WO2007057313A1 - Kunststoffspritzgussmaschine mit integriertem, linear-rotatorischem direktantrieb - Google Patents

Kunststoffspritzgussmaschine mit integriertem, linear-rotatorischem direktantrieb Download PDF

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Thomas Budde
Mykhaylo Toldonov
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    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/03—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors

Definitions

  • the present invention relates to a plastic injection ⁇ machine with an electric rotary drive and an electric linear drive.
  • FIG. 1 A threaded spindle 1 is driven by a first rotary drive 3 via a first spindle nut 2 and by a second rotary drive 5 via a second spindle nut 4.
  • the threaded spindle 1 serves to transform the rotational movement into a linear movement.
  • FIG 2 the output shaft or threaded spindle 1 and the spindle nuts ⁇ 2, 4 are shown schematically. If the spindle nuts 2, 4 are driven in the same direction and at the same speed, the result is a purely rotational movement.
  • the object of the present invention is therefore to propose a simple to control, low-wear and compact drive for a plastic injection molding machine.
  • this object is achieved by a plastic injection molding machine with an output shaft, an elec ⁇ cal rotary drive and an electric linear drive
  • the linear drive a first electric linear motor with cup-shaped external rotor, in the interior of which the essential part of a hollow cylindrical stator of the first linear motor is arranged and which is fixedly connected to the driven shaft ⁇
  • the rotary drive has a rotary electric motor whose stator is fixedly connected to the inside of the hollow cylindrical stator of the first linear motor connected thereto and the rotor fixed to the output shaft within the stator of the rotatori ⁇ rule electric motor is coupled.
  • the external rotor can be attached on one side via a cup wheel on the output shaft.
  • This design is particularly suitable for machines in which only a small axial space is available.
  • the output shaft can be stored in the interior of the stator of Linearan ⁇ drive by a bearing plate. By this measure ⁇ measure also the space in the axial direction can be kept very short.
  • a second electric linear motor is provided, which is connected in series with the first linear motor. Due to the coaxial arrangement behind ⁇ each other, the mechanical rigidity and the Dyna can increase the same axial force dynamics of the actuator with respect to a drive with a single linear motor.
  • the stators of the two linear motors can be connected to one another via a flange arranged therebetween.
  • the combination drive can be stored in its axial center favorable.
  • FIG. 1 shows a cross section through an injector-dosing unit according to the prior art
  • FIG. 2 shows a schematic diagram of the mode of action of the injector-dosing unit according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a cross section through an integrated, linear-rotary, direct electrical drive according to the present invention.
  • FIG. 3 The reproduced in Figure 3 cross-section of an integrated, linear-rotary, direct electrical drive shows an output shaft 10 which is the output side mounted on a bearing plate 11 of a housing 12.
  • a cup-shaped structure rotati ⁇ onssymmetrisch is formed in the interior of the housing 12, which represents the external rotor 13 of the linear direct drive.
  • a cup wheel 15 provides the connection between the cylindrical outer rotor portion 13 and the Abtriebswel ⁇ le 10..
  • a hollow-cylindrical stator 16 of the linear motor Inside the outer rotor 13 is a hollow-cylindrical stator 16 of the linear motor. This is connected to a bearing plate 11 opposite cover 17 which is screwed to the housing 12.
  • a Sta ⁇ gate 18 of the rotary direct drive On the inner wall of the hollow cylindrical stator 16 of the linear motor is a Sta ⁇ gate 18 of the rotary direct drive attached. In FIG. 3, some of the windings and part of the laminated core of the stator 18 are indicated.
  • Within the stator 18 of the ro ⁇ gate 19 of the rotary direct drive runs. It is mounted on the drive shaft 10 from ⁇ .
  • a bearing plate 20 In the interior of the stator 16 of the line ⁇ arantriebs is also a bearing plate 20 to which the shaft 10 is mounted on the drive side.
  • the achievable with the combination drive superimposed BEWE ⁇ tion is indicated by the double arrows 21 in FIG 3.
  • the linear movement of the output shaft 10 can be achieved due to the outlined power flow 22, which extends from the outer rotor 13 via the pot washer 15 to the output shaft 10.
  • the advantages of this combination drive are its compact design, which is realized in that the ro ⁇ tatorische motor is mounted with its stator 18 on the inner wall of the linear motor stator 16 coaxial therewith. This arrangement also allows a common cooling of the linear and rotary stator.
  • the linear motor is designed in this arrangement as an external rotor motor, wherein the external rotor is rigidly connected to the shaft and rotates with the rotational speed of the rotary rotor.
  • FIG 4 Another drive for an inventive Spritzgussma ⁇ machine is shown in Figure 4 in cross section.
  • the construction of this drive corresponds in the left half in Wesentli ⁇ chen that of FIG 3.
  • the outer rotor 30 of the linear motor is cup-shaped and surrounds the hollow cylindrical stator 31 of the linear motor.
  • a pot ⁇ disc 32 provides the connection between the external rotor 30 and the output shaft 33 ago.
  • To the inside of the stator 31 of the linear motor the stator 34 of the rotary motor is mounted.
  • a bearing plate 35 is provided inside the stator 31 of the linear motor, with the aid of which the output shaft 33 is mounted on the Sta ⁇ tor 31.
  • the storage takes place for the Rotatori ⁇ specific movement through a ball bearing 36 and for the Linearbewe- via a ball bush 37.
  • the ball bushing allows a linear movement unlimited along the shaft 33.
  • the bearings 36 and 37 thus absorb no axial forces.
  • a second linear motor is mirror-inverted to the described first linear motor in axial extension to this.
  • the second linear motor consisting of the deliberatelyläu ⁇ fer 40, the stator 41 and the second cup wheel 42 also drives the shaft 33 at.
  • the second stator 41 is integrally formed with the first stator 31, wherein a flange 43 is formed between the two. At this flange 43 can store the entire drive.
  • the shaft is also supported by a ball bearing 44 and a Ku ⁇ yellow satchel 45.
  • the shaft 33 is mounted within the stator 41 by a further bearing plate 46 by means of a ball bearing 47 and a further ball bushing 48.

