DE4341128A1 - Vorrichtung zum Erzeugen hoher Drehzahlen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen hoher Drehzahlen und sie betrifft insbesondere einen Elektromotor zum Antreiben einer Welle.

Der oben erwähnte Elektromotor mit einer Drehachse hat einen Rotor und einen Stator, der an einem festen Teil angebracht st, das seinerseits an einem Motorgehäuse befestigt ist; auf diese Weise wird die Motorwelle durch die elektromagnetische Wirkung zwischen einem Rotor-Satz und dem Stator gedreht.

Bei dem oben erwähnten Motor hängt jegliche Motorleistung, beispielsweise die Dreh-Frequenz, von der magnetischen Wirkung zwischen dem Rotor-Satz und dem Stator ab. Demzufolge st ein Hochgeschwindigkeitsmotor notwendigerweise im Hinblick auf die elektromagnetischen Eigenschaften begrenzt. Darüberhinaus erfordert ein Hochgeschwindigkeitsmotor eine hohe Drehfrequenz in der Lagerung, die die Drehwelle aufnimmt, was dazu führt, daß die Kühlung und die Schmierung der Lagerung für die Drehwelle schwierig ist. Daher ist es verständlich, daß der Hochgeschwindigkeitsmotor in seiner Auslegung begrenzt ist.

Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Erzeugen hoher Drehzahlen anzugeben, um unter verschiedenen Begrenzungen eine hohe Drehfrequenz zu erreichen.

Eine weitere Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, eine Vorrichtung zum Erzeugen hoher Drehzahlen anzugeben und dabei gleichzeitig mehrere Motor- Ausgangsleistungen zu erzeugen, die voneinander abweichen.

Um die oben erwähnte Aufgabe zu lösen, ist nach der vorliegenden Erfindung vorgesehen eine Vorrichtung zum Erzeugen hoher Drehzahlen mit einer Drehwelle 1, die integral einen ersten Rotor aus einem magnetisch anisotropen Werkstoff aufweist, einer Umlaufhülse, die um die Drehwelle herum angeordnet ist und einen ersten Stator aufweist, der dem ersten Rotor entspricht sowie integral einen zweiten, magnetisch anisotropen Rotor, wobei der erste Stator eine Feldwicklung zum Magnetisieren des ersten Rotors in einer vorbestimmten Richtung hat sowie eine Ankerwicklung zum Antreiben des zweiten Rotors mit hoher Drehzahl; und einem Gehäuse, daß einen zweiten Stator aufweist, der dem zweiten Rotor entspricht, wobei der zweite Stator eine Feldwicklung zum Magnetisieren des zweiten Rotors in vorbestimmter Richtung hat sowie eine Ankerwicklung zum Aufbringen einer hohen Drehzahl auf den zweiten Rotor.

Bei dem oben erwähnten Aufbau wird die Drehwelle durch die elektromagnetische Wirkung des ersten Rotors und des ersten Stators angetrieben und die Umlaufhülse wird durch die elektromagnetische Wirkung des zweiten Rotors und des zweiten Stators angetrieben. Die Drehfrequenz der Drehwelle besteht somit aus der Summe der Drehfrequenz der Umlaufhülse und der eigenen Drehfrequenz. Dadurch ist es möglich, die Drehwelle mit hohen Drehzahlen umlaufen zu lassen.

In diesem Fall ist es nicht notwendig, daß die Drehfrequenz der Drehwelle relativ zur Umlaufhülse und die Drehfrequenz der Umlaufhülse relativ zum Gehäuse sehr hoch ist, so daß es leicht ist, das Lager zu kühlen und zu schmieren und aus diesem Grunde ist die Haltbarkeit des Lagers verbessert.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind mehrere Umlaufhülsen zwischen der Drehwelle und dem Gehäuse angeordnet und diese Umlaufhülsen umfassen eine innere Umlaufhülse und eine äußere Umlaufhülse, die auf dem äußeren Umfang der inneren Umlaufhülse angeordnet ist, wobei jede der inneren und äußeren Umlaufhülsen einen magnetisch anisotropen Rotor und einen Stator an seinem Innenumfang hat, wobei der Stator zum Magnetisieren des Rotors in einer vorbestimmten Richtung eine Feldwindung aufweist sowie eine Ankerwindung zum Erzeugen einer Drehkraft, die auf den Rotor wirkt.

