DE69310941T2

DE69310941T2 - Spindelvorrichtung mit eingebautem Motor

Info

Publication number: DE69310941T2
Application number: DE69310941T
Authority: DE
Inventors: Motohisa C/O Iwakuni Factory Of Teijin Iwakuni-Shi Yamaguchi-Ken Yamamura
Original assignee: Teijin Seiki Co Ltd
Current assignee: Nabtesco Corp
Priority date: 1992-01-16
Filing date: 1993-01-14
Publication date: 1997-11-20
Anticipated expiration: 2013-01-15
Also published as: EP0552037A2; JP2517318Y2; US5274286A; JPH0556339U; EP0552037B1; DE69310941D1; EP0552037A3

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Spindelvorrichtung mit eingebautem Motor, wobei der eingebaute Motor die betriebsbereite Spindel antreibt.

BESCHREIBUNG DES BISHERIGEN STANDS DER TECHNIK

Eine herkömmliche Spindelvorrichtung mit eingebautem Motor wird zum Beispiel anhand der japanischen Erfindung mit Publikationsnummer 3-3629 illustriert. Die Spindelvorrichtung beinhaltet ein Motorengehäuse, eine Spindel, deren Hinterteil in dem Motorengehäuse untergebracht ist und deren Vorderteil aus dem Motorengehäuse hervorsteht, einen Stator, der an der Innenfläche des Motorengehäuses angebracht ist und einen Rotor, der auf der Außenfläche der Spindel, gegenuber dem Stator angebracht ist. Ein Schaftfräser ist an dem Vorderteil der Spindel angebracht. Stator und Rotor bilden gemeinsam einen eingebauten Motor zur Rotation der Spindel. Ein Luftdurchgang, der mit einer, an der Innenfläche des Stators geöffneten Einspritzdüse ausgestattet ist, wird in dem Motorengehäuse und dem Stator gebildet. In dieser Spindelvorrichtung wird die rotierende Spindel dadurch versorgt, daß sie fortlaufend Luft von der Einspritzdüse zu einem engen Zwischenraum, der zwischen Stator und Rotor angelegt ist, zuführt.
In so einer herkömmlichen Spindelvorrichtung gibt es keinen Teil, der die Außenfläche des Rotors abdeckt, und ein derartiger Rotor besteht generell aus einem ziemlich spröden Mäterial. Wenn deshalb der Rotor mit einer hohen Geschwindigkeit, etwa 100.000 U/min, rotiert wird, kommt es aufgrund der Zentrifugalkraft zu einer großen Spannung im Inneren des Rotors, wodurch es zu Schäden an der Außenfläche des Rotors kommt. Da zusätzlich der Durchmesser des Zwischenraums zwischen Stator und Rotor klein ist, ist ein effektiver Bereich, der einem ständigen Luftdruck ausgesetzt ist, (Bereich der Innenfläche des Stators und Bereich der Außenfläche des Rotors) eng und dadurch die Versorgung der Spindel weniger stabil.
US-A-3 753 016 offenbart ein Spindelgerät mit einem eingebauten Motor entsprechend der Präambel nach Ansprüchen 1 und 7. In dieser Vorrichtung kann nur schwierig der notwendige Axialabstand zwischen der Abdeckung des Motorrotors und dem Gehäuse der Vorrichtung eingehalten werden, vor allem wenn der Schaft der Vorrichtung mit einer höheren Rotationsgeschwindigkeit betrieben wird, so daß es zu einer Temperaturausdehnung kommt.
Es ist deshalb ein wichtiges Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Spindelvorrichtung mit eingebautem Motor zu entwickeln, in der der Motor davor geschützt werden kann, bei hoher Rotationsgeschwindigkeit beschädigt zu werden, und in der die Versorgung der Spindel eine bessere Stabilität aufweist.
Ein weiteres Ziel ist es, weitgehend konstante Axialabstände zwischen den gegenüberliegenden Teilen des Stators und des Rotors beizubehalten.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird eine Spindelvorrichtung mit eingebautem Motor entwickelt, bestehend aus einem Gehäuse und einem Luftdurchgang, der mit einer Vielzahl von jeweils an der Innenfläche des Gehäuses geöffneten ersten Nebeneinspritzdüsen ausgestattet ist. Die Vorrichtung besteht weiterhin aus einer betriebsbereiten Spindel, die sich zusammensetzt aus einer Fläche mit großem Umfang, die durch einen zylindrischen Teil mit Außenfläche und Bohrloch gebildet wird, und einer Fläche mit kleinem Umfang, die eine verlängerung der Fläche mit dem großen Umfang bildet, wobei die Fläche mit dem großen Umfang in dem Gehäuse untergebracht ist und die Fläche mit dem kleinen Umfang aus dem Gehäuse hervorschaut und darauf ein Werkzeug befestigt ist. Die Innenfläche des Gehäuses ist gegenüber angebracht, um einen engen Zwischenraum zwischen der Innenfläche des Gehäuses und der Außenfläche der Fläche mit dem großen Umfang zu bilden.
Die ersten Nebeneinspritzdüsen werden fortlaufend mit Luft versorgt, die dann durch sie eingespritzt werden soll, damit die Fläche mit dem großen Umfang drehbar von der Luft gestützt wird, die dann von den ersten Nebeneinspritzdüsen zu dem engen Zwischenraum geliefert wird. Die Vorrichtung besteht weiterhin aus einem zylindrischen Motorrotor, der an einer Innenfläche der Fläche mit dem großen Umfang der betriebsbereiten Spindel angebracht ist, einem festen Schaft, der sich in dem Gehäuse befindet und lose in den Motorrotor hineingesteckt wird, und einem Motorstator, der an einer Außenfläche des festen Schaftes, gegenüber dem Motorrotor, befestigt ist, wobei der Motorstator und der Motorrotor gemeinsam den eingebauten Motor zur Rotation der betriebsbereiten Spindel ausmachen. Die rotierte betriebsbereite Spindel wird durch die ständige Luftzufuhr von den ersten Nebeneinspritzdüsen zu dem, zwischen der Innenfläche des Gehäuses und der Außenfläche der Fläche mit dem großen Umfang der betriebsbereiten Spindel gebildeten, engen Zwischenraum versorgt.
Entsprechend eines ersten Aspekts der Erfindung, besteht die Spindelvorrichtung weiterhin aus einem ringförmigen Radialkraftempfangselement, das radial von dem zylindrischen Teil der betriebsbereiten Spindel absteht und einander entgegengesetzte erste und zweite Radialkraftempfangsoberflächen hat; und einem Axiallager mit ersten und zweiten Schubeinspritzdüsen, die jeweils den ersten und zweiten Radialkraftempfangsoberflächen des ringförmigen Radialkraftempfangselements entgegengesetzt sind. Das Axiallager ist so konfiguriert, daß es zwei enge Zwischenräume zwischen dem ringförmigen Radialkraftempfangselement und den Einspritzdüsen des Axiallagers bildet. Die Schübeinspritzdüsen werden fortlaufend mit Luft versorgt, die sie dann so einspritzen, daß das ringförmige Radialkraftempfangselement durch die fortlaufend an die engen Zwischenräume zwischen dem Radialkraftempfangselement und dem Axiallager abgegebene Luft beliefert wird.
