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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine Axiallageranordnung und einen Motor, bei dem eine Axiallageranordnung verwendet wird.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein bekannter Elektromotor hat einen Ständer und einen Läufer, der sich relativ zu dem Ständer drehen kann. Der Läufer hat eine Welle. Optional ist ein Distanzhalter an der Welle befestigt. Die Welle ist durch ein Axiallager, das an dem Ständer befestigt ist, gegen ein axiales Moment in einer Richtung drehbar gestützt. Das Axiallager liegt entweder einem Ende der Welle oder dem Distanzhalter gegenüber, um die axiale Bewegung der Welle einzuschränken. Bekannte Axiallager können selbstschmierende Lager sein. Diese sind normalerweise mit Öl imprägnierte Sinterteile. Im Betriebszustand wird das Öl von dem Axiallager nicht gut gesteuert. Dadurch kommt es zu einer Ölmigration, wodurch das Öl in dem Lager rasch aufgebraucht wird und zu einem Verlust der Schmierung, zu einer raschen Abnutzung der Kontaktbereiche und zu einem Ausfall des Motors führt.
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Daher ist ein Axiallager erwünscht, das den Schmiermittelfluss steuert oder zumindest eine größere Schmiermittelmenge bereitstellt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Dementsprechend wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Axiallageranordnung zum Stützen einer drehbaren Welle gegen eine Axialkraft angegeben, wobei der Welle eine Endfläche zugeordnet ist, die gegen die Axiallageranordnung anliegt, wobei die Axiallageranordnung umfasst: ein erstes Element, das eine Kammer definiert; ein zweites Element, das in der Kammer angeordnet ist; ein drittes Element, das mit dem ersten Element festgelegt und von dem zweiten Element beabstandet ist; eine der Endfläche gegenüberliegende Lastfläche, wobei die Lastfläche durch mindestens eines des ersten und des dritten Elements gebildet wird; ein Reservoir für die Aufnahme von Schmiermittel, das in der Kammer zwischen dem zweiten Element und dem dritten Element gebildet ist; und einen Durchlass, der das Reservoir mit der Lastfläche verbindet, um einen Schmiermittelfluss von dem Reservoir zur Lastfläche zu ermöglichen, wobei das erste, das zweite und das dritte Element aus einem Material mit geringer Porosität gebildet sind.
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Vorzugsweise ist das Reservoir axial zwischen dem zweiten Element und dem dritten Element gebildet.
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Optional hat das Reservoir einen rechteckigen Querschnitt.
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Optional nimmt die axiale Größe des Reservoirs in einer von dem Durchlass wegführenden radialen Richtung zu.
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Optional ist mindestens eine der beiden einander gegenüberliegenden Flächen des zweiten und des dritten Elements relativ zu einer Achse der Welle geneigt.
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Vorzugsweise ist das dritte Element in der Kammer angeordnet, wobei das dritte Element und das zweite Element die Lastfläche bilden.
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Vorzugsweise ist das dritte Element als monolithische Konstruktion integral mit dem ersten Element ausgebildet.
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Vorzugsweise definiert das zweite Element eine Durchgangsöffnung und die Welle erstreckt sich durch die Durchgangsöffnung, wobei sich die Welle hinsichtlich des zweiten Elements drehen kann und ein Distanzhalter an der Welle befestigt ist und die Endfläche definiert.
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Vorzugsweise ist eine Innenfläche der Durchgangsöffnung des zweiten Elements bogenförmig, so dass die einander gegenüberliegenden axialen Enden der Innenfläche von der Welle beabstandet sind.
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Vorzugsweise ist der Durchlass an einer Berührungsfläche zwischen dem zweiten und dem dritten Element gebildet.
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Vorzugsweise ist der Durchlass durch eine Mehrzahl von axialen Nuten gebildet, die in einer inneren Umfangsfläche des dritten Elements gebildet sind, das an eine Umfangsfläche des zweiten Elements angepasst ist.
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Vorzugsweise ist in der Lastfläche des dritten Elements eine Mehrzahl von konischen Nuten gebildet, deren jede sich an eine jeweilige axial Nut anschließt und sich in einer von der Nut wegführenden Radial- und Umfangsrichtung verjüngt.
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Alternativ ist der Durchlass durch eine Mehrzahl von axialen Nuten gebildet, die in einer Umfangsfläche des zweiten Elements gebildet sind, das an eine innere Umfangsfläche des dritten Elements angepasst ist.
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Optional ist der Durchlass durch einen Ringspalt zwischen dem zweiten Element und dem dritten Element gebildet.
