DE102010035183A1

DE102010035183A1 - Fanglager für eine Magnetlagerung

Info

Publication number: DE102010035183A1
Application number: DE201010035183
Authority: DE
Inventors: Peter Siebke; Florian Dörrfuß
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-08-24
Filing date: 2010-08-24
Publication date: 2012-03-01
Also published as: WO2012025292A1

Abstract

Fanglager (1) für eine Magnetlagerung einer drehbaren Welle (2) zum Auffangen und Führen der Welle (2) bei einem Ausfall der Magnetlagerung, mit einem Innenring (3, 8), einem demgegenüber drehbaren Außenring (4, 9) und einem Bewegungsenergie absorbierenden Element, das als am Außenring (4, 9) außenseitig angebrachter, Ausnehmungen (12, 16, 18) auf seiner Mantelfläche aufweisender Dämpfungsring (6, 10, 11, 15, 17) ausgebildet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Fanglager für eine Magnetlagerung einer drehbaren Welle zum Auffangen und Führen der Welle bei einem Ausfall der Magnetlagerung, mit einem Innenring, einem demgegenüber drehbaren Außenring und einem Bewegungsenergie absorbierenden Element.
Hintergrund der Erfindung
In Maschinen mit rotierenden Wellen gewinnen aktive Magnetlagerungen eine steigende Bedeutung. Die Welle beziehungsweise der Rotor wird anders als bei traditionellen Lagerungen nicht durch direkten mechanischen Kontakt, sondern durch geregelte Magnetkräfte in der gewünschten Position gehalten. Magnetlagerungen sind daher verschleißfrei und arbeiten mit geringen Verlustleistungen. Für Notfälle wie Stromausfall, Sensordefekte oder bei mechanischer Überlastung werden Fanglager eingesetzt, die die Führung und Lagerung des Rotors beziehungsweise der Welle der Maschine übernehmen, bis die Drehbewegung durch Dämpfungs- und Reibungskräfte zum Stillstand gekommen ist. Derartige Fanglager ermöglichen ein sicheres Herunterfahren der Maschine, ohne dass es zu einer Beschädigung der Maschine, ihrer Lagerung oder benachbarter Bauteile kommt.
Üblicherweise werden als Fanglager Gleitlager oder Wälzlager eingesetzt, die ein Radialspiel zur Welle aufweisen. Im Normalbetrieb sind das beziehungsweise die Fanglager nicht mit der Welle in Kontakt, im Notbetrieb schlägt die Welle unter dem Einfluss der Schwerkraft auf den Innenring des Fanglagers auf und versetzt dieses in Rotation. In Abhängigkeit von den herrschenden Drehzahlen und der Größe der bewegten Massen können kritische Systemzustände auftreten, bei denen gegebenenfalls Festigkeitsgrenzen einzelner Bauteile überschritten werden. Ein kritisches Phänomen ist das Rückwärtswirbeln (backward whirl) des Rotors, bei dieser Bewegung bewegt sich die Welle entgegen ihrer Drehrichtung entlang der Lagerinnenseite. Im Extremfall können Weile und Fanglager dabei zerstört werden.
In der FR 2 614 375 A1 wird ein Fanglager beschrieben, bei dem ein Wellband als Bewegungsenergie absorbierendes Element vorgesehen ist. Das Wellband ist zwischen der Außenseite des Fanglagers und der Innenseite eines Gehäuses angeordnet.
In der DE 10 2006 017 933 A1 wird eine elektrische Maschine mit Magnetlager und Fanglager vorgeschlagen, bei der zwischen dem Fanglager und der Statorbohrung Feder- und Dämpferelemente angeordnet sind, die im Notfall Bewegungsenergie absorbieren.
In der EP 1 083 349 A1 wird ein Magnetlager beschrieben, das ein Fanglager aufweist, das zwei Wälzlager und zwei gewellte, plattenförmige Dämpfungselemente umfasst.
Alle herkömmlichen Fanglager benötigen ein separates Bauteil, beispielsweise ein Wellband, um Bewegungsenergie zu absorbieren, wodurch die Montage aufwendig ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fanglager für eine Magnetlagerung anzugeben, bei dem der Montageaufwand verringert ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Fanglager für eine Magnetlagerung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Bewegungsenergie absorbierende Element als am Außenring außenseitig angebrachter, Ausnehmungen auf seiner Mantelfläche aufweisender Dämpfungsring ausgebildet ist.
Anders als bei herkömmlichen Fanglagern, die ein separates Energie absorbierendes Element wie ein Wellband benötigen, ist bei dem erfindungsgemäßen Fanglager vorgesehen, dass der Außenring einen Dämpfungsring aufweist, der dazu dient, Kraftspitzen beim Aufprall der Welle auf den Innenring des Fanglagers zu verringern. Dadurch wird ein Teil der Bewegungsenergie der Welle aufgenommen, bis diese durch Reibungs- und Dämpfungseinflüsse zum Stillstand gekommen ist. Das erfindungsgemäße Fanglager zeichnet sich durch einen einfachen Aufbau aus, der keine zusätzlichen Montageschritte erfordert. Da der Dämpfungsring fest mit dem Außenring des Fanglagers verbunden ist, muss lediglich das Fanglager selbst montiert werden, um den Dämpfungsring zwischen Außenring und der Innenfläche eines Gehäuses oder dergleichen zu positionieren.
