DE102018123836A1 - Spule für eine Energieübertragung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spule (7, 8) für eine Übertragung elektrischer Energie, aufweisend zumindest- einen Grundkörper (15, 16),- eine Wicklung (13, 14), die an dem Grundkörper (15, 16) gehalten ist,- einen Spulenkern (30), der in einem Bereich zwischen dem Grundkörper (15, 16) und der Wicklung (13, 14) angeordnet ist,- mindestens ein Halteelement (25, 26) zum Halten zumindest des Spulenkerns (30) oder der Wicklung (13, 14) an dem Grundkörper (15, 16).

Description

• Die Erfindung betrifft eine Spule für eine Übertragung elektrischer Energie, eine Spindel zum rotatorischen Antrieb eines Werkzeugs, eine Werkzeugmaschine sowie eine Verwendung einer Spule. Die Spule kann insbesondere zur Energie- und/oder Signalübertragung verwendet werden, beispielsweise in einer Vorrichtung zwischen stehenden und bewegten Bauteilen.
• In verschiedensten Bereichen der Industrie kommen Spulen zur berührungslosen, verschleißfreien, reibungsfreien und verlustarmen Übertragung von elektrischer Energie zum Einsatz. Für einen besonders hohen Wirkungsgrad bei der Energieübertragung werden häufig Spulenkerne aus gesinterten Materialien wie Ferriten eingesetzt. Auf Grund dieser Materialien werden die Energieverluste, hervorgerufen durch hochfrequente Ummagnetisierungen, reduziert.
• Oft ist es in Maschinen und Geräten erforderlich, zur Erzeugung von Funktion, Eigenschaft oder Bewegung, dass Energien auf ein sich bewegendes Bauteil übertragen werden. Die am häufigsten vorkommende Bewegung ist die Drehbewegung z.B. einer Welle in einem Gehäuse. Die an, in oder auf den Bauteilen sitzenden Spulen zur berührungslosen Energieübertragung kommen insbesondere in Maschinen für die spanende Bearbeitung zum Einsatz.
• Bei der spanabhebenden Bearbeitung ist es oft wünschenswert, dass ein rotierendes Werkzeug oder eine rotierende Vorrichtung mit einer zusätzlichen, überlagerten Funktion, Eigenschaft oder Bewegung, wie z.B. eine weitere, elektromotorisch angetriebene Rotationsachse, integriert werden kann. Durch die zusätzlichen Möglichkeiten kann die Effizienz und die Qualität der Bearbeitung (z.B. verkürzte Bearbeitungszeit, erhöhter Volumenabtrag oder erhöhte Abtragleistung) erheblich gesteigert werden.
• Bei der nicht-spanabhebenden Bearbeitung ist es oft wünschenswert, dass in einem rotierenden Werkzeug oder einer rotierenden Vorrichtung zusätzliche oder überlagerte Funktionen, Eigenschaften oder Bewegungen, wie beispielsweise Ultraschall, integriert werden können. So können z.B. durch das „Klopfen“ oder „Hämmern“ Oberflächen in ihren Eigenschaften verändert, insbesondere verfestigt, gehärtet und/oder geformt werden.
• Dabei ist es erforderlich, elektrische Energie von einem feststehenden Teil auf einen sich drehenden Teil einer Vorrichtung (Maschine) zu übertragen, bei gleichzeitiger Vermeidung von Reibungsverlusten und -wärme sowie von Verschleiß. Das erfolgt bei bekannten Ansätzen berührungslos über eine induktive Kopplung von Spulen.
• Eine derartige Übertragung kann aber gemäß Stand der Technik nur bei verhältnismäßig niedrigen Umfangsgeschwindigkeiten realisiert werden. Eine rotationszentrumsnahe Übertragung zur Reduzierung der Umfangsgeschwindigkeit ist oft nicht möglich, da dieser Bereich von anderen Elementen oder Funktionen wie z.B. vom Spannsystem blockiert ist. So müssen Übertragungselemente (Spulen) meist außen, mit relativ großem Abstand zur Drehachse angebracht werden. Infolgedessen wirken große Zentrifugalkräfte auf die Übertragungselemente.
• Aus diesem Grund muss das rotierende Übertragungselement (die Spule) derart ausgeführt sein, dass es den entstehenden Fliehkräften standhalten kann. Die aus rein elektrotechnischer Sicht in der Regel, wegen ihrer hohen Permeabilität, am häufigsten verwendeten gesinterten und deswegen spröden Ferrit-Spulenkerne haben eine niedrige Zugfestigkeit, was insbesondere bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten zu Rissbildung und letztlich zum mechanischen Versagen führt. Folglich sind Ferrite für die Anwendungen mit hohen dynamischen Anforderungen ungeeignet.
• Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik geschilderten technischen Probleme zu lösen bzw. zumindest zu verringern. Es sollen insbesondere eine Spule für eine Übertragung elektrischer Energie, eine Spindel zum rotatorischen Antrieb eines Werkzeugs, eine Werkzeugmaschine sowie eine Verwendung einer Spule vorgestellt werden, die jeweils zumindest dazu beitragen, eine besonders effiziente Übertragung elektrischer Energie durch induktive Kopplung zu ermöglichen und zudem für eine Rotation mit besonders hoher Umfangsgeschwindigkeiten bzw. für hohe dynamische Anforderungen geeignet sind.
• Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
• Hierzu trägt eine Spule für eine Übertragung elektrischer Energie bei, aufweisend zumindest
• - einen Grundkörper,
• - eine Wicklung, die an dem Grundkörper gehalten ist,
• - einen Spulenkern, der in einem Bereich zwischen dem Grundkörper und der Wicklung angeordnet ist,
• - mindestens ein Halteelement zum Halten zumindest des Spulenkerns oder der Wicklung an dem Grundkörper.
• Die Spule erlaub den besonderen Vorteil, dass sie für verschiedene Varianten der Energieübertragung in einer Vorrichtung z.B. einer Hauptspindel für Werkzeugmaschinen eingesetzt werden kann, bei der elektrische Energie innerhalb der Vorrichtung von einem feststehenden auf einen rotierenden Teil besonders effizient übertragen werden soll, trotz extrem hoher Umfangsgeschwindigkeit des rotierenden Teils. Somit genügt die Spule insbesondere hohen dynamischen Anforderungen. Dies wird insbesondere durch das Halteelement erreicht. Hierzu trägt gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung auch bei, dass die Bleche des Blechpakets höheren dynamischen Anforderungen standhalten können als herkömmliche Ferrit-Spulenkerne.
• Die Spule dient insbesondere dazu elektrische Energie berührungslos bzw. kontaktlos und/oder induktiv von einem feststehenden Teil (z.B. Gehäuse und/oder Stromanschluss einer Werkzeugmaschine) in ein sich bewegendes, insbesondere rotierendes Teil (z.B. Welle einer Spindel einer Werkzeugmaschine und/oder Werkzeughalter einer Werkzeugmaschine) bzw. von einem Teil in ein relativ dazu bewegtes, insbesondere rotierendes Teil zu übertragen. Diese elektrische Energie kann beispielsweise dazu genutzt werden, einen in das rotierende Teil integrierten oder an das rotierende Teil angeschlossenen (mit-rotierenden) elektrischen Verbraucher (wie z.B. einen in einem Werkzeughaltern integrierten (Linea-)Aktor und/oder einen Ultraschallwandler) mit elektrischer Energie zu versorgen. Damit dient die Spule insbesondere nicht zum Antreiben des rotierenden Teils. Hierzu ist in der Regel ein zusätzlicher Motor vorgesehen.
• Bei dem Spulenkern kann es sich beispielsweise um einen einteiligen oder mehrteiligen Kern handeln. Vorzugsweist handelt es sich bei dem Spulenkern um einen insbesondere (weich-)magnetischen Kern. Insbesondere ist der Kern dazu eingerichtet und angeordnet das Magnetfeld der Spule zumindest teilweise zu bündeln. Zum Beispiel kann der Spulenkern ein (einteiliger) Ferritkern sein. Der Ferritkern kann beispielsweise gesintert sein. Bevorzugt ist der Spulenkern ein (in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung) mehrteiliger Kern, der besonders bevorzugt mit einer Vielzahl von Blechen gebildet ist.
• Die Spule weist mindestens ein Halteelement zum Halten zumindest des Spulenkerns oder der Wicklung an dem Grundkörper auf. Das Halteelement ist insbesondere ringförmig ausgeführt. Das Halteelement erstreckt sich insbesondere ringförmig entlang eines Außenumfangs oder Innenumfangs des Spulenkerns. Das Halteelement ist weiterhin bevorzugt derart angeordnet und eingerichtet, dass es eine Bewegung, Verformung und/oder Ausdehnung des Spulenkerns in radialer Richtung (weg von dem Grundkörper) zumindest begrenzt. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass das Halteelement den Spulenkern bei hohen dynamischen Belastungen (insbesondere Fliehkraft- bzw. Zentrifugalkraftbelastungen) stützt.
• Sobald die Spule rotiert wirkt auf den Spulenkern eine Fliehkraft- bzw. Zentrifugalkraft. Das Halteelement kann die Kräfte vorteilhaft aufnehmen bzw. schützt das Halteelement den Spulenkern in vorteilhafter Weise vor einem Zerreißen, Bersten und/oder Zerstören. Es wird durch das Halteelement insbesondere (auch) das Abheben des Spulenkerns vom Grundkörper vermieden. Beispielsweise kann somit ein Lösen und/oder ein Abplatzen von Teilen des Spulenkerns oder des ganzen Spulenkerns von dem Grundkörper (in radialer Richtung) vorteilhaft vermieden werden. Dadurch kann der Spulenkern (auch z.B. einzelne Teile des Spulenkerns) vorteilhaft (in radialer Richtung) an dem Grundkörper gehalten werden.
• Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der Spulenkern mit einem Blechpaket mit einer Vielzahl von Blechen gebildet ist, die nebeneinander und beabstandet zueinander angeordnet sind.
• Das Halteelement ist in diesem Zusammenhang insbesondere zum Halten zumindest des Blechpakets oder der Wicklung an dem Grundkörper angeordnet und eingerichtet. Bei dem mindestens einen Halteelement kann es sich beispielsweise um ein oder mehrere Bauteile handeln, die vorzugsweise wie eine Bandagierung und/oder Stütze (insbesondere ringförmig um die Bleche des Blechpakets) ausgebildet sind. Die (ringförmige) Bandagierung und/oder Stütze ist insbesondere dazu eingerichtet die Bleche am rotierenden Grundkörper in Position zu halten.
• Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Bleche des Blechpakets sich in einer radialen Richtung von dem Grundkörper weg erstrecken. Dies ist besonders vorteilhaft für den Fall einer Energieübertragung in radialer Richtung.
• Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Bleche des Blechpakets sich in einer axialen Richtung von dem Grundkörper weg erstrecken. Dies ist besonders vorteilhaft für den Fall einer Energieübertragung in axialer Richtung.
• Der vorzugsweise hohlzylindrische Grundkörper dient insbesondere dazu, die Vielzahl der Bleche bzw. das Blechpaket zu tragen. Er kann vorzugsweise aus einem hochfesten Material wie z.B. Stahl, Titan, CFK oder Aluminium gebildet sein.
• Das Blechpaket bildet und/oder ersetzt insbesondere einen Spulenkern der Spule. Die Ausgestaltung eines Spulenkerns mit den Blechen bzw. dem Blechpaket ist vorteilhaft gegenüber Spulenkernen aus Ferriten, da die nachteiligen mechanischen Eigenschaften von Ferriten durch die Blechmaterialien deutlich reduziert werden.
• Die Spule kann grundsätzlich als Rotor und/oder als Stator eingesetzt werden. Als Materialien für die Spule kommen vorzugsweise ferromagnetische Eisen-Legierungen zum Einsatz. Es werden bevorzugt elektrotechnisch besonders wirkungsvolle Legierungen für den Einsatz als Stator und elektrotechnisch weniger wirkungsvolle, jedoch mechanisch bessere Legierungen für den Einsatz als Rotor (hier die Innenspule) verwendet. Es gibt jedoch auch spezielle Legierungen, welche beide Eigenschaften ineinander vereinen. Typische derartige Materialien sind ferromagnetische Legierungen aus Eisen, Nickel und Cobalt. Auch bevorzugt ist die Verwendung von AINiCo, SmCo, Nd2Fe14B, Ni80Fe20 (häufig als „Permalloy“), oder NiFeCo-Legierungen (häufig als „Mu-Metall“). Beispielsweise sind derartige Materialien unter folgenden Marken bekannt: MUMETALL® / VACOPERM® 100 (80% NiFe), CRYOPERMO 10 (80%NiFe), VACOFLUX® / VACODUR® (50% CoFe), TRAFOPERM® (3% SiFe), VITROVAC® 6025 X (80% Co).
• Das insbesondere einen Spulenkern bildende Blechpaket besteht insbesondere aus einer großen Anzahl ausreichend dünner, aneinandergereihter Bleche, die bevorzugt aus einer weichmagnetischen Metalllegierung insbeosndere zur Minimierung von Ummagnetisierungsverlusten und zur Verbesserung der Permeabilität hergestellt sind. Die magnetische Permeabilität der Bleche und somit des daraus ggf. gebildeten Spulenkerns beeinflussen insbesondere die Größe der Flussdichte eines von einer entsprechenden Spule erzeugten Magnetfelds bei einem bestimmten Spulenstrom. So kann z.B. mit einem Spulenkern großer magnetischer Permeabilität auch aus einem kleinen Spulenstrom ein Magnetfeld hoher Flussdichte erzeugt werden. Eine große magnetische Permeabilität ist vorteilhaft, weil durch diese besonders hohe magnetische Flussdichten erreicht werden können.
• Die Bleche stehen vorzugsweise miteinander in unmittelbarem Kontakt, sind jedoch mit einer Isolationsschicht z.B. Oxidationsschicht, Lackschicht usw. überzogen. Das bedeutet, dass kein elektrischer Strom von einem Blech unmittelbar auf das benachbarte Blech fließen kann. Vorzugsweise wird ein derartiger Stromfluss durch eine, insbesondere nur wenige Mikrometer dicke, Isolierschicht unterbunden. Die Vermeidung bzw. Einschränkung eines Stromflusses zwischen den Blechen verhindert bzw. minimiert in vorteilhafter Weise die Entstehung von Wirbelströmen im Spulenkern. Die Wirbelströme in den Blechen und Blechpaketen sorgen insbesondere bei der berührungslosen Übertragung elektrischer Energie für höhere Verluste. Durch die Vielzahl der Bleche ist zumindest ein großer Teil der möglichen Strompfade für die Wirbelströme unterbrochen. Insbesondere die Strompfade, die über mehrere Bleche gehen würden.
• Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Spule weiterhin mindestens ein Kühlelement aufweist. Das Kühlelement kann beispielsweise einen Kühlkanal umfassen, der vorzugsweise in dem Grundkörper gebildet ist. Zur Vermeidung eines Wärmeeintrages (infolge der verbliebenen Verlustreste) in benachbarte Bauteile oder Baugruppen können in die Spule, insbesondere in den Grundkörper Kühlelemente eingebracht werden. Die Kühlelemente sind insbesondere derart ausgebildet, das mittels eines Fluidstromes wie Luft, Gas oder Flüssigkeit eine Kühlwirkung erzielt wird.
