Schnelldrehende Motorspindelsysteme mit Synchronreluktanzmotor und starrer Lageranstellung

Weber, Markus (2024)
Schnelldrehende Motorspindelsysteme mit Synchronreluktanzmotor und starrer Lageranstellung.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Bibliographie

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Kurzbeschreibung (Abstract)

Motorspindeln sind die zentrale Komponente einer Werkzeugmaschine. Sie wandeln durch den integrierten Elektromotor die elektrische Energie in die für die Zerspanungsbearbeitung erforderliche mechanische Energie um und führen das Werkzeug relativ zum Werkstück. Sie beeinflussen durch Ihre mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften die Fertigungsgenauigkeit und Produktivität. Hinzu kommt die Forderung nach einer hohen Energieeffizienz durch politische Zielstellungen zur Begrenzung der CO2eq-Emissionen der produzierenden Industrie auf dem Weg zur klimaneutralen Produktion. In der Dissertation von Herr Tilo Sielaff aus dem Jahr 2017 wird gezeigt, dass Synchronreluktanzmotoren (SynRM) eine elektrische Antriebsalternative zu Asynchronmotoren in Motorspindeln für die Anwendung in Universal-Bearbeitungszentren mit maximalen Drehzahlen bis 14000 U/min darstellen. Die Vorteile des Synchronreluktanzmotors sind deutlich reduzierte elektrische Verluste im Rotor. Dadurch ergeben sich vglw. geringe Temperaturen in der Spindelwelle. Das Potenzial für Lagerungsalternativen mit dem Verzicht auf federnd angestellte Lageranordnungen mit kleinem Lagerabstand für langsam laufende Frässpindeln eröffnet sich. Aktuell wird eine Zunahme der Bauteilgröße sowie die Forderung nach gesteigerten Bauteilqualitäten in der Fertigung beobachtet. Die Anforderungen an kompakte, zuverlässige Motorspindeln hoher Standzeit leiten sich ab. Die Maschinenintegration wird erleichtert und ungeplante Maschinenstillstandszeiten reduziert.

Auf der Grundlage dessen wird mit der Arbeit das Ziel verfolgt, den Einsatzbereich von transversal laminierten SynRM zu erweitern, dass sie eine effiziente Antriebsalternative als Direktantrieb in Motorspindeln für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung als auch für die Hochleistungszerspanung bei Drehzahlen von bis zu 30000 U/min bieten. Dabei sollen die geringeren Verluste im Rotor der SynRM ausgenutzt werden, ein neuartiges Lagerungskonzept zu realisieren. Es wird keine herkömmliche, federnd angestellte Loslagerfunktion umgesetzt, sondern eine starre Lageranstellung in Tandem-O-Tandem-Anordnung mit integriertem SynRM realisiert und wissenschaftlich untersucht. Mit dieser Festlagerung wird eine Reduzierung der Bauteile gegenüber der sonst notwendigen elastisch angestellten Fest-Loslagerung und ein günstigeres dynamisches Verhalten, durch die Anhebung der kritischen Eigenfrequenzen, erzielt. Für das Erreichen dieses Ziels, wird eine ganzheitliche Methode zum Entwurf und der Berechnung einer geeigneten Maschine für die Anwendung entwickelt und beschrieben. Dabei wird im Zuge der Modellbildung auf die Bedeutung der Induktivitäten für den Betrieb und die Ausnutzung der SynRM sowie deren drehzahlfeste Ausführung als transversal laminiertes Rotorpaket eingegangen. Zur Validierung wird ein Demonstrator einer Motorspindel mit einem SynRM einmal mit herkömmlicher, elastischer Lageranstellung und einmal mit starrer Lageranstellung aufgebaut und experimentell untersucht. Für eine optimale Ausnutzung und die Untersuchung der Energieeffizienz des schnelldrehenden Motorspindelsystems wird eine kennfeldbasierte Methode für den geforderten Drehzahl-Drehmoment-Bereich genutzt. Beide Motorspindelsysteme werden vergleichend hinsichtlich der auftretenden mechanischen und elektrischen Verluste, thermischen Ausnutzung und mechanischen Aspekten (Rundlaufgenauigkeit, dynamische Steifigkeit) am Leistungsprüfstand im Leerlauf und unter Last betrachtet. Die Untersuchungen zeigen, dass sowohl eine höhere dynamische Steifigkeit als auch eine verbesserte Rundlaufgenauigkeit erzielt werden kann. Die Energieeffizienz des Synchronreluktanzmotors erreicht im Teillastbetrieb Werte von bis zu 95%. Schleuderversuche von Proberotoren belegen, dass geblechte Rotoren von SynRM innovative festigkeitssteigernde Maßnahmen zur Erreichung maximaler Betriebsdrehzahlen erfordert. Die Erkenntnisse aus den Schleuderversuchen begrenzen die sichere maximale Betriebsdrehzahl auf 24000 U/min. Der Neuheitswert der Arbeit liegt im Nachweis, dass aufgrund des hohen Wirkungsgrads durch die prinzipbedingt geringen Rotorverluste der SynRM und die Verwendung einer Eisen-Nickel-Legierung als Spindelwellenwerkstoff, das starre Lagerungskonzept mit dazwischen liegendem SynRM realisierbar ist. Die Umstellung von bekannten Systemen hin zu energieeffizienteren Maschinen bedürfen zusätzlicher positiver Anwendungsaspekte. Mit diesem neuartigen Design sind diese praktisch nachgewiesen, sodass ein Beitrag zur Steigerung der Energieeffizienz und Reduzierung der CO2eq-Emissionen von Werkzeugmaschinen geleistet wird.

