用于电加工器具的轴向磁通机以及具有轴向磁通机的电加工器具的制作方法

1.本发明涉及根据独立权利要求的类属的用于电加工器具的轴向磁通机、尤其是单侧的轴向磁通马达以及一种具有轴向磁通机的电加工器具。


背景技术：

2.与传统的具有径向磁通方向(flussrichtung)的电动机相比，轴向磁通机的优点在于，所述轴向磁通机是非常有效率的且具有明显缩短的结构长度。此外，能够在相同的外直径的情况下实现更高的扭矩密度或者说功率密度。这些改进尤其归因于在相似的结构体积的情况下更大的气隙面积。此外，由于转动部件较小的铁体积，在较大的转速范围上产生较高的效率。
3.轴向磁通机的定子的构造由于所需要的3d磁通导向而相对昂贵。通常必须在定子绕组的卷绕过程之前对叠片组的线槽(nutung)进行冲制。此外，由于单个的片产生下述缺点，即极靴只实现切向突出部，不能够在外部卷绕具有凸出的极靴的定子齿，这导致定子绕组的小的填充因数并且导致相应减小的效率。
4.由de 10 2015 223 766 a1已知一种轴向磁通机，该轴向磁通机具有弯曲和卷绕的叠片组作为绕组载体。轴向磁通机的定子具有经烧结的由软磁材料构成的载体结构和构造为叠片组的嵌件。嵌件通过形状锁合和/或力锁合附接在载体结构上，并且至少部分地形成轴向磁通机的极靴。叠片组借助单个的、上下堆叠的层形成在单片上，所述单片由软铁构成。单个的片以与分别相邻的片电绝缘的方式相互附接。
5.替代地，轴向磁通机的定子也纯粹由复合材料(软磁复合材料，英语：soft magnetic composites，smc)构成。smc材料由高纯度的铁粉组成，该铁粉在每个单个的颗粒上具有专门的表面涂层。该电绝缘表面确保即使在挤压和热处理之后仍具有高的电阻，这又使涡流损耗最小化或者说避免涡流损耗。本领域技术人员已知smc材料，因此在此不进一步探讨其组成。然而，由复合材料制成的定子是特别易碎的或者说是对碰撞敏感的，并且具有相对于软磁片降低的导磁率。然而，对于轴向磁通机、尤其是轴向磁通马达在电加工器具中、尤其是在电动工具机中的使用，对振动和冲击的高度不敏感性是特别重要的。另一方面，由于轴向磁通机的所要求的扭矩密度，不能够省去复合材料的使用。


技术实现要素：

6.因此，本发明的任务在于，提供一种用于轴向磁通机的定子的相对于现有技术对碰撞特别不敏感的构造，同时实现轴向磁通机的高扭矩密度。
7.本发明涉及一种用于电加工器具的轴向磁通机、尤其是单侧的轴向磁通马达，该轴向磁通机具有机器轴、盘状的定子和在机器轴的轴向方向上与定子相邻地布置的盘状的转子，该机器轴尤其是马达轴，其中，所述定子构造为用于至少一个定子绕组的绕组载体，并且与机器轴抗扭地连接的转子能够相对于定子置于旋转运动中。
8.为了解决所提出的任务设置：所述定子由复合材料和软磁铁的组合构成，复合材料尤其是纤维塑料复合物。与现有技术的轴向磁通机相比特别有利的是，如此能够提供对于机械应力极其耐抗的且同时非常性能卓越和有效率的轴向磁通机或者说能够提供高扭矩的轴向磁通马达。这能够实现在如下电加工器具中的使用：所述电加工器具一方面必须是对于碰撞和振动特别稳健的，另一方面必须在较长的使用持续时间内提供非常高的电磁功率。因此，本发明还涉及一种电加工器具、尤其是电动工具机，该电加工器具具有根据本发明的轴向磁通机、尤其是根据本发明的轴向磁通马达。
9.在本发明的上下文中，电加工器具尤其应理解为电池运行或者电网运行的电动工具机，该电动工具机用于借助电驱动的插入式工具加工工件。在此，电加工器具不仅能够构造成手持式电动工具，还能够构造成固定式电动工具机。在这种背景下，典型的电动工具机是手持式或者立式钻机、螺钉机、冲击钻机、钻锤、拆除锤刨机、角磨机、振动磨光机、抛光机或者类似物。但是，马达驱动式园艺器具，例如割草机、草坪修剪器、树枝锯或者类似物，也可以考虑为电加工器具。另外，本发明能够应用到家用器具或者厨房器具(例如洗衣机、干燥机、吸尘器、搅拌机等等)中的轴向磁通机上。
