DE102013108855A1

DE102013108855A1 - Sphärisches Lager, Elektromotor und Umwälzpumpe

Info

Publication number: DE102013108855A1
Application number: DE102013108855.4A
Authority: DE
Inventors: Karsten Laing
Original assignee: Xylem IP Holdings LLC
Current assignee: Xylem IP Holdings LLC
Priority date: 2013-08-15
Filing date: 2013-08-15
Publication date: 2015-02-19

Abstract

Es wird ein sphärisches Lager vorgeschlagen, welches einen Lagerkörper (26) mit einer konvexen sphärischen Oberfläche und eine Lagerschale (34; 66; 104) mit einer konkaven sphärischen Oberfläche (32), welche auf dem Lagerkörper (26) drehbar gelagert ist, umfasst, wobei die Lagerschale (34; 66; 104) aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist, die Lagerschale (34; 66; 104) eine Mehrzahl von beabstandeten Segmenten (38; 72; 110) aufweist, und die Segmente (38; 72; 110) an einem Halteelement (50; 70; 108) beweglich gehalten sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein sphärisches Lager, umfassend einen Lagerkörper mit einer konvexen sphärischen Oberfläche und eine Lagerschale mit einer konkaven sphärischen Oberfläche, welche auf dem Lagerkörper drehbar gelagert ist.
Die Erfindung betrifft ferner einen Elektromotor.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Umwälzpumpe.
Aus der DE 10 2004 008 158 A1 ist ein sphärisches Lager bekannt, umfassend einen Lagerkörper mit einer konvexen sphärischen Oberfläche, einen Halter, an dem der Lagerkörper angeordnet ist, und eine Lagerschale mit einer konkaven sphärischen Oberfläche, wobei die Lagerschale auf dem Lagerkörper drehbar gelagert ist. Der Halter ist aus einem Kunststoffmaterial hergestellt und es ist eine Verdrehsicherung vorgesehen, welche den Lagerkörper drehfest am Halter hält.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein sphärisches Lager der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches bei vorteilhaften Laufeigenschaften auf einfache Weise herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten sphärischen Lager erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Lagerschale aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist, dass die Lagerschale eine Mehrzahl von beabstandeten Segmenten aufweist, und dass die Segmente an einem Halteelement beweglich gehalten sind.
Wenn die Lagerschale aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist, dann lässt sich diese auf relativ einfache Weise beispielsweise durch Spritzgießen herstellen. Bei Lagerschalen aus einem Kunststoffmaterial ist beispielsweise im Vergleich zu Lagerschalen aus Graphit der Aufwand für eine Nachbearbeitung verringert.
Grundsätzlich kann bei Lagerschalen aus einem Kunststoffmaterial das Problem auftreten, dass aufgrund einer unterschiedlichen thermischen Ausdehnung von Lagerkörper und Lagerschale ein hoher Oberflächendruck entsteht. Dies kann zu einer Lagerklemmung führen. Die daraus resultierende Reibung zwischen Lagerschale und Lagerkörper bewirkt eine Aufheizung und kann zu einem Aufschmelzen des Kunststoffmaterials der Lagerschale führen.
Das Problem der Klemmung zwischen Lagerschale und Lagerkörper beziehungsweise das Problem der thermischen Überbelastung tritt dabei insbesondere in Trockenlaufphasen auf, bei denen das Lager nicht von einer Schmierflüssigkeit umspült ist. Wenn das sphärische Lager beispielsweise in einer Umwälzpumpe eingesetzt ist, dann kann eine Förderflüssigkeit als Schmierflüssigkeit für das sphärische Lager zwischen Lagerkörper und Lagerschale verwendet werden. Bei der Inbetriebnahme einer solchen Umwälzpumpe kann beispielsweise kurzzeitig eine Trockenlaufphase auftreten, bei dem das Lager nicht von Förderflüssigkeit (insbesondere Wasser) umspült ist.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung sind beabstandete Segmente (Flügel) vorgesehen, welche beweglich an dem Halteelement gehalten sind und dabei insbesondere beweglich an dem Halteelement aufgehängt sind. Diese Beweglichkeit ermöglicht bei unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen ein Ausweichen der jeweiligen beabstandeten Segmente, so dass ein hoher Oberflächendruck (mit der Gefahr des Aufschmelzens des Kunststoffmaterials) vermieden ist.
Die Lagerschale mit den Segmenten kann sich dabei selber "wegbiegen", so dass eine Überhitzung des sphärischen Lagers vermieden ist.
Die Lagerschale lässt sich dadurch auf einfache und kostengünstige Weise herstellen, wobei die Nachteile der Verwendung von Kunststoffmaterialien vermieden sind und die Vorteile eines sphärischen Lagers wie insbesondere ein Null-Lagerspiel über die gesamte Lebensdauer, hohe Laufruhe und geringe Verschleißanfälligkeit erhalten bleiben.
Insbesondere sind die Segmente schwenkbar an dem Halteelement gehalten. Dadurch lässt sich auf einfache Weise eine thermische Überlastung verhindern. Die Schwenkbarkeit ist dabei insbesondere durch eine Eigenelastizität erreichen.
Insbesondere liegt die jeweilige Schwenkachse quer zu einer radialen Richtung und quer zu einer axialen Richtung der konkaven sphärischen Oberfläche der Lagerschale. Es lassen sich dadurch bei unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen von Lagerschale und Lagerkörper durch Ausweichen der Segmente Überhitzungen des sphärischen Lagers verhindern.
Günstigerweise sind die Segmente über jeweilige Gelenke an dem Halteelement gehalten. Insbesondere sind die Segmente über jeweilige elastische Gelenke an dem Halteelement gehalten. Dadurch lässt sich auf einfache Weise eine Beweglichkeit zum Ausweichen bei unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen erreichen. Die Gelenke sind so ausgebildet, dass sie Radialkräfte und Axialkräfte übernehmen können.
Günstig ist es, wenn die Segmente einstückig mit dem Halteelement verbunden sind. Dadurch lässt sich auf einfache und kostengünstige Weise eine Lagerschale beispielsweise durch Spritzgießen herstellen.
Insbesondere ist das Halteelement als Ringelement ausgebildet. Es lässt sich dadurch die Lagerschale auf einfache Weise mit minimiertem Materialaufwand herstellen.
Insbesondere bildet eine Einhüllende von Oberflächen der Segmente die konkave sphärische Oberfläche der Lagerschale. Die Segmente bilden an der jeweiligen Innenseite die konkave sphärische Oberfläche aus.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Kunststoffmaterial der Lagerschale ein Polymermaterial insbesondere mit eingebetteten Fasern und/oder Füllstoffen und/oder Festmittelschmierstoffen. Ein entsprechendes Material ist beispielsweise iglidur, wobei "Iglidur" eine eingetragene Marke der Igus GmbH, Köln, Deutschland ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel weisen Segmente eine Erhebung auf, welche dem Lagerkörper zugewandt ist. Die Erhebung ist insbesondere bei einer Mehrzahl und vorzugsweise bei allen Segmenten vorhanden. Sie dient dazu, auch bei Fertigungstoleranzen bei einem neuen sphärischen Lager eine definierte Auflage für den Lagerkörper zu gewährleisten. Beim Betrieb tritt ein Verschleiß an der Erhebung ein und die Erhebung wird gewissermaßen weggeschliffen. Der Lagerkörper mit seiner konvexen sphärischen Oberfläche ist dann auf die konkave sphärische Oberfläche der Lagerschale eingeschliffen und die beiden Lagerpartner berühren sich vollflächig. Eventuell ist bei einer Lagerschale aus Kunststoff eine entsprechende Erhebung nicht notwendig, da die Beweglichkeit der Segmente ein Klemmen des sphärischen Lagers verhindert. Beispielsweise wird dann bei der Herstellung die Lagerschale etwas (um einige Hundertstel Millimeter) kleiner ausgeführt, um ein Einschleifen zu ermöglichen.
Es ist dann günstig, wenn die Erhebungen auf einem Ring liegen, um einen Einlaufring zu realisieren.
Die Segmente weisen jeweils ein erstes Ende und ein gegenüberliegendes zweites Ende auf, zwischen welchen sich in einer Längserstreckungsrichtung das jeweilige Segment erstreckt, wobei die Segmente in einer Querrichtung zur Längserstreckungsrichtung beabstandet sind. Die Längserstreckungsrichtung ist dabei üblicherweise bezogen auf die axiale Richtung gebogen, damit die Segmente die konkave sphärische Oberfläche ausbilden können.
Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Segmente in einem Bereich, welcher zu dem ersten Ende und dem zweiten Ende beabstandet ist, an dem Halteelement aufgehängt. Das Halteelement lässt sich dann beispielsweise auch zur Krafteinleitung, das heißt zur Übertragung von Drehmomenten beziehungsweise radialen Kräften verwenden. Eine entsprechende Lagerschale lässt sich insbesondere einstückig ausbilden, ohne dass ein zusätzliches Krafteinleitungselement notwendig ist.
Bei einer alternativen Ausführungsform sind die Segmente an dem Halteelement in einem Bereich an dem ersten Ende aufgehängt.
Es ist ein Krafteinleitungselement vorgesehen, welches auf die Segmente in einem Bereich zwischen dem ersten Ende und dem zweiten Ende wirkt. Über das Krafteinleitungselement lassen sich Drehmomente, radiale Kräfte und axiale Kräfte übertragen.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Krafteinleitungselement das Halteelement.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist das Krafteinleitungselement ein von dem Halteelement mit den Segmenten getrenntes Bauteil, und insbesondere ist das Krafteinleitungselement auf die Segmente aufgelegt. Das Krafteinleitungselement ist beispielsweise ein Metallteil.
Es ist dann günstig, wenn die Segmente jeweilige Auflagen für das Krafteinleitungselement aufweisen. Dadurch lässt sich das Krafteinleitungselement auf einfache Weise fixieren.
