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Kühlsysteme für hochgenaue Antriebssysteme
Autor: E. Müller, Technischer Support
Heutige Werkzeugmaschinen verlangen sehr kompakte, mit hohen Drehzahlen oder Drehmomenten arbeitende Antriebssysteme, welche
eines gemeinsam haben - sie benötigen um die gewünschte Leistung zu entfalten und so eine anspruchsvolle Werkstückqualität zu
garantieren, Kühlsysteme mit exakt einhaltbarer Kühlmitteltemperatur.
In den meisten Fällen genügen Systeme mit konstanter Leistung die in der Lage sind, die Vorlauftemperatur im Sekundärkreis in Grenzen
von wenigen Grad Kelvin zu halten.
Darüber hinaus gibt es jedoch Einsatzfälle, wo vorgenanntes nicht mehr genügt und deshalb die Kühlmitteltemperatur mittels einer Sensorik
in sehr engen Grenzen geregelt werden muss.
Olaer als Spezialist in Sachen Kühlsysteme, bietet fachkundige Beratung und für praktisch alle Anwendungen optimal ausgelegte
Kühlsysteme.
Anwendungsbeispiele:
1. Hauptspindelantrieb mit wassergekühltem Synchron- oder Asynchronmotor
Motor Merkmale
• Hohe Leistungsdichte
• Kleines Bauvolumen
• Niedriger Geräuschpegel
• Hohe Schutzart
• Keine therm. Belastung der Anbauteile
• Einsatz als Dreh-, Fräs- oder Schleifspindelantrieb
Kühlsystem Anforderungen
• Temperaturgenauigkeit +/- 4 K
• Wasservorlauftemperatur 25° C
• Kühlmittelmenge 4 - 12 l/min
• Kühlmitteldruck 1 – 3 bar
Die Olaer-Lösung entspricht dem
Schema Bild 4 mit Option V1
2. Hochgeschwindigkeits-Frässspindel
Spindel Merkmale
• Drehzahlbereich > 45000 min-1
• Höchste Schnittgeschwindigkeit
• Kurze Bearbeitungszeiten
• Kleine Zerspankräfte
• Höchste Oberflächengüte
• Kompakte Baumasse
• Integriertes Werkzeugspannsystem
• Einsatz in HSC-Fräsmaschinen
Kühlsystem Anforderungen
• Temperaturgenauigkeit +/- 0,5 K
• Wasservorlauftemperatur 20 - 25° C
• Kühlmittelmenge bis 25 l/min
• Kühlmitteldruck 2 - 5 bar
Die Olaer-Lösung entspricht dem
Schema Bild 4 mit Option T2 u. V1
3. Drehtisch mit Torquemotor
Torquemotor Merkmale
• Absolut spielfreie Drehzahlregelung
• Kein mechanisches Getriebe
• Verschleissfrei
• Sehr grosses Drehmoment
• Hohe Beschleunigung
• Höchste Systemsteifigkeit
• Kompakte Baumasse
• max Drehzahl 180 min-1
• min Drehzahl 1 Umdrehung / Stunde
Kühlsystem Anforderungen
• Temperaturgenauigkeit +/- 1 K
• Wasservorlauftemperatur 20° C
• Kühlmittelmenge ca 20 l/min
• Kühlmitteldruck 0,5 – 2 bar
Die Olaer-Lösung entspricht dem
Schema Bild 4 mit Option T2 u.V1
Kühlmittelanschluss
Torquemotor
4. Standard-Kühlsystem
Systembeschreibung:
System mit Primär- und Sekundärkreis.
Für den Anwender ist in erster Linie der Sekundär- d.h. der
Kühlmittelkreislauf wichtig. Zu diesem gehören folgende
Elemente:
Tank, Füllstandswächter, Temperaturregler,
Kühlmittelpumpe u. Strömungswächter.
Ergänzend zu dieser Standardausrüstung gibt es folgende
Optionen:
• T1 = Vorlauftemperatur +/- 0,5 K
• T2 = Vorlauftemperatur +/- 1 K
• V1 = manuelles Mengenregelventil
im Kühlmittelrücklauf
• H1 = Heizung bei Temp. < 19° C
Weitere Daten entnehmen Sie bitte unserer
Produktinformation.
Kühlmittelkreislauf (Sekundär)
Die Kühlmittelpumpe fördert das Kühlmittel vom Wassertank
zur Spindel. Die Spindel gibt ihre Verlustwärme ans
Kühlmittel ab, das anschliessend durch den Verdampfer
des Kompressorkühlaggregates strömt, wobei die
Wärmeübertragung auf das flüssige Kältemittel stattfindet
welches dadurch verdampft.
