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Die
Erfindung betrifft einen Hohlwellenmotor, welcher mit einem Getriebe
mechanisch gekoppelt ist. Der Hohlwellenmotor ist insbesondere ein
Torquemotor. Der Hohlwellenmotor kann nach dem Prinzip eines Synchronmotors
betrieben werden, wobei er als ein direkt angetriebener Rundmotor
anzusehen ist, welcher einen Stator und einen Rotor mit z.B. einem
permanenterregten Magneten aufweist. In der Regel ist der Stator
feststehend, wobei über
den Stator wie beim Linearmotor über
den Luftspalt das Drehmoment direkt auf den Rotor übertragen
wird. Daher entfallen mechanische Übertragungselemente wie beispielsweise
Getriebe. Der Hohlwellenmotor ist ein wartungsfreier bzw. wartungsarmer
Motor, mit dessen Hilfe eine hohe Positioniergenauigkeit bzw. eine
sehr hohe Dynamik und Bahnsteuerung möglich ist. Besonders geeignet
sind Hohlwellenmotoren bzw. Torquemotoren in Bearbeitungszentren
als Motoren für
Rundtische oder Schwenkachsen. Ein Einsatz der dieser Motoren ist
auch vorteilhaft bei Einrichtungen für das Formfräsen mit
Schwenkköpfen
in Großbearbeitungszentren.
Darüber
hinaus können Hohlwellenmotoren
eingesetzt werden als Antriebe für
schnell hochlaufende Achsen, bei Drehmaschinen, für dynamische
Werkzeuge, Magazine von Bearbeitungszentren, in der Robotik und
bei Kunststoff-Spritzgießmaschinen.
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Obgleich
der Torquemotor bereits hohe Drehmomente liefert, ist es in verschiedensten
Anwendungsfällen
dennoch erforderlich, noch größere Momente
erzeugen zu müssen.
Für derartige
Anwendungsfälle,
die beispielsweise aus der Pressentechnik bekannt sind, werden rotatorisch
arbeitende elektrische Maschinen mit einem vollen Innenläufer verwendet,
welche mit einem Getriebe gekoppelt sind. Nachteile bei derartigen
Systemen, welche eine klassische elektrische Maschine mit nachgeschaltetem
Getriebe aufweisen, ist das große
Bauvolumen.
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Bei
Servopressen wird die zur Umformung eines Werkstücks notwendige Kraft/Energie
nicht wie bei herkömmlichen
mechanischen Pressen aus einem Schwungrad gewonnen, sondern die
Kraft wird direkt aus einem Servormotor bezogen. Der Servomotor
ist also ohne Schwungrad direkt oder über ein Getriebe an den Pressen-Exzenter
gekoppelt. Das Problem dabei ist, dass ein möglichst hohes Drehmoment erzielt
werden muss und ein hierfür
notwendiges Getriebe einen großen
Bauraum einnimmt. Bei Servopressen kommt es zum Einsatz von Servomotoren,
welche z.B. mit einem zusätzlichen
Stirnradgetriebe gekoppelt sind, um das notwendige hohe Drehmoment
zu erzeugen. Bei Servopressen mit größeren Presskräften sind
in der Regel keine großen Drehzahlen
bzw. Presshochzahlen erforderlich.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrische Maschine anzugeben,
welche mittels eines Getriebes ein hohes Drehmoment aufzubringen
vermag, wobei der Bauraum minimiert ist.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe gelingt bei einem Antriebssystem, welches die Merkmale
nach Anspruch 1 aufweist. Eine weitere Lösung ergibt sich bei einer
Umformungsmaschine mit den Merkmalen nach Anspruch 9 bzw. bei einem
Bearbeitungszentrum nach Anspruch 12. Weiter vorteilhafte erfinderische
Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen 2 bis
8 und 10 bzw. 11.
