DE102007051227A1

DE102007051227A1 - Elektrische Direktantriebsvorrichtung

Info

Publication number: DE102007051227A1
Application number: DE102007051227A
Authority: DE
Inventors: Marko Pfeiffer; Günter Schmid
Original assignee: INA Drives and Mechatronics GmbH and Co KG; Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2007-10-26
Filing date: 2007-10-26
Publication date: 2009-04-30
Also published as: WO2009053396A1

Abstract

Eine elektrische Direktantriebsvorrichtung umfasst . eine zur Befestigung an einem Maschinengestell (3) vorgesehene Stützvorrichtung (6) und einen relativ zur Stützvorrichtung (6) rotierbaren Zylinder (2), . wobei die Stützvorrichtung (6) einen Lagerzapfen (4) sowie einen unter Bildung eines ringförmigen Spaltraumes (14) konzentrisch zum Lagerzapfen (4) angeordneten Stützring (5) umfasst, . wobei der Zylinder einen in den ringförmigen Spaltraum (14) eingreifenden inneren Ring (13) aufweist, welcher mittels eines Lagers (11) rotierbar auf dem Lagerzapfen (4) gelagert ist, . wobei radial außen am Stützring (5) eine Stator (15) eines Direktantriebsmotors (18) befestigt ist, . wobei der Stator (15) vom einen Rotor des Direktantriebsmotors (18) bildenden äußeren Ring (17) des Zylinders (2) umgeben ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine zum direkten elektrischen Antrieb eines rotierbaren Zylinders geeignete Vorrichtung. Unter einer solchen elektrischen Direktantriebsvorrichtung wird allgemein eine Antriebsvorrichtung verstanden, welche kein Getriebe zwischen einem antreibenden Elektromotor und dem angetrieben Bauteil aufweist.
Hintergrund der Erfindung
Eine elektrische Direktantriebsvorrichtung ist beispielsweise aus der DE 103 290 35 A1 bekannt. Diese Direktantriebsvorrichtung weist einen Ringläufer als Rotor aus. Als geeignete Motortypen sind unter anderem doe technischen Varianten Synchron- und Asynchronmotor genannt, wobei der Ringrotor im Fall einer Synchronmaschine Permanentmagnete und im Fall einer Asynchronmaschine einen Kurzschlusskäfig trägt.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Direktantriebsvorrichtung anzugeben, welche sich durch ein besonders günstiges Verhältnis zwischen nutzbarem Drehmoment und benötigtem Bauraum auszeichnet.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine elektrische Direktantriebsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Es handelt sich hierbei um eine rotative Antriebsvorrichtung, welche eine zur Befestigung an einem Maschinengestell geeignete Stützvorrichtung und einen relativ zu dieser rotierbaren Zylinder umfasst. Die Stützvorrichtung ist vorzugsweise mehrteilig ausgebildet und umfasst einen sich längs der Rotationsachse des Zylinders erstreckten Lagerzapfen sowie einen unter Bildung eines ringförmigen Spaltraums konzentrisch zum Lagerzapfen angeordneten Stützring. In den durch die Stützvorrichtung gebildeten ringförmigen Spaltraum greift ein innerer Ring des Zylinders ein, wobei der innere Ring als integraler Bestandteil des Zylinders oder als gesondertes, fest mit dem eigentlichen Zylinder verbundenes Bauteil gefertigt sein kann. In jedem Fall ist zwischen dem inneren Ring und dem Lagerzapfen ein Rotativlager gebildet. Das Lager ist vorzugsweise vollständig innerhalb des Spaltraums angeordnet.
Am Außenumfang des Stützrings ist ein Stator eines Direktantriebsmotors, insbesondere eines permanentmagneterregten Synchronmotors, befestigt. Der zugehörige Rotor des Direktantriebsmotors ist durch einen äußeren Ring des Zylinders gebildet, wobei wie im Fall des inneren Rings auch der äußere Ring entweder als integrale Komponente des Zylinders oder als gesondertes Bauteil gefertigt sein kann. Die Außenoberfläche des äußeren Rings bildet vorzugsweise zumindest einen Teil der Mantelfläche des Zylinders.
