DE102020205860A1 - Lageranordnung - Google Patents

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Abstract

Offenbart wird eine Lageranordnung (1) zum Lagern einer Antriebswelle eines elektrischen Antriebsmotors mit zumindest einem Innenring (2-1, 2-2), zumindest einem Außenring (4) und Wälzkörpern (6-1, 6-2), die zwischen dem Innenring (2-1, 2-2) und dem Au-ßenring (4) angeordnet sind, wobei die Lageranordnung (1) als Schrägkugellager mit zwei Reihen von Wälzkörpern (6-1, 6-2) ausgebildet ist.

Description

  • Vorliegende Erfindung betrifft eine Lageranordnung zum Lagern einer Antriebswelle eines elektrischen Antriebsmotors gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Die vorliegende Erfindung betrifft des Weiteren eine Wellenanordnung für einen elektrischen Antriebsmotor gemäß Patentanspruch 9.
  • Aktuelle elektrische Antriebsmotoren werden üblicherweise durch gepaarte Rillenkugellager gelagert. Solche Rillenkugellager zeigen eine hohe Axialluft und sind axial nicht sehr steif. Daher sind Rillenkugellager in ihrem Anwendungsbereich, insbesondere bei hohen Drehzahlen, beschränkt. Bei der Entwicklung von aktuellen Motoren, insbesondere Elektromotoren, wird jedoch darauf geachtet, das Gewicht sowie die Größe der Motoren zu reduzieren. Um dies zu erreichen werden Motoren entwickelt, die bei sehr hohen Geschwindigkeiten laufen können. Hierbei können n*dm-Werte (Drehzahl*Teilkreisdurchmesser) von 1.000.000 mm/min oder mehr erreicht werden. Die derzeit bei elektrischen Antriebsmotoren verwendeten Rillenkugellager können solchen hohen Drehzahlen, bzw. n*dm-Werten, jedoch nicht standhalten.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lageranordnung zum Lagern einer Antriebswelle eines elektrischen Antriebsmotors bereitzustellen, die in der Lage ist, sehr hohen Drehzahlen, insbesondere n*dm-Werten von 1.000.000 mm/min oder höher standhalten zu können.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Lageranordnung zum Lagern eine Antriebswelle eines elektrischen Antriebsmotors gemäß Patentanspruch 1 sowie eine Wellenanordnung mit einer solchen Lageranordnung gemäß Patentanspruch 9 gelöst.
  • Die Lageranordnung weist zumindest einen Innenring, zumindest einen Außenring und Wälzkörper auf, die zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnet sind. Um im Gegensatz zu bisherigen Lageranordnungen mit Rillenkugellagern auch Antriebswellen von elektrischen Antriebsmotoren bei höheren Drehzahlen, insbesondere bei n*dm-Werten von 1.000.000 mm/min oder höher, lagern zu können, ist die vorliegende Lageranordnung als Schrägkugellager mit zwei Reihen von Wälzkörpern ausgebildet. Durch die Ausbildung als Schrägkugellager kann die Steifigkeit der Lageranordnung und damit des Motors erhöht werden. Somit können die Motoren mit höheren Drehzahlen verwendet werden, als es mit den bisher verwendeten Rillenkugellagern möglich ist. Der Einfachheit halber werden im Folgenden die n*dm-Werte (Drehzahl*Teilkreisdurchmesser), die eine genauere Angabe liefern, als Drehzahlen bezeichnet.
  • In bisherigen Lageranordnungen für Antriebswellen wurden Rillenkugellager verwendet, die zwar günstiger sind, jedoch nur geringen Drehzahlen, insbesondere n*dm-Werten von weniger 700.000 mm/min, standhalten. Die Erfinder haben jedoch festgestellt, dass trotz der höheren Kosten die Verwendung von Schrägkugellagern vorteilhaft ist, da durch diese Motoren mit höheren Drehzahlen entwickelt werden können. Durch diese hohen Drehzahlen können die Motoren leichter und kompakter gebaut werden, was die höheren Kosten der Schrägkugellager aufwiegt. Zusätzlich zu den höheren Drehzahlen bieten die Schrägkugellager überraschend den Vorteil, dass sie auch bei den höheren Drehzahlen noch stabiler sind als die bislang verwendeten Rillenkugellager. Dies hat auch den positiven Effekt, dass die Motoren, bzw. die Antriebswellen, stabiler sind.