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Ein
erfindungsgemäßese Antriebssystem weist
einen Hohlwellenmotor auf, welcher einen Stator und einen Rotor
aufweist. Der Rotor ist mit einem Getriebe mechanisch gekoppelt
ist, wobei das Getriebe insbesondere ein Planetengetriebe ist. Die Kopplung
zwischen Hohlwellenmotor und Getriebe ist vorteilhaft steif ausgeführt, damit
das Regelungsverhalten des Hohlwellenmotors verbessert ist. Durch
die Kombination des Hohlwellenmotors mit dem Getriebe ist es möglich noch
höhere
Drehmomente zu erzielen, da der Hohlwellenmotor bereits zur Generierung
von hohen Drehmomenten ausführbar
ist und diese hohen Drehmomente vorteilhaft durch das Getriebe noch
erhöht
werden können.
Um die hohen Drehmomentkräfte
des Hohlwellenmotors aufzunehmen wird vorteilhaft ein Planetengetriebe eingesetzt,
da dieses zur Aufnahme hoher Momentenkräfte auslegbar ist. Das Planetengetriebe
kann eine unterschiedliche Anzahl von Planeten aufweisen. Das Planetengetriebe
bewirkt beispielsweise eine Getriebeuntersetzung und dadurch eine
Drehzahlverminderung und eine Drehmomentenerhöhung an einer Sonnenradwelle.
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In
einer Weiterbildung des Antriebssystems ist dieses derart ausgebildet,
dass der Rotor des Hohlwellenmotors, also dass die Hohlwelle des
Hohwellenmotors das Getriebe zumindest teilweise umgibt. Das Getriebe
ist also ganz oder teilweise innerhalb der Hohlwelle bzw. des als
Hohlwelle ausgeführten
Rotors positioniert. Dies dient einer kompakten Bauweise bzw. Bauform
des Antriebssystems.
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In
einer weiteren Ausgestaltung des Antriebssystems ist der Rotor des
Hohlwellenmotors mit
- – einer Hohlradwelle des Planetengetriebes
oder
- – einem
Steg des Planetengetriebes oder
- – einem
Sonnenrad des Planetengetriebes
mechanisch gekoppelt ist.
Diese Kopplung ist vorteilhaft möglichst
steif ausgeführt.
Bei dem Steg des Planetengetriebes handelt es sich um eine Einrichtung, mittels
derer die Planeten bezüglich
Ihrer Position miteinander verbunden sind. Durch die unterschiedlichen
Kopplungsmöglichkeiten
zwischen dem Planetengetriebe und dem Hohlwellenmotor lassen sich verschiedene Übersetzungsverhältnisse
realisieren. Auch ist es möglich
den Einsatz von auf zumindest teilweise vollen Wellen montierbaren
Drehgebern zur Regelung des Hohlwellenmotors zur realisieren, da der
Rotor des Hohlwellenmotors beispielsweise steif mit dem Hohlwellenrad
verbindbar ist und an das Hohlwellenrad ein Drehgeber anschließbar ist.
Somit kann zur Regelung des Hohlwellenmotors ein günstiger
Drehgeber verwendet werden, ohne dass ein teuerer Hohlwellengeber
für den
Hohlwellenmotor eingesetzt werden müsste. Das erfindungsgemäße Antriebssystem
ist also derart ausgestaltbar, dass es einen Drehgeber aufweist,
welcher insbesondere auch mit dem Sonnenrad oder mit der Hohlwelle
steif verbunden ist.
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In
einer weiteren Variation weist das Antriebssystem einen Hohlwellengeber
zur Regelung des Hohlwellenmotors auf, wobei der Hohlwellengeber
direkt mit dem Rotor verbunden ist. Beim Einsatz eines Drehgebers
ist dieser nur indirekt mit dem Rotor des Hohlwellenmotors verbunden,
da zumindest eine steife Kopplung mit einem Teil des Planetengetriebes
und dem Rotor vorhanden ist.
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Durch
die integrierende Positionierung des Platentengetriebes innerhalb
der Hohlwelle, ergibt es sich beispielsweise vorteilhaft, dass eine
Achse eines Sonnenrades des Planetengetriebes mit einer Rotorachse
zusammenfällt.
