WO2012059535A1 - Wälzlager mit einem direktantrieb - Google Patents

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WO2012059535A1
WO2012059535A1 PCT/EP2011/069299 EP2011069299W WO2012059535A1 WO 2012059535 A1 WO2012059535 A1 WO 2012059535A1 EP 2011069299 W EP2011069299 W EP 2011069299W WO 2012059535 A1 WO2012059535 A1 WO 2012059535A1
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WO
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bearing ring
ring
poles
rolling
rolling bearing
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/069299
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English (en)
French (fr)
Inventor
Günter Schmid
Wolfgang Heinrich
Ralf SCHÜLER
Christoph Frank
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Ina Drives & Mechatronics Gmbh & Co. Ohg
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Publication date
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Publication of WO2012059535A1 publication Critical patent/WO2012059535A1/de

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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C41/00—Other accessories, e.g. devices integrated in the bearing not relating to the bearing function as such
    • F16C41/004—Electro-dynamic machines, e.g. motors, generators, actuators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/30—Parts of ball or roller bearings
    • F16C33/58—Raceways; Race rings
    • F16C33/583—Details of specific parts of races
    • F16C33/586—Details of specific parts of races outside the space between the races, e.g. end faces or bore of inner ring
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/14—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures
    • H02K21/16—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures having annular armature cores with salient poles
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/08—Structural association with bearings
    • H02K7/086—Structural association with bearings radially supporting the rotor around a fixed spindle; radially supporting the rotor directly
    • H02K7/088—Structural association with bearings radially supporting the rotor around a fixed spindle; radially supporting the rotor directly radially supporting the rotor directly
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/14—Structural association with mechanical loads, e.g. with hand-held machine tools or fans
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention relates to a roller bearing with a direct drive according to the preamble of claim 1.
  • Generic rolling bearings include a fixed bearing ring, a rotatable bearing ring, and arranged therebetween rolling elements.
  • the stationary bearing ring is connected to a primary part of a drive unit, while the rotatable bearing ring forms a secondary part.
  • Typical applications of the invention are machines, machines and systems in which materials, parts, assemblies, equipment or the like are conveyed on a circular path, or frame or racks must be positioned.
  • These include rotary, clocked assembly and testing machines, continuously operated interlinking, handling systems, robot applications, water jet and laser cutting systems, medical diagnostic equipment, beverage filling systems, wind turbines and packaging machines.
  • a selessnessaier drive a turntable for a bottling plant is known.
  • the rotatable machine part carries a ring with regularly placed electric or permanent magnets.
  • the wreath opposite a stator is arranged on the stationary machine part.
  • the stator is constructed in the manner of a linear drive and bent so that it covers a sector of the ring.
  • the permanent magnets on the rotatable machine part represent a considerable danger potential for the assembly and operating personnel.
  • a very large number of permanent magnets is required, which makes the drive enormously expensive in comparison to the servo drive.
  • torque motors are known as rotary direct drives.
  • EP 1 485 980 B1 shows a torque motor with a segmented stator, wherein each of the stator segments is independently operable and the motor can also be operated with a single stator segment.
  • the rotor carries the permanent magnets. For very large rotor diameters, many magnets are needed, making the rotor expensive and heavy.
  • bearings of smaller design with an integrated motor or generator are known in which usually permanent magnets are arranged on the rotating bearing ring, while the stationary bearing ring is the stator with stator windings.
  • the object of the invention is to provide a rotary direct drive, the cost also for very large systems (diameter of the Rotors larger than 1 m) can be used and in which a risk potential for operating personnel is minimized by large magnetic fields on moving parts.
  • An important aspect in this case are the rotary bearing and the electric drive of the rotating machine head, the bearing should support the axial weight load of the machine head and the centering thereof, while the drive provide a continuous or clocked movement and the required torque angle synchronously with adjacent machine parts should.
  • the object is achieved by a roller bearing with the features of claim 1.
  • An inventive rolling bearing initially comprises in a known manner a fixed and a rotatable bearing ring, between which rolling elements are arranged.
  • the fixed bearing ring is rotatably connected to a primary part of a direct drive.
