FI128694B

FI128694B - Kompakt elektrisk slipmaskin

Info

Publication number: FI128694B
Application number: FI20185577A
Authority: FI
Inventors: Caj Nordström
Original assignee: Mirka Oy
Priority date: 2007-03-21
Filing date: 2007-08-22
Publication date: 2020-10-15
Also published as: CN101636245A; US20090239453A1; FI20075183A; US20080233848A1; FI20185577A; FI20175728A; CN101636245B; FI126995B; FI20075183A0; US7699687B2

Abstract

Keksintö liittyy erityisesti kompaktiin hiomakoneeseen, joka käsittää ulkovaipan (1), työkaluakselin (2) ja harjattoman sähköisen käyttömoottorin. Esillä olevassa keksinnössä käyttömoottorin roottori on kiinnitetty hiomakoneen työkaluakseliin (2) ja staattori on ulkovaipassa (1). Esillä oleva keksintö liittyy myös sähköisen hiomakoneen ohjausmenetelmään.

Description

Kompakt elektrisk slipmaskin Tekniskt område Föreliggande uppfinning avser en elektrisk handhållen slipmaskin med ett yttre hölje och en verktygsaxel, kännetecknad av att den har en borst- los elmotor utan egen axel monterad så att rotorn är fäst pä verktygsaxeln och statorn ligger i ytterhöljet och på detta sätt bildar en kompakt slipmaskin. Den kompakta konstruktionen möjliggör ett användningssätt och en anordning i form av ett skaft som kan fästas på slipmaskinen för att få ett bekvämt två- handsgrepp och en förlängd räckvidd för maskinen.

Äldre teknik Elektriska slipmaskiner av samma slag är tidigare kända från t.ex. US patentskriften 0245182. I denna har man försökt göra en förhållandevis kompakt och låg slipmaskin genom att använda en borstlös motor och att göra förhällandet mellan motorns diameter och motorns höjd stort. Nackdelen med denna lösning är att motorns diameter ofrånkomligt blir stor och därför också svår att greppa med en hand. Ytterligare eftersom diametern är stor blir det ofördelaktigt att göra en hermetisk motor med kylning endast på utsidan. Detta är mycket ofördelaktigt då luften där slipmaskinen används oftast är fylld av dammpartiklar som kan både vara elektriskt ledande och slipande till sin karak- tär.

För att elektriska slipmaskiner tidigare har varit sä stora och tunga har man varit tvungen att ha speciella slipmaskiner vid t.ex. vaggslipning. Ma- skiner av detta slag är tidigare kända frän t.ex. US patentskriften 5239783 eller = 25 EP0727281. | dessa patent har man gjort en slipmaskin för väggar genom att N flytta motorn till skaftets bortre ända och genom att t.ex. använda en vajer för S att överföra kraften till sliphuvudet. På detta sätt har man fått maskinen i ba- N lans, men detta gör även att maskinen blir dyr och svår att tillverka. = Inom EU och många andra marknader finns bestämmelser för hur N 30 mycket störningar som får genereras till nätet. Inom EU gäller standarden 5 EN61000-3-2 med tillägget (amendment) A14. Om man pä enklaste sätt gör en o switchad styrenhet genom att likrikta nätspänningen enligt fig. 5 och därefter N ha en sä stor kondensator att den efterföljande styrningen kontinuerligt kan ta ström tills följande puls kommer, fäs mycket höga harmoniska komponenter som stör elnätet.

Det finns två vedertagna sätt att lösa detta problem: Ett passivt sätt genom att filtrera strömmen och spänningen med induktanser och kondensato- rer och ett aktivt. Det passiva sättet är utrymmeskrävande och behöver stor volym och vikt. Det aktiva fungerar så att spänningen först switchas med den kända ”step-up” topologin enligt fig. 6 sä att förhållandet mellan inström och inspänning motsvarar en resistiv last. Utspänningen är alltid högre än toppvär- det för ingångsspänningen. Nackdelen med det aktiva är att strömmen går ge- nom en extra induktans L1 och dessutom switchas en gång mera, för efter ef- fektkorrigeringen följer alltid en switchad styrenhet.

