DE19831951A1

DE19831951A1 - Motor spindle of high power at high speed has rotor-shaped spindle shaft on whose outer surface is support and on inner surface, outer rotating part of drive motor

Info

Publication number: DE19831951A1
Application number: DE1998131951
Authority: DE
Inventors: Dietmar Schall
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-07-16
Filing date: 1998-07-16
Publication date: 2000-01-20

Abstract

A motor spindle of high power at high speed has the spindle shaft (2) with the shape of a rotor on whose outer surface the support is located and on whose inner surface the outer rotating part of the drive motor (3) is mounted. The bearing arrangement and the bearing distance can be selected independently of the dimensions of the motor. The support takes place by aerostatic or aerodynamic bearings. The centrifugal and/or temperature-caused change of the bearing gap is compensated for by the change in diameter of the bearing surfaces in the axial direction. The stator of at least one bearing is designed to be able to slide in the axial direction.

Description

Motorspindeln werden in Werkzeugmaschinen für die spanende Fertigung insbesondere im Bereich der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung ("High Speed Cutting" - HSC) eingesetzt. Ihre Aufgabe besteht darin, das Werkzeug (Bohren, Fräsen, Schleifen) bzw. das Werkstück (Drehen) zu spannen und in Drehung zu versetzen, die Bearbeitungskräfte aufzunehmen und die Schnittkräfte aufzubringen. Motorspindeln integrieren die Werkzeugaufnahme die Lagerung und den Antrieb in einer konstruktiven Einheit (nur eine Welle). Diese An ordnung ist erforderlich, da bei den hohen geforderten Drehzahlen (größer 20.000 1/min) eine Kupplung von Antrieb und Spindel durch Zahnrad- oder Riemengetriebe nicht mehr möglich ist. Bei Drehmaschinen (Drehzahlen kleiner 10.000 1/min) führt der Einsatz von Motorspindeln zu einem sehr einfachen Aufbau des gesamten Antriebsstrangs der Maschi ne.Motor spindles are used in machine tools for machining, especially in High Speed Cutting (HSC). Your task is the tool (drilling, milling, grinding) or the workpiece (Turn) to clamp and set in rotation to absorb the machining forces and apply the cutting forces. Motor spindles integrate the tool holder storage and drive in one structural unit (only one shaft). This to order is necessary because at the high speeds required (greater than 20,000 rpm) a coupling of drive and spindle by gear or belt gear no longer is possible. For lathes (speeds less than 10,000 rpm) the use of Motor spindles for a very simple construction of the entire drive train of the machine no

Die übliche Ausführungsform von Motorspindeln ist gekennzeichnet durch den Einsatz von Wälzlagern und einem Drehstrommotor als Antrieb. Der Motor ist meist zwischen zwei Lagerstellen angeordnet, wobei die werkzeugseitige Lagerstelle als Festlager ausgeführt ist (Aufnahme von Radial- und Axialkräften), während die hintere Lagerstelle nur Radial kräfte aufnimmt (Loslager). Als Lager werden hochgenaue Schrägkugellager eingestetzt, als Loslager werden teilweise auch Zylinderrollenlager verwendet. Bei hohen Anforde rungen bezüglich der Drehzahl werden Lager mit Wälzkörpern aus leichten keramischen Werkstoffen eingesetzt. Die erreichbare Drehzahl wird durch die Wahl des Schmierverfah rens beeinflußt (Fett-, Öl-Luft- oder Öl-Einspritzschmierung).The usual embodiment of motor spindles is characterized by the use of Rolling bearings and a three-phase motor as a drive. The engine is usually between two Bearings arranged, the tool-side bearing is designed as a fixed bearing (Absorption of radial and axial forces), while the rear bearing only radial absorbs forces (floating bearing). High-precision angular contact ball bearings are used as bearings, Cylindrical roller bearings are sometimes also used as floating bearings. With high demands Bearings with rolling elements made of light ceramic are used in terms of speed Materials used. The achievable speed is determined by the choice of the lubrication method rens affected (grease, oil-air or oil injection lubrication).

