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Werkzeugmaschinen-Elektrospindel - Dokument DE102004022301A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102004022301A1 01.12.2005
Titel Werkzeugmaschinen-Elektrospindel
Anmelder E + B Elektromaschinen + Beratung R. Meyer, Rheinfelden, CH
Erfinder Meyer, Rolf, Rheinfelden, CH
Vertreter Kornmeier, H., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 79576 Weil am Rhein
DE-Anmeldedatum 04.05.2004
DE-Aktenzeichen 102004022301
Offenlegungstag 01.12.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.12.2005
IPC-Hauptklasse B23Q 5/10
IPC-Nebenklasse H02K 3/24   
Zusammenfassung Bei einer Werkzeugmaschinen-Elektrospindel mit einem Spindelgehäuse, in dem ein Stator 7 angeordnet ist, der über einen Rotor 6 eine Spindelwelle 5 antreibt, besteht der Stator 7 aus einem Statorblechpaket 70, das formschlüssig an der Innenwandung 11 des Spindelgehäuses 10 anliegt und das randseitig mehrere Außennuten 15 aufweist, die Kühlkanäle 15a zur Aufnahme eines Kühlmediums bilden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Werkzeugmaschinen-Elektrospindel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Werkzeugmaschinen-Elektrospindeln werden vielfach bei der industriellen Fertigung eingesetzt, wo sie zur Bearbeitung von Werkstücken insbesondere zum Fräsen, Schleifen und Bohren dienen.

Für den einzelnen Bearbeitungsvorgang wird eine sehr hohe Motorleistung benötigt, die mit einer entsprechenden Wärmeentwicklung in der Elektrospindel verbunden ist.

Aufgrund der hohen Wärmeentwicklung sind bei Elektrospindeln für Werkzeugmaschinen aufwendige Kühlmaßnahmen notwendig. Man unterscheidet zwischen flüssig- und luftgekühlten Maschinen.

Die Kühlung erfolgt normalerweise über eine Kühlhülse, die in Wärmekontakt mit dem Stator steht und die im Spindelgehäuse angeordnet ist.

Die zur Verfügung stehende Motorleistung wird wesentlich durch die auftretende Wärmeentwicklung (Verlustwärme) und natürlich auch von einer effektiven Kühlung des Antriebs begrenzt. Bereits geringe Leistungsverbesserungen können bei solchen Werkzeugmaschinen von großer wirtschaftlicher Bedeutung sein. Dies gilt sowohl für Maschinen, die bei der Serienproduktion eingesetzt werden, wo durch eine Erhöhung der Motorleistung die Bearbeitungszeit der einzelnen Werkstücke verringert werden kann, was höhere Taktraten und höhere Stückzahlen ermöglicht, als auch für Maschinen, die für kontinuierliche Bearbeitungsvorgänge mit sehr langen Bearbeitungszeiten eingesetzt werden.

Des Weiteren werden auch möglichst niedrige Motortemperaturen angestrebt um Längenänderungen der Spindelwelle zu vermeiden und um die Temperatur der Spindellager bei hohen Drehzahlen möglichst niedrig zu halten.

Häufig ist auch der verfügbare Bauraum für solche Maschinen vorgegeben bzw. relativ beschränkt, so dass bei gleicher Leistung kleinere Motoren vorteilhaft sind.

Allgemein gilt bei der Entwicklung von Werkzeugmaschinen, dass möglichst vorhandene Bauteile weiterentwickelt werden, als dass völlig neue Ausführungen geplant und gebaut werden. Die Entwicklung und Einführung völlig neuer Bauteile ist meist sehr aufwendig und kostspielig.

