DE112014004779T5

DE112014004779T5 - Lageranordnung

Info

Publication number: DE112014004779T5
Application number: DE112014004779.1T
Authority: DE
Inventors: Arne Lars Jonas Kullin; Hans Wendeberg
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2013-10-17
Filing date: 2014-10-10
Publication date: 2016-06-30
Also published as: US20160258482A1; WO2015057138A1; US10197093B2; CN105658971B; CN105658971A

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Lageranordnung mit einer ersten und einer zweiten Trägerstruktur zum Lagern eines sich drehenden Elements, einem ersten Wälzlager, das die erste Trägerstruktur in Bezug auf die zweite Trägerstruktur an einer ersten Lagerstelle lagert, einem zweiten Wälzlager, das die erste Trägerstruktur in Bezug auf die zweite Trägerstruktur an einer zweiten Lagerstelle lagert, wobei das erste und das zweite Wälzlager in Bezug zueinander in einer koaxialen Konfiguration angeordnet sind. Weiterhin bildet das erste Wälzlager ein radial äußeres Lager, und das zweite Wälzlager ist mit einem radialen Lagerabstand radial innerhalb des ersten Wälzlagers angeordnet, und die erste Lagerstelle und zweite Lagerstelle sind axial ausgerichtet. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung einer Lageranordnung.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Wälzkörperlageranordnung, und genauer eine Wälzlageranordnung, die eine erste und eine zweite Trägerstruktur zum Lagern eines sich drehenden Elements umfasst, das eine Hauptdrehachse aufweist.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen einer Lageranordnung.
Stand der Technik
Lageranordnungen mit zwei oder mehr Wälzlagern, die dazu ausgelegt sind, zusammenzuwirken, um eine Welle oder ein sich drehendes Element axial zu positionieren, werden in einer umfangreichen Vielfalt unterschiedlicher Anwendungen verwendet, wie Motoren, Radnaben, Lageranordnungen für Wellen, elektrische Maschinen, Turbinen, etc.
Üblicherweise ist ein erstes Wälzlager dazu ausgelegt, eine axiale Bewegung in einer ersten axialen Richtung zu begrenzen, und ein zweites Wälzlager ist dazu ausgelegt, eine axiale Bewegung in einer zweiten axialen Richtung zu begrenzen, die der ersten axialen Richtung entgegengesetzt ist. Weiterhin wirken die Wälzlager zusammen, um beide radiale und axiale Kräfte, sowie ein Kippmoment der Welle oder des sich drehenden Elements während des Betriebs aufzunehmen.
Um die Welle oder das sich drehende Element in einer geeigneten Weise zu lagern, sind verschiedene Lageranordnungskonfigurationen bekannt, die an gegebene radiale und axiale Lasteigenschaften, die einer bestimmten Anwendung zugehörig sind, angepasst sein können. Allerdings erfordern bekannte Ausgestaltungen von Lageranordnungen üblicherweise eine hohe Präzision in der Fertigung der Lagerlaufflächen und der Laufflächenkontaktierenden Oberflächen der Wälzkörper, sowie eine hohe Präzision der Ausrichtung zwischen dem sich drehenden Element und den Gehäusestrukturen der Wälzlager an verschiedenen Lagerstellen entlang der Drehachse des rotierenden Elements. Ebenfalls erhöhen die Ausgestaltung und die Komplexität der Lagergeometrien die Anforderungen an die Präzision und die Ausrichtung der Lager, genauso wie die Zunahme des Gewichts und der Materialkosten. Darüber hinaus zieht, um eine ausreichende axiale Positionierungsfunktion zu erreichen, die dazu nötige axiale Verlängerung der bekannten Wälzlagerlösungen, vergrößerte Bauraumbedürfnisse und ein erhöhtes Gesamtgewicht nach sich. Weiterhin verursachen bekannte Ausgestaltungen geringfügige Materialverbiegungen, die zu einer Abnahme der Genauigkeit zwischen den sich drehenden Elementen und den sie umgebenden Strukturen, wie zum Beispiel den Gehäuse- und Statorbauteilen, führen.
Zusammenfassung der Erfindung
Im Hinblick auf die oben erwähnten und anderen Nachteile des Stands der Technik, ist eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Lageranordnung, elektrische Maschine, Lastaufnehmendes Lager, Turbinenanordnung und Verfahren zur Herstellung einer Lageranordnung bereitzustellen.
Diese und andere Aufgaben werden durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Gegenstände gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt davon, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Lageranordnung mit einer ersten und einer zweiten Trägerstruktur zum Lagern eines sich drehenden Elements, wobei das sich drehende Element eine Hauptdrehachse hat, wobei die erste Trägerstruktur dazu angeordnet ist, sich mit dem sich drehenden Element zu drehen, und die zweite Trägerstruktur feststehend ausgebildet und derart angeordnet ist, dass sie nicht-drehbar an einem Rahmen befestigt ist. Die Anordnung umfasst weiterhin ein erstes Wälzlager, das, durch drehbares Verbinden, die erste Trägerstruktur in Bezug auf die zweite Trägerstruktur an einer ersten Lagerstelle lagert, und ein zweites Wälzlager, das, durch drehbares Verbinden, die erste Trägerstruktur in Bezug auf die zweite Trägerstruktur an einer zweiten Lagerstelle lagert, wobei das erste und zweite Wälzlager in einer koaxialen Konfiguration in Bezug zueinander angeordnet sind. Zudem bildet das erste Wälzlager ein radial äußeres Lager, und das zweite Wälzlager ist radial innerhalb des ersten Wälzlagers mit einem radialen Lagerabstand angeordnet, und die erste Lagerstelle und die zweite Lagerstelle sind axial ausgerichtet.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis der Erfinder, dass eine verbesserte und kompaktere Lageranordnung durch ein Bereitstellen eines Satzes von axial befestigten Wälzlagern, die radial geteilt und axial ausgerichtet sind, realisiert wird. Durch die radiale Teilung und das axiale Ausrichten des ersten und zweiten Wälzlagers ermöglicht die Lösung vorzugsweise eine axiale und radiale Lastaufnahmekapazität, während die axiale Breite der Anordnung signifikant verringert werden kann, wodurch das Gewicht und die Bauraumanforderungen reduziert werden. Im Hinblick auf das erste Wälzlager, können Größe und Querschnitt mit Zunahme einer radialen Lagerabmessung kleiner sein, was eine optimiertere Ausgestaltung in Bezug auf Kompaktheit und Gewicht des ersten Wälzlagers ermöglicht. Zum Beispiel verbessert die vergrößerte radiale Lagerabmessung des ersten Wälzlagers die Drehmomentaufnahmekapazität der Lageranordnung. Ebenfalls ermöglicht die Ausgestaltung gemäß vorliegender Erfindung eine effizientere Montage, Demontage und Austausch der Komponenten der Lageranordnung und des sich drehenden Elements.
Die Lageranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist weiterhin darin bevorzugt, dass die Ausgestaltung einen verbesserten Betrieb und Ausführung von direkt angetriebenen Anwendungen, oder getriebelosen Anwendungen, das heißt, Anwendungen ohne Getriebe zwischen dem sich drehenden Element und Anwendungen, die mit dem sich drehenden Element verbunden sind, ermöglicht. Zum Beispiel kann das sich drehende Element einen Teil eines Rotors einer elektrischen Maschine, wie zum Beispiel eines elektrischen Motors oder Generators bilden, oder mit diesem verbunden sein. Genauer gesagt, erlaubt die vergrößerte radiale Abmessung des ersten Wälzlagers vorzugsweise einen verringerten Abstand zwischen dem ersten Wälzlager und den Rotor- und Statorelementen einer elektrischen Maschine. Der verringerte Abstand verringert die negative Wirkung von Materialverbiegungen der Trägerstrukturteile, die zwischen dem ersten Wälzlager und dem Rotor der elektrischen Maschine angeordnet sind, wodurch die Ausrichtung und relative Orientierung zwischen dem Rotor und Stator der elektrischen Maschine, oder einer Anwendung, verbessert werden. Beispielsweise erlaubt dieses einen verbesserten und genaueren Luftspalt zwischen dem Rotor und Stator einer elektrischen Maschine.
Die Lageranordnung kann beispielsweise derart angeordnet sein, dass ein sich drehendes Element eine horizontale Achse, oder fast horizontale Achse, aufweist, oder dass ein sich drehendes Element eine vertikale Achse, oder fast vertikale Achse, aufweist.
Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel, ist der Kontaktwinkel von mindestens einem der ersten und zweiten Wälzlager in Bezug auf die Hauptdrehachse winkelig angestellt. Beispielsweise ist mindestens eines der ersten und zweiten Wälzlager, oder beide, ein Schrägwälzlager, wie zum Beispiel ein Schrägrollenlager oder ein Schrägkugellager, die dazu angeordnet sind, Axiallasten aufzunehmen.
Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel sind die Kontaktwinkel der ersten und zweiten Wälzlager in Bezug auf die Drehachse winkelig angestellt, wobei das erste Wälzlager dazu angeordnet ist, die erste Trägerstruktur axial in Bezug auf die zweite Trägerstruktur in einer ersten axialen Richtung D1 zu positionieren, und das zweite Wälzlager ist dazu ausgelegt, die erste Trägerstruktur axial in Bezug auf die zweite Trägerstruktur in einer zweiten axialen Richtung D2 zu positionieren, wobei die zweite axiale Richtung der ersten axialen Richtung entgegengesetzt ist. Mit anderen Worten, sind das erste und das zweite Wälzlager vorzugsweise derart angeordnet, dass sie zusammenwirken, um die erste Trägerstruktur in Bezug auf die zweite Trägerstruktur axial zu positionieren und zu befestigen.
Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel liegt der Kontaktwinkel von mindestens einem oder beiden der ersten und zweiten Wälzlager zwischen 5 und 90 Grad, oder zwischen 5 und 60 Grad, oder zwischen 10 und 45 Grad, oder zwischen 15 und 25 Grad. Eine geeignete Kontaktwinkelanordnung des ersten und zweiten Wälzlagers ermöglicht eine geeignete radiale und axiale Lastaufnahmekapazität. Zum Beispiel hat das erste Wälzlager einen relativ großen Kontaktwinkel und ist dazu ausgelegt, axiale Lasten aufzunehmen, und das zweite Wälzlager hat einen relativ kleinen Kontaktwinkel und ist dazu ausgelegt, radiale Lasten aufzunehmen, oder umgekehrt. Zum Beispiel weist das erste Wälzlager in Bezug auf das zweite Wälzlager eine größere axiale Lastaufnahmekapazität auf, um die axiale Last des Gewichts einer geneigten, sich drehenden Anordnung und von der Kraft, die auf das sich drehende Element während des Betriebs in einer Anwendung übertragen wird, aufzunehmen.
Der Kontaktwinkel kann als der Winkel zwischen der Linie, entlang welcher die resultierende Last mittels eines Wälzkörpers von einer Lauffläche zur anderen übertragen wird, üblicherweise entlang einem axialen Mittelteil des Wälzkörpers, definiert sein. Der Kontaktwinkel der ersten und zweiten Wälzlager kann ebenfalls als der Winkel zwischen der Drehachse der Wälzkörper, wie zum Beispiel der Rollen, und der axialen Richtung des sich drehenden Elements beschrieben werden.
Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel sind ein erstes Druckzentrum des ersten Wälzlagers und ein zweites Druckzentrum des zweiten Wälzlagers in der axialen Richtung durch einen Druckzentrenabstand B getrennt. Gemäß verschiedener beispielhafter Ausführungsbeispiele ist der Druckzentrenabstand B gleich oder größer als die axiale Breite des zweiten Wälzlagers, oder 50 % des äußeren Radius des zweiten Wälzlagers, oder der äußere Radius des zweiten Wälzlagers, oder der äußere Durchmesser des zweiten Wälzlagers, oder 200 % des äußeren Durchmessers des zweiten Wälzlagers, oder zehnmal der äußere Durchmesser des zweiten Wälzlagers. Wenn die Kontaktwinkel der ersten und zweiten Wälzlager in die gleiche axiale Richtung geneigt sind, ermöglicht der erhöhte Druckzentrenabstand B die Reduktion einer Winkelverschiebung der Anordnung.
Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel umfasst das erste Wälzlager einen sich drehenden Ring mit einer Lauffläche für einen ersten Satz von Wälzkörpern und einen sich nicht-drehenden Ring mit einer Lauffläche für den ersten Satz von Wälzkörpern, und das zweite Wälzlager umfasst einen sich drehenden Ring mit einer Lauffläche für einen zweiten Satz von Wälzkörpern und einen sich nicht-drehenden Ring mit einer Lauffläche für den zweiten Satz von Wälzkörpern.
Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel sind der sich drehende Ring des ersten Wälzlagers und der sich drehende Ring des zweiten Wälzlagers an der ersten Trägerstruktur befestigt, und der sich nicht-drehende Ring des ersten Wälzlagers und der sich nicht-drehende Ring des zweiten Wälzlagers sind an der zweiten Trägerstruktur befestigt.
Jedes der ersten und zweiten Wälzlager umfasst einen inneren und einen äußeren Ring, wobei einer von jedem Paar der Ringe ein sich drehender Ring und der andere ein sich nicht-drehender Ring ist.
Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist der sich drehende Ring des ersten Wälzlagers durch den Innenring ausgebildet, und der sich drehende Ring des zweiten Wälzlagers ist durch den Außenring ausgebildet.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung, die ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel bildet, ist der sich drehende Ring des ersten Wälzlagers durch den Außenring ausgebildet, und der sich drehende Ring des zweiten Wälzlagers ist durch den Außenring ausgebildet.
Gemäß noch einer alternativen Ausgestaltung, die ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel bildet, ist der sich drehende Ring des ersten Wälzlagers durch den Innenring ausgebildet, und der sich drehende Ring des zweiten Wälzlagers ist durch den Innenring ausgebildet.
Gemäß einer zusätzlichen alternativen Ausgestaltung, die ein beispielhaftes Ausführungsbeispiel bildet, ist der sich drehende Ring des ersten Wälzlagers durch den Außenring ausgebildet, und der sich drehende Ring des zweiten Wälzlagers ist durch den Innenring ausgebildet.
Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel sind die äußeren Laufflächen der ersten und zweiten Wälzlager einander in axialer Richtung zugewandt oder voneinander abgewandt. Die ersten und zweiten Wälzlager können auch derart angeordnet sein, dass die äußeren Laufflächen in die gleiche axiale Richtung gerichtet sind.
Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel sind die ersten und zweiten Lager axial bezüglich einander über einen axialen Lagerabstand C, der zwischen axialen Zentren der ersten und zweiten Wälzlager definiert ist, versetzt, wobei der axiale Lagerabstand innerhalb eines Abstands liegt, der dem äußeren Radius des zweiten Wälzlagers entspricht, oder innerhalb eines Abstands liegt, der der axialen Ausdehnung des zweiten Wälzlagers entspricht, oder innerhalb eines Abstands liegt, der 50 % der axialen Ausdehnung des zweiten Wälzlagers entspricht, oder innerhalb eines Abstands liegt, der 20 % der axialen Ausdehnung des zweiten Wälzlagers entspricht.
Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist der radiale Lagerabstand A gleich oder größer als ein Abstand, der der axialen Ausdehnung des zweiten Wälzlagers entspricht, oder gleich oder größer als ein Abstand, der 50 % des äußeren Radius des zweiten Wälzlagers entspricht, oder gleich oder größer als ein Abstand, der dem äußeren Radius des zweiten Wälzlagers entspricht, oder gleich oder größer als ein Abstand, der 150 % des äußeren Radius des zweiten Wälzlagers entspricht, oder gleich oder größer als ein Abstand, der dem äußeren Durchmesser des zweiten Wälzlagers entspricht, oder gleich oder größer als ein Abstand, der 200 % des äußeren Durchmessers des zweiten Wälzlagers entspricht.
Gemäß verschiedenen beispielhaften Ausführungsbeispielen, ist, um eine radial geteilte und axial aneinander ausgerichtete Konfiguration zwischen dem ersten und zweiten Wälzlager auszubilden, der radiale Lagerabstand A größer als oder zumindest zwei-, oder vier-, oder zehnmal so groß wie der axiale Lagerabstand C.
Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist die erste Trägerstruktur scheibenförmig und umfasst einen ersten Lagersitz mit einer Sitzfläche, der in einem rückhaltenden Anschlag mit dem sich drehenden Ring des ersten Wälzlagers angeordnet ist, und einem zweiten Lagersitz mit einer Sitzfläche, der in einem rückhaltenden Anschlag mit dem sich drehenden Ring des zweiten Wälzlagers angeordnet ist, wobei der erste und zweite Lagersitz in Bezug zueinander axial aufeinander ausgerichtet und radial voneinander getrennt sind. Die Lagersitze gewährleisten vorzugsweise eine korrekte und sichere Befestigung der sich drehenden Ringe der ersten und zweiten Wälzlager an der ersten Trägerstruktur.
Gemäß einem weiteren beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst jeder Lagersitz eine Sitzfläche, die in eine radial nach innen oder radial nach außen gerichtete Richtung zeigt. Die Sitzfläche kann zylindrisch oder konisch sein.
Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist das erste und/oder zweite Wälzlager ein Kegelrollenlager, Axial-Pendelrollenlager, Schrägpendelrollenlager, Toroidalrollenlager, Schrägtoroidalrollenlager, ein Zylinderrollenlager, oder eine Kombination von zweien von diesen Wälzlagertypen. Beispielsweise ist, gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel, das erste und/oder zweite Wälzlager ein Kugellager, das eine reduzierte Reibung ermöglicht. Ebenfalls ermöglicht die große Kontaktzone, die durch die große radiale Abmessung des ersten Wälzlagers bereitgestellt ist, geeignete Lastaufnahmeeigenschaften und Haltbarkeit des Kugellagers.
Beiden, Pendelrollenlagerarten und Toroidalrollenlagertarten ist gemeinsam, dass jede Lauffläche jedes Lagers einen gekrümmten Querschnitt aufweist, wenn dieser in einer Ebene, die mit der axialen Richtung der Innen- oder Außenringe zusammenfällt, genommen wird. Ebenfalls ist jede Rolle mit einer laufflächen-berührenden Oberfläche ausgestattet, die einen gekrümmten Querschnitt aufweist, wenn dieser in einer Ebene, die mit der Drehachse der Rolle zusammenfällt, genommen wird. Mit anderen Worten, sind die Rollen tonnenförmig mit einer konvexen laufflächen-berührenden Oberfläche ausgebildet. Weiterhin hat, für eine Pendelrollenlagerart, die Krümmung der äußeren Lauffläche einen Krümmungsradius, der dem Radius der äußeren Lauffläche entspricht, oder gleich zu diesem ist, und die Rollen sind derart angeordnet, dass sie sich in Bezug auf die äußere Lauffläche bewegen und mit der inneren Lauffläche während einer selbstausrichtenden Bewegung des Pendelrollenlagers mitbewegen. Für einen toroidalen Lagertyp weist die Krümmung der äußeren Lauffläche einen Krümmungsradius auf, der größer als der Radius der äußeren Lauffläche ist, was irgendeine axiale Verschiebung der Rollen in Bezug auf die Lauffläche ermöglicht, wobei die Rollen derart angeordnet sind, dass sie sich in Bezug auf Beide, die äußere Lauffläche und die innere Lauffläche, während einer selbst-ausrichtenden Bewegung des Toroidallagers bewegen. Beispielsweise ist für den Toroidallagertyp das Verhältnis zwischen dem Krümmungsradius und dem Radius der Lauffläche größer als 1.1, oder 1.2, oder 1.5, 2, oder 5.
Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist das erste Wälzlager und/oder das zweite Wälzlager ein einreihiges Wälzlager, d.h. mit nur einer einzelnen Wälzkörperreihe, wie zum Beispiel ein einreihiges Pendelrollenlager oder ein einreihiges Toroidalrollenlager. Folglich sind die erste Trägerstruktur und das sich drehende Element an der ersten Lagerstelle nur durch das erste Wälzlager gelagert, wobei das erste Wälzlager nur eine Reihe von Rollen umfasst, die das sich drehende Element axial in der ersten axialen Richtung positioniert. Analog können die erste Trägerstruktur und das sich drehende Element an der zweiten Lagerstelle nur durch das zweite Wälzlager gelagert werden, wobei das zweite Wälzlager nur eine Reihe von Rollen umfasst, die das sich drehende Element axial in der zweiten axialen Richtung positioniert.
Zum Beispiel ist die Normale der Kontaktfläche der ersten und/oder zweiten Lagerlauffläche entlang der gesamten oder vollen Länge von der Lauffläche entlang der axialen Richtung, in Bezug auf die radiale Richtung des drehenden Elements geneigt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die zweite Trägerstruktur weiterhin eine axiale Zentralbohrung, die ein verringertes Gewicht und einen Zugang zu der ersten Trägerstruktur und dem sich drehenden Element, wie zum Beispiel einer Rotorvorrichtung einer elektrischen Maschine, ermöglicht. Eine Rotorvorrichtung kann z.B. Verbindungsteile oder elektromagnetische Vorrichtungen, die über den durch die Zentralbohrung ausgebildeten Zugang mit den externen Steuereinheiten verbunden sind, umfassen. Auch der äußere sich nicht-drehende Ring des zweiten Wälzlagers kann innerhalb der axialen Zentralbohrung der zweiten Trägerstruktur befestigt sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der Lageranordnung, können die ersten und/oder zweiten Wälzlager mit einem positiven internen Betriebsspiel, einem negativen internen Betriebsspiel, oder keinem internen Betriebsspiel, ausgestaltet sein. Beispielsweise können die Lager derart angeordnet sein, dass sie im Wesentlichen kein axiales Spiel aufweisen, oder mit einem geeigneten axialen Spiel angeordnet sein, das von der bevorzugten Ausgestaltung der Anwendung abhängig ist. Die Lager können auch mit einem Betriebsspiel, oder Spiel in der radialen Richtung, angeordnet sein. Die Lager können alternativ mit einem negativen Betriebsspiel angeordnet sein, d.h. einer Vorspannung, um z.B. die Steifigkeit der Lageranordnung zu vergrößern, oder um eine Laufgenauigkeit zu erhöhen. Beispielsweise kann die Verwendung einer Vorspannung durch Federn bereitgestellt werden, um Lagerschäden infolge von Rutschbewegungen der Wälzkörper zu verhindern.
Weiterhin können das erste und/oder zweite Wälzlager, gemäß verschiedenen Ausführungsformen, getrennte Lager sein, wobei die inneren und äußeren Ringe und der Satz von Wälzkörpern voneinander getrennt sind.
Alternativ können die Wälzlager selbsthaltend sein, so dass der Satz von Wälzkörpern und der innere und der äußere Ring eine selbsthaltende Lagereinheit bilden. Zum Beispiel kann die Selbsthaltung durch Bereitstellung von z.B. Halteringen, Haltehülsen oder Haltekäfigen, bereitgestellt sein. Die Wälzlager können auch semi-selbsthaltend sein, so dass nur der Satz von Wälzkörpern und einer der inneren oder äußeren Ringe eine selbsthaltende Einheit ausbilden.
Darüber hinaus können, gemäß alternativen weiteren Ausführungsbeispielen der Lageranordnung, die ersten und/oder zweiten Wälzlager mit einer Beschichtung für eine verbesserte Leistung und Betriebssicherheit ausgestattet sein. Genauer kann eine geeignete dauerhafte Beschichtung an den jeweiligen Wälzkörpern, Innenlaufflächen, Außenlaufflächen, Innenringe und/oder Außenringe aufgebracht sein. Auch kann das gesamte Wälzlager beschichtet sein. Beispielsweise, können Probleme wie Mikropitting, Schmieren und Einschlussgeneriertes sprödes Abplatzen, und ein z.B. durch große Scherkräfte erzeugter ähnlicher Verschleiß durch eine Beschichtung vermindert werden. Eine Beschichtung kann auch angewendet werden, um eine Oberflächenunebenheiten bedingte Wechselwirkung zwischen den Wälzkörpern und Laufflächen zu verringern oder zu vermeiden, und/oder um die Laufflächen während des Betriebs dynamisch zu polieren. Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Beschichtung auf Kohlenstoff-, Oxid-, Chrom-, Zink-, Mangan- und/oder Phosphatverbindungen basieren oder diese umfassen. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Beschichtung dazu ausgelegt sein, einen dielektrischen Spannungsdurchschlag der Wälzlagerkomponenten zu reduzieren oder zu vermeiden, beispielsweise durch Verwendung einer Keramik basierten Beschichtung, die als Isolierung wirkt.
Zusätzlich kann, entsprechend weiterer beispielhafter Ausführungsbeispiele, die Lageranordnung mit Sensoren und einem Messgerät ausgestattet werden, um den Betrieb der Anordnung zu steuern und Betriebsdaten zu sammeln, um Wartungsanforderungen zu analysieren und Servicetätigkeiten zu planen. Sensoren und Messgeräte können auch dazu verwendet werden, einen nicht-regulären Betrieb der Anordnung zu detektieren. Sensoren und Messgeräte können dazu angeordnet sein, Temperatur, Rotationsgeschwindigkeit, Kräfte, Schwingung, Ausrichtung von Strömen zu messen, sind jedoch nicht auf diese Parameter beschränkt. Daten können gesammelt werden und über Kabel oder ein drahtloses Kommunikationsnetz an eine Steuereinheit oder an eine zentrale Analyseanlage übermittelt werden.
Gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bezieht sich dieses auf eine elektrische Maschine mit einer Lageranordnung, gemäß einem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele, wobei der Rahmen ein elektrisches Maschinengehäuse bildet, die erste Trägerstruktur Teile eines Rotors der elektrischen Maschine bildet, und die elektrische Maschine weiterhin einen Stator umfasst, der an dem elektrischen Maschinengehäuse befestigt ist, wobei der Stator mit dem Rotor während des Betriebs zusammenwirkt. Dadurch wird eine kompaktere und leichtgewichtigere elektrische Maschine, wie beispielsweise ein Motor oder Generator, bereitgestellt. Insbesondere kann die axiale Abmessung der elektrischen Maschine reduziert sein, während ein dauerhafter Betrieb mit hoher Leistung und hoher Präzision zwischen den Rotor- und Statorelementen der elektrischen Maschine ermöglicht ist. Beispielsweise sind, entsprechend einem beispielhaften Ausführungsbeispiel, die Rotor- und Statorelemente an einer radialen äußeren Seite des ersten Wälzlagers angeordnet, wobei das Rotorelement an der ersten Trägerstruktur und das Statorelement an der zweiten Trägerstruktur befestigt ist.
Gemäß einem weiteren beispielhaften Ausführungsbeispiel betrifft die vorliegende Erfindung eine lastaufnehmende Lageranordnung zum drehbaren Lagern einer Welle, wobei die lastaufnehmende Lageranordnung eine Lageranordnung gemäß einem der vorherigen Ausführungsbeispiele umfasst. Die Welle kann Teil eines Motors, oder einer Maschine, bilden, wobei die Lageranordnung vorteilhafter Weise hohe Kippmomente aufnimmt, während sie reduziert axiale Bauraumerfordernisse zeigt. Auch sind vorteilhafterweise Materialverbiegungen, die zu einer Fehlausrichtung zwischen der ersten und der zweiten Trägerstruktur führen, an einem radial äußeren Abschnitt der ersten und zweiten Trägerstruktur durch die radial äußere Anordnung des ersten Wälzlagers reduziert.
Gemäß noch einem beispielhaften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bezieht sich diese auf eine Turbinenanordnung mit einer Lageranordnung nach einem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele, wobei der Rahmen einen Gondelrahmen einer Turbine bildet, und die zweite Trägerstruktur an dem Gondelrahmen befestigt ist. Weiterhin umfasst die Anordnung eine Nabeneinheit, die mit Rotorblättern ausgestattet ist, wobei die Nabeneinheit an der ersten Trägerstruktur befestigt ist.
Die Turbinenanordnung kann ferner eine Generatorvorrichtung mit einem Rotorelement, das an der ersten Trägerstruktur befestigt ist, und ein Statorelement, das an der zweiten Trägerstruktur befestigt ist, aufweisen. Beispielsweise ist, gemäß einem beispielhaften Ausführungsbeispiel, die Generatorvorrichtung an einer radial äußeren Seite des ersten Wälzlagers angeordnet. Die Turbinenanordnung kann weiterhin eine Gierdrehvorrichtung zum Drehen des kompletten Gondelrahmens und Gehäuses um eine Gierachse aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Lageranordnung mit einer Hauptdrehachse, wobei das Verfahren umfasst das Bereitstellen von:

– einer ersten Trägerstruktur zum Lagern eines sich drehenden Elements und zum derartigen Anordnen der ersten Trägerstruktur, dass sie sich mit dem sich drehenden Element dreht,
– einer zweiten Trägerstruktur zum Lagern des sich drehenden Elements und zum derartigen Anordnen der zweiten Trägerstruktur, dass sie nicht-drehbar an den Rahmen befestigt ist,
– einem ersten Wälzlager und dessen Anordnung, um die erste Trägerstruktur in Bezug auf die zweite Trägerstruktur an einer ersten Lagerstelle zu lagern, und
– einem zweiten Wälzlager und dessen Anordnung, um die erste Trägerstruktur in Bezug auf die zweite Trägerstruktur an einer zweiten Lagerstelle zu lagern.

Das Verfahren umfasst weiterhin, Anordnen des ersten und zweiten Wälzlagers bezüglich einander in einer koaxialen Konfiguration, Anordnen des ersten Wälzlagers als ein radial äußeres Lager, Bereitstellen des zweiten Wälzlagers radial innerhalb des ersten Wälzlagers über einen radialen Lagerabstand, und axiales Ausrichten der ersten Lagerstelle und der zweiten Lagerstelle zueinander.
Das Verfahren stellt eine verbesserte Lageranordnung bereit, die vorzugsweise in ähnlicher Weise ausgebildet ist, wie, in Bezug auf den ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung beschrieben ist.
Als sich nicht-drehend, ist zu verstehen, dass die zweite Trägerstruktur in Bezug auf die Hauptdrehbewegung der ersten Trägerstruktur während des Betriebs feststehend ist. Dennoch kann die sich nicht-drehende Trägerstruktur andere Drehbewegungen ausführen, wie beispielsweise eine Drehbewegung, wenn eine komplette Einheit, die die Lageranordnung aufweist, durch Gierbewegung rotiert wird, um geeignete Betriebs- und bevorzugte Bedingungen für eine spezifische Anwendung der Lageranordnung zu erreichen.
Im Allgemeinen werden andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung aus der folgenden detaillierten Offenbarung, aus den beigefügten abhängigen Ansprüchen, sowie aus den Zeichnungen, klar, die gleichermaßen innerhalb dem Schutzumfang der Erfindung liegen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsformen der Erfindung werden nun, beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
1a: ist eine schematische Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels der Lageranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
1b: ist eine vergrößerte schematische Querschnittsteilansicht des Ausführungsbeispiels der Lageranordnung in 1a.
2: ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Lageranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
3: ist eine vergrößerte schematische Querschnittsteilansicht einer Ausführungsform der Lageranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
4: ist eine vergrößerte schematische Querschnittsteilansicht einer Ausführungsform der Lageranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
5: ist eine vergrößerte schematische Querschnittsteilansicht einer Ausführungsform der Lageranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
6: ist eine vergrößerte schematische Querschnittsteilansicht einer Ausführungsform der Lageranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
7: ist eine schematische Ansicht einer Turbinenanordnung umfassend einer Ausführungsform der Lageranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Es versteht sich, dass die Zeichnungen nicht maßstabsgetreu sind, und, wie leicht von einen Fachmann zu erkennen ist, andere als die in den Zeichnungen dargestellte Dimensionierungen gleichermaßen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung möglich sind.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele der Erfindung
In den Zeichnungen sind ähnliche oder gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
In 1a ist eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Lageranordnung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Eine vergrößerte schematische Querschnittsteilansicht des Ausführungsbeispiels ist in 1b gezeigt.
Die Anordnung 1 umfasst eine erste Trägerstruktur 30 und eine zweite Trägerstruktur 35, die drehbar in Bezug zu einer Hauptdrehachse R der Anordnung miteinander verbunden sind. Die erste Trägerstruktur 30 ist derart angeordnet, dass sie sich mit einem sich drehenden Element 80, das durch eine Hohlwelle gebildet wird, dreht, und die zweite Trägerstruktur 35 ist feststehend und derart angeordnet, dass sie nicht-drehbar an einem Rahmen, z.B. an einem elektrischen Maschinengehäuse, befestigt ist.
Ein erstes Wälzlager 100 der selbstausrichtenden Art, lagert und verbindet drehend die erste Trägerstruktur 30 mit der zweiten Trägerstruktur 35 an einer ersten Lagerstelle 101. Ein zweites Wälzlager 200 der selbstausrichtenden Art, lagert und verbindet drehend die erste Trägerstruktur mit der zweiten Trägerstruktur an einer zweiten Lagerstelle 201. Das erste und zweite Wälzlager 100 und 200 sind zueinander in einer koaxialen Anordnung entlang der Drehachse R angeordnet, und wirken zusammen, um die erste Trägerstruktur 30 an die zweite Trägerstruktur 35 in einer steifen Konfiguration, d.h. mit reduzierter selbstausrichtender Fähigkeit, axial zu positionieren.
Die zweite Trägerstruktur 35 weist ein radial äußeres Element 37 auf, das sich radial nach außen zu der ersten Lagerstelle 101, an der das erste Wälzlager 100 befestigt ist, erstreckt. Die zweite Trägerstruktur 35 weist weiterhin ein radial inneres Element 38 auf, das sich axial zu der zweiten Lagerstelle 201, an der das zweite Wälzlager 200 angebracht ist, erstreckt. Wie veranschaulicht, umfasst die zweite Trägerstruktur 35 eine Zentralbohrung 39, die sich axial durch die zweite Trägerstruktur 35 erstreckt. Eine Sicherungsvorrichtung 33 ist angeordnet, um das zweite Wälzlager 200 an der ersten Trägerstruktur 30 zu sichern, und eine Sicherungsvorrichtung 34 ist angeordnet, um das zweite Wälzlager 200 an der zweiten Trägerstruktur 35 zu sichern. Der Außenradius des zweiten Wälzlagers ist durch 200r bezeichnet.