Insbesondere weisen die Segmente jeweilige Stiftelemente auf und das Krafteinleitungselement weist Ausnehmungen zum Eintauchen der jeweiligen Stiftelemente auf. Dadurch lässt sich auf einfache Weise eine Drehsicherung zwischen den Segmenten mit dem Halteelement und dem Krafteinleitungselement erreichen.
Es ist günstig, wenn das Krafteinleitungselement ringförmig ausgebildet ist. Dadurch lässt es sich insbesondere über das Halteelement führen.
Es kann vorgesehen sein, dass Segmente bezüglich ihrer Längserstreckungsrichtung symmetrisch oder asymmetrisch ausgebildet sind. Je nach Anwendung kann eine symmetrische oder asymmetrische Ausbildung vorteilhaft sein. Beispielsweise kann eine asymmetrische Ausbildung vorteilhaft sein, um tangentiale Vibrationen zu verhindern oder zu verringern. Beispielsweise kann mit einer asymmetrischen Ausbildung auch durch Drehung in eine Gegenrichtung ein festsitzendes Lager eventuell gelöst werden.
Ein Abstand zwischen benachbarten Segmenten kann in Richtung längs von Segmenten gleich sein oder kann variieren und insbesondere sich von dem ersten Ende weg vergrößern. Insbesondere erfolgt die Vergrößerung im Zusammenhang mit der asymmetrischen Ausbildung von Segmenten.
Es ist dann günstig, wenn benachbarte Segmente schräg zueinander angeordnet sind. Durch eine solche asymmetrische Anordnung bezüglich einer axialen Achse und damit einer Rotationsachse lassen sich beispielsweise tangentiale Vibrationen verringern oder verhindern.
Erfindungsgemäß ist ein Elektromotor mit einem Rotor, einem Stator und einem erfindungsgemäßen sphärischen Lager bereitgestellt, wobei der Rotor drehfest mit der Lagerschale des sphärischen Lagers verbunden ist.
Erfindungsgemäß ist ferner eine Umwälzpumpe vorgesehen, welche einen erfindungsgemäßen Elektromotor umfasst, wobei ein Laufrad drehfest mit dem Rotor verbunden ist.
Das erfindungsgemäße sphärische Lager lässt sich auf vorteilhafte Weise bei einem Elektromotor oder einer Umwälzpumpe verwenden.
Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.
Es zeigen:
1 eine schematische Schnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Umwälzpumpe mit einem Elektromotor und einem sphärischen Lager;
2 eine perspektivische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Lagerschale;
3 eine weitere perspektivische Darstellung der Lagerschale gemäß 2;
4 eine Seitenansicht der Lagerschale gemäß 2;
5 eine Draufsicht auf die Lagerschale gemäß 2;
6 eine Schnittansicht längs der Linie 6-6 der Lagerschale gemäß 5;
7 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Lagerschale ohne Krafteinleitungselement in perspektivischer Darstellung;
8 eine weitere perspektivische Darstellung der Lagerschale gemäß 7;
9 eine Seitenansicht der Lagerschale gemäß 7;
10 eine Draufsicht auf die Lagerschale gemäß 7;
11 eine Schnittansicht längs der Linie 11-11 gemäß 10;
12 eine Schnittansicht längs der Linie 12-12 gemäß 10;
13 ein Krafteinleitungselement, welches der Lagerschale gemäß 7 zugeordnet ist;
14 eine Schnittansicht ähnlich wie 11, bei der das Krafteinleitungselement gemäß 13 an der Lagerschale angeordnet ist;
15 eine perspektivische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer Lagerschale ohne Krafteinleitungselement;
16 eine weitere perspektivische Darstellung der Lagerschale gemäß 15;
17 eine Seitenansicht der Lagerschale gemäß 15;
18 eine Draufsicht auf die Lagerschale gemäß 15;
19 eine Schnittansicht längs der Linie 19-19 gemäß 18;
20 eine perspektivische Darstellung eines Krafteinleitungselements, welches der Lagerschale gemäß 15 zugeordnet ist; und
21 ein Detail einer Schnittansicht ähnlich 19, bei der das Krafteinleitungselement 20 an der Lagerschale angeordnet ist.
Ein Ausführungsbeispiel einer Umwälzpumpe, welches in 1 schematisch in einer Schnittdarstellung gezeigt und dort mit 10 bezeichnet ist, umfasst einen Elektromotor 12. Der Elektromotor 12 hat einen Rotor 14 und einen Stator 16. Er hat ferner eine Motorschaltung 18.
Der Rotor 14 ist über ein sphärisches Lager 20 um eine Rotationsachse 22 drehbar gelagert.
Ein Laufrad 24 der Umwälzpumpe 10 ist drehfest mit dem Rotor 14 verbunden.
Der Elektromotor 12 ist beispielsweise elektronisch kommutiert, wobei der Rotor 14 Permanentmagnete aufweist.
Ein Ausführungsbeispiel einer entsprechenden Umwälzpumpe 10 ist beispielsweise aus der DE 10 2007 054 313 A1 oder der US 2009/0121034 bekannt. Auf diese Dokumente wird ausdrücklich Bezug genommen.
