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Die Erfindung betrifft ein Lagerschild für Motoren, insbesondere elektrische rotierende Maschinen wie Elektromotoren und/oder Generatoren mit verbesserter Steifigkeit.
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Ein Lagerschild verbindet das Gehäuse eines Elektromotors mit der Lagerung für den sich drehenden Rotor. Es gibt in der Regel zwei Lagerschilde an einem Elektromotor, da die Welle an zwei Punkten gelagert wird. Ein erstes Lagerschild eines Elektromotors oder Generators trägt ein Loslager, welches in der Regel keine axialen Kräfte aushält und ein zweites Lagerschild trägt das Festlager. Das Festlager nimmt in axialer Richtung wirkende Kräfte auf und das dazugehörige Lagerschild ist entsprechend massiv dimensioniert und konstruiert.
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Dieses zweite Lagerschild des Festlagers ist das Bauteil, über welches die große Masse des Motors an das Gehäuse angebunden ist. Der gesamte Rotorbereich kann in axialer Richtung schwingen, wobei das Lagerschild quasi als Feder fungiert. Das Lagerschild ist daher so steif wie möglich konstruiert und dimensioniert, um die erste Eigenfrequenz des Motors so hoch wie möglich zu halten. Es wird damit ausgeschlossen, dass die erste Eigenfrequenz des Motors in den Drehzahlbereich des Motors fällt. Bei gängigen 3000U/min Maschinen beispielsweise beträgt die Eigenfrequenz-Untergrenze 50 Hz ohne die Einbeziehung etwaiger Sicherheiten.
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Ein Lagerschild ist in der Regel flach und steif ausgebildet, mit entsprechenden Bohrungen zur Fixierung. 1 zeigt ein Lagerschild nach dem Stand der Technik. Ein Problem bei einem gängigen Lagerschild, wie in 1 gezeigt, ist, dass die Steifigkeit über die Masse erreicht wird, wobei besonders schwere und dicke Lagerschilde einfach die höhere Biegesteifigkeit haben. Ein dickeres Lagerschild hingegen erfordert wieder längere Schrauben. Ab einem bestimmten Punkt verschiebt sich die weichste Stelle des Lagerschildes auf die Einschraubungen. Es gibt daher eine sinnvolle Obergrenze für die Dicke eines Lagerschildes.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Gestaltung für ein derartiges Lagerschild anzugeben, die eine höhere Steifigkeit des Lagerschildes bei gleicher Masse bringt.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wie er aus der Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen hervorgeht, gelöst.
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Dementsprechend ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein rundes Lagerschild für eine rotierende elektrische Maschine, eine Vorrichtung zur Aufnahme für ein Lager innen und Mittel zur Befestigung des Lagerschilds am Gehäuse der elektrischen Maschine außen aufweisend,
wobei das Lagerschild eine Geometrie aufweist, die geeignet ist, der Deformation der ersten Eigenfrequenz entgegenzuwirken.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Geometrie so, dass die Ebenen der Vorrichtung zur Aufnahme des Lagers einerseits und die Ebene der Mittel zur Befestigung des Lagerschilds am Gehäuse andererseits gegeneinander in axialer Länge der elektrischen Maschine verschoben vorliegen.
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Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass eine Geometrie, die geeignet ist, der Deformation der ersten Eigenfrequenz entgegenzuwirken, eine kegelförmige Lagerschildgeometrie - wie in 2 gezeigt - ist.
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Diese kann bei richtiger und/oder optimierter Ausführung gegenüber den herkömmlichen plattenförmigen Lagerschilden, wie in 1 gezeigt, eine deutlich höhere Biegesteifigkeit bei geringerer Masse erzielen. Untersuchungen haben gezeigt, dass bei einer kegelförmigen Lagerschildgeometrie die erste Eigenfrequenz in ihrer Verformung gezielt behindert wird, weil diese in einen höheren Frequenzbereich verschoben wird. Dieser Effekt wurde hier erstmals gefunden und ersetzt die in der Konstruktionspraxis übliche Erhöhung der Plattendicke und/oder das Einbringen von lastpfadorientierten Verrippungsstrukturen als konstruktive Ansätze zur Erhöhung der Steifigkeit.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Geometrie, die geeignet ist, der Deformation der ersten Eigenfrequenz entgegenzuwirken, eine kegelförmige Geometrie. Beispielsweise wird diese dadurch realisiert, dass die Mittel zur Befestigung des Lagerschilds am Gehäuse der elektrischen Maschine achsseitig verschoben sind gegenüber der Vorrichtung zur Aufnahme des Lagers. Der Ausmaß der Verschiebung entspricht der Abweichung des Lagerschilds von der platten Geometrie weg hin zur kegelförmigen Geometrie.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Vorrichtung zur Aufnahme des Lagers einfach eine runde Aussparung im Lagerschild.
