DE102010032110A1

DE102010032110A1 - Fanglager für einen berührungslos gelagerten Rotor

Info

Publication number: DE102010032110A1
Application number: DE102010032110A
Authority: DE
Inventors: Jan Georgi; Michael Pausch; Dr. Scherb Bruno; Erich Lunz; Norbert Radinger; Tim Lüken; Stephan Thomas; Willibald Albert
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2012-01-26
Also published as: WO2012010566A1

Abstract

Fanglager für einen berührungslos gelagerten, sich um eine Rotorachse (22) drehenden Rotor (6), mit wenigstens einem Wälzlager (1a; 1b; 10) mit einem äußeren Lagerring (4; 13), einem koaxialen inneren Lagerring (2) und einer Vielzahl zwischen den Lagerringen (2, 4; 11, 13) angeordneten Wälzkörpern (15; 21), die auf zugehörigen Laufbahnen (3, 5; 12, 14) abrollen, wobei einer der Lagerringe (4; 13) drehfest gelagert ist und der andere Lagerring (2) drehbar und mit radialem Spiel (9) bezüglich des Rotors (6) angeordnet ist. Um zu erreichen, dass das Fanglager beim Absturz des Rotors (6) eine geringe Reibung und wenig Schlupf im Kontakt Kugel-Laufbahn und keinen Schlupf im Kontakt Kugel-Kugel aufweist, und um ein gleichmäßiges Tragen der Wälzkörper (15; 21) sicherzustellen, ist eine Antriebsanordnung (7, 8; 18, 19, 20) vorgesehen, die den drehbaren Lagerring (2) mit einer Drehzahl, die maximal gleich der Drehzahl des Rotors (6) ist, in Drehung versetzt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Fanglager für einen berührungslos gelagerten, sich um eine Rotorachse drehenden Rotor, mit wenigstens einem Wälzlager mit einem äußeren Lagerring, einem koaxialen inneren Lagerring und einer Vielzahl zwischen den Lagerringen angeordneten Wälzkörpern, die auf zugehörigen Laufbahnen abrollen, wobei einer der Lagerringe drehfest gelagert ist und der andere Lagerring drehbar und mit radialem Spiel bezüglich des Rotors angeordnet ist.
Hintergrund der Erfindung
Fanglager dienen dazu, einen berührungslos, beispielsweise mittels eines Magnetlagers gelagerten Rotor aufzufangen, wenn das Magnetlager nicht mehr in der Lage ist, den Rotor zu tragen, insbesondere bei Stromausfall oder auch bei Überlastung.
Als Fanglager werden vollkugelige ein- oder zweireihige Kugellager, insbesondere Schrägkugellager mit Keramikkugeln und ohne Käfig in hoher Genauigkeit verwendet. Ein derartiges Fanglager ist in der DE 197 29 450 A1 beschrieben. Dieses Fanglager ist für magnetisch gelagerte Vakuumpumpen, insbesondere Turbomolekularpumpen, vorgesehen, bei denen im Hinblick auf Drehzahl, Schmierung, Schwingungsverhalten und weitere Umgebungsbedingungen hohe Anforderungen bestehen. Wenn z. B. bei Stromausfall die Magnetlagerung zusammenbricht und der sich noch drehende Rotor abgestützt werden muss, um eine Beschädigung der Vakuumpumpe zu vermeiden, übertragen die als Wälzlager ausgebildeten Fanglager die Last. Im Normalfall stehen die Wälzlager still bzw. drehen sich mit der Welle ohne Kontakt zum Gehäuse mit, was z. B. durch ein entsprechendes Spiel zwischen der Rotorwelle und dem Innenring bewirkt des Fanglagers wird. Beim Ausfall der Magnetlagerung und dem Absturz des Rotors werden die Fanglager schlagartig in kürzester Zeit von der Drehzahl 0 auf die Betriebsdrehzahl beschleunigt. Käfige für die Kugeln werden bei einem solchen extremen Hochbeschleunigen zerstört und können in Fanglagern daher nicht verwendet werden.
