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Dokumentenidentifikation DE102004045493C5 04.09.2008
Titel Elektrische Maschine
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Eberlein, Werner, Dr., 91054 Erlangen, DE;
Lazouski, Valery, Minsk, BY;
Recker, Klaus, 92318 Neumarkt, DE;
Sidaruk, Siarhei, Dr., Minsk, BY;
Zharski, Vladimir, Dr., Minsk, BY
DE-Anmeldedatum 20.09.2004
DE-Aktenzeichen 102004045493
Offenlegungstag 20.04.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 08.03.2007
Date of publication of amended patent 04.09.2008
Veröffentlichungstag im Patentblatt 04.09.2008
IPC-Hauptklasse B29C 45/48(2006.01)A, F, I, 20060102, B, H, DE
IPC-Nebenklasse B29C 45/50(2006.01)A, L, I, 20060102, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, welche insbesondere als Antrieb für eine Spritzgießmaschine vorgesehen ist. Die elektrische Maschine ist derart ausgebildet, dass mittels dieser sowohl eine Hubbewegung als auch eine Drehbewegung ausführbar ist. Hierfür weist die elektrische Maschine zumindest zwei elektrische Motoren auf. Die elektrischen Motoren sind zueinander koaxial angeordnet.

Stand der Technik

Eine derartige elektrische Maschine ist aus der DE 43 44 335 A1 bekannt. Deren Einsatz erfolgt beispielsweise bei einer Spritzgießmaschine, wobei eine derartige Spritzgießmaschine z. B. aus der EP 0 204 002 B1 bekannt ist.

An eine elektrische Maschine können verschiedene Anforderungen gestellt werden. Eine Anforderung ist beispielsweise ein kompakter Aufbau, der insbesondere auch bei Spritzgießmaschinen von Bedeutung ist, da diese auch immer kompakter gebaut werden. Eine andere Anforderung an elektrische Maschinen ist beispielsweise ein einfacher Aufbau. Hierdurch lassen sich beispielsweise Fertigungskosten reduzieren.

Aufgabenstellung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Maschine derart auszubilden, dass ein kompakter und/oder einfacher Aufbau dieser elektrischen Maschine möglich ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einer elektrischen Maschine gelöst, welche die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 12 sind weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen der elektrischen Maschine.

Um die bekannte elektrische Maschine, insbesondere für eine Spritzgießmaschine, mit zwei koaxial angeordneten Halbwellenmotoren kompakter aufbauen zu können, weist die erfindungsgemäße elektrische Maschine als ersten Hohlwellenmotor einen Innenläufer-Motor und als zweiten Hohlwellenmotor einen Außenläufer-Motor auf, wobei der Innendurchmesser des Außenläufer-Motors größer ist als der Außendurchmesser des Innenläufer-Motor. Dadurch können diese beiden Motoren derart koaxial zueinander angeordnet werden, dass der Außenläufer-Motor den Innenläufermotor wenigstens teilweise überlappt. Dadurch reduziert sich die axiale Ausdehnung der elektrischen Maschine wesentlich, wodurch diese elektrische Maschine kompakter ist. Außerdem ist der Läufer des Innenlaüfer-Motors mit der Gewindespindel direkt verbunden.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist der Läufer des Außenläufer-Motors mittels eines Lineargetriebes mit der Gewindemutter verbunden. Dadurch entfällt eine Ausnehmung in der Gewindespindel wie bei der bekannten elektrischen Maschine, in der ein angetriebener Antriebszapfen einführbar ist. Durch diese Zuteilung der beiden Läufer der beiden Motoren zu Teilen eines Gewindetriebes kann eine Standardspindel verwendet werden, wodurch der Aufbau der elektrischen Maschine einfacher wird.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der elektrischen Maschine nach der Erfindung ist eine Antriebswelle derart als Hohlrohr ausgebildet, dass diese auf die Gewindemutter gesteckt werden kann. Außerdem kann dadurch die Gewindespindel in dieses Hohlrohr hineinragen, wodurch diese Ausgestaltung einen Beitrag zur Kompaktheit der elektrischen Maschine leistet.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der elektrischen Maschine ist zwischen dem Innenläufer-Motor und dem Außenläufer-Motor eine Kühleinrichtung derart angeordnet, dass diese jeweils mit einem Ständer des Innenläufer- und Außenläufer-Motors thermisch leitend verbunden sind. Dadurch wird mit einer Kühleinrichtung beide Motoren der elektrischen Maschine gekühlt, womit ein weiterer Beitrag zur Kompaktheit geleistet wird.