Insgesamt weist die nach dem Außenläuferprinzip konzipierte Direktantriebs vorrichtung einen schalenförmigen Aufbau auf, wobei – von innen nach außen – die Komponenten Lagerzapfen, Lager, innerer Ring, Stützring, Stator und Rotor derart ineinander geschachtelt sind, das sie im wesentlichen den selben axialen Bauraum einnehmen. Mit anderen Worten: Es existiert mindestens eine zur Rotationsachse des Zylinders normale Ebene, welche alle genannten Komponenten schneidet.
Das radial zwischen dem Lagerzapfen und dem inneren Ring des Zylinders angeordnete Lager kann als einziges Lager des Zylinders oder als eines von mehreren Lagern des Zylinders vorgesehen sein. Als Lagertypen kommen insbesondere Wälzlager, beispielsweise mehrreihige Kugel- oder Rollenlager, insbesondere vorgespannte zweireihige Schrägkugellager, in Betracht. Als weitere geeignete Lagertypen sind vorgespannte Radialrollenlager mit einem kombinierten Axialrollenlager, zwei gegenseitig vorgespannte Kegelrollenlager sowie vorgespannte Kreuzrollenlager zu nennen.
Mögliche Einsatzgebiete der elektronischen Direktantriebsvorrichtung sind beispielsweise Druckmaschinen wie Flexo- oder Offset-Druckmaschinen, Gravurmaschinen, Getränkeabfüllanlagen, Werkzeugmaschinen sowie Anlagen der Automatisierungs- und Handhabungstechnik. Besonders prädestiniert ist die elektrische Direktantriebsvorrichtung für bahnführende Maschinen, zu welchen neben den genannten Druckmaschinen zum Beispiel auch textil-, folien- und papiererzeugende oder -bearbeitende Anlagen zählen.
Nach einer bevorzugten Weiterbildung weist die elektrische Direktantriebsvorrichtung ein Winkelmesssystem auf, welches einen gestellfesten Abtastkopf sowie eine am Zylinder angebrachte Maßverkörperung umfasst. Vorzugsweise befindet sich die Maßverkörperung am Innenumfang des äußeren Rings, während der Abtastkopf im zwischen dem Stützring und dem äußeren Ring gebildeten Ringraum angeordnet ist. Alternativ kann die Maßverkörperung, um eine noch höhere Auflösung zu erzielen, auch am Außenumfang des äußeren Rings angeordnet sein. Das Winkelmesssystem, allgemein als externes Messsystem bezeichnet, kann in beiden Fällen beispielsweise optisch, induktiv oder magnetorestriktiv arbeiten. Ein externes Messsystem kann gänzlich entfallen, wenn die elektrische Direktantriebsvorrichtung frequenzangesteuert betrieben wird (Uf-Betrieb).
Beim Betrieb der elektrischen Direktantriebsvorrichtung in den Wicklungen des Stators entstehende Wärme ist besonders wirksam über Kühlmittelkanäle im Stützring abführbar. Um auf einfache Weise eine präzise, stabile Positionierung des Stützrings relativ zum Lagerzapfens zu erreichen, weist der Stützring gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung einen nach innen gerichteten Flansch auf, welcher den Lagerzapfen an dessen Außenumfang kontaktiert. Der auch als Bord bezeichnete Flansch des Stützrings ist vorzugsweise an derjenigen Stirnseite des Stützrings angeordnet, die dem rotierbaren Zylinder abgewandt ist. Der ebenso wie der Stützring an einem nicht rotierbaren Maschinenteil befestigbare, insbesondere anschraubbare, Lagerzapfen ist in vorteilhafter Ausgestaltung von einem Kanal durchzogen, der der Schmiermittelversorgung des den Zylinder lagernden Wälzlagers dient.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Beschreibung der Zeichnung
