DE102013221271A1

DE102013221271A1 - Wälzlager mit integriertem elektrischem Generator in modularer Bauweise

Info

Publication number: DE102013221271A1
Application number: DE201310221271
Authority: DE
Inventors: Thomas Rink
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2013-10-21
Filing date: 2013-10-21
Publication date: 2015-04-23
Also published as: WO2015058762A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wälzlager (01) umfassend zwei Lagerringe (02, 03) und einen zwischen den Lagerringen (02, 03) angeordneten Käfig (04) zur Aufnahme von Wälzkörpern (05) sowie einen in das Wälzlager (01) integrierten elektrischen Generator (07) mit einer Reihe von Permanentmagneten (08) und einer Reihe von Zähnen (09), welche jeweils eine Spulenwicklung (15) tragen und in Umfangsrichtung an einem der beiden Lagerringe (02, 03) angeordnet sind. Das erfindungsgemäße Wälzlager zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der zur Aufnahme der Zähne (09) dienende Lagerring (02, 03) eine umlaufende Nut (10) zur Aufnahme der Zähne (09) aufweist, und dass die Permanentmagnete (08) am Käfig (04) oder am anderen der beiden Lagerringe (02, 03) in Umfangsrichtung angeordnet sind.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wälzlager mit integriertem elektrischem Generator.
Hintergrund der Erfindung
Zur Überwachung wichtiger Prozessgrößen, wie Lagerkräfte oder Temperaturen, ist es bekannt, Sensoren in Lageranordnungen zur Lagerung drehender Maschinenteile, wie Walzen, zu integrieren. Die Energieversorgung der in die Lageranordnung integrierten Sensoren soll dabei möglichst so gestaltet sein, dass die Lageranordnung aufwandsarm gewechselt werden kann und die Sensoren über einen langen Zeitraum betriebsfähig bleiben. In diesem Zusammenhang haben sich Energieversorgungssysteme als sinnvoll erwiesen, welche keine elektrischen Versorgungsleitungen zur Zuführung elektrischer Energie von außen benötigen. Bislang kommen zur Energieversorgung der in die Lageranordnung integrierten Sensoren häufig Systeme zum Einsatz, welche nach dem Prinzip der induktiven Übertragung oder auf Basis von Schleifringübertragern arbeiten. Schleifringübertrager haben den Nachteil, dass sie stark verschleißbehaftet sind, insbesondere unter industriellen Einsatzbedingungen. Bei einem geringen Energiebedarf besteht auch die Möglichkeit der Batterieversorgung. Die Energieversorgung durch eine Batterie ist bauartbedingt ohne Nachladung jedoch endlich und somit wartungsintensiv.
Die DE 202 02 536 U1 beschreibt eine Vorrichtung zur Überwachung einer Lageranordnung in einem Walzwerk mit mindestens einem Lager zur Lagerung eines drehenden Maschinenteils gegenüber einem ortsfesten Gehäuse. Die Lagerung umfasst zumindest einen Sensor zur Erfassung mindestens einer Prozessgröße. Der Sensor ist mit einer Sendeeinheit verbunden, welche beispielsweise über Funk oder Induktion die gemessenen Sensordaten an einen Sender übermittelt. Zur Energieversorgung von Sensor bzw. Sensoreinheit ist in die Lageranordnung ein elektrischer Generator integriert. Mit dem sich drehenden Maschinenteil ist ein erstes Generatorelement drehfest verbunden, welches mit einem zweiten, mit dem Gehäuse drehfest verbundenen Generatorelement zusammenwirkt. Nach einer bevorzugten Ausführung ist auf dem sich drehenden Maschinenteil ein Magnetring und im Gehäuse eine Spule angeordnet. Bei Drehen der Welle induziert der Magnetring in der Spule eine elektrische Spannung, die an die Sendeeinheit weitergeleitet wird.
Die DE 695 24 014 T2 zeigt ein Wälzlager mit eingebautem elektrischem Generator. Der Generator besteht aus einem Rotor, der mit der Welle und dem Innenring rotiert, und einem Stator, der am Außenring befestigt ist. Bei einer bevorzugten Ausführung ist der Innenring aus zwei Bauteilen aufgebaut. Der Rotor umfasst bei dieser Ausführung einen Abstandsring, der die beiden Bauteile des Innenrings voneinander trennt und eine Reihe von Dauermagneten, die in gleichen Abständen in Umfangsrichtung um den Abstandsring angeordnet sind. Zur Aufnahme der Dauermagneten weist die Außenfläche des Abstandsrings Abflachungen auf, in welchen jeweils ein Dauermagnet, vorzugsweise über eine Klebeverbindung, befestigt ist. Der am äußeren Ring befestigte Stator weist eine Lamellenstruktur mit Zähnen und die Zähne voneinander trennender Windungsschlitze auf. Jeder Zahn trägt eine Spule, die den Zahn umgibt. Das beschriebene Wälzlager wird vorzugsweise in einem Eisenbahnwagen zur Ladung einer Batterie verwendet, welche Betätigungsgeräte für die Eisenbahnwagenbremsen speist.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Wälzlager mit einem integrierten elektrischen Generator zu Verfügung zu stellen, wobei der Generator derart ausgebildet ist, dass er aufwandsarm an unterschiedliche Wälzlagerdurchmesser anpassbar ist.
Zur Lösung der Aufgabe dient ein Wälzlager gemäß dem beigefügten Anspruch 1.
Das erfindungsgemäße Wälzlager umfasst zwei Lagerringe und einen zwischen den Lagerringen angeordneten Käfig zur Aufnahme von Wälzkörpern sowie einen in das Wälzlager integrierten elektrischen Generator mit einer Reihe von Permanentmagneten und einer Reihe von Zähnen, welche jeweils eine Spulenwicklung tragen und in Umfangsrichtung an einem der beiden Lagerringe angeordnet sind. Der zur Aufnahme der Zähne dienende Lagerring weist eine umlaufende Nut zur Aufnahme der Zähne auf, wobei jeder Zahn einzeln in der umlaufenden Nut befestigt ist. Die Permanentmagnete sind am Käfig oder am anderen der beiden Lagerringe in Umfangsrichtung angeordnet. Der magnetische Rückschluss der Permanentmagnete wird durch die entsprechende Lagerkomponente (Lagerring, Käfig) übernommen.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Wälzlagers besteht darin, dass die modulare Bauweise des integrierten Generators eine individuelle Leistungsanpassung ermöglicht, wodurch einfach eine Anpassung an verschiedene Lagerbauarten erfolgen kann. Der Generator ist durch seinen modularen Aufbau nicht an einen bestimmten Durchmesser gebunden, sondern deckt einen größeren Durchmesserbereich ab. Die Nutkontur, die Nutbreite und der einzelne Zahn mit Spulenwicklung sind fest definiert und stellen somit die Schlüsselelemente des Moduls dar.
Der integrierte Generator zeichnet sich durch eine einfache Bauweise aus. Die Anzahl der Komponenten des Generators ist auf das Wesentliche beschränkt. Die Verwendung einer umlaufenden Nut im Lagerring zur Befestigung der Zähne ermöglicht eine weitgehend beliebige Positionierung der einzelnen Zähne, so dass in Abhängigkeit vom Leistungsbedarf die Anzahl der verwendeten Zähne und deren Position entsprechend variiert werden kann. Auf diese Weise können entsprechende Freiheitsgrade gewonnen werden. Lagerspezifisch ist lediglich der Magnetkreis entsprechend anzupassen. Die modulare Bauweise des Generators ermöglicht weiterhin, dass Segmentbereiche am Umfang des Wälzlagers frei bleiben, d. h. keine Komponenten des Generators aufweisen. Der somit zur Verfügung stehende Bauraum in den freien Segmentbereichen kann für die Sensorik bzw. die Leistungselektronik genutzt werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die zur Aufnahme der Zähne dienende Nut schwalbenschwanzförmig. Zur Befestigung der einzelnen Zähne in der schwalbenschwanzförmigen Nut dient vorzugsweise jeweils ein Passstift. Der Passstift weitet den Zahn im Nutgrund auf. Hierdurch wird eine Klemmwirkung erzielt und der Zahn entsprechend sicher in der Nut fixiert. Zur Realisierung einer Verdrehsicherung in Umfangsrichtung kann der Passstift auch in den Lagerring eingreifen.
Bei alternativen Ausführungsformen kann die zur Aufnahme der Zähne dienende Nut auch U-förmig ausgeführt sein. Die einzelnen Zähne sind über entsprechende mechanische Befestigungsmittel in der U-förmigen Nut befestigt. Als zweckmäßig hat sich eine Befestigung mittels einer verliersicheren Schraub- oder Nietverbindung erwiesen.
Die beschriebenen Ausführungsformen mit schwalbenschwanzförmiger bzw. U-förmiger Nut stellen lediglich bevorzugte Ausführungen dar. Es können natürlich auch andersartig gestaltete Nuten verwendet werden, welche eine sichere Befestigung der einzelnen Zähne über entsprechende Befestigungsmittel ermöglichen.
Nach einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Spulenwicklungen der einzelnen Zähne in Reihe geschaltet. Hierdurch kann eine hohe Ausgangsspannung bei niedrigen Drehzahlen erreicht werden.
Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn die Spulenwicklungen der Zähne durch einen im Nutgrund angeordneten elektrischen Leitring elektrisch miteinander verbunden sind. Jede Spule eines Zahns wird bei der Integration in den Lagerring elektrisch leitfähig mit diesem Leitring verbunden, und zwar mittels Klemm- oder Schneidtechnik.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Zähne Blechpakete in Schenkelpolausführung auf. Die einzelnen Bleche des einzelnen Zahns sind entsprechend verdrehsicher blechpaketiert und miteinander elektrisch isoliert verbunden.
Das erfindungsgemäße Wälzlager kann u. a. zur Lagerung einer Walze in einer Maschine der Stahlindustrie eingesetzt werden. Bei derartigen Walzen wird zum Beispiel die Druckbelastung mittels Sensor ermittelt. Mit Hilfe des im Wälzlager eingebauten elektrischen Generators kann der Sensor kontinuierlich mit der erforderlichen Energie versorgt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Längsschnittansicht eines erfindungsgemäßen Wälzlagers in einer ersten Ausführungsform;
2 ein Detail A aus 1;
3 eine Querschnittansicht des erfindungsgemäßen Wälzlagers entlang einer Schnittlinie B-B in 1;
