DE102009028566A1 - Device for production of electricity at pivotally supported component, is implemented as antifriction bearing for pivot support of component, where electricity is produced in antifriction bearing - Google Patents

Device for production of electricity at pivotally supported component, is implemented as antifriction bearing for pivot support of component, where electricity is produced in antifriction bearing Download PDF

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Abstract

The device is implemented as antifriction bearing (6) for pivot support of component (4), where the electricity is produced in the antifriction bearing by the rotating motion of the antifriction bearing of supported component. Roll bodies (2) are arranged between an inner bearing (3) and an external bearing (1) of the antifriction bearing.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie an einem drehend gelagerten Bauteil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to a device for generating electrical Energy to a rotating component according to the Preamble of claim 1.

In fast allen Industriezweigen wird die Übertragung von Energie, Signalen und Daten von einem rotierenden auf ein ortsfestes Bauteil benötigt. Hierbei ermöglichen statische Verbindungen, wie es bei der Verwendung von Kabelschleppen der Fall ist, nur einen eingeschränkten Bewegungsradius des rotierenden Bauteils in Bezug auf das ortsfeste Bauteil. Dahingegen wird durch den Einsatz von Schleifringen und Drehübertragern eine kontinuierliche Drehbewegung des rotierenden Bauteils um 360° ermöglicht. Ferner ist aus dem Stand der Technik bekannt, zur Übertragung hoher Datenraten und großer Leistungen kontaktlose Technologien einzusetzen.In almost all branches of industry, the transmission of energy, Signals and data from a rotating to a stationary component needed. This allows static connections, as is the case with the use of cable towers, only one limited movement radius of the rotating component in relation to the stationary component. On the other hand, by the use slip rings and rotary joints a continuous Rotary movement of the rotating component by 360 ° allows. Furthermore, it is known from the prior art for transmission high data rates and high performance contactless technologies use.

Hierbei werden oft kapazitive oder optische Systeme verwendet, um digitale Daten bei hoher Bitrate auf ein rotierendes Bauteil zu übertragen; die erzielbaren Datenraten liegen in der Größenordnung von 10 Gbit/s. Ferner ist bekannt, zur Übertragung von elektrischer Leistung ein Übertragungssystem basierend auf dem Prinzip eines induktiven Serienresonanz-Konverters zu verwenden, wodurch Leistungen von wenigen mW im Fall der Medizintechnik bis zu einigen kW für industrielle Anwendungen übertragen werden.in this connection Often, capacitive or optical systems are used to digital Transfer data at high bit rate to a rotating component; The achievable data rates are on the order of 10 Gbps. Furthermore, it is known for the transmission of electrical Performance a transmission system based on the principle an inductive series resonant converter to use, thereby Services from a few mW in the case of medical technology up to a few kW for industrial applications.

Zudem ist bekannt, die kontaktlose Energieübertragung mit der kontaktlosen Datenübertragung üblicher Datenbusse wie z. B. CAN-Bus, Profibus, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet und EtherCAT zu kombinieren. Typische Anwendungsgebiete dieser Technologien sind beispielsweise Drehtische und jegliche Art von Industrierobotern, die ihre Bewegungen millionenfach mit hoher Präzision wiederholen müssen.moreover is known, the contactless energy transfer with the contactless data transmission of conventional data buses such as CAN Bus, Profibus, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet and EtherCAT to combine. Typical applications of these technologies are for example turntables and any kind of industrial robots, who have to repeat their movements millions of times with high precision.

In nachteiliger Weise ist bei diesen aus dem Stand der Technik bekannten Konzepten zur Übertragung von Energie, Signalen und Daten von einem rotierenden auf ein ortsfestes Bauteil erforderlich, so dass die Energie- und Datenleitung von außen über eine Kabelanbindung dem jeweiligen Drehübertrager zugeführt werden muss.In disadvantageously, in these known from the prior art Concepts for the transmission of energy, signals and data required from a rotating to a stationary component, so that the power and data line from the outside via a Cable connection supplied to the respective rotary transformer must become.

