WO2009000586A2 - Wickelkörper für einen elektromotor und verfahren zur herstellung eines wickelkörpers für einen elektromotor - Google Patents

Wickelkörper für einen elektromotor und verfahren zur herstellung eines wickelkörpers für einen elektromotor Download PDF

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WO2009000586A2
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winding
strand
electric motor
winding body
coils
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Martin Schulz
Hans Rindisbacher
Werner Rieker
Gerhard Oberli
Andre Zschocke
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Robert Bosch Gmbh
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/46—Fastening of windings on the stator or rotor structure
    • H02K3/47—Air-gap windings, i.e. iron-free windings

Definitions

  • the invention relates to a winding body for an electric motor and a method for producing a wound body for an electric motor according to the preambles of the independent claims.
  • Brushless DC motors with so-called air gap winding with self-supporting winding bodies are known.
  • the winding for such a winding body is first applied to a mandrel, which carries the coils during the winding process and holds in position.
  • the winding usually made of baked enamel wire is brought into its final shape by heating and pressing, which the wound body retains after heating. Subsequently, the winding body is removed from the mandrel and can be further processed.
  • the invention relates to a winding body for an electric motor, in particular a brushless DC electric motor with air gap winding, wherein at least two coils per strand are provided. It is proposed that the coils of one strand of the winding body are wound directly one after the other.
  • a strand represents the connection of two terminal ends of the winding and consists of at least two coils, also called partial coils. Each of the sub-coils is assigned to another pole of the electric motor.
  • the coils with strand consisting of several individual wires, wound.
  • automation of the winding process can be made possible by the successive winding of the coils of a strand.
  • the coils of all strands can be wound consistently with a single strand, which must be separated after winding.
  • the bobbin can be cup-shaped.
  • the winding body may have at one axial end a winding head, which is placed radially outward.
  • the winding body may have at one axial end a winding head, which is placed radially inwardly.
  • each valuable space can be won. Is provided at one end of the outwardly winding head in the form of a bead-like extension and placed at the other end of the inside
  • Winding head in the form of an open bottom the bobbin can be shortened at both ends and space can be gained.
  • the invention is further based on a method for producing a wound body for an electric motor, in particular for a brushless DC electric motor with air gap winding, with at least two coils per strand.
  • the coils of one strand be wound successively before coils of another strand are wound.
  • the winding of the wound body is wound technically carried out as a continuous series circuit. This can be done automation of the production of the bobbin. A winding by hand is no longer necessary.
  • the bobbin consists of eg six coils with two coils per phase in three phases. The winding of the bobbin is depending on the desired speed of the electric motor and depending on the supply voltage from a few turns.
  • the winding bodies first the first coil of the first strand, then the first coil of the second strand, then the first coil of the third strand, then the second coil of the first strand, etc. wound.
  • This known winding sequence requires that three strands, ie one strand per strand is wound.
  • there is a parallel winding ie it is wound with several wires simultaneously.
  • the winding is preferably designed as a continuous series connection in terms of winding technology.
  • the coils of the one strand can be wound directly in succession.
  • the winding wires can be designed as baked enamel wires.
  • the bobbins of the bobbin are wound on a bobbin, which is removed after winding.
  • a winding head is formed, which forms a radially outwardly folded edge, on the opposite side of the edge is folded radially inwards, so that forms a bottom open in the center.
  • the winding, or the bobbin baked into a solid body.
  • a surface insulation is applied, preferably a cantilevered sleeve of a ceremoninisolierstoff.
  • the insulated bobbin is inserted into the stator iron, which consists of axially stacked sheet metal rings.
  • the tight fit in the stator can be achieved by performing the surface insulation as a baked-lacquer paper or by an additional trickling with impregnating resin.
  • Advantages of trickling are, on the one hand, a mechanical securing of the winding against rotation due to the occurring motor torque and, on the other hand, an improved heat dissipation of the winding, which leads to an increase in rated power, but also to improved overload capacity and thereby to the utmost robustness of the motor.
  • the entire winding of the bobbin can be made with a single strand, wherein the strand remains contiguous in the transition from the coil of one strand to the next coil of the next strand and is separated only after winding to make the phase connections for the motor.
  • a strand consisting of several individual wires is used, so that a parallel winding takes place. Due to the parallel winding, a few different wire diameters are sufficient in production, for example corresponding to the number of variants of a specific motor size.
  • ends of the coils can be guided as a loop out of the winding during winding, while in the prior art coil ends are formed by free strand ends which must be fixed and securely marked in order to prevent confusion of the connections during later interconnection.
  • the likelihood of confusion of the coil ends is reduced.
  • the loops can be separated after winding. Characterized in that the separation of the loops takes place only at a time, which is close to the time at which the electrical connections of the coils are completed, so that the assignment of the coil ends to each other for the operator is still clear.
  • the electric motor which is in particular an electrically commutating motor with air gap winding, in particular a BLDC motor with air gap winding, has a number of advantages over a BLDC motor with a grooved stator and a DC motor. It can be achieved high speeds of up to 50 000 U / min and more, up to the load limit of coupled to the engine gearbox. At high speeds only small iron losses occur. Due to its design, the motor achieves a small inductance, higher inductances lead to smaller RMS currents with increasing speeds, and increasing inductance causes increased switching losses in the electronics.
