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Die Erfindung betrifft ein Momentenlager mit einem ersten Teil, einem zweiten Teil, der gegenüber dem ersten Teil verdrehbar ist, und einer Kippsicherung, wobei der erste Teil eine erste Führungsbahn und der zweite Teil eine zweite Führungsbahn aufweist, die der ersten Führungsbahn gegenüberliegt, wobei zwischen beiden Führungsbahnen Wälzkörper angeordnet sind.
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Ein derartiges Momententlager ist aus
DE 10 2004 031 329 A1 bekannt. Ein Rotor mit Rotorblättern ist über eine Lagerung, die ein einziges Momentenlager umfasst, an einer Tragstruktur angebracht. Das Momentenlager weist zwei Reihen von Wälzkörpern auf, deren Rotationsachsen unter einem Winkel zueinander stehen. Damit wird eine Kippsicherung gebildet.
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Ein derartiges Momentenlager, das auch als „Großringlager” bezeichnet wird, hat einen relativ großen Durchmesser. Der Durchmesser liegt im Bereich mehrerer Meter, beispielsweise im Bereich von 1 bis 8 m.
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Einer der beiden Teile liegt in der Regel ortsfest. Der andere Teil muss sich gegenüber dem ortsfesten Teil drehen können. An dem drehenden Teil sind dann diejenigen Elemente angeordnet, die bewegt werden müssen, beispielsweise der Kopf einer Windenergieanlage, der sich entsprechend der Windrichtung ausrichten lassen muss.
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Vielfach reicht es nicht aus, den ersten Teil und den zweiten Teil einfach aufeinander zu legen, sondern man benötigt Mittel, die dafür sorgen, dass der erste Teil und der zweite Teil axial und radial (bezogen auf die Rotationsachse) in ihrer relativen Position zueinander verbleiben. Diese Einrichtung wird kurz als „Kippsicherung” bezeichnet. Die Kippsicherung wird bei bekannten Momentenlagern dadurch gebildet, dass man den ersten Teil so ausbildet, dass er den zweiten Teil zumindest am Randbereich mit übergreift. Dadurch wird in Umfangsrichtung jedenfalls abschnittsweise eine U-förmige Führung gebildet, in der der zweite Teil angeordnet ist.
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Eine andere Ausgestaltung verwendet zwei Reihen von Wälzkörpern in einem Teil, zwischen die ein V-förmiger Vorsprung am anderen Teil eingreift. Auch dadurch wird eine Art Umgreifen erzeugt, so dass die beiden Teile nicht gegeneinander kippen können und zwar auch dann nicht, wenn Momente bis zu einer gewissen Größenordnung senkrecht auf die Achsen der beiden Teile wirken.
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Eine derartige Ausbildung hat sich in der Praxis bewährt. Sie erfordert jedoch einen relativ hohen Aufwand bei der Herstellung. Das eine Teil muss das andere Teil mit einer gewissen Vorspannung umgreifen, so dass ein Spiel klein gehalten oder sogar ganz vermieden werden kann. Eine derartige Vorspannung lässt sich nur dann erreichen, wenn man die Teile entweder sehr präzise fertigt oder wenn man Nachstellmöglichkeiten vorsieht, mit denen man nach erfolgter Montage die gewünschten Spiele einstellen kann.
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DE 38 19 205 A1 beschreibt ein Lager zur radialen und axialen Lagerung eines Rotors mit großer radialer Ausdehnung gegenüber einem Stator. Der Stator trägt hierzu axial versetzt zwei axial magnetisierte Permanentmagnetringe. Auf dem Rotor befinden sich dazugehörige Rückschlussringe. Dadurch wird ein axial instabil und radial stabiles passives Magnetlager gebildet. Der Rotor wird durch Magnetkräfte gehalten. Am äußeren Umfang des Rotors befinden sich zwei ringförmige Luftspalte. Der äußere Rotorluftspalt dient zur Erzeugung von axialen Kräften. Der innere Rotorluftspalt dient zur Erzeugung von axialen Drehmomenten.
