DE102010021159A1

DE102010021159A1 - Wälzlager mit einer integrierten permanenterregten elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102010021159A1
Application number: DE102010021159A
Authority: DE
Inventors: Sergej Mensch; Thomas Rink
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-05-21
Filing date: 2010-05-21
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2030-05-22
Also published as: DE102010021159B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wälzlager (01) mit zwei relativ zueinander bewegbaren Lagerringen (02, 03) und einem permanenterregten Generator mit einem Primärteil und einem Sekundärteil, die mit jeweils einem Lagerring (02, 03) drehfest verbunden sind. Die Erfindung betrifft außerdem einen Schenkelpolgenerator zum Einbau in ein Wälzlager. Erfindungsgemäß ist das Primärteil durch mit abwechselnder Polarisierung in Umfangsrichtung angeordnete Permanentmagnete (16) gebildet, die in einem Primärträger (12) eingebettet sind. Das Sekundärteil weist Schenkelpole (07) mit jeweils einer Einzelpolwicklung (08) auf, die in einen Sekundärträger (06) eingebettet sind.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Wälzlager mit einer integrierten permanenterregten elektrischen Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem einen modular aufgebauten Schenkelpolgenerator, der sich für den Einsatz in einem Wälzlager eignet.
Wälzlager umfassen als gegeneinander rotierbare Lagerringe einen Innenring und einen Außenring. In verschiedenen Lageranwendungen sind beispielsweise die Erfassung von Drehzahl und Drehrichtung oder andere Überwachungsaufgaben des rotierenden Lagerteils erforderlich. Für diese und andere Aufgaben werden elektrische Komponenten (Sensoren, Aktoren, Prozessoren, Datenspeicher usw.) verwendet, denen Energie zugeführt werden muss. Aus dem Stand der Technik sind hierfür teilweise Lösungen bekannt.
Die WO 2008/014766 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Überwachung mindestens einer Betriebsgröße eines Radsatzlagers eines Schienenfahrzeuges. Die Vorrichtung umfasst einen Sensor und eine Sendeeinheit, die mit dem Lagerring rotierend am Ende der Radachse angeordnet sind, und eine Generatoreinheit mit einem mitrotierenden und einem drehfesten Generatorelement zur Energieversorgung von Sensor und Sendeeinheit. Das mitrotierende Generatorelement ist ein am Ende der Radachse angeordnetes Wiegandelement. Das zweite kooperierende Generatorelement wird von ortsfest angeordneten Magneten gebildet. Diese Vorrichtung ist nicht direkt in das Lager integrierbar.
In der EP 0 397 309 A2 wird eine Lageranordnung beschrieben, bei der ein Drehzahlmesser integriert ist. Bei einem zweireihigen Wälzlager ist ein Polrad zwischen den beiden Wälzkörperreihen am rotierbaren Innenring montiert. Das Polrad ist an seinem Umfang durch einen Magnetring mit abwechselnd angeordneten Polen der Magnete gebildet. Ein Hallsensor ist im Außenring in radialer Ausrichtung zum Polrad vorgesehen. Das Polrad kann aus einem ferromagnetischen Material mit ausgeprägten Polen (z. B. Zähnen) ausgeführt werden. Dann ist ein Magnet der Sensoranordnung erforderlich. Da der Sensor am feststehenden Lagerteil vorgesehen ist, ist dessen Energieversorgung unproblematisch.
Aus der DE 695 24 014 T2 ist ein Radlager eines Schienenfahrzeuges (zweireihiges Kegelrollenlager) mit einem integrierten Drehstromgenerator bekannt. Die durch den Generator erzeugte Energie wird in einer Batterie gespeichert. Der Generator ist im Ringraum zwischen den beiden Reihen der Kegelrollen angeordnet. Er umfasst einen Rotor, der mit dem Innenring und der Achse rotiert und einen Stator, der am Außenring ortsfest angeordnet ist. Der Rotor umfasst eine Reihe von Dauermagneten, die in gleichen Abständen auf dem Ringbereich zwischen den Kegelrollen in Anfangsrichtung angeordnet sind. Die Pole der Dauermagneten sind radial angeordnet und jeweils abwechselnd polarisiert um den Ring herum verteilt. Der Stator ist ein Blechpaket aus magnetischen Stahlfolien mit ausgeprägten Zähnen, die jeweils eine gewickelte Spule tragen. Die dreiphasige Statorwicklung ergibt sich durch eine Y-Verschaltung der Spulen.
