DE102005057370A1

DE102005057370A1 - Rotationslinearantriebsanordnung

Info

Publication number: DE102005057370A1
Application number: DE102005057370A
Authority: DE
Inventors: Joachim Denk; Detlef Dr. Potoradi; Rolf Vollmer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-12-01
Filing date: 2005-12-01
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2025-12-02
Also published as: WO2007063073A2; WO2007063073A3; JP2009517994A; DE102005057370B4; US20080289440A1

Abstract

Rotationslinearantriebsanordnung (1) mit Mitteln, eine rotatorische Bewegung, eine Linearbewegung als auch eine magnetische Lagerung eines gemeinsamen Antriebsstrangs (2) im Betrieb der Rotationslinearantriebsanordnung (1) durchzuführen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotationslinearantriebsanordnung.

Insbesondere bei Werkzeugmaschinenanwendungen muss eine dabei verwendete Spindel ergänzend zu einer Rotationsbewegung eine Bewegung in Längsrichtung ausführen. Die bisher bekannten Lösungen zur Erweiterung des Drehfreiheitsgrades einer derartigen Werkzeugspindel um diesen Hub-Freiheitsgrad besteht darin, die gesamte Spindel mittels eines separaten Antriebs beispielsweise auf Basis von Kugelrollspindeln axial zu verfahren. Dies führt zu einem vergleichsweise voluminösen Aufbau und einem vergleichsweise hohen Gewicht der gesamten Antriebsanordnung.

Es sind Antriebsanordnungen bekannt, die bei vergleichsweise kleinen axialen Fahrwegen eine Rotation- und Axialbewegung erzeugen. Dies geschieht insbesondere bei kombinierten Hub- und Drehspindeln. Bei dieser Antriebsanordnung fungiert die Spindel gleichzeitig als Rotor eines rotatorischen Antriebs und als axial bewegter Teil eines linearen Antriebs. Da aber nunmehr die Spindel sowohl rotatorisch als auch linear bewegbar sein muss, ist eine dementsprechende Lagerung sehr aufwändig und dementsprechend teuer.

Die bisher bekannten Lagerkonzepte auf Grundlage der konventionellen Kugellager und Linearführungen sind mechanisch aufwändig zu realisieren.

Auch die bisher eingesetzten Hydrostatiklager verursachen vergleichsweise große Reibungsverluste und die Dichtungsproblematik ist nur unzureichend gelöst.

Magnetisch gelagerte Körper sind beispielsweise aus der DE 28 33 893 bekannt.

Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, für einen Rotationslinearantriebsanordnung eine Lagerung zu schaffen, die vergleichsweise einfach zu realisieren ist und auch bei höheren Drehzahlen, wie sie insbesondere in Werkzeugmaschinen auftreten, eine ausreichende Steifigkeit und Unempfindlichkeit gegenüber Pendelmomenten aufweist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine Rotationslinearantriebsanordnung mit Mitteln eine rotatorische Bewegung, eine Linearbewegung als auch eine magnetische Lagerung eines gemeinsamen Antriebsstrangs im Betrieb der Rotationslinearantriebsanordnung durchzuführen.

Da nunmehr sowohl eine rotatorische Antriebsordnung als auch eine translatorische Antriebsordnung am Antriebsstrang vorhanden ist, können diese Antriebe sowohl eine Axiallagerung als auch Radiallagerung übernehmen.

In einer weiteren Ausführungsform ist der Antriebsstrang lediglich durch zwei Axiallager vorteilhafterweise am Anfang und Ende des Antriebsstrangs gelagert, wobei eine Axiallagerung durch den Linearantrieb erfolgt. Die Vorteile einer derartigen Lagerung von Rotationslinearantrieben bestehen darin, dass nunmehr eine annähernde Reibungsfreiheit vorhanden ist und damit sich ein vergleichsweise höherer Wirkungsgrad der Rotationslinearantriebsanordnung einstellt.

Des Weiteren sind durch die magnetische Lagerung dieses Antriebsstranges die Wartungsfreiheit und Verschleißfreiheit garantiert und ein störungsfreier Betrieb der gesamten Rotationslinearantriebsanordnung gewährleistet.

Außerdem sind durch die Schmiermittelfreiheit, wenn man von den ggf. eingesetzten klassischen Auffanglagern absieht, keine Dichtungsprobleme vorhanden. Aufgrund der Schmiermittelfreiheit der magnetischen Lageranordnungen im Normalbetrieb der Rotationslinearantriebsanordnung ist diese für den Einsatz bei Vakuumanwendungen besonders geeignet.