Das erste Wälzlager 100 ist in einer radial äußeren Position angeordnet, und das zweite Wälzlager 200 ist mit einem radialen Lagerabstand A, der zwischen den radialen Zentren des ersten und zweiten Wälzlagers 100 und 200, wie in den 1a–b gezeigt, definiert ist, radial innerhalb des ersten Wälzlagers angeordnet. Wie ferner gezeigt, sind die erste Lagerstelle 101 und zweite Lagerstelle 201 axial aufeinander ausgerichtet, so dass die axiale Position des ersten und des zweiten Wälzlagers 100 und 200 im Wesentlichen aneinander ausgerichtet sind. Diese Ausgestaltung nimmt vorteilhafter Weise große Momente, sowie große radiale und axiale Lasten auf, während ein optimiertes Gewicht und eine optimierte Kompaktheit der Turbine in axialer Richtung bereitgestellt ist.
Der Kontaktwinkel des ersten und zweiten Wälzlagers 100 und 200 ist in Bezug auf die Drehachse geneigt, um eine axiale Sperrung zwischen den Trägerstrukturen 30 und 35 bereitzustellen. Der Kontaktwinkel ca1 des ersten Wälzlagers 100 verhindert ein Verschieben der ersten Trägerstruktur 30 in der ersten axialen Richtung D1, und der Kontaktwinkel ca2 des zweiten Wälzlagers verhindert ein Verschieben der ersten Trägerstruktur 30 in der zweiten axialen Richtung D2. Ein erstes Druckzentrum 102 des ersten Wälzlagers 100 entlang der Drehachse R wird durch den Kontaktwinkel ca1 bestimmt, und ein zweites Druckzentrum 202 des zweiten Wälzlagers 200 entlang der Drehachse R wird durch den Kontaktwinkel ca2 bestimmt. Wie durch die Lastlinien dargestellt, sind die ersten und zweiten Druckzentren 102 und 202 axial durch einen Druckzentrenabstand B voneinander getrennt. Ein ausreichender Druckzentrenabstand B ermöglicht vorteilhafterweise, dass die Lageranordnung 1 Momente aufnimmt, während sie eine kompakte und axial ausgerichtete Geometrie der ersten und zweiten Wälzlager, wie beispielsweise selbst-ausrichtende Lager, aufweist. Mit anderen Worten kann der Druckzentrenabstand B dazu verwendet werden, um die balligen selbst-ausrichtenden Geometrien der ersten und zweiten Wälzlager 100 und 200 zu kompensieren, so dass eine steife momentaufnehmende Konstruktion basierend auf selbst-ausrichtenden Lagern bereitgestellt werden kann.
In den 1a–b sind die ersten und zweiten Wälzlager in die gleiche Richtung geneigt, das heißt, ihre äußeren Laufflächen sind geneigt und zeigen in die gleiche axiale Richtung D2.
Wie weiterhin dargestellt, sind die ersten und zweiten Lager 100 und 200 axial aufeinander ausgerichtet, so dass eine vorteilhafte axial kompakte Ausgestaltung bereitgestellt wird. Genauer gesagt, sind die ersten und zweiten Lager 100 und 200 axial zueinander nur durch einen begrenzten axialen Lagerabstand C, der, wie angedeutet, zwischen den axialen Zentren des ersten und zweiten Wälzlagers 100 und 200 definiert ist, versetzt ist, so dass die Lageranordnung 1 eine pfannkuchenartige Architektur hat.
Die radial getrennten ersten und zweiten Wälzlager 100 und 200 können, abhängig von der Anwendung und den zugehörigen Betriebsbedingungen, im Wesentlichen derart angeordnet sein, dass sie kein axiales Spiel haben, oder mit einem geeigneten axialen Spiel angeordnet sein.
Wie weiterhin in den 1a–b gezeigt, ist die Lageranordnung 1 mit einem ersten und zweiten Wälzlager 100 und 200 von unterschiedlicher Größe und Lastaufnahmekapazität ausgestaltet. Dadurch ist die Anordnung für unterschiedliche axiale Lastaufnahmekapazitäten in den ersten und zweiten axialen Richtungen ausgelegt, die eine Herstellung einer kompakten Anordnung mit reduziertem Gewicht ermöglicht.
Im Hinblick auf das erste Wälzlager 100, ist es ein Wälzlager der Pendelrollenart mit einem inneren Ring, der den sich drehenden Ring 110 ausbildet, einem äußeren Ring, der den sich nicht-drehenden Ring 120 ausbildet, und einem Satz von Wälzkörpern 103, die aus Rollen ausgebildet sind, die in einer zwischenliegenden Konfiguration zwischen dem inneren und äußeren Ring angeordnet sind. Das zweite Wälzlager 200 ist ein Wälzlager der Pendelrollenart mit einem äußeren Ring, der den sich drehenden Ring 210 ausbildet, einem inneren Ring, der den sich nicht-drehenden Ring 220 ausbildet, und einem Satz von Wälzkörpern 203, die aus Rollen ausgebildet sind, die in einer zwischenliegenden Konfiguration zwischen dem inneren Ring und äußeren Ring angeordnet sind.
Genauer gesagt, ist der sich drehende Innenring 110 in Bezug auf die erste Trägerstruktur 30, am Lagersitz 31a, angebracht und befestigt. Der äußere sich nicht-drehende Ring 120 ist in Bezug auf die zweite Trägerstruktur 35, am Lagersitz 36a, angebracht und befestigt.
Der sich drehende Außenring 210 ist in Bezug auf die erste Trägerstruktur 30, am Lagersitz 31b, angebracht und befestigt, und der innere sich nicht-drehende Ring 220 ist in Bezug auf die zweite Trägerstruktur 35, am Lagersitz 36b, angebracht und befestigt. Der Satz von Wälzkörpern 103 ist umfänglich in einer Reihe um den sich drehenden Innenring 110 angeordnet, und der Satz von Wälzkörpern 203 ist umfänglich in einer Reihe um den sich nicht-drehenden Innenring 210 angeordnet. Wie gezeigt, ist jeder Wälzkörper als eine symmetrische Lagerrolle ausgebildet und hat eine gekrümmte Laufflächenkontaktierende Oberfläche, die in Kontakt mit einer gekrümmte Lauffläche der inneren und äußeren Ringe 110 und 120; und 210 und 220 angeordnet ist. Jede Rolle hat ein symmetrisches konvexes, oder tonnenförmiges Profil, d.h. sie weist an einer axialen Mittelposition, eine, in Bezug auf die einander gegenüberliegenden axialen Endabschnitte, vergrößerte radiale Breite auf.
Wie weiterhin veranschaulicht, kann die Lageranordnung 1 einen Teil einer elektrischen Maschine ausbilden, das heißt, eines elektromechanischen Energiewandlers, der basierend auf einer Rotationsbewegung, Strom in mechanische Energie (d.h. Elektromotor) umwandelt oder mechanische Energie in Strom (d.h. elektrischer Generator). Ein Rotorelement 74a ist an einem Abschnitt der ersten Trägerstruktur 30 befestigt. Wie gezeigt, kann der Rotor radial außerhalb und/oder benachbart zu dem ersten Wälzlager 100 angeordnet sein, ist jedoch nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Wie weiter dargestellt, ist ein Statorelement 74b an einem radial äußeren Abschnitt der zweiten Trägerstruktur 35 befestigt. Wie gezeigt, kann der Stator radial außerhalb und/oder benachbart zu dem ersten Wälzlager 100 angeordnet sein, ist aber nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Der Rotor 74a und Stator 74b sind durch einen Luftspalt 74c, der sich in einer axialen Richtung erstreckt, die mit der Hauptdrehachse R zusammenfällt, voneinander getrennt. Der Luftspalt kann auch stattdessen eine radiale Konfiguration haben, wobei sich der Luftspalt in radialer Richtung erstreckt, oder eine konische Geometrie in Bezug auf die Hauptdrehachse R aufweisen.
Der Stator und der Rotor können auch radial zwischen dem ersten und zweiten Wälzlager, oder radial innerhalb des zweiten Wälzlagers 200 angeordnet sein.
2 ist eine schematische perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Lageranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die Anordnung, soweit nicht anders angegeben oder dargestellt, in ähnlicher Weise, wie die mit Bezug auf 1a–b beschriebene Lageranordnung, angeordnet und konfiguriert ist. Insbesondere unterscheidet sich die Lageranordnung 1 in 2 darin, dass das erste und zweite Wälzlager in einer alternativen Konfiguration angeordnet sind.
Wie gezeigt, sind die Lagersitze dazu ausgelegt, das erste und zweite Wälzlager in alternativen axialen Richtungen zu lagern. Genauer gesagt, sind das erste und zweite Wälzlager, im Vergleich zu dem mit Bezug auf 1a–b beschriebenen Ausführungsbeispiel, in die entgegengesetzte axiale Richtung geneigt. Die äußeren Laufflächen des ersten und zweiten Wälzlagers sind geneigt und zeigen in die gleiche axiale Richtung D2, wie in 2 gezeigt.
