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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor vorzugsweise einer Werkzeugmaschineneinheit wie ein Mehrachsendrehkopf, eine Motorspindel, ein Drehtisch oder dergleichen mit einer Statoreinheit und einer wenigstens eine um eine Drehachse drehbare Rotorwelle aufweisende Rotoreinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Elektromotorisch angetriebene Maschineneinheiten wie beispielsweise Motorspindeln werden in Werkzeugmaschinen eingesetzt. Die Aufgabe von Werkzeugmaschinen ist es im Allgemeinen, Bauteilgeometrien zu erzeugen, vorzugsweise mit spanenden Verarbeitungstechniken, die hinsichtlich Form, Lage und Abmessungen genau definiert sind. Hierbei werden die Anforderungen in Bezug auf Genauigkeit immer höher, wobei nicht nur ein hundertstel, sondern auch zumindest teilweise bereits ein tausendstel Millimeter Genauigkeit gefordert wird.
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Ein großer Störfaktor sind thermische Verformungen der Werkzeugmaschine, die sofern sie nicht kompensiert werden, zu erheblichen Geometriefehlern an dem zu fertigenden Bauteil führen. Diese Verformungen entstehen unter anderem durch das Aufheizen unterschiedlicher Bereiche der Werkzeugmaschine im Betrieb und die Ursache dieses Aufheizens sind häufig unterschiedlichste Verlustleistungsquellen innerhalb der Maschine.
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Eine nicht zu vernachlässigende Verlustleistungsquelle ist die Motorspindel bzw. der elektromotorische Antrieb. Der in der Motorspindel integrierte Elektromotor wandelt die elektrisch zugeführte Energie in Nutzenergie, aber auch immer zu einem gewissen Anteil in Verlustenergie um. Da moderne Motorspindeln zum Teil eine erhebliche elektrische Leistung aufweisen, sind auch die Verluste zum Teil erheblich.
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Bislang werden die üblicherweise verwendeten Motorspindeln bereits gekühlt, um vor allem auch innerhalb der Motorspindel thermische Verformungen bzw. Ausdehnungen möglichst zu reduzieren und um Schäden der elektrischen Isolation der Motorwicklung durch unzulässig hohe Temperaturen zu vermeiden. Beispielsweise soll hierdurch eine Beeinträchtigung der Rotorwellenlagerung durch thermische Verspannungen verhindert werden. Mit einer derartigen Kühlung, insbesondere unter Zuhilfenahme einer Kühlflüssigkeit, wird bereits ein Großteil der eingebrachten Verlustleistungsenergie über das Kühlmedium bzw. die Kühlflüssigkeit im Wesentlichen aus der Werkzeugmaschine abgeführt.
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Allerdings geht hierbei ein nicht zu vernachlässigender Teil der Verlustleistungsenergie über Wärmeleitung oder Wärmestrahlung auch in die Struktur der Werkzeugmaschine und führt dort zu so genannten „Wärmenestern”, die wiederum zu geometrischen Abweichungen bei der Werkstückbearbeitung führen können. Dementsprechend ungenau wird die Bearbeitung durch derartige „Wärmenester”. Mit Luft gekühlte Elektromotoren bzw. Motorspindeln generieren hierbei für eine moderne, hochgenaue Werkstückbearbeitung nicht tolerable thermische Dehnungen bzw. Ungenauigkeiten. Ausschließlich ein Kühlflüssigkeit kann die hohen Abwärmemengen in ausreichendem Maß abführen.
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Aus der
DE 198 49 573 A1 ist bereits ein Elektromotor für eine Motorspindel bekannt, der eine thermische Isoliereinheit aufweist, um die anfallende Verlustwärme möglichst direkt am Entstehungsort abzuführen, so dass möglichst kein nennenswerter Einfluss der thermischen Dehnung im oder am Stator entsteht. Hierzu sind mindestens zwei Kühlschichten mit getrennten Flüssigkeitskühlkreisläufen vorgesehen, zwischen denen die Isolationsschicht angeordnet wird. Dieser Elektromotor mit getrennten Kühlkreisläufen und dazwischen liegender Isolationsschicht ist somit jedoch vergleichsweise aufwendig und voluminös.
