DE19957942C1

DE19957942C1 - High-frequency motor spindle for a machine tool comprises components which are made of materials with high heat conductivity, surround the winding units and are in contact with the cooling element

Info

Publication number: DE19957942C1
Application number: DE19957942A
Authority: DE
Inventors: Daniel Trippel
Original assignee: Fortuna Werke Maschinenfabrik GmbH
Current assignee: Fortuna Werke Maschinenfabrik GmbH
Priority date: 1999-12-02
Filing date: 1999-12-02
Publication date: 2001-03-08
Anticipated expiration: 2019-12-03
Also published as: WO2001041286A3; WO2001041286A2

Abstract

The high-frequency motor spindle (10) for a machine tool com-prises a component (50, 52) which consists of a material with high heat conductivity and surrounds the respective winding unit (28, 30). This component has an outer surf-ace (54) in contact with the cooling element (34) and an inner surface (56) close to the spindle shaft (12) or elements (20, 60) rotating together with the shaft. The free space between the component (50, 52) and the winding unit (28, 30) is filled with a material (62) with high heat conductivity.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenz-Motorspindel für eine Werkzeugmaschine, mit einer Spindelwelle sowie mit einem elek trischen Antriebsmotor, der einen radial von der Spindelwelle angeordneten Statorkern mit einer Statorwicklung beinhaltet, wobei die Statorwicklung in Axialrichtung über den Statorkern vorspringende Wickelköpfe aufweist, ferner mit einem Kühl element, das über einen ersten flächigen Kontakt thermisch lei tend mit dem Statorkern verbunden ist.The invention relates to a high-frequency motor spindle for a Machine tool, with a spindle shaft and with an elec trical drive motor, one radially from the spindle shaft arranged stator core with a stator winding, the stator winding in the axial direction over the stator core has projecting end windings, further with a cooling element that is thermally conductive via a first flat contact tends to be connected to the stator core.

Eine Hochfrequenz-Motorspindel der vorstehend genannten Art ist aus der DE 42 32 322 A1 bekannt. A high frequency motor spindle of the type mentioned above is known from DE 42 32 322 A1.

Motorspindeln sind allgemein bekannt. Insoweit ist auf einen Artikel von Voll, Horst, "Leistungsvermögen wälzgelagerter HSC- Spindeleinheiten", DE-Z "Werkstatt und Betrieb", 1996, Seiten 240 bis 243 zu verweisen.Motor spindles are generally known. So far is on one Article by Voll, Horst, "Performance of roller bearing HSC Spindeleinheit ", DE-Z" Werkstatt und Betrieb ", 1996, pages 240 to 243 reference.

Bei bisherigen Motorspindeln der vorstehend genannten Art be inhaltet das Kühlelement einen Kühlmantel, der den Stator des Antriebsmotors hülsenartig umgibt. Der Kühlmantel weist an sei ner Außenseite eine wendelförmige Struktur auf, die in Verbin dung mit einer weiteren, den Kühlmantel umgebenden Hülse Kanäle für ein zirkulierendes Kühlmedium ausbildet. Durch den direkten flächigen Kontakt zwischen dem Statorkern und dem Kühlmantel kann der feststehende Teil des Antriebsmotors gut gekühlt wer den.In previous motor spindles of the type mentioned above contains the cooling element a cooling jacket that the stator of Drive motor surrounds sleeve-like. The cooling jacket instructs The outside has a helical structure that is connected dung with a further sleeve surrounding the cooling jacket for a circulating cooling medium. Through the direct flat contact between the stator core and the cooling jacket the stationary part of the drive motor can be cooled well the.

Problematisch ist demgegenüber die Wärmeabfuhr aus dem rotie renden Teil der Motorspindel, insbesondere aus dem Rotor des Antriebsmotors sowie der Spindelwelle selbst. Dem weiter oben genannten Artikel von Voll ist diesbezüglich zu entnehmen, daß die im Rotor entstehende Wärme fast ausschließlich über den Luftspalt zwischen Rotor und Stator abgeführt werden muß. Des halb sei bei der Motorauslegung darauf zu achten, daß der grö ßere Verlustanteil in den Stator gelegt wird. Die auf diese Weise erreichbare Kühlwirkung ist jedoch begrenzt.In contrast, the heat removal from the rotie is problematic renden part of the motor spindle, in particular from the rotor of the Drive motor and the spindle shaft itself. The above Voll 's article in this regard shows that the heat generated in the rotor is almost exclusively generated by the Air gap between the rotor and stator must be removed. Des half when making the engine, make sure that the larger Outer loss portion is placed in the stator. The on this However, the cooling effect that can be achieved in this way is limited.