Bei besonderen Anforderungen an die Rundlaufgenauigkeit werden vereinzelt auch hydro statische oder hydrodynamische Lagerungen verwendet [3]. Auch der Einsatz von aktiv magnetisch gelagerten Motorspindeln ist bekannt [2]. Bei sehr hohen Drehzahlen (größer 100.000 1/min), zum Beispiel zum Bohren von Leiterplatten, ist auch der Einsatz von ae rostatischen bzw. aerodynamischen Lagern verbreitet; hier werden auch Druckluftmotoren als Antrieb eingesetzt (nur kleine Leistungen).With special demands on concentricity, hydro is also occasionally used static or hydrodynamic bearings are used [3]. Even the use of active magnetically mounted motor spindles are known [2]. At very high speeds (larger 100,000 rpm), for example for drilling printed circuit boards, is also the use of ae widespread rustatic or aerodynamic bearings; Here are also air motors used as a drive (only small outputs).

Der Stand der Technik ist in [1] Abschnitt 4.2 Seite 163 bis 173 dargestellt.The prior art is shown in [1] section 4.2 pages 163 to 173.

Die Leistungsfähigkeit der Motorspindeln wird weitgehend von den verwendeten Lagern bestimmt. Aus der maximalen Drehzahl und einer geforderten Mindestlebensdauer der Lager kann die Lagergröße und die Tragfähigkeit abgeleitet werden. Die maximal umsetz bare Antriebsleistung ergibt sich dann aus den Abmessungen des einzubauenden Motors. Dessen Rotordurchmesser ist durch die Drehzahl begrenzt, seine Länge bestimmt maßgeb lich den Abstand zwischen den beiden Lagerstellen und damit auch die erste biegekritische Eigenfrequenz der Welle. Diese wiederum muß deutlich über der maximalen Drehfrequenz liegen. Aufgrund dieser Randbedingungen ist die maximale Leistung derartiger Motorspin deln umgekehrt proportional zum Quadrat der Maximaldrehzahl. Auch bei Verwendung von aktiven Magnetlagern oder hydrostatischen/hydrodynamischen Lagern in Verbindung mit einem elektrischen Antrieb ist die erreichbare Leistung bei schnelldrehenden Motor spindeln nicht wesentlich größer als bei Verwendung von Wälzlagern.The performance of the motor spindles is largely dependent on the bearings used certainly. From the maximum speed and a required minimum life of the Bearings can be derived from the bearing size and load capacity. The maximum implement bare drive power then results from the dimensions of the motor to be installed. Its rotor diameter is limited by the speed, its length is decisive Lich the distance between the two bearing points and thus also the first critical for bending Natural frequency of the wave. This in turn must be clearly above the maximum rotational frequency lie. Because of these boundary conditions, the maximum power of such motor spin is reversely proportional to the square of the maximum speed. Even when used of active magnetic bearings or hydrostatic / hydrodynamic bearings in connection with an electric drive is the achievable performance with fast rotating engine Spindles are not much larger than when using roller bearings.

Der in Patentanspruch 1 genannten Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Leistung einer Motorspindel sehr hoher Drehzahl weit über den derzeit realisierten Wert zu stei gern. Dieses Problem wird durch die in Patentanspruch 1 beschriebene Ausführung der Spindelwelle und der damit möglichen Anordnung von Motor und Lagern gelöst.The invention mentioned in claim 1 is based on the problem, the performance of a motor spindle of very high speed, far above the currently realized value gladly. This problem is solved by the embodiment described in claim 1 Spindle shaft and the possible arrangement of motor and bearings solved.