  • the primary part preferably comprises a laminated core with a stator winding.
  • the solution of the problem is achieved in that the rotatable bearing ring is formed as a secondary part, that on a primary surface facing the surface of pronounced magnetizable rotor poles and grooves are provided which are integrally formed with the bearing ring.
  • the pronounced rotor poles are arranged directly opposite the primary part.
  • the rotor poles can preferably be incorporated directly into the production of the massive bearing ring in these, by machining or non-cutting process.
  • the rotor poles are in this case formed integrally with the bearing ring.
  • the rotatable bearing ring is the outer ring of the rolling bearing, wherein the salient rotor poles extend in the radial direction to the outside, wherein the primary part encloses the outer surface of the outer ring at least in sections.
  • the inner ring is rotatable and the outer ring fixed.
  • the salient rotor poles are disposed on the inner surface of the rotatable inner ring extending inward in a radial direction while the primary parts are disposed inside the inner ring.
  • the pronounced rotor poles extend in the axial direction, that is to say they are formed, for example, on the end face of the rotatable bearing ring directed downwards (or above, for example, for suspended mounting devices).
  • the primary parts are arranged correspondingly below (or above) the rotatable bearing ring.
  • the direct drive can be designed as a synchronous machine or reluctance machine.
  • the primary part comprises a stator winding and an exciter circuit.
  • the excitation circuit is preferably formed by permanent magnets, but may also be an electrical field winding.
  • the excitation circuit is not provided on the secondary part in this variant, but integrated into the primary part. Due to the displacement of the excitation in the primary part, a much smaller number of magnets is required when using permanent magnets than would be the case with magnets in the secondary part. In addition, magnets are no longer moved when rotating machine part, so that the risk potential significantly reduced becomes. The weight saving on the moving machine part is also a decisive factor.
  • the primary part comprises only the stator winding, which is driven in a known manner according to the motor type.
  • either diametrically opposite or adjacent stator windings can be used to form the magnetic poles.
  • a rotor position detection is provided which operates preferably inductively or magnetoresistively. The rotor position detection is used for the correct control of the drive, preferably by means of a power converter. In a preferred embodiment, the rotor position detection is based on the counting of the passing rotor poles.
  • the expert can make the dimensioning of the electrical machine or the primary part and its control depending on the choice of engine type, so that in this respect detailed explanations are omitted.
  • the advantages of the invention are to be seen in particular in the fact that a direct drive for very large diameters can be integrated directly into a bearing, while the rotating bearing ring, which simultaneously forms the secondary part, can be produced simply and inexpensively.
  • the embodiments described below relate to the realization of a synchronous machine with permanent excitation, wherein the permanent excitation is shifted in the stator.
  • the ring height of such bearings is preferably about 25 to 400 mm.
  • the tooth period of the poles is preferably about 10 to 50 mm, while the number of poles on the rotatable Bearing ring up to 1600 at the largest possible diameter. It is a tangentially acting electromagnetic motor force density in the rated operation of about 1 to 2 N / cm 2 and achieved in peak operation of about 4 to 6 N / cm 2 .
  • a preferred embodiment variant of the invention is shown in the figures. Show it:
  • FIG. 2 shows a detailed representation of the drive components of the rolling bearing shown in FIG. 1.
  • Fig. 1 shows an inventive rolling bearing with an inner ring 01 as a fixed bearing ring and an outer ring 02 as a rotatable bearing ring.
  • the outer ring 02 is rotatable about a rotation axis 03.
  • rolling elements 04 are arranged in a known manner.
  • a Wälzteil mobilis malmesser D is greater than 800 millimeters and is preferably in the range of about 1 to 5 meters.
  • the rolling bearing exemplified in Fig. 1 is a four-point ball bearing, which is also referred to as a rotary joint or ball slewing connection.
  • the invention can also be applied to other types of bearings, such as double-row angular contact ball bearings in O or X arrangement, radial-axial cylindrical roller bearings, cross-bearings or other bearings in preloaded design.
  • the outer ring 02 is preferably connected at its upper side to the machine part (not shown), which performs the transport or conveying function. takes.
  • the outer ring 02 is provided in the radial direction on the outside with pronounced rotor poles 06, which are distributed uniformly around the circumference of the outer ring 02.
  • the outer ring 02 forms a secondary part of an electrical machine.
  • the inner ring 01 With the inner ring 01 at least two primary parts 07 are connected via a base plate 08, which surround the secondary part or the outer ring 02 in sections.
  • the primary parts 07 comprise stator teeth 09 with stator windings 10 and permanent magnets 11 and interact with the rotatable outer ring 02 according to the electromechanical operating principle as a direct drive (see FIG. 2).
  • the arrangement of the permanent magnets 1 1 can also be done at another suitable location in the laminated core.
  • the primary parts 07 and the outer ring 02 attract magnetically, they are arranged relative to one another such that the magnetic attraction forces compensate each other and thus do not cause any additional bearing load.
  • these are arranged diametrically opposite the axis of rotation 03, offset by 120 ° relative to one another in the case of three primary parts, etc.
  • the size of the tangentially acting engine torque also depends, among other things, on the active air gap area. That is, the longer and higher the primary parts 07, the greater the driving force of the motor. A height h of the primary part 07 must of course be matched to the height of the outer ring 02.
  • a scanning head 12 is provided, preferably connected to the base plate 08 in a suitable width, by means of which the poles of the outer ring 06th be scanned.
  • the relative and / or absolute angular position of the outer ring 06, and optionally the speed can be determined.
  • the control of the stator coils 10 of the primary parts 07 takes place depending on the drive design in a known manner to regulate the position of the outer ring 02.
  • the angle measuring system can be based on the inductive or magnetoresistive operating principle, both of which are robust against external environmental influences and thus work reliably.
  • Fig. 2 shows a detailed view of the primary part 07 and the outer ring 02 in the range of a few poles 06 and stator teeth 09.
  • the periods of primary part 07 and outer ring 02 are only slightly different from each other, in such a way that the number of stator teeth 09 in the primary part differ from the number of poles 06 in the outer ring 02 by integers, for example, by 1, 2 or more. In any case, none of the numbers is a multiple of the other pole or number of teeth. The difference between the number of poles is in any case smaller than the total number of poles of primary part or secondary part.
  • the grooves 13 between the poles 06 of the outer ring 02 can be cast here and also in all embodiments with a Kunststoffvergussmasse or the like, so that the risk of contamination is low and the maintenance and cleaning is facilitated.
  • the primary part 07 is preferably formed from a laminated core.
  • the windings 10 are inserted pre-wound in grooves between the stator teeth 09 or wrapped directly in these.
  • the windings 10 are preferably designed in three phases.
  • There are also other motor structures are known in which, for example, the stator teeth 09 are made separately with the windings and then on Stator be attached. Of course, the stator teeth may also be provided with pole shoes in order to optimize the magnetic flux.
  • the permanent magnets 1 1 are introduced at a suitable location in the laminated core, so that an excitation circuit is formed, which allows magnetic excitation of the secondary part and an overlay with the magnetic fields of the stator coils is possible.

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Abstract

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

Description

Bezeichnung der Erfindung
Wälzlager mit einem Direktantrieb
Die Erfindung betrifft ein Wälzlager mit einem Direktantrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .
Gattungsgemäße Wälzlager umfassen einen feststehenden Lagerring, einen rotierbaren Lagerring, sowie dazwischen angeordnete Wälzkörper. Der feststehende Lagerring ist mit einem Primärteil einer Antriebseinheit verbunden, während der rotierbare Lagerring ein Sekundärteil bildet.
Typische Einsatzbereiche der Erfindung sind Maschinen, Automaten und Anla- gen, bei denen Stoffe, Teile, Baugruppen, Geräte oder dergleichen auf einer Kreisbahn gefördert werden, oder aber Rahmen oder Gestelle positioniert werden müssen. Beispielsweise sind dies rotative, getaktete Montage- und Prüfautomaten, kontinuierlich betriebene Verkettungen, Handlingsanlagen, Roboteranwendungen, Wasserstrahl- und Laserschneidanlagen, medizinische Diagno- segeräte, Getränkeabfüllanlagen, Windkraftanlagen und Verpackungsmaschinen.
Aus der WO 2008/022737 ist ein sektionaier Antrieb eines Drehkranzes für eine Abfüllanlage bekannt. Das drehbare Maschinenteil trägt einen Kranz mit in regelmäßigen Abständen platzierten Elektro- oder Permanentmagneten. Dem Kranz gegenüber ist ein Stator am feststehenden Maschinenteil angeordnet. Der Stator ist in der Art eines Linearantriebs aufgebaut und gebogen, so dass er einen Sektor des Kranzes überdeckt. Bei sehr großen Drehtellern stellen die Permanentmagnete am drehbaren Maschinenteil ein erhebliches Gefahrenpo- tential für das Montage- und Bedienpersonal dar. Außerdem wird eine sehr große Anzahl an Permanentmagneten benötigt, was den Antrieb im Vergleich zum Servoantrieb enorm verteuert. Aus dem Stand der Technik sind als rotative Direktantriebe so genannte Tor- que-Motoren bekannt. Dies sind meist flüssigkeitsgekühlte, hochpolige permanenterregte Drehstrom-Synchronmotoren, die besonders häufig angewendet werden für Rundtaktmaschinen, Drehtische, Schwenkachsen, Rundachsen, Revolverschaltung und Trommelschaltung bei Ein- und Mehrspindelmaschinen, dynamische Werkzeugmagazine und Drehspindeln in Fräsmaschinen. Der Rotor ist mit Permanentmagneten bestückt. Für eine komplette Antriebseinheit sind zusätzlich ein Lager und ein Gebersystem notwendig. Die Verbindung mit dem drehenden Maschinenteil und die Lagerung ist dabei bei sehr großen Durchmessern der anzutreibenden Maschinenteile sehr aufwendig.
Die EP 1 485 980 B1 zeigt einen Torque-Motor mit einem segmentierten Stator, wobei jedes der Statorsegmente eigenständig betriebsfähig ist und der Motor auch mit einem einzelnen Statorsegment betrieben werden kann. Der Rotor trägt die Permanentmagnete. Bei sehr großen Rotordurchmessern werden sehr viele Magneten benötigt, was den Rotor teuer und schwer macht.
Aus der DE 10 2004 045 992 A1 ist eine permanenterregte elektrische Maschi- ne bekannt, bei der die Permanentmagneten (Erregung) und die Statorwicklung auf dem Primärteil angeordnet sind, während das Sekundärteil (Rotor) lediglich ausgeprägte Pole zur Führung des magnetischen Flusses besitzt. Die Druckschrift befasst sich in erster Linie mit Linearantrieben. Zur Lagerung des Sekundärteils gibt es keine Aussage.
Außerdem sind Lager kleinerer Bauart mit einem integrierten Motor oder Generator bekannt, bei denen meist Permanentmagnete auf dem drehenden Lagerring angeordnet sind, während der feststehende Lagerring den Stator mit Statorwicklungen darstellt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen rotativen Direktantrieb zu schaffen, der kostengünstig auch für sehr große Anlagen (Durchmesser des Rotors größer als 1 m) verwendbar sind und bei denen ein Gefährdungspotential für Bedienpersonal durch große Magnetfelder an beweglichen Teilen minimiert ist. Ein wichtiger Gesichtspunkt dabei sind die rotative Lagerung und der elektrische Antrieb des drehenden Maschinenoberteils, wobei die Lagerung die axiale Gewichtsbelastung des Maschinenoberteils und die Zentrierung desselben unterstützen soll, während der Antrieb eine kontinuierliche oder getaktete Bewegung und das erforderliche Drehmoment winkelsynchron zu angrenzenden Maschinenteilen zur Verfügung stellen soll. Die Aufgabe wird durch ein Wälzlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Ein erfindungsgemäßes Wälzlager umfasst zunächst in bekannter Weise einen feststehenden und einen drehbaren Lagerring, zwischen denen Wälzkörper angeordnet sind. Der feststehende Lagerring ist mit einem Primärteil eines Direktantriebes drehfest verbunden. Das Primärteil umfasst vorzugsweise ein Blechpaket mit einer Statorwicklung. Die Lösung der Aufgabe gelingt dadurch, dass der drehbare Lagerring derart als Sekundärteil ausgebildet ist, dass auf einer dem Primärteil zugewandten Fläche ausgeprägte magnetisierbare Rotor- pole und Nuten vorgesehen sind, die integral mit dem Lagerring ausgebildet sind. Die ausgeprägten Rotorpole sind dem Primärteil direkt gegenüberliegend angeordnet.