Entsprechend eines zweiten Aspekts der Erfindung ist die betriebsbereite Spindel mit einem Radialkraftempfangsteil zwischen der Fläche mit dem großen Umfang und der Fläche mit dem kleinen Umfang ausgestattet. Das Gehäuse wird durch eine dem Radialkraftempfangselement der betriebsbereiten Spindel entgegengesetzte erste Schübeinspritzdüse gebildet. Der feste Schaft verfügt über eine Stirnfläche, die durch eine dem Radialkraftempfangselement der betriebsbereiten Spindel in dem Bohrloch der Fläche mit großem Umfang der betriebsbereiten Spindel entgegengesetzte zweite Schübeinspritzdüse gebildet wird, wobei die ersten und zweiten Schübeinspritzdüsen fortlaufend mit Luft versorgt werden, die dann durch sie eingespritzt werden soll, so daß das Radialkraftempfangselement der betriebsbereiten Spindel fortlaufend von der, in die engen Zwischenräume zwischen dem Radialkraftempfangselements der betriebsbereiten Spindel und sowohl dem Gehäuse als auch der Stirnfläche des festen Schaftes eingebrachten Luft versorgt wird.
Eine Rotationsantriebskraft wird mittels elektromagnetischer Interaktion zwischen Motorrotor und Motorstator auf die betriebsbereite Spindel ausgeübt, und die betriebsbereite Spindel wird mit großer Geschwindigkeit rotiert. Wenn die betriebsbereite Spindel mit solch hoher Geschwindigkeit rotiert, wird Luft durch den Luftdurchgang in die Einspritzdüsen gebracht und danach in den engen Zwischenraum zwischen dem Gehäuse und der Fläche mit dem großen Umfang eingespritzt. Infolgedessen wird die rotierende betriebsbereite Spindel von einem Lager mit statischem Druck, welches durch die, von den Einspritzdüsen in den Zwischenraum eingespritzte Luft gebildet wird, versorgt.
Da der enge Zwischenraum radial außerhalb der um den Motorstator und den Motorrotor gesetzten Fläche mit dem großen Umfang der betriebsbereiten Spindel angebracht ist und dadurch einen größeren Durchmesser als die Fläche mit dem großen Umfang hat, erweitert sich der effektive Bereich, auf den der statische Luftdruck angewandt wird, und die Stabilität der Versorgung der betriebsbereiten Spindel durch das Lager mit dem statischen Druck vergrößert sich. Da zusätzlich der Motorrotor an der Innenfläche der Fläche mit dem großen Umfang der betriebsbereiten Spindel angebracht ist, bedeckt die Fläche mit dem großen Umfang die Außenfläche des Motorrotors und verhindert damit durch Zentrifugalkraft entstehende Risse des Motorrotors. Wenn der Bereich der betriebsbereiten Spindel mit dem großen Umfang die Außenfläche des Motorrotors bedeckt, wird es aufgrund der Zentrifugalkraft zu einer Kompressionskraft im Inneren des Motorrotors kommen. Da jedoch der Bruchgrenzwert bei einer solchen Kompressionskraft wesentlich höher angesiedelt ist als bei einer Spannungskraft, kann der Bruch des Motorrotors durch die Zentrifugalkraft verhindert werden.
Der feste Schaft und der Motorstator werden durch einen zweiten, mit einer Vielzahl von, an einer Außenfläche des Stators geöffneten sekundären Nebeneinspritzdüsen ausgestatteten Luftdurchgang gebildet, und die betriebsbereite rotierende Spindel wird dadurch versorgt, daß sie fortlaufend Luft von den sekundären Nebeneinspritzdüsen zu einem zwischen dem Motorstator und dem Motorrotor gebildeten engen Zwischenraum liefert. In dieser Anordnung kann der Motorrotor nicht mit dem Motorstator in Berührung kommen. Die betriebsbereite Spindel wird ebenfalls durch ein, von der durch die sekundären Einspritzdüsen eingeführten Luft gebildetes Lager mit statischem Druck versorgt, wodurch die Versorgung der betriebsbereiten Spindel noch stabiler wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung wird das Axiallager mit einer Nut, in die die Radialkraftempfangsvorrichtung eingesetzt wird, gebildet und die Nut mit den dritten Einspritzdüsen gebildet, so daß die auf die betriebsbereite Spindel ausgeübte Radialkraft durch die Lufteinspritzung von den dritten Einspritzdüsen zu der Radialkraftempfangsvorrichtung unterstützt wird. In dieser Anordnung wird die auf die betriebsbereite rotierende Spindel ausgeübte Radialkraft durch die Radialkraftempfangsvorrichtung versorgt, so daß die axiale Position der betriebsbereiten Spindel ziemlich konstant beibehalten wird.
Die Radialkraftempfangsvorrichtung kann sich radial von der Fläche mit dem großen Umfang der betriebsbereiten Spindel nach innen erstrecken. In dieser Anordnung kann ein Ansteigen des Durchmessers der Vorrichtung verhindert und ein Leerraum effektiv genutzt werden.
Das Gehäuse kann aus einer, einer vertikalen Stirnfläche zwischen den Bereichen der betriebsbereiten Spindel mit großem und kleinem Umfang entgegengesetzten, vierten Einspritzdüse bestehten, und der feste Schaft kann auch mit einer Stirnfläche ausgestattet sein, welche mit einer fünften Einspritzdüse gebildet wird, die der Bodenfläche des in dem Bereich der betriebsbereiten Spindel mit dem großen Umfang konstruierten Bohrlochs entgegengesetzt ist. Die auf die betriebsbereite Spindel ausgeübte Radialkraft wird versorgt durch die Luftzufuhr von der vierten Einspritzdüse zu einem Zwischenraum zwischen dem Gehäuse und der vertikalen Stirnfläche auf der betriebsbereiten Spindel und von der fünften Einspritzdüse zu einem Zwischenraum zwischen der Bodenfläche des Bohrlochs der Fläche mit dem großen Umfang und der Stirnfläche des festen Schafts.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Oben angeführte und weitere Ziele und Vorteile werden durch die folgende detaillierte Beschreibung offensichtlich werden, wenn diese gemeinsam mit den dazugehörenden Zeichnungen gelesen wird. Danach ist
Abb. 1 ein Längsschnitt, der die Ausführungsform einer Spindelvorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt;
Abb. 2 ein im wesentlichen entlang der Linie II-II der Abb. 1 genommener Querschnitt der in Abb. 1 dargestellten Vorrichtung;
Abb. 3 eine im wesentlichen entlang der Linie III-III von Abb. 1 genommene Ansicht; Abb. eine Teilaufnahme, die eine zweite Ausführungsform der Spindelvorrichtung entsprechend vorliegender Erfindung zeigt;
Abb. 5 eine Endansicht, die die vordere Abdeckplatte der zweiten Ausführungsform von Abb. 4 zeigt;
Abb. 6 eine Endansicht, die den festen Schaft der zweiten Ausführungsform von Abb. 4 zeigt; und
Abb. 7 eine Teilaufnahme, die eine dritte Ausführungsform der Spindelvorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

In Abb. 1 und 2 wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Bezugsnummer 11 bezieht sich auf einen generell zylindrischen Gehäusehauptteil, welcher aus einer vorderen runden Abdeckplatte 12, die auf dem vorderen Ende des Gehäusehauptteils 11 angebracht ist, und aus einer hinteren runden Abdeckplatte 13, die auf dem hinteren Ende des Gehäusehauptteils 11 angebracht ist, besteht. Der Gehäusehauptteil 11 wird an der Vorderseite durch die vordere Abdeckplatte 11 und auf der Hinterseite durch die hintere Abdeckplatte 11 geschlossen. Ringteile 14 und 15 werden innerhalb des Gehäusehauptteils 11 angebracht, und ein Abstandsstück 16 wird zwischen diese Ringteile 14 und 15 gesetzt. Die Außenflächen der Ringteile 14 und 15 stehen in engem Kontakt mit der Innenfläche des Gehäusehauptteils 11. Zwischen dem Ringteil 15 und der hinteren Abdeckplatte 13 ist ein Abstandsstück 17 angebracht. Gemeinsam bilden der Gehäusehauptteil 11, die vordere Abdeckplatte 12, die hintere Abdeckplatte 13, die Ringteile 14, 15 und die Abstandsstücke 16, 17 ein festes Gehäuse 18.
Ein Hauptschaft 20 ist innerhalb des festen Gehäuses 18 angebracht und besteht aus einer Fläche mit großem Umfang 21, die geringfügig kleiner ist als die Innenflächen der Ringteile 14, 15, und aus einer Fläche mit kleinem Umfang 22, die die Fortsetzung der Fläche mit großem Umfang 21 bildet. Zwischen den Flächen mit großem und kleinem Umfang 21 und 22 ist eine vertikale Stirnfläche 23 angebracht. Eine Schleifvorrichtung (Werkzeug) 24 ist in das vordere Ende der Fläche mit dem kleinen Umfang 22 des Hauptschafts 20 eingeschraübt und ist mit einem darauf befestigtem Schleifstein 25 ausgestattet. Gemeinsam machen der Hauptschaft 20 und die Schleifvorrichtung 24 die betriebsbereite Spindel 26 aus. Die Fläche mit dem großen Umfang 22 der betriebsbereiten Spindel 26 befindet sich in dem festen Gehäuse 18, und die Fläche mit dem kleinen Umfang 22 der betriebsbereiten Spindel 26 erstreckt sich durch ein in die vordere Abdeckplatte 12 gedrilltes Bohrloch und schaut aus der vorderen Abdeckplatte 12 hervor. Zwischen der vorderen Abdeckplatte 12 und der Fläche mit dem kleinen Umfang 22 des Hauptschafts 20 ist eine Labyrinthdichtung 27 angebracht. Der Hauptschaft 20 ist an deren hinterer Stirnfläche befestigt, wobei ein Bohrloch mit einem großen Umfang 28 sich zum vorderen Ende erstreckt, so daß der Schaft 20 am hinteren Teil mit einem zylindrischen Teil 29 gebildet wird.
Durch Schrumpfanpassung wird ein zylindrischer Motorrotor 33, der mit einem Dauermagnet oder Elektromagnet ausgestattet ist, an der Innenfläche des zylindrischen Teils 29 des Hauptschafts 20 befestigt. Ein fester Schaft 36 wird an der hinteren Abdeckplatte des festen Gehäuses 18 befestigt, erstreckt sich zu der vorderen Abdeckplatte 12 und wird lose in den Motorrotor 33 eingesetzt. An der dem Motorrotor 33 entgegengesetzten Stelle wird ein Motorstator 38 durch Schrumpfanpassung auf dem festen Schaft 36 befestigt. Gemeinsam machen der Motorrotor 33 und der Motorstator 38 einen eingebauten Motor 39 aus.
Die oben erwähnten Ringteile 14 und 15 werden an der Außenfläche jeweils mit den Umfangsnuten 42 und 43 versehen. Diese Umfangsnuten 42 und 43 werden mit den radial gelegenen Innenenden eines sich axial erstreckenden Durchgangs 44 in dem Gehäusehauptteil 11 verbunden. Das radial gelegene Außenende des axialen Durchgangs 44 ist an der Außenfläche des Gehäusehauptteils 11 geöffnet und mit einer Luftquelle (nicht abgebildet) verbunden. Die Umfangsnuten 42 werden jeweils mit den Außenenden der radialen Bohrlöcher 45, die sich in dem Ringteil 14 befinden, verbunden. Die Umfangsnuten 43 werden ebenfalls jeweils mit den Außenenden der radialen Bohrlöcher 46, die sich in dem Ringteil 15 befinden, verbunden. Diese radialen Bohrlöcher 45 und 46 werden im gleichen Abstand in der Axialrichtung der Ringteile 14, 15 angebracht. Die Innenenden der radialen Bohrlöcher 45 und 46 sind an den Innenflächen der Ringteile 14 und 15 geöffnet und stellen die Einspritzdüsen 47 und 48 dar. Die oben erwähnten Umfangsnuten 42, 43, der Durchgang 44 und die radialen Bohrlöcher 45, 46 bilden gemeinsam einen Luftdurchgang 49. Die durch diesen Luftdurchgang 49 zu den Einspritzdüsen 47, 48 gelieferte Luft wird anschließend in einen engen ringförmigen Zwischenraum 50, der