Typ des Eintrags:

Dissertation

Erschienen:

2024

Autor(en):

Weber, Markus

Art des Eintrags:

Bibliographie

Titel:

Schnelldrehende Motorspindelsysteme mit Synchronreluktanzmotor und starrer Lageranstellung

Sprache:

Deutsch

Referenten:

Weigold, Prof. Dr. Matthias ; Möhring, Prof. Dr. Hans-Christian

Publikationsjahr:

2024

Ort:

Düren

Verlag:

Shaker Verlag

Reihe:

Schriftenreihe des PTW: "Innovation Fertigungstechnik"

Kollation:

xxii, 336 Seiten

Datum der mündlichen Prüfung:

27 Juni 2024

Zugehörige Links:

TUprints Zweitveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

Motor spindles are the core component of a machine tool. Through the integrated electric motor, they convert the electrical energy into the mechanical energy required for machining and guide the tool relative to the workpiece. Their mechanical, electrical and thermal properties influence manufacturing accuracy and productivity. In addition, there is the demand for high energy efficiency due to political objectives to limit CO2eq emissions in the manufacturing industry on the way to climate-neutral production.\par Mr. Tilo Sielaff's dissertation from 2017 shows that synchronous reluctance motors (SynRM) are an electric drive alternative to asynchronous motors in motor spindles for use in universal machining centers with maximum speeds of up to 14000 rpm. The advantages of the synchronous reluctance motor are significantly reduced electrical losses in the rotor. This results in comparatively low temperatures in the spindle shaft. The potential for bearing alternatives with the elimination of spring-loaded bearing arrangements with small bearing distances for slow-running milling spindles is opening up. An increase in component size and the demand for increased component quality in production is currently being observed. The requirements for compact, reliable motor spindles with a long service life are derived from this. Machine integration is made easier and unplanned machine downtimes are reduced. Based on this, the aim of the work is to extend the application range of transversely laminated SynRM so that they offer an efficient drive alternative as a direct drive in motor spindles for high-speed machining as well as for high-performance cutting at speeds of up to 30000 rpm. The lower losses in the rotor of the SynRM are to be used to realize a new type of bearing concept. Instead of implementing a conventional, spring-loaded non-locating bearing function, a rigid bearing arrangement in a tandem-O-tandem arrangement with integrated SynRM will be realized and scientifically studied. With this fixed bearing arrangement, a reduction in the number of components is achieved compared to the otherwise necessary elastically adjusted fixed non-locating bearing arrangement. A more favorable dynamic behavior results due to the increase in the critical natural frequencies. To achieve this goal, a holistic method for designing and calculating a suitable machine for the application is developed and described. In the course of modelling, the importance of inductances for the operation of the SynRM as well as its speed-resistant design as a transversely laminated rotor stack is discussed. For validation purposes, two demonstrators of a motor spindle each with a SynRM is set up - one with a conventional, elastic bearing arrangement and the other with a rigid bearing arrangement. Both are investigated experimentally. A nonlinear field oriented method for the control of the required speed-torque range is used to achieve optimum operation and to investigate the energy efficiency of the high-speed motor spindle system. Both motor spindle systems are compared in terms of the mechanical and electrical losses, thermal behavior and mechanical aspects (concentricity, dynamic rigidity) on the test bench at no load and under load conditions. The comparison shows that both higher dynamic rigidity and improved concentricity can be proven. The energy efficiency of the synchronous reluctance motor achieves values of up to 95% in partial load operation. Spin tests on test rotors show that SynRM's laminated rotors require innovative strength-enhancing measures to achieve maximum operating speeds. The findings from the spin tests limit the safe maximum operating speed to 24000 rpm. The novelty of the work lies in the proof that the rigid bearing arrangement with an intermediate SynRM can be realized due to the high efficiency resulting from the low rotor losses of the SynRM and the use of an iron-nickel alloy as the spindle shaft material. The transition from conventional systems to more energy-efficient machines requires additional positive application aspects. With this new design, these are practically proven, so that a contribution is made to increasing the energy efficiency and reducing the CO2eq emissions of machine tools.

Englisch

Fachbereich(e)/-gebiet(e):

16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Institut für Produktionsmanagement und Werkzeugmaschinen (PTW)

Hinterlegungsdatum:

14 Okt 2024 06:49

Letzte Änderung:

16 Okt 2024 09:06

PPN:

522177514

Referenten:

Weigold, Prof. Dr. Matthias ; Möhring, Prof. Dr. Hans-Christian

Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: