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Ausführungsbeispiele beziehen sich auf ein Lager, beispielsweise ein Wälzlager oder ein Gleitlager.
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Lager, also beispielsweise Wälz- oder Gleitlager, werden in vielen Bereichen des Maschinen- und Anlagenbaus zur Führung von zu sich zueinander drehenden Bau- oder Maschinenteilen verwendet. Bewegen sich die entsprechenden zueinander drehbaren Teile selbst oder sind bezüglich der Drehachse, um die sich diese zueinander drehen, gegenüber dem Schwerefeld der Erde geneigt, können bei den betreffenden Lagern komplexe Kraftverhältnisse auf die Lagerringe und – sofern es sich um ein Wälzlager handelt – auf die Wälzkörper einwirken. So kann es beispielsweise zu einer Verschiebung des Außenrings zu dem Innenring des betreffenden Lagers entlang seiner axialen Richtung, jedoch auch entlang der radialen Richtung kommen.
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Bei vielen Anwendungen werden ferner elektromotorische Antriebe verwendet, um die betreffenden Bauteile zueinander in eine entsprechende Drehung versetzen zu können. Hierbei wird zur Einsparung von Bauraum der elektromotorische Antrieb teilweise bereits in das Lager integriert. So beschreiben beispielsweise die deutschen Patentanmeldungen
DE 10 2011 082 810 und
DE 10 2011 082 811 jeweils ein Lager und eine Windkraftanlage, bei der eine entsprechende Anordnung von Spulen und Magnetfeldquellen in die betreffenden Lager integriert sind. Hierbei sind die Magnetfeldquellen und die Spulen entlang der radialen Richtung ausgerichtet.
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Nun kann es jedoch aufgrund der zuvor beschriebenen Verschiebungen des Außenrings zu dem Innenring dazu kommen, dass beispielsweise ein Wirkungsgrad bzw. eine Effizienz des elektromotorischen Antriebs durch eine Veränderung der Lage des Innenrings zu dem Außenring auftreten kann. Gegebenenfalls kann ebenso ein Ansprechverhalten, ein Wirkungsgrad oder ein anderer Parameter des elektromotorischen Antriebs negativ beeinflusst werden.
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Es besteht daher ein Bedarf, eine Reduzierung eines Einflusses radialer Verschiebungen der Lagerringe eines Lagers mit einem elektromotorischen Antrieb zueinander zu erzielen.
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Diesem Bedarf trägt ein Lager gemäß Patentanspruch 1 Rechnung.
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Ein Lager gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst einen ersten Lagerring und einen zweiten Lagerring, wobei der erste und der zweite Lagerring zueinander um eine axiale Richtung drehbar angeordnet sind. Das Lager umfasst ferner eine Mehrzahl von benachbart zueinander angeordneten und mit dem ersten Lagerring drehfest verbundenen Magnetfeldquellen und eine Mehrzahl von benachbart zueinander angeordneten und mit dem zweiten Lagerring drehfest verbundenen Spulen, wobei die Mehrzahl von Spulen und die Mehrzahl von Magnetfeldquellen derart angeordnet und ausgerichtet sind, dass diese einen elektromotorischen Antrieb bilden. Die Spulen der Mehrzahl von Spulen und die Magnetfeldquellen der Mehrzahl von Magnetfeldquellen sind hierbei unter einem Ausrichtungswinkel zu einer auf der axialen Richtung senkrecht stehenden radialen Richtung zueinander ausgerichtet und angeordnet, wobei der Ausrichtungswinkel ein von 0° verschiedener Winkel ist.
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Einem Lager gemäß einem Ausführungsbeispiel liegt so die Erkenntnis zugrunde, dass eine Reduzierung eines Einflusses einer radialen Verschiebung der Lagerringe eines Lagers mit einem elektromotorischen Antrieb zueinander dadurch reduziert werden kann, indem die Magnetfeldquellen und die Spulen des elektromotorischen Antriebs unter einem Ausrichtungswinkel angeordnet werden, der von 0° verschieden ist. Die Magnetfeldquellen und die Spulen werden also beispielsweise schräg zu der radialen Richtung oder auch senkrecht zu dieser angeordnet. Die radiale Richtung steht hierbei nicht nur auf der axialen Richtung senkrecht, sondern weist von dieser auch grundsätzlich weg.
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Die Magnetfeldquellen der Mehrzahl von Magnetfeldquellen sowie die Spule bzw. die Spulen der Mehrzahl von Spulen sind hierbei derart angeordnet und ausgerichtet, dass diese einen elektromotorischen Antrieb bilden. So sind die Spulen typischerweise derart ausgerichtet, dass ein von den Magnetfeldquellen erzeugtes oder bewirktes Magnetfeld die Spulen derart durchdringt, dass im Falle eines Stromdurchflusses eine Lorentzkraft auf diese einwirkt. Die Lorentzkraft bildet hierbei die physikalische Grundlage, die den elektromotorischen Antrieb ermöglicht und bewirkt.
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Zu diesem Zweck können die Spulen beispielsweise eine Stirnfläche aufweisen, die im Wesentlichen mit einer Fläche oder einer Ebene übereinstimmt, in der die Windungen der Spule angeordnet sind. So können bei einem Ausführungsbeispiel die Spule oder die Spulen der Mehrzahl von Spulen mit ihren jeweiligen Stirnflächen im Wesentlichen senkrecht zu einer Ausrichtungsfläche ausgerichtet sein, die so ausgeformt ist, dass die Magnetfeldquellen der Mehrzahl von Magnetfeldquellen ihre Magnetfelder derart bewirken, dass diese im Wesentlichen in der Ausrichtungsfläche liegen. Eine solche Ausrichtungsfläche kann beispielsweise im Falle einer radialen Ausrichtung von Spulen und Magnetfeldquellen eine senkrecht zu der axialen Richtung verlaufenden ebenen Ausrichtungsfläche sein. Die radiale Richtung steht hierbei senkrecht auf der axialen Richtung und weist stets von dieser senkrecht weg.
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Bei einem Lager gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Mehrzahl der Spulen und die Mehrzahl der Magnetfeldquellen derart ausgerichtet sein, dass der Ausrichtungswinkel wenigstens 30°, beispielsweise im Wesentlichen 90°, beträgt. Durch die Wahl des Ausrichtungswinkels von wenigstens 30° kann es gegebenenfalls möglich sein, den Einfluss radialer Verschiebungen der beiden Lagerringe des Lagers zueinander weiter zu reduzieren. Hierbei wird mit zunehmend größerem Ausrichtungswinkel ein Einfluss radialer Verschiebungen der beiden Lagerringe zueinander geringer, wenn der entsprechende Ausrichtungswinkel steigt. Es kann daher bei Ausführungsbeispielen eines Lagers durchaus sinnvoll sein, auch größere Ausrichtungswinkel zu der radialen Richtung von beispielsweise wenigstens 45°, beispielsweise wenigstens 60°, beispielsweise wenigstens 75° oder beispielsweise wenigstens 85° zu wählen. Andererseits kann es bei manchen Anwendungen gegebenenfalls ratsam sein, den Ausrichtungswinkel auf höchstens 85°, höchstens 75° oder höchstens 60° zu begrenzen, um beispielsweise einen Einfluss axialer Verschiebungen der beiden Lagerringe zueinander nicht zu groß werden zu lassen oder magnetische Effekte, die durch die Magnetfeldquellen der Mehrzahl von Magnetfeldquellen hervorgerufen werden können, gegebenenfalls zu limitieren. Je nach konkreter Ausgestaltung der betreffenden Ausführungsbeispiele kann hier jedoch auch eine entsprechende Kompensation dieser oder ähnlicher Effekte durch andere Maßnahmen, wie sie beispielsweise unten beschrieben werden, realisierbar sein.
