МАЛОГАБАРИТНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ШЛИФОВАЛЬНАЯ МАШИНА Российский патент 2013 года по МПК B24B23/02 H02P6/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к малогабаритной электрической ручной шлифовальной машине с наружным корпусом и с валом инструмента.

Уровень техники

Электрические шлифовальные машины подобного типа уже известны, например, из патента US 0245182. Здесь целью было создание достаточно компактной и дешевой шлифовальной машины за счет применения бесщеточного двигателя и обеспечения большого значения соотношения между диаметром двигателя и его высотой. Недостаток этого технического решения состоит в том, что диаметр двигателя является неизбежно большим, и это создает трудности при шлифовании одной рукой. Кроме того, так как диаметр большой, то становится невыгодно применять герметичный двигатель с охлаждением только снаружи, поскольку воздух, в котором чаще всего используются шлифовальные машины, заполнен частицами пыли, которые могут быть и электропроводными, и к тому же обладать абразивными свойствами.

Поскольку электрические шлифовальные машины ранее были громоздкими и тяжелыми, появилась необходимость создания специальных шлифовальных машин, например, для шлифования стен. Машины этого типа известны, например, из патента US 5239783 или европейского патента ЕР 0727281. В этих патентах машины для шлифования стен имели конструкцию с двигателем, перемещенным к дальнему краю рукоятки и с использованием, например, кабеля для передачи мощности к шлифовальной головке. Таким образом, достигался компромисс, но это делало машину дорогостоящей и трудной в изготовлении.

Внутри Европейского сообщества и многих других рынков существуют нормативные акты на количество помех, генерируемых в сеть. В Европейском сообществе применяется стандарт EN 61000-3-2 с поправкой А14. Если переключающий блок управления выполнен наиболее простым способом с помощью выпрямления сетевого напряжения согласно фиг.5 и использования конденсатора такой большой емкости, что следящий блок управления может постоянно потреблять ток до тех пор, пока не придет следующий импульс, то возникают высокочастотные составляющие, которые вносят помехи в электрическую сеть.

Существуют два традиционных способа решения этой проблемы: пассивный способ, осуществляемый с помощью фильтрации тока и напряжения за счет катушек индуктивности и конденсаторов, и активный способ. При пассивном способе требуется пространство, а также большой объем и вес. Активный способ заключается в том, что напряжение сначала переключается в соответствии с известной «повышающей» топологией согласно фиг.6 так, что соотношение между входным током и входным напряжением соответствует резистивной нагрузке. Выходное напряжение всегда выше, чем максимальное значение входного напряжения. Недостаток активного способа заключается в том, что ток проходит через дополнительную катушку индуктивности L1 и, кроме того, переключается еще один раз, так как коррекция мощности всегда отслеживается переключающим блоком управления.

Краткое описание изобретения

Цель настоящего изобретения - устранить вышеупомянутые недостатки. Шлифовальная машина согласно изобретению характеризуется тем, что содержит приводной электродвигатель, который является бесщеточным, и, не имея своего собственного вала, устанавливается таким образом, что ротор крепится к валу инструмента, а статор располагается в наружном корпусе. Шлифовальная машина, созданная таким способом, имеет компактную эргономическую конструкцию, дающую возможность держать шлифовальную машину одной рукой. Компактная конструкция облегчает применение машины и обеспечивает получение устройства в виде рукоятки, которое может крепиться к шлифовальной машине для удобного захвата двумя руками и расширения диапазона работы машины. В то же время обеспечивается герметичность конструкции, в которой охлаждающий воздух проходит только на наружную часть статора и которая благодаря этому является крайне нечувствительной к наличию загрязняющих веществ в охлаждающем воздухе. Поскольку шлифовальная машина также является низкопрофильной, то обеспечивается надлежащий контроль качества шлифования машины.

Тип двигателя, применяемого в изобретении, называется BLDC (бесщеточный двигатель постоянного тока). В результате наличия сильного магнитного поля новых магнитов NdFeB двигатель имеет высокую мощность на единицу объема и высокий кпд. Благодаря этим характеристикам имеется возможность создания малогабаритного двигателя, подходящего для использования его в изобретении. Предпочтительным является использование беспазового варианта бесщеточного двигателя постоянного тока (BLDC). Беспазовый двигатель имеет меньшие потери в железе и более привлекательную цену, так как пакет листов стального сердечника имеет более простую форму и проще выполняется обмотка.

