DE102011080796B4

DE102011080796B4 - Axial belastbare Lageranordnung

Info

Publication number: DE102011080796B4
Application number: DE102011080796.9A
Authority: DE
Inventors: Thomas Zika; Jürgen Reichert; Tom de Rooster
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2011-08-11
Filing date: 2011-08-11
Publication date: 2023-05-25
Anticipated expiration: 2031-08-12
Also published as: EP2742248A1; WO2013021047A1; DE102011080796A1

Abstract

Lageranordnung, mit folgenden Merkmalen:einem axial belastbaren Wälzlager mit einem Lagerinnenring (2) und einem in einer radialen Richtung (6) von dem Lagerinnenring (2) beabstandeten Lagerau-ßenring (4); undeiner mit dem Lagerinnenring (2) oder dem Lageraußenring (4) derart gekoppelten Magnetanordnung mit zumindest einem Permanentmagneten (16; 24a, 24b), dass eine von der Magnetanordnung erzeugte anziehende Kraft, die in oder entgegen einer auf der radialen Richtung (6) senkrecht stehenden axialen Richtung (10) wirkt, eine in oder entgegen der axialen Richtung (10) wirkende Kraft zwischen dem Lagerinnenring (2) und dem Lageraußenring (4) bewirkt, wobeiein mit dem Lagerinnenring (2) gekoppeltes erstes Kraftübertragungselement (18) und ein mit dem Lageraußenring (4) gekoppeltes zweites Kraftübertragungselement (21) in der radialen Richtung (6) in einem Überlappbereich (20) überlappen, wobei zumindest ein Permanentmagnet (16; 24a, 24b) innerhalb des Überlappbereichs (20) an dem ersten oder an dem zweiten Kraftübertragungselement (18, 21) angeordnet ist, wobeientlang eines Umfanges des ersten oder zweiten Kraftübertragungselements (18, 21) innerhalb des Überlappbereichs (20) ein erster Ring (24a) und ein zweiter Ring (24b) permanentmagnetischen Materials angeordnet sind, welche konzentrisch zum Lagerinnenring (2) oder zum Lageraußenring (4) angeordnet sind.

Description

Ausführungsbeispiele der Erfindung befassen sich mit Lageranordnungen, insbesondere mit Lageranordnung, die neben radialen Lasten auch in axialer Richtung wirkende Lasten tragen können.
Bei Wälzlagern, die neben einer radialen Last auch eine axiale Lastkomponente tragen können, z. B. bestimmte Radial- und/oder Axiallager, wie beispielsweise bei speziellen Bauformen von Schrägkugellagern, wird zur Einhaltung der Lagervorspannung in axialer Richtung herkömmlicherweise eine Anordnung von zwei oder mehr Wälzlagern verbaut, die relativ zueinander vorbelastet bzw. vorgespannt werden. D.h., auch wenn eine Axialbelastung ausschließlich in einer einzigen Richtung auftreten kann, werden unter anderem zur Verbesserung der Steifigkeit, zur Sicherung vor Umkehrlasten und/oder zur Vorspannung bei Minimallasten zwei Wälzlager verwendet, die relativ zueinander in X- oder in O-Anordnung eingebaut werden.
Die Vorspannung erfolgt, indem auf einen Innenring oder auf einen Außenring eines der Lager eine zur Vorspannung benötigte Kraft (z.B. mittels Federn oder Überstand) ausgeübt wird. Das heißt mit anderen Worten, dass, wenngleich zur Aufnahme der im Betrieb auftretenden Last ein einziges Lager eigentlich ausreichend wäre, bislang zwei Lager verwendet werden, wobei das so genannte „Backup-Lager“ nur zur Vorspannung verwendet wird, oder, um bei möglicherweise kurzzeitig auftretenden Lastwechseln geringe Kräfte in der anderen Richtung aufzunehmen.
Das zweite Lager verursacht permanent zusätzliche Reibung, was zum einen die Betriebskosten erhöht und zum anderen die mit der Lageranordnung maximal erziehbare Drehzahl beschränkt. Es besteht somit die Notwendigkeit, Lageranordnungen, die axiale Lasten aufnehmen können, zu verbessern.
JP H07054842 A zeigt, wie ein Radiallager, das, um erhöhte Betriebsgeräusche zu verhindern, durch eine Magnetanordnung mit einer in axialer Richtung wirkenden Kraft beaufschlagt wird.
JP S61206817 A zeigt eine Lageranordnung, bei der ein Lagerspiel eines Schrägkugellagers in der axialen Richtung über eine Platte eingestellt wird, die mit einem sich in der axialen Richtung von der Platte erstreckenden Ring auf den Lageraußenring des Schrägkugellagers drückt. Um das Spiel einzustellen, wird die Platte mittels Schrauben an einem Gehäuse verschraubt, wobei der Abstand zwischen Gehäuse und Platte und somit auch das Lagerspiel über Stahlkugeln zwischen Gehäuse und Platte eingestellt wird.
JP S6469817 A zeigt eine Anordnung aus zwei zueinander benachbarten Kugellagern, die mittels der abstoßenden Kraft zweier Magnete in der axialen Richtung auseinander gedrückt werden, um eine Vorspannung der Lager zu erreichen.
DE 195 00 935 A1 offenbart eine Lageranordnung mit einem gelagerten Teil und einem lagernden Teil wobei die beiden Lagerteile axial und/oder radial zueinander bewegbar sind und Teile eines Getriebes, eines Motors oder einer Kupplung sind, und die einander zugewandten Flächen der beiden Lagerteile mit axialer oder radialer Flächennormale jeweils eine Magnetisierung aufweisen und die Lagerteile durch Magnetkraft angezogen werden.
US 6 081 057 A offenbart einen Spindelmotor für ein Plattenlaufwerk, in dem ein drehbarer Körper mit einer darauf montierten Platte von einem Motor drehend angetrieben wird. Der drehbare Körper ist über ein Kugellager und ein hydrodynamisches Fluidlager drehbar auf einem Trägerelement gelagert, und auf das Kugellager wird eine Vorlast aufgebracht, die gleich oder größer als eine Axiallast von 1N ist
EP 0 266 991 A2 offenbart eine rotierende Hochgeschwindigkeits-Plattenspeichervorrichtung umfassend eine Plattennabe zur Drehung relativ zu einem stationären Chassis, welche durch eine Spindelanordnung getragen wird. Die Spindelanordnung umfasst ein Gleitlager, eine Kugellageranordnung und einen bürstenlosen Gleichstrommotor mit einem radialen Spalt. Eine Spindelwelle koppelt die Drehbewegung des Gleichstrommotors an die Scheibennabe.
US 6 898 052 B 1 offenbart einen Spindelmotor zur Verwendung in einem Plattenlaufwerk umfassend eine Spindelmotorbasis und eine Motorwelle. Die Motorwelle hat eine zentrale Achse. Der Spindelmotor umfasst eine Spindelmotornabe, die drehbar mit dem Spindelmotorsockel verbunden ist, wobei die Spindelmotornabe einen zentralen magnetischen Metallabschnitt umfasst, der neben einem distalen Ende der Motorwelle angeordnet ist. Der Spindelmotor umfasst eine Kugellageranordnung, die zwischen der Spindelmotornabe und der Motorwelle angeordnet ist und mit diesen in mechanischer Verbindung steht, um die Spindelmotornabe drehbar mit dem Spindelmotorsockel zu verbinden. Der Spindelmotor umfasst ein magnetisches Wellenelement
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen es, die oben beschriebenen Nachteile zu vermeiden, indem eine Lageranordnung verwendet wird, die aus einem einzelnen Wälzlager mit einem Lagerinnenring und einem sich in einer radialen Richtung von dem Lagerinnenring beabstandeten Lageraußenring aufweist, wobei die Lageranordnung ferner eine Magnetanordnung aufweist, mittels derer eine der Vorspannung dienende Kraft zwischen Lagerinnenring und Lagerau-ßenring erzeugt werden kann.
Zu diesem Zweck ist die Magnetanordnung mit dem Lagerinnenring oder dem Lageraußenring derart gekoppelt, dass eine von der Magnetanordnung mittels eines Permanentmagneten erzeugte, anziehende Kraft, die in oder entgegen einer auf der radialen Richtung senkrecht stehenden axialen Richtung wirkt, eine in oder entgegen der axialen Richtung wirkende Kraft zwischen dem Lagerinnenring und dem Lageraußenring bewirkt, die einer Vorspannung des Wälzlagers in der Hauptlastrichtung dient. Mit anderen Worten kann die Magnetanordnung aus derart mit dem Lagerinnenring bzw. mit dem Lageraußenring verbundenen oder gekoppelten Magneten bestehen, dass eine von den Magneten hervorgerufene Kraft in den Lagerinnenring bzw. Lageraußenring eingeleitet wird und so eine Kraft bewirkt, die eine Vorspannung des Wälzlagers in einer Hauptlastrichtung des Wälzlagers hervorruft. Das heißt, wird das Wälzlager beispielsweise während des Betriebes überwiegend in der axialen Richtung belastet, sodass von einem ersten Lagerring über die Wälzkörper in der axialen Richtung Kraft auf einen zweiten Lagerring übertragen wird, wirkt auch die der Vorspannung dienende Kraft in der axialen Richtung und bewirkt eine von dem ersten Lagerring über die Wälzkörper in der axialen Richtung auf den zweiten Lagerring wirkende Kraft.
Zu diesem Zweck mit dem ersten Lagerinnenring ein erstes Kraftübertragungselement und mit dem zweiten Lagerinnenring ein zweites Kraftübertragungselement gekoppelt, welche sich in radialer Richtung erstrecken und derart angeordnet sind, dass diese sich in der radialen Richtung überlappen, so dass in dem so gebildeten Überlappbereich ein axialer Spalt zwischen den beiden Kraftübertragungselementen gebildet wird. Ferner ist zumindest ein Permanentmagnet in dem Überlappbereich angeordnet, so dass eine über den axialen Spalt wirkende anziehende Magnetkraft zwischen dem ersten und dem zweiten Kraftübertragungselement dazu führt, dass überwiegend in der axialen Richtung eine Kraft zwischen dem Lagerinnenring und dem Lageraußenring wirkt.