Aus der EP 0 402 240 A1 ist ein Schrägzylinderrollenlager mit einem integrierten Motor bekannt. Der Rotor ist mit dem Innenring verbunden, der Stator mit dem Außenring. Der Motor benötigt einen großen axialen Bauraum.
Aus der US 6,838,794 B2 ist ein Wälzlager mit einer integrierten Generatoreinheit bekannt, bei welchem zwischen Innen- und Außenring des Lagers ein Rotor und ein Stator eines Klauenpolgenerators angeordnet sind. Der Stator umfasst einen röhrenförmigen Ring, mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt, wobei im hohlen Innenraum des Rings eine Spule angeordnet ist. An der dem Rotor zugewandten Seite sind auf dem Ring Klauen angeordnet, die einander überlappen und zwischen deren benachbarten Klauen jeweils eine Lücke ausgebildet ist. Der Rotor hat die Form eins ringförmigen Multipolmagneten mit abwechselnder Polarität.
Aus der US 6,989,618 B2 ist ein Wälzlager mit einem integrierten Motor bekannt. Dabei ist der Stator mit Statorspulen bestückt und entweder am Innenring oder am Außenring befestigt. Der Motorteil des Lagers ist so ausgeführt, dass sich Stator und Motorantriebsmanagement gegenüberliegen, sodass der Rotor angetrieben werden kann, wenn ein Signal den Stator erreicht. Eine verbesserte Motorcharakteristik wird erreicht, wenn die Lagerteile aus magnetischem Material hergestellt werden, sodass sie als Teile des Magnetkreises wirken.
Bekannte Motor- und Generatorlösungen zur Integration in Wälzlagern sind jeweils nur für einen Wälzlagertyp verwendbar. Für jede andere Wälzlagergröße muss eine neue Dimensionierung und Konstruktion erfolgen, was die Herstellungskosten erhöht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wälzlager mit einem integrierten elektrischen Generator bereitzustellen, wobei der Generator für verschiedene Lagedurchmesser verwendbar und kostengünstig herstellbar sein soll.
Die Aufgabe wird durch ein Wälzlager mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch einen Schenkelpolgenerator mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
Ein erfindungsgemäßes Wälzlager (Axial- oder Radiallager) umfasst zunächst in bekannter Weise zwei relativ zueinander bewegbare Lagerringe und einen permanenterregten Generator mit einem Primärteil und einem Sekundärteil, die jeweils mit einem der Lagerringe drehfest verbunden sind. Das Sekundärteil ist durch Permanentmagnete gebildet, welche mit abwechselnder Polarisierung in Umfangsrichtung des Lagerrings angeordnet sind. Die im Primärteil des Generators induzierte Spannung kann zur Erfassung von Winkelgeschwindigkeit und Winkelbeschleunigung, sowie zur Temperaturmessung verwendet werden.
Erfindungsgemäß ist der Generator modular aufgebaut, so dass er in verschiedenen Lagertypen und -größen integrierbar ist. Dazu sind die Permanentmagnete in einem Sekundärträger eingebettet. Das Primärteil umfasst Schenkelpole mit jeweils einer Einzelpolwicklung, die in einem Primärträger eingebettet sind. Primär- und Sekundärträger sind dabei so ausgeführt, dass sie unabhängig vom späteren Einbau-Durchmesser zum Generator komplettierbar sind.
Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, das Primärteil und Sekundärteil des Generators für eine Massenproduktion geeignet sind. Weiterhin ist eine Verwendung für verschiedene Wälzlagergrößen und -bauformen möglich. Außerdem ist eine Anpassung an verschiedene Leistungsanforderungen einfach zu realisieren. Vorteilhafterweise ist ebenso ein nachträglicher Einbau in ein Wälzlager möglich, um eine Standardlagerung mit einer Energieversorgung auszurüsten.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Sekundärträger durch ein flexibles Material gebildet, das mit abwechselnder Polarisierung aufmagnetisiert ist. Als Materialien hierfür kommen beispielsweise aufmagnetisiertes kunststoffgebundenes oder gesintertes NdFeB in Frage. Vorteilhafterweise ist auch der Primärträger aus einem flexiblen Material, beispielsweise glasfaserverstärktes Polyamid 66, hergestellt, in das die Schenkelpole mit den Einzelwicklungen eingegossen sind.
