DE10052956A1 - Elektromotor, insbesondere Motorspindel zum Antrieb eines Bearbeitungswerkzeugs - Google Patents

Abstract

Bei einem Elektromotor mit einem Gehäuse (1), dessen Temperatur mittels einer Kühleinrichtung im wesentlichen konstant gehalten wird und mit einem Rotor (17), der in dem Gehäuse (1) an zwei im Abstand voneinander befindlichen Lagerstellen mittels Wälzlagern (12, 13) gelagert ist, wobei die Wälzlager (12, 13) beider Lagerstellen in O-Anordnung mit Vorspannung gegeneinander gestellt sind, sind an beiden Lagerstellen die Außenringe der Wälzlager (12, 13) in dem Gehäuse (1) und die Innenringe der Wälzlager (12, 13) auf dem Rotor (17) unverschiebbar befestigt und der Abstand der Lagerstellen ist so groß bemessen, daß eine Erhöhung der Vorspannung infolge der radialen thermischen Ausdehnung der Innenringe der Wälzlager (12, 13) bei Erwärmung des Rotors (17) durch die thermische Längenausdehnung des Rotors (17) im wesentlichen kompensiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor, insbesondere eine Motorspindel zum Antrieb eines Bearbeitungswerkzeugs, mit einem Gehäuse, dessen Temperatur mittels einer Kühlein­ richtung im wesentlichen konstant gehalten wird und mit einem Rotor, der in dem Gehäuse an zwei im Abstand vonein­ ander befindlichen Lagerstellen mittels Wälzlagern gelagert ist, wobei die Wälzlager beider Lagerstellen in O-Anordnung mit Vorspannung gegeneinander gestellt sind.

Elektromotoren der eingangs genannten Art werden unter anderem zum Antrieb von mit hoher Drehzahl umlaufenden Bearbeitungswerkzeugen, z. B. Bohr-, Fräs- oder Schleifwerk­ zeugen, eingesetzt. Die Welle des Rotors des Elektromotors bildet hierbei zugleich die Spindel für den Antrieb der Werkzeuge und muß daher robust und spielfrei gelagert sein. Zur Lagerung der Welle ist es bekannt, gegeneinander gestellte Schulterkugellager oder Schrägkugellager zu ver­ wenden, wobei das oder die Lager an einer Lagerstelle im Gehäuse axial verschiebbar gelagert sind und mit Hilfe von Axialdruckfedern gegen die Lager der anderen Lagerstelle vorgespannt sind. Durch diese bekannte Anordnung wird der Einfluß von Temperaturänderungen auf die Lagervorspannung klein gehalten. Der Bauaufwand für die federnde Vorspan­ nungseinrichtung und die Schwingungsempfindlichkeit der federnden Vorspannungseinrichtung wird jedoch als nachtei­ lig angesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektromo­ tor der eingangs genannten Art zu schaffen, der sich durch einen einfachen, kostengünstig herstellbaren Aufbau und eine schwingungsunempfindliche robuste Lagerung des Rotors auszeichnet.

Diese Aufgabe wird bei einem Elektromotor der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß an beiden Lagerstellen die Außenringe der Wälzlager in dem Gehäuse und die Innen­ ringe der Wälzlager auf dem Rotor unverschiebbar befestigt sind und daß der Abstand der Lagerstellen so groß bemessen ist, daß eine Erhöhung der Vorspannung infolge der radialen thermischen Ausdehnung der Innenringe der Wälzlager bei Erwärmung des Rotors durch die thermische Längenausdehnung des Rotors im wesentlichen kompensiert wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Elektromotor wird die Vorspannung der gegeneinander gestellten Wälzlager ausschließlich durch die exakte Positionierung der Außenringe und Innenringe des Lagers im Gehäuse bzw. auf der Rotorwelle in Verbindung mit der vergleichsweise sehr geringen Elastizität der die Wälz­ lager aneinander abstützenden Gehäuse- bzw. Rotorbauteile erzeugt. Dehnen sich die Innenringe der Wälzlager infolge der Erwärmung des Rotors aus, während die in dem gekühlten Gehäuse angeordneten Außenringe ihren Durchmesser beibehal­ ten, so würde dies zu einer Erhöhung der Lagervorspannung bei gleichzeitiger Verlagerung der Kugeldruckpunkte an Innen- und Außenring und zu einer entsprechend höheren Lagerbelastung führen. Aufgrund der erfindungsgemäßen Bemessung des Lagerabstands werden jedoch die Innenringe der Wälzlager durch die axiale Ausdehnung des Rotors im Gegensatz zu den Außenringen gerade soweit auseinander bewegt, daß der maximale Abstand zwischen den Kugellaufflä­ chen der Innenringe und denen der Außenringe im wesentli­ chen unverändert beibehalten wird, wobei sich allenfalls die Kugeldruckpunkte auf den Innen- und Außenringen etwas verlagern. Auf diese Weise bleibt die Vorspannung der Lager und damit die hierauf beruhende Lagerbelastung auch bei Erwärmung des Rotors im wesentlichen gleich.

Der zur Verwirklichung der Erfindung geeignete Lagerabstand kann auf einfache Weise empirisch ermittelt werden, indem die axiale Lageänderung des Innenrings des Wälzlagers gegenüber dem Außenring bei alleiniger Erwärmung des Innen­ rings gemessen und danach die erforderliche Dehnungslänge des Rotors berechnet wird. Näherungsweise kann auch der erforderliche Lagerabstand A auch aus dem Durchmesser d der Kugellaufbahn am Innenring und dem Druckwinkel α des Wälz­ lagers nach der Formel A = d.cot α berechnet werden.

Mit der Erfindung wird eine außerordentlich steife Lagerung des Rotors ermöglicht, so daß durch das vom Rotor angetrie­ bene Bearbeitungswerkzeug keine die Bearbeitung beeinträch­ tigende Schwingungen des Rotors hervorgerufen werden kön­ nen. Die erfindungsgemäße Lagerung ermöglicht außerdem einen einfachen Aufbau und eine einfache Montage und damit eine kostengünstige Herstellung des Elektromotors.

Um im vorherrschenden Betriebszustand des Elektromotors, in welchem der Rotor eine höhere Temperatur hat als das Gehäuse, eine optimale Vorspannung zu haben, sind nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung die Abstände der Innenringe und Außenringe der Wälzlager so bemessen, daß die optimale Vorspannung der Wälzlager bei Betriebstempera­ tur von Rotor und Gehäuse gegeben ist. Hierdurch wird erreicht, daß auch bei unvollständiger Kompensation ther­ misch bedingter Durchmesseränderungen der Innenringe die Lagervorspannung in der Hauptbetriebsphase optimal ist.

Vorteilhaft ist weiterhin eine Ausgestaltung des Elektromo­ tors, bei der die Wälzlager beider Lagerstellen im Gehäuse und auf dem Rotor jeweils über ein sich zwischen den Lager­ stellen erstreckendes paßgenaues Bauteil aneinander abstüt­ zen. Hierbei kann zum Ausgleich von herstellungsbedingten Maßabweichungen eines der Bauteile an das zuvor durch Mes­ sung in jedem Einzelfall ermittelte Sollmaß angepaßt sein. Die Anpassung kann entweder durch Nacharbeiten des Bauteils oder durch Auswahl des geeigneten Bauteils aus einer vorge­ fertigten Anzahl von vermessenen Bauteilen unterschiedli­ cher Abmessung erhalten werden.

Eine besonders vorteilhafte Bauweise des erfindungsgemäßen Elektromotors wird dadurch erreicht, daß zwischen den Lagerstellen die Statorwicklung und die Rotorwicklung ange­ ordnet sind, wobei ein paßgenaues Bauteil die Statorwick­ lung umgibt und ein zweites paßgenaues Bauteil innerhalb der Rotorwicklung angeordnet ist. Zur Erhöhung der Biege­ steifigkeit der Lagerung kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß jede Lagerstelle zwei Wälzlager in Tandemanord­ nung aufweist. Hierbei ist es im allgemeinen ausreichend, wenn der zur Konstanthaltung der Vorspannung optimale Abstand der Lagerstellen jeweils auf die Mitte der Tan­ demanordnungen bezogen wird. Werden an die Konstanthaltung der Lagervorspannung besonders hohe Anforderungen gestellt, so kann der unterschiedliche Abstand zwischen den inneren und äußeren Wälzlagern der Tandemanordnungen durch die Wahl unterschiedlicher Druckwinkel für die inneren und äußeren Lager der Tandemanordnungen ausgeglichen werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei­ spiels näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist.