Dieser symmetrischer Aufbau vereinfacht sowohl die Konstruktion
des Antriebssystems wie auch dessen Einbau in eine Maschine.
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Das
erfindungsgemäße Antriebssystem, welches
den Hohlwellenmotor aufweist, wird vorteilhaft zum Antrieb eines
Exzenters vorgesehen. Exzenter finden beispielsweise bei Pressen
ein Einsatzgebiet, wobei insbesondere dort die Erzeugung hoher Kräfte vorteilhaft
ist.
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Um
den Einsatzbereich des Antriebssystems zu erweitern, kann auch ein
mehrstufiges Planetengetriebe eingesetzt werden. Der Einsatzbereich
des erfindungsgemäßen Antriebssystems
betrifft insbesondere Umformungsmaschinen aber auch Bearbeitungszentren
bei Werkzeugmaschinen.
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Eine
Umformungsmaschine weist also vorteilhaft zum Antrieb eines Umformungswerkzeuges ein
erfindungsgemäßes Antriebssystem
aufweist, welches seinerseits einen Hohlwellenmotor aufweist. Gerade
bei Umformungsmaschine sind hohe Kräfte zu erzeugen, so dass eine
Kombination eines als Torquemotor ausgeführten Hohlwellenmotors mit
einem Getriebe besondere Vorteile bezüglich der auszubildenden Momentenkräfte hat.
Die erfindungsgemäße Bauform
ermöglicht
zudem eine kompakte Bauwei se der Umformungsmaschine. Ein besonders
einfacher Aufbau der Umformungsmaschine ergibt sich, wenn die Achse
des Hohlwellenmotors und die Achse eines Exzenters fluchten. Das
bedeutet, dass die Achsen ineinander fallen.
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Der
Einsatz des erfindungsgemäßen Antriebsystems
erfolgt vorteilhaft auch bei einem Bearbeitungszentrum. Bearbeitungszentren
finden sich bei Werkzeugmaschinen. Das Bearbeitungszentrum ist z.B.
derart ausbildbar, dass das erfindungsgemäße Antriebssystem zum Antrieb
eines Rundtisches oder einer Schwenkachse vorgesehen ist.
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Wenn
das Planetengetriebe in der Hohlwelle des Hohlwellenmotors integriert
ist, können
sich folgende Vorteile ergeben:
- – Erhöhung des
Drehmoments des Hohlwellenmotors bei gleicher Baugröße,
- – der
Hohlwellenmotor mit integriertem Getriebe ist insgesamt wesentlich
kürzer
als bei einem vergleichbar eingesetzten Servomotor mit Stirnradgetriebe;
Dadurch ist das Gesamtgebilde wesentlich unempfindlicher gegen Vibrationen
und Schocks, die beispielsweise durch den Pressvorgang entstehen
können,
- – insbesondere
durch den kompakten Aufbau ergibt sich eine Verbesserung des Rüttel- und/oder Stoßfestigkeit,
- – durch
Verwendung eines mehrstufigen (z.B. automatischen) Planetengetriebes
ist eine Änderung
des Übersetzungsverhältnisses
unter Last (wie bei Automatikgetrieben) möglich, was besonders vorteilhaft
ist bei schnellen Drehzahländerungen
und Lastverhältnissen,
wie sie im Umformprozess bei Servopressen vorkommen; vorteilhaft erfolgt
die Änderung
des Übersetzungsverhältnisses
stoßfrei
auch unter Last,
- – bei
Verwendung eines Hohlwellengebers ist ein Wellenabgang der Sonnenradwelle
in beide Richtungen möglich,
- – es
ist eine höhere
Positioniergenauigkeit als mit einem Hohlwellenmotor allein erreichbar,
- – geringere
Getriebegeräusche
dadurch, dass das Gehäuse
vom Hohlwellenmotor gedämpft werden
kann,
- – die
Planetenräder
können
durch einen zweiten Hohlwellenmotor bewegt werden (statt feststehend),
wobei dadurch noch flexiblere Drehzahländerungen möglich sind.