4 ein Detail B aus 3;
5 einen den Innenring zeigenden Ausschnitt von 1;
6 ein Detail X aus 5;
7 eine Längsschnittansicht des erfindungsgemäßen Wälzlagers in einer zweiten Ausführungsform;
8 ein Detail Z aus 7;
9 eine Querschnittansicht des erfindungsgemäßen Wälzlagers entlang einer Schnittlinie B-B in 7;
10 ein Detail Y aus 9.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Die 1 und 3 zeigen Schnittansichten eines erfindungsgemäßen Wälzlagers 01 in einer ersten Ausführungsform. Das Wälzlager 01 umfasst einen Innenring 02, einen Außenring 03, einen Käfig 04 und Wälzkörper 05, welche mittels Käfig 04 in gleichem Abstand gehalten werden. Das gezeigte Wälzlager 01 ist als zweireihiges Wälzlager 01 ausgeführt. Es sind natürlich auch einreihige Wälzlager 01 möglich. In das erfindungsgemäße Wälzlager 01 ist ein elektrischer Generator 07 integriert, welcher modular aufgebaut ist.
Der Aufbau des elektrischen Generators 07 wird nachfolgend anhand der 2, 4 und 6 näher erläutert, die Detailansichten des Wälzlagers 01 zeigen. Der elektrische Generator 07 umfasst eine Reihe von Permanentmagneten 08, welche am Käfig 04 angeordnet sind und dort auf geeignete Art und Weise, beispielsweise über eine Klebeverbindung befestigt sind. Der magnetische Rückschluss der Permanentmagneten 08 wird durch den Käfig 04 übernommen, der also aus magnetisch leitfähigem Material gefertigt sein muss. Des Weiteren umfasst der elektrische Generator 07 eine Reihe von Zähnen 09, die am Innenring 02 befestigt sind. Der magnetische Rückschluss wird hier durch den Innenring 02 bereitgestellt. Zur Aufnahme der Zähne 09 dient eine umlaufende schwalbenschwanzförmige Nut 10, welche in den Innenring 02 eingebracht ist. Die Befestigung jedes einzelnen Zahns 09 erfolgt über jeweils einen Passstift 12, welcher den Zahn 09 im Nutgrund 13 aufweitet, wodurch eine Klemmwirkung erzielt wird und der Zahn 09 sicher in der Nut 10 fixiert werden kann. Die Anzahl der Zähne 09 entspricht der Anzahl der Permanentmagneten 08. Ändert sich die Anzahl der Zähne 09, ist demzufolge auch die Anzahl der Permanentmagneten 08 entsprechend anzupassen.
Jeder Zahn 09 besteht aus Blechpaketen 14 (siehe 2, 6), welche in Schenkelpolausführung ausgestaltet sind. Die einzelnen Bleche des Zahns 09 sind verdrehsicher blechpaketiert und miteinander elektrisch isoliert verbunden.
Die Bewicklung der Zähne 09 kann im Anschluss durch einen Nadelwickler realisiert werden, um eine Spulenwicklung 15 bereitzustellen. Alternativ kann die Spulenwicklung 15 im Vorfeld angebracht werden und der Zahn 09 mit der Spulenwicklung 15 entsprechend vergossen werden. Die Spulenwicklungen 15 der Zähne 09 können zur Erzielung hoher Ausgangsspannungen bei niedrigen Drehzahlen in Reihe geschaltet werden. Es sind 1-phasige oder auch 3-phasige Spulenwicklungen 15 möglich. Eine 3-phasige Spulenwicklung 15 kann im Stern und im Dreieck geschaltet werden. Die Spulenwicklungen 15 der Zähne 09 können untereinander durch einen elektrischen Leitring (nicht dargestellt) im Nutgrund 13 elektrisch miteinander verbunden werden. Bei dieser Ausführung wird jede Spulenwicklung 15 eines Zahns 09 bei der Integration in den Innenring 02 elektrisch leitfähig mit dem Leitring verbunden. Eine der Lagerkomponenten kann auch das Potenzial einer Spulenleitung annehmen und so zum Masseanschluss werden. Der die Spulenwicklung 15 tragende Spulenträger besteht vorzugsweise aus zwei Halbschalen aus Kunststoff, wie PA 66, und ist durch eine Schnappverbindung um den jeweiligen Zahn 09 positioniert.
Bei der gezeigten Ausführungsform des Wälzlagers 01 sind um den gesamten Umfang des Wälzlagers 01 Zähne 09 und Permanentmagneten 08 angeordnet. Alternativ besteht jedoch die Möglichkeit, Zähne 09 und Permanentmagneten 08 nur in bestimmten Segmentbereichen anzuordnen. Auf diese Weise kann aufwandsarm eine individuelle Leistungsanpassung realisiert werden. Die freien Segmentbereiche, welche keine Komponenten 08, 09 des elektrischen Generators 07 aufweisen, können beispielsweise für die Sensorik bzw. Leistungselektronik genutzt werden.
Die 7 und 9 zeigen Schnittansichten des erfindungsgemäßen Wälzlagers in einer zweiten Ausführungsform. Im Unterschied zu der bereits beschriebenen Ausführungsform ist die zur Aufnahme der Zähne 09 dienende Nut 10 bei dieser Ausführung U-förmig ausgeführt. Die Befestigung der einzelnen Zähne 09 in der Nut 10 erfolgt durch eine verliersichere Schraube 17 oder alternativ mittels einer Nietverbindung. Hierdurch können die Zähne 09 sicher in der Nut 10 fixiert werden. Die Zähe 09 können wiederum an beliebigen Positionen in der Nut 10 angeordnet werden, um unter anderem eine Leistungsanpassung zu ermöglichen. Die Anordnung der Permanentmagneten 08 ist an die Anordnung der Zähne 09 entsprechend anzupassen.
Bezugszeichenliste

