EP2554363B1 - Elektrischer Antrieb für eine Presse - Google Patents

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EP2554363B1
EP2554363B1 EP11176293.6A EP11176293A EP2554363B1 EP 2554363 B1 EP2554363 B1 EP 2554363B1 EP 11176293 A EP11176293 A EP 11176293A EP 2554363 B1 EP2554363 B1 EP 2554363B1
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EP
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motor
press
drive
forming
segment
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EP11176293.6A
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EP2554363A1 (de
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Mike Fokken
Thilo Sporbert
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Siemens AG
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Siemens AG
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B30—PRESSES
    • B30B—PRESSES IN GENERAL
    • B30B1/00—Presses, using a press ram, characterised by the features of the drive therefor, pressure being transmitted directly, or through simple thrust or tension members only, to the press ram or platen
    • B30B1/26—Presses, using a press ram, characterised by the features of the drive therefor, pressure being transmitted directly, or through simple thrust or tension members only, to the press ram or platen by cams, eccentrics, or cranks
    • B30B1/266—Drive systems for the cam, eccentric or crank axis

Definitions

  • the invention is in the field of forming technology and relates to an electric drive for a press. Moreover, the invention relates to a press with such a drive.
  • a forming press with a direct drive using segment motors is off DE 10 2010 031 100 A1 known.
  • a plurality of segment motors acting together on a shaft are used in order to generate high pressing forces and pressing speeds in a simple manner.
  • the drive has a first motor, which preferably acts directly, ie directly and without gear ratio, on the drive train of the press, and a second, acting directly on the drive train engine, which is only partially in this second motor equipped segment motor, only a portion of the second motor is equipped, which corresponds to the forming area and the second motor is energized only during the forming.
  • the first motor which is also referred to below as a press motor
  • the first motor can also act on the drive train via a gear stage.
  • the second engine which is also referred to below as an additional motor is a teilbe Publishingter segment motor, which acts as a direct drive, ie directly on the drive train.
  • the invention is based on the consideration that in a certain forming area (working area) for applying the forming forces, an increased torque is required.
  • This forming area in which the pressing forces applied by the press lead to changes in shape on the workpiece, is driven through slowly anyway, so that no highly dynamic plunger movements are necessary for this area.
  • Servo presses are typically around 30 ° before UT (bottom dead center).
  • a key idea of the invention is now to maintain the already existing press motor as a drive motor, and to use a specially adapted to the forming area additional motor.
  • the main features of these two engines are explained below.
  • the press motor serves, if at all, only to provide a comparatively small part of the required pressing force. Instead, it serves, depending on the design, exclusively or essentially to accelerate the ram when re-booting after the forming process. Before reaching the forming area again, the press motor slows down the ram and then slowly traverses the forming area. By such a highly dynamic movement of the plunger between the forming areas a high productivity of the press is ensured.
  • the press motor can be smaller than previously customary dimensioned.
  • a cost-optimized winding variant can be selected.
  • the additional motor is used exclusively for applying additional forces to generate the required pressing force. He intervenes when the forming process begins, that is after the deceleration of the plunger.
  • the auxiliary motor is energized only during the forming and then serves to support the press motor. To the movement of the plunger between the Umformbrugs contributes the auxiliary motor, depending on the design, not or only insignificantly.
  • the additionally used segment motor is not fully populated. This means, for example, in the case of a radial segment motor that it is not equipped over the entire circumference of its rotor (360 °).
  • the part assembly concerns both the windings or coils (primary part) and the permanent magnets (secondary part) of the motor.
  • the auxiliary motor is wound only in a partial area and provided with magnets.
  • this subregion corresponds to the deformation region, ie, for example, to a region of 30 °.
  • the size of the populated partial area is adapted to the size of the working area. This avoids unnecessary assembly of the segment motor beyond the working range.
  • a press drive in which pressing force and dynamics are combined with each other in an optimal manner.
  • the number of different engines to be kept ready can be reduced since the same press motors can always be used. Changing demands for higher torques can be achieved by a higher population of the additional motor.
  • the assembled section of the segment motor does not have to be a closed section.