• Der Grundkörper und/oder der beschriebene, mit dem Blechpaket gebildete Spulenkern können linear oder ringförmig ausgebildet sein. In einer bevorzugten Ausführungsform sind das Blechpaket und/oder der Grundköper ringförmig (etwa wie ein Hohlzylinder) ausgebildet. In diesem Zusammenhang sind das Blechpaket und/oder der Grundköper insbesondere derart angeordnet, dass diese um die Zylinderachse rotieren können.
• Die Spule kann hohen Fliehkräften bei einer Rotation, insbesondere um die eigene Achse, besonders gut standhalten. Das wird insbesondere durch die Wahl der Materialien für die Bleche (Blechmaterial, wie etwa Aluminium, Stahl oder Eisen, statt Ferrit-Kern) und/oder für den Grundkörper sowie insbesondere deren geometrischer Ausgestaltung erreicht. Metalle wie Aluminium, Stahl oder Eisen sind beispielsweise weit mehr belastbar als Ferrite. Weiterhin kann die Masse und somit das Trägheitsmoment der beschriebenen Spule durch Zwischenräume zwischen den Blechen, insbesondere bei einer kreisförmigen Anordnung, vorteilhaft reduziert werden. Die Zwischenräume können beispielsweise entweder frei von Material oder mit einem vorzugsweise elektrisch nichtleitenden Füllmaterial mit ausreichender mechanischer Festigkeit gefüllt sein.
• Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass zumindest ein Teil der Zwischenräume zwischen den Blechen des Blechpakets (zumindest teilweise) mit einem Füllmaterial gefüllt ist. Vorzugsweise weist das Füllmaterial elektrisch nichtleitende Materialeigenschaften auf. Alternativ oder kumulativ kann auch ein (umlaufender) Zwischenraum zwischen einem Halteelement und einer Wicklung mit einem (bzw. dem) Füllmaterial gefüllt sein.
• Ein Abheben der Bleche vom Grundkörper kann in vorteilhafter Weise mittels formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Bauelementen, wie zum Beispiel einer Bandagierung verhindert werden. Diese stellen bevorzugte Ausgestaltungen des beschriebenen Halteelements dar. Eine (radiale) Ausdehnung der Bleche (bzw. des Spulenkerns) in Folge von extremen Fliehkräften kann vorzugsweise durch ein gezieltes Vorspannen des Halteelements, insbesondere der formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Bauelemente und/oder der Bandagierung verhindert werden. Die Vorspannkraft wird in der Regel etwas grösser als die auftretende Fliehkraft, mindestens aber gleich groß, gewählt.
• Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass jedes Blech des Blechpakets in einer Blechebene liegt und sich alle Blechebenen im Bereich einer Rotationsachse und/oder eines Zentrums der Spule schneiden. In diesem Zusammenhang ist das Blechpaket insbesondere in der Form eines Ringes um die Rotationsachse und/oder das Zentrum der Spule gebildet. Bevorzugt sind die Bleche über einen Umfang der Spule verteilt, insbesondere gleichmäßig verteilt angeordnet.
• Eine Energieübertragung besteht in der Regel aus zwei sich zugewandten Spulen. Davon ist die eine üblicherweise an einem stehenden Bauteil und die andere an einem rotierenden Bauteil angebracht. Beide Spulen sind an den Polen (hier Blechenden) vorzugsweise durch einen definierten Luftspalt getrennt. Für eine Gewährleistung eines möglichst hohen Wirkungsgrades bei der Energieübertragung ist es besonders vorteilhaft die Spalthöhe so gering (< 1 mm, besser im Bereich von 0,2mm - 0,3mm) und konstant wie möglich zu realisieren. Ein veränderlicher Spalt erzeugt z.B. eine nicht gewünschte, sich ändernde Energie.
• Die beiden Spulen der Energieübertragung werden üblicherweise in Primärspule und Sekundärspule unterschieden, wobei jede der Spulen feststehen oder rotieren kann. Bei der Energieübertragung kann parallel zur Übergabe der elektrischen Energie eine Transformation der Spannung erfolgen.
• Die Energieübertragung kann im Wesentlichen in zwei Grundbauformen, nach Anordnung der Spulen in radialer oder axialer Ausrichtung zur Rotationsachse ausgeführt sei.
• In einer ersten, bevorzugten Ausführungsform ist die als Innenspule gebildete Sekundärspule rotierbar und die als Außenspule gebildete Primärspule starr. Die Stromübertragung erfolgt in diesem Zusammenhang beispielhaft von außen radial nach innen. Die Innenspule ist derart ausgeführt, dass sie z.B. einen metallischen, zylindrischen Grundkörper aufweist, auf dem ein Blechpaket aufgesetzt ist. Das Blechpaket besteht aus vielen, insbesondere kleinen, (günstiger Weise) weichmagnetischen Blechen. Der Außendurchmesser des Blechpakets weist vorzugsweise eine radial umlaufende Nut auf. Die Nut kann von einer Bandagierung und/oder Stütze umgeben werden. Dies kann mit anderen Worten auch so beschrieben werden, dass das Halteelement (Bandagierung/Stütze) in und/oder entlang der Nut verläuft. Dieses Halteelement wird vorzugsweise von einer Wicklung umgeben, welche beispielsweise aus Kupferdrahtwindungen besteht. Diese Wicklung wird von einem weiteren Halteelement (Bandagierung/Stütze) umgeben. Alternativ oder zusätzlich können auch seitlich am Blechpacket formschlüssige Stützringe angeordnet sein.