Die gemeinsame Kühleinrichtung ist beispielsweise wendelartig strukturiert, wobei beispielsweise Kühlschlangen, welche mit Kühlluft bzw. einer Kühlflüssigkeit beschickbar sind, an einer zylindrischen äußeren Seite des ersten Ständers verlaufen und gleichzeitig an einer inneren zylindrischen Seite des zweiten Ständers verlaufen, wobei der zweite elektrische Ständer, beispielsweise der Ständer eines Außenläufermotors ist. Durch die Verwendung einer Kühleinrichtung zur Kühlung zweier elektrischer Motoren ist eine verbesserte Kompaktheit der elektrischen Maschine erzielbar.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der zweite elektrische Motor mittels eines Linearlagers mit dem Gewindetriebmittel verbunden. Auf diese Weise ist das Gewindetriebmittel sowohl linear wie auch rotatorisch bewegbar.

Vorteilhaft ist es des Weiteren, wenn das Linearlager zumindest drei winkelsymmetrisch angeordnete Linearführungen aufweist. Jede der Linearführungen weist beispielsweise eine Schiene und einen Laufwagen auf, wobei der Laufwagen eine Kugelkette (bzw. eine Kugelumlaufkette) aufweist. Linearlager können auch derart ausgebildet sein, dass diese ein Gleitlager, Wälzlager oder auch Kugellager aufweisen.

Um die elektrische Maschine regeln zu können, weist sowohl der erste elektrische Motor als auch der zweite elektrische Motor zumindest einen Lagegeber auf. Die Lagegeber dienen einer Positionsregelung beider elektrischer Motoren, wobei die Lagegeber insbesondere zwischen dem Ständer und dem Läufer positioniert sind.

Zur Regelung der elektrischen Maschine ist ein Regelungssystem vorgesehen. Das Regelungssystem ist derart ausgebildet, dass der erste elektrische Motor auf eine Winkeldifferenz zwischen einen erforderlichen Drehwinkel einer Antriebswelle und/oder auf einen Hub geregelt ist, wobei der Hub mittels der Spindelsteigung und dem Drehwinkel berechenbar ist. Der zweite elektrische Motor ist mittels des Regelsystems, beispielsweise auf den Drehwinkel der Antriebswelle regelbar.

Unter der Regelung des Drehwinkels ist beispielsweise eine Geschwindigkeitsregelung und/oder eine Positionsregelung einer rotatorischen Bewegung zu verstehen.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Einspritzeinrichtung für eine Spritzgießmaschine, welche eine Vortriebsschnecke aufweist und die elektrische Maschine in einer der obig beschriebenen Ausgestaltungen zum Antreiben der Vortriebsschnecke vorgesehen ist.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher erläutert. Dabei zeigt:

1 den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine und

2 den prinzipiellen Aufbau einer Spritzgießmaschine und

3 die Darstellung einer elektrischen Maschine.

Die Darstellung gemäß 1 zeigt eine elektrische Maschine 1. Die elektrische Maschine 1 weist einen ersten elektrischen Motor 3 und einen zweiten elektrischen Motor 9 auf. Der erste elektrische Motor 3 weist einen ersten Ständer 5 und einen ersten Läufer 7 auf. Der erste Läufer 7 weist Permanentmagnete 8 auf. Der zweite elektrische Motor 9 weist einen zweiten Ständer 11 und einen zweiten Läufer 13 auf. Der zweite Läufer 13 weist Permanentmagnete 14 auf.

Mittels der elektrischen Maschine 1 sind rotatorische wie auch Linearbewegungen durchführbar. Zur Durchführung linearer Bewegungen ist eine Gewindespindel 17 vorgesehen. Auf der Gewindespindel 17 sitzt eine Gewindemutter 19. Die Lagerung erfolgt beispielsweise über Kugeln so dass eine Gewinderollenspindel vorliegt. Die Kugeln sind in der 1 jedoch nicht dargestellt. Mittels der elektrischen Maschine ist sowohl eine Linearbewegung als auch eine Drehbewegung (also eine rotatorische Bewegung) erzeugbar, so dass die elektrische Maschine einen Hubdrehantrieb darstellt. Der erste elektrische Motor 3 und der zweite elektrische Motor 9 sind Hohlwellenelektromotoren. Die elektrischen Motoren 3, 9 sind koaxial zu einer Antriebswelle 23 angeordnet. Die Antriebswelle – insbesondere eine Achse der Antriebswelle) – kann auch mit den Achsen 10 der elektrischen Motoren 3, 9 fluchtend positioniert sein. Bei einer fluchtenden Anordnung von Teilen gibt es Teile die sich nicht überlappen, jedoch in Ihrer Positionierung zueinander eine Flucht ausbilden. Fluchtend angeordnete Teile sind hintereinander angeordnet.