10.在此，术语“轴向磁通机”能够不仅包括轴向磁通马达、还包括用于将机械能转化为电能的轴向磁通发电机。同样地，轴向磁通机也应理解为如下轴向磁通马达：该轴向磁通马达至少部分地用于由机械能再生为电能，例如在轴向磁通马达的电动力学制动时会是这种情况。
11.在本发明的一种扩展方案中提出，所述定子的多个定子齿和第一定子轭由复合材料形成。这特别有利地确保轴向磁通机的高扭矩密度。此外，通过复合材料的使用能够在定子齿的构造中实现极靴的切向伸出部和径向伸出部。这具有如下优点：单齿绕组能够嵌入到相应的定子齿中，这又导致卷绕头的减少。由复合材料制成的第一定子轭的附加实施方式确保磁通从定子齿到定子轭的限定的过渡。在此，由复合材料形成的定子齿和第一定子轭通过接合过程相互永久地连接、尤其是粘合。由此，能够通过在接合过程期间将定子绕组或者说单齿绕组施加到定子齿上而在外部卷绕线圈载体，使得能够实现定子绕组的高填充因数。
12.在根据本发明的轴向磁通机的另一构型中，在机器轴的轴向方向上在第一定子轭与定子齿之间布置有由软磁铁构成的第二定子轭。该第二定子轭在强机械应力的情况下稳定所述定子，并且由于其高导磁率而确保改进的磁通导向。
13.为了中断涡流路径，第二定子轭构造为叠片组，该叠片组具有多个分布在该叠片组的外周缘上的槽，所述槽用于接收复合材料。在此，槽的位置比槽的宽度更加重要。另外，第二定子轭具有环形布置的、圆弧段形的凹口，所述凹口用于接收定子齿。在此，每个槽将第二定子轭的外周缘中断直至分别径向上内置的凹口。
14.每个定子齿具有圆弧段形的齿法兰和圆弧段形的载体框架，所述齿法兰穿通第二定子轭的圆弧段形的凹口，所述载体框架围绕齿法兰，该载体框架具有环绕的u形廓，该u形廓用于接收定子绕组。齿法兰和载体框架通过接合过程相互永久地连接、尤其是粘合。
15.轴向磁通机的转子构造为由软磁铁制成的板状的环。此外，该转子承载交替极化的磁环，该磁环与定子的定子绕组共同起作用，以便在马达运行时将转子置于旋转运动中或者在发电机运行时将电压感应到定子绕组中。
附图说明
16.在下文中根据图1至图10示例性地阐述本发明，其中，附图中的相同附图标记表示具有相同功能的相同组成部分。
17.其示出了
18.图1：在第一实施例中呈单侧的轴向磁通马达的形式的根据本发明的轴向磁通机的剖面，
19.图2：根据本发明的轴向磁通机的定子的另一实施例的示意性视图，
20.图3：图2中的定子在不带有定子绕组的示意性视图中的分解图，
21.图4：在另一实施例中的根据本发明的定子的局部的示意性视图，
22.图5：根据本发明的轴向磁通机的转子的另一实施例的示意性视图，
23.图6：根据本发明的轴向磁通机的壳体的示意性视图，
24.图7：图6中的根据本发明的轴向磁通机的空壳体的另外的示意性视图，
25.图8：根据本发明的轴向磁通机内的冷却空气导向装置的另一实施例的剖面的示意性视图，
26.图9：根据本发明的轴向磁通机的定子绕组的单齿绕组的三角并联电路的两个实施例，和
27.图10：具有根据本发明的轴向磁通机的电加工器具、尤其是电动工具机，该电动工具机呈钻锤的形式。
具体实施方式
28.在图1中示出根据本发明的轴向磁通机10的第一实施例的剖面图。轴向磁通机10同样能够构造为轴向磁通马达或者轴向磁通发电机。盘状的转子14抗扭地与机器轴12布置在轴向磁通机10的机器轴12上。转子14构造为由软磁铁制成的板状的环16并且承载交替磁化的磁环18，还将参照图5更详细地讨论该磁环。然而，由于转子14通常不暴露在交变场中并且涡流损耗的危险因此相对小，因此，转子14替代地也能够由非软磁材料(例如铁)或者由具有低的碳含量的软磁钢构成。在马达轴12的轴向方向a上，同样盘状的定子20与转子14或者说与磁环18相邻，该定子构造为用于至少一个定子绕组24的绕组载体22(参见图2)，并且该定子具有第一定子轭26，该定子轭用作通过定子绕组24和磁环18产生的磁场的磁轭(magnetischer r
ü
