DE102010022369A1

DE102010022369A1 - Lager mit einer Energieerzeugungseinheit sowie Käfig für ein Wälzlager

Info

Publication number: DE102010022369A1
Application number: DE201010022369
Authority: DE
Inventors: Thomas Rink
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-06-01
Filing date: 2010-06-01
Publication date: 2011-12-01
Also published as: CN102939469B; CN102939469A; WO2011151159A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lager mit einem ersten Lagerring (1), einem zweiten Lagerring (2) und einem zwischen den beiden Lagerringen (1, 2) angeordneten, in einem Käfig (4) geführten Wälzkörper (3), sowie mit einer Energieerzeugungseinheit, wobei die Energieerzeugungseinheit umfasst: eine entlang des ersten Lagerrings (1) umlaufende Abfolge von magnetischen Polen (6, 8, 10), eine entlang des zweiten Lagerrings (2) umlaufende Abfolge von magnetisch leitenden Klauen (12, 13), und eine Induktionsspule (15), wobei sich von dem ersten magnetischen Pol (6) über eine erste Klaue (12) ein die Induktionsspule (15) umlaufender, geschlossener magnetischer Kreis ausbildet. Die Aufgabe, ein Lager mit einer im wesentlichen bauraumneutralen Energieerzeugungseinheit mit einem hohen Füllfaktor für die Induktionsspule anzugeben, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Induktionsspule (15) an dem Käfig (4) befestigt ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Lager nach Anspruch 1 mit einer Energieerzeugungseinheit sowie einen Käfig nach Anspruch 9 für ein Wälzlager.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, aus der gegenseitigen Drehung zweier Lagerringe eines Wälzlagers mittels magnetischer Induktion eine Spannung abzuleiten. In einer möglichen Anordnung ist hierzu an einem ersten Lagerring eine entlang des Umfangs des ersten Lagerrings sich erstreckende Abfolge von magnetischen Polen vorgesehen, an einem zweiten Lagerring eine sich entlang des Umfangs des zweiten Lagerrings sich erstreckende Abfolge von magnetisch leitenden, sich zu den magnetischen Polen des ersten Lagerrings erstreckenden Klauen vorzusehen, so dass ein magnetischer Fluss zwischen den Polen des ersten Lagerrings und den Klauen des zweiten Lagerrings geschlossen wird, der bei der gegenseitigen Drehung der Lagerringe eine zwischen den beiden Lagerringen angeordnete Induktionsspule mit sich abwechselnder Flussrichtung umläuft und in der Induktionsspule eine elektrische Spannung induziert. Eine derartige Energieerzeugungseinheit wird als Klauenpolgenerator bezeichnet. Als problematisch hat sich hier insbesondere der Bauraum erwiesen, den die Induktionsspule, deren Windungen im wesentlichen die Drehachse der beiden Lager ringe umlaufen, erfordert. Hierzu ist insbesondere zu beachten, dass die abgreifbare Spannung und damit die erzeugte elektrische Leistung von der Anzahl der Windungen der Induktionsspule abhängen.
US 6,892,587 B2 beschreibt ein derartiges Lager, wobei die Induktionsspule in einer im Wesentlichen im Querschnitt U-förmigen Aufnahme angeordnet ist, und wobei die U-förmige Aufnahme wiederum an dem zweiten Lagerring angeordnet ist. Die U-förmige Aufnahme nimmt einen hohen Bauraum in axialer Richtung in Anspruch. Wenn Nuten an den beiden Lagerringen vorgesehen sind, um die magnetischen Pole bzw. die Klauen aufzunehmen, sind an beiden Lagerringen bauliche Veränderungen zu treffen.
US 2005/0174011 A1 beschreibt ebenfalls ein Lager mit einer als Klauenpolgenerator ausgebildeten Energieerzeugungseinheit, deren Induktionsspule in einer Ausnehmung einer der beiden Lagerringe sowie an einer Stirnfläche des Lagerrings aufliegend angeordnet ist.