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DE 195 09 628 A1 beschreibt ein magnetisch gelagertes lagestabilisiertes Schwungrad. Ein Stator weist mehrere ringförmige Wicklungen auf, die mit Strom versorgt werden können. Das dadurch erzeugte Magnetfeld wirkt mit Permanentmagneten am Rotor zusammen, so dass der Rotor berührungsfrei in Axialrichtung gelagert werden kann. Für eine entsprechend stabile Lagerung in radialer Richtung ist der Rotor über Speichen mit einem Radkranz verbunden, der wiederum Permanentmagnete trägt. Der Radkranz umgreift U-förmig einen Statorabschnitt, an dem wiederum Spulen angeordnet sind, die einen toroidförmigen magnetischen Fluss erzeugen.
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US 2010/0143164 A1 beschreibt eine Ventilatormotorstruktur. Diese Struktur weist zwei Ringe auf, die über ein Lager mit Wälzkörpern gegeneinander abgestützt sind und gegeneinander gedreht werden können. Der angetriebene Ring trägt Permanentmagnete. Der andere Ring trägt eine gedruckte Schaltung, auf der Spulen angeordnet sind. Durch die Kombination der Spulen mit den Permanentmagneten lässt sich ein Antriebsmoment vom zweiten Ring auf den ersten Ring erzeugen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung eines Momentenlagers einfach zu gestalten.
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Diese Aufgabe wird bei einem Momentenlager der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Kippsicherung eine Magnetanordnung aufweist, die anziehende Kräfte zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil erzeugt.
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Mit dieser Ausgestaltung ist es nicht länger erforderlich, auf mechanische Art eine Art Formschluss zu erzeugen, um ein Kippen der beiden Teile relativ zueinander zu verhindern. Die Kräfte, die dem Kippen entgegenwirken, werden vielmehr von der Magnetanordnung aufgebracht. Die Magnetanordnung bewirkt, dass sich die beiden Teile anziehen. Damit lässt sich bis zu einer gewissen Größe der zu erwartenden Kippmomente eine zuverlässige Sicherung gegen ein Kippen der beiden Teile relativ zueinander erreichen. Die Herstellung wird dadurch relativ einfach. Man muss lediglich eine Magnetanordnung an einem der beiden Teile montieren und dafür sorgen, dass das andere der beiden Teile durch die Magnetanordnung entsprechend angezogen werden kann. Hierzu ist es vielfach lediglich erforderlich, am anderen Teil einen gewissen Anteil von Eisen unterzubringen, der aber in vielen Fällen ohnehin vorhanden ist. Wenn die Magnetanordnung an dem einen Teil bereits montiert ist, dann ist praktisch mit dem Aufsetzen des ersten Teils auf den zweiten Teil nicht nur das Momentenlager fertig montiert, sondern die Kippsicherung ist auch montiert und kann wirksam gemacht werden. Die Wälzkörper zwischen den beiden Führungsbahnen sorgen dafür, dass der erste Teil und der zweite Teil sich mit einer relativ geringen Reibung relativ zueinander drehen können.
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Dies gilt insbesondere dann, wenn die Magnetanordnung Permanentmagnete aufweist. Permanentmagnete müssen nicht erst aktiviert werden. Die Kippsicherung ist also praktisch permanent aktiv und zwar von dem Moment an, wo die beiden Teile zusammengesetzt worden sind.
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Bevorzugterweise ist die Magnetanordnung am zweiten Teil angeordnet und eine Spulenanordnung ist am ersten Teil angeordnet, wobei die Spulenanordnung und die Magnetanordnung als Elemente einer elektrischen Maschine ausgebildet sind. Da man am zweiten Teil ohnehin Magnete hat, ist es eine einfache zusätzliche Maßnahme, am ersten Teil eine Spulenanordnung unterzubringen, die beispielsweise ein Wanderfeld erzeugen kann. Das Momentenlager bildet dann einen Scheibenläufermotor. Wenn man die Spulenanordnung entsprechend mit elektrischem Strom beaufschlagt und dort ein sich veränderndes elektrisches Feld erzeugt, dann treibt dieses Feld den zweiten Teil über die Magnetanordnung an. Das Momentenlager weist also einen Direktantrieb für den zweiten Teil auf.