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Dementsprechend weist dieser Elektromotor nicht nur einen konstruktiv und wirtschaftlich relativ großen Aufwand bei der Herstellung und während dem Betrieb auf, vielmehr geht die voluminöse Kühlung und Isolierung bei den beengten Platzverhältnissen moderner Werkzeugmaschinen auf Kosten des elektrischen Antriebs bzw. der Motorleistung. Letzteres steht den ständig steigenden Anforderungen an noch größere Motorleistungen im Werkzeugmaschinenbereich diametral entgegen.
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Aufgabe und Vorteile der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, einen Elektromotor, insbesondere für eine Werkzeugmaschineneinheit wie ein Mehrachsendrehkopf, eine Motorspindel, einen Drehtisch oder dergleichen, vorzuschlagen, der hohe Anforderungen bezüglich der Maßhaltigkeit der Rotorwelle erfüllt, jedoch mit geringerem Aufwand und insbesondere platzsparend bzw. mit einer höheren Leistungsdichte realisiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Elektromotor der einleitend genannten Art, durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
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Dementsprechend zeichnet sich ein erfindungsgemäßer Elektromotor dadurch aus, dass wenigstens eine die das Statorblechpaket aufweisende Statoreinheit umgebende thermische Vakuum-Isoliereinheit in radialer Richtung betrachtet außerhalb der Abwärme-Kühlvorrichtung angeordnet ist. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass mit Hilfe dieser Maßnahme es ebenfalls möglich ist, die Wärmeleitung bzw. Wärmestrahlung des Elektromotors bzw. der Werkzeugmaschineneinheit innerhalb der Werkzeugmaschine zu/auf andere Komponenten der Werkzeugmaschine erheblich zu verhindern. Hierdurch werden die Bildung von „Wärmenestern” bzw. thermische Ausdehnungen oder Verspannungen von Komponenten bzw. der Struktur der Werkzeugmaschine wirkungsvoll verhindert. Dementsprechend können sehr hohe Anforderungen bezüglich der zu realisierenden Geometrie am zu fertigenden Bauteil bzw. Werkstück erfüllt werden.
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Im Gegensatz zum Stand der Technik gemäß der
DE 198 49 573 A1 hat sich nämlich überraschenderweise gezeigt, dass durchaus eine einzige Kühlschicht ausreichend ist, wenn gemäß der Erfindung um die Kühlschicht bzw. den Kühlmantel der Statoreinheit die erfindungsgemäße Vakuum-Isoliereinheit herum angeordnet wird. Durch den Wegfall einer zweiten, separaten Kühlschicht mit separatem zweiten Flüssigkeitskühlkreislauf wird der konstruktive und wirtschaftliche Aufwand erheblich reduziert. Auch ist der Betrieb des Elektromotors mit nur einem Flüssigkeitskühlkreislauf gemäß der Erfindung weniger aufwendig als beim vorgenannten Stand der Technik.
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Darüber hinaus wird einerseits durch das Vermeiden einer zweiten, außerhalb der thermischen Isolationsschicht liegenden zweiten Kühlschicht eine erheblich platzsparendere Flüssigkeitskühlung mit dazugehöriger thermischer Isolation bzw. Abschirmung der Motorabwärme gegenüber der Umgebung des Elektromotors erreicht.
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Andererseits kann durch die erfindungsgemäße Verwendung von Vakuum für die Isolation im Vergleich zur mit Gas gefüllten Isolationsschicht gemäß der
DE 198 49 573 A1 bei gleicher oder besserer thermischer Isolationswirkung eine deutliche Volumenreduktion bzw. Platz sparende Bauweise realisiert werden. Folglich steht gemäß der Erfindung bei gleichem Bauvolumen bzw. Außenmaße des Elektromotors wesentlich mehr Bauraum für die Antriebskomponenten bzw. für das elektromagnetische Antriebssystem zur Verfügung, d. h. für das Magnetsystem der Rotoreinheit und für die Spulen bzw. das Blechpaket der Statoreinheit.
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Dementsprechend weist der Elektromotor gemäß der Erfindung nicht nur eine hohe Maßhaltigkeit im Betrieb auf, sondern auch eine entscheidend höhere Leistungsdichte als dieser Stand der Technik, d. h. Leistung pro Bauvolumen. Der Elektromotor gemäß der Erfindung vereinigt somit eine sehr geringe thermische Dehnung im Betrieb mit drastisch reduziertem Aufwand und minimalem Platzbedarf, so dass auch zukünftige, besonders hohe Anforderungen bei Werkzeugmaschinen erfüllt bzw. realisiert werden können.