Bei geeigneter Dimensionierung der Magneten und der geometrischen Anordnung der Kraftübertragungselemente kann somit eine erforderliche Lagervorspannung erreicht werden, ohne dass ein weiteres, teures und platzintensives Lager verwendet werden müsste. Durch das Vermeiden eines zusätzlichen Wälzlagers kann die Reibung der gesamten Lageranordnung verringert, sowie das gesamte Setup vereinfacht werden. Darüber hinaus kann bei einigen Implementierungen der gesamte durch die Lageranordnung verbrauchte Platz verringert sowie die Vorspannung unabhängig von den sonstigen geometrischen Gegebenheiten des zu lagernden Gegenstandes implementiert werden. Aufgrund der Möglichkeit, durch die magnetische Kraft auch Luftspalte zu überbrücken, ist die Vorspannung beispielsweise auf thermische Veränderungen, Passungen, Lagersitztoleranzen etc. besonders unempfindlich, so dass die gesamte Lageranordnung einen erweiterten Einsatzbereich bzw. einen erweiterten Bereich von möglichen Betriebstemperaturen aufweisen kann, was ebenfalls zu höheren Maximaldrehzahlen führen kann.
Um eine Anziehungskraft zwischen dem Lagerinnenring und dem Lageraußenring zu erreichen, ist sowohl mit dem Lagerinnenring als auch mit dem Lageraußenring jeweils ein Kraftübertragungselement gekoppelt, das in der radialen Richtung mit dem Kraftübertragungselement des gegenüberliegenden Lagerrings überlappt. D.h., entweder beide Kraftübertragungselemente erstrecken sich in der radialen Richtung soweit auf den gegenüberliegenden Lagerring zu, dass diese in ihrer radialen Ausdehnung jeweils mit der radialen Ausdehnung des anderen Kraftübertragungselements überlappen, oder das Kraftübertragungselement des Lagerinnenrings oder des Lageraußenrings erstreckt sich in der radialen Richtung soweit, dass es mit dem gegenüberliegenden Lagerring selbst überlappt.
In dem Überlappbereich, d.h. dort, wo sich die Oberflächen der Kraftübertragungselemente der beiden Lagerringe in der axialen Richtung gegenüberliegen, ist zumindest ein Permanentmagnet angeordnet, der für eine in oder entgegen der axialen Richtung wirkende Kraft zwischen dem Lagerinnenring und dem Lageraußenring sorgt. Bei Ausführungsbeispielen, bei denen sich ein erstes der Kraftübertragungselemente so weit in Richtung des gegenüberliegenden Lagerrings erstreckt, dass es in radialer Richtung mit dem Lagerring selbst überlappt, ist das zweite Kraftübertragungselement von dem Lagerring selbst bzw. einem Oberflächen- oder Volumenbereich desselben gebildet.
Bei einigen Ausführungsbeispielen sind die Kraftübertragungselemente rotationssymmetrisch und konzentrisch zur Rotationsachse des Lagers angeordnet. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung sind entlang des Umfangs des ersten oder des zweiten Kraftübertragungselements innerhalb des Bereichs des Überlapps bzw. innerhalb des Überlappbereichs eine Mehrzahl von äquidistant angeordneten Permanentmagneten angeordnet, so dass sich eine in axialer Richtung wirkende, gleichmäßige anziehende Kraft zwischen Lageraußenring und Lagerinnenring ergibt.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen ist entlang des Umfangs des ersten oder des zweiten Kraftübertragungselements innerhalb des Überlappbereichs ein Ring eines permanentmagnetischen Materials angeordnet (ringförmiger Permanentmagnet), welcher konzentrisch zu dem Lagerinnenring bzw. zu dem Lageraußenring verläuft. Zusätzlich kann in einer nicht beanspruchten Variante entlang des Umfangs des ersten oder des zweiten Kraftübertragungselements innerhalb des Überlappbereichs beispielsweise wenigstens ein mit dem ringförmigen Permanentmagneten gekoppeltes ferromagnetisches Joch vorgesehen sein, um einen resultierenden magnetischen Fluss zielgerichtet zu steuern. Beispielsweise durch eine konzentrische Anordnung von ringförmigem Permanentmagnet und dem wenigstens einen den Magnet umgebenden ringförmigen ferromagnetischen Joch kommt es beim Betrieb des Lagers, also während der Rotation, zu keinen großen Gradienten des Magnetfelds in Rotationsrichtung, so dass Wirbelstromverluste gering bleiben. Dabei ist unter konzentrischer Anordnung von Magnet und dem wenigstens einen Joch eine Anordnung zu verstehen, die zwischen dem Magnet und dem wenigstens einen Joch wenigstens einen radialen Spalt aufweist.