Abgekühltes Kühlmittel fliesst zum Tank zurück.
Kühlmittelkreislauf (Sekundär)
Die Kühlmittelpumpe fördert das Kühlmittel vom Wassertank
zur Spindel. Die Spindel gibt ihre Verlustwärme ans
Kühlmittel ab, das anschliessend durch den Verdampfer
des Kompressorkühlaggregates strömt, wobei die
Wärmeübertragung auf das flüssige Kältemittel stattfindet
welches dadurch verdampft.
Abgekühltes Kühlmittel fliesst zum Tank zurück.
5. Kühlmittelanforderungen
Das im Kühlsystem eingesetzte Kühlmittel auf Wasserbasis, muss folgenden Anforderungen entsprechen:
• Muss Nitrit frei sein
• Biologisch abbaubar sein
• Korrosionsschutz bieten
• Vollsynthetisch sein
• Eine Reinheit mit einer Partikelgrösse < 100 μm haben
Wir empfehlen den Kühlmittelzusatz Coolant-F oder ein gleichwertiges Produkt welches zu 5% dem sauberen Leitungswasser beigemischt
wird.
6. Projektierungsbeispiel
Bei immer steigenden Anforderungen an Genauigkeit, Abtragsleistung und Langzeitverhalten von Werkzeugmaschinen muss das Ziel sein,
ein der jeweiligen Belastung des Antriebs sich weitgehend selbst anpassendes Kühlsystem einzusetzen.
Für eine fundierte Systemauslegung ist die genaue Kenntnis der Anforderungsdaten und das Einplanen einer Leistungsreserve für ein
vorübergehend höheres Drehmoment sehr wichtig.
Beispiel Torquemotor:
MKon
MP
nN
nMax
PVM
ΔTM
QW
Δp
ΔTU
PV4
TKV
Cp
γ
= 227 Nm
= 466 Nm
= 12 min-1
= 180 min-1
= 950 W
= 50,3 K
= 5,9 l/min
= 0,4 bar
=8K
= 1648 W
= 20°C
= 4,19 kJ/kg K
= 1 kg/l
Kontinuierliches Moment
Peakmoment
Nenndrehzahl
max Drehzahl
Verlustleistung bei MKon
Temperaturerhöhung am Statorgehäuse durch PVM bezogen auf 20°C
Kühlmitteldurchflussmenge
Druckabfall bei QW
Temperaturdifferenz Lagergehäuse - Umgebung ( Projektierungsvorgabe )
Verlustleistung bei QW , Δp und ΔT = 4 K
Kühlmittel Vorlauftemperatur
Spezifische Wärme von Wasser
Dichte von Wasser
Um sicherzustellen, dass das vorgegebene ΔTU auch in der Einschalt- bzw. Einfahrphase z.B. bei Schichtbeginn, wo praktisch
Kühlschmiermittel, Kühlmittel, Drehtischgehäuse und Umgebung gleiche Temperatur aufweisen, eingehalten werden kann und auch
genügend Reserve für eine Leistungssteigerung vorhanden ist, hat sich in der Praxis als vorteilhaft erwiesen, wenn bei der Projektierung
das ΔT im Kühlmittelkreislauf mit 50% von ΔTU angenommen wird.
In unserem Beispiel ist ΔTU = 8 K d.h. ΔT im Kühlmittelkreislauf sollte 4 K nicht überschreiten.
Die Verlustleistung PVM bezieht sich auf das kontinuierliche Moment MKon welches quasi einen Mittelwert darstellt und durchaus
bei bestimmten Arbeitszyklen über eine längere Zeit überschritten werden kann. Ist dies der Fall, z.B. wenn sich M infolge höherer
Schnittkräfte um 25% erhöht, nimmt die Verlustleistung um den Faktor 1,56 ( 1,252 ) zu. Somit muss das Kühlaggregat eine angepasste
Kühlleistung von 950 * 1,56 = 1482 W erbringen.
Die automatische Anpassung der Kühlleistung wird dadurch erreicht, dass das Kühlaggregat ungeachtet des sich ändernden ΔT die
Vorlauftemperatur des Kühlmittels in sehr engen Grenzen bei 20°C konstant hält.