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Vorteilhafterweise ist die Kühlvorrichtung in radialer Richtung betrachtet zwischen der Rotoreinheit und der Isoliereinheit angeordnet. Hierdurch wird es möglich, dass die innerhalb des Elektromotors bzw. der Werkzeugmaschineneinheit entstehende Verlustwärme nahezu vollständig von der Kühlvorrichtung, die vorzugsweise wenigsten teilweise radial außen bzw. um die Verlustwärmequelle herum angeordnet ist, abgeführt wird, ohne dass eine Wärmeleitung oder Wärmestrahlung an die äußere Mantelfläche bzw. die Motoraußenfläche weitergegeben wird. So schirmt die thermische Vakuum-Isoliereinheit gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weise die Wärmequelle bzw. den Wärmebereich wirkungsvoll ab, wobei die zwischen der Wärmequelle und der thermischen Vakuum-Isoliereinheit angeordnete Kühlvorrichtung die entstehenden Verlustwärmemengen im Wesentlichen vollständig und unschädlich abführen kann.
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Vorzugsweise ist mantelartig bzw. als Hohlzylinder um die Wärmequelle und/oder die Kühlvorrichtung eine vorzugsweise polierte, in Richtung Drehachse ausgerichtete und gegebenenfalls vorteilhaft beschichtete Oberfläche vorhanden und/oder eine Wärmereflexionsschicht/-fläche oder dergleichen angeordnet. Hierdurch wird ein Materialabtrag in das Vakuum minimiert und/oder die Wärmeleitung bzw. Wärmestrahlung in vorteilhafter Weise innerhalb des Stators bzw. Elektromotors gemäß der Erfindung zurückgehalten.
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Vorteilhafterweise weist das Gehäuse wenigstens teilweise einen auf der Außenseite angeordneten Schutzmantel zum Schützen der Vakuum-Isoliereinheit auf. Beispielsweise kann es sich bei diesem Schutzmantel um einen metallischen Schutzmantel wie ein Metallblech, eine Metallhülse, Kunststoffummantelung, Glasfaserummantelung oder dergleichen handeln. Es hat sich gezeigt, dass gerade für den Einsatz in Werkzeugmaschinen eine Metallblech-Schutzhülse, insbesondere aus Stahl hergestellt, den zum Teil rauen Anforderungen im Betrieb in besonderer Weise standhält. So kann zum Beispiel die Schutzhülse bzw. der Schutzmantel vor allem mechanische Beschädigungen der thermischen Isoliereinheit wirkungsvoll verhindern.
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Bei einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist der Schutzmantel im Wesentlichen als Hohlzylinder ausgebildet. Ein Hohlzylinder kann durch bisher vielfach bewährte Herstellungsverfahren verwirklicht und beispielsweise als Statorschutzmantel montiert werden. Hierbei können beispielsweise Schrumpfverfahren verwendet werden, wobei der Hohlzylinder in vorteilhafter Weise auf zumindest einen Befestigungsflansch und/oder eine oder zwei voneinander beabstandete, stirnseitige Statorkomponenten aufgeschrumpft wird.
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Grundsätzlich kann die thermische Vakuum-Isoliereinheit beispielsweise Wände und/oder Komponenten aus Kunststoff oder mineralischem Werkstoff oder unterschiedlichsten Verbundwerkstoffen etc. umfassen, wobei diese in vorteilhafter Weise eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Generell ist die Verwendung von porösen Materialien bzw. Hohlräumen von besonderem Vorteil, wobei die Poren bzw. Hohlräumen in vorteilhafter Weise vakuumiert sind. Beispielsweise können Glasfasermaterialien, Polyurethan insbesondere als offenzelliger Polyurethanschaum, oder offenzelliges XPS oder vergleichbar vorteilhafte Materialien bzw. Materialstrukturen verwendet werden. Auch können Stützelemente oder dergleichen das Vakuum bzw. den Vakuumraum durchsetzen und somit ein Eindrücken bzw. Verformen der Vakuum-Isolation verhindern.
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Eine vorteilhafte Variante der Erfindung ist die Verwendung von einem Isolationspulver für die erfindungsgemäße Vakuum-Isoliereinheit. Vorzugsweise ist das Isolationspulver als mikroporöses Isolationspulver mit sehr geringem Wärmeleitfähigkeitswert ausgebildet. Beispielsweise kann Kieselsäurepulver oder dergleichen in vorteilhafter Weise eingesetzt werden.
