-
Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung, umfassend ein erstes und ein zweites Teil, die über wenigstens ein lasttragendes Wälzlager umfassend wenigstens eine auf Laufbahnen zweier Wälzlagerringe wälzende Wälzkörperreihe relativ zueinander drehbar gelagert sind.
-
Lageranordnungen der genannten Art kommen in unterschiedlichsten Anwendungen zum Einsatz, beispielsweise auch in elektrischen Maschinen beziehungsweise Elektromotoren und elektrische Generatoren. Bei einer Anwendung einer solchen Lageranordnung in einer elektrischen Maschine nimmt das Risiko für einen elektrischen Stromdurchgang durch eine solche Lageranordnung respektive das Wälzlager aufgrund einer gestiegenen Leistungsdichte und schneller schaltenden Transistoren deutlich zu. Ein solcher Stromdurchgang gehört mittlerweile zu den häufigsten Ausfallursachen von Wälzlagern in solchen Anordnungen, wobei gerade die Wälzlager einer Elektromaschine selbst durch Zirkulärströme und EDM-Ströme besonders gefährdet sind. Der Grund für die höheren Ausfallraten liegt in den hohen Schaltfrequenzen, die zur Entstehung hochfrequenter Stromimpulse in den Lagern führen. Wälzlager werden für eine lange Lebensdauer und niedrige Reibung im Allgemeinen so geschmiert, dass sich ein trennender, auch elektrisch größtenteils isolierender Schmierfilm zwischen den Wälzpartnern bildet. Ab einer elektrischen Durchschlagspannung, die von der Schmierfilmdicke und der Durchschlagfestigkeit des Schmierstoffs abhängt, kommt es zu einer Entladung über den Schmierspalt und zu einer irreversiblen Schädigung der Laufbahnoberflächen oder der Oberflächen der Wälzkörper. Dieses Phänomen ist als Funkenerosion bekannt. Hierbei werden Metallpartikel aus den Oberflächen erosionsbedingt geschlagen, die in das Schmiermittel übertreten. An einem sich hierdurch gebildeten Loch sammeln sich im Laufe der Zeit weitere Impulse an, so dass ein Krater entsteht, der die Eigenschaften extrem beeinflusst, bis hin zum Bauteilausfall.
-
Bekannte Abhilfemaßnahmen gegen derartigen Stromdurchgang oder Überschläge liegen einerseits in der Verwendung von Keramikwälzkörpern oder höherwertigen, elektrischen Komponenten, was jedoch aus Kostengründen nicht zum Einsatz kommt. Eine weitere Möglichkeit, elektrische Komponenten vor Stromdurchgang zu schützen, ist neben der Isolierung die Ableitung der Ströme beziehungsweise die Verhinderung eines Spannungsaufbaus zwischen den zu lagernden Bauteilen, also beispielsweise Welle und Gehäuse. Hierzu kommen zumeist Bürstensysteme zum Einsatz. Nachteilig hierbei ist, dass diese bei häufigem Drehrichtungswechsel brechen können, und dass infolge einer Patina-Bildung oder beim Zutritt von Schmiermedien deren Widerstand stark ansteigen kann.
-
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, eine demgegenüber verbesserte Lageranordnung anzugeben.
-
Zur Lösung dieses Problems ist bei einer Lageranordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass benachbart zur Wälzkörperreihe ein weiteres, eine geringere Last tragendes Lagermittel umfassend auf Laufbahnen wälzende Wälzkörper vorgesehen ist, das eine geringer elektrische Durchschlagspannung aufweist.