Вал инструмента имеет эксцентрично расположенный держатель инструмента, ротор двигателя, который, не имея собственного вала, крепится к валу инструмента, при этом статор расположен в наружном корпусе. Вал инструмента расположен внутри ротора двигателя и поэтому заменяет его собственный вал.

Известные инструменты имеют такой вал инструмента, в котором отсутствует эксцентриситет и балансировочные грузики. Эксцентриситет создается с помощью наружного элемента, прикрепленного к валу двигателя. Причина создания эксцентриситета с помощью наружного элемента состоит в том, что тогда ротор может крепиться к валу обычным способом, и подшипники могут быть установлены с обоих концов. Это техническое решение делает шлифовальный инструмент еще более компактным.

Охлаждающий воздух создается вентилятором, который устанавливается на валу инструмента и может успешно соединяться с ним в том же вертикальном направлении, что и балансировочные грузики вала инструмента. Тот же самый воздух, который охлаждает двигатель, в первую очередь, охлаждает блок управления.

Таким образом, благодаря настоящему изобретению шлифовальная машина становится более легкой и компактной, а специальные шлифовальные машины, предназначенные для шлифования стен, становятся вовсе ненужными. Прежде всего, было необходимо сделать шлифовальную головку более легкой путем передвижения двигателя к другому краю рукоятки, но с условием, что потребуется передача по кабелю или привод. Настоящая шлифовальная машина может крепиться к краю рукоятки так, что она свободно двигается в одном или более изменяемых направлениях. Поскольку шлифовальная машина является легкой, она так же проста в работе, как и специальные шлифовальные машины для стен, имеющие сложный и дорогостоящий привод. Если необходимо пылеудаление, то предпочтительней выводить его в полость под рукояткой.

Управление двигателем осуществляется с помощью электроники, способной изменять его скорость вращения. Блок управления выполнен таким образом, что скорость вращения поддерживается на заданном уровне независимо от нагрузки машины. Блок управления предпочтительно устанавливать в соединении со шлифовальной машиной. Предпочтительно применять несенсорное управление, т.е. управление без использования чувствительного датчика, для определения положения ротора при электронной коммутации. Для определения положения ротора при несенсорном управлении обычно пользуются напряжением, создаваемом в непроводящей фазе.

Положение ротора при электрической коммутации также может быть определено на основании токов, образующихся в разных фазах, или соотношения между током и напряжением в фазах.

Когда управление несенсорное, двигатель является более компактным, так как датчики, чаще всего датчики Холла, увеличивают размеры двигателя.

В соответствии с предлагаемым техническим решением для переключающего блока управления двигатель отрегулирован таким образом, что номинальное напряжение двигателя ниже, чем максимальное значение выпрямленного напряжения сети. Если ток потребляется во время той части цикла, когда напряжение выше, чем номинальное напряжение двигателя, и не потребляется, когда напряжение ниже, чем номинальное напряжение двигателя, то получается разная степень коррекции мощности в зависимости от того, насколько ниже является номинальное напряжение. Если время, в течение которого ток соответствует оптимальной нагрузке, по отношению к полному циклу является достаточно продолжительным, то гармонические составляющие, генерируемые обратно в электросеть, будут находиться в пределах допустимых значений. При выпрямлении сетевого напряжения 230 В получается максимальное значение напряжения, равное 325 В. Если номинальное напряжение двигателя составляет, например, 200 В, то протекание тока занимает приблизительно 60% времени. Генерирование тока происходит таким образом, что ток не течет, когда выпрямленное напряжение сети равно номинальному напряжению, и он возрастает линейно так, что ток составляет 10 А, когда напряжение равно 325 В. Это дает полезную мощность, равную приблизительно 1100 Вт. Тогда третья гармоническая составляющая тока равна 2,4 А, что находится в допустимых пределах для портативного ручного инструмента. Другие гармонические составляющие также имеют допустимые значения. Поскольку обмотки двигателя формируют катушку с собственной индуктивностью L1, переключающий блок управления предпочтительно выполнять без внешней индуктивности.