durch die Innenflächen der Ringteile 14, 15 und die Außenfläche des zylindrischen Teils der betriebsbereiten Spindel 26 ausgemacht wird, eingespritzt und geliefert. Die radiale Entfernung des ringförmigen Zwischenraums 50, das heißt die radiale Entfernung zwischen den Innenflächen der Ringteile 14, und der Außenfläche des zylindrischen Teils 29, ist extrem klein ( 10 bis 30 µm), so daß die rotierende betriebsbereite Spindel 26 von außen durch ein Lager mit statischem Druck, welches durch die von den Einspritzdüsen 47 und 48 in den ringförmigen Zwischenraum 50 eingespritzte Luft entsteht, versorgt wird, ohne dabei die Ringteile 14 und 15 zu berühren.
Man bemerke, daß die zu dem ringförmigen Zwischenraum 50 gesandte Luft nach außen durch eine im Abstandsstück 16 befestigte Umfangsnut 52 und durch die in die Ringteile 14 und 15 gedrillten Bohrlöcher abgegeben wird.
Eine Vielzahl von Umfangsnuten 60 sind in der Außenfläche des festen Schafts 36, entgegengesetzt der Innenfläche des Motorstators 38 angeordnet und sind durch einen Lufzufuhrdurchgang 61 in dem festen Schaft 36 verbunden. Der Lufzufuhrdurchgang 61 ist mit einer Luftquelle (nicht abgebildet) verbunden. Der Motorstator 38 wird mit radialen Bohrlöchern 62, deren radiale Innenenden jeweils mit den in dem festen Schaft 36 angesiedelten Umfangsnuten 60 verbunden sind, gebildet. Die radialen Außenenden der radialen Bohrlöcher 62 sind an der Außenfläche des Stators 38 offen und bilden die Einspritzdüsen 63. Die oben erwähnten Umfangsnuten 60, der Luftzufuhrdurchgang 61 und die radialen Bohrlöcher 62 bilden gemeinsam einen zweiten Luftdurchgang 64. Die durch diesen Luftdurchgang 64 zu den Einspritzdüsen 63 gelieferte Luft wird anschließend in einen engen ringförmigen Zwischenraum 65, der durch den Motorstator 38 und den Motorrotor 33 gebildet wird, eingespritzt und geliefert. Die radiale Entfernung des ringförmigen Zwischenraums 65, das heißt die radiale Entfernung zwischen der Außenfläche des Motorstators 38 und der Innenfläche des Motorrotors 33, ist extrem klein (10 bis 30 µm), so daß die rotierende betriebsbereite Spindel 26 auch von innen durch ein Lager mit statischem Druck, welches durch die von den Einspritzdüsen 63 in den ringförmigen Zwischenraum 65 eingespritzte Luft entsteht, getragen wird. Man bemerke, daß die zu dem ringförmigen Zwischenraum 65 gelieferte Luft durch einen sich axial erstreckenden Abgasdurchgang 66 in dem festen Schaft 36 nach außen ausgestoßen wird. Der Abgasdurchgang 66 wird auch als Bohrloch verwendet, durch welches sich ein Zuleitungsdraht 67 von dem Motorstator 38 nach außen erstreckt.
In Abb. 1, 2 und 3 ist eine ringförmige Empfangsvorrichtung 71 an dem zylindrischen Teil 29 des Hauptschafts 20 befestigt und ragt radial von dem zylindrischen Teil 29 nach innen. Wenn die Empfangsvorrichtung 71 radial nach innen steht, kann, im Gegensatz zu dem Fall, daß die Empfangsvorrichtung 71 radial nach außen steht, der äußere Durchmesser der Vorrichtung verkleinert werden. Zusätzlich kann ein Leerraum effektiv genützt werden. Ein zylindrisches Axiallager 72 wird auf dem festen Schaft 36 zwischen dem Motorstator 38 und der hinteren Abdeckplatte 13 angebracht. Zwischen dem Axiallager 72 und dem Motorstator 38 ist ein Abstandsstück 73 befestigt, um das Axiallager 72 gegen die hintere Abdeckplatte 13 zu schieben. Ein Fixierstift 74 wird in das Axiallager 72 und die hintere Abdeckplatte 13 eingefügt, so daß das Axiallager 72 nicht bezüglich der hinteren Abdeckplatte 13 rotiert. Das Axiallager 72 wird an deren Außenfläche mit einer Umfangsnut 75 gebildet, in welche der radial abstehende innere Endbereich der Empfangsvorrichtung 71 eingesetzt wird. Die Umfangsnut 75 wird an deren senkrechten Wänden mit einer ersten ringförmigen Einspritzdüse 76, die einer Fläche des sich radial nach innen erstreckenden Teils der Empfangsvorrichtung 71 entgegengesetzt ist, und einer zweiten ringförmigen Einspritzdüse 77, die der anderen Fläche des sich radial nach innen erstreckenden Teils der Empfangsvorrichtung 71 gegenüberliegt, gebildet. Luft wird zu diesen Einspritzdüsen 76 und 77 durch einen in dem Axiallager 72 angebrachten Luftdurchgang 78 gepumpt, und der Luftdurchgang 78 wird durch ein Bohrloch 79, das sich auf der hinteren Abdeckplatte 13 befindet, mit einer Luftquelle (nicht