Eine besonders gute Dämpfung ergibt sich, wenn der Dämpfungsring des erfindungsgemäßen Fanglagers auf seiner gesamten Mantelfläche Ausnehmungen aufweist, die vorzugsweise regelmäßig angeordnet sind. Die auf der Mantelfläche vorgesehenen Ausnehmungen setzen die Steifigkeit des Dämpfungsrings in Radialrichtung herab, so dass dieser beim Ausfall der Magnetlagerung auf die Innenfläche des Gehäuses aufprallt und sich elastisch verformt. Durch diese Verformung erfolgt eine Verteilung der Kraft auf eine größere Fläche, gleichzeitig wird die Energie beim Aufprall zum Teil in Wärme umgewandelt.
Bei dem erfindungsgemäßen Fanglager kann es vorgesehen sein, dass die Ausnehmungen rechteckig und/oder dreieckig und/oder rund ausgebildet sind. Der Dämpfungsring kann somit eine gitterartige Struktur aufweisen, wodurch die erforderliche Elastizität und das gewünschte Dämpfungsverhalten erzielt wird. In diesem Zusammenhang kann es auch vorgesehen sein, dass der Dämpfungsring mehrere axial nebeneinander angeordnete Ausnehmungen aufweist. Die Ausnehmungen können dicht nebeneinander angeordnet sein, so dass lediglich Verbindungsstege zwischen benachbarten Ausnehmungen vorhanden sind. Bei einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Fanglagers kann es vorgesehen sein, dass der Dämpfungsring mit seiner Mantelfläche zumindest teilweise auf der Außenseite des Außenrings aufliegt. Andererseits genügt ein minimaler radialer Abstand zwischen der Außenseite des Außenrings und dem Dämpfungsring, um den Federweg zu vergrößern.
Ein besonders guter Halt des Dämpfungsrings an dem Außenring ergibt sich, wenn der Dämpfungsring an seinen Seiten jeweils einen Bund aufweist, der auf einer entsprechend gegengleich ausgebildeten Stufe des Außenrings aufliegt. Vorzugsweise ist der Außenring und analog auch der Dämpfungsring symmetrisch ausgebildet und weist Stufen beziehungsweise Höcker auf, an denen der Dämpfungsring verliersicher gehalten ist.
Damit Bewegungsenergie in einem ausreichenden Maß absorbiert werden kann, wird es bevorzugt, dass der Dämpfungsring aus Stahl besteht. Dadurch ist gewährleistet, dass selbst bei geringen Verformungen eine vergleichsweise hohe Energie absorbiert werden kann. Die Herstellung des erfindungsgemäßen Fanglagers erfolgt vorzugsweise durch Tiefziehen.
Um beim Aufprall der Welle bleibende Verformungen zu vermeiden, wird es bevorzugt, dass der Dämpfungsring des erfindungsgemäßen Fanglagers eine radiale Steifigkeit von 130.000 N/mm bis 170.000 N/mm aufweist. Es wird besonders bevorzugt, dass der Dämpfungsring eine radiale Steifigkeit von näherungsweise 150.000 N/mm aufweist.
Bei dem erfindungsgemäßen Fanglager können der Innenring und der Außenring Bestandteile eines Gleitlagers sein, alternativ kann ein Wälzlager als Fanglager eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Fanglager eignet sich generell für magnetgelagerte Rotoren, insbesondere bei elektrischen Maschinen oder wälzgelagerten Turboladern.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fanglagers in einer axial geschnittenen Ansicht;
2 das in 1 gezeigte Fanglager in einer quer geschnittenen Ansicht;
3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fanglagers in einer axial geschnittenen Ansicht;
4 das in 3 gezeigte Fanglager in einer quer geschnittenen Ansicht;
5 und 6 eine perspektivische Ansicht und eine axial geschnittene Ansicht eines Dämpfungsrings;
7 und 8 eine perspektivische Ansicht und eine axial geschnittene Ansicht eines weiteren Dämpfungsrings; und
9 und 10 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Dämpfungsrings in einer perspektivischen und einer axial geschnittenen Ansicht.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Das in den 1 und 2 in einer axial geschnittenen und einer quer dazu geschnittenen Ansicht dargestellte Fanglager 1 ist Bestandteil einer Magnetlagerung einer drehbaren Welle eines wälzgelagerten Turboladers zum Auffangen und Führen der Welle bei einem Ausfall der Magnetlagerung. Die Welle 2 ist dabei von zwei radialen Magnetlagern gehalten, die in 1 nicht dargestellt sind. Bei einem Ausfall der Magnetlagerung, etwa durch einen Stromausfall, fällt die Welle 2 unter dem Einfluss der Schwerkraft auf den Innenring des Fanglagers 1. Dieser Zustand ist in den 1 und 2 dargestellt.