Problemställning Föreliggande uppfinning har till ändamål att avhjälpa ovannämnda olägenheter. Slipmaskinen enligt uppfinningen är kännetecknad av att den har en elektrisk drivmotor som är borstlös och utan egen axel monterad så att ro- torn är fäst pä verktygsaxeln och statorn ligger i ytterhöljet. En pä detta sätt konstruerad slipmaskin har en kompakt konstruktion som möjliggör att slipma- skinen kan greppas ergonomiskt med en hand. Samtidigt möjliggör uppfin- ningen en hermetisk konstruktion där kylluften passerar endast pä utsidan av statorn och som dä är mycket okänslig för orenheter i kylluften. Eftersom slip- maskinen även har en låg profil är kontrollen över maskinens slipegenskaper god. Den använda motortypen i uppfinningen är den s.k. BLDC (Brushless Direct Current - borstlösa direktkommuterade) motorn. Motorn har p.g.a. de nya NdFeB magneternas starka magnetfält hög effekt per volym och hög verkningsgrad. Dessa egenskaper har gjort det möjligt att göra motorn = tillräckligt liten för att möjliggöra denna uppfinning. En fördelaktig lösning är att > använda en spaltlös (slotless) version av BLDC motorn. Den spaltlösa motorn <Q har mindre järnförluster och fördelaktigare pris da järnkärnan av laminerings- N plattor (lamination stack) har enklare form och lindningen är enklare att utföra. E 30 Kylluften generas av en fläkt som är monterad pä verktygsaxeln och N fördelaktigt kan integreras i samma höjdled som verktygsaxelns balansvikter. 5 Samma kylluft som kyler motorn kyler forst styrenheten. 2 Då slipmaskinen pä grund av den föreliggande uppfinningen blir N mycket lättare och kompaktare än hittills kända elektriska slipmaskiner har det även blivit helt onödigt med speciella slipmaskiner ämnade för väggslipning. Tidigare har man varit tvungen att göra sliphuvudet lättare genom att flytta mo-

torn till skaftets andra ända, men med påföljden att en transmission med vajer eller axlar behövs. Föreliggande slipmaskin kan fästas i ändan av ett skaft så att den är fritt rörlig i en eller två flexibla leder. Eftersom slipmaskinen är så lätt blir den ändå lika lätt att hantera som speciella väggslipmaskiner som har komplicerad och dyr transmission. Om dammutsug behövs är det fördelaktigt att leda utsuget i ett ihåligt skaft. Styrning av motorn görs elektroniskt för att kunna variera varvtalet. Styrenheten är gjord så att varvtalet vid drift hålls på en bestämd nivå obero- ende av maskinens belastning. Styrenheten kan fördelaktigt placeras i anslut- ning till slipmaskinen. En fördelaktig lösning är att använda en sensorlös styr- ning d.v.s. en styrning utan givare för att bestämma rotorns position vid den elektroniska kommuteringen. Den sensorlösa styrningen utnyttjar vanligen den spänning som genereras pä den fas som inte är strömförande för att be- stämma rotorns position.

Rotorns position vid den elektroniska kommuteringen kan också be- stämt sig från strömmarna som uppstår i de olika faserna eller förhållandet mellan ström och spänning i faserna.

Då styrningen är sensorlös blir motorn mycket mera kompakt, för sensorerna, oftast Hall sensorer, gör motorn avsevärt längre.

Den nya fördelaktiga lösningen för en switchad styrenhet är att mo- torn dimensioneras så att motorns nominella spänning är lägre än toppvärdet av den likriktade nätspänningen. När ström förbrukas under den del av cykeln som spänningen är högre än motorns nominella spänning och ingen ström för- brukas när spänningen är lägre än motorns nominella spänning, fås olika grad av effektkorrigering beroende på hur mycket lägre den nominella spänningen © ar. Om tiden da strommen motsvarar en optimerad last i forhallande till hela D cykeln är tillräckligt läng kommer de harmoniska komponenterna som genere- > ras tillbaka till elnätet att vara inom tillåtna värden. Då man likriktar 230 V nät- 7 spanning fas 325V toppvärde. Om motorns nominella spanning ar t.ex. 200 V N 30 går det ström pä ca 60 % av tiden. Strömmen formas sä att ingen ström flyter E dä den likriktade nätspänningen är lika som den nominella spänningen och N ökar linjärt sä att strömmen är 10 A dä spänningen är 325V. Detta ger en nyt- O toeffekt pä ca 1100W. Den tredje harmoniska strömkomponenten blir dä 2.4A = vilket är inom den tillätna gränsen för ett portabelt handverktyg. De Övriga N 35 harmoniska komponenterna har också tillåtna värden. Eftersom motorns lind-

ningar formar en spole med en egeninduktans L1, kan den switchade styren- heten även göras fördelaktigt utan externa induktanser. Sammanställning över ritningsfigurer Uppfinningen beskrivs noggrannare i det följande med hänvisning till bifogade ritningar, där figur 1 visar en bild av slipmaskinen ovanifrån, figur 2 visar en bild av slipmaskinen från sidan, figur 3 visar en genomskärning längs linjen A-A, figur 4 visar en genomskärning längs linjen B-B, figur 5 visar en el-ritning av prior art styrning, figur 6 visar en prior art effektkorrigering, figur 7 visar en första utföringsform av ny motorstyrning, och figur 8 visar en andra utföringsform av motorstyrningen.