ckschluss)。通过马达轴12能够相对于定子20或者说定子绕组24将转子14置于旋转运动中。为此，马达轴12一方面通过集成到定子轭26中的第一轴承28、另一方面通过接收在电加工器具34的壳体32(参见图10)中的第二轴承36以能够旋转的方式受到支承，所述第一轴承例如构造为固定轴承30，所述第二轴承例如构造为浮动轴承38。第一和第二轴承28、36优选构造为球轴承。第一轴承28直接集成到绕组载体22和/或第一定子轭26中。因此，该第一轴承能够是例如压入的或者注入的。由于尤其是单侧的轴向磁通机在转子14与定子20之间的气隙中具有在机器轴12的轴向方向a上的非常高的牵引力，因此，该牵引力能够通过第一定子轭26中的构造为固定轴承30的第一轴承28支撑(abfangen)。因此，不需要通过电加工器具34的壳体32和/或通过轴向磁通机的壳体(参见图6和图7)接收轴向力。
29.为了冷却轴向磁通机10，风扇叶轮40抗扭地布置在机器轴12上，该风扇叶轮将冷
却空气输送穿过轴向磁通机10。为此，风扇叶轮40优选在径向上吸入冷却空气，以随后在轴向上将冷却空气运送穿过轴向磁通机10。
30.图2示出根据本发明的轴向磁通机10的盘状的定子20的另一实施例的示意性视图。定子20基本上包括第一定子轭26、第二定子轭42和绕组载体22，该第二定子轭在机器轴12的轴向方向a上与第一定子轭相邻地布置，该绕组载体在机器轴12的轴向方向a上与第二定子轭42相邻地布置。绕组载体22基本上由多个、尤其是六个定子齿44组成，所述定子齿承载定子绕组24，其中，每个定子齿44配属有定子绕组24的单齿绕组46。参照图9a，单齿绕组46在三角并联电路48中相互电连接。
31.定子20的定子齿44和第一定子轭26由复合材料(软磁复合材料，英语：soft magnetic composites，缩写：smc)形成，并且通过接合过程相互永久地连接、尤其是粘合。smc材料由高纯度的铁粉组成，该铁粉在每个单个的颗粒上具有专门的表面涂层。该电绝缘表面确保即使在挤压和热处理之后仍具有高的电阻，这又使涡流损耗最小化或者说避免涡流损耗。与现有技术的轴向磁通机相比特别有利的是，如此能够提供对于机械应力极其耐抗的且同时非常性能卓越和有效率的轴向磁通机或者说能够提供高扭矩的轴向磁通马达。定子齿44与第一定子轭26的接合能够通过在接合过程期间将定子绕组24或者说单齿绕组46施加到定子齿44上而实现绕组载体22的外部卷绕。通过这种方式能够实现定子绕组24的高填充因数。
32.与第一定子轭26不同，转子20的第二定子轭42由软磁铁构成，并且构造为叠片组48(参见图3)，该叠片组具有多个、尤其是六个槽50，所述槽分布在该叠片组的外周缘上并且用于接收复合材料。槽50的数量在此对应于定子齿44的数量。第二定子轭42因此在强机械应力的情况下稳定定子20，并且由于其高导磁率而确保改进的磁通导向。叠片组48的线槽不仅促使对复合材料的更好的接收并且因此产生定子20的较高的稳定性，还确保对基本上由定子绕组24导致的涡流的优化的导向。
33.根据图3，用于接收定子齿44的第二定子轭42具有环形布置的、圆弧段形的凹口52，其中，每个槽50将第二定子轭42的外周缘中断直至分别径向上内置的凹口52。每个定子齿44通过圆弧段形的齿法兰54和圆弧段形的载体框架56形成，该齿法兰穿通第二定子轭42的圆弧段形的凹口52，该载体框架围绕齿法兰54，该载体框架具有环绕的u形廓58，该u形廓用于接收定子绕组24或者说单齿绕组46。齿法兰54和载体框架56通过接合过程相互永久地连接、尤其是粘合。