Beim extremen Hochbeschleunigen kommt es anfangs zu einem Schlupfen des Wälzkörpersatzes. Zusätzlich muss ein Losbrechmoment überwunden werden und gleichzeitig laufen die anfänglich aneinander liegenden Kugeln gegenläufig aneinander ab. Folglich entsteht im Fanglager eine erhöhte Reibung zwischen den Lagerringen und den Kugeln sowie untereinander an den Kugeln und schließlich zwischen dem zu beschleunigenden Lagerring und dem Rotor. Diese erhöhte Reibung begünstigt unvorteilhafte dynamische Zustände des Rotors, wie beispielsweise ein rückwärts umlaufendes Wirbeln der Rotorwelle (Backward-Whirl), was wiederum die dynamische Belastung des Fanglagers stark erhöht. Die Lebensdauer der Fanglager wird des Weiteren durch den Schlupf im Kontakt Laufbahn-Kugel und Kugel-Kugel nachteilig beeinflusst. Ebenfalls nachteilig ist, dass die Kugeln beim Absturz des Rotors nicht gleichmäßig über den Umfang verteilt sind, wodurch die Pressungen im Wälzkontakt negativ beeinflusst wird.
Aufgabe der Erfindung
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die Reibung und den Schlupf im Kontakt Kugel-Laufbahn und Kugel-Kugel zu verringern und ein gleichmäßiges Tragen der Kugeln sicherzustellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Gelöst wird diese Aufgabe bei einem Fanglager der eingangs erwähnten Art durch eine am Fanglager angeordnete Antriebsanordnung, die den drehbaren Lagerring mit einer Drehzahl, die maximal gleich der Drehzahl des Rotors ist, in Drehung versetzt.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die mit dem vorstehend erwähnten Stand der Technik verbundenen Schwierigkeiten und Nachteile dadurch vermieden werden können, dass das Fanglager permanent mit einer auf die jeweilige Anwendung abgestimmten Drehzahl mitläuft. Das Hochbeschleunigen auf die Drehzahl des Rotors beim Absturz desselben geschieht dann nicht von der Drehzahl 0, wodurch Schlupfanteile und das Anlaufmoment reduziert werden. Die Kugeln laufen dabei nicht gegeneinander an, da sie bereits separiert sind.
Gemäß einer ersten Ausführungsform kann die Antriebsanordnung aus einer zwischen dem Rotor und dem drehbaren Lagerring angeordneten, berührungslosen Kupplung bestehen, insbesondere aus einer Permanentmagnetkupplung. Diese Permanentmagnetkupplung lässt sich einfach in der Weise realisieren, dass wenigstens ein Ring aus Permanentmagneten um den Rotor herum angeordnet und an ihm befestigt ist, und dass dieser Ring aus Permanentmagneten in den Bereich der Stirnseiten des drehbaren Lagerrings ragt.
Da es sich bei den Lagerringen um Metallringe, insbesondere aus Wälzlagerstahl, handelt, induziert der mit dem Rotor drehende Ring aus Permanentmagneten im Lagerring Wirbelströme und/oder magnetisiert diesen und nimmt diesen in seiner Drehung mit. Dabei folgt der Lagerring bei einer Ausbildung als Wirbelstromkupplung, wenn der sich drehende Lagerring aus einem nicht magnetisierbaren Wälzlagerstahl besteht, mit einem von der Feldstärke der Magneten und der Breite des Luftspalts abhängigen Schlupf der Drehung des Rotors. Ist der Lagerring gut magnetisierbar, so wirkt die Kupplung als Hysterese-Kupplung und der Lagerring folgt dem Ring aus am Rotor befestigten Permanentmagneten mit gleicher Drehzahl.