Das sphärische Lager 20 weist einen konvexen sphärischen Lagerkörper 26 auf. Dieser ist insbesondere als Kugel ausgebildet. Der Lagerkörper 26 ist beispielsweise aus einem keramischen Material hergestellt.
Der Lagerkörper 26 ist über eine Haltesäule 28 drehfest gehalten.
An dem Lagerkörper 26 sitzt eine Lagerschale 30, an welcher drehfest der Rotor 14 sitzt. Die Lagerschale 30 weist eine konkave sphärische Oberfläche 32 auf, über welche sie auf den konvexen sphärischen Lagerkörper 26 aufgesetzt ist.
Grundsätzlich steht ein Bereich zwischen der sphärischen Oberfläche 32 und dem Lagerkörper 26 in Fluidkontakt mit einem oder mehreren Bereichen der Umwälzpumpe 10, in welchen sich Förderflüssigkeit befindet, so dass das sphärische Lager 20 mit Förderflüssigkeit schmierbar ist.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer Lagerschale, welche in den 1 bis 6 gezeigt und dort mit 34 bezeichnet ist, ist aus einem einstückigen Körper 36 gebildet. Dieser Körper 36 ist aus einem Kunststoffmaterial hergestellt. Das Kunststoffmaterial ist insbesondere ein Polymermaterial, welches Füllstoffe und Fasern und Festmittelschmierstoffe enthält.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Kunststoffmaterial des Körpers 36 Iglidur. "Iglidur" ist eine eingetragene Marke der Igus GmbH, Köln, Deutschland.
Der Körper 36 umfasst eine Mehrzahl von Segmenten (Flügeln) 38, welche beabstandet zueinander sind; zwischen benachbarten Segmenten 38 liegt ein (Luft-)Spalt 40. Ein Segment 38 erstreckt sich zwischen einem ersten Ende 42 und einem zweiten Ende 44 in einer Längserstreckungsrichtung 46 (5). Die Segmente 38 sind bezüglich ihrer jeweiligen Längserstreckungsrichtung 46 symmetrisch ausgebildet. Der Spalt 40 zwischen benachbarten Segmenten 38 liegt quer zur Längserstreckungsrichtung 46. Insbesondere ist der Abstand zwischen benachbarten Segmenten 38 längs der entsprechenden Segmente 38 gleich, das heißt der Spalt 40 weist längs der Segmente eine einheitliche Breite auf.
Der Spalt 40 ist so ausgebildet, dass er ein "Öffnen" und "Schließen" der (Hohl-)Kugelform, welche durch die Segmente 38 gebildet ist, ermöglicht.
Eine Innenseite 48 der Segmente 38 ist dem Lagerkörper 26 zugewandt und über diese Innenseiten 48 sitzen die Segmente 38 auf dem Lagerkörper 26 auf. Die konkave sphärische Oberfläche 32 der Lagerschale 34 ist durch die entsprechende sphärische Ausbildung der Innenseite 48 erreicht.
Die Segmente 38 sind an einem Halteelement 50 gehalten und dabei insbesondere an diesem aufgehängt. Das Halteelement 50 ist als Ringelement ausgebildet. Es weist eine Innenöffnung 52 auf, welche (hohl-)zylindrisch ist. Die Segmente 38 ragen mit ihrem ersten Ende 42 in die Innenöffnung 52.
Die Segmente 38 sind mit einem Bereich 54, welcher beabstandet zu dem jeweiligen ersten Ende 42 und zweiten Ende 44 ist, an dem Halteelement 50 gehalten. Die Segmente 38 sind dabei einstückig mit dem Halteelement 50 verbunden.
Die Segmente 38 sind beweglich an dem Halteelement 50 gehalten und dabei insbesondere schwenkbar gehalten. Es sind entsprechende Gelenke gebildet, welche als elastisches Gelenk 56 (6) einstückig zwischen Halteelement 50 und Segment 38 ausgebildet sind. Eine Schwenkachse 58 an einem solchen elastischen Gelenk 56 ist dabei quer zu einer axialen Richtung 60 und quer zu einer radialen Richtung 62 für die konkave sphärische Oberfläche 32 orientiert. Bei auf den Lagerkörper 26 aufgesetzter Lagerschale 34 entspricht die axiale Richtung 60 der Rotationsachse 22.
An den Segmenten 38 ist an der Innenseite 48 jeweils eine Erhebung 64 angeordnet, welche über die sphärische Oberfläche 32 hinaus ragt.
Die Erhebungen 64 der Segmente 38 bilden insbesondere einen Ring. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Erhebungen 64 gegenüberliegenden Bereichen 54 angeordnet, über welche die Segmente 38 an dem Halteelement 50 sitzen.