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Bei einem Lager gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Mehrzahl von Spulen und die Mehrzahl von Magnetfeldquellen unter dem Ausrichtungswinkel auf einer gemeinsamen Ausrichtungsfläche angeordnet sein, die kegelmantelförmig oder zylinderförmig ist. Hierbei ist die Ausrichtungsfläche im mathematischen Sinne zu verstehen, die nicht notwendigerweise mit einer Oberfläche eines Gegenstands oder einer Komponente zusammenfallen muss. Die Ausrichtungsfläche kann jedoch wenigstens teilweise mit einer Oberfläche einer entsprechenden Komponente zusammenfallen. Unabhängig hiervon kann die Ausrichtungsfläche eine Symmetrieachse aufweisen, die mit der axialen Richtung zusammenfällt.
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Ein Lager gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ferner ein Magnetfeldführungsbauteil aufweisen, das bezogen auf die axiale Richtung auf einer Höhe zwischen einer Funktionsfläche des ersten Lagerrings und der Mehrzahl von Magnetfeldquellen sowie auf Höhe zwischen einer Funktionsfläche des zweiten Lagerrings und der Mehrzahl von Spulen angeordnet ist. Das Magnetfeldführungsbauteil kann hierbei ausgebildet sein, um ein Magnetfeld zu führen, wobei die Funktionsflächen des ersten und des zweiten Lagerrings Laufflächen oder Gleitflächen sind. Hierdurch kann es möglich sein, ein Eindringen magnetischer Partikel in das Lager, genauer gesagt in den Bereich der Funktionsflächen des ersten und des zweiten Lagerrings zu reduzieren, indem das Magnetfeldführungsbauteil an der beschriebenen Stelle ausgebildet ist. Hierdurch kann es gegebenenfalls möglich sein, ein von den Magnetfeldquellen bzw. den Spulen hervorgerufenes Magnetfeld im Bereich der Funktionsflächen zu reduzieren oder im Wesentlichen zu vermeiden, sodass magnetische Partikel von den Funktionsflächen des Lagerrings entfernt gehalten werden.
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Das Magnetfeldführungsbauteil kann hierbei als von dem ersten und dem zweiten Lagerring verschiedenes Bauteil ausgeführt sein. Hierdurch kann gegebenenfalls eine gezieltere Abstimmung des Magnetfeldführungsbauteils auf die Fähigkeit zur Führung des Magnetfeldes verbessert werden, während die Lagerringe hinsichtlich ihrer mechanischen Funktionalität abgestimmt sein können.
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Das Magnetfeldführungsbauteil kann hierbei bei einem Ausführungsbeispiel einstückig ausgeführt sein und/oder ein weichmagnetisches Material umfassen oder aus diesem gefertigt sein. Ein weichmagnetischer Werkstoff ist hierbei ein solcher, der eine hohe Permeabilität und eine geringe Remanenz aufweist. Es handelt sich also häufig um einen ferromagnetischen Werkstoff, dessen Permeabilität wenigstens 150 beträgt, die jedoch ebenso deutlich höhere Werte von mehr als 1000, von mehr als 10000 oder von mehr als 100000 annehmen kann. Häufig geht eine geringe Remanenz auch mit einer geringeren Koerzitivfeldstärke einher, weshalb ein weichmagnetischer Werkstoff gegebenenfalls alternativ oder ergänzend auch durch ein geringes Koerzitivfeld charakterisiert sein kann. Bei einem Ausführungsbeispiel eines Lagers kann so beispielsweise als weichmagnetischer Werkstoff bzw. als weichmagnetisches Material Eisen, ein Stahl mit einem geringen Kohlenstoffanteil, ein Stahl mit Siliziumzusatz, aber auch eine Nickel-Eisen-Legierung, eine Kobalt-Eisen-Legierung oder eine andere Legierung, beispielsweise auf Basis von Eisen und Aluminium und gegebenenfalls einem Zusatz von Silizium, herangezogen werden.
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Hierbei wird unter einer einstückig ausgebildeten Komponente eine solche verstanden, die genau aus einem zusammenhängenden Materialstück gefertigt ist. Der Begriff „einstückig“ kann daher synonym mit den Begriffen „integral“ und „einteilig“ verwendet werden. Ebenso kann jedoch das Magnetfeldführungsbauteil auch beispielsweise aus einer Mehrzahl von blechartigen Werkstücken gefertigt sein, die ihrerseits aus einem weichmagnetischen Material bestehen oder dieses zumindest umfassen.
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Bei einem solchen Lager gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Magnetfeldführungsbauteil mit der Mehrzahl der Magnetfeldquellen oder der Mehrzahl von Spulen in Kontakt stehen. Hierdurch kann es möglich sein, eine effizientere Führung des von den Magnetfeldquellen bzw. auch den Spulen erzeugten Magnetfelds zu führen, ohne dass dieses von den Magnetfeldquellen bzw. den Spulen zuerst durch ein anderes Bauteil bzw. über einen Spalt in das Magnetfeldführungsbauteil eindringen muss. Das Magnetfeldführungsbauteil kann so unmittelbar mit den Magnetfeldquellen bzw. den Spulen in Kontakt stehen, wobei gegebenenfalls vorhandene Behelfsstrukturen, beispielsweise zur Erleichterung der Montage der betreffenden Komponenten, unberücksichtigt bleiben.
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Bei einem Lager gemäß einem Ausführungsbeispiel, das ein Magnetfeldführungsbauteil umfasst, kann eine Verbindungsgerade das Magnetfeldführungsbauteil schneiden, wobei die Verbindungsgerade in einer die axiale Richtung umfassenden Schnittebene verläuft und einen Mittelpunkt einer kürzesten Verbindungsgeraden, die an der Funktionsfläche des ersten Lagerrings beginnt und an der Funktionsfläche des zweiten Lagerrings endet, mit einer Spule der Mehrzahl der Spulen oder einer Magnetfeldquelle der Mehrzahl von Magnetfeldquellen verbindet. Das Magnetfeldführungsbauteil kann so zwischen den Funktionsflächen bzw. einem Mittelpunkt der kürzesten Verbindungsgeraden zwischen denselben und den magnetisch aktiven Komponenten des elektromotorischen Antriebs angeordnet sein. Anders ausgedrückt kann durch diese Anordnung des Magnetfeldführungsbauteils gegebenenfalls eine verbesserte magnetische Abschirmung der magnetisch aktiven Komponenten des elektromotorischen Antriebs von den Funktionsflächen des Lagers erzielt werden. Hierdurch kann gegebenenfalls das Eindringen magnetischer Partikel oder magnetischer Teilchen, also beispielsweise magnetischer Späne, in den Bereich der Funktionsflächen reduziert werden.
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Bei einem solchen Lager gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Magnetfeldführungsbauteil derart ausgebildet sein, dass unabhängig von einem für das Lager spezifizierten Grad einer Verdrehung des ersten Lagerrings zu dem zweiten Lagerring, bei der die Spulen der Mehrzahl der Spulen den Magnetfeldquellen der Mehrzahl von Magnetfeldquellen wenigstens teilweise gegenüberliegen, die Verbindungsgerade schneidet. Hierdurch kann es möglich sein, die abschirmende Wirkung, die zuvor beschrieben wurde, unabhängig von der akut vorliegenden Verdrehung der beiden Lagerringe zueinander zu erzielen.
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Bei einem Lager gemäß einem Ausführungsbeispiel, das ein Magnetfeldführungsbauteil umfasst, kann das Magnetfeldführungsbauteil einen Führungsabschnitt umfassen, der entlang der radialen Richtung zu den Spulen der Mehrzahl der Spulen oder zu den Magnetfeldquellen der Mehrzahl der Magnetfeldquellen versetzt angeordnet und im Wesentlichen parallel zu der Mehrzahl der Spulen oder der Mehrzahl der Magnetfeldquellen ausgerichtet sein kann. Hierdurch kann bei einem solchen Lager gegebenenfalls eine Führung des Magnetfelds weiter verbessert werden, indem das Magnetfeld über den Führungsabschnitt näher an die Spulen bzw. die Magnetfeldquellen herangeführt wird, mit denen das entsprechende Magnetfeldführungsbauteil gerade nicht in Kontakt steht.
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Bei einem Lager gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Mehrzahl der Magnetfeldquellen und die Mehrzahl der Spulen im Wesentlichen parallel zu der axialen Richtung ausgerichtet und entlang der axialen Richtung versetzt zu einem Mittelpunkt einer kürzesten Verbindungsgerade zwischen einer Funktionsfläche des ersten Lagerrings und einer Funktionsfläche des zweiten Lagerrings angeordnet sein, wobei die Funktionsflächen des ersten und des zweiten Lagerrings Laufflächen oder Gleitflächen sind. Die Mehrzahl der Magnetfeldquellen und die Mehrzahl der Spulen können hierbei entlang der radialen Richtung nicht versetzt zu dem Mittelpunkt der kürzesten Verbindungsgeraden angeordnet sein. Anders ausgedrückt können die Mehrzahl der Magnetfeldquellen und die Mehrzahl der Spulen im Wesentlichen nur parallel zu der axialen Richtung ausgehend von dem zuvor definierten Mittelpunkt der kürzesten Verbindungsgerade zwischen den beiden Funktionsflächen der Lagerringe versetzt angeordnet sein. Gerade bei einer solchen Anordnung und der ebenso definierten Ausrichtung der Mehrzahl der Spulen und der Mehrzahl der Magnetfeldquellen kann es möglich sein, im Zusammenspiel mit dem Magnetfeldführungsbauteil eine besonders effiziente Abschirmung des Bereichs der Funktionsflächen der beiden Lagerringe von dem Magnetfeld der Komponenten des elektromotorischen Antriebs zu realisieren.
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Bei einem Lager gemäß einem Ausführungsbeispiel können sich die Mehrzahl der Magnetfeldquellen und die Mehrzahl der Spulen im Wesentlichen vollständig um die axiale Richtung herum erstrecken. In einem solchen Fall handelt es sich bei dem elektromotorischen Antrieb um einen sogenannten Direktantrieb (engl. direct drive motor). Alternativ hierzu kann bei einem Lager gemäß einem Ausführungsbeispiel bezogen auf die axiale Richtung die Mehrzahl der Magnetfeldquellen in einem ersten Winkelbereich angeordnet sein, an den sich ein zweiter Winkelbereich von wenigstens 30° anschließt, in dem keine Magnetfeldquellen angeordnet sind. Die Mehrzahl der Spulen kann in einem solchen Fall in einem weiteren ersten Winkelbereich angeordnet sein, an den sich ein weiterer zweiter Winkelbereich von wenigstens 30° anschließt, in dem keine Spulen angeordnet sind. Bei einer solchen Anordnung der Mehrzahl der Magnetfeldquellen und der Mehrzahl der Spulen kann es sich um einen linearantrieb-ähnlichen Motor handeln, der häufig einfach auch als Linearantrieb bezeichnet wird, obwohl die Bewegung durch diesen nicht einer Geraden im mathematischen Sinn folgt. Ein solcher Linearantrieb kann im Unterschied zu einem Direktantrieb gegebenenfalls nur ein Verschwenken des ersten Lagerrings zu dem zweiten Lagerring um einen vorbestimmten Winkelbereich ermöglichen, während im Falle eines Direktantriebs gegebenenfalls auch beliebige Drehungen ohne eine entsprechende Beschränkung eines zulässigen oder spezifizierten Winkelbereichs möglich sein können.
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Bei einem solchen Ausführungsbeispiel können der erste Winkelbereich und/oder der weitere erste Winkelbereich beispielsweise wenigstens 30°, wenigstens 45°, wenigstens 60°, wenigstens 75°, wenigstens 90° oder wenigstens 120° umfassen. Ebenso können der zweite Winkelbereich sowie der weitere zweite Winkelbereich unabhängig voneinander die gleichen, vorgenannten minimalen Winkelbereiche umfassen. Die genaue Ausgestaltung der genannten Winkelbereiche, also des ersten Winkelbereichs, des weiteren ersten Winkelbereichs, des zweiten Winkelbereichs und des weiteren zweiten Winkelbereichs, hängt hierbei von einer Vielzahl von Parametern ab, zu denen beispielsweise ein spezifiziertes und von dem elektromotorischen Antrieb erzeugbares Drehmoment ebenso gehört, wie der spezifizierte Grad der Verdrehung der beiden Lagerringe zueinander. Der spezifizierte Grad der Verdrehung der beiden Lagerringe zueinander kann hierbei beispielsweise im Wesentlichen durch einen absoluten Wert einer Differenz des Wertes des ersten Winkelbereichs und eines Wertes des weiteren ersten Winkelbereichs gegeben sein.
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Die Implementierung eines Linearantriebs kann hierbei gerade im Falle eines geschwenkten Grads der Verdrehung der beiden Lagerringe zueinander eine Einsparung an Magnetfeldquellen und/oder Spulen ermöglichen.
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Unabhängig davon, in welcher Form der elektromotorische Antrieb implementiert und realisiert ist, kann die Mehrzahl von Spulen und die Mehrzahl von Magnetfeldquellen derart angeordnet sein, dass ein Verhältnis eines Winkels, unter dem zwei benachbarte Spulen der Mehrzahl von Spulen angeordnet sind, zu einem weiteren Winkel, unter dem zwei benachbarte Magnetfeldquellen angeordnet sind, zwischen 0,6 und 0,95 oder zwischen 1,05 und 1,4 liegen. Hierdurch kann es gegebenenfalls möglich sein, ein sanfteres Anfahren des elektromotorischen Antriebs zu ermöglichen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel eines Lagers kann eine Magnetfeldquelle der Mehrzahl von Magnetfeldquellen beispielsweise auf Basis eines Permanentmagneten oder einer Spule gebildet sein. Anders ausgedrückt kann eine Magnetfeldquelle der Mehrzahl von Magnetfeldquellen einen Permanentmagneten oder eine Spule umfassen oder durch diese gebildet sein. Als Permanentmagnete können grundsätzlich alle hartmagnetischen Materialien verwendet werden, beispielsweise Neodym-Eisen-Bor-Permanentmagnete (NdFeB-Permanentmagnete).
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Eine Spule der Mehrzahl von Spulen weist hierbei im Allgemeinen eine Mehrzahl von Windungen auf, die im Wesentlichen parallel zu einer Stirnfläche der Spule ausgeführt sind. Die Stirnfläche der Spule weist hierbei eine Flächennormale auf, die parallel zu dem Ausrichtungswinkel verläuft, also beispielsweise in der Ausrichtungsfläche liegt.
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Hierbei kommt eine kraftschlüssige oder reibschlüssige Verbindung durch Haftreibung, eine stoffschlüssige Verbindung durch molekulare oder atomare Wechselwirkungen und Kräfte und eine formschlüssige Verbindung durch eine geometrische Verbindung der betreffenden Verbindungspartner zustande. Die Haftreibung setzt somit insbesondere eine Normalkraftkomponente zwischen den beiden Verbindungspartnern voraus.
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen Ausführungsbeispiele näher beschrieben.
