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Die Erfindung betrifft ein Wälzlager mit einem feststehenden Lagerring, einem drehbaren Lagerring und einer induktiven Übertragungseinrichtung umfassend zwei konzentrische, die Lagerachse umlaufende Spulen zur berührungslosen Signalübertragung zwischen den beiden Lagerringen. Die Signalübertragung kann z.B. als Daten- oder im weiteren Sinne auch als Energieübertragung verstanden werden.
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In der
DE 694 12 390 T2 ist ein Wälzlager mit einem Lastmesssystem zum Messen der auf das Wälzlager einwirkenden Belastungen beschrieben. Das Lastmesssystem umfasst einen Sensor, welcher an einem der Wälzkörper befestigt ist und während der Bewegung des Wälzkörpers entlang einer Kreisbahn verschiebbar ist, einen Signalübertrager mit einer ersten Spule, welche elektrisch und physisch mit dem Sensor verbunden ist, um mit dem Sensor entlang der Kreisbahn verschoben zu werden, sowie einen Signalempfänger zum Empfangen der übertragenen Signale mit einer zweiten Spule, die drehfest an dem nicht drehbaren Lagerring befestigt ist, wobei die Kreisbahn in der zweiten Spule liegt. Der drehbare Lagerring ist vorzugsweise radial innerhalb des nicht drehbaren Lagerrings und die erste Spule radial innerhalb der zweiten Spule angeordnet.
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Die
DE 10 2005 042 776 A1 zeigt eine Sensoranordnung zur Überwachung von Spindellagern mit zwei konzentrisch angeordneten Sensorringen, wobei im Betrieb der innere Sensorring zusammen mit der Spindelwelle relativ zu dem ihn umgebenden äußeren Sensorring rotiert. In jeden Sensorring ist zumindest ein Sensor für einen zu überwachenden Lagerparameter sowie eine Spule, eines Übertragungssystems zur berührungslosen Energie- und Signalübertragung zwischen den beiden Sensorringen integriert. Die Spulen sind mit L-förmigen Kunststoff-Ringelementen der Sensorringe verbunden.
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Aus der
EP 0 529 354 B1 ist eine Vorrichtung zum Überwachen von Wälzlagern bekannt, bei welcher im Wälzkörperraum zwischen den Wälzkörpern mehrere Sensoren angeordnet sind, deren Messsignale auf elektromagnetischem Wege einer Antenne außerhalb des Lagers zugeführt werden. Die Betriebsenergie wird induktiv durch das Lager von außen zugeführt. Hierzu ist im Außenring angrenzend an den Wälzkörperraum eine Induktionsspule angeordnet. Die eingeleitete Energie wird induktiv zu einer am Käfig angebrachten Sekundärspule übertragen.
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Die
EP 1 849 013 B1 beschreibt ein Wälzlager umfassend einen Innenring und einen Außenring mit einer Energieübertragungsspule und einer Antenne sowie einen zwischen Innenring und Außenring angeordneten Käfig zur Aufnahme von Wälzkörpern. Der Käfig weist eine Leistungsempfangsspule auf, eine Sensoreinheit zum Erfassen des Zustands des Lagers und einen Sender mit einer Antenne zum Senden eines Signals, welches ein Maß für den erfassten Zustand des Lagers ist, an die Antenne des äußeren Lagerrings.
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Ein wesentlicher Nachteil der vorbekannten Lösungen ist, dass diese keine Signal- bzw. Daten-/Energieübertragung zwischen den Lagerringen von Wälzlagern im Hochfrequenzbereich mit einer wirtschaftlichen Ringspulenwicklung bzw. einer teureren Leiterplattenspule ermöglichen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Wälzlager mit einer verbesserten kabellosen Signalübertragung zwischen den beiden Lagerringen auf Basis eines induktiven Übertragers zur Verfügung zu stellen, welches im Vergleich zu herkömmlichen Wälzlagern keinen zusätzlichen Bauraum benötigt. Mit dem induktiven Übertrager sollen möglichst geringe Streufelder erreicht werden können. Die Signalübertragung soll insbesondere auch im Hochfrequenzbereich möglich sein.
