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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Motor und insbesondere einen Permanentmagnet-Spindelmotor.
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Stand der Technik
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Um eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit zu erzielen und die Verwendung für die Spindel einer Werkzeugmaschine zu ermöglichen, muss die Spindel eine hohe Rotationsgenauigkeit, eine hohe Drehzahl, einen breiten Betriebsdrehzahlbereich, eine hohe Steifigkeit, eine niedrige Temperatur und eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen. Die Einflussfaktoren, ob eine Spindel die obigen Eigenschaften aufweist, sind sehr kompliziert. Es ist nicht zu bestreiten, dass der als Kraftquelle zur Drehung der Spindel dienende Spindelmotor offensichtlich eine wichtige Rolle spielt.
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Im Vergleich zu Induktionsmotoren weisen Permanentmagnetmotoren einen breiteren Drehzahlbereich (constant power speed ratio, CPSR; Verhältnis von Leistung zu Drehzahl), eine bessere Effizienz und ein hohes Ausgangsdrehmoment bei niedrigen Drehzahlen auf, wodurch die von einem Permanentmagnetmotor angetriebene Spindel besser für unter Verwendung von Werkzeugmaschinen ausgeführte Präzisionsbearbeitungen mit Hochgeschwindigkeit geeignet ist. Die Drehmomenteigenschaften eines Motors haben einen großen Einfluss auf den Zustand der Spindeldrehung. Beispielsweise wird das durch Bearbeitung einer Werkzeugmaschine entstandene Muster durch die Größe der Restwelligkeit beeinflusst. Wie stark mit einer Werkzeugmaschine ein schwerer Schnitt ausgeführt werden kann, wird durch die Größe des Drehmoments beeinflusst. Die Bearbeitungseffizienz einer Werkzeugmaschine wird durch die Drehzahl beeinflusst. All diese durch unterschiedliche Ausgabeeigenschaften der Motoren hervorgerufenen Unterschiede sind in der Werkzeugmaschinenindustrie deutlich sichtbar und haben starke Auswirkungen auf die Eigenschaften der Spindeldrehung. Zwar gibt es nur wenige Unterschiede zwischen den verschiedenen Motoren, jedoch ergeben sich durch diese geringfügigen Unterschiede bei der Anwendung der Werkzeugmaschinen signifikante Unterschiede.
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Aufgabe der Erfindung
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Es ist die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Permanentmagnet-Spindelmotor bereitzustellen, durch den der Drehzahlbereich erhöht werden kann, um die Arbeitseffizienz von Werkzeugmaschinen zu verbessern.
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Zur Lösung der obigen Aufgabe weisen beim erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Spindelmotor die mehreren im Rotor befindlichen Magnetgruppen eine spezielle räumliche Form auf, wodurch eine Konzentration des Magnetflusses zum Erhöhen der Drehzahl erzielt wird. Hierbei umfasst jede Magnetgruppe jeweils zwei erste Magneten, die um den als Spiegelachse dienenden Durchmesser der rohrförmigen Drehwelle des Rotors gespiegelt und somit in der Drehwelle angeordnet sind, wobei zwei lochförmige Räume für die magnetische Barriere jeweils durch die Drehwelle hindurchgehen und sich jeweils zwischen der Außenumfangsfläche der Drehwelle und dem jeweiligen ersten Magneten befinden und jeweils nahe dem von der jeweiligen Spiegelachse entferntesten Ende des jeweiligen ersten Magneten angeordnet sind und jeweils entlang der axialen Richtung der Drehwelle durch die zwei axialen Enden der Drehwelle hindurchgehen.
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Bei jeder Magnetgruppe weist der Querschnitt des jeweiligen ersten Magneten entlang der axialen Richtung der Drehwelle eine Streifenform auf, wobei ein spitzer Winkel zwischen der Längsachse und der jeweiligen Spiegelachse in Richtung zur Mitte der Drehwelle vorliegt.
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Hierbei umfasst jede Magnetgruppe ferner einen zweiten Magneten, der zwischen den jeweiligen ersten Magneten angeordnet und in die Drehwelle eingebettet ist.
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Bei jeder Magnetgruppe korrespondiert die Mitte des jeweiligen zweiten Magneten mit der jeweiligen Spiegelachse, wobei die Länge des jeweiligen zweiten Magneten kürzer als die des jeweiligen ersten Magneten ist.
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Hierbei liegt das Verhältnis des Innendurchmessers zum Außendurchmesser der Drehwelle im Bereich von 0,6 zu 1 bis 0,8 zu 1, sodass der Spindelmotor eine Werkzeugmaschinenspindel mit großem Durchmesser antreiben kann.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische Draufsicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 2 zeigt eine perspektivische Ansicht der Magnetgruppen und des Rotors des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 3 zeigt eine Teildraufsicht des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 4A zeigt ein Magnetfelddiagramm des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- 4B zeigt ein Magnetfelddiagramm eines zum Vergleich dienenden Perma nentmagnetmotors;
- 5 zeigt ein Kreisdiagramm der vorliegenden Erfindung und des zum Vergleich dienenden Permanentmagnetmotors.
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Detaillierte Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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Es wird auf die 1 bis 3 Bezug genommen. Der in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bereitgestellte Permanentmagnet-Spindelmotor (10) umfasst primär einen Stator (20), einen Rotor (30) und mehrere Magnetgruppen (40).
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Der Stator (20) weist einen ringförmigen Statorkörperabschnitt (21) auf, wobei mehrere Statorausnehmungen (22) jeweils radial aus der Innenumfangsfläche des Statorkörperabschnitts (21) ausgespart sind und als Aufnahmeräume für Spulenwicklungen dienen, wobei die Spulenwicklungen vorzugsweise verteilte Wicklungen sind.
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Der Rotor (30) weist eine Drehwelle (31) und Aufnahmeräume (32), deren Anzahl der Anzahl der Magnetgruppen entspricht, auf. Die Drehwelle (31) hat eine gerade rohrförmige Form. Die Größe ihres Innendurchmessers liegt im Bereich zwischen dem 0,6- und 0,8-fachen der Größe des Außendurchmessers, sodass die Dicke der Rohrwand kleiner als der Radius des Rohrlochs ist. Alle Aufnahmeräume (32) weisen jeweils eine einzelne Lochform auf und sind entlang des Umfangs der Drehwelle (31) nacheinander gleich beabstandet angeordnet und gehen jeweils linear durch die zwei axialen Enden der Drehwelle (31) hindurch und haben jeweils eine Streifenform, die in der mit der Drehwelle (31) korrespondierenden radialen Richtung gebogen ist.
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Jede Magnetgruppe (40) weist jeweils zwei erste Magneten (41), einen zweiten Magneten (42) und zwei Räume für die magnetische Barriere (43) auf, wobei die jeweiligen ersten Magneten (41) und der jeweilige zweite Magnet (42) jeweils in einen entsprechenden Aufnahmeraum (32) eingesetzt und in die Drehwelle (31) eingebettet sind. Ferner sind in der jeweiligen Magnetgruppe (40) die ersten Magneten (41) um den als Spiegelachse (L1) dienenden Durchmesser der Drehwelle (31) gespiegelt angeordnet und somit in der Drehwelle (31) eingebettet, wobei die nächsten Enden (411) der jeweiligen ersten Magneten (41), die sich nahe der jeweiligen Spiegelachse (L1) befinden, voneinander beabstandet angeordnet sind. Der jeweilige zweite Magnet (42) befindet sich zwischen den jeweiligen ersten Magneten (41) und ist in die Drehwelle (31) eingebettet, wobei die Mitte des jeweiligen zweiten Magneten (42) auf der jeweiligen Spiegelachse (L1) liegt. Hierbei liegt ferner in Richtung zur Mitte der Drehwelle (31) ein spitzer Winkel (α) zwischen der mit dem radialen Querschnitt der Drehwelle (31) korrespondierenden Längsachse (L2) der Streifenform des jeweiligen ersten Magneten (41) und der jeweiligen Spiegelachse (L1) vor, wobei die mit dem radialen Querschnitt der Drehwelle (31) korrespondierende Längsachse (L3) der Streifenform des jeweiligen zweiten Magneten (42) senkrecht zur jeweiligen Spiegelachse (L1) ist, wobei die Länge des jeweiligen zweiten Magneten (42) kleiner als die Länge des jeweiligen ersten Magneten (41) ist. Alle Räume für die magnetische Barriere (43) weisen jeweils eine Lochform auf und gehen jeweils entlang der axialen Richtung der Drehwelle (31) durch die zwei axialen Enden der Drehwelle (31) hindurch und sind nahe dem von der jeweiligen Spiegelachse (L1) entferntesten Ende (412) des jeweiligen ersten Magneten (41) in Längsachsenrichtung angeordnet und befinden sich jeweils zwischen dem jeweiligen ersten Magneten (41) und der Außenumfangsfläche der Drehwelle (31).