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1 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch ein Lager gemäß einem Ausführungsbeispiel entlang einer axialen und radialen Richtung;
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2 illustriert eine Anordnung von Magnetfeldquellen und Spulen entlang einer Umfangsrichtung bei einem Lager gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einem nach dem Linearmotorprinzip angeordneten elektromotorischen Antrieb;
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3 zeigt schematisch ein Eindringen von magnetischen Feldlinien in einen Raumbereich;
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4 illustriert eine Abschirmwirkung für magnetische Feldlinien durch ein weichmagnetisches Material; und
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5 illustriert eine Anordnung von Magnetfeldquellen und Spulen bei einem Lager gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem der elektromotorische Antrieb gemäß einem Direktantriebsprinzip angeordnet ist.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung der beigefügten Figuren, die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen, bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten. Ferner werden zusammenfassende Bezugszeichen für Komponenten und Objekte verwendet, die mehrfach in einem Ausführungsbeispiel oder in einer Zeichnung auftreten, jedoch hinsichtlich eines oder mehrerer Merkmale gemeinsam beschrieben werden. Komponenten oder Objekte, die mit gleichen oder zusammenfassenden Bezugszeichen beschrieben werden, können hinsichtlich einzelner, mehrerer oder aller Merkmale, beispielsweise ihrer Dimensionierungen, gleich, jedoch gegebenenfalls auch unterschiedlich ausgeführt sein, sofern sich aus der Beschreibung nicht etwas anderes explizit oder implizit ergibt.
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1 zeigt eine Querschnittsdarstellung durch ein Lager 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel entlang einer axialen Richtung 110 und einer senkrecht auf der axialen Richtung 110 stehenden radialen Richtung 120. Die radiale Richtung 120 steht hierbei nicht nur senkrecht auf der axialen Richtung 110, sondern weist von dieser stets weg. Auf jedem Punkt in der in 1 gezeigten Querschnittsebene steht eine Umfangsrichtung 130 sowohl auf der axialen Richtung 110, wie auch auf der radialen Richtung 120 senkrecht.
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Das Lager 100 umfasst einen ersten Lagerring 140 und einen zweiten Lagerring 150, die zueinander um die axiale Richtung 110 drehbar angeordnet sind. Bei dem ersten Lagerring 140 handelt es sich um einen Außenring 160 und bei dem zweiten Lagerring 150 um einen Innenring 170 eines Wälzlagers. Entsprechend weisen die beiden Lagerringe 140, 150 an einer einander zugewandten Seite jeweils eine Lauffläche 180-1, 180-2 auf, zwischen denen Wälzkörper 190 angeordnet sind und bei einer entsprechenden Relativbewegung um die axiale Richtung 110 herum an diesen abrollen können.
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Das Lager 100 weist ferner eine Mehrzahl von benachbart zueinander angeordneten und mit dem ersten Lagerring 140 drehfest verbundenen Magnetfeldquellen 200 auf. Die Magnetfeldquellen sind über ein Aufnahmebauteil 210 und ein Distanzbauteil 220, das zwischen dem Aufnahmebauteil 210 und dem ersten Lagerring 140 angeordnet ist, miteinander über eine Verschraubung 230 verbunden. An einer dem Distanzbauteil 220 abgewandten Seite weist das in 1 gezeigte Lager 100 eine Distanzscheibe 240 auf, die zwischen dem ersten Lagerring 140 und einem ersten Bauteil 250 angeordnet ist. Das erste Bauteil 250 sowie die Distanzscheibe 240 sind ebenfalls über die Verschraubung 230 mit dem ersten Lagerring 140 und damit mit der Mehrzahl von Magnetfeldquellen 200 drehfest verbunden.
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Der zweite Lagerring 150 ist mit einer Mehrzahl von Spulen 260 über ein weiteres Aufnahmebauteil 270 und ein zweites Bauteil 280 drehfest verbunden. Genauer gesagt sind das weitere Aufnahmebauteil 270, das zweite Bauteil 280 sowie der zweite Lagerring 150 über eine weitere Verschraubung 290 miteinander gekoppelt.
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Die Mehrzahl von Magnetfeldquellen 200 sowie die Mehrzahl von Spulen 260 sind hierbei derart angeordnet und ausgerichtet, dass diese einen elektromotorischen Antrieb bilden. So können die Magnetfeldquellen 200, die entlang der Umfangsrichtung 130 benachbart zueinander angeordnet sind, jeweils ein Magnetfeld mit abwechselnder Polarität bereitstellen bzw. erzeugen. Anders ausgedrückt können jeweils zwei benachbarte Magnetfeldquellen 200 derart angeordnet und ausgerichtet sein, dass diese bezogen auf die Mehrzahl von Spulen 260 jeweils ein Magnetfeld mit alternierender Polarisation erzeugen. Benachbart sind hierbei zwei Magnetfeldquellen 200 oder auch zwei andere Objekte, zwischen denen kein weiteres Objekt desselben Typs angeordnet ist. Unmittelbar benachbart sind entsprechende Objekte, wenn sie aneinandergrenzen, also beispielsweise miteinander in Kontakt stehen.
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Auch die Spulen 260 der Mehrzahl von Spulen sind entlang der Umfangsrichtung 130 benachbart zueinander angeordnet und erstrecken sich entlang der Umfangsrichtung 130. Eine genaue Beschreibung der Anordnung der Spulen 260 und der Magnetfeldquellen 200 erfolgt im Zusammenhang mit den 2 und 5 für einen nach dem Linearmotorprinzip arbeitenden elektromotorischen Antrieb bzw. für einen nach dem Direktantriebsprinzip funktionierenden elektromotorischen Antrieb.
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Die Spulen 260 und die Magnetfeldquellen 200 sind hierbei gegenüber der radialen Richtung 120 unter einem Ausrichtungswinkel angeordnet, der von 0° verschieden ist. Genauer gesagt sind die Magnetfeldquellen 200 und die Spulen 260 auf einer gemeinsamen Ausrichtungsfläche 300 angeordnet, die mit der radialen Richtung 120 den vorgenannten Ausrichtungswinkel einschließt. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Lagers 100 beträgt der Ausrichtungswinkel im Wesentlichen 90°, sodass die Spulen 260 und die Magnetfeldquellen 200 entsprechend entlang der axialen Richtung 110 angeordnet sind.
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Die Ausrichtungsfläche 300 stellt so im vorliegenden Fall eine zylinderförmige Fläche dar, bei der es sich jedoch um eine Fläche im mathematischen Sinne handelt, die nicht notwendigerweise mit einer gegenständlichen Oberfläche zusammenfällt. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Ausrichtungsfläche 300 jedoch wenigstens teilweise mit einer Oberfläche einer entsprechenden gegenständlichen Komponente des betreffenden Ausführungsbeispiels zusammenfallen.
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Bei anderen Ausführungsbeispielen kann der Ausrichtungswinkel auch einen von 0° und von 90° verschiedenen Ausrichtungswinkel aufweisen. In einem solchen Fall ist die Ausrichtungsfläche 300 kegelmantelförmig ausgestaltet. Der Ausrichtungswinkel kann hierbei bei unterschiedlichen Ausführungsbeispielen unterschiedliche Werte annehmen, beispielsweise von wenigstens 30°, von wenigstens 45°, von wenigstens 60° oder auch von wenigstens 75° oder wenigstens 85°. Eine Abweichung von etwa 5° oder von etwa 2° von einer rechtwinkligen Orientierung kann hierbei je nach konkreter Ausgestaltung eines Ausführungsbeispiels als im Wesentlichen rechtwinklig bzw. 90° betrachtet werden.
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Unabhängig von der genauen Wahl des Ausrichtungswinkels, also der Orientierung der Ausrichtungsfläche 300 gegenüber der axialen Richtung 110, kann eine Symmetrieachse der Ausrichtungsfläche 300 hierbei mit der axialen Richtung 110 zusammenfallen.
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Durch die von 0° abweichende Ausrichtung der Spulen 260 und der Magnetfeldquellen 200 kann so eine Reduzierung eines Einflusses radialer Verschiebungen der beiden Lagerringe 140, 150 des Lagers 100 zueinander auf den elektromotorischen Antrieb reduziert werden. Hierdurch kann es gegebenenfalls möglich sein, eine Effizienz des elektromotorischen Antriebs zu verbessern oder auch die an dem elektromotorischen Antrieb wirkenden Kräfte bzw. Drehmomente gleichmäßiger entlang der Umfangsrichtung 130 zu verteilen. Dies kann insbesondere dann von Interesse sein, wenn die axiale Richtung 110 des Lagers 100 nicht mit der Richtung der Schwerkraft im Einbauzustand des Lagers 100 übereinstimmt, dieses also zu einer durch die Schwerkraft definierten Vertikalen verkippt eingesetzt wird.