  • the BLDC motor with air gap winding achieves a high maximum efficiency.
  • the low-resistance winding achieves optimum efficiency over almost the entire working range.
  • the type of winding allows a high "slot fill factor", thereby resulting in a high power density and allows a relatively fine adjustment to the desired speed.
  • the motor is particularly suitable for a range of stator diameters, of about 20
  • only a relatively small capital expenditure is required for a semi-automated production in larger quantities.Also, it is advantageous that due to the advancement in battery technology and thus smaller internal resistance of the batteries advantages of the BLDC motor with air gap winding disproportionately larger compared to the BLDC Become a motor with grooved stator.
  • an electric motor in particular an electronically commutated electric motor having an air gap winding, in which a winding body is arranged in an air gap between a stator iron and a rotor, for a power tool, in particular a power tool with a striking and / or rotationally driven insert tool , in particular a battery-powered power tool.
  • Known electric motors with air gap winding can not be automated because of the bobbin and are therefore not suitable for mass production.
  • Battery-powered power tools are becoming increasingly important as battery-powered technology advances compared to mains-powered devices.
  • Angle grinders and circular saws are even higher in comparison with performance requirements. Disadvantages of the DC motor with permanent magnet excitation are e.g. that the speed is limited in terms of application requirements. Reasons are u.a. to find in commutation and in danger of demagnetization at engine start. The operating point is usually in the range of a significantly reduced efficiency.
  • Heat losses from the anchor are difficult to dissipate. At the commutation apparatus resulting heat loss leads to reliability impairments. Product-specific mechanical reactions influence the commutation and lead to a reduced service life.
  • the proposed electric motor allows an increase in speed to twice the value of a DC motor of the same power.
  • the power density can be doubled with already existing applications, or with the same power only half the motor volume is necessary. Accordingly, the weight can be reduced. Any additional electronics that may be required can be accommodated at another location that does not influence the physical volume.
  • the efficiency can be maintained at high values in almost the entire relevant working range and is at an optimum level higher than with a comparable DC motor. Due to the good efficiency, less heat loss is created, which must be dissipated. Although higher performance demands are made, life and reliability problems are avoidable as the
  • Electric motor and thus the power tool is particularly robust and reliable and has a long life.
  • the influence of operating temperature-dependent effects and product-specific mechanical reactions on the function of the power tool is advantageously reduced.
  • a power tool in particular a power tool with a striking and / or rotationally driven insert tool having an electric motor with an air gap winding, in particular an electronically commutated electric motor, in which a winding body is arranged in an air gap between a stator iron core and a rotor. Due to the design-related achievable high speeds and the design-induced low inductance, the high-quality electric motor has properties that are superior to other electric motors such as BLDC motors with grooved stator or DC motors with permanent magnet excitation.
  • the preferred power tool is correspondingly robust and reliable.
  • the coils of one strand of the bobbin can be wound successively before coils of another strand are wound.
  • the winding of the wound body is wound technically carried out as a continuous series circuit.
  • the power tool is preferably a hand tool. Also preferred is a hand tool machine with battery operation.
  • Fig. 1 shows a preferred winding body
  • Fig. 2 is a winding diagram for a bobbin with 6 coils, 2 poles and 3 strands;
  • 3a shows a section through a winding body with indicated position of coils.
  • 3b shows a longitudinal section through a preferred electric motor.
  • FIGS. 4a-4c show various views of a conventional winding body (FIGS. 4a, 4c) and of a preferred winding body (FIGS. 4b, 4d); and
  • Fig. 5 shows a preferred power tool.
  • FIG. 1 shows a preferred winding body 100 for an electric motor, which is designed, for example, as an electronically commutating, brushless DC electric motor (BLDC motor) with an air gap winding.
  • the winding body is cantilevered and has approximately a cup shape with an approximately cylindrical portion 102, an inwardly facing winding head 106 at one end, which forms a bottom open in the center and an outwardly folded end winding 108, which has a bead-like edge at the other end of the wound body 100 forms.
  • the winding body can be energized in operation.
  • a rotor of the electric motor whose rotor shaft protrudes at both ends of the winding body 100, is arranged in the interior 104 of the winding body 100.
  • Fig. 2 illustrates a winding scheme, as it applies to a three-strand, two-pole winding of an electric motor
  • two-pole winding are two coils 12, 14 for a first strand 10, two coils 22, 24 for a second strand 20 and two coils 32, 34 for a third strand 30, so a total of six coils 12, 14, 22, 24, 32, 34 are provided, which are interconnected in the manner shown.
  • an electrical phase R, S, T is applied to the current during operation.
  • 3a and 3b show a cross-section and lateral longitudinal section of a detail of a preferred electric motor 200 without end shields, housing, cooling and the like. Evident are the positions of the coils 12, 14, 22, 24, 32, 34, as well as indicated
  • the rotor 120 consists of the rotor shaft 122 and the permanent magnet mounted on the rotor shaft 122, which may be formed as a full magnet, but also of axially juxtaposed rings and is usually formed of a rare earth magnetic material, for example Nd-Fe-B alloys.