Entlang des Umfangs des ersten oder des zweiten Kraftübertragungselements sind innerhalb des Überlappbereichs auch ein erster und ein zweiter Ring eines permanentmagnetischen Materials angeordnet, welche konzentrisch zu dem Lagerinnenring bzw. zu dem Lageraußenring verlaufen. Durch die konzentrische Anordnung kommt es beim Betrieb des Lagers, also während der Rotation, zu keinen großen Gradienten des Magnetfelds in Rotationsrichtung, so dass die Wirbelstromverluste gering bleiben.
Bei einigen Ausführungsbeispielen mit zwei konzentrischen Ringen permanentmagnetischen Materials weist ein magnetischer Nordpol des ersten Rings in Richtung des gegenüberliegenden Kraftübertragungselements ohne Magnet, während ein magnetischer Südpol des zweiten Rings ebenfalls in Richtung dieses Kraftübertragungselements zeigt. Dies ermöglicht bei einigen Ausführungsbeispielen eine äußerst kontrollierte Führung des Magnetfelds in den Materialien der Kraftübertragungselemente und insbesondere eine kontrollierte Ablenkung der magnetischen Feldlinien, was ungewollte Verluste minimieren kann.
Bei einigen Ausführungsbeispielen erstrecken sich sowohl das erste als auch das zweiten Kraftübertragungselement in der radialen Richtung bis zum Überlappbereich, wobei eines der beiden Kraftübertragungselemente U- bzw. gabelförmig ausgebildet ist, so dass dieses mit dem anderen Kraftübertragungselement in axialer Richtung auf beiden Seiten überlappt. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist an dem U-förmigen Kraftübertragungselement auf beiden der Oberfläche des anderen Kraftübertragungselements zugewandten Oberflächen je ein Permanentmagnet angeordnet. Dies ermöglicht es durch eine Variation der Abstände zwischen dem U-förmigen Kraftübertragungselement und dem anderen Kraftübertragungselement in bei der axialen Richtung eine gerichtete Netto-Kraft in auf das Lager auszuüben. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die magnetische Kraft in der axialen Richtung also so wirken, dass eine Vorspannung des Wälzlagers erreicht wird, während bei anderen Ausführungsbeispielen die dynamische Last, also die Last, die das Lager trägt, zusätzlich von der Magnetanordnung getragen werden kann, so dass das Lager entlastet wird. Dies kann beispielsweise zur Verwendung eines Lagers geringerer Tragzahl führen und somit zu signifikanten Kosten- und Platzeinsparungen.
Um variierenden Belastungen Rechnung zu tragen, ist bei einigen Ausführungsbeispielen ferner ein mechanischer Verstellmechanismus mit dem U-förmigen Kraftübertragungselement oder mit dem Kraftübertragungselement des anderen Lagerrings gekoppelt, um durch eine Veränderung der Abstände und damit der wirkenden magnetischen Kräfte eine variable Gesamtkraft zu erzeugen. Diese Ausführungsbeispiele ermöglichen es, neben dem Bereitstellen der zur Vorspannung des Lagers erforderlichen Kraft ferner, das Wälzlager dynamisch zu unterstützen, was ein kleineres Wälzlager erlauben kann.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend, bezugnehmend auf die beigefügten Figuren, näher erläutert. Es zeigen:

1 ein nicht beanspruchtes Ausführungsbeispiel einer Lageranordnung mit einer Magnetanordnung mit einem Permanentmagneten;
2 ein beanspruchtes weiteres Ausführungsbeispiel einer Lageranordnung mit einer Magnetanordnung, welche zwei konzentrischen Ringe permanentmagnetischen Materials aufweist;
3 verschiedene Seitenansichten auf die Ausführungsbeispiele der 1 und 2;
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Lageranordnung mit alternativer Anordnung der Kraftübertragungselemente,
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Lageranordnung;
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Lageranordnung; und
7 ein Ausführungsbeispiel einer Lageranordnung mit einer mit einem Lageraußenring gekoppelten Magnetanordnung;
8 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Lageranordnung mit einer mit einem Lageraußenring gekoppelten Magnetanordnung; und
9 ein Ausführungsbeispiel einer Lageranordnung mit in- und entgegen der axialen Richtung wirkenden Kräften.

1 zeigt einen Schnitt durch eine Lageranordnung. Die Lageranordnung umfasst ein Wälzlager mit einem Lagerinnenring 2 und einem Lageraußenring 4, welche sich in einer radialen Richtung 6 gegenüberliegen, die also in der radialen Richtung 6 voneinander beabstandet sind. Zwischen dem Lagerinnenring 2 und dem Lageraußenring 4 laufen die Wälzkörper 8, bei dem gezeigten Schrägkugellager also Kugeln 8. Das in 1 gezeigte Schrägkugellager kann aufgrund der Geometrie der Laufbahnen der Lagerringe eine axiale Last, das heißt, eine Last in einer axialen Richtung 10 tragen, welche auf der radialen Richtung 6 senkrecht steht. Bei der in 1 gezeigten Konfiguration ist der Lageraußenring 4 in der axialen Richtung mittels nur angedeuteten Widerlagern 12 und 14 festgelegt, sodass die Hauptbelastung in der axialen Richtung 10 erfolgen soll.