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Vorteilhafterweise weist der erste Teil mehrere erste Scheiben und der zweite Teil mehrere zweite Scheiben auf, wobei die ersten Scheiben und die zweiten Scheiben abwechselnd in einem Stapel angeordnet sind, wobei mindestens eine erste Scheibe im Inneren des Stapels auf ihren beiden Seiten die Magnetanordnung aufweist und/oder mindestens eine zweite Scheibe im Inneren des Stapels auf ihren beiden Seiten die Spulenanordnung aufweist. Im Extremfall reicht es hierbei auch aus, wenn eine zweite Scheibe zwischen zwei ersten Scheiben angeordnet ist oder eine erste Scheibe zwischen zwei zweiten Scheiben. Hierbei kann man in besonderem Maße die zusätzliche Funktion des Momentenlagers als Motor oder Generator nutzen. Bei gegenüber angeordneten Magneten und Spulenanordnungen, d. h. Anordnungen von Spulen und/oder Magneten auf beiden Seiten der jeweiligen Scheiben, reduziert sich die Anziehungskraft. Die Größe der Anziehungskraft kann relativ genau dimensioniert werden durch Wahl der entsprechenden aktiven Flächen. Diese aktiven Flächen können beispielsweise durch unterschiedliche Durchmesser der Scheiben beeinflusst werden. Bei dieser Anordnung können die axialen Kräfte, die zur Kippsicherung benötigt werden, relativ genau auf die Lagerung abgestimmt werden, so dass die Lagerung entsprechend leicht und reibungsarm aufgebaut werden kann. Dies ist beispielsweise bei Generatoren von großem Interesse, die für Wind- oder Wasserkraft-Zwecke verwendet werden sollen.
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Vorzugsweise sind die Wälzkörper als Kugeln ausgebildet. Mit Kugeln ist ein leichter Lauf des ersten Teils und des zweiten Teils relativ zueinander möglich.
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Hierbei ist bevorzugt, dass zumindest eine Führungsbahn ein V-förmiges Profil aufweist. Dieses V-förmige Profil hält die Wälzkörper in radialer Richtung fest, so dass ein Ausweichen der Wälzkörper beispielsweise radial nach außen zuverlässig verhindert werden kann.
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Bevorzugterweise sind die Führungsbahnen radial innerhalb der Magnetanordnung angeordnet. Die Bahngeschwindigkeit der Wälzkörper ist umso geringer, je kleiner der Radius der Führungsbahnen ist, so dass entsprechend größere Drehgeschwindigkeiten realisiert werden können.
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Alternativ sind die Führungsbahnen außerhalb der Magnetanordnung angeordnet. Damit lassen sich große Lastmomente übertragen. Die Geometrie ermöglicht aufgrund der Hebelgesetze eine größere Steifigkeit.
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Es ist von Vorteil, wenn die Führungsbahnen abnehmbar ausgebildet sind. Die Führungsbahnen können also von dem Teil, dem sie zugeordnet sind, abgenommen und durch neue Führungsbahnen ersetzt werden. Dies erleichtert eine Reparatur. Auch die Fertigung wird vereinfacht.
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Vorzugsweise weist der zweite Teil Ventilatorrippen auf, die bei Rotation einen Luftstrom erzeugen. Dieser Luftstrom erzeugt eine Kühlwirkung. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Momentenlager gleichzeitig als Direktantrieb ausgebildet ist. Wenn der Direktantrieb arbeitet, dann wird die Spulenanordnung am ersten Teil mit Strom beaufschlagt. Dies ist in der Regel mit einer gewissen Wärmeentwicklung verbunden. Der Luftstrom kann dann zumindest einen Teil dieser Wärme abführen.
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Hierbei ist bevorzugt, dass die Ventilatorrippen als Versteifungsrippen ausgebildet sind. Die Ventilatorrippen haben also zusätzlich zu der Funktion, einen Luftstrom zu erzeugen, auch die mechanische Funktion, eine Versteifung des zweiten Teils zu bewirken. Dies ist insbesondere bei größeren Durchmessern des Momentenlagers von Vorteil, weil dann der zweite Teil mit einer vergleichsweise geringen Masse ausgebildet werden kann, ohne an Stabilität zu verlieren.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
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1 eine perspektivische Darstellung eines Momentenlagers,
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2 das Momentenlager in Draufsicht,
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3 einen Schnitt A-A nach 2 und
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4 eine vergrößerte Darstellung B nach 3.