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Vorzugsweise ist das Isolationspulver innerhalb einer Isolierhülle angeordnet. Beispielsweise kann durch den Schutzmantel und einen innenliegenden Hohlzylinder in vorteilhafter Weise ein Zwischenraum generiert werden, der als Isolierhülle ausgebildet und in den in vorteilhafter Weise Isolationspulver eingebracht werden kann. Vorzugsweise weist jedoch die thermische Isoliereinheit eine vorteilhafte, separate Isolierhülle/-folie oder dergleichen auf, innerhalb derer das Isolationspulver angeordnet ist. Das bedeutet, dass beispielsweise in einer besonderen Variante der Erfindung die Isolierhülle unmittelbar mit dem Statorgehäuse bzw. dem Schutzmantel des Statorgehäuses in Kontakt steht bzw. benachbart zu diesem angeordnet ist. Es hat sich gezeigt, dass eine separat handhabbare thermische Isoliereinheit als Isolierhülle mit Pulverbefüllung bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Elektromotors von besonderem Vorteil ist.
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Vorteilhafterweise ist innerhalb der Isolierhülle das erfindungsgemäße Vakuum vorhanden. Beispielsweise ist Vakuum von ca. 0,1 bis ca. 30 mbar vorhanden. Hierfür ist die Isolierhülle in vorteilhafter Weise möglichst hochgasdicht auszubilden, um eine lange Lebensdauer des Vakuums zu erhalten.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist ein Gettermaterial innerhalb der Vakuum-Isoliereinheit bzw. des Hohlraumes oder der Isolierhülle vorgesehen, um das Vakuum der Isoliereinheit zu verbessern und/oder möglichst lange gegebenenfalls mittels einer (thermischen) Regeneration des Gettermaterials zu halten.
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In ersten Versuchen hat sich gezeigt, dass die Verwendung von entsprechend vorteilhaft ausgebildeten Vakuum-Dämmkomponenten und/oder Vakuum-Hohlräumen, die vorzugsweise im Wesentlichen als längs der Drehachse ausgerichteter Hohlzylinder ausgebildet sind, von besonderem Vorteil ist. Eine hohlzylindrisch ausgebildete Vakuum-Isoliereinheit weist keine Wärmebrücken in radialer bzw. in Umfangsrichtung auf. Dies ist von großem Vorteil bezüglich der thermischen Isolierwirkung bzw. der möglichst vollständigen Rückhaltung der Wärme innerhalb des Stators und dem möglichst vollständigen Abführen der Wärme mittels der Kühlvorrichtung aus der Werkzeugmaschineneinheit gemäß der Erfindung.
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Die Ausbildung der Vakuum-Isoliereinheit als Hohlzylinder mit durchgehendem Kreislinien-Querschnitt bedeutet, dass dieser Isoliermantel keine Wärmebrücken aufweist, wie z. B. der eingangs genannte Stand der Technik. Beim Stand der Technik wird durch die vorhandenen parallel zur Achse ausgebildeten Wärmebrücken zwischen den kreisbogenförmigen, mit Gas gefüllten Hohlräume es zwingend notwendig, den zweiten, äußeren Kühlkreislauf bzw. Kühlschicht zu realisieren, um einen Wärmedurchbruch nach außen an die Mantelfläche des Elektromotors und die entsprechende nachteilige thermische Dehnung des Stators zu verhindern. Dies führt jedoch wie eingangs erwähnt zu einem großen Aufwand und Platzbedarf.
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Bei erfindungsgemäßen Varianten mit befüllten Vakuum-Isoliereinheiten kann als Isolationsmaterial beispielsweise ein mikroporöses Isolationspulver verwendet werden, das beispielsweise bei Normaldruck sehr geringe Wärmeleitfähigkeitswerte von ca. 0,016 W/mK aufweist. Hierbei hat sich die Verwendung von Kieselsäure besonders bewährt.
