-
Die Erfindung betrifft einen Pressenantrieb, insbesondere für Großteil-Stufenpressen.
-
Großteil-Stufenpressen werden üblicherweise über ein Exzentergetriebe angetrieben. Dieses enthält meist mehrere oberhalb des Stößels angeordnete Exzenter mit zueinander parallelen Drehachsen. Auf den Exzentern sitzen Pleuel, die mit dem Stößel verbunden sind.
-
Während die Exzenter klassischerweise über Zahnräder von einem zentralen Pressenantrieb her angetrieben werden, ist es auch schon vorgeschlagen worden, die Exzenter durch Servomotoren anzutreiben. Ein solches Prinzip veranschaulicht die
DE 41 09 796 C2 .
-
Darüber hinaus ist es aus der
DE 10 2004 009 256 B4 bekannt, die Exzenter einer Großteil-Stufenpresse jeweils mittels mehrerer Servomotoren anzutreiben, die ein mit der Außenverzahnung des Exzenters kämmendes Antriebsritzel aufweisen.
-
Die
DE 10 2006 046 694 A1 beschreibt ein Antriebssystem mit einem Hohlwellenmotor und einem Planetengetriebe. Am Sonnenrad des Planetengetriebes ist eine Welle angeordnet, mit deren Hilfe der Exzenter einer Presse angetrieben werden kann. Auch
WO 2004/056559 A1 beschreibt die Möglichkeit, einen Exzenter mit Hilfe einer Welle direkt von einem Torquemotor anzutreiben.
-
DE 199 16 369 A1 offenbart eine Maschine zum Stanzen, Biegen und/oder Montieren von Blechteilen. Ein Schlitten ist von einem programmgesteuerten Synchronmotor angetrieben. Zwischen Motor und Schlitten ist ein Getriebe vorgesehen. Der Rotor kann eine Antriebswelle antreiben, mit der ein Exzenter zum Antrieb eines Pleuels verbunden ist. Eine vergleichbare Anordnung ergibt sich auch aus
EP 1 541 330 A1 .
-
Es ist Aufgabe der Erfindung, die mechanische Komplexität einer Presse zu verringern, wobei gleichzeitig eine hohe Leistungsfähigkeit erreicht werden soll.
-
Diese Aufgabe wird mit dem Pressenantrieb nach Anspruch 1 gelöst:
Der erfindungsgemäße Pressenantrieb umfasst mindestens einen oder auch mehrere Elektromotoren, die jeweils einen Stator und einen Rotor aufweisen. Stator und Rotor sind konzentrisch zueinander angeordnet. Vorzugsweise ist der Rotor an seinem teilweise oder ganz zylindrisch ausgebildeten Außenumfang mit Permanentmagneten versehen, während der Stator vorzugsweise die erforderlichen Spulen und Flussleitelemente enthält. Erfindungsgemäß ist der Exzenter als Bestandteil des Rotors ausgebildet und mit diesem gemeinsam drehbar gelagert. Der Rotor und mindestens ein unmittelbar anschließender Exzenter bilden somit ein einziges starres Bauteil, das hinsichtlich der erforderlichen Steifigkeit bei geringem Materialaufwand optimal ausgelegt werden kann. Eine Kraftübertragung über Wellen, Kupplungen, Zahnrädern oder sonstige Zwischenglieder findet nicht statt. Dadurch ergibt sich nicht nur eine einfache Gußform mit geringer Komplexität, sondern darüber hinaus eine hohe Präzision hinsichtlich der Positionierung des Exzenters und somit letztendlich auch hinsichtlich der Stößelpositionierung.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Rotor an seinem Außenumfang mit Permanentmagneten derart versehen, dass diese entlang des gesamten Umfangs eine ununterbrochene Reihe bilden. Alternativ kann es zumindest bei geringeren Presskräften auch genügen, lediglich einen Teil des Umfangs, beispielsweise lediglich 120° oder 180° mit Permanentmagneten zu versehen. Ebenso erstrecken sich die Erregerspulen, zumindest vorzugsweise, um den gesamten Umfang des Rotors herum. Es kann jedoch in bestimmten Fällen auch genügen, wenn sich die Statorspulen, die das antreibende Feld erzeugen, lediglich um einen Teil des Umfangs des Stators oder Rotors herum erstrecken. Dies ist insbesondere deswegen möglich, weil es bei allen Ausführungsformen bevorzugt wird, den Rotor und somit auch den Exzenter nicht fortwährend in gleichem Richtungssinne rotieren zu lassen. Vielmehr wird bevorzugt, dem Rotor eine hin und her drehende kontrollierte Bewegung zu erteilen, mit der der gewünschte Pressenhub und der gewünschte Weg-Zeitverlauf der Stößelbewegung erreicht werden. Weil es viele Anwendungsfälle gibt, bei denen der Stößel entlang seines Weges sehr verschiedene Kräfte aufbringen muss, kann es zweckmäßig sein, lediglich für solche Drehpositionen des Rotors, in denen hohe Antriebsdrehmomente erforderlich sind, entsprechende Permanentmagnete und Antriebsspulen vorzusehen, während in anderen Bereichen sehr viel weniger oder schwächere Antriebsspulen und Permanentmagnete wirksam sind.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Rotor an seinen zwei einander entgegen gesetzten Stirnseiten mit Exzentern versehen. Dies ergibt eine symmetrische Kraftübertragung zu dem Stößel hin und symmetrische Lagerreaktionskräfte an der Rotorlagerung. Das Konzept eignet sich zum Aufbau steifer, leistungsfähiger Pressen.