  • the rotor shaft 122 is ball-bearing, but also plain bearings are conceivable.
  • the winding body 100 is arranged in an air gap 140 between a radially outer stator iron core 132 of a stator 130 and the rotor 120 and reveals the cup shape, as described above in FIG. 1, to which further details of the winding body 100 are referred.
  • the stator 130 includes the stator iron package 132 and the winding body 100. Between a inner contour of the winding body 100 and the rotor 120, a mechanical air gap 124 is arranged.
  • the preferred electric motor 200 is characterized by a low inductance and high speeds. Due to the mode of manufacture of the winding, the motor is particularly suitable for a wide range of stator diameters, from about 20 mm to over 40 mm and can therefore be made suitable for a variety of applications.
  • FIGS. 4a to 4d show a conventionally wound winding body 100a from the bottom side and Fig. 4c at the widened end with outwardly wound end 108a, while Fig. 4b shows a preferred winding body 100 from its bottom 106 and Fig. 4d of its extended end with turned-over winding head 108 shows.
  • the coils 12, 14 of the first strand 10 are wound directly one after the other, then the coils 22, 24 of the second strand 20 and then the coils 32, 34 of the third strand 30 wound directly following each other.
  • the entire winding of the winding body 100 is made with a single strand, wherein the strand during the transition from the coil 12, 14 of the first strand 10 to the coil 22, 24 of the second strand 20 and then to the coils 32, 34 of the third strand 30th remains coherent and is not disconnected during winding.
  • the strand is thereby during Wickeins as Loop out of the winding. The loops are separated only after winding.
  • FIGS. 4b and 4d clearly show that the coils 12, 14, 22, 24, 32, 34 each have one strand 10, 20, 30 opposite each other. So form the outermost
  • Winding areas z. B the coil 12 and the coil 14 of the first strand 10, the outside of the bottom, inwardly facing winding head 106.
  • the areas are each formed approximately crescent-shaped.
  • the first coil 22 and the second coil 24 of the second strand 20 can be seen; the coils 32, 34 of the third strand 30 are hidden and not recognizable. Accordingly, the view at the other end of the winding body 100 with the folded-over winding head 108th
  • FIG. 5 shows a preferred power tool 210 for battery or mains operation in the form of a power tool with a striking and / or rotationally drivable insert tool 212.
  • the power tool 210 has a preferred electric motor 200 with air gap winding, which is equipped with a winding body 100, as it has been described above in Figures 1 to 3.
  • the power tool 210 may in particular be a highly stressable power tool 210, such as an industrial screwdriver, a cordless screwdriver or a hammer drill.
  • the electric motor 200 is preferably connected in a delta connection.
  • a BLDC motor requires three-phase alternating current.
  • the control of the individual motor windings via a three-phase converter takes place. This replaces the mechanical commutator of the permanent-magnet-excited DC motor.

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Wickelkörper für einen Elektromotor und, insbesondere einem bürstenlosen Gleichstrom-Elektromotor (200) mit Luftspaltwicklung, bei dem wenigstens zwei Spulen (12, 14; 22, 24; 32, 34) pro Strang (10, 20, 30) vorgesehen sind, sowie einem Verfahren zu seiner Herstellung. Es wird vorgeschlagen, dass die Spulen (12, 14; 22, 24; 32, 34) eines Strangs (10; 20; 30) des Wickelkörpers (100) unmittelbar aufeinander folgend gewickelt sind.

Description

Beschreibung
Titel
Wickelkörper für einen Elektromotor und Verfahren zur Herstellung eines Wickelkörpers für einen Elektromotor
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Wickelkörper für einen Elektromotor und einem Verfahren zur Herstellung eines Wickelkörpers für einen Elektromotor nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC-Motoren) mit sogenannter Luftspaltwicklung mit freitragenden Wickelkörpern sind bekannt. Üblicherweise wird die Wicklung für einen derartigen Wickelkörper zuerst auf einen Dorn aufgebracht, welcher die Spulen während des Wickelvorgangs trägt und in Position hält. Dann wird die üblicherweise aus Backlackdraht gestehende Wicklung durch Erhitzen und Verpressen in ihre endgültige Form gebracht, welche der Wickelkörper nach dem Erhitzen beibehält. Anschließend wird der Wickelkörper vom Dorn entformt und kann weiter verarbeitet werden.
