DE102013221269A1 - Rolling bearing with electric generator - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Wälzlager (1) umfassend einen Innenring (2), einen Außenring (3), einen Lagerkäfig zur Aufnahme von mindestens einer Reihe von Wälzkörpern (5a, 5b), und Permanentmagnete (6), die mit einer Induktionsspule (7) zusammenwirken. Das erfindungsgemäße Wälzlager (1) zeichnet sich dadurch aus, dass die Induktionsspule (7) an dem Innenring (2) angeordnet ist und die Permanentmagnete (6) an dem Außenring (3) angeordnet sind.The invention relates to a rolling bearing (1) comprising an inner ring (2), an outer ring (3), a bearing cage for accommodating at least one row of rolling elements (5a, 5b), and permanent magnets (6) provided with an induction coil (7). interact. The rolling bearing (1) according to the invention is characterized in that the induction coil (7) on the inner ring (2) is arranged and the permanent magnets (6) on the outer ring (3) are arranged.
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wälzlager mit elektrischem Generator.The present invention relates to a rolling bearing with an electric generator.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Die Drehbewegung eines Wälzlagers kann im Betrieb elektrische Energie erzeugen. Hierzu kann ein elektrischer Generator baulich in das Wälzlager integriert werden. Ein solcher elektrischer Generator kann beispielsweise als Klauenpolgenerator, bei dem Permanentmagnete mit einer Induktionsspule zusammenwirken, ausgebildet sein. Bei einem Klauenpolgenerator umgeben zwei Klauenringe eine Induktionsspule, die die Drehachse des Wälzlagers umlaufen, wobei die beiden Klauenringe in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordnet sind. Die beiden Klauenringe und die Induktionsspule können beispielsweise an einem Lagerring befestigt werden. Steht eine erste Klaue des ersten Klauenrings einem ersten Pol, beispielsweise einem Nordpol, gegenüber, wird ein magnetischer Kreis über eine in Umfangsrichtung benachbarte zweite Klaue, nämlich eine Klaue des zweiten Klauenrings zu einem in Umfangsrichtung benachbarten zweiten, ungleichnamigen, magnetischen Pol, in diesem Fall einem Südpol, gebildet. Dreht sich der Lagerring mit den beiden Klauenringen weiter, steht die zweite Klaue dem Nordpol gegenüber und die erste Klaue einem Südpol, so dass sich die Richtung des die Induktionsspule umgebenden magnetischen Kreises umkehrt und in der Induktionsspule eine magnetische Spannung erzeugt wird. Diese Spannung kann beispielsweise über ein zugeführtes Kabel an der Induktionsspule abgenommen werden.The rotational movement of a rolling bearing can generate electrical energy during operation. For this purpose, an electric generator can be structurally integrated into the rolling bearing. Such an electric generator can be designed, for example, as a claw-pole generator, in which permanent magnets interact with an induction coil. In a claw pole generator, two claw rings surround an induction coil that orbits the axis of rotation of the roller bearing, the two claw rings being circumferentially offset from each other. The two claw rings and the induction coil can for example be attached to a bearing ring. When a first jaw of the first jaw ring faces a first pole, for example a north pole, a magnetic circuit becomes circumferentially adjacent a second claw, namely, a claw of the second claw ring to a circumferentially adjacent second non-correspondence magnetic pole, in this case a south pole, formed. If the bearing ring continues to rotate with the two claw rings, the second claw faces the north pole and the first claw a south pole, so that the direction of the magnetic circuit surrounding the induction coil reverses and a magnetic voltage is generated in the induction coil. This voltage can be removed for example via a supplied cable to the induction coil.
An Wälzlagern mit einem elektrischen Generator, beispielsweise Wälzlager mit einem Klauenpolgenerator, wird von der Praxis gefordert, eine konstante und ausreichend große Spannung zur Verfügung zu stellen, dabei die Standardabmessungen des Wälzlagers beizubehalten und eine einfache Spannungsabnahme zu ermöglichen. Bei ausschwenkbaren Wälzlagern wird von der Praxis zusätzlich gefordert, die Ausschwenkbarkeit durch die Integration des elektrischen Generators nicht wesentlich einzuschränken.On rolling bearings with an electric generator, such as bearings with a Klauenpolgenerator, is required by practice, to provide a constant and sufficiently large voltage, while maintaining the standard dimensions of the bearing and to allow easy voltage drop. In the case of swing-out roller bearings, it is additionally demanded by the practice that the swing-out capability should not be significantly restricted by the integration of the electric generator.