abgebildet) verbunden. Wenn die durch die Einspritzdüsen 76 und 77 zugeführte Luft in Richtung der sich axial nach innen und außen erstreckenden Stirnflächen des sich radial nach innen erstreckenden Teils des Empfangskörpers 71 eingespritzt wird, wird eine von der betriebsbereiten Spindel 26 zu dem Empfangskörper 71 übertragene Axialkraft durch ein durch die Einspritzdüsen 76 und 77 geformtes Axiallager versorgt, ohne daß dabei der Empfangskörper 71 mit dem Axiallager 72 in Berührung kommt. Da die von den Einspritzdüsen 76 und 77 eingespritzte Luft fortlaufend zu den engen Zwischenräumen 80 und 81, die durch die Umfangsnut 75 und den Empfangskörper 71 abgegrenzt werden, geliefert wird und da die Axialabstände der Zwischenräume 80 und 81 sehr klein sind, wird die oben erwähnte Axialkraft stark unterstützt.
Der Betrieb der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird in Folge beschrieben.
Man kann jetzt davon ausgehen, daß mittels elektromagnetischer Interaktion zwischen dem Motorrotor 33 und dem Motorstator 38, eine Drehantriebskraft auf die betriebsbereite Spindel 26 angewandt wird und daß die betriebsbereite Spindel 26 mit hoher Geschwindigkeit rotiert. Der Schleifstein 25 des Schleifgerätes 24 wird mit einem Werkstück in Verbindung gebracht, und ein vorbestimmter Schleifvorgang wird auf das Werkstück angewandt. Wenn die betriebsbereite Spindel 26 mit solch hoher Geschwindigkeit rotiert wird, wird Luft durch den Luftdurchgang 49 in die Einspritzdüsen 47 und 48 gebracht und danach in den engen Zwischenraum 50 zwischen den Ringteilen 14, 15 und dem zylindrischen Teil 29 der betriebsbereiten Spindel 26 eingespritzt. In Folge wird die betriebsbereite rotierende Spindel 26 von außen von dem, durch die von den Einspritzdüsen 47 und 48 in den Zwischenraum 50 eingespritzte Luft gebildeten Lager mit dem statischen Druck getragen, ohne dabei mit dem Lager verbunden zu sein. Da der enge Zwischenraum 50 radial außerhalb des zylindrischen Teils 29, der den Motorstator 38 und den Motorrotor 33 umgibt, angebracht ist und dadurch einen größeren Durchmesser als der zylindrische Teil 29 hat, wird ein effektiver Bereich, auf den der statische Luftdruck angewandt wird, größer und die Lagerung der betriebsbereiten Spindel 26 durch das Lager mit dem statischen Druck stabiler. Da der Motorrotor 33 an der Innenfläche des zylindrischen Teils der betriebsbereiten Spindel 26 befestigt ist, bedeckt der zylindrische Teil 29 zusätzlich die Außenfläche des Motorrotors 33 und verhindert dadurch durch Zentrifugalkraft verursachte Brüche des Motorrotors 33. Wenn der zylindrische Teil 29 die Außenfläche des Motorrotors 33 bedeckt, wird es durch die Zentrifugalkraft zu einer Kompressionskraft im Inneren des Motorrotors 33 kommen. Da jedoch der Bruchgrenzwert bei einer solchen Kompressionskraft generell wesentlich höher angesiedelt ist als bei einer Spannungskraft, kann der Bruch des Motorrotors 33 durch die Zentrifugalkraft verhindert werden. Wenn die betriebsbereite Spindel 26 mit einer hohen Geschwindigkeit rotiert wird, wird zusätzlich auch Luft von den Einspritzdüsen 63 in den engen Zwischenraum 65 zwischen dem Motorstator 38 und dem Motorrotor 33 eingespritzt. In Folge wird die betriebsbereite rotierende Spindel 26 auch von innen durch das von der in den Zwischenraum 65 durch die Einspritzdüsen 63 geführten Luft gebildete Lager mit statischem Druck versorgt, ohne damit verbunden zu sein, und die Versorgung der betriebsbereiten Spindel 26 wird noch stabiler gemacht.
Zusätzlich wird, wenn, wie oben beschrieben, ein Werkstück von dem Schleifgerät 24 zugeschliffen wird, eine Axialkraft auf die betriebsbereite Spindel 26 ausgeübt. Da jedoch so eine Axialkraft durch das Luftaxiallager, das von der von den Einspritzdüsen 76 und 77 eingespritzten Luft gebildet wird, unterstützt wird, wird die axiale Lage der betriebsbereiten Spindel im großen und ganzen während des Schleifvorgangs konstant gehalten. Da zusätzlich die von den Einspritzdüsen 76 und 77 eingespritzte Luft fortlaufend in die engen Zwischenräume 80 und 81 gebracht wird, wird die oben erwähnte Axialkraft noch besser getragen.
Verglichen mit einem elektromagnetischen Lager kann so ein Luftaxiallager einer größeren Axialkraft leicht standhalten und so die Steuerstabilität verbessert werden. Zusätzlich können, verglichen mit einem elektromagnetischen Lager, dessen elektromagnetische Steuervorrichtung teuer ist, die Installationskosten reduziert werden.