Unter Berücksichtigung dieser Kriterien ergibt sich folgende Ueberschlagsrechnung:
a) ΔTKon Differenz Vorlauf- zu Rücklauftemperatur bei MKon
ΔTKon = PVM * 60 / QW1 / Cp / γ = 0,950 * 60 / 5,9 / 4,19 / 1 = 2,3 K
b) ΔTR25 inkl. 25% Drehmomentreserve
ΔTR25 = PVMR * 60 / QW1 / Cp / γ = 1,482 * 60 / 5,9 / 4,19 = 3,6 K < 4 K
Eine relativ einfache Möglichkeit am bestehenden Objekt den Abtransport der Verlustleistung PVM zu steigern, ohne dabei ΔT zu erhöhen,
bietet die Erhöhung der Durchflussmenge QW was jedoch einen höheren Druckabfall und damit verbunden, höheren Förderdruck und
grössere Fördermenge der Kühlmittelpumpe zur Folge hat ( beachte hierzu auch Pkt.7 ).
In der Praxis wird ΔT immer kleiner dem errechneten Wert sein, da die gesamte Abstrahlleistung nicht berücksichtigt wurde. Bei der
Leistungsauslegung des Kühlaggregats bleibt diese ebenfalls unbeachtet!
Die Abstrahlleistung PA wird stark von der Statoranbindung und der Kühlfläche beeinflusst, sie beträgt bei heute üblichen Konstruktionen 10
- 22% von PVM
PA ist verantwortlich für die Erwärmung des Gehäuses und somit für die Einhaltung von ΔTU !
Wie aus dieser Recherche ersichtlich, ist die Kenntnis der Leistungsdaten und daraus resultierend, die Einhaltung einer konstanten
Vorlauftemperatur funktionsentscheidend.
Olaer als Ihr Partner kann hier Wesentliches beitragen.
7. Systemlösung
Wirtschaftlich betrachtet ist es vorteilhaft, möglichst alle zu kühlende Verbraucher einer Maschine mit einem gemeinsamen
Kühlsystem zu kühlen.
Dabei gilt es zu beachten, dass zwecks optimaler Leistungsauslegung, der Druckverlust aller Verbraucher annähernd gleich
sein sollte.
In der Praxis haben sich Werte von 0,4 – 1,5 bar bewährt.
Merkmale:
• Für jeden Verbraucher eine eigene Zu- u. Rückleitung
• Im Rücklauf je ein Durchflusswächter u. ein Mengenregler
• Spindelkühlung nicht mit Werkzeugkühlung koppeln
• Potentialfreier Meldekontakt zur PLC
• Linearmotor mit Zweikreiskühlsystem ( Motor u. Kühlplatte )
• Kühlaggregat mit autom. Anpassung der Kühlleistung
8. Zusammenfassung
Zwecks Einhaltung hoher Anforderungen an Qualität und Leistung heutiger Werkzeugmaschinen ist es unumgänglich, dass die durch die
Antriebe entstehende Verlustleistung - sprich Wärme - vollkommen durch dafür geeignete Kühlsysteme absorbiert wird.
Unterstreichen möchten wir dies mit einem kleinen Beispiel zum Torquemotor Bild 3.
Der Aussenring des Radial-Axial-Lager ist fest mit dem Gehäuse verbunden und hat einen Innendurchmesser von 270 mm und eine Dicke
von 20 mm. Durch zusätzliche Erwärmung
( Statorübertragung ) um 6 K gegenüber dem Innenring ergibt sich ein Radialspiel von 19 μm was einer möglichen Achsverlagerung von 3
μm entspricht!
Aus vorgenannten Beispielen ist ersichtlich, wie wichtig für die Projektierung eine genaue Kenntnis aller Anforderungen ist.
Zusammenfassung der für die Auslegung des Kühlsystem wichtigsten Kriterien:
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Anzahl Verbraucher
Kühlleistung PV / Verbraucher
ΔT pro Verbraucher
Durchflussmenge QW / Verbraucher
Druckabfall Δp bei QW / Verbraucher
Förderdruckreserve, Differenz Δpmax zu Kühlmittelpumpendruck
Reservekühlleistung als Faktor z.B. 1,56 bei 25% Drehmomentreserve
Kühlmitteltemperatur in °C
TU Umgebungstemperatur in °C min / max
Toleranz der Kühlmitteltemperatur in K ( Grad-Kelvin )
Olaer verfügt über das notwendige Know-how um für Ihre Maschinenbedürfnisse ein optimales Kühlsystem auszulegen und die
Kompetenz, dieses in hervorragender Qualität termingerecht zu liefern.
OLAER Schweiz AG
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