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Bei den obigen Bauteilen ist der Rotor (30) in den Stator (20) eingesetzt. Dadurch, dass der Außendurchmesser der Drehwelle (31) kleiner als der Innendurchmesser des Statorkörperabschnitts (21) ist, ist ein ringförmiger Luftspalt zwischen der Außenumfangsfläche der Drehwelle (31) und der Innenumfangsfläche des Statorkörperabschnitts (21) gebildet. Gleichzeitig beträgt bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ferner die Anzahl der innerhalb des Winkelbereichs einer jeweiligen Magnetgruppe (40) befindlichen Statorausnehmungen sechs. D. h. die Anzahl der jeweiligen Statorausnehmungen (22) beträgt das 6-fache der Anzahl der jeweiligen Magnetgruppe (40). Die Anzahl dient jedoch nur zum Zwecke der Veranschaulichung und nicht als Einschränkung der vorliegenden Erfindung. Zum Beispiel kann das oben erwähnte 6-fache auf das 6-fache bis 10-fache usw. geändert werden, was nur einfache Änderungen der vorliegenden Erfindung darstellt.
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In Bezug auf die vorteilhaften Effekte ist eines der technischen Hauptmerkmale des Permanentmagnet-Spindelmotors (10) der Effekt, der durch die Räume für die magnetische Barriere (43) hinsichtlich der Konzentration des Magnetflusses bereitgestellt wird. Diesbezüglich wird auf 4A, die ein Magnetfelddiagramm des Permanentmagnet-Spindelmotors (10) zeigt, und auf 4B, die ein Magnetfelddiagramm eines keine Räume für die magnetische Barriere aufweisenden, zum Vergleich dienenden Spindelmotors zeigt, Bezug genommen. Aus den Unterschieden, die aus den Magnetfeldlinien abzulesen sind, ist ersichtlich, dass beim Permanentmagnet-Spindelmotor (10) der Effekt der Konzentration des Magnetflusses vorliegt und zum Erfüllen der an die Spindel gestellten Anforderungen ein höheres Drehmoment und eine höhere Drehzahl bereitgestellt werden kann. Ferner ist aus dem Kreisdiagramm von 5 ersichtlich, dass der Betriebsdrehzahlbereich (C1) des Permanentmagnet-Spindelmotors (10) größer als der Drehzahlbereich (C2) des in 4B gezeigten, zum Vergleich dienenden Spindelmotors ist. Es ist offensichtlich, dass mit dem erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Spindelmotor die spezifischen vorteilhaften Effekte einer Erhöhung des Drehmoments und einer hohen Drehzahl erzielt werden, was genau den an die Spindel der Werkzeugmaschine gestellten Anforderungen entspricht, sodass die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellte Technik besonders für Spindelmotoren geeignet ist.
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Ferner ist zu erwähnen, dass bei dem obigen Ausführungsbeispiel die jeweilige Magnetgruppe zusätzlich zu den jeweiligen ersten Magneten einen zweiten Magneten aufweist, jedoch kann in der industriellen Anwendung der jeweilige zweite Magnet weggelassen werden. Wenn die jeweilige Magnetgruppe keinen zweiten Magneten aufweist, ist der dadurch erzielte Effekt nicht wesentlich anders als der vorherige. Wenn die jeweilige Magnetgruppe keinen zweiten Magneten aufweist, kann der Abstand zwischen den nächsten Enden der jeweiligen zueinander gespiegelten ersten Magneten zur effektiven Ausnutzung des begrenzten Volumens der Drehwelle verkürzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- (10)
- Permanentmagnet-Spindelmotor
- (20)
- Stator
- (21)
- Statorkörperabschnitt
- (22)
- Statorausnehmung
- (30)
- Rotor
- (31)
- Drehwelle
- (32)
- Aufnahmeraum
- (40)
- Magnetgruppe
- (41)
- erster Magnet
- (411)
- nächstes Ende
- (412)
- entferntestes Ende
- (42)
- zweiter Magnet
- (43)
- Raum für die magnetische Barriere
- (L1)
- Spiegelachse
- (L2)
- Längsachse des ersten Magneten
- (L3)
- Längsachse des zweiten Magneten
- (α)
- Winkel zwischen der Längsachse des ersten Magneten und der Spiegelachse
- (C1)
- Drehzahlbereich des vorliegenden Ausführungsbeispiels
- (C2)
- Drehzahlbereich der Kontrollgruppe