Zur gezielten Kühlung der drehenden Teile einer Motorspindel werden bislang verschiedene Maßnahmen verwendet. Hierzu gehört eine externe Spritzkühlung mit einem Kühlmedium, wie sie bei spielsweise in der JP 09-154257 A beschrieben ist. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Zuführung eines Kühlmediums in das Innere der rotierenden Spindelwelle über eine sogenannte Dreh durchführung. Die zuerst genannte Maßnahme ist aufgrund der entstehenden Verschmutzung wenig komfortabel. Die zweite Maß nahme ist demgegenüber sehr aufwendig und begrenzt die maximal erreichbare Drehzahl der Motorspindel, was insbesondere für Hochfrequenz-Motorspindeln nachteilig ist. Eine weitere bekann te Maßnahme ist die Verwendung eines sogenannten Wärmerohrs, die jedoch ebenfalls sehr aufwendig ist und zudem nur schwierig an unterschiedliche Spindeln adaptiert werden kann.For targeted cooling of the rotating parts of a motor spindle So far, various measures have been used. Which also includes an external spray cooling with a cooling medium, as in is described for example in JP 09-154257 A. Another Possibility is to add a cooling medium to the Inside of the rotating spindle shaft via a so-called rotation execution. The first measure is due to the resulting pollution is not very comfortable. The second measure In contrast, taking is very complex and limits the maximum achievable speed of the motor spindle, which is especially for High frequency motor spindles is disadvantageous. Another got te measure is the use of a so-called heat pipe, which is also very complex and difficult can be adapted to different spindles.

Aus der eingangs genannten DE 42 32 322 A1 ist eine Kühlein richtung für einen Asynchronmotor bekannt. Bei dieser bekannten Kühleinrichtung ist der Asynchronmotor von einem Motorgehäuse umgeben, durch das Kühlkanäle verlaufen. An den axialen Enden des Motorgehäuses befinden sich Kühlkragen, die ebenfalls von einem Kühlmedium durchströmt werden. Die Kühlkragen sind radial und axial gestuft ausgebildet. Das innere Ende der Kühlkragen umgibt als eine Art Kühlmanschette die Motorwelle. Die Motor welle soll dabei innerhalb des Motorgehäuses über einen mög lichst großen axialen Bereich von der Kühlmanschette umschlos sen werden, um eine hohe Wärmeabfuhr über den Kühlkanal im Kühlkragen zu ermöglichen.A cooling device is known from DE 42 32 322 A1 mentioned at the beginning direction known for an asynchronous motor. In this known The cooling device is the asynchronous motor from a motor housing surrounded by cooling channels. At the axial ends the motor housing are cooling collars, which are also from be flowed through a cooling medium. The cooling collars are radial and axially stepped. The inner end of the cooling collar surrounds the motor shaft as a kind of cooling sleeve. The engine Wave should be possible within the motor housing The largest possible axial area is enclosed by the cooling sleeve sen to a high heat dissipation through the cooling channel in the To allow cooling collars.

Die bekannte Anordnung hat eine sehr aufwendige Bauweise, weil die Kühlkragen als separate Elemente mit komplizierter Form gebung unter Vorsehung innerer Kühlkanäle hergestellt werden müssen. Über die Kühlkragen kann aber nur ein gewisser Teil der im Inneren der Asynchronmaschine entstehenden Wärme abgeführt werden. Die im Bereich der Wickelköpfe anfallende Wärme gehört nicht dazu, da die Wickelköpfe mit den Kühlkragen nicht im un mittelbaren Wärmekontakt stehen. The known arrangement has a very complex design because the cooling collars as separate elements with a complicated shape with the provision of internal cooling channels have to. However, only a certain part of the dissipated heat generated inside the asynchronous machine become. The heat generated in the area of the winding heads belongs not because the winding heads with the cooling collar are not in the un indirect heat contact.

Aus der US 5 798 587 ist eine Kühlanordnung für eine Hochfre quenzspindel bekannt. Bei dieser Kühlanordnung ist ein wendel förmiger Kühlkanal vorgesehen, der das äußere Gehäuse der Spin del durchsetzt. An einem axialen Ende der Spindel ist eine mä anderförmige Struktur des Kühlkanals vorgesehen, die über eine Umfangsfläche verläuft und ein Lagerschild einschließt. Am ge genüberliegenden axialen Ende wird das Lagerschild von einer hohlzylindrischen Anordnung umgeben, die ebenfalls in den Kühl kreislauf geschaltet ist.From US 5 798 587 a cooling arrangement for a Hochfre quenzspindel known. This cooling arrangement has a helix Shaped cooling channel provided the outer casing of the spin del enforced. At one axial end of the spindle is a mä other-shaped structure of the cooling channel is provided, which over a Circumferential surface runs and includes a bearing plate. On ge opposite end of the bearing plate is one surrounded hollow cylindrical arrangement, which is also in the cooling circuit is switched.

Auch diese bekannte Anordnung hat damit den Nachteil, daß sie sehr aufwendig in der Herstellung ist, wobei überdies nur eine Kühlung der Lagerschilde von außen stattfindet, d. h. eine Küh lung der rotierenden Teile selbst allenfalls mittelbar erfolgt. Eine spezielle Kühlung der Wickelköpfe ist dabei nicht ange sprochen.This known arrangement also has the disadvantage that it is very complex to manufacture, and moreover only one Cooling of the end shields takes place from the outside, d. H. a cool development of the rotating parts themselves is done indirectly at best. A special cooling of the winding heads is not appropriate spoke.

Aus der DE 77 07 840 U ist ein Kurzschlußläufermotor bekannt. Der Motor umfaßt ein Statorgehäuse, an dem zwei wärmeleitende Bauteile angebracht sind. Die wärmeleitenden Bauteile erstrec ken sich zunächst in radialer Richtung nach innen und durchset zen dann den Zwischenraum zwischen Rotor und Stator. Auf diese Weise soll die Strahlungswärme vom Rotor aufgefangen und zum Statorgehäuse abgeleitet werden.A short-circuit rotor motor is known from DE 77 07 840 U. The motor comprises a stator housing, on which two heat-conducting Components are attached. The heat-conducting components first First, push yourself inwards and in a radial direction then zen the space between the rotor and stator. To this In this way, the radiant heat is to be collected by the rotor and to Stator housing can be derived.

