EP3857686A1 - Spule für eine energieübertragung - Google Patents

Spule für eine energieübertragung

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Publication number
EP3857686A1
EP3857686A1 EP19779822.6A EP19779822A EP3857686A1 EP 3857686 A1 EP3857686 A1 EP 3857686A1 EP 19779822 A EP19779822 A EP 19779822A EP 3857686 A1 EP3857686 A1 EP 3857686A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coil
base body
core
spindle
tool
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP19779822.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Clemens DICKE
Steffen Nitschke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Son X GmbH
Original Assignee
Son X GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Son X GmbH filed Critical Son X GmbH
Publication of EP3857686A1 publication Critical patent/EP3857686A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K13/00—Structural associations of current collectors with motors or generators, e.g. brush mounting plates or connections to windings; Disposition of current collectors in motors or generators; Arrangements for improving commutation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/24—Magnetic cores
    • H01F27/245—Magnetic cores made from sheets, e.g. grain-oriented
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F38/00—Adaptations of transformers or inductances for specific applications or functions
    • H01F38/18—Rotary transformers
    • H—ELECTRICITY
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/003—Couplings; Details of shafts
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    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/14—Structural association with mechanical loads, e.g. with hand-held machine tools or fans
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/08—Cooling; Ventilating
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • the invention relates to a coil for transmitting electrical energy, a spindle for the rotary drive of a tool, a machine tool and the use of a coil.
  • the coil can be used in particular for energy and / or signal transmission, for example in a device between stationary and moving components.
  • Coils for contactless, wear-free, friction-free and low-loss transmission of electrical energy are used in a wide variety of areas of industry.
  • Coil cores made of sintered materials such as ferrites are often used for a particularly high degree of efficiency in energy transmission. These materials reduce the energy losses caused by high-frequency re-magnetizations.
  • machining When machining, it is often desirable to integrate a rotating tool or device with an additional, superimposed function, property or movement, such as a further axis of rotation driven by an electric motor can.
  • the additional options can significantly increase the efficiency and quality of the processing (eg shortened processing time, increased volume removal or increased removal rate).
  • additional or superimposed functions, properties or movements such as ultrasound, can be integrated in a rotating tool or device.
  • “knocking” or “hammering” can change the properties of surfaces, in particular solidify, harden and / or shape them.
  • such a transmission can only be realized at relatively low peripheral speeds.
  • a transmission close to the rotation center to reduce the circumferential speed is often not possible because this area is affected by other elements or functions such as e.g. is blocked by the clamping system.
  • transmission elements usually have to be attached on the outside at a relatively large distance from the axis of rotation. As a result, large centrifugal forces act on the transmission elements.
  • the rotating transmission element (the coil) must be designed so that it can withstand the centrifugal forces generated.
  • the most frequently used sintered and therefore brittle ferrite coil cores have a low tensile strength, which in particular leads to crack formation and ultimately to mechanical failure at high peripheral speeds.
  • ferrites are unsuitable for applications with high dynamic requirements.
  • a coil for the transmission of electrical energy, a spindle for the rotary drive of a tool, a machine tool and the use of a coil are to be presented, each of which at least contribute to enabling particularly efficient transmission of electrical energy by inductive coupling and moreover are suitable for rotation with particularly high peripheral speeds or for high dynamic requirements.
  • At least one holding element for holding at least the coil core or the winding on the base body.
  • the coil has the particular advantage that it can be used for different variants of energy transmission in one device, e.g. a main spindle for machine tools can be used, in which electrical energy within the device is to be transferred particularly efficiently from a fixed to a rotating part, despite the extremely high peripheral speed of the rotating part.
  • the coil therefore meets particularly high dynamic requirements. This is achieved in particular by the holding element.
  • the fact that the sheets of the sheet stack can withstand higher dynamic requirements than conventional ferrite coil cores also contributes to this.
  • the coil is used, in particular, for contactless or contactless and / or inductive electrical energy from a fixed part (eg housing and / or power connection of a machine tool) to a moving, in particular rotating part (eg shaft of a spindle of a machine tool and / or tool holder of a machine tool) or from a part to a relatively moving, in particular rotating part.
  • This electrical energy can be used, for example, for an electrical consumer integrated in the rotating part or connected (co-rotating) to the rotating part (such as an (linear) actuator integrated in a tool holder and / or one) Ultrasonic transducer) with electrical energy.
  • the coil is therefore not used to drive the rotating part.
  • An additional motor is usually provided for this.
  • the coil core can be, for example, a one-part or multi-part core.
  • the coil core is preferably a (soft) magnetic core in particular.
  • the core is set up and arranged to at least partially bundle the magnetic field of the coil.
  • the coil core can be a (one-piece) ferrite core.
  • the ferrite core can be sintered, for example.
  • the coil core is preferably a multi-part core (in the axial direction and / or in the circumferential direction), which is particularly preferably formed with a large number of metal sheets.
  • the coil has at least one holding element for holding at least the coil core or the winding on the base body.
  • the holding element is designed in particular in a ring.
  • the holding element extends in particular in a ring shape along an outer circumference or inner circumference of the coil core.
  • the holding element is also preferably arranged and set up in such a way that it at least limits movement, deformation and / or expansion of the coil core in the radial direction (away from the base body). In other words, this means in particular that the holding element supports the coil core under high dynamic loads (in particular centrifugal or centrifugal force loads).
  • the holding element can advantageously absorb the forces and the holding element advantageously protects the coil core from tearing, bursting and / or destruction. It is inserted through the holding element special (also) avoid lifting the coil core from the base body. For example, loosening and / or chipping of parts of the coil core or the entire coil core from the base body (in the radial direction) can thus advantageously be avoided. As a result, the coil core (also, for example, individual parts of the coil core) can advantageously be held on the base body (in the radial direction).
  • the coil core be formed with a laminated core with a large number of laminations which are arranged next to one another and spaced apart from one another.
  • the holding element is arranged and set up in particular for holding at least the laminated core or the winding on the base body.
  • the at least one holding element can be, for example, one or more components which are preferably designed like a bandage and / or support (in particular in a ring around the sheets of the sheet stack).
  • the (ring-shaped) bandage and / or support is in particular set up to hold the metal sheets in position on the rotating base body.
  • the sheets of the sheet stack extend in a radial direction away from the base body. This is particularly advantageous in the case of energy transfer in the radial direction.
  • the sheets of the sheet stack extend in an axial direction away from the base body. This is particularly advantageous in the case of energy transmission in the axial direction.
  • the preferably hollow cylindrical base body serves in particular to support the plurality of sheets or the sheet stack. It can preferably be formed from a high-strength material such as steel, titanium, CFRP or aluminum.
  • the laminated core forms and / or in particular replaces a coil core of the coil.
  • the configuration of a coil core with the sheets or the sheet stack is advantageous compared to coil cores made of ferrites, since the disadvantageous mechanical properties of ferrites are significantly reduced by the sheet materials.
  • the coil can basically be used as a rotor and / or as a stator.
  • Ferromagnetic iron alloys are preferably used as materials for the coil. Alloys which are particularly effective in terms of electrical engineering are preferably used for use as a stator and alloys which are less effective in terms of electro-technology but are mechanically better for use as a rotor (here the inner coil). However, there are also special alloys that combine both properties. Typical materials of this type are ferromagnetic alloys made of iron, nickel and cobalt. Also preferred is the use of AlNiCo, SmCo, Nd2Fe14B, Ni80Fe20 (often as "Permalloy”), or NiFeCo alloys (often as "Mu metal”).
  • such materials are known under the following brands: MUMETALL® / VACOPERM® 100 (80% NiFe), CRYOPERM® 10 (80% NiFe), VACOFLUX® / VACODUR® (50% CoFe), TRAFOPERM® (3% SiFe), VITROVAC ® 6025 X (80% Co).
  • the laminated core in particular forming a coil core, consists in particular of a large number of sufficiently thin, lined up Sheets, which are preferably made of a soft magnetic metal alloy, in particular to minimize magnetization losses and to improve permeability.
  • the magnetic permeability of the sheets and thus of the coil core possibly formed therefrom in particular influence the size of the flux density of a magnetic field generated by a corresponding coil for a specific coil current.
  • a magnetic field of high flux density can also be generated from a small coil current.
  • a high magnetic permeability is advantageous because it can achieve particularly high magnetic flux densities.
  • the sheets are preferably in direct contact with one another, but are covered with an insulation layer e.g. Oxidation layer, lacquer layer, etc. coated.
  • an insulation layer e.g. Oxidation layer, lacquer layer, etc. coated.
  • Such a current flow is preferably prevented by an insulating layer, in particular only a few micrometers thick.
  • the avoidance or restriction of a current flow between the sheets advantageously prevents or minimizes the formation of eddy currents in the coil core.
  • the eddy currents in the sheets and laminated cores cause higher losses, particularly in the contactless transmission of electrical energy.
  • the large number of sheets means that at least a large part of the possible current paths for the eddy currents is interrupted. In particular, the current paths that would go across several sheets.
  • the coil also has at least one cooling element.
  • the cooling element can comprise, for example, a cooling channel, which is preferably formed in the base body.
  • cooling elements can be introduced into the coil, in particular into the base body.
  • the cooling elements are designed in particular in such a way that a cooling effect is achieved by means of a fluid flow such as air, gas or liquid.
  • the base body and / or the described coil core formed with the laminated core can be linear or annular.
  • the laminated core and / or the base body are formed in a ring (approximately like a hollow cylinder).
  • the laminated core and / or the base body are in particular arranged in such a way that they can rotate about the cylinder axis.
  • the coil can withstand high centrifugal forces particularly well during rotation, in particular around its own axis. This is achieved in particular through the choice of materials for the sheets (sheet material, such as aluminum, steel or iron, instead of ferrite core) and / or for the base body and in particular their geometrical configuration. For example, metals such as aluminum, steel or iron are much more resilient than ferrites. Furthermore, the mass and thus the moment of inertia of the coil described can advantageously be reduced by spaces between the sheets, in particular in the case of a circular arrangement. The spaces can be filled, for example, either free of material or with a preferably electrically non-conductive filler material with sufficient mechanical strength.
  • the spaces between the sheets of the sheet stack are (at least partially) filled with a filling material.
  • the filler material preferably has electrically non-conductive material properties.
  • AI- Alternatively or cumulatively, a (circumferential) space between a holding element and a winding can be filled with (or the) filling material.
  • Lifting of the sheets from the base body can advantageously be prevented by means of positive and / or non-positive components, such as a bandaging.
  • positive and / or non-positive components such as a bandaging.
  • These represent preferred configurations of the holding element described.
  • a (radial) expansion of the sheets (or the coil core) as a result of extreme centrifugal forces can preferably be achieved by deliberately prestressing the holding element, in particular the positive and / or non-positive structural elements and / or bandaging can be prevented.
  • the pretensioning force is generally chosen to be somewhat greater than the centrifugal force that occurs, but at least the same size.
  • each sheet of the sheet stack lies in a sheet plane and that all sheet planes intersect in the area of an axis of rotation and / or a center of the coil.
  • the laminated core is formed in particular in the form of a ring around the axis of rotation and / or the center of the coil.
  • the metal sheets are preferably distributed over a circumference of the coil, in particular arranged uniformly distributed.
  • An energy transfer usually consists of two facing coils. One of these is usually attached to a stationary component and the other to a rotating component. Both coils are preferably separated at the poles (here sheet ends) by a defined air gap. To ensure the highest possible efficiency in energy transmission, it is particularly advantageous for the gap height to be as small ( ⁇ 1 mm, better in the range from 0.2 mm - 0.3 mm) and constant possible to realize.
  • a variable gap creates, for example, an undesired, changing energy.
  • the two coils for energy transmission are usually differentiated into primary coils and secondary coils, with each of the coils being stationary or rotating.
  • a transformation of the voltage can take place parallel to the transfer of the electrical energy.
  • the energy transmission can be carried out essentially in two basic designs, after the coils have been arranged in a radial or axial orientation with respect to the axis of rotation.
  • the secondary coil formed as an inner coil is rotatable and the primary coil formed as an outer coil is rigid.
  • the current transmission takes place, for example, from the outside radially inwards.
  • the inner coil is designed such that it has, for example, a metallic, cylindrical base body on which a laminated core is placed.
  • the laminated core consists of many, especially small, (favorably) soft magnetic sheets.
  • the outside diameter of the laminated core preferably has a radially circumferential groove.
  • the groove can be surrounded by a bandage and / or support. In other words, this can also be described in such a way that the holding element (bandage / support) runs in and / or along the groove.
  • This holding element is preferably surrounded by a winding which, for example, consists of copper wire windings.
  • This winding is surrounded by another holding element (bandaging / support).
  • another holding element bandaging / support
  • form-fitting support rings can also be arranged on the side of the sheet metal package.
  • the outer coil has a metallic, cylindrical base body, on the inner diameter of which a laminated core is adjacent.
  • the laminated core preferably has a groove which runs radially around the inside diameter of this laminated core and in which there is advantageously a (copper wire) winding.
  • both coils are also arranged radially around the axis of rotation, with the difference that the inner coil is the rigid primary coil and the rotating outer coil is the secondary coil. In this case, the current is transmitted radially from the inside to the outside.
  • the coils are arranged axially to one another.
  • the laminated cores preferably have (in each case) a groove in the axial direction, in which (copper) windings are advantageously located. The current is thus transmitted in the axial direction from the primary coil to the secondary coil.
  • the described energy transmission by means of coils is particularly advantageously particularly suitable for a particularly low-loss transmission of electrical energy and / or electrical signals by inductive coupling as well as for rotation at particularly high speeds or peripheral speeds.
  • This means that energy transmission can be used in a variety of different applications.
  • the energy transmission can be used to transmit an alternating current.
  • the stability described during rotation can be used.
  • the use of the coil described in a spindle for the rotary drive of a tool is described below, but is not limited to such devices.
  • a spindle for the rotary drive of a tool comprising a stator and a rotor, the rotor being releasably connectable to the tool and at least the stator or the rotor being formed with a coil presented here .
  • the stator can also be described as a static spindle part which can be connected in a rotationally fixed manner to a drive unit of the device.
  • the rotor can also be described as a rotatable spindle part which is rotatably mounted on the static spindle part relative to the static spindle part and which has an interface via which a tool holder can be connected in a rotationally fixed manner to the rotatable spindle part.
  • the static spindle part can have an outer coil or primary coil and the rotating spindle part can have an inner coil or secondary coil, which are responsible for contactless transmission of electrical energy and at least one of the two coils is designed in the form described.
  • a machine tool with a spindle presented here is also proposed.
  • the spindle described can be used for machining workpieces, in particular for machining.
  • a suitable tool can be attached to the spindle for this purpose.
  • the tool can be, for example, a milling or drilling tool.
  • the tool is preferably releasably connected to the spindle in such a way that it can also be replaced automatically.
  • the rotating spindle part (shaft) or the rotor preferably has an interface via which a device for holding the tool and / or for superimposing a function (such as a tool holder with Vibration exciter) can be connected to the spindle shaft.
  • a device for holding the tool and / or for superimposing a function such as a tool holder with Vibration exciter
  • This can be, for example, a standardized interface of the HSK, SK, CAPTO or BT standard.
  • the device for holding a tool can in particular have electrically drivable components.
  • the spindle shaft or the rotor is preferably constructed in such a way that (in addition to the contactless, inductive energy transmission between the stator and the rotor) contacting energy transmission, for example by means of plug contacts, from the spindle shaft or the rotor to the tool or the tool holder he follows.
  • the contacts of the contacting energy transmission are connected to the secondary coil by means of an insulated electrical conductor, so that at least electrical energy can be transmitted from the contactless energy transmission to the tool holder via the interface.
  • the (contactless) energy transmission is preferably installed in a central section of the spindle, in particular directly between the fixed bearing of the spindle and the motor.