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Alternativ ist der Durchlass durch eine Mehrzahl von sich axial erstreckenden Öffnungen gebildet, die in dem dritten Element gebildet sind.
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Vorzugsweise hat das dritte Element einen sich axial erstreckenden ringförmigen Innenflansch, der in einer axialen Richtung gegen eine Stufe anliegt, die an dem zweiten Element gebildet ist.
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Vorzugsweise sind das erste, das zweite und das dritte Element aus einem Material mit einer Porosität von weniger als 13% hergestellt.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird auch ein Elektromotor bereitgestellt, umfassend: einen Ständer, einen Läufer und die Axiallageranordnung wie vorstehend definiert, die an dem Ständer befestigt ist, wobei der Läufer die drehbare Welle und einen an der Welle befestigten Distanzhalter umfasst und wobei der Distanzhalter die der Lastfläche der Axiallageranordnung gegenüberliegende Endfläche definiert, die Welle gegen Axiallasten zu stützen, die den Distanzhalter mit der Axiallageranordnung in Kontakt bringen, wodurch die axiale Bewegung der Welle in einer Richtung eingeschränkt wird.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr anhand eines Beispiels erläutert, wobei auf die Figuren der anliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird. Identische Strukturen, Elemente oder Teile, die in mehr als einer Figur erscheinen, tragen in sämtlichen Figuren, in denen sie erscheinen, die gleichen Bezugszeichen. Die Dimensionen von Komponenten und Merkmalen, die in den Figuren dargestellt sind, sind allgemein im Hinblick auf eine übersichtliche Darstellung gewählt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Die Figuren sind im Folgenden aufgelistet.
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1 stellt eine Axiallast und eine Axiallageranordnung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem Betriebszustand dar;
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2A stellt eine Axiallast und eine Axiallageranordnung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem Nichtbetriebszustand dar;
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2B zeigt die Axiallageranordnung von 2A in einem Betriebszustand;
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3 stellt eine Axiallast und eine Axiallageranordnung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem Betriebszustand dar;
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4A, 4B zeigen eine Axiallageranordnung gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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5A, 5B zeigen eine Axiallageranordnung gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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5C zeigt eine Modifikation der Axiallageranordnung von 5B;
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5D zeigt eine weitere Modifikation der Axiallageranordnung von 5B;
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6 zeigt eine Axiallageranordnung gemäß einer sechsten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem Betriebszustand;
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7 zeigt eine Axiallageranordnung gemäß einer siebten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
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8 zeigt einen Elektromotor mit einer erfindungsgemäßen Axiallageranordnung.
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DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 zeigte eine erste bevorzugte Ausführungsform einer Axiallageranordnung 10 für eine Axiallast 12. Die Axiallast 12 kann eine drehbare Welle 16 oder eine an der Welle befestigte Zwischenlegscheibe oder ein Distanzhalter 18 sein, die in einer axialen Richtung an die Axiallageranordnung gedrückt wird. Die Axiallast 12 hat eine Endfläche 14, die vorzugsweise senkrecht zur Schubrichtung Y der axialen Last 12 angeordnet ist. Die Axiallast wird über die Welle und/oder den Distanzhalter auf eine Lastfläche der Axiallageranordnung ausgeübt. Die Endfläche 14 ist der Welle zugeordnet, indem sie zum Beispiel ein Ende der Welle bildet, eine an der Welle gebildete Stufe oder eine Fläche eines an der Welle befestigten Distanzhalters ist. Der Zweck der Endfläche ist die Anlage gegen das Axiallager, um die axiale Bewegung der Welle in einer Richtung einzuschränken.
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Die Axiallageranordnung 10 umfasst ein erstes Element 20, ein zweites Element 30 und ein drittes Element 40, die sämtlich aus einem Material mit geringer Porosität, d. h. einer Porosität von 15% oder weniger, hergestellt sind. Vorzugsweise sind das erste Element 20, das zweite Element 30 und das dritte Element 40 aus einem gesinterten Material mit einer Porosität von weniger als 13% hergestellt. In der Ausführungsform von 1 ist das erste Element 20 ein Hohlrohr, das eine axiale Richtung parallel zur Schubrichtung Y der axialen Last 12 definiert. Das erste Element 20 hat eine darin gebildete Kammer. Das zweite Element 30 ist ein massives Element, das in der Kammer des ersten Elements 20 aufgenommen ist. Das zweite Element 30 hat einen von der axialen Last 12 fernen Montagebereich 32. Der Montagebereich 32 ist an der Innenfläche des ersten Elements 20 fest angebracht. Das zweite Element 30 hat eine Lastfläche 34 für den Kontakt mit der Endfläche 14 der axialen Last 12, um dadurch die axiale Bewegung der Welle 16 einzuschränken. In dieser Darstellung ist die Endfläche das axiale Ende der Welle. Das zweite Element 30 hat eine Stufe 36, die zwischen der Lastfläche 34 und dem Montagebereich 32 gebildet ist. Das dritte Element 40, das in der Kammer des ersten Elements 20 aufgenommen ist, hat einen Montagebereich 42, der fest an der Innenfläche des ersten Elements 20 montiert ist. Der Montagebereich 42 des dritten Elements 40 liegt dem Montagebereich 32 des ersten Elements 20 zugewandt und ist axial von dem Montagebereich 32 beabstandet.