• Die Außenspule weist einen metallischen, zylindrischen Grundkörper auf, an dessen Innendurchmesser ein Blechpaket angrenzt. Das Blechpaket weist vorzugsweise eine im Innendurchmesser dieses Blechpakets radial umlaufende Nut auf, in welcher sich vorteilhafterweise eine (Kupferdraht-)Wicklung befindet.
• In einer zweiten, bevorzugten Ausführungsform sind beide Spulen ebenfalls radial um die Rotationsachse angeordnet, mit dem Unterschied, dass die Innenspule die starre Primärspule und die rotierende Außenspule die Sekundärspule ist. Somit erfolgt die Stromübertragung in diesem Fall von innen radial nach außen.
• Bei einer dritten, bevorzugten Ausführungsform sind die Spulen, anders als in den ersten beiden Ausführungsformen, axial zueinander angeordnet. Die Blechpakete weisen vorzugsweise in axialer Richtung (jeweils) eine Nut auf, in welcher sich vorteilhafterweise (Kupfer-)Wicklungen befinden. Somit erfolgt die Stromübertragung in axialer Richtung von der Primärspule auf die Sekundärspule.
• Die beschriebene Energieübertragung mittels Spulen ist sowohl für eine besonders verlustarme Übertragung elektrischer Energie und/oder elektrischer Signale durch induktive Kopplung als auch für eine Rotation mit besonders hohen Drehzahlen bzw. Umfangsgeschwindigkeiten besonders vorteilhaft geeignet. Damit kann die Energieübertragung in einer Vielzahl verschiedener Anwendungen eingesetzt werden. Insbesondere kann die Energieübertragung zur Weiterleitung eines Wechselstroms genutzt werden. Dabei kann insbesondere die beschriebene Stabilität bei Rotation ausgenutzt werden. Als ein Beispiel wird im Folgenden der Einsatz der beschriebenen Spule in einer Spindel zum rotatorischen Antrieb eines Werkzeuges beschrieben, ist aber nicht auf derartige Vorrichtungen begrenzt.
• Nach einem weiteren Aspekt wird auch eine Spindel zum rotatorischen Antrieb eines Werkzeugs vorgeschlagen, umfassend einen Stator und einen Rotor, wobei der Rotor mit dem Werkzeug lösbar verbindbar ist und wobei zumindest der Stator oder der Rotor mit einer hier vorgestellten Spule gebildet sind. Der Stator kann auch als ein statischer Spindelteil beschrieben werden, der drehfest mit einer Antriebseinheit der Vorrichtung verbindbar ist. Der Rotor kann auch als ein rotierbarer Spindelteil beschrieben werden, der relativ zu dem statischen Spindelteil drehbar an dem statischen Spindelteil gelagert ist und der eine Schnittstelle aufweist, über die ein Werkzeughalter drehfest mit dem rotierbaren Spindelteil verbunden werden kann. Alternativ oder kumulativ kann der statische Spindelteil eine Außenspule bzw. Primärspule und der rotierende Spindelteil eine Innenspule bzw. Sekundärspule aufweisen, die für eine berührungslose Übertragung elektrischer Energie zuständig sind und wenigstens eine der beiden Spulen in der beschriebenen Form ausgebildet ist.
• Nach einem weiteren Aspekt wird auch eine Werkzeugmaschine mit einer hier vorgestellten Spindel vorgeschlagen.
• Die beschriebene Spindel kann zum Bearbeiten von Werkstücken insbesondere zur spanenden Bearbeitung eingesetzt werden. Dazu kann ein entsprechendes Werkzeug an die Spindel angebracht werden. Bei dem Werkzeug kann es sich beispielsweise um ein Fräs- oder Bohrwerkzeug handeln. Vorzugsweise ist das Werkzeug derart lösbar mit der Spindel verbunden, dass es auch automatisch ausgewechselt werden kann.
• Der rotierende Spindelteil (Welle) bzw. der Rotor weist vorzugsweise eine Schnittstelle auf, über die eine Vorrichtung zum Halten des Werkzeuges und/oder zum Überlagern einer Funktion (wie z.B. ein Werkzeughalter mit Schwingungserreger) mit der Spindelwelle verbunden werden kann. Dabei kann es sich beispielsweise um eine standardisierte Schnittstelle der HSK-, SK-, CAPTO- oder BT-Norm handeln. In dieser Ausführungsform kann die Vorrichtung zum Halten eines Werkzeuges insbesondere elektrisch antreibbare Komponenten aufweisen.
• Die Spindelwelle bzw. der Rotor ist vorzugsweise so aufgebaut, dass (zusätzlich zu der berührungslosen, induktiven Energieübertragung zwischen Stator und Rotor) eine kontaktierende Energieübertragung, wie z.B. mittels Steckkontakten, von der Spindelwelle bzw. dem Rotor auf das Werkzeug bzw. den Werkzeughalter erfolgt. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Kontakte der kontaktierende Energieübertragung mittels isoliertem, elektrischen Leiter mit der Sekundärspule verbunden, so dass über die Schnittstelle zumindest elektrische Energie von der berührungslosen Energieübertragung auf den Werkzeughalter übertragen werden kann. Die (berührungslose) Energieübertragung ist vorzugsweise in einem mittleren Abschnitt der Spindel, insbesondere unmittelbar zwischen dem Festlager der Spindel und dem Motor angebracht.
