DE102010050707A1

DE102010050707A1 - Wälzlager mit einem Direktantrieb

Info

Publication number: DE102010050707A1
Application number: DE102010050707A
Authority: DE
Inventors: Günter Schmid; Dr. Heinrich Wolfgang; Ralf Schüler; Christoph Frank
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG; INA Drives and Mechatronics GmbH and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-11-06
Filing date: 2010-11-06
Publication date: 2012-05-10
Also published as: WO2012059535A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager mit einer Direktantriebseinheit und ein Lagerring eines Wälzlagers. Das Wälzlager umfasst einen stehenden Lagerring (01), welcher mit mindestens einem Primärteil (07) der Direktantriebseinheit verbunden ist, einen als Sekundärteil ausgebildeten gegenüber dem stehenden Lagerring (01) drehbaren Lagerring (02) und Wälzkörper (04), die zwischen dem stehenden und dem rotierenden Lagerring angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist der drehbare Lagerring (02) mit Rotorpolen (06) versehen ist. Das Primärteil umfasst eine Statorwicklung (10) und überdeckt zumindest abschnittsweise die Rotorpole (06) des rotierenden Lagerringes (02).

Description

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager mit einem Direktantrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Gattungsgemäße Wälzlager umfassen einen feststehenden Lagerring, einen rotierbaren Lagerring, sowie dazwischen angeordnete Wälzkörper. Der feststehende Lagerring ist mit einem Primärteil einer Antriebseinheit verbunden, während der rotierbare Lagerring ein Sekundarteil bildet.
Typische Einsatzbereiche der Erfindung sind Maschinen, Automaten und Anlagen, bei denen Stoffe, Teile, Baugruppen, Geräte oder dergleichen auf einer Kreisbahn gefördert werden, oder aber Rahmen oder Gestelle positioniert werden müssen. Beispielsweise sind dies rotative, getaktete Montage- und Prüfautomaten, kontinuierlich betriebene Verkettungen, Handlingsanlagen, Roboteranwendungen, Wasserstrahl- und Laserschneidanlagen, medizinische Diagnosegeräte, Getränkeabfüllanlagen, Windkraftanlagen und Verpackungsmaschinen.
Aus der WO 2008/022737 ist ein sektionaler Antrieb eines Drehkranzes für eine Abfüllanlage bekannt. Das drehbare Maschinenteil trägt einen Kranz mit in regelmäßigen Abständen platzierten Elektro- oder Permanentmagneten. Dem Kranz gegenüber ist ein Stator am feststehenden Maschinenteil angeordnet. Der Stator ist in der Art eines Linearantriebs aufgebaut und gebogen, so dass er einen Sektor des Kranzes überdeckt. Bei sehr großen Drehtellern stellen die Permanentmagnete am drehbaren Maschinenteil ein erhebliches Gefahrenpotential für das Montage- und Bedienpersonal dar. Außerdem wird eine sehr große Anzahl an Permanentmagneten benötigt, was den Antrieb im Vergleich zum Servoantrieb enorm verteuert.
Aus dem Stand der Technik sind als rotative Direktantriebe so genannte Torque-Motoren bekannt. Dies sind meist flüssigkeitsgekühlte, hochpolige permanenterregte Drehstrom-Synchronmotoren, die besonders häufig angewendet werden für Rundtaktmaschinen, Drehtische, Schwenkachsen, Rundachsen, Revolverschaltung und Trommelschaltung bei Ein- und Mehrspindelmaschinen, dynamische Werkzeugmagazine und Drehspindeln in Fräsmaschinen. Der Rotor ist mit Permanentmagneten bestückt. Für eine komplette Antriebseinheit sind zusätzlich ein Lager und ein Gebersystem notwendig. Die Verbindung mit dem drehenden Maschinenteil und die Lagerung ist dabei bei sehr großen Durchmessern der anzutreibenden Maschinenteile sehr aufwendig.