Das sphärische Lager 20 mit der Lagerschale 34 funktioniert wie folgt:
Grundsätzlich hat ein sphärisches Lager eine Selbstausrichtungsfunktion. Ein sphärisches Lager ermöglicht eine hohe Laufruhe. Es lässt sich mit guter Näherung eine sphärische Abnutzung erreichen, so dass auch bei Abnutzung im Betrieb eine hohe Laufruhe erhalten bleibt.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird die Lagerschale 34 aus einem Kunststoffmaterial hergestellt. Grundsätzlich tritt dabei das Problem auf, dass bei einem zu hohen Unterschied zwischen der thermischen Ausdehnungsfähigkeit des Materials des Lagerkörpers 26 und des Kunststoffmaterials der Lagerschale 34 eine relativ große Oberflächenkraft zwischen Lagerschale 34 und Lagerkörper 26 entstehen kann. Dies wiederum kann insbesondere in in der Praxis vorkommenden Trockenlaufphasen des Lagers 20 hohe Reibungskräfte zwischen der Lagerschale 34 und dem Lagerkörper 26 bewirken, welche zu einer Aufheizung führen, die zu einem Schmelzen des Kunststoffmaterials der Lagerschale 34 führen kann.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist die sphärische Oberfläche nicht zusammenhängend, sondern durch beabstandete Segmente 38 (Flügel) gebildet. Die individuellen Segmente 38 können sich (unabhängig voneinander) relativ zu dem Halteelement 50 biegen und sich dadurch zu der axialen Richtung 60 und damit auch relativ zu der Rotationsachse 22 bewegen und insbesondere schwenken. Die thermische Ausdehnung erhöht dann nicht den Oberflächendruck in der Weise, dass eine Überhitzung an dem sphärischen Lager 20 auftreten kann.
Es ist dadurch möglich, die Lagerschale 34 auf einfache und kostengünstige Weise beispielsweise über ein Spritzgussverfahren aus einem Kunststoffmaterial herzustellen.
Bei einem sphärischen Lager 20 mit der Lagerschale 34 wirkt das Halteelement 50 auch als Krafteinleitungselement. Über das Halteelement 50 werden Drehmomente (auf den Rotor 14) übertragen und es werden die entsprechenden radialen und axialen Kräfte übertragen.
Durch die bewegliche Aufhängung der beabstandeten Segmente 38 an dem Halteelement 50 können diese bei entsprechender thermischer Ausdehnung nachgeben, wobei sich eine genügende Vorspannung erreichen lässt.
Insbesondere lässt sich eine thermische Ausdehnung, die in einer Größenordnung von 1% ist, kompensieren.
Durch die Erhebungen 64 an den Segmenten 38 lässt sich, wenn bei einem nicht eingelaufenen Lager 20 eine neue Lagerschale 34 auf den Lagerkörper 26 aufgesetzt ist, eine definierte Auflage realisieren. Im Betrieb werden die Erhebungen 64 "weggeschliffen" und der Lagerkörper 26 schleift sich in die Lagerschale 34 ein mit Nullspiel zwischen den sphärischen Oberflächen.
Ein zweites Ausführungsbeispiel einer Lagerschale, welche in den 7 bis 12 und 14 gezeigt und dort mit 66 bezeichnet ist, umfasst einen einstückigen Körper 68. Dieser einstückige Körper 68 hat als Halteelement 70 ein Ringelement. An diesem Halteelement 70 sitzen einstückig Segmente 72, welche beabstandet zueinander sind mit einem Spalt 74 zwischen benachbarten Segmenten 72.
Der Spalt 74 weist insbesondere eine einheitliche Breite auf.
Die Segmente 72 haben ein erstes Ende 76 und ein zweites Ende 78, wobei sie sich in einer Längserstreckungsrichtung zwischen dem ersten Ende 76 und dem zweiten Ende 78 erstrecken. In einer Richtung quer zur Längserstreckungsrichtung sind die Segmente 72 beabstandet.
Die Segmente 72 sind im Bereich 80 ihres ersten Endes 76 an dem Halteelement 70 aufgehängt. Eine Innenseite der Segmente 72 wiederum bildet die konkave sphärische Oberfläche 32.
Über den Bereich 80 sind elastische Gelenke 82 gebildet, mittels welcher die Segmente 72 beweglich und insbesondere schwenkbar an dem Halteelement 70 gehalten sind. Eine entsprechende Schwenkachse entspricht dabei der Ausrichtung der Schwenkachse 58. Es wird deshalb für diese Schwenkachse das Bezugszeichen 58 verwendet.
An einer der Innenseite der Segmente 72 abgewandten Seite sitzen an den Segmenten 72 jeweils Stiftelemente 84, welche insbesondere einstückig an den jeweiligen Segmenten 72 gebildet sind. Ein entsprechendes Stiftelement 84 ragt über eine Oberseite 86 des entsprechenden Segments 72 in axialer Richtung 60 hinaus.
Beidseitig der Stiftelemente 84 ist an dem jeweiligen Segment 72 eine Erhebung 88a beziehungsweise 88b angeordnet. Die Erhebungen 88a, 88b weisen eine quer zur axialen Richtung 60 liegende Auflagefläche 90 auf. Die Erhebungen 88a, 88b bilden Auflagen. Die Gesamtheit der Auflageflächen 90 der Erhebungen 88a, 88b liegen dabei insbesondere auf einem Ring, welcher das Halteelement 70 umgibt.
