LU88568A1 - Electric drive unit for small electrical appliances - Google Patents
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Description
ELEKTRISCHE ANTRIEBSEINHEIT FÜR ELEKTROKLEINGERÄTEELECTRICAL DRIVE UNIT FOR ELECTRICAL SMALL DEVICES
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Antriebseinheit für Elektrokleingeräte. Sie betrifft insbesonders eine elektrische Antriebseinheit für den Einsatz in Elektrokleingeräten mit Netzanschluß, wie zum Beispiel kleine Bohr-, Fräs-, Gravier-, Trenn- oder Schleifgeräte.The present invention relates to an electrical drive unit for small electrical appliances. It relates in particular to an electrical drive unit for use in small electrical appliances with a mains connection, such as small drilling, milling, engraving, cutting or grinding devices.
Elektrokleingeräte dieser Art weisen meistens keine Schutzerdung auf, sondern die Bauteile die unter Netzspannung stehen sind in einem isolierenden Gehäuse untergebracht. Als weitere Schutzmaßnahme gegen zu hohe Berührungsspannungen ist meistens eine Schutzisolierung vorgeschrieben. Das heißt, daß zusätzlich zu den Bauteilen die unter Netzspannung stehen, auch sämtliche zugänglichen Metallteile die im Fehlerfall Spannung führen könnten schutzisoliert sein müssen, so daß auch der Austritt einer Fehlerspannung aus dem isolierenden Gehäuse verhindert wird. Dies trifft zum Beispiel für eine aus dem Gehäuse herausgeführte Antriebsspindel zu, welche meistens aus Stahl gefertigt ist und im Gehäuse über eine ebenfalls stählerne Welle eines Elektromotors im Fehlerfall unter Spannung gesetzt werden könnte.Small electrical devices of this type usually have no protective grounding, but the components that are under mains voltage are housed in an insulating housing. Protective insulation is usually prescribed as a further protective measure against excessive contact voltages. This means that in addition to the components that are under mains voltage, all accessible metal parts that could carry voltage in the event of a fault must also be protected, so that the leakage of a fault voltage from the insulating housing is prevented. This applies, for example, to a drive spindle led out of the housing, which is usually made of steel and could be energized in the housing via a steel shaft of an electric motor, which is also steel.
Für Geräte der vorgenannten Art, mit Netzanschluß und ohne Schutzerdung, ist deshalb vorgeschrieben, die Antriebsspindel von der Motorwelle elektrisch zu isolieren. Bei Gerâten mit Zahnradgetriebe zwischen Motorwelle und Antriebsspindel wird diese Isolierung relativ leicht dadurch erreicht, daß in das Getriebe mindestens ein nicht leitendes Zahnrad eingebaut wird. Bei Gerâten mit direkter Kupplung zwischen Motorwelle und Antriebswelle wâre es denkbar bekannte elastische Kupplungen einzusetzen. Ein Elastomerteil das in die Kupplung integriert ist, hat dann mindestens drei Aufgaben zu erfüllen: 1. Übertragung des Drehmomentes; 2. Kompensierung unvermeidbarer Fluchtungsfehler zwischen der zweifach gelagerten Antriebsspindel und der starr gelageden Motorwelle; 3. Isolation der stählernen Antriebsspindel von der ebenfalls stählernen Motorwelle.For devices of the aforementioned type, with mains connection and without protective earthing, it is therefore mandatory to electrically isolate the drive spindle from the motor shaft. In devices with a gear transmission between the motor shaft and the drive spindle, this insulation is achieved relatively easily by installing at least one non-conductive gear in the transmission. In devices with a direct coupling between the motor shaft and the drive shaft, it would be conceivable to use known elastic couplings. An elastomer part that is integrated in the coupling then has to fulfill at least three tasks: 1. transmission of the torque; 2. compensation of unavoidable misalignments between the double-bearing drive spindle and the rigidly mounted motor shaft; 3. Isolation of the steel drive spindle from the likewise steel motor shaft.