Eine Krafteinleitung erfolgt über den Lagerinnenring 2, der mit dem zu lagernden Bauteil, das eine Kraft in der axialen Richtung 10 auf das Lager ausübt, verbunden bzw. gekoppelt wird. Zusätzlich zu dem Schrägkugellager weist die Lageranordnung der 1 ferner eine Magnetanordnung auf, die einen Permanentmagneten 16 umfasst, der sich an einem von dem Lagerinnenring 2 in der radialen Richtung 6 erstreckenden Kraftübertragungselement 18 befindet. Dieses ist vorliegend einstückig mit dem Lagerinnenring 2 ausgebildet, rotationssymmetrisch und erstreckt sich als Scheibe in der radialen Richtung 6 so weit in Richtung des Lageraußenrings 4, dass das Kraftübertragungselement 18 des Lagerinnenrings 2 und der Lageraußenring 4 in der radialen Richtung überlappen. In diesem Überlappbereich 20, in dem sich die Oberflächen der Kraftübertragungselemente 18 des Lagerinnenrings 2 und des in diesem Bereich als Kraftübertragungselement 21 wirkenden Lageraußenrings 4 über einen Luftspalt 22 gegenüberliegend, wird mittels eines an dem Kraftübertragungselement 18 des Lagerinnenrings 2 angeordneten Permanentmagneten 16 eine anziehende Kraft zwischen dem Lagerinnenring 2 und dem Lageraußenring 4 erzeugt. Diese Kraft wirkt parallel zur axialen Richtung 10, also parallel zur Richtung der Last.
In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird somit das Kraftübertragungselement 21 des Lageraußenrings 4 durch die geometrische Form desselben gebildet bzw. das Kraftübertragungselement 21 ist einstückig mit dem Lageraußenring 4 ausgebildet. Selbiges gilt für das Kraftübertragungselement 18 des Lagerinnenrings 2. Der Permanentmagnet 16 ist in dem Überlappbereich 20 in das Kraftübertragungselement 18 des Lagerinnenrings 2 eingelegt bzw. mit diesem verbunden. Dabei kann bei einigen bevorzugten Ausführungsbeispielen der Permanentmagnet 16 als rotationssymmetrischer, ringförmiger Magnet an dem Kraftübertragungselement 18 angebracht sein, so dass die Magnetkraft entlang des gesamten Umfangs des Lagerinnenrings 2 bzw. des Lageraußenrings 4 wirkt (siehe auch die Darstellung der 3, rechts). Zusätzlich kann der ringförmige Magnet 16 noch mit wenigstens einem ferromagnetischen Joch gekoppelt werden, um einen resultierenden Magnetfluss durch das Kraftübertragungselement 21, an dem kein permanentmagnetisches Material angeordnet ist, für eine maximale Anziehung der beiden Kraftübertragungselemente 18, 21 zu optimieren und/oder um Wirbelstromverluste gering zu halten, wie es nachfolgend noch beschrieben wird.
Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der Permanentmagnet 16, wie beispielsweise aus der Ansicht des Kraftübertragungselements 18 der linken Darstellung von 3 ersichtlich, auch eine Mehrzahl von äquidistant entlang des Umfangs des Kraftübertragungselements 18 angeordneten Magneten 16 umfassen, was es ermöglicht, Standard-Magnete zu verwenden und somit die Produktionskosten gering zu halten.
Durch die in 1 gezeigte Anordnung wird, die mittels des Permanentmagneten erzeugte anziehende magnetische Kraft genutzt, um eine in der axialen Richtung 10 wirkende anziehende Kraft zwischen dem Lagerinnenring 2 und dem Lageraußenring 4 zu bewirken, mittels derer das Lager vorgespannt werden kann. Dies führt dazu, dass auf eine zweites, sogenanntes „Backup-Lager“, verzichtet werden kann, was zu einer vereinfachten Gesamtanordnung und zu einer geringeren Reibung der Lageranordnung führt. Durch den Luftspalt 22 ist die Lageranordnung darüber hinaus weniger anfällig für thermische oder mechanische Deformationen, die bei rein mechanischer Lagervorspannung zu einem erhöhten Lagerverschleiß führen können. Zusätzlich zur Verringerung der Reibung führt Verwenden einer Magnetanordnung anstatt eines zusätzlichen Wälzlagers dazu, dass mittels der in 1 gezeigten Lageranordnung höhere Drehzahlen erzielt werden können.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Lageranordnung, das in großen Teilen zu dem in 1 gezeigt Ausführungsbeispiel korrespondiert. In Abänderung des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels weist jedoch das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel im Überlappbereich 20 entlang des Umfangs des Kraftübertragungselements 18 eine Anordnung von zwei konzentrischen Ringen permanentmagnetischen Materials 24a und 24b auf.