Der Lagerschale 66 ist ein Krafteinleitungselement 92 (13 und 14) zugeordnet. Das Krafteinleitungselement 92 ist insbesondere ringförmig ausgestaltet. Es ist beispielsweise als tiefergezogenes Element aus einem metallischen Material hergestellt.
Das Krafteinleitungselement 92 weist eine Innenöffnung 94 auf. Zu der Innenöffnung 94 hin sind beabstandete Ausnehmungen 96 offen, welche verteilt angeordnet sind. Die Ausnehmungen 96 sind (in axialer Richtung 60) durchgehend und dienen zum Durchtauchen der entsprechenden Stiftelemente 84 an den Segmenten 72. Dementsprechend sind die Ausnehmungen 96 auch angepasst in ihrer Anordnung an die Positionen der Stiftelemente 84.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist das Krafteinleitungselement 92 einen hochgezogenen Rand 98 auf. Der hochgezogene Rand 98 dient insbesondere zur Erhöhung der mechanischen Steifigkeit.
Das Krafteinleitungselement 92 ist auf die Lagerschale 66 aufgesetzt (14), wobei es mit einer Unterseite 100 auf den Auflageflächen 90 aufliegt und dabei die Stiftelemente 84 durch ihre zugeordneten Ausnehmungen 96 durchgetaucht sind. Es ist dadurch eine drehfeste Verbindung zwischen der Lagerschale 66 und dem Krafteinleitungselement 92 realisiert.
Durch die Innenöffnung 94, welche einen größeren Durchmesser aufweist als das Halteelement 70, ist das Krafteinleitungselement 92 über das Halteelement 70 führbar.
Die Stiftelemente 84 sind an den Oberseiten 86 der entsprechenden Segmente 72 beabstandet zu dem ersten Ende 76 und beabstandet zu dem zweiten Ende 78 angeordnet. Entsprechend sitzt das Krafteinleitungselement 92 auch beabstandet zu dem Halteelement 70 und dem zweiten Ende 78 der Segmente 72 an der Lagerschale 66. Bei der Lagerschale 66 ist die Aufhängung der Segmente 72 an dem Halteelement 70 getrennt von der Krafteinleitung am Krafteinleitungselement 92.
Die Erhebungen 88a, 88b an der Oberseite 86 der Segmente 72 sind dabei insbesondere so ausgebildet, dass eine definierte Auflage 102 (14) zwischen der Lagerschale 66 und dem Krafteinleitungselement 92 realisiert ist.
An den Segmenten 72 sind an ihrer Innenseite Erhebungen entsprechend der Erhebung 64 angeordnet (vgl. beispielsweise 11). Für diese Erhebungen wird das Bezugszeichen 64 verwendet. Diese haben die gleiche Funktion wie die Erhebungen 64 bei der Lagerschale 34. Die entsprechenden Erhebungen 64 bei der Lagerschale 66 sind dabei insbesondere an der Innenseite in einem Bereich angeordnet, an dessen Oberseite 86 die entsprechenden Stiftelemente 84 mit den Erhebungen 88a, 88b angeordnet sind.
Die Lagerschale 66 mit dem Krafteinleitungselement 92 funktioniert grundsätzlich gleich wie die Lagerschale 34, wobei die Lagerschale 34 einstückig ausgebildet ist und in einem sphärischen Lager 20 die Lagerschale 66 und das Krafteinleitungselement 92 getrennte Bauteile sind.
Bei der Lagerschale 66 mit dem Krafteinleitungselement 92 ist die Aufhängung der Segmente 72 für deren Beweglichkeit zum Ausgleich von thermischer Ausdehnung und die Krafteinleitung zur Übertragung von Drehmomenten, radialen Kräften und axialen Kräften räumlich getrennt. Diese Ausbildung ermöglicht eine Fluidabdichtung über das Halteelement 70 gegenüber dem Lagerkörper 26.
Ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Lagerschale, welches in den 15 bis 19 und 21 gezeigt und dort mit 104 bezeichnet ist, umfasst wiederum einen einstückigen Körper 106 aus einem Kunststoffmaterial mit einem Halteelement 108, welches als Ringelement ausgebildet ist. An dem Halteelement sind beweglich beabstandete Segmente 110 angeordnet. Diese Segmente 110 sind asymmetrisch bezüglich einer Längserstreckungsrichtung 112 (18) ausgebildet. Sie sind dabei wie oben im Zusammenhang mit der Lagerschale 66 beschrieben beweglich an dem Halteelement 108 gehalten.
In einem Bereich beabstandet zu einem ersten Ende 114 und einem zweiten Ende 116 sitzen dabei Stiftelemente 118 und Erhebungen 120a, 120b entsprechend den Stiftelementen 84 und Erhebungen 88a, 88b der Lagerschale 66.
Ein Spalt 122 zwischen benachbarten Segmenten 110 weist dabei beispielsweise keine einheitliche Breite auf. Insbesondere nimmt die Breite des Spalts 122 von dem ersten Ende 114 weg zu dem zweiten Ende 116 zu.