  • Der Durchmesser der Wälzkörper kann insbesondere zwischen 0,2*(D-d) und 0,4*(D-d), insbesondere zwischen 0,25*(D-d) und 0,35*(D-d) liegen. D gibt hierbei den Außendurchmesser der Lageranordnung an und d gibt den Innendurchmesser der Lageranordnung an. Die Wälzkörper, insbesondere die Kugeln, sind somit kleiner, als es bei den üblichen Schrägkugellagern der Fall ist. Beispielsweise kann der Wälzkörperdurchmesser bei zwei gepaarten einreihigen Schrägkugellagern gemäß dieser Ausführungsform 0,33*(D-d) und bei einem doppelreihigen Schrägkugellager 0,303*(D-d) sein.
  • Durch die kleineren Wälzkörper kann die Steifigkeit der Lageranordnung erhöht werden, da bei kleineren Wälzkörpern mehr Wälzkörper pro Lager eingesetzt werden können. Lager mit vielen kleinen Wälzkörper sind steifer als jene mit wenigen großen Wälzkörpern.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Kontaktwinkel des Schrägkugellagers zwischen 15° und 40°, insbesondere zwischen 15° und 25°. Kleinere Winkel können für hohe Drehzahlen besonders gut geeignet sein, da die durch Fliehkraft verursachte Berührwinkeländerung sehr klein ist und dadurch die Abnutzung reduziert wird.
  • In einer Ausführungsform kann der Kontaktwinkel der beiden Reihen von Wälzkörpern identisch zueinander sein.
  • Alternativ kann der Kontaktwinkel der beiden Reihen von Wälzkörpern unterschiedlich sein. Insbesondere hat dabei die erste Reihe der Wälzkörper einen kleineren Kontaktwinkel als die zweite Reihe der Wälzkörper. Dies hat den Vorteil, dass die Reihe mit dem kleineren Kontaktwinkel eine hohe radiale Steifigkeit erzeugt. Die Reihe mit dem größeren Kontaktwinkel erzeugt im Gegenzug eine hohe axiale Steifigkeit. Auf diese Weise wird sowohl die radiale als auch die axiale Steifigkeit durch die Lageranordnung erhöht.
  • Das Lager mit kleinerem Kontaktwinkel sollte an der Motorinnenseite liegen. Durch dieses Lager werden in erster Linie die Radialkräfte aufgenommen. Durch die innenliegende Position wird die Stützweite reduziert und dadurch die Wellendurchbiegung verringert.
  • Die Wälzkörper können aus Metall, insbesondere Stahl, oder einem Keramikmaterial hergestellt werden. Die Auswahl des Materials hängt insbesondere von der Geschwindigkeit und den Anforderungen an die elektrische Leitfähigkeit ab. Bevorzugt werden die Wälzkörper aus Keramik hergestellt, da dies die Wälzkörper, Ringe und Schmierstoff vor Elektroerosion schützt.
  • Die Lageranordnung kann des Weiteren ein elektrisch leitendes Element, insbesondere eine elektrisch leitende Bürste aufweisen, die zwischen dem Innenring und dem Außenring angeordnet ist. Eine solche Bürste kann insbesondere in Zusammenhang mit Wälzkörpern aus Keramik verwendet werden, um den Innen- und den Außenring elektrisch miteinander zu verbinden. Dieses leitende Element kann somit sicherstellen, dass keine statischen Spannungen in der Lageranordnung aufgebaut werden, da diese über die Verbindung zwischen Innenring und Außenring abgeleitet werden können. Elektrostatisch aufgeladene Rotoren stellen ein Sicherheitsrisiko dar, da bei Berührung der Strom durch einen Menschen abgeleitet werden könnte.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist die Lageranordnung zwei Innenringe und zwei Außenringe auf, zwischen denen jeweils eine Reihe von Wälzkörpern angeordnet ist. Die Lageranordnung ist somit als ein Satz von gepaarten Schrägkugellagern ausgebildet, die in einer X- oder O-Anordnung angeordnet sein können. Die zwei gepaarten einreihigen Schrägkugellager können zusätzlich durch eine Feder in axialer Richtung zueinander vorgespannt werden.
  • Gemäß einer anderen Ausführungsform weist die Lageranordnung zwei Innenringe und einen Außenring auf. Ein solches doppelreihiges Schrägkugellager kann die möglichen Drehzahlen weiter erhöhen, da es eine höhere axiale Steifigkeit aufweist als ein zweireihiges Schrägkugellager mit einteiligen Innenring.