Föredragna utföringsformer Den i figurerna 1 till 4 visade slipmaskinen består av ett hölje 1 som innesluter motorns alla delar. Motorn består av stator 6 inklusive skal med kyl- flänsar 12 och rotor 7. Dessa delar är integrerade med de delar som håller på plats verktygsaxel 2, lagerhus i båda ändarna 4, 11 och lager 10, pä så sätt att rotorn 7 är fäst på verktygsaxeln 2. Statorns 6 skal och kylflänsar utformas så att det uppkommer en luftspalt avgränsad av skalet, slipmaskinens hölje och kylflänsarna. Slipplattan 3 är fritt roterbart fastsatt via excenter lager 8 i verk- tygsaxeln 2. Fläkten 9 som är fastsatt på verktygsaxeln 2 fördelaktigt på samma höjd som balansvikterna suger in luft genom hålen 14. Luften kyler = styrenheten 15 och sedan motorn via kylflänsarna 12. Luften blåses ut genom > hälen 5. Kjolen 16 samlar upp slipdammet som sugs ut genom slipplattan 3 <Q och vidare ut genom utsugsroret 17. Brytaren 13 ar i förbindelse med styren- N heten och sköter ergonomiskt av- och påslag. En mjuk del 18 runt skalet gör E 30 maskinen greppvänlig. | en annan utföringsform är inte plattan fritt roterande N utan plattan är roterande med eller utan excentrisk rörelse genom förbindelse 5 till verktygsaxeln 2. 2 | en annan utföringsform sköter dammutsuget även kylningen av N motorn sä att en del av luften sugs via motorn och kylflänsarna och pä sä sätt kyler motorn utan separat fläkt.

Funktionen av styrenhetens effektkorrigering i en första utförings- form beskrivs i figur 7. Nätspänningen likriktas och den efterföljande kondensa- torn C2 är så liten att spänningen följer den likriktade spänningen.

Motorn di- mensioneras så att motorns nominella spänning är så mycket lägre än topp- 5 värdet av den likriktade nätspänningen i förhållande till effektbehovet att effekt- korrigering fås när ström förbrukas under den del av cykeln som spänningen är högre än motorns nominella spänning och ingen ström förbrukas när spän- ningen är lägre än motorns nominella spänning.

Styrenheten använder den välkända ”step-down” topologin på så sätt att förhållandet mellan ström och spänning är optimerad så att minsta möjliga harmoniska komponenter genere- ras och därigenom också bästa möjliga effektkorrigering erhålles på den delen av cykeln som spänningen är högre än motorns nominella spänning.

Om spänningen är lägre än den nominella tas ingen effekt till motorn.

Om tiden då strömmen motsvarar optimal last i förhållande till hela cykeln är tillräckligt lång i förhällande till effektbehovet, kommer de harmoniska komponenterna som ge- nereras tillbaka till elnätet att vara inom tillåtna värden.

Om motorns egen in- duktans L1 är tillräckligt stor, kan styrenheten göras fördelaktigt utan externa induktanser.

Motorn i figur 7 har förenklats så att endast en switch SW1 har ritats ut.

I praktiken görs direkt en elektroniskt kommuterad 3-fas styrning för motorn.

Om den effektkorrigering som fås inte är tillräcklig kan funktionen yt- terligare förbättras enligt utföringsformen i figur 8. Här har en extern induktans L1 och en extra switch enligt ”step-up” topologi infogats för att även göra ef- fektkorrigering under den tiden som spänningen är lägre än motorns nominella spanning.

Kopplingen är ändå fördelaktig eftersom strömmen och spänningen © ar lägre an om effektkorrigering måste göras under hela cykeln.

Framför allt S kan värdet pä den externa induktansen L1 vara lägre dä spänningen är lägre > da switchningen utförs. 7 Beskrivningen ovan samt dari anförda figurer ar endast ämnade att N 30 åskådliggöra en föreliggande lösning till konstruktion av en slipmaskin.

