinheiten bestehen, zu deren Versorgung Dreiphasenstrom veränderlicher Frequenz dient, dessen
Phasen um-τ-gegeneinander versetzt sind. Der Rotor
besteht aus einer Welle 4, die in den Lagern 3, 3' im Innern des Gehäuses 10 geführt wird und mit einem röhrenförmigen Teil 5 ausgestattet ist, das seinerseits
zwei Permanentmagnete 6, 6' mit entgegengesetzter Polarität trägt, deren koaxiale Oberflächen mit einer leitfähigen Metallschicht 8 versehenen sind.
Das Rotorgehäuse 10 enthält an seinem vorderen Ende einen eingezogenen Teil 17, der eine nach vorne offene Vertiefung 18 bildet. Die Permanentmagnete 6,6' sind im Innern des Gehäuses 10 derart angeordnet, daß sie mit ihrem Teil 17 bis in den von der Innenwandung des eingezogenen Gehäuseteils und der Außenwand des Rotorgehäuses 10 gebildeten Teil ragen, um so mit den auf der Scheibe 21 angeordneten Permanentmagneten 22, die sich diametral gegenüberstehend angeordnet sind, eine magnetische Kupplung zur Übertragung des Rotordrehmoments auf die Welle 23 bildet. Teil 21
10
spielsweise durch Blockieren des Werkzeugs, die Scheibe 27 blockiert wird, die Scheibe 25 frei beweglich bleibt und so mechanische Beschädigungen vermieden werden. Wird diese Art der magnetischen Kupplung verwendet, so kann auf eine mechanische Schutzvorrichtung im Handstück verzichtet werden.
In Fig.3 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der das Gehäuse des Handstücks abgewinkelt ist. Bei diesem Handstück ist das Kopfteil 20 nach Fig. 1 mit dem Werkzeughalter 29 identisch. Im Werkzeughalter 29 befindet sich eine Scheibe 27, die mit kleinen Magneten 28 ausgestattet ist, die ihrerseits mit den kleinen Magneten 26 der Scheibe 25 am Ende der Achse 23 zusammenwirken, um die Drehbewegung zu
reicht in die Öffnung 18, um so eine entsprechende ma- 15 übertragen. Der hintere Gehäuseteil 16 mit dem darin gnetische Kupplung sicherzustellen. Die Welle 23 wird enthaltenen Motor mit Kupplungseinrichtung
ihrerseits in zwei Lagern 24 üblicher Art geführt, die
sich im Mittelteil 19 des Handstücks befinden.
Am vorderen Ende der Welle 23 ist, beispielsweise durch Aufschrumpfen, eine Kunststoffscheibe 25 angebracht, die gleichmäßig über ihren Umfang verteilt und in den Kunststoff eingebettet kleine Magnete 26 aufweist. Im Kopfteil 20 des Handstücks wird die Werk-
20
zeughaltewelle 29 in üblicher Weise in den Lagern 30
ist in
F i g. 3 nicht dargestellt und ist praktisch identisch mit dem in F i g. 1. Da das Handstück nach der F i g. 3 abgeknickt ist, enthält es eine zusätzliche Welle 32 für die Übertragung der Drehbewegung von der Achse der Motorwelle auf die in einem Winkel dazu angeordnete Welle 23, die ihrerseits wieder die Werkzeughalterwelle 29 antreibt.
Die zusätzliche Welle 32 ist in den Lagern 33 im Zwi-
und 30' gelagert. Die Welle 29 trägt eine Scheibe 27, die 25 schenteil 31 des Gehäuses gelagert und trägt an ihrem ähnlich der Scheibe 25 eine Vielzahl von kleinen Magne- hinteren Ende (in F i g. 3 nicht dargestellt) die Scheibe ten 28, gleichmäßig über ihren Umfang verteilt und in 21 aus Fig. 1.
den Kunststoff eingebettet, aufweist. Die Scheibe 27 Die Welle 32 trägt an ihrem vorderen Ende eine
wird in ihrer Bewegung durch die magnetische Kupp- Kunststoffscheibe 34, die analog zu den Scheiben 25 und lung von der Scheibe 25 in Umdrehung versetzt. Die 30 27 gleichmäßig über ihren Umfang verteilte und in den Magnete 26,28 jeder der Scheiben liefern die notwendi- Kunststoff eingebettete Permanentmagnete kleiner Abgen Kräfte, um diese Umdrehung zu gewährleisten.