Die Rotorpole können vorzugsweise direkt bei der Fertigung des massiven Lagerrings in diesen eingearbeitet werden, und zwar durch spanabhebende oder spanlose Verfahren. Die Rotorpole sind in diesem Fall einstückig mit dem Lagerring geformt.
Es ist aber ebenso möglich, beispielsweise ein Blechpaket mit den Rotorpolen am Lagerring zu befestigen. In diesem Fall können Wirbelstromverluste klein gehalten werden. In einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der drehbare Lagerring der Außenring des Wälzlagers, wobei sich die ausgeprägten Rotorpole in radialer Richtung nach außen erstrecken, wobei das Primärteil die äußere Mantelfläche des Außenringes zumindest abschnittsweise umschließt.
In einer anderen Ausführungsform ist der Innenring drehbar und der Außenring feststehend. Hier werden die ausgeprägten Rotorpole an der inneren Fläche des drehbaren Innenrings in sich radialer Richtung nach innen erstreckend angeordnet, während die Primärteile innerhalb des Innenrings angeordnet sind.
In einer weiteren Ausführungsform verlaufen die ausgeprägten Rotorpole in axialer Richtung, sind also beispielsweise an der nach unten (oder oben beispielsweise für hängende Montagevorrichtungen) gerichteten Stirnseite des drehbaren Lagerringes ausgebildet. Die Primärteile sind entsprechend unter- halb (bzw. oberhalb) des drehbaren Lagerringes angeordnet. Vorteilhaft bei dieser Ausführungsform ist, dass der drehbare Lagerring über seinen gesamten Umfang frei zugänglich ist. Ein weiterer Vorteil wird darin gesehen, dass die Pole von Stator und Rotor an den einander gegenüberliegenden Flächen plan sind, was die Fertigung vereinfacht und damit die Herstellungskosten minimiert.
Der Direktantrieb kann als Synchronmaschine oder Reluktanzmaschine ausgeführt sein.
Bei der Synchronmaschine umfasst das Primärteil eine Statorwicklung und ei- nen Erregerkreis. Der Erregerkreis ist vorzugsweise durch Permanentmagneten gebildet, kann aber ebenso eine elektrische Erregerwicklung sein. Der Erregerkreis ist bei dieser Variante nicht auf dem Sekundärteil vorgesehen, sondern in das Primärteil integriert. Durch die Verlagerung der Erregung in das Primärteil ist bei der Verwendung von Permanentmagneten eine wesentlich geringere Anzahl an Magneten erforderlich, als dies bei Magneten im Sekundärteil der Fall wäre. Außerdem werden beim drehenden Maschinenteil keine Magnete mehr bewegt, so dass das Gefährdungspotential erheblich verringert wird. Die Gewichtseinsparung am bewegten Maschinenteil ist ebenfalls ein entscheidender Faktor.
Bei der Reluktanzmaschine (vorzugsweise switched reluctance motor SRM) umfasst das Primärteil lediglich die Statorwicklung, welche entsprechend des Motortyps in bekannter Weise angesteuert wird. Dabei können entweder diametral gegenüberliegende oder nebeneinander liegende Statorwicklungen zur Ausbildung der Magnetpole verwendet werden. Vorteilhafterweise ist eine Rotorlageerkennung vorgesehen, die vorzugsweise induktiv oder magnetoresistiv arbeitet. Die Rotorlageerkennung dient der korrekten Ansteuerung des Antriebs vorzugsweise mittels eines Stromrichters. In einer bevorzugten Ausführungsform basiert die Rotorlageerkennung auf der Zählung der vorbeiziehenden Rotorpole.