Wie aus der in 3 in der mittleren Darstellung gezeigten Ansicht auf das Kraftübertragungselement 18 des Ausführungsbeispiels von 2 ersichtlich, sind die Ringe konzentrisch zu der Symmetrieachse des Lagerinnenrings 2 und des Lagerau-ßenrings 4. Die in 2 dargestellte Magnetanordnung führt, wie es aus der Ausschnittsvergrößerung zu entnehmen ist, zu dem dort gezeigten Verlauf der Magnetfeldlinien. Sind die Polarisationsrichtungen 28a und 28b des permanentmagnetischen Materials 24a und 24b in der in 2 angedeuteten Richtung oder einer dazu ähnlichen Richtung ausgerichtet, kann erreicht werden, dass das Magnetfeld überwiegend in dem Überlappbereich 20 konzentriert ist, was zu geringen Verlusten durch nicht gerichtete bzw. durch Streufelder führt. Dies ist mit anderen Worten dann der Fall, wenn ein magnetischer Nordpol des ersten Permanentmagnetrings 24a in Richtung des Kraftübertragungselements 21 des Lageraußenrings 4 bzw. in Richtung auf den Luftspalt 22 weist und wenn ein magnetischer Südpol des zweiten Permanentmagnetrings 24b ebenfalls in diese Richtung zeigt.
Wie es oben bereits erwähnt wurde, kann, anstatt die beiden Permanentmagnetringe 24a, 24b zu verwenden, auch ein einzelner ringförmiger Permanentmagnet 16 geeignet mit wenigstens einem ferromagnetischen Joch gekoppelt werden, um den magnetischen Fluss bzw. Magnetfeldverluste zu optimieren. Dazu kann an den ringförmigen Permanentmagnet 16 angrenzend bzw. diesen umgebend oder teilweise umschließend zusätzlich wenigstens ein Joch aus ferromagnetischem Material (z.B. Eisen) vorgesehen sein, wie es in 1 beispielhaft durch Bezugszeichen 23 angedeutet ist, um den magnetischen Fluss zielgerichtet zu steuern, so dass sich zwischen den Kraftübertragungselementen 18 und 21 eine größtmögliche anziehende Kraft ausbildet. Die axialen radialen Enden des ringförmigen Permanentmagneten 16 können in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 unterschiedlich polarisiert sein. Während in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine (linke) axiale Endfläche des Magneten 16 unmittelbar mit dem Joch 23 gekoppelt ist, ist zwischen einander in radialer Richtung 6 zugewandten und parallel verlaufenden Oberflächen des Permanentmagneten 16 und des Jochs 23 jeweils ein Luftspalt 25 vorgesehen, um einen entsprechenden geschlossenen Feldlinienverlauf durch Magnet 16, Joch 23, Luftspalt 22 und Kraftübertragungselement 21 zu erhalten. Durch eine derartige bzw. vergleichbare Anordnung von ringförmigem Permanentmagnet 16 und diesen umgebenden ferromagnetischen (z. B. metallischen) löchern 23 kommt es beim Betrieb des Lagers, also während der Rotation, zu keinen großen Gradienten des Magnetfelds in Rotationsrichtung, so dass Wirbelstromverluste gering bleiben. Die in 1 beispielhaft dargestellte Anordnung ist lediglich exemplarisch als eine von vielen möglichen Ausführungsformen mit Permanentmagneten 16 und damit gekoppelten Jöchern 23 zu verstehen.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Lageranordnung, die im Wesentlichen der 1 gezeigten Lageranordnung entspricht, zum Beispiel was die Hauptkraftrichtung anbelangt. Der Unterschied zu der in 1 beschriebenen Ausführungsform besteht darin, dass die permanentmagnetischen Ringe 24a und 24b an der zu dem Lageraußenring 4 korrespondierenden Magnetanordnung bzw. an dem dazu korrespondierenden Kraftübertragungselement angeordnet sind, so dass die Permanentmagnetringe 24a und 24b beispielsweise an dem feststehenden der beiden Lagerringe angeordnet sein können. Allgemein ist es ein Vorteil der Ausführungsbeispiele von Lageranordnung, die hierin beschrieben sind, dass die der Lagervorspannung dienenden permanentmagnetischen Elemente sowohl an dem feststehenden also auch an dem rotierenden Teil angebracht werden können, was bei anderen Methoden der Vorspannung, beispielsweise mittels Federn oder dergleichen, nicht möglich ist, da diese regelmäßig nur an einen feststehenden Element angebracht werden können.
Während bei den in den 1-4 beschriebenen Ausführungsbeispielen zumindest Teile der Magnetanordnung, insbesondere die Kraftübertragungselemente 18 und 21, einstückig mit dem Lagerinnenring 2 bzw. dem Lageraußenring 4 ausgebildet sind, zeigen die 5 und 6 Ausführungsbeispiele, bei denen das Kraftübertragungselement und der ihnen jeweils zugeordnete Lagerring getrennt, d.h. mehrteilig sind.
Bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel einer Lageranordnung ist der Lagerinnenring 2 über eine Schulter 30 in der axialen Richtung 10 bezüglich des der Kraftübertragung dienenden Kraftübertragungselements 18 festgelegt. Das dem Lageraußenring 4 zugeordnete Kraftübertragungselement 21, das die beiden Ringe von Permanentmagneten 24a und 24b aufweist, ist relativ zu dem Lageraußenring 4 über das Gehäuse oder einen anderen nicht gezeigten Teil in und entgegen der axialen Richtung 10 festgelegt, sodass auch hier die von den Magneten 24a und 24b ausgeübte anziehende Kraft zu einer Vorbelastung des Lagers in Richtung der Hauptlast, vorliegend in der axialen Richtung 10, führt.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, dass von der Funktion des in der 5 gezeigten Ausführungsbeispiels abweicht. Auch hier weist das dem Lagerau-ßenring 4 zugeordnete Kraftübertragungselement 21 die permanentmagnetischen Ringe 24a und 24b auf. Allerdings sind in dem Überlappbereich 20 die Kraftübertragungselemente 18 und 21 in ihrer axialen Ausrichtung 10, verglichen mit der in 5 gezeigten Konfiguration, vertauscht. Dadurch kann insgesamt eine Entlastung der durch die Schulter 30 bewirkten Vorspannung des Lagers erreicht werden, da sich die in die axiale Richtung 10 gerichtete Vorspannkraft der Schulter 30 und die entgegen die axiale Richtung 10 gerichtete Magnetkraft auf das Kraftübertragungselement 18 zumindest teilweise kompensieren. Dagegen wird bei der Anordnung nach 5 eine insgesamt wirkende Vorspannkraft in Richtung 10 durch die Magnetkraft auf das Kraftübertragungselement 18 zusätzlich verstärkt.
Die 7 und 8 zeigen, ebenso wie die 5 und 6, weitere Ausführungsformen, mit denen es möglich ist, durch die geometrische Anordnung der Kraftübertragungselemente ein Schrägkugellager bzw. ein Rillenkugellager mit einer magnetischen Kraft vorzuspannen. Da die grundlegende Funktionsweise, bis auf die genaue geometrische Ausgestaltung der Kraftübertragungselemente, der bereits anhand der 5 und 6 diskutierten entspricht, wird auf ein eine weitere Diskussion dieser Komponenten verzichtet.
9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bzw. eine weitere mögliche Magnetanordnung die mit sämtlichen im vorhergehenden diskutierten Ausführungsbeispielen von Lageranordnungen kombiniert bzw. innerhalb dieser verwendet werden kann.
Bei der in 9 dargestellten Lageranordnungen ist das Kraftübertragungselement 21, welches ohne Beschränkung der Allgemeinheit dem Lageraußenring 4 zugeordnet ist, U- förmig bzw. gabelförmig ausgebildet und überlappt mit dem Kraftübertragungselement 18 auf beiden Seiten desselben. Auf den jeweils dem Kraftübertragungselement 18 zugeordneten Seiten des Kraftübertragungselements 21 ist jeweils zumindest ein Ring aus permanentmagnetischem Material 16 angeordnet, so dass auf das Kraftübertragungselement 18 sowohl in als auch entgegen der axialen Richtung 10 eine anziehende Kraft wirkt.
Sind die Magnete exakt gleich stark und befindet sich das Kraftübertragungselement 18 in der axialen Richtung 10 exakt in der Mitte zwischen den beiden Armen des Kraftübertragungselements 21, halten sich die magnetischen Kräfte die Waage und die Netto-Kraft, die auf das Kraftübertragungselement 18 wirkt, ist Null. Dies ermöglicht es beispielsweise, über eine Variation der Breite der Luftspalte 34a und 34b, die sich zwischen den beiden Armen des Kraftübertragungselements 21 und dem Kraftübertragungselement 18 ergeben, eine gerichtete Gesamt- bzw. Nettokraft sowohl in- als auch entgegen der axialen Richtung zu erzeugen.
Eine solche Variation der Position des Kraftübertragungselements 21 bzw. der Breiten der Luftspalte 34a und 34b kann beispielsweise mechanisch voreingestellt bzw. mechanisch während des Betriebs erfolgen. Dies kann beispielsweise mittels einer Pneumatik, einer Hydraulik, elektrisch oder mittels eines Stellmotors oder eines anderen Aktuators erfolgen, der die Relativposition des Kraftübertragungselements 21 und des Kraftübertragungselements 18 verändert. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann die Veränderung über eine geeignete Mechanik auch abhängig von einer auf das System wirkenden Zentrifugalkraft bewirkt werden. Dies kann beispielsweise dazu dienen, um die Magnetkraft abhängig von der Zentrifugalkraft zu erhöhen, so dass es zu keinen Nullastproblemen kommt, die typischerweise bei hohen Drehzahlen auftreten. Dadurch kann ein damit einhergehender Lagerverschleiß vermieden werden.