Bei einer dreisträngigen, zweipoligen Wicklung werden bei der Herstellung drei separate Litzen verarbeitet, was die Handhabung sehr aufwändig macht und eine Automatisierung nur mit einem nicht zu rechtfertigenden Aufwand möglich ist. Üblicherweise sind die Wickelkörper derartiger BLDC-Motoren mit Luftspaltwicklung von Hand gefertigt. Aus diesem Grund werden derartige BLDC-Motoren mit Luftspaltwicklung nur für Anwendungen eingesetzt, die nur kleine Stückzahlen erfordern, etwa in der Modellbaubranche.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung geht aus von einem Wickelkörper für einen Elektromotor, insbesondere einem bürstenlosen Gleichstrom-Elektromotor mit Luftspaltwicklung, bei dem wenigstens zwei Spulen pro Strang vorgesehen sind. Es wird vorgeschlagen, dass die Spulen eines Strangs des Wickelkörpers unmittelbar aufeinander folgend gewickelt sind. Ein Strang stellt die Verbindung zweier Anschlussenden der Wicklung dar und besteht aus wenigstens zwei Spulen, auch Teilspulen genannt. Jede der Teilspulen ist einem anderen Pol des Elektromotors zugeordnet. Üblicherweise sind die Spulen mit Litze, bestehend aus mehreren Einzeldrähten, gewickelt. Vorteilhaft kann durch die aufeinander folgende Wicklung der Spulen eines Strangs eine Automatisierung des Wickelvorgangs ermöglicht werden. Die Spulen aller Stränge können durchgängig mit einer einzigen Litze gewickelt werden, die erst nach dem Wickeln getrennt werden muss.
Günstigerweise kann der Wickelkörper topfförmig ausgebildet sein. Bevorzugt kann der Wickelkörper an einem axialen Ende einen Wickelkopf aufweisen, der radial nach außen gelegt ist. Ebenso kann der Wickelkörper an einem axialen Ende einen Wickelkopf aufweisen, der radial nach innen gelegt ist. Dadurch kann jeweils wertvoller Bauraum gewonnen werden. Ist an einem Ende der nach außen gelegte Wickelkopf in Form einer wulstartigen Erweiterung vorgesehen und am anderen Ende der nach innen gelegte
Wickelkopf in Form eines innen offenen Bodens, kann der Wickelkörper an beiden Enden verkürzt werden und Bauraum gewonnen werden.
Die Erfindung geht weiterhin aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Wickelkörpers für einen Elektromotor, insbesondere für einen bürstenlosen Gleichstrom-Elektromotor mit Luftspaltwicklung, mit wenigstens zwei Spulen pro Strang.
Es wird vorgeschlagen, dass die Spulen des einen Strangs aufeinander folgend gewickelt werden, bevor Spulen eines anderen Strangs gewickelt werden. Die Wicklung des Wickelkörpers wird wickeltechnisch als fortgesetzte Reihenschaltung ausgeführt. Dadurch kann eine Automatisierung der Herstellung des Wickelkörpers erfolgen. Eine Wicklung von Hand ist nicht mehr notwendig. Der Wickelkörper besteht aus z.B. sechs Spulen mit zwei Spulen pro Phase bei drei Phasen. Die Wicklung des Wickelkörpers besteht je nach gewünschter Drehzahl des Elektromotors und abhängig von der Versorgungsspannung aus wenigen Windungen. Durch das aufeinanderfolgende Wickeln der Spulen eines Strangs entfällt die Notwendigkeit, Spulenenden von Spulen zweier verschiedener Stränge während des Wickeins zu fixieren. Bei den bekannten Wickelkörpern wird zunächst die erste Spule des ersten Strangs, dann die erste Spule des zweiten Strangs, dann die erste Spule des dritten Strangs, dann die zweite Spule des ersten Strangs usw. gewickelt. Diese bekannte Wickelreihenfolge setzt voraus, dass mit drei Litzen, d.h. einer Litze pro Strang gewickelt wird. Um einen hohen Füllfaktor zu erreichen und die Bewicklung bzgl. minimal möglicher Radien gut ausführen zu können, erfolgt eine Parallelwicklung, d.h. es wird mit mehreren Drähten gleichzeitig gewickelt. Aus Gründen der automatischen Herstellbarkeit ist die Wicklung wickeltechnisch bevorzugt als fortgesetzte Reihenschaltung ausgeführt. Bevorzugt können die Spulen des einen Strangs unmittelbar aufeinanderfolgend gewickelt werden.
Die Wickeldrähte können als Backlackdrähte ausgeführt sein. Die Spulen des Wickelkörpers werden auf einen Spulenkörper gewickelt, der nach dem Wickeln entfernt wird. Zur Einsparung von Baulänge wird ein Wickelkopf geformt, der einen radial nach außen umgelegten Rand bildet, an der gegenüberliegenden Seite wird der Rand radial nach innen umgelegt, so dass sich ein im Zentrum offener Boden bildet. Anschließend wird die Wicklung, bzw. der Wickelkörper, zu einem festen Körper verbacken. Über den Wickelkörper wird eine Flächenisolation aufgebracht, vorzugsweise eine freitragende Hülse aus einem Flächenisolierstoff. Der isolierte Wickelkörper wird in das Statoreisen, das aus axial aufeinander gestapelten Blechringen besteht, eingeführt. Der Festsitz im Stator kann durch Ausführung der Flächenisolation als Backlackpapier oder durch eine zusätzliche Träufelung mit Imprägnierharz erreicht werden. Vorteile der Träufelung sind einerseits eine mechanische Sicherung der Wicklung gegen Verdrehung durch das auftretende Motordrehmoment und andererseits eine verbesserte Wärmeabfuhr der Wicklung, was zu Steigerung der Nennleistung, aber auch zu verbesserter Überlastfähigkeit und dadurch zu äußerster Robustheit des Motors führt.