Der Fachmann kann die Dimensionierung der elektrischen Maschine bzw. des Primärteils und dessen Ansteuerung je nach Wahl der Motorart vornehmen, sodass diesbezüglich auf detaillierte Erläuterungen verzichtet wird. Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass ein Direktantrieb für sehr große Durchmesser direkt in ein Lager integrierbar ist und dabei der drehende Lagerring, der gleichzeitig das Sekundärteil bildet, einfach und preiswert hergestellt werden kann. Nachfolgend beschriebene Ausführungen beziehen sich auf die Realisierung einer Synchronmaschine mit Permanenterregung, wobei die Permanenterregung in den Stator verlagert ist.
Unter sehr großen Durchmessern sind hier Wälzkreisdurchmesser des Lagers von etwa einem bis fünf Metern zu verstehen. Die Ringhöhe solcher Wälzlager beträgt vorzugsweise etwa 25 bis 400 mm. Die Zahnperiode der Pole beträgt vorzugsweise etwa 10 bis 50 mm, während die Anzahl der Pole am drehbaren Lagerring bis zu 1600 bei dem größtmöglichen Durchmesser beträgt. Es wird eine tangential wirkende elektromagentische Motorkraftdichte im Nennbetrieb von etwa 1 bis 2 N/cm2 und im Spitzenbetrieb von etwa 4 bis 6 N/cm2 erreicht. Eine bevorzugte Ausgestaltungsvariante der Erfindung ist in den Figuren dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines Wälzlagers mit Direktantrieb als Synchronmotor mit Permanenterregung im Primärteil im Quer- schnitt und in einer Draufsicht;
Fig. 2: eine Detaildarstellung der Antriebskomponenten des in Fig. 1 gezeigten Wälzlagers.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Wälzlager mit einem Innenring 01 als feststehenden Lagerring und einem Außenring 02 als drehbaren Lagerring. Der Außenring 02 ist um eine Rotationsachse 03 drehbar. Zwischen Innenring 01 und Außenring 02 sind in bekannter Weise Wälzkörper 04 angeordnet. Ein Wälzteilkreisdurchmesser D ist größer als 800 Millimeter und liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 1 bis 5 Meter.
Das in Fig. 1 beispielhaft dargestellte Wälzlager ist ein Vierpunktkugellager, welches auch als Drehverbindung oder Kugeldrehverbindung bezeichnet wird. Selbstverständlich kann die Erfindung auch auf andere Wälzlagerbauarten angewendet werden, wie beispielsweise zweireihige Schrägkugellager in O- oder X-Anordnung, Radial-Axial-Zylinderrollenlager, Kreuzlager oder andere Wälzlager in vorgespannter Ausführung. Der Außenring 02 wird vorzugsweise an seiner Oberseite mit dem Maschinenteil (nicht dargestellt) verbunden, das die Transport- bzw. Förderfunktion über- nimmt. Der Außenring 02 ist in radialer Richtung außen mit ausgeprägten Rotorpolen 06 versehen, welche gleichmäßig um den Umfang des Außenringes 02 verteilt sind. Damit bildet der Außenring 02 ein Sekundärteil einer elektrischen Maschine.
Mit dem Innenring 01 sind mindestens zwei Primärteile 07 über eine Grundplatte 08 verbunden, welche das Sekundärteil bzw. den Außenring 02 abschnittsweise umschließen. Die Primärteile 07 umfassen Statorzähne 09 mit Statorwicklungen 10 und Permanentmagneten 1 1 und wirken mit dem drehbaren Au- ßenring 02 nach dem elektromechanischen Wirkprinzip als Direktantrieb zusammen (siehe Fig. 2). Die Anordnung der Permanentmagneten 1 1 kann auch an anderer geeigneter Stelle im Blechpaket erfolgen.
Dem Fachmann sind die Prinzipien des Aufbaus eines Direktantriebes geläufig und er kann diesen den geometrischen und elektrischen Bedingungen anpassen.