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Ein ringförmiges Reservoir 50 mit einem rechteckigen Querschnitt ist zwischen der Innenfläche des ersten Elements 20 und den Montagebereichen 32, 42 gebildet. Das dritte Element 40 definiert eine axiale Durchgangsöffnung, die von einer umfangsseitigen Innenfläche 48 umschlossen ist. Ein von dem Montagebereich 32 ferner Bereich des zweiten Elements 30 erstreckt sich durch die Durchgangsöffnung des dritten Elements 40. Die Innenfläche 48 des dritten Elements 40 ist radial von der Außenfläche 38 des Bereichs des zweiten Elements 30 beabstandet. Das dritte Element 40 hat eine Lastfläche 44, die vorzugsweise koplanar mit der Lastfläche 34 des zweiten Elements 30 ist, und eine Stufe 46, die der Stufe 36 des zweiten Elements 30 zugewandt ist. Die Lastfläche 44 des dritten Elements 40 ist von der Lastfläche 34 des zweiten Elements 30 radial beabstandet, wohingegen die Stufe 46 von der Stufe 36 axial beabstandet ist. Auf diese Weise wird zwischen den Stufen 36, 46 und den Flächen 38, 48 ein schmaler Durchlass 52 gebildet. Der Durchlass 52 verbindet das Reservoir 50 mit den Lastflächen 34, 44. In dem Reservoir 50 kann ein Schmiermittel mit niedriger Viskosität, zum Beispiel Öl, oder ein Schmiermittel mit hoher Viskosität, zum Beispiel Fett oder Festschmierstoff, gespeichert werden. Wenn sich die Axiallageranordnung während des Betriebs erwärmt, erwärmt sich auch das Schmiermittel 54 und wird aufgrund von Wärmedehnung über den Durchlass 52 aus dem Reservoir ausgetrieben, um die Verbindungsstelle zwischen der Endfläche 14 der axialen Last und den Lastflächen 34, 44 zu schmieren.
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Wenn sich die Axiallast 12 dreht, zum Beispiel in einer Richtung R, entsteht aufgrund der Reibung zwischen der Endfläche 14 der axialen Last 12 und den Lastflächen 34, 44 der Axiallageranordnung 10 Wärme. Das in dem Reservoir 50 gespeicherte Schmiermittel 54 wird erwärmt und ist einer Wärmedehnung ausgesetzt. Die Fließfähigkeit des Schmiermittels erhöht sich mit der zunehmenden Temperatur des Schmiermittels. Durch die Wärmedehnung, die das Schmiermittel über den Durchlass 52 aus dem Reservoir 50 verdrängt, oder aufgrund einer Oberflächenspannung etc. kann das Schmiermittel fließen. Das Schmiermittel fließt über den Durchlass 52 aus dem Reservoir 50 zu dem Bereich oder Raum, der zwischen der Endfläche 14 und den Lastflächen 34, 44 gebildet ist. Auf diese Weise bildet sich eine Schmiermittelschicht zwischen der Endfläche 14 und den Lastflächen 34, 44, wodurch die Reibung zwischen der Endfläche 14 und den Lastflächen 34, 44 stark verringert wird. Wenn die Drehung der axialen Last 12 stoppt, kehrt das Schmiermittel über den Durchlass 52 zurück in das Reservoir 50.
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Die 2A und 2B zeigen eine Axiallageranordnung 10 für eine Axiallast 12 gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 2A zeigt die Axiallageranordnung 10 in einem stationären Zustand, wohingegen 2B die Axiallageranordnung 10 in einem Rotationszustand zeigt. In dieser Ausführungsform dient die Axiallageranordnung 10 als ein Axiallager und ein Radiallager, wobei das zweite Element 30 eine Durchgangsöffnung 31 definiert, in der die Welle 16 zapfengelagert oder drehbar montiert ist. Ein Distanzhalter 18 ist an der Welle 16 befestigt und kann sich mit der Welle drehen. Der Distanzhalter stellt die Axiallast dar und definiert die Endfläche 14.