  • two opposing segments of the additional motor are equipped, in other words, the populated segments are arranged on the rotor offset by 180 ° to each other.
  • a counterweight is attached to avoid an imbalance on the opposite side of the rotor.
  • the invention is not limited to drives for presses with servo drive technology. It can also be used for drives of other presses. Also on the number of motors used is not important. Thus, instead of a press motor and several press motors and / or several auxiliary motors can be used instead of an additional motor. Also, the invention is not limited to radial segment motors limited, but can also be realized when using other segment motors. In addition, the invention is also independent of the operation of the motors used. For example, it is irrelevant to the invention whether an internal rotor or external rotor arrangement is selected.
  • the invention will be explained by way of example with reference to an eccentric press which generates the pressing force with the aid of an eccentric shaft.
  • the drive train 1 a servo press with eccentric shaft 2, connecting rod 3 and plunger 4.
  • a press motor 5 is connected via a gear stage 6 with a low gear ratio with the eccentric shaft 2.
  • an auxiliary motor 7 is connected directly to the eccentric shaft 2.
  • the auxiliary motor 7 is designed as an electric direct drive with an immediate effect on the drive train. Transmission gears, gears or the like are not used.
  • the press motor 5 is a comparatively small dimensioned torque motor.
  • the auxiliary motor 7 is a radial segment motor.
  • the auxiliary motor 7 comprises a partially populated coil system (primary part) and a partially loaded permanent magnet system (secondary part) cooperating with the coil system.
  • the coils 8 and the permanent magnets 9 are combined into groups and thereby arranged in segments.
  • the coils 8 can be controlled separately in segments.
  • FIG. 2 shown is the time in which the auxiliary motor 7 is energized.
  • Primary and secondary parts 8, 9 overlap congruently in a forming area 11 of about 30 ° before UT.
  • two populated segments 12, 13 are used.
  • the segments are offset by 180 ° to each other, so that they are opposite each other. As a result, an imbalance of the rotor is avoided.
  • the required pressing force is applied by means of the additional motor 7. Subsequently, the press motor 5 is used to accelerate the plunger 4 again and decelerate before the next forming process. Then a renewed slow driving through the forming area 11 takes place.
  • press motors for example, several press motors, auxiliary motors and / or eccentrics are used, although in the figures, only one press motor and an additional motor are shown.

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Description

  • Die Erfindung liegt im Bereich der Umformtechnik und betrifft einen elektrischen Antrieb für eine Presse. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Presse mit einem solchen Antrieb.
  • Aus dem Stand der Technik sind direkt angetriebene Servopressen bekannt. Diese benötigen während der Umformung ein sehr hohes Drehmoment. Für eine optimierte Auslegung wird der Arbeitspunkt in den Bereich der maximalen Leistung des Motors gelegt. Durch diese Randbedingung wird der Pressenmotor häufig überdimensioniert, da die erzeugte Drehmomentenspitze nur für einen bestimmten Arbeitsbereich benötigt wird und ein Motor mit einer sehr hohen Drehzahl und somit einer geringen Drehmomentkonstante eingesetzt werden muss.
  • Eine Umformpresse mit einem Direktantrieb mittels Segmentmotoren ist aus DE 10 2010 031 100 A1 bekannt. Dabei werden mehrere, gemeinsam auf eine Welle wirkende Segmentmotoren eingesetzt, um auf einfache Art und Weise hohe Presskräfte und Pressgeschwindigkeiten zu erzeugen.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung anzugeben, mit der bei vergleichsweise geringem konstruktiven Aufwand eine besonders vorteilhafte Kombination aus Presskraft und Dynamik bereitstellt wird. Diese Aufgabe wird durch einen elektrischen Antrieb nach Anspruch 1 bzw. durch eine Presse nach Anspruch 4 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
  • Erfindungsgemäß verfügt der Antrieb über einen ersten Motor, der vorzugsweise direkt, also unmittelbar und ohne Getriebeübersetzung, auf den Antriebsstrang der Presse wirkt, sowie einen zweiten, direkt auf den Antriebsstrang wirkenden Motor, wobei es sich bei diesem zweiten Motor um einen nur teilweise bestückten Segmentmotor handelt, nur ein Teilbereich des zweiten Motors bestückt ist, der dem Umformbereich entspricht und der zweite Motor nur während der Umformung bestromt wird.