Die bekannte Anordnung hat den Nachteil, daß sie in den Luft spalt zwischen Rotor und Stator eingreift, so daß dieser rela tiv breit ausgebildet werden muß, was unerwünscht ist. Außerdem ist eine spezielle Kühlung der Rotorwelle ebensowenig vorge sehen wie eine Kühlung der Wickelköpfe, die auch bei diesem Stand der Technik nicht unmittelbar mit den gesonderten Kühl elementen in Verbindung stehen.The known arrangement has the disadvantage that it is in the air gap engages between the rotor and stator, so that this rela tiv must be trained broadly, which is undesirable. Moreover special cooling of the rotor shaft is also not provided look like a cooling of the winding heads, which also with this State of the art not directly with the separate cooling related elements.

Aus der EP 0 632 566 ist eine Vorrichtung zur Wärmeabfuhr in elektromechanischen Anordnungen bekannt. Bei der bekannten Vor richtung ist zwar ein im Querschnitt U-förmiges Gehäuse vorge sehen, das eine Seite der Wickelköpfe umgibt, dieses Element besteht jedoch aus Kunststoff und ist daher zur Wärmeabfuhr we nig geeignet.EP 0 632 566 describes a device for heat dissipation in electromechanical arrangements known. With the well-known before direction is a pre-sectioned U-shaped housing see that one side of the winding heads surrounds this element but is made of plastic and is therefore we for heat dissipation not suitable.

Schließlich offenbart die DE 693 07 422 T2 einen mit Ständer kühlmitteln ausgerüsteten Motor, bei dem vorgesehen ist, den Zwischenraum zwischen einem Wickelkopf und einem umgebenden Ge häuse mit einem thermisch leitfähigen Material auszugießen.Finally, DE 693 07 422 T2 discloses one with a stand coolant-equipped engine, which is provided for Space between a winding head and a surrounding Ge Pour housing with a thermally conductive material.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine Hochfrequenz-Motorspindel der eingangs genannten Art dahin gehend weiterzubilden, daß bei einem konstruktiv einfachen Auf bau eine verbesserte Wärmeabfuhr aus den Wickelköpfen und zu gleich aus dem drehenden Teil der Spindel ermöglicht und gleichzeitig ein kompakter Aufbau erzielt wird.The invention is based on the object, a High-frequency motor spindle of the type mentioned above going to further develop that with a structurally simple on build an improved heat dissipation from the winding heads and to from the rotating part of the spindle and at the same time a compact structure is achieved.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Hochfrequenz- Motorspindel erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeweils ein Hohlkörper aus wärmeleitfähigem Material mit einem im wesentli chen U-förmigen Querschnitt vorgesehen ist, der jeweils einen Wickelkopf umgibt, wobei der Hohlkörper in Radialrichtung gese hen eine äußere Wand aufweist, die an dem Kühlelement den wei teren flächigen Kontakt bildet und in Radialrichtung gesehen eine innere Wand aufweist, die bis auf einen determinierten Ab stand an die Spindelwelle oder an mit der Spindelwelle drehfest verbundene Teile heranreicht, und daß ein verbleibender Frei raum zwischen dem Wickelkopf und dem Hohlkörper mit einem ther misch leitfähigen Material ausgefüllt ist.This task is performed in the high-frequency Motor spindle solved according to the invention in that a Hollow body made of thermally conductive material with an essentially Chen U-shaped cross section is provided, each one Surrounds winding head, the hollow body seen in the radial direction hen has an outer wall, the white on the cooling element teren flat contact and seen in the radial direction has an inner wall that, except for a determined Ab stood on the spindle shaft or on the spindle shaft connected parts approached, and that a remaining free space between the winding head and the hollow body with a ther mixed conductive material is filled.

Die Maßnahme, daß das Koppelelement einen Hohlkörper mit einem im wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweist, der den zumin dest einen Wickelkopf zweiseitig umgibt, hat den Vorteil, daß der Wickelkopf auf konstruktiv einfache Weise sehr effizient gekühlt wird. Außerdem ergibt sich auf diese Weise eine verbes serte thermische Anbindung der unterhalb des Wickelkopfes lie genden Bereiche an das Kühlelement. Schließlich hat die genann te Maßnahme den Vorteil, daß der Wickelkopf mechanisch gegen Umwelteinflüsse und äußere Beschädigungen geschützt wird.The measure that the coupling element is a hollow body with a has a substantially U-shaped cross section, which at least surrounds at least one end winding on two sides, has the advantage that the winding head is very efficient in a structurally simple manner is cooled. This also results in a verbes thermal connection below the winding head areas to the cooling element. After all, she called te measure the advantage that the winding head mechanically against Environmental influences and external damage is protected.

Erfindungsgemäß weist der Hohlkörper, wie erwähnt, in Radial richtung gesehen eine innere Wand auf, die bis auf einen deter minierten Abstand an die Spindelwelle oder an mit der Spindel welle drehfest verbundene Teile heranreicht.According to the invention, the hollow body points, as mentioned, in radial seen in the direction of an inner wall, which except for a deter minimized distance to the spindle shaft or to the spindle shaft rotatably connected parts.