Die gesamte Wicklung des Wickelkörpers kann mit einer einzigen Litze hergestellt werden, wobei die Litze beim Übergang von der Spule des einen Strangs zur nächsten Spule des nächsten Strangs zusammenhängend bleibt und erst nach dem Wickeln zur Herstellung der Phasenanschlüsse für den Motor aufgetrennt wird. Vorteilhaft wird eine Litze bestehend aus mehreren Einzeldrähten verwendet, so dass eine Parallelbewicklung erfolgt. Durch die Parallelbewicklung sind in der Fertigung wenige verschiedene Drahtdurchmesser ausreichend, etwa entsprechend der Zahl der Varianten einer bestimmten Motorgröße.
Günstigerweise können Enden der Spulen während des Wickeins als Schlaufe aus der Wicklung geführt werden, während im Stand der Technik Spulenenden durch freie Litzenenden gebildet sind, die fixiert und sicher markiert werden müssen, um beim späteren Zusammenschalten eine Verwechslung der Anschlüsse auszuschließen. Durch das - A - bevorzugte Herausführen von Schlaufen an den Spulenenden ist die Verwechslungsgefahr der Spulenenden verringert.
Bevorzugt können die Schlaufen nach dem Wickeln aufgetrennt werden. Dadurch, dass das Auftrennen der Schlaufen erst zu einem Zeitpunkt erfolgt, der nahe dem Zeitpunkt ist, an dem die elektrischen Anschlüsse der Spulen fertiggestellt werden, so dass die Zuordnung der Spulenenden zueinander für den Bearbeiter noch übersichtlich ist.
Es wird ein Elektromotor mit einem Wickelkörper vorgeschlagen, der nach wenigstens einem Merkmal des vorstehend beschriebenen Verfahrens hergestellt ist. Der Elektromotor, der insbesondere ein elektrisch kommutierender Motor mit Luftspaltwicklung ist, insbesondere ein BLDC-Motor mit Luftspaltwicklung, weist gegenüber einem BLDC-Motor mit genutetem Stator und einem DC-Motor eine Reihe von Vorteilen auf. Es können hohe Drehzahlen erreicht werden von bis zu 50 000 U/min und mehr, bis zur Belastungsgrenze eines mit dem Motor gekoppelten Getriebes. Bei hohen Drehzahlen treten nur geringe Eisenverluste auf. Durch seine Bauart erreicht der Motor eine kleine Induktivität, höhere Induktivitäten führen zu kleineren Effektivströmen bei steigenden Drehzahlen, und zunehmende Induktivität bereitet verstärkt Schaltverluste in der Elektronik. Durch geringe Eisen- und Kupferverluste erreicht der BLDC-Motor mit Luftspaltwicklung einen hohen Maximalwirkungsgrad. Durch die niederohmige Wicklung wird über ein nahezu den gesamten Arbeitsbereich optimaler Wirkungsgrad erreicht. Die Art der Bewicklung lässt einen hohen „Nutfüllfaktor" zu, führt dadurch zu einer hohen Leistungsdichte und lässt eine verhältnismäßig feine Anpassung an die gewünschte Drehzahl zu. Durch die Herstellart der Wicklung ist der Motor besonders geeignet für einen Bereich von Statordurchmessern, von ca. 20 mm bis über 40mm. Ferner ist nur ein relativ geringer Investitionsaufwand für eine teilautomatisierte Herstellung in größeren Stückzahlen erforderlich. Vorteilhaft ist weiterhin, dass durch die Weiterentwicklung in der Akkutechnologie und damit kleinere Innenwiderstände der Akkus Vorteile des BLDC-Motors mit Luftspaltwicklung überproportional größer gegenüber dem BLDC-Motor mit genutetem Stator werden.
Bevorzugt ist eine Verwendung eines Elektromotors, insbesondere eines elektronisch kommutierenden Elektromotors, der eine Luftspaltwicklung aufweist, bei der ein Wickelkörper in einem Luftspalt zwischen einem Statoreisenpaket und einem Rotor angeordnet ist, für eine Elektrowerkzeugmaschine, insbesondere eine Elektrowerkzeugmaschine mit einem schlagend und/oder drehend antreibbaren Einsatzwerkzeug, insbesondere eine akkubetriebene Elektrowerkzeugmaschine. Bekannte Elektromotoren mit Luftspaltwicklung sind schon wegen des Wickelkörpers nicht automatisierbar und sind für eine Serienfertigung daher nicht einsetzbar. Akkubetriebene Elektrowerkzeuge gewinnen aufgrund fortschreitender Akkutechnologie zunehmend an Bedeutung im Vergleich zu netzbetriebenen Geräten. Einerseits werden wesentlich mehr Anwendungen durch Akkuerzeugnisse abgedeckt, andererseits steigt die Leistung der Antriebe an, die Effizienz des Antriebs tritt stärker in den Vordergrund, die Grenzen des herkömmlichen DC-Motors mit Permanentmagneterregung werden bei vielen Anwendungen erreicht. Beispiele für betroffene Erzeugnisse sind Schrauber, Bohrmaschinen, Schlagbohrmaschinen und Bohrhämmer, jeweils in der oberen Leistungsklasse.