Aus der Druckschrift EP 1 271 747 ist ein flüssigkeitsgekühlter Elektromotor bekannt, der ein dünnwandiges Spaltrohr aufweist, das als Trennung des mit Luft gefüllten Rotorraums und des mit Kühlmedium (Kühlflüssigkeit) gefüllten Statorraums dient. Die Kühlflüssigkeit wird über Kanäle im Gehäuse und über eine Kühlhülse mit Kühlkanälen in den Statorraum geführt. Die beschriebene Kühleinrichtung ist relativ aufwendig aufgebaut, sie benötigt ein entsprechend großes Bauvolumen und ist wirtschaftlich nur für Synchronmaschinen einsetzbar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Werkzeugmaschinen-Elektrospindel zu schaffen, die die oben angegebenen Nachteile nicht aufweist, die insbesondere eine Leistungserhöhung der Werkzeugmaschinen-Elektrospindel ohne auf einen zusätzlichen Bauraum angewiesen zu sein ermöglicht und die einfach und kostengünstig realisierbar ist.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch angegebenen Merkmale.

Weiterentwicklungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, dass der aus einem Blechpaket bestehende Stator randseitige Außennuten aufweist, die zusammen mit dem Spindelgehäuse Kanäle zur Aufnahme eines Kühlmediums bilden.

Durch den direkten Wärmekontakt des Stators mit dem Kühlmedium ist die Kühlung erheblich effektiver als bei einer Zwischenschaltung einer Kühlhülse. Weiterhin wird durch den Wegfall der Kühlhülse zusätzliches Volumen für den Stator gewonnen. Dieser gewonnene Bauraum kann zur besseren Führung des magnetischen Flusses verwendet werden. Dadurch wird der magnetische Kreis im Bereich des Stators entlastet.

All diese Maßnahmen ermöglichen eine Leistungssteigerung der Elektrospindel oder eine Verringerung der Erwärmung derselben.

In einer Weiterentwicklung der Erfindung sind die die Außennuten begrenzenden Stege, direkt gegenüberliegend von den einzelnen Wicklungsnuten im Stator angeordnet. Dadurch ist eine besonders effektive Entlastung des magnetischen Kreises möglich.

In einer Weiterentwicklung der Erfindung sind zusätzliche Innennuten im Statorblechpaket vorgesehen. Dadurch kann das Kühlmedium z. B. über die durch die Außennuten gebildeten Kühlkanäle zugeführt und über die durch die Innennuten gebildeten Kühlkanäle abgeführt werden. Auf den Zufluss des Kühlmittels durch das Spindelgehäuse kann dadurch verzichtet werden und die Kontaktfläche Kühlmittel-Stator wird erheblich größer.

In vorteilhafter Weise sind die Innennuten zwischen den Stegen und den Wicklungsnuten angeordnet.

In einer Weiterentwicklung der Erfindung ist jeder Wicklungsnut genau eine Außennut und eine Innennut zugeordnet.

In einer Weiterentwicklung der Erfindung sind die Wickelköpfe der Statorwicklungen vergossen, wobei die Vergussmasse zusammen mit einem Endblech des Stators einen Ringraum zur Führung des Kühlmittels aufweist.

Zur Abdichtung dieses Ringraumes zum Spindelgehäuse bzw. zum Stator-Endblech dient je ein Dichtelement.

Eine Alternative zum Vergießen der Wickelköpfe besteht darin, dass als Kühlflüssigkeit ein Isolieröl eingesetzt wird, das die Wickelköpfe direkt umspült. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es notwendig den Statorraum vom Rotorraum durch ein Spaltrohr zu trennen.

Nachfolgend ist die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

1 herkömmliche Werkzeugmaschinen-Elektrospindel im Längsschnitt

2 erfindungsgemäße Werkzeugmaschinen-Elektrospindel im Längsschnitt

3 Detaildarstellung gemäß 2 im Bereich des Statorblechpakets im Querschnitt

4 alternative Ausgestaltung eines in 3 dargestellten Statorblechs In 1 ist eine herkömmliche Elektrospindel 101 für Werkzeugmaschinen näher dargestellt. Typische Kenngrößen einer derartigen Elektrospindel sind Leistung 40kW, Drehzahl 18000-24000 U/min, Spannung 3 × 380 V, Länge 420 mm, Durchmesser 170 mm.