Abstract

Eine Kunststoffspritzgussmaschine soll mit einem kompakteren Antrieb ausgestattet werden, der einem geringen Verschleiß unterworfen ist. Hierzu ist vorgesehen, den Rotationsdirektantrieb in den Lineardirektantrieb zu integrieren. Dementsprechend weist der elektrische Linearmotor einen topfförmigen Außenläufer (13) auf, in dessen Innenraum der wesentliche Teil eines hohlzylinderförmigen Stators (16) des Linearmotors angeordnet ist und der mit der Abtriebswelle (10) fest verbunden ist. Der rotatorische Antrieb besitzt einen Stator (18), der an die Innenwand des hohlzylindrischen Stators (16) des Linearmotors montiert ist, und einen Rotor, der fest an die Abtriebswelle (10) innerhalb des Stators (18) des rotatorischen Elektromotors gekoppelt ist. Durch diesen Direktantrieb ergibt sich eine sehr kompakte Bauweise und es kann auf verschleißbehaftete Gewindespindeln verzichtet werden.

Description

Kunststoffspritzgussmaschine mit integriertem, linear-rotato- rischem Direktantrieb
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kunststoffspritzguss¬ maschine mit einem elektrischen Rotationsantrieb und einem elektrischen Linearantrieb.
Als Antrieb, insbesondere als Einspritzer- und Dosierer-Ag¬ gregat, in einer Kunststoffspritzgussmaschine oder bei ähnli¬ chen Maschinenanwendungen ist es erforderlich, eine rotatorische und eine lineare Bewegung auf der Antriebswelle zu rea¬ lisieren. Diese Bewegungen müssen einerseits unabhängig von- einander aber auch überlagert zu erzeugen sein.
Bislang wurde eine derartige Bewegung mit zwei Freiheitsgra¬ den durch den Einsatz von zwei getrennten, rotatorischen Antrieben realisiert. Ein solcher Antrieb ist in FIG 1 im Quer- schnitt wiedergegeben. Eine Gewindespindel 1 wird über eine erste Spindelmutter 2 von einem ersten Rotationsantrieb 3 und über eine zweite Spindelmutter 4 von einem zweiten Rotationsantrieb 5 angetrieben. Die Gewindespindel 1 dient dazu, die Rotationsbewegung in eine Linearbewegung umzuformen. Das Funktionsprinzip lässt sich mit Hilfe von FIG 2 erläutern, in der die Abtriebswelle bzw. Gewindespindel 1 und die Spindel¬ muttern 2, 4 schematisch dargestellt sind. Werden die Spindelmuttern 2, 4 in gleicher Richtung und gleicher Drehzahl angetrieben, so resultiert daraus eine rein rotatorische Be- wegung. Werden hingegen die beiden Rotationsantriebe in entgegengesetzter Richtung mit gleicher Drehzahl angetrieben, so führt dies zu einer reinen Linearbewegung der Gewindespindel. Bei unterschiedlichen Drehzahlen bzw. Drehrichtungen der Rotationsantriebe ergibt sich eine kombinierte Rotations-Line- arbewegung. Nachteilig an diesem Antrieb ist zum einen die verhältnismäßig komplizierte Regelung, da bei der Ansteuerung der beiden Rotationsmotoren zur Erzielung einer Linearbewegung der Gewindetrieb mitberücksichtigt werden muss. Darüber hinaus sind für einfache Bewegungen stets zwei Motoren syn¬ chronisiert anzusteuern. Auch der Regelkreis für den Linearantrieb ist verhältnismäßig aufwendig. Ein weiterer großer Nachteil besteht darin, dass der Gewindetrieb aber auch die Lager einem relativ hohen Verschleiß unterworfen sind. Dieser resultiert daraus, dass diese Bauteile hohe axiale Kräfte aufnehmen müssen. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, dass der gesamte Antrieb eine relativ große Bauform besitzt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen einfach anzusteuernden, verschleißarmen und kompakten Antrieb für eine Kunststoffspritzgussmaschine vorzuschlagen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Kunst- stoffspritzgussmaschine mit einer Abtriebswelle, einem elek¬ trischen Rotationsantrieb und einem elektrischen Linearantrieb, wobei der Linearantrieb einen ersten elektrischen Linearmotor mit topfförmigem Außenläufer, in dessen Innenraum der wesentliche Teil eines hohlzylinderförmigen Stators des ersten Linearmotors angeordnet ist und der mit der Abtriebs¬ welle fest verbunden ist, aufweist und der Rotationsantrieb einen rotatorischen Elektromotor aufweist, dessen Stator im Inneren des hohlzylindrischen Stators des ersten Linearmotors fest mit diesem verbunden angeordnet ist und dessen Rotor fest an die Abtriebswelle innerhalb des Stators des rotatori¬ schen Elektromotors gekoppelt ist.