Winkelschleifer und Kreissägen liegen im Vergleich bezüglich Leistungsanforderungen noch höher. Nachteile des DC-Motors mit Permanentmagneterregung sind z.B. dass die Drehzahl hinsichtlich der Anwendungserfordernisse begrenzt ist. Gründe sind u.a. in der Kommutierung und in der Gefahr der Entmagnetisierung bei Motorstart zu finden. Der Arbeitspunkt liegt meist im Bereich eines deutlich reduzierten Wirkungsgrads. Die
Wärmeverluste aus dem Anker sind schwierig abzuführen. Am Kommutierungsapparat entstehende Verlustwärme führt zu Zuverlässigkeitsbeeinträchtigungen. Erzeugnisspezifische mechanische Rückwirkungen beeinflussen die Kommutierung und führen zu verminderter Lebensdauer.
Dagegen erlaubt der vorgeschlagene Elektromotor eine Erhöhung der Drehzahl auf den doppelten Wert eines DC-Motors gleicher Leistung. Die Leistungsdichte kann bei bereits bestehenden Applikationen verdoppelt werden, bzw. bei gleicher Leistung ist nur das halbe Motorvolumen notwendig. Entsprechend kann das Gewicht verringert werden. Eventuell notwendige zusätzliche Elektronik kann an anderer, das Bauvolumen nicht beeinflussender Stelle untergebracht werden. Der Wirkungsgrad kann nahezu im gesamten relevanten Arbeitsbereich auf hohen Werten gehalten werden und ist im Optimum höher als bei einem vergleichbaren DC-Motor. Bedingt durch den guten Wirkungsgrad entsteht weniger Verlustwärme, die abgeführt werden muss. Obwohl höhere Leistungsanforderungen gestellt werden, sind Lebensdauer- und Zuverlässigkeitsprobleme vermeidbar, da der
Elektromotor und damit die Elektrowerkzeugmaschine besonders robust und zuverlässig ist und eine hohe Lebensdauer hat. Der Einfluss betriebstemperaturabhängiger Effekte und erzeugnisspezifischer mechanischer Rückwirkungen auf die Funktion der Elektrowerkzeugmaschine ist vorteilhaft vermindert. Es wird eine Elektrowerkzeugmaschine vorgeschlagen, insbesondere eine Elektrowerkzeugmaschine mit einem schlagend und/oder drehend antreibbaren Einsatzwerkzeug, die einen Elektromotor mit einer Luftspaltwicklung aufweist, insbesondere einen elektronisch kommutierenden Elektromotor, bei der ein Wickelkörper in einem Luftspalt zwischen einem Statoreisenpaket und einem Rotor angeordnet ist. Durch die bauartbedingten erreichbaren hohen Drehzahlen sowie die bauartbedingte geringe Induktivität weist der hochwertige Elektromotor Eigenschaften auf, die anderen Elektromotoren wie BLDC-Motoren mit genutetem Stator oder DC-Motoren mit Permanentmagneterregung überlegen sind. Entsprechend robust und zuverlässig ist die bevorzugte Elektrowerkzeugmaschine.
Bevorzugt können die Spulen eines Strangs des Wickelkörpers aufeinander folgend gewickelt werden, bevor Spulen eines anderen Strangs gewickelt werden. Die Wicklung des Wickelkörpers wird wickeltechnisch als fortgesetzte Reihenschaltung ausgeführt.
Die Elektrowerkzeugmaschine ist bevorzugt eine Handwerkzeugmaschine. Bevorzugt ist ferner eine Handwerkzeugmaschine mit Akkubetrieb.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Es zeigen:
Fig. 1 einen bevorzugten Wickelkörper; Fig. 2 eine Wickelschema für einen Wickelkörper mit 6 Spulen, 2 Polen und 3 Strängen;
Fig. 3a einen Schnitt durch einen Wickelkörper mit angedeuteter Lage von Spulen;
Fig. 3b einen Längsschnitt durch einen bevorzugten Elektromotor;
Fig. 4a-4c verschiedene Ansichten eines herkömmlichen Wickelkörpers (Fig. 4a, 4c) und eines bevorzugten Wickelkörpers (Fig. 4b, 4d); und
Fig. 5 eine bevorzugte Elektrowerkzeugmaschine. Ausführungsform der Erfindung
In den Figuren sind gleiche oder gleich wirkende Elemente mit denselben Bezugszeichen beziffert.
Fig. 1 zeigt einen bevorzugten Wickelkörper 100 für einen Elektromotor, der beispielsweise als elektronisch kommutierender, bürstenloser Gleichstrom-Elektromotor (BLDC-Motor) mit Luftspaltwicklung ausgebildet ist. Der Wickelkörper ist freitragend ausgebildet und weist ungefähr eine Topfform auf mit einem etwa zylinderförmigen Abschnitt 102, einem nach innen weisenden Wickelkopf 106 an einem Ende, der einen im Zentrum offenen Boden bildet und einen nach außen umgelegten Wickelkopf 108, der einen wulstartigen Rand am anderen Ende des Wickelkörpers 100 bildet. Über einen elektrischen Kontakt 1 10 kann der Wickelkörper im Betrieb bestromt werden. Im lnneren104 des Wickelkörpers 100 ist im eingebauten Zustand ein Rotor des Elektromotors angeordnet, dessen Rotorwelle an beiden Enden des Wickelkörpers 100 übersteht.