Die Elektrospindel 101 weist einen Stator 7 und einem Rotor 6 auf, die in einem Spindelgehäuse 10 angeordnet sind. Das Spindelgehäuse 10 ist endseitig mit je einem Lagerschild 3 bzw. 4 verschlossen. Jedes der beiden Lagerschilde 3, 4 trägt die Lager 3a, 4a für die Spindelwelle 5, die mit einer Werkzeugaufnahmevorrichtung 100 ausgerüstet ist. An der anderen Seite der Elektrospindel befinden sich die Versorgungszuführungen z. B. Strom, Kühlmittel, Druckluft, Öl etc.

Derartige Antriebe produzieren im Betrieb eine erhebliche Verlustwärme. Diese Verlustwärme wird über eine massive Kühlhülse 80 abgeführt. Sie steht in direktem Wärmekontakt mit dem Statorblechpaket 70. Die Wärmeabfuhr erfolgt über ein Kühlmedium, in der Regel Wasser, das sich in einem Zwischenraum, der vom Spindelgehäuse 10 und der Kühlhülse 80 gebildet wird, befindet. Bei einem Statordurchmesser von 135 mm kann die Kühlhülse 80 eine Stärke von ca. 6 mm aufweisen.

In 2 ist eine erfindungsgemäße Elektrospindel 1 für Werkzeugmaschinen näher dargestellt. Im Unterschied zu der in 1 dargestellten herkömmlichen Elektrospindel 101 weist die erfindungsgemäße Elektrospindel 1 keine Kühlhülse 80 mehr auf. Zur Aufnahme des Kühlmediums dienen Kühlkanäle 15a, die durch Außennuten 15 im Statorblechpaket 70 und durch die Innenwandung 11 des Spindelgehäuses 10 gebildet werden. Im dargestellten Fall verlaufen die Kühlkanäle 15a in axialer Richtung.

Die 3 zeigt eine etwas vergrößerte Detaildarstellung mit einem Statorblech 72 des Statorblechpakets 70 gemäß 2. Wie aus dieser Figur zu entnehmen ist, berühren die einzelnen Statorbleche 72 des Statorblechpakets 70 die Innenwandung 11 des Spindelgehäuses 10 bis auf die Bereiche der Außennuten 15. Die Außennuten 15 bilden die Kühlkanäle 15a die durch Stege 78 und das Spindelgehäuse 10 begrenzt werden. Gegenüberliegend von den Stegen 78 sind Wicklungsnuten 19 für die Statorwicklungen angeordnet. Vom Rotor 6 ist ein einzelnes Rotorblech 62 des Rotorblechpakets 60 mit mehreren Rotornuten 61, die die Stäbe des Kurzschlusskäfigs enthalten, dargestellt.

Zur Verdeutlichung des Verlaufs des Magnetfeldes für das Statorblech 72 und für das Rotorblech 62 magnetische Feldlinien FL eingezeichnet.

4 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Statorbleche gemäß 3. Das dargestellte Statorblech 72 weist neben den Außennuten 15 zusätzlich noch Innennuten 21 auf, die zwischen den Stegen 78 und den Wicklungsnuten 19 angeordnet sind.

In das Statorblechpaket eingebracht bilden diese Nuten zusätzliche Kühlkanäle 21a durch die das Kühlmedium näher an die Wärmequellen Statorblechpaket und Statorwicklungen wirksam werden kann. Es ist auch möglich, dass das Kühlmedium über die von den Außennuten 15 gebildeten Kühlkanäle 15a in eine Richtung und über die durch die Innennuten 21 gebildete Kühlkanäle 21a in umgekehrter Richtung zu bzw. abfließt.

Die Anzahl der Stege 78 bzw. der Außennuten 15 stimmt mit der Anzahl der Wicklungsnuten 19 überein.

Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Wickelköpfe 23 der Statorwicklung mit einer Vergussmasse 30 vergossen. Vergussmasse 30 und ein Endblech 25 des Statorblechpakets 70 bilden zusammen mit dem Spindelgehäuse 10 einen Ringraum 32 über den das Kühlmedium für die Kühlkanäle 15a bzw. 21a zu- bzw. abgeführt werden kann. Das Endblech 74 weist eine Stärke von 1–2 mm auf.