Die mit der Spindelwelle drehfest verbundenen Teile sind bei spielsweise eine Wellenbüchse, ein Distanzring oder der Rotor der Antriebseinheit. Wesentlich bei dieser Ausgestaltung der Erfindung ist, daß der mit dem Kühlelement verbundene, stati sche Teil der Motorspindel bis auf den determinierten Abstand an den drehenden Teil der Spindelwelle heranreicht. Auf diese Weise wird eine Kontaktreibung verhindert. Innerhalb des Luft spaltes zwischen dem festen und dem drehenden Teil kann sich aufgrund der Drehung der Spindelwelle eine turbulente Strömung ausbilden, die bei geeignet gewähltem Abstand eine gute Wärme abfuhr ermöglicht. Auf diese Weise kann man einen sehr guten Wärmeübergang von dem drehenden Teil der Spindel auf den ein fach kühlbaren statischen Teil der Spindel erreichen.The parts that are non-rotatably connected to the spindle shaft are at for example a shaft sleeve, a spacer ring or the rotor the drive unit. Essential in this configuration of Invention is that the stati connected to the cooling element part of the motor spindle up to the determined distance to the rotating part of the spindle shaft. To this Contact friction is thus prevented. Inside the air there may be a gap between the fixed and rotating parts a turbulent flow due to the rotation of the spindle shaft train the good heat at a suitable distance removal allows. That way you can get a very good one Heat transfer from the rotating part of the spindle to the one reach the coolable static part of the spindle.

Die Maßnahme, daß ein verbleibender Freiraum zwischen dem Wickelkopf und dem Hohlkörper mit einem thermisch leitfähigen Material ausgefüllt ist, hat den Vorteil, daß der Wärmeübergang von dem zumindest einen weiteren Bauteil zu dem Kühlelement nochmals verbessert wird. Darüber hinaus hat auch diese Maß nahme den bereits erwähnten Vorteil, daß der Wickelkopf beson ders gut gegen Umwelteinflüsse und Beschädigungen geschützt ist.The measure that a remaining space between the Winding head and the hollow body with a thermally conductive Material is filled has the advantage that the heat transfer from the at least one further component to the cooling element is further improved. It also has this measure took the advantage already mentioned that the end winding particular well protected against environmental influences and damage is.

Die genannte Maßnahme zum Kühlen der Wickelköpfe ist auch des wegen besonders vorteilhaft, weil auf diese Weise die Tempera tur des Wickelkopfes beträchtlich gesenkt werden kann, wodurch der Stator des Antriebsmotors thermisch besonders gut entlastet wird. Infolge dessen steigt die Temperaturdifferenz zwischen dem Stator und den drehenden Teilen der Spindel, so daß der Wärmeübergang und die Wärmeleitung über die bereits bisher exi stierenden Übertragungswege verbessert wird. Dies hat auch eine verbesserte Kühlwirkung für die drehenden Teile der Spindel zur Folge. Hinzu kommt, daß die Wickelköpfe elektrischer Maschinen in der Regel die Höchsttemperaturen aufweisen, so daß durch eine verbesserte Kühlung des bzw. der Wickelköpfe insgesamt ei ne weitere Leistungssteigerung der Maschine möglich ist.The measure mentioned for cooling the winding heads is also the because particularly advantageous because in this way the tempera tur of the winding head can be significantly reduced, whereby the stator of the drive motor is thermally relieved particularly well becomes. As a result, the temperature difference between the stator and the rotating parts of the spindle, so that the Heat transfer and heat conduction via the previously exi constant transmission paths is improved. This also has one improved cooling effect for the rotating parts of the spindle Episode. In addition, the winding heads of electrical machines usually have the maximum temperatures, so that by improved cooling of the winding head (s) overall ne further increase in performance of the machine is possible.

Die erfindungsgemäße Lösung hat ferner den Vorteil, daß das In nere der Spindelwelle vollständig zur Verfügung steht, bei spielsweise zum Einbau eines Werkzeugspannsystems, da ein in nerhalb der Spindelwelle angeordneter Kühlkreislauf nicht mehr erforderlich ist. Gleichzeitig vermeidet die erfindungsgemäße Lösung die Nachteile einer externen Spritzkühlung. Es versteht sich jedoch, daß diese bekannten Maßnahmen zur Erreichung einer nochmals verstärkten Kühlwirkung auch zusätzlich zu der erfin dungsgemäßen Maßnahme verwendet werden können.The solution according to the invention also has the advantage that the In nere the spindle shaft is fully available at for example for the installation of a tool clamping system, as an in cooling circuit no longer arranged within the spindle shaft is required. At the same time avoids the invention Solution to the disadvantages of external spray cooling. It understands however, that these known measures to achieve a further enhanced cooling effect in addition to the inventions measure according to the invention can be used.