Vorzugsweise werden Primärträger und Sekundärträger als fortlaufendes Bandmaterial gefertigt. Dies ermöglicht eine einfache Herstellung, da die Bandmaterial-Komponenten durch die Erfindung kompatibel zu allen Lagergrößen sind. Für eine bestimmte elektrische Leistung ist eine bestimmte Länge des Bandmaterials erforderlich. Trennstellen sind zwischen den einzelnen Schenkelpolen beim Primärträger und zwischen zwei Magneten beim Sekundärträger vorgesehen.
Primär- und Sekundärteil müssen sich nicht über den gesamten Umfang eines Wälzlagers erstrecken, es genügt, einen entsprechend der geforderten Leistung dimensionierten Generator abschnittsweise zwischen den Lagerringen vorzusehen. In diesem Fall muss ein Ausgleichsgewicht an dem diametral gegenüberliegenden Abschnitt des Generators vorgesehen werden. Das Ausgleichsgewicht kann durch einen zweiten Generator oder eine, der Generatormasse identische Ausgleichsmasse gebildet sein.
Die Schenkelpole sind vorzugsweise aus geblechten Flussleitelementen gestapelt und die entsprechende Einzelpolwicklungen ausgeführt. Die elektrische Kontaktierung der einzelnen Wicklungen erfolgt vorzugsweise durch flexible Leiterbahnen, welche ebenfalls in das elektrisch isolierende Trägermaterial eingegossen sind. Die Verschaltung der einzelnen Wicklungen kann parallel oder in Reihe erfolgen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind das Primärteil und/oder das Sekundärteil über einen Adapterring mit dem jeweiligen Lagerring verbunden. Die Adapterringe sind für verschiedene Lagertypen anzupassen. Vorteilhaft hierbei ist, dass nur die Adapterringe für verschiedene Lagergrößen vorgehalten werden müssen, während Primärteil und Sekundärteil für alle Lagerarten verwendet werden können.
Eine Leistungsdimensionierung des Generators kann bei unterschiedlichen Lagerdurchmessern aufgrund des modularen Aufbaus des Lagergenerators einfach erfolgen. Beispielsweise können die Magnetpole des Sekundärteils in unterschiedlichen Geometrien vorgehalten werden. Eine andere Möglichkeit ist, die Schenkelpole in unterschiedlichen Längen auszuführen. Dadurch wird der Luftspaltabstand eingestellt.
Ein erfindungsgemäßer Schenkelpolgenerator in modularer Bauweise zeichnet sich dadurch aus, dass er für den Einbau in einem Wälzlager konfiguriert ist, indem Primärteil und Sekundärteil jeweils in eine Primär- bzw. Sekundärträger eingebettet sind, welche vielseitig kombinierbar sind. Auch ein nachträglicher Einbau in ein Wälzlager ist hiermit möglich. Als besonders vorteilhaft erweist sich die Verwendung eines solchen Schenkelpolgenerators in einem Wälzlager.
Die Kontaktierung mit der Peripherie des Wälzlagers erfolgt vorzugsweise über Schneidkontaktklemmen, welche sich durch das Trägermaterial des Primärträgers schneiden und somit die Leiterbahnen kontaktieren, welche vorzugsweise in das Trägermaterial eingegossen sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1: eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wälzlagers mit einem Adapterring zur Aufnahme eines Primärträgers;
2: eine räumliche Ansicht der in 1 dargestellten Ausführungsform;
3: eine zweite bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wälzlagers mit einem mittels eines Bandes befestigten Primärträger;
4: eine Schnittdarstellung des in 3 dargestellten Wälzlagers;
5: eine dritte bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wälzlagers mit einem Trägerring zur Halterung des Primärträgers;
6: eine räumliche Ansicht des Trägerrings gemäß 6;
7: eine Schnittdarstellung der in 6 dargestellten Ausführungsform des Wälzlagers.
In den 1 bis 3 ist eine erste bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
1 zeigt eine teilweise geschnittene räumliche Darstellung eines Radiallagers 01 mit einem Innenring 02 und einem Außenring 03 als Lagerringe. In bekannter Weise sind zwischen Innenring 02 und Außenring 03 Wälzkörper (nicht dargestellt) geführt.