Die EP 1 485 980 B1 zeigt einen Torque-Motor mit einem segmentierten Stator, wobei jedes der Statorsegmente eigenständig betriebsfähig ist und der Motor auch mit einem einzelnen Statorsegment betrieben werden kann. Der Rotor trägt die Permanentmagnete. Bei sehr großen Rotordurchmessern werden sehr viele Magneten benötigt, was den Rotor teuer und schwer macht.
Aus der DE 10 2004 045 992 A1 ist eine permanenterregte elektrische Maschine bekannt, bei der die Permanentmagneten (Erregung) und die Statorwicklung auf dem Primärteil angeordnet sind, während das Sekundärteil (Rotor) lediglich ausgeprägte Pole zur Führung des magnetischen Flusses besitzt. Die Druckschrift befasst sich in erster Linie mit Linearantrieben. Zur Lagerung des Sekundärteils gibt es keine Aussage.
Außerdem sind Lager kleinerer Bauart mit einem integrierten Motor oder Generator bekannt, bei denen meist Permanentmagnete auf dem drehenden Lagerring angeordnet sind, während der feststehende Lagerring den Stator mit Statorwicklungen darstellt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen rotativen Direktantrieb zu schaffen, der kostengünstig auch für sehr große Anlagen (Durchmesser des Rotors größer als 1 m) verwendbar sind und bei denen ein Gefährdungspotential für Bedienpersonal durch große Magnetfelder an beweglichen Teilen minimiert ist. Ein wichtiger Gesichtspunkt dabei sind die rotative Lagerung und der elektrische Antrieb des drehenden Maschinenoberteils, wobei die Lagerung die axiale Gewichtsbelastung des Maschinenoberteils und die Zentrierung desselben unterstützen soll, während der Antrieb eine kontinuierliche oder getaktete Bewegung und das erforderliche Drehmoment winkelsynchron zu angrenzenden Maschinenteilen zur Verfügung stellen soll.
Die Aufgabe wird durch ein Wälzlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Ein erfindungsgemäßes Wälzlager umfasst zunächst in bekannter Weise einen feststehenden und einen drehbaren Lagerring, zwischen denen Wälzkörper angeordnet sind. Der feststehende Lagerring ist mit einem Primärteil eines Direktantriebes drehfest verbunden. Das Primärteil umfasst vorzugsweise ein Blechpaket mit einer Statorwicklung. Die Lösung der Aufgabe gelingt dadurch, dass der drehbare Lagerring derart als Sekundärteil ausgebildet ist, dass auf einer dem Primärteil zugewandten Fläche ausgeprägte magnetisierbare Rotorpole und Nuten vorgesehen sind, die integral mit dem Lagerring ausgebildet sind. Die ausgeprägten Rotorpole sind dem Primärteil direkt gegenüberliegend angeordnet.
Die Rotorpole können vorzugsweise direkt bei der Fertigung des massiven Lagerrings in diesen eingearbeitet werden, und zwar durch spanabhebende oder spanlose Verfahren. Die Rotorpole sind in diesem Fall einstückig mit dem Lagerring geformt.
Es ist aber ebenso möglich, beispielsweise ein Blechpaket mit den Rotorpolen am Lagerring zu befestigen. In diesem Fall können Wirbelstromverluste klein gehalten werden.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der drehbare Lagerring der Außenring des Wälzlagers, wobei sich die ausgeprägten Rotorpole in radialer Richtung nach außen erstrecken, wobei das Primärteil die äußere Mantelfläche des Außenringes zumindest abschnittsweise umschließt.
In einer anderen Ausführungsform ist der Innenring drehbar und der Außenring feststehend. Hier werden die ausgeprägten Rotorpole an der inneren Fläche des drehbaren Innenrings in sich radialer Richtung nach innen erstreckend angeordnet, während die Primärteile innerhalb des Innenrings angeordnet sind.
In einer weiteren Ausführungsform verlaufen die ausgeprägten Rotorpole in axialer Richtung, sind also beispielsweise an der nach unten (oder oben beispielsweise für hängende Montagevorrichtungen) gerichteten Stirnseite des drehbaren Lagerringes ausgebildet. Die Primärteile sind entsprechend unterhalb (bzw. oberhalb) des drehbaren Lagerringes angeordnet. Vorteilhaft bei dieser Ausführungsform ist, dass der drehbare Lagerring über seinen gesamten Umfang frei zugänglich ist. Ein weiterer Vorteil wird darin gesehen, dass die Pole von Stator und Rotor an den einander gegenüberliegenden Flächen plan sind, was die Fertigung vereinfacht und damit die Herstellungskosten minimiert.