Vorzugsweise kann je ein Ring aus Permanentmagneten beiderseits des Lagerrings im Bereich der Stirnseiten angeordnet sein, um die Kupplungswirkung zu verbessern.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Antriebsanordnung kann diese aus einer durch wenigstens eine Düse mit Druckfluid beaufschlagte Turbine bestehen, die als Bohrungen oder Nuten im in Drehung zu versetzenden Lagerring ausgebildet sein können. Das Druckfluid kann vorzugsweise aus einem Gemisch von Druckluft und zerstäubtem Schmiermittel bestehen, das nicht nur in die Turbine, sondern auch in das oder die Wälzlager gelangt und dort der Schmierung und Kühlung dient.
Beispielhaft kann vorgesehen sein, dass die Antriebsanordnung aus wenigstens einer Düse und aus einer bezüglich der Rotorachse in einer koaxialen Umfangsebene sowie in einem Winkel zur Düse verlaufenden, in einem drehbaren Lagerring oder im Bereich des drehbaren Lagerrings angeordneten, das Fanglager durchquerenden Öffnung besteht.
Das erfindungsgemäße Fanglager kann aus einem einfachen Kugellager, aus einem doppelten Schrägkugellagersatz oder vorzugsweise als Dreiringlager aus einem äußeren Lagerring, einem koaxialen inneren Lagerring und einem koaxial zwischen dem äußeren Lagerring und dem inneren Lagerring angeordneten Mittelring sowie einer Vielzahl von zwischen den Lagerringen angeordneten Wälzkörpern, die auf zugehörigen Laufbahnen abrollen, ausgebildet sein, wobei die Antriebsanordnung in diesem Fall vorzugsweise auf den ein- oder mehrteiligen Mittelring wirkt.
Der mit dieser Ausführungsform verbundene Vorteil besteht darin, dass eine Drehzahlübersetzung im Lager erfolgt. Von demjenigen Lagerteil, das den drehfest angeordneten Lagerring aufweist, läuft nur der Mittelring konstant mit etwa der halben Drehzahl des Rotors um und muss beim Absturz des Rotors nicht beschleunigt werden muss. Daher lässt sich hierbei ein Wälzlager mit Käfig verwenden, das als einreihiges oder mehrreihiges Kugellager, Rollenlager oder Pendelrollenlager ausgebildet sein kann.
Das Lagerteil, das den Mittelring und den beim Absturz des Rotors zu beschleunigenden Lagerring aufweist, läuft als Ganzes mit der Drehzahl des Mittelrings mit und muss beim Absturz des Rotors nur noch von der durch die Antriebsanordnung aufgegebenen Drehzahl auf die Drehzahl des Rotors beschleunigt werden. Dementsprechend entfällt ein Losbrechmoment für das Lagerteil zwischen dem feststehenden Lagerring und dem Mittelring, und es ergibt sich auch kein Gegenmoment durch die Antriebsanordnung beim Beschleunigen des Lagerrings, der den Rotor beim Absturz auffängt.
Um zu gewährleisten, dass das Lagerteil, das beim Absturz des Rotors beschleunigt wird, als Ganzes mit dem Mittelring rotiert, kann dieses Lagerteil mit einer geeigneten Vorspannung versehen werden.
Da das permanent mitlaufende Lager beim Absturz des Rotors nicht beschleunigt wird, lässt sich ein Wälzlager verwenden, bei dem die Wälzkörper durch einen oder mehrere Käfige geführt sind.
Dementsprechend kann das Dreiringlager vorzugsweise aus einem äußeren Pendelrollenlager mit in einem Käfig geführten, tonnenförmigen Rollen und einem koaxialen, inneren, vollkugeligen Kugellager mit Keramikkugeln ohne Käfig bestehen. Vorzugsweise kann das Dreiringlager aus einem äußeren doppelreihigen Pendelrollenlager mit in Käfigen geführten Reihen aus tonnenförmigen Rollen und einem doppelten, koaxialen, inneren, vollkugeligen Schrägkugellagersatz mit Keramikkugeln ohne Käfig bestehen. Durch diese Anordnung lassen sich Winkeländerungen oder Radialversatz des Rotors ohne Zwänge aufnehmen.