E Sålunda är lösningen ej begränsad endast till den ovan eller i de bifogade pa- N tentkraven beskrivna utföringsformen, utan ett flertal variationer eller alterna- 2 tiva utföringsformer är möjliga inom den idé som beskrivs i de bifogade patent- = kraven.

Claims

Patentkrav

1. En handhållen slipmaskin som omfattar: ett yttre hölje (1), en verktygsaxel (2), en borstlös elektrisk drivmotor, en styrenhet (15) att styra motorn, och en i det yttre höljet placerad stator (6), kännetecknad av, att verktygsaxeln (2) uppvisar en därtill excentriskt arrangerad slipp- latta (3), och drivmotorn utan egen axel uppvisar en rotor (7) fäst på verktygsax- eln, vilken verktygsaxel är integrerad i drivmotorns rotor.

2. En slipmaskin enligt patentkrav 1, kännetecknad av, att den borstlösa motorn är spaltlös.

3. En slipmaskin enligt patentkrav 1 eller 2 kännetecknad av, att slipplattan (3) är excentriskt fritt roterande monterad pä verktygsaxeln (2).

4. En slipmaskin enligt nägot av patentkraven 1 — 3, känne- tecknad av, att motorns styrenhet är arrangerad sä att varvtalet är konstant oberoende av belastning. > 25

5. En slipmaskin enligt patentkrav 4 kännetecknad av, att S motorn styrs av en sensorlös styrenhet sä att rotorns position vid den elektro- N niska kommuteringen bestäms av den sensorlösa styrenheten genom den = spänning som genereras pä den fas som inte är strömförande. E 30

6. En slipmaskin enligt något av patentkraven 1 — 5, där nätspän- N ningen likriktas och den efterföljande kondensatorn (C2) är sälunda vald att 5 under användning ar spänningen anordnad att följa den likriktade nätspän- = ningen och därigenom förbrukas ström från nätet under den tid spänningen är N belastad, varvid motorn är sålunda dimensionerad att motorns nominella spanning är lägre än toppvärdet av den likriktade nätspänningen i förhållande till effektbehovet, sa att en effektkorrigering erhålles nar ström förbrukas under den del av cykeln som spänningen ar högre an motorns nominella spanning medan ingen ström förbrukas när spänningen ar lägre än motorns nominella spänning.

7. En slipmaskin enligt patentkrav 6 kännetecknad av, att for att minimera en generering av harmoniska komponenter är förhållandet mellan ström och spänning arrangerat att optimeras genom användning av ”step- down” topologi på den delen av cykeln som spänningen är högre än motorns nominella spänning.

8. En slipmaskin enligt patentkrav 6 eller 7 kännetecknad av, att det switchade nätaggregatet använder endast motorns egen induktans (Fig.7: L1) som induktiv komponent vid switchningen.

9. En slipmaskin enligt något av patentkraven 1 — 8 vari en extern induktans (Fig. 8: L1) och en extra switch enligt “step-up” topologi infogats för att göra effektkorrigering under den tiden som spänningen är lägre än motorns nominella spänning.

10. En slipmaskin enligt nägot tidigare patentkrav, känneteck- nad av, att motorn är arrangerad att kylas av en fläkt (9) fastsatt pä verktygs- axeln (2).

11. En slipmaskin enligt något tidigare patentkrav, känneteck- o nad av, att kylluften kyler motorns stator (6) genom att strömma genom den > spalt som uppstär mellan ytterhöljets (1) insida och statorns (6) utsida. 8 o

12. En slipmaskin enligt nägot tidiga patentkrav, känneteck- T 30 nad av, att statorn (6) är utformad sä att den samtidigt är slipmaskinens E: hölje.

R 3

13. En slipmaskin enligt patentkrav 12, kännetecknad av, att = statorn (6) har inbyggda kylkanaler. N 35

14. En slipmaskin enligt något tidigare patentkrav, känneteck- nad av, att slipmaskinen uppvisar en hermetisk konstruktion där kylluften passerar endast på utsidan av statorn (6).

15. En slipmaskin enligt något av patentkraven 7 - 9, känne- tecknad av, att effektkorrigering görs även under den tiden som den likrik- tade spänningen är lägre än motorns nominella spänning.

oO

O

N

LÖ <Q

O

I a a

NM

N

LO

LO 00

O

N