Die Segmente 110 sind "verdreht" zueinander angeordnet.
Insbesondere liegen Längserstreckungsrichtungen 112 von benachbarten Segmenten 110 in einem Winkel 124 (18) zueinander.
Es kann dabei auch vorgesehen sein, dass die Längserstreckungsrichtung 112 keine gerade Richtung ist, sondern eine gebogene Kurve ist.
Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Lagerschale 104 sind die Segmente 110 insbesondere wiederum über einen Bereich an dem ersten Ende 114 mit dem Halteelement 108 verbunden.
Es ist ein Krafteinleitungselement 126 (20) vorgesehen, welches entsprechende Ausnehmungen 128 für die Stiftelemente 118 aufweist. Das Krafteinleitungselement 126 ist auf die Lagerschale 104 auf die gleiche Weise wie das Krafteinleitungselement 92 auf die Lagerschale 66 aufgesetzt, wobei die Stiftelemente 118 durch die Ausnehmung 128 durchtauchen und eine Unterseite des Krafteinleitungselements 126 auf die Erhebungen 120a, 120b aufgesetzt ist.
Die Lagerschale 104 unterscheidet sich bezüglich der Ausbildung der Segmente 110 von der Lagerschale 66.
Durch die asymmetrische Ausbildung der Segmente 110 können bei bestimmten Anwendungen Vorteile erhalten werden. Beispielsweise können dadurch tangentiale Vibrationen verhindert werden oder zumindest reduziert werden. Beispielsweise ist es bei der gekurvten asymmetrischen Ausbildung von Segmenten 110 auch möglich, ein festsitzendes Lager bei Starten des entsprechenden Elektromotors 12 in einer Betriebsrichtung oder Gegenrichtung zu "befreien", in welcher die asymmetrischen Segmente 110 eine Tendenz haben, sich zu öffnen.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist die Lagerschale 34 beziehungsweise 66 beziehungsweise 104 eines sphärischen Lagers 20 aus einem Kunststoffmaterial hergestellt. Sie weist Segmente 38 beziehungsweise 72 beziehungsweise 110 auf, welche beweglich an einem Halteelement 50 beziehungsweise 70 beziehungsweise 108 gehalten sind und dabei insbesondere einstückig gehalten sind. Die bewegliche und insbesondere schwenkbare Fixierung ist dabei insbesondere über ein elastisches Gelenk erreicht. Dies ermöglicht im Betrieb des sphärischen Lagers bei unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen ein "Ausweichen" der entsprechenden Segmente, so dass ein Nachgeben bezüglich der thermischen Ausdehnung möglich ist.
Es wird dadurch eine Klemmung der Lagerschale 34, 66, 104 an dem Lagerkörper 106 mit entsprechenden negativen Folgen vermieden, wobei die Auflage der entsprechenden Lagerschale an dem Lagerkörper 26 erhalten bleibt.
Die entsprechende Lagerschale lässt sich auf relativ einfache Weise durch ein formgebendes Verfahren wie Spritzgießen für Kunststoffmaterialien realisieren. Eine aufwändige Bearbeitung wie beispielsweise für eine Lagerschale aus Graphit ist nicht notwendig.
Bezugszeichenliste

10: Umwälzpumpe
12: Elektromotor
14: Rotor
16: Stator
18: Motorschaltung
20: Sphärisches Lager
22: Rotationsachse
24: Laufrad
26: Lagerkörper
28: Haltesäule
30: Lagerschale
32: Konkave sphärische Oberfläche
34: Lagerschale (erstes Ausführungsbeispiel)
36: Körper
38: Segment
40: Spalt
42: Erstes Ende
44: Zweites Ende
46: Längserstreckungsrichtung
48: Innenseite
50: Halteelement
52: Innenöffnung
54: Bereich
56: Elastisches Gelenk
58: Schwenkachse
60: Axiale Richtung
62: Radiale Richtung
64: Erhebung
66: Lagerschale (zweites Ausführungsbeispiel)
68: Körper
70: Halteelement
72: Segment
74: Spalt
76: Erstes Ende
78: Zweites Ende
80: Bereich
82: Elastisches Gelenk
84: Stiftelement
86: Oberseite
88a: Erhebung
88b: Erhebung
90: Auflagefläche
92: Kraftleitungselement
94: Innenöffnung
96: Ausnehmung
98: Rand
100: Unterseite
102: Auflage
104: Lagerschale (drittes Ausführungsbeispiel)
106: Körper
108: Halteelement
110: Segment
112: Längserstreckungsrichtung
114: Erstes Ende
116: Zweites Ende
118: Stiftelement
120a: Erhebung
120b: Erhebung
122: Spalt
124: Winkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004008158 A1 [0004]
DE 102007054313 A1 [0064]
US 2009/0121034 [0064]

Claims

Sphärisches Lager, umfassend einen Lagerkörper (26) mit einer konvexen sphärischen Oberfläche und eine Lagerschale (34; 66; 104) mit einer konkaven sphärischen Oberfläche (32), welche auf dem Lagerkörper (26) drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerschale (34; 66; 104) aus einem Kunststoffmaterial hergestellt ist, dass die Lagerschale (34; 66; 104) eine Mehrzahl von beabstandeten Segmenten (38; 72; 110) aufweist, und dass die Segmente (38; 72; 110) an einem Halteelement (50; 70; 108) beweglich gehalten sind.