  • the primary coil of the energy transmission is connected, for example, in a ring-shaped and rotationally fixed manner to the static spindle part.
  • the secondary coil is connected, for example, in a ring-shaped and rotationally fixed manner to the rotatable spindle shaft, so that the secondary coil can rotate together with the shaft relative to the primary coil or to the static spindle part.
  • the radial energy transmission takes place in that the primary coil, in particular, is arranged in a ring on the outside, directly above the secondary coil, on the same level.
  • the distance between the pole ends of the two coils is, for example, approximately 0.3 mm.
  • the secondary coil rotates at an advantageously high speed of at least 30,000 rpm.
  • Particularly high centrifugal forces and thus high peripheral speeds (> 150 m / s) occur on the secondary coil.
  • the larger the inner coil diameter the greater these centrifugal forces.
  • a maximum speed for the use of energy transmission is therefore advantageously increased here by the present invention and can be further improved in particular by the material properties of the components.
  • the use of a coil proposed here for transmitting electrical energy into a tool is also specified, the coil being driven at a peripheral speed of at least 150 meters per second.
  • the circumferential speed usually refers to a radius in the (outer) area of the coil core.
  • Fig. 4 a sectional view of an arrangement of coil for the
  • FIG. 5 shows a detailed view of a possible embodiment for the machine tool from FIGS.
  • FIG. 6 shows a detailed view of another possible embodiment for the machine tool from FIG. 1, shown in section.
  • FIG. 1 schematically shows a machine tool 10 with a spindle 1 for the rotary drive of a tool 6.
  • the tool 6 can be rotated in the spindle 1 around an axis of rotation 9, as indicated by a round arrow.
  • the spindle 1 has a static spindle part 2, which is held in the machine tool 10 in a rotationally fixed manner.
  • the spindle 1 has a rotatable spindle part 3, which is rotatable in the static spindle part 2 in one Fixed bearing 18 and a floating bearing 19 is mounted and can only rotate about its spindle axis 9.
  • the electrically operated spindle motor 21 is arranged on the rotatable spindle part 3 in a rotationally fixed manner between the fixed bearing 18 and the floating bearing 19.
  • the rotatable spindle part 3 has a cutting part 5 for a tool holder 4 for the tool 6 on the end face.
  • the tool holder 4 and the tool 6 are not part of the spindle 1.
  • the tool holder 4 is connected to the rotatable spindle part 3 in an interchangeable manner and the tool 6 is connected to the tool holder 4 in an interchangeable manner.
  • the tool holder 4 is non-rotatably connected to the rotatable spindle part 3 and the tool 6 is non-rotatably connected to the tool holder 4.
  • the static spindle part 2 has an outer coil 7 and the rotatable spindle part 3 has an inner coil 8.
  • the outer coil 7 and the inner coil 8 are arranged concentrically one inside the other for a contactless transmission of electrical energy from the connector 12 via the lines in the static spindle part 2, the outer coil 7 and the inner coil 8 on the rotatable spindle part 3.
  • the electrical energy can be provided in particular as an alternating voltage from an alternating voltage source 11, conducted into the outer coil 7 and transmitted inductively from there to the inner coil 8.
  • the outer coil axis 9 and the inner coil axis 10 each have a coil center plane, which here lies exactly on top of one another. This is a preferred embodiment variant.
  • the interface 5 for the tool holder 4 is designed and connected to the inner coil 8 such that at least electrical energy can be transmitted from the inner coil 8 to the tool holder 4 via contacts in the interface 5.
  • the tool holder 4 has an actuator 20 and is connected to the interface 5 in such a way that the actuator 20 is supplied with electrical energy from the AC voltage source via the interface 5.
  • the outer coil 7 is seated in the base body 15 and has a primary winding 13.
  • the inner coil 8 sits on a base body 16 and has a secondary winding 14.
  • the base body 15 of the outer coil 7 has a cooling 22 for dissipating the losses of the contactless energy transmission 30 through the outer coil 7 and the inner coil 8.
  • the outer coil 7 and the inner coil 8 are each coils which have a laminated core 23, 24 and a winding 13, 14. The design of the coils 7, 8 is described in more detail in FIGS. 2 and 3.
  • FIG. 2 schematically shows a perspective illustration of an arrangement of coils 7, 8 for the spindle from FIG. 1.
  • FIG. 2 shows an example of a contactless energy transmission unit as a possible embodiment of the coils 7, 8.
  • the inner coil 8 has a hollow cylindrical base body 16 and a laminated core 24 composed of a large number of laminations which are arranged radially on the base body 16.
  • the sheets 24 are held on the base body 16, pointing radially outward, so that respective planes of all the sheets 24 intersect in a base body axis of the base body 16.
  • a bandage / support 25 is formed all around the laminated core 24.
  • the winding of the secondary coil 14 is seated on this bandage / support.
  • electrically insulating casting compound 27 or resin is inserted. brought.
  • the bandages / supports 25, 26 represent examples of holding elements for holding the coil core 30 and / or the winding 13, 14 on the base body 15, 16.
  • the outer coil 7 has a hollow cylindrical base body 15 with cooling elements 22 and a laminated core 23 made of a plurality of sheets which are arranged radially on the base body 15.
  • the sheets 23 are held radially inward on the base body 15, so that respective planes of all sheets 23 intersect in a base body axis of the base body 15.
  • the insulated and impregnated winding of the primary coil 13 is seated in the laminated core 23.
  • the laminated cores 23, 24 represent an example of a coil core 30, which is arranged in a region between the base body 15, 16 and the winding 13, 14.
  • the air gap 28, which is kept as small as possible for good energy transmission, is formed between the pole ends pointing radially inward on the outer coil 7 and the pole ends pointing radially outward on the inner coil 8.
  • FIG. 3 schematically shows an exploded view of the energy transmission or coil arrangement described in FIG. 2.
  • FIG. 4 schematically shows a sectional illustration of an arrangement of coils for the spindle from FIG. 1.
  • FIG. 4 shows in particular an enlarged cross section of the outer and inner coils 7, 8 without base body 15, 16.
  • FIG. 5 schematically shows a detailed view of a possible embodiment for the machine tool 10 from FIG. 1, shown in section.
  • FIG. 5 illustrates a schematic representation of a radial energy transfer, in which the energy in relation to the axis of rotation 9 of the stationary winding of the primary coil 13 is transmitted radially outwards on the inside to the rotating winding of the secondary coil 14.
  • FIG. 6 schematically shows a detailed view, shown in section, of a further possible embodiment for the machine tool 10 from FIG. 1.
  • FIG. 5 illustrates a schematic representation of an axial energy transmission in which the energy is related to the axis of rotation 9 of the stationary winding the primary coil 13 is axially transmitted to the rotating winding of the secondary coil 14.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Windings For Motors And Generators (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spule (7, 8) für eine Übertragung elektrischer Energie, aufweisend zumindest einen Grundkörper (15, 16), eine Wicklung (13, 14), die an dem Grundkörper (15, 16) gehalten ist, einen Spulenkern, der in einem Bereich zwischen dem Grundkörper (15, 16) und der Wicklung (13, 14) angeordnet ist, mindestens ein Halteelement zum Halten zumindest des Spulenkerns oder der Wicklung (13, 14) an dem Grundkörper (15, 16).

Description

Spule für eine Energieübertragung
Die Erfindung betrifft eine Spule für eine Übertragung elektrischer Energie, eine Spindel zum rotatorischen Antrieb eines Werkzeugs, eine Werkzeug- maschine sowie eine Verwendung einer Spule. Die Spule kann insbeson- dere zur Energie- und/oder Signalübertragung verwendet werden, bei spielsweise in einer Vorrichtung zwischen stehenden und bewegten Bautei- len. In verschiedensten Bereichen der Industrie kommen Spulen zur berüh- rungslosen, verschleißfreien, reibungsfreien und verlustarmen Übertragung von elektrischer Energie zum Einsatz. Für einen besonders hohen Wir- kungsgrad bei der Energieübertragung werden häufig Spulenkerne aus ge- sinterten Materialien wie Ferriten eingesetzt. Auf Grund dieser Materialien werden die Energieverluste, hervorgerufen durch hochfrequente Ummag- netisierungen, reduziert.