-
Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, ein lasttragendes Wälzlager durch Beiordnung eines quasi als „Opferelement“ dienenden, unmittelbar benachbart zum zu schützenden Wälzlager beziehungsweise zu dessen Wälzkörperreihe angeordneten Lagermittels, das selbst nur eine deutlich geringere Last oder keine Last trägt, und das eine geringere elektrische Durchschlagspannung aufweist als das Wälzlager, zu schützen. Das heißt, dass dieses Lagermittel primär nicht die Aufgabe hat, Lagerlasten zu übertragen, sondern als Überspannungsschutz für das zugeordnete Wälzlager respektive die wenigstens eine Wälzkörperreihe vor einem schädlichen Stromdurchgang dient. Aufgrund des Umstands, dass das Lagermittel eine geringere elektrische Durchschlagspannung aufweist, kommt es bei zwangsweise gleicher Drehzahl und nahezu gleicher Temperatur zu etwaigen Blitzentladungen beziehungsweise Überschlägen immer am zusätzlichen Lagermittel, nicht aber am eigentlichen lasttragenden Wälzlager. Sobald es zu einem solchen Überschlag kommt, brechen der elektrische Widerstand und die Lagerspannung zusammen, so dass die eigentliche lasttragende Wälzkörperreihe zu keinem Zeitpunkt einen schädigenden Stromdurchgang erfährt.
-
Das weitere Lagermittel ist gemäß einer ersten Erfindungsalternative eine weitere Wälzkörperreihe im Wälzlager, deren Wälzkörper auf den Wälzlagerringen wälzen. Das heißt, dass das Wälzlager zumindest zweireihig, gegebenenfalls aber auch mehrreihig ist, wobei wenigstens eine Wälzkörperreihe das als Opferelement dienende Lagermittel darstellt. Diese Ausgestaltung erlaubt einen kompakten Aufbau der gesamten Lageranordnung, da die eine oder die mehreren lasttragenden Wälzkörperreihen und die als Überspannungsschutz dienende weitere Wälzlagerreihe in einem gemeinsamen Wälzlager integriert sind.
-
Eine alternative Ausgestaltung zu der Integration des Weiteren Lagermittels sieht vor, dass das weitere Lagermittel ein benachbart zum Wälzlager angeordnetes zweites Wälzlager umfassend wenigstens eine auf Laufbahnen zweier Wälzlagerringe wälzende Wälzkörperreihe ist. Das heißt, dass gemäß dieser Alternative ein separates „Opfer“-Wälzlager bevorzugt direkt neben das eigentliche lasttragende Wälzlager gesetzt wird. Wie beschrieben hat es nicht die Aufgabe, Lasten zu übertragen, es kann also dementsprechend einfach ausgelegt werden. Lediglich erforderlich ist, dass es quasi in den elektrischen Spannungskreis geschaltet ist wie das eigentliche Wälzlager, was aber eben dadurch sichergestellt ist, dass beide zu lagernden Bauteile ebenfalls über dieses zusätzliche zweite Wälzlager gekoppelt sind und dass es bevorzugt unmittelbar benachbart zum ersten lasttragenden Wälzlager angeordnet ist.
-
Die geringere elektrische Durchschlagspannung des zusätzlichen Lagermittels, also der zusätzlichen integrierten Wälzkörperreihe oder des zweiten Wälzlagers, kann auf unterschiedliche Weise sichergestellt werden. Gemäß einer ersten Alternative kann der Teilkreisdurchmesser des Lagermittels kleiner als der von der ersten Wälzkörperreihe sein. Das heißt, dass beispielsweise im Falle der ersten Alternative die Wälzkörper der weiteren Wälzkörperreihe, die im lasttragenden Wälzlager integriert ist, einen kleineren Durchmesser bei gleichem Innenring-Laufbahndurchmesser als die anderen lasttragenden Wälzkörper aufweisen. Im Falle der zweiten Alternative wäre das zweite Wälzlager hinsichtlich der Wälzkörperdurchmesser entsprechend anders ausgeführt.
-
Der geringere Teilkreisdurchmesser führt bei gleicher Drehzahl zu einer geringeren Schmiermitteldicke.
