DE4341128C2

DE4341128C2 - Elektromotor

Info

Publication number: DE4341128C2
Application number: DE4341128A
Authority: DE
Inventors: Satosi Kumamoto; Sin Tanoue; Masanori Wakuda
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 1992-12-04
Filing date: 1993-12-02
Publication date: 2001-01-18
Anticipated expiration: 2013-12-03
Also published as: JPH06170675A; US5525851A; DE4341128A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Elektromotor mit einer Welle hat einen Rotor und einen Stator, der an einem festen Teil angebracht ist, 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.

Beim oben beschriebenen Motor hängt jegliche Motorleistung, beispielsweise die Drehzahl, von der magnetischen Wirkung zwischen dem Rotor-Satz und dem Stator ab. Demzufolge ist ein Hochgeschwindigkeitsmotor notwendigerweise im Hinblick auf die elektromagnetischen Eigenschaften begrenzt. Darüber hinaus erfordert ein Hochgeschwindigkeitsmotor eine hohe Drehzahl in der Lagerung, die die Welle aufnimmt, was dazu führt, daß die Kühlung und die Schmierung der Lagerung für die Welle schwierig ist. Daher ist es verständlich, daß der Hochgeschwindigkeitsmotor in seiner Auslegung begrenzt ist.

Die DE-OS 30 45 820 zeigt einen Elektromotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Die nur für eine Neuheitsbetrachtung relevante WO 93/03535 zeigt in der Figur einen Elektromotor, bei dem die Rotoren nicht aus magnetisch anisotropem Material bestehen und wobei kein hülsenförmiger Umlaufkörper vorgesehen ist.

Auch der in der DE-OS 36 32 161 beschriebene Induktionsmotor weist keine Rotoren aus magnetisch anisotropem Material auf und zeigt keinen hülsenförmigen Umlaufkörper.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor zum Erzeugen hoher Drehzahlen anzugeben, bei dem unter verschiedenen Begrenzungen eine hohe Drehzahl erreichbar ist und bei dem gleichzeitig mehrere voneinander abweichende Motor-Ausgangsleistungen erzeugt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche 2 bis 4 zeigen vorteilhafte Weiterbildungen des Elektromotors nach Patentanspruch 1.

Bei einem Elektromotor gemäß der Erfindung wird die Welle 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 Drehzahl der Welle besteht somit aus der Summe der Drehzahl der Umlaufhülse und der eigenen Drehzahl. Dadurch ist es möglich, die Welle mit hohen Drehzahlen umlaufen zu lassen.

In diesem Fall ist es nicht notwendig, daß die Drehzahl der Welle relativ zur Umlaufhülse und die Drehzahl 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 Welle 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 sowohl die innere als auch die äußere Umlaufhülse einen magnetisch anisotropen Rotor und einen Stator an ihrem 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 der Elektromotor mit mehreren Umlaufhülsen versehen ist, dann ist es möglich, die Welle mit sehr hohen Drehzahlen umlaufen zu lassen.

Die hohen Drehzahlen der Welle werden 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. Die vorliegende Erfindung dient für 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 Motor, 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 Drehzahl des ersten Rotors die Summe aus der Drehzahl des zweiten Rotors und der Drehzahl des ersten Rotors. Aus diesem Grunde ist es möglich, die Welle mit hohen Drehzahlen umlaufen zu lassen. Da in diesem Fall die Drehzahl des ersten Rotors relativ zum ersten Stator und die Drehzahl 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 beispielshaft eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Es zeigen:

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

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

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

Die Fig. 1 und 2 stellen eine Ausführungsform des Elektromotors zum Erzeugen hoher Drehzahlen gemäß der vorliegenden Erfindung dar. In diesen Figuren bezeichnet die Bezugsziffer 1 eine erste Welle, die als zentrale Welle angeordnet ist. Eine zweite Welle besteht aus einer hohlen, äußeren Welle (Umlaufhülse) 3 und ist auf der zentralen Welle 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 Welle 1 trägt integral einen Rotor 11 eines ersten Motors. Die äußere Welle (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 Welle (Umlaufhülse) 3 hat an ihrer Außenseite einen Rotor 19 für einen zweiten Motor und der feststehende Zylinder 7 hat an 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 Welle 1 und die Umlaufhülse 3 jeweils Zuführsysteme vorgesehen.