Die durch die Erfindung erzielbaren Vorteile kommen vor allem bei der Herstellung von Bauteilen aus Leichtmetall, z. B. Integralbauteilen aus Aluminium in der Luftfahrtin dustrie, zum tragen. Die Bauteilgeometrie solcher Werkstücke erfordert meist kleinere Werkzeuge (Durchmesser 25 mm und kleiner) und der Werkstoff ermöglicht sehr hohe Schnittgeschwindigkeiten. Daher ist eine sehr hohe Drehzahl der Hauptspindel notwendig (bis zu 100.000 1/min). Gleichzeitig könnten von seiten der Zerspanungstechnologie große Leistungen umgesetzt werden. Dies scheitert jedoch bisher an den zu geringen Leistungen der verfügbaren Motorspindeln.The advantages that can be achieved by the invention come primarily from the production of Components made of light metal, e.g. B. integral components made of aluminum in aviation industry, to carry. The component geometry of such workpieces usually requires smaller ones Tools (diameter 25 mm and smaller) and the material enables very high Cutting speeds. Therefore a very high speed of the main spindle is necessary (up to 100,000 rpm). At the same time, machining technology could be big Services are implemented. So far, however, this has failed due to the underperformance of the available motor spindles.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung Fig. 1 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.An embodiment of the invention is shown in the drawing Fig. 1 and is described in more detail below.

Die Hauptkomponenten sind das Spindelgehäuse (1), die Spindelwelle (2), der Ständer des Antriebsmotors (3) und das Werkzeug (4). Als Lagerung dienen hier zwei aerostatische Lager, deren Statoren mit (5) und (6) bezeichnet sind. Den Rotor der Lager bildet die Außenfläche der Spindelwelle (2). Die Welle ist bis auf den Bereich der Werkzeugaufnahme hohl und gleicht einem dünnwandigen Rohr. An der Innenfläche der Welle ist der Rotor des Antriebsmotors (7) angeordnet. Dadurch ist es möglich, Lagerabstand und Motorlänge unabhängig voneinander zu dimensionieren. Insbesondere ist es möglich, einen sehr langen Motor mit entsprechend großer Leistung in die Motorspindel zu integrieren, ohne den Lagerabstand zu vergrößern, was wiederum zu einer Verkleinerung der biegekritischen Eigenfrequenz und der Maximaldrehzahl führen würde.The main components are the spindle housing ( 1 ), the spindle shaft ( 2 ), the stand of the drive motor ( 3 ) and the tool ( 4 ). Two aerostatic bearings are used as bearings, the stators of which are identified by ( 5 ) and ( 6 ). The rotor of the bearings forms the outer surface of the spindle shaft ( 2 ). The shaft is hollow except for the area of the tool holder and resembles a thin-walled tube. The rotor of the drive motor ( 7 ) is arranged on the inner surface of the shaft. This makes it possible to dimension the bearing spacing and motor length independently of one another. In particular, it is possible to integrate a very long motor with a correspondingly large output into the motor spindle without increasing the bearing spacing, which in turn would lead to a reduction in the bending-critical natural frequency and the maximum speed.

Aufgrund der großen Drehzahl und des großen Durchmessers der Welle, wird diese vor teilhafterweise aus Leichtbauwerkstoffen, z. B. Faserverbundwerkstoffen oder speziellen Legierungen hergestellt. Obwohl diese Werkstoffe sehr leicht sind, kommt es bei den an gestrebten hohen Drehzahlen zu einer radialen Aufweitung der Welle, die größer als der rediale Spalt von aerostatischen Lagern sein kann. Daher wird vorgeschlagen, die Lager flächen der aerostatischen Lager kegelig auszuführen und deren Statoren (5) und (6) axial verschiebbar, z. B. in Kugelbüchsen (10) zu lagern. Damit ist es möglich, die fliehkraft- und/oder temperaturbedingte Aufweitung des Rotors durch eine davon abhängige axiale Verschiebung der Statoren auszugleichen und den Lagerspalt in zulässigen Grenzen zu hal ten. Hierzu wäre die Verschiebbarkeit eines der Statoren (5) oder (6) bereits ausreichend. Die Verschiebbarkeit beider Statoren schafft zusätzlich die Möglichkeit, eine tempera turbedingte Längenänderung der Welle und die dadurch verursachte Verschiebung der Spindelnase auszugleichen.Due to the high speed and the large diameter of the shaft, this is geous from lightweight materials, z. B. fiber composites or special alloys. Although these materials are very light, the desired high speeds result in a radial expansion of the shaft, which can be larger than the redial gap of aerostatic bearings. It is therefore proposed to make the bearing surfaces of the aerostatic bearing conical and the stators ( 5 ) and ( 6 ) axially displaceable, for. B. in ball bushings ( 10 ). This makes it possible to compensate for the centrifugal force and / or temperature-related expansion of the rotor by an axial displacement of the stators that depends on it, and to keep the bearing gap within permissible limits. For this purpose, the displaceability of one of the stators ( 5 ) or ( 6 ) would already be sufficient . The displaceability of both stators additionally creates the possibility of compensating for a temperature-related change in length of the shaft and the displacement of the spindle nose caused thereby.