Aus der DE 10 2007 009 093 A1 ist ein Wälzlager bekannt, welches eine erste Lauffläche und eine zweite Lauffläche sowie einen zwischen den Laufflächen angeordneten Wälzkörper aufweist, wobei auf dem Wälzkörper ein RFID-Tag angeordnet ist, wodurch eine drahtlose Abfrage von Daten ermöglicht wird. Hierbei ist mindestens ein Sensor mit dem RFID-Tag verbunden oder in diesen integriert.From the DE 10 2007 009 093 A1 a rolling bearing is known, which has a first tread and a second tread and arranged between the treads rolling elements, wherein on the rolling body an RFID tag is arranged, whereby a wireless retrieval of data is made possible. Here, at least one sensor is connected to the RFID tag or integrated into it.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie an einem drehend gelagerten Bauteil, beispielsweise an einer drehend gelagerten Welle anzugeben, durch die auf dem Bauteil angeordnete elektrische Verbraucher mit elektrischer Energie versorgt werden können. Dadurch sollen die aus dem Stand der Technik erforderlichen Drehübertrager und die benötigten Zuleitungen entfallen.Of the present invention is based on the object, a device for generating electrical energy at a rotationally mounted component, for example indicate on a rotating shaft through which on the component arranged electrical consumers supplied with electrical energy can be. This should be from the prior art required rotary transformer and the required Supply lines omitted.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den Unteransprüchen hervor.These The object is solved by the features of claim 1. Further embodiments and advantages of the invention are apparent from the dependent claims.

Demnach wird eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie an einem drehend gelagerten Bauteil vorgeschlagen, welche als Wälzlager zur drehenden Lagerung des Bauteils ausgeführt ist, wobei die elektrische Energie im Wälzlager aus der Drehbewegung des mittels des Wälzlagers gelagerten Bauteils, das als Welle ausgeführt sein kann, erzeugt wird.Therefore is a device for generating electrical energy at a proposed rotating component, which as a rolling bearing designed for rotating storage of the component, wherein the electrical energy in the rolling bearing from the rotary motion of the mounted by means of the rolling bearing component, as Wave can be executed is generated.

Gemäß der Erfindung sind die zwischen dem Außenlager und dem Innenlager angeordneten Rollkörper des Wälzlagers permanent magnetisiert ausgeführt und weisen mindestens einen Nordpol N und einen Südpol S auf, wobei in das Innenlager oder in das Außenlager zumindest eine induktive Windung integriert ist. Durch die Drehbewegung des mittels des Wälzlagers gelagerten Bauteils, welches z. B. für den Fall einer Welle mit dem Innenlager fest verbunden sein kann, werden die Rollkörper in Rotation versetzt, wobei aufgrund deren Magnetpolanordnung ein zeitlich veränderliches Magnetfeld erzeugt wird, welches gemäß der Lenz’schen Regel zu der zumindest einen induktiven Windung des Innenlagers bzw. des Außenlagers eine elektrische Spannung induziert.According to the Invention are those between the outer bearing and the bottom bracket arranged rolling elements of the bearing permanently magnetized running and have at least one north pole N and a south pole S on, being in the bottom bracket or integrated into the outer bearing at least one inductive winding is. By the rotational movement of the means of the rolling bearing mounted component, which z. B. in the case of a wave can be firmly connected to the bottom bracket, the rolling elements set in rotation, due to their magnetic pole arrangement a time-varying magnetic field is generated, which according to Lenz's rule to the at least an inductive winding of the inner bearing or the outer bearing induced an electrical voltage.

Durch die erfindungsgemäße Konzeption der Erzeugung von elektrischer Energie direkt an dem sich drehenden Bauteil können Systeme, wie z. B. Sensoren und Aktuatoren, die auf dem drehend gelagerten Bauteil angeordnet sind, versorgt werden. Dadurch entfällt in vorteilhafter Weise die Notwendigkeit eines Drehübertragers und der benötigten Zuleitungen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Wälzlager sich eine sehr bauraumsparende Anordnung ergibt, so dass die erfindungsgemäße Vorrichtung in enge Bauräume integriert werden kann.By the inventive concept of production of electrical energy directly to the rotating component can Systems, such. As sensors and actuators, on the rotating mounted component are arranged to be supplied. This is eliminated advantageously the need for a rotary transformer and the required supply lines. Another advantage exists in that by the arrangement of the invention Device for generating electrical energy in a rolling bearing itself a very space-saving arrangement results, so that the inventive Device can be integrated into tight spaces.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Gleiche bzw. vergleichbare Bauteile sind dabei auch mit gleichen Bezugszeichen versehen. Es zeigen:The Invention will be described below with reference to the accompanying figures exemplified in more detail. Same or comparable Components are also provided with the same reference numerals. It demonstrate:

