PL215996B1 - Elektronarzędzie z napędem bezpośrednim, zwłaszcza ręczna szlifierka kątowa - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest elektronarzędzie z napędem bezpośrednim, zwłaszcza ręczna szlifierka kątowa.

W tradycyjnie spotykanych narzędziach o napędzie elektrycznym wykorzystywane są silniki elektryczne wyposażone w szczotki, przeważnie węglowe, których zadaniem jest zasilenie uzwojenia wirnika. Na skutek przepływu prądu przez uzwojenie powstaje siła elektrodynamiczna, która powoduje obrót wirnika.

Szczotki oraz komutator stanowią połączenie mechaniczne wirnika oraz stojana silnika elektrycznego, a praca w zapylonych warunkach może być przyczyną znacznego skrócenia czasu eksploatacji silnika wyposażonego w szczotki. Dodatkowo na styku szczotek i komutatora dochodzi często do powstawania iskier, na przykład na skutek zabrudzenia powierzchni stuku, co w wypadku pracy w środowisku wybuchowym prowadzi do istotnego zagrożenia. Zastosowanie silników elektrycznych w których nie stosuje się szczotek pozwala na wyeliminowanie takich zagrożeń, a dodatkowo podnosi komfort i ekonomikę pracy, gdyż silniki bezszczotkowe pracują ciszej oraz wydajniej.

Silniki bezszczotkowe rozpoczęto stosować w elektronarzędziach stosunkowo niedawno. W urządzeniach akumulatorowych za pioniera w stosowaniu takich rozwiązań uważa się koncern Hitachi. Jak wskazują odnalezione publikacje w prasie specjalistycznej jako pierwszy zastosował on bowiem ten typ silnika w zakrętarce akumulatorowej WH14DBL. Zakrętarka służy głównie do wykonywania połączeń skręcanych gwintowanych, w których łącznik (wkręt) wyposażony jest w wiertło - tzw. pilot, prowadzący i wiercący otwór w łączonych materiałach. Po wykonaniu otworu gwint łącznika tworzy gwint w materiale, w jaki jest wkręcany. Moc do takiej operacji zapewnia przekładnia planetarna, stanowiąca dzięki wbudowanemu sprzęgłu jednocześnie zabezpieczenie przed przeciążeniem mechanicznym. Przeciążeniom elektrycznym zapobiega układ o handlowej nazwie Multiplex Pwtetion Circuit, chroni on zarówno silnik, jak też baterię (akumulator) przed przeciążeniem wywołanym nadmiernym obciążeniem narzędzia, nadmiernym rozładowaniem akumulatora, na przykład użytkowaniu mimo jego rozładowania, a także nadmiernym naładowaniem, na przykład po awarii prostownika. W zależności od umiejscowienia wirnika silniki elektryczne można zróżnicować na takie, w których wirnik zamknięty jest w obudowie (najczęściej pod stojanem) oraz silniki elektryczne z wirnikiem zewnętrznym. Istotą rozwiązań z wirnikami zewnętrznymi jest to, że wirnik obraca się wokół nieruchomego stojana, a nie w jego wnętrzu, jak w silnikach z wirnikami wewnętrznymi, dodatkowo zewnętrzny wirnik stanowić może jednocześnie obudowę całego silnika.

Przykładem mogą być silniki stosowane w napędach optycznych komputerów, w wypadku których istotna jest wysokość silnika, a silnik bezszczotkowy z magnesem stałym daje możliwość znacznego zmniejszenia tego wymiaru.

Taki typ silnika znany jest między innymi z patentu US5453972. Ujawnia on konstrukcję silnika z wielobiegunowym wirnikiem zewnętrznym, jak stosowany jest w optycznych napędach komputerowych. Uzwojenie stojana jest umieszczone bezpośrednio na płytce drukowanej, zawierającej gniazdo, w którym łożyskowany jest wirnik, przy czym wirnik zawiera co najmniej dwa pierścienie z magnesu trwałego, których pole magnetyczne oddziaływuje z polem magnetycznym wytwarzanym przez uzwojenie stojana. Wirnik nie jest osłonięty obudową, gdyż obudowę całego napędu optycznego stanowi obudowa komputera zabezpieczająca użytkownika przed ewentualnymi urazami na skutek dotknięcia pracującego wirnika.

W tradycyjnych elektronarzędziach wirnik osłonięty jest obudową samego urządzenia, a także elementami konstrukcyjnymi silnika - w wypadku tradycyjnych wewnętrznych wirników osłonę stanowi stojan stabilizowany w obudowie urządzenia. Zastosowanie silnika z wirnikiem zewnętrznym wymusza konieczność zastosowania dodatkowej obudowy samego silnika, albo takiego przeprowadzenia osprzętu silnika, by nie był on narażony na uszkodzenie mechaniczne wirnikiem. Dodatkową zaletą stosowania silników elektrycznych z zewnętrznym wirnikiem jest możliwość wykorzystania wirnika do chłodzenia silnika.

