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Die
Erfindung betrifft ein Fanglager zum Auffangen einer Rotorwelle
einer Maschine.
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Zur
Lagerung der rotierenden Rotorwelle bei einer Maschine werden heutzutage
immer öfter
Magnetlager zur betriebsmäßigen Lagerung
der Rotorwelle eingesetzt, die mit Hilfe magnetischer Felder die
rotierende Rotorwelle in einem Schwebezustand halten. Bei Ausfall
des Magnetlagers, z. B. infolge eines Stromausfalls, fällt die
Rotorwelle in ein Fanglager und wird von diesem aufgefangen. Ein
Fanglager dient solchermaßen
zum Auffangen der Rotorwelle. Das Fanglager übernimmt bis zu einem vollständigen Anhalten
der Rotorwelle temporär
die Lagerung der Rotorwelle. Fanglager müssen zum Einen den Stoß beim Absturz
der rotierenden Rotorwelle in das Fanglager aushalten und zum Anderen
ein sicheres Austrudeln der Rotorwelle in dem Fanglager gewährleisten.
Das Fanglager weist hierzu einen im Vergleich zum Rotorwellendurchmesser
geringfügig
größeren Innendurchmesser
auf, so dass die Rotorwelle im Normalbetrieb, d. h. bei aktivem
Magnetlager, das Fanglager nicht berührt. Üblicherweise ist das Fanglager
im Bereich des jeweiligen Endes der Rotorwelle im Ständergehäuse der
Maschine untergebracht.
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Fanglager
müssen
zum einen den Stoß bei Absturz
der rotierenden Rotorwelle in das Fanglager aushalten, und zum anderen
ein sicheres Austrudeln der Rotorwelle in dem Fanglager gewährleisten.
Dabei werden die Fanglager erheblichen Belastungen ausgesetzt, die
zu einem starken Verschleiß der Fanglager
führen.
Durch Verschleiß verkürzt sich
die Lebensdauer der Fanglager, wobei im ungünstigsten Fall die Fanglager
wegen des Verschleißes
bereits nach einem Auslauf der Rotorwelle für den nächsten Absturz der Rotorwelle
nicht mehr einsatzfähig
sind.
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Der
Verschleiß wird
bei Kugellagern durch ungünstige
Abrollbedingungen im Lager hervorgerufen oder durch Verschleiß, der aufgrund
von sogenannten Pittings in der Laufbahn der Kugeln entsteht. Die
Pittings entstehen durch eine hohe Flächenpressung an der jeweiligen
Berührstelle
der Kugeln mit der Laufbahn bei einem Absturz der Rotorwelle und/oder
einem unkontrollierten Schlagen der Rotorwelle im Fanglager. An
den Pittings entsteht, wenn die Kugeln die Pittings überrollen,
ein starker und schnell fortschreitender Verschleiß des Fanglagers. Die
Möglichkeit,
den Verschleiß zu
minimieren, z. B. durch Fettung oder Ölschmierung kann bei dem besonderen
Einsatz eines Kugellagers als Fanglager nicht durchgeführt werden.
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Die
als Fanglager verwendeten Kugellager sind in der Regel im Allgemeinen
Präzisionsspindellager,
die insbesondere bei einer Rotorwelle, die sich mit hoher Drehzahl
dreht, häufig
verwendet werden. Dabei sind in Allgemeinen oftmals Genauigkeiten
der Lagertoleranzen von < 0,5 μm erforderlich.
Insbesondere bei diesen Kugellagern sind sehr genaue Toleranzen
der Abmessungen der Kugel, der Laufbahnen und des Innenrings einzuhalten,
damit gleichmäßige Abrollbedingungen
entstehen. Bei einer herkömmlichen
Verwendung der Kugellager als Präzisionsspindellager
ist der Innenring auf die rotierende Welle aufgeschrumpft und somit
in seiner Form als Ring durch die runde Welle stabilisiert. Der
Innenring kann somit maximal eine Formabweichung aufweisen, die dem
Formfehler der Welle von der idealen Kreisform am Einbauort des
Kugellagers entspricht.
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Bei
einem Fanglager aber, bei dem die Rotorwelle bei einem Absturz der
Rotorwelle nur mit einer Linienauflage den Innenring des Fanglagers
belastet, kann sich der Innenring elastisch oder sogar plastisch
verformen. Durch diese Verformung wird die Präzision des Fanglagers, und
damit die gewollten Abrollbedingungen der Kugeln gestört. Wenn
die Abrollbedingungen gestört
sind, kommt es insbesondere vor allem bei käfiglosen Kugellagern zum Klackern
der Kugeln untereinander, was den Verschleiß des als Fanglager verwendeten
Kugellagers extrem erhöht.