-
Vorzugsweise ist der Rotor-Exzenter-Körper ein Gussteil, beispielsweise aus Grauguss. Es umfasst mindestens einen, vorzugsweise zwei Exzenter, die zueinander koaxial angeordnet sind. Im Weiteren bildet das Gussteil einen vorzugsweise außen wenigstens abschnittsweise zylindrischen Rotorstützkörper, dessen Achse gegen die Exzenterachse versetzt ist. Der Rotorstützkörper ist an Teilen seines Außenumfangs mit Permanentmagneten besetzt, die den aktiven Teils des Rotors des Elektromotors bilden.
-
Der Stator umschließt den Rotor vorzugsweise entlang des gesamten Außenumfangs unter Ausbildung eines ringförmigen Luftspalts. Dieser weist vorzugsweise eine Luftspaltweite von zum Beispiel weniger als 10 mm auf. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist der Stator unmittelbar an dem Rotor gelagert, wobei die Lagerung vorzugsweise außen an dem Rotorgrundkörper ansetzt. Damit ist der Lagerdurchmesser des Rotors im Wesentlichen so groß wie der Außendurchmesser des Rotorstützkörpers. Auf diese Weise ist der Stator entlang des gesamten Umfangs über die Lagerung steif an dem Rotor abgestützt. Die Lagerung sitzt in unmittelbarer Nachbarschaft zu dem Luftspalt. Verformungen der Presse haben somit keinen Einfluss auf den Luftspalt. Selbst wenn der Rotorgrundkörper eine elastische Verformung erfährt, führt dies nicht zur Kollision zwischen Rotor und Stator. Es können deshalb mit dem vorliegenden Konzept besonders enge Luftspalte und somit hohe Antriebskräfte bei geringem Magnetgewicht erreicht werden.
-
Bei diesem Konzept ist es vorteilhaft, wenn der Stator lediglich über eine Umfangskraft übertragende Drehmomentstütze mit dem Pressengestell verbunden ist und ansonsten vollständig von dem Rotor oder einer Rotorwelle oder -Achse gehalten, getragen und gelagert wird.
-
Die Statorlagerung ist somit eine spezielle Art der fliegenden Lagerung mit einem Lagerdurchmesser in der Größenordnung des Durchmessers des von dem Permanentmagneten gebildeten Rings.
-
Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschreibung oder Ansprüchen.
-
Die Beschreibung beschränkt sich dabei auf wesentliche Aspekte der Erfindung und sonstiger Gegebenheiten. Die Zeichnung offenbart weitere Details und ist ergänzend heranzuziehen. Es zeigen:
-
1 eine erfindungsgemäße Großteil-Presse, in ausschnittsweiser teilweise transparenter Perspektivdarstellung, zur Veranschaulichung der Einbaugegebenheiten des Pressenantriebs,
-
2 die Presse nach 1, in schematischer Frontansicht,
-
3 den Pressenantrieb der Presse nach 1, in perspektivischer Darstellung,
-
4 den Rotor mit Exzenter- und Permanentmagneten, in perspektivischer Darstellung,
-
5 den Pressenantrieb, in einer Vertikalschnittdarstellung und
-
6 eine abgewandelte Ausführungsform des Pressenantriebs in einer Vertikalschnittdarstellung.
-
In 1 ist eine Großteil-Stufenpresse 1 veranschaulicht, deren Stößel 2 durch einen Pressenantrieb 3 vertikal auf und ab gehend angetrieben ist. Die Großteil-Stufenpresse 1 dient lediglich der Veranschaulichung. Der erfindungsgemäße Pressenantrieb 3 kann in anderen Maschinen (insbesondere Pressen) Anwendung finden.
-
Die Presse 1 weist ein Pressengestell mit vier Ständern auf, an denen der Stößel 2 über Linearführungen vertikal geführt ist. Oben tragen die vier Ständer gemeinsam ein Pressenkopfstück 5, das über Zuganker 6 mit den Ständern verspannt ist. Das Pressenkopfstück 5 trägt den Presseantrieb und nimmt diesen zumindest teilweise auf.
