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Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung für eine Welle einer Elektromaschine, insbesondere einer hochdrehenden Elektromaschine mit Frequenzen von 30000 bis zu 50000 min-1, die vorzugsweise mit einem Rotor der Elektromaschine drehfest verbunden ist, nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch und ein entsprechendes Verfahren zum Lagern einer Welle einer Elektromaschine nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch.
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Oft haben Elektromaschinen, wie auch hochdrehende E-Maschinen (30000 - 50000 min-1) wälzgelagerte Rotoren, weil die Wälzlager mehrere Vorteile bei niedrigen Drehzahlen aufweisen. Die Wälzlager können vorteilhafterweise beim Anlauf und Auslauf der Elektromaschinen arbeiten. Sie weisen geringere Reibmomente und geringere Erwärmung auf, sodass keine zusätzliche Schmiervorrichtungen und/oder Kühlvorrichtungen notwendig sind. Nachteilig ist jedoch bei den Wälzlagern die Drehzahlbegrenzung. Bei hohen Drehzahlen haben die Wälzlager leider begrenzte Belastbarkeit. Dies verursacht verschiedene Begrenzungen bei der Konstruktion und Betrieb der Wälzlager.
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Weiterhin sind Elektromaschinen mit Gleitlager für die Rotoren bekannt. Die Gleitlager haben hohe Belastbarkeit und Lebensdauer. Vorteilhaft bei den Gleitlager ist eine vergleichsweise gute Dämpfung bei Stößen und Vibrationen. Minimaler Platzbedarf und geringes Gewicht durch kompakte Bauweise sind weitere Vorteile der Gleitlager. Allerdings weisen die Gleitlager bei geringen Drehzahlen einige Nachteile auf. Die Gleitlager laufen bei niedrigen Drehzahlen mit erhöhten Verschleiß.
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In der elektrischen Antriebstechnik (Fahrzeugtechnik) sind die Wälzlager wegen den oben benannten Vorteilen genutzt. Große E-Maschinen und Turbinen sind oft mit den Gleitlager gelagert.
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Aus einer Druckschrift
DE 43 22 729 C1 ist eine Drehlageranordnung für eine Fahrzeugachse mit einer Wälzlagereinheit und einer Gleitlagereinheit bekannt, die nebeneinander angeordnet sind und gleichzeitig betrieben werden. Dabei sorgt die Wälzlagereinheit bei niedrigen Drehzahlen für eine stabile Lagerung der Fahrzeugachse und die Gleitlagereinheit bei hohen Drehzahlen für eine Schwingungsdämpfung an der Fahrzeugachse. Nachteilig ist dabei, dass gemäß der
DE 43 22 729 C1 die Gleitlagereinheit bei niedrigen Drehzahlen erwärmt und abgerieben wird, wobei bei hohen Drehzahlen die Wälzlagereinheit Reibverlusten unterlegen ist.
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Einen weiteren Stand der Technik bilden die Druckschriften
US 20170082141 A1 und
DE 1 200 075 A . Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine verbesserte Lageranordnung für eine Welle einer Elektromaschine, insbesondere einer hochdrehenden Elektromaschine mit Frequenzen von 30000 bis zu 50000 min
-1, die vorzugsweise mit einem Rotor der Elektromaschine drehfest verbunden ist, bereitzustellen. Insbesondere ist es die Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Lageranordnung für eine Welle einer Elektromaschine zur Verfügung zu stellen, welche bei unterschiedlichen Drehzahlen der Welle zuverlässig im Betrieb ist, welche einen geringen Verschleiß aufweist und welche eine hohe Dämpfung bei Stößen und Vibrationen ermöglicht. Zudem ist es die Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Lagern einer Welle einer Elektromaschine zur Verfügung zu stellen.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch eine verbesserte Lageranordnung für eine Welle einer Elektromaschine, insbesondere einer hochdrehenden Elektromaschine mit Frequenzen von 30000 bis zu 50000 min-1, die vorzugsweise mit einem Rotor der Elektromaschine drehfest verbunden ist, nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch und ein verbessertes Verfahren zum Lagern einer Welle einer Elektromaschine nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung aufgeführt. Merkmale, die zu den einzelnen Erfindungsaspekten offenbart werden, können in der Weise miteinander kombiniert werden, dass bzgl. der Offenbarung zu den Erfindungsaspekten der Erfindung stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die Erfindung stellt gemäß einem Aspekt zur Lösung der Aufgabe eine Lageranordnung für eine Welle einer Elektromaschine, insbesondere einer hochdrehenden Elektromaschine mit Frequenzen von 30000 bis zu 50000 min-1, die vorzugsweise mit einem Rotor der Elektromaschine drehfest verbunden ist, bereit, aufweisend: ein Gehäuseelement zum Abstützen der Lageranordnung an einem Gehäuse der Elektromaschine und eine Wälzlagereinheit sowie eine Gleitlagereinheit zum drehbaren Lagern der Welle am Gehäuseelement. Hierzu ist erfindungsgemäß eine Kupplungseinheit vorgesehen, um die Wälzlagereinheit oder die Gleitlagereinheit zum drehbaren Lagern der Welle am Gehäuseelement, bspw. in Abhängigkeit von der Drehzahl der Welle und/oder in Abhängigkeit vom Betriebspunkt der Elektromaschine, zu aktivieren.