Da sich die Primärteile 07 und der Außenring 02 magnetisch anziehen, sind sie so zueinander angeordnet, dass sich die magnetischen Anziehungskräfte kom- pensieren und somit keine zusätzliche Lagerbelastung hervorrufen. Bei zwei Primärteilen 07 sind diese diametral gegenüberliegend der Rotationsachse 03 angeordnet, bei drei Primärteilen um 120° zueinander versetzt, usw.
Die Größe des tangential wirkenden Motormomentes hängt unter anderem auch von der aktiven Luftspaltfläche ab. Das heißt, je länger und höher die Primärteile 07 sind, umso größer ist die Antriebskraft des Motors. Eine Höhe h des Primärteils 07 muss selbstverständlich auf die Höhe des Außenringes 02 abgestimmt sein. An geeigneter Stelle zwischen den Primärteilen 07 oder auch in diese integriert, ist ein Abtastkopf 12 vorgesehen, vorzugsweise mit der Grundplatte 08 in geeigneter Weite verbunden, mit Hilfe dessen die Pole des Außenringes 06 abgetastet werden. Damit können die relative und/oder absolute Winkelposition des Außenringes 06, sowie gegebenenfalls die Drehzahl ermittelt werden.
Im Zusammenwirken mit einem Lageregelkreis erfolgt die Ansteuerung der Statorspulen 10 der Primärteile 07 je nach Antriebsausführung in bekannter Weise, um die Position des Außenrings 02 zu regeln. Das Winkelmesssystem kann auf dem induktiven oder magnetoresistiven Wirkprinzip beruhen, die beide gegen externe Umgebungseinflüsse robust sind und somit zuverlässig arbeiten.
Fig. 2 zeigt eine Detaildarstellung des Primärteils 07 und des Außenrings 02 im Bereich einiger weniger Pole 06 und Statorzähne 09. Die Zahnperioden von Primärteil 07 und Außenring 02 sind nur geringfügig voneinander unterschiedlich, und zwar so, dass sich die Anzahl der Statorzähne 09 im Primärteil von der Anzahl der Pole 06 im Außenring 02 um ganze Zahlen unterscheiden, zum Beispiel um 1 , 2 oder mehr. Jedenfalls ist keine der Anzahlen ein Vielfaches der anderen Pol- bzw. Zähnezahl. Der Unterschied zwischen den Polzahlen ist in jedem Fall kleiner als die Gesamtpolzahl von Primärteil oder Sekundärteil. Die Nuten 13 zwischen den Polen 06 des Außenringes 02 können hier und auch bei allen Ausführungsformen mit einer Kunststoffvergussmasse oder ähnlichem vergossen sein, so dass die Verschmutzungsgefahr gering ist und die Wartung und Sauberhaltung erleichtert ist. Das Primärteil 07 ist vorzugsweise aus einem Blechpaket gebildet. Die Wicklungen 10 sind in Nuten zwischen den Statorzähnen 09 vorgewickelt eingelegt oder direkt in diese eingewickelt. Die Wicklungen 10 sind vorzugsweise dreiphasig ausgeführt. Es sind auch andere Motoraufbauten bekannt, bei denen beispielsweise die Statorzähne 09 mit den Wicklungen separat gefertigt werden und dann am Stator befestigt werden. Selbstverständlich können die Statorzähne auch mit Polschuhen versehen sein, um den Magnetfluss zu optimieren.
Die Permanentmagneten 1 1 sind an geeigneter Stelle in das Blechpaket ein- gebracht, so dass ein Erregerkreis gebildet ist, der eine magnetische Erregung des Sekundärteils ermöglicht und eine Überlagerung mit den Magnetfeldern der Statorspulen ermöglicht ist.
Bezugszeichenliste
01 - Innenring
02- Außenring
03- Rotationsachse
04- Wälzkörper
05- -
06- Pol
07 - Primärteil
08- Grundplatte
09- Statorzahn
10- Wicklung
11 - Permanentmagnet
12- Abtastkopf
13- Nuten zwischen Polen

Claims

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