-
Die Großteil-Stufenpresse 1 ist in 2 nochmals vereinfacht veranschaulicht. Insbesondere ist der unter dem Stößel 2 angeordnete Pressentisch 7 erkennbar, auf dem die seitlichen Säulen ruhen, die das Kopfstück 5 tragen.
-
Der Pressenantrieb 3 ist in 3 veranschaulicht. Zu ihm gehören zwei Antriebseinheiten 8, 9, die untereinander im Wesentlichen gleich ausgebildet sind. Die nachfolgende Beschreibung der Antriebseinheit 8 bezieht sich somit entsprechend auf die Antriebseinheit 9. Die Antriebseinheiten 8, 9 können, wie erwähnt, gleich oder auch spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildet sein.
-
Zu der Antriebseinheit 8 gehört ein Elektromotor 10, der aus einem Stator 11 und einem Rotor 12 besteht. Zwischen dem Stator 11 und dem Rotor 12 ist ein ringförmiger, beispielsweise aus 5 erkennbarer Luftspalt 13 ausgebildet.
-
Der permanent erregte Rotor 12 ist in 4 gesondert veranschaulicht. Er weist einen vorzugsweise einteilig zum Beispiel als Graugussteil ausgebildeten Rotorgrundkörper 14 auf. Dieser weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen hohlzylindrischen Mantel 15 auf, der konzentrisch zu der Drehachse 16 des Rotors 12 angeordnet ist. Ebenfalls konzentrisch zu der Drehachse 16 weist der Rotorgrundkörper 14 eine Nabe 17 auf, die zum Beispiel mit einer zylindrischen Durchgangsbohrung versehen ist. In der Nabe 17 kann drehfest eine Welle 18 sitzen, deren Enden wie 5 zeigt, über entsprechende Lager 19, 20 in Teilen des Pressenkopfstücks 5 drehbar gelagert sind. Alternativ kann die Nabe 17 auch auf einer tragenden Achse 21 drehbar gelagert sein, deren Enden in dem Pressenkopfstück 5 drehfest gehalten sind, wie 6 zeigt.
-
Ausgehend von der Nabe können sich wie dargestellt die Funktion von Speichen übernehmende Stegwände 22, 23, 24, 25, 26 (4) radial nach außen erstrecken. Es ist z. B. durch diese Maßnahme eine steife, drehfeste Verbindung zwischen der Nabe 17 und dem Mantel 15 hergestellt. Die Nabe 17 kann einstückig und einteilig in zumindest einen Exzenter 27 übergehen, der den Mantel 15 axial überragen kann. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist konzentrisch zu dem Exzenter 27 an der anderen Stirnseite des Rotors 12 ein weiterer Exzenter 28 vorgesehen. Die Exzenter 27, 28 definieren, wie 5 erkennen lässt, eine gemeinsame Exzenterachse 29. Die Exzenter 27, 28 können jeweils gleiche Durchmesser und außen eine zylindrische Lagerfläche 30, 31 aufweisen. Auf den Lagerflächen 30, 31 sitzen Pleuel 32, 33, deren untere Enden 34, 35 mit dem Stößel 2 verbunden sind. Die Pleuel laufen an dem Rand des Mantels 15 vorbei oder erstrecken sich durch einen oder mehrere Ausschnitte desselben.
-
Wie 4 zeigt, sind auf dem Rotorgrundkörper 14 an dem gesamten Außenumfang Permanentmagnete 36 in einer lückenlosen, den Rotorgrundkörper 14 um 360° umschließenden Reihe angeordnet. In axialer Richtung sind die Permanentmagnete 36 jedoch deutlich kürzer als der Mantel 15, so dass zu beiden Seiten der von den Permanentmagneten 36 gebildeten Reihe bzw. des so gebildeten Rings ringförmige Lagerbereiche 37, 38 frei bleiben. Im einfachsten Fall sind diese Lagerflächen 37, 38 einfach von Flächenbereichen des zylindrischen Mantels 15 gebildet, die die Permanentmagnete 36 freilassen. Es ist aber auch möglich, die Lagerflächen 37, 38 durch eine z. B. ringförmige Stufe von der übrigen Umfangsfläche abzusetzen, indem sie radial weiter außen oder radial weiter innen angeordnet werden oder auch von der Zylinderform abweichen.