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Unter einem Gehäuseelement im Sinne der Erfindung kann bspw. ein Gehäuseabschnitt des Gehäuses der Elektromaschine oder ein spezielles Element, z. B. in Form eines Flanschlagers, verstanden werden, das bspw. endseitig am Gehäuse der Elektromaschine befestigt wird. Im Gehäuseelement im Sinne der Erfindung kann bspw. ein äußerer Laufring der Wälzlagereinheit ausgebildet sein.
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Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass mithilfe der Kupplungseinheit die Wälzlagereinheit oder die Gleitlagereinheit zum drehbaren Lagern der Welle am Gehäuseelement, bspw. in Abhängigkeit von der Drehzahl der Welle und/oder in Abhängigkeit vom Betriebspunkt der Elektromaschine, aktiviert wird. Somit können mithilfe der Erfindung die Vorteile der Gleitlager und der Wälzlager gezielt und wahlweise genutzt werden. Mithilfe der Kupplungseinheit ist es somit möglich zu wählen, welche Lager in welchen Betriebspunkt der Elektromaschine aktiv sind. Vorteilhafterweise kann man bei niedrigen Drehzahlen der Welle die Wälzlagereinheit nutzen und bei hohen Drehzahlen der Welle die Gleitlagereinheit. Zum Umschalten zwischen der Wälzlagereinheit und der Gleitlagereinheit in Abhängigkeit von der Drehzahl der Welle kann eine Grenzdrehzahl vorgesehen sein. Weiterhin kann man im Sinne der Erfindung bei großen Lasten, wo die Wälzlagereinheit auf der Grenze Ihrer Belastbarkeit wäre, die Gleitlagereinheit nutzen und bei kleineren Lasten die Wälzlagereinheit. Zum Umschalten zwischen der Wälzlagereinheit und der Gleitlagereinheit in Abhängigkeit von der Last in der Elektromaschine kann ebenfalls ein Schwellenwert vorgesehen sein.
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Folglich können mithilfe der Erfindung mehrere Vorteile erreicht werden:
- - Bei niedrigen Drehzahlen und niedriger Last, wo die Elektromaschinen am häufigsten betrieben werden, kann die Wälzlagereinheit mit kleinen Reibverlusten benutzt werden.
- - Bei großen Drehzahlen, die bspw. größer als eine Grenzdrehzahl für die Wälzlagereinheit sind, kann die Gleitlagereinheit genutzt werden.
- - Die Wälzlagereinheit selbst kann mit kleineren Grenzdrehzahl und größerer Belastbarkeit ausgewählt werden.
- - Die erfindungsgemäße Lageranordnung ermöglicht erhebliche Erhöhung der maximaler Drehzahl der Welle im Betrieb der Elektromaschine.
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Die Wälzlagereinheit und die Gleitlagereinheit sind mit Sinne der Erfindung getrennt aktivierbar. Hierzu können die Wälzlagereinheit und die Gleitlagereinheit koaxial zueinander oder mit anderen Worten parallel gebaut werden, sodass ein Umschalten mithilfe der erfindungsgemäßen Kupplungseinheit zwischen den Lagereinheiten möglich ist. Die Kupplungseinheit kann auf unterschiedliche Art und Weisen ausgebildet sein. Denkbar sind z. B. Kupplungseinheiten mit einer Zahnkupplung oder mit einer Lamellenkupplung.