Zur Realisierung eines kompakten Aufbaus der elektrischen Maschine 1 sind die elektrischen Motoren 3, 9 ineinander verschachtelt angeordnet. Der Ständer 5 des ersten elektrischen Motors 3 und der Ständer 11 des zweiten elektrischen Motors 9 sind an einem Maschinengehäuse 15 befestigt. Der Läufer 7 des ersten elektrischen Motors 3 und der Läufer 13 des zweiten elektrischen Motors 9 sind am Maschinengehäuse 15 gelagert, wobei die Lagerung auch beispielsweise mittels eines am Maschinengehäuse 15 angebrachten Elementes wie z. B. eines Ständers 5, 11 erfolgt. Der Läufer 7 des ersten elektrischen Motors und der Läufer 13 des zweiten elektrischen Motors 9 ist mit einem Kugelgewindetrieb verbunden. Der Kugelgewindetrieb weist zumindest die Gewindespindel 17 und die Gewindemutter 19 auf. Der Läufer 7 des ersten elektrischen Motors 3 ist mit der Gewindespindel 17 fest verbunden. Der Läufer 13 des zweiten elektrischen Motors 9 ist mit der Gewindemutter 19 des Kugelgewindetriebes über ein Linearlager 21 verbunden. Das Linearlager 21 weist beispielsweise Linearführungen mit einer Kugelkette auf. Die Gewindemutter 19 ist mit der Antriebswelle 23 fest verbunden.

Die Darstellung gemäß 1 zeigt des Weiteren einen Laufwagen 27 und eine Laufschiene 29 des Linearlagers 21. Das Linearlager 21 ist mit einer Antriebswelle 23 verbunden. Die Antriebswelle 23 ist als Hohlrohr ausgeführt. Durch den Hohlraum des Hohlrohrs ergibt sich eine Freilassung in Form eines ringförmigen Hohlraumes für den Eintritt der Gewindespindel 17. Die Laufwägen 27 des Linearlagers 21, welches als Linearführung ausgebildet ist, sind zum Läufer 13 des zweiten elektrischen Motors 9 über die Laufschienen 29 der Linearführung zur Antriebswelle 23 befestigt. Die Linearführung weist beispielsweise drei Laufwägen 27 bzw. drei Laufschienen 29 auf. Durch die Anzahl von drei Laufschienen 29 ist in einfacher Weise die lineare Bewegung der Antriebswelle 23 sicherzustellen.

Der Läufer 7 des ersten elektrischen Motors 3 ist mittels eines Axiallagers 31 und eines Radiallagers 33 am Maschinengehäuse 15 gelagert. Der Läufer 13 des zweiten elektrischen Motors 9 ist mittels eines Radiallagers 35 am Maschinengehäuse 15 gelagert.

Gemäß 1 bildet sich durch die Positionierung des ersten elektrischen Motors 3 zum zweiten elektrischen Motor 9 ein Bereich 60 gleicher axialer Position aus. Die Achsen 10 der beiden elektrischen Motoren fallen dabei zusammen. Der Bereich 60 gleicher axialer Position betrifft insbesondere einen Bereich in dem der erste Läufer 7 zumindest teilweise die gleiche axiale Position aufweist, wie der zweite Läufer 13. Der erste elektrische Motor 3 weist die gleiche Achse 10 wie der zweite elektrische Motor 9 auf.

Zwischen dem Ständer 5 und dem Ständer 11 ist eine Kühleinrichtung 25 positioniert. Die Kühleinrichtung 25 weist ein Formteil 24 und ein Formteil 28 auf, wobei mittels der Formteile die Kühlkanäle 26 ausgebildet sind. Die Kühlkanäle 26 sind beispielsweise zur Führung eines Kühlluftstromes bzw. einer Kühlflüssigkeit vorgesehen.