F i g. 2 stellt in perspektivischer Ansicht die Scheiben 25 und 27 mit den Magneten 26 und 28 der Magnetkupplung dar. Zur Erläuterung der Funktionsweise wird davon ausgegangen, daß die Scheiben je zwei benachbarte Magnete 26a und 26b und 28a und 286 und so weiter aufweisen. Dreht sich die Scheibe 25 entgegen
35
dem Uhrzeigersinn, so wird der Magnet 26a mit dem
messung 35 aufweist. Die Scheibe 34 stellt zusammen mit der Scheibe 36, die ähnlich ausgeführt ist wie die Scheibe 25, 27 und 34 und am hinteren Ende der Welle 23 befestigt ist, eine magnetische Kupplung dar. Die Scheiben 34 und 36 sind gegeneinander geneigt. In diesem Fall ist es vorteilhaft daß eine der beiden Scheiben einen konischen Teil 38 aufweist, wodurch erreicht wird, daß im Bereich der größten Annäherung beider Schei-
Magneten 28a zusammenwirken, so daß die Scheibe 27 40 ben aneinander die Magnete einander zugewandte, paim Uhrzeigersinn in Umdrehung versetzt wird und sich rallele Flächen aufweisen.
der Magnet 26b dem Magnet 2Sb nähen und so weiter. Die Handstücke nach der vorliegenden Erfindung
Da die beiden Scheiben 25 und 27 die gleiche Anzahl können, falls erforderlich, eine Mehrzahl von Knicken von Permanentmagneten aufweisen und den gleichen aufweisen und haben dann mehr als zwei Übertragungs-Durchmesser haben, werden beide Scheiben mit glei- 45 wellen 23,32, die zueinander geneigt sind und miteinancher Geschwindigkeit rotieren. Es ist natürlich möglich, der in magnetischem Eingriff stehen. Die Art der Kuppauf jeder Scheibe eine unterschiedliche Anzahl von Ma- lung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Wellen ergneten anzubringen, um so eine Änderung der Ge- folgt in der zuvor beschriebenen Weise mit Hilfe von schwindigkeit zu erzielen. Es ist lediglich erforderlich. Scheiben, die eine Vielzahl von gleichmäßig auf ihrem daß die Magnete in gleichmäßigem Abstand auf dem 50 Umfang verteilten und in den Kunststoff der Scheiben Umfang jeder Scheibe angeordnet sind. eingebetteten Permanenten aufweisen, um so einen der
In den F1 g. 1 und 2 sind die Scheiben 25 und 27 darge- Vorzüge der vorliegenden Erfindung vollständig zu reastellt, die in einem Winkel von 90° zueinander angeord- lisieren, der im automatischen Schutz vor mechanischer net sind, wobei die Magnete 26, die sich auf der Fnntflä- Überlastung und der weitgehenden Vermeidung von ehe der Scheibe befinden, mit den Magnetflächen der 55 Abnutzungen der Übertragungseinrichtungen, der Magnete 28, die sich auf dem Umfang der Scheibe 27 Möglicht einer Dauerschmierung der Lager und der
leichten Auswechselbarkeit des eingeschlossenen Rotors des Motors als ganzes, besteht
befinden, zusammenwirken. Die gleiche Art der magnetischen Kupplung kann für Achsen verwendet werden, die parallel oder in einem Winkel zueinander angeordnet sind, wobei lediglich sicherzustellen ist daß die Magnete der beiden Scheiben miteinander in Wechselwirkung treten können. Um die magnetische Kupplung der beiden Scheiben 25 und 27, wenn diese zueinander geneigt sind, zu erleichtern, kann eine der Scheiben auf ihrer der anderen Scheibe gegenüberliegenden Seite konisch geformt sein.