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Für das erfindungsgemäße Antriebssystem gibt
es neben den bereits beschriebenen Anwendungsfällen weitere Einsatzbereiche.
Mögliche
Einsatzbereiche für
das Antriebssystem mit dem Hohlwellenmotor, welcher ein integriertes
Getriebe (insbesondere ein Planetengetriebe) aufweist sind:
- – Servo-
oder Abkantpressen
- – Seilwinden
- – Antrieb
von Druckwalzen
- – Stellantriebe,
bei denen wenig Raum zur Verfügung
steht
- – Drehtische.
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Die
Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es
zeigen jeweils in schematisch stark vereinfachten Darstellungen:
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1 ein
erfindungsgemäßes Antriebssystem,
welches einen Hohlwellenmotor und ein Planetengetriebe aufweist,
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2 eine
dreidimensionale explosionsartige Darstellung eines Hohlwellenmotors,
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3 eine
dreidimensionale Darstellung eines Hohlwellenmotors, welcher einen
Anschlusskasten aufweist,
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4 eine
schematische Darstellung einer Exzenterpresse, wobei lediglich das
obere Pressenwerkzeug dargestellt ist,
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5 eine
Exzenterpresse gemäß 4 in einer
Seitenansicht,
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6 ein
Planetengetriebe und
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7 ein
Planetengetriebe mit Kegelrädern.
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1 zeigt
ein Antriebssystem 2, welches einen Hohlwellenmotor 1 und
ein Planetengetriebe 13 aufweist. Der Hohlwellenmotor 1 weist
einen Stator 7 und einen Rotor 9 auf. Zwischen dem
Stator 7 und dem Rotor 9 befindet sich der Luftspalt 11.
Das Planetengetriebe 13 weist eine Hohlradwelle 15,
Planetenräder 17 und
ein Sonnenrad 19 auf. Das Sonnenrad 19 weist seinerseits
eine Achse 23 auf, welche mit einer Achse des Hohlwellenmotors 1 zusammenfällt d.h.
fluchtet. Das Planetengetriebe 13 weist drei Planetenräder 17 auf.
Planetengetriebe können mit
zwei, drei, vier oder mehr Planetenrädern ausgeführt werden, wobei in 1 lediglich
die Ausführungsform
mit drei Planetenrädern
dargestellt ist. Die Planetenräder,
kurz Planeten 17 genannt, sind über einen Steg 21 fix
miteinander verbunden. Die Planeten 17 sind drehbar um
Achsen 24, 25, und 26 gelagert. Gemäß der Ausbildung
nach 4 ist die Hohlradwelle 15 mit dem Rotor 9 steif
verbunden. Dies gelingt z.B. mittels eines Presssitzes, eines Passsitzes,
einer Schraubverbindung oder dergleichen. Die Hohlradwelle 9 weist
eine Innenverzahnung auf, welche in eine Außenverzahnung der Planeten 17 eingreift.
Die Verzahnungen sind in der 1 nicht
dargestellt. Der Außenradius
des Planetengetriebes 13 ist kleiner gleich dem Innenradius
des Hohlwellenmotors 1, so dass das Planetengetriebe 13 sich
ganz oder teilweise innerhalb des Hohlwellenmotors 1 befindet.
Das Planetengetriebe 13 ist also von dem Hohlwellenmotor 1 ganz
oder teilweise umfasst.
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2 zeigt
zwei wesentliche Bestandteile des Hohlwellenmotors 1. Der
eine wesentliche Bestandteil ist der Rotor 9, welcher Permanentmagnete 10 in
Umfangsrichtung des Rotors 9 aufweist. Der weitere wichtige
Bestandteil des Hohlwellenmotors 1 ist der Stator 7.
Der Rotor 9 ist im eingebauten Zustand von dem Stator 7 umgeben
d.h. umfasst.
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3 zeigt
eine dreidimensionale Darstellung eines Hohlwellenmotors, wobei
der Hohlwellenmotor gemäß 3 bzw. 2 als
ein Torquemotor ausgeführt
ist. Der Hohlwellenmotor gemäß 3 zeigt
neben einem Gehäuse 12 auch
einen Anschlusskasten 39 für elektrische Anschlüsse.