Oft ist es in Maschinen und Geräten erforderlich, zur Erzeugung von Funk- tion, Eigenschaft oder Bewegung, dass Energien auf ein sich bewegendes Bauteil übertragen werden. Die am häufigsten vorkommende Bewegung ist die Drehbewegung z.B. einer Welle in einem Gehäuse. Die an, in oder auf den Bauteilen sitzenden Spulen zur berührungslosen Energieübertragung kommen insbesondere in Maschinen für die spanende Bearbeitung zum Einsatz.
Bei der spanabhebenden Bearbeitung ist es oft wünschenswert, dass ein rotierendes Werkzeug oder eine rotierende Vorrichtung mit einer zusätzli- chen, überlagerten Funktion, Eigenschaft oder Bewegung, wie z.B. eine weitere, elektromotorisch angetriebene Rotationsachse, integriert werden kann. Durch die zusätzlichen Möglichkeiten kann die Effizienz und die Qua- lität der Bearbeitung (z.B. verkürzte Bearbeitungszeit, erhöhter Volumenab- trag oder erhöhte Abtragleistung) erheblich gesteigert werden. Bei der nicht-spanabhebenden Bearbeitung ist es oft wünschenswert, dass in einem rotierenden Werkzeug oder einer rotierenden Vorrichtung zusätz- liche oder überlagerte Funktionen, Eigenschaften oder Bewegungen, wie beispielsweise Ultraschall, integriert werden können. So können z.B. durch das "Klopfen“ oder„Hämmern" Oberflächen in ihren Eigenschaften verän- dert, insbesondere verfestigt, gehärtet und/oder geformt werden.
Dabei ist es erforderlich, elektrische Energie von einem feststehenden Teil auf einen sich drehenden Teil einer Vorrichtung (Maschine) zu übertragen, bei gleichzeitiger Vermeidung von Reibungsverlusten und -wärme sowie von Verschleiß. Das erfolgt bei bekannten Ansätzen berührungslos über eine induktive Kopplung von Spulen.
Eine derartige Übertragung kann aber gemäß Stand der Technik nur bei verhältnismäßig niedrigen Umfangsgeschwindigkeiten realisiert werden. Eine rotationszentrumsnahe Übertragung zur Reduzierung der Umfangsge- schwindigkeit ist oft nicht möglich, da dieser Bereich von anderen Elemen- ten oder Funktionen wie z.B. vom Spannsystem blockiert ist. So müssen Übertragungselemente (Spulen) meist außen, mit relativ großem Abstand zur Drehachse angebracht werden. Infolgedessen wirken große Zentrifu- galkräfte auf die Übertragungselemente.
Aus diesem Grund muss das rotierende Übertragungselement (die Spule) derart ausgeführt sein, dass es den entstehenden Fliehkräften standhalten kann. Die aus rein elektrotechnischer Sicht in der Regel, wegen ihrer hohen Permeabilität, am häufigsten verwendeten gesinterten und deswegen sprö- den Ferrit-Spulenkerne haben eine niedrige Zugfestigkeit, was insbeson- dere bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten zu Rissbildung und letztlich zum mechanischen Versagen führt. Folglich sind Ferrite für die Anwendun- gen mit hohen dynamischen Anforderungen ungeeignet.
Fliervon ausgehend ist es Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik geschilderten technischen Probleme zu lösen bzw. zumindest zu verringern. Es sollen insbesondere eine Spule für eine Übertragung elektrischer Energie, eine Spindel zum ro- tatorischen Antrieb eines Werkzeugs, eine Werkzeugmaschine sowie eine Verwendung einer Spule vorgestellt werden, die jeweils zumindest dazu beitragen, eine besonders effiziente Übertragung elektrischer Energie durch induktive Kopplung zu ermöglichen und zudem für eine Rotation mit besonders hoher Umfangsgeschwindigkeiten bzw. für hohe dynamische Anforderungen geeignet sind.
Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Pa- tentansprüche. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschla- genen Lösung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen ein- zeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt wer- den. Hierzu trägt eine Spule für eine Übertragung elektrischer Energie bei, auf- weisend zumindest
- einen Grundkörper,
- eine Wicklung, die an dem Grundkörper gehalten ist,
- einen Spulenkern, der in einem Bereich zwischen dem Grundkörper und der Wicklung angeordnet ist,
- mindestens ein Halteelement zum Halten zumindest des Spulenkerns o- der der Wicklung an dem Grundkörper.
Die Spule erlaub den besonderen Vorteil, dass sie für verschiedene Varian- ten der Energieübertragung in einer Vorrichtung z.B. einer Hauptspindel für Werkzeugmaschinen eingesetzt werden kann, bei der elektrische Energie innerhalb der Vorrichtung von einem feststehenden auf einen rotierenden Teil besonders effizient übertragen werden soll, trotz extrem hoher Um- fangsgeschwindigkeit des rotierenden Teils. Somit genügt die Spule insbe- sondere hohen dynamischen Anforderungen. Dies wird insbesondere durch das Halteelement erreicht. Hierzu trägt gemäß einer vorteilhaften Ausge- staltung auch bei, dass die Bleche des Blechpakets höheren dynamischen Anforderungen standhalten können als herkömmliche Ferrit-Spulenkerne.
Die Spule dient insbesondere dazu elektrische Energie berührungslos bzw. kontaktlos und/oder induktiv von einem feststehenden Teil (z.B. Gehäuse und/oder Stromanschluss einer Werkzeugmaschine) in ein sich bewegen- des, insbesondere rotierendes Teil (z.B. Welle einer Spindel einer Werk- zeugmaschine und/oder Werkzeughalter einer Werkzeugmaschine) bzw. von einem Teil in ein relativ dazu bewegtes, insbesondere rotierendes Teil zu übertragen. Diese elektrische Energie kann beispielsweise dazu genutzt werden, einen in das rotierende Teil integrierten oder an das rotierende Teil angeschlossenen (mit-rotierenden) elektrischen Verbraucher (wie z.B. ei- nen in einem Werkzeughaltern integrierten (Linea-)Aktor und/oder einen Ultraschallwandler) mit elektrischer Energie zu versorgen. Damit dient die Spule insbesondere nicht zum Antreiben des rotierenden Teils. Hierzu ist in der Regel ein zusätzlicher Motor vorgesehen. Bei dem Spulenkern kann es sich beispielsweise um einen einteiligen oder mehrteiligen Kern handeln. Vorzugsweist handelt es sich bei dem Spulen- kern um einen insbesondere (weich-)magnetischen Kern. Insbesondere ist der Kern dazu eingerichtet und angeordnet das Magnetfeld der Spule zu- mindest teilweise zu bündeln. Zum Beispiel kann der Spulenkern ein (ein- teiliger) Ferritkern sein. Der Ferritkern kann beispielsweise gesintert sein. Bevorzugt ist der Spulenkern ein (in axialer Richtung und/oder in Umfangs- richtung) mehrteiliger Kern, der besonders bevorzugt mit einer Vielzahl von Blechen gebildet ist. Die Spule weist mindestens ein Halteelement zum Halten zumindest des Spulenkerns oder der Wicklung an dem Grundkörper auf. Das Halteelement ist insbesondere ringförmig ausgeführt. Das Halteelement erstreckt sich ins- besondere ringförmig entlang eines Außenumfangs oder Innenumfangs des Spulenkerns. Das Halteelement ist weiterhin bevorzugt derart angeordnet und eingerichtet, dass es eine Bewegung, Verformung und/oder Ausdeh- nung des Spulenkerns in radialer Richtung (weg von dem Grundkörper) zu- mindest begrenzt. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass das Halteelement den Spulenkern bei hohen dynamischen Belastungen (insbesondere Fliehkraft- bzw. Zentrifugalkraftbelastungen) stützt.