Ein erfindungsgemäßer Schenkelpolgenerator 04 ist ebenfalls im Raum zwischen Innenring 02 und Außenring 03 angeordnet. Ein Primärteil ist mit dem Innenring 02 drehfest verbunden. Dabei dient ein Adapterring 05 zur Halterung eines Primärträgers 06, in den verteilt Schenkelpole 07 mit jeweils einer Wicklung 08 eingebettet sind. Der Primärträger 06 selbst erstreckt sich vorzugsweise abschnittsweise über den Umfang des Radiallagers 01 (siehe 2).
Der Adapterring 05 hat einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt, wobei die Schenkel 09 jeweils dem Innenring 02 bzw. dem Außenring 03 zugewandt sind. In den Schenkeln 09 sind in regelmäßigen Abständen auf dem Umfang verteilt Aussparungen 10 vorgesehen, in welche die Schenkelpole 07 mit den Wicklungen 08 eingeschoben werden. Durch die Flexibilität des Materials des Primärträgers 06 kann das Primärteil in verschiedene Adapterringe 05 eingesetzt werden. Der Primärträger 06 ist vorzugsweise in den Adapterring 05 eingeklebt.
Im Primärträger 06 sind zwei flexible Leiterbahnen (nicht dargestellt) zur Kontaktierung und Verschaltung der Wicklungen 08 vorzugsweise eingegossen. Im Adapterring 05 sind Leiterbahnen 11 zur Kontaktierung des Primärträgers vorgesehen. Die Verschaltung der Wicklungen 08 erfolgt parallel oder in Reihe. In einer bevorzugten Ausführungsvariante erfolgt eine Parallelschaltung, welche durch Unterbrechung der Kontaktierung in eine Reihenschaltung verändert werden kann. Die Unterbrechung der Kontaktierung kann mechanisch oder durch Überstrom (Schmelzsicherung von außen) herbeigeführt werden. Die elektrische Kontaktierung der einzelnen Wicklungen 08 erfolgt über die flexiblen Leiterbahnen im Primärträger 06.
Jeder Schenkelpol 07 schließt den magnetischen Kreis über den Innenring 02, indem die Schenkelpole 07 auf dem Innenring 02 aufliegen.
Das Sekundärteil ist mit dem Außenring 03 drehfest verbunden. Es umfasst einen Sekundärträger 12, der die abwechselnd polarisierten Magnete (hier nicht dargestellt) trägt. Der Sekundärträger 12 ist vorzugsweise ebenfalls aus einem flexiblen Material gefertigt, wodurch eine Anpassung an verschiedene Krümmungsradien verschieden großer Wälzlagerringe möglich ist.
Wie besonders in 2 erkennbar ist, erstrecken sich Primär- und Sekundärteil nur über einen Abschnitt der Lagerringe 02, 03, während der Adapterring 05 sich über den gesamten Umfang des Innenrings 02 erstreckt. Bei dieser Ausführung muss zur Vermeidung von Unwuchten diametral ein zweiter Primärträger oder ein Ausgleichsgewicht vorgesehen werden.
In abgewandelten Ausführungsformen können sich Primär- und Sekundärträger über den gesamten Umfang der Lagerringe erstrecken. Auch eine ungerade Anzahl von Primär- und Sekundärträgern kann verwendet werden. Dann müssen diese selbstverständlich gleichmäßig über den Umfang verteilt sein.
In den 3 bis 5 ist eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Gleiche Teile, wie zuvor beschrieben, sind mit den gleichen Bezugsziffern dargestellt. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform wird hier der Primärträger 06 über ein flexibles gelochtes Band 13 auf dem Innenring 02 verspannt, wodurch die Schenkelpole 07 in magnetischem Kontakt zum Innenring 02 stehen. In der dargestellten Ausführungsform sind zwei gegenüberliegende Primärträger 06 und zwei gegenüberliegende Sekundärträger 12 vorgesehen. Das Band 13 weist Durchführungen 14 zur Positionierung der Schenkelpole 07 auf. Anstelle des zweiten Primärteiles 06 könnte auch eine entsprechend dimensionierte Ausgleichsmasse vorgesehen werden.
Der Sekundärträger 12 ist ebenfalls aus einem flexiblen Material gefertigt und nimmt abwechselnd polarisierte Magneten 16 auf. Die Leiterbahnen 11 sind im Primärträger 06 eingegossen. Ein Käfig 17 dient in bekannter Weise zur Führung der Wälzkörper 18 (3).