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Das in 1 gezeigte Lager 100 weist ferner ein Magnetfeldführungsbauteil 310 auf, das ausgebildet ist, um ein Magnetfeld zu führen. Das Magnetfeldführungsbauteil 310 ist hierbei bezogen auf die axiale Richtung 110 auf einer Höhe zwischen der Lauffläche 180-1 des ersten Lagerrings 140 und den Magnetfeldquellen 200 angeordnet. Ebenso ist das Magnetfeldführungsbauteil 310 entlang der axialen Richtung 110 auf einer Höhe zwischen der Lauffläche 180-2 des zweiten Lagerrings 150 und den Spulen 260 angeordnet. Das Magnetfeldführungsbauteil 310 ist hierbei von dem ersten und dem zweiten Lagerring 140, 150 verschieden. Es handelt sich somit um ein von den beiden Lagerringen 140, 150 separates Bauteil bzw. um einen Teil eines anderen Bauteils, das nicht mit den Lagerringen 140, 150 übereinstimmt.
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Das Magnetfeldführungsbauteil kann hierbei ein weichmagnetisches Material bzw. einen weichmagnetischen Werkstoff umfassen oder aus diesem gefertigt sein. Ein weichmagnetischer Werkstoff ist hierbei ein solcher, der eine hohe Permeabilität und eine geringe Remanenz oder ein entsprechend geringes Koerzitivfeld aufweist. Häufig gehen eine geringe Remanenz und ein geringes Koerzitivfeld miteinander einher. Bei Ausführungsbeispielen eines Lagers 100 können so als weichmagnetische Werkstoffe bzw. weichmagnetische Materialien beispielsweise Eisen, Stähle mit einem geringen Kohlenstoffanteil, Stähle mit Siliziumzusatz, aber auch Nickel-Eisen-Legierungen, Kobalt-Eisen-Legierungen und andere Legierungen, beispielsweise auf Basis von Eisen und Aluminium, ausgeführt werden, wobei bei Letzteren beispielsweise ebenfalls Silizium hinzugegeben werden kann. Das Magnetfeldführungsbauteil 310 kann hierbei einstückig, aber auch auf Basis beispielsweise mehrerer blechartiger Werkstücke gefertigt werden.
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Das Magnetfeldführungsbauteil 310 steht hierbei mit den Magnetfeldquellen 200 der Mehrzahl von Magnetfeldquellen unmittelbar in Kontakt. Hierbei bleiben gegebenenfalls vorhandene Behelfsstrukturen, die beispielsweise zur Erleichterung der Herstellung der Magnetfeldquellen oder ihrer Montage dienen können, unberücksichtigt. Gegebenenfalls vorhandene Kunststoffhalter, Folien oder ähnliche Objekte können daher gegebenenfalls hierbei als Behelfsstrukturen unberücksichtigt bleiben.
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Das Magnetfeldführungsbauteil 310 steht so an einer den Laufflächen 180 abgewandten Seite über einen Basisabschnitt 320 mit den Magnetfeldquellen 200 in Kontakt. Ausgehend von dem Basisabschnitt 320 erstrecken sich im Wesentlichen entlang der Ausrichtungsfläche 300, entlang der radialen Richtung 120 jedoch versetzt zu den Magnetfeldquellen 200 Führungsabschnitte 330-1, 330-2 auf, die sich auf die Spulen 260 hin zu erstrecken.
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Das Lager 100 weist darüber hinaus ein weiteres Magnetfeldführungsbauteil 340 auf, welches ebenfalls mit einem Basisabschnitt 350 mit den Spulen 260 in Kontakt steht. Der Basisabschnitt 350 erstreckt sich hierbei, genau wie der Basisabschnitt 320 des Magnetfeldführungsbauteils 310, im Wesentlichen senkrecht zu der Ausrichtungsfläche 300, also im vorliegenden Fall im Wesentlichen entlang der radialen Richtung 120. Auch das weitere Magnetfeldführungsbauteil 340 weist den Führungsabschnitten 330 entsprechende weitere Führungsabschnitte 360-1, 360-2 auf, die sich ausgehend von dem Basisabschnitt 350 auf die Magnetfeldquellen 200 zu hin erstrecken. Auch die weiteren Führungsabschnitte 360 sind hierbei im Wesentlichen parallel zu der Ausrichtungsfläche 300 ausgerichtet.
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Das in 1 gezeigte Lager 100 stellt hierbei ein Lager dar, welches eine Vielzahl optionaler Komponenten umfasst, die bei anderen Ausführungsbeispielen eines Lagers 100 entfallen können. Hierzu zählen unter anderem die Distanzscheibe 240, das Distanzbauteil 220 sowie gegebenenfalls die separate Ausführung des Aufnahmebauteils 210. Entsprechend handelt es sich auch bei dem weiteren Aufnahmebauteil 270 um ein optionales Bauteil, das bei Ausführungsbeispielen gegebenenfalls ebenso entfallen kann, wie die beiden Magnetfeldführungsbauteile 310, 340. So können beispielsweise bei einer entsprechenden Ausgestaltung des ersten und/oder des zweiten Lagerrings 140, 150 auch über diese eine entsprechende drehfeste Verbindung der Spulen 260 bzw. der Magnetfeldquellen 200 erfolgen. Im Hinblick auf das Distanzbauteil 220 und die Distanzscheibe 240 ist zu bemerken, dass diese bei Weitem nicht die in 1 gezeigte identische Bauhöhe entlang der axialen Richtung 110 aufweisen müssen. Diese können beispielsweise unterschiedlich ausgeführt sein hinsichtlich ihrer axialen Erstreckung, sodass gegebenenfalls die Distanzscheibe 240 durch eine entsprechende, entlang der axialen Richtung 110 längere Ausführung des Außenrings 160 ersetzt werden kann. So dient bei dem in 1 gezeigten Lager 100 die Distanzscheibe 240 im Wesentlichen dazu, um Bauraum für einen Schraubenkopf 370 der weiteren Verschraubung 290 zu schaffen.
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Bei anderen Ausführungsbeispielen eines Lagers 100 können der erste Lagerring 140 und der zweite Lagerring 150 auch mit vertauschten Rollen im Hinblick auf ihre Funktion als Außenring bzw. Innenring implementiert werden. So kann entsprechend beispielsweise die Mehrzahl der Magnetfeldquellen 200 im Falle einer Implementierung des ersten Lagerrings 140 als Innenring 170 so auch mit diesem drehfest verbunden sein. Gleiches gilt entsprechend für die Mehrzahl der Spulen 260.
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Auch können bei anderen Ausführungsbeispielen eines Lagers 100 die Positionen der Magnetfeldquellen 200 und der Spulen 260 entlang der axialen Richtung 110 vertauscht sein. So können entsprechend – unabhängig von der Implementierung der beiden Lagerringe 140, 150 als Außenring bzw. Innenring 160, 170 – und auch unabhängig von der genauen Ausrichtung der Ausrichtungsfläche 300 und der entsprechenden Wahl des Ausrichtungswinkels gegenüber der radialen Richtung 120 entlang der axialen Richtung 110 vertauscht werden. So können also die Magnetfeldquellen 200 oder auch die Spulen 260 näher an den Laufflächen 180 der beiden Lagerringe 140, 150 angeordnet sein.