Als besonders vorteilhaft ergibt sich bei derartigen Anordnungen, daß, falls aus irgendeinem Grund, bei-
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1 2 Die vorliegende Erfindung betrifft einen in einem Patentansprüche: Handstück untergebrachten motorischen Antrieb mit einem frequenzgesteuerten, bürstenlosen Elektromotor
1. In einem Handstück untergebrachter motori- mit mehrphasiger Ständerwicklung zum Antrieb kleiner scher Antrieb mit einem frequenzgesteuerten, bür- 5 rotierender Werkzeuge bei sehr hohen Drehzahlen, bestenlosen Elektromotor mit mehrphasiger Ständer- stehend aus einem in seinem hinteren Teil den Elektrowicklung zum Antrieb kleiner rotierender Werkzeu- motor aufnehmenden Gehäuse, einem konischen Zwige bei sehr hohen Drehzahlen, bestehend aus einem schenteil und einem sich hieran anschließenden vordein seinem hinteren Teil den Elektromotor aufneh- ren Teil mit verringertem Durchmesser zur Aufnahme menden Gehäuse, einem konischen Zwischenteil und to der Übertragungselemente für den im anschließenden einem sich hieran anschließenden vorderen Teil mit Kopfteil gelagerten Werkzeughalter,
verringertem Durchmesser zur Aufnahme der Über- Antriebe dieser Art werden insbesondere in der zahntragungselemente für den im anschließenden Kopf- ärztlichen Chirurgie verwendet
teil gelagerten Werkzeughalter, gekennzeich- Für den Antrieb kleiner rotierender Werkzeuge sind
netdurchdie Kombination folgender Merkmale: 15 verschiedene Einrichtungen, insbesondere Turbinen
und Elektromotoren bekannt.
a) im hinteren Teil (16) des Gehäuses (16,19,20) ist Turbinen gestatten hohe Arbeitsgeschwindigkeiten in ein permanentmagneterregter Synchronmotor der Größenordnung von 100 000 U/min und mehr, haintegriert; benaoer De> derartigen Geschwindigkeiten nur ein rela-
b) der Rotor (5) weist zwei Permanentmagnete (6, 20 tiv schwaches Drehmoment Außerdem entwickeln sie 6') mit koaxialen, mit einer leitfähigen Metall- einen sehr hohen Geräuschpegel, was sowohl für den schicht (8) versehenen Oberflächen auf und ist Patienten als auch den Behandelnden eine große BeIain einem hermetisch abgeschlossenen Gehäuse stung darstellt Übliche elektrische Motoren liefern ein (10) aus Isolierstoff untergebracht; außerordentlich hohes Drehmoment, jedoch bei gerin-
c) die Permanentmagnete überragen an einer Sei- 25 geren Geschwindigkeiten bis etwa 40 000 U/min.