Wenn die Vorrichtung mit mehreren Umlaufhülsen versehen ist, dann ist es möglich, die Drehwelle mit sehr hohen Drehzahlen umlaufen zu lassen.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die hohen Drehzahlen der Drehwelle dazu benutzt, eine schnell umlaufende Hauptspindel für leichte Dreh- und Schleifarbeiten anzutreiben und der Hochgeschwindigkeits-Umlauf der Umlaufhülse wird dazu benutzt, eine Hauptspindel für schwere Dreharbeiten und Schleifvorgänge anzutreiben. Von einem anderen Gesichtspunkt aus betrachtet, bietet die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Erzeugen hoher Drehzahlen mit einem ersten Motor, der einen ersten, magnetisch anisotropen Rotor sowie einen ersten, dem ersten Rotor entsprechenden Stator umfaßt, wobei der erste Stator als Umlaufhülse ausgebildet ist, die um den ersten Rotor herumgelegt ist und wobei der erste Stator eine Feldwicklung zum Magnetisieren des ersten Rotors in einer vorbestimmten Richtung sowie eine Ankerwicklung zum Aufbringen einer Hochgeschwindigkeitsdrehung auf den ersten Rotor hat; und einem zweiten Rotor, der einen zweiten Rotor umfaßt, der integral auf der Umlaufhülse ausgebildet und magnetisch anisotrop ist sowie einen zweiten Stator, der in einem Gehäuse angeordnet ist und dem zweiten Rotor entspricht, wobei der zweite Stator eine Feldwicklung zum magnetisieren des zweiten Rotors und eine Ankerwicklung hat, die den zweiten Rotor mit hoher Geschwindigkeit umlaufen läßt.

Bei dem oben erwähnten Aufbau wird der erste Rotor durch den ersten Motor und der zweite Rotor durch den zweiten Motor angetrieben. Da der zweite Rotor mit dem ersten Stator integral ist, ist die Drehfrequenz des ersten Rotors die Summe aus der Drehfrequenz des zweiten Rotors und der Drehfrequenz des ersten Rotors. Aus diesem Grunde ist es möglich, die Drehwelle mit hohen Drehzahlen umlaufen zu lassen. Da in diesem Fall die Drehfrequenz des ersten Rotors relativ zum ersten Stator und die Drehfrequenz des zweiten Rotors relativ zum zweiten Stator nicht notwendigerweise hoch sein muß, ist es leicht möglich, das Lager zu kühlen und zu schmieren und aus diesem Grunde ist die Haltbarkeit des Lagers verbessert.

Anhand der beigefügten Zeichnungen wird nun eine Ausführungsform der Erfindung beispielsweise beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ist eine vertikale Schnittansicht, die eine Ausführungsform der Vorrichtung zum Erzeugen hoher Drehzahlen gemäß der Erfindung darstellt.

Fig. 2 ist eine teilgeschnittene, perspektivische Ansicht, die eine Ausführungsform der Vorrichtung zum Erzeugen hoher Drehzahlen nach der vorliegenden Erfindung darstellt.

Fig. 3 ist eine Schnittansicht, die das Prinzip des Motors darstellt, der bei der Vorrichtung zum Erzeugen hoher Drehzahlen gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist.

Die Fig. 1 und 2 stellen eine Ausführungsform der Vorrichtung zum Erzeugen hoher Drehzahlen gemäß der vorliegenden Erfindung dar. In diesen Figuren bezeichnet die Bezugsziffer 1 eine erste Drehwelle, die als zentrale Drehwelle angeordnet ist. Eine zweite Drehwelle besteht aus einer hohlen, äußeren Drehwelle (Umlaufhülse) 3 und ist auf der zentralen Drehwelle 1 mit Hilfe von Lagern 5 konzentrisch drehbar gelagert. Um die Umlaufhülse 3 herum ist ein fester Zylinder 7 als Motorgehäuse konzentrisch angeordnet und diesem festen Zylinder 7 ist die Umlaufhülse 3 mit Hilfe von Lagern 9 drehbar gelagert.

Die zentrale Drehwelle 1 trägt integral einen Rotor 11 eines ersten Motors. Die äußere Drehwelle (Umlaufhülse) 3 hat einen Stator 13 des ersten Motors in ihrem Innenumfang und der Stator 13 entspricht dem Rotor 11.