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Das Lager 100 kann hierbei sowohl als Wälzlager, wie auch als Gleitlager implementiert werden. Im Falle einer Implementierung als Wälzlager können auch andere als die in 1 gezeigten kugelförmigen Wälzkörper 190 implementiert werden. So können beispielsweise zylinderförmige, tonnenförmige, nadelförmige, kegelförmige oder andere Wälzkörper im Rahmen entsprechender Lager 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel verwendet werden. Je nach konkreter Implementierung der Wälzkörper 190 kann es hierbei ratsam sein, die Laufflächen 180 entsprechend an die Geometrie der Wälzkörper 190 anzupassen. Ebenso können mehrreihige Wälzlager verwendet werden.
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Wie bereits zuvor erwähnt wurde, können Lager 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel auch als Gleitlager implementiert werden. In einem solchen Fall weisen die beiden Lagerringe 140, 150 keine Laufflächen 180, sondern Gleitflächen auf. Diese stehen gegebenenfalls vermittels über einen Schmierfilm miteinander in Wechselwirkung. Entsprechend können die Gleitflächen Strukturen zur Förderung bzw. zum Bereitstellen eines Gleitmittels umfassen. Aufgrund der Möglichkeit, ein Lager 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel sowohl als Wälzlager wie auch als Gleitlager zu implementieren, werden die Laufflächen 180 und die Gleitflächen zusammenfassend auch als Funktionsflächen bezeichnet.
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Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Lagers 100 sind hierbei die Magnetfeldquellen 200 und die Spulen 260 im Wesentlichen parallel zu der axialen Richtung 110 ausgerichtet und entlang der axialen Richtung 110 versetzt zu einem Mittelpunkt einer kürzesten Verbindungsgeraden 380 der beiden Funktionsflächen (Laufflächen 180) der beiden Lagerringe 140, 150 angeordnet. Die kürzeste Verbindungsgerade 380 wird hierbei bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Lagers 100 von der Ausrichtungsfläche 300 geschnitten, die, wie zuvor erläutert wurde, ebenfalls im Wesentlichen parallel zu der axialen Richtung 110 sich erstreckt. Anders ausgedrückt befinden sich die Spulen 260 und die Magnetfeldquellen 200, die den elektromotorischen Antrieb des Lagers 100 implementieren, entlang der axialen Richtung 110 „oberhalb“ bzw. „unterhalb“ der Wälzkörper 190.
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Selbstverständlich können die betreffenden Komponenten auch mithilfe anderer Verbindungstechniken als den in 1 gezeigten Verschraubungen 230, 290 miteinander verbunden werden. So kann gegebenenfalls eine entsprechende drehfeste Verbindung auch mithilfe einer stoffschlüssigen, formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Verbindungstechnik geschaffen werden.
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2 zeigt eine schematische Darstellung der Anordnung der Magnetfeldquellen 200 und der Spulen 260 entlang der Umfangsrichtung 130 des Lagers 100 aus 1. Mit dem Aufnahmebauteil 210 ist das Magnetfeldführungsbauteil 310 verbunden, welches über den Basisabschnitt 320, der sich ebenso entlang der Umfangsrichtung 130 erstreckt, mit den den Spulen 260 abgewandten Seiten mit den Magnetfeldquellen 200 verbunden ist. Wie bereits zuvor im Zusammenhang mit 1 kurz angesprochen wurde, sind die Magnetfeldquellen 200 hierbei benachbart zueinander angeordnet und derart ausgebildet und ausgerichtet, dass diese Magnetfelder mit alternierenden Polaritäten bereitstellen erzeugen. In 2 ist dies durch unterschiedliche Farben der Magnetfeldquellen 200 illustriert. So erzeugen die beiden Magnetfeldquellen 200-11 und 200-12, die nicht nur benachbart, sondern sogar unmittelbar benachbart bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel angeordnet sind, Magnetfelder, die eine unterschiedliche Polarität aufweisen. So kann beispielsweise die Magnetfeldquelle 200-11 mit einem Nordpol den Spulen 260 zugewandt sein, während die Magnetfeldquelle 200-12 den Spulen 260 mit einem Südpol zugewandt sein kann.
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Die Magnetfeldquellen 200 sind hierbei in einem ersten Winkelbereich 390 angeordnet, an den sich ein zweiter Winkelbereich 400 unmittelbar anschließt, der wenigstens 30° umfasst. In dem zweiten Winkelbereich 400 sind keine Magnetfeldquellen 200 angeordnet.
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Neben den im Zusammenhang mit 1 erläuterten Führungsabschnitten 330 weist das Magnetfeldführungsbauteil 310 ferner Umfangsabschnitte 410-1, 410-2 auf, die mit dem Basisabschnitt 320 verbunden und sich entlang der axialen Richtung 110 erstrecken. Der Umfangsabschnitt 410-2 ist hierbei in dem zweiten Winkelbereich 400 angeordnet. Durch die Implementierung der Umfangsabschnitte 410 kann hier gegebenenfalls eine verbesserte Führung der Magnetfelder über einen Spalt 420 erfolgen, der sich zwischen den Magnetfeldquellen 200 und den Spulen 260 ausbildet.
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Auch die Spulen 260 sind mit dem weiteren Magnetfeldführungsbauteil 340 über dessen Basisabschnitt 350 mit dem weiteren Aufnahmebauteil 270 des Lagers 100 verbunden. Auch die Spulen 260 sind bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Lagers 100 in einem weiteren ersten Winkelbereich 430 angeordnet, an den sich unmittelbar ein weiterer zweiter Winkelbereich 440 anschließt, in dem keine Spulen angeordnet sind. Der weitere zweite Winkelbereich 440 umfasst hier ebenfalls wenigstens 30°. Es handelt sich daher bei der in 2 illustrierten Anordnung der Magnetfeldquellen 200 und der Spulen 260 um einen nach dem Linearmotorprinzip arbeitenden elektromotorischen Antrieb. Dieser weist typischerweise einen beschränkten Grad einer möglichen Verdrehung der beiden Lagerringe 140, 150 (nicht gezeigt in 2) auf, bei dem die Spulen 260 den Magnetfeldquellen 200 wenigstens teilweise gegenüberliegen. Anders ausgedrückt weist ein solcher elektromotorischer Antrieb typischerweise einen beschränkten Winkelbereich auf, in dem der elektromotorische Antrieb im Bereich seiner höchsten Effizienz arbeitet. Dieser Winkelbereich ergibt sich häufig als Differenz der Werte des ersten Winkelbereichs 390 und des weiteren ersten Winkelbereichs 430.
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Um auch im Bereich außerhalb der Spulen 260 entlang der Umfangsrichtung 130 eine Führung des Magnetfelds über den Spalt 420 hinweg zu ermöglichen, weist das weitere Magnetfeldführungsbauteil 340 sich an die Spulen 260 anlehnende bzw. mit diesen in Kontakt stehenden Umfangsabschnitte 450-1, 450-2 auf, die mit dem Basisabschnitt 350 verbunden sind. Der Umfangsabschnitt 450-2 erstreckt sich hierbei zumindest teilweise in den weiteren zweiten Winkelbereich 440. Hinsichtlich ihrer Ausdehnung sind die Umfangsabschnitte 450 und damit das weitere Magnetfeldführungsbauteil 340 derart ausgestaltet, dass unabhängig von einem Grad einer Verdrehung, bei der die Spulen 260 den Magnetfeldquellen 200 wenigstens teilweise gegenüberliegen, die Magnetfeldquellen 200 entweder den Spulen oder aber dem weiteren Magnetfeldführungsbauteil 340 gegenüberliegt.
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Bei dem in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel eines Lagers 100 ist das Magnetfeldführungsbauteil 310 nun gerade derart ausgestaltet, dass die von dem Mittelpunkt der kürzesten Verbindungsgeraden 380 ausgehenden, in 1 mit der Ausrichtungsfläche 300 zusammenfallenden Verbindungsgerade unabhängig von der aktuellen Verdrehung der beiden Lagerringe 140, 150 zueinander diese das Magnetfeldführungsbauteil 310 stets schneidet, solange das Lager 100 um nicht mehr als den spezifizierten Grad der Verdrehung verdreht wird. Die Verbindungsgerade verbindet hierbei den Mittelpunkt der kürzesten Verbindungsgerade 380 mit einer Magnetfeldquelle 200 der Mehrzahl von Magnetfeldquellen. Im Falle der entlang der axialen Richtung 110 umgekehrten Anordnung von Magnetfeldquellen 200 und Spulen 260 tritt in Bezug auf die Verbindungsgerade in diesem Fall eine Spule 260 der Mehrzahl der Spulen.