Des Weiteren ermöglicht die magnetische Lagerung hohe Drehzahl im Bereich über 40000 Umdrehungen pro Minute, die deshalb insbesondere für den Werkzeugmaschinenbau äußerst vorteilhaft sind. Ein weiterer Vorteil ist die hohe Steifigkeit dieser Lageranordnung in Verbindung mit einem Rotationslinearantrieb. Die Lagerung des Antriebsstrangs erfolgt nunmehr in axialer und radialer Richtung. Diese Lagerung kann in rotatorischer und linearer Art und Weise erfolgen. Die erfindungsgemäße Lagerung ist weiterhin ein Bestandteil der Antriebe, die den Antriebsstrang umgeben oder als Teil des Antriebsstrangs ausgebildet sind.

Dabei kann eine geeignete Regelung, deren Sensoren Teil eines Motors oder eines separaten Magnetlagers sind, die Istwertposition des Antriebsstrangs erfassen und über geeignete Verstärker oder Regelanordnungen daraufhin eine Leistungsgröße ausgeben, die über eine Magnetspule dieser Lageranordnungen bzw. des Antriebs den gegebenenfalls gewünschten Sollwert einstellt.

Als geeignete Sensoren sind dabei Winkelstromsensoren geeignet.

Da bei Ausfall der einen oder anderen Magnetlager ein gesicherter Notbetrieb für eine vorgebbare Zeit aufrechterhalten werden soll, sind in vorteilhafter Weise Auffanglager vorgesehen, die als klassische Wälz- oder Gleitlager oder als passive Magnetlager, d.h. durch Permanentmagnete realisiert sind. Die Fanglager, die als klassische Lageranordnungen ausgebildet sind, befinden sich dabei außerhalb des Antriebs. Die passiven Magnetlager befinden sich außerhalb oder innerhalb des Antriebs, bilden dann also einen Teil des Antriebs.

Der Antriebsstrang selbst ist einstückig oder aus mehreren hintereinander zusammengesetzten Modulen aufgebaut. Dabei ist in einer weiteren Ausführungsform der Antriebsstrang oder zumindest ein Modul des Antriebstrangs als Hohlwelle ausge führt, die dann gegebenenfalls Mittel zur Kühlung, Lageerfassung etc. beinhaltet.

An oder in dem Antriebsstrang sind nunmehr weitere Mittel vorgesehen, die mit den jeweiligen Antriebsvorrichtungen, d.h. den Statoren der rotatorischen Motoren oder Linearmotoren elektromagnetisch wechselwirken. Dies sind in vorteilhafter Weise dementsprechend gestaltete Elemente des Antriebsstrangs z.B. Zahnstangenprofile.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen sind Permanentmagnete auf dem Antriebsstrang oder in axial verlaufenden Taschen des Antriebsstranges angeordnet, die mit ihrem Magnetfeld mit einem von einem Stator erzeugten Wechselfeld elektromagnetisch wechselwirken und somit neben der Lagerfunktion eine rotatorische oder lineare Bewegung erzeugen.