-
Eine weitere Alternative zur Reduzierung der Durchschlagsfestigkeit liegt darin, die Oberfläche der Wälzkörper des Lagermittels und/oder der Laufbahnen, auf denen die Wälzkörper laufen, rauer als die Oberfläche der Wälzkörper der ersten Wälzkörperreihe oder der Laufbahnen, auf denen diese Wälzkörper wälzen, auszuführen. Auch durch eine höhere Rauigkeit kann gezielt Einfluss auf die Durchschlagsfestigkeit genommen werden, da bei hinreichend hoher Rauigkeit eine Vielzahl an Überschlagsstellen mit geringerem Abstand gegeben ist, an denen ein etwaiger Durchschlag erleichtert erfolgen kann, verglichen mit einer weniger rauen Oberfläche.
-
Eine dritte Alternative sieht vor, die Durchschlagspannung dadurch zu erniedrigen, dass im Bereich des Wälzlagers und des Lagermittels unterschiedliche Schmiermittel vorgesehen sind, wobei das Schmiermittel des Lagermittels eine niedrigere elektrische Durchschlagsfestigkeit als das des Wälzlagers aufweist. Hier wird also der frühzeitige Durchschlag dadurch provoziert, dass die Isolation der Wälzkomponenten über das Schmiermittel im Lagermittel schlechter ist als im eigentlichen lasttragenden Wälzlager. Denkbar ist es alternativ auch, im Bereich des zur Stromableitung vorgesehenen Lagermittels ein Schmiermittel zu verwenden, das eine niedrigere Viskosität hat, verglichen mit der Viskosität des Schmiermittels im Wälzlager mit Lasttraqfunktion Hieraus resultiert eine geringere Neigung zur Bildung eines Schmierfilms im Lagermittel, wobei, wie vorstehend ausgeführt, der Schmiermittelfilm die eigentliche Isolationsschicht bildet. Ist dieser Schmiermittelfilm schwächer oder dünnerals im Wälzlager mit Lasttraqfunktion so erfolgt hier ein Durchschlag bevorzugt.
-
Kommen unterschiedliche Schmiermittel zum Einsatz, so ist das Wälzlager und das Lagermittel bevorzugt über ein Dichtelement gegeneinander abgedichtet.
-
Eine weitere Alternative zur Sicherstellung eines frühzeitigen Durchschlags über das Lagermittel sieht vor, dass die Wälzkörper und/oder die Laufbahnen des Wälzlagers mit einer einen höheren elektrischen Widerstand als das Material der Wälzkörper und/oder der Laufbahnen aufweisenden Beschichtung belegt ist. Das heißt, dass gemäß dieser Alternative die Durchschlagsfestigkeit der eigentlichen lasttragenden Wälzkörperreihe erhöht wird, indem eine den elektrischen Widerstand erhöhende respektive die elektrische Kapazität verringernde Beschichtung beispielsweise in Form einer Brünierung oder von keramischen Schichten im Strompfad des lasttragenden Wälzlagers vorgesehen wird.
-
Da das Lagermittel, also die zusätzliche, nur eine geringere oder keine lasttragende Wälzkörperreihe oder das zweite Wälzlager keine relevante Lasttragfunktion besitzt, kann demzufolge die Wälzkörperanzahl deutlich reduziert werden, das heißt, dass die Wälzkörperanzahl im Lagermittel kleiner ist als im Wälzlager. Im Falle eines separaten zweiten Wälzlagers kann dieses folglich deutlich einfache konzipiert werden, es kann beispielsweise ein reines, federvorgespanntes Axiallager, z. B. ein nur axial belastetes Schrägkugellager oder Axial-Rillenkugellager sein.
-
Neben der Lageranordnung selbst betrifft die Erfindung ferner eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor oder einen Generator umfassend wenigstens eine über wenigstens eine Lageranordnung der vorbeschriebenen Art gelagerte Welle, wobei die Welle das eine drehzulagernde Teil bildet, während beispielsweise ein Motorengehäuse oder dergleichen das andere Bauteil bildet.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
- 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Lageranordnung einer ersten Ausführungsform, und
- 2 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Lageranordnung einer zweiten Ausführungsform.