• Die Primärspule der Energieübertragung ist beispielhaft ringförmig und drehfest mit dem statischen Spindelteil verbunden. Die Sekundärspule ist beispielhaft ringförmig und drehfest mit der rotierbaren Spindelwelle verbunden, so dass die Sekundärspule gemeinsam mit der Welle relativ zu der Primärspule bzw. zu dem statischen Spindelteil rotieren kann. Die radiale Energieübertragung erfolgt indem insbesondere die Primärspule außen herum, direkt über der Sekundärspule, ringförmig auf gleicher Ebene angeordnet ist.
• Der Abstand der Polenden beider Spulen beträgt z.B. ca. 0,3 mm. Dadurch kann das von der Primärspule erzeugte magnetische Wechselfeld im Bereich der Sekundärspule eine besonders hohe Flussdichte aufweisen.
• Im Betrieb dreht sich die Sekundärspule von insbesondere ca. 100 mm Durchmesser mit einer vorteilhaft hohen Drehzahl von mindestens 30.000 1/min. Dabei treten besonders große Fliehkräfte und damit große Umfangsgeschwindigkeiten (> 150 m/s) an der Sekundärspule auf. Je größer der Innenspulendurchmesser ist, umso größer sind diese Fliehkräfte. Eine maximale Drehzahl für die Verwendung der Energieübertragung wird daher hier durch die vorliegende Erfindung vorteilhaft erhöht und kann insbesondere durch die Materialeigenschaften der Komponenten noch weiter verbessert werden.
• Nach einem weiteren Aspekt wird auch eine Verwendung einer hier vorgeschlagenen Spule zum Übertragen von elektrischer Energie in ein Werkzeug angegeben, wobei die Spule mit einer Umfangsgeschwindigkeit von mindestens 150 Metern pro Sekunde angetrieben wird. Die Umfangsgeschwindigkeit bezieht sich dabei in der Regel auf einen Radius im (äußeren) Bereich des Spulenkerns.
• Die im Zusammenhang mit der Spule erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei der hier vorgestellten Spindel, der Werkzeugmaschine und/oder der Verwendung auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
• Die Erfindung und das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel, auf das die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und die dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
• 1: eine geschnittene Darstellung einer Werkzeugmaschine mit einer Spindel zum rotatorischen Antrieb eines Werkzeugs mit einer elektrischen Zusatzfunktion,
• 2: eine perspektivische Darstellung einer Anordnung von Spulen für die Spindel aus 1,
• 3: eine Explosionsdarstellung der Spulenanordnung aus 2,
• 4: eine geschnittene Darstellung einer Anordnung von Spule für die Spindel aus 1,
• 5: eine geschnitten dargestellte Detailansicht einer möglichen Ausführungsform für die Werkzeugmaschine aus 1, und
• 6 eine geschnitten dargestellte Detailansicht einer weiteren, möglichen Ausführungsform für die Werkzeugmaschine aus 1.
• 1 zeigt schematisch eine Werkzeugmaschine 10 mit einer Spindel 1 zum rotatorischen Antrieb eines Werkzeugs 6. Das Werkzeug 6 kann in der Spindel 1 wie durch einen runden Pfeil angedeutet um eine Rotationsachse 9 gedreht werden.
• Die Spindel 1 weist einen statischen Spindelteil 2 auf, der drehfest in der Werkzeugmaschine 10 gehalten wird. Zudem weist die Spindel 1 einen rotierbaren Spindelteil 3 auf, der drehbar im statischen Spindelteil 2 in einem Festlager 18 und einem Loslager 19 gelagert ist und sich nur um seine Spindelachse 9 drehen kann. Zwischen dem Festlager 18 und dem Loslager 19 ist drehfest auf dem rotierbaren Spindelteil 3 der elektrisch betriebene Spindelmotor 21 angeordnet.
• Weiterhin weist der rotierbare Spindelteil 3 an der Stirnseite eine Schnittstelle 5 für einen Werkzeughalter 4 für das Werkzeug 6 auf. Der Werkzeughalter 4 und das Werkzeug 6 sind keine Bestandteile der Spindel 1. Der Werkzeughalter 4 ist austauschbar mit dem rotierbaren Spindelteil 3 verbunden und das Werkzeug 6 ist austauschbar mit dem Werkzeughalter 4 verbunden. Dabei ist der Werkzeughalter 4 drehfest mit dem rotierbaren Spindelteil 3 und das Werkzeug 6 drehfest mit dem Werkzeughalter 4 verbunden.
• Der statische Spindelteil 2 weist eine Außenspule 7 und der rotierbare Spindelteil 3 eine Innenspule 8 auf. Die Außenspule 7 und die Innenspule 8 sind für eine berührungslose Übertragung elektrischer Energie vom Anschlussstecker 12 über die Leitungen im statischen Spindelteil 2, die Außenspule 7 und die Innenspule 8 auf dem rotierbaren Spindelteil 3, konzentrisch ineinander angeordnet. Die elektrische Energie kann insbesondere als Wechselspannung von einer Wechselspannungsquelle 11 bereitgestellt, in die Außenspule 7 geleitet und von dieser induktiv auf die Innenspule 8 übertragen werden. Die Außenspulenachse 9 und die Innenspulenachse 10 haben jeweils eine Spulenmittelebene, die hier exakt aufeinander liegt. Dies ist eine bevorzugte Ausführungsvariante. Es sind auch Ausführungsvarianten möglich, in denen zum Beispiel die Energieübertragung in axialer Richtung zur Rotationsachse erfolgt bzw. wobei der radialen Energieübertragung die Außenspule rotiert und die Innenspule steht (wie weiter vorn beschrieben).