Bei allen Ausführungsformen des Dreiringlagers kann der Mittelring einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein und insbesondere aus einem Lagerring für das Pendelrollenlager und einem geteilten Lagerring für das Kugellager bestehen, die mit Presssitz zusammengefügt sind.
Ist kein Winkel- oder Versatzausgleich erforderlich, kann das Dreiringlager aus zwei doppelten, koaxialen Schrägkugellagersätzen bestehen, von denen der Schrägkugellagersatz mit feststehenden Lagerringen und angetriebenem Mittelring aus einem üblichen Schrägkugellager mit käfiggeführten Stahlkugeln und dasjenige Teil des Dreiringlagers, welches die mit dem Rotor zu beschleunigenden Lagerringe aufweist, aus einem doppelten, koaxialen, vollkugeligen Schrägkugellagersatz mit Keramikkugeln ohne Käfig besteht.
Für spezielle Anwendungsfälle ist es auch möglich, dass zur Bildung des Fanglagers gemäß der Erfindung ausschließlich Rillenkugellager genutzt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier in der beigefügten Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele weiter erläutert. In der Zeichnung zeigt
1 ein erfindungsgemäßes Fanglager mit einem doppelten Schrägkugellagersatz im axialen Teilschnitt, und
2 ein erfindungsgemäßes Fanglager gemäß einer zweiten Ausführungsform, das als Dreiringlager ausgebildet ist.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Ein um eine Rotorachse 22 rotierender Rotor 6, der in nicht dargestellter Weise im Normalbetrieb in einer Magnetlageranordnung berührungslos gelagert ist, weist wenigstens ein Fanglager in Form eines doppelten Schrägkugellagersatzes 1 auf. Der Schrägkugellagersatz 1a besteht aus zwei Innenringen 2 mit Laufbahnen 3 und zwei Außenringen 4 mit Laufbahnen 5, zwischen denen Keramikkugeln 21 abrollen. Zwischen den Innenringen 2 und dem Rotor 6 ist ein radiales Spiel 9 vorgesehen, das kleiner ist als das Spiel zwischen dem Rotor 6 und der nicht dargestellten Magnetlageranordnung. Hierdurch ist gewährleistet, dass das doppelte Schrägkugellager 1a den Rotor 6 auffangen kann, wenn er aufgrund eines Stromausfalls oder Überlastung radial abstürzt.
Damit die Innenringe 2 und die Keramikkugeln 21 beim Absturz des Rotors 6 nicht vom Stillstand auf die volle Drehzahl des Rotors 6 beschleunigt werden müssen, welches zu den eingangs geschilderten Schwierigkeiten führt, ist eine Antriebsanordnung vorgesehen, die aus beiderseits des doppelten Schrägkugellagers 1 angeordneten Tragscheiben besteht, die am Rotor 6 befestigt sind und in die Tragscheiben 7 eingelassenen Permanentmagnete 8 tragen. Die Permanentmagneten 8 sind mit möglichst geringem Luftspalt gegenüber den Stirnflächen der Innenringe 2 angeordnet und wirken auf die Innenringe 2 wie eine Wirbelstrom-Kupplung bzw. Hysterese-Kupplung. Dies bedeutet, dass die Innenringe 2 über die Antriebsanordnung aus den Tragscheiben 7 und den Permanentmagneten 8 mit im Wesentlichen der gleichen Drehzahl rotiert wie der Rotor 6 und daher bei einem Absturz des Rotors 6 nicht beschleunigt werden müssen. Der doppelte Schrägkugellagersatz 1 ist vollkugelig mit Keramikkugeln 21 ohne Käfig ausgeführt und weist daher die für ein Fanglager günstigen Eigenschaften auf, die jedoch durch den Antrieb der Innenringe 2 auf Rotordrehzahl noch erheblich verbessert sind.