Sobald die Spule rotiert wirkt auf den Spulenkern eine Fliehkraft- bzw. Zent- rifugalkraft. Das Halteelement kann die Kräfte vorteilhaft aufnehmen bzw. schützt das Halteelement den Spulenkern in vorteilhafter Weise vor einem Zerreißen, Bersten und/oder Zerstören. Es wird durch das Halteelement ins- besondere (auch) das Abheben des Spulenkerns vom Grundkörper vermie- den. Beispielsweise kann somit ein Lösen und/oder ein Abplatzen von Tei- len des Spulenkerns oder des ganzen Spulenkerns von dem Grundkörper (in radialer Richtung) vorteilhaft vermieden werden. Dadurch kann der Spu- lenkern (auch z.B. einzelne Teile des Spulenkerns) vorteilhaft (in radialer Richtung) an dem Grundkörper gehalten werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der Spu- lenkern mit einem Blechpaket mit einer Vielzahl von Blechen gebildet ist, die nebeneinander und beabstandet zueinander angeordnet sind.
Das Halteelement ist in diesem Zusammenhang insbesondere zum Halten zumindest des Blechpakets oder der Wicklung an dem Grundkörper ange- ordnet und eingerichtet. Bei dem mindestens einen Halteelement kann es sich beispielsweise um ein oder mehrere Bauteile handeln, die vorzugs- weise wie eine Bandagierung und/oder Stütze (insbesondere ringförmig um die Bleche des Blechpakets) ausgebildet sind. Die (ringförmige) Bandagie- rung und/oder Stütze ist insbesondere dazu eingerichtet die Bleche am ro- tierenden Grundkörper in Position zu halten.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Bleche des Blechpakets sich in einer radialen Richtung von dem Grund- körper weg erstrecken. Dies ist besonders vorteilhaft für den Fall einer Ener- gieübertragung in radialer Richtung.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Bleche des Blechpakets sich in einer axialen Richtung von dem Grund- körper weg erstrecken. Dies ist besonders vorteilhaft für den Fall einer Ener- gieübertragung in axialer Richtung. Der vorzugsweise hohlzylindrische Grundkörper dient insbesondere dazu, die Vielzahl der Bleche bzw. das Blechpaket zu tragen. Er kann vorzugs- weise aus einem hochfesten Material wie z.B. Stahl, Titan, CFK oder Alu- minium gebildet sein.
Das Blechpaket bildet und/oder ersetzt insbesondere einen Spulenkern der Spule. Die Ausgestaltung eines Spulenkerns mit den Blechen bzw. dem Blechpaket ist vorteilhaft gegenüber Spulenkernen aus Ferriten, da die nachteiligen mechanischen Eigenschaften von Ferriten durch die Blechma- terialien deutlich reduziert werden.
Die Spule kann grundsätzlich als Rotor und/oder als Stator eingesetzt wer- den. Als Materialien für die Spule kommen vorzugsweise ferromagnetische Eisen-Legierungen zum Einsatz. Es werden bevorzugt elektrotechnisch be- sonders wirkungsvolle Legierungen für den Einsatz als Stator und elektro- technisch weniger wirkungsvolle, jedoch mechanisch bessere Legierungen für den Einsatz als Rotor (hier die Innenspule) verwendet. Es gibt jedoch auch spezielle Legierungen, welche beide Eigenschaften ineinander verei- nen. Typische derartige Materialien sind ferromagnetische Legierungen aus Eisen, Nickel und Cobalt. Auch bevorzugt ist die Verwendung von AINiCo, SmCo, Nd2Fe14B, Ni80Fe20 (häufig als "Permalloy"), oder NiFeCo-Legie- rungen (häufig als "Mu-Metall"). Beispielsweise sind derartige Materialien unter folgenden Marken bekannt: MUMETALL® / VACOPERM® 100 (80% NiFe), CRYOPERM® 10 (80%NiFe), VACOFLUX® / VACODUR® (50% CoFe), TRAFOPERM® (3% SiFe), VITROVAC® 6025 X (80% Co).
Das insbesondere einen Spulenkern bildende Blechpaket besteht insbe- sondere aus einer großen Anzahl ausreichend dünner, aneinandergereihter Bleche, die bevorzugt aus einer weichmagnetischen Metalllegierung insbe- osndere zur Minimierung von Ummagnetisierungsverlusten und zurVerbes- serung der Permeabilität hergestellt sind. Die magnetische Permeabilität der Bleche und somit des daraus ggf. gebildeten Spulenkerns beeinflussen insbesondere die Größe der Flussdichte eines von einer entsprechenden Spule erzeugten Magnetfelds bei einem bestimmten Spulenstrom. So kann z.B. mit einem Spulenkern großer magnetischer Permeabilität auch aus ei- nem kleinen Spulenstrom ein Magnetfeld hoher Flussdichte erzeugt wer- den. Eine große magnetische Permeabilität ist vorteilhaft, weil durch diese besonders hohe magnetische Flussdichten erreicht werden können.
Die Bleche stehen vorzugsweise miteinander in unmittelbarem Kontakt, sind jedoch mit einer Isolationsschicht z.B. Oxidationsschicht, Lackschicht usw. überzogen. Das bedeutet, dass kein elektrischer Strom von einem Blech unmittelbar auf das benachbarte Blech fließen kann. Vorzugsweise wird ein derartiger Stromfluss durch eine, insbesondere nur wenige Mikro- meter dicke, Isolierschicht unterbunden. Die Vermeidung bzw. Einschrän- kung eines Stromflusses zwischen den Blechen verhindert bzw. minimiert in vorteilhafter Weise die Entstehung von Wirbelströmen im Spulenkern. Die Wirbelströme in den Blechen und Blechpaketen sorgen insbesondere bei der berührungslosen Übertragung elektrischer Energie für höhere Verluste. Durch die Vielzahl der Bleche ist zumindest ein großer Teil der möglichen Strompfade für die Wirbelströme unterbrochen. Insbesondere die Strom- pfade, die über mehrere Bleche gehen würden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Spule weiterhin mindestens ein Kühlelement aufweist. Das Kühlelement kann beispielsweise einen Kühlkanal umfassen, der vorzugsweise in dem Grundkörper gebildet ist. Zur Vermeidung eines Wärmeeintrages (infolge der verbliebenen Verlustreste) in benachbarte Bauteile oder Baugruppen können in die Spule, insbesondere in den Grundkörper Kühlelemente ein- gebracht werden. Die Kühlelemente sind insbesondere derart ausgebildet, das mittels eines Fluidstromes wie Luft, Gas oder Flüssigkeit eine Kühlwir- kung erzielt wird.
Der Grundkörper und/oder der beschriebene, mit dem Blechpaket gebildete Spulenkern können linear oder ringförmig ausgebildet sein. In einer bevor- zugten Ausführungsform sind das Blechpaket und/oder der Grundköper ringförmig (etwa wie ein Hohlzylinder) ausgebildet. In diesem Zusammen- hang sind das Blechpaket und/oder der Grundköper insbesondere derart angeordnet, dass diese um die Zylinderachse rotieren können.
Die Spule kann hohen Fliehkräften bei einer Rotation, insbesondere um die eigene Achse, besonders gut standhalten. Das wird insbesondere durch die Wahl der Materialien für die Bleche (Blechmaterial, wie etwa Aluminium, Stahl oder Eisen, statt Ferrit-Kern) und/oder für den Grundkörper sowie ins- besondere deren geometrischer Ausgestaltung erreicht. Metalle wie Alumi- nium, Stahl oder Eisen sind beispielsweise weit mehr belastbar als Ferrite. Weiterhin kann die Masse und somit das Trägheitsmoment der beschriebe- nen Spule durch Zwischenräume zwischen den Blechen, insbesondere bei einer kreisförmigen Anordnung, vorteilhaft reduziert werden. Die Zwischen- räume können beispielsweise entweder frei von Material oder mit einem vorzugsweise elektrisch nichtleitenden Füllmaterial mit ausreichender me- chanischer Festigkeit gefüllt sein.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass zumindest ein Teil der Zwischenräume zwischen den Blechen des Blech- pakets (zumindest teilweise) mit einem Füllmaterial gefüllt ist. Vorzugsweise weist das Füllmaterial elektrisch nichtleitende Materialeigenschaften auf. AI- ternativ oder kumulativ kann auch ein (umlaufender) Zwischenraum zwi- schen einem Halteelement und einer Wicklung mit einem (bzw. dem) Füll material gefüllt sein.