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Vorteilhafterweise umfasst die Abwärme-Kühlvorrichtung wenigstens eine an einer ersten Stirnseite der Statoreinheit angeordnete Kühlflüssigkeitsverteilereinheit und eine an einer zweiten, der ersten Stirnseite gegenüberliegende Stirnseite der Statoreinheit angeordnete Kühlflüssigkeitssammlereinheit zum Verteilen und Sammeln der Kühlflüssigkeit in mehrere um die Drehachse herum angeordnete, separate Kühlkanäle. Hiermit wird eine vorteilhaft gleichmäßig um die Drehachse herum ausgebildete Kühlung ermöglicht. Die gleichmäßige Kühlung bzw. Wärmeverteilung um die Drehachse herum verhindert eine thermische Dehnung der geradlinigen Achse zu einer etwas bzw. leicht gebogenen Linie. Bereits eine nur leicht gebogene Achse der Rotorwelle führt bei Motorspindeln oder dergleichen zu Ungenauigkeiten am Bearbeitungspunkt wie z. B. am Fräskopf bzw. an der Stelle der Spannbearbeitung. Derartige aufgrund in Umfangsrichtung der Drehachse thermisch unterschiedlich stark ausgeprägter Dehnungen hervorgerufener Ungenauigkeiten im Mikrometer-Bereich sind jedoch bei zunehmenden Anforderungen im Werkzeugmaschinenbereich von Nachteil.
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Eine möglichst 360° um die Drehachse herum gleichmäßige Wärmeverteilung bzw. Kühlung des Antriebssystems verhindert eine (leichte) Durchbiegung der Rotorwelle bzw. des Elektromotors. Folglich wird die Maßhaltigkeit des Elektromotors gemäß der Erfindung entscheidend verbessert. Vorzugsweise sind hierfür die mehreren Kühlkanäle als sich längs der Drehachse erstrecke Kühlwendeln ausgebildet.
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Vorteilhafterweise ist wenigstens eine Flanscheinheit zum Befestigen des Elektromotors bzw. der Werkzeugmaschineneinheit an einer Werkzeugmaschine vorgesehen. Hierdurch kann eine definierte Befestigung des Elektromotors bzw. der Werkzeugmaschineneinheit an der Werkzeugmaschine realisiert werden. Gemäß der Erfindung ist von besonderem Vorteil, die Flanscheinheit derart auszubilden, dass eine möglichst geringe Wärmeleitung über die Flanscheinheit in die Struktur bzw. in die anderen Komponenten der Werkzeugmaschine erfolgen kann. Hierfür kann beispielsweise eine vorteilhafte Materialauswahl für die Flanscheinheit vorgesehen werden. Auch kann eine vergleichsweise kleine Auflagefläche bzw. Befestigungsfläche realisiert werden, um eine direkte Wärmeleitung möglichst zu reduzieren.
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Vorteilhafterweise ist/sind zur Reduktion der Wärmeleitung der Flanscheinheit wenigstens eine segmentierte Befestigungsfläche bzw. mehrere voneinander beabstandete einzelne Befestigungsflächen vorgesehen. Hierbei können durch Erhebungen und Vertiefungen Strukturen generiert werden, die eine vergleichsweise kleine gesamte Befestigungsfläche mit der Struktur bzw. anderen Komponenten der Werkzeugmaschine realisieren, jedoch relativ große Befestigungskräfte bzw. Momente übertragen kann. Dementsprechend verringert sich die direkte Wärmeleitung über die Kontaktflächen bzw. die Befestigungsfläche der Flanscheinheit.
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Alternativ oder in Kombination hierzu kann die Flanscheinheit derart ausgebildet werden, dass diese wenigstens eine zumindest einen Flanschkanal für ein Flanschkühlfluid aufweisende Flanschkühlung umfasst. In vorteilhafter Weise steht die Flanschkühlung in Wirkverbindung mit der Kühlvorrichtung. Beispielsweise kann ein Flanschkanal vorgesehen werden, der mit dem Kühlkanal der Kühlvorrichtung strömungstechnisch verbunden ist, so dass das Kühlfluid bzw. die Kühlflüssigkeit der Kühlvorrichtung identisch mit dem Flanschkühlfluid der Flanschkühlung ist. Dies verringert den Aufwand für eine separate bzw. spezielle Kühlung der Flanscheinheit.