JP 2006090501 AA (Abstract) beschreibt ein Lager mit einer als Klauenpolgenerator ausgebildeten Energieerzeugungseinheit, wobei die Induktionsspule an einer Stirnfläche sowie an der Mantelfläche eines der beiden Lagerringe angeordnet ist.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Lager mit einer im wesentlichen bauraumneutralen Energieerzeugungseinheit mit einem hohen Füllfaktor für die Induktionsspule anzugeben.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird für das eingangs genannte Lager erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Induktionsspule an dem Käfig des Lagers befestigt ist. Die Lösung der Aufgabe sieht hierzu einen Käfig für ein Wälzlager vor, wobei der Käfig ein Korpus mit einer Spule umfasst, die an dem Korpus des Käfigs befestigt ist, wobei eine Windung der Spule die Drehachse des Käfigs umläuft.
Die Anordnung der Induktionsspule an dem Käfig des Lagers nimmt nur wenig Bauraum in axialer Richtung in Anspruch. Auch lassen sich Käfige nachträglich beispielsweise an einer Seitenfläche mit einer Induktionsspule umwickeln und damit nachrüsten.
Die Induktionsspule stabilisiert den Käfig zusätzlich mechanisch, insbesondere bei hohen Drehzahlen, so dass der Käfig leichtbauender ausgestaltet werden kann.
Die Induktionsspule an dem Käfig ermöglicht die Versorgung eines elektrischen Verbrauchers, der an dem Käfig befestigt ist. Vorzugsweise ist daher vorgesehen, dass ein elektrischer Verbraucher, insbesondere ein Sensor, an dem Käfig angeordnet ist, und dass der Verbraucher von der Induktionsspule versorgt wird.
Die an dem Käfig in der Induktionsspule generierte elektrische Spannung kann mittels einer leitenden Verbindung an einen außerhalb des Käfigs angeordneten Verbraucher abgegeben werden, wozu vorgesehen sein kann, dass eine kontaktlose elektrische Verbindung, insbesondere eine induktive oder kapazitive Kopplung, zwischen der Induktionsspule und einem der Lagerringe vorgesehen ist. Alternativ oder ergänzend zu einer derartigen kontaktlosen elektrisch leitenden Verbindung zwischen der Induktionsspule an dem Käfig und einem außerhalb des Käfigs angeordneten Verbrauchers kann vorgesehen sein, dass ein elektrischen Schleifkontakt zwischen der Induktionsspule an dem Käfig und einem der beiden Lagerringe ausgebildet ist.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Abfolge der magnetischen Pole an dem Lagerring mit dem größeren Innendurchmesser angeordnet ist. Hierbei wird den Umstand Rechnung getragen, dass der Käfig und damit die Induktionsspule eine Relativbewegung zu den beiden Lagerringen ausführt, und dass die in der Induktivspule induzierte Spannung von der Relativbewegung abhängig ist. Die Relativbewegung des Käfigs ist bezüglich des Lagerrings mit dem größeren Innendurchmesser, nämlich dem Außenring, im allgemeinen größer als bezüglich des Innenrings, so dass die induzierte Spannung größer wird.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Induktionsspule in dem Korpus des Käfigs versenkt angeordnet ist. Eine derartige Anordnung ist vollständig bauraumneutral, zudem wird die Induktionsspule vor Verschmutzung geschützt aufgenommen. Weiter lässt sich die Zahl der Windungen der Induktionsspule erhöhen, so dass der Füllfaktor der Induktionsspule, der durch die Zahl der Windungen pro Querschnittsfläche der Induktionsspule bestimmt wird, steigt.