Für den Einsatz in Kleingerâten mit hoher Drehzahl (5.000 bis 20.000 Umdrehungen pro Minute) sind beide Lösungen jedoch schlecht geeignet. Eine Lösung mit Zahnradgetriebe hat in der Tat einen hohen Raumbedarf, verteuert das Elektrokleingerät unnötig und weist bei hohen Drehzahlen eine starke Geräuschentwicklung auf. Eine Lösung mit elastischer Kupplung erzeugt ebenfalls eine starke Geräuschentwicklung. Zudem sind die bekannten elastischen Kupplungen bei kleineren Nennweiten wenig geeignet urn größere Drehmomente zu übertragen.However, both solutions are poorly suited for use in small devices with high speed (5,000 to 20,000 revolutions per minute). A solution with a gear transmission takes up a lot of space, makes the small electrical device unnecessarily expensive and has a lot of noise at high speeds. A solution with an elastic coupling also generates a lot of noise. In addition, the known flexible couplings with smaller nominal widths are not very suitable for transmitting larger torques.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache, kompakte elektrische Antriebseinheit für Elektrokleingeräte zu schaffen, bei welcher die Antriebsspindel elektrisch von der Motorwelle getrennt ist, und die Antriebseinheit sich bei hohen Drehzahlen durch eine relativ hohe Laufruhe auszeichnet.The present invention has for its object to provide a simple, compact electric drive unit for small electrical appliances, in which the drive spindle is electrically isolated from the motor shaft, and the drive unit is characterized by a relatively high smoothness at high speeds.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Antriebseinheit nach Anspruch 1 gelost.This object is achieved by a drive unit according to claim 1.
Erfindungsgemäß ist ein elektrisch isolierendes starres Kupplungsteil, zum Beispiel aus Kunststoff, starr mit der Antriebsspindel verbunden. Erste Zentriermittel an der Motorwelle und zweite Zentriermittel an dem Kupplungsteil sind hierbei derart gestaltet, daß sie paßgenau zum fluchtenden Zentrieren der Antriebsspindel in Verlängerung der Motorwelle zusammenwirken und gleichzeitig die Übertragung radialer Kräfte zwischen Motorwelle und Kupplungsteil spielfrei gewährleisten. Eines der beiden Lager der Antriebsspindel wird demnach durch den Elektromotor ausgebildet. Die Übertragung des Drehmomentes zwischen Motorwelle und Kupplungsteil erfolgt erfindungsgemäß durch separate Kupplungsmittel, wobei diese Kupplungsmittel derart gestaltet sind, daß sie zwar das Drehmoment, jedoch kei ne wesentlichen radialen Kräfte zwischen Motorwelle und Kupplungsteil übertragen. In anderen Worten, die erfindungsgemäßen Kupplungsmittel üben keine Führungsfunktion in Bezug auf die Antriebsspindel aus.According to the invention, an electrically insulating rigid coupling part, for example made of plastic, is rigidly connected to the drive spindle. The first centering means on the motor shaft and the second centering means on the coupling part are designed in such a way that they interact in a precisely fitting manner for centering the drive spindle in alignment with the motor shaft and at the same time ensure the transmission of radial forces between the motor shaft and the coupling part without play. One of the two bearings of the drive spindle is accordingly formed by the electric motor. The transmission of the torque between the motor shaft and coupling part is carried out according to the invention by separate coupling means, these coupling means being designed such that, although they transmit the torque, they do not transmit any essential radial forces between the motor shaft and coupling part. In other words, the coupling means according to the invention do not perform a guiding function with respect to the drive spindle.