Durch den linear-rotatorischen Direktantrieb kann ein sehr verschleißarmes System erzielt werden, da auf einen Gewinde- trieb verzichtet und die Lager keine axialen Kräfte aufnehmen müssen. Des Weiteren lässt sich durch die Ineinanderschachte- lung der beiden Antriebe eine äußerst kompakte Bauweise er¬ zielen .
Bei einer Ausführungsform kann der Außenläufer einseitig über eine Topfscheibe an der Abtriebswelle befestigt sein. Diese Bauform eignet sich insbesondere für Maschinen, bei denen nur ein geringer axialer Bauraum zur Verfügung steht. Die Abtriebswelle kann im Inneren des Stators des Linearan¬ triebs durch ein Lagerschild gelagert sein. Durch diese Ma߬ nahme lässt sich ebenfalls der Bauraum in axialer Richtung sehr kurz halten.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist ein zweiter elektrischer Linearmotor vorgesehen, der mit dem ersten Linearmotor in Reihe geschaltet ist. Durch die koaxiale Anordnung hinter¬ einander lässt sich die mechanische Steifigkeit und die Dyna- mik des Antriebs gegenüber einem Antrieb mit einem einzigen Linearmotor gleicher Axialkraft erhöhen.
Im Falle der zwei hintereinander geschalteten elektrischen Linearmotoren können die Statoren der beiden Linearmotoren über einen dazwischen angeordneten Flansch miteinander verbunden sein. Hierdurch lässt sich der Kombinationsantrieb in seiner axialen Mitte günstig lagern.
Die vorliegende Erfindung ist anhand der beigefügten Zeich- nungen näher erläutert, in denen zeigen:
FIG 1 einen Querschnitt durch ein Einspritzer-Dosierer- Aggregat gemäß dem Stand der Technik;
FIG 2 eine Prinzipsskizze zur Wirkungsweise des Einsprit- zer-Dosierer-Aggregats gemäß FIG 1;
FIG 3 einen Querschnitt durch einen integrierten, linear- rotatorischen, elektrischen Direktantrieb gemäß der vorliegenden Erfindung; und
FIG 4 einen Querschnitt durch einen integrierten, linear- rotatorischen, elektrischen Direktantrieb mit zwei in
Reihe geschalteten Linearmotoren gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Der in FIG 3 wiedergegebene Querschnitt eines integrierten, linear-rotatorischen, elektrischen Direktantriebs zeigt eine Abtriebswelle 10, die abtriebsseitig an einem Lagerschild 11 eines Gehäuses 12 gelagert ist. An der Abtriebswelle 10 ist im Inneren des Gehäuses 12 ein topfförmiges Gebilde rotati¬ onssymmetrisch angeformt, das den Außenläufer 13 des linearen Direktantriebs darstellt. An der Innenwand des zylinderförmi¬ gen Abschnitts des Außenläufers befinden sich Permanentmagne¬ te 14. Eine TopfScheibe 15 stellt die Verbindung zwischen dem zylinderförmigen Außenläuferabschnitt 13 und der Abtriebswel¬ le 10 dar.
Im Inneren des Außenläufers 13 befindet sich ein hohlzylind- rischer Stator 16 des Linearmotors. Dieser ist an einem dem Lagerschild 11 gegenüberliegenden Deckel 17, welcher an das Gehäuse 12 angeschraubt ist, verbunden. An der Innenwand des hohlzylindrischen Stators 16 des Linearmotors ist ein Sta¬ tor 18 des rotatorischen Direktantriebs befestigt. In FIG 3 sind einige der Wicklungen und ein Teil des Blechpakets des Stators 18 angedeutet. Innerhalb des Stators 18 läuft der Ro¬ tor 19 des rotorischen Direktantriebs. Er ist auf der Ab¬ triebswelle 10 befestigt. Im Inneren des Stators 16 des Line¬ arantriebs befindet sich außerdem ein Lagerschild 20, an dem die Welle 10 antriebsseitig gelagert ist.
Die mit dem Kombinationsantrieb erzielbare überlagerte Bewe¬ gung ist mit den Doppelpfeilen 21 in FIG 3 angedeutet. Die Linearbewegung der Abtriebswelle 10 lässt sich aufgrund des skizzierten Kraftflusses 22 erzielen, der vom Außenläufer 13 über die TopfScheibe 15 zur Abtriebswelle 10 verläuft.