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Induktionsspule als Wickelspule in einer an einer Seitenfläche des Käfigs angeordneten Nut aufgenommen und die Nut mit einer elektrisch isolierenden Füllmasse ausgefüllt ist. Eine derartige Anordnung lässt sich leicht herstellen, indem die Nut an der Seitenfläche des Käfigs erzeugt wird, in diese Nut die Spule mit einem Wickeln des elektrisch leitenden Spulenmaterials eingebracht und das Spulenmaterial in der Nut in einem abschließenden Schritt mit der elektrisch isolierenden Füllmasse ausgefüllt wird. Die Nut kann dabei einen V- oder U-förmigen Querschnitt aufweisen, insbesondere kann die Bodenfläche des U im wesentlichen eben ausgestaltet sein, so dass annähernd die gesamten radiale Erstreckung des Käfigs ausgenutzt werden kann, um eine möglichst hohe Anzahl von Windungen der Wickelspule unterzubringen. Die Füllmasse, beispielsweise ein erhärteter Lack, hält die einzelnen benachbarten Wicklungen voneinander elektrisch isoliert und schützt die Induktionsspule sowohl mechanisch als auch vor Verschmutzungen bzw. einer chemischen Beeinträchtigung. Weiter reduziert sich das Gewicht des Käfigs, da die Füllmasse, speziell der Lack, ein geringeres spezifisches Gewicht als das Kunststoff-Material des Käfigs aufweist.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass an den Klauen oder an den magnetischen Polen ein Dichtelement angeordnet, insbesondere befestigt, ist. Das Dichtelement kann eine Dichtlippe aus einem elastischen Material umfassen, wobei das Dichtelement, insbesondere die elastische Dichtlippe den Zwischenraum zwischen den beiden Lagerringen überdeckt und nicht nur den Käfig mit der Induktionsspule, sondern auch den Raum zwischen den beiden Lagerringen vor einem Eindringen von Fremdkörpern schützt. Dabei liegt die Dichtlippe dichtend an mindestens einem der beiden Lagerringe an.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ausschnittsweise eine teilweise geschnittene perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Lagers mit einem Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Käfigs, und
2 zeigt eine geschnittene Ansicht des Lagers und des Käfigs aus 1.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt ein als Wälzlager ausgebildetes Lager mit einem ersten Lagerring 1, einem zweiten Lagerring 2 und einem zwischen den Lagerringen 1, 2 angeordneten Wälzkörper 3, der in einem Käfig 4 geführt ist. Der erste Lagerring 1 ist dabei als Außenring und der zweite Lagerring 2 als Innenring des Lagers ausgebildet.
Das Lager umfasst weiter eine Energieerzeugungseinheit, wobei die Energieerzeugungseinheit eine entlang des ersten Lagerrings 1 umlaufende Abfolge. von magnetischen Polen umfasst. die jeweiligen Pole sind als Polpaare zusammengefasst. Dabei ist ein erster Pol, nämlich ein Nordpol, des ersten Polpaares 5 mit dem Bezugszeichen 6' ausgewiesen. In Umfangsrichtung des ersten Lagerrings 1 das übernächste, dritte Polpaar 7 weist einen gleichnamigen ersten Pol 8, nämlich ebenfalls einen Nordpol auf. Zwischen dem ersten Polpaar 5 und dem dritten Polpaar 7 ist ein zweites Polpaar 9 angeordnet, dessen erster Pol 10 als Südpol ausgebildet ist. Die Ausrichtung der Pole in den jeweiligen Polpaaren 5, 7, 9 ist so getroffen, dass in Umfangsrichtung eine alternierende Abfolge von ersten Polen 6, 8, 10 auftritt, die jeweils in Richtung des zweiten Lagerrings 2 weisen. Entsprechend tritt eine alternierende Abfolge von weiteren Polen auf, die auf den ersten Lagerring 1 weisen. So weist beispielsweise der zweite Pol 11 des ersten Polpaares 5, also der Südpol, auf den ersten Lagerring 1. Die jeweiligen Polpaares 5, 7, 9 sind magnetisch leitende mit dem Korpus des ersten Lagerrings 1 verbunden. Die Polpaares 5, 7, 9 sind als in Umfangsrichtung des ersten Lagerrings 1 alternierend magnetisierte Abschnitte eines Magnetrings ausgebildet, der als einzelnes Bauteil direkt magnetisch leitend an der inneren Mantelfläche des ersten Lagerrings 1 befestigt ist, beispielsweise mittels eines magnetisch leitenden Klebers.