Darüber hinaus hat die erfindungsgemäße Hochfrequenz-Motor spindel, insbesondere in ihren nachfolgend näher erläuterten Ausgestaltungen, den Vorteil, daß trotz der verbesserten Küh lung eine sehr kompakte Bauweise erreichbar ist, die wiederum kleine Lagerabstände ermöglicht. Hierdurch kann eine sehr hohe biegekritische Drehzahl erreicht werden. Gleichzeitig wird durch die verbesserte Wärmeabfuhr und die damit verbundene ge ringere thermische Längenausdehnung der Spindel eine höhere Präzision bei der Bearbeitung von Werkstücken möglich. Des wei teren wird die Alterung der Schmierstoffe im Inneren der Motor spindel verlangsamt, was zu einem geringeren Verschleiß führt.In addition, the high-frequency motor according to the invention spindle, in particular in those explained in more detail below Refinements, the advantage that despite the improved cooling a very compact design is achievable, which in turn allows small bearing distances. This can result in a very high critical speed can be reached. At the same time through the improved heat dissipation and the associated ge lower thermal linear expansion of the spindle a higher Precision possible when machining workpieces. The white The aging of the lubricants inside the engine will also increase spindle slows down, which leads to less wear.

Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Maßnahme in Kom bination mit der Verwendung von sogenannten Hybridlagern, bei denen die Wälzkörper aus einem Keramikmaterial bestehen. Der artige Lager besitzen nämlich sehr gute Laufeigenschaften bei hohen Drehzahlen, sie ermöglichen jedoch nur eine geringe Wär meabfuhr von innen nach außen.The measure according to the invention is particularly advantageous in com combination with the use of so-called hybrid bearings, at which the rolling elements consist of a ceramic material. The like bearings have very good running properties high speeds, but they allow only a low heat Removal from the inside out.

In einer Ausgestaltung der Erfindung liegt der determinierte Abstand im Bereich zwischen 0,1 mm und 1 mm, bevorzugt im Be reich zwischen 0,2 mm und 0,5 mm. In one embodiment of the invention, the determined Distance in the range between 0.1 mm and 1 mm, preferably in the loading range between 0.2 mm and 0.5 mm.

Diese Bereichsgrenzen haben sich bei praktischen Versuchen als optimal erwiesen, um einerseits eine hohe Drehzahl der Spindel welle zu ermöglichen und andererseits eine sehr gute Wärme abfuhr von dem drehenden Teil zu erreichen.These range limits have been shown in practical tests Proven optimally, on the one hand, a high spindle speed allow wave and on the other hand a very good warmth to reach discharge from the rotating part.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das thermisch leitfähige Material ein keramikgefülltes Epoxidharz.In a further embodiment of the invention, this is thermal conductive material is a ceramic filled epoxy resin.

Dieses Material hat sich für den beabsichtigten Zweck als be sonders geeignet erwiesen, da es einerseits im Vergleich zu Luft eine um den Faktor 100 bis 200 gesteigerte Wärmeleitfähig keit besitzt, während es andererseits elektrisch isolierend wirkt. Die Maßnahme hat daher den Vorteil, daß zusätzlich auch die Isolation des Wickelkopfes verbessert wird. Darüber hinaus ist das genannte Material vergleichsweise einfach zu verarbei ten.This material has proven to be for the intended purpose proven to be particularly suitable, as compared to Air has a thermal conductivity increased by a factor of 100 to 200 speed, while on the other hand it is electrically insulating works. The measure therefore has the advantage that in addition the insulation of the end winding is improved. Furthermore the material mentioned is comparatively easy to process ten.

Der Hohlkörper kann auch ein Ring sein, der kollinear zu der Spindelwelle über dem mindestens einen Wickelkopf angeordnet ist.The hollow body can also be a ring that is collinear to the Spindle shaft arranged above the at least one winding head is.

Diese Maßnahme ermöglicht einen sehr einfachen Einbau des Kop pelelementes in die erfindungsgemäße Anordnung. Zudem besitzt das Koppelelement in diesem Fall eine sehr große Kühlfläche, die besonders gut zur Wärmeableitung beiträgt.This measure enables a very simple installation of the cop pelelementes in the arrangement according to the invention. Also owns in this case the coupling element has a very large cooling surface, which contributes particularly well to heat dissipation.

Der Hohlkörper besteht vorzugsweise aus einem Kupfermaterial.The hollow body preferably consists of a copper material.

Da Kupfer eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit besitzt, kann so der Kühlwirkungsgrad der Anordnung nochmals verbessert werden. Die zuvor genannten Effekte werden daher nochmals gesteigert. Since copper has a very good thermal conductivity, it can the cooling efficiency of the arrangement can be further improved. The aforementioned effects are therefore increased again.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the above and the following standing features to be explained not only in each specified combination, but also in other combinations or can be used alone, without the scope of to leave the present invention.

Eine erfindungsgemäße Motorspindel mit einer entsprechenden An triebseinheit ist in der beiliegenden Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur die Antriebseinheit einer erfindungsge mäßen Motorspindel in einer teilweise geschnittenen, perspekti vischen Darstellung.A motor spindle according to the invention with a corresponding to drive unit is shown in the accompanying drawing and is explained in more detail in the description below. there the only figure shows the drive unit of a fiction, ge moderate motor spindle in a partially cut perspective vischen representation.

In der Figur ist die Antriebseinheit in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Sie wird bei einer vollständig zusammengebauten Motorspindel von einer hier nicht dargestell ten Spindelhülse umgeben, die darüber hinaus noch weitere, hier nicht interessierende Bestandteile, wie beispielsweise Spindel lager und ein Werkzeugspannsystem beinhaltet. Der Gesamtaufbau einer derartigen Motorspindel ist für sich genommen bekannt und beispielsweise in dem eingangs genannten Artikel von Horst Voll dargestellt.In the figure, the drive unit in its entirety is designated by the reference number 10 . It is surrounded by a fully assembled motor spindle by a spindle sleeve (not shown here), which also contains other components that are not of interest here, such as spindle bearings and a tool clamping system. The overall structure of such a motor spindle is known per se and is shown, for example, in the article by Horst Voll mentioned at the beginning.