Im Ausführungsbeispiel in Fig. 1 wird die Verschiebung der Statoren (5) und (6) beispiels weise durch vorgespannte Federn (9) erzwungen, die in der unteren Hälfte der Zeichnung dargestellt sind. Im Gleichgewicht zwischen Federkraft und Luftdruck in den Lagern bleibt der Lagerspalt hierdurch weitgehend unabhängig vom Betriebszustand. Die Zuführung der Luft für die Lager (11) ist in der oberen Hälfte der Zeichnung Fig. 1 beispielhaft darge stellt. Alternativ könnte die Verschiebung eines Stators oder beider Statoren der Lagerung auch durch aktive Stellelemente erzwungen werden. Dies böte zusätzlich die Möglichkeit, den Lagerspalt und damit die Eigenschaften der Lagerung gezielt zu beeinflussen und den Betriebsbedingungen anzupassen.In the embodiment in Fig. 1, the displacement of the stators ( 5 ) and ( 6 ), for example, by prestressed springs ( 9 ), which are shown in the lower half of the drawing. In the balance between spring force and air pressure in the bearings, the bearing gap remains largely independent of the operating state. The supply of air for the bearing ( 11 ) is in the upper half of the drawing Fig. 1 exemplifies Darge. Alternatively, the displacement of one stator or both stators of the bearing could also be forced by active adjusting elements. This would also offer the possibility of specifically influencing the bearing gap and thus the properties of the bearing and adapting it to the operating conditions.

Der Antriebsmotor der Spindel besteht aus dem Ständer (3) und dem Läufer (7). Der Mo tor ist als sogenannter Außenläufermotor ausgeführt. Vorteilhafterweise handelt es sich dabei um einen permanentmagnetisch erregten Synchronmotor (bürstenloser Gleichstrom motor). Der Läufer besteht hierbei aus einem Joch, das dem magnetischen Rückschluß dient und Permanentmagneten, die an der Innenseite des Joches angebracht sind. Das Joch knnte aus amorphen Eisenbasislegierungen hergestellt werden, die gute magnetische Eigenschaften und eine große Zugfestigkeit in sich vereinigen. Der Befestigung der Magne te muß im Gegensatz zu Innenläufermotoren keine besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden, da sie durch die Fliehkräfte unterstützt wird.The spindle drive motor consists of the stator ( 3 ) and the rotor ( 7 ). The motor is designed as a so-called external rotor motor. Advantageously, it is a permanent magnet excited synchronous motor (brushless DC motor). The rotor consists of a yoke, which is used for the magnetic yoke and permanent magnets, which are attached to the inside of the yoke. The yoke could be made from amorphous iron-based alloys that combine good magnetic properties and great tensile strength. In contrast to internal rotor motors, the fastening of the magnet does not need to be given special attention because it is supported by the centrifugal forces.

Alternativ könnte auch ein Asynchronmotor eingesetzt werden. Der Ständer des Motors ist über das Wälzlager (8) gegen die Spindelwelle abgestützt, um Schwingungen des relativ lang auskragenden Ständers zu verhindern.Alternatively, an asynchronous motor could also be used. The stator of the motor is supported against the spindle shaft via the roller bearing ( 8 ) in order to prevent vibrations of the stator, which protrudes relatively long.

Um die angestrebte hohe Leistungsdichte zu erreichen, ist - wie bei Motorspindeln üblich - eine intensive Flüssigkeitskühlung mindestens des Ständers des Antriebsmotors erfor derlich. Dies kann z. B. durch den Aufnahmedorn (12) erfolgen, ist aber in der Zeichnung Fig. 1 nicht dargestellt.In order to achieve the desired high power density, intensive liquid cooling of at least the stator of the drive motor is required, as is usual with motor spindles. This can e.g. B. done by the mandrel ( 12 ), but is not shown in the drawing Fig. 1.