Die erfindungsgemäße Antriebseinheit ist nicht nur kompakt und sehr einfach im Aufbau, sondern weist zugleich eine ausgezeichnete Laufruhe auf. Diese hohe Laufruhe wird vor allem durch die vereinfachte Lagerung der Antriebsspindel und durch die funktionelle Trennung der Mittel für die Zentrierung und Übertragung der radialen Lagerkräfte von den Mitteln für die Übertragung des Drehmomentes erreicht.The drive unit according to the invention is not only compact and very simple in construction, but also has excellent running smoothness. This smooth running is achieved above all by the simplified mounting of the drive spindle and by the functional separation of the means for centering and transmitting the radial bearing forces from the means for transmitting the torque.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfassen die ersten Zentriermittel einen axialen Zentrierzapfen an der Motorwelle und die zweiten Zentriermittel eine Zentrierbohrung in dem isolierenden Kupplungsteil. Diese Zentrierbohrung ist achsgenau fluchtend in der Achse der starr mit dem Kupplungsteil verbundenen Antriebsspindel zentriert, und der axiale Zentrierzapfen der Motorwelle ist führungsgenau in die Zentrierbohrung des Kupplungsteils eingepaßt.In a preferred embodiment, the first centering means comprise an axial centering pin on the motor shaft and the second centering means comprises a centering hole in the insulating coupling part. This centering hole is centered in line with the axis of the drive spindle rigidly connected to the coupling part, and the axial centering pin of the motor shaft is fitted in the centering hole of the coupling part with precise guidance.
Das Kupplungsteil kann aus einem starren, gegebenenfalls glasfaserverstärkten, Kunststoffzylinder bestehen, der vorteilhaft einen einseitigen Metall- Oder Keramikeinsatz umfaßt, wobei die zweiten Zentriermittel, zum Beispiel eine Zentrierbohrung, im wesentlich härteren (im Vergleich zum Kunststoffmaterial) Metall- Oder Keramikeinsatz ausgeführt sind. Dieser Metall- oder Keramikeinsatz ist vorteilhaft zylindrisch ausgeführt, in eine stirnseitige Vertiefung des Kunststoffzylinders eingesetzt, mit dem Kunststoffzylinder fest verbunden und, koaxial zur Achse der starr mit demThe coupling part can consist of a rigid, optionally glass-fiber reinforced, plastic cylinder, which advantageously comprises a one-sided metal or ceramic insert, the second centering means, for example a centering hole, being designed to be substantially harder (in comparison to the plastic material) metal or ceramic insert. This metal or ceramic insert is advantageously cylindrical, inserted into an end recess of the plastic cylinder, firmly connected to the plastic cylinder and, coaxial to the axis of the rigid with the
Kunststoffzylinder verbundenen Antriebsspindel, auf den Durchmesser eines zylindrischen Zentrierzapfens der Motorwelle aufgebohrt. Zur besseren Auswuchtung der Antriebseinheit kann der Kunststoffzylinder koaxial zur starr mit dem Kunststoffzylinder verbundenen Antriebsspindel rundgedreht sein. Das Kupplungsteil könnte jedoch auch als einstückiges Keramikteil ausgeführt sein.Plastic spindle connected drive spindle, drilled on the diameter of a cylindrical centering pin of the motor shaft. For better balancing of the drive unit, the plastic cylinder can be turned round coaxially to the drive spindle rigidly connected to the plastic cylinder. However, the coupling part could also be designed as a one-piece ceramic part.
Die unabhängigen Kupplungsmittel weisen vorteilhaft erste Kupplungsmittel an der Motorwelle und zweite Kupplungsmittel am Kupplungsteil auf. Die ersten und zweiten Kupplungsmittel sind vorteilhaft derart gestaltet, daß sie formschlüssig zur Übertragung eines Drehmomentes zwischen Motorwelle und Kupplungsteil zusammenarbeiten, jedoch kleinere Radial- und Winkelverlagerungen der Antriebsspindel relativ zur Motorwelle bei nicht vorhandenen Zentriermitteln zulassen würden. Die zweiten Kupplungsmittel können zum Beispiel eine stirnseitige Vertiefung mit einer Innenverzahnung, und die ersten Kupplungsmittel ein Zahnrad umfassen, wobei das Zahnrad in die Innenverzahnung formschlüssig mit radialem Spiel eingreift.The independent coupling means advantageously have first coupling means on the motor shaft and second coupling means on the coupling part. The first and second coupling means are advantageously designed in such a way that they work together positively for the transmission of a torque between the motor shaft and coupling part, but would allow smaller radial and angular displacements of the drive spindle relative to the motor shaft in the absence of centering means. The second coupling means can comprise, for example, a recess on the end face with an internal toothing, and the first coupling means comprise a gearwheel, the gearwheel engaging in a form-fitting manner with radial play in the internal toothing.