Sowohl der erste elektrische Motor 3 als auch der zweite elektrische Motor 9 sind beispielsweise als permanenterregte Drehstromsynchronmotoren mit Wicklungen in den Ständern 5 und 11 ausführbar. Die Läufer 7 und 13 weisen Permanentmagnete 8 auf. Die Drehstromsynchronmotoren 3, 9 zeichnen sich durch eine hohe Drehmomentdichte aus. Durch die Verwendung einer Hohlwelle kann für eine kompakte Bauweise der elektrischen Maschine gesorgt werden.

Zur Regelung der elektrischen Maschine 1 sind für die elektrischen Motoren 3, 5 Lagegeber vorgesehen. Ein Lagegeber 37 ist zur Bestimmung der Lageposition des ersten elektrischen Motors 3 vorgesehen und ein Lagegeber 39 ist zur Positionsbestimmung des zweiten elektrischen Motors 9 vorgesehen. Mittels der Lagegeber sind die elektrischen Motor 3, 9 in ihrer Position bzw. Geschwindigkeit regelbar. Der erste elektrische Motor 3 wird beispielsweise auf eine Winkeldifferenz &phgr;1 zwischen dem erforderlichen Drehwinkel &phgr; der Antriebswelle 11 und dem durch Spindelsteigung h zum Drehwinkel umgerechneten erforderlichen Hub X geregelt.

Der zweite Motor 2 wird auf den erforderlichen Drehwinkel &phgr; der Antriebswelle 11 geregelt.

Die Winkel-Sollwerte &phgr;1 für den ersten Motor 1 und &phgr;2 für den zweiten Motor 2 werden wie folgt berechnet: &phgr;1 = &phgr; – 360·X/h &phgr;2 = &phgr; wobei:

&phgr;
Winkel-Sollwert für die Antriebswelle in Grad
X
Hub-sollwert für Antriebswelle in Meter
&phgr;1
Winkelsollwert für den ersten Motor in Grad
&phgr;2
Winkelsollwert für den zweiten Motor in Grad
h
Spindelsteigung für Kugelgewindetrieb in Meter

Die Drehmomente M1 für den ersten Motor 1 und M2 für den zweiten Motor 2 werden wie folgt berechnet: M1 = –F·h/(2&pgr;) M2 = M – M1 wobei:

F
Kraft-Sollwert an der Antriebswelle in N
M
Drehmoment-Sollwert an der Antriebswelle in Nm
M1
Drehmoment für den ersten Motor in Nm
M2
Drehmoment für den zweiten Motor in Nm
H
Spindelsteigung für Kugelgewindetrieb in Meter

Infolge der festen Verbindung der Antriebswelle mit der Gewindemutter, und nicht mit der Gewindespindel, wie es bei der bekannten Lösung der Fall ist, wird die Gewindespindel vereinfacht, weil diese keine interne Linearlager mehr benötigt und mit einer Standardspindel ausgeführt werden kann. Infolge des Einbaus der beiden Motoren ineinander, und nicht nebeneinander, erreicht man eine sehr kompakte Bauweise, wobei damit die Gesamtlänge des Antriebs reduzierbar ist. Dank der Ausführung des ersten Motors 3 als Innenläufer-Motor und des zweiten Motors 9 als Außenläufer-Motor und dem Einbau eines Wasserkühlers 25 zwischen den Ständern 5, 11 beider Motoren wird zusätzlich Einbauraum für Wasserkühler 25 gespart, weil ein Kühler beide Motoren 3, 9 kühlt.

Die Darstellung gemäß 2 zeigt schematisch eine Kunststoffspritzgießmaschine 1, welche eine Einspritzeinrichtung 64 aufweist. Innerhalb eines Schneckengehäuses 53 ist eine Vortriebsschnecke 49 angeordnet. Die Vortriebsschnecke 49 ist beispielsweise an die Antriebswelle 23 gekoppelt. Die Antriebswelle 23 ist mittels der elektrischen Maschine 1 antreibbar. Die Regelung der elektrischen Maschine erfolgt mittels des Regelungssystems 41. Bei der Kunststoffspritzgießmaschine 55 wird ein Kunststoffgranulat, welches der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt ist, in einen Trichter 41 eingefüllt und gelangt über eine Öffnung in das Schneckengehäuse 53. Die Vortriebsschnecke 49, die schraubenförmig ausgebildet ist, wird durch die elektrische Maschine 1 angetrieben und fördert das Kunststoffgranulat in den Vortriebsschneckenraum 51. Entlang dem Schneckengehäuse 53 befinden sich in Achsrichtung üblicherweise Heizstrecken die dazu beitragen, dass das Kunststoffgranulat dem Vortriebsschneckenvorraum 51 in plastifizierter Form vorliegt. Die Heizstrecken sind in der vereinfachten Darstellung der Kunststoffspritzgießmaschine 55 gemäß 2 nicht dargestellt. Das plastifizierte und fließfähige Kunststoffmaterial wird aus einer düsenförmigen Öffnung des Schneckengehäuses 53 in ein Kunststoffspritzgießform eingebracht. Die Kunststoffspritzgießform weist beispielsweise zwei Formteile 45 und 47 auf. Das fließfähige plastifizierte Kunststoffmaterial erstarrt in der Kunststoffspritzgießform und kann nach dem Spritzvorgang durch das Auseinanderbewegen der Formteile 45 und 47 aus der Form gelöst werden.