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Zur Lösung der Aufgabe dient ein Wälzlager gemäß dem beigefügten Anspruch 1. Das erfindungsgemäße Wälzlager zeichnet sich dadurch aus, dass eine erste Spule am feststehenden Lagerring und eine zweite Spule am drehbaren Lagerring befestigt sind. Weiterhin ist wesentlich, dass erste und zweite Spule im Raum zwischen beiden Lagerringen angeordnet sind.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Wälzlagers besteht darin, dass die induktive Übertragungseinrichtung aufwandsarm in ein vorhandenes Wälzlager integriert werden kann. Hierzu müssen die konzentrisch ausgeführten Spulen lediglich an den Lagerringen entsprechend fixiert werden. Durch die Anordnung der Spulen im Raum zwischen den beiden Lagerringen wird im Vergleich zu herkömmlichen Wälzlagern ohne induktive Übertragungseinrichtung kein zusätzlicher Bauraum im bzw. am Wälzlager benötigt. Durch die Integration eines induktiven Übertragungssystems zwischen die beiden Lagerringe eines Wälzlagers wird es ermöglicht, Energie und Daten (d.h. Signale) berührungslos auszutauschen. Wälzlager werden dadurch zur elektrischen Schnittstelle zwischen dem rotierenden und dem stehenden Teil der Anwendung. Die Übertragung ist bidirektional und voll-duplex möglich. Es besteht die Möglichkeit, dass beide Spulen gleichzeitig mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen können. Die verwendeten Ringwicklungen lassen sich gut an die üblichen geometrischen Gegebenheiten anpassen.
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Die erste und zweite Spule sind vorzugsweise als Luft- oder Leiterplattenspulen ausgeführt.
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Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das induktive Übertragungssystem magnetische Flussleitelemente. Die Verwendung zusätzlicher magnetischer Flussleitelemente hat den großen Vorteil, dass sich die elektrische Übertragungsleistung des induktiven Übertragungssystems signifikant steigern lässt. Als magnetische Flussleitelemente können kunststoffgespritzte Ferrite, gepresste und gefräste Ferrite, Leiterplatten mit Ferritfolien-Abdeckungen oder Elektrobleche zum Einsatz kommen. Besonders gute Übertragungsleistungen lassen sich bei Verwendung von gepressten und gefrästen Ferriten erreichen. Ebenfalls gute Übertragungsleistungen sind bei Verwendung von Elektroblechen erzielbar, welche im Vergleich zu gepressten und gefrästen Ferriten wesentlich preiswerter sind. Nachteilig bei Elektroblechen ist jedoch, deren eingeschränkter Frequenzbereich. Bei Elektroblechen sollte die Frequenz aufgrund der auftretenden Ummagnetisierungsverluste möglichst klein gehalten werden (50 Hz bis wenige 100 Hz).
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kommen zwei U-förmige Flussleitelemente zum Einsatz. Ein erstes Flussleitelement ist am feststehenden Lagerring befestigt und dient zur Aufnahme der ersten Spule. Ein zweites Flussleitelement ist am drehbaren Lagerring befestigt und nimmt die zweite Spule auf. Die Spulen sind insbesondere am Boden des jeweiligen Flussleitelements angeordnet. Mit dieser Anordnung ist eine sehr gute Flussführung möglich. Außerdem treten nur geringe Streufelder am Luftspalt auf. Die Flussleitelemente, deren Öffnungen zueinander ausgerichtet sind, können sowohl radial als auch axial angeordnet sein. Bei alternativen Ausführungsformen können auch E-förmige Flussleitelemente eingesetzt werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform verwendet ein U-förmiges Flussleitelement, welches an einem der beiden Lagerringe befestigt ist und zur Aufnahme der Spulen dient. Diese Anordnung ermöglicht eine ausreichend gute Flussführung. Es kommt zu Streufeldern an der offenen Seite des Flussleitelements. Das Flussleitelement kann wiederum sowohl axial als auch radial angeordnet werden.
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Von Vorteil ist es, wenn die Flussleitelemente elektromagnetisch von den Lagerringen isoliert sind. Hierzu kann ein Luftspalt dienen, zwischen dem Flussleitelement und dem Lagerring, an dem das Flussleitelement befestigt ist. Eine elektromagnetische Isolation der Flussleitelemente von den Lagerringen kann auch über diamagnetische Werkstoffe erfolgen.