Ein Abheben der Bleche vom Grundkörper kann in vorteilhafter Weise mit- tels formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Bauelementen, wie zum Beispiel einer Bandagierung verhindert werden. Diese stellen bevorzugte Ausgestaltungen des beschriebenen Halteelements dar. Eine (radiale) Aus- dehnung der Bleche (bzw. des Spulenkerns) in Folge von extremen Flieh kräften kann vorzugsweise durch ein gezieltes Vorspannen des Halteele- ments, insbesondere der formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Bau- elemente und/oder der Bandagierung verhindert werden. Die Vorspannkraft wird in der Regel etwas grösser als die auftretende Fliehkraft, mindestens aber gleich groß, gewählt.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass jedes Blech des Blechpakets in einer Blechebene liegt und sich alle Blech- ebenen im Bereich einer Rotationsachse und/oder eines Zentrums der Spule schneiden. In diesem Zusammenhang ist das Blechpaket insbeson- dere in der Form eines Ringes um die Rotationsachse und/oder das Zent- rum der Spule gebildet. Bevorzugt sind die Bleche über einen Umfang der Spule verteilt, insbesondere gleichmäßig verteilt angeordnet.
Eine Energieübertragung besteht in der Regel aus zwei sich zugewandten Spulen. Davon ist die eine üblicherweise an einem stehenden Bauteil und die andere an einem rotierenden Bauteil angebracht. Beide Spulen sind an den Polen (hier Blechenden) vorzugsweise durch einen definierten Luftspalt getrennt. Für eine Gewährleistung eines möglichst hohen Wirkungsgrades bei der Energieübertragung ist es besonders vorteilhaft die Spalthöhe so gering (< 1 mm, besser im Bereich von 0,2mm - 0,3mm) und konstant wie möglich zu realisieren. Ein veränderlicher Spalt erzeugt z.B. eine nicht ge- wünschte, sich ändernde Energie.
Die beiden Spulen der Energieübertragung werden üblicherweise in Primär- spule und Sekundärspule unterschieden, wobei jede der Spulen feststehen oder rotieren kann. Bei der Energieübertragung kann parallel zur Übergabe der elektrischen Energie eine Transformation der Spannung erfolgen.
Die Energieübertragung kann im Wesentlichen in zwei Grundbauformen, nach Anordnung der Spulen in radialer oder axialer Ausrichtung zur Rotati- onsachse ausgeführt sei.
In einer ersten, bevorzugten Ausführungsform ist die als Innenspule gebil dete Sekundärspule rotierbar und die als Außenspule gebildete Primärspule starr. Die Stromübertragung erfolgt in diesem Zusammenhang beispielhaft von außen radial nach innen. Die Innenspule ist derart ausgeführt, dass sie z.B. einen metallischen, zylindrischen Grundkörper aufweist, auf dem ein Blechpaket aufgesetzt ist. Das Blechpaket besteht aus vielen, insbesondere kleinen, (günstiger Weise) weichmagnetischen Blechen. Der Außendurch- messer des Blechpakets weist vorzugsweise eine radial umlaufende Nut auf. Die Nut kann von einer Bandagierung und/oder Stütze umgeben wer- den. Dies kann mit anderen Worten auch so beschrieben werden, dass das Halteelement (Bandagierung/Stütze) in und/oder entlang der Nut verläuft. Dieses Halteelement wird vorzugsweise von einer Wicklung umgeben, wel- che beispielsweise aus Kupferdrahtwindungen besteht. Diese Wicklung wird von einem weiteren Halteelement (Bandagierung/Stütze) umgeben. Al ternativ oder zusätzlich können auch seitlich am Blechpacket formschlüs- sige Stützringe angeordnet sein. Die Außenspule weist einen metallischen, zylindrischen Grundkörper auf, an dessen Innendurchmesser ein Blechpaket angrenzt. Das Blechpaket weist vorzugsweise eine im Innendurchmesser dieses Blechpakets radial umlaufende Nut auf, in welcher sich vorteilhafterweise eine (Kupferdraht- )Wicklung befindet.
In einer zweiten, bevorzugten Ausführungsform sind beide Spulen eben- falls radial um die Rotationsachse angeordnet, mit dem Unterschied, dass die Innenspule die starre Primärspule und die rotierende Außenspule die Sekundärspule ist. Somit erfolgt die Stromübertragung in diesem Fall von innen radial nach außen.
Bei einer dritten, bevorzugten Ausführungsform sind die Spulen, anders als in den ersten beiden Ausführungsformen, axial zueinander angeord- net. Die Blechpakete weisen vorzugsweise in axialer Richtung (jeweils) eine Nut auf, in welcher sich vorteilhafterweise (Kupfer-)Wicklungen befin- den. Somit erfolgt die Stromübertragung in axialer Richtung von der Pri- märspule auf die Sekundärspule.
Die beschriebene Energieübertragung mittels Spulen ist sowohl für eine be- sonders verlustarme Übertragung elektrischer Energie und/oder elektri scher Signale durch induktive Kopplung als auch für eine Rotation mit be- sonders hohen Drehzahlen bzw. Umfangsgeschwindigkeiten besonders vorteilhaft geeignet. Damit kann die Energieübertragung in einer Vielzahl verschiedener Anwendungen eingesetzt werden. Insbesondere kann die Energieübertragung zur Weiterleitung eines Wechselstroms genutzt wer- den. Dabei kann insbesondere die beschriebene Stabilität bei Rotation aus- genutzt werden. Als ein Beispiel wird im Folgenden der Einsatz der be- schriebenen Spule in einer Spindel zum rotatorischen Antrieb eines Werk- zeuges beschrieben, ist aber nicht auf derartige Vorrichtungen begrenzt. Nach einem weiteren Aspekt wird auch eine Spindel zum rotatorischen An- trieb eines Werkzeugs vorgeschlagen, umfassend einen Stator und einen Rotor, wobei der Rotor mit dem Werkzeug lösbar verbindbar ist und wobei zumindest der Stator oder der Rotor mit einer hier vorgestellten Spule ge- bildet sind. Der Stator kann auch als ein statischer Spindelteil beschrieben werden, der drehfest mit einer Antriebseinheit der Vorrichtung verbindbar ist. Der Rotor kann auch als ein rotierbarer Spindelteil beschrieben werden, der relativ zu dem statischen Spindelteil drehbar an dem statischen Spin- delteil gelagert ist und der eine Schnittstelle aufweist, über die ein Werk- zeughalter drehfest mit dem rotierbaren Spindelteil verbunden werden kann. Alternativ oder kumulativ kann der statische Spindelteil eine Außen- spule bzw. Primärspule und der rotierende Spindelteil eine Innenspule bzw. Sekundärspule aufweisen, die für eine berührungslose Übertragung elektri scher Energie zuständig sind und wenigstens eine der beiden Spulen in der beschriebenen Form ausgebildet ist.
Nach einem weiteren Aspekt wird auch eine Werkzeugmaschine mit einer hier vorgestellten Spindel vorgeschlagen.
Die beschriebene Spindel kann zum Bearbeiten von Werkstücken insbe- sondere zur spanenden Bearbeitung eingesetzt werden. Dazu kann ein ent- sprechendes Werkzeug an die Spindel angebracht werden. Bei dem Werk- zeug kann es sich beispielsweise um ein Fräs- oder Bohrwerkzeug handeln. Vorzugsweise ist das Werkzeug derart lösbar mit der Spindel verbunden, dass es auch automatisch ausgewechselt werden kann.