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Ferner kann die Erfindung im Rahmen einer Lageranordnung vorsehen, dass die Wälzlagereinheit und die Gleitlagereinheit koaxial zueinander und koaxial zur Welle angeordnet sind. Somit kann ein Umschalten zwischen den Lagereinheiten ermöglicht werden, sodass die Welle entweder durch die Wälzlagereinheit oder durch die Gleitlagereinheit gelagert wird.
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Weiterhin kann die Erfindung bei einer Lageranordnung vorsehen, dass die Gleitlagereinheit radial zur Welle gesehen zwischen der Wälzlagereinheit und der Welle ausgebildet ist, und/oder dass die Gleitlagereinheit radial zur Welle gesehen zwischen einem inneren Laufring der Wälzlagereinheit und der Welle ausgebildet ist. Somit kann die Gleitlagereinheit einfach an eine Schmierstoffversorgung, vorzugsweise über entsprechende Bohrungen in der Welle, angeschlossen werden.
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Des Weiteren kann die Erfindung bei einer Lageranordnung vorsehen, dass die Wälzlagereinheit einen inneren Laufring aufweist, der mit einem bewegbaren Kupplungselement der Kupplungseinheit verbunden ist. Somit kann die Kupplungseinheit über den inneren Laufring die Wälzlagereinheit entweder an die Welle oder an das Gehäuseelement anschließen. Im ersteren Falle wird die Wälzlagereinheit aktiviert und im letzteren Falle deaktiviert.
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Zudem kann die Erfindung bei einer Lageranordnung vorsehen, dass die Wälzlagereinheit einen äußeren Laufring aufweist, der ortsfest mit dem Gehäuseelement verbunden ist. Somit kann die Montage der Wälzlagereinheit vereinfacht werden.
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Außerdem kann die Erfindung bei einer Lageranordnung vorsehen, dass die Kupplungseinheit dazu ausgebildet ist, einen inneren Laufring der Wälzlagereinheit drehfest mit der Welle zu schalten, um die Wälzlagereinheit zum drehbaren Lagern der Welle am Gehäuseelement zu aktivieren, oder den inneren Laufring der Wälzlagereinheit fest mit dem Gehäuseelement zu verbinden, um die Gleitlagereinheit zum drehbaren Lagern der Welle am Gehäuseelement zu aktivieren. Somit kann auf eine einfache Art und Weise über den inneren Laufring der Wälzlagereinheit ein Umschalten zwischen den Lagereinheiten ermöglicht werden. Vorteilhafterweise wird dabei nur der innere Laufring der Wälzlagereinheit mit dem bewegbaren Kupplungselement der Kupplungseinheit bewegt. Zum Betätigen der Kupplungseinheit bzw. zum Bewegen des bewegbaren Kupplungselementes der Kupplungseinheit kann eine Antriebseinheit vorgesehen sein, bspw. mit einem Stellantrieb oder einem Linearantrieb.
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Ferner sieht die Erfindung im Rahmen einer Lageranordnung vor, dass die Kupplungseinheit eine Zahnkupplung aufweist. Eine Zahnkupplung ermöglicht eine einfache und kostengünstige Ausführung der Kupplungseinheit mit einer hohen Reibkraft.
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Ein erläuterndes Beispiel sieht vor, dass die Kupplungseinheit eine Lamellenkupplung aufweist. Eine Lamellenkupplung weist vorteilhafterweise ein hohe Leistungs- und Energieaufnahme. Denkbar ist dabei, dass die Lamellenkupplung mit einem Schmiermittel, bspw. Öl, vorteilhafterweise zusammen mit der Gleitlagereinheit, gekühlt wird.