-
Die Lagerflächen 37, 38 dienen der Lagerung des Stators 11, wie insbesondere aus den 5 und 6 hervorgeht. Es sind dazu mindestens ein, vorzugsweise jedoch zwei Lager 39, 40, vorgesehen, die beispielsweise als Wälzlager ausgebildet sein können und auf den Lagerflächen 37, 38 sitzen. Die Lager 39, 40 umgeben den Rotorgrundkörper 14 an seinem Außenumfang. Sie tragen ein zu dem Stator 11 gehöriges ringförmiges Statorgehäuse 41, in dem der Stator 11 untergebracht ist. Das Statorgehäuse 41 wird somit vollständig von dem Rotor 12 getragen. Zur Abstützung seines Antriebsdrehmoments bzw. des Reaktionsmoments ist eine Drehmomentstütze 42 vorgesehen, über die das Statorgehäuse 41 drehfest mit dem Pressenkopfstück verbunden wird. Die Drehmomentstütze 42 ist eine Verbindungsstrebe, die an einem Ende gelenkig an das Statorgehäuse 41 anschließt. Ihr anderes Ende schließt gelenkig an das Pressenkopfstück 5 an.
-
Aus der etwas detaillierteren 3 geht noch die in den schematischen 5 und 6 weggelassene Bremseinrichtung 43 hervor. Diese dient dem Stillsetzen des Stößels bzw. des Pressenantriebs 3. Zu der Bremseinrichtung 43 gehört eine drehfest mit dem Rotor 12 gekoppelte Bremsscheibe 44, der mehrere im Pressenkopfstück unverdrehbar und festgehaltene Bremssättel 45, 46, 47, 48 zugeordnet sind. Diese können wahlweise zum Beispiel hydraulisch oder durch einen Federspeicher betätigt werden, um den Rotor 12 drehfest zu halten.
-
Der insoweit beschriebene Pressenantrieb 3 arbeitet wie folgt:
Im Betrieb werden die Spulen des Stators 11 so bestromt, dass an dem Rotor 12 das gewünschte Antriebsdrehmoment entsteht. Die Permanentmagnete 36 des Rotors 12 sind mit dem Rotorgrundkörper 14 fest verbunden und übertragen somit die Magnetkräfte verlustlos auf den Rotorgrundkörper 14. Wenn dieser dreht, drehen sich die Exzenter 27, 28 entsprechend, wodurch die Pleuel 32, 33 den Stößel 2 heben oder senken. Die Winkelgeschwindigkeit und die Drehrichtung des Exzenters 27, 28 wird über eine nicht weiter veranschaulichte elektrische Steuerung des Stators 11 erzielt. Über die elektrische Ansteuerung der Spulen des Stators 11 kann auch die gewünschte an dem Stößel 2 wirksame Kraft eingestellt werden. Der Rotor kann mit konstanter Drehrichtung und weitgehend gleich bleibender Drehzahl betrieben werden. Es ist auch möglich, die Rotordrehzahl drehwinkelabhängig zu verändern, um bestimmte gewünschte Weg-Zeit-Verläufe der Stößelbewegung zu erzeugen. Es ist auch möglich, den Rotor alternierend hin und zurück drehend anzutreiben. Z. B. wird der obere Totpunkt der Stößelbewegung durch eine Drehrichtungsumkehr der Rotordrehung bewirkt, während der untere Totpunkt ohne Drehrichtungsumkehr des Rotors erzeugt wird, indem das Exzentergetriebe seinen natürlichen unteren Totpunkt durchläuft. Es ist aber auch möglich, beide Totpunkte durch Drehrichtungsumkehr der Rotordrehung festzulegen.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Pressenantrieb 3 sind die Aktivelemente des Rotors, nämlich die Permanentmagnete 36, direkt auf einem Exzenterrad oder einer Exzenterwelle in Gestalt des Rotorgrundkörpers 14 angeordnet. So wird ein Direktantrieb gebildet. Der Stator 11 sitzt mit seinen Spulen reitend gelagert auf dem Exzenterrad und wird über mindestens eine Drehmomentstütze 42 an dem Pressenkörper zum Beispiel an dem Presskopfstück 5 gehalten.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Großteil-Stufenpresse
- 2
- Stößel
- 3
- Pressenantrieb
- 5
- Pressenkopfstück
- 6
- Zuganker
- 7
- Pressentisch
- 8, 9
- Antriebseinheiten
- 10
- Elektromotor
- 11
- Stator
- 12
- Rotor
- 13
- Luftspalt
- 14
- Rotorgrundkörper
- 15
- Mantel
- 16
- Drehachse
- 17
- Nabe
- 18
- Welle
- 19, 20
- Lager
- 21
- Achse
- 22–26
- Stegwände
- 27, 28
- Exzenter
- 29
- Exzenterachse
- 30, 31
- Lagerfläche
- 32, 33
- Pleuel
- 34, 35
- Enden
- 36
- Permanentmagnete
- 37, 38
- Lagerflächen
- 39, 40
- Lager
- 41
- Statorgehäuse
- 42
- Drehmomentstütze
- 43
- Bremseinrichtung
- 44
- Bremsscheibe
- 45–48
- Bremssättel