DE10356627A1

DE10356627A1 - Mehrachsendirektantrieb

Info

Publication number: DE10356627A1
Application number: DE10356627A
Authority: DE
Inventors: Ullrich Masberg
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-12-01
Filing date: 2003-12-01
Publication date: 2005-06-30

Abstract

Antriebseinheit zum direkten Antrieb, d. h. unter Verzicht auf zwischengeschaltete Getriebe zur Drehzahlreduzierung und Kupplungen zur Krafteinleitung, und berührungslose von mindestens zwei und mehr Achsen (Fig. 1), beispielsweise von Doppelschneckenextrudern. Der Antrieb erfolgt mittels segmentierter Statoren, die auf direkt mit den Schnecken verbundene Rotoren wirken. DOLLAR A Die Statoren sind aus einem geschlossenen stromführenden Leitersystem und entsprechend angepassten, den Fluss leitenden Jochsystem aufgebaut. In dieser Bauform können unterschiedliche elektrische Antriebsprinzipien eingesetzt werden, vorzugsweise das Transversalflussprinzip. Die beschriebenen Bauvarianten eignen sich sowohl für rotatorische wie translatorische Bewegungen und deren Überlagerungen.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Antrieb zum gleichzeitigen Antreiben von mehreren parallelen Achsen, wobei eine elektrische Antriebseinheit mit mindestens einem Rotor und einem Stator ausgestattet ist, aber auch aus mehreren Statoren und Rotoren bestehen kann, sowie ein Verfahren zum Betreiben der Piastifiziereinheit von Doppelschneckenextrudern.
Direktantriebe einer Welle oder Achse sind im Stand der Technik bekannt, so beschreibt beispielsweise die EP 1 182 027 A1 einen Elektromotor, der direkt zu Antriebszwecken mit dem Ende einer Extruderschnecke verbunden ist. Diese Art des Direktantriebes ist aus dem Bereich der Werkzeugmaschinen, bei denen mit deutlich höheren Drehzahlen gearbeitet wird, bekannt. Über die Art der Antriebsmaschine trifft diese Anmeldung keine genauere Aussage, lediglich die Beschreibung im Text läßt vermuten, dass an einen Synchronmotor gedacht ist.
Weiter ist aus der Patentliteratur die DE 29910 332 U1 bekannt, in der ein Direktantrieb für Extruder und Spritzgießmaschinen auf Basis eines Synchronmotors mit Außenläufer beschrieben wird, der eine sehr kurze Bauform aufweist.
Die EP 1 273 426 A1 erhebt ebenfalls Anspruch auf die Idee des direkten Antriebes einer Extruderschnecke, wobei die Antriebseinheit aus einem oder mehreren Motoren bestehen soll, die als sogenannte Scheiben läufermotoren auf Asynchronbasis konstruiert sind. Bei dieser Art von Antriebseinheit ist jedoch aus der Fachliteratur bekannt, dass er nicht in der Lage ist, sehr große Momente bei niedrigen Drehzahlen und hohem Wirkungsgrad zu erzeugen.
Die heutigen Extruder konventioneller Bauart verfügen über die Baugruppen Maschinengestell, Zylinder (mit Temperiereinheiten), Schnecke (eine oder mehrere, je nach Bauvariante), Antrieb und Steuerungselektronik. Der Antrieb besteht dabei im Regelfall aus den Gruppen Elektromotor, als Lieferant der Antriebsleistung, Frequenzumrichter (zur Steuerung/Regelung des Motors) und dem Getriebe zur Reduzierung der Antriebsdrehzahl.
Die Übersetzung des Getriebes kann zwischen 10 : 1 und 150 : 1 liegen, je nach Extrudergröße und Aufgabenstellung, ebenfalls davon abhängig ist das maximale Drehmoment, das diese Antriebseinheit liefern muß. Es kann bei niedrigster Drehzahl für sehr große Extruder (z. B. 250 mm Schneckendurchmesser) bis zu 150.000 Nm betragen.
Aufgrund dieser Randbedingungen wird das Getriebe, insbesondere bei den Doppelschneckenextrudern, sehr hoch belastet und Brüche der Zahnräder im Getriebe sind keine Seltenheit, weil häufig deren Belastungsgrenzen für Dauerbetrieb überschritten werden.
Bei Doppelschneckenextrudern ist auch bei den zuvor beschriebenen Direktantriebsvarianten, bei denen nur eine Schnecke (Welle) direkt von der elektrischen Antriebsmaschine angetrieben wird, immer noch ein Verteilgetriebe zur Momenten- bzw. Leistungsübertragung von der ersten auf die zweite Schnecke erforderlich.