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4 zeigt
prinzipiell den Aufbau einer Exzenterpresse, welche ein erfindungsgemäßes Antriebssystem 2 aufweist.
Dieses weist einen Hohlwellenmotor 1 und ein in diesen
Hohlwellenmotor 1 integriertes Planetengetriebe 13 auf.
Zur Erfassung der Drehzahl des Hohlwellenmotors 1 ist ein
Hohlwellengeber 35 vorgesehen, welcher die Drehzahl des
Rotors 9 des Hohlwellenmotors 1 erfasst. Durch
den Hohlwellenmotor 1 ist ein Sonnenrad des Planetengetriebes 13 antreibbar,
wobei über
eine Welle 20 des nicht dargestellten Sonnnerades ein Exzenter 29 antreibbar
ist. Die Welle 20, das Sonnenrad und der Exzenter 29 weisen
eine gemeinsame Achse 27 auf. An dem Exzenter 29 ist
eine Pleuelstange 31 befestigt, mit der ein Pressenoberwerkzeug 33 bewegbar ist.
Um eine einfache Darstellung der Exzenterpresse zu gewährleisten,
wurde auf eine detailliertere Darstellung weiterer Teile der Exzenterpresse
verzichtet. Zur Regelung des Hohlwellenmotors/Torquemotors kann
also in einer Ausführungsform
die Drehzahl mit einem Hohlwellengeber, der direkt auf der Hohlwelle montiert
ist, erfasst werden.
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Um
ein hohes Drehmoment, beispielsweise für eine Excenter, auf kleinem
Raum zu erzeugen, kann also z.B. ein Torquemotor/Hohlwellenmotor 1 mit
einer Hohlwelle verwendet werden. In der Hohlwelle ist ein Planetengetriebe 13 integriert,
wobei das Hohlrad des Planetengetriebes 13 mit der Hohlwelle des
Torquemotors 1 fest verbunden ist. Die Planetenradwelle
ist mit dem Press-Exzenter verbunden.
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Im
dargestellten Beispiel wurde exemplarisch eine Pressenkonstruktion
mit einem Exzenter 29 und einem Hohlwellenmotor 1 als
ein Torquemotor mit Planetengetriebe 13 gezeigt. Zur Erhöhung der Presskraft
können
aber auch mehrere Torquemotoren an einem Exzenter oder mehrere Motore
mit jeweils einem Exzenter vorgesehen werden. Dies ist in 4 jedoch
nicht dargestellt.
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5 zeigt
die Vorrichtung 4 aus einer anderen Perspektive.
Gleichartige Bezugszeichen beziehen sich hier wie auch in den anderen
Figuren jeweils auf gleiche Elemente.
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6 zeigt
ein Beispiel für
die Verwendung eines Drehgebers 37 zur Ermittlung einer
Drehzahl des Hohlwellenmotors 1. Durch die Verwendung eines
Drehgebers 37 und der steifen Verbindung zur Hohlradwelle 15 kann
auf die Verwenung eines Hohlwellengebers verzichtet werden. Dies
führt insbesondere
zu Kosteneinsparungen beim Antriebssystem 2. Zur vereinfachten
Darstellung wurde auf eine detaillierte Unterteilung des Hohlwellenmotors 1 mit
einem Statorelement und einem Rotorelement verzichtet. 6 zeigt
ferner, dass der nicht dargestellte Rotor des Hohlwellenmotors 1 an
der Hohlradwelle 15 angreift, wobei über die Planeten 17 und
das Sonnnerad 19 eine Welle 20 des Sonnenrads 19 antreibbar ist.
Mittels eines Stegs 21 sind die Planeten 17 miteinander
verbunden.
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7 zeigt
eine weitere Ausgestaltung des Antriebssystems 2, wobei
gemäß 7 mittels
des Hohlwellenmotors 1 nicht die Hohlradwelle 15 angetrieben
ist, sondern der Steg 21.