Spezielle Anordnungen der Permanentmagnete auf dem Antriebsstrang, d.h. mit schräg verlaufenden Magnetabschnitten, die beispielsweise V-förmig angeordnet sind, lassen sich die Axialkräfte und die Pendeldrehmomente reduzieren, so dass dementsprechend reduzierte Anforderungen an die Magnetlager zu stellen sind.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß den Unteransprüchen werden in den folgenden schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Darin zeigen:
1 prinzipielle Anordnung eines Antriebsstrangs eines Rotationslinearantriebs,
2 und 3 weitere Ausführungsbeispiele,
4 einen Querschnitt eines Antriebs nach 3,
5, 6 weitere Ausführungsbeispiele,
7 bis 9 verschiedenen Ausführungen des Antriebsstrangs.
1 zeigt eine Rotationslinearantriebsanordnung 1 mit einem Antriebsstrang 2, der beispielsweise einen Bohrer 3 als Werk zeug in seiner axialen Verlängerung aufweist. Der Bohrer 3 kann durch den rotatorischen Antrieb 4 in Umdrehung und durch den Linearantrieb 7 in axialer Richtung bewegt werden. Des Weiteren wird der Antriebsstrang 2 durch in diesem Ausführungsbeispiel prinzipiell dargestellte Magnetlager 10 und 11 radial gelagert. Die axiale Lagerung und/oder Positionierung übernimmt der Linearantrieb 7. Der rotatorische Antrieb 4 ist im Prinzip durch einen Stator 5 und einen Rotor 6 aufgebaut, der einen Teil des Antriebsstrangs 2 dargestellt. Der Rotor 6 weist beispielsweise Permanentmagnete 13 auf, die in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind, dabei können die Permanentmagnete 13 als Oberflächenmagnete oder als vergrabene Permanentmagnete 13 angeordnet sein.
Der Linearantrieb 7 weist ebenfalls einen Ständer 8 und einen Abschnitt des Antriebsstrangs 2 als Läufer 9 auf, wobei der Antriebsstrang 2 in diesem Bereich ebenfalls Permanentmagnete 12 aufweist. Durch spezielle Anordnung der Permanentmagnete 12, 13 können Drehmomentwelligkeiten, Pendelmomente und Axialkräfte reduziert werden, so dass den Magnetlager 10, 11 lediglich eine radiale Aufnahmefunktion zukommt.
Der Antriebsstrang 2 ist abschnittsweise so aufgebaut, dass die jeweiligen Abschnitte, beispielsweise Rotor 6, Läufer 9 mit ihren jeweils elektromagnetisch korrespondierenden stationären Abschnitten, beispielsweise Stator 5 und Ständer 8 elektromagnetisch wechselwirken. Sofern vorhanden trifft dies auch auf die explizit ausgeführten Magnetlager 10, 11 zu.
2 zeigt in einer weiteren Ausführungsform einen Linearmotor 7, der bevorzugt zwischen zwei rotatorischen Antriebe 4 angeordnet ist. Damit sind die Magnetlager 10 und 11 gemäß 1 nicht mehr notwendig, da durch die rotatorischen Antriebe 4 die Rotationsbewegung erzeugt und die Radiallagerfunktion übernommen wird. Der Linearantrieb 7 erzeugt eine Translationsbewegung und übernimmt die Axiallagerfunktion.
In einer weiteren Ausführungsform nach 3 sind jeweils bezüglich des Antriebsstrangs 2 nur zwei Antriebe 15 vorhanden, so dass ebenfalls keine separaten Magnetlager 10, 11 vorzusehen sind. Die Magnetlagerfunktion wird dabei von den Antrieben 15 selbst übernommen, die jeweils sowohl als Rotationsantrieb, Radiallager und Translationsantrieb und Axiallager vorgesehen sind. Dabei bildet jeder Antrieb 15 für sich eine Kombination aus einem rotatorischen und einem translatorischen Antrieb. Der jeweilige Abschnitt des Antriebsstranges 2 ist dabei diesen speziellen Antrieben 15 anzupassen.
4 zeigt in einer prinzipiellen Darstellung einen Antrieb 15 gemäß der 3 dargestellten Ausführungsform. Der Antriebsstrang 2 ist mit einem Blechpaket 16 versehen an oder in dem sich die Permanentmagnete 17 befinden. Der Stator 18 dieses Antriebs 15 weist in Umfangsrichtung betrachtet zumindest zwei unterschiedliche Segmente 19, 20 auf. Das Segment 19 ist dabei als rotatorischer Teilmotor mit axial verlaufenden prinzipiell dargestellten Nuten 21 ausgebildet, wobei in den Nuten 21 ein dementsprechendes für diese Art von Motor angepasstes Wicklungssystem angeordnet ist. Dieses Wicklungssystem kann aus Zahnspulen, also aus jeweils einen Zahn 30 umfassende Spulen oder aus klassischen gesehnten Spulen aufgebaut sein.
Das andere Segment 20 ist als translatorischer Teilmotor ausgebildet, bei dem die Nuten 22 jeweils in Umfangsrichtung verlaufen, somit zumindest einen genuteten Teilkreis bilden und darin die Wicklungen 23 angeordnet sind.
5 zeigt eine Rotationslinearantriebsanordnung 1 bei der der Antriebsstrang 2 aus zwei Modulen 24 aufgebaut ist, wobei das von dem Werkzeug 3 abgewandte Modul zumindest abschnittsweise als Hohlwelle 31 ausgeführt ist. Damit wir die Trägheit des Antriebsstrangs 2 reduziert und Bauraum für nicht näher dargestellte Geber und/oder elektronischen Steuer- und Regeleinrichtungen geschaffen. Vorteilhafterweise sind die Module 24 den jeweiligen Antrieben 4, 7, 15 zugeordnet, da je nach Antriebsart unterschiedlich mit Permanentmagneten strukturierte Abschnitte des Antriebsstrangs 2 diesen Antrieben 4, 7, 15 zuzuordnen sind.
6 zeigt eine auf der Ausführung nach 3 basierende Anordnung, bei der Antriebsstrang 2 als durchgehende Hohlwelle 36 ausgeführt ist.
In die Hohlwelle 36 oder auch in einer abschnittsweisen Hohlwelle 31 gemäß 5 sind Geber, Kühlvorrichtungen, wie Heatpipes, Cooljets oder Thermosyphons etc. unterbringbar.
7 zeigt einen Rotor 6 für einen rotatorischen Antrieb 4. Die jeweiligen Permanentmagnete 13 sind in axialer Richtung einstückig oder aus mehreren hintereinander angeordneten Magnet-Plättchen zusammengesetzt.
8 zeigt einen von vielen möglichen ausgeführten Abschnitten, siehe auch 5, des Antriebsstrangs 2, der als Läufer 9 ausgebildet ist und für die translatorische Bewegung des Antriebsstrangs 2 zuständig ist. Die Permanentmagnete 12 sind dementsprechend gepolte Ringmagnete oder sie sind aus mehreren Magnetsegmenten aufgebaut, die auf dem Antriebsstrang 2 positioniert z.B. geklebt sind.
Die Polbedeckung des mit Permanentmagneten bedeckten Abschnitts des Antriebsstrangs 2 von rotatorischem und translatorischem Antrieb 4, 7 beträgt abhängig von den zu eliminierenden Rastkräften 50% bis 100%. Die zwischen den Permanentmagneten liegen Stege 33 führen neben einer erleichterten Montage auch zu einem zusätzlichen Reluktanzmoment.
Damit der rotatorische Antrieb 4 neben den Tangentialkräften, die die Rotation bewirken auch Radialkräfte zur Lagerung des Antriebsstrangs 2 erzeugt, sind im Stator 5 zwei separate Wicklungssystem in den axial verlaufenden Nuten vorzusehen.
Zum Beispiel muss der Stator 5 neben der Polzahl mit der Tangentialkräfte erzeugt werden eine weitere Polzahl aufweisen, die um 2 größer oder kleiner ist. Mit dieser Polzahl werden dann innerhalb dieses Antriebs die Radialkräfte erzeugt. (Rotorpolzahl: 4; Statorpolzahl1: 4; Statorpolzahl2: 2 oder 6).
Die beiden separaten Wicklungssysteme dieses Antriebs 4 sind dabei separat regelbar.
Abschnitte des Antriebsstrangs 2 nach 9 eignen sich insbesondere für Rotationslinearantriebe 1 nach 3 und 6, wobei in einem Antrieb 15 zumindest ein Wicklungssystem in axialen und zumindest ein Wicklungssystem 23 in Umfangsrichtung verlaufenden Nuten 21, 22 befindet. Die Permanentmagnete 31 sind Schachbrettartig angeordnet. Die Zwischenräume 32 sind eisenlos, d.h. sie sind von einem amagnetischen Material belegt, oder sind frei von Materialien.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Antriebe 4, 7, 15 um die Statoren 5, bzw. Ständer 7 je einen Kühlmantel 35 auf, die die Verlustwärme durch Flüssigkeitskühlung oder Luftkühlung aus dem Stator 5 bzw. Ständer 7 abführen. Diese Kühlmantel sind beispielhaft in 5, 6 dargestellt.