34.图4示出在另一实施例中的根据本发明的定子20的局部的示意性视图。在此，定子齿44或者说其齿法兰54(参见图3)被引导穿过第二定子轭42的凹口52并且与第一定子轭26通过激光焊接永久地连接。在第一定子轭26中，分别在定子齿44的平放在第一定子轭26上的每个面大致居中地设置有第一定子轭26中的钻孔60，定子齿44能够借助激光焊接通过该钻孔与第一定子轭26连接。焊缝在钻孔60的整个周缘上延伸，用以将第一定子轭26和相应的定子齿44永久地连接。但是，替代地也能够设置，该焊缝仅逐点地在钻孔60的周缘上延伸。由于在每个定子齿44的中心的焊接，仅轻微地影响对磁通的导向，并且能够实现定子齿44与位于它们之间的径向气隙的高度平面平行性。由于避免粘接，能够有效地避免定子齿44与第一定子轭26之间的粘接间隙，并且不需要在粘接部硬化期间固定定子齿44和第一定子轭26。参照图1，替代地也能够考虑，省去第二定子轭42并且取而代之地将第一定子轭26
直接与由复合材料构成的定子齿44连接、尤其是借助第一定子轭42中的钻孔60焊接，该第一定子轭构造为由软磁铁制成的板状的环16。
35.在图5中示出根据本发明的轴向磁通机10的转子14的剖面示意图。转子14构造为由软磁铁制成的板状的环16。此外，该转子承载交替极化的磁环18，该磁环与定子20的定子绕组24共同起作用，以便在马达运行时将转子14置于旋转运动中或者在发电机运行时将电压感应到定子绕组24中。磁环18的未详细示出的磁体圆弧段形地构型，使得所述磁体的面在最大程度上与圆弧段形的定子齿44重合，以便实现优化的磁通，同时实现高扭矩。替代交替极化的磁环18地，替代地也能够考虑具有嵌入式单磁体的环。如上所述，转子14通常不暴露在交变场中，因此，在此不产生或者只产生非常少的涡流损耗。因此，轴向磁通机10的转子14替代地也能够由非软磁材料构成。
36.在本发明的一种优选构型中，转子14的板状的环16构造为转子轭62，该转子轭要么通过接合过程与双向风扇40永久地连接、尤其是粘合，要么本身用作双向风扇64。在此，双向风扇40、64具有至少一个径向空气流动方向66和轴向空气流动方向68，用以冷却轴向磁通机10、尤其是用以冷却定子20或者说定子绕组24和转子14。径向空气流动方向66在此基本上通过多个圆形地布置在双向风扇40、64的外半径区域中的径向空气叶片70实现，而轴向空气流动方向68通过多个布置在转子轭62的内半径区域中的轴向开口72实现。
37.因此，参照图6，双向风扇40、64引起空气流76的径向吸入74，伴随着对轴向磁通机10的定子20和转子14的轴向穿流78和经加热的空气流76从轴向磁通机10的壳体82中的径向逸出80。空气流76的径向吸入74一方面通过定子齿44(参见图2)之间的气隙进行，另一方面在定子20的第一定子轭26的区域中、尤其是在第一定子轭26的从转子14来看远端的端侧84上进行。
38.在图7中示出带有轴向磁通机的壳体82连同封闭该壳体的盖86的轴向磁通机10。图8示出不带有轴向磁通机10和盖86的壳体82。壳体82在一侧敞开，用以接收盖86，并且对置地具有基本上闭合的端侧88(参见图8)。盖86封闭壳体82，并且因此将轴向磁通机10的定子20和转子14力锁合地连接。“基本上闭合”在这种背景下应理解为，端侧88能够具有多个开口90，所述开口例如用于冷却、用作线缆通路和/或用作用于机器轴12的穿引部，但是替代地也应理解为，端侧88是完全闭合的。壳体82构造为柱形，并且固定所述定子20，使得在转子14或者说该转子的磁环18与定子20或者说该定子的绕组载体22之间产生定义的气隙。为了减少或者说避免涡流损耗，壳体82由具有尽可能低的导磁率的磁绝缘材料、例如塑料(pa66)制成。盖86也能够相应地构造。
39.构造为固定轴承30的第一轴承28固定在盖86的轴承法兰92中，该第一轴承以不可移位的方式支承机器轴12，而壳体82的基本上闭合的端侧86在另外的轴承法兰94中具有构造为浮动轴承38的第二轴承36，用于以可移位的方式支承机器轴12。通过这种方式，能够在组装轴向磁通机10之后非常容易推开壳体82并且为了可能的维修工作而又移除该壳体。