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1 zeigt teilweise schematisiert und in perspektivischer Darstellung ein Momentenlager 1 mit einem ersten Teil 2, das auf einer Tragstruktur 3 festgelegt ist, und einem zweiten Teil 4, das gegenüber dem ersten Teil 2 drehbar gelagert ist.
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Der zweite Teil 4 hat einen Durchmesser in der Größenordnung von etwa 1 bis etwa 8 m. Der erste Teil 3 weist einen entsprechend großen Durchmesser auf. Aus 1 und insbesondere aus 4 ist zu erkennen, dass der zweite Teil 4 auf den ersten Teil 2 aufgelegt ist. Eine formschlüssige Verbindung, die den zweiten Teil 4 mit dem ersten Teil 2 verbindet, ist nicht vorgesehen.
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In allen Figuren sind gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Der zweite Teil 2 weist einen Lagerring 5 auf, der an der Tragstruktur 3 befestigt ist. Im Lagerring 5 ist eine V-förmige Führungsbahn 6 vorgesehen. In der Führungsbahn 6 sind Wälzkörper in der Form von Kugeln 7 angeordnet. Die V-Form der Führungsbahn 6 sorgt dafür, dass die Kugeln 7 immer in der Führungsbahn 6 laufen und radial nicht seitlich ausweichen können. Die Führungsbahn 6 ist in einem separaten Bauteil angeordnet, das am zweiten Teil 2 befestigt ist.
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Der zweite Teil 4 weist in einem drehenden Lagerring 8 ebenfalls eine V-förmige Führungsbahn 9 auf, also eine Führungsbahn 9 mit V-förmigem Querschnitt, die die erste Führungsbahn 6 am ersten Teil 2 überdeckt. Die Kugeln 7 ragen auch in die zweite Führungsbahn 9 hinein. Dadurch sind die beiden Teile 2, 4 in radialer Richtung relativ zueinander fixiert. Auch die Führungsbahn 9 kann in einem separaten Bauteil (nicht dargestellt) ausgebildet sein.
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Im zweiten Teil 4 ist auf der dem ersten Teil 2 zugewandten Seite eine Magnetanordnung vorgesehen mit einer Vielzahl von in Umfangsrichtung verteilten Permanentmagneten 10.
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Der zweite Teil 2 weist auf dem Tragkörper 3 eine Spulenanordnung 11 auf, die in einem Statoreisenpaket 12 angeordnet ist. Das Statoreisenpaket 12 ist wiederum an der Tragstruktur 3 befestigt. Natürlich kann das Sta-toreisenpaket 12 und der erste Lagerring 6 auch zusammenhängen oder sogar einstückig ausgebildet sein. Zwischen den Permanentmagneten 10 und der Spulenanordnung 11 ist ein relativ kleiner Luftspalt 13 vorgesehen, der beispielsweise eine Größe im Bereich von 0,5 bis 4 mm aufweist.
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Die Permanentmagneten 10 erzeugen eine anziehende Kraft auf das Statoreisenpaket 12. Somit werden die beiden Teile 2, 4 permanent mit einer Kraft beaufschlagt, die sie aufeinander zu zieht. Diese Kraft wirkt einem Kippen des zweiten Teils 4 gegenüber dem ersten Teil 2 entgegen, so dass die Magnetanordnung mit dem Permanentmagneten 10 eine Kippsicherung für das Momentenlager 1 bildet.
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Die Permanentmagneten 10 sind so angeordnet, dass sie Pole bilden. Die Spulenanordnung 11 weist mehrere Spulen auf. Man kann nun diese Spulenanordnung 11 so mit elektrischem Strom beaufschlagen, dass sich ein Wanderfeld ergibt, das in Umfangsrichtung des ersten Teils 2 umläuft. Dieses Wanderfeld oder Drehfeld wirkt mit den Permanentmagneten 10 am zweiten Teil 4 so zusammen, dass der zweite Teil 4 mitgenommen wird. Die Spulenanordnung 11 im Statoreisenpaket 12 bildet also zusammen mit der Magnetanordnung und den darin enthaltenen Permanentmagneten 10 einen Scheibenläufermotor, mit dem es möglich ist, den zweiten Teil 4 rotatorisch anzutreiben. Beim Antreiben des zweiten Teils 4 entsteht umgekehrt ein Wanderfeld und induziert eine Spannung in der Spulenanordnung 11.