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Nach einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Mittel zur Befestigung des Lagerschildes am Gehäuse der elektrischen Maschine Schrauben mit entsprechenden Bohrungen an dem äußeren Rand des Lagerschildes.
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Diese Mittel des Lagerschilds befinden sich nach dem Stand der Technik, wie in 1 gezeigt, nach dem Einbau in die elektrische Maschine achsseitig auf der gleichen Höhe wie die Vorrichtung zur Aufnahme des Lagers, weil das Lagerschild gemäß dem Stand der Technik platt ist.
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Gemäß der Erfindung wird jedoch eine kegelförmige und nicht eine platte Geometrie des Lagerschilds realisiert und entsprechend befinden sich nach dem Einbau in die elektrische Maschine die Mittel zur Befestigung des Lagerschilds am Gehäuse der elektrischen Maschine nicht auf der gleichen Höhe achsseitig wie die Vorrichtung zur Aufnahme des Lagers.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform bleiben die Mittel zur Befestigung außen am Lagerschild wegen der Beibehaltung oder sogar einer Reduktion der Masse des Lagerschildes unverändert oder werden sogar kleiner respektive leichter.
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Durch ein Lagerschild mit einer Geometrie, die geeignet ist, der Deformation der ersten Eigenfrequenz entgegenzuwirken, ist ein überraschend hohes Steifigkeits-Massenverhältnis realisierbar, so dass bei vergleichsweise geringer Masse eine hohe Steifigkeit des Lagerschilds resultiert.
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Bei der Durchführung einiger Beispielssimulationen verschiedener Lagerschilddesigns konnte in erster grober Annäherung das Verhältnis von Lagerschildmasse zu Lagerschildsteifigkeit bestimmt werden, und es wurde eine über 50% gesteigerte Steifigkeit bei reduzierter Masse im Vergleich zu den bekannten Vollmasse- und/oder Rippen-Geometrien für Lagerschilde.
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Die hier erstmals offenbarte Geometrie des Lagerschilds lässt sich mit allen denkbaren Materialien für Lagerschilde realisieren, beispielsweise kann das Lagerschild aus Metall, beliebige Metalllegierungen wie Stahl, Aluminium, Guß sein, andererseits ist diese Geometrie auch gut geeignet für eine Realisierung in Leichtbauweise, also mit verstärkten Kunststoffen realisieren.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegt das Lagerschild in einer Geometrie, die geeignet ist, der Deformation der ersten Eigenfrequenz entgegenzuwirken, vor und hat zusätzlich noch Rippenstrukturen zur Erhöhung der Steifigkeit.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform davon werden die Rippenwinkel und/oder die Dicke des Lagerschilds mittels einer rechnergestützten Geometrieoptimierung angepasst.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird die Lagerschild Geometrie, die geeignet ist, der Deformation der ersten Eigenfrequenz entgegenzuwirken, kombiniert mit faserverstärkten Konstruktionswerkstoffen. Diese Geometrie kann in gängigen Fertigungsverfahren und Materialklassen der faserverstärkten Konstruktionswerkstoffe realisiert werden. Die genannte Geometrie führt dann zu einem besonders stark verbesserten Steifigkeits-Masse-Verhältnis des resultierenden Lagerschilds.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird die Geometrie eines Lagerschildes, die geeignet ist, der Deformation der ersten Eigenfrequenz entgegenzuwirken, dahingehend optimiert, dass sie geeignet ist, beim Lagerschild die Belastungen im Material von Schubbelastungen zu Zug-DruckBelastungen zu verschieben. Diese Optimierung erfolgt bevorzugt rechnergestützt.
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Die hier besonders geeigneten, dem Fachmann bekannten Konstruktionswerkstoffe erfüllen beispielsweise auch gestellte Anforderungen bezüglich der Schwingungsdämpfungseigenschaften.
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Als Konstruktionswerkstoffe bieten sich dabei neben keramischen und metallischen auch insbesondere die polymerbasierten Faserverbundwerkstoffe, auch als Polymercomposites bezeichnet, insbesondere an. Diese vereinigen hohe konstruktive Steifigkeit, geringes spezifisches Gewicht und hohe Schwingungsdämpfung. Die hier einsetzbaren Faserverbundwerkstoffe können eine thermoplastische oder eine duroplastische Polymermatrix aufweisen. Sie können beliebige Faserverstärkung zeigen, wie sie beispielsweise als so genannte Bulk- und/oder Sheet-Moulding-Compounds, auch - „BMC“ respektive „SMC“- genannt, auf dem Markt erhältlich sind.