• Die Schnittstelle 5 für den Werkzeughalter 4 ist derart ausgeführt und mit der Innenspule 8 verbunden, dass über Kontakte in der Schnittstelle 5 zumindest elektrische Energie von der Innenspule 8 auf den Werkzeughalter 4 übertragen werden kann. Der Werkzeughalter 4 weist einen Aktor 20 auf und ist derart an die Schnittstelle 5 angebunden, dass der Aktor 20 über die Schnittstelle 5 mit elektrischer Energie der Wechselspannungsquelle versorgt wird.
• Die Außenspule 7 sitzt in Grundkörper 15 und weist eine Primärwicklung 13 auf. Die Innenspule 8 sitzt auf einem Grundkörper 16 und weist eine Sekundärwicklung 14 auf. Der Grundkörper 15 der Außenspule 7 weist eine Kühlung 22 zur Abführung der Verluste der berührungslosen Energieübertragung 30 durch Außenspule 7 und Innenspule 8 auf.
• Die Außenspule 7 und die Innenspule 8 sind jeweils Spulen, die ein Blechpaket 23, 24 und eine Wicklung 13, 14 aufweisen. Die Ausgestaltung der Spulen 7, 8 ist in den 2 und 3 näher beschrieben.
• 2 zeigt schematisch eine perspektivische Darstellung einer Anordnung von Spulen 7, 8 für die Spindel aus 1. In diesem Zusammenhang zeigt 2 ein Beispiel für eine berührungslose Energieübertragungseinheit als eine mögliche Ausgestaltung der Spulen 7, 8.
• Die Innenspule 8 weist einen hohlzylindrischen Grundkörper 16 und ein Blechpaket 24 aus einer Vielzahl von Blechen auf, die radial an dem Grundkörper 16 angeordnet sind. Die Bleche 24 sind radial nach außen weisend an dem Grundköper 16 gehalten, so dass sich jeweilige Ebenen aller Bleche 24 in einer Grundkörperachse des Grundkörpers 16 schneiden.
• Um das Blechpaket 24 ist eine Bandagierung/Stütze 25 umlaufend ausgebildet. Auf dieser Bandagierung/Stütze sitzt die Wicklung der Sekundärspule 14. Um die Wicklung 14 herum sitzt eine weitere Bandagierung/Stütze 26. Zum Ausfüllen des Zwischenraums zwischen Wicklung 14 und Bandagierung/Stütze wird elektrisch isolierende Vergussmasse 27 bzw. Harz eingebracht.
• Die Bandagierungen/Stützen 25, 26 stellen hier Beispiele für Halteelemente zum Halten des Spulenkerns 30 und/oder der Wicklung 13, 14 an dem Grundkörper 15, 16 dar.
• Die Außenspule 7 weist einen Hohlzylindrischen Grundkörper 15 mit Kühlelementen 22 und ein Blechpaket 23 aus einer Vielzahl von Blechen auf, die radial am Grundkörper 15 angeordnet sind. Die Bleche 23 sind radial nach innen weisend an dem Grundköper 15 gehalten, so dass sich jeweilige Ebenen aller Bleche 23 in einer Grundkörperachse des Grundkörpers 15 schneiden. Im Blechpaket 23 sitzt die isolierte und getränkte Wicklung der Primärspule 13.
• Die Blechpakete 23, 24 stellen hier ein Beispiel für einen Spulenkern 30 dar, der der in einem Bereich zwischen dem Grundkörper 15, 16 und der Wicklung 13, 14 angeordnet ist.
• Zwischen den an der Außenspule 7 radial nach innen und den an der Innenspule 8 radial nach außen weisenden Polenden ist der Luftspalt 28 ausgebildet, der für eine gute Energieübertragung so klein wie möglich gehalten wird.
• 3 zeigt schematisch eine Explosionsdarstellung der in 2 beschriebenen Energieübertragung bzw. Spulenanordnung.
• 4 zeigt schematisch eine geschnittene Darstellung einer Anordnung von Spulen für die Spindel aus 1. 4 zeigt in diesem Zusammenhang insbesondere einen vergrößerten Querschnitt der Außen- und Innenspule 7, 8 ohne Grundkörper 15, 16.
• 5 zeigt schematisch eine geschnitten dargestellte Detailansicht einer möglichen Ausführungsform für die Werkzeugmaschine 10 aus 1. In diesem Zusammenhang veranschaulicht 5 eine schematische Darstellung einer radialen Energieübertragung, bei der die Energie bezogen auf die Rotationsachse 9 von der stehenden Wicklung der Primärspule 13 innen radial nach außen auf die rotierende Wicklung der Sekundärspule 14 übertragen wird.
• 6 zeigt schematisch eine geschnitten dargestellte Detailansicht einer weiteren, möglichen Ausführungsform für die Werkzeugmaschine 10 aus 1. In diesem Zusammenhang veranschaulicht 5 eine schematische Darstellung einer axialen Energieübertragung, bei der die Energie bezogen auf die Rotationsachse 9 von der stehenden Wicklung der Primärspule 13 axial auf die rotierende Wicklung der Sekundärspule 14 übertragen wird.
• Bezugszeichenliste

