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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wälzlager, insbesondere in Form eines mittenfreien Großwälzlagers, mit zwei konzentrischen, zueinander verdrehbaren Lagerringen, zwischen denen zumindest eine Lagerreihe mit Wälzkörpern vorgesehen ist, wobei zumindest einer der Wälzkörper mit zumindest einem Sensor zum Erfassen zumindest eines Betriebsparameters, einem Generator zum Versorgen des Sensors mit elektrischer Energie sowie einem Elektronikbaustein zum Übermitteln der Sensordaten an eine externe Auswerte- und/oder Speichereinheit versehen ist.
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Großwälzlager wie sie beispielsweise in Drehwerken von Kranen zum rotatorischen Abstützen des Oberwagens bzw. des Turms oder Auslegers des Krans, oder auch in Windkraftanlagen zur rotatorischen Lagerung der Rotornabe bzw. der Rotorblätter an der Rotornabe Verwendung finden, unterliegen nicht nur großen Kräften, sondern auch Biegemomenten, die vom Kranausleger bzw. den langen Rotorblättern eingeleitet werden und zu Verformungen der Lagerringe führen können. Typischerweise werden die Lagerringe in einem Sektor mit hohen Kräften aufeinandergedrückt, während sie in einem gegenüberliegenden Sektor mit hohen Kräften auseinandergezogen werden, sodass die Wälzkörper entlang der Umlaufbahn in einem Sektor mit starken Druckkräften beaufschlagt werden und im gegenüberliegenden Sektor nur sehr geringen Kräften unterliegen bzw. je nach Bauweise sogar den Kontakt zu den Laufbahnen verlieren können. Solche Großwälzlager können mittenfrei ausgebildet sein und unabhängig hiervon Durchmesser von mehr als einem halben Meter oder mehr als einem Meter oder auch mehr als zwei Meter aufweisen, sodass die Verformungen der Lagerringe beträchtliche Dimensionen annehmen können.
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Um die Belastungen und damit einhergehende bzw. daraus resultierende Betriebsparameter wie Temperatur oder Vibrationen erfassen zu können, wurde bereits vorgeschlagen, messende Wälzkörper zu verwenden. Solche messende Wälzkörper besitzen integrierte Sensoren beispielsweise in Form von Dehnungsmessstreifen oder Drucksensoren, die Verformungen des Wälzkörpers erfassen können, aus denen dann auf die einwirkenden Kräfte rückgeschlossen werden kann.
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Zur Versorgung der Sensoren mit elektrischer Energie können Batterien bzw. Energiespeicher wie Akkus oder Kondensatoren Verwendung finden, die ebenfalls in den Wälzkörper integriert sein können und über geeignete Ladeschnittstellen von außen her geladen werden können. Das Laden der Energiespeicher über solche Schnittstellen von außen her ist jedoch relativ aufwändig, da Ladekabel nur im Stillstand angeschlossen werden können. Auch berührungslos ladende, beispielsweise induktive Systeme sind in der Praxis schwierig, da sie eine exakte Positionierung benötigen, was grundsätzlich schwer ist und in üblicher Weise ebenfalls ein Stillstehen des Lagers erfordert.
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Insofern wurde bereits vorgeschlagen, am Wälzlager selbst ein sogenanntes „Energy Harvesting“ zu betreiben, das heißt die elektrische Energie direkt am Wälzlager zu erzeugen. Hierfür wurde insbesondere vorgeschlagen, miniaturisierte Generatoren bzw. bei Großwälzlagern an deren Dimensionen angepasste Generatoren zu verwenden, die teils an den Wälzkörpern und teils an den Wälzkörperkäfigen bzw. - abstandshaltern angebracht sind, um die Drehbewegung der Wälzkörper relativ zum Käfig zur Stromerzeugung auszunutzen. Insbesondere können am Käfig bzw. damit verbundenen Trägerteilen Permanentmagnete befestigt sein, relativ zu denen sich in die Wälzkörper integrierte Spulen drehen, sodass die Drehbewegung der Wälzkörper Strom erzeugt.
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Solche messenden Wälzkörper mit integrierten Generatoren sind in verschiedenen Ausprägungen bereits bekannt, vgl. beispielsweise
EP 3 857 197 B1 ,
DE 10 2017 210 286 A1 oder
DE 10 2016 116 118 A1 . In die Wälzkörper integrierte Sensoren zeigen ferner auch die Schriften
EP 0 637 734 B1 ,
US 2018/0003227 A1 oder
US 10,767,703 B2 , die ein insgesamt bolzen- bzw. stiftförmiges Sensorikelement einschließlich Batterien zur Energieversorgung und einer Funkantenne zur Übertragung der Sensordaten in eine zentrale Bohrung der Wälzkörper stecken will.