Die Ausführungsform gemäß 2 weist ein Fanglager auf, das als Dreiringlager mit einem äußeren, doppelreihigen Pendelrollenlager 10 mit in Käfigen 16 geführten Reihen aus tonnenförmigen Rollen 15 und einem doppelten, koaxialen, inneren, vollkugeligen Schrägkugellagersatz 1b mit Keramikkugeln 21 ohne Käfig besteht.
Das doppelreihige Pendelrollenlager 10 ist aus einem einteiligen Innenring 11 mit konkaven Laufbahnen 12 und einem geteilten Außenring 13 mit konvexen Laufbahnen 14 gebildet, zwischen denen die tonnenförmigen Rollen 15, die in einem einteiligen oder mehrteiligen Käfig 16 geführt sind, abrollen.
Koaxial zum doppelreihigen Pendelrollenlager 10 ist das doppelte Schrägkugellager 1b angeordnet, dessen Außenringe 4 mit Presssitz in den Innenring 11 des doppelreihigen Pendelrollenlagers 10 eingesetzt ist. Der doppelte Schrägkugellagersatz 1b weist des Weiteren, wie auch bezüglich 1 beschrieben, zwei Innenringe 2 auf, und die Keramikkugeln 21 rollen auf den Laufbahnen 3, 5 ab. Die Innenringe 2 des doppelten Schrägkugellagersatzes 1b umfassen mit dem bereits erwähnten radialen Spiel 9 den Rotor 6, der um seine Rotorachse 22 rotiert.
Da bei einem doppelreihigen Pendelrollenlager unter Belastung Axialkräfte auf die Rollen 15 wirken, die diese gegeneinander drängen, ist axial zwischen den Rollen 15 ein Bordring 17 angeordnet, der die Rollen 15 auf dem vorgeschriebenen Abstand hält, ohne dass diese den Käfig 16 belasten.
Der aus dem Innenring 11 des doppelreihigen Pendelrollenlagers 10 und den Außenringen 4 des doppelten Schrägkugellagersatzes 1b bestehende Mittelring bildet eine Turbine, die aus Nuten 18 oder Bohrungen gebildet ist, die im Innenring 11 des doppelreihigen Pendelrollenlagers 10, an die Außenringe 4 des doppelten Schrägkugellagersatzes 1 radial anstoßen, angeordnet sind. Diese Nuten 18 oder Bohrungen verlaufen achsparallel oder schräg zur Rotorachse 22, so dass sich der aus dem Außenring 4 und dem Innenring 11 gebildete Mittelring durch eine Düse 19, der über eine Leitung 20 Druckfluid zugeführt wird, in Drehung versetzen lässt, wenn der aus der Düse 19 austretende Fluidstrahl unter einem Winkel auf die Nuten 18 trifft. Dies lässt sich entweder dadurch erreichen, dass die Düse 19 unter einem Winkel von beispielsweise 45° auf die seitliche Stirnfläche des Mittelrings 4, 11 gerichtet ist, wenn die Nuten 18 parallel zur Rotorachse 22 verlaufen, oder dadurch, dass die Düse 19 parallel zur Rotorachse 22 angeordnet ist und dann die Nuten 18 schräg unter beispielsweise einem Winkel von 45° im Innenring 11 verlaufen.
Das der Düse 19 zugeführte Druckfluid kann Druckluft oder vorzugsweise ein Gemisch aus Druckluft und zerstäubtem Schmiermittel sein, so dass das Fanglager durch die Druckluft in eine Drehung versetzt wird und gleichzeitig gekühlt und geschmiert wird.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. So kann beispielsweise das in 2 dargestellte Fanglager auch aus zwei koaxialen Schrägkugellagersätzen bestehen. Ferner kann die Anordnung des Fanglagers auch so getroffen sein, dass ein Wellenteil des Rotors durch den sich mitdrehenden Außenring abgefangen wird.