  • Allgemein können bei der hier vorgeschlagenen Lageranordnung einstückige Käfige, beispielsweise aus Kunststoff oder aus Metall, verwendet werden, die ideal für hohe Geschwindigkeiten sind. Die Taschen des Käfigs können entweder umfänglich gleichmäßig oder ungleich beabstandet werden. Eine ungleiche Beabstandung hat hierbei im Gegensatz zu einer gleichen Beabstandung den Vorteil, dass die Kugeldurchgangsfrequenz umliegender Bauteile nicht erregt.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Wellenanordnung für einen elektrischen Antriebsmotor vorgeschlagen. Die Wellenanordnung weist eine Antriebswelle auf, die an beiden Enden durch die oben beschriebene Lageranordnung gelagert ist.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen sind in der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen angegeben. Dabei sind insbesondere die in der Beschreibung und in den Zeichnungen angegebenen Kombinationen der Merkmale rein exemplarisch, so dass die Merkmale auch einzeln oder anders kombiniert vorliegen können.
  • Im Folgenden soll die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden. Dabei sind die Ausführungsbeispiele und die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Kombinationen rein exemplarisch und sollen nicht den Schutzbereich der Erfindung festlegen. Dieser wird allein durch die anhängigen Ansprüche definiert.
  • Es zeigen:
    • 1: eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform einer Lageranordnung zum Lagern einer Antriebswelle eines elektrischen Antriebsmotors; und
    • 2: eine Querschnittsansicht einer zweiten Ausführungsform einer Lageranordnung zum Lagern einer Antriebswelle eines elektrischen Antriebsmotors.
  • Im Folgenden werden gleiche oder funktionell gleichwirkende Elemente mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform einer Lageranordnung 1 zum Lagern eine Antriebswelle eines elektrischen Antriebsmotors. Die Lageranordnung 1 ist als doppelreihiges Schrägkugellager ausgebildet und weist einen geteilten Innenring 2-1, 2-2 auf. Die Lageranordnung 1 weist des Weiteren einen einzigen, gemeinsamen Außenring 4 auf. Zwischen dem geteilten Innenring 2-1, 2-2 und dem Außenring 4 sind zwei Reihen von Wälzkörpern 6-1 und 6-2 angeordnet.
  • Durch den Einsatz eines Schrägkugellagers 1 zum Lagern eine Antriebswelle eines elektrischen Antriebsmotors können in dem Motor höhere Drehzahlen realisiert werden, als es mit bisherigen Lageranordnungen, die Rillenkugellager verwenden, möglich war. Durch die verwendeten Schrägkugellager 1 ist es möglich, dass die Antriebswelle und damit der Motor bei sehr hohen Drehzahlen bis zu 1.500.000 mm/min, oder sogar höher, betrieben wird. Bei den bislang verwendeten Rillenkugellagern konnten lediglich Drehzahlen von bis zu 700.000 mm/min erreicht werden. Durch die höheren Drehzahlen ist es möglich, dass der Motor kleiner und leichter im Vergleich zu bisherigen Motoren gebaut werden kann.
  • In dem in 1 dargestellten Schrägkugellager 1 ist der Kontaktwinkel α = 30°. Anstelle von zwei identischen Kontaktwinkeln, wie es hier gezeigt ist, können auch unterschiedliche Kontaktwinkel verwendet werden. Dies hat den Vorteil, dass die Reihe mit dem kleineren Kontaktwinkel eine höhere radiale Steifigkeit erzeugt, während die Reihe mit dem größeren Kontaktwinkel eine höhere axiale Steifigkeit erzeugt.
  • Das Schrägkugellager 1 wird verwendet, um eine Antriebswelle eines elektrischen Antriebsmotors zu lagern. Hierzu wird die Antriebswelle an jedem Ende durch eine Lageranordnung, wie sie in 1 oder 2 dargestellt ist, gelagert. Die Innenringe 2-1, 2-2 der Schrägkugellager 1 sind an der Antriebswelle angeordnet, wohingegen die Außenringe 4 in einem Gehäuse des Antriebsmotors angeordnet sind, um die Antriebswelle in dem Gehäuse zu lagern.
  • Im Vergleich zu herkömmlichen Schrägkugellager ist der Durchmesser Dw der Wälzkörper 6-1, 6-2 kleiner gewählt. Insbesondere kann der Durchmesser Dw bei einem solchen doppelreihigen Schrägkugellager 1 0,303*(D-d) sein, wobei D der Lageraußendurchmesser und d der Lagerinnendurchmesser ist.
  • Die Wälzkörper 6-1, 6-2 können durch jeweilige Käfige 8-1, 8-2 gehalten werden. Insbesondere kann es sich hierbei um einstückige Käfige handeln. Die Käfige 8-1, 8-2 können aus Kunststoff oder aus Metall hergestellt werden. Nach außen kann die Lageranordnung 1 durch jeweilige Dichtungsanordnungen 10 abgedichtet werden.
  • Anstelle eines doppelreihigen Schrägkugellagers können auch zwei einreihige Schrägkugellager 1-1, 1-2 verwendet werden, wie es in 2 dargestellt ist. Die beiden einreihigen Schrägkugellager 1-1, 1-2 sind hier paarweise montiert. Im Gegensatz zu dem doppelreihigen Schrägkugellager 1 von 1 ist das Schrägkugellager 1 in diesem Fall also mit zwei Innenringen 2-1, 2-2 und zwei Außenringe 4-1, 4-2 ausgebildet.
  • In der dargestellten Ausführungsform sind die beiden Schrägkugellager 1-1, 1-2 in einer O-Anordnung dargestellt. Alternativ können die beiden einreihigen Schrägkugellager 1-1, 1-2 auch in einer X-Anordnung eingebaut werden.
  • Bevorzugt kann der Durchmesser Dw der Wälzkörper 6-1, 6-2 in diesem Fall 0,33*(D-d) sein. Die Wälzkörper 6-1, 6-2 können durch jeweilige Käfige 8-1, 8-2 gehalten werden.
  • Der Kontaktwinkel α ist auch bei dieser Lageranordnung 1 30°. Es sollte jedoch beachtet werden, dass der Kontaktwinkel der Schrägkugellager von 1 und 2 zwischen 15° und 40° sein kann. Ein kleinerer Kontaktwinkel hat den Vorteil, dass die Lageranordnung 1 höheren Drehzahlen standhalten kann. Der Kontaktwinkel α kann sich auch zwischen den beiden Wälzkörperreihen 6-1, 6-2 unterscheiden. Die Reihe mit dem kleineren Kontaktwinkel erhöht die radiale Steifigkeit, wohingegen die Reihe mit dem größeren Kontaktwinkel die axiale Steifigkeit erhöht.
  • Wie oben erläutert ist es durch die hier vorgeschlagene Lageranordnung möglich, bei Motoren, in denen die Lageranordnung zum Lagern der Antriebswelle verwendet wird, sehr hohe Drehzahlen von bis zu 1.500.000 mm/min oder höher zu realisieren. Dies wird erreicht, indem statt der bisherigen Rillenkugellager Schrägkugellager verwendet werden. Durch diese hohen Drehzahlen können wiederum die Motoren leichter und kompakter gebaut werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Lageranordnung
    2
    Innenring
    4
    Außenring
    6
    Wälzkörper
    8
    Käfig
    10
    Dichtungsanordnung
    α
    Kontaktwinkel
    Dw
    Wälzkörperdurchmesser

Claims (9)

  1. Lageranordnung (1) zum Lagern einer Antriebswelle eines elektrischen Antriebsmotors mit zumindest einem Innenring (2-1, 2-2), zumindest einem Außenring (4) und Wälzkörpern (6-1, 6-2), die zwischen dem Innenring (2-1, 2-2) und dem Außenring (4) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageranordnung (1) als Schrägkugellager mit zwei Reihen von Wälzkörpern (6-1, 6-2) ausgebildet ist.
  2. Lageranordnung nach Anspruch 1, wobei der Durchmesser (Dw) der Wälzkörper (6-1, 6-2) zwischen 0,2*(D-d) und 0,4*(D-d), insbesondere zwischen 0,25*(D-d) und 0,35*(D-d) liegt, wobei der D der Außendurchmesser der Lageranordnung (1) und d der Innendurchmesser der Lageranordnung (1) ist.
  3. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kontaktwinkel (α) des Schrägkugellagers (1) zwischen 15° und 40°, insbesondere zwischen 15° und 25°, liegt.
  4. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kontaktwinkel (α) der beiden Reihen von Wälzkörpern (6-1, 6-2) unterschiedlich ist.
  5. Lageranordnung nach Anspruch 4, wobei die erste Reihe (6-1) der Wälzkörper (6-1, 6-2) einen kleineren Kontaktwinkel (α) als die zweite Reihe (6-2) der Wälzkörper (6-1, 6-2) hat.
  6. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein elektrisch leitendes Element, insbesondere eine elektrisch leitende Bürste, zwischen dem Innenring (2-1, 2-2) und dem Außenring (4) angeordnet ist.
  7. Lageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lageranordnung (1) zwei Innenringe (2-1, 2-2) und zwei Außenringe (4-1, 4-2) aufweist, zwischen denen jeweils eine Reihe von Wälzkörpern (6-1, 6-2) angeordnet ist.
  8. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Lageranordnung (1) zwei Innenringe (2-1, 2-2) und einen Außenring (4) aufweist.
  9. Wellenanordnung für einen elektrischen Antriebsmotor, mit einer Welle, die an beiden Enden durch eine Lageranordnung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 gelagert ist.
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