Bei Wälzlagern mit einem elektrischen Generator, insbesondere mit einer Induktionsspule und Permanentmagneten, bestimmt der verfügbare Bauraum die Dimensionierung des elektrischen Generators. Die Größe und Anzahl der Permanentmagnete und der Induktionsspule und somit die erzeugbare Energie sind daher begrenzt. Der elektrische Generator in einem Wälzlager wie in
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ausgehend von einem Wälzlager mit einem Klauenpolgenerator, eine Wälzlagerkonstruktion mit elektrischem Generator anzugeben, das eine höhere Energieerzeugung unter Einhaltung der Standardabmessungen und/oder nur geringfügig angepasste Standardwälzlagerkomponenten ermöglicht.The object of the invention is therefore, starting from a rolling bearing with a claw pole generator, to specify a rolling bearing construction with an electric generator, which enables higher energy production while maintaining the standard dimensions and / or only slightly adapted standard rolling bearing components.
Die Aufgabe wird gemäß Anspruch 1 dadurch gelöst, dass eine Induktionsspule am Innenring angeordnet ist und die Permanentmagnete am Außenring angeordnet sind.The object is achieved according to
Aufgrund der Relativbewegung des Außenrings, an dem die Permanentmagnete angeordnet sind, und des Innenrings beziehungsweise der Welle, an dem die Klauenringe mit der Induktionsspule angeordnet sind, lässt sich Energie erzeugen. Die Relativbewegung von Außenring und Innenring ist um etwa 50 Prozent höher als die Relativbewegung von Lagerkäfig und Innenring, wie es beispielsweise in
Falls die maximal erzeugbare Energie nicht erforderlich ist, kann alternativ die Dimension der Spule und/oder der Permanentmagnete vorteilhaft reduziert werden. Damit wird weniger Bauraum in Anspruch genommen und auch eine Abschirmung gegen beispielsweise die in Umfangsrichtung verlaufenden Wälzkörper wird erleichtert. Auch eine vorteilhafte Verringerung der Anzahl der Permanentmagnete ist möglich.If the maximum producible energy is not required, alternatively the dimension of the coil and / or of the permanent magnets can advantageously be reduced. This takes up less space and also a shield against, for example, extending in the circumferential direction rolling elements is facilitated. An advantageous reduction of the number of permanent magnets is possible.
Des Weiteren kann durch die höhere Relativbewegung von Außenring und Innenring und die damit verbundene kleinere Dimensionierung eines elektrischern Generators dieser auch in solche Wälzlager integriert werden, welche für eine Lösung nach dem Stand der Technik nicht genug Bauraum aufweisen.Furthermore, due to the higher relative movement of the outer ring and the inner ring and the associated smaller dimensions of an electric generator, they can also be integrated into those rolling bearings which do not have sufficient space for a solution according to the prior art.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Permanentmagnete über einen magnetisch leitfähigen Ring, beispielsweise aus Stahl gefertigt, miteinander verbunden. Ein solcher leitfähiger Ring stellt den magnetischen Rückschluss zwischen ungleichnamigen magnetischen Polen sicher. In one embodiment of the invention, the permanent magnets are connected to one another via a magnetically conductive ring, for example made of steel. Such a conductive ring ensures the magnetic inference between unlike magnetic poles.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die Permanentmagnete an einem ringförmigen Halter über dessen Umfang verteilt angeordnet. Hierbei ist der ringförmige Halter mit dem Außenring in Umfangsrichtung verdrehsicher verbunden.In a further embodiment of the invention, the permanent magnets are arranged distributed on an annular holder over its circumference. Here, the annular holder is connected to the outer ring in the circumferential direction against rotation.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der ringförmige Halter nicht magnetisch leitfähig, beispielsweise aus Messing gefertigt. Dadurch dass der ringförmige Halter nicht magnetisch leitfähig ist wird der magnetische Rückschluss besser sichergestellt. Der ringförmige Halter hat also eine Isolationsfunktion für den magnetischen Rückschluss, insbesondere gegen einen magnetisch leitfähigen Außenring und/oder Käfig mit aufgenommenen Wälzkörpern.In a further embodiment of the invention, the annular holder is not magnetically conductive, for example made of brass. The fact that the annular holder is not magnetically conductive, the magnetic return is better ensured. The annular holder thus has an insulating function for the magnetic yoke, in particular against a magnetically conductive outer ring and / or cage with recorded rolling elements.
Die Anordnung der Permanentmagnete kann an dem ringförmigen Halter erfolgen, während der magnetisch leitfähige Ring den magnetischen Rückschluss gewährleistet. Alternativ können die Permanentmagnete auf dem magnetisch leitfähigen Ring angeordnet werden, und der magnetisch leitfähige Ring ist an dem ringförmigen Halter angeordnet. Somit hat der magnetisch leitfähige Ring die weitere Funktion des Trägers der Permanentmagnete. Bei der Herstellung des Walzlagers kann der magnetisch leitfähige Ring mit den Permanentmagneten vorteilhaft vorab hergestellt werden und anschließend einfach an den ringförmigen Halter angeordnet werden.The arrangement of the permanent magnets can be made on the annular holder, while the magnetically conductive ring ensures the magnetic return. Alternatively, the permanent magnets may be disposed on the magnetically conductive ring, and the magnetically conductive ring is disposed on the annular holder. Thus, the magnetically conductive ring has the further function of the carrier of the permanent magnets. In the production of the rolling bearing, the magnetically conductive ring with the permanent magnets can advantageously be prepared in advance and then simply be arranged on the annular holder.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind zwei Reihen von Wälzkörpern vorgesehen. Hierbei ist der Lagerkäfig zwischen den zumindest zwei Reihen von Wälzkörpern in Umfangsrichtung in mindestens zwei Käfighälften geteilt und der ringförmige Halter erstreckt sich zwischen diese Käfighälften. Der ringförmige Halter, welcher am Außenring angeordnet ist, passiert also zwischen den Käfighälften vorteilhaft den in Betrieb langsamer rotierenden Käfig und ordnet die Permanentmagnete der Induktionsspule gegenüberliegend für die Erzeugung von Induktionsenergie an. Des Weiteren übernimmt der ringförmige Halter eine Führungsfunktion für die Käfighälften.In a further embodiment of the invention, two rows of rolling elements are provided. Here, the bearing cage between the at least two rows of rolling elements in the circumferential direction is divided into at least two cage halves and the annular holder extends between these cage halves. The annular holder, which is arranged on the outer ring, thus advantageously passes between the cage halves the slower in operation rotating cage and arranges the permanent magnets of the induction coil opposite to the generation of induction energy. Furthermore, the annular holder assumes a guiding function for the cage halves.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Verdrehsicherungselement in einer Außenringvertiefung aufgenommen. Das Verdrehsicherungselement fixiert damit den ringförmigen Halter gegen Verdrehung in Umfangsrichtung.In a further embodiment of the invention, an anti-rotation element is received in an outer ring recess. The anti-rotation element thus fixes the annular holder against rotation in the circumferential direction.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind der ringförmige Halter und das Verdrehsicherungselement so ausgebildet, dass der Außenring gegenüber dem ringförmigen Halter bzw. zur Hauptachse des Wälzlagers verkippbar ist. Ein Verkippen zur Hauptachse des Wälzlagers kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das Verdrehsicherungselement ohne Hauptachsenspiel in der Außenringvertiefung aufgenommen ist, wobei der ringförmige Halter ein Spiel in Richtung der Hauptachse des Wälzlagers erlaubt. Alternativ kann die Verdrehsicherung ohne Hauptachsenspiel fest mit dem ringförmigen Halter verbunden sein, wobei der Außenring ein Hauptachsenspiel mittels beispielsweise einer in der Hauptachse des Wälzlagers verlaufenden Nut erlaubt. Das Hauptachsenspiel erlaubt vorteilhaft, dass bei verkippen von Außenring gegenüber dem Innenring bzw. dem ringförmigen Halter der Abstand zwischen den Permanentmagneten und der Induktionsspule konstant bleiben kann.In a further embodiment of the invention, the annular holder and the anti-rotation element are formed so that the outer ring relative to the annular holder or to the main axis of the rolling bearing is tilted. Tilting to the main axis of the rolling bearing can be achieved, for example, that the anti-rotation element is accommodated without Hauptachsenspiel in the outer ring recess, wherein the annular holder allows play in the direction of the main axis of the bearing. Alternatively, the rotation without Hauptachsenspiel can be firmly connected to the annular holder, wherein the outer ring allows a Hauptachsenspiel by means of, for example, extending in the main axis of the rolling bearing groove. The main-axis clearance advantageously allows the distance between the permanent magnets and the induction coil to remain constant when tilting from the outer ring relative to the inner ring or the annular holder.
Insbesondere können Ausführungsformen der Erfindung mit einem Verdrehsicherungselement in Wälzlager mit einteiligem Außenring eingesetzt werden. Ein formschlüssiges Verspannen des ringförmigen Halters zwischen zwei Außenringhälften ist dabei beispielsweise nicht erforderlich.In particular, embodiments of the invention can be used with an anti-rotation element in rolling bearings with one-piece outer ring. A positive clamping of the annular holder between two outer ring halves is not required, for example.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Außenring mehrteilig und umfasst mindestens zwei Außenringhälften und der ringförmige Halter ist formschlüssig zwischen den Außenringhälften verspannt.In a further embodiment of the invention, the outer ring is multi-part and comprises at least two outer ring halves and the annular holder is clamped form-fitting between the outer ring halves.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Wälzlager als Pendelrollenlager ausgebildet. Solche Pendelrollenlager werden beispielsweise für die drehbare Lagerung von großbauenden Walzen eingesetzt. Eine mögliche Lageranordnung ist die drehbare Lagerung der Walze als Führungswalze für Papierbahnen, wobei ein Drucksensor auf der Mantelfläche der Führungswalze durch den elektrischen Generator des Wälzlagers energetisch beaufschlagt werden kann.In a further embodiment of the invention, the rolling bearing is designed as a spherical roller bearing. Such spherical roller bearings are used for example for the rotatable mounting of large-building rollers. A possible bearing arrangement is the rotatable mounting of the roller as a guide roller for paper webs, wherein a pressure sensor on the lateral surface of the guide roller can be energetically acted upon by the electric generator of the rolling bearing.
In weiteren Ausführungsformen der Erfindung können mehrreihige Wälzlager zwischen jeder Reihe von Wälzkörpern einen erfindungsgemäßen elektrischen Generator integriert haben.In further embodiments of the invention, multi-row rolling bearings between each row of rolling elements may have integrated an electric generator according to the invention.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Figuren dargestellt. Es zeigen:Hereinafter, an embodiment of the invention will be illustrated with reference to figures. Show it:
Detaillierte Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings
Des Weiteren zeigt
Erfindungsgemäß sind die Permanentmagnete
Der die Laufbahn überragende Teil des Verdrehsicherungselementes
Es versteht sich, dass erfindungsgemäß eine Sicherung des ringförmigen Halters
Bei Wälzlagern die nicht verkippbar ausgebildet sind und/oder nur ein geringes Verkippen erlauben/erfordern (nicht in
Alternativ bzw. zusätzlich (nicht in
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Wälzlagerroller bearing
- 22
- Innenringinner ring
- 33
- Außenringouter ring
- 3a3a
- AußenringhälfteOuter ring half
- 3b3b
- AußenringhälfteOuter ring half
- 4a4a
- Käfighälftecage half
- 4b4b
- Käfighälftecage half
- 5a5a
- Wälzkörperrolling elements
- 5b5b
- Wälzkörperrolling elements
- 66
- Permanentmagnetepermanent magnets
- 77
- Induktionsspuleinduction coil
- 88th
- Magnetisch leitfähiger RingMagnetically conductive ring
- 99
- Ringförmiger HalterRing-shaped holder
- 1010
- Verdrehsicherungselementanti-rotation
- 1111
- AußenringvertiefungOuter ring groove
- 1212
- Wellewave
- 1313
- Drehachseaxis of rotation
- 1414
- Luftspaltair gap
- 15a15a
- Spielgame
- 15b15b
- Spielgame
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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