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3 zeigt eine Axiallageranordnung 10 für eine Axiallast 12 gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Axiallageranordnung 10 ist ähnlich wie die Axiallageranordnung 10 der zweiten Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass die die Welle 16 umschließende Innenfläche 37 der Durchgangsöffnung des zweiten Elements 30 bogenförmig ist. Die Bogenform der Innenfläche 37 ist dergestalt, dass die einander gegenüberliegenden axialen Enden der Innenfläche 37 von der Welle 16 radial beabstandet sind. Dadurch kann das Schmiermittel 54 von dem zwischen der Endfläche 14 der Axiallast 12 und den Lastflächen 34, 44 gebildeten Bereich zu dem zwischen der Innenfläche 37 des zweiten Elements 30 und der Welle 16 gebildeten Raum fließen und so die Reibung zwischen der Welle 16 und dem zweiten Element 30 reduzieren.
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Bei einer alternativen Konstruktion kann sich die Innenfläche 48 des dritten Elements 40 direkt mit der Außenfläche 38 des zweiten Elements 30 in Kontakt befinden. Diese Konstruktion ist in den Ausführungsformen der 4A bis 7 gezeigt. Bei dieser Anordnung ist der Durchlass 52 durch eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten Öffnungen gebildet. Diese Öffnungen können in dem zweiten Element 30 oder in dem dritten Element 40 gebildet sein, wie das in den 6 und 7 dargestellt ist. Vorzugsweise sind die Öffnungen durch sich axial erstreckende Nuten in der Außenfläche 38 oder in der Innenfläche 48 oder in beiden Flächen gebildet. Der durch die Nuten in der Innenfläche 48 des dritten Elements 40 gebildete Durchlass 52 ist in den 4B, 5B und 5D gezeigt. Der durch die Nuten in der Außenfläche 48 des zweiten Elements 30 gebildete Durchlass 52 ist in 5C gezeigt.
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Die 4A und 4B zeigen eine Axiallageranordnung 10 für eine Axiallast 12 gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform ist ähnlich wie die Axiallageranordnung der zweiten Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass zwei einander zugewandte Flächen 39, 49 des zweiten und des dritten Elements 30, 40 derart geneigt sind, dass die axiale Tiefe des Reservoirs 50 in einer von dem Durchlass 52 wegführenden radialen Richtung allmählich zunimmt. In 4B ist zu sehen, dass der Durchlass 52 durch eine Mehrzahl von Nuten gebildet ist, die in der inneren Umfangsfläche 48 des dritten Elements 40 gebildet sind. Da die Stufe 46 des dritten Elements auf der Stufe 36 des zweiten Elements sitzen kann, können sich die Nuten, um an das Reservoir 50 anzuschließen, durch die Stufe 46 erstrecken.
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Die 5A und 5B zeigen eine Axiallageranordnung 10 für eine Axiallast gemäß einer fünften bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform ist das dritte Element 40 als monolithische Konstruktion integral mit dem ersten Element 20 ausgebildet, und das Reservoir 50 hat einen allgemein dreieckigen Querschnitt. In dieser Ausführungsform ist die dem dritten Element 40 zugewandte Fläche des Montagebereichs 32 des zweiten Elements 30 derart geneigt, dass die axiale Tiefe des Reservoirs 50 in einer von dem Durchlass 52 wegführenden radialen Richtung allmählich zunimmt. Die Innenfläche 48 des dritten Elements 40 liegt nahe an der oder befindet sich in Kontakt mit der Außenfläche 38 des zweiten Elements 30. Der Durchlass 52 ist an einer Berührungsfläche zwischen der Innenfläche 48 des dritten Elements 40 und der Außenfläche 38 des zweiten Elements 30 gebildet. In 5B ist der Durchlass 52 durch eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten, sich axial erstreckenden Nuten in der Innenfläche 48 des dritten Elements 40 gebildet.
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5C zeigt eine modifizierte Axiallageranordnung 10, die ähnlich ist wie die Axiallageranordnung von 5B, mit der Ausnahme, dass der Durchlass 52 an der Berührungsfläche zwischen dem zweiten und dem dritten Element durch eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung beabstandeten, sich axial erstreckenden Nuten in der Umfangsfläche 38 des zweiten Elements 30 gebildet ist.