Die Vorteile dieses Kombinationsantriebs liegen in seiner kompakten Bauweise, die dadurch realisiert wird, dass der ro¬ tatorische Motor mit seinem Stator 18 an der Innenwand des Linearmotorstators 16 koaxial mit diesem montiert ist. Diese Anordnung erlaubt darüber hinaus eine gemeinsame Entwärmung des linearen und rotatorischen Stators. Der Linearmotor ist bei dieser Anordnung als Außenläufermotor ausgeführt, wobei der Außenläufer starr mit der Welle verbunden ist und sich mit der Drehzahl des rotatorischen Läufers dreht. Durch die Realisierung einer starren Verbindung des Außenläufers 13 mit der Abtriebswelle 10 lassen sich hohe li¬ neare Positioniergenauigkeiten erzielen.
Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen integrierten Direktantriebs liegen im Verzicht auf eine kostenintensive Antriebs- kombination aus Lager und Gewindetrieb, die bei der Umsetzung der rotatorischen Antriebsbewegung in eine kombinierte line- ar-rotatorische Vorschubbewegung (vgl. FIG 1 und 2) Verwendung findet. Dies führt zu einer Kosteneinsparung und durch die Reduzierung kostenintensiver Zukaufteile zu einer erhöh- ten elektromechanischen Wertschöpfung bzw. Veredelungsleistung des Gesamtantriebs. Ferner ist das Antriebssystem we¬ sentlich einfacher zu regeln, da die Bewegungen der einzelnen Antriebe direkt erzeugt und für die Regelung einfach abge¬ griffen werden können. Des Weiteren kann bei dem integrier- ten, linear-rotatorischen Direktantrieb auf verschleißbehaf¬ tete, mechanische Komponenten wie Axiallager und Gewindetrieb verzichtet werden. Dadurch lässt sich eine längere Standzeit des Antriebs erzielen.
Ein weiterer Antrieb für eine erfindungsgemäße Spritzgussma¬ schine ist in FIG 4 im Querschnitt wiedergegeben. Der Aufbau dieses Antriebs entspricht in der linken Hälfte im Wesentli¬ chen dem von FIG 3. Dies bedeutet, dass der Außenläufer 30 des Linearmotors topfförmig ausgebildet ist und den hohlzy- lindrischen Stator 31 des Linearmotors umgibt. Eine Topf¬ scheibe 32 stellt die Verbindung zwischen dem Außenläufer 30 und der Abtriebswelle 33 her. An die Innenseite des Stators 31 des Linearmotors ist der Stator 34 des Rotationsmotors montiert. An der Abtriebsseite nahe der TopfScheibe 32 ist im Inneren des Stators 31 des Linearmotors ein Lagerschild 35 vorgesehen, mit dessen Hilfe die Abtriebswelle 33 an dem Sta¬ tor 31 gelagert ist. Die Lagerung erfolgt für die rotatori¬ sche Bewegung über ein Kugellager 36 und für die Linearbewe- gung über eine Kugelbüchse 37. Die Kugelbüchse erlaubt eine Linearbewegung unbegrenzt entlang der Welle 33. Die Lager 36 und 37 nehmen somit keine Axialkräfte auf.
Ein zweiter Linearmotor befindet sich spiegelbildlich zu dem beschriebenen ersten Linearmotor in axialer Verlängerung zu diesem. Der zweite Linearmotor bestehend aus dem Außenläu¬ fer 40, dem Stator 41 und der zweiten Topfscheibe 42 treibt ebenfalls die Welle 33 an.
In dem gewählten Beispiel ist der zweite Stator 41 mit dem ersten Stator 31 einstückig gebildet, wobei zwischen beiden ein Flansch 43 ausgeformt ist. An diesem Flansch 43 lässt sich der gesamte Antrieb lagern. Im Bereich des Flansches 43 wird die Welle ebenfalls durch ein Kugellager 44 und eine Ku¬ gelbüchse 45 gelagert. Am anderen Ende im Bereich der zweiten Topfscheibe 42 ist die Welle 33 innerhalb des Stators 41 durch ein weiteres Lagerschild 46 mit Hilfe eines Kugellagers 47 und einer weiteren Kugelbüchse 48 gelagert.
Bei dem Antrieb gemäß der Ausführungsform von FIG 4 sind also zwei Linearmotoren in Reihe geschaltet. Durch diese Hintereinanderschaltung lassen sich höhere Axialkräfte erzielen. Um gleiche Axialkräfte mit einem Antrieb gemäß dem Beispiel von FIG 3 erreichen zu können, müsste dieser eine größere Außenläuferfläche besitzen, d. h. bei vorgegebener Länge einen größeren Durchmesser aufweisen. Dadurch würde sich jedoch die mechanische Steifigkeit des Antriebs vermindern. Ferner würde durch die Erhöhung des Durchmessers die Trägheit des Rotors zunehmen, so dass die Dynamik des Antriebs sinken würde. Dies bedeutet, dass die Reihenschaltung von zwei Linearmotoren geringeren Durchmessers zu einer höheren mechanischen Steifigkeit und zu einer höheren Dynamik des Antriebs führen.