Eine Sicherungsvorrichtung 33 ist dazu angeordnet, das erste Wälzlager 100 an der ersten Trägerstruktur 30 zu sichern, und die Sicherungsvorrichtung 34 ist dazu angeordnet, das erste Wälzlager 100 an der zweiten Trägerstruktur 35 zu sichern. Die Lageranordnung 1 kann, in ähnlicher Weise wie mit Bezug auf 1a–b beschrieben, weiterhin ein sich drehendes Element lagern und/oder mit einem Rotor und Stator angeordnet sein,
In 3 ist eine vergrößerte schematische Querschnittsteilansicht eines Ausführungsbeispiels der Lageranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt, wobei die Anordnung, soweit nicht anders angegeben oder dargestellt, in ähnlicher Weise wie die mit Bezug auf 1a–b beschriebene Lageranordnung angeordnet und konfiguriert ist. Insbesondere unterscheidet sich die Lageranordnung 1 in 3 dadurch, dass das erste und zweite Wälzlager in einer alternativen Konfiguration angeordnet sind.
Genauer gesagt, ist das erste Wälzlager 100 ein Wälzlager mit einen Außenring, der den sich drehenden Ring 110 ausbildet, einem Innenring, der den sich nicht-drehenden Ring 120 ausbildet, und einem Satz von Wälzkörpern 103, die aus Rollen ausgebildet sind, die in einer zwischenliegenden Konfiguration zwischen dem inneren und äußeren Ring angeordnet sind. Das zweite Wälzlager 200 ist ein Wälzlager mit einem Außenring, der den sich drehenden Ring 210 ausbildet, einem Innenring, der den sich nicht-drehenden Ring 220 ausbildet, und einem Satz von Wälzkörpern 203, die aus Rollen ausgebildet sind, die in einer zwischenliegenden Konfiguration zwischen dem inneren und äußeren Ring angeordnet sind.
Weiterhin ist der sich drehende Außenring 110 in Bezug auf die erste Trägerstruktur 30, an einem Lagersitz 31a, angebracht und befestigt. Der innere sich nicht-drehende Ring 120 ist in Bezug auf die zweite Trägerstruktur 35, am Lagersitz 36a, angebracht und befestigt. Der sich drehende Außenring 210 ist in Bezug auf die erste Trägerstruktur 30, am Lagersitz 31b, angebracht und befestigt, und der innere sich nicht-drehende Ring 220 ist in Bezug auf die zweite Trägerstruktur 35, am Lagersitz 36b, angebracht und befestigt.
Der Satz von Wälzkörpern 103 ist umfänglich in einer Reihe um den sich nicht-drehenden Innenring 120 angeordnet, und der Satz von Wälzkörpern 203 ist umfänglich in einer Reihe um den sich nicht-drehenden Innenring 220 angeordnet. Die Lagersitze sind dazu ausgelegt, das erste und zweite Wälzlager in alternativen axialen Richtungen zu lagern. Genauer gesagt, sind das erste und zweite Wälzlager zueinander in der entgegengesetzten axialen Richtung geneigt. Die äußere Lauffläche des ersten Wälzlagers 100 ist gekippt und zeigt in Richtung der axialen Richtung D1. Die Sicherungsvorrichtung 33 ist dazu angeordnet, das zweite Wälzlager 200 an der erste Trägerstruktur 30 zu sichern, und die Sicherungsvorrichtung 34 ist dazu angeordnet, das zweite Wälzlager 200 an der zweiten Trägerstruktur 35 zu sichern. Die Lageranordnung 1 kann weiterhin ein sich drehendes Element lagern und/oder mit Rotor und Stator in ähnlicher Weise, wie mit Bezug auf die 1a–b beschrieben, angeordnet sein.
4 ist eine vergrößerte schematische Querschnittsteilansicht eines Ausführungsbeispiels der Lageranordnung 1 gemäß vorliegenden Erfindung, wobei die Anordnung, soweit nicht anders angegeben oder dargestellt, auf ähnliche Weise wie die unter Bezug auf 1a–b beschriebene Lageranordnung, angeordnet und konfiguriert ist. Insbesondere unterscheidet sich die Lageranordnung 1 in 4 dadurch, dass das erste und zweite Wälzlager in einer alternativen Konfiguration angeordnet sind.
Genauer gesagt, ist das erste Wälzlager 100 ein Wälzlager mit einem Innenring, der den sich drehenden Ring 110 ausbildet, einem äußeren Ring, der den sich nicht-drehenden Ring 120 ausbildet, und einem Satz von Wälzkörpern 103, die aus Rollen ausgebildet sind, die in einer zwischenliegenden Konfiguration zwischen dem inneren und äußeren Ring angeordnet sind. Das zweite Wälzlager 200 ist ein Wälzlager mit einem Innenring, der den sich drehenden Ring 210 ausbildet, einem äußeren Ring, der den sich nicht-drehenden Ring 220 ausbildet, und einem Satz von Wälzkörpern 203, die aus Rollen ausgebildet sind, die in einer zwischenliegenden Konfiguration zwischen dem inneren und äußeren Ring angeordnet sind.
Weiterhin ist der sich drehende Innenring 110 in Bezug auf die erste Trägerstruktur 30 an dem Lagersitz 31a, angebracht und befestigt. Der äußere sich nicht-drehenden Ring 120 ist in Bezug auf die zweite Trägerstruktur 35, an dem Lagersitz 36a, angebracht und befestigt. Der sich drehende Innenring 210 ist in Bezug auf die erste Trägerstruktur 30, an dem Lagersitz 31b, angebracht und befestigt, und der äußere sich nicht-drehende Ring 220 ist in Bezug auf die zweite Trägerstruktur 35, an dem Lagersitz 36b, angebracht und befestigt.
Der Satz von Wälzkörpern 103 ist umfänglich in einer Reihe um den sich drehenden Innenring 110 angeordnet, und der Satz von Wälzkörpern 203 ist umfänglich in einer Reihe um den sich drehenden Innenring 210 angeordnet. Die Lagersitze sind dazu ausgelegt, um das erste und zweite Wälzlager in alternativen axialen Richtungen zu lagern. Genauer gesagt sind das erste und zweite Wälzlager zueinander in der entgegengesetzten axialen Richtung geneigt. Die äußere Lauffläche des ersten Wälzlagers 100 ist gekippt und zeigt in Richtung der axialen Richtung D2, wie angegeben. Die Lageranordnung 1 kann weiterhin ein sich drehendes Element lagern und/oder mit dem Rotor und Stator angeordnet sein, in einer ähnlichen Weise, wie mit Bezug auf die 1a–b beschrieben.
5 ist eine vergrößerte schematische Querschnittsteilansicht eines Ausführungsbeispiels der Lageranordnung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Anordnung, soweit nicht anders angegeben oder dargestellt, auf ähnliche Weise wie die unter Bezug auf 1a–b beschriebene Lageranordnung, angeordnet und konfiguriert ist. Insbesondere unterscheidet sich die Lageranordnung 1 in 5 dadurch, dass das erste und zweite Wälzlager in einer alternativen Konfiguration angeordnet sind.
Genauer gesagt, ist das erste Walzlager 100 ein Wälzlager mit einem Innenring, der den sich drehenden Ring 110 ausbildet, einem Außenring, der den sich nicht-drehenden Ring 120 ausbildet, und einem Satz von Wälzkörpern 103, die aus Rollen ausgebildet sind, die in einer zwischenliegenden Konfiguration zwischen dem inneren und äußeren Ring angeordnet sind. Das zweite Wälzlager 200 ist ein Wälzlager mit einem Innenring, der den sich drehenden Ring 210 ausbildet, einem Außenring, der den sich nicht-drehenden Ring 220 ausbildet, und einem Satz von Wälzkörpern 203, die aus Rollen ausgebildet sind, die in einer zwischenliegenden Konfiguration zwischen dem inneren und äußeren Ring angeordnet sind.
Weiterhin ist der sich drehende Innenring 110 in Bezug auf die erste Trägerstruktur 30, an dem Lagersitz 31a, angebracht und befestigt, wobei der Lagersitz 31a in eine Richtung nach radial außen zeigt. Der äußere sich nicht-drehende Ring 120 ist in Bezug auf die zweite Trägerstruktur 35, an dem Lagersitz 36a, angebracht und befestigt, der in eine Richtung nach radial innen zeigt. Der sich drehende Innenring 210 ist in Bezug auf die erste Trägerstruktur 30, am Lagersitz 31b, angebracht und befestigt, der in eine Richtung nach radial außen zeigt, und der äußere sich nicht-drehende Ring 220 ist in Bezug auf die zweite Trägerstruktur 35, an dem Lagersitz 36b, angebracht und befestigt, der in eine Richtung nach radial nach innen zeigt. Der Satz von Wälzkörpern 103 ist umfänglich in einer Reihe um den sich drehenden Innenring 110 angeordnet, und der Satz von Wälzkörpern 203 ist umfänglich in einer Reihe um den sich drehenden Innenring 210 angeordnet. Die Lagersitze sind dazu ausgelegt, das erste und zweite Wälzlager in alternativen axialen Richtungen abzustützen. Genauer gesagt, sind das erste und zweite Wälzlager zueinander in entgegengesetzter axialer Richtung geneigt. Die Sicherungsvorrichtung 33 ist dazu angeordnet, das zweite Wälzlager 200 an der ersten Trägerstruktur 30 zu sichern.