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Um
das Problem der hohen Flächenpressung,
welche bei einer Stoßbelastung
bei einem Absturz der Rotorwelle auftritt, in den Griff zu bekommen,
ist ein elastischer Einbau des Fanglagers im Fanglagerträger, bekannt.
Bei dieser Lösung
bleibt das Problem der Verformung des Innenrings erhalten und der
Einbau der Nachgiebigkeit des Fanglagers zum Fanglagerträger hat
nur einen begrenzten unzureichenden Effekt.
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Weiterhin
ist bekannt, das Problem der hohen Flächenpressung bei Stoßbelastung
durch Verändern
der Schmiegung der Kugeln des Kugellagers zu lösen. Das Problem dabei ist,
dass eine größere Schmiegung
(Quotient zwischen Laufbahnradius und Kugeldurchmesser), gegenläufig zur
erreichbaren Drehzahl ist. Das Fanglager kann somit entweder nur optimal
für die
notwendige Drehzahl oder nur optimal für die auftretende Stoßbelastung
ausgelegt werden.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein verschleißarmes Fanglager zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch Fanglager zum Auffangen einer Rotorwelle einer Maschine, wobei
das Fanglager einen Außenring
und einen gegenüber
dem Außenring
rotierbar angeordneten Innenring ausweist, wobei zwischen dem Außenring
und dem Innenring Kugeln angeordnet sind, wobei der Innenring einen
ersten Ring und einen um den ersten Ring angeordneten zweiten Ring
aufweist, wobei der erste Ring über
ein elastisches Element mit dem zweiten Ring verbunden ist.
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Vorteilhafte
Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Es
erweist sich als vorteilhaft, wenn das elastische Element in Form
einer elastischen Schicht ausgebildet ist. Hierdurch wird eine besonders
einfache Realisierung des erfindungsgemäßen Fanglagers ermöglicht.
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In
diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn die elastische
Schicht aus Kunststoff oder aus einem weichen Metall besteht, da sich
dann das Fanglager besonders kostengünstig realisieren lässt.
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Ferner
erweist es sich als vorteilhaft, wenn das elastische Element als
Federelement ausgebildet ist, da bei einer Ausführung des elastischen Elements
als Federelement Stoßbelastungen
besonders gut aufgefangen werden können.
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In
diesem Zusammenhang erweist es sich als vorteilhaft, wenn das Federelement
in Form einer Wellfolie oder in Form einer Blattfederanordnung ausgebildet
ist. Eine Ausbildung des Federelements als Wellfolie oder in Form
einer Blattfederanordnung stellt eine besonders einfache Realisierung
des Federelements dar.
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Weiterhin
erweist es sich als vorteilhaft, wenn das elastische Element in
Form eines Stegs ausgebildet ist, der den ersten und den zweiten
Ring an einer Seite des ersten und des zweiten Rings verbindet.
Durch diese Maßnahme
lässt sich
ein besonders einfach aufgebautes Fanglager realisieren.
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Ferner
erweist es sich als vorteilhaft, eine Maschine auszubilden, die
das erfindungsgemäße Fanglager
aufweist. Die Maschine weist dabei vorzugsweise ein Magnetlager
zur betriebsmäßigen Lagerung
der Rotorwelle auf. Die Maschine kann z. B. als Elektromotor oder
Generator oder Kompressor oder Verdichter oder als Turbine ausgebildet
sein. Die Maschine kann insbesondere als Windkraftgenerator ausgebildet
sein.
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Drei
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden
näher erläutert. Dabei
zeigen:
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1 eine
schematisierte Ansicht einer Maschine, die ein Fanglager aufweist,
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2 eine
perspektivische Darstellung einer Maschine, die ein aus dem Stand
der Technik bekanntes Kugellager als Fanglager aufweist,
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3 eine
schematisierte Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Fanglagers,
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4 ein
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Fanglagers,
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5 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Fanglagers,
und
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6 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Fanglagers.
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In 1 sind
in Form einer schematisierten Darstellung die für das Verständnis der Erfindung wesentlichen
Elemente einer Maschine 1 dargestellt, die im Rahmen des
Ausführungsbeispiels
als Elektromotor ausgebildet ist. Andere Elemente der Maschine,
wie z. B. Läuferjoch
etc., sind der Übersichtlichkeit
halber und da zum Verständnis
der Erfindung unwesentlich nicht in 1 dargestellt.