Die Wicklungen schnelldrehender Motoren haben sehr wenige Windungen, da die Span nung des speisenden Umrichters begrenzt ist. Der Motor in der erfindungsgemäßen Mo torspindel ist sehr groß. Dadurch reduziert sich die Windungszahl weiter. Es ist daher möglich, die Wicklung des Motors mit lediglich einem Leiter pro Nut auszuführen. Dieser Leiter kann dann durch ein Kupferrohr realisiert werden, das gleichzeitig das Kühlwasser leitet. Der Kupferfüllfaktor der Nut ist hierbei vergleichbar mit konventionellen Wicklun gen. Diese direkte Leiterkühlung, die bei Turbogeneratoren verbreitet ist, ermöglicht eine große Stromdichte und daher eine große Leistungsdichte im Motor.The windings of high-speed motors have very few turns since the chips voltage of the supplying converter is limited. The engine in the Mo invention gate spindle is very large. This further reduces the number of turns. It is therefore possible to wind the motor with only one conductor per slot. This Conductor can then be realized through a copper tube that simultaneously holds the cooling water directs. The copper fill factor of the slot is comparable to conventional winding This direct conductor cooling, which is common in turbogenerators, enables one high current density and therefore a high power density in the motor.

Hierzu eine Seite Zeichnungen.Here is a page of drawings.

literature

[1] Schulz, Herbert (Hrsg.): Hochgeschwindigkeitsbearbeitung München, Hanser, 1996
[2] Möller, Bernd: Unrundausdrehen mit aktiv magnetgelagerter Hauptspindel bei hohen Schnittge schwindigkeiten München, Hanser, 1994
[3] Rondé, Uwe; van Sprang, Joachim: Es müssen nicht immer Wälzlager sein Form + Werkzeug, Oktober 1996, Seite 4 bis 9, München, Hanser[1] Schulz, Herbert (ed.): High-speed machining Munich, Hanser, 1996
[2] Möller, Bernd: Unscrewing with an active magnetic main spindle at high cutting speeds Munich, Hanser, 1994
[3] Rondé, Uwe; van Sprang, Joachim: Rolling bearings do not always have to be Form + Tool, October 1996, pages 4 to 9, Munich, Hanser

Claims

1. Motor spindle large power at high speed, characterized in that the spindle shaft has the shape of a tube, on the outer surface of the bearing is arranged and on the inner surface of the outer, rotating part of the drive motor is attached, the bearing arrangement and the bearing distance independently can be selected from the dimensioning of the motor.

2. Motor spindle great performance at high speed according to claim 1, characterized characterized in that the storage by aerostatic or aerodynamic bearings takes place, the centrifugal and / or temperature-related change in the bearing gap tes is compensated for in that the diameter of the bearing surfaces in axial Direction changes and the stator ver of at least one bearing in the axial direction is slidable.

3. Motor spindle great performance at high speed according to claim 1, characterized characterized in that the storage by hydrostatic or hydrodynamic La ger takes place, the centrifugal and / or temperature-related change in La Gerspaltes is compensated for by the fact that the diameter of the bearing surfaces changes in the axial direction and the stator of at least one bearing in the axial Movable direction is executed.

4. Motor spindle great performance at high speed according to claim 1, characterized characterized in that the storage is carried out by active magnetic bearings.

5. Motor spindle high performance at high speed according to one of the claims 2 to 3, characterized in that the axially displaceable stator of a bearing preloaded springs are moved so that the radial gap of the bearing widens regardless of the speed and / or temperature-related expansion of the Rotors is.

6. Motor spindle high performance at high speed according to one of the claims 2 to 3, characterized in that the axially displaceable stator of a bearing active actuators is moved so that the radial gap of the bearing in each Operating state has the desired size.

7. Motor spindle high performance at high speed according to one of the claims 5 or 6, characterized in that the axial displacement of the stators of the bearings by active or passive control elements so that the spindle nose is under not the influence of temperature and / or speed relative to the spindle housing shifts.