Die Außenseite der Umlaufhülse 3 ist mit einem Schleifring 15 ausgerüstet, um dem Wicklungsteil des Stators 13 elektrischen Strom zuzuführen. Der Schleifring 15 steht mit Stromzuführ- Bürsten 17 in gleitender Berührung, die am feststehenden Zylinder 7 angebracht sind. Bei dieser Ausführungsform wird der Strom über den Schleifring 15 zugeführt; er kann jedoch auch über einen nicht berührenden, umlaufenden Transformator zugeführt werden.

Die äußere Drehwelle (Umlaufhülse) 3 hat auf ihrer Außenseite einen Rotor 19 für einen zweiten Motor und der feststehende Zylinder 7 hat auf seiner Innenumfangsseite einen Stator 21 für den zweiten Motor, wobei der Stator 21 dem Rotor 19 entspricht.

Die Formgebung des ersten Motors, der aus dem Rotor 11 und dem Stator 13 besteht und des zweiten Motors, der aus dem Rotor 19 und dem Stator 21 besteht, hängt von den Bauarten der Motoren ab. Bei der Ausführungsform, wie sie in den Figuren dargestellt ist, haben die Rotoren 11 und 19 keine Wicklungen und es wird ein Induktions-Motor oder ein bürstenloser Synchronmotor unterstellt, bei dem es nicht notwendig ist, den Rotoren 11 und 19 elektrischen Strom zuzuleiten. Aus diesem Grunde ist für die Rotoren 11 und 19 ein Zuführsystem nicht vorgesehen. In dem Fall jedoch, in dem ein Motor Rotoren aufweist, die Wicklungen haben, denen elektrischer Strom zugeleitet werden muß, sind für die zentrale Drehwelle 1 und die Umlaufhülse 3 jeweils Zuführsysteme vorgesehen.

In dem Fall, in dem bei einem Motor magnetische Anisotropie angewendet wird, weisen die zentrale Drehwelle 1 und die äußere Drehwelle 3 (Umlaufhülse) eine magnetische Anisotropie dadurch auf, daß ein magnetischer Schlitz oder dergleichen vorhanden ist und daß die zentrale Drehwelle 1 und die äußere Drehwelle 3 ohne die entsprechenden Bauteile als Rotoren 11 und 19 ausgebildet sind. In diesem Fall haben die Statoren 13 und 21 sowohl eine Anker- als auch eine Feldwicklung zum magnetisch anisotropen Magnetisieren jeweils der zentralen Drehwelle 1 und der äußeren Drehwelle 3.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 wird nun das Prinzip des synchronen Motors, der bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird, im einzelnen beschrieben.

In Fig. 3 sind die magnetisch anisotropen Rotoren 11 und 19 beispielsweise aus einem magnetisch anisotropen Magnetkörper hergestellt. Der magnetisch anisotrope Magnetkörper besteht aus Metall, beispielsweise aus einem kornorientierten Silikonstahl, einem kornorientierten Nickel oder dergleichen.

Die magnetisch anisotropen Rotoren 11 und 19 können aber auch aus einem isotropen Körper hergestellt und in der Form eines ausladenden Poles ausgebildet sein oder die magnetische Anisotropie kann durch das Ausbilden eines Schlitzes bewirkt worden sein.

Die oben beschriebenen, magnetisch anisotropen Rotoren 11 und 19 sind leicht in einer Richtung zu magnetisieren, wie dies durch Pfeile in Fig. 3 dargestellt ist; sie sind aber schwer In einer Richtung zu magnetisieren, die zu der Richtung der Pfeile senkrecht steht.

Die Statoren 13 und 21 sind jeweils auf magnetischen Kernen 25 mit einer Feldwicklung 26 und einer Ankerwicklung 27 umwickelt. Der phasenunterschied zwischen dem Feldstrom und dem Ankerstrom ist ein vorbestimmter Winkel, vorzugsweise ein Winkel von 90°. Der magnetische Feldfluß wird durch den Feldstrom erzeugt, um die magnetisch anistropen Rotoren 11 und 19 in einer vorbestimmten Richtung zu magnetisieren. Aufgrund der Flemingschen Regel wird dabei in den magnetisch anisotropen Rotoren 11 und 19 durch den magnetischen Feldfluß und den Ankerstrom ein Drehmoment erzeugt.