Der rotierende Spindelteil (Welle) bzw. der Rotor weist vorzugsweise eine Schnittstelle auf, über die eine Vorrichtung zum Halten des Werkzeuges und/oder zum Überlagern einer Funktion (wie z.B. ein Werkzeughalter mit Schwingungserreger) mit der Spindelwelle verbunden werden kann. Dabei kann es sich beispielsweise um eine standardisierte Schnittstelle der HSK- , SK-, CAPTO- oder BT-Norm handeln. In dieser Ausführungsform kann die Vorrichtung zum Halten eines Werkzeuges insbesondere elektrisch antreib- bare Komponenten aufweisen.
Die Spindelwelle bzw. der Rotor ist vorzugsweise so aufgebaut, dass (zu- sätzlich zu der berührungslosen, induktiven Energieübertragung zwischen Stator und Rotor) eine kontaktierende Energieübertragung, wie z.B. mittels Steckkontakten, von der Spindelwelle bzw. dem Rotor auf das Werkzeug bzw. den Werkzeughalter erfolgt. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Kontakte der kontaktierende Energieübertragung mittels isoliertem, elektrischen Leiter mit der Sekundärspule verbunden, so dass über die Schnittstelle zumindest elektrische Energie von der berührungslosen Ener- gieübertragung auf den Werkzeughalter übertragen werden kann. Die (be- rührungslose) Energieübertragung ist vorzugsweise in einem mittleren Ab- schnitt der Spindel, insbesondere unmittelbar zwischen dem Festlager der Spindel und dem Motor angebracht. Die Primärspule der Energieübertragung ist beispielhaft ringförmig und drehfest mit dem statischen Spindelteil verbunden. Die Sekundärspule ist beispielhaft ringförmig und drehfest mit der rotierbaren Spindelwelle ver- bunden, so dass die Sekundärspule gemeinsam mit der Welle relativ zu der Primärspule bzw. zu dem statischen Spindelteil rotieren kann. Die radiale Energieübertragung erfolgt indem insbesondere die Primärspule außen herum, direkt über der Sekundärspule, ringförmig auf gleicher Ebene ange- ordnet ist. Der Abstand der Polenden beider Spulen beträgt z.B. ca. 0,3 mm. Dadurch kann das von der Primärspule erzeugte magnetische Wechselfeld im Be- reich der Sekundärspule eine besonders hohe Flussdichte aufweisen. Im Betrieb dreht sich die Sekundärspule von insbesondere ca. 100 mm Durchmesser mit einer vorteilhaft hohen Drehzahl von mindestens 30.000 1/min. Dabei treten besonders große Fliehkräfte und damit große Umfangs- geschwindigkeiten (> 150 m/s) an der Sekundärspule auf. Je größer der Innenspulendurchmesser ist, umso größer sind diese Fliehkräfte. Eine ma- ximale Drehzahl für die Verwendung der Energieübertragung wird daher hier durch die vorliegende Erfindung vorteilhaft erhöht und kann insbeson- dere durch die Materialeigenschaften der Komponenten noch weiter ver- bessert werden. Nach einem weiteren Aspekt wird auch eine Verwendung einer hier vorge- schlagenen Spule zum Übertragen von elektrischer Energie in ein Werk- zeug angegeben, wobei die Spule mit einer Umfangsgeschwindigkeit von mindestens 150 Metern pro Sekunde angetrieben wird. Die Umfangsge- schwindigkeit bezieht sich dabei in der Regel auf einen Radius im (äußeren) Bereich des Spulenkerns.
Die im Zusammenhang mit der Spule erörterten Details, Merkmale und vor- teilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei der hier vorge- stellten Spindel, der Werkzeugmaschine und/oder der Verwendung auftre- ten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur nähe- ren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
Die Erfindung und das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel, auf das die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Insbe- sondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und die dargestellten Grö- ßenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen: Fig. 1 : eine geschnittene Darstellung einer Werkzeugmaschine mit einer
Spindel zum rotatorischen Antrieb eines Werkzeugs mit einer elektrischen Zusatzfunktion,
Fig. 2: eine perspektivische Darstellung einer Anordnung von Spulen für die Spindel aus Fig. 1 ,
Fig. 3: eine Explosionsdarstellung der Spulenanordnung aus Fig. 2,
Fig. 4: eine geschnittene Darstellung einer Anordnung von Spule für die
Spindel aus Fig. 1 ,
Fig. 5: eine geschnitten dargestellte Detailansicht einer möglichen Aus- führungsform für die Werkzeugmaschine aus Fig. 1 , und
Fig. 6 eine geschnitten dargestellte Detailansicht einer weiteren, mögli- chen Ausführungsform für die Werkzeugmaschine aus Fig. 1 .
Fig. 1 zeigt schematisch eine Werkzeugmaschine 10 mit einer Spindel 1 zum rotatorischen Antrieb eines Werkzeugs 6. Das Werkzeug 6 kann in der Spindel 1 wie durch einen runden Pfeil angedeutet um eine Rotationsachse 9 gedreht werden.
Die Spindel 1 weist einen statischen Spindelteil 2 auf, der drehfest in der Werkzeugmaschine 10 gehalten wird. Zudem weist die Spindel 1 einen ro- tierbaren Spindelteil 3 auf, der drehbar im statischen Spindelteil 2 in einem Festlager 18 und einem Loslager 19 gelagert ist und sich nur um seine Spin- delachse 9 drehen kann. Zwischen dem Festlager 18 und dem Loslager 19 ist drehfest auf dem rotierbaren Spindelteil 3 der elektrisch betriebene Spin- delmotor 21 angeordnet.
Weiterhin weist der rotierbare Spindelteil 3 an der Stirnseite eine Schnitt- steile 5 für einen Werkzeughalter 4 für das Werkzeug 6 auf. Der Werkzeug- halter 4 und das Werkzeug 6 sind keine Bestandteile der Spindel 1. Der Werkzeughalter 4 ist austauschbar mit dem rotierbaren Spindelteil 3 ver- bunden und das Werkzeug 6 ist austauschbar mit dem Werkzeughalter 4 verbunden. Dabei ist der Werkzeughalter 4 drehfest mit dem rotierbaren Spindelteil 3 und das Werkzeug 6 drehfest mit dem Werkzeughalter 4 ver- bunden. Der statische Spindelteil 2 weist eine Außenspule 7 und der rotierbare Spin- delteil 3 eine Innenspule 8 auf. Die Außenspule 7 und die Innenspule 8 sind für eine berührungslose Übertragung elektrischer Energie vom Anschluss- stecker 12 über die Leitungen im statischen Spindelteil 2, die Außenspule 7 und die Innenspule 8 auf dem rotierbaren Spindelteil 3, konzentrisch inei- nander angeordnet. Die elektrische Energie kann insbesondere als Wech- selspannung von einer Wechselspannungsquelle 11 bereitgestellt, in die Außenspule 7 geleitet und von dieser induktiv auf die Innenspule 8 übertra- gen werden. Die Außenspulenachse 9 und die Innenspulenachse 10 haben jeweils eine Spulenmittelebene, die hier exakt aufeinander liegt. Dies ist eine bevorzugte Ausführungsvariante. Es sind auch Ausführungsvarianten möglich, in denen zum Beispiel die Energieübertragung in axialer Richtung zur Rotationsachse erfolgt bzw. wobei der radialen Energieübertragung die Außenspule rotiert und die Innenspule steht (wie weiter vorn beschrieben). Die Schnittstelle 5 für den Werkzeughalter 4 ist derart ausgeführt und mit der Innenspule 8 verbunden, dass über Kontakte in der Schnittstelle 5 zu- mindest elektrische Energie von der Innenspule 8 auf den Werkzeughalter 4 übertragen werden kann. Der Werkzeughalter 4 weist einen Aktor 20 auf und ist derart an die Schnittstelle 5 angebunden, dass der Aktor 20 über die Schnittstelle 5 mit elektrischer Energie der Wechselspannungsquelle ver- sorgt wird.