Die Lageranordnung 1 kann weiterhin ein sich drehendes Element lagern und/oder mit Rotor und Stator in ähnlicher Weise, wie mit Bezug auf die 1a–b beschrieben, angeordnet sein.
6 ist eine vergrößerte schematische Querschnittsteilansicht eines Ausführungsbeispiels der Lageranordnung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Anordnung, soweit nicht anders angegeben oder dargestellt, auf ähnliche Weise wie die mit Bezug auf 1a–b beschriebene Lageranordnung, angeordnet und konfiguriert ist. Insbesondere unterscheidet sich die Lageranordnung 1 in 6 dadurch, dass das erste und zweite Wälzlager in einer alternativen Konfiguration angeordnet sind.
Genauer gesagt, ist das erste Wälzlager 100 ein Wälzlager mit einem Außenring, der den sich drehenden Ring ausbildet, einem Innenring, der den sich nicht-drehenden Ring ausbildet, und einem Satz von Wälzkörpern, die aus Rollen ausgebildet sind, die in einer zwischenliegenden Konfiguration zwischen dem Innen- und Außenring angeordnet sind. Das zweite Wälzlager 200 ist ein Wälzlager mit einem Außenring, der den sich drehenden Ring ausbildet, einem Innenring, der den sich nicht-drehenden Ring ausbildet, und einem Satz von Wälzkörpern, die aus Rollen ausgebildet sind, die in einer zwischenliegenden Konfiguration zwischen dem Innen- und Außenring angeordnet sind.
Weiterhin ist der sich drehende Außenring in Bezug auf die erste Trägerstruktur 30 an einem Lagersitz angebracht und befestigt, der in einer Richtung nach radial innen gerichtet ist. Der innere sich nicht-drehende Ring ist in Bezug auf die zweite Trägerstruktur 35, an einem Lagersitz angebracht und befestigt, der in einer Richtung nach radial außen gerichtet ist. Der sich drehende Außenring des zweiten Wälzlagers ist in Bezug auf die erste Trägerstruktur 30 an einem Lagersitz angebracht und befestigt, der in Richtung nach radial innen gerichtet ist, und der innere sich nicht-drehende Ring ist in Bezug auf die zweite Trägerstruktur 35 an einem Lagersitz angebracht und befestigt, der in Richtung nach radial außen gerichtet ist.
Der Satz von Wälzkörpern des ersten Wälzlagers ist umfämglich in einer Reihe um den sich nicht-drehenden Innenring angeordnet, und der Satz von Wälzkörpern des zweiten Wälzlagers ist umfänglich in einer Reihe um den sich nicht-drehenden Innenring angeordnet. Die Lagersitze sind dazu ausgelegt, das erste und das zweite Wälzlager in alternativen axialen Richtungen abzustützen. Genauer gesagt, sind das erste und das zweite Wälzlager zueinander in entgegengesetzter axialer Richtung geneigt. Die Sicherungsvorrichtung 33 ist dazu angeordnet, das erste Wälzlager 100 an der ersten Trägerstruktur 30 zu sichern, durch Sicherung des sich drehenden Außenrings des ersten Wälzlagers 100 an dem Lagersitz der ersten Trägerstruktur 30. Die Lageranordnung 1 kann weiterhin ein sich drehendes Element lagern und/oder mit dem Rotor und Stator in ähnlicher Weise, wie mit Bezug auf 1a–b beschrieben, angeordnet sein.
In 7 ist eine schematische Seitenteilansicht einer Turbinenanordnung 70 gezeigt mit einem Ausführungsbeispiel der Lageranordnung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, ist eine Nabeneinheit 72 mit befestigten oder anstellbaren Blättern 73, an der erste Trägerstruktur 30 befestigt, die drehbar mit der zweiten Trägerstruktur 35 über das erste und zweite Wälzlager 100 und 200 verbunden ist. Die zweite Trägerstruktur 35 ist an einem Gondelrahmen 71 gesichert, der an einer turmartigen Turbinenstruktur 76 über eine Gierdrehvorrichtung 75, die dazu ausgelegt ist, die Gondel um die Gierachse Y zu drehen, verankert ist.
Wie weiterhin gezeigt, umfasst die Turbinenanordnung 70 einen Direktantriebselektrogenerator 74 mit einem Rotorelement 74a, das radial außerhalb und benachbart des ersten Wälzlagers 100 an der ersten Trägerstruktur angebracht ist, und ein Statorelement 74b, das radial außerhalb und benachbart des ersten Wälzlagers 100 an der zweiten Trägerstruktur 35 angebracht ist. Der Rotor 74a und der Stator 74b sind durch einen Luftspalt 74c, der sich in einer radialen Richtung erstreckt, voneinander getrennt. Der Luftspalt kann stattdessen eine axiale Konfiguration aufweisen, wobei sich der Luftspalt in der axialen Richtung zwischen dem Rotor und Stator erstreckt, oder er kann eine konische Geometrie in Bezug auf die Hauptdrehachse R aufweisen.
Der Generator kann auch mit der ersten sich drehenden Trägerstruktur 30 und der Nabeneinheit 72 verbunden sein, die eine Welle, die sich durch eine Mittelbohrung in der zweiten Trägerstruktur erstreckt, aufweist. Der Generator kann mit der ersten Trägerstruktur direkt oder über ein Getriebe, das die Rotationsgeschwindigkeit des Rotors verändert, verbunden sein.
Weiterhin kann die Lageranordnung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel einen Teil einer hydraulischen Turbinenanordnung mit einem hydraulischen Antriebsstrang zum Antreiben eines Generators bilden. Beispielsweise kann der Rotor an einer Hydraulikpumpe befestigt sein, die in der Gondel angeordnet ist, und die mit einer am Boden stehenden hydraulischen Motor- und Generatoranordnung, wie beispielsweise ein Reihen- oder Schrägachsengeneratormotor, verbunden ist.
Die Lageranordnung 1 kann auch, gemäß einem Ausführungsbeispiel, einen Teil einer Turbinenanordnung mit einem Getriebe, das zum Antrieb eines Generators angeordnet ist, bilden. Beispielsweise kann der Rotor über eine Rotorwelle mit einer Eingangsseite eines Getriebes verbunden sein, wobei eine Ausgangsseite des Getriebes mit einem Generator verbunden ist, der im Betrieb mit einer anderen Drehgeschwindigkeit in Bezug auf die Drehgeschwindigkeit des Turbinenrotors arbeitet. Mit Bezug auf 1a, kann die Rotorwelle derart angeordnet sein, dass sie sich durch die Mittelbohrung 39, die sich axial durch die zweite Trägerstruktur 35 erstreckt, erstreckt, wobei die Rotorwelle mit der ersten Trägerstruktur 30 verbunden ist.
Die Lageranordnung 1 ist nicht auf eine Horizontalorientierungsart beschränkt und kann auch in Turbinenanwendungen verwendet werden, die eine vertikale Rotorwellenorientierungsart umfassen. Die Orientierung der Rotorwelle ist in Bezug auf ihre vorgesehene zusammengebaute Betriebsposition in einer Gondeleinrahmung einer betriebenen Turbine definiert.
Die Wälzlager 100 und 200 können beispielsweise an den Lagersitzen der Trägerstrukturen 30 und 35 mittels Presspassungstechniken und/oder durch Verwendung einer geeigneten Sicherungsvorrichtung, wie beispielsweise der in 1a gezeigten Sicherungsvorrichtung 33, angebracht sein.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung hauptsächlich vorstehend unter Bezugnahme auf einige Ausführungsformen beschrieben wurde. Dennoch sind, wie von einem Fachmann einfach erkannt werden kann, andere Ausführungsformen, als die oben offenbarten, gleichermaßen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung, wie durch die anhängigen Patentansprüche definiert, möglich.
In den Ansprüchen schließt das Wort "mit/umfassend" andere Elemente oder Schritte nicht aus, und der unbestimmte Artikel "ein" oder "eine" schließt eine Mehrheit nicht aus. Ein einzelnes Gerät oder eine andere Einheit kann die Funktionen einiger in den Ansprüchen angegebener Elemente erfüllen. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale oder Verfahrensschritte in voneinander verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt werden, bedeutet nicht, dass nicht vorteilhafterweise eine Kombination dieser Merkmale oder Schritte verwendet werden kann.

Claims

Lageranordnung (1) mit – einer ersten und einer zweiten Trägerstruktur (30, 35) zum Lagern eines sich drehenden Elements, wobei das sich drehende Element eine Hauptdrehachse (R) aufweist, wobei die erste Trägerstruktur dazu angeordnet ist, sich mit dem sich drehenden Element zu drehen, und die zweite Trägerstruktur feststehend ausgebildet und derart angeordnet ist, dass sie nicht-drehbar an einem Rahmen befestigt ist, – einem ersten Wälzlager (100), das die erste Trägerstruktur in Bezug auf die zweite Trägerstruktur an einer ersten Lagerstelle (101) lagert, – einem zweiten Wälzlager (200), das die erste Trägerstruktur in Bezug auf die zweite Trägerstruktur an einer zweiten Lagerstelle (201) lagert, wobei das erste und zweite Wälzlager in Bezug zueinander in einer koaxialen Konfiguration angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wälzlager (100) ein radial äußeres Lager bildet, und das zweite Wälzlager (200) radial innerhalb des ersten Wälzlagers mit einem radialen Lagerabstand (A) angeordnet ist, und dass die erste Lagerstelle (101) und die zweite Lagerstelle (201) axial ausgerichtet sind.
Lageranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kontaktwinkel von mindestens einem der ersten und zweiten Wälzlager (100, 200) in Bezug auf die Hauptdrehachse (R) winkelig angestellt ist.
Lageranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kontaktwinkel der ersten und zweiten Wälzlager (100, 200) in Bezug auf die Drehachse winkelig angestellt sind, wobei das erste Wälzlager dazu angeordnet ist, die erste Trägerstruktur axial in Bezug auf die zweite Trägerstruktur in einer ersten axialen Richtung (D1) zu positionieren, und das zweite Wälzlager dazu ausgelegt ist, die erste Trägerstruktur axial in Bezug auf die zweite Trägerstruktur in einer zweiten axialen Richtung (D2) zu positionieren, wobei die zweite axiale Richtung der ersten axialen Richtung entgegengesetzt ist.
Lageranordnung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei der Kontaktwinkel (ca1, ca2) von zumindest einem oder beiden der ersten und zweiten Wälzlager (100, 200) zwischen 5 und 90 Grad, oder zwischen 5 und 60 Grad, oder zwischen 10 und 45 Grad, oder zwischen 15 und 25 Grad liegt.
Lageranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein erstes Druckzentrum (102) des ersten Wälzlagers (100) und ein zweites Druckzentrum (202) des zweiten Wälzlagers in der axialen Richtung durch einen Druckzentrenabstand (B) beabstandet sind.
Lageranordnung (1) nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei das erste Wälzlager (100) einen sich drehenden Ring (110) mit einer Lauffläche (111) für einen ersten Satz von Wälzkörpern (103) und einen sich nicht-drehenden Ring (120) mit einer Lauffläche (121) für den ersten Satz von Wälzkörpern (103) umfasst, und das zweite Wälzlager (200) einen sich drehenden Ring (210) mit einer Lauffläche (211) für einen zweiten Satz von Wälzkörpern (203) und einen sich nicht-drehenden Ring (220) mit einer Lauffläche (221) für den zweiten Satz von Wälzkörpern (203) umfasst.
Lageranordnung (1) nach Anspruch 6, wobei der sich drehende Ring (110) des ersten Wälzlagers (100) und der sich drehende Ring (210) des zweiten Wälzlagers (200) an der ersten Trägerstruktur befestigt sind, und der sich nicht-drehende Ring (120) des ersten Wälzlagers (100) und der sich nicht-drehende Ring (220) des zweiten Wälzlagers (200) an der zweiten Trägerstruktur befestigt sind.
Lageranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten und zweiten Lager (100, 200) um einen axialen Lagerabstand (C), der zwischen axialen Zentren der ersten und zweiten Wälzlager (100, 200) definiert ist, zueinander versetzt sind, wobei der axiale Lagerabstand (C) innerhalb eines Abstands liegt, der dem äußeren Radius des zweiten Wälzlagers (200) entspricht, oder innerhalb eines Abstands liegt, der der axialen Ausdehnung des zweiten Wälzlagers (200) entspricht, oder innerhalb eines Abstands liegt, der 50 % der axialen Ausdehnung des zweiten Wälzlagers (200) entspricht, oder innerhalb eines Abstands liegt, der 20 % der axialen Ausdehnung des zweiten Wälzlagers (200) entspricht.
Lageranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der radiale Lagerabstand (A) gleich oder größer als ein Abstand ist, der der axialen Ausdehnung des zweiten Wälzlagers (200) entspricht, oder gleich oder größer als ein Abstand ist, der 50 % des äußeren Radius des zweiten Wälzlagers (200) entspricht, oder gleich oder größer als ein Abstand ist, der dem äußeren Radius des zweiten Wälzlagers (200) entspricht, oder gleich oder größer als ein Abstand ist, der 150 % des äußeren Radius des zweiten Wälzlagers (200) entspricht, oder gleich oder größer als ein Abstand ist, der dem äußeren Durchmesser des zweiten Wälzlagers (200) entspricht, oder gleich oder größer als ein Abstand ist, der 200 % des äußeren Durchmessers des zweiten Wälzlagers (200) entspricht.
Lageranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Trägerstruktur scheibenförmig ist und umfasst einen ersten Lagersitz (31a) mit einer Sitzfläche, der in einem rückhaltenden Anschlag mit dem sich drehendem Ring (110) des ersten Wälzlagers (100) angeordnet ist, und einen zweiten Lagersitz (31b) mit einer Sitzfläche, der in einem rückhaltenden Anschlag mit dem sich drehendem Ring (210) des zweiten Wälzlagers (200) angeordnet ist, wobei der erste und zweite Lagersitz (31a, 31b) in Bezug zueinander axial aneinander ausgerichtet und radial voneinander getrennt sind.
Lageranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste und/oder zweite Wälzlager ein Kegelrollenlager, Axial-Pendelrollenlager, Schrägpendelrollenlager, Toroidalrollenlager, Schrägtoroidalrollenlager, Zylinderrollenlager, Schrägkugellager, Kugellager mit Nut, oder eine Kombination von diesen ist.
Elektrische Maschine mit einer Lageranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Rahmen ein elektrisches Maschinengehäuse bildet, die erste Trägerstruktur Teile eines Rotors der elektrischen Maschine bildet, und die elektrische Maschine weiterhin einen Stator umfasst, der an dem elektrischen Maschinengehäuse angebracht ist, wobei der Stator mit dem Rotor während des Betriebs zusammenwirkt.
Lastaufnehmende Trägeranordnung zum drehbaren Lagern einer Welle, wobei die lastaufnehmende Trägeranordnung eine Lageranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 umfasst.
Turbinenanordnung (70) mit einer Lageranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Rahmen einen Gondelrahmen (71) bildet, und die zweite Trägerstruktur an dem Gondelrahmen befestigt ist, wobei die Anordnung weiterhin eine mit Rotorblättern (73) ausgestattete Nabeneinheit (72) umfasst, wobei die Nabeneinheit an die erste Trägerstruktur (30) befestigt ist.
Verfahren zur Herstellung einer Lageranordnung mit einer Hauptdrehachse, wobei das Verfahren umfasst: – Bereitstellen einer ersten Trägerstruktur (30) zum Lagern eines sich drehenden Elements und zum derartigen Anordnen der ersten Trägerstruktur, dass sie sich mit dem sich drehenden Element dreht, – Bereitstellen einer zweiten Trägerstruktur (35) zum Lagern des sich drehenden Elements, und zum derartigen Anordnen der zweiten Trägerstruktur, dass sie nicht-drehbar an den Rahmen befestigt ist, – Bereitstellen eines ersten Wälzlagers (100) und Anordnen dieses, um die erste Trägerstruktur in Bezug auf die zweite Trägerstruktur an einer ersten Lagerstelle (101) zu lagern, und – Bereitstellen eines zweiten Wälzlagers (200) und Anordnen dieses, um die erste Trägerstruktur in Bezug auf die zweite Trägerstruktur an einer zweiten Lagerstelle (201) zu lagern, wobei das Verfahren weiterhin umfasst Anordnen der ersten und zweiten Wälzlager in einer koaxialen Konfiguration in Bezug zueinander, Anordnen des ersten Wälzlagers (100) als ein radial äußeres Lager, Bereitstellen des zweiten Wälzlagers (200) radial innerhalb des ersten Wälzlagers mit einem radialen Lagerabstand (A), und axiales Ausrichten der ersten Lagerstelle (101) und der zweiten Lagerstelle (201) in Bezug zueinander.