Fig. 2 erläutert ein Wickelschema, wie es für eine dreisträngige, zweipolige Wicklung eines Elektromotors gilt
Bei einer dreisträngigen, zweipoligen Wicklung sind zwei Spulen 12, 14 für einen ersten Strang 10, zwei Spulen 22, 24 für einen zweiten Strang 20 und zwei Spulen 32, 34 für einen dritten Strang 30, also insgesamt sechs Spulen 12, 14, 22, 24, 32, 34 vorgesehen, die in der gezeigten Weise miteinander verschaltet werden. An jeden Strang 10, 20, 30 wird im Betrieb eine elektrische Phase R, S, T zur Bestromung angelegt.
Fig. 3a und 3b zeigen als Querschnitt und seitlicher Längsschnitt ein Detail eines bevorzugten Elektromotors 200 ohne Lagerschilde, Gehäuse, Kühlung und dergleichen. Zu erkennen sind die Positionen der Spulen 12, 14, 22, 24, 32, 34, sowie angedeutet ein
Nordpol N und ein Südpol S eines als Rotor 120 dienenden Permanentmagneten, der direkt auf einer Rotorwelle 122 angeordnet ist und sich im Inneren des Wickelkörpers 100 befindet. Die Teilspulen 12 und 14, 22 und 24, 32 und 34 des jeweiligen Strangs 10, 20, 30 sind jeweils sich diametral gegenüberliegend angeordnet. Der Rotor 120 besteht aus der Rotorwelle 122 und dem auf der Rotorwelle 122 befestigten Permanentmagneten, der als Vollmagnet, aber auch aus axial aneinandergereihten Ringen bestehend ausgebildet sein kann und meist aus einem Selten-Erdmagnetmaterial gebildet ist, z.B. Nd-Fe-B-Legierungen. Die Rotorwelle 122 ist kugelgelagert, jedoch sind auch Gleitlager denkbar.
Der Wickelkörper 100 ist in einem Luftspalt 140 zwischen einem radial äußeren Statoreisenpaket 132 eines Stators130 und dem Rotor 120 angeordnet und lässt die Topfform erkennen, wie sie vorstehen in Fig. 1 beschrieben wurde, auf die zur weiteren Beschreibung der Details des Wickelkörpers 100 verwiesen wird. Der Stator 130 umfasst das Statoreisenpaket 132 und den Wickelkörper 100. Zwischen einer Innenkontur des Wickelkörpers 100 und dem Rotor 120 ist ein mechanischer Luftspalt 124 angeordnet.
Der bevorzugte Elektromotor 200 zeichnet sich durch eine geringe Induktivität und hohe Drehzahlen aus. Durch die Herstellart der Wicklung ist der Motor besonders geeignet für einen großen Bereich von Statordurchmessern, von ca. 20 mm bis über 40 mm und kann daher für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet hergerichtet werden.
Die Spulen 12, 14, 22, 24, 32, 34 eines Strangs 10, 20, 30 des Wickelkörpers 100 sind unmittelbar aufeinander folgend mit einer einzigen Litze gewickelt. Dadurch verändert sich die Lage der Litzendrähte in dem in Fig. 1 und 2 beschriebenen Wickelkörper 100, wie es anschaulich den Fig. 4a bis 4d zu entnehmen ist. Die Fig. 4a zeigt einen herkömmlich gewickelten Wickelkörper 100a ab bodenseitigen und Fig. 4c am erweiterten Ende mit nach außen gelegten Wickelkopf 108a, während die Fig. 4b einen bevorzugten Wickelkörper 100 von seinem Boden 106 her und die Fig. 4d von seinem erweiterten Ende mit nach außen umgelegten Wickelkopf 108 zeigt.
Gemäß einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung des Wickelkörpers 100 werden die Spulen 12, 14 des ersten Strangs 10 direkt aufeinander folgend gewickelt, dann die Spulen 22, 24 des zweiten Strangs 20 und dann die Spulen 32, 34 des dritten Strangs 30 direkt aufeinander folgend gewickelt. Die gesamte Wicklung des Wickelkörpers 100 wird mit einer einzigen Litze hergestellt, wobei die Litze beim Übergang von der Spule 12, 14 des ersten Strangs 10 zu den Spule 22, 24 des zweiten Strangs 20 und dann zu den Spulen 32, 34 des dritten Strangs 30 zusammenhängend bleibt und während des Wickeins nicht getrennt wird. An den jeweiligen Spulenenden wird die Litze während des Wickeins dabei als Schlaufe aus der Wicklung geführt. Die Schlaufen werden erst nach dem Wickeln aufgetrennt.