W opisie wynalazku US 2004/0017119 ujawniono konstrukcję wkrętarki wyposażonej w bezszczotkowy silnik z wirnikiem wewnętrznym napędzający poprzez przekładnię wyposażoną w sprzęgło. Na osi silnika umieszczony jest wentylator chłodzący wnętrze obudowy narzędzia.

Także z opisu wynalazku US 2008/0265695 znana jest konstrukcja urządzenia wyposażonego w bezszczotkowy silnik z wewnętrznym wirnikiem. Chłodzenie wnętrza urządzenia odbywa się dzięki zastosowaniu odpowiednio ukształtowanej obudowy z otworami wentylacyjnymi.

PL 215 996 B1

Zastosowanie silników bez szczotkowych z wirnikiem zewnętrznym w elektronarzędziach pozwoli na ograniczenie wagi urządzenia, a także na jego wyciszenie. Dodatkowo wzrasta sprawność tego typu elektronarzędzia, a także wydłuża się czas jego eksploatacji.

Dotychczas znane elektryczne silniki bezszczotkowe, jakie znalazły zastosowanie w elektronarzędziach wyposażone były w wewnętrzne wirniki a uzwojenie umieszczone na zewnątrz stojana zasilane były bezpośrednio z baterii albo akumulatora poprzez zastosowany w obwodzie zasilania włącznik. Sterowanie prędkością obrotową wirnika odbywa się za pomocą zespolonego z włącznikiem potencjometru. Napięcie zasilania sięga w wypadku narzędzi akumulatorowych 24 V, przy czym najczęściej spotykanymi napięciami zasilania są 12 V, 14 V, 18 V. Są to stosunkowo niewielkie napięcia, dla których dobór osprzętu kontrolnego i zabezpieczeń nie sprawia trudności.

Istotna jest także waga końcowa narzędzia, na którą w wypadku urządzeń zasilanych prądem przemiennym ma wpływ waga elementów zabezpieczających i kontrolujących silnik. Wagę tą można redukować stosując lżejsze na przykład bezszczotkowe silniki, a także stosując elektroniczne, a nie transformatorowe układy prostujące dla zasilenia silnika.

Dlatego celowym i uzasadnionym jest wyposażenie elektronarzędzia w bezszczotkowy silnik z wirnikiem zewnętrznym, wraz z elektronicznymi układami kontroli i zabezpieczenia jego pracy. Z uwagi na charakterystykę pracy dla zwiększenia momentu obrotowego silnika celowym jest także zastosowanie bezszczotkowego silnika wyposażonego w wirnik zewnętrzny. Pozwala to na znaczne zwiększenie momentu obrotowego silnika, co przekłada się na większą efektywność pracy silnika oraz większą wydajność pracy urządzenia.

Ręczna szlifierka kątowa z napędem bezpośrednim według wynalazku zawiera silnik bezszczotkowy z wirnikiem zewnętrznym umieszczony w głowicy roboczej, który posiada nieruchomy, wyposażony w uzwojenie stojan, a uzwojenie zasilane jest prądem trójfazowym poprzez przekształtnik napięcia współpracujący z regulatorem napięcia. W przypadku zasilania bateryjnego zasilanie następuje bezpośrednio z baterii lub akumulatora. W wypadku zasilania sieciowego przekształtnik napięcia współpracuje z układem prostującym, korzystnie elektronicznym. Zasilanie uzwojenia - cewek odbywa się prądem trójfazowym o fazach zbliżonych kształtem do prostokąta i wzajemnie przesuniętych, regulowanych regulatorem napięcia z przekształtnikiem, korzystnie elektronicznym. Korzystnie układ prostujący, ma postać mostka prostowniczego połączonego z regulatorem napięcia oraz silnikiem. Korzystnie gdy prostowanie prądu następuje w prostowniku elektronicznym. Korzystnie gdy regulator zawiera przekształtnik napięcia i układ prostujący, co pozwala na jednoczesne prostowanie prądu zmiennego oraz na wytworzenie prądu trójfazowego o fazach wzajemnie przesuniętych. Wirnik silnika jest wirnikiem zewnętrznym i wyposażony jest w wielobiegunowy magnes trwały. Przy czym korzystnie, gdy siła magnetyczna z jaką oddziaływuje magnes trwały jest wzmacniana przez materiał z jakiego wykonano wirnik zewnętrzny. Wirnik zewnętrzny mocowany jest bezpośrednio na wale silnika, a jego ukształtowanie umożliwia chłodzenie wnętrza silnika. Wał silnika jest łożyskowany w obudowie urządzenia, zwłaszcza ręcznej szlifierki kątowej z napędem bezpośrednim, przy czym jeden z końców wału posiada zespół mocujący element roboczy, na przykład tarczę szlifierską. Korzystnie gdy ukształtowanie wirnika zewnętrznego jest takie, że zasysa on medium chłodzące, na przykład powietrze w kierunku stojana, a ujście powietrza usytuowane jest bezpośrednio za stojanem po przeciwnej w stosunku do elementu roboczego stronie silnika. Zarówno łożyska, jak też silnik znajdujący się w głowicy roboczej zamknięte są obudową wyposażoną w co najmniej jeden uchwyt. Korzystnie we wnętrzu uchwytu umieszczony jest regulator napięcia wraz z włącznikiem urządzenia. Co najmniej jeden uchwyt zawiera korzystnie w swoim wnętrzu filtr oczyszczający medium chłodzące silnik.