Die Maschine 1 weist eine rotierbar angeordnete, mittels
eines Magnetlagers 4 gelagerte Rotorwelle 3 auf,
die im Betrieb der Maschine 1 um eine Rotationsachse R
rotiert.
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Ein
Magnetlager 4 hält
die Rotorwelle 1 mit einem geregelten Magnetfeld in einem
Luftspalt 15 in Schwebe. Das Magnetlager 4 weist
hierzu als wesentliche Elemente Spulen zur Erzeugung des Magnetfelds
auf.
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Neben
dem Magnetlager 4 weist die Maschine 1 ein Fanglager 2 auf,
das bei einem Ausfall des Magnetlagers 4 die Rotorwelle 1 auffängt, wenn
diese in das Fanglager 2 fällt, wobei das Fanglager die Lagerung
der Rotorwelle 3 bis zum Stillstand übernimmt. Ein solcher Ausfall
des Magnetlagers 4 kann z. B. bei einem Stromausfall der
Maschine 1 und damit des Magnetlagers 4 auftreten.
Es sei dabei an dieser Stelle angemerkt, dass das Fanglager 2 und das
Magnetlager 4, in der schematisierten Schnittansicht in 1,
nur symbolisch in Form von Rechtecken dargestellt sind.
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Weiterhin
weist die Maschine 1 ein ruhendes Maschinengehäuse 14 auf,
an dem das Fanglager 2 befestigt ist, wobei die Befestigung
zwischen Fanglager 2 und Maschinengehäuse 14 der Übersichtlichkeit
halber in 1 nicht dargestellt ist.
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Zwischen
dem Fanglager 2 und der Rotorwelle 3 ist ein Luftspalt 9 angeordnet.
Bei einem angeschalteten und ordnungsgemäß funktionierenden Magnetlager 4 hat
das Fanglager 2 keine Berührung mit der Rotorwelle 3.
Bei einem Versagen des Magnetlagers 4, z. B. infolge eines
Stromausfalls, fällt
die Rotorwelle 3 in das Fanglager 2 hinein und
es kommt zu einem mechanischen Kontakt der rotierenden, insbesondere
schnell rotierenden, Rotorwelle 3 mit dem Innenring 7 des
Fanglagers 2. Im Falle des erfindungsgemäßen Fanglagers 2' kommt zu einem mechanischen
Kontakt zwischen dem ersten Ring 11 des Innenrings 7' des erfindungsgemäßen Fanglagers 2' (siehe 3)
und der im Betrieb der Maschine 1 rotierenden, insbesondere
schnell rotierenden, Rotorwelle 3.
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In 2 ist
in Form einer perspektivischen Darstellung das Fanglager 2 detaillierter
dargestellt, wobei das Fanglager 2 in 2 als
ein aus dem Stand der Technik bekanntes Kugellager ausgebildet ist.
Das Fanglager 2 weist einen Außenring 6 und einen
gegenüber
dem Außenring 6 rotierbar
angeordneten Innenring 7 auf, wobei zwischen dem Außenring 6 und
dem Innenring 7 Kugeln 8 angeordnet sind. Das
Fanglager ist von außen
mit einem Lagerschild 10 abgedeckt. Das Fanglager 2 ist über einen Fanglagerträger 5 mit
einem Gehäuseteil 14' verbunden,
wobei der Fanglagerträger 5 Bestandteil
des Gehäuses
der Maschine ist.
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Die
Erfindung löst
das Problem durch die Verwendung eines aus mehreren Lagen aufgebauten Innenrings.
In 3 ist das erfindungsgemäße Fanglager 2' in Form einer
schematisierten Schnittdarstellung, die quer zur Rotationsachse
R verläuft,
dargestellt. Das erfindungsgemäße Fanglager
ist dabei im Rahmen des Ausführungsbeispiels,
wie das in 2 dargestellte aus dem Stand
der Technik bekannte Fanglager 2 ausgebildet, wobei jedoch
erfindungsgemäß, im Gegensatz
zum Aufbau des Innenrings gemäß 2,
der erfindungsgemäße Innenring 7' des erfindungsgemäßen Fanglagers 2' einen ersten
Ring 11 und einen um den ersten Ring 11 angeordneten zweiten
Ring 13 aufweist, wobei der erste Ring 11 über ein
elastisches Element 12 mit dem zweiten Ring 13 verbunden
ist. Gleiche Elemente sind in 3 mit den
gleichen Bezugszeichen versehen wie in 2. Um den
Innenring 7' ist,
wie bei dem bekannten Fanglager 2 gemäß 2, der Außenring 6 angeordnet.