te (7) den Rotorkern (5) und bilden mit einer auf Ein in einem Handstück untergebrachter motorischer
der in denfcZwischenteil (19) des Gehäuses gela- Antrieb mit einem frequenzgesteuerten bürstenlosen
gerten Welle (23, 24, 24') befestigten Scheibe Elektromotor der eingangs genannten Art ist aus dem
(21) mit Permanentmagneten (22) eine magneti- DE-GM 18 49 777 bekannt. Dieser Motor ist jedoch nur
sehe Kupplung. 30 für Drehzahlen von 7000 U/min und 24 000 U/min ausgebildet. Das Handstück für einen derartigen Motor
2. Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich- muß deshalb eine Übersetzung zur Vervielfachung der net, daß eine im Kopfteil des Gehäuses (20) gelager- Geschwindigkeit enthal ten. Derartige mechanische Gete Werkzeughalterwelle (29) ausschließlich mittels triebe sind außerordentlich empfindlich gegen Überlaeiner oder mehrerer permanentmagnetischer Schei- 35 stung und erfordern tägliches Schmieren der Lager, benkupplungen antriebsmäßig verbunden ist Weiterhin ist der bekannte Antrieb mit einer Kühlvor-
3. Antrieb nach Anspruch.?., dadurch gekennzeich- richtung für den Elektromotor versehen, die mit Drucknet, daß die Werkzeughalterwelle (29) eine Scheibe luft arbeitet und die mit der Druckluftversorgung für (27) aus plastischem Material trägt, die gleichmäßig eine Wasserdüse am Handstück verbunden ist. Bei anüber ihren äußeren Umfang verteilt, in Kunststoff 40 deren bekannten Antrieben sind die Motoren so ausgeeingebettet, Permanentmagnete (28) aufweist, die bildet daß durch ihren Innenraum Wasser zur Kühlung zusammen mit einer am Ende der Welle (23) ange- des Werkzeuges zugeführt werden kann. Dies bedingt brachten gleichartigen Scheibe (25) mit Permanent- Probleme, wie sie immer dann auftreten, wenn Wasser magneten (26) eine magnetische Kupplung bildet. und Elektrizität gleichmäßig verwendet werden müssen,
4. Antrieb nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch 45 wobei erschwerend hinzukommt, daß insbesondere für gekennzeichnet, daß das Gehäuse eine gewinkelte die Umgebung der Bürsten ein hermetischer Abschluß Form aufweist, und daß die Welle (23) am von der nur schwer erreicht werden kann.
Werkzeughalterwelle (29) abgewendeten Ende mit Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die geeiner weiteren Scheibe (36, F i g. 3) mit Permanent- schilderten Nachteile zu vermeiden und die hohen Ummagneten (37, F i g. 3) versehen ist, die mit einer an 50 drehungsgeschwindigkeiten, wie sie bisher nur mit Tureiner Zwischenübertragungswelle (32, F i g. 3) befe- binen erreicht werden konnten, vermittels eines elektristigten Scheibe (34, F i g. 3) aus plastischem Material sehen Motors zu erzielen, wobei der besondere Vorzug mit Permanentmagneten (35, F i g. 3) eine weitere gegenüber Turbinen das wesentlich höhere Drehmomagnetische Kupplung bildet. ment des Elektromotors bei höheren Umdrehungszah-
5. Antrieb nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch 55 len ist.
gekennzeichnet, daß die Scheiben (25,27 bzw. 34,36) Noch ein weiterer Grundgedanke der vorliegenden
in einem Winkel zueinander angeordnet sind. Erfindung ist eine wesentliche Verbesserung der elektri-
6. Antrieb nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich- sehen Isolation, um so eine erhöhte Sicherheit beim Genet, daß wenigstens eine der Scheiben (25, 27 bzw. brauch des Handstückes; zu erzielen.
34,36) mit einem konischen Teil (38) ausgestattet ist 60 Ein anderer Vorzug der erfindungsgemäßen Vorrich-
bzw. sind, wobei im Bereich größter Annäherung tung besteht darin, daß eine Überlastung der mechani-
zweier zugehöriger Scheiben die jeweils einander sehen Übertragungselemente absolut ausgeschlossen
gegenüberstehenden Permanentmagnete einander ist, so daß sich Vorrichtungen zu deren Schutz eriibri-
zugeordnete, parallele Flächen aufweisen. gen.
b5 Nach der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe
bei dem anfangs genannten, in einem Handstück untergebrachten motorischen Antrieb mit einem frequenzgesteuerten, bürstenlosen Elektromotor gelöst durch die
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