  • Es ist für die Erfindung nicht wesentlich, dass der erste Motor, der nachfolgend auch als Pressenmotor bezeichnet wird, als ein Direktantrieb ausgeführt ist. Der erste Motor kann stattdessen auch über eine Getriebestufe auf den Antriebsstrang wirken. Wesentlich ist hingegen, dass der zweite Motor, der nachfolgend auch als Zusatzmotor bezeichnet wird, ein teilbestückter Segmentmotor ist, der als Direktantrieb, also unmittelbar auf den Antriebsstrang wirkt.
  • Der Erfindung liegt die Überlegung zu Grunde, dass in einem bestimmten Umformbereich (Arbeitsbereich) zum Aufbringen der Umformkräfte ein erhöhtes Drehmoment benötigt wird. Dieser Umformbereich, in dem die von der Presse aufgebrachten Presskräfte zu Formänderungen am Werkstück führen, wird ohnehin langsam durchfahren, so dass für diesen Bereich keine hochdynamischen Stößelbewegungen notwendig sind. Es handelt sich dabei bei Servopressen typischerweise um einen Bereich von etwa 30° vor UT (unterer Totpunkt).
  • Eine Kernidee der Erfindung ist es nun, den bereits vorhandenen Pressenmotor als Antriebsmotor beizubehalten, und einen speziell an den Umformbereich angepassten Zusatzmotor einzusetzen. Nachfolgend werden die wichtigsten Merkmale dieser beiden Motoren erläutert.
  • Der Pressenmotor dient, wenn überhaupt, nur noch zur Bereitstellung eines vergleichsweise geringen Teils der benötigten Presskraft. Stattdessen dient er, je nach Ausführung, ausschließlich oder im Wesentlichen zum Beschleunigen des Stößels beim Wiederhochfahren im Anschluss an den Umformvorgang. Vor dem erneuten Erreichen des Umformbereiches erfolgt durch den Pressenmotor ein Abbremsen des Stößels und anschließend ein langsames Durchfahren des Umformbereiches. Durch eine derartige hochdynamische Bewegung des Stößels zwischen den Umformbereichen wird eine hohe Produktivität der Presse sichergestellt.
  • Zugleich kann der Pressenmotor kleiner als bisher üblich dimensioniert sein. Für den Pressenmotor kann eine kostenoptimierte Wicklungsvariante gewählt werden.
  • Es ist nicht mehr notwendig, dass der Pressenmotor hohe Drehzahlen erreicht. Im Ergebnis sinkt der Strombedarf bei gleichem Drehmoment. Der verwendete Umrichter benötigt nur noch ein kleineres und damit kostengünstigeres Leistungsteil. Zudem kann für den Pressenmotor ein optimierter Arbeitsbereich bzw. Betriebspunkt ausgelegt werden. Dies führt zu einer verbesserten Drehmomentkonstante.
  • Der Zusatzmotor dient ausschließlich zum Aufbringen zusätzlicher Kräfte zum Erzeugen der benötigten Presskraft. Er greift ein, wenn der Umformvorgang beginnt, das heißt nach dem Abbremsen des Stößels. Mit anderen Worten wird der Zusatzmotor nur während der Umformung bestromt und dient dann zur Unterstützung des Pressenmotors. Zu der Bewegung des Stößels zwischen den Umformbreichen trägt der Zusatzmotor, je nach Ausführung, nicht oder nur unwesentlich bei.