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Des Weiteren stellt die Erfindung zur Lösung der Aufgabe ein Verfahren zum Lagern einer Welle einer Elektromaschine bereit, die vorzugsweise mit einem Rotor der Elektromaschine drehfest verbunden ist. Das Verfahren wird mithilfe einer Lageranordnung ausgeführt, aufweisend: ein Gehäuseelement zum Abstützen der Lageranordnung an einem Gehäuse der Elektromaschine, eine Wälzlagereinheit und eine Gleitlagereinheit zum drehbaren Lagern der Welle am Gehäuseelement. Hier ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass mithilfe einer Kupplungseinheit die Wälzlagereinheit oder die Gleitlagereinheit zum drehbaren Lagern der Welle am Gehäuseelement, bspw. in Abhängigkeit von der Drehzahl der Welle und/oder in Abhängigkeit vom Betriebspunkt der Elektromaschine, aktiviert wird. Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Lageranordnung beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
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Zudem kann die Erfindung im Rahmen eines Verfahrens zum Lagern einer Welle einer Elektromaschine eine Grenzdrehzahl der Welle vorsehen, wobei bis zu der Grenzdrehzahl der Welle die Wälzlagereinheit mithilfe der Kupplungseinheit zum drehbaren Lagern der Welle am Gehäuseelement aktiviert wird, und wobei ab der Grenzdrehzahl der Welle die Gleitlagereinheit mithilfe der Kupplungseinheit zum drehbaren Lagern der Welle am Gehäuseelement aktiviert wird. Auf diese Weise kann eine einfache und effektive Steuerung der Kupplungseinheit ermöglicht werden.
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Außerdem sieht die Erfindung vor, dass das erfindungsgemäße Verfahren mithilfe einer Lageranordnung ausgeführt wird, die speziell zum Ausführen des Verfahrens, insbesondere wie oben beschrieben, ausgeführt ist.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur einen beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen:
- 1 einen möglichen Aufbau einer Lageranordnung im Sinne der Erfindung und
- 2 ein erläuterndes Beispiel einer Lageranordnung.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Merkmale der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.
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Die 1 und 2 zeigen schematisch einer Lageranordnung 100 im Sinne der Erfindung. Die Lageranordnung 100 kann vorzugsweise zum Lagern einer Welle 1 einer Elektromaschine, insbesondere einer hochdrehenden Elektromaschine mit Frequenzen von 30000 bis zu 50000 min-1, Elektromaschine verwendet werden, wobei die Welle 1 mit einem Rotor 2 der Elektromaschine drehfest verbunden sein kann. Die Elektromaschine ist aus Einfachheitsgründen im Ganzen nicht gezeigt.
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Wie es die 1 und 2 zeigen, weist die Lageranordnung 100 folgende Elemente auf: ein Gehäuseelement 101 zum Abstützen der Lageranordnung 100 an einem nicht gezeigten Gehäuse der Elektromaschine und eine Wälzlagereinheit 10 sowie eine Gleitlagereinheit 20 zum drehbaren Lagern der Welle 1 am Gehäuseelement 101 bzw. bezüglich des Gehäuseelementes101.
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Erfindungsgemäß ist eine Kupplungseinheit 30 vorgesehen, um entweder die Wälzlagereinheit 10 oder die Gleitlagereinheit 20 zum gleichen Zeitpunkt bzw. zum gleichen Betriebspunkt der Elektromaschine zum drehbaren Lagern der Welle 1 am Gehäuseelement 101, bspw. in Abhängigkeit von der Drehzahl der Welle 1 und/oder in Abhängigkeit vom Betriebspunkt der Elektromaschine, wie z. B. dem aktuellen Lastzustand der Elektromaschine, zu aktivieren.
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Das Gehäuseelement 101 kann dabei als ein Gehäuseabschnitt des Gehäuses der Elektromaschine oder als ein spezielles Element, bspw. in Form eines Flanschlagers, ausgebildet sein, das bspw. endseitig am Gehäuse der Elektromaschine befestigt wird. Wie es in den 1 und 2 erkennbar ist, ist im Gehäuseelement 101 ein äußerer Laufring 12 der Wälzlagereinheit 10 ausgebildet.
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Mithilfe der Kupplungseinheit 30 können die Vorteile der Gleitlager und der Wälzlager gezielt ausgenutzt werden. Die Kupplungseinheit 30 wird geschaltet, um eine der beiden Lagereinheiten 10, 20 zu aktivieren.
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Im Rahmen der Erfindung kann bei niedrigen Drehzahlen der Welle 1 bevorzugt die Wälzlagereinheit 10 genutzt werden und bei hohen Drehzahlen der Welle 1 die Gleitlagereinheit 20. Zum Umschalten zwischen der Wälzlagereinheit 10 und der Gleitlagereinheit 20 in Abhängigkeit von der Drehzahl der Welle 1 kann eine Grenzdrehzahl (D) vorgesehen sein, die bspw. in einer Speichereinheit einer Steuereinheit für die Kupplungseinheit 30 hinterlegt werden kann.