Die Zeichnung zeigt einen Längsschnitt durch einen fre­ quenzgesteuerten elektrischen Antriebsmotor einer Motor­ spindel für den hochtourigen Antrieb von Fräswerkzeugen. Der Motor weist ein zylindrisches Gehäuse 1 mit einer Zylinderbohrung 2 und einer Mantelhülse 3 auf. In der von der Mantelhülse 3 bedeckten Mantelfläche des Gehäuses 1 ist durch meanderförmige Nuten 4 ein Kanal zum Hindurchleiten eines Kühlmittels gebildet. Die Zylinderbohrung 2 enthält in Reihe hintereinander angeordnet einen ringförmigen Distanzkörper 5, einen hinteren Lagerring 6, eine Aus­ gleichshülse 7, eine Statorhülse 8 und einen vorderen Lagerring 9. Die genannten Bauteile 5 bis 9 sind mit großer Genauigkeit planparallel ausgeführt und werden mit Hilfe eines in einen Gewindeabschnitt am Eingang der Zylinderboh­ rung 2 eingeschraubten Gewinderings 10 gegeneinander gespannt, wobei sich der Distanzkörper 5 an einer Bodenflä­ che 11 der Zylinderbohrung 2 abstützt.

Jeder Lagerring 6, 9 bildet eine Lagerstelle und trägt in Tandemanordnung jeweils zwei als Schulterlager ausgebildete Wälzlager 12 bzw. 13, wobei die Tandemanordnung der Wälzlager 12 und die Tandemanordnung der Wälzlager 13 in O- Anordnung gegeneinander gestellt sind. In Richtung der aufzunehmenden Axialkraft stützen sich die Außenringe der Wälzlager 12 bzw. 13 jeweils an einer Schulter ihres Lagerrings 6 bzw. 9 sowie aneinander ab. In der Gegenrichtung sind die Außenringe der Wälzlager 12 durch einen in den Lagerring 4 eingeschraubten Gewindering 14 gehalten. Die Wälzlager 13 sind in dem Lagerring 9 in der Gegenrichtung an einem Zwischenring 15 abgestützt, der an dem Gewindering 10 anliegt.

In der Statorhülse 8 ist das Statorpaket 16 des Elektromo­ tors bestehend aus Statorwicklung und Polschuhen befestigt.

Die Innenringe der Wälzlager 12, 13 tragen einen Rotor 17 mit einer Welle 18 und einem Rotorkörper 20, der drehfest auf der Welle angeordnet ist und eine Rotorwicklung ent­ hält. Die Welle 18 erstreckt sich durch die Innenringe der Wälzlager 12, 13 hindurch und weist an ihrem vorderen, aus dem Gehäuse 1 herausragenden Ende einen Wellenkopf 19 grö­ ßeren Durchmessers zur Aufnahme einer Spannkupplung für ein Fräswerkzeug auf. Der Rotorkörper 20 befindet sich zwischen der Lagerstelle der Wälzlager 12 und der Lagerstelle der Wälzlager 13 und weist an seinen Enden planparallele Stirn­ flächen auf, an denen die dem Rotorkörper 20 benachbarten Innenringe der Wälzlager 12, 13 anliegen. Mit Hilfe einer auf einem Außengewinde 21 am inneren Ende der Welle 18 auf­ geschraubten Ringmutter 22 werden die Innenringe der Wälz­ lager 12, 13 und der Rotorkörper 20 gegeneinander und gegen den Wellenkopf 19 gespannt. Hierbei wird der Abstand, den die Innenringe der Wälzlager 12 von den Innenringen der Wälzlager 13 haben, durch die axiale Länge des Rotorkörpers 20 bestimmt.

Die Vorspannung der Wälzlager 12, 13 wird bei der beschrie­ benen Anordnung dadurch erreicht, daß der Abstand der Außenringe der Wälzlager 12 von den Außenringen der Wälzla­ ger 13 um einen definierten Betrag kleiner bemessen ist als der Abstand der Innenringe der Wälzlager 12 von den Innen­ ringen der Wälzlager 13. Um in der Praxis den definierten Abstandsunterschied genau einhalten zu können, werden bei der Montage die Bauteile vermessen, welche die Abstände der Innenringe und die Abstände der Außenringe bestimmen und aufgrund des Meßergebnisses wird die Länge der Ausgleichs­ hülse 7 bestimmt, die den gewünschten Abstandsunterschied ergibt.