  • Der zusätzlich verwendete Segmentmotor ist nicht vollständig bestückt. Das heißt beispielsweise bei einem radialen Segmentmotor, dass dieser nicht über den gesamten Umfang seines Rotors (360°) bestückt ist. Die Teilbestückung betrifft sowohl die Wicklungen bzw. Spulen (Primärteil), als auch die Permanentmagnete (Sekundärteil) des Motors. Mit anderen Worten ist der Zusatzmotor nur in einem Teilbereich gewickelt und mit Magneten versehen. Dieser Teilbereich entspricht erfindungsgemäß dem Umformbereich, also beispielsweise einem Bereich von 30°. Anders ausgedrückt ist Größe des bestückten Teilbereiches an die Größe des Arbeitsbereiches angepasst. Dadurch wird eine unnötige, über den Arbeitsbereich hinausgehende Bestückung des Segmentmotors vermieden.
  • Würde man statt dessen als Zusatzmotor einen vollbestückten Motor verwenden, so wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist, müsste dieser in allen Punkten für die maximale Drehzahl zwischen den Umformbereichen ausgelegt sein. Dies ist jetzt nicht mehr erforderlich. Die maximale Geschwindigkeit des Zusatzmotors ist die Umformgeschwindigkeit. Der Zusatzmotor kann daher ebenfalls sehr kostenoptimiert aufgebaut sein.
  • Es versteht sich von selbst, dass der Zusatzmotor derart ausgeführt ist, dass sich in dem Arbeitsbereich Primär- und Sekundärteile deckungsgleich überlagern. Auch auf den Einsatz von Steuer-, Regel- und Überwachungsvorrichtungen, die das Zusammenwirken von Pressenmotor und Zusatzmotor bewerkstelligen, sollen an dieser Stelle nicht weiter eingegangen werden, da dies dem Fachmann geläufig ist.
  • Mit der Erfindung wird ein Pressenantrieb bereitgestellt, bei dem Presskraft und Dynamik auf optimale Art und Weise miteinander kombiniert werden. Durch den Einsatz der Erfindung kann die Anzahl der verschiedenen bereitzuhaltenden Motoren verringert werden, da stets die gleichen Pressenmotoren eingesetzt werden können. Wechselnde Forderungen nach höheren Drehmomenten können durch eine höhere Bestückung des Zusatzmotors erreicht werden.
  • Bei dem bestückten Teilbereich des Segmentmotors muss es sich nicht um einen geschlossenen Teilbereich handeln. So kann es beispielsweise vorteilhaft sein, zwei oder mehrere voneinander beabstandete Teilbereiche zu bestücken. Von Vorteil ist es insbesondere, wenn zwei sich gegenüberliegende Segmente des Zusatzmotors bestückt sind, mit anderen Worten die bestückten Segmente auf dem Rotor um 180° versetzt zueinander angeordnet sind. Dadurch lässt sich nicht nur eine Unwucht vermeiden, gleichzeitig kann das doppelte Drehmoment erreicht werden. Ist stattdessen nur die Bestückung eines einzelnen Segments vorgesehen, dann ist vorteilhafterweise zur Vermeidung einer Unwucht auf der gegenüberliegenden Seite des Rotors ein Gegengewicht angebracht.
  • Die Erfindung ist nicht auf Antriebe für Pressen mit Servoantriebstechnik beschränkt. Sie kann auch für Antriebe anderer Pressen eingesetzt werden. Auch auf die Anzahl der verwendeten Motoren kommt es nicht an. So können anstelle eines Pressenmotors auch mehrere Pressenmotoren und/oder anstelle eines Zusatzmotors auch mehrere Zusatzmotoren eingesetzt werden. Auch ist die Erfindung nicht auf radiale Segmentmotoren beschränkt, sondern kann auch bei Verwendung anderer Segmentmotoren verwirklich werden. Darüber hinaus ist die Erfindung auch unabhängig von der Arbeitsweise der verwendeten Motoren. So ist es beispielsweise für die Erfindung unerheblich, ob eine Innenläufer- oder Außenläuferanordnung gewählt wird.
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen:
    • FIG 1
    eine Seitenansicht des Antriebs einer Servopresse,
    FIG 2
    eine Vorderansicht des Antriebs aus FIG 1.
  • Sämtliche Figuren zeigen die Erfindung lediglich schematisch und mit ihren wesentlichen Bestandteilen. Gleiche Bezugszeichen entsprechen dabei Elementen gleicher oder vergleichbarer Funktion.