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In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist die Flanscheinheit und/oder der Flanschkühlkanal bzw. die Flanschkühlung in Achsrichtung betrachtet an einer Stirnseite der Vakuum-Isoliereinheit angeordnet. Mit dieser Maßnahme kann die Wärmeleitung bzw. die Wärmebrückenbildung zwischen Elektromotor bzw. Abwärme des Antriebssystems und der Werkzeugmaschine wirkungsvoll unterbunden bzw. verhindert werden. Durch die vorteilhafte thermische Vakuum-Isoliereinheit gemäß der Erfindung wird die Abwärme des Antriebssystems innerhalb des Elektromotors bzw. dessen äußere zylinderförmige Mantelfläche gehalten und von der Flüssigkeitskühlung abgeführt. Die vorzugsweise hohzylinderförmige Vakuum-Isoliereinheit, ob als Hohlraum oder als mit Isolationspuler etc. gefülltes Hohlzylinder-Vakuum-Isolierelement, verhindert die Bildung einer Wärmebrückenbildung über die gesamten 360° bzw. den gesamten Umfang der Drehachse bzw. der Statoreinheit. Lediglich die Stirnseiten der Vakuum-Isoliereinheit weisen gegebenenfalls metallische Elemente/Komponenten bzw. Wärmebrücken auf.
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Üblicherweise wird eine Motorspindel oder dergleichen lediglich an einer Stelle bzw. mit nur einem einzigen Flansch an der Werkzeugmaschine-(lösbar) fixiert bzw. montiert/verschraubt. Diese Fixierung bzw. die erfindungsgemäße Flanscheinheit ist zudem gewöhnlich im (vorderen). Bereich der Werkzeug-/Werkstückaufnahme angeordnet. Durch die stirnseitige Anordnung der Flanscheinheit an der Vakuum-Isoliereinheit gemäß der Erfindung wird somit wirkungsvoll verhindert, dass die Abwärme des Antriebssystems über die Flanscheinheit bzw. die Befestigung auf die Werkzeugmaschine bzw. deren Rahmen oder dergleichen übergeht und hier zu nachteiligen thermischen Dehnungen und somit zu Ungenauigkeiten bei der Bearbeitung führt. Dementsprechend kann gemäß der Erfindung eine vollständige thermische Kapselung bzw. Abschirmung der Abwärme des Antriebssystems gegenüber der Werkzeugmaschine bzw. der Umgebung realisiert werden. Hierbei führt das vorteilhafte Kühlsystem des Elektromotors in vorteilhafter Weise vollständig die Abwärme bzw. Verlustwärme des Elektromotors ab.
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So hat sich in ersten Versuchen gezeigt, dass durch den erfindungsgemäßen Aufbau beispielsweise eine Motorspindel hergestellt werden kann, die die innerhalb der Motorspindel erzeugten Wärmeverluste nicht mehr über die Mantelfläche des Gehäuses an die Struktur der Werkzeugmaschine abgibt, da vorteilhafterweise der gesamte Spindelkörper bzw. die Mantelfläche des Stators in vorteilhafter Weise thermisch isoliert ist. Zudem wird durch die vorteilhafte Kühlung des Befestigungsflansches der Motorspindel auch an dieser speziellen Stelle der erfindungsgemäßen Motorspindel die Wärmeableitung an die Struktur der Werkzeugmaschine wirkungsvoll unterbunden bzw. minimiert.
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Dementsprechend kann gemäß der Erfindung die gesamte, in der Motorspindel erzeugte elektrische Leistung im so genannten stationären Zustand über die Kühlung mittels des vorteilhaften Kühlfluids kalorimetrisch abgeführt werden. Eine Wärmeübertragung auf die Werkzeugmaschine findet bei einer Werkzeugmaschineneinheit gemäß der Erfindung nicht mehr statt bzw. ist in optimaler Weise minimiert.
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Ausführungsbeispiel
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.
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Im Einzelnen zeigt:
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1 schematisch eine Motorspindel gemäß der Erfindung mit einem Vakuum-Isolationselement,
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2 schematisch eine Motorspindel gemäß der Erfindung mit einem vakuumierten Hohlraum gemäß der Erfindung und
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3 schematisch eine Motorspindel mit einem Ausschnitt einer Motoraufnahme einer Werkzeugmaschine mit einem dazwischen angeordneten vakuumierten Hohlraum gemäß der Erfindung.
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In 1 ist schematisch eine Motorspindel gemäß der Erfindung dargestellt, wobei eine thermische Isolierschicht 1 unterhalb eines im Wesentlichen zylinderförmigen Stahlblechmantels 2 eines Stators 3 der Motorspindel angeordnet ist. Darüber hinaus weist der Stator 3 Kühlkanäle 4 für ein Kühlfluid bzw. eine Kühlflüssigkeit auf.