Das Fanglager 1 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als Wälzlager ausgebildet und umfasst einen Innenring 3, einen Außenring 4 und dazwischen aufgenommene Wälzkörper 5. Die Proportionen sind in den 1 und 2 vergrößert dargestellt, um die Wirkungsweise des Fanglagers 1 zu verdeutlichen. Tatsächlich befindet sich zwischen der Welle 2 und dem Innenring 3 des Fanglagers 1 lediglich ein schmaler Luftspalt. Während des normalen Betriebs wird die Welle 2 allein durch die Magnetlagerung gehalten. Mittels Sensoren werden Drehzahl und Position der Welle 2 erfasst und geregelt, so dass die Welle 2 und der Innenring 3 des Fanglagers 1 einander nicht berühren. Lediglich ausnahmsweise, beim Ausfall der Magnetlagerung, fällt die Welle 2 auf den Innenring 3 des Fanglagers 1, das dann ebenfalls in Rotation versetzt wird. Das Fanglager 1 weist an der Außenseite des Außenrings 4 einen Dämpfungsring 6 auf, der wiederum beim Ausfall der Magnetlagerung auf die Innenfläche eines in den 1 und 2 nicht gezeigten Gehäuses des wälzgelagerten Turboladers aufprallt. Der Dämpfungsring weist an seiner Mantelfläche eine Vielzahl von Ausnehmungen auf, die seine Steifigkeit reduzieren. Dadurch ist der Dämpfungsring in der Lage, die von der Welle 2 übertragene Bewegungsenergie zumindest teilweise zu absorbieren. Die Bewegungsenergie der auslaufenden Welle 2 wird nach und nach durch Dämpfungs- und Reibungseinflüsse abgebaut, ohne dass es zu bleibenden Verformungen des Fanglagers 1 kommt. Der Dämpfungsring 6 ist dabei so ausgelegt, dass er auftretende Kraftspitzen dämpft, den Federweg des Fanglagers vergrößert und auftretende Maximallasten verringert.
Der Dämpfungsring 6 ist kraft- und formschlüssig am Außenring 4 des Fanglagers 1 angebracht. Der durch Tiefziehen hergestellte Dämpfungsring 6 besteht aus Stahl.
Die 3 und 4 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel eines Fanglagers 7, wobei für übereinstimmende Bestandteile dieselben Bezugszeichen wie in dem ersten Ausführungsbeispiel verwendet werden. Das Fanglager 7 ist als Gleitlager ausgebildet und umfasst einen Innenring 8, einen Außenring 9 und einen an der Außenseite des Außenrings 9 angebrachten Dämpfungsring 10. Die Funktionsweise des Fanglagers 7 entspricht derjenigen des Fanglagers 1. Das in den 3 und 4 dargestellte Fanglager 7 ist Bestandteil einer Magnetlagerung einer drehbaren Welle einer elektrischen Maschine, die als Motor oder Generator betreibbar ist.
In den 5 und 6 ist ein Dämpfungsring 11 dargestellt, der auf dem Außenring 4 eines Fanglagers angeordnet ist. Der Dämpfungsring 11 weist auf seinem gesamten Umfang regelmäßig angeordnete Ausnehmungen 12 auf, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel rechteckig ausgebildet sind. Die längere Seite der rechteckigen Ausnehmungen 12 verläuft parallel zur Längsachse. Der Außenring 4 weist an seinen Seiten jeweils eine Stufe 13 auf, auf der ein umgebördelter Bund 14 des Dämpfungsrings 11 anliegt. Wie in 6 gezeigt ist, liegt der Dämpfungsring 11 teilweise mit seiner Mantelfläche an der Außenseite des Außenrings 4 auf, im mittleren Bereich ist jedoch ein Freiraum 19 zwischen Außenring 4 und Dämpfungsring 11 gebildet, so dass der Dämpfungsring 11 beim Aufprall elastisch verformt werden kann. Durch diese elastische Verformung verringern sich die maximalen auftretenden Lasten, wodurch eine lange Lebensdauer des Fanglagers gewährleistet ist.
Die 7 und 8 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Dämpfungsrings 15, der auf dem Außenring 4 angebracht ist. Der Dämpfungsring 15 weist dreieckige Ausnehmungen 16 auf, wobei die Form und Größe der Ausnehmungen 16 so gewählt ist, dass ein Dreieckschenkel jeweils in Umfangsrichtung angeordnet ist. Die Ausnehmungen 16 sind so ausgebildet, dass der Dämpfungsring 15 eine Gitterstruktur aufweist, wodurch seine radiale Steifigkeit entsprechend eingestellt werden kann.
Die 9 und 10 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Dämpfungsrings 17, der runde Ausnehmungen 18 aufweist. In Umfangsrichtung sind insgesamt drei nebeneinander angeordnete Reihen von Ausnehmungen 18 gebildet, wodurch sich die erforderliche Steifigkeit ergibt, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel 150.000 N/mm beträgt.
Bezugszeichenliste