Bezugszeichenliste

1a: Doppelter Schrägkugellagersatz
1b: Doppelter Schrägkugellagersatz
2: Innenringe
3: Laufbahnen
4: Außenringe
5: Laufbahnen
6: Rotor
7: Tragscheiben
8: Permanentmagnete
9: Spiel
10: Doppelreihiges Pendelrollenlager
11: Innenring
12: Laufbahnen
13: Außenringe
14: Laufbahnen
15: Tonnenförmige Rollen
16: Käfig
17: Bordring
18: Nuten
19: Düse
20: Leitung
21: Keramikkugeln
22: Rotorachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19729450 A1 [0003]

Claims

Fanglager für einen berührungslos gelagerten, sich um eine Rotorachse (22) drehenden Rotor (6), mit wenigstens einem Wälzlager (1a; 1b; 10) mit einem äußeren Lagerring (4; 13), einem koaxialen inneren Lagerring (2) und einer Vielzahl zwischen den Lagerringen (2, 4; 11, 13) angeordneten Wälzkörpern (15; 21), die auf zugehörigen Laufbahnen (3, 5; 12, 14) abrollen, wobei einer der Lagerringe (4; 13) drehfest gelagert ist und der andere Lagerring (2) drehbar und mit radialem Spiel (9) bezüglich des Rotors (6) angeordnet ist, gekennzeichnet durch eine Antriebsanordnung (7, 8; 18, 19, 20), die den drehbaren Lagerring (2) mit einer Drehzahl, die maximal gleich der Drehzahl des Rotors (6) ist, in Drehung versetzt.
Fanglager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsanordnung aus einer zwischen dem Rotor (6) und dem drehbaren Lagerring (2) angeordneten, berührungslosen Kupplung (7, 8) besteht.
Fanglager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung (7, 8) als Permanentmagnetkupplung ausgebildet ist.
Fanglager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetkupplung aus wenigstens einem am Rotor (6) befestigten, in den Bereich der Stirnseiten des drehbaren Lagerrings (2) ragenden Ring aus Permanentmagneten (8) besteht.
Fanglager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsanordnung aus einer aus wenigstens einer Düse (19) mit Druckfluid beaufschlagten Turbine (18) besteht.
Fanglager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsanordnung aus wenigstens einer Düse (19) und aus einer bezüglich der Rotorachse (22) in einer koaxialen Umfangsebene sowie in einem Winkel zur Düse (19) verlaufenden, in einem drehbaren Lagerring (11) oder im Bereich des drehbaren Lagerrings (11) angeordneten, das Fanglager durchquerenden Öffnung (18) besteht.
Fanglager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es als Dreiringlager aus einem äußerten Lagerring (13), einem koaxialen inneren Lagerring (2) und einem koaxial zwischen dem äußerten Lagerring (13) und dem inneren Lagerring (2) angeordneten Mittelring (4; 11) sowie einer Vielzahl von zwischen den Lagerringen (2, 4; 11, 13) angeordneten Wälzkörpern (15; 21), die auf zugehörigen Laufbahnen (3, 5; 12, 14) abrollen, ausgebildet ist.
Fanglager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsanordnung (18, 19, 20) auf den ein- oder mehrteiligen Mittelring (4; 11) wirkt.
Fanglager nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Dreiringlager aus einem äußeren Pendelrollenlager (10) mit in einem Käfig (16) geführten tonnenförmigen Rollen (15) und einem koaxialen, inneren, vollkugeligen Kugellager mit Keramikkugeln (21) ohne Käfig besteht.
Fanglager nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Dreiringlager aus einem äußeren, doppelreihigen Pendelrollenlager (10) mit in Käfigen (16) geführten Reihen aus tonnenförmigen Rollen (15) und einem doppelten, koaxialen, inneren, vollkugeligen Schrägkugellagersatz mit Keramikkugeln (21) ohne Käfig besteht.