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Weiterhin kann man im Rahmen der Erfindung bei großen Lasten, wo die Wälzlagereinheit 10 auf Grenzen ihrer Belastbarkeit stoßen könnte, bevorzugt die Gleitlagereinheit 20 genutzt werden und bei kleineren Lasten die Wälzlagereinheit 10. Zum Umschalten zwischen der Wälzlagereinheit 10 und der Gleitlagereinheit 20 in Abhängigkeit von der Last in der Elektromaschine kann ebenfalls ein entsprechender Schwellenwert vorgesehen sein.
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Somit kann bei niedrigen Drehzahlen und niedriger Last, wo die Elektromaschinen am häufigsten betrieben werden, die Wälzlagereinheit 10 mit kleinen Reibverlusten benutzt werden. Bei großen Drehzahlen, die bspw. größer als eine Grenzdrehzahl für die Wälzlagereinheit 10 sind, kann wiederum die Gleitlagereinheit 20 genutzt werden. Somit erwächst der Vorteil, dass die Wälzlagereinheit 10 mit kleineren Grenzdrehzahl und größerer Belastbarkeit ausgelegt sein kann. Mit einer gezielten Nutzung von der Wälzlagereinheit 10 oder der Gleitlagereinheit 20 kann eine erhebliche Erhöhung der maximaler Drehzahl der Welle 1 im Betrieb der Elektromaschine ermöglicht werden.
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Wie es die 1 und 2 ferner zeigen, sind die Wälzlagereinheit 10 und die Gleitlagereinheit 20 koaxial zueinander und koaxial zur Welle 1 angeordnet, um ein Umschalten zwischen den Lagereinheiten 10, 20 zu ermöglichen.
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Weiterhin zeigen die 1 und 2, dass die Gleitlagereinheit 20 radial zur Welle 1 gesehen zwischen der Wälzlagereinheit 10, insbesondere einem inneren Laufring 11 der Wälzlagereinheit 10, und der Welle 1 ausgebildet ist. Somit kann die Gleitlagereinheit 20 einfach an eine Schmierstoffversorgung, vorzugsweise über entsprechende Bohrungen 3 in der Welle 1, angeschlossen werden.
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Die Gleiteinheit 20 kann ein Gleitelement (vgl. die 2) oder mehrere, bspw. zwei, Gleitelemente (vgl. die 1) aufweisen.
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Wie oben bereits erwähnt, weist die Wälzlagereinheit 10 einen inneren Laufring 11 auf, der mit einem bewegbaren Kupplungselement 33 der Kupplungseinheit 30 verbunden ist. Somit kann der innere Laufring 11 der Wälzlagereinheit 10 mit dem bewegbaren Kupplungselement 33 bewegt werden, um die Wälzlagereinheit 10 entweder an die Welle 1 oder an das Gehäuseelement 101 anschließen. Im ersteren Falle wird die Wälzlagereinheit 10 aktiviert und im letzteren Falle die Gleitlagereinheit 20.
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Zudem zeigen die 1 und 2, dass die Wälzlagereinheit 10 einen äußeren Laufring 12 aufweist, der ortsfest mit dem Gehäuseelement 101 verbunden sein kann oder direkt am Gehäuseelement 101 ausgebildet sein kann.
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Die 1 zeigt eine mögliche Ausführungsform der Kupplungseinheit 30 mit einer Zahnkupplung. Mithilfe einer Zahnkupplung können relativ hohe Reibmomente bereitgestellt werden.
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Die 2 zeigt ein erläuterndes Beispiel der Kupplungseinheit 30 mit einer Lamellenkupplung. Mithilfe einer Lamellenkupplung können zwar keine hohen Reibmomente bereitgestellt werden, aber ein hohe Leistungs- und Energieaufnahme. Denkbar ist weiterhin, dass die Lamellenkupplung mit einem Schmiermittel, bspw. Öl, vorteilhafterweise zusammen mit der Gleitlagereinheit 20, gekühlt wird.
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Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Welle
- 2
- Rotor
- 3
- Bohrung
- 100
- Lageranordnung
- 101
- Gehäuseelement
- 10
- Wälzlagereinheit
- 11
- innerer Laufring
- 12
- äußerer Laufring
- 20
- Gleitlagereinheit
- 30
- Kupplungseinheit
- 31
- erstes Kupplungselement
- 32
- zweites Kupplungselement
- 33
- bewegbares Kupplungselement
- Z
- Zahnkupplung
- L
- Lamellenkupplung
- D
- Grenzdrehzahl