Der Direktantrieb kann als Synchronmaschine oder Reluktanzmaschine ausgeführt sein.
Bei der Synchronmaschine umfasst das Primärteil eine Statorwicklung und einen Erregerkreis. Der Erregerkreis ist vorzugsweise durch Permanentmagneten gebildet, kann aber ebenso eine elektrische Erregerwicklung sein. Der Erregerkreis ist bei dieser Variante nicht auf dem Sekundarteil vorgesehen, sondern in das Primärteil integriert. Durch die Verlagerung der Erregung in das Primärteil ist bei der Verwendung von Permanentmagneten eine wesentlich geringere Anzahl an Magneten erforderlich, als dies bei Magneten im Sekundärteil der Fall wäre. Außerdem werden beim drehenden Maschinenteil keine Magnete mehr bewegt, so dass das Gefährdungspotential erheblich verringert wird. Die Gewichtseinsparung am bewegten Maschinenteil ist ebenfalls ein entscheidender Faktor.
Bei der Reluktanzmaschine (vorzugsweise switched reluctance motor SRM) umfasst das Primärteil lediglich die Statorwicklung, welche entsprechend des Motortyps in bekannter Weise angesteuert wird. Dabei können entweder diametral gegenüberliegende oder nebeneinander liegende Statorwicklungen zur Ausbildung der Magnetpole verwendet werden.
Vorteilhafterweise ist eine Rotorlageerkennung vorgesehen, die vorzugsweise induktiv oder magnetoresistiv arbeitet. Die Rotorlageerkennung dient der korrekten Ansteuerung des Antriebs vorzugsweise mittels eines Stromrichters. In einer bevorzugten Ausführungsform basiert die Rotorlageerkennung auf der Zählung der vorbeiziehenden Rotorpole.
Der Fachmann kann die Dimensionierung der elektrischen Maschine bzw. des Primärteils und dessen Ansteuerung je nach Wahl der Motorart vornehmen, sodass diesbezüglich auf detaillierte Erläuterungen verzichtet wird.
Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere dann zu sehen, dass ein Direktantrieb für sehr große Durchmesser direkt in ein Lager integrierbar ist und dabei der drehende Lagerring, der gleichzeitig das Sekundärteil bildet, einfach und preiswert hergestellt werden kann.
Nachfolgend beschriebene Ausführungen beziehen sich auf die Realisierung einer Synchronmaschine mit Permanenterregung, wobei die Permanenterregung in den Stator verlagert ist.
Unter sehr großen Durchmessern sind hier Wälzkreisdurchmesser des Lagers von etwa einem bis fünf Meter zu verstehen. Die Ringhöhe solcher Wälzlager beträgt vorzugsweise etwa 25 bis 400 mm. Die Zahnperiode der Pole beträgt vorzugsweise etwa 10 bis 50 mm, während die Anzahl der Pole am drehbaren Lagerring bis zu 1600 bei dem größtmöglichen Durchmesser betragt. Es wird eine tangential wirkende elektromagentische Motorkraftdichte im Nennbetrieb von etwa 1 bis 2 N/cm² und im Spitzenbetrieb von etwa 4 bis 6 N/cm² erreicht.
Eine bevorzugte Ausgestaitungsvariante der Erfindung ist in den Figuren dargestellt. Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines Walzlagers mit Direktantrieb als Synchronmotor mit Permanenterregung im Primärteil im Querschnitt und in einer Draufsicht;
2: eine Detaildarstellung der Antriebskomponenten des in 1 gezeigten Walzlagers.
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Wälzlager mit einem Innenring 01 als feststehenden Lagerring und einem Außenring 02 als drehbaren Lagerring. Der Außenring 02 ist um eine Rotationsachse 03 drehbar. Zwischen Innenring 01 und Außenring 02 sind in bekannter Weise Wälzkörper 04 angeordnet.