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5D zeigt eine weitere Modifikation der Axiallageranordnung 10 von 5, bei der die Nuten 56 in der Lastfläche 44 des dritten Elements 40 gebildet sind. Jede Nut 54 hat ein proximales Ende, das sich an einen jeweiligen Durchlass 52 anschließt, und ein von dem Durchlass 52 fernes distales Ende. Idealerweise hat jede Nut 56 eine Breite und/oder Tiefe, die in einer Richtung von dem proximalen zu dem distalen Ende allmählich abnimmt, so dass an dem distalen Ende ein höherer Druck erzeugt werden kann, um dadurch die Axiallast 12 von der Lastfläche 34, 44 der Axiallageranordnung 10 wegzudrücken, wenn sich die Axiallast 12 dreht.
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6 zeigt eine Axiallageranordnung 10 für eine Axiallast 12 gemäß einer sechsten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform ist der Durchlass 52 nicht an der Berührungsfläche zwischen dem zweiten und dem dritten Element gebildet. Stattdessen ist der Durchlass 52 durch eine Mehrzahl von Öffnungen gebildet, die in dem dritten Element 40 von der Innenfläche des dritten Elements 40 radial beabstandet, gebildet sind. Idealerweise sind die Öffnungen, wenn das dritte Element die Lastfläche oder einen Teil der Lastfläche bildet, in der Lastfläche des dritten Elements gebildet, um das Schmiermittel direkt zur Lastfläche zu leiten.
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7 zeigt eine Axiallageranordnung 10 für eine Axiallast gemäß einer siebten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform ist ähnlich wie die Axiallageranordnung von 6, mit der Ausnahme, dass das dritte Element 40 ferner einen Innenflansch 47 aufweist, der sich axial von dessen Innenkante erstreckt. Dadurch bildet der Innenflansch eine ringförmige Wand, die an die Umfangsfläche 38 des zweiten Elements angefügt ist. Der Innenflansch 47 befindet sich axial in Kontakt mit der Stufe 36 des zweiten Elements 30, um eine Verformung des dritten Elements 40 zu verhindern, wenn die Axiallast 12 an das dritte Element 40 gedrückt wird.
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8 zeigt schematisch einen Elektromotor 80 mit einem Ständer, an dem die Axiallageranordnung befestigt ist, und mit einem Läufer, der eine Welle 16 und einen an der Welle 16 befestigten Abstandshalter 18 aufweist. Die Endfläche des Abstandshalters liegt im entspannten Zustand der Lastfläche der Axiallageranordnung über einen schmalen Luftspalt gegenüber. Wenn in der Richtung Y eine Last auf die Welle ausgeübt wird, wird die Welle axial bewegt, bis die Endfläche gegen die Lastfläche anliegt, wodurch eine weitere axiale Bewegung der Welle in der Richtung Y unterbunden wird.
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Zwar wirkt die Axiallageranordnung in der Darstellung mit dem Distanzhalter zusammen, der an der Welle befestigt ist, und sie stützt die Welle auch radial, doch kann die Welle ebenso durch separate Radiallager wie Ringlager und die Axiallageranordnung gestützt werden, die für den direkten Kontakt mit einem Ende der Welle ausgebildet ist.
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Verben wie ”umfassen”, ”aufweisen”, ”enthalten” und ”haben” sowie deren Abwandlungen in der Beschreibung und in den Ansprüchen der vorliegenden Anmeldung sind in einem einschließenden Sinne zu verstehen. Sie geben an, dass das genannte Element vorhanden ist, schließen jedoch nicht aus, dass noch weitere Elemente vorhanden sind.
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Wenngleich die Erfindung unter Bezugnahme auf eine oder mehrere bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, wird der Fachmann erkennen, dass verschiedenen Modifikationen möglich sind, ohne den Schutzrahmen der Erfindung zu verlassen, der durch die anliegenden Ansprüche definiert ist.
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Es ist ferner möglich, dass die Lastfläche 34 des zweiten Elements 30 und die Lastfläche 44 des dritten Elements 40 nicht koplanar sind. Beispielsweise kann die Lastfläche 44 des dritten Elements 40 relativ zur Lastfläche 34 des zweiten Elements 30 zurückgesetzt sein.
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Die verschiedenen Merkmale der dargestellten Ausführungsformen sind darüber hinaus nicht die einzigen möglichen Kombinationen. Weitere Ausführungsformen sind möglich, indem andere Kombinationen der optionalen Merkmale verwendet werden.