Korzystnie, gdy w wypadku urządzeń przeznaczonych do pracy w środowisku wybuchowym silnik wraz z osprzętem umieszczony jest w obudowie zalanej nie przewodzącą i tłumiącą łuk elektryczny cieczą. Pozwala to na dodatkową redukcję emisji dźwięku przez silnik przy jednoczesnym wykluczeniu iskrzenia.

Elektronarzędzie z napędem bezpośrednim, zwłaszcza ręczna szlifierka kątowa, wyposażona w bezszczotkowy silnik elektryczny według wynalazku przedstawiona została na rysunku na którym fig. 1 przedstawia przekrój ręcznej, zasilanej sieciowo szlifierki kątowej wyposażonej w bezszczotkowy silnik elektryczny, zwłaszcza prądu stałego z zewnętrznym wirnikiem.

P r z y k ł a d

Ręczna szlifierka kątowa z napędem bezpośrednim według wynalazku zawiera silnik bezszczotkowy umieszczony w głowicy roboczej 1, który posiada nieruchomy, wyposażony w uzwojenie stojan 8, wyposażony w cewki 7, cewki 7 współpracują z regulatorem elektronicznym 11 i zasilane są

PL 215 996 B1 prądem trójfazowym poprzez regulator napięcia zespolony z przekształtnikiem i układem prostującym. Zasilanie cewek 7 odbywa się prądem trójfazowym o fazach zbliżonych kształtem do prostokąta i wzajemnie przesuniętych, regulowanych regulatorem napięcia 11. Układ prostujący jaki zawarty jest w regulatorze napięcia 11, ma postać mostka prostowniczego połączonego. Regulator napięcia 11 zawiera przekształtnik napięcia i układ prostujący, co pozwala na jednoczesne prostowanie prądu zmiennego oraz na wytworzenie prądu trójfazowego o fazach wzajemnie przesuniętych. Wirnik zewnętrzny 6 mocowany jest bezpośrednio na wale 4 silnika, a jego ukształtowanie umożliwia chłodzenie wnętrza silnika. Wał 4 silnika jest łożyskowany w obudowie ręcznej szlifierki kątowej z napędem bezpośrednim, przy czym jeden z końców wału 4 posiada środki mocując element roboczy 3, na przykład tarczę szlifierską.

Ukształtowanie wirnika zewnętrznego 6 jest takie, że zasysa on powietrze w kierunku stojana 8, a ujście powietrza usytuowane jest bezpośrednio za stojanem 8 po przeciwnej w stosunku do elementu roboczego 3 stronie silnika. Zarówno łożyska 9 i 10, jak też silnik znajdujący się w głowicy roboczej 1 zamknięte są obudową wyposażoną w uchwyt - rękojeść 2. Korzystnie we wnętrzu uchwytu - rękojeści 2 umieszczony jest regulator napięcia 11 wraz z włącznikiem urządzenia 12.

Uchwyt - rękojeść 2 zawiera w swoim wnętrzu filtr 13 oczyszczający medium chłodzące silnik powietrze.

Claims (4)

1. Elektronarzędzie z napędem bezpośrednim, zwłaszcza ręczna szlifierka kątowa, zawierająca głowicę, rękojeść, oraz roboczą tarczę zamocowaną na wałku ustawionym poprzecznie do rękojeści, znamienne tym, że mocujący i napędzający tarczę (3) wałek (4), połączony jest z zewnętrznym, obrotowym, wyposażonym w trwałe magnesy (5) wirnikiem (6) bezszczotkowego silnika elektrycznego, którego wewnętrzny, zaopatrzony w cewki (7), stojan (8) przymocowany jest do głowicy (1) wyposażonej w łożyska (9) i (10) utrzymujące obrotowy wałek (4) wraz z osadzoną na nim roboczą tarczą (3).

2. Elektronarzędzie według zastrz. 1, znamienne tym, że cewki (7) wewnętrznego stojana (8) pobierają prąd elektryczny o zmiennym napięciu z elektronicznego regulatora (11) znajdującego się w rękojeści (2).

3. Elektronarzędzie według zastrz. 1, znamienne tym, że cewki (7) wewnętrznego stojana (8) pobierają prąd elektryczny o zmiennym napięciu z elektronicznego regulatora (11) a elektroniczny regulator (11) zasilany jest z sieci prądu zmiennego poprzez układ prostujący, po uruchomieniu włącznika (12) znajdującego się w rękojeści (2).

4. Elektronarzędzie według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienne tym, że w rękojeści (2) zabudowany jest chłodzący i oczyszczający chłodzące medium filtr (13).