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Zudem weist der Stator 3 einen Flansch 5 auf, der wiederum einen Kühlkanal 6 umfasst. Der Kühlkanal 6 des Flansches 5 kann z. B. in einem separaten Flüssigkeits-Kühlkreislauf der Motorspindel integriert werden. Alternativ kann der Kühlkanal 6 des Flansches 5 auch mit den Kühlkanälen 4 strömungstechnisch verbunden werden, so dass ein und dasselbe Kühlfluid sowohl durch die Kühlkanäle 4 als auch durch den Kühlkanal 6 des Flansches 5 strömen und die Abwärme ableiten kann.
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Grundsätzlich, d. h. nicht nur bei der Variante gemäß 1, sondern auch bei anderen Varianten insb. gemäß den 2 oder 3, ist es (ohne nähere Darstellung) von Vorteil, eine um die Drehachse rundherum möglichst gleichmäßige Verteilung der Kühlflüssigkeit vorzusehen. So weist eine Abwärme-Kühlvorrichtung gemäß der Erfindung z. B. ein an einer ersten bzw. einer Werkzeug-/Werkstückaufnahme 10 bzw. dem Flansch 5 zugewandten Stirnseite des Stators 3 angeordnete Kühlflüssigkeitsverteilereinheit und eine an einer zweiten, der ersten Stirnseite gegenüberliegenden bzw. hinteren Stirnseite des Stators 3 angeordnete Kühlflüssigkeitssammlereinheit zum Verteilen und Sammeln der Kühlflüssigkeit in mehrere um die Drehachse herum angeordnete, separate ggf. wendelförmig ausgebildete Kühlkanäle 4 auf. Das heißt, dass vorzugsweise die Motorspindel von vorne (von der Werkzeugaufnahme 10) über die Kühlkanäle 4 nach hinten mit Kühlflüssigkeit durchströmt wird. Hiermit wird eine vorteilhaft gleichmäßig um die Drehachse herum ausgebildete Kühlung ermöglicht. Die gleichmäßige Kühlung bzw. Wärmeverteilung um die Drehachse herum verhindert eine thermische Dehnung der geradlinigen Achse zu einer etwas bzw. leicht gebogenen Linie.
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Die Kühlflüssigkeitsverteilereinheit und die Kühlflüssigkeitssammlereinheit umfassen beispielsweise mehrere im Wesentlichen längs der Drehachse ausgerichtete Zufuhr- bzw. Sammelkanäle, die von einem gemeinsamen ringförmigen oder mehreckigen Verteilerkanal ausgehen bzw. in einem derartigen Kanal wieder zusammen geführt werden. Dementsprechend kann die Motorspindel eine einzige Kühlflüssigkeitszufuhröffnung und eine einzige Kühlflüssigkeitsauslassöffnung aufweisen, jedoch der hohlzylinderförmige Mantelbereich um das elektromagnetische Antriebssystem mittels mehrerer vorteilhaft wendelförmiger Kühlkanäle 4 gleichmäßig gekühlt werden.
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Darüber hinaus umfasst die Motorspindel einen Rotor 7, der über zwei Lagerstellen 8 sowie 9 drehbar innerhalb des Stators 3 in herkömmlicher Weise gelagert ist. Zudem weist die Motorspindel eine Werkzeug- bzw. Werkstückaufnahme 10 auf.
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In 1 wird deutlich, dass die Kühlkanäle 4 in radialer Richtung betrachtet innerhalb der Isolierung 1 bzw. zwischen der Isolierung 1 und dem Rotor 7 bzw. der Rotorwelle angeordnet sind. Die Wärmequelle stellen Spulen bzw. Statorwicklungen 11 dar. Das heißt, gegebenenfalls im Zusammenspiel mit mehreren Permanentmagneten (des Rotors 7) setzen die Wicklungen 11 die elektrische Energie zum Antreiben des Rotors 7 um, wobei Verlustwärme bzw. Abwärme entsteht, die über die Kühlkanäle 4 und den Flanschkanal 6 bzw. über das hierin fließende Kühlfluid abgeführt wird.