Die Antriebseinheit 10 beinhaltet eine Spindelwelle 12, auf der konzentrisch ein Antriebsmotor 14 angeordnet ist. Der Antriebs motor 14 besitzt in an sich bekannter Weise einen Rotor 16 so wie einen Stator 18. Beide sind aus Gründen der Übersichtlich keit hier vereinfacht dargestellt.The drive unit 10 includes a spindle shaft 12 on which a drive motor 14 is arranged concentrically. The drive motor 14 has a rotor 16 and a stator 18 in a manner known per se. Both are shown here in simplified form for reasons of clarity.

Der Antriebsmotor 14 ist im vorliegenden Fall beispielhaft ein Käfigläufer-Motor. Die Erfindung ist jedoch nicht auf derartige Motoren beschränkt und kann ebenso bei sämtlichen anderen Asyn chron- oder Synchronmotoren und darüber hinaus auch bei Genera toren beliebiger Art angewendet werden.In the present case, the drive motor 14 is an example of a squirrel-cage motor. However, the invention is not limited to such motors and can also be applied to all other Asyn chron or synchronous motors and also to generators of any kind.

Mit der Bezugsziffer 20 sind die Kurzschlußringe des Käfigläu fers bezeichnet, die in bekannter Weise Bestandteil des Rotors 16 sind.With the reference numeral 20 , the short-circuit rings of the Käfigläu fers are designated, which are part of the rotor 16 in a known manner.

Der Stator 18 weist einen Statorkern 22 auf, der im vorliegen den Fall, wie üblich, aus einem Blechpaket gebildet ist. Auf dem Statorkern 22 ist eine Statorwicklung 24 angeordnet, die sich im wesentlichen parallel zur Mittellängsachse 26 der Spin delwelle 12 erstreckt. In Axialrichtung ragt die Statorwicklung 24 beidseitig über den Statorkern 22 hinaus und bildet dort die beiden sogenannten Wickelköpfe 28, 30 aus. Bei dem Wickelkopf 30 ist zudem eine Anschlußleitung 32 für die Statorwicklung 24 gezeigt.The stator 18 has a stator core 22 , which in the present case is, as usual, formed from a laminated core. On the stator core 22 , a stator winding 24 is arranged which extends substantially parallel to the central longitudinal axis 26 of the spin delwelle 12 . In the axial direction, the stator winding 24 projects beyond the stator core 22 on both sides and forms the two so-called winding heads 28 , 30 there. In the winding head 30 , a connection line 32 for the stator winding 24 is also shown.

Koaxial um den Stator 18 herum ist ein Kühlmantel 34 angeord net, der auf seiner Außenseite eine wendelförmige Struktur 36 aufweist. Die wendelförmige Struktur 36 bildet in Verbindung mit der hier nicht dargestellten Spindelhülse Kühlkanäle 38 aus, durch die ein Kühlmedium zirkulieren kann.A cooling jacket 34 is arranged coaxially around the stator 18 and has a helical structure 36 on its outside. The helical structure 36 forms in connection with the spindle sleeve, not shown here, cooling channels 38 through which a cooling medium can circulate.

Der Kühlmantel 34 liegt mit seiner Innenfläche an dem Stator kern 22 an und besitzt mit diesem daher einen thermisch leiten den, flächigen Kontakt 40. Über diesen Kontakt 40 wird ein Großteil der Wärme von den Antriebsmotor 14 an den Kühlmantel 34 abgegeben. The cooling jacket 34 lies with its inner surface on the stator core 22 and therefore has a thermally conductive, the flat contact 40th A large part of the heat is emitted from the drive motor 14 to the cooling jacket 34 via this contact 40 .

Mit den Bezugszeichen 50 und 52 sind zwei Mantelringe mit U- förmigem Querschnitt bezeichnet, die koaxial zu der Spindelwel le 12 über den beiden Wickelköpfen 28, 30 angeordnet sind. Die Mantelringe 50, 52 bestehen im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Kupfer, sie können jedoch auch aus einem anderen wärmeleit fähigen Material gefertigt sein. Jeder der beiden Mantelringe 50, 52 besitzt, in Radialrichtung gesehen, eine äußere Wand 54 sowie eine innere Wand 56. Die äußere Wand 54 liegt mit einem direkten flächigen Kontakt 58 an der Innenseite des Kühlmantels 34 an. Über den Kontakt 58 ist somit ebenfalls ein direkter Wärmeübergang möglich.The reference numerals 50 and 52 denote two casing rings with a U-shaped cross section, which are arranged coaxially with the spindle shaft 12 above the two winding heads 28 , 30 . The casing rings 50 , 52 are made of copper in the present exemplary embodiment, but they can also be made of another thermally conductive material. Each of the two casing rings 50 , 52 has, seen in the radial direction, an outer wall 54 and an inner wall 56 . The outer wall 54 bears with a direct flat contact 58 on the inside of the cooling jacket 34 . Direct heat transfer is thus also possible via contact 58 .