Sphärisches Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (38; 72; 110) schwenkbar an dem Halteelement (50; 70; 108) gehalten sind.
Sphärisches Lager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Schwenkachsen (58) quer zu einer radialen Richtung (62) und quer zu einer axialen Richtung (60) der konkaven sphärischen Oberfläche (32) der Lagerschale (36; 66; 104) orientiert sind.
Sphärisches Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (38; 72; 110) über jeweilige Gelenke (56) an dem Halteelement (50; 70; 108) gehalten sind.
Sphärisches Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (38; 72; 110) über jeweilige elastische Gelenke (56) an dem Halteelement (50; 70; 108) gehalten sind.
Sphärisches Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (38; 72; 110) einstückig mit dem Halteelement (50; 70; 108) verbunden sind.
Sphärisches Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (50; 70; 108) als Ringelement ausgebildet ist.
Sphärisches Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einhüllende von Oberflächen der Segmente (38; 72; 110) die konkave sphärisches Oberfläche (32) der Lagerschale (34; 66; 104) bildet.
Sphärisches Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kunststoffmaterial der Lagerschale (34; 66; 104) ein Polymermaterial mit eingebetteten Fasern und/oder Füllstoffen und/oder Festmittelschmierstoffen ist.
Sphärisches Lager nach einem der vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass Segmente (38; 72; 110) eine Erhebung (64) aufweisen, welche dem Lagerkörper (26) zugewandt ist.
Sphärisches Lager nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (64) von Segmenten (38; 72; 110) auf einem Ring liegen.
Sphärisches Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (38; 72; 110) jeweils ein erstes Ende (42; 76; 114) und ein gegenüberliegendes zweites Ende (44; 78; 116) aufweisen, zwischen welchen sich in einer Längserstreckungsrichtung (46) das jeweilige Segment (38; 72; 110) erstreckt, wobei die Segmente (38; 72; 110) in einer Querrichtung zur Längserstreckungsrichtung (46) beabstandet sind.
Sphärisches Lager nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (38) in einem Bereich (54), welcher zu dem ersten Ende (42) und dem zweiten Ende (44) beabstandet ist, an dem Halteelement (50) aufgehängt sind.
Sphärisches Lager nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (72; 110) an dem Halteelement (70; 108) in einem Bereich an dem ersten Ende (76; 114) aufgehängt sind.
Sphärisches Lager nach einem der Ansprüche 12 bis 14, gekennzeichnet durch ein Krafteinleitungselement (50; 92; 126), welches auf die Segmente (38; 72; 110) in einem Bereich zwischen dem ersten Ende (42; 76; 114) und dem zweiten Ende (44; 78; 116) wirkt.
Sphärisches Lager nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Krafteinleitungselement das Halteelement (50) ist.
Sphärisches Lager nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Krafteinleitungselement (92; 126) ein von dem Halteelement (70; 108) mit den Segmenten (72; 110) getrenntes Bauteil ist, und insbesondere dass das Krafteinleitungselement (92; 126) auf die Segmente (72; 110) aufgesetzt ist.
Sphärisches Lager nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (72; 110) jeweilige Auflagen (88a, 88b; 120a, 120b) für das Krafteinleitungselement (92; 126) aufweisen.
Sphärisches Lager nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (72; 110) jeweilige Stiftelemente (84; 118) aufweisen und das Krafteinleitungselement (92; 126) Ausnehmungen (96; 128) zum Eintauchen der jeweiligen Stiftelemente (84; 118) aufweisen.
Sphärisches Lager nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Krafteinleitungselement (92; 126) ringförmig ausgebildet ist.
Sphärisches Lager nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (38; 72; 110) bezüglich ihrer Längserstreckungsrichtung (46) symmetrisch oder asymmetrisch ausgebildet sind.
Sphärisches Lager nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand zwischen benachbarten Segmenten (38; 72) in einer Richtung längs von Segmenten (38; 72) gleich ist.
Sphärisches Lager nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand zwischen benachbarten Segmenten (110) in Richtung längs eines Segments (110) variiert und insbesondere sich von dem ersten Ende (114) weg vergrößert.
Sphärisches Lager nach einem der Ansprüche 1 bis 21 oder Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Segmente (110) schräg zueinander angeordnet sind.
Elektromotor mit einem Rotor (14), einem Stator (16) und einem sphärischen Lager (20) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Rotor (14) drehfest mit der Lagerschale (34; 66; 104) verbunden ist.
Umwälzpumpe, umfassend einen Elektromotor (12) gemäß Anspruch 25, wobei ein Laufrad (24) drehfest mit dem Rotor (14) verbunden ist.
Verwendung des sphärischen Lagers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 24 in einem Elektromotor oder einer Umwälzpumpe.