Das zweite Wellenlager der Antriebsspindel ist vorteilhaft ein Wälzlager, das die Antriebsspindel zum Beispiel direkt am Gehäuse abstützt.The second shaft bearing of the drive spindle is advantageously a roller bearing that supports the drive spindle directly on the housing, for example.
Urn den Zusammenbau der Antriebseinheit zu vereinfachen, kann das Kupplungsteil mit Antriebsspindel losbar auf die Motorwelle aufsteckbar sein.To simplify the assembly of the drive unit, the coupling part with the drive spindle can be detachably plugged onto the motor shaft.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.A preferred embodiment of the invention will be described with reference to the accompanying drawings.
Es zeigen: • Figur 1, in einer schematischen Darstellung einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Antriebseinheit; • Figur 2, einen vergrößerten Ausschnitt aus Figur 1, wobei die Motorwelle und die Antriebsspindel im ausgekuppelten Zustand gezeigt sind.FIG. 1 shows, in a schematic illustration, a cross section through a drive unit according to the invention; • Figure 2, an enlarged section of Figure 1, the motor shaft and the drive spindle are shown in the disengaged state.
In Figur 1 erkennt man ein Gehäuse 10 aus dem eine Antriebsspindel 12 axial herausgeführt ist. Bei dem dargestellten Gerat handelt es sich zum Beispiel urn ein handliches Bohr- und/oder Schleifgerât mit 220V Netzeinspeisung über ein Netzkabel 14. Das aus dem Gehäuse herausgeführte Ende der Antriebsspindel 12 ist ausgelegt urn einen handelsüblichen Spannkopf (nicht gezeigt) aufzunehmen. Das Gehäuse 10 ist als isolierendes Kunststoffgehäuse ausgeführt. Das Gérât weist keine Schutzerdung auf.1 shows a housing 10 from which a drive spindle 12 is guided axially. The device shown is, for example, a handy drilling and / or grinding device with a 220V mains supply via a mains cable 14. The end of the drive spindle 12 which is led out of the housing is designed to accommodate a commercially available clamping head (not shown). The housing 10 is designed as an insulating plastic housing. The device has no protective ground.
lm Gehäuse 10 erkennt man einen Elektromotor 16. Dieser wird über ein in das Gehäuse 10 eingebaute Netzteil 18 mit einer Schutzspannung versorgt. Das Netzteil 18 weist zusätzlich ein Regelteil auf, das eine Drehzahlregelung des Elektromotors 16 von zirka 2.000 Umdrehungen pro Minute bis zirka 20.000 Umdrehungen pro Minute erlaubt. Da das Netzteil 18 zusammen mit dem Elektromotor 16 in einem einzigen Gehäuse untergebracht ist, besteht zumindest theoretisch die Gefahr, daß bei einem Fehler im Netzteil 18 der Elektromotor 16 iïnter Netzspannung steht. Diese Netzspannung könnte dann auf eine stählerne Motorwelle 20 überschlagen. Ohne besondere Schutzmaßnahmen würde diese Fehlerspannung über die aus dem isolierenden Gehäuse 10 herausragende, stählerne Antriebsspindel 12 nach außen geleitet wird und würde somit zu gefährlichen Berührungsspannungen führen. Um diese Gefahr zu beseitigen, weist die erfindungsgemäße Antriebseinheit ein elektrisch isolierendes Kupplungsteil 22 zwischen der stählernen Antriebsspindel 12 und der stählernen Motorwelle 20 auf.An electric motor 16 can be seen in the housing 10. This is supplied with a protective voltage via a power supply unit 18 built into the housing 10. The power supply unit 18 additionally has a control part, which permits a speed control of the electric motor 16 from approximately 2,000 revolutions per minute to approximately 20,000 revolutions per minute. Since the power supply unit 18 is accommodated together with the electric motor 16 in a single housing, there is at least theoretically the risk that if there is a fault in the power supply unit 18, the electric motor 16 is connected to the mains voltage. This mains voltage could then roll over to a steel motor shaft 20. Without special protective measures, this fault voltage would be conducted to the outside via the steel drive spindle 12 protruding from the insulating housing 10 and would thus lead to dangerous contact voltages. In order to eliminate this danger, the drive unit according to the invention has an electrically insulating coupling part 22 between the steel drive spindle 12 and the steel motor shaft 20.