Aufgabe der Erfindung ist es eine verbesserte Lösung für eine Vorrichtung und ein Verfahren eines Direktantriebes von gleichzeitig mehreren parallel angeordneten Wellen bzw. Schnecken anzubieten, die es ermöglicht auch bei geringen Drehzahlen der Elektromaschine hohe Drehmomente direkt und gleichzeitig auf die Wellen (Schnecken) zu übertragen.
Die Lösung der Aufgabe ist in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 dadurch gekennzeichnet, dass die von der elektrischen Antriebseinheit übertragbare Antriebsleistung berührungslos vom Stator oder mehreren Statorsegmeten auf den/die fest mit der(n) Schnecke(n)/Welle(n) verbundenen Rotoren) übertragen wird, wobei die Übertragung unter Verzicht auf ein drehmomentübertragendes, drehzahlreduzierendes oder drehzahlverteilendes Getriebe erfolgt.
Weiterbildungsgemäß ist die Plastifiziereinheit ein Doppelschnecken- oder ein Einschneckenextruder mit einer ebenfalls vom gleichen Antrieb direktangetriebenen Speisewalze im Einzugsbereich. Es ist aber auch denkbar, als Plastifiziereinheit einen Planetwalzenextruder einzusetzen, bei dem, statt wie bisher die zentrale Schnecke, die Planeten direkt angetrieben werden.
Vorteilhafterweise ist der Rotor als Verlängerung der Wellenachse ausgebildet und bei einer Ausbildung der elektrischen Maschine als Synchronantrieb oder nach dem Transversalflussprinzip Träger der Permanentmagneten.
Als weitere Fortbildung wird vorgeschlagen, die Antriebseinheit als Synchronmotor oder als Asynchronmotor auszulegen, wobei bei einem segmentweisen Aufbau des Stators dieser wie der um die Mittelachse gekrümmte Stator eines Linearantriebes gestaltet ist, es ist aber auch vorstellbar, die Antriebseinheit als Transversalflußmotor oder als Scheibenläufermotor auszuführen. Bei der Auslegung als Scheibenläufermo tor kann der Scheibenläufermotor aus mehreren Scheiben besteht, um die Leistung und das Drehmoment zu steigern, wobei die Scheiben mit ein und der selben Schnecke – auch bei mehreren parallelen Schnecken – in Verbindung stehen.
Als eine zusätzliche Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Antriebseinheit flüssigkeits- und/oder luftgekühlt ist.
Bezüglich der Größenverhältnisse ist es besonders vorteilhaft, wenn das Verhältnis von Außendurchmesser (D) zur Baulänge der Antriebseinheit (L) im Bereich von 1 : 1 bis 1 : 8 liegt.
In den Zeichnungen ist schematisch die Erfindung dargestellt, es zeigt
1 Darstellung Anordnung von Rotoren und Stator(– segmenten) bei einem Zweiachsen-Direktantrieb.
2 Einzelheit X aus 1, Schnitt durch den Kern des Statorsegmentes und der zugehörigen Spule bei Verwendung des Transversalfluussprinzips.
3 Schnitt durch die Spule in 2.
4 Schnitt durch ein Statorsegment parallel zur Längsachse mit einer 3-Phasenwicklung.
5 Schematisches Beispiel für einen 3 Achsendirektantrieb Beispielhaft für den Direktantrieb mehrer Wellen wird die Erfindung am Beispiel des Direktantriebes eines Doppelschneckenextruders erläutert.
Dazu wird in der hier dargelegten Erfindung der Antriebsmotor direkt mit den Schnecken des Doppelschneckenextruders verbunden und die Antriebsleistung auf diese übertragen ohne ein zusätzliches Verteilgetriebe zu benötigen.
Wichtig bei den Direktantrieben für Extruder ist deren Fähigkeit, dauerhaft bei geringen Drehzahlen hohe Momente zu erzeugen und dieses bei einem hohen Wirkungsgrad. Dies wird in der Erfindung dadurch erreicht, dass der vorzugsweise eingesetzte Elektromotor nach dem Prinzip des Transversalflussmotors arbeitet und daher der 4- bis 5-fache Flächenschub im Vergleich zu heutigen Standardlösungen übertragbar ist. Darüber hinaus eignet sich dieser Motorentyp in Verbindung mit einer auf ihn konzipierten elektronischen Steuerung besonders zur Erzeugung großer Drehmomente im Drehzahlbereich von 0 bis 500 l/min.