Ein Wälzteilkreisdurchmesser D ist größer als 800 Millimeter und liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 1 bis 5 Meter.
Das in 1 beispielhaft dargestellte Wälzlager ist ein Vierpunktkugellager, welches auch als Drehverbindung oder Kugeldrehverbindung bezeichnet wird. Selbstverständlich kann die Erfindung auch auf andere Walzlagerbauarten angewendet werden, wie beispielsweise zweireihige Schragkugellager in O- oder X-Anordnung, Radial-Axial-Zylinderrollenlager, Kreuzlager oder andere Walzlager in vorgespannter Ausführung.
Der Außenring 02 wird vorzugsweise an seiner Oberseite mit dem Maschinenteil (nicht dargestellt) verbunden, das die Transport- bzw. Förderfunktion übernimmt. Der Außenring 02 ist in radialer Richtung außen mit ausgeprägten Rotorpolen 06 versehen, welche gleichmäßig um den Umfang des Außenringes 02 verteilt sind. Damit bildet der Außenring 02 ein Sekundärteil einer elektrischen Maschine.
Mit dem Innenring 01 sind mindestens zwei Primärteile 07 über eine Grundplatte 08 verbunden, welche das Sekundarteil bzw. den Außenring 02 abschnittsweise umschließen. Die Primärteile 07 umfassen Statorzähne 09 mit Statorwicklungen 10 und Permanentmagneten 11 und wirken mit dem drehbaren Außenring 02 nach dem elektromechanischen Wirkprinzip als Direktantrieb zusammen (siehe 2). Die Anordnung der Permanentmagneten 11 kann auch an anderer geeigneter Stelle im Blechpaket erfolgen.
Dem Fachmann sind die Prinzipien des Aufbaus eines Direktantriebes geläufig und er kann diesen den geometrischen und elektrischen Bedingungen anpassen.
Da sich die Primärteile 07 und der Außenring 02 magnetisch anziehen, sind sie so zueinander angeordnet, dass sich die magnetischen Anziehungskräfte kompensieren und somit keine zusätzliche Lagerbelastung hervorrufen. Bei zwei Primärteilen 07 sind diese diametral gegenüberliegend der Rotationsachse 03 angeordnet, bei drei Primärteilen um 120° zueinander versetzt, usw.
Die Größe des tangential wirkenden Motormomentes hängt unter anderem auch von der aktiven Luftspaltfläche ab. Das heißt, je langer und höher die Primärteile 07 sind, umso größer ist die Antriebskraft des Motors. Eine Höhe h des Primärteils 07 muss selbstverständlich auf die Höhe des Außenringes 02 abgestimmt sein.
An geeigneter Stelle zwischen den Primärteilen 07 oder auch in diese integriert, ist ein Abtastkopf 12 vorgesehen, vorzugsweise mit der Grundplatte 08 in geeigneter Weite verbunden, mit Hilfe dessen die Pole des Außenringes 06 abgetastet werden. Damit können die relative und/oder absolute Winkelposition des Außenringes 06, sowie gegebenenfalls die Drehzahl ermittelt werden.
Im Zusammenwirken mit einem Lageregelkreis erfolgt die Ansteuerung der Statorspulen 10 der Primarteile 07 je nach Antriebsausführung in bekannter Weise, um die Position des Außenrings 02 zu regeln. Das Winkelmesssystem kann auf dem induktiven oder magnetoresistiven Wirkprinzip beruhen, die beide gegen externe Umgebungseinflüsse robust sind und somit zuverlässig arbeiten.
2 zeigt eine Detaildarstellung des Primärteils 07 und des Außenrings 02 im Bereich einiger weniger Pole 06 und Statorzähne 09. Die Zahnperioden von Primärteil 07 und Außenring 02 sind nur geringfügig voneinander unterschiedlich, und zwar so, dass sich die Anzahl der Statorzähne 09 im Primarteil von der Anzahl der Pole 06 im Außenring 02 um ganze Zahlen unterscheiden, zum Beispiel um 1, 2 oder mehr. Jedenfalls ist keine der Anzahlen ein Vielfaches der anderen Pol- bzw. Zähnezahl. Der Unterschied zwischen den Polzahlen ist in jedem Fall kleiner als die Gesamtpolzahl von Primärteil oder Sekundärteil.