Die Fig. 4b und 4d zeigen deutlich, dass die Spulen 12, 14, 22, 24, 32, 34 jeweils eine Strangs 10, 20, 30 sich jeweils gegenüberliegen. So bilden die äußersten
Windungsbereiche z. B. der Spule 12 und der Spule 14 des ersten Strangs 10 die Außenseite des bodenseitigen, nach innen weisenden Wickelkopfes 106. In der Ansicht sind die Bereiche jeweils etwa halbmondförmig ausgebildet. Dazwischen sind die erste Spule 22 und die zweite Spule 24 des zweiten Strangs 20 zu erkennen; die Spulen 32, 34 des dritten Strangs 30 sind verdeckt und nicht erkennbar. Entsprechend ist die Ansicht am anderen Ende des Wickelkörpers 100 mit dem nach außen umgelegten Wickelkopf 108.
Fig. 5 zeigt schließlich eine bevorzugte Elektrowerkzeugmaschine 210 für Akku- oder Netzbetrieb in Form einer Elektrowerkzeugmaschine mit schlagend und/oder drehend antreibbarem Einsatzwerkzeug 212. Die Elektrowerkzeugmaschine 210 weist einen bevorzugten Elektromotor 200 mit Luftspaltwicklung auf, der mit einem Wickelkörper 100 ausgestattet ist, wie er vorstehend in den Fig.1 bis 3 beschrieben wurde. Die Elektrowerkzeugmaschine 210 kann insbesondere eine hoch beanspruchbare Elektrowerkzeugmaschine 210, etwa ein Industrieschrauber, ein Akkuschrauber oder ein Bohrhammer sein.
Der Elektromotor 200 ist vorzugsweise in einer Dreieckschaltung verschaltet. Ein BLDC- Motor benötigt einen Dreiphasen-Wechselstrom. Bei einer akkubetriebenen Elektrowerkzeugmaschine 210 erfolgt die Ansteuerung der einzelnen Motorwicklungen über einen dreiphasigen Stromrichter. Dieser ersetzt den mechanischen Kommutator des permanentmagneterregten DC-Motors.

Claims

Ansprüche
1. Wickelkörper für einen Elektromotor, insbesondere einem bürstenlosen Gleichstrom- Elektromotor (200) mit Luftspaltwicklung, bei dem wenigstens zwei Spulen (12, 14; 22, 24; 32, 34) pro Strang (10, 20, 30) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (12, 14; 22, 24; 32, 34) eines Strangs (10; 20; 30) des Wickelkörpers (100) unmittelbar aufeinander folgend gewickelt sind.
2. Wickelkörper nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelkörper (100) topfförmig ausgebildet ist.
3. Wickelkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelkörper (100) an einem axialen Ende einen Wickelkopf (108) aufweist, der radial nach außen gelegt ist.
4. Wickelkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelkörper (100) an einem axialen Ende einen Wickelkopf (106) aufweist, der radial nach innen gelegt ist.
5. Verfahren zur Herstellung eines Wickelkörpers (100) für einen Elektromotor (200), insbesondere für einen bürstenlosen Gleichstrom-Elektromotor (200) mit Luftspaltwicklung, mit wenigstens zwei Spulen (12, 14; 22, 24; 32, 34) pro Strang (10; 20; 30), nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (12, 14; 22, 24; 32, 34) des einen Strangs (10; 20; 30) aufeinander folgend gewickelt werden bevor Spulen (12, 14; 22, 24; 32, 34) eines anderen Strangs (10; 20; 30) gewickelt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen (12, 14; 22, 24; 32, 34) des einen Strangs (10; 20; 30) unmittelbar aufeinanderfolgend gewickelt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Wicklung des Wickelkörpers (100) mit einer einzigen Litze () hergestellt wird, wobei die Litze () beim Übergang von der Spule (12, 14; 22, 24; 32, 34) des einen Strangs (10; 20; 30) zur nächsten Spule (12, 14; 22, 24; 32, 34) des nächsten Strangs (10; 20; 30) zusammenhängend bleibt.
8. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Enden der Spulen (12, 14; 22, 24; 32, 34) während des Wickeins als Schlaufe aus der Wicklung geführt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlaufen nach dem Wickeln aufgetrennt werden.
10. Elektromotor mit einem Wickelkörper (100) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, der nach einem Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 5 bis 9 hergestellt ist.
1 1 . Verwendung eines Elektromotors (200), insbesondere eines elektronisch kommutierenden Elektromotors (200), der eine Luftspaltwicklung aufweist, bei der ein Wickelkörper (100) in einem Luftspalt (140) zwischen einem Statoreisenpaket (132) und einem Rotor (120) angeordnet ist, für eine Elektrowerkzeugmaschine (210), insbesondere eine Elektrowerkzeugmaschine (210) mit einem schlagend und/oder drehend antreibbaren Einsatzwerkzeug (212), insbesondere eine akkubetriebene
Elektrowerkzeugmaschine (210).
12. Elektrowerkzeugmaschine, insbesondere Elektrowerkzeugmaschine mit einem schlagend und/oder drehend antreibbaren Einsatzwerkzeug (212), dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Elektromotor (200), insbesondere einen elektronisch kommutierenden Elektromotor (200), mit einer Luftspaltwicklung aufweist, bei der ein Wickelkörper (100) in einem Luftspalt (140) zwischen einem Statoreisenpaket (132) und einem Rotor (120) angeordnet ist.
13. Elektrowerkzeugmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wickelkörper (100) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgebildet ist.
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