Um den Direktantrieb der beiden Schnecken eines Doppelschneckenextruders zu ermöglichen wird der Stator durch Segmentbildung (1) aufgeteilt und bildet nun zwei Kreissegmente (2) um die Mittelpunkte M1 und M2. Der Luftspaltradius Ri des Stators bildet mit dem Rotorradius r den Luftspalt, Ra bezeichnet den Außendurchmesser des Stators, die Einzelheit X wird in den 2 und 3 näher erläutert.
Im Falle einer Verwendung des Transversalflussprinzips für den Antriebsaufbau kann bei Einachsenantrieben die stromführende Spule aus einem spiralförmig um einen Mittelpunkt aufgewickelten Kupferband (3, (3.1); die Achse M in 3a und 3B deutet dies an) bestehen, alternativ erfüllen diese Aufgabe auch entsprechend gewickelte Kupferdrähte (3; (3.2)).
Eine Abwandlung des zuvor geschilderten Prinzips stellt die Wicklung dieses Kupferbandes um den Kern (4) des Statorsegmentes nach 4 dar. Dabei bildet der entlang Ri geführte Wicklungsteil den für die Motorbewegung wichtigen Teil zur Erzeugung des elektromagnetischen Feldes und der entlang Ra ausgebildete Teil die notwendige elektrische Rückführung.
Für jede Phase des Motors wird eine Wicklung benötigt. Eine dreiphasige Maschine (Phasen U, V, W) benötigt demzufolge 3 Wicklungen, die beispielsweise, wie in 4 anhand der Wicklungen (7), (5) und (6) um die Kerne (4.1), (4.2) und (4.3) dargestellt, in axialer Richtung angeordnet sind. Eine Aufteilung des Segmentes (2) in in Umfangsrichtung drei (vorzugsweise gleich grosse) Ringsegmente gestattet auch die Bildung eine dreiphasigen Antriebes, wobei die Segmente dann die Träger der Phasen U, V und W sind.
In 1 ist durch die Drehrichtungspfeile angedeutet, dass mittels des Direktantriebes sowohl gleich- wie gegenläufige Antriebskombinationen realisiert werden können.
In 5 ist dargestellt, dass der Rotordurchmesser D1, D2 und D3 der Einzelachsen nicht gleich sein muss, sondern verschieden gross ausgeführt werden kann, um beispielsweise auch Nebenantriebe bei beschränktem Platzangebot direkt und kompakt antreiben zu können. Die Statorsegmente (8), (9) und (10) umschliessen dabei entlang des jeweiligen Rotorumfangs unterschiedliche Winkel alpha (1).
Um einen hohen Wirkungsgrad dieses Antriebes zu gewährleisten, ist eine sehr effektive Kühlung erforderlich, diese kann sowohl flüssigkeits(in der Regel Wasser oder Öl) als auch luftgekühlt ausgeführt werden.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Auch Merkmale, die nur gezeichnet aber nicht ausführlich beschrie ben sind oder die Umkehrung, stellen Ausführungsbeispiele der Erfindung dar.
In den Figuren sind funktionsgleiche oder -ähnliche Teile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die folgende Beschreibung behandelt den allgemeinen Fall eines Direktantriebes für einen Doppelschneckenextruder.
Die Absicht der Erfindung besteht bekanntlich darin, die Kosten einer Plastifiziereinheit, insbesondere eines Doppelschneckenxtruders, durch Verzicht auf das Getriebe zu senken und seine Betriebssicherheit durch die berührungslose Kraftübertragung einer elektrischen Maschine zu erhöhen.
Hierzu wird der Antrieb wie folgt verändert: An die Extruderschnecken werden in diesem Anwendungsbeispiel je ein Wellenende (1), das gleichzeitig auch Bestandteil der Schneckenlagerung ist, angefügt. Die Schneckenlagerung befindet sich im Inneren der Antriebseinheit, die vom Stator/Statorsegmenten (2) sowie dem Rotor (1) gebildet wird. Die beiden Statorsegmente (2) werden durch die Statorkerne (4), die Statorwicklung (3) und die Statorträger (nicht dargestellt), die auch die Kühlkanäle (bei Flüssigkeitskühlung) beinhalten, ausgebildet.
Der Ringrotor (1) trägt auf seinem Umfang im Falle einer Synchronmaschine die erforderlichen Permanentmagnete oder im Falle der Asynchronmaschine den erforderlichen Kurzschlusskäfig.