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Die Führungsbahnen 6, 9 sind in radialer Richtung innerhalb der Magnetanordnung mit den Permanentmagneten 10 angeordnet. Wenn die Führungsbahnen in radialer Richtung innerhalb der Magnetanordnung angeordnet sind, bringt dies Kostenvorteile bei Momentenlagern, die vorrangig als Motor oder Generator genutzt werden sollen. Hier kann eine größere Geschwindigkeit gefahren werden, da die Bahngeschwindigkeit der Wälzkörper bei kleinerem Radius entsprechend geringer ist.
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Alternativ kann man natürlich auch vorsehen, dass die Führungsbahnen 6, 9 in radialer Richtung außerhalb der Magnetanordnung mit den Permanentmagneten angeordnet ist. Auf diese Weise wird ein großes maximales Kippmoment erreicht, um den zweiten Teil 4 gegenüber dem ersten Teil 2 gegen Kippen zu sichern. Die Geometrie ermöglicht dann aufgrund der Hebelgesetze eine größere Steifigkeit.
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Das Momentenlager kann in einfacher und platzsparender Weise so aufgebaut sein, dass der erste Teil 2 in mehrere ”erste Scheiben” unterteilt ist und der zweite Teil hier ebenfalls in mehrere ”zweite Scheiben” unterteilt ist. Die ersten und die zweiten Scheiben sind dann abwechselnd in einem Stapel angeordnet. Im Extremfall reicht es auch aus, zwei erste Scheiben zu verwenden, zwischen denen eine zweite Scheibe angeordnet ist, oder zwei zweite Scheiben, zwischen denen eine erste Scheibe angeordnet ist. Eine erste Scheibe, die im Inneren eines derartigen Stapels angeordnet ist, kann auf ihren beiden Seiten Permanentmagnete aufweisen. Entsprechend kann auch eine zweite Scheibe im Inneren des Stapels auf ihren beiden Seiten Spulenanordnungen aufweisen, die um einen Eisenkern gewickelt sind. Damit reduziert sich die Anziehungskraft und kann – was üblicherweise nicht gewünscht ist – bei exakt gleichen aktiven Flächen sogar kompensiert werden. Durch eine Dimensionierung der magnetisch aktiven Fläche, beispielsweise durch die Wahl unterschiedlicher Durchmesser bei den ersten und zweiten Scheiben, kann man jedoch die Anziehungskraft relativ genau einstellen und so die Anziehungskraft auf den gewünschten Anwendungszweck anpassen. Dementsprechend kann die Belastung der Lagerung klein gehalten werden, d. h. die Lagerung kann entsprechend leicht und reibungsarm aufgebaut werden.
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In nicht näher dargestellter Weise sind am zweiten Teil 4 Ventilatorrippen vorgesehen, die auf der Seite des zweiten Teils 4 angeordnet sind, die dem ersten Teil 2 zugewandt sind. Wenn der zweite Teil 4 gegenüber dem ersten Teil 2 in Rotation versetzt wird, dann erzeugen diese Ventilatorrippen einen Luftstrom, der in Richtung auf den ersten Teil 2 gerichtet ist. Wenn der erste Teil 2 mit Strom beaufschlagt wird, entsteht hier eine gewisse Wärme, die durch den Luftstrom zumindest teilweise abgeführt werden kann.
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Aus Gründen der Übersicht ebenfalls nicht dargestellt ist eine Kühlung des ersten Teils 2, die beispielsweise als Flüssigkeitskühlung ausgebildet sein kann und die Tragkonstruktion 3 und/oder das Statorblechpaket 12 durchsetzt.
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Die Ventilatorrippen können noch eine zweite Funktion aufweisen. Sie können nämlich den zweiten Teil 4 aussteifen, so dass sie als Versteifungsrippen ausgebildet sind. Dies erhöht die mechanische Stabilität des zweiten Teils 4, ohne seine Masse übermäßig zu vergrößern.