Краткое описание чертежей

Далее следует более подробное описание изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи:

фиг.1 представлена шлифовальная машина, вид сверху;

фиг.2 - то же, вид сбоку;

фиг.3 - поперечное сечение по линии А-А на фиг.1;

фиг.4 - поперечное сечение по линии В-В на фиг.1;

фиг.5 представлена известная электрическая схема управления;

фиг.6 представлена схема коррекции мощности;

фиг.7 показан первый вариант выполнения новой схемы управления двигателем;

фиг.8 - второй вариант выполнения схемы управления двигателем.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения

Шлифовальная машина, представленная на фиг.1-4, состоит из корпуса 1, содержащего в себе все части двигателя. Двигатель состоит из статора 6 с кожухом с охлаждающими ребрами 12 и ротор 7. Эти части объединены с частями, поддерживающими вал 2 инструмента, корпусом подшипника на обоих концах 4, 11 и подшипником 10 в таком месте, чтобы ротор 7 был закреплен к валу 2 инструмента. Кожух и охлаждающие ребра статора 6 имеют такую форму, чтобы создаваемый воздушный зазор был ограничен кожухом, корпусом шлифовальной машины и охлаждающими ребрами. Шлифовальный круг 3 крепится шарнирно к валу 2 инструмента с помощью подшипника 8. Вентилятор 9, который крепится к валу 2 инструмента предпочтительно на той же самой высоте, что и балансировочные грузики, засасывает воздух через отверстие 14. Воздух охлаждает блок управления 15, а затем двигатель за счет охлаждающих ребер 12. Воздух выходит через отверстие 5. Колпак 16 собирает шлифовальную пыль, которая отсасывается от шлифовального диска 3 и далее удаляется с помощью вытяжной трубы 17. Выключатель 13 соединен с блоком управления и обеспечивает включение и выключение с учетом эргономических требований. Мягкая часть 18 вокруг кожуха делает машину удобной для держания. В другом варианте реализации диск не имеет шарнирного вращения, но вращается с или без эксцентриситета посредством соединения с валом 2 инструмента.

Ротор застопорен от вращения относительно вала полукруглой шпонкой. Соответствующий паз на роторе показан на фиг.4. Ротор может быть застопорен от вращения другими типами шпонок или шлицами.

Балансировочные грузики, которые объединены с валом устройства, являются такими большими, что подшипник 10 (нижняя часть) должен монтироваться до того, как ротор будет крепиться к валу устройства.

С целью повышения компактности подшипники 10 и корпуса подшипников 4, 11 находятся частично или полностью внутри статора 6 или обмоток.

В другом варианте реализации отсос пыли также обеспечивает охлаждение двигателя таким образом, что часть воздуха засасывается с помощью двигателя и охлаждающих ребер, и этим способом двигатель охлаждается без отдельного вентилятора.

Осуществление коррекции мощности блока управления в первом варианте реализации описывается на фиг.7. Сетевое напряжение выпрямляется, а емкость следящего конденсатора так мала, что напряжение повторяет выпрямленное напряжение. Двигатель отрегулирован таким образом, что номинальное напряжение двигателя настолько ниже, чем максимальное значение выпрямленного напряжения сети по отношению к требуемой мощности, что коррекция мощности имеет место тогда, когда потребление тока происходит в течение той части цикла, когда напряжение выше номинального напряжения двигателя, и не происходит потребления тока, когда напряжение ниже номинального напряжения двигателя. В блоке управления используется хорошо известная понижающая топология таким образом, что соотношение между током и напряжением оптимизировано так, что возможно создание низших гармонических составляющих, и следовательно, выполняется окончательная коррекция мощности в той части цикла, в которой напряжение выше номинального напряжения двигателя. Если напряжение ниже номинального напряжения, то двигатель не потребляет мощность. Если время, когда ток соответствует оптимальной нагрузке относительно полного цикла, является достаточно большим в соответствии с потребляемой мощностью, то гармонические составляющие, генерируемые обратно в электрическую сеть, будут находиться в пределах допустимых значений. Если собственная индуктивность L1 двигателя достаточно велика, то блок управления предпочтительно выполнять без внешних индуктивностей. Двигатель на фиг.7 упрощен таким образом, что показан только один выключатель SW1. На практике непосредственно для двигателя осуществляется электронное 3-фазное управление переключением.

Если коррекция мощности выполнена недостаточно успешно, то эта функция может быть усовершенствована согласно варианту реализации, изображенному на фиг.8. В этом случае введены внешняя индуктивность L1 и дополнительный выключатель в соответствии с «повышающей» топологией с целью выполнения коррекции мощности также и в течение времени, когда напряжение ниже, чем номинальное напряжение двигателя. Эта схема является все же предпочтительной, поскольку ток и напряжение ниже, чем в случае, когда коррекция мощности должна выполняться в течение полного цикла. В основном, значение внешней индуктивности L1 может быть ниже, так как напряжение ниже при осуществлении переключения.