Der erfindungsgemäße Innenring 7' ist gegenüber dem
Außenring 6 rotierbar
angeordnet, wobei zwischen dem Außenring 6 und dem
Innenring 7' Kugeln 8 angeordnet
sind.
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Durch
die Verwendung eines, vorzugsweise zwischen dem ersten und dem zweiten
Ring angeordneten, elastischen Elements 12 wird die Verformung,
die durch die Stoßbelastung
des ersten Rings 11 auftritt, nicht oder nur stark reduziert
auf den zweiten Ring 13 übertragen. Die Abrollpräzision des
als Kugellager ausgebildeten erfindungsgemäßen Fanglagers 2' wird somit
nicht gestört.
Die auftretenden Stoßkräfte, welche
beim Absturz der Rotorwelle in das Fanglager auftreten, werden gedämpft und
somit die Entstehung von Pittings minimiert oder im Idealfall verhindert.
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In 4 ist
in Form einer schematisierten Darstellung ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Innenrings 7' dargestellt,
wobei im Rahmen dieser Ausführungsform
der Erfindung das elastische Element 12 in Form einer elastischen
Schicht 12' ausgebildet
ist, die zwischen dem ersten Ring 11 und dem zweiten Ring 13 angeordnet
ist. Die elastische Schicht ist dabei vorzugsweise aus Kunststoff oder
aus einem weichen Metall, wie z. B. Kupfer, Blei oder Zinn, ausgebildet.
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In 5 ist
eine weitere Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Innenrings 7' dargestellt, wobei
gemäß 5 das
elastische Element 12 (siehe 3) als Federelement 12'' ausgebildet ist, das zwischen
dem ersten Ring 11 und dem zweiten Ring 13 angeordnet
ist. Das Federelement 12' kann
dabei z. B. in Form einer Wellfolie (z. B. gewellte Folie) oder in
Form einer Blattfederanordnung, d. h. aus mehreren Blattfedern bestehend,
ausgebildet sein.
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In 6 ist
eine weitere Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Innenrings 7' dargestellt. Das
elastische Element 12 gemäß 3 ist im
Rahmen dieser Ausführungsform
in Form eines Stegs 12''', ausgebildet, der den ersten Ring 11 und
den zweiten Ring 13 an einer Seite A des ersten und des zweiten
Rings verbindet. Solchermaßen
ist im Rahmen dieser Ausführungsform
der Innenring 7' u-förmig ausgebildet. 6 zeigt
dabei eine Schnittansicht längs
zur Rotationsachse R, wobei zur besseren Orientierung die Kugeln 8 ebenfalls
dargestellt sind. Im Rahmen dieser Ausführungsform kann der Innenring,
wie in 6 dargestellt, vorzugsweise auch einstückig ausgebildet
sein, indem z. B. aus dem Material des Innenrings eine entsprechende Ausnehmung 16 herausgefräst wird
und so der erste Ring 11, der zweite Ring 13 und
der Steg 12''' entstehen. Durch entsprechende
Wahl der Dicke d des Stegs 12''' lässt sich
die Elastizität
des Stegs 12''' und somit des Innenrings 7' wählen. Der
Steg 12''' hat dabei im Rahmen des Ausführungsbeispiels
die Form eines Rings. Selbstverständlich können aber auch mehrere Stege
vorhanden sein, indem z. B. der entsprechende Ring durch mehrere
voneinander getrennte Ringsegmente gebildet wird, wobei jedes Ringsegment
einen einzelnen Steg bildet. Selbstverständlich können der erste Ring 11,
der zweite Ring 13 und der Steg 12''' aber auch in
Form von Einzelelementen welche über
geeignete Verbindungen (z. B. Schraubeverbindungen) miteinander
verbunden werde, realisiert sein.
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Das
erfindungsgemäße Fanglager 2' kann dann entsprechend
dem in 1 und 2 dargestellten Fanglager 2 in
die Maschine 1 eingebaut sein.
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Durch
die Erfindung werden durch die Stoßbelastung entstehende Pittings
vermieden. Weiterhin kommt es zu keiner Störung der Fanglagerkinematik infolge
eines deformierten Innenrings. Die Erfindung ermöglicht ein verschleißarmes und
kinematisch gut funktionierendes Kugellager bei einer Verwendung als
Fanglager.