Der Motor mit dem oben beschriebenen Aufbau weist eine einfache Konstruktion auf, da die Rotoren 11 und 19 keine Permanentmagnete oder Wicklungen haben und der Motor weist eine ruhigen Umlauf ohne Schwingungen auf, die durch eine magnetische Vibration oder durch Ungleichgewichte verursacht werden können. Da die Rotoren nicht notwendigerweise mit einer Wicklung umwickelt sind, sind sie vor einer Erwärmung geschützt.

Dann, wenn die Rotoren 11 und 19 aus einem magnetischen Körper mit magnetischer Anisotropie hergestellt sind, können sie in einer Form nach Wunsch hergestellt werden. Der Motor kann daher durch Ausbildung der Rotoren 11 und 19 jeweils mit einem kreisförmigen Querschnitt mit hoher Drehzahl umlaufen.

Bei einer Vorrichtung mit dem oben beschriebenen Aufbau werden die Statoren 13 und 21 jeweils in derselben Drehrichtung angetrieben und die Zentraldrehwelle 1 läuft dann relativ zur äußeren Drehwelle 3 mit Hilfe des ersten Motors um und die äußere Drehwelle 3 dreht sich in derselben Richtung wie die zentrale Drehwelle 1. Die Drehfrequenz der zentralen Drehwelle 1 steigt dabei durch eine Zusammenarbeit zwischen der Drehfrequenz der zentralen Drehwelle 1 relativ zur äußeren Drehwelle 3 und der Drehfrequenz der äußeren Drehwelle 3 an. Dort, wo die Drehfrequenz des ersten Motors die gleiche ist wie die des zweiten Motors, ist die Drehfrequenz der zentralen Drehwelle 1 doppelt so hoch wie die Drehfrequenz der äußeren Drehwelle 3.

Selbst dann, wenn die Drehzahl der zentralen Drehwelle 1, wie dies oben beschrieben wird, doppelt so hoch ist, ist die Lagerbelastung der Lager 5 nicht zweimal so hoch wie die Drehfrequenz der zentralen Drehwelle 1, da die Lagerbelastung der Lager 5 nur von der Drehfrequenz der zentralen Drehwelle 1 relativ zur äußeren Drehwelle 3 bestimmt wird.

Bei der Vorrichtung zum Erzeugen hoher Drehzahlen kann das Drehmoment sowohl von der zentralen Drehwelle 1 als auch von der äußeren Drehwelle (Umlaufhülse) 3 gleichzeitig abgenommen werden. Wenn diese Vorrichtung als Betriebsmotor für die Hauptspindel einer Werkzeugmaschine eingesetzt wird, dann kann die zentrale Drehwelle 1 dazu benutzt werden, eine Hochgeschwindigkeits-Hauptspindel für leichte Dreh- und Schleifarbeiten anzutreiben und die äußere Drehwelle 3 kann dazu benutzt werden, eine Hauptspindel für schwere Dreh- und Schleifarbeiten anzutreiben.

Der erste und der zweite Motor werden einzeln in verschieden Zuständen angetrieben und zwar durch einzelnes Steuern des elektrischen Stromes für die Statoren 13 und 21. Die Drehfrequenzen der zentralen Drehwelle 1 und der äußeren Drehwelle 3 können beispielsweise durch eine Steuerung der mengenmäßigen Abgabewerte des ersten Motors und des zweiten Motors einzeln gesteuert werden. Die Drehfrequenzen der zentralen Drehwelle 1 und der äußeren Drehwelle 3 können jeweils dann verändert werden, wenn die Drehrichtung der zentralen Drehwelle 1 des ersten Motors der Drehrichtung der äußeren Drehwelle 3 des zweiten Motors entgegengesetzt ist. In diesem Fall kann die tatsächliche Drehfrequenz der zentralen Drehwelle 1 durch die Differenz zwischen der Drehfrequenz der zentralen Drehwelle 1 und der äußeren Drehwelle 3 gesteuert werden.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform hat die Vorrichtung zum Erzeugen hoher Drehzahlen einen koaxialen, doppelten Aufbau und die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist darüberhinaus nicht auf diese Ausführungsform begrenzt und kann auch einen mehrfach koaxialen Aufbau haben, wobei die Drehfrequenz der zentralen Drehwelle dreifach, vierfach oder dergleichen erhöht werden kann.