In dem Fall, in dem bei einem Motor magnetische Anisotropie angewendet wird, weisen die zentrale Welle 1 und die äußere Welle 3 (Umlaufhülse) eine magnetische Anisotropie dadurch auf, daß ein magnetischer Schlitz oder dergleichen vorhanden ist und daß die zentrale Welle 1 und die äußere Welle 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 Welle 1 und der äußeren Welle 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 kornorientiertem Silikonstahl, kornorientiertem 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.

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 zentrale Welle 1 läuft dann relativ zur äußeren Welle 3 mit Hilfe des ersten Motors um und die äußere Welle 3 dreht sich in derselben Richtung wie die zentrale Welle 1. Die Drehzahl der zentralen Welle 1 steigt dabei durch eine Zusammenarbeit zwischen der Drehzahl der zentralen Welle 1 relativ zur äußeren Welle 3 und der Drehzahl der äußeren Welle 3 an. Dort, wo die Drehzahl des ersten Motors die gleiche ist wie die des zweiten Motors, ist die Drehzahl der zentralen Welle 1 doppelt so hoch wie die Drehzahl der äußeren Welle 3.

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

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

Der erste und der zweite Motor werden einzeln in verschiedenen Zuständen angetrieben und zwar durch einzelnes Steuern des elektrischen Stromes für die Statoren 13 und 21. Die Drehzahlen der zentralen Welle 1 und der äußeren Welle 3 können beispielsweise durch eine Steuerung der mengenmäßigen Abgabewerte des ersten Motors und des zweiten Motors einzeln gesteuert werden. Die Drehzahlen der zentralen Welle 1 und der äußeren Welle 3 können jeweils dann verändert werden, wenn die Drehrichtung der zentralen Welle 1 des ersten Motors der Drehrichtung der äußeren Welle 3 des zweiten Motors entgegengesetzt ist. In diesem Fall kann die tatsächliche Drehzahl der zentralen Welle 1 durch die Differenz zwischen der Drehzahl der zentralen Welle 1 und der äußeren Welle 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 Drehzahl der zentralen Welle auf das dreifache, vierfache oder dergleichen erhöht werden kann.

Claims

1. Elektromotor, mit

- einer Welle (1) mit einem ersten Rotor (11);
- einem Umlaufkörper (3), der um die Welle (1) herum angeordnet ist und einen ersten Stator (13) mit einer Wicklung und einen zweiten Rotor (19) aufweist; und
- einem Gehäuse (7), das einen zweiten Stator (21) mit einer Wicklung aufweist;

dadurch gekennzeichnet, daß

- der Umlaufkörper (3) als Hülse ausgebildet ist;
- der erste Rotor (11) aus einem magnetisch anisotropen Material besteht und integral mit der Welle (1) ausgebildet ist;
- der zweite Rotor (19) aus einem magnetisch anisotropen Material besteht und integral mit dem Umlaufkörper (3) ausgebildet ist; und
- die Wicklung des ersten Stators (13) eine Feldwicklung (26) zum Magnetisieren des ersten Rotors (11) in einer vorbestimmten Richtung und eine Ankerwicklung (27) zum Antreiben des ersten Rotors mit hoher Drehzahl aufweist; und
- die Wicklung des zweiten Stators (21) eine Feldwicklung (26) zum Magnetisieren des zweiten Rotors (19) in vorbestimmter Richtung sowie eine Ankerwicklung (27) zum Antreiben des zweiten Rotors (19) mit hoher Drehzahl aufweist.

2. Elektromotor nach Anspruch 1, wobei der Umlaufkörper (3) zwischen der Welle (1) und dem Gehäuse (7) angeordnet ist, und eine innere Umlaufhülse und eine um die innere Umlaufhülse herum liegende äußere Umlaufhülse umfaßt, wobei sowohl die innere als auch die äußere Umlaufhülse 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. Elektromotor nach Anspruch 1, wobei die Phasenverschiebung zwischen dem Feldstrom und dem Ankerstrom im wesentlichen 90° beträgt.

4. Elektromotor nach Anspruch 1, wobei die Welle (1) und der Umlaufkörper (3) in einander entgegengesetzten Richtungen umlaufen.