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Bevorzugt werden die oben genannten polymeren Materialien mit Faserverstärkung, beispielsweise Glasfaser und/oder Kohlefaserverstärkung, eingesetzt. Insbesondere bevorzugt wird Kohlenstofffaserverstärktes Material eingesetzt.
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Zur Herstellung des Lagerschilds können die verschiedensten Materialien, Werkstoffe und/oder Verstärkungsfasern kombiniert vorliegen.
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Besonders bevorzugt sind die Werkstoffe aus denen das Lagerschild aufgebaut ist, aus untereinander kompatiblen - also ohne materialtechnischen Nachteil kombinierbaren - Materialien aufgebaut.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden auch Keramiken und/oder Metalle mit Faserverstärkung eingesetzt.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird insbesondere auch Sheet-Moulding-Compound-Material eingesetzt. Dabei ist besonders bevorzugt, wenn dieses Material in Kombination mit der Kohlenstofffaserverstärkung eingesetzt wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung noch anhand von Figuren, die einfache Ausführungsformen der Erfindung zeigen, näher erläutert:
- 1 zeigt den Stand der Technik
- 2 zeigt demgegenüber ein Lagerschild gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit kegelförmiger Geometrie.
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1 zeigt den Stand der Technik, zu erkennen ist ein Lagerschild 1, das eine platte Geometrie hat. Gezeigt ist eine schräge Ansicht, in der die innen befindliche Vorrichtung 2 zur Aufnahme des Lagers - letzteres nicht dargestellt - die Mittel 3 zur Befestigung des Lagerschilds am Gehäuse der elektrischen Maschine außen und schließlich noch Mittel 4 zur Befestigung des Lagers an der Vorrichtung 2 zur Aufnahme des Lagers.
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In 2 sind die gleichen Elemente zu sehen, die Vorrichtung 5 zur Aufnahme des Lagers mit entlang eines inneren Befestigungskreises 6 Mittel zur Befestigung des Lagers vorgesehen sind, die gegenüber dem Stand der Technik verändert vorliegen.
Insbesondere ist die Vorrichtung 5 zur Aufnahme des Lagers nicht auf einer Ebene mit dem äußeren Kreis 7 zur Befestigung am Gehäuse. Hier ist es anders als beim Lagerschild nach dem Stand der Technik, wie in 1 gezeigt, der innere Anschraub- und/oder Verbindungs-Kreis 6 liegt nicht auf einer Ebene mit dem äußeren Befestigungskreis 7, an dem die Mittel zur Befestigung des Lagers am Gehäuse angeordnet sind, sondern achsenbezogen versetzt davon. Als „Achse“ in „achsenbezogen“ wird dabei die Achse der rotierenden elektrischen Maschine bezeichnet.
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Es wurden verschiedene Lagerschild-Geometrien aus dem Material kohlefaserverstärkten Sheet-Moulding-Composite hergestellt. Die Lagerschilde unterscheiden sich dabei im Hinblick auf die genaue Ausgestaltung der Verrippungen und/oder auf die Dicke des Kegels. Die verschiedenen Geometrien wurden im Hinblick auf die Masse des Lagerschilds, die Masse des Motors und die Eigenfrequenz des Motors optimiert.
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Die Verrippungen wurden einseitig am Lagerschild und beidseitig getestet. Die Verrippungen sind vielfältig gestaltet, beispielsweise als sternförmig zum inneren Befestigungskreis laufende Stege. Diese verlaufen bevorzugt geradlinig, können aber beispielsweise noch untereinander durch Querstege verbunden vorliegen. Dabei können die Querstege wiederum in allen möglichen Winkeln zueinander die längs verlaufenden, vom äußeren zum inneren Befestigungskreis führenden, Rippen verbinden.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform haben die Stege, die die Verrippung bilden, unterschiedliche Form und/oder Masse.
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Eine alternative Geometrievariante ist, dass der innere Anschraub- und/oder Verbindungs-Kreis 6 aus 2 länger ist als der äußere Verbindungskreis 7 in axialer Richtung, also heraussteht. Aber auch hier wird eine kegelförmige Geometrie realisiert, die die benötigte Steifigkeitserhöhung konstruktiv bietet.
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Hier wird erstmals ein Lagerschild für eine elektrische rotierende Maschine vorgestellt, dessen Geometrie geeignet ist, der Deformation der ersten Eigenfrequenz entgegenzuwirken. Insbesondere wird eine Lagerschild Geometrie vorgestellt, deren innerer und äußerer Befestigungskreis axial gegeneinander verschoben sind.