Dieses Kupplungsteil 22 wird anhand der Figur 2 näher beschrieben. Es besteht im wesentlichen aus einem starren, vorzugsweise glasfaserverstärkten, Kunststoffzylinder 24, der starr mit der Antriebsspindel 12 verbunden ist. Diese starre Verbindung kann zum Beispiel dadurch erfolgen, daß das mit einer Rändelung 26 versehene Ende der Antriebsspindel 12 in eine axialen Bohrung 28 eines ersten Endes des Kunststoffzylinders 24 eingepreßt ist und eventuell zusätzlich mit dem Kunststoff verschweißt oder verklebt ist. Um einen einwandfreien Rundlauf zu gewährleisten wird der montierte Kunststoffzylinder 24 koaxial zur Achse 12’ der Antriebsspindel 12 rundgedreht.This coupling part 22 is described in more detail with reference to FIG. 2. It essentially consists of a rigid, preferably glass fiber reinforced, plastic cylinder 24 which is rigidly connected to the drive spindle 12. This rigid connection can take place, for example, in that the end of the drive spindle 12 provided with a knurling 26 is pressed into an axial bore 28 of a first end of the plastic cylinder 24 and may also be welded or glued to the plastic. In order to ensure perfect concentricity, the assembled plastic cylinder 24 is rotated coaxially to the axis 12 ’of the drive spindle 12.
An seinem freien Ende weist der auf die Antriebsspindel montierte Kunststoffzylinder 24 eine stirnseitige Vertiefung 30 mit einer Innerverzahnung 32 auf. In diese Vertiefung 30 mit Innenverzahnung ist ein Zahnrad 34, das auf der Motorwelle 20 drehstarr befestigt ist, formschlüssig eingreifbar. Dieses Zahnrad überträgt das Drehmoment somit über die Innenverzahnung 32 auf den starren Kunststoffzylinder 24, der es auf die Antriebsspindel 12 überträgt. Es ist anzumerken, daß das Zahnrad 34 keineswegs paßgenau in die Vertiefung 30 eingreifbar sein soil, sondern ein Radialspiel in der Vertiefung 30 aufweisen soil. Dadurch ist gewährleistet, daß die Kupplungsmittel, die das Drehmoment übertragen, keine radialen Kräfte übertragen und somit keine Führungs- und Lagerfunktion übernehmen.At its free end, the plastic cylinder 24 mounted on the drive spindle has an end-side depression 30 with an internal toothing 32. A toothed wheel 34, which is fixed on the motor shaft 20 in a rotationally rigid manner, can be positively engaged in this recess 30 with internal teeth. This gearwheel thus transmits the torque via the internal toothing 32 to the rigid plastic cylinder 24, which transmits it to the drive spindle 12. It should be noted that the gear 34 should in no way fit into the recess 30 with a precise fit, but should have a radial play in the recess 30. This ensures that the coupling means, which transmit the torque, do not transmit any radial forces and thus do not assume a management and bearing function.