Die Außenspule 7 sitzt in Grundkörper 15 und weist eine Primärwicklung 13 auf. Die Innenspule 8 sitzt auf einem Grundkörper 16 und weist eine Sekun- därwicklung 14 auf. Der Grundkörper 15 der Außenspule 7 weist eine Küh- lung 22 zur Abführung der Verluste der berührungslosen Energieübertra- gung 30 durch Außenspule 7 und Innenspule 8 auf. Die Außenspule 7 und die Innenspule 8 sind jeweils Spulen, die ein Blech- paket 23, 24 und eine Wicklung 13, 14 aufweisen. Die Ausgestaltung der Spulen 7, 8 ist in den Fig. 2 und 3 näher beschrieben.
Fig. 2 zeigt schematisch eine perspektivische Darstellung einer Anordnung von Spulen 7, 8 für die Spindel aus Fig. 1. In diesem Zusammenhang zeigt Fig. 2 ein Beispiel für eine berührungslose Energieübertragungseinheit als eine mögliche Ausgestaltung der Spulen 7, 8.
Die Innenspule 8 weist einen hohlzylindrischen Grundkörper 16 und ein Blechpaket 24 aus einer Vielzahl von Blechen auf, die radial an dem Grund- körper 16 angeordnet sind. Die Bleche 24 sind radial nach außen weisend an dem Grundköper 16 gehalten, so dass sich jeweilige Ebenen aller Bleche 24 in einer Grundkörperachse des Grundkörpers 16 schneiden. Um das Blechpaket 24 ist eine Bandagierung/Stütze 25 umlaufend ausge- bildet. Auf dieser Bandagierung/Stütze sitzt die Wicklung der Sekundär- spule 14. Um die Wicklung 14 herum sitzt eine weitere Bandagierung/Stütze 26. Zum Ausfüllen des Zwischenraums zwischen Wicklung 14 und Banda- gierung/Stütze wird elektrisch isolierende Vergussmasse 27 bzw. Harz ein- gebracht.
Die Bandagierungen/Stützen 25, 26 stellen hier Beispiele für Halteelemente zum Halten des Spulenkerns 30 und/oder der Wicklung 13, 14 an dem Grundkörper 15, 16 dar.
Die Außenspule 7 weist einen Hohlzylindrischen Grundkörper 15 mit Küh- lelementen 22 und ein Blechpaket 23 aus einer Vielzahl von Blechen auf, die radial am Grundkörper 15 angeordnet sind. Die Bleche 23 sind radial nach innen weisend an dem Grundköper 15 gehalten, so dass sich jeweilige Ebenen aller Bleche 23 in einer Grundkörperachse des Grundkörpers 15 schneiden. Im Blechpaket 23 sitzt die isolierte und getränkte Wicklung der Primärspule 13.
Die Blechpakete 23, 24 stellen hier ein Beispiel für einen Spulenkern 30 dar, der der in einem Bereich zwischen dem Grundkörper 15, 16 und der Wick- lung 13, 14 angeordnet ist.
Zwischen den an der Außenspule 7 radial nach innen und den an der In- nenspule 8 radial nach außen weisenden Polenden ist der Luftspalt 28 aus- gebildet, der für eine gute Energieübertragung so klein wie möglich gehalten wird.
Fig. 3 zeigt schematisch eine Explosionsdarstellung der in Fig. 2 beschrie- benen Energieübertragung bzw. Spulenanordnung. Fig. 4 zeigt schematisch eine geschnittene Darstellung einer Anordnung von Spulen für die Spindel aus Fig. 1. Fig. 4 zeigt in diesem Zusammenhang insbesondere einen vergrößerten Querschnitt der Außen- und Innenspule 7, 8 ohne Grundkörper 15, 16.
Fig. 5 zeigt schematisch eine geschnitten dargestellte Detailansicht einer möglichen Ausführungsform für die Werkzeugmaschine 10 aus Fig. 1. In diesem Zusammenhang veranschaulicht Fig. 5 eine schematische Darstel- lung einer radialen Energieübertragung, bei der die Energie bezogen auf die Rotationsachse 9 von der stehenden Wicklung der Primärspule 13 innen radial nach außen auf die rotierende Wicklung der Sekundärspule 14 über- tragen wird. Fig. 6 zeigt schematisch eine geschnitten dargestellte Detailansicht einer weiteren, möglichen Ausführungsform für die Werkzeugmaschine 10 aus Fig. 1. In diesem Zusammenhang veranschaulicht Fig. 5 eine schematische Darstellung einer axialen Energieübertragung, bei der die Energie bezogen auf die Rotationsachse 9 von der stehenden Wicklung der Primärspule 13 axial auf die rotierende Wicklung der Sekundärspule 14 übertragen wird.
Bezugszeichenliste
1 Spindel
2 Stator
3 Rotor
4 Werkzeughalter
5 Schnittstelle
6 Werkzeug
7 Primärspule
8 Sekundärspule
9 Rotationsachse
10 Werkzeugmaschine
11 Wechselspannungsquelle
12 Anschlussstecker Primärspule
13 Wicklung Primärspule
14 Wicklung Sekundärspule
15 Grundkörper Primärspule
16 Grundkörper Sekundärspule
17 isolierter, elektrischer Leiter
18 Festlager Spindel
19 Loslager Spindel
20 Aktor
21 Spindelmotor
22 Kühlelement
23 Blechpaket Primärspule
24 Blechpaket Sekundärspule
25 Halteelement (Spulenkern)
26 Halteelement (Wicklung)
27 Füllmaterial
28 Luftspalt 29 Grundkörperachse
30 Spulenkern

Claims

Patentansprüche
1. Spule (7, 8) für eine Übertragung elektrischer Energie, aufweisend zu mindest
- einen Grundkörper (15, 16),
- eine Wicklung (13, 14), die an dem Grundkörper (15, 16) gehalten ist,
- einen Spulenkern (30), der in einem Bereich zwischen dem Grund- körper (15, 16) und der Wicklung (13, 14) angeordnet ist,
- mindestens ein Halteelement (25, 26) zum Halten zumindest des
Spulenkerns (30) oder der Wicklung (13, 14) an dem Grundkörper (15, 16).
2. Spule (7, 8) nach Patentanspruch 1 , wobei der Spulenkern (30) mit ei- nem Blechpaket (23, 24) mit einer Vielzahl von Blechen gebildet ist, die nebeneinander und beabstandet zueinander angeordnet sind.
3. Spule (7, 8) nach Patentanspruch 2, wobei die Bleche des Blechpakets (23, 24) sich in einer radialen Richtung von dem Grundkörper (15, 16) weg erstrecken.
4. Spule (7, 8) nach Patentanspruch 2, wobei die Bleche des Blechpakets (23, 24) sich in einer axialen Richtung von dem Grundkörper (15, 16) weg erstrecken.
5. Spule (7, 8) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, weiter- hin aufweisend mindestens ein Kühlelement (22).
6. Spule (7, 8) nach einem der Patentansprüche 2 bis 5, wobei zumindest ein Teil der Zwischenräume zwischen den Blechen des Blechpakets (23, 24) mit einem Füllmaterial (27) gefüllt ist.
7. Spule (7, 8) nach einem der Patentansprüche 2 bis 6, wobei jedes Blech des Blechpakets (23, 24) in einer Blechebene liegt und sich alle Blech- ebenen im Bereich einer Rotationsachse (9) der Spule (7, 8) schneiden.
8. Spindel (1 ) zum rotatorischen Antrieb eines Werkzeugs (6), umfassend einen Stator (2) und einen Rotor (3), wobei der Rotor (3) mit dem Werk- zeug (6) lösbar verbindbar ist und wobei zumindest der Stator (2) oder der Rotor (3) mit einer Spule (7, 8) nach einem der vorhergehenden Patentansprüche gebildet sind.
9. Werkzeugmaschine (10), aufweisend eine Spindel (1 ) nach Patentan- spruch 8.
10. Verwendung einer Spule (7, 8) nach einem der Patentansprüche 1 bis 7 zum Übertragen von elektrischer Energie in ein Werkzeug (6), wobei die Spule (7, 8) mit einer Umfangsgeschwindigkeit von mindestens 150 Metern pro Sekunde angetrieben wird.
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