40.在该壳体的敞开的侧上，以分布在壳体82的周缘上的方式交替地布置有多个凹口96和接片98，用以接收和固定定子20。在此，分布在定子20的第一和第二定子轭26、42的周缘上的径向凸出部(参见图2和图3)配合到壳体82的相应的凹口96中。对应地，盖86也包含构造为接片106的径向凸出部，所述径向凸出部配合到壳体82的凹口96中。通过这种方式，能够在盖86的方向上导出轴向磁通机10的高的轴向力。在壳体82的每个接片98中设置有至
少一个钻孔100，所述钻孔用于借助相应的紧固器件102、尤其是螺钉104来固定盖86并且因此也固定定子20。紧固器件102将轴向磁通机10的轴向力传递到壳体82上并且因此承受剪切力。
41.在壳体82的基本上闭合的端侧88上的开口90构造为在径向上和/或在轴向上起作用的通风开口104、尤其构造为通风出口106，用于冷却轴向磁通机10(也参见图6)。此外，壳体82在基本上闭合的端侧88与在轴向方向a上对置的敞开的侧之间的大致居中处具有多个分布在周缘上的、在径向上起作用的通风开口108、尤其是通风入口110。除了用于冷却轴向磁通机10的开口90之外，尤其在壳体82的接片98中还设置有另外的开口90，所述另外的开口能够用作传感器线路或者类似物的穿引部112。
42.在图9a中，定子绕组22的电路图作为定子齿44的六个单齿绕组46(参见图2)的三角并联电路48示出。对于每个相位，在连接点u与v、v与w或者说w与u之间分别并联连接有两个单齿绕组46。三角电路本身使得整个供应电压在每个单齿绕组46上下降。这引起单齿绕组46的匝数的增加，以便在马达运行时实现特定要求的转速或者说在发电机运行时实现特定要求的能量产出。通过附加的并联电路，能够以特别有利的方式增加绕组线材直径并且因此能够减小所产生的内阻。因此，与常见的星形电路相比，三角并联电路48能够实现轴向磁通机10的内阻的减小，这导致与迄今为止的解决方案相比轴向磁通机10的功率能力的显著提高。图9b示出用于定子绕组22的总共九个单齿绕组46的三角并联电路48的一种替代的实施方式。
43.在图10中示出具有根据图1的根据本发明的轴向磁通机10的电加工器具34的一实施例。电加工器具34构造为电动工具机112，该电动工具机呈电网运行的钻锤的形式，该钻锤具有电动马达驱动的冲击机114，该冲击机将用于未示出的插入式工具的钻卡头116置于旋转运动和/或冲击运动中。在此，不详细探讨钻锤的具体构型，因为这对于本领域技术人员而言是充分已知的。电加工器具也能够理解为任何别的电池运行或者电网运行的电动工具机112，该电动工具机用于借助电驱动的插入式工具加工工件。在此，电加工器具不仅能够构造成手持式电动工具，还能够构造成固定式电动工具机。在这种背景下，典型的电动工具机是手持式钻机或者立式钻机、螺钉机、冲击钻机、钻锤、拆除锤刨机、角磨机、振动磨光机、抛光机或者类似物。但是，马达驱动式园艺器具，例如割草机、草坪修剪器、树枝锯或者类似物也能够考虑为电加工器具。另外，本发明能够应用到家用器具或者厨房器具(例如洗衣机、干燥机、吸尘器、搅拌机等等)中的轴向磁通机上。
44.电动工具机112的作为轴向磁通马达工作的轴向磁通机10借助该轴向磁通机的机器轴12以已知的方式通过传动器118驱动冲击机114。在此，通过布置在电动工具机112的d形手柄120中的主开关122进行对轴向磁通机10的操控，该主开关与未示出的电子装置共同起作用，用于向连接在三角并联电路48中的定子绕组22通电。轴向磁通机10的定子20直接接收在电动工具机112的壳体32中。为此，定子20和壳体32通过接合过程永久地相互连接、尤其是粘合。但是，替代地，定子20也能够通过形状锁合永久地与壳体32连接、尤其是压接(verpressen)。另外能够设置，电动工具机112的壳体32或者传动器壳体122接收与轴向磁通机10的机器轴12连接的第二轴承36、尤其是浮动轴承38。取代根据图1的示出的轴向磁通机10，电动工具机112或者说电加工器具34也能够(不对本发明进行限制地)配备有根据图6至图8的轴向磁通机10。
45.最后应指出的是，本发明既不局限于根据图1至图10的示出的实施例，也不局限于定子齿的、单齿绕组的和磁环的磁体的所提到的数量。