Eine Zentrierung und Abstützung der Antriebsspindel 12 auf der Motorwelle 20 erfolgt über separate, unabhängig von den vorbeschriebenen Kupplungsmitteln wirkende Zentriermittel. Diese Zentriermittel umfassen an der Motorwelle 20 einen zylindrischen Zentrierzapfen 36 in koaxialer Verlängerung der Achse der Motorwelle 20, und in dem Kupplungsteil 22 einen metallischen oder keramischen Führungseinsatz 38. Wie aus Figur 2 ersichtlich, ist dieser Führungseinsatz 38 koaxial zur Antriebsspindel 12 aufgebohrt, wobei der Durchmesser dieser Führungsbohrung 40 derart gewählt ist, daß der Zentrierzapfen 36 der Motorwelle 20 darin mit geringem radialen Spiel eingeführt werden kann. Die am Zentrierzapfen 36 anstehenden Lagerkräfte werden somit ohne wesentliches Spiel auf den relativ harten Führungseinsatz 38 übertragen. Letzterer leitet diese radialen Krâfte über seine äußere Mantelfläche 42 auf den weicheren Kunststoffzylinder 24 weiter. Da diese Mantelfläche 42 natürlich weitaus größer als die Mantelfläche desThe drive spindle 12 is centered and supported on the motor shaft 20 by means of separate centering means which act independently of the coupling means described above. On the motor shaft 20, these centering means comprise a cylindrical centering pin 36 in a coaxial extension of the axis of the motor shaft 20, and in the coupling part 22 a metallic or ceramic guide insert 38. As can be seen from FIG The diameter of this guide bore 40 is selected such that the centering pin 36 of the motor shaft 20 can be inserted therein with little radial play. The bearing forces applied to the centering pin 36 are thus transmitted to the relatively hard guide insert 38 without any substantial play. The latter transmits these radial forces via its outer lateral surface 42 to the softer plastic cylinder 24. Since this outer surface 42 is of course much larger than the outer surface of the
Zentrierzapfens 36 ist, ist natürlich der auf den Kunststoff ausgeübte Druck weitaus geringer'äls der Druck der auf den weitaus härteren Führungseinsatz 38 im Bereich der Führungsbohrung 40 ausgeübt wird. Dadurch wird die Verformung des Kupplungsteils durch radiale Lagerkräfte stark vermindert. Der Einsatz 38 ist vorzugsweise zylindrisch in einer axialen Bohrung im Kunststoff fest verankert und/oder in dem Kunststoff fest verse h wei ßt.Centering pin 36, the pressure exerted on the plastic is of course much less than the pressure exerted on the much harder guide insert 38 in the region of the guide bore 40. This greatly reduces the deformation of the coupling part due to radial bearing forces. The insert 38 is preferably firmly anchored in a cylindrical manner in an axial bore in the plastic and / or white in the plastic.
Die Antriebsspindel 12 wird also erfindungsgemäß an ihrem angetriebenen Ende über das starre, isolierende Kupplungsteil 22 und die Zentriermittel 36, 38 von der Motorwelle getragen. Aus Figur 1 ist ersichtlich, daß die Antriebsspindel 12 mit Kupplungsteil 22 eiofach auf die Motorwelle 20 mit Zentrierzapfen 36 und Zahnrad 34 aufgesteckt ist. Diese Steckverbindung kann zum Beispiel durch einen Querstift (nicht gezeigt) gegen axiales Verschieben gesichert werden.According to the invention, the drive spindle 12 is thus carried by the motor shaft at its driven end via the rigid, insulating coupling part 22 and the centering means 36, 38. It can be seen from FIG. 1 that the drive spindle 12 with coupling part 22 is slid onto the motor shaft 20 with centering pin 36 and gear 34. This connector can be secured against axial displacement, for example, by a cross pin (not shown).
Ein Wälzlager 50 stützt die Antriebsspindel 12 ausgangsseitig am Gehäuse 10 ab. Natürlich könnte die Antriebsspindel 12 auch ein stirnseitiges Kegelradgetriebe als vorderes Lager aufweisen. Dies wäre zum Beispiel der Fall wenn die Antriebsspindel 12 über ein ausgangsseitiges Kegelradgetriebe eine Arbeitsspindel antreiben soil, die rechtwinklig zur Motorachse aus dem Gehäuse 10 geführt ist.A roller bearing 50 supports the drive spindle 12 on the output side on the housing 10. Of course, the drive spindle 12 could also have an end bevel gear as the front bearing. This would be the case, for example, if the drive spindle 12 is to drive a work spindle, which is guided at right angles to the motor axis, out of the housing 10 via a bevel gear transmission on the output side.
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