Zur Abdichtung der Vergussmasse 30 zum Endblech 74 bzw. zum Spindelgehäuse 10 dient je ein Dichtelement 50 (z. B. O-Ring). Neben einem Vergießen der Wickelköpfe sind auch andere Ausgestaltungen denkbar.

In einer nicht in der Zeichnung dargestellten alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird als Kühlmedium ein Isolieröl verwendet. In diesem Fall ist ein Vergießen der Wickelköpfe 23 nicht notwendig. Rotorraum und Statorraum sind dann durch ein übliches Spaltrohr getrennt. Damit wird ein Eindringen des Kühlmediums (Isolieröl) in den Rotorraum verhindert.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass durch den Wegfall der Kühlhülse die Kühlung verbessert und mehr Platz für das Statorblechpaket 70 geschaffen wird, was eine Leistungssteigerung des Antriebes ermöglicht. Weiterhin kann der magnetische Fluss, wie aus 3 deutlich zu sehen ist, in die Bereiche der Stege 78 ausweichen um dadurch den Bereich hoher magnetischer Flussdichte zu entlasten. Auch durch diese Maßnahme ist eine weitere Leistungssteigerung möglich.

Durch die zusätzlichen Innennuten 21 werden weitere Kühlkanäle 21a geschaffen, so dass das Kühlmedium näher an die Wärmequellen Statorblechpaket und Wicklung gebracht wird. Es ist auch möglich das Kühlmedium durch die Kanäle 15a, 21a in unterschiedlicher Richtung fließen zu lassen. Es entfällt dann die Rückführung des Kühlmittels durch das Spindelgehäuse im Bereich des Motors.

Dadurch kann die Wandstärke des Spindelgehäuses minimiert und der Durchmesser des Statorblechpakets weiter vergrößert werden.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen, die eine verbesserte Kühlung bzw. eine günstigere Führung des Magnetfeldes zur Folge haben und die den Einbau eines größeren Motors ermöglichen, kann die Antriebsleistung der Elektrospindel ohne Änderung der Außenabmessungen erhöht oder die Temperatur insbesondere der Lager verringert werden.

Als Kühlmedium kommt vorwiegend Wasser, Öl oder Luft in Betracht.

Mit der vorliegenden Erfindung ist eine Leistungssteigerung, eine Verringerung der Temperatur oder eine kleinere Elektrospindel bei gleicher Leistung möglich, die kostengünstig und einfach realisierbar ist. Sie ist sowohl für Synchron- wie auch für Asynchronmotoren geeignet.


Anspruch[de]
  1. Werkzeugmaschinen-Elektrospindel mit einem Spindelgehäuse in dem ein Stator angeordnet ist, der über einen Rotor eine Spindelwelle antreibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (7) aus einem Statorblechpaket (70) besteht, das formschlüssig an der Innenwandung (11) des Spindelgehäuses (10) anliegt und das randseitig mehrere Außennuten (15) aufweist, die Kühlkanäle (15a) zur Aufnahme eines Kühlmediums bilden.
  2. Elektrospindel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Außennuten (15) durch Stege (78) begrenzt sind, die gegenüberliegend von im Stator vorgesehenen Wicklungsnuten (19) angeordnet sind.
  3. Elektrospindel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Statorblechpaket (70) Innennuten (21) vorgesehen sind, die zusätzliche Kühlkanäle (21a) bilden.
  4. Elektrospindel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innennuten (21) jeweils zwischen den Stegen (78) und den Wicklungsnuten (19) angeordnet sind.
  5. Elektrospindel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Wicklungsnut (19) genau eine Außennut (15) bzw. eine Innennut (21) zugeordnet ist.
  6. Elektrospindel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wickelköpfe (23) der im Statorblechpaket (70) verlaufenden Statorwicklungen vergossen sind und die Vergussmasse (30) zusammen mit einem Endblech (74) des Statorblechpakets (70) und dem Spindelgehäuse (10) einen Ringraum (32) bildet, über den das Kühlmedium zu bzw. abgeführt wird.
  7. Elektrospindel nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zur Abdichtung des Ringraums (32) zum Spindelgehäuse (10) bzw. Statorblechpaket (70) je ein Dichtelement (50) dient.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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