Die Energieerzeugungseinheit umfasst weiter eine dem zweiten Lagerring 2 angeordnete in Umfangsrichtung umlaufende Abfolge von magnetisch leitenden Klauen, wobei eine erste Klaue 12 auf den ersten Pol, nämlich den Nordpol 6 des ersten Polpaares 5 und eine zweite Klaue 13, die der ersten Klaue 12 in Umfangsrichtung des zweiten Lagerrings 2 benachbart ist, auf den ersten Pol 8, nämlich den Nordpol, des dritten Polpaares 7 weist. Die Klaue ist dabei aus einem magnetisch leitenden Material ausgebildet und bezogen auf eine Drehachse des Lagers radial ausgerichtet, derart, dass ein nur geringer Spalt zwischen der Klaue 12, 13 und den Polen 6, 8 entsteht, wobei sich ein magnetischer Fluss über den Spalt ausbilden kann. Die Klauen 12, 13 sind Teile eines Klauenrings 14, der, als einteiliges Bauteil, an dem zweiten Lagerring 2 in magnetisch leitender Verbindung befestigt ist. Der Klauenring 14 ist an der äußeren Mantelfläche des zweiten Lagerrings 2 mittels Presssitz befestigt. Die in Umfangsrichtung des zweiten Lagerrings 2 der ersten Klaue 12 benachbarte zweite Klaue 13 steht damit dem übernächsten, nämlich dem dritten Polpaar 7 gegenüber.
Zwischen dem zweiten Pol 11, nämlich dem Südpol, des ersten Klauenpaares 5 bildet sich über die magnetisch leitende Verbindung durch das magnetisch leitende Korpus des ersten Lagerrings 1, das magnetisch leitende Korpus des Wälzkörpers 3, das magnetisch leitende Korpus des zweiten Lagerrings 2 und das magnetisch leitende Korpus des Klauenrings 14 in die erste Klaue 12 ein magnetischer Kreis aus, der über den Spalt zwischen der ersten Klaue 12 zu dem ersten Pol 6, nämlich dem Nordpol, des ersten Polpaares 5 hin geschlossen wird. Dieser magnetische Kreis ist beispielsweise im Uhrzeigersinn orientiert. Bewegt sich der zweite Lagerring 2 relativ zu dem ersten Lagerring 1 so, dass die erste Klaue 12 dem ersten Pol 10 des dritten Polpaares 9 gegenübersteht, wird ebenfalls ein magnetischer Kreis gebildet, der gegensinnig orientiert ist, in diesem Fall beispielsweise im Gegenuhrzeigersinn.
Die bei der Drehung der Lagerringe 1, 2 entstehenden, jeweils gegensinnig orientierten magnetischen Kreise umlaufen eine Induktionsspule 15, die an dem Käfig 4 des Lagers befestigt ist.
2 zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht insbesondere des Käfigs 4 mit der Induktionsspule 15. Die Induktionsspule 15 ist in dem Korpus des Käfigs 4 versenkt angeordnet, derart, dass die Induktionsspule 15 mit einer Seitenfläche 16 des Korpus des Käfigs bündig abschließt. Die Induktionsspule 15 umfasst eine Mehrzahl von die Drehachse des Lagers umlaufenden Windungen eines elektrisch leitenden Materials und ist damit als Wickelspule ausgebildet. Eine Windung der Spule 15 umläuft dabei eine Drehachse des Korpus des Käfigs 4. Die Induktionsspule 15 umfasst weiter eine elektrisch isolierende Füllmasse, beispielsweise einen Lack, der die Windungen der Wickelspule umgibt und einen Kurzschluss zwischen benachbarten Windungen verhindert. Die Induktionsspule 15 ist damit als formstabiler Verbund in einer Nut 17 in der Seitenfläche 16 des Korpus des Käfigs 4 aufgenommen, wobei die Nut 17 mit der elektrisch isolierende Füllmasse ausgefüllt ist.
Bei der relativen Drehung der beiden Lagerringe 1, 2 wird in der Induktionsspule 15 eine Wechselspannung induziert, die abgegriffen werden kann, beispielsweise mittels eines elektrischen Schleifkontaktes zwischen der Induktionsspule 15 und einem der beiden Lagerringe 1, 2, oder über eine kontaktlose elektrische Verbindung, speziell eine induktive oder kapazitive Kopplung, zwischen der Induktionsspule 15 und einem der Lagerringe 1, 2. Die in der Induktionsspule 15 induzierte Wechselspannung kann weiter einen elektrischen Verbraucher, insbesondere einen Sensor oder ein Sendeteil eines RFID-tags, versorgen, wobei der elektrische Verbraucher an dem Käfig 4 befestigt ist.