-
1 zeigt eine erfindungsgemäße Lageranordnung 1 einer ersten Ausführungsform, umfassend ein erstes Teil 2, beispielsweise ein Gehäuse eines Elektromotors, sowie ein zweites Teil 3, beispielsweise eine Rotorwelle eines Elektromotors. Beide sind über ein Wälzlager 4 mit einer ersten, lasttragenden Wälzkörperreihe 5 miteinander verbunden respektive gegeneinander drehgelagert. Wenngleich 1 nur eine Prinzipdarstellung ist, handelt es sich beispielsweise um eine Schrägkugellagerausgestaltung, wobei die Erfindung hierauf nicht begrenzt ist.
-
Das Wälzlager 4 weist ein zusätzliches Lagermittel 6 in Form einer zweiten Wälzkörperreihe 7 auf, die dem Überspannungsschutz der ersten Wälzkörperreihe 5 dient. Das Lagermittel 6 weist eine geringere elektrische Durchschlagspannung als das Wälzlager 4 im Bereich der Wälzkörperreihe 5 auf. Dies ist dadurch sichergestellt, dass sich aufgrund eines kleineren Teilkreisdurchmessers der zweiten Wälzkörperreihe 7 im Vergleich zum Durchmesser der Wälzkörper 9 der ersten Wälzkörperreihe 5 eine geringere Schmierfilmdicke im Bereich zwischen den Laufbahnen 10, 11 im Au-ßenring 12 und Innenring 13 im Bereich der zweiten Wälzkörperreihe 7 ausbildet, verglichen mit einer größeren Schmierfilmdicke zwischen den Laufbahnen 14 und 15, auf beziehungsweise in denen die Wälzkörper 9 der ersten Wälzkörperreihe 5 laufen. Es ist also bei gleichem Innenringdurchmesser und deutlich kleinerem Wälzkörperdurchmesser ein geringerer Teilkreisdurchmesser im Bereich der Wälzkörperreihe 7 gegeben. Dies führt zu einer Herabsetzung der Durchschlagspannung über die Wälzkörperreihe 7, so dass im Falle eines etwaigen hinreichend hohen anliegenden Spannungspotentials ein Überschlag über die zweite Wälzkörperreihe 7 erfolgt, da diese geringer isoliert ist, verglichen mit der ersten Wälzkörperreihe 5. Die zweite Wälzkörperreihe 7 ist wenn überhaupt nur geringer lasttragend als die erste Wälzkörperreihe 5, das heißt, dass über die zweite Wälzkörperreihe 7 keine oder nur eine geringere Last abgestützt wird. Etwaige aus einem Überschlag resultierende Beeinträchtigungen der Oberflächenqualität der Wälzkörper 8 respektive im Bereich der Laufbahnen 10, 11 wirkt sich demzufolge nicht negativ auf das Tragverhalten des Wälzlagers 4 aus, da dieser Bereich eben weitgehend lastfrei ist.
-
Bei der Ausgestaltung gemäß 1 ist das sich quasi opfernde Lagermittel 6 in das Wälzlager 4 integriert, das heißt, dass das Wälzlager 4 als hier zweireihiges Lager ausgeführt ist.
-
Anders demgegenüber die Ausgestaltung gemäß 2, wobei für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet werden. Auch hier ist eine Lageranordnung 1 gezeigt, mit einem ersten Teil 2 und einem zweiten Teil 3 sowie einem Wälzlager 4 mit der ersten Wälzkörperreihe 5 mit den Wälzkörpern 9. Diese laufen wiederum auf Laufbahnen 14, 15 des Außenrings 12 und des Innenrings 13.