Die innere Wand 56 jedes Mantelrings 50, 52 reicht bis auf ei nen determinierten Abstand d, der an dem in Fig. 1 rechts gele genen Ende der Antriebseinheit 10 angedeutet ist, an die Spin delwelle 12 bzw. an eine mit der Spindelwelle 12 drehfest ver bundene Wellenbüchse 60 heran. Der Abstand d beträgt im vorlie genden Ausführungsbeispiel etwa 0,3 mm und wird generell im Be reich von etwa 0,1 mm bis 1 mm, bevorzugt im Bereich von 0,2 mm bis 0,5 mm, gewählt. Zwischen der Spindelwelle 12 bzw. der Wel lenbüchse 60 und den inneren Wänden 56 der Mantelringe 50, 52 bildet sich ein Luftspalt aus, in dem durch die Rotation der Spindelwelle 12 eine turbulente Luftströmung erzeugt wird. Die geringe Größe dieses Luftspaltes hat einerseits eine starke Luftbewegung zur Folge und ermöglicht andererseits einen sehr guten Wärmeübergang von der drehenden Spindelwelle 12 bzw. der Wellenbüchse 60 auf die Mantelringe 50, 52.The inner wall 56 of each shroud ring 50, 52 extends to ei nen-determined distance d, is indicated of the genes to the right of the gels in Fig. 1 the end of the drive unit 10, to the spinning delwelle 12 or a with the spindle shaft 12 rotatably ver tied shaft sleeve 60 . The distance d is approximately 0.3 mm in the present embodiment and is generally in the range from approximately 0.1 mm to 1 mm, preferably in the range from 0.2 mm to 0.5 mm. An air gap is formed between the spindle shaft 12 and the shaft bushing 60 and the inner walls 56 of the casing rings 50 , 52 , in which a turbulent air flow is generated by the rotation of the spindle shaft 12 . The small size of this air gap on the one hand results in a strong air movement and on the other hand enables very good heat transfer from the rotating spindle shaft 12 or the shaft sleeve 60 to the casing rings 50 , 52 .

Die Verwendung der Wellenbüchse 60 erleichtert den Zusammenbau der Antriebseinheit 10. Alternativ zu der hier gezeigten Aus führungsform kann die Wellenbüchse 60 jedoch auch einstückig mit der Spindelwelle 12 verbunden sein, wodurch dieselben geo metrischen Verhältnisse erreichbar sind, wie in der Darstellung der Fig. 1. Alternativ hierzu kann die Wellenbüchse 60 auch einstückig mit dem Mantelring 52 verbunden sein, so daß der de terminierte Abstand d zwischen der Spindelwelle 12 und der Wel lenbüchse 60 zu bestimmen ist. Auch in diesem Fall wird eine gute thermische Kopplung zwischen der drehenden Spindelwelle 12 bzw. dem drehenden Rotor 16 zu dem Kühlmantel 34 erreicht.The use of the shaft sleeve 60 facilitates the assembly of the drive unit 10 . As an alternative to the embodiment shown here, however, the shaft bushing 60 can also be connected in one piece to the spindle shaft 12 , as a result of which the same geometric conditions can be achieved as in the illustration in FIG. 1. Alternatively, the shaft bushing 60 can also be connected in one piece to the casing ring 52 be connected so that the de terminated distance d between the spindle shaft 12 and the shaft bushing 60 is to be determined. In this case too, a good thermal coupling between the rotating spindle shaft 12 or the rotating rotor 16 to the cooling jacket 34 is achieved.

Beispielhaft für eine bevorzugte Ausführung der Erfindung ist der verbleibende Freiraum zwischen dem Mantelring 52 und dem Wickelkopf 30 mit einem thermisch leitfähigen Material ausge füllt, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein keramikge fülltes Epoxidharz ist. Ein derartiges Material besitzt eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 3 bis 6 W/mK, die um die Größenord nung 100 bis 200 besser als die Wärmeleitfähigkeit von trocke ner Luft ist. Dementsprechend kann durch die Verwendung eines derartigen Füllmaterials die Wärmeabfuhr nochmals gesteigert werden. Bei dem Mantelring 50 ist ein derartiges Füllmaterial aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt, es wird jedoch bevorzugt bei beiden Mantelringen 50, 52 verwendet.Exemplary of a preferred embodiment of the invention is the free space remaining between the outer ring 52 and the winding head 30 is a thermally conductive material fills, which is a keramikge filled epoxy resin in the present embodiment. Such a material has a thermal conductivity of about 3 to 6 W / mK, which is around the order of magnitude 100 to 200 better than the thermal conductivity of dry air. Accordingly, the heat dissipation can be increased again by using such a filler material. In the shroud 50, such a filler for reasons of clarity is not shown, but it is preferred in both shrouds 50, used 52nd

Alternativ zu dem genannten keramikgefüllten Epoxidharz kann auch ein beliebiges anderes Füllmaterial verwendet werden. Je größer dessen Wärmeleitfähigkeit ist, desto ausgeprägter ist die Wärmeabfuhr aus dem Inneren der Antriebseinheit 10.As an alternative to the ceramic-filled epoxy resin mentioned, any other filling material can also be used. The greater its thermal conductivity, the more pronounced is the heat dissipation from inside the drive unit 10 .