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Bei Ausführungsformen die Elektrobleche als Flussleitelemente verwenden, ist eine elektromagnetische Isolation der Elektrobleche von den Lagerringen nicht erforderlich, da aufgrund der Ummagnetisierungsverluste die Übertragungsfrequenzen nicht so hoch gewählt werden können. Dadurch ist es möglich, dass die Lagerringe einen Teil der magnetischen Flussführung übernehmen. Die Lagerringe sind jedoch verlustbehafteter als das Elektroblech.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1: eine Teilschnittansicht eines erfindungsgemäßen Wälzlagers in einer ersten Ausführungsform;
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2: eine in der Ausführungsform nach 1 verwendete induktive Übertragungsvorrichtung;
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3: eine Teilschnittansicht des Wälzlagers in einer zweiten Ausführungsform;
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4: eine Teilschnittansicht des Wälzlagers in einer dritten Ausführungsform;
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5: eine abgewandelte, in den Ausführungsformen nach 3 und 4 verwendete induktive Übertragungseinrichtung;
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6: eine Teilschnittansicht des Wälzlagers in einer vierten Ausführungsform;
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7: eine Detailansicht der Ausführungsform nach 6;
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8: eine Teilschnittansicht des Wälzlagers in einer fünften Ausführungsform;
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9: die induktive Übertragungsvorrichtung in einer Ausführungsform mit einem magnetischen Flussleitelement;
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10: eine Teilschnittansicht des Wälzlagers in einer sechsten Ausführungsform.
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1 zeigt eine Teilschnittansicht eines erfindungsgemäßen Wälzlagers 01 in einer ersten Ausführungsform. Das Wälzlager 01 umfasst einen feststehenden Lagerring 02, einen drehbaren Lagerring 03 und zwischen den Lagerringen 02, 03 angeordnete Wälzkörper 04. Der feststehende Lagerring 02 ist bei der gezeigten Ausführungsform der Außenring und der drehbare Lagerring 03 der Innenring des Wälzlagers 01.
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In dem Raum zwischen den Lagerringen 02, 03 ist eine induktive Übertragungseinrichtung 05 angeordnet, welche im Detail in 2 dargestellt ist.
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Die induktive Übertragungseinrichtung 05 umfasst eine erste Spule 07, welche am feststehenden Lagerring 02 auf geeignete Art und Weise befestigt ist, sowie eine zweite Spule 08, welche am drehbaren Lagerring 03 befestigt ist. Erste und zweite Spule 07, 08 sind als Luftspulen ausgeführt. Sie weisen vorzugsweise einen Spulenkörper 09 aus Kunststoff aus. Alternativ können statt Luftspulen auch Leiterplattenspulen verwendet werden.
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Mit der zuvor beschriebenen Ausführungsform des Wälzlagers 01 lässt sich nur eine verhältnismäßig schwache Flussführung realisieren. Die Verkopplung des magnetischen Flusses ist stark von der Bauform abhängig. Es kommt zu hohen Streufeldern mit einer entsprechenden Blindleistung. Diese Ausführungsform erfordert einen großen Abstand zu massiven Eisenteilen.
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3 zeigt eine Teilschnittansicht des erfindungsgemäßen Wälzlagers 01 in einer zweiten Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform umfasst die induktive Übertragungseinrichtung 05 zwei magnetische Flussleitelemente 11, welche eine U-Form aufweisen, die in radialer Richtung des Wälzlagers zueinander ausgerichtet sind.