In bezug auf Abb. 4-6 wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. In dieser Ausführungsform werden die Empfangsplatte 71 und das Lager 72 der ersten Ausführungsform ausgelassen, und ein Axiallager wird in der Nähe einer vorderen Abdeckplatte 12 angebracht. Das heißt, daß die vordere Abdeckplatte 12 mit einer, einer senkrechten Stirnfläche 23 einer betriebsbereiten Spindel 26 entgegengesetzten ringförmigen Einspritzdüse 85 gebildet wird und daß die Luft durch einen Durchgang 86, der in der vorderen Abdeckplatte 12 angebracht ist, in die Einspritzdüse 85 geliefert wird. Zusätzlich erstreckt sich ein fester Schaft 36 in die Nähe der Bodenfläche eines Bohrloches mit großem Umfang, wie in Abb. 4 gezeigt, und wird der Schaft 36 vorne mit einer ringförmigen Einspritzdüse 87, an die die Luft durch den Luftzufuhrdurchgang 61 angeliefert wird, gebildet. Wenn deshalb Luft von der Einspritzdüse 85 zu der senkrechten Stirnfläche 23 der betriebsbereiten Spindel 26 und von der Einspritzdüse 87 zu der Bodenfläche des Bohrlochs 28 mit dem großen Umfang der betriebsbereiten Spindel 26 eingespritzt wird, wird eine auf die betriebsbereite Spindel 26 ausgeübte Axialkraft durch ein Luftaxiallager, das durch die eingespritzte Luft gebildet wird, unterstützt. In dieser Ausführungsform kann ein Ansteigen des äußeren Durchmessers der Vorrichtung verhindert werden, ein Leerraum effektiv genutzt werden und ein Luftaxiallager eingerichtet werden. Wie in der ersten Ausführungsform sind auch hier ein Zwischenraum 88 zwischen der vorderen Abdeckplatte 12 und der senkrechten Stirnfläche 23 der betriebsbereiten Spindel 26 und ein Zwischenraum 89 zwischen der Bodenfläche des zylindrischen Teils 29 und der Stirnfläche des festen Schafts 36 sehr klein, so daß die auf die betriebsbereite Spindel 26 ausgeübte Axialkraft ordentlich unterstützt werden kann.
Abb. 7 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung.
In dieser Ausführungsform wird, anders als in der ersten Ausführungsform, ein ringförmiger Empfangskörper 90 integral mit dem zylindrischen Teil 29 der betriebsbereiten Spindel 26 gebildet, wobei sich der Empfangskörper 90 radial außerhalb des zylindrischen Teils 29 erstreckt. Zusätzlich wird ein Axiallager 91 an der Innenfläche des Gehäusehauptteils 11 befestigt und mit einer Umfangsnut 92 gebildet, in die die sich radial nach außen erstreckende Stirnfläche des Empfangskörpers 90 eingesetzt wird. Die Umfangsnut 92 wird an deren gegenüberliegenden senkrechten Wänden mit den ringförmigen Einspritzdüsen 93 und 94 gebildet. Luft wird durch einen axialen Durchgang 44, der in dem Gehäusehauptteil 11 gebildet wird, und durch einen Durchgang 95, der in dem Axiallager 91 angebracht ist, zu den Einspritzdüsen 93 und 94 geliefert. Wenn daher die zu den Einspritzdüsen 93 und 94 gelieferte Luft in Richtung Empfangskörper 91 eingespritzt wird, wird die auf die betriebsbereite Spindel 26 ausgeübte Axialkraft durch ein durch die eingespritzte Luft gebildetes Axiallager getragen werden. Wenn, wie oben beschrieben, die Zwischenräume 98 und 99 zwischen dem Axialblock 91 und dem Empfangskörper 90 sehr klein gehalten werden, wird die auf die betriebsbereite Spindel 26 ausgeübte Axialkraft stärker unterstützt werden. Die dritte Ausführung der vorliegenden Erfindung wird auch dadurch gekennzeichnet, daß der feste Schaft 36 integral mit der hinteren Abdeckplatte 13 und einem, sich aus dem vom Motorstator 38 durch ein auf der hinteren Abdeckplatte 13 montiertes Bohrloch 98 nach außen erstreckenden Zuleitungsdraht 67 gebildet wird.
Während in den bisher erwähnten Ausführungsformen die Einspritzdüsen 76, 77, 85, 87, 93 und 94 jeweils durch eine ringförmige Nut gebildet werden, wird festgehalten, daß sie auch aus acht oder mehr kreisförmigen Bohrlöchern bestehen können. Zusätzlich kann jeweils eine Öffnung oder Luftdüse in den Luftdurchgängen in der Nähe der Einspritzdüsen 47, 48, 63, 76, 77, 85, 87, 93 und 94 angebracht werden.
Obwohl die Erfindung in bezug auf die bevorzugten Ausführungen beschrieben wurde, sind verschiedene Modifikationen und Adaptionen möglich, solang sie sich im Bereich der im Anhang angeführten Ansprüche bewegen.