Die Darstellung gemäß 3 zeigt eine elektrische Maschine 1 in perspektivischer Darstellung, wobei die entsprechenden Bezugszeichen gemäß der 1 und 2 verwendet sind. Die Darstellung zeigt die Antriebswelle 23 und eine Laufschiene 29. Ferner sind die möglichen Bewegungsrichtungen 66 und 68 in einer rotatorischen Richtung 68 und einer linearen Richtung 66 gezeigt. Das Maschinengehäuse 15 kann dabei als ortsfest betrachtet werden.


Anspruch[de]
Elektrische Maschine (1), insbesondere für eine Spritzgießmaschine, mit einem ersten elektrischen Hohlwellen-Motor (3) zur Ausführung einer Linearbewegung und mit einem zweiten elektrischen Hohlwellen-Motor (9) zur Ausführung einer Drehbewegung, wobei jeweils ein Läufer (7, 13) dieser Hohlwellen-Motoren (3, 9) mit einer Gewindespindel (17) oder einer Gewindemutter (19) verbunden sind und wobei diese beiden Hohlwellen-Motoren (3, 9) zueinander koaxial angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass als erster Hohlwellen-Motor (3) ein Innenläufer-Motor und als zweiter Hohlwellen-Motor (9) ein Außenläufer-Motor vorgesehen sind, dass der Innendurchmesser des Außenläufer-Motors (9) größer ist als der Außendurchmesser des Innenläufer-Motors (3), dass diese beiden Motoren (3, 9) derart koaxial zueinander angeordnet sind, dass der Außenläufer-Motor (9) den Innenläufer-Motor (3) wenigstens teilweise überlappt und dass der Läufer (7) des Innenläufer-Motors (3) mit der Gewindespindel (17) direkt verbunden ist. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (13) des Außenläufer-Motors (9) mittels eines Linearlagers (21) mit der Gewindemutter (19) verbunden ist. Elektrische Maschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antriebswelle (23) mit der Gewindemutter (19) verbunden ist. Elektrische Maschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Innenläufer-Motor (3) und dem Außenläufer-Motor (9) eine Kühleinrichtung (25) derart angeordnet ist, dass diese jeweils mit einem Ständer (5, 11) des Innenläufer- und Außenläufer-Motors (3, 9) thermisch leitend verbunden sind. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass diese Kühleinrichtung (25) zwei Formteile (24, 28) aufweist, die mehrere Kühlkanäle (26) ausbilden. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (23) derart als Hohlrohr ausgebildet ist, dass diese die Gewindemutter (19) umfasst. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Linearlager (21) wenigstens drei Laufwägen (27) und dazu korrespondierende Laufschienen (29) umfasst. Elektrische Maschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschienen (29) auf dem Umfang der Antriebswelle (23) verteilt angeordnet und mit dieser mechanisch verbunden sind. Elektrische Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufwägen (27) auf dem Innen-Umfang des Läufers (13) des Außenläufer-Motors (9) verteilt angeordnet und mit diesem mechanisch verbunden sind. Elektrische Maschinen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenläufer- und der Außenläufer-Motor (3, 9) derart mit einem Maschinengehäuse (15) befestigt sind, dass deren Läufer (7, 13) am Maschinengehäuse (15) gelagert sind. Elektrische Maschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenläufer-Motor (3) und der Außenläufer-Motor (9) jeweils als permanent erregter Drehstrommotor ausgebildet sind. Elektrische Maschine nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass deren Antriebswelle (23) mit einer Vortriebsschnecke (49) einer Kunststoffspritzgießmaschine (55) mechanisch gekoppelt ist.






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