Die einzige Figur zeigt in einer vereinfachten Schnittdarstellung ausschnittsweise eine elektrische Direktantriebsvorrichtung 1 zum Antrieb eines Zylinders 2, der beispielsweise zum Transport und oder zur Bearbeitung bahnförmigen Materials vorgesehen ist. Die Direktantriebsvorrichtung 1 ist an einem nicht rotierbaren Maschinengestell 3, beispielsweise einer Maschinenwand, befestigt, wobei direkt am Maschinengestell 3 angeschraubte Komponenten der Direktantriebsvorrichtung 1, nämlich ein Lagerzapfen 4 sowie ein diesen ringförmig umgebender Stützring 5, zusammenfassend als Stützvorrichtung 6 bezeichnet sind. Die Symmetrieachse des Lagerzapfens 4 gibt die Lage der Rotationsachse R des Zylinders 2 an. Der Lagerzapfen 4 ist in einer Zentrierung 7 im Maschinengestell 3 aufgenommen. Die Zentrierung 7 ist radial umgeben von einem durch den Stützring 5 gebildeten, am Maschinengestell 3 anliegenden, radial nach innen gerichteten Flansch 8, welcher an der Außenoberfläche des Lagerzapfens 4 anliegt.
Der Lagerzapfen 4 weist einen im Vergleich zu einem am Maschinengestell 3 befestigten Abschnitt 9 verjüngten Abschnitt 10 auf, der ein Lager 11, nämlich ein zweireihiges Schrägkugellager, trägt. Zur Zuführung von Schmiermittel zum Lager 11 ist ein im Lagerzapfen 4 verlaufender Schmiermittelkanal 12 vorgesehen. Mit Hilfe des Lagers 11 ist ein einstückig mit dem Zylinder 2 verbundener innerer Ring 13 rotierbar auf dem Lagerzapfen 4 gelagert. Der innere Ring 13 sowie das Lager 11 befinden sich in einem zwischen dem Stützring 5 und dem Lagerzapfen 4 gebildeten ringförmigen Spaltraum 14.
Der Stützring 5 ist von einem an dessen äußerer Mantelfläche befestigten Stator 15 umgeben. Der Stator 15 kann ringförmig um den gesamten Stützring 5 gelegt sein. Alternativ ist es möglich, den Stator 15 lediglich in Form mindestens eines segmentförmigen Abschnitts auszubilden. In diesem Zusammenhang wird auf die EP 1 485 980 B1 verwiesen, aus welcher ein Elektromotor in Segmentbauweise prinzipiell bekannt ist.
Der bestrombare Stator 15 wirkt zusammen mit einer Mehrzahl an Permanentmagneten 16, welche in einem äußeren Ring 17 des Zylinders 2 befestigt sind. Der mit den Magneten 16, nämlich Seltenerdmagneten, bestückte äußere Ring 17, welcher ebenso wie der innere Ring 13 integraler Bestandteil des Zylinders 2 ist, bildet den Rotor des insgesamt mit den Bezugszeichen 18 gekennzeichneten Direktantriebsmotors. Die äußere Oberfläche des äußeren Rings 17 bildet zugleich eine zur Führung eines bahnförmigen Materials vorgesehene Mantelfläche 19 des mittels des Lagers 11 fliegend gelagerten Zylinders 2.
Zur Detektion der Winkelstellung und/oder Winkelgeschwindigkeit des Zylinders 2 ist ein Winkelmesssystem 20 vorgesehen, welches eine an der Innenseite des äußeren Rings 17 angebrachte Maßverkörperung 21 sowie einen gestellfesten, am Maschinengestell 3 befestigten Abtastkopf 22 umfasst. Der Abtastkopf 22 ist damit in einem Ringraum 23 angeordnet, welcher zwischen dem Stützring 5 und dem äußeren Ring 17 gebildet ist und in dem sich auch der Stator 15 befindet. Das Winkelmesssystem 20 kann beispielsweise induktiv, magnetorestriktiv oder optisch arbeiten. in jedem Fall ist eine hohe Auflösung bei gleichzeitig geschützter Anordnung des Abtastkopfes 22 dadurch erreichbar, das die Maßverkörperung 21 nur gering von der äußeren Oberfläche 19 des Zylinders 2 beabstandet ist.
Der den Stator 15 tragende Stützring 5 weist zur Abführung von im Direktantriebsmotor 18 entstehender Wärme Kühlkanäle 24 auf, welche – soweit sie nicht vollständig innerhalb der Stützrings 5 verlaufen – als Kühlnuten ausgebildet sind, deren Querschnitt durch den den Stützring 5 kontaktierenden Stator 15 geschlossen ist.