Вышеприведенное описание и относящиеся к нему рисунки предназначены только для иллюстрации настоящего технического решения в отношении конструкции шлифовальной машины. Таким образом, изобретение не ограничивается только вышеприведенным описанием или вариантом реализации, охарактеризованным в приложенной формуле изобретения, также допустимы некоторые разновидности или альтернативные варианты осуществления изобретения в пределах концепции, приведенной в приложенной формуле изобретения.

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в ручных электрических шлифовальных машинах. Машина содержит наружный корпус, вал инструмента и бесщеточный электрический приводной двигатель. Ротор приводного двигателя крепится на валу инструмента, а статор расположен в наружном корпусе. В результате обеспечивается легкая и компактная конструкция ручной машины, позволяющая держать ее одной рукой, что расширяет ее технологические возможности. 16 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Ручная электрическая шлифовальная машина, содержащая наружный корпус (1), вал (2) инструмента и бесщеточный приводной электродвигатель со статором (6), расположенным в наружном корпусе (1), отличающаяся тем, что вал (2) инструмента имеет эксцентрично установленный держатель инструмента, а ротор приводного двигателя закреплен на валу инструмента, который проходит внутри ротора приводного двигателя.

2. Шлифовальная машина по п.1, отличающаяся тем, что бесщеточный двигатель является беспазовым.

3. Шлифовальная машина по п.1 или 2, отличающаяся тем, что шлифовальный диск (3) установлен на валу (2) инструмента эксцентрично с возможностью вращения.

4. Шлифовальная машина по п.3, отличающаяся тем, что шлифовальный диск (3) с редуктором или без него установлен на валу (2) инструмента с возможностью вращательного движения.

5. Шлифовальная машина по п.1, отличающаяся тем, что она содержит блок управления двигателем, выполненный с возможностью обеспечения постоянной скорости вращения независимо от нагрузки.

6. Шлифовальная машина по п.5, отличающаяся тем, что блок управления является несенсорным блоком управления.

7. Шлифовальная машина по п.6, отличающаяся тем, что несенсорный блок управления выполнен с возможностью определения положения ротора при электронной коммутации с помощью напряжения, создаваемого в фазе, которая не задействована.

8. Шлифовальная машина по п.6, отличающаяся тем, что несенсорный блок управления выполнен с возможностью определения положения ротора при электронной коммутации с помощью токов, образованных в разных фазах, или соотношения между током и напряжением в фазах.

9. Шлифовальная машина по п.1, отличающаяся тем, что она выполнена с блоком управления двигателем (15), в котором выпрямляется напряжение сети, а емкость отслеживающего конденсатора (С2) устанавливается столь малой, что используемое напряжение повторяет выпрямленное напряжение сети с потреблением тока из сети в течение времени, когда приложено напряжение, причем двигатель отрегулирован таким образом, что номинальное напряжение двигателя ниже, чем максимальное значение выпрямленного напряжения сети в зависимости от требуемой мощности, чтобы получить коррекцию мощности, когда ток потребляется в течение той части цикла, когда напряжение выше номинального напряжения двигателя, и не потребляется, когда напряжение ниже номинального напряжения двигателя.

10. Шлифовальная машина по п.9, отличающаяся тем, что соотношение между током и напряжением оптимизировано в той части цикла, в которой напряжение выше номинального напряжения двигателя так, что создается наименьшая возможная гармоническая составляющая с достижением требуемой коррекции мощности.

11. Шлифовальная машина по п.9, отличающаяся тем, что в агрегате переключения мощности использована только собственная индуктивность (L1) двигателя в качестве индуктивного элемента при переключении.

12. Шлифовальная машина по п.1, отличающаяся тем, что двигатель охлаждается с помощью вентилятора (9), который установлен на валу (2) инструмента.

13. Шлифовальная машина по п.1, отличающаяся тем, что статор (6) двигателя охлаждают воздухом путем прохождения его через паз (7), образованный между внутренней стороной наружного корпуса (1) и наружной частью статора (6).

14. Шлифовальная машина по п.1, отличающаяся тем, что статор (6) имеет такую форму, которая в то же самое время является корпусом шлифовальной машины.

15. Шлифовальная машина по п.14, отличающаяся тем, что статор (6) имеет встроенные охлаждающие каналы.

16. Шлифовальная машина по п.1, отличающаяся тем, что статор с корпусами подшипников и подшипниками является герметичной конструкцией, в которой охлаждающий воздух проходит только снаружи двигателя.

17. Шлифовальная машина по п.10 или 11, отличающаяся тем, что коррекцию мощности осуществляют также во время, когда выпрямленное напряжение ниже номинального напряжения двигателя.