Claims

1. Spindelvorrichtung mit eingebautem Motor, bestehend aus:

einem Gehäuse (18), bestehend aus einer Innenfläche und einem mit einer Vielzahl von ersten, jeweils an der Innenfläche geöffneten, Nebeneinspritzdüsen (47, 48) ausgestatteten Luftdurchgang (49);

einer betriebsbereiten Spindel (26), bestehend aus einer Fläche mit einem großen durch ein zylindrisches Element (29) gebildeteten Umfang (21) mit Außenfläche und Bohrloch (28) und einer Fläche mit einem kleinen Umfang (22) die die Verlängerung der Fläche mit großem Umfang (21) bildet, wobei die Fläche mit dem großen Umfang (21) in dem Gehäuse (18) untergebracht ist und die Fläche mit dem kleinen Umfang (22) aus dem Gehäuse, auf dem ein Werkzeug (24) befestigt ist, hervorsteht; die Innenfläche des Gehäuses (18) ist so gesetzt, daß sie einen engen Zwischenraum (50) zwischen der Innenfläche des Gehäuses (18) und der Außenfläche der Fläche mit dem großen Umfang (21) bildet, wobei die ersten Nebeneinspritzdüsen (47, 48) fortlaufend mit Luft versorgt werden, die dann durch die Düsen eingespritzt werden soll, damit die Fläche mit dem großen Umfang (21) abwechselnd durch die fortlaufend von den ersten Nebeneinspritzdüsen (47, 48) zu dem engen Zwischenraum (50) gelieferte Luft versorgt wird;

einem zylindrischen Motorrotor (33), der an einer Innenfläche der Fläche mit dem großen Umfang (21) der betriebsfertigen Spindel (26) befestigt ist;

einem festen Schaft (36), der in dem Gehäuse (18) untergebracht ist und lose in den Motorrotor (33) hineingesteckt ist; und

einem Motorstator (38), der auf einer Außenfläche des festen Schaftes (38), entgegengesetzt dem Motorrotor (33), befestigt ist, wobei der Motorstator (38) und der Motorrotor (33) gemeinsam den eingebauten Motor für die Rotation der betriebsbereiten Spindel (26) bilden;

die betriebsbereite Spindel (26) rotiert, unterstützt durch die fortlaufende Luftzufuhr von den ersten Nebeneinspritzdüsen (47, 48) zu dem, zwischen der Innenfläche des Gehäuses (18) und der Außenfläche der Fläche mit dem großen Umfang (21) gebildeten, engen Zwischenraum (50) der betriebsbereiten Spindel (26), gekennzeichnet dadurch daß die Spindelvorrichtung weiterhin besteht aus:

einem ringförmigen Radialkraftempfangselement (71; 90), das radial von dem zylindrischen Element (29) der betriebsbereiten Spindel (26) absteht und einander gegengesetzte erste und zweite Radialkraftempfangsoberflächen hat; und