1

Spindel

2

Stator

3

Rotor

4

Werkzeughalter

5

Schnittstelle

6

Werkzeug

7

Primärspule

8

Sekundärspule

9

Rotationsachse

10

Werkzeugmaschine

11

Wechselspannungsquelle

12

Anschlussstecker Primärspule

13

Wicklung Primärspule

14

Wicklung Sekundärspule

15

Grundkörper Primärspule

16

Grundkörper Sekundärspule

17

isolierter, elektrischer Leiter

18

Festlager Spindel

19

Loslager Spindel

20

Aktor

21

Spindelmotor

22

Kühlelement

23

Blechpaket Primärspule

24

Blechpaket Sekundärspule

25

Halteelement (Spulenkern)

26

Halteelement (Wicklung)

27

Füllmaterial

28

Luftspalt

29

Grundkörperachse

30

Spulenkern

Claims (10)

1. Spule (7, 8) für eine Übertragung elektrischer Energie, aufweisend zumindest - einen Grundkörper (15, 16), - eine Wicklung (13, 14), die an dem Grundkörper (15, 16) gehalten ist, - einen Spulenkern (30), der in einem Bereich zwischen dem Grundkörper (15, 16) und der Wicklung (13, 14) angeordnet ist, - mindestens ein Halteelement (25, 26) zum Halten zumindest des Spulenkerns (30) oder der Wicklung (13, 14) an dem Grundkörper (15, 16).
2. Spule (7, 8) nach Patentanspruch 1, wobei der Spulenkern (30) mit einem Blechpaket (23, 24) mit einer Vielzahl von Blechen gebildet ist, die nebeneinander und beabstandet zueinander angeordnet sind.
3. Spule (7, 8) nach Patentanspruch 2, wobei die Bleche des Blechpakets (23, 24) sich in einer radialen Richtung von dem Grundkörper (15, 16) weg erstrecken.
4. Spule (7, 8) nach Patentanspruch 2, wobei die Bleche des Blechpakets (23, 24) sich in einer axialen Richtung von dem Grundkörper (15, 16) weg erstrecken.
5. Spule (7, 8) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, weiterhin aufweisend mindestens ein Kühlelement (22).
6. Spule (7, 8) nach einem der Patentansprüche 2 bis 5, wobei zumindest ein Teil der Zwischenräume zwischen den Blechen des Blechpakets (23, 24) mit einem Füllmaterial (27) gefüllt ist.
7. Spule (7, 8) nach einem der Patentansprüche 2 bis 6, wobei jedes Blech des Blechpakets (23, 24) in einer Blechebene liegt und sich alle Blechebenen im Bereich einer Rotationsachse (9) der Spule (7, 8) schneiden.
8. Spindel (1) zum rotatorischen Antrieb eines Werkzeugs (6), umfassend einen Stator (2) und einen Rotor (3), wobei der Rotor (3) mit dem Werkzeug (6) lösbar verbindbar ist und wobei zumindest der Stator (2) oder der Rotor (3) mit einer Spule (7, 8) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche gebildet sind.
9. Werkzeugmaschine (10), aufweisend eine Spindel (1) nach Patentanspruch 8.
10. Verwendung einer Spule (7, 8) nach einem der Patentansprüche 1 bis 7 zum Übertragen von elektrischer Energie in ein Werkzeug (6), wobei die Spule (7, 8) mit einer Umfangsgeschwindigkeit von mindestens 150 Metern pro Sekunde angetrieben wird.

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