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Gemäß der Erfindung schirmt die Isoliereinheit 1 wirkungsvoll die Wärmeleitung bzw. die Wärmestrahlung der Motorspindel gegenüber der Struktur oder anderen Komponenten einer Werkzeugmaschine wie einer Motoraufnahme 12 (vgl. 3) wirkungsvoll ab.
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Es wird zudem deutlich, dass eine vergleichsweise dünnwandige Isolierung 1 vorgesehen ist, die gemäß der Variante in 1 mit einem mikroporösem Pulver ausgefühlt ist, das innerhalb einer hochgasdichten Hüllfolie angeordnet ist. Zudem ist innerhalb dieser Hüllfolie ein vorteilhaftes Vakuum vorhanden. Hierdurch wird bei vergleichsweise geringem Isolationsvolumen eine relativ hohe Wärmeisolation verwirklicht. Dies ist zum Beispiel bei den besonderen Platzverhältnissen in einer Werkzeugmaschine für die Motorspindel von besonderem Vorteil.
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In 2 und 3 sind weitere Varianten der Erfindung dargestellt, bei denen keine Isolierung 1 mit einem mikroporösem Pulver vorgesehen sind. Vielmehr wird hier jeweils ein vakuumierter Hohlraum 1 als Isolierung 1 verwendet. Der Hohlraum 1 umfasst einerseits eine innere Zylinderwand und eine äußere Zylinderwand und wird in vorteilhafter Weise mittels zweier stirnseitig angeordneter Dichtungen 13, 14 abgedichtet. Bei der Variante gemäß 2 bildet der (etwas verstärkte bzw. dickere) Statorblechmantel 2 die äußere Zylinderwand. Dagegen bildet bei der Variante gemäß 3 der Statorblechmantel 2 der Motorspindel im in der Werkzeugmaschine eingebauten/montierten Zustand die innere Zylinderwand und die Motoraufnahme 12 der Werkzeugmaschine bildet hierbei die äußere Zylinderwand des Hohlraumes 1 bzw. der Isolierung 1 gemäß der Erfindung. Die Vakuumierung kann in vorteilhafter Weise mit Hilfe eines nicht näher dargestellten Anschlusses des hohlzylinderförmigen Hohlraumes 1 gemäß den 2 oder 3 erfolgen.
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So kann die erfindungsgemäße Motorspindel bisherige Motorspindeln gemäß dem Stand der Technik ohne thermische Isolationsschicht ersetzen, ohne dass an der Werkzeugmaschine besondere konstruktive Vorkehrungen bzw. Änderungen vorgenommen werden müssen. Dementsprechend können erfindungsgemäße Motorspindeln oder dergleichen aufgrund der nahezu identischen Platzbeanspruchung bzw. Außenmaße entsprechende herkömmliche Motorspindeln oder dergleichen in vorteilhafter Weise in Werkzeugmaschinen ersetzen bzw. entsprechend ausgetauscht werden.
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Im Vergleich mit einer Motorspindel gemäß der
DE 198 49 573 A1 ist die erfindungsgemäß Motorspindel deutlich platzsparender und weniger aufwendig aufgebaut. Die beiden Kühlschichten bzw. Kühlkreisläufe und die mit Gas gefüllte Isolationsschicht gemäß der
DE 198 49 573 A1 muss bei Motorspindeln mit vergleichbaren Leistungsdaten mehrere Zentimeter dicker als bei der Erfindung ausgebildet werden. Somit wird der gesamte Durchmesser einer derartigen Motorspindel um einiges größer, bei gleicher elektrischer Antriebsleistung und vergleichbarer Isolationswirkung bzw. thermischen Dehnung. Deshalb kann mit Hilfe der Erfindung eine herkömmliche nicht isolierte Motorspindel mit gleicher Antriebsleistung durch eine thermisch entkoppelte Motorspindel ersetzt werden und passt z. B. in bisher übliche (standardisierte) Motoraufnahmen
12.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Isolierschicht
- 2
- Stahlblechmantel
- 3
- Stator
- 4
- Kühlkanal
- 5
- Flansch
- 6
- Kühlkanal
- 7
- Rotor
- 8
- Lagerstelle
- 9
- Lagerstelle
- 10
- Werkstückaufnahme
- 11
- Statorwicklungen
- 12
- Motoraufnahme
- 13
- Dichtung
- 14
- Dichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19849573 A1 [0007, 0012, 0014, 0052, 0052]