Claims

Rotationslinearantriebsanordnung (1) mit Mitteln eine rotatorischen Bewegung, eine Linearbewegung als auch eine magnetische Lagerung eines gemeinsamen Antriebsstrangs (2) im Betrieb der Rotationslinearantriebsanordnung (1) zu erzeugen.
Rotationslinearantriebsanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine axiale und radiale magnetische Lagerung des Antriebsstrangs (2) erfolgt.
Rotationslinearantriebsanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Lagerung durch zumindest einen Rotationsantrieb (4) und zumindest einen Linearantrieb (7) erfolgt.
Rotationslinearantriebsanordnung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (2) durch zusätzliche Magnetlager (10, 11) gelagert ist.
Rotationslinearantriebsanordnung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (2) zumindest zwei Auffanglager aufweist, die in einem Sicherheitsfall zumindest zeitweise einen Teil der Lagerung des Antriebsstranges (2) übernehmen.
Rotationslinearantriebsanordnung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auffanglager klassische Wälz- oder Gleitlager oder als passive Magnetlager ausgeführt sind.
Rotationslinearantriebsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsstrang (2) zumindest einen axialen Abschnitt aufweist, der als Hohlwelle (31, 36) ausgeführt ist.
Rotationslinearantriebsanordnung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in diesen axialen Abschnitt, der als Hohlwelle (31, 36) ausgeführt ist, Mittel zur Rotorlageerfassung, Drehzahlerfassung, Kühlung, etc. vorgesehen sind.
Rotationslinearantriebsanordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung bei Hub-Dreh-Spindeln von Werkzeugmaschinen.