Außerhalb des Korpus des Käfigs 4 kann noch ein bildlich nicht dargestelltes Dichtelement vorgesehen sein, das beispielsweise mit einer ersten Dichtlippe an dem ersten Lagerring 1 und mit einer zweiten Dichtlippe an dem zweiten Lagerring 2 anliegt, wobei das Dichtelement drehfest an einem der beiden Lagerringe 1, 2 angeordnet ist. Das Dichtelement, speziell die Dichtlippe des Dichtelementes, ist beispielsweise an den Klauen oder an den magnetischen Polen angeordnet und befestigt.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wies die das Korpus des Käfigs 4 entlang der Seitenfläche 16 umlaufende Nut 17 einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, mit einem ebenen Nutgrund. Es versteht sich, dass die Nut auch ein beispielsweise V-förmiges Querschnittsprofil aufweisen kann, um eine besonders hohe Zahl von Windungen der Induktionsspule 15 in dem Käfig 4 und damit einen hohen Füllfaktor erreichen zu können, weiter erhöht sich die mechanische Festigkeit des Korpus des Käfigs 4. Es versteht sich ferner, dass auf der Seitenfläche 16 ein die Induktionsspule 15 überdeckendes Abdeckmaterial aus einem nicht-magnetischen Material, beispielsweise einem glasfaserverstärkten Polyamid, speziell einem glasfaserverstärkten Polyamid 66, vorgesehen sein kann, das die Induktionsspule 15 vor Verschmutzung schützt.
Bezugszeichenliste

1: erster Lagerring
2: zweiter Lagerring
3: Wälzkörper
4: Käfig
5: erstes Polpaar
6: erster Pol des ersten Polpaares 5
7: drittes Polpaar
8: erster Pol des dritten Polpaares 7
9: zweites Polpaar
10: erster Pol des zweiten Polpaares 9
11: zweiter Pol des ersten Polpaares 5
12: erste Klaue
13: zweite Klaue
14: Klauenring
15: Induktionsspule
16: Seitenfläche des Korpus des Käfigs 4
17: Nut

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6892587 B2 [0003]
US 2005/0174011 A1 [0004]
JP 2006090501 AA [0005]

Claims

Lager mit einem ersten Lagerring (1), einem zweiten Lagerring (2) und einem zwischen den beiden Lagerringen (1, 2) angeordneten, in einem Käfig (4) geführten Wälzkörper (3), sowie mit einer Energieerzeugungseinheit, wobei die Energieerzeugungseinheit umfasst: eine entlang des ersten Lagerrings (1) umlaufende Abfolge von magnetischen Polen (6, 8, 10), eine entlang des zweiten Lagerrings (2) umlaufende Abfolge von magnetisch leitenden Klauen (12, 13), eine Induktionsspule (15), wobei sich von dem ersten magnetischen Pol (6) über eine erste Klaue (12) ein die Induktionsspule (15) umlaufender, geschlossener magnetischer Kreis ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule (15) an dem Käfig (4) befestigt ist.
Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule (15) in dem Korpus des Käfigs (4) versenkt angeordnet ist.
Lager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktionsspule (15) als Wickelspule in einer an einer Seitenfläche (16) des Käfigs (4) angeordneten Nut (17) aufgenommen und die Nut (17) mit einer elektrisch isolierenden Füllmasse ausgefüllt ist.
Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an den Klauen oder an den magnetischen Polen ein Dichtelement angeordnet ist.
Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abfolge der magnetischen Pole (6, 8, 10) an dem Lagerring (1) mit dem größeren Innendurchmesser angeordnet ist.
Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen elektrischen Schleifkontakt zwischen der Induktionsspule an dem Käfig und einem der beiden Lagerringe.
Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine kontaktlose elektrische Verbindung, insbesondere eine induktive oder kapazitive Kopplung, zwischen der Induktionsspule und einem der Lagerringe vorgesehen ist.
Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Verbraucher, insbesondere ein Sensor, an dem Käfig angeordnet ist, und dass der Verbraucher von der Induktionsspule versorgt wird.
Käfig für ein Wälzlager, umfassend ein Korpus mit einer Spule (15), die an dem Korpus des Käfigs (4) befestigt ist, wobei eine Windung der Spule (15) die Drehachse des Käfigs (4) umläuft.