Während die vorliegende Erfindung anhand einer besonderen Konstruktion erläutert worden ist, sollte es klar sein, daß Fachleute viele Merkmale hinzufügen, weglassen oder verändern könnten, ohne daß der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung dabei verlassen würde.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Erzeugen hoher Drehzahlen mit

• - einer Drehwelle (1), die integral einen ersten Rotor (11) auf einem magnetisch anisotropen Werkstoff aufweist,
• - einer Umlaufhülse (3), die um die Drehwelle (1) herum angeordnet ist und einen ersten Stator (13) aufweist, der dem ersten Rotor (11) entspricht sowie integral einen zweiten, magnetisch anisotropen Rotor (19), wobei der erste Stator (13) eine Feldwicklung zum Magnetisieren des ersten Rotors (11) in einer vorbestimmten Richtung hat sowie eine Ankerwicklung zum Antreiben des zweiten Rotors (19) mit hoher Drehzahl; und
• - einem Gehäuse (7), das einen zweiten Stator (21) aufweist, der dem zweiten Rotor (19) entspricht, wobei der zweite Stator (21) eine Feldwicklung zum Magnetisieren des zweiten Rotors (19) in vorbestimmter Richtung hat sowie eine Ankerwicklung zum Aufbringen einer hohen Drehzahl auf den zweiten Rotor (19).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Umlaufhülse (3) zwischen der Drehwelle (1) und dem Gehäuse (7) angeordnet ist, und eine innere Umlaufhülse und eine äußere Umlaufhülse umfaßt, die um die innere Umlaufhülse herum liegt, wobei jede der inneren und äußeren Umlaufhülsen einen magnetisch anisotropen Rotor sowie an ihrer Innenumfangsseite einen Stator hat, wobei dieser Stator eine Feldwicklung zum Magnetisieren des Rotors in vorbestimmter Richtung sowie eine Ankerwicklung zum Aufbringen einer Drehung mit hoher Drehzahl auf den Rotor aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Hochgeschwindigkeits-Drehung der Drehwelle (1) dazu benutzt wird, die Hauptspindel zum Zweck des leichten Drehens und Schleifens mit hoher Umlaufzahl anzutreiben und wobei die Drehung der Umlaufhülse (3) dazu benutzt wird, eine Hauptspindel für einen schweren Drehvorgang und einen Schleifvorgang anzutreiben.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Winkeldifferenz der elektrischen Phase zwischen dem Feldstrom, der durch die Feldwicklung hindurchgeht und dem Ankerstrom, der durch die Ankerwicklung hindurchgeht, im wesentlichen 90° beträgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Drehwelle (1) und die Umlaufhülse (3) in einander entgegengesetzten Richtungen umlaufen.

6. Vorrichtung zum Erzeugen hoher Drehzahlen mit

• - einem ersten Motor, der einen ersten, magnetisch anisotropen Rotor (11) sowie einen ersten, den ersten Rotor (11) entsprechenden Stator (13) umfaßt, wobei der erste Stator (13) umfaßt, als Umlaufhülse (3) ausgebildet ist, die um den ersten Rotor (11) herumgelegt ist und wobei der erste Stator (13) eine Feldwicklung zum Magnetisieren des ersten Rotors (11) in einer vorbestimmten Richtung sowie eine Ankerwicklung zum Aufbringen einer Hochgeschwindigkeitsdrehung auf den ersten Rotor (11) hat; und
• - einem zweiten Motor, der einen zweiten Rotor (19) umfaßt der integral auf der Umlaufhülse (3) ausgebildet und magnetisch anisotrop ist sowie einen zweiten Stator (21), der in einem Gehäuse (7) angeordnet ist und dem zweiten Rotor (19) entspricht, wobei der zweite Stator (21) eine Feldwicklung zum Magnetisieren des zweiten Rotors (19) und eine Ankerwicklung hat, die den zweiten Rotor (19) mit hoher Geschwindigkeit umlaufen läßt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der elektrische phasenunterschied zwischen dem Feldstrom, der durch die Feldwicklung hindurchgeht und dem Ankerstrom, der durch die Ankerwicklung hindurchgeht, im wesentlichen 90° beträgt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Drehwelle 1 und die Umlaufhülse 3 relativ zueinander in entgegengesetzten Richtungen umlaufen.