Die Nuten 13 zwischen den Polen 06 des Außenringes 02 können hier und auch bei allen Ausführungsformen mit einer Kunststoffvergussmasse oder ähnlichem vergossen sein, so dass die Verschmutzungsgefahr gering ist und die Wartung und Sauberhaltung erleichtert ist.
Das Primärteil 07 ist vorzugsweise aus einem Blechpaket gebildet. Die Wicklungen 10 sind in Nuten zwischen den Statorzähnen 09 vorgewickelt eingelegt oder direkt in diese eingewickelt. Die Wicklungen 10 sind vorzugsweise dreiphasig ausgeführt.
Es sind auch andere Motoraufbauten bekannt, bei denen beispielsweise die Statorzähne 09 mit den Wicklungen separat gefertigt werden und dann am Stator befestigt werden. Selbstverständlich können die Statorzähne auch mit Polschuhen versehen sein, um den Magnetfluss zu optimieren.
Die Permanentmagneten 11 sind an geeigneter Stelle in das Blechpaket eingebracht, so dass ein Erregerkreis gebildet ist, der eine magnetische Erregung des Sekundarteils ermöglicht und eine Überlagerung mit den Magnetfeldern der Statorspulen ermöglicht ist.
Bezugszeichenliste

01: Innenring
02: Außenring
03: Rotationsachse
04: Wälzkörper
05
06: Pol
07: Primärteil
08: Grundplatte
09: Statorzahn
10: Wicklung
11: Permanentmagnet
12: Abtastkopf
13: Nuten zwischen Polen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2008/022737 [0004]
EP 1485980 B1 [0006]
DE 102004045992 A1 [0007]

Claims

Walzlager mit einer Direktantriebseinheit umfassend: – einen stehenden Lagerring (01), welcher mit mindestens einem Primarteil (07) der Direktantriebseinheit verbunden ist; – einen als Sekundärteil ausgebildeten gegenüber dem stehenden Lagerring (01) drehbaren Lagerring (02); – Wälzkörper (04), die zwischen dem stehenden und dem rotierenden Lagerring angeordnet sind; dadurch gekennzeichnet, dass – der rotierende Lagerring (02) mit ausgeprägten magnetisierbaren Rotorpolen (06) versehen ist, die integral mit dem Lagerring ausgebildet sind; und dass – das Primarteil eine Statorwicklung (10) umfasst und zumindest abschnittsweise die Rotorpole (06) des rotierenden Lagerringes (02) überdeckt.
Wälzlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Primärteil (07) einen Erregerkreis umfasst.
Wälzlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Erregerkreis durch Permanentmagnete (11) gebildet ist.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet dass es einen Wälzteilkreisdurchmesser (D) hat, der gleich oder größer als 800 mm ist.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Primarteile (07) vorgesehen sind, die am Umfang des drehbaren Lagerringes (02) verteilt angeordnet sind.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorwicklung (10) auf Statorpolen (09) angeordnet ist, wobei die Anzahl der Statorpole (09) ungleich der Anzahl der Rotorpole (06) ist, wobei sich die Anzahl nur um ganzzahlige Pole unterscheidet und der Unterschied kleiner ist, als die Gesamtzahl der Pole des Primärteils oder des Sekundärteils.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die ausgeprägten Rotorpole (06) in radialer oder axialer Richtung erstrecken.
Wälzlager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der rotierende Lagerring (02) ein Außenring (02) ist und sich die ausgeprägten Rotorpole (06) in radialer Richtung nach außen erstrecken, wobei das Primärteil die äußere Mantelfläche des Außenringes (02) zumindest abschnittsweise umschließt.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der Rotorpole (06) 310 bis 1600 beträgt.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Polteilung der Rotorpole ca. 10 bis 50 mm beträgt.