Alternativ zu der in 9 dargestellten Konfiguration kann bei weiteren Ausführungsbeispielen der Abstand zwischen den Magnetringen 16 selbst variiert werden, so dass beispielsweise nur die Breite eines der Luftspalte 34a oder 34b variiert wird, um die Gesamtkraft einzustellen.
Das mechanische und dynamische variieren eines Luftspalts zwischen den Kraftübertragungselementen 18 und 21 kann selbstverständlich auch in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen angewendet werden, um lastabhängig die zusätzliche mittels der Magnetanordnung auf das Lager ausgeübte Kraft zu variieren.
Wenngleich in 9 auf jeder Seite des gabelförmigem Kraftübertragungselements 21 aus Gründen der Einfachheit lediglich ein einziger Ring permanentmagnetischen Materials 16 angeordnet ist, versteht es sich von selbst, dass in weiteren Ausführungsbeispielen auch die, beispielsweise anhand von 2 detaillierte beschriebene, Konfiguration mit zwei permanentmagnetischen Ringen je Seite verwendet werden kann.
Wenngleich vorhergehenden überwiegend anhand einer Lageranordnung mit einem Schrägkugellager beschrieben, versteht es sich ferner von selbst, dass weitere Ausführungsbeispiele von Lageranordnungen mit anderen Wälzlagern bzw. Axiallagern implementiert werden können, wie beispielsweise mit Kegelrollenlagern oder Rillenkugellagern.
Bezugszeichenliste

2: Lagerinnenring
4: Lageraußenring
6: radiale Richtung
8: Wälzkörper
10: axiale Richtung
12: Widerlager
14: weiteres Widerlager
16: Magnet
18: Kraftübertragungselement
20: Überlappbereich
22: Luftspalt
24a, 24b: Ring permanentmagnetischen Materials
28a, 28b: Polarisationsrichtung
30: Schulter
34a, 34b: Luftspalte

Claims

Lageranordnung, mit folgenden Merkmalen: einem axial belastbaren Wälzlager mit einem Lagerinnenring (2) und einem in einer radialen Richtung (6) von dem Lagerinnenring (2) beabstandeten Lagerau-ßenring (4); und einer mit dem Lagerinnenring (2) oder dem Lageraußenring (4) derart gekoppelten Magnetanordnung mit zumindest einem Permanentmagneten (16; 24a, 24b), dass eine von der Magnetanordnung erzeugte anziehende Kraft, die in oder entgegen einer auf der radialen Richtung (6) senkrecht stehenden axialen Richtung (10) wirkt, eine in oder entgegen der axialen Richtung (10) wirkende Kraft zwischen dem Lagerinnenring (2) und dem Lageraußenring (4) bewirkt, wobei ein mit dem Lagerinnenring (2) gekoppeltes erstes Kraftübertragungselement (18) und ein mit dem Lageraußenring (4) gekoppeltes zweites Kraftübertragungselement (21) in der radialen Richtung (6) in einem Überlappbereich (20) überlappen, wobei zumindest ein Permanentmagnet (16; 24a, 24b) innerhalb des Überlappbereichs (20) an dem ersten oder an dem zweiten Kraftübertragungselement (18, 21) angeordnet ist, wobei entlang eines Umfanges des ersten oder zweiten Kraftübertragungselements (18, 21) innerhalb des Überlappbereichs (20) ein erster Ring (24a) und ein zweiter Ring (24b) permanentmagnetischen Materials angeordnet sind, welche konzentrisch zum Lagerinnenring (2) oder zum Lageraußenring (4) angeordnet sind.
Lageranordnung gemäß Anspruch 1, bei der ein magnetischer Nordpol des ersten Rings (24a) in Richtung desjenigen Kraftübertragungselements zeigt, an dem kein permanentmagnetisches Material angeordnet ist, wobei ein magnetischer Südpol des zweiten Rings (24b) ebenfalls in Richtung dieses Kraftübertragungselements zeigt.
Lageranordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Material des ersten oder zweiten Kraftübertragungselements (18, 21) in dem Überlappbereich (20) magnetisierbar ist.
Lageranordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der es sich bei dem Wälzlager um eine axial belastbare Lagerbauform, insbesondere um ein Schrägkugellager, um ein Kegelrollenlager oder um ein Rillenkugellager handelt.
Lageranordnung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das erste Kraftübertragungselement (18) oder das zweite Kraftübertragungselement (21) mit dem jeweils anderen Kraftübertragungselement in der zur radialen Richtung (6) senkrechten axialen Richtung (10) auf beiden Seiten überlappt, wobei in dem Überlappbereich (20) auf den beiden dem anderen Kraftübertragungselement zugewandten Seiten des ersten (18) oder zweiten Kraftübertragungselements (21) zumindest ein Permanentmagnet (16) angeordnet ist.