Die durch Einbau der entsprechend bemessenen Abstandshülse 7 erzielte Vorspannung bleibt auch bei einer Erwärmung des Rotors 17 und der Innenringe der Wälzlager 12, 13 im wesentlichen unverändert, da der Mittenabstand A zwischen den Wälzlagern 12 und den Wälzlagern 13 so groß bemessen ist, daß die Längenausdehnung des Rotors 17 und die damit verbundene Vergrößerung des Abstands zwischen den Innenrin­ gen der Wälzlager 12 und den Innenringen der Wälzlager 13 die radiale Ausdehnung der Innenringe der Wälzlager 12, 13 weitgehend kompensiert. Voraussetzung für diese Kompensa­ tionswirkung ist abgesehen von der geeigneten Größe des Mittenabstands A der Wälzlagerungen die Tatsache, daß das Gehäuse 1 ausreichend gekühlt ist und infolgedessen seine Temperatur im wesentlichen beibehält. Der Abstand der Außenringe der Wälzlager 12, 13 bleibt daher unverändert, so daß die Zunahme des Abstands der Innenringe sich kompen­ sierend auswirken kann. Es sei noch angemerkt, daß durch die Abstandsunterschiede zwischen den bezogen auf den Rotorkörper 20 innenliegenden Wälzlagern 12, 13 einerseits und den außenliegenden Wälzlagern 12, 13 andererseits eine optimale Kompensation bei gleichem Druckwinkel beider Lager der Tandemanordnugen nicht erreichbar ist. Die Abweichung der tatsächlichen Lagerabstände vom Mittenabstand A der beiden Lageranordnungen ist jedoch andererseits so klein, daß ihre Auswirkung in der Regel vernachlässigt werden kann. Will man zwischen den beiden Lagern der Tandemanord­ nungen jeweils einen größeren Abstand vorsehen, so kann beispielsweise durch die Verwendung außenliegender Wälzla­ ger mit kleinerem Druckwinkel im Vergleich zu dem Druckwin­ kel der innenliegenden Wälzlager der Abstandsunterschied ausgeglichen werden.

Claims (8)

1. Elektromotor, insbesondere eine Motorspindel zum Antrieb eines Bearbeitungswerkzeugs, mit einem Gehäuse, dessen Temperatur mittels einer Kühleinrichtung im wesentlichen konstant gehalten wird und mit einem Rotor, der in dem Gehäuse an zwei im Abstand voneinan­ der befindlichen Lagerstellen mittels Wälzlagern gela­ gert ist, wobei die Wälzlager beider Lagerstellen in O- Anordnung mit Vorspannung gegeneinander gestellt sind, dadurch gekennzeichnet, daß an beiden Lagerstellen die Außenringe der Wälzlager (12, 13) in dem Gehäuse (1) und die Innenringe der Wälzlager (12, 13) auf dem Rotor (17) unverschiebbar befestigt sind und daß der Abstand der Lagerstellen so groß bemessen ist, daß eine Erhö­ hung der Vorspannung infolge der radialen thermischen Ausdehnung der Innenringe der Wälzlager (12, 13) bei Erwärmung des Rotors (17) durch die thermische Längen­ ausdehnung des Rotors (17) im wesentlichen kompensiert wird.

2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände der Innenringe und der Außenringe der Wälzlager (12, 13) so groß bemessen sind, daß die opti­ male Vorspannung der Wälzlager (12, 13) bei Betrieb­ stemperatur von Rotor (17) und Gehäuse (1) gegeben ist.

3. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzlager (12, 13) beider Lagerstellen im Gehäuse (1) und auf dem Rotor (17) jeweils über ein sich zwischen den Lagerstellen erstreckendes paßgenaues Bauteil aneinander abstützen.

4. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstützlänge eines paß­ genauen Bauteils an das zuvor durch Messung der ande­ ren, die Vorspannung der Wälzlager (12, 13) bestimmen­ den Bauteile in jedem Einzelfall ermittelte Sollmaß angepaßt ist.

5. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Lagerstellen die Statorwicklung und die Rotorwicklung angeordnet sind, wobei ein paßgenaues Bauteil die Statorwicklung umgibt und ein zweites paßgenaues Bauteil innerhalb der Rotorwicklung angeordnet ist.

6. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede Lagerstelle zwei Wälz­ lager (12 bzw. 13) in Tandemanordnung aufweist.

7. Elektromotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Kompensation der radialen thermischen Aus­ dehnung der Innenringe der Wälzlager (12, 13) bestimmte Abstand der Lagerstellen jeweils auf die Mitte der Tan­ demanordnungen der Wälzlager (12, 13) bezogen ist.

8. Elektromotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Kompensation der radialen thermischen Aus­ dehnung der Innenringe der Wälzlager bestimmte Abstand der Lagerstellen jeweils auf die Mitte der einzelnen Wälzlager der Tandemanordnungen bezogen ist und der unterschiedliche Abstand zwischen den in Bezug auf die Mitte der Lagerstellen inneren und äußeren Wälzlagern der Tandemanordnungen durch unterschiedliche Druckwin­ kel für die inneren und äußeren Lager der Tandemanord­ nungen ausgeglichen ist.