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Um gegebenenfalls ein Ansprechverhalten des elektromotorischen Antriebs zu verbessern, sind die Spulen 260 der Mehrzahl von Spulen derart angeordnet, dass ein Verhältnis eines Winkels, unter dem zwei benachbarten Spulen 260 angeordnet sind, zu einem weiteren Winkel, unter dem zwei benachbarte Magnetfeldquellen 200, also beispielsweise die beiden Magnetfeldquellen 200-11, 200-12, angeordnet sind, zwischen 0,6 und 0,95 oder zwischen 1,05 und 1,4 liegt. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt das Verhältnis etwa 1,1.
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Selbstverständlich können bei anderen Ausführungsbeispielen die Anzahl der implementierten Magnetfeldquellen 200 und die Anzahl der implementierten Spulen variieren. So können bei anderen Ausführungsbeispielen durchaus mehr oder weniger als drei Spulen 260, im Falle der Magnetfeldquellen 200 mehr oder weniger als 15 derselben implementiert sein, wie dies in 2 dargestellt ist.
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Die Magnetfeldquellen 200 können hierbei beispielsweise einen Permanentmagneten und/oder eine Spule umfassen. Als Permanentmagneten können grundsätzlich alle hartmagnetischen Materialien eingesetzt werden, die den entsprechenden Einsatzbedingungen des Lagers 100 gewachsen sind. So können die Magnetfeldquellen 200 beispielsweise auf Basis einer Neodym-Eisen-Bor-Verbindung realisiert sein, also beispielsweise als Neodym-Eisen-Bor-Permanentmagnete (NdFeB-Permanentmagnete) realisiert sein. Sie können jedoch ebenso als Spulen implementiert sein.
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Die Spulen 260 der Mehrzahl von Spulen weisen typischerweise eine Mehrzahl von Windungen auf, die im Wesentlichen parallel zu einer Stirnfläche der Spulen 260 orientiert sind.
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Selbstverständlich können auch in Bezug auf die Magnetfeldführungsbauteile 310 und 340 gegebenenfalls abweichende Implementierungen, bei denen gegebenenfalls die Umfangsabschnitte 410, 450 entfallen können, implementiert werden.
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Die Magnetfeldführungsbauteile 310, 340 können hierbei beispielsweise aus einem weichmagnetischen Werkstoff gefertigt sein oder einen solchen umfassen. Ein weichmagnetischer Werkstoff bzw. ein weichmagnetisches Material stellt häufig ein Material mit einer hohen Permeabilität und einer geringen Remanenz dar. Es kann sich hierbei beispielsweise um ein ferromagnetisches Material handeln, welches beispielsweise eine Permeabilität von wenigstens 150, wenigstens 1000, wenigstens 10000 oder gegebenenfalls wenigstens 100000 aufweisen kann. Da häufig die Remanenz und die entsprechenden Koerzitivfelder des entsprechenden ferromagnetischen Materials ein ähnliches Skalierungsverhalten aufweisen, kann gegebenenfalls ein weichmagnetischer Werkstoff auch ein solcher sein, der eine entsprechende hohe Permeabilität und eine relativ geringe Koerzitivfeldstärke aufweisen.
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Weichmagnetische Werkstoffe wirken bei einem Durchtritt bzw. einem Auftreffen von Magnetfeldern, die sich nur mit einer geringen Frequenz ändern oder konstant sind, entgegen. Hierdurch kann eine magnetische Abschirmung von hinter dem entsprechenden Material angeordneten Komponenten erzielt werden. Lediglich der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle erwähnt, dass durch ein entsprechendes Material gegebenenfalls auch eine elektrische Abschirmung realisierbar ist, wenn das entsprechende Material hinreichend leitfähig ist.
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Der Grund für die mögliche Abschirmwirkung liegt in den Brechungsverhältnissen bzw. dem Brechungsgesetz beim Eintritt der Magnetfelder in die entsprechende Materie. Bei Stoffen mit einer großen Permeabilität, also beispielsweise einer Permeabilität in der Größenordnung von 10000 und darüber, wird im Wesentlichen jede einfallende Feldlinie praktisch in ihre tangentiale Richtung gebrochen, während jede ausfallende Feldlinie im Wesentlichen lotrecht austritt. Die Feldlinien werden so an der Abschirmung entlang geleitet und dringen im Wesentlichen nicht durch diese hindurch.
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Um dies zu illustrieren, zeigt 3 schematisch zwei Magnetfeldquellen 200-1, 200-2, die benachbart zueinander angeordnet und auf einem Träger 460 angeordnet sind. Der Träger 460 kann hierbei beispielsweise aus einem weichmagnetischen Material gefertigt sein, gegebenenfalls jedoch auch hartmagnetisch oder paramagnetisch ausgestaltet sein. Es kann sich beispielsweise um ein Stahlbauteil handeln. Die beiden Magnetfeldquellen 200-1 und 200-2 sind hierbei, wie dies auch die in 3 ebenfalls eingezeichneten Feldlinien 470 zeigen, derart angeordnet, dass diese mit unterschiedlichen Polen dem Träger 460 bzw. der dem Träger abgewandten Seite ausgerichtet sind. Hierdurch bilden sich die in 3 gezeigten geschlossenen Feldlinien, die die beiden Magnetfeldquellen 200-1 und 200-2 miteinander verbinden.
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Die Feldlinien 470 treten hierbei im Wesentlichen senkrecht aus den Magnetfeldquellen 200 hervor bzw. treten in diese entsprechend im Wesentlichen senkrecht hinein. Sie werden jedoch im Inneren des Trägers über seine Breite abknickend geführt und treten aus diesem praktisch nicht mehr heraus.
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Allerdings durchsetzen die Magnetfeldlinien 470 einen Raumbereich 480, der an der dem Träger 460 abgewandten Seite der Magnetfeldquellen 200 angeordnet ist, deutlich.
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Im Unterschied hierzu zeigt 4 die in 3 dargestellte Situation, bei der der Raumbereich 480 durch ein weichmagnetisches Bauteil 490, welches sich parallel zu dem Träger 460 erstreckt, begrenzt wird. Das weichmagnetische Bauteil 490 ist hierbei aus einem weichmagnetischen Material gefertigt, wie es zuvor beschrieben wurde. Als Folge treten die Feldlinien 470 in das weichmagnetische Bauteil 490 ein, werden dort jedoch im Wesentlichen tangential abgeleitet, bevor sie dieses wieder verlassen. Hierbei verlassen die Feldlinien 470 das weichmagnetische Bauteil im Wesentlichen senkrecht zu seiner Oberfläche, also lotrecht.
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Als weichmagnetisches Material oder weichmagnetischer Werkstoff kann beispielsweise Eisen, beispielsweise sogenanntes Weicheisen, jedoch auch Stähle mit einem niedrigen Kohlenstoffanteil oder Stähle mit einem Siliziumanteil verwendet werden. Ebenso können Legierungen auf Basis von Nickel und Eisen (FeNi), sowie Legierungen auf Basis von Kobalt und Eisen (FeCo) sowie andere Legierungen, beispielsweise Eisen-Aluminium-Legierung (FeAl) sowie Eisen-Aluminium-Silizium-Legierungen (FeAlSi), verwendet werden.