In den 6 bis 8 ist eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wälzlagers dargestellt. Gleiche Bezugsziffern wurden auch hier für die bereits beschriebenen Teile vergeben. Dabei zeigt 6 eine teilweise geschnittene räumliche Ansicht des Wälzlagers 01, 7 eine räumliche Darstellung eines Primärteiles und 8 eine Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie B-B in 7.
Auf dem Innenring 02 ist ein flexibler Trägerring 19 angebracht, vorzugsweise geklebt. Der Trägerring 19 weist Aussparungen 20 für die Schenkelpole 07 auf, welche in direktem magnetischen Kontakt mit dem Innenring 02 stehen. Zur Halterung des Primärträgers 06 sind Laschen 21 vorgesehen, in welche im Primärträger 06 angeordnete Vorsprünge 22 einrasten. Die Vorsprünge 21 sind jeweils zwischen den Schenkelpolen 07 angeordnet. Über die Schenkelpole 07 wird der magnetische Kreis geschlossen. Der Sekundärträger 12 ist wie in den anderen Ausführungsformen mit dem Außenring 03 verbunden (nur in 8 dargestellt).
Bezugszeichenliste

01: Radiallager
02: Innenring
03: Außenring
04: Schenkelpolgenerator
05: Adapterring
06: Primärträger
07: Schenkelpol
08: Wicklung
09: Schenkel
10: Aussparung
11: Leiterbahn
12: Sekundärträger
13: Band
14: Durchführung
15
16: Magnet
17: Käfig
18: Wälzkörper
19: Trägerring
20: Aussparung
21: Lasche
22: Vorsprung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2008/014766 A1 [0003]
EP 0397309 A2 [0004]
DE 69524014 T2 [0005]
EP 0402240 A1 [0006]
US 6838794 B2 [0007]
US 6989618 B2 [0008]

Claims

Wälzlager (01) mit zwei relativ zueinander bewegbaren Lagerringen (02, 03), umfassend einen permanenterregten Generator mit einem Primärteil und einem Sekundärteil, die mit jeweils einem Lagerring (02, 03) drehfest verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Sekundärteil durch mit abwechselnder Polarisierung in Umfangsrichtung angeordnete, in einem Sekundärträger (12) eingebettete, Permanentmagnete (16) gebildet ist, während das Primärteil Schenkelpole (07) mit jeweils einer Einzelpolwicklung (08) umfasst, die in einen Primärträger (06) eingebettet sind.
Wälzlager (01) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärträger (12) durch ein flexibles Material gebildet ist.
Wälzlager (01) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärträger (06) aus einem flexiblem Material besteht, in das die Schenkelpole (07) mit den Einzelwicklungen (08) eingegossen sind.
Wälzlager (01) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkelpole (07) aus geblechten Flussleitelementen gestapelt sind.
Wälzlager (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Primärteil über einen Adapterring (05) mit dem jeweiligen Lagerring (02, 03) verbunden ist, wobei der magnetische Kreis über den Lagerring geschlossen wird, auf dem das Primärteil befestigt ist.
Wälzlager (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Primärteil mittels eines Bandes (13) mit dem jeweiligen Lagerring (02, 03) verbunden ist, wobei der magnetische Kreis über den Lagerring geschlossen wird, auf dem das Primärteil befestigt ist.
Wälzlager (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Primärträger (06) auf einem Trägerring (19) befestigt ist, wobei der magnetische Schluss zwischen den Schenkelpolen (07) und dem Lagerring über eine Aussparung (20) im Trägerring (19) hergestellt ist.
Wälzlager (01) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder paarweise mehrere Primärteile und Sekundärteile jeweils diametral gegenüberliegend im Wälzlager angeordnet sind.
Permanenterregter Schenkelpolgenerator (04) mit einem Primärteil und einem Sekundärteil zum Einbau in ein Wälzlager (01), wobei das Sekundärteil mit abwechselnder Polarität angeordnete Permanentmagnete (16) umfasst, die in einen elastischen Sekundärträger (12) eingebettet sind, und wobei das Primärteil fortlaufend angeordnete Schenkelpole (07) mit jeweils einer, den Schenkelpol (07) umschließenden Einzelpolwicklung (08) umfasst, die in einen elastischen Primärträger (06) eingebettet sind.
Permanenterregter Schenkelpolgenerator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Sekundärträger (12) und der Primärträger (06) als fortlaufende elastische Bandware hergestellt sind.