  • Die Erfindung wird beispielhaft anhand einer Exzenterpresse erläutert, die mit Hilfe einer Exzenterwelle die Presskraft erzeugt. Dargestellt ist der Antriebsstrang 1 einer Servopresse mit Exzenterwelle 2, Pleuel 3 und Stößel 4. Ein Pressenmotor 5 ist über eine Getriebestufe 6 mit geringer Übersetzung mit der Exzenterwelle 2 verbunden. Darüber hinaus ist ein Zusatzmotor 7 direkt mit der Exzenterwelle 2 verbunden. Anders ausgedrückt ist der Zusatzmotor 7 als elektrischer Direktantrieb mit unmittelbarer Wirkung auf den Antriebsstrang ausgeführt. Übersetzungsgetriebe, Zahnräder oder dergleichen kommen nicht zur Anwendung.
  • Bei dem Pressenmotor 5 handelt es sich um einen vergleichsweise gering dimensionierten Torquemotor. Bei dem Zusatzmotor 7 handelt es sich um einen radialen Segmentmotor. Der Zusatzmotor 7 umfasst ein teilbestücktes Spulensystem (Primärteil) und ein mit dem Spulensystem zusammenwirkendes teilbestücktes Dauermagnetsystem (Sekundärteil).
  • Die Spulen 8 und die Permanentmagnete 9 sind zu Gruppen zusammengefasst und dadurch segmentweise angeordnet. Die Spulen 8 sind segmentweise separat ansteuerbar. In FIG 2 dargestellt ist der Zeitpunkt, in dem der Zusatzmotor 7 bestromt wird. Primär- und Sekundärteile 8, 9 überlagern sich deckungsgleich in einem Umformbereich 11 von ca. 30° vor UT.
  • Bei dem dargestellten Beispiel werden zwei bestückte Segmente 12, 13 verwendet. Die Segmente sind um 180° versetzt zueinander angeordnet, so dass sie sich gegenüberliegen. Dadurch wird eine Unwucht des Rotors vermieden.
  • Im Umformbereich 11 wird mit Hilfe des Zusatzmotors 7 die erforderliche Presskraft aufgebracht. Anschließend dient der Pressenmotor 5 dazu, den Stößel 4 wieder zu beschleunigen und vor dem nächsten Umformvorgang abzubremsen. Dann erfolgt ein erneutes langsames Durchfahren des Umformbereiches 11.
  • Obwohl die Ansprüche im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
  • So können bei der Verwirklichung der Erfindung beispielsweise auch mehrere Pressenmotoren, Zusatzmotoren und/oder Exzenter zum Einsatz kommen, obwohl in den Figuren nur ein Pressenmotor und ein Zusatzmotor abgebildet sind.

Claims (5)

  1. Elektrischer Antrieb für eine Presse, mit einem Antriebsstrang (1), der wiederholt einen Umformbereich (11) durchfährt und einem direkt oder über eine Getriebestufe (6) auf den Antriebsstrang (1) wirkenden ersten Motor (5) und mit einem direkt auf den Antriebsstrang wirkenden zweiten Motor (7), wobei der zweite Motor (7) ein teilbestückter Segmentmotor ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilbereich des zweiten Motors (7) bestückt ist, der dem Umformbereich (11) entspricht und der zweite Motor (7) nur während der Umformung bestromt wird.
  2. Antrieb nach Anspruch 1, wobei der zweite Motor (7) ein radialer Segmentmotor ist, in dem zwei sich gegenüberliegende Segmente (12, 13) bestückt sind.
  3. Antrieb nach Anspruch 1, wobei gegenüber dem bestückten Teilbereich des zweiten Motors (7) an dem Rotor des zweiten Motors (7) ein Gegengewicht zum Ausgleichen einer Unwucht angeordnet ist.
  4. Presse mit einem elektrischen Antrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 3.
  5. Presse nach Anspruch 4, wobei die Presse eine Exzenterpresse ist und der erste Motor (5) sowie der zweite Motor (7) mit der Exzenterwelle (2) der Presse verbunden sind.
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