1 eine schematische Schnittansicht eines gemäß der Erfindung ausgeführten Kugellagers, welches auch der Erzeugung von elektrischer Energie dient; 1 a schematic sectional view of a running according to the invention ball bearing, which also serves to generate electrical energy;

2 eine schematische Darstellung des in 1 gezeigten Kugellagers im aufgefalteten Zustand zur Veranschaulichung des Funktionsprinzips der Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie; 2 a schematic representation of the in 1 shown ball bearing in the unfolded state to illustrate the principle of operation of the device for generating electrical energy;

3 eine schematische Darstellung des Innenlagers eines gemäß der Erfindung ausgeführten Kugellagers im aufgefalteten Zustand zur Veranschaulichung einer möglichen Ausführung der induktiven Windungen; und 3 a schematic representation of the inner bearing of a designed according to the invention ball bearing in the unfolded state to illustrate a possible embodiment of the inductive windings; and

4 eine schematische Schnittansicht einer mittels eines erfindungsgemäß ausgeführten Kugellagers drehbar gelagerten Welle, auf der eine von der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung vom elektrischer Energie mit Strom versorgbare Funkeinheit angeordnet ist. 4 a schematic sectional view of a rotatably mounted by means of a ball bearing according to the invention embodied shaft on which a power supply from the inventive device for generating electrical energy radio unit is arranged.

Gemäß der Erfindung ist die Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie als Wälzlager ausgeführt, wobei die Erzeugung elektrischer Energie im Wälzlager aus der Drehbewegung des mittels des Wälzlagers gelagerten Bauteils, das als Welle ausgeführt sein kann, ermöglicht wird.According to the Invention is the device for generating electrical energy executed as a rolling bearing, wherein the generation electrical energy in the rolling bearing from the rotary motion of the mounted by means of the rolling bearing component, as Shaft can be executed, is possible.

In 1 ist ein Kugellager 6 gezeigt, welches ein Außenlager 1, als Kugeln ausgeführte Rollkörper 2 und ein Innenlager 3 aufweist, mittels dessen eine mit dem Innenlager 3 drehfest verbundene Welle 4 drehbar gelagert ist. Gemäß der Erfindung sind die Rollkörper 2 permanent magnetisiert ausgeführt und weisen mindestens einen Nordpol N und einen Südpol S auf. Des Weiteren ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in das Innenlager 3 zumindest eine induktive Windung 5 integriert ist, wie anhand 2 und 3 veranschaulicht.In 1 is a ball bearing 6 shown which is an outdoor warehouse 1 , rolling bodies executed as balls 2 and an inner bearing 3 by means of which one with the bottom bracket 3 rotatably connected shaft 4 is rotatably mounted. According to the invention, the rolling bodies 2 designed to be permanently magnetized and have at least one north pole N and one south pole S. Furthermore, the invention provides that in the bottom bracket 3 at least one inductive winding 5 is integrated as based 2 and 3 illustrated.

Die Funktionsweise der Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie ist wie folgt: Durch die Drehbewegung der Welle 4 werden die Rollkörper 2 des Lagers 6 in Rotation versetzt, wobei aufgrund deren Magnetpolanordnung ein zeitlich veränderliches Magnetfeld erzeugt wird, welches nach der Lenz’schen Regel darin resultiert, dass in den induktiven Windungen 5 im Innenlager 3 eine elektrische Spannung induziert wird.The operation of the device for generating electrical energy is as follows: By the rotational movement of the shaft 4 become the rolling bodies 2 of the camp 6 set in rotation, wherein due to the magnetic pole arrangement, a time-varying magnetic field is generated, which results according to the Lenz's rule that in the inductive windings 5 in the bottom bracket 3 an electrical voltage is induced.

Das entsprechende Funktionsprinzip ist Gegenstand der 2. Hierbei gleitet das die induktiven Windungen 5 aufweisende Innenlager 3 auf den permanent magnetisiert ausgeführten Rollkörpern 2 über das ortsfest angeordnete Außenlager 1. Wie bereits erläutert, wird durch die Rotation der Rollkörper ein zeitlich veränderliches Magnetfeld erzeugt, welches in den induktiven Windungen 5 des Innenlagers 3 eine elektrische Spannung U induziert.The corresponding operating principle is the subject of 2 , This slides the inductive windings 5 having bottom bracket 3 on the permanently magnetized running rolling bodies 2 via the stationary outer bearing 1 , As already explained, a temporally variable magnetic field is generated by the rotation of the rolling bodies, which in the inductive windings 5 of the inner bearing 3 an electrical voltage U induced.

Gemäß der Erfindung kann durch die Verwendung mehrerer unabhängiger induktiver Windungen 5 bzw. Leiterschleifen ein höherer Wirkungsgrad erzielt werden. Hierbei können die induktiven Windungen 5 mittels einer Gleichrichterschaltung zu einem konstanten Potential zusammengefasst werden, wobei jede induktive Windung 5 zur Gesamtleistung beiträgt. Die Schaltkreise zur Glättung der induzierten Spannung U der Vorrichtung können außerhalb des Innenlagers 3, beispielsweise auf dem drehend gelagerten Bauteil, das in den Figuren als Welle 4 ausgeführt ist, angebracht werden.According to the invention, by using a plurality of independent inductive windings 5 or conductor loops higher efficiency can be achieved. Here, the inductive windings 5 be combined by means of a rectifier circuit to a constant potential, each inductive winding 5 contributes to the overall performance. The circuits for smoothing the induced voltage U of the device may be outside the inner bearing 3 , For example, on the rotationally mounted component, in the figures as a shaft 4 is executed, attached.

Gegenstand der 4 ist ein Gesamtsystem umfassend eine mittels eines erfindungsgemäß ausgeführten Wälzlagers 6 drehend gelagerten Welle 4, auf der eine mit im Wälzlager 6 erzeugtem Strom versorgbare Funkeinheit 7 angeordnet ist. Nach dem Stand der Technik muss die zum Betrieb der Funkeinheit 7 benötigte Energie drahtlos oder über Schleifringe zur Verfügung gestellt werden, was in im Gegensatz zur erfindungsgemäßen Lösung nachteiliger Weise zusätzliche Bauraum benötigende Komponenten erfordert.Subject of the 4 is an overall system comprising a rolling bearing designed according to the invention 6 rotating shaft 4 , on the one with in the rolling bearing 6 generated electricity supplied radio unit 7 is arranged. According to the prior art, the operation of the radio unit 7 Energy required to be provided wirelessly or slip rings available, which requires in contrast to the inventive solution disadvantageous way additional space requiring components.

Des Weiteren können mit Hilfe der im Wälzlager 6 generierten Energie Sensoren oder Aktuatoren betrieben werden, was beispielsweise die Umsetzung eines drahtlosen Drehmomentsensors in engen Bauräumen ermöglicht.Furthermore, with the help of the rolling bearing 6 generated energy sensors or actuators are operated, which allows, for example, the implementation of a wireless torque sensor in tight spaces.

Bei den gezeigten Beispielen sind die induktiven Windungen in das Innenlager integriert. Es ist jedoch gemäß der Erfindung möglich, die induktiven Windungen in das Außenlager zu integrieren, wenn z. B. das drehend gelagerte Bauteil mit dem Außenlager fest verbunden ist.at the examples shown are the inductive windings in the bottom bracket integrated. It is, however, according to the invention possible, the inductive windings in the outer camp to integrate if z. B. the rotationally mounted component with the Outside bearing is firmly connected.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Außenlagerexternal storage
22
Rollkörperroll body
33
InnenlagerBottom Bracket
44
Wellewave
55
induktive Windunginductive convolution
66
Wälzlagerroller bearing
77
Funkeinheitradio unit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 102007009093 A1 [0006] - DE 102007009093 A1 [0006]

Claims (7)

Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie an einem drehend gelagerten Bauteil (4), dadurch gekennzeichnet, dass sie als Wälzlager (6) zur drehenden Lagerung des Bauteils (4) ausgeführt ist, wobei die elektrische Energie im Wälzlager (6) aus der Drehbewegung des mittels des Wälzlagers (6) gelagerten Bauteils (4) erzeugt wird.Device for generating electrical energy on a rotating component ( 4 ), characterized in that they serve as rolling bearings ( 6 ) for rotational support of the component ( 4 ) is carried out, wherein the electrical energy in the rolling bearing ( 6 ) from the rotational movement of the means of the rolling bearing ( 6 ) mounted component ( 4 ) is produced. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie an einem drehend gelagerten Bauteil (4), nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Innenlager (3) und einem Außenlager (1) des Wälzlagers (6) angeordnete Rollkörper (2) permanent magnetisiert ausgeführt sind und dass in das Innenlager (3) oder in das Außenlager (1) zumindest eine induktive Windung (5) integriert ist, wobei durch die Drehbewegung des drehend gelagerten Bauteils (4) die Rollkörper (2) des Wälzlagers (6) in Rotation versetzbar sind, wobei aufgrund deren Magnetpolanordnung ein zeitlich veränderliches Magnetfeld erzeugbar ist, welches in der zumindest einen induktiven Windung (5) des Innenlagers (3) bzw. des Außenlagers (1) eine elektrische Spannung (U) induziert.Device for generating electrical energy on a rotating component ( 4 ), according to claim 1, characterized in that between an inner bearing ( 3 ) and an external warehouse ( 1 ) of the rolling bearing ( 6 ) arranged rolling bodies ( 2 ) are permanently magnetized and that in the bottom bracket ( 3 ) or in the external warehouse ( 1 ) at least one inductive winding ( 5 ) is integrated, wherein by the rotational movement of the rotatably mounted component ( 4 ) the rolling bodies ( 2 ) of the rolling bearing ( 6 ) are set in rotation, due to the magnetic pole arrangement, a time-varying magnetic field can be generated, which in the at least one inductive winding ( 5 ) of the inner bearing ( 3 ) or the external warehouse ( 1 ) induces an electrical voltage (U). Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie an einem drehend gelagerten Bauteil (4), nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in das Innenlager (3) bzw. in das Außenlager (1) mehrere induktive Windungen (5) integriert sind und diese mittels einer Gleichrichterschaltung zu einem konstanten Potential zusammengefasst werden.Device for generating electrical energy on a rotating component ( 4 ), according to claim 2, characterized in that in the bottom bracket ( 3 ) or in the external warehouse ( 1 ) several inductive windings ( 5 ) are integrated and these are combined by means of a rectifier circuit to a constant potential. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie an einem drehend gelagerten Bauteil (4), nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltkreise zur Glättung der erzeugten induzierten Spannung (U) außerhalb des Innenlagers (3) bzw. des Außenlagers (1) angebracht sind.Device for generating electrical energy on a rotating component ( 4 ), according to claim 2 or 3, characterized in that the circuits for smoothing the generated induced voltage (U) outside the inner bearing ( 3 ) or the external warehouse ( 1 ) are mounted. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie an einem drehend gelagerten Bauteil (4), nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltkreise zur Glättung der erzeugten induzierten Spannung (U) auf dem drehend gelagerten Bauteil (4) angeordnet sind.Device for generating electrical energy on a rotating component ( 4 ), according to claim 4, characterized in that the circuits for smoothing the generated induced voltage (U) on the rotatably mounted component ( 4 ) are arranged. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie an einem drehend gelagerten Bauteil (4), nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das drehend gelagerte Bauteil (4) als Welle ausgeführt ist, welche mit dem Innenlager (3) drehfest verbunden ist, wobei die zumindest eine induktive Windung (5) in das Innenlager (3) integriert ist.Device for generating electrical energy on a rotating component ( 4 ), according to one of the preceding claims, characterized in that the rotationally mounted component ( 4 ) is designed as a shaft, which with the bottom bracket ( 3 ) is rotatably connected, wherein the at least one inductive winding ( 5 ) in the bottom bracket ( 3 ) is integrated. Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie an einem drehend gelagerten Bauteil (4), nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wälzlager (6) als Kugellager ausgeführt ist.Device for generating electrical energy on a rotating component ( 4 ), according to one of the preceding claims, characterized in that the rolling bearing ( 6 ) is designed as a ball bearing.
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