Claims

Patentansprüche
1. Kunststoffspritzgussmaschine mit
- einer Abtriebswelle (10; 33), - einem elektrischen Rotationsantrieb und
- einem elektri schen Linearantrieb , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , das s
- der Linearantrieb einen ersten elektrischen Linearmotor mit topfförmigem Außenläufer (13; 30, 40), in dessen Innenraum der wesentliche Teil eines hohlzylinderförmigen Stators
(16; 31, 41) des ersten Linearmotors angeordnet ist und der mit der Abtriebswelle (10; 33) fest verbunden ist, aufweist und
- der Rotationsantrieb einen rotatorischen Elektromotor auf- weist, dessen Stator (18; 34) im Inneren des hohlzylindri- schen Stators (16; 31, 41) des ersten Linearmotors fest mit diesem verbunden angeordnet ist und dessen Rotor fest an die Abtriebswelle (10; 33) innerhalb des Stators (18; 34) des rotatorischen Elektromotors gekoppelt ist.
2. Kunststoffspritzgussmaschine nach Anspruch 1, wobei der Außenläufer (13) einseitig über eine Topfscheibe (15) an der Abtriebswelle (10) befestigt ist.
3. Kunststoffspritzgussmaschine nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Abtriebswelle (10; 33) durch ein Lagerschild (20; 46) im Inneren des Stators (16; 41) des Linearantriebs gelagert ist.
4. Kunststoffspritzgussmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen zweiten elektrischen Linearmotor aufweist, der mit dem ersten Linearmotor in Reihe geschaltet ist .
5. Kunststoffspritzgussmaschine nach Anspruch 4, wobei die Statoren (31, 41) der beiden Linearmotoren über einen dazwischen angeordneten Flansch (43) miteinander verbunden sind.
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