einem Axiallager (72; 91) mit ersten und zweiten Schubeinspritzdüsen (76, 77; 93, 94), jeweils entgegengesetzt den ersten und zweiten Radialkraftempfangsoberflächen des ringförmigen Radialkraftempfangselements (71; 90), wobei das Axiallager (72; 91) so konfiguriert ist, daß es zwei enge Zwischenräume (80, 81; 96, 97) zwischen dem ringförmigen Radialkraftempfangselement (71; 90) und den Einspritzdüsen des Axiallagers (72; 91) bildet; die Schubeinspritzdüsen (76, 77; 93, 94) werden fortlaufend mit Luft versorgt, die sie dann so einspritzen, daß das ringförmige Radialkraftempfangselement (71, 90) durch die fortlaufend an die engen Zwischenräume (80, 81; 96, 97) zwischen dem Radialkraftempfangselement (71; 90) und dem Axiallager (72; 91) abgegebene Luft beliefert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 in der der feste Schaft (36) und der Motorstator (38) durch einen zweiten, mit einer Vielzahl von, an einer Außenfläche des Stators (38) geöffneten zweiten Nebeneinspritzdüsen (63) ausgestatteten Luftdurchgang (64) gebildet wird und in der die betriebsbereite rotierende Spindel (26) dadurch unterstützt wird, daß sie fortlaufend Luft von den zweiten Nebeneinspritzdüsen (63) zu einem zwischen dem Motorstator (38) und dem Motorrotor (33) gebildeten engen Zwischenraum (65) liefert.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in der das Axiallager (72, 91) eine umlaufende Nut (75, 92) formt, in die das ringförmige Radialkraftempfangselement (71, 90) eingesetzt wird.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in der das Radialkraftempfangselement (71) sich radial von der Fläche mit dem großen Umfang (21) der betriebsbereiten Spindel (26) nach außen erstreckt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in der das Radialkraftempfangselement (90) sich radial von der Fläche mit dem großen Umfang (21) der betriebsbereiten Spindel (26) nach außen erstreckt.

6. Vorrichtung nach den vorhergehenden Ansprüchen, in der die Axialstärke des Radialkraftempfangselementes kleiner als die Länge der Fläche mit dem großen Umfang (21) der betriebsbereiten Spindel ist.

7. Spindelvorrichtung mit eingebautem Motor, bestehend aus:

einem Gehäuse (18), das durch eine Innenfläche und einen mit einer Vielzahl jeweils an der Innenfläche geöffneten ersten Nebeneinspritzdüsen (47, 48) ausgestatteten Luftdurchgang (49) gebildet wird;

einer betriebsbereiten Spindel (26) mit einer Fläche mit großem Umfang (21), zusammengesetzt aus einem aus einer Außenfläche und einem Bohrloch (28) bestehendem zylindrischen Element (29), und einer Fläche mit kleinem Umfang (22), die von der Fläche mit großem Umfang (21) herausragt, wobei die Fläche mit dem großen Umfang (21) in dem Gehäuse (18) untergebracht ist und die Fläche mit dem kleinen Umfang (22) aus dem Gehäuse (18), auf dem ein Werkzeug (24) montiert ist, hervorsteht; die Innenfläche des Gehäuses (18) ist so entgegengesetzt, daß sie einen engen Zwischenraum (50) zwischen der Innenfläche des Gehäuses (18) und der Außenfläche der Fläche mit großem Umfang (21) bildet und erste Nebeneinspritzdüsen (47, 48) dauernd mit Luft versorgt, welche dann durch die Düsen eingespritzt werden soll, um die Fläche mit dem großen Umfang (21) rotationsmäßig mit der, ständig von den ersten Nebeneinspritzdüsen (47, 48) zu dem engen Zwischenraum (50) transportierten, Luft zu beliefern;

einem zylindrischen Motorrotor (33), der an einer Innenfläche der Fläche mit großem Umfang (21) der betriebsbereiten Spindel (26) angebracht ist;

einem festen Schaft (36), der in dem Gehäuse (18) untergebracht und lose in den Motorrotor (33) eingesetzt ist; und

einem Motorstator (38), der an einer Außenfläche des festen Schaftes (33) befestigt ist und dem Motorrotor (33) entgegengesetzt ist, wobei der Motorstator (38) und der Motorrotor (33) gemeinsam den eingebauten Motor zur Rotation der betriebsbereiten Spindel (26) formen;

der betriebsbereiten rotierenden Spindel (26), die durch die fortlaufende Luftzufuhr von den ersten Nebeneinspritzdüsen (47, 48) zu dem zwischen der Innenfläche des Gehäuses (18) und der Außenfläche der Fläche mit großem Umfang (21) gebildeten engen Zwischenraum (50) der betriebsbereiten Spindel (26) unterstützt wird, dadurch gekennzeichnet, daß:

die betriebsbereite Spindel (26) ein Radialkraftempfangselement zwischen der Fläche mit großem Umfang (21) und der Fläche mit kleinem Umfang (22) hat;

das Gehäuse (18) durch eine dem Radialkraftempfangselement der betriebsbereiten Spindel (26) gegengesetzten ersten Schübeinspritzdüse (85) gebildet wird;

der feste Schaft (36) über eine Stirnfläche verfügt, die durch eine dem Radialkraftempfangselement der betriebsbereiten Spindel (26) in dem Bohrloch (28) der Fläche mit großem Umfang (21) der betriebsbereiten Spindel (26) entgegengesetzte zweite Schubeinspritzdüse (87) gebildet wird, wobei die ersten und zweiten Schubeinspritzdüsen (85, 87) fortlaufend mit Luft versorgt werden, die dann durch sie eingespritzt werden soll, um das Radialempfangselement der betriebsbereiten Spindel (26) fortlaufend in den engen Zwischenraum (88, 89) zwischen dem Radialkraftempfangselements der betriebsbereiten Spindel (26) und sowohl dem Gehäuse (18) als auch der Stirnfläche des festen Schaftes (36) mit der eingebrachten Luft zu beliefern.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, in der der feste Schaft (36) und der Motorstator (38) mit einem zweiten, mit einer Vielzahl von an der Außenfläche des Stators (38) geöffneten zweiten Nebeneinspritzdüsen (63) ausgestatteten, Luftdurchgang (64) gebildet werden und die die betriebsfertige rotierende Spindel (26) durch fortlaufende Luftzufuhr von den zweiten Nebeneinspritzdüsen (63) zu einem zwischen dem Motorstator (38) und dem Motorrotor (33) gebildeten engen Zwischenraum (65) unterstützt.