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Spindeln - Hauptspindel

Motorenauswahl für Hauptspindeln

Auszug aus
Hans B. Kief, Helmut A. Roschiwal, Karsten Schwarz

CNC-Handbuch

02/2017, 821 Seiten, € 32,00
ISBN: 978-3-446-45173-5
Seite 243-244

Generell stehen synchrone oder asynchrone Einbaumotoren in verschiedenen Drehzahlklassen zur Verfügung. Asynchronmaschinen eignen sich für höchste Drehzahlen bei relativ geringem Strombedarf. Synchrone Einbaumotoren bieten hohe Leistungsdichten und ermöglichen eine kompakte Bauweise.

Die Motorauswahl hat tragenden Einfluss auf die korrekte Funktionalität der Hauptspindel. Bei modernen Hauptspindeln ist der Antriebsmotor integriert. Der Läufer ist Bestandteil der Spindelwelle und wird von deren Lagerung getragen. Die mechanische Kopplung zwischen Motorwelle und Spindelwelle kann entfallen. Durch den Wegfall zusätzlicher Übertragungselemente ergeben sich für den Anwender diverse Vorteile wie ruhiger Lauf, geringerer Platzbedarf innerhalb der Werkzeugmaschine, höhere Genauigkeiten oder verbesserte Regeldynamik durch weniger Massenträgheit. Die Übertragung des Drehmoments erfolgt berührungslos. Mechanischer Verschleiß ist ausgeschlossen. Die elektrische Leistung wird nur dem feststehenden Außenmantel des Motors zugeführt. Der Rotor benötigt keine eigenständige Leistungsversorgung.

Vor- und Nachteile von synchronen und asynchronen Motoren

Generell sind für den Einsatz in einer Motorspindel synchrone oder asynchrone Einbaumotoren vorgesehen und stehen in verschiedenen Drehzahlklassen zur Verfügung. Beide Varianten stellen bestimmte Anforderungen an die Leistungsumrichter, die bei der Auslegung der Werkzeugmaschine berücksichtigt werden müssen. Zusätzlich müssen unterschiedliche Vor- und Nachteile, abhängig vom gewünschten Einsatz, gegeneinander abgewogen werden.

Asynchronmaschinen sind weniger komplex in der Ansteuerung und bieten einen großen Feldschwächbereich zur Realisierung höchster Drehzahlen bei gleichzeitig geringerem Strombedarf als vergleichbare Synchronmaschinen. Kurze Hochlaufzeiten können ebenfalls realisiert werden.

Synchrone Einbaumotoren bieten hohe Leistungsdichten durch die Permanenterregung und ermöglichen kompakte Bauweisen bzw. lassen vergleichsweise große Wellendurchmesser zu. Die Verlustleistung im unteren Drehzahlbereich ist gering. Bei schnelldrehenden Motoren besteht unter Umständen die Notwendigkeit des Einsatzes einer zusätzlichen Induktivität (Drossel). Dies ist im Aufbau des Motors begründet. Zusätzlich besteht mit Drosseln die Möglichkeit, durch Filterung hochfrequenter Signalanteile die Spannungsspitzen zu reduzieren und die Motorwicklungen zu entlasten.

Flüssigkeitskühlung des Stators und Überwachung der Motortemperatur

Motorspindeln sind allgemein mit integrierten Kanälen zur Flüssigkeitskühlung des Stators ausgestattet. Der Stator, der die elektrische Antriebsleistung aufnimmt, ist die hauptsächliche Verlustwärmequelle der Spindeleinheit. Das Kühlkanalsystem ist deshalb thermisch eng an diesen gekoppelt. Allerdings werden auch die thermisch weiter entfernt liegenden Verlustwärmequellen durch das integrierte Kühlsystem versorgt und finden noch eine angemessen effiziente Wärmeabsenkung. Die Spindeleinheit selbst ist über eine Vor- und Rücklaufleitung mit dem Kühlmedium zu versorgen. Die Abkühlung des Kühlmediums auf die ursprüngliche Vorlauftemperatur erfolgt außerhalb der Spindel durch ein externes Kühl- oder Wärmetauschsystem. Den notwendigen Druck des Kühlmediums in der Vorlaufleitung liefert eine externe Pumpe. Beide Systeme liegen in der Zuständigkeit des Maschinenherstellers.

Zur Überwachung der Motortemperatur werden Temperatursensoren verwendet. Diese dienen dem Schutz vor Überlastung im drehenden Betrieb. Bei speziellen Einsatzbedingungen der Synchronmotoren (z. B. Belastung im Motorstillstand) ist eine zusätzliche Überwachung der Motorphasen zum Schutz vor Überlastung erforderlich. Diese wird über einen PTC-(Positive Temperature Coefficient)-Kaltleiterdrilling realisiert. Optional stehen auch NTC-(Negative Temperature Coefficient)-Heißleiter zur Verfügung. Diese kommen zum Einsatz, wenn der verwendete Umrichter die Auswertung der KTY-Sensoren nicht erlaubt.

Auszug aus
Hans B. Kief, Helmut A. Roschiwal, Karsten Schwarz

CNC-Handbuch

02/2017, 821 Seiten, € 32,00
ISBN: 978-3-446-45173-5
Seite 243-244
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