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Auch wenn Großwälzlager beträchtliche Dimensionen haben, ist es trotzdem eine Herausforderung, an einem Wälzkörper nicht nur die Sensorik selbst, sondern auch das Energy-Harvesting-System beispielsweise in Form eines Generators mit Spulen und Magneten sowie auch eine Datenübertragungsschnittstelle zum Auslesen bzw. Übertragen der Sensordaten platztechnisch in einem immer noch kleinen Wälzkörper unterzubringen, insbesondere wenn der Wälzkörper aufgrund der hohen Belastungen nicht durch übermäßig große Bohrungen bzw. Hohlräume zu sehr geschwächt werden darf.
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Diese Unterbringungs- bzw. Anordnungsproblematik verschärft sich nochmals dadurch, dass bestimmte Komponenten der Sensorik gegenüber Einflüssen durch andere Komponenten wie beispielsweise Vibrationen, Wärme und Energie- bzw. Strom- oder Magnetfeldern empfindlich sind und insofern hinsichtlich ihrer relativen Positionierung sensibel sind. Gleichzeitig müssen alle Komponenten so ausbalanciert bzw. ausgewogen angeordnet werden, dass der Wälzkörper keine Unwucht erhält bzw. hierfür keine besonderen Gegenmaßnahmen wie asymetrische Bohrungen zum Gewichtsausgleich nötig werden.
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Beispielsweise zeigt die Schrift
EP 3 857 197 B1 einen messenden Wälzkörper, der eine zentrale Durchgangsbohrung aufweist, in der eine Trägerplatine aufgenommen ist, die den Bohrungshohlraum sozusagen in zwei Halbräume teilt, in denen verschiedene, jeweils auf der Platine sitzende Komponenten wie ein induktives Sensorelement und ein Funkmodul zur Datenübertragung aufgenommen sind. Ein Generator zur Stromversorgung ist an einer Stirnseite des Wälzkörpers angeordnet, wobei an der Wälzkörperstirnseite Spulen und an einem dazu benachbart angeordneten Käfigteil Magnete angeordnet sind.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Wälzlager der genannten Art zu schaffen, das Nachteile des Standes der Technik vermeidet und letzteren in vorteilhafter Weise weiterbildet. Insbesondere soll durch einen integrierten Energieerzeugungsbaustein die Sensorik mit elektrischer Energie versorgt und Ladepausen vermieden werden, ohne hierdurch eine hohe Messgenauigkeit der Sensorik zu beeinträchtigen oder gar einen ruhigen Lauf des Wälzlagers oder dessen Festigkeit missgünstig zu beeinflussen. Gleichzeitig soll eine einfache und stabile Bereitstellung der Sensordaten an eine externe Speicher- bzw. Auswerteeinheit erreicht werden, um beispielsweise eine Online-Überwachung des Lagers zu ermöglichen.
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Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Wälzlager gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegentand der abhängigen Ansprüche.
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Es wird also vorgeschlagen, die benötigten Komponenten für die sensorische Erfassung, die Energieerzeugung und die Datenübertragung nicht alle zentral im Inneren einer Wälzkörperbohrung unterzubringen, sondern ausbalanciert zu verteilen und hierfür die am Wälzkörper zur Verfügung stehende Baugröße möglichst auszunutzen. Erfindungsgemäß sind der Generator zur Energieerzeugung einerseits und der Elektronikbaustein zur Sensordatenübermittlung und ggf. auch -speicherung an gegenüberliegenden, axialen Enden des Wälzkörpers vorgesehen. Hierdurch wird nicht nur einerseits Raum für die Unterbringung des zumindest einen Sensors gewonnen, sondern es wird andererseits auch eine Beeinflussung des Elektronikbausteins durch den Generator wie beispielsweise dessen Wirbelstromfelder oder dessen Temperaturentwicklung weitgehend vermieden. Gleichzeitig wird eine ausbalancierte Anordnung erzielt, die Unwuchten am Wälzkörper und eine ungünstige Gewichtsverteilung vermeidet.
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Der genannte Elektronikbaustein kann insbesondere außerhalb aller Bohrungen, die in den Wälzkörper zur Unterbringung von Sensorik-Komponenten eingebracht sein können, bzw. auf einer Aussenseite des Wälzkörpers angebracht werden. Hierdurch braucht keine großvolumige, die Wälzkörpersteifigkeit bzw. -festigkeit spürbar schwächende Bohrung in den Wälzkörper eingebracht werden bzw. reicht eine kleine Bohrung zur Unterbringung eines Sensorelements aus. Dies kommt nicht nur der Verformungssteifigkeit des Wälzkörpers selbst zugute, sondern hilft auch, einen ruhigen Lauf des Lagers trotz Sensorik, Energieerzeuger und Elektronikbaustein sicherzustellen.
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In Weiterbildung der Erfindung kann der genannte Elektronikbaustein eine Platine zur Speicherung und/oder Übertragung der Sensordaten aufweisen, die in einer Ebene quer zur Drehachse des Wälzkörpers, insbesondere senkrecht dazu, auf einer Stirnseite des Wälzkörpers angeordnet sein kann. Die stirnseitige Anordnung der Datenübertragungs- und/oder -speicherungsplatine vereinfacht die Datenübertragung und reduziert negative Umstände wie Behinderung der Signalübertragung durch den Wälzkörpermantel oder eine schlechte Zugänglichkeit für einen Signalempfänger. Gleichzeitig kann die Platine an der Stirnseite relativ groß bemessen werden, ohne eine im Durchmesser große und damit die Festigkeit schwächende Wälzkörperbohrung zu benötigen oder durch axialen Platzbedarf den Einbauraum für den Sensor zu beeinträchtigen.
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Vorteilhafterweise kann die genannte Platine ringförmig ausgebildet sein und/oder eine ringförmige Hüllfläche aufweisen, wobei die genannte Platine in einer ringförmigen Vertiefung in der Stirnseite des Wälzkörpers sitzen kann. Die Platine kann insbesondere versenkt und/oder oberflächenbündig in eine solche stirnseitige Vertiefung im Wälzkörper eingesetzt sein, sodass die Platine nicht stirnseitig über den Wälzkörper vorspringt. Trotz guter Zugänglichkeit beeinträchtigt eine solchermaßen positionierte Platine insbesondere auch den Wälzkörperkäfig nicht, der den Wälzköper an der genannten Stirnseite umgeben bzw. sich daran entlang erstrecken kann.
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Eine solche ringförmige Platine braucht nicht ringförmig geschlossen ausgebildet sein, was sie gleichwohl sein kann, sondern kann auch in Form eines geschlitzten Rings oder eines Ringsegments oder halbmondförmig bzw. nach Art eines Dreiviertelrings ausgebildet sein oder ggf. auch zwei Halbring- oder Viertelringteile umfassen, die dann zusammen in der genannten ringförmigen Vertiefung an der Stirnseite des Wälzkörpers eingesetzt sein können.
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Eine solche ringförmige Platine an der Stirnseite des Wälzkörpers gestattet es, einen Führungsbolzen bzw. einen Achsstummel oder einen Achsbolzen, der mit dem Wälzkörperkäfig verbunden sein kann, durch die Platine hindurch in den Wälzkörper zu stecken bzw. aus dem Wälzköper an der Stirnseite austreten zu lassen, an dem die genannte Platine angeordnet ist. Mit anderen Worten beeinträchtigt die ringförmige Platine trotz stirnseitiger Anordnung nicht die Anbindung des Käfigs an den Wälzkörper.
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Insbesondere kann der genannte Wälzkörper eine Bohrung aufweisen, die koaxial zur Wälzkörperdrehachse durch die Platine hindurchtritt. In einer solchen Bohrung kann der genannte Achsstummel bzw. Führungsbolzen des Käfigs aufgenommen sein bzw. in den Wälzkörper eintreten und dabei durch die Platine des Elektronikbausteins hindurchtreten.
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Die genannte Bohrung muss dabei nicht mittels eines Bohrers hergestellt sein bzw. braucht nicht auf den Herstellprozess mittels Bohren bezogen sein, sondern kann auch in anderer Seite hergestellt sein, beispielsweise durch Erodieren oder Schneiden wie Laserschneiden. Der Term Bohrung ist insofern als längliche, bohrungsartige Ausnehmung zu verstehen, die gleichwohl durch einen Bohrer in den Wälzkörper eingebracht sein kann.
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Der genannte Elektronikbaustein kann ein drahtloses Datenübertragungsmodul, beispielsweise ein Funkmodul oder ein Bluetoothmodul aufweisen, um die Sensordaten drahtlos zu einer externen Speicher- und/oder Auswerteeinheit übertragen zu können. Das genannte Datenübertragungsmodul kann dabei von der am Wälzkörper vorgesehenen Energiequelle, insbesondere von dem genannten Generator her, ggf. unter Zwischenspeicherung der hierdurch erzeugten Energie, versorgt werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann der genannte Elektronikbaustein zur Übermittlung der Sensordaten aber auch eine andere Datenübertragungsschnittstelle aufweisen, beispielsweise auch eine USB-Schnittstelle.
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Unabhängig von der Ausbildung des Datenübertragungsmoduls kann der genannte Elektronikbaustein mitrotierend angeordnet sein, sodass er sich mit dem Wälzkörper, an dessen Stirnseite er angebracht ist, mit dreht.
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An der dem Elektronikbaustein gegenüberliegenden Stirnseite des Wälzkörpers kann ein ebenfalls mit dem Wälzkörper mitrotierender Generatorteil angebracht sein, wobei dies beispielsweise eine oder mehrere Generatorspulen sein können, die mit stehend angeordneten, beispielsweise am Käfig befestigten Permanentmagneten zusammenwirken können. Grundsätzlich wäre aber auch eine umgekehrte Anordnung denkbar, gemäß der am Wälzkörper Magnete angebracht und stehend, beispielsweise am Stator eine oder mehrere Spulen angebracht sein können.
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In Weiterbildung der Erfindung kann der Generator eine Generatorplatine umfassen, die mit einer oder mehreren Spulen versehen ist, wobei die genannte Generatorplatine, die bisweilen auch als Powerboard bezeichnet wird, an der Stirnseite des Wälzkörpers in einer Ebene quer zur Wälzkörperdrehachse, insbesondere senkrecht hierzu, angebracht sein kann. Die genannte Generatorplatine dreht sich mit dem Wälzkörper mit.
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Vorteilhafterweise kann die genannte Generatorplatine ringförmig ausgebildet sein bzw. eine ringförmige Hüllkontur definieren und in eine ringförmige Vertiefung in der Stirnseite des Wälzkörpers eingesetzt sein, wobei die Generatorplatine in der genannten ringförmigen Vertiefung versenkt bzw. oberflächenbündig positioniert sein kann, sodass die Generatorplatine nicht stirnseitig über den Wälzkörper vorsteht.
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Bei Verwendung einer solchen ringförmigen Generatorplatine kann ein Führungsbolzen bzw. ein Achsstummel oder ein Achsbolzen, der mit dem Lagerkäfig bzw. dem Abstandshalter für die Wälzkörper verbunden sein kann, durch die Generatorplatine hindurch in eine Bohrung in den Wälzkörper eingreifen, die als Sackbohrung oder insbesondere als Durchgangsbohrung ausgebildet sein kann. In der vorgenannten Weise muss die genannte Bohrung nicht gebohrt, sondern kann auch in anderer Weise hergestellt, beispielsweise erodiert oder lasergeschnitten sein.
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In Weiterbildung der Erfindung können Magnete des Generators der genannten Generatorplatine stirnseitig gegenübersitzend angeordnet sein, beispielsweise an einem Käfig- bzw. Abstandshalterteil, welches sich entlang einer Stirnseite des Wälzkörpers erstreckt. Durch eine solche stirnseitig unmittelbar gegenüberliegende Anordnung der Spulen und der Magnete des Generators lässt sich auch mit relativ schwachen bzw. kleinen Magneten eine hohe Effizienz bei der Energiegewinnung erzielen. Gleichzeitig kann eine kompakte Bauweise erzielt werden.
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Alternativ oder zusätzlich zu solchen stirnseitig gegenüberliegend angeordneten Magneten kann der Generator aber auch Magnete umfassen, die radial innerhalb der Generatorspulen angeordnet sind, insbesondere im Inneren einer stirnseitig in den Wälzkörper eingebrachten Wälzkörperbohrung sitzen können.
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Insbesondere können solche radial innerhalb positionierten Magnete an dem Führungsbolzen bzw. Achsstummel bzw. Achsbolzen angebracht sein, der mit dem Käfig bzw. Abstandshalter verbunden ist und stirnseitig in den Wälzkörper eingreifen kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung kann der Generator in Form eines Klauenpolgenerators ausgebildet sein, bei dem ein Rotor mit einer Polpaarzahl n in einem zweigeteilten Stator rotieren kann. Der zweigeteilte Stator kann dabei 2 x n Klauen bzw. Joche umfassen, wobei in einer gegebenen Statorposition alle magnetischen Nordpole des Rotors auf ein Joch und alle magnetischen Südpole des Rotors auf das andere Joch wirken. Der magnetische Fluss ergibt sich bei einem Klauenpolgenerator insofern aus der Summe der Felder zwischen allen magnetischen Dipolen und wird als Summe durch die Ringspule geführt. Hierdurch ergibt sich durch die Spule ein im Verhältnis zur Baugröße großes magnetisches Wechselfeld und eine gute Energieausbeute.
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Der Rotor eines solchen Klauenpolgenerators kann insbesondere stirnseitig am Wälzkörper angebracht sein, während der zweigeteilte Stator am Lagerkäfig bzw. am Abstandshalter für die Wälzkörper angebracht sein kann.
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Hinsichtlich der Sensorik kann das Lager grundsätzlich verschieden ausgestattet sein, wobei vorteilhafterweise auch mehrere Sensoren bzw. Sensorelemente zum Erfassen verschiedener Betriebsparameter vorgesehen sein können. Je nach gewünschter Überwachung kann es aber auch ausreichend sein, nur einen Sensor zur Erfassung nur einer Betriebsgröße vorzusehen.
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Der zumindest eine Sensor ist insbesondere in einer zentralen Bohrung bzw. einer zentralen, bohrungsähnlichen Ausnehmung im Wälzkörper aufgenommen, wobei der Sensor umfangsseitig vollständig vom Material des Wälzkörpers umgeben sein kann und/oder ohne axialen Überstand im Wälzkörper aufgenommen sein kann.
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Insbesondere kann in Weiterbildung der Erfindung der genannte Sensor mit dem Wälzkörper mitdrehend angeordnet sein.
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Vorteilhafterweise kann der Sensor umfangsseitig passgenau in die genannte Wälzkörperbohrung eingesetzt sein, insbesondere derart, dass Verformungen und/oder radialen Belastungen des Wälzkörpers auf den Sensor einwirken können.
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Insbesondere kann der genannte Sensor in den Wälzkörper eingepresst sein bzw. durch einen Presssitz in der Wälzkörperbohrung gehalten sein. Ein solcher Presssitz überträgt nicht nur Verformungen und Belastungen des Wälzkörpers unmittelbar auf den Sensor, sondern kann auch eine feinfühlige sensorische Erfassung anderer Betriebsparameter wie Temperatur oder Vibrationen sicherstellen.
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Alternativ zum Einpressen kann der Sensor auch eingegossen sein, beispielsweise durch ein wärmeübertragendes und/oder kraft- und/oder stoßübertragendes Material, je nachdem, welche Messgröße der zumindest eine Sensor erfassen soll.
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Vorteilhafterweise kann der genannte Sensor resistiv arbeitend ausgebildet sein, wobei grundsätzlich aber auch andere Sensorprinzipien Anwendung finden können. Beispielsweise kann ein Piezosensor oder ein kapazitiver Verwendung finden.
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In den genannten Wälzkörper kann zumindest einer der folgenden Sensoren integriert sein bzw. in der genannten Weise am Wälzkörper montiert sein: ein Vibrationssensor, ein Drehwinkelsensor, ein Winkelpositionssensor, ein Wälzkörperlastsensor, ein Formsensor zur Erfassung lastbedingter Wälzkörperstauchungen und/oder einer Wälzkörper-Ovalisierung, ein Temperatursensor, ein Verformungssensor, ein Beschleunigungssensor, ein Drehgeschwindigkeitssensor und eine Inertialmesseinrichtung IMU sowie ein Magnetometer zur Messung von Magnetfeldstärken.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
- 1: eine Schnittansicht durch ein Wälzlager mit einem messenden Wälzkörper nach einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung, und
- 2: eine schematische, perspektivische Explosionsdarstellung eines Klauenpolgenerators zur Energieerzeugung in einem Wälzkörper des Wälzlagers.
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Wie 1 zeigt, kann das Wälzlager 1 zwei Lagerringe 2, 3 aufweisen, die konzentrisch zueinander angeordnet und zueinander verdrehbar sind. Insbesondere kann das genannte Wälzlager 1 ein mittenfreies Großwälzlager mit einem Durchmesser von mehr als einem halben Meter oder mehr als einem Meter ausgebildet sein.
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Wie 1 ferner zeigt, können die Lagerringe 2, 3 durch nur eine einzige Lagerreihe 4 gegeneinander abgestützt sein, wobei dabei auch mehrere Lagerreihen zur Abstützung der Lagerringe 2, 3 gegeneinander vorgesehen sein können. Die eine oder mehreren Lagerreihen 4 können ein Axiallager oder ein Radiallager aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Lagerreihe 4 vorgesehen sein, die sowohl Axialkräfte als auch Radialkräfte übertragen kann, beispielsweise in Form eines Kegelrollenlagers oder eines Schrägrollenlagers mit schräg eingestellten Zylinderrollen.
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Die zumindest eine Lagerreihe 4 umfasst eine Vielzahl von Wälzkörpern 5, die jeweils auf Laufbahnen an den Lagerringen 2, 3 abwälzen und hierdurch die Lagerringe 2, 3 gegeneinander abstützen. Ein Käfig 14 kann die Wälzkörper 5 auf Abstand halten bzw. relativ zueinander führen, wobei der Käfig 14 sich einseitig oder beidseitig an den Stirnseiten der Wälzkörper 5 entlang erstreckende Käfigabschnitte14a aufweisen kann, vgl. 1. Die genannten Käfigabschnitte 14a können insbesondere Käfigringe bilden, die sich innenseitig und außenseitig an den Wälzkörpern 5 entlang erstrecken können.
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Wie 1 ferner zeigt, kann der Lagerkäfig 14 Käfigachsen 15 in Form von Achsstummeln aufweisen, die stirnseitig in eine Wälzkörperbohrung 13 eingreifen können, um den Wälzkörper 5 zu führen. Die genannten Käfigachsen 15 in Form der Achsstummel 15a können an den zuvor genannten Käfigabschnitten 14a befestigt sein, vgl. 1.
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Die Wälzkörper 5 können Zylinderrollen, Kegelrollen, Tonnenrollen oder ggf. auch Kugeln umfassen, wobei bei mehr als einer Lagerreihe auch mehrere dieser Wälzkörpertypen im Wälzlager 1 vorgesehen sein können. Sind Kugeln vorgesehen, meinen die genannten „Stirnseiten“ die gegenüberliegenden Kugelseiten, an denen die Käfigelemente 14a bzw. die Achsstummel 15a vorgesehen sind und/oder an denen die gedachte Drehachse 11 des Wälzkörpers 5 aus der jeweiligen Kugel heraustritt. Insbesondere können aber zylindrische oder kegelige oder ballige Wälzkörper 5 vorgesehen sein, wie sie in 1 gezeigt sind.
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Die genannte Bohrung 13 durch den Wälzkörper 5 kann eine Durchgangsbohrung durch den gesamten Wälzkörper hindurch sein und koaxial zu dessen Drehachse 11 angeordnet sein.
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Der Wälzkörper 5 ist als messender Wälzkörper ausgebildet und besitzt eine integrierte Sensorik mit zumindest einem Sensor 6, der in der genannten Bohrung 13 aufgenommen sein kann. Der genannte Sensor 6 kann insbesondere in der Bohrung 13 eingepresst sein, so dass die Bohrungswandung die Außenwandung des Sensors fest umschließt, um Verformungen bzw. eine Ovalisierung des Wälzkörpers 5 auf den Sensor 6 zu übertragen bzw. durch diesen messen zu können.
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Unabhängig hiervon kann der genannte Sensor 6 insbesondere resistiv arbeitend ausgebildet sein.
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Der genannte Sensor 6 kann zwischen einem Energieerzeuger, beispielsweise in Form eines Generators 7, und einem Elektronikbaustein 8 zur Speicherung und Übertragung der Sensordaten angeordnet sein, wobei der genannte Energieerzeuger und der Elektronikbaustein auf gegenüberliegenden Stirnseiten des Sensors 6 angeordnet sein können.
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Wie 1 zeigt, kann der Elektronikbaustein 8 außerhalb der Bohrung 13 angeordnet sein, insbesondere auf einer Stirnseite des Wälzkörpers 5.
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Der Elektronikbaustein 8 kann vorteilhafterweise eine Platine 10 umfassen, die ringförmig ausgebildet sein kann und um die vorgenannte Bohrung 13 herum auf der Wälzkörperstirnseite positioniert sein kann.
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Die Wälzkörperstirnseite kann vorteilhafterweise eine ringförmige Vertiefung an ihrer Stirnseite aufweisen, in der die genannte, ringförmige Platine 10 versenkt angeordnet werden kann, so dass der Elektronikbaustein 8 stirnseitig nicht über den Wälzkörper 5 vorsteht.
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Auf der Platine 10 kann ein Datenübertragungsmodul vorgesehen sein, beispielsweise in Form eines Funk- oder Bluetoothmoduls. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine USB-Schnittstelle vorgesehen sein, beispielsweise auch in Form einer magnetischen USB-Schnittstelle, so dass ein magnetisches USB-Kabel 20 signaltechnisch an die Platine 10 angebunden werden kann.
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Die genannte Platine 10 kann auch einen Speicherbaustein aufweisen, in dem die vom Sensor 6 gesammelten Sensordaten gespeichert bzw. zwischengespeichert werden können, bevor sie über das Datenübertragungsmodul an eine externe Auswerteeinheit 9 übertragen werden. Die genannte Auswerteeinheit 9 kann eine elektronische Recheneinheit mit einem Prozessor, einem Programmspeicher und einem Arbeitsspeicher sein, um Auswerteroutine, beispielsweise in Form von gespeicherter Software, ausführen zu können.
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Wie 1 zeigt, kann der Elektronikbaustein 8 auf der Außenseite des Wälzkörpers 5 durch eine Datenleitung mit dem Sensor 6 verbunden sein, um die Sensorsignale empfangen bzw. abfragen zu können. Ferner kann der Elektronikbaustein 8 über eine Versorgungsleitung auch mit dem Energieerzeuger beispielsweise in Form des Generators 7 verbunden sein, um vom Energieerzeuger mit elektrischer Energie versorgt zu werden.
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Der genannte Energieerzeuger versorgt ferner auch den Sensor 6 mit elektrischem Strom, der über eine weitere Stromleitung an den genannten Energieerzeuger angebunden sein kann.