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Als weichmagnetisches Material können so insbesondere Nickel-Eisen-Legierungen verwendet werden, bei denen ein Nickelanteil in einem weiten Bereich veränderbar ist. So kann beispielsweise eine Nickel-Eisen-Legierung mit 36 % Nickel, 50 % Nickel, 78,5 % Nickel, 80 % Nickel oder 81 % Nickel verwendet werden. Die entsprechenden Legierungen können ferner beispielsweise Molybdän mit einem Anteil zwischen 3 % und 5 %, oder auch Kobalt mit etwa 4 % umfassen. Der zu 100 % fehlende Gewichtsanteil kann dann beispielsweise durch Eisen gebildet werden. Selbstverständlich stellen die zuvor genannten Legierungen lediglich Beispiele dar, von denen gegebenenfalls auch abgewichen werden kann. Entsprechende Legierungen sind beispielsweise unter dem Namen Mu-Metall bzw. µ-Metall im Handel erhältlich.
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Diese Legierungen besitzen häufig eine hohe Permeabilität mit Werten zwischen 48000 und 140000, die bewirken, dass sich der magnetische Fluss niederfrequenter Magnetfelder in dem Material konzentriert. Dieser Effekt kann bei einer Abschirmung niederfrequenter oder statischer magnetischer Felder zu einer beachtlichen Schirmdämpfung führen. Diese Legierungen können beispielsweise in Form von Folien oder Blechen unterschiedlicher Dicken, aber auch in Plattenform bezogen werden. Die erschmolzene Legierung wird hierbei nach einem Abkühlen zu der entsprechenden Form verarbeitet und kann beispielsweise durch Stanzen, Ätzen, Tiefziehen, Biegen, Löten, Schweißen oder galvanisches Beschichten weiter verarbeitet werden. Ebenso sind spanende Formgebungsverfahren, Bohren und Schleifen möglich. Ist das Werkstück hinsichtlich seiner Form fertiggestellt, kann es nach Abschluss der mechanischen Bearbeitung einer Schlussglühung bei 1000 °C bis 1200 °C sowie einer anschließenden Anlassbehandlung bei 400 °C bis 600 °C unterzogen werden. Diese thermischen Behandlungen können unter Vakuum oder Schutzgas, beispielsweise Wasserstoff, erfolgen. Durch spezielle Abkühlverfahren oder Magnetfeldglühungen können besonders hohe Permeabilitäten und andere spezielle Magneteigenschaften erreicht werden. Eine Kaltverformung nach der Wärmebehandlung kann gegebenenfalls dazu führen, dass die magnetischen Eigenschaften, also beispielsweise die Permeabilität, teilweise drastisch abnehmen. So kann beispielsweise die Permeabilität einer entsprechenden Nickel-Eisen-Legierung nach einem Kaltverformen im Bereich von etwa 150 liegen, während eine magnetisch schlussgeglühte Legierung einen Wert von 48000 und darüber aufweisen kann.
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5 zeigt eine 2 entsprechende Darstellung entlang der Umfangsrichtung 130 eines weiteren Lagers 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel, bei dem anstelle des im Zusammenhang mit 2 beschriebenen, nach dem Linearmotorprinzip arbeitenden elektromotorischen Antriebs, ein nach dem Direktantrieb-Prinzip arbeitender elektromotorischer Antrieb implementiert ist. So weist das Lager 100, wie es in 5 entlang der Umfangsrichtung 130 dargestellt ist, ebenfalls ein auf dem Aufnahmebauteil 210 angeordnetes Magnetfeldführungsbauteil 310 mit einem entsprechenden Basisabschnitt 320 auf, mit dem die Mehrzahl von Magnetfeldquellen 200 verbunden sind. Auch hier steht der Basisabschnitt 320 mit den Magnetfeldquellen 200 in Kontakt.
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Im Unterschied zu dem in 2 gezeigten elektromotorischen Antrieb erstreckt sich hier jedoch die Mehrzahl der Magnetfeldquellen 200 im Wesentlichen vollständig entlang der Umfangsrichtung 130 um die axiale Richtung 110 herum.
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Entsprechend ist auch das weitere Aufnahmebauteil 270 mit dem weiteren Magnetfeldführungsbauteil 340 verbunden, welches wiederum einen Basisabschnitt 350 aufweist, mit dem die Spulen 260 im Wesentlichen in Kontakt stehen. Gegebenenfalls implementierte Hilfsstrukturen der Spulen 260 bleiben hier wiederum unberücksichtigt. Auch die Mehrzahl der Spulen 260 erstreckt sich hierbei im Wesentlichen vollständig um die axiale Richtung 110 herum, also entlang der Umfangsrichtung 130.
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Unabhängig hiervon kann auch bei diesem elektromotorischen Antrieb das Verhältnis der zuvor genannten Winkel zweier benachbarter Spulen 260 einerseits und zweier benachbarter Magnetfeldquellen andererseits implementiert werden, um ein Ansprechverhalten auch dieses elektromotorischen Antriebs zu verbessern. Auch hier beträgt das in 5 gezeigte Verhältnis der beiden Winkel im Wesentlichen 1,1.
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Aber auch bei diesem Ausführungsbeispiel können selbstverständlich unterschiedliche Anzahlen von Magnetfeldquellen 200 und/oder Spulen 260 implementiert werden. Ansonsten unterscheidet sich das in 5 gezeigte Ausführungsbeispiel kaum von dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel, weshalb für weitere Beschreibungsdetails auf die Beschreibungen der 1 und 2 verwiesen wird.
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Je nach konkreter Implementierung kann es sich bei dem im Zusammenhang mit 1 gezeigten ersten Bauteil 250 und dem zweiten Bauteil 280 beispielsweise um einen Rotor und ein Rotorblatt einer Windkraftanlage handeln. Hierdurch kann gegebenenfalls durch das Lager 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel eine Änderung eines Anstellwinkels des Rotorblatts bezogen auf den Rotor erfolgen. Zu diesem Zweck kann beispielsweise das Lager 100 zwischen dem Rotor und dem Rotorblatt so angeordnet werden, dass das Rotorblatt mit dem ersten Lagerring, der Rotor mit dem zweiten Lagerring jeweils mechanisch drehfest verbunden wird, um so die Änderung des Anstellwinkels des Rotorblatts zu ermöglichen. Diese Anordnung bietet die Möglichkeit, die Magnetfeldquellen 200 mit dem sich drehenden Bauteil, nämlich dem Rotorblatt, zu verbinden.
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Selbstverständlich können jedoch Ausführungsbeispiele eines Lagers auch bei anderen Anlagen und Maschinen zum Einsatz gebracht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Lager
- 110
- axiale Richtung
- 120
- radiale Richtung
- 130
- Umfangsrichtung
- 140
- erster Lagerring
- 150
- zweiter Lagerring
- 160
- Außenring
- 170
- Innenring
- 180
- Lauffläche
- 190
- Wälzkörper
- 200
- Magnetfeldquelle
- 210
- Aufnahmebauteil
- 220
- Distanzbauteil
- 230
- Verschraubung
- 240
- Distanzscheibe
- 250
- erstes Bauteil
- 260
- Spule
- 270
- weiteres Aufnahmebauteil
- 280
- zweites Bauteil
- 290
- weitere Verschraubung
- 300
- Ausrichtungsfläche
- 310
- Magnetfeldführungsbauteil
- 320
- Basisabschnitt
- 330
- Führungsabschnitt
- 340
- weiteres Magnetfeldführungsbauteil
- 350
- Basisabschnitt
- 360
- weiterer Führungsabschnitt
- 370
- Schraubkopf
- 380
- kürzeste Verbindungsgerade
- 390
- erster Winkelbereich
- 400
- zweiter Winkelbereich
- 410
- Umfangsabschnitt
- 420
- Spalt
- 430
- weiterer erster Winkelbereich
- 440
- weiterer zweiter Winkelbereich
- 450
- Umfangsabschnitt
- 460
- Träger
- 470
- Feldlinie
- 480
- Raumbereich
- 490
- weichmagnetisches Bauteil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011082810 [0003]
- DE 102011082811 [0003]