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5 zeigt die in dieser Ausführung verwendete Übertragungseinrichtung 05 im Detail. Eines der beiden Flussleitelemente 11 dient zur Aufnahme der ersten Spule 07 und ist am feststehenden Lagerring 02 befestigt. Das andere Flussleitelement 11 dient zur Aufnahme der zweiten Spule 08 und ist am drehbaren Lagerring 03 befestigt. Erste und zweite Spule 07, 08 sind am Boden des jeweiligen Flussleitelements 11 angeordnet. Als Flussleitelemente 11 können bei der gezeigten Ausführungsform kunststoffgespritzte Ferrite oder gepresste und gefräste Ferrite verwendet werden. Die Flussleitelemente 11 fungieren gleichzeitig auch als Spulenkörper. Sie können aus mehreren Segmenten bestehen. Die Flussleitelemente 11 sind radial angeordnet. Es ist sicherzustellen, dass die Flussleitelemente 11 von den Lagerringen 02, 03 elektromagnetisch isoliert sind. Dies kann durch einen definierten Luftspalt zwischen den Flussleitelementen 11 und den Lagerringen 02, 03 oder durch Verwendung diamagnetischer Werkstoffe erfolgen. Auf diese Weise kann ein Einkoppeln der elektromagnetischen Felder in den Wälzlagerstahl vermieden werden, was sonst zu hohen energetischen Verlusten führen würde.
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Diese zuvor beschriebene Ausführungsform des Wälzlagers 01 zeichnet sich durch eine sehr gute Flussführung aus. Es treten nur geringe Streufelder am Luftspalt auf. Statt der gezeigten U-förmigen Flussleitelemente 11 können auch E-förmige Flussleitelemente 11 zum Einsatz kommen, was in 10 beispielhaft gezeigt ist
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4 zeigt eine Teilschnittansicht des erfindungsgemäßen Wälzlagers 01 in einer dritten Ausführungsform. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in 3 gezeigten Ausführung lediglich dadurch, dass die Flussleitelemente 11 axial angeordnet sind. Zum mechanischen Schutz der Übertragungseinrichtung 05 kann der feststehende Lagerring 02 eine Verlängerung aufweisen oder es kann ein an der Lagerwelle (nicht gezeigt) angreifender Abstützring 12 verwendet werden.
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6 und 7 zeigen Teilschnittansichten des erfindungsgemäßen Wälzlagers 01 in einer vierten Ausführungsform. Diese Ausführungsform verwendet wiederum zwei Flussleitelemente 11, welche hier allerdings als Elektrobleche ausgeführt sind. Innerhalb der Elektrobleche sind die Spulenkörper 09 angeordnet. Zur Abschwächung auftretender Wirbelströme können die Elektrobleche Schlitze aufweisen. Die Lagerringe 02, 03 können die Funktion der magnetischen Flussführung übernehmen.
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8 zeigt eine Teilschnittansicht des erfindungsgemäßen Wälzlagers 01 in einer fünften Ausführungsform. Diese Ausführungsform verwendet Leiterplattenspulen. Erste und zweite Spule 07, 08 sind auf Leiterplatten 13 angeordnet, welche eine Ferritfolien-Abdeckung 14 aufweisen. Die Leiterplatten 13 und die Ferritfolien-Abdeckung 14 fungieren als Flussleitelemente 11.
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9 zeigt die induktive Übertragungsvorrichtung 05 in einer Ausführungsform mit lediglich einem magnetischen Flussleitelement 11. Das Flussleitelement 11 ist U-förmig ausgestaltet. Es ist im eingebauten Zustand an einem der beiden Lagerringe 02, 03 befestigt und dient zur Aufnahme von erster und zweiter Spule 07, 08. Die zweite Spule 08 ist als Luftspule ausgebildet und an dem Lagerring 02, 03 angeordnet, an welchem das Flussleitelement 11 nicht befestigt ist. Diese Ausführung ermöglicht eine gute Flussführung. An der offenen Seite des Flussleitelements 11 kommt es jedoch zu Streufeldern.
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Bei allen Ausführungen gilt, erste und zweite Spule 07, 08 können mit mehr als einer Wicklung belegt sein. Eine Wicklung kann für die Datenübertragung und eine Wicklung für die Energieübertragung optimiert sein.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Wälzlager
- 02
- feststehender Lagerring
- 03
- drehbarer Lagerring
- 04
- Wälzkörper
- 05
- induktive Übertragungseinrichtung
- 06
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- 07
- erste Spule
- 08
- zweite Spule
- 09
- Spulenkörper
- 10
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- 11
- Flussleitelemente
- 12
- Abstützring
- 13
- Leiterplatten
- 14
- Ferritfolien-Abdeckung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 69412390 T2 [0002]
- DE 102005042776 A1 [0003]
- EP 0529354 B1 [0004]
- EP 1849013 B1 [0005]