01: Wälzlager
02: Innenring
03: Außenring
04: Käfig
05: Wälzkörper
06
07: elektrischer Generator
08: Permanentmagnete
09: Zähne
10: Nut
11
12: Passstift
13: Nutgrund
14: Blechpakete
15: Spulenwicklungen
16
17: verliersichere Schraube

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 20202536 U1 [0003]
DE 69524014 T2 [0004]

Claims

Wälzlager (01) umfassend zwei Lagerringe (02, 03), einen zwischen den Lagerringen (02, 03) angeordneten Käfig (04) zur Aufnahme von Wälzkörpern (05) sowie einen in das Wälzlager (01) integrierten elektrischen Generator (07) mit einer Reihe von Permanentmagneten (08) und einer Reihe von Zähnen (09), welche jeweils eine Spulenwicklung (15) tragen und in Umfangsrichtung an einem der beiden Lagerringe (02, 03) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Lagerringe (02, 03) eine umlaufende Nut (10) zur Aufnahme der Zähne (09) aufweist, wobei jeder Zahn einzeln in der umlaufenden Nut befestigt ist, und dass die Permanentmagnete (08) am Käfig (04) oder am anderen der beiden Lagerringe (02, 03) in Umfangsrichtung angeordnet sind.
Wälzlager (01) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (10) schwalbenschwanzförmig ist.
Wälzlager (01) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zahn (09) über jeweils einen Passstift (12) in der schwalbenschwanzförmigen Nut (10) befestigt ist.
Wälzlager (01) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (10) U-förmig ist.
Wälzlager (01) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zahn (09) über jeweils ein mechanisches Befestigungsmittel (17) in der U-förmigen Nut (10) befestigt ist.
Wälzlager (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenwicklungen (15) der Zähne (09) in Reihe geschaltet sind.
Wälzlager (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenwicklungen (15) der Zähne (09) durch einen im Nutgrund (13) angeordneten elektrischen Leitring elektrisch miteinander verbunden sind.
Wälzlager (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Position und die Anzahl der Zähne (09) in der Nut (10) variierbar ist.
Wälzlager (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (09) Blechpakete (14) in Schenkelpolausführung aufweisen.
Wälzlager (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Lagerung einer Walze dient, wobei der elektrische Generator (07) einen zur Aufnahme eines Prozessparameters der Walze dienenden Sensor mit Energie versorgt.