Insgesamt ergeben sich bei dem hier dargestellten Ausführungs beispiel folgende Wärmeübergänge, die zu einer Kühlung der An triebseinheit 10 führen:
Overall, the following heat transfers result in the embodiment shown here, which lead to cooling of the drive unit 10 :

Heat transfer from the rotating spindle shaft 12 or the rotating rotor 16 to the fixed stator core 22 through the turbulent air flow forming in the air gap,
Heat transfer from the stator core 22 to the cooling jacket 34 via the flat contact 40 ,
Heat transfer from the spindle shaft 12 or the shaft bushing 60 to the jacket rings 50 , 52 ,
- Heat transfer from the winding heads 28 , 30 to the jacket rings 50 , 52 , optionally via the epoxy resin 62nd
- Heat transfer from the jacket rings 50 , 52 to the Kühlman tel 34 via the flat contacts 58 ,
- Heat transfer from the short-circuit rings 20 to the spindle shaft 12 or the shaft sleeve 60 ,

Alternativ zu dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel können die Mantelringe 50, 52 auch drehfest mit der Spindelwelle 12 bzw. der Wellenbüchse 60 verbunden sein, so daß der verbleiben de Luftspalt zwischen dem rotierenden und dem feststehenden Teil der Antriebseinheit 10, d. h. zwischen den Mantelringen 50, 52 und dem Kühlmantel 34 gebildet wird. Die weitere Kontaktflä che 58 im Sinne der vorliegenden Erfindung befindet sich dann zwischen der Spindelwelle 12 und den Mantelringen 50, 52. Des weiteren können die Mantelringe 50, 52 in diesem Fall auch ein stückig mit der Spindelwelle 12 oder dem Kühlmantel 34 verbun den sein. As an alternative to the exemplary embodiment shown here, the casing rings 50 , 52 can also be connected in a rotationally fixed manner to the spindle shaft 12 or the shaft sleeve 60 , so that the remaining air gap between the rotating and the fixed part of the drive unit 10 , ie between the casing rings 50 , 52 and the cooling jacket 34 is formed. The further contact surface 58 in the sense of the present invention is then between the spindle shaft 12 and the casing rings 50 , 52nd Furthermore, the jacket rings 50 , 52 in this case can also be connected in one piece with the spindle shaft 12 or the cooling jacket 34 .

Vorteilhaft für die vorliegende Erfindung ist bei all diesen Ausführungsbeispielen vor allem, daß der zwischen der rotieren den Spindelwelle 12 und dem feststehenden Kühlmantel 34 ver bleibende Raum um die Wickelköpfe soweit wie möglich mit gut wärmeleitendem Material aufgefüllt ist. Im Optimalfall ver bleibt allein der geringe Luftspalt, der für die Trennung der rotierenden Spindelwelle von den feststehenden Teilen der An triebseinheit 10 erforderlich ist.An advantage of the present invention in all of these exemplary embodiments is above all that the space remaining between the rotating spindle shaft 12 and the fixed cooling jacket 34 is filled as far as possible with good heat-conducting material around the end windings. In the optimal case, only the small air gap remains, which is required for the separation of the rotating spindle shaft from the fixed parts of the drive unit 10 .

Das Prinzip der Erfindung kann gleichermaßen auch auf solche Antriebsmotoren angewendet werden, bei denen der Rotor außen um einen feststehenden Stator herumläuft. Des weiteren kann das Prinzip der Erfindung auch auf beliebige andere elektrischen Maschinen sowie auf Generatoren übertragen werden, die einen vergleichbaren konstruktiven Aufbau besitzen.The principle of the invention can equally apply to such Drive motors are used in which the rotor is around runs around a fixed stator. Furthermore, it can Principle of the invention also on any other electrical Machines and generators are transferred to the one have a comparable construction.

Claims

1. High-frequency motor spindle for a machine tool, with a spindle shaft ( 12 ) and with an electric drive motor ( 14 ), which includes a radially from the spindle shaft ( 12 ) arranged stator core ( 22 ) with a stator winding ( 24 ), the Stator winding ( 24 ) in the axial direction over the stator core ( 22 ) protruding winding heads ( 28 , 30 ), further with a cooling element ( 34 ) which is thermally conductively connected to the stator core ( 22 ) via a first flat contact ( 40 ), characterized in that in each case a hollow body ( 50 , 52 ) made of thermally conductive material is provided with a substantially U-shaped cross section, each of which surrounds a winding head ( 28 , 30 ), the hollow body ( 50 , 52 ) in the radial direction seen an outer wall ( 54 ) which forms the white direct surface contact ( 58 ) on the cooling element ( 34 ) and seen in the radial direction has an inner wall ( 56 ) which, except for e a determined distance (d) to the spindle shaft ( 12 ) or to parts ( 20 , 60 ) connected to the spindle shaft ( 12 ) in a rotationally fixed manner, and that a remaining space between the winding head ( 28 , 30 ) and the hollow body ( 50 , 52 ) is filled with a thermally conductive material ( 62 ).

2. High-frequency motor spindle according to claim 1, characterized ge indicates that the determined distance (d) in Be rich between 0.1 mm and 1 mm, preferably in the range between between 0.2 and 0.5 mm.

3. High-frequency motor spindle according to claim 1 or 2, characterized in that the thermally conductive material ( 62 ) is a ceramic-filled epoxy resin.