1: Fanglager
2: Welle
3: Innenring
4: Außenring
5: Wälzkörper
6: Dämpfungsring
7: Fanglager
8: Innenring
9: Außenring
10: Dämpfungsring
11: Dämpfungsring
12: Ausnehmung
13: Stufe
14: Bund
15: Dämpfungsring
16: Ausnehmung
17: Dämpfungsring
18: Ausnehmung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

FR 2614375 A1 [0004]
DE 102006017933 A1 [0005]
EP 1083349 A1 [0006]

Claims

Fanglager für eine Magnetlagerung einer drehbaren Welle zum Auffangen und Führen der Welle bei einem Ausfall der Magnetlagerung, mit einem Innenring, einem demgegenüber drehbaren Außenring und einem Bewegungsenergie absorbierenden Element, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungsenergie absorbierende Element als am Außenring (4, 9) außenseitig angebrachter, Ausnehmungen (12, 16, 18) auf seiner Mantelfläche aufweisender Dämpfungsring (6, 10, 11, 15, 17) ausgebildet ist.
Fanglager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dämpfungsring (6, 10, 11, 15, 17) auf seiner gesamten Mantelfläche Ausnehmungen (12, 16, 18) aufweist, die vorzugsweise regelmäßig angeordnet sind.
Fanglager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (12, 16, 18) rechteckig und/oder dreieckig und/oder rund ausgebildet sind.
Fanglager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dämpfungsring (17) mehrere axial nebeneinander angeordnete Ausnehmungen (18) aufweist.
Fanglager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dämpfungsring (6, 10, 11, 15, 17) mit seiner Mantelfläche zumindest teilweise auf der Außenseite des Außenrings (4, 9) aufliegt.
Fanglager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dämpfungsring (6, 10, 11, 15, 17) an seinen Seiten jeweils einen Bund (14) aufweist, der auf einer entsprechend gegengleich ausgebildeten Stufe (13) des Außenrings (4, 9) aufliegt.
Fanglager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dämpfungsring (6, 10, 11, 15, 17) aus Stahl besteht.
Fanglager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dämpfungsring (6, 10, 11, 15, 17) durch Tiefziehen hergestellt ist.
Fanglager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dämpfungsring (6, 10, 11, 15, 17) eine radiale Steifigkeit von 130.000 bis 170.000 N/mm aufweist, vorzugsweise näherungsweise 150.000 N/mm.
Fanglager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es Bestandteil der Lagerung eines Turboladers oder einer elektrischen Maschine ist.