1: Rotor
2: Stator, Statorsegmente
3: Statorspule
4: Statorkern, weitere Statorkerne: (4.1) bis (4.4)
5: Spule für Phase V
6: Spule für Phase W
7: Spule für Phase U
8: Spulensegment zu Rotor D2
9: Spulensegment zu Rotor D1
10: Spulensegment zu Rotor D3

Claims

Plastifiziereinheit mit mindestens zwei direktangetriebenen Schnecken, wobei eine elektrische Antriebseinheit mit mindestens zwei Rotoren (1) und einem Stator – aus Statorsegmenten (2) bestehend – angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die von der elektrischen Antriebseinheit übertragbare Antriebsleistung berührungslos von den Statorsegmenten (2) auf die fest mit den Schnecken verbundenen Rotoren (1) übertragen wird, wobei die Übertragung unter Verzicht auf ein drehmomentübertragendes, drehzahlreduzierendes, drehzahlverteilendes und drehrichtungbestimmendes Getriebe erfolgt.
Plastifiziereinheit nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Plastifiziereinheit ein Doppelschneckenextruder ist.
Antriebseinheit nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Statorsegmente einzeln oder zusammen einen Kreis von 360° bilden.
Plastifiziereinheit nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Plastifiziereinheit ein Einschneckenextruder ist.
Plastifiziereinheit nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Plastifiziereinheit ein Planetwalzenextruder ist.
Plastifiziereinheit nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Plastifiziereinheit eine Schub- und Einspritzschnecke ist.
Plastifiziereinheit nach einem der Ansprüche 1 und 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit eine oder mehrere parallele Achsen antreiben kann.
Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Statorsegmente als Transversalflussstatoren ausgebildet sind.
Antriebeeinheit nach Anspruch 1 und 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Statorsegmente als um die Mittelachse gekrümmte Linearmotoren ausgebildet sind.
Antriebseinheit nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Linearmotoren entweder als Synchron- oder Asynchronmotoren gestaltet sind.
Antriebseinheit nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Linearmotoren als Reluktanzmotoren ausgebildet sind.
Antriebseinheit nach den Ansprüchen 1 und 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Drehrichtung jedes Antriebsrotors verschieden sein kann.
Antriebseinheit nach Anspruch 1 und 7 dadurch gekennzeichnet, dass je Achse die Rotoren und Statoren unterschiedliche Luftspaltdurchmesser aufweisen können.
Antriebseinheit nach Anspruch 1 und 7 dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Leistungsübertragung Stator und Rotor in Richtung der parallelen Achsen durch gleichartige Elemente Verlängert werden können.
Antriebseinheit nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass die Verlängerung je Achse unterschiedlich ausfallen kann.
Antriebseinheit nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass zur Darstellung eines Mehrphasenantriebs für jede Phase Statorsegment in Achsrichtung zusammengeschaltet werden.
Antriebseinheit nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass zur Darstellung eines Mehrphasenantriebs für jede Phase Statorsegment in Umfangsrichtung auf 360° verteilt und zusammengeschaltet werden.
Antriebseinheit nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Spule aus einem Kupferband hergestellt wird (3.1).
Antriebseinheit nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Spule aus Kupferdraht hergestellt wird (3.2).