1: Direktantriebsvorrichtung
2: Zylinder
3: Maschinengestell
4: Lagerzapfen
5: Stützring
6: Stützvorrichtung
7: Zentrierung
8: Flansch
9: Abschnitt
10: verjüngter Abschnitt
11: Lager
12: Schmiermittelkanal
13: innerer Ring
14: Spaltraum
15: Stator
16: Magnet
17: äußerer Ring
18: Direktantriebsmotor
19: Mantelfläche
20: Winkelmesssystem
21: Maßverkörperung
22: Abtastkopf
23: Ringraum
24: Kühlkanal
R: Rotationsachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10329035 A1 [0002]
- EP 1485980 B1 [0014]

Claims

Elektrische Direktantriebsvorrichtung, • mit einer zur Befestigung an einem Maschinengestell (3) vorgesehenen Stützvorrichtung (6) und einem relativ zur Stützvorrichtung (6) rotierbaren Zylinder (2), • wobei die Stützvorrichtung (6) einen Lagerzapfen (4) sowie einen unter Bildung eines ringförmigen Spaltraumes (14) konzentrisch zum Lagerzapfen (4) angeordneten Stützring (5) umfasst, • wobei der Zylinder einen in den ringförmigen Spaltraum (14) eingreifenden inneren Ring (13) aufweist, welcher mittels eines Lagers (11) rotierbar auf dem Lagerzapfen (4) gelagert ist, • wobei radial außen am Stützring (5) ein Stator (15) eines Direktantriebsmotors (18) befestigt ist, • wobei der Stator (15) vom einem einen Rotor des Direktantriebsmotors (18) bildenden äußeren Ring (17) des Zylinders (2) umgeben ist.
Direktantriebsvorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass als Lager (11) ein Wälzlager vorgesehen ist.
Direktantriebsvorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass das Lager (11) als mehrreihiges Wälzlager ausgebildet ist.
Direktantriebsvorrichtung nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (11) als zweireihiges Schrägkugellager ausgebildet ist.
Direktantriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 gekennzeichnet durch ein einen gestellfesten Abtastkopf (22) sowie eine am Zylinder (2) angebrachte Maßverkörperung (21) umfassendes Winkelmesssystem (20).
Direktantriebsvorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Maßverkörperung (21) an der Innenseite des äußeren Rings (17) und der Abtastkopf im zwischen dem Stützring (5) und dem äußeren Ring (17) gebildeten Ringraum (23) angeordnet ist.
Direktantriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Direktantriebsmotor (18) als permanentmagneterregter Synchronmotor ausgebildet ist.
Direktantriebsvorrichtung nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Direktantriebsmotor (18) Seltenerdmagnete als Permanentmagnete (16) aufweist.
Direktantriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerzapfen (4) einen zur Zuführung eines Schmiermittels zum Lager (11) geeigneten Schmiermittelkanal (12) aufweist.
Direktantriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (15) des Direktantriebsmotors (18) segmentartig aufgebaut ist.
Direktantriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass der Stützring (5) einen zur Kühlung des Stators (15) vorgesehen Kühlkanal (24) aufweist.
Direktantriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass der Stützring (5) einen nach innen gerichteten, den Lagerzapfen (4) kontaktierenden Flansch (8) aufweist.