-
Benachbart zum ersten Wälzlager 4 ist ein das Lagermittel 6 bildendes zweites Wälzlager 16 mit einem Außenring 17 und einem Innenring 18 mit entsprechenden Laufbahnen 19, 20 vorgesehen, das eine zweite Wälzkörperreihe 21 mit Wälzkörpern 22 aufweist. Auch hier ist das Wälzlager 4 lasttragend, während das Wälzlager 16 nicht oder nur geringfügig lasttragend ist. Es kann beispielsweise ein nur axial belastetes Schrägkugellager oder ein Axial-Rillenkugellager sein. Wie 2 zeigt, sind die Durchmesser der Wälzkörper 9 und 22, wie auch im Beispiel gemäß 1 Kugeln, hier gleich. Die geringere Durchschlagspannung im zweiten Wälzlager 16 wird im gezeigten Beispiel dadurch sichergestellt, dass unterschiedliche Schmiermittel in den Wälzlagern 4 und 16 verwendet werden. Im Wälzlager 4 wird ein erstes Schmiermittel 23 verwendet, das eine höhere Durchschlagsfestigkeit aufweist als das Schmiermittel 24, das im zweiten Wälzlager 16 verwendet wird. Das heißt, dass der Schmiermittelfilm zwischen den jeweiligen Außen- und Innenringen 12, 17 respektive 13, 18 im Bereich des ersten Wälzlagers 4 eine höhere Isolationswirkung aufweist als im Bereich des zweiten Wälzlagers 16. Bei Anliegen einer hinreichend hohen Spannung kommt es demzufolge zuerst zu einem Durchschlag über das zweite Wälzlager 16 respektive die Wälzkörperreihe 21, während im Wälzlager 4 kein Durchschlag erfolgt.
-
Um sicherzustellen, dass die Schmiermittel 23, 24 voneinander getrennt sind, ist neben den beiden axialen Dichtungen 25, 26 (die auch im Wälzlager 4 gemäß 1 vorgesehen sind) auch eine Dichtung 27 im Bereich zwischen den Wälzkörperreihen 5 und 21 vorgesehen.
-
Alternativ zur Verwendung von Schmiermitteln 23, 24 mit unterschiedlicher elektrischer Durchschlagsfestigkeit ist es auch denkbar, als Schmiermittel 24 ein solches zu verwenden, das eine niedrigere Betriebsviskosität aufweist, also im Betrieb und bei Anliegen der Betriebstemperatur eine geringere Neigung zur Schmierfilmbildung besitzt als das Schmiermittel 23. Demzufolge bildet sich im Bereich des Wälzlagers 16 nur ein etwas weniger dicker oder lokale dicke Schwankungen aufweisender Schmiermittelfilm, verglichen mit dem im Wälzlager 4, so dass auch hierüber sichergestellt werden kann, dass ein etwaiger Durchschlag in jedem Fall ausschließlich über das erste Wälzlager 16 erfolgt.
-
Wenngleich nicht näher dargestellt, kann sowohl im Falle der Ausgestaltung gemäß 1 als auch 2 die Durchschlagsfestigkeit auch zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass die Laufbahnen und Wälzkörper des Lagermittels 6 rauer sind als im Bereich des eigentlichen lasttragenden Wälzlagers 4, wobei die erhöhte Rauigkeit einen frühzeitigen Durchschlag und auch längeren Verbleib in der Mischreibung, in der die Rauheitskuppen die Laufbahnen kurzschließen, fördert. Als Maßnahme, die Durchschlagsfestigkeit im Bereich des lasttragenden Wälzlagers zu erhöhen, ist es denkbar, die dort beteiligten Wälzpartner, also die Laufbahnen und Wälzkörper, gegebenenfalls mit einer den Widerstand erhöhenden Beschichtung, beispielsweise einer Brünierung oder einer keramischen Beschichtung, zu versehen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Lageranordnung
- 2
- erstes Teil
- 3
- zweites Teil
- 4
- Wälzlager
- 5
- Wälzkörperreihe
- 6
- Lagermittel
- 7
- zweite Wälzkörperreihe
- 8
- Wälzkörper
- 9
- Wälzkörper
- 10
- Laufbahn
- 11
- Laufbahn
- 12
- Außenring
- 13
- Innenring
- 14
- Laufbahn
- 15
- Laufbahn
- 16
- Wälzlager
- 17
- Außenring
- 18
- Innenring
- 19
- Laufbahn
- 20
- Laufbahn
- 21
- Wälzkörperreihe
- 22
- Wälzkörper
- 23
- Schmiermittel
- 24
- Schmiermittel
- 25
- axiale Dichtung
- 26
- axiale Dichtung
- 27
- Dichtung