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Ohne dass 1 dies explizit zeigen würde, kann zwischen dem Energieerzeuger und den zu versorgenden Komponenten wie dem Sensor 6 und/oder dem Elektronikbaustein 8 auch ein Zwischenspeicher zum Zwischenspeichern der erzeugten, elektrischen Energie vorgesehen sein, beispielsweise in Form einer Batterie bzw. eines Akkus und/oder eines Kondensators, die/der ebenfalls im Inneren des Wälzköpers 5 angeordnet sein könnte.
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Wie 1 weiter zeigt, kann der Generator 7 an der dem Elektronikbaustein 8 gegenüberliegenden Stirnseite des Wälzkörpers 5 angeordnet sein, wobei eine Generatorplatine 17 ähnlich der Platine 10 des Elektronikbausteins 8 ringförmig ausgebildet und in einer ringförmigen Vertiefung 18 an der Stirnseite des Wälzkörpers 5 versenkt angeordnet sein kann, so dass die Generatorplatine 1 stirnseitig nicht über den Wälzkörper vorsteht.
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Die genannte Generatorplatine 17 kann eine oder mehrere Spulen aufweisen, die mit Permanentmagneten 19 zusammenarbeiten können.
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Die genannten Permanentmagnete 19 können stirnseitig der Generatorplatine 17 gegenüberliegend angeordnet, insbesondere am Käfig 14 befestigt sein. Vorteilhafterweise können die Magnete 19 auf einem Teilungskreis angeordnet sein, dessen Durchmesser im Wesentlichen dem Teilungskreis entspricht, auf dem die Spulen der Generatorplatine 17 angeordnet sind. Mit anderen Worten können die Spulen und die Permanentmagnete 19 etwa gleich weit von der Drehachse 11 beabstandet angeordnet sein und sich stirnseitig unmittelbar gegenüberliegen, vgl. 1.
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Alternativ oder zusätzlich können auch radial innerhalb der Generatorplatine 17 Permanentmagnete 19 angeordnet sein, um in den Spulen der Generatorplatine 17 Strom zu induzieren. Beispielsweise können die Magnete 19 an einem der Achsstummel 15a des Lagerkäfigs 14 angeordnet und in der Bohrung 13 versenkt positioniert sein, vgl. 1.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung kann der Energieerzeuger auch einen Klauenpolgenerator aufweisen, vgl. 2.
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Ein solcher Klauenpolgenerator kann vorteilhafterweise ebenfalls stirnseitig am Wälzkörper 5 positioniert werden, insbesondere an der dem Elektronikbaustein 8 gegenüberliegenden Stirnseite.
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Wie zuvor erläutert, kann der Rotor eines solchen Klauenpolgenerators mit einer Polpaarzahl n in einem zweigeteilten Stator rotieren, vgl. 2.
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Der zweigeteilte Stator kann dabei 2 x n Klauen bzw. Joche umfassen, wobei in einer gegebenen Statorposition alle magnetischen Nordpole des Rotors auf ein Joch und alle magnetischen Südpole des Rotors auf das andere Joch wirken. Der magnetische Fluss ergibt sich bei einem Klauenpolgenerator insofern aus der Summe der Felder zwischen allen magnetischen Dipolen und wird als Summe durch die Ringspule geführt. Hierdurch ergibt sich durch die Spule ein im Verhältnis zur Baugröße großes magnetisches Wechselfeld und eine gute Energieausbeute.
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Der Rotor eines solchen Klauenpolgenerators kann insbesondere stirnseitig am Wälzkörper angebracht sein, während der zweigeteilte Stator am Lagerkäfig bzw. am Abstandshalter für die Wälzkörper angebracht sein kann.
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Wie aus den Figuren ersichtlich wird, zeichnet sich das Wälzlager 1 insbesondere durch folgende Aspekte aus:
- - Ein Aspekt besteht darin, dass der Energieerzeuger 7 und der Elektronikbaustein 8 zur Sensordatenübertragung an gegenüberliegenden axialen Enden des Wälzkörpers 5 vorgesehen sind.
- - Ein weiterer Aspekt besteht darin, dass der Elektronikbaustein 8 eine Platine 10 zur Datenspeicherung und/oder -übertragung aufweist, die in einer Ebene quer zur Drehachse 11 des Wälzköpers 5 auf einer Stirnseite des genannten Wälzkörpers 5 angeordnet ist.
- - Ein weiterer Aspekt besteht darin, dass die Platine 10 ringförmig ausgebildet ist und/oder eine ringförmige Hüllkontur definiert, wobei die genannte Platine 10 in einer ringförmigen Vertiefung 12 in der Stirnseite des Wälzkörpers 5 versenkt und/oder oberflächenbündig eingesetzt ist.
- - Ein weiterer Aspekt besteht darin, dass der Wälzkörper 5 eine Bohrung 13 aufweist, die koaxial zur Wälzkörperdrehachse 11 durch die Platine 10 hindurchtritt.
- - Ein weiterer Aspekt besteht darin, dass ein Lagerkäfig 14 eine stirnseitig in den Wälzkörper 5 eingreifende und/oder durch den Wälzkörper hindurchtretende Käfigachse 15 aufweist, die durch die genannte Platine 10 hindurchtritt.
- - Ein weiterer Aspekt besteht darin, dass der Elektronikbaustein 8 mit dem Wälzkörper 5 mitrotierend angeordnet ist.
- - Ein weiterer Aspekt besteht darin, dass der genannte Elektronikbaustein 8 ein drahtlos arbeitendes Datenübertragungsmodul 16, insbesondere ein Funk- und/oder Bluetooth-Übertragungsmodul, aufweist.
- - Ein weiterer Aspekt besteht darin, dass der zumindest eine Sensor 6 in einer zentralen Bohrung 13 im Wälzkörper 5 sitzt.
- - Ein weiterer Aspekt besteht darin, dass der zumindest eine Sensor 6 mit dem Wälzkörper 5 mitdrehend angeordnet ist.
- - Ein weiterer Aspekt besteht darin, dass der zumindest eine Sensor 6 umfangsseitig passgenau in dem Wälzkörper 5 sitzt derart, dass Verformungen und/der Vibrationen des Wälzkörpers 5 auf den Sensor 6 direkt übertragen werden.
- - Ein weiterer Aspekt besteht darin, dass der zumindest eine Sensor 6 in den Wälzkörper 5 eingepresst ist und/oder im Wälzkörper 5 durch einen Presssitz gehalten ist.
- - Ein weiterer Aspekt besteht darin, dass der zumindest eine Sensor 6 zumindest eines der folgenden Sensorelemente umfasst: ein Vibrationssensor, ein Drehwinkelsensor, ein Winkelpositionssensor, ein Wälzkörperlastsensor, ein Formsensor zur Erfassung lastbedingter Wälzkörperstauchungen und/oder einer Wälzkörper-Ovalisierung, ein Temperatur-sensor, ein Verformungssensor, ein Beschleunigungssensor, ein Drehgeschwindigkeitssensor und eine Inertialmesseinrichtung IMU sowie ein Magnetometer zur Messung von Magnetfeldstärken.
- - Ein weiterer Aspekt besteht darin, dass der Sensor 6 resistiv arbeitend ausgebildet ist.
- - Ein weiterer Aspekt besteht darin, dass der Energieerzeuger einer Generatorplatine mit einer oder mehreren Spulen aufweist, die in einer Ebene quer zur Drehachse 11 des Wälzkörpers 5 an der Stirnseite des genannten Wälzkörpers 5 angeordnet ist.
- - Ein weiterer Aspekt besteht darin, dass die Generatorplatine 17 ringförmig ausgebildet ist und/oder eine ringförmige Hüllkontur definiert, wobei die genannte Generatorplatine 17 in einer stirnseitigen, insbesondere ringförmigen Vertiefung 18 in der Stirnseite des Wälzkörpers 5 versenkt oder oberflächenbündig aufgenommen ist.
- - Ein weiterer Aspekt besteht darin, dass der Wälzkörper 5 eine Bohrung 13 aufweist, die koaxial zur Wälzkörperdrehachse 11 durch die Generatorplatine 17 hindurchtritt.
- - Ein weiterer Aspekt besteht darin, dass ein Lagerkäfig 14 eine stirnseitig in den Wälzkörper 5 eingreifende und/oder durch den Wälzkörper hindurchtretende Käfigachse 15 aufweist, die durch die genannte Generatorplatine 17 hindurchtritt.
- - Ein weiterer Aspekt besteht darin, dass der Energieerzeuger Permanentmagnete 19 aufweist, die radial innerhalb von Generatorspulen an der genannten Käfigachse 15 angeordnet sind.
- - Ein weiterer Aspekt besteht darin, dass der Energieerzeuger Permanentmagnete 19 aufweist, die stirnseitig dem Wälzkörper 5 gegenüberliegend und/oder von der Wälzkörperdrehachse 11 etwa gleichweit beabstandet wie Generatorspulen angeordnet sind.
- - Ein weiterer Aspekt besteht darin, dass der Energieerzeuger einen Klauenpolgenerator aufweist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3857197 B1 [0006, 0009]
- DE 102017210286 A1 [0006]
- DE 102016116118 A1 [0006]
- EP 0637734